JP2022176579A - Distance image pickup device and distance image pickup method - Google Patents

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邦広 畠山
Kunihiro Hatakeyama
友洋 中込
Tomohiro Nakagome
聡 高橋
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Abstract

To provide a distance image pickup device which maintains the sensitivity to the resolution of a photographed image and incident light without increasing the capacity of a charge storage part and suppresses saturation due to increase in the intensity of the incident light.SOLUTION: A distance image pickup device comprises: a light reception unit that includes a plurality of pixel circuits having a photoelectric conversion element which generates a charge according to incident light that is incident from a measurement space of a measurement object, N (N≥3) charge storage units which store the charges in a frame period and a transfer transistor which transfers the charges from the photoelectric conversion element to the charge storage units, and a pixel drive circuit which performs on/off processing of the transfer transistor to the charge storage units in a storage period synchronized with the irradiation of a light pulse and distributes the charges for storage; a measurement control unit which divides the charges generated by the photoelectric conversion element into each of the combinations of the charge storage units in any transfer period of charge storage cycles and distributes the charges for storage; and a distance calculation unit which obtains a distance to a subject in the measurement space as a measurement distance on the basis of the charge amount stored in the charge storage units.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 an object based on the time of flight of light using the fact that the speed of light is known. There is an imaging device (see Patent Document 1, for example).
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).

ToF方式距離画像撮像装置は、放射光を放射したタイミングから、被写体により反射した反射光を受光したタイミングまでの遅延時間により距離の計測を行う。
しかし、入射される入射光の強度に応じて光センサが発生する電荷量が変化するため、被写体までの距離が短くなるに従い、反射光の強度が増加してしまう(光の強度は距離の二乗に反比例)。
The ToF range image capturing apparatus measures the distance based on the delay time from the timing of emitting the radiation to the timing of receiving the reflected light reflected by the object.
However, since the amount of charge generated by the photosensor changes according to the intensity of the incident light, the intensity of the reflected light increases as the distance to the subject decreases (light intensity is the square of the distance). inversely proportional to ).

上述したように、反射光の強度や環境における背景光の強度が増加することにより、光電変換素子が生成する電荷量が増加し、反射光及び背景光の強度によっては、この電荷量を蓄積する電荷蓄積部が飽和する場合がある。
一方、ToF方式距離画像撮像装置は、電荷蓄積部に蓄積された電荷量に基づいて上記遅延時間を求めるため、信号とノイズとのSN比が大きくなるほど測定精度が向上する。
このため、電荷蓄積部を飽和させないため、電荷蓄積部の容量を増加させることが考えられる。
As described above, as the intensity of reflected light and the intensity of background light in the environment increase, the amount of charge generated by the photoelectric conversion element increases. The charge storage section may saturate.
On the other hand, since the ToF range image pickup device obtains the delay time based on the charge amount accumulated in the charge accumulation unit, the measurement accuracy improves as the SN ratio between the signal and noise increases.
Therefore, in order not to saturate the charge storage section, it is conceivable to increase the capacity of the charge storage section.

特開2004-294420号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-294420

しかしながら、電荷蓄積部の容量を増加させる際、画素回路の面積を増加させて、電荷蓄積部の容量を同一チップサイズとして増加させた場合、画素数を減少させる必要があり、距離画像撮像装置の解像度が低下してしまう。
一方、画素回路の面積を増加させた分、チップサイズも増加させた場合、距離画像撮像装置の解像度は維持できるが、チップの単価が増加してしまう。
また、画素回路の面積を変更せず、電荷蓄積部の容量を増加させた場合、電荷蓄積部の面積が増加する分、光電変換部の面積を低減させる必要があり、入射する入射光に対する感度が低下することになり、求める距離の精度が低下する。
However, when increasing the capacity of the charge storage section, the area of the pixel circuit is increased, and if the capacity of the charge storage section is increased for the same chip size, it is necessary to reduce the number of pixels. Resolution will be reduced.
On the other hand, if the chip size is increased by the amount corresponding to the increase in the area of the pixel circuit, the resolution of the range image pickup device can be maintained, but the unit price of the chip increases.
In addition, if the capacitance of the charge storage portion is increased without changing the area of the pixel circuit, the area of the photoelectric conversion portion must be reduced to compensate for the increase in the area of the charge storage portion. will decrease, and the accuracy of the distance to be obtained will decrease.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能な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, and is capable of increasing the intensity of incident light while maintaining the resolution of a captured image and the sensitivity to incident light without increasing the capacity of the charge storage unit. An object of the present invention is to provide a range image capturing device and a range image capturing method capable of suppressing saturation.

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、測定対象の空間である測定空間から入射する光である入射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N個(N≧3)の電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を転送する転送トランジスタとを備える複数の画素回路と、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、前記電荷蓄積部の各々に前記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、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組み合わせの各々に分割して振り分けて蓄積させる測定制御部と、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める距離演算部とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the distance image pickup device of the present invention includes a photoelectric conversion element that generates electric charges according to incident light, which is light that is incident from a measurement space that is a space to be measured, and a plurality of pixel circuits each including N (N≧3) charge storage units that store charges; and transfer transistors that transfer the charges from the photoelectric conversion elements to the respective charge storage units; a light-receiving portion having a pixel drive circuit for performing ON/OFF processing of each of said transfer transistors in each of said charge storage portions in a synchronous predetermined accumulation period and distributing and storing said charges; and said charges generated by said photoelectric conversion elements. is divided and distributed to each of the combinations of the charge accumulators in any transfer period of the charge accumulator cycle, and based on the amount of charge accumulated in each of the charge accumulators, and a distance calculator that obtains a distance to a subject existing in the measurement space as the measurement distance.

本発明の距離画像撮像装置は、測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対応する前記転送トランジスタを前記蓄積周期毎に前記転送順番において同時にオンとし、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに対して前記光電変換素子の発生した電荷を転送し、前記組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させることを特徴とする。 In the distance image pickup device of the present invention, the measurement control unit simultaneously turns on the transfer transistors corresponding to each of the plurality of charge storage units of the combination in the transfer order for each storage period in the capacity increase mode, The charge generated by the photoelectric conversion element is transferred to each of the charge storage units of the combination, and the charge generated by the photoelectric conversion element is divided and stored in each of the charge storage units of the combination. and

本発明の距離画像撮像装置は、測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、前記フレーム周期における蓄積回数に対して所定の比率を乗じた分割蓄積回数を設定し、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対し、異なる前記蓄積周期で前記転送トランジスタを前記転送順番においてオンとし、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対して前記分割蓄積回数分の前記光電変換素子の発生した電荷を転送することにより、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させることを特徴とする。 In the distance image pickup device of the present invention, the measurement control unit divides each of the plurality of charge accumulation units in the combination by multiplying the number of accumulations in the frame period by a predetermined ratio in the capacity increase mode. setting the number of accumulations, turning on the transfer transistors in the order of transfer in different accumulation cycles for each of the charge accumulation units of the combination, and dividing the number of accumulations for each of the charge accumulation units of the combination; The charge generated by the photoelectric conversion element is divided and accumulated in each of the charge storage units of the combination by transferring the charge generated by the photoelectric conversion element.

本発明の距離画像撮像装置は、前記容量増加モードにおいて、異なる蓄積周期毎に前記転送トランジスタをオンとすることを繰り返して、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、交互に前記光電変換素子の発生する電荷を振分けて蓄積させ、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させることを特徴とする。 In the range image pickup apparatus of the present invention, in the capacity increase mode, the transfer transistor is repeatedly turned on for each different accumulation cycle, and the charge accumulation units are alternately charged to each of the plurality of charge accumulation units of the combination. The charge generated by the photoelectric conversion element is distributed and accumulated, and the charge generated by the photoelectric conversion element is divided and accumulated.

本発明の距離画像撮像装置は、前記容量増加モードにおいて、前記電荷蓄積部の組合せを2個以上の複数組として設けることを特徴とする。 The distance image pickup device of the present invention is characterized in that, in the capacity increase mode, a plurality of combinations of two or more charge accumulation units are provided.

本発明の距離画像撮像装置は、前記測定制御部が、前記フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期毎に、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、前記電荷蓄積部の各々に設定された転送順番に転送トランジスタをオンとして蓄積転送する通常モードと、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組み合わせの各々に分割して振り分けて蓄積させる容量増加モードとを所定の条件により切替えることを特徴とする。 In the distance image pickup device of the present invention, the measurement control unit transfers the charge generated by the photoelectric conversion element to each of the charge accumulation units in a transfer order set in each accumulation period in the accumulation period of the frame period. and a normal mode in which the transfer transistor is turned on to store and transfer the charge generated by the photoelectric conversion element in one of the transfer periods of the charge storage cycle, divided and distributed to each of the combinations of the charge storage units and stored. It is characterized by switching between the capacity increase mode and the capacity increase mode according to a predetermined condition.

本発明の距離画像撮像装置は、前記所定の条件が、前記電荷蓄積部に蓄積される前記電荷の電荷量が、当該電荷蓄積部の最大容量に対して予め設定した比率を超えた場合であり、前記組合せが前記比率を超えた電荷蓄積部を含むことを特徴とする。 In the distance image pickup device of the present invention, the predetermined condition is a case where the charge amount of the charge accumulated in the charge storage unit exceeds a preset ratio with respect to the maximum capacity of the charge storage unit. and said combination includes a charge storage portion exceeding said ratio.

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と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部と、測定制御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、前記画素駆動回路が、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、N個(N≧3)の電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行って振分けて蓄積させる過程と、前記測定制御部が、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組み合わせの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程と、前記距離演算部が、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める過程とを含むことを特徴とする。 A distance image capturing method according to the present invention includes a plurality of pixel circuits each composed of a photoelectric conversion element, a plurality of charge storage units, and a transfer transistor, a pixel drive circuit, a distance calculation unit, and a measurement control unit. In the distance image capturing method for controlling an image capturing device, the pixel driving circuit converts the electric charges generated by the photoelectric conversion element according to the incident light from the measurement space into N a step of performing ON/OFF processing of each of the transfer transistors for transferring the charge from the photoelectric conversion element to the charge storage unit in each of the charge storage units (N≧3), distributing the charge to the charge storage unit, and storing the charge; However, the charge generated by the photoelectric conversion element is divided and distributed to each of the combinations of the charge storage units in one of the transfer periods of the charge storage cycle, and the distance calculation unit performs the above-described determining a distance to an object existing in the measurement space as a measurement distance based on the amount of charge accumulated in each of the charge accumulation units.

以上説明したように、本発明によれば、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能な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, saturation due to an increase in the intensity of incident light is suppressed while maintaining the resolution of a captured image and the sensitivity to incident light without increasing the capacity of the charge storage unit. It is possible to provide a range image capturing device and a range image capturing method capable of

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。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance image pickup device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 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. 通常モードにおける光電変換素子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. 10 is a diagram showing a timing chart for transferring charges generated by the photoelectric conversion element PD in the normal mode to each of the charge storage units CS; 電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、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. 10 is a timing chart for transferring charges generated by photoelectric conversion element PD to each of charge storage units CS in a capacity increase mode when charge storage amount Q2 of charge storage unit CS2 exceeds a capacity threshold; 第1の実施形態における電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、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。3 is a timing chart for transferring charges generated in the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage units CS in the capacity increase mode when the charge storage amount Q2 of the charge storage unit CS2 exceeds the capacity threshold value in the first embodiment; FIG. 4 is a diagram showing; 第1の実施形態の距離画像撮像装置1による距離画像センサ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。5 is a flow chart showing an operation example of processing for calculating a distance between a distance image sensor 32 and a subject S by the distance image capturing device 1 of the first embodiment. 第2の実施形態における電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、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. 10 is a timing chart for transferring charges generated in the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage units CS in the capacity increase mode when the charge storage amount Q2 of the charge storage unit CS2 exceeds the capacity threshold in the second embodiment; FIG. 4 is a diagram showing; 第3の実施形態における背景光の影響が無視できる環境の場合の容量増加モードによる、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. 10 is a timing chart showing transfer of charges generated by the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage units CS in a capacity increase mode in an environment in which the influence of background light can be ignored in 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、ToF方式の距離画像撮像装置であり、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 having the configuration 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 in a two-dimensional light receiving area and a pixel driving circuit 322 that controls each of the pixel circuits 321 .
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2参照)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 times the process of distributing charges to the charge storage section CS (see FIG. 2) is repeated.

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(測定距離)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 calculator 42 calculates the distance (measured distance) from the distance image capturing 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において、電荷蓄積部CSに蓄積される蓄積電荷量に応じて、光電変換素子PDが入射光により発生する電荷を、電荷蓄積部の各々への振り分けの際、振り分けのアルゴリズムを通常モード(電荷蓄積部が飽和しない状態で用いるモード)と、容量増加モード(電荷蓄積部が飽和する状態で用いるモード)とのいずれかを選択して、タイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322の各々の動作を制御する。
すなわち、測定制御部43は、通常モード及び容量増加モードの各々に対応して、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及び画素駆動回路322による電荷蓄積部CSそれぞれへの光電変換素子PDからの電荷の振分けを行う(後に詳述する)。
The measurement control unit 43 distributes the charge generated by the photoelectric conversion element PD due to incident light to each of the charge storage units in accordance with the amount of charge stored in the charge storage unit CS in frames that are repeated at the frame cycle. In this case, either the normal mode (used when the charge storage section is not saturated) or the capacity increase mode (used when the charge storage section is saturated) is selected for the distribution algorithm, and the timing control section 41 , distance calculation unit 42 and pixel drive circuit 322 .
That is, the measurement control unit 43 controls the timing in the timing control unit 41, controls the calculation in the distance calculation unit 42, and controls the charge accumulation unit CS by the pixel drive circuit 322, corresponding to each of the normal mode and the capacity increase mode. charge from the photoelectric conversion element PD is distributed (described in detail later).

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との測定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, The 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

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、測定距離の計算において、反射光や背景光の強度が高い場合、入射光の強度が高くなり、光電変換素子において発生する電荷が、電荷蓄積部CSの電荷を蓄積できる容量である最大蓄積容量を超えてしまう場合、正確に光電変換素子が発生する電荷量を得ることができず、電荷蓄積部の電荷量を用いる距離の計算によって、距離画像撮像装置1と被写体Sとの測定距離を正確に求めることができない。
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 measurement distance, when the intensity of the reflected light or the background light is high, the intensity of the incident light is high, and the charge generated in the photoelectric conversion element is the maximum capacity that can store the charge in the charge storage section CS. If the storage capacity is exceeded, the amount of charge generated by the photoelectric conversion element cannot be obtained accurately, and the distance is calculated using the amount of charge in the charge storage unit, so that the measured distance between the distance image pickup device 1 and the subject S is calculated. cannot be determined precisely.

また、距離画像撮像装置1から被写体Sまでの距離が近くなるに従い、また被写体Sの反射率が高い程、被写体Sで光パルスPOが反射して生成される反射光の強度が高くなる。このため、光電変換素子において反射光により発生する電荷が増加する。
このため、電荷蓄積部の蓄積できる最大蓄積容量を超え、電荷蓄積部の電荷量を用いる距離の計算によって、距離画像撮像装置1と被写体Sとの測定距離を正確に求めることができない。
In addition, as the distance from the distance imaging device 1 to the subject S decreases, and as the reflectance of the subject S increases, the intensity of the reflected light generated by the light pulse PO reflected by the subject S increases. Therefore, the amount of charge generated by the reflected light increases in the photoelectric conversion element.
For this reason, the maximum storage capacity of the charge storage unit is exceeded, and the distance between the distance image capturing device 1 and the object S cannot be obtained accurately by calculating the distance using the charge amount of the charge storage unit.

上述した処理を電荷蓄積部に蓄積される電荷量により、積算回数、あるいは光パルスPOの放射回数を制御するオートエクスポージャの処理が行われる。
ここで、反射光の強度が高くなった場合、反射光によって光電変換素子で発生する電荷の蓄積回数を低減させることにより、測定距離の計算に必要な電荷量が電荷蓄積素子に蓄積され、得られる測定距離の精度が向上する。
Auto-exposure processing is performed to control the number of times of accumulation or the number of times of emission of light pulses PO, depending on the amount of charge accumulated in the charge storage section.
Here, when the intensity of the reflected light increases, by reducing the number of charge accumulations generated by the photoelectric conversion element due to the reflected light, the amount of charge necessary for calculating the measurement distance is accumulated in the charge accumulation element. The accuracy of the measured distance is improved.

しかしながら、被写体の各々の反射率が同一であることは一般的に少なく、被写体のそれぞれの反射率は互いに異なっており、光の強度が被写体との距離に反比例することから、予め近距離の物体に合わせて積算回数を設定した場合、距離画像撮像装置から遠い距離にある反射率の低い被写体からの反射光で発生される電荷が低減し、S/N比が低下して測定距離の精度が低下する。 However, it is generally rare for the reflectance of each object to be the same, and the reflectance of each object is different from each other. When the number of times of accumulation is set according to , the amount of electric charge generated by reflected light from a subject with low reflectance at a distance from the distance image capturing device is reduced, the S/N ratio is lowered, and the accuracy of the measured distance is reduced. descend.

一方、測定距離の精度を向上させるために遠距離の被写体に合わせて積算回数を設定した際、遠距離の被写体以外の被写体の各々から距離画像撮像装置までの距離が不明であり距離画像撮像装置1の近距離に被写体が存在する場合、当該近距離の被写体からの反射光の強度が遠距離にある被写体に比較して大きく、近距離の被写体からの反射光で発生される電荷により電荷蓄積部が飽和してしまう。
このため、本実施形態においては、後述するように、測定制御部43が電荷蓄積部が飽和しないように、タイミング制御部41を介して、光電変換素子PDが入射光により発生する電荷の電荷蓄積部の各々への振り分けの際、振り分けのアルゴリズムを通常モード及び容量増加モードのいずれかを選択して行う制御を行う。
On the other hand, when the number of times of accumulation is set according to the subject at a long distance in order to improve the accuracy of the measurement distance, the distance from each subject other than the subject at a long distance to the distance image capturing device is unknown. When an object exists at a short distance in 1, the intensity of the reflected light from the object at the short distance is greater than that from the object at a long distance, and the electric charge generated by the reflected light from the object at the short distance causes charge accumulation. part becomes saturated.
For this reason, in the present embodiment, as will be described later, the measurement controller 43 controls charge accumulation of charges generated by incident light in the photoelectric conversion element PD via the timing control unit 41 so that the charge accumulation unit is not saturated. At the time of distribution to each section, control is performed by selecting either the normal mode or the capacity increase mode for the distribution algorithm.

次に、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、例えば、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。本実施形態における画素回路321の構成は、一例であり、画素信号読み出し部は3個以上の複数個、すなわちn個(n≧3)の構成を有する。
Next, 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, for example, four pixel signal readout units RU1 to RU4. The configuration of the pixel circuit 321 in the present embodiment is an example, and has a configuration of a plurality of pixel signal reading units of 3 or more, that is, n (n≧3).

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(FD1、FD2、FD3、FD4)と電荷蓄積容量C(C1、C2、C3、C4)とは、電荷蓄積部CS(CS1、CS2、CS3、CS4)を構成している。 The pixel circuit 321 includes one photoelectric conversion element PD, a charge discharge transistor GD, and four pixel signal readout units RU (RU1 to RU4) that output voltage signals from corresponding output terminals O. As shown in FIG. 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 select transistor SL. The floating diffusions FD (FD1, FD2, FD3, FD4) and the charge storage capacitors C (C1, C2, C3, C4) constitute a charge storage section CS (CS1, CS2, CS3, CS4).

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、距離画像処理部4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 distance image processing unit 4 .
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出力端子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の制御により、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 output terminal O. FIG.
In addition, the pixel drive circuit 322 discharges (erases) the charge generated in the photoelectric conversion element PD by flowing it to the power supply VDD according to the drive signal RSTD under the control of the timing control unit 41 .

図3は、通常モードにおける光電変換素子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。また、図3においては、フレームにおける電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期を示している。通常モードにおける、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 in the normal mode 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. FIG. 3 also shows an accumulation period that is repeated during the charge accumulation period in a frame. The relative relationship on the time axis between the light pulse PO and the reflected light RL in the normal mode, the timings of the storage drive signals TX1 to TX4 supplied to the transfer transistors G1 to G4, and the drive signal RSTD supplied to the charge discharge transistor GD. timing.

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、すなわちパルス幅と同一の幅)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 converts each of the accumulation drive signals TX1 to TX4 into an "H" level signal with a predetermined time width (the irradiation time To, that is, the same width as the pulse width), and the transfer transistors G1 to G4, respectively. supply 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、画素駆動回路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 pixel drive 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、蓄積周期において、転送トランジスタG1、G2、G3、G4それぞれに供給される転送周期T1、T2、T3及びT4(電荷を蓄積して積算する周期、転送順番)が繰返される。
ここで、例えば、転送周期T1において入射光(背景光のみ)により発生した電荷が電荷蓄積部CS1に蓄積され、転送周期T2において入射光(背景光+反射光)により発生した電荷が電荷蓄積部CS2に蓄積され、転送周期T3において入射光(背景光+反射光)により発生した電荷が電荷蓄積部CS3に蓄積され、転送周期T4において入射光(背景光+反射光)により発生した電荷が電荷蓄積部CS4に蓄積される。
At this time, each of the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3, and TX4 corresponds to the accumulation cycle in the charge accumulation period (the period in 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. , transfer cycles T1, T2, T3, and T4 (cycle for accumulating and integrating charges, transfer order) supplied to transfer transistors G1, G2, G3, and G4, respectively, are repeated.
Here, for example, charges generated by incident light (background light only) in the transfer period T1 are accumulated in the charge accumulation section CS1, and charges generated by incident light (background light+reflected light) in the transfer period T2 are accumulated in the charge accumulation section CS1. The charge accumulated in CS2 and generated by incident light (background light+reflected light) in transfer period T3 is accumulated in charge accumulation section CS3, and the charge generated by incident light (background light+reflected light) in transfer period T4 becomes charge. It is accumulated in the accumulation unit CS4.

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。すなわち、各フレーム周期の電荷蓄積期間において、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々の転送順番毎に電荷の転送が行われる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、転送周期T1、T2、T3及びT4の各々において電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれに電荷が蓄積される。
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. That is, in the charge accumulation period of each frame period, a plurality of accumulation cycles are repeated in which charges are transferred in each transfer order of the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4.
As a result, charges are stored in the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 in each of the transfer cycles T1, T2, T3, and T4 for each storage cycle of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 in the charge storage period. is accumulated.

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(振り分け)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に対する転送周期T1が開始される前に、直前の電荷蓄積部CS4の転送周期T4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)。
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 (distribution) 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 transfer cycle T4 of the charge storage unit CS4 before the transfer cycle T1 for the charge storage unit CS1 is started (that is, reset the photoelectric conversion element PD).

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、距離演算部42に出力させる。
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 drive circuit 322 causes the voltage signals after the signal processing to be output to the distance calculation section 42 sequentially 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までの往復の測定距離を算出する。
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 multiplies the delay time obtained by formula (1) or formula (2) by the speed of light (velocity) to calculate the measured distance to the object S in the round trip.
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.

また、時間Trsは、図3における蓄積周期の1サイクルにおける電荷蓄積部CS4に対する光電変換素子PDからの電荷の振分け終了後における、当該光電変換素子PDに入力光により発生した電荷が留まらない(溜らない)ように、電荷排出トランジスタGDに供給する駆動信号RSTDを「H」レベルとされる期間を示している。 Further, the time Trs is the time when the charge generated by the input light does not remain in the photoelectric conversion element PD after the charge distribution from the photoelectric conversion element PD to the charge storage section CS4 in one cycle of the accumulation period in FIG. ), the drive signal RSTD supplied to the charge discharge transistor GD is set to "H" level.

図4は、第1の実施形態の距離画像撮像装置における測定制御部43の構成例を示すブロック図である。図4において、測定制御部43は、通常モード稼働条件設定部431、モード判定部432、容量増加モード稼働条件設定部433、稼働制御部434、モード判定条件記憶部435、稼働条件組合せ記憶部436の各々を備えている。 FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of the measurement control section 43 in the distance image pickup device of the first embodiment. 4, the measurement control unit 43 includes a normal mode operating condition setting unit 431, a mode determination unit 432, a capacity increase mode operating condition setting unit 433, an operation control unit 434, a mode determination condition storage unit 435, and an operating condition combination storage unit 436. Each of the

通常モード稼働条件設定部431は、図3に示すタイミングチャートの通常モードにおけるタイミング制御部41の制御の設定を、稼働条件組合せ記憶部436から読み出す。
そして、通常モード稼働条件設定部431は、読み出した通常モードの設定を稼働制御部434に対して供給する。
稼働制御部434は、通常モードの設定により、タイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322の稼働を制御し、図3に示す通常モードの動作を行わせる。
The normal mode operating condition setting unit 431 reads from the operating condition combination storage unit 436 the control setting of the timing control unit 41 in the normal mode of the timing chart shown in FIG.
Then, the normal mode operation condition setting unit 431 supplies the read normal mode settings to the operation control unit 434 .
The operation control unit 434 controls the operation of the timing control unit 41, the distance calculation unit 42, and the pixel driving circuit 322 by setting the normal mode, and causes the operation in the normal mode shown in FIG.

モード判定部432は、通常モードまたは容量増加モードのいずれかにより、タイミング制御部41を稼働するかの判定を行う。
ここで、モード判定部432は、電荷蓄積部CS1が背景光により発生した電荷を蓄積する場合、電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2、電荷蓄積部CS3の電荷蓄積量Q3及び電荷蓄積部CS4の電荷蓄積量Q4の各々が予め設定されている容量閾値を超えた画素回路321の個数を抽出する。
The mode determination unit 432 determines whether to operate the timing control unit 41 in either the normal mode or the capacity increase mode.
Here, when the charge storage unit CS1 stores charges generated by background light, the mode determination unit 432 determines that the charge storage amount Q2 of the charge storage unit CS2, the charge storage amount Q3 of the charge storage unit CS3, and the charge storage amount Q3 of the charge storage unit CS4 The number of pixel circuits 321 each having a charge accumulation amount Q4 exceeding a preset capacity threshold is extracted.

モード判定部432は、上記容量閾値をモード判定条件記憶部435から読み出し、電荷蓄積量Q2、電荷蓄積量Q3及び電荷蓄積量Q4の各々と比較する。
この第1閾値は、例えば、電荷蓄積部CSの最大蓄積容量の80%、あるいは80%以上のいずれかの電荷量として設定される。
ここで、実際の運用において、容量閾値としては、電荷蓄積部CSに蓄積される反射光により発生する電荷の変動を考慮し、経験的な範囲として、例えば最大蓄積容量の90%~95%程度に設定される。
The mode determination unit 432 reads the capacity threshold value from the mode determination condition storage unit 435, and compares it with each of the charge storage amount Q2, the charge storage amount Q3, and the charge storage amount Q4.
This first threshold value is set, for example, as an amount of charge that is 80% of the maximum storage capacity of the charge storage section CS, or 80% or more.
Here, in actual operation, as the capacitance threshold, considering the variation of the charge generated by the reflected light accumulated in the charge accumulation section CS, the empirical range is, for example, about 90% to 95% of the maximum accumulation capacity. is set to

しかしながら、容量閾値が最大蓄積容量の90%~95%の設定の場合、光電変換素子PDが反射光のみでなく背景光を含んだ入射光による電荷を発生するため、背景光による影響を考慮すると、背景光の強度の変化によっては電荷蓄積部CSが飽和することが想定される。
このため、背景光の変化による光電変換素子PDが発生する入射光による電荷量の変動に対する余裕(マージン)を持たせると、実験的には60%以上とすることが望ましい結果が得られた。
However, when the capacity threshold is set to 90% to 95% of the maximum storage capacity, the photoelectric conversion element PD generates charges not only by reflected light but also by incident light including background light. , it is assumed that the charge storage section CS is saturated depending on the change in the intensity of the background light.
For this reason, experimentally, it has been found to be desirable to have a margin of 60% or more for variation in the amount of charge due to incident light generated by the photoelectric conversion element PD due to changes in background light.

モード判定部432は、画素回路321毎に、電荷蓄積部CS2、電荷蓄積部CS3及び電荷蓄積部CS4の各々に蓄積される電荷量である、電荷蓄積量Q2、電荷蓄積量Q3、電荷蓄積量Q4それぞれが、予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。
そして、モード判定部432は、画素回路321の全てにおける、蓄積容量が容量閾値を超えた電荷蓄積部CS2、電荷蓄積部CS3及び電荷蓄積部CS4の各々の数を集計する。
ここで、モード判定部432は、電荷蓄積部CS2、電荷蓄積部CS3及び電荷蓄積部CS4の各々のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部CSを抽出する。
なお、電荷蓄積部の抽出方法は上述した方法に限定されない。例えば、全画素数に対する飽和画素の比率(例えば、全画素数のうち20%)を抽出閾値として予め定めておき、各電荷蓄積部の飽和画素をカウントし、上記抽出閾値を超えて飽和した場合に電荷蓄積部を抽出してもよい。
The mode determination unit 432 determines, for each pixel circuit 321, a charge storage amount Q2, a charge storage amount Q3, a charge storage amount, which are the amounts of charge stored in each of the charge storage unit CS2, the charge storage unit CS3, and the charge storage unit CS4. Each Q4 determines whether or not it exceeds a preset capacity threshold.
Then, the mode determination unit 432 counts the number of each of the charge storage units CS2, CS3, and CS4 whose storage capacitance exceeds the capacitance threshold in all the pixel circuits 321. FIG.
Here, the mode determination unit 432 extracts the charge storage unit CS having the largest number of storage capacities exceeding the capacity threshold among each of the charge storage units CS2, CS3, and CS4.
Note that the method for extracting the charge storage portion is not limited to the method described above. For example, when the ratio of saturated pixels to the total number of pixels (for example, 20% of the total number of pixels) is predetermined as an extraction threshold, and the saturated pixels of each charge storage unit are counted and saturated beyond the extraction threshold, , the charge storage portion may be extracted.

このとき、モード判定部432は、通常モードにおいて蓄積周期(電荷蓄積サイクル)における転送周期T2(転送順番)において光電変換素子PDの発生した電荷を電荷蓄積部CS2のみに振分けている。
しかしながら、モード判定部432は、例えば、電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2が容量閾値を超えた場合、容量増加モードとして、転送周期T2において光電変換素子PDが発生した電荷を、電荷蓄積部CS2及び電荷蓄積部CS3に対して蓄積させる。
また、モード判定部432は、転送周期T3において光電変換素子PDが発生した電荷を電荷蓄積部CS4に対して蓄積させる。
なお、電荷蓄積部CS2に組み合わせる電荷蓄積部は、電荷蓄積部CS3に限定されない。例えば、電荷蓄積部CS4を転送周期T2のタイミングで電荷蓄積部CS2と組み合わせ、転送周期T3には電荷蓄積部CS3、転送周期T1には電荷蓄積部CS1を割り当てることで、上述と同様の動作が可能である。
すなわち、モード判定部432は、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、入射光により光電変換素子PDが生成する電荷を、電荷蓄積部CSの組み合わせの各々に対して、分割して振り分けて蓄積させる処理を行う。
At this time, the mode determination unit 432 distributes the charges generated by the photoelectric conversion element PD in the transfer period T2 (transfer order) in the accumulation period (charge accumulation cycle) in the normal mode only to the charge accumulation unit CS2.
However, for example, when the charge storage amount Q2 of the charge storage unit CS2 exceeds the capacity threshold, the mode determination unit 432 selects the capacity increase mode to transfer the charge generated by the photoelectric conversion element PD in the transfer period T2 to the charge storage unit CS2. and stored in the charge storage unit CS3.
Also, the mode determination unit 432 causes the charge storage unit CS4 to store the charge generated by the photoelectric conversion element PD in the transfer period T3.
Note that the charge storage unit to be combined with the charge storage unit CS2 is not limited to the charge storage unit CS3. For example, by combining the charge storage section CS4 with the charge storage section CS2 at the timing of the transfer period T2, assigning the charge storage section CS3 to the transfer period T3 and the charge storage section CS1 to the transfer period T1, the same operation as described above can be performed. It is possible.
That is, the mode determination section 432 divides and distributes the charge generated by the photoelectric conversion element PD due to incident light to each of the combinations of the charge storage sections CS in any transfer period of the charge storage cycle. process to cause

図5は、第1の実施形態における電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、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5のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベル(「H」レベル/「L」レベル)を示し、横軸は時間を示している。また、図5においては、フレームにおける電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期における転送順番を示している。容量増加モードにおける転送トランジスタ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. 5 shows transfer of charges generated in the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage units CS in the capacity increase mode when the charge storage amount Q2 of the charge storage unit CS2 exceeds the capacity threshold in the first embodiment. It is a figure which shows the timing chart which carries out.
In the timing chart of FIG. 5, the vertical axis indicates the pulse level (“H” level/“L” level), and the horizontal axis indicates time. In addition, FIG. 5 shows the order of transfer in an accumulation period that is repeated during the charge accumulation period in a frame. The timing of each of the storage drive signals TX1 to TX4 supplied to the transfer transistors G1 to G4 in the capacity increase mode and the timing of the drive signal RSTD supplied to the charge discharge transistor GD are shown.

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。 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.

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、すなわちパルス幅と同一の幅)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。
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。
That is, the pixel drive circuit 322 converts each of the accumulation drive signals TX1 to TX4 into an "H" level signal with a predetermined time width (the irradiation time To, that is, the same width as the pulse width), and the transfer transistors G1 to G4, respectively. supply to
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.

また、画素駆動回路322は、容量増加モードの場合、タイミング制御部41のタイミング制御により、電荷蓄積部CS2に電荷を蓄積させる転送周期T2において、蓄積駆動信号TX2及びTX3を同時のタイミング(同一の転送順番において同時に)で「H」レベルとする。
そして、転送トランジスタG2及びG3の各々は、光電変換素子PDが発生した電荷を、電荷蓄積部CS2、電荷蓄積部CS3のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部CS2のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部CS2及びCS3の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
Further, in the case of the capacity increase mode, the pixel drive circuit 322 outputs the accumulation drive signals TX2 and TX3 at the same timing (at the same timing) in the transfer period T2 for accumulating the charge in the charge accumulation section CS2 under the timing control of the timing control section 41 . ) at the same time in the order of transfer, and set to "H" level.
Then, each of the transfer transistors G2 and G3 divides and distributes the charge generated by the photoelectric conversion element PD to the charge storage section CS2 and the charge storage section CS3, respectively.
As a result, the charge amount saturated only in the charge storage section CS2 is divided and accumulated in each of the charge storage sections CS2 and CS3, thereby suppressing saturation of the accumulated charge amount exceeding the maximum storage capacity. be able to.

また、通常モードにおいて、蓄積駆動信号TX4は、通常モードであれば、転送周期T4において「H」レベルとされていた。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部CS4が通常モードにおける電荷蓄積部CS3の機能を有しているため、画素駆動回路322は、転送周期T3において蓄積駆動信号TX4を「H」レベルとする。
これにより、電荷蓄積部CS4には、転送周期T3において光電変換素子PDにより発生した電荷が、転送トランジスタG4を介して振分けられて蓄積される。
Further, in the normal mode, the accumulation drive signal TX4 is set to "H" level in the transfer period T4 in the normal mode.
However, in the capacity increase mode, the charge storage section CS4 has the function of the charge storage section CS3 in the normal mode, so the pixel drive circuit 322 sets the storage drive signal TX4 to "H" level in the transfer cycle T3.
As a result, the charge generated by the photoelectric conversion element PD in the transfer period T3 is distributed and accumulated in the charge accumulation unit CS4 via the transfer transistor G4.

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。電荷蓄積期間に転送周期T1からT3及びTrsからなる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(転送周期T1)と、CS2及びCS3(転送周期T2)と、CS4(転送周期T3)の各々の転送周期毎に、電荷蓄積部CS1と、CS2及びCS3と、CS4とのそれぞれに電荷が蓄積される。
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 storage cycles consisting of transfer cycles T1 to T3 and Trs are repeated during the charge storage period.
As a result, the charge storage units CS1, CS2, and CS4 (transfer cycle T3) are transferred for each transfer cycle of the charge storage units CS1 (transfer cycle T1), CS2 and CS3 (transfer cycle T2), and CS4 (transfer cycle T3) in the charge storage period. Charges are accumulated in each of CS3 and CS4.

また、画素駆動回路322は、光電変換素子PDから電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々への電荷の転送を行う転送周期それぞれを繰返す際、電荷蓄積部CS4に対する電荷の転送(振分け)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。 In addition, the pixel drive circuit 322 transfers (divides) charges to the charge storage section CS4 when repeating transfer cycles for transferring charges from the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage sections CS1, CS2, CS3, and CS4. is completed, the "H" level drive signal RSTD is supplied to turn on the charge discharge transistor GD provided on the discharge path for discharging the charge from the photoelectric conversion element PD.

これにより、電荷排出トランジスタGDは、電荷蓄積部CS1に対する転送周期T1が開始される前に、直前の電荷蓄積部CS4の転送周期T3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)。
容量増加モードの場合、転送周期T2及びT3が実質的に統合されて転送周期T4が無くなるため、図5に示すように、転送周期T3の後の時間Trsにおいて、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。
As a result, the charge discharge transistor GD discards the charge generated in the photoelectric conversion element PD after the immediately preceding transfer cycle T3 of the charge storage unit CS4 before the transfer cycle T1 for the charge storage unit CS1 is started (that is, reset the photoelectric conversion element PD).
In the case of the capacity increase mode, the transfer periods T2 and T3 are substantially integrated and the transfer period T4 is eliminated. Therefore, as shown in FIG. It is turned on by supplying the driving signal RSTD of "H" level.

そして、画素駆動回路322は、フレーム周期における蓄積期間が終了した後、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。この画素回路321の各々の電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4のそれぞれから、電荷蓄積量Q1、Q2、Q3、Q4を読み出す処理については、通常モードと同様である。
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、距離演算部42に出力させる。
Then, after the accumulation period in the frame period is completed, the pixel driving circuit 322 outputs voltage signals from each of all the pixel circuits 321 arranged in the light receiving section 3 to the row (horizontal arrangement) of the pixel circuits 321 . Signal processing such as A/D conversion processing is sequentially performed in units. The process of reading the charge storage amounts Q1, Q2, Q3, Q4 from the charge storage units CS1, CS2, CS3, CS4 of the pixel circuit 321 is the same as in the normal mode.
After that, the pixel drive circuit 322 causes the voltage signals after the signal processing to be output to the distance calculation section 42 sequentially in the order of the columns arranged in the light receiving section 3 .

ここで、距離演算部42は、画素駆動回路322により供給されるデジタル値の電荷蓄積量Q2と電荷蓄積量Q3とを加算し(一個の電荷蓄積部CS2に蓄積された電荷量として扱う)、この加算結果Q2+Q3と、電荷蓄積量Q1及び電荷蓄積量Q4との各々を用いて、後述する(4)式により、遅延時間Tdを算出し、被写体Sと距離画像撮像装置1との間の距離を求める。
また、上記A/D変換処理を行う前段に、アナログ値の電荷蓄積量Q2と電荷蓄積量Q3とを加算する加算器を設け、当該加算器による加算結果Q2+Q3をA/D変換し、得られたデジタル値の加算結果Q2+Q3を距離演算部42に出力する構成としてもよい。
Here, the distance calculation unit 42 adds the digital charge accumulation amount Q2 and the charge accumulation amount Q3 supplied from the pixel drive circuit 322 (handled as the charge amount accumulated in one charge accumulation unit CS2), Using the addition result Q2+Q3, the charge accumulation amount Q1, and the charge accumulation amount Q4, the delay time Td is calculated by equation (4) described later, and the distance between the object S and the distance image pickup device 1 is calculated. Ask for
Further, an adder for adding the charge accumulation amount Q2 and the charge accumulation amount Q3 of analog values is provided in the preceding stage of the A/D conversion process, and the addition result Q2+Q3 by the adder is A/D converted to obtain The addition result Q2+Q3 of the digital values may be output to the distance calculator 42. FIG.

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。
ここで、図5において、電荷蓄積部CS2及びCS3と、電荷蓄積部CS4と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.
Here, in FIG. 5, the distribution (distribution ratio) of the amount of charge distributed to the charge storage units CS2 and CS3 and the charge storage unit CS4 is determined by the light pulse PO reflected by the object S and incident on the distance image pickup device 1. It becomes a ratio according to the delay time Td until it is completed.

また、容量増加モードにおける図5に示す電荷蓄積部CSの組合せの場合、距離演算部42は、以下の(4)式により、遅延時間Tdを算出する。
Td=To×(Q4-Q1)/(Q2+Q3+Q4-3×Q1)…(4)
このとき、距離演算部42は、上記(4)式で求めた遅延時間Tdに、光速(速度)を乗算させることにより、被写体Sまでの往復の測定距離を算出する。
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。
Further, in the case of the combination of the charge storage units CS shown in FIG. 5 in the capacity increase mode, the distance calculation unit 42 calculates the delay time Td by the following equation (4).
Td=To×(Q4-Q1)/(Q2+Q3+Q4-3×Q1) (4)
At this time, the distance calculator 42 multiplies the delay time Td obtained by the above equation (4) by the speed of light (velocity) to calculate the round trip distance to the subject S.
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.

また、電荷蓄積部CS3の電荷蓄積量Q3が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、電荷蓄積部CS3及びCS4を組み合わせて用いる。
すなわち、画素駆動回路322は、例えば、電荷蓄積部CS3の電荷蓄積量Q3が容量閾値を超えた容量増加モードの場合、タイミング制御部41のタイミング制御により、電荷蓄積部CS1に電荷を蓄積させる転送周期T1において、蓄積駆動信号TX1のタイミングで「H」レベルとする。
画素駆動回路322は、タイミング制御部41のタイミング制御により、電荷蓄積部CS2に電荷を蓄積させる転送周期T2において、蓄積駆動信号TX2のタイミングで「H」レベルとする。
Further, the charge storage units CS3 and CS4 are used in combination for the capacity increase mode when the charge storage amount Q3 of the charge storage unit CS3 exceeds the capacity threshold.
That is, for example, when the charge storage amount Q3 of the charge storage section CS3 exceeds the capacity threshold in the capacity increase mode, the pixel drive circuit 322 causes the charge storage section CS1 to store charges under the timing control of the timing control section 41. In period T1, it is set to "H" level at the timing of accumulation drive signal TX1.
The pixel driving circuit 322, under the timing control of the timing control section 41, sets the accumulation driving signal TX2 to "H" level at the timing of the accumulation drive signal TX2 in the transfer period T2 in which the electric charge is accumulated in the electric charge accumulation section CS2.

そして、画素駆動回路322は、タイミング制御部41のタイミング制御により、電荷蓄積部CS3に電荷を蓄積させる転送周期T3において、蓄積駆動信号TX3及びTX4を同時のタイミングで「H」レベルとする。
ここで、転送トランジスタG3及びG4の各々は、光電変換素子PDが発生した電荷を、電荷蓄積部CS3、電荷蓄積部CS4のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部CS3のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部CS3及びCS4の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
Then, the pixel drive circuit 322 sets the accumulation drive signals TX3 and TX4 to "H" level at the same timing in the transfer period T3 in which the charge accumulation section CS3 accumulates the charge under the timing control of the timing control section 41. FIG.
Here, each of the transfer transistors G3 and G4 divides and distributes the charge generated by the photoelectric conversion element PD to the charge storage section CS3 and the charge storage section CS4, respectively.
As a result, the charge amount saturated only in the charge storage section CS3 is divided and accumulated in each of the charge storage sections CS3 and CS4, thereby suppressing saturation of the accumulated charge amount exceeding the maximum storage capacity. be able to.

また、通常モードにおいて、蓄積駆動信号TX4は、通常モードであれば、転送周期T4において「H」レベルとされていた。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部CS4が通常モードにおける電荷蓄積部CS3の機能を有しているため、画素駆動回路322は、上述したように、転送周期T3において蓄積駆動信号TX4を「H」レベルとする。
これにより、容量増加モードの場合、転送周期T2及びT3が実質的に統合されて転送周期T4が無くなるため、転送周期T3の後の時間Trsにおいて、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。
Further, in the normal mode, the accumulation drive signal TX4 is set to "H" level in the transfer period T4 in the normal mode.
However, in the capacity increase mode, the charge storage section CS4 has the function of the charge storage section CS3 in the normal mode. ” level.
As a result, in the case of the capacity increase mode, the transfer periods T2 and T3 are substantially integrated and the transfer period T4 is eliminated. drive signal RSTD to turn it on.

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。
ここで、電荷蓄積部CS3の電荷蓄積量Q3が容量閾値を超えた場合、電荷蓄積部CS2と、電荷蓄積部CS3及びCS4と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.
Here, when the charge storage amount Q3 of the charge storage section CS3 exceeds the capacity threshold, the distribution (distribution ratio) of the charge amount distributed to the charge storage section CS2 and the charge storage sections CS3 and CS4 is The ratio is determined according to the delay time Td until the light is reflected by the object S and enters the range image pickup device 1 .

このため、容量増加モードにおける電荷蓄積部CS3の電荷蓄積量Q3が容量閾値を超えた電荷蓄積部CSの組合せの場合、距離演算部42は、以下の(5)式により、遅延時間Tdを算出する。
Td=To×(Q3+Q4-2×Q1)/(Q2+Q3+Q4-3×Q1) …(5)
このとき、距離演算部42は、上記(5)式で求めた遅延時間Tdに、光速(速度)を乗算させることにより、被写体Sまでの往復の測定距離を算出する。
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。
Therefore, in the case of a combination of charge storage units CS in which the charge storage amount Q3 of the charge storage units CS3 in the capacity increase mode exceeds the capacity threshold, the distance calculation unit 42 calculates the delay time Td by the following equation (5). do.
Td=To×(Q3+Q4-2×Q1)/(Q2+Q3+Q4-3×Q1) (5)
At this time, the distance calculator 42 multiplies the delay time Td obtained by the above equation (5) by the speed of light (velocity) to calculate the round trip distance to the object S. FIG.
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.

ここで、距離演算部42は、画素駆動回路322により供給されるデジタル値の電荷蓄積量Q3と電荷蓄積量Q4とを加算し(一個の電荷蓄積部CS3に蓄積された電荷量として扱う)、この加算結果Q3+Q4と、電荷蓄積量Q1及び電荷蓄積量Q2との各々を用いて、上記(5)式により、遅延時間Tdを算出する。 Here, the distance calculation unit 42 adds the digital charge accumulation amount Q3 and the charge accumulation amount Q4 supplied from the pixel driving circuit 322 (handled as the charge amount accumulated in one charge accumulation unit CS3), Using the addition result Q3+Q4, the charge storage amount Q1 and the charge storage amount Q2, the delay time Td is calculated by the above equation (5).

また、画素駆動回路322におけるA/D変換処理を行う前段に、アナログ値の電荷蓄積量Q3と電荷蓄積量Q4とを加算する加算器を設け、当該加算器による加算結果Q3+Q4をA/D変換し、得られたデジタル値の加算結果Q3+Q4を距離演算部42に出力する構成としてもよい。 In addition, an adder for adding the charge accumulation amount Q3 and the charge accumulation amount Q4 of analog values is provided in the preceding stage of performing the A/D conversion processing in the pixel drive circuit 322, and the addition result Q3+Q4 by the adder is A/D converted. Then, the addition result Q3+Q4 of the obtained digital values may be output to the distance calculation unit 42. FIG.

図6は、第1の実施形態の距離画像撮像装置1による距離画像センサ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。距離画像撮像装置1が起動された場合、以下のステップS1から測距離の処理が開始される。
ステップS1:
測定制御部43における通常モード稼働条件設定部431は、稼働条件組合せ記憶部436から、通常モードの設定である通常モード稼働条件(通常モードにおけるタイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322に対する制御情報)を読み出す。
そして、通常モード稼働条件設定部431は、読み出した通常モード稼働条件を稼働制御部434に対して供給する。
稼働制御部434は、通常モード稼働条件により、タイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322の稼働を制御し、図3に示す通常モードの動作を行わせる。
FIG. 6 is a flowchart showing an operation example of processing for calculating the distance between the distance image sensor 32 and the subject S by the distance image pickup device 1 of the first embodiment. When the distance image pickup device 1 is activated, distance measurement processing is started from step S1 below.
Step S1:
The normal mode operating condition setting unit 431 in the measurement control unit 43 receives from the operating condition combination storage unit 436 normal mode operating conditions (timing control unit 41, distance calculation unit 42 and pixel driving circuit 322 in normal mode) that are normal mode settings. control information).
Then, the normal mode operating condition setting unit 431 supplies the read normal mode operating conditions to the operation control unit 434 .
The operation control unit 434 controls the operation of the timing control unit 41, the distance calculation unit 42, and the pixel driving circuit 322 according to the normal mode operation conditions, and causes the normal mode operation shown in FIG. 3 to be performed.

ステップS2:
画素駆動回路322は、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3、TX4の各々を、順次、転送トランジスタG1、G2、G3、G4それぞれに供給し、光電変換素子PDの発生する電荷を、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4に振り分ける。
そして、画素駆動回路322は、1フレーム間において所定の回数の蓄積周期により電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々に蓄積された電荷量Q1、Q2、Q3、Q4のそれぞれを、距離演算部42及び測定制御部43に対して出力する。
これにより、距離演算部42は、(1)式により距離画像撮像装置1から被写体Sまでの距離を求める。
Step S2:
The pixel drive circuit 322 sequentially supplies the storage drive signals TX1, TX2, TX3, and TX4 to the transfer transistors G1, G2, G3, and G4, respectively, and stores the charge generated by the photoelectric conversion element PD in the charge storage section CS1. , CS2, CS3, and CS4.
Then, the pixel drive circuit 322 performs distance calculation on the amounts of charge Q1, Q2, Q3, and Q4 accumulated in the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4 in a predetermined number of accumulation cycles during one frame. Output to the unit 42 and the measurement control unit 43 .
As a result, the distance calculation unit 42 obtains the distance from the distance image pickup device 1 to the subject S by the formula (1).

ステップS3:
モード判定部432は、電荷蓄積部CSの各々における蓄積容量と比較する、予め設定された容量閾値をモード判定条件記憶部435から読み出す。
そして、モード判定部432は、現在の動作が通常モードの場合、画素回路321毎に、電荷蓄積部CS1、電荷蓄積部CS2、電荷蓄積部CS3及び電荷蓄積部CS4の各々に蓄積される電荷量である、電荷蓄積量Q1、電荷蓄積量Q2、電荷蓄積量Q3、電荷蓄積量Q4それぞれが予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。
Step S3:
The mode determination unit 432 reads, from the mode determination condition storage unit 435, a preset capacity threshold to be compared with the storage capacity of each of the charge storage units CS.
Then, when the current operation is the normal mode, the mode determination unit 432 determines the amount of charge accumulated in each of the charge storage unit CS1, the charge storage unit CS2, the charge storage unit CS3, and the charge storage unit CS4 for each pixel circuit 321. , charge storage amount Q1, charge storage amount Q2, charge storage amount Q3, and charge storage amount Q4 each exceed a preset capacity threshold.

また、モード判定部432は、画素回路321の全てにおいて、蓄積容量が容量閾値を超えた電荷蓄積部CSの数を、電荷蓄積部CS2、電荷蓄積部CS3及び電荷蓄積部CS4の各々の種類毎に集計する。
この集計の後、モード判定部432は、電荷蓄積部CS2、電荷蓄積部CS3及び電荷蓄積部CS4の各々の種類のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部CSを抽出する。
In addition, the mode determination unit 432 determines the number of the charge storage units CS whose storage capacity exceeds the capacity threshold for each type of the charge storage unit CS2, the charge storage unit CS3, and the charge storage unit CS4 in all the pixel circuits 321. Aggregate to
After this counting, the mode determination unit 432 selects the charge storage unit CS having the largest number of storage capacities exceeding the capacity threshold among the types of the charge storage units CS2, CS3, and CS4. Extract.

一方、モード判定部432は、現在の動作が容量増加モードの場合、画素回路321毎に、組み合わせて稼働させている2個(あるいは3個以上の複数)の電荷蓄積部CSと、単独で稼働させている電荷蓄積部CSとの各々に蓄積される電荷量それぞれが、予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。 On the other hand, when the current operation is the capacity increase mode, the mode determination unit 432 operates two (or three or more) charge storage units CS in combination for each pixel circuit 321 and operates alone. It is determined whether or not the amount of charge accumulated in each of the charge accumulation units CS that are being operated exceeds a preset capacity threshold.

例えば、電荷蓄積部CS2及びCS3の組合せが一個の電荷蓄積として稼働し、電荷蓄積部CS4が単独で稼働している場合、モード判定部432は、電荷蓄積量Q2及び電荷蓄積量Q3の加算値と、電荷蓄積量Q4それぞれが、予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。すなわち、モード判定部432は、電荷蓄積部CS2及びCS3の組合せにおける電荷蓄積量Q2+Q3と、電荷蓄積部CSにおける電荷蓄積量Q4との各々と、容量閾値との比較を行う。 For example, when the combination of the charge storage units CS2 and CS3 operates as one charge storage and the charge storage unit CS4 operates alone, the mode determination unit 432 determines the addition value of the charge storage amount Q2 and the charge storage amount Q3. Then, it is determined whether or not each of the charge storage amounts Q4 exceeds a preset capacity threshold. That is, the mode determination unit 432 compares each of the charge storage amount Q2+Q3 in the combination of the charge storage units CS2 and CS3 and the charge storage amount Q4 in the charge storage unit CS with the capacity threshold.

また、モード判定部432は、画素回路321の全てにおいて、蓄積容量が容量閾値を超えた電荷蓄積部CSの数を、組み合わせて稼働させている2個の電荷蓄積部CSと、単独で稼働させている電荷蓄積部CSとの各々の種類毎に集計する。
この集計の後、モード判定部432は、組み合わせて稼働させている2個の電荷蓄積部CSと、単独で稼働させている電荷蓄積部CSとの各々の種類のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部CSを抽出する。
In addition, in all of the pixel circuits 321, the mode determination unit 432 causes the number of charge storage units CS whose storage capacity exceeds the capacity threshold to be operated in combination with the two charge storage units CS operated alone. are counted for each type of the charge accumulating portion CS.
After this counting, the mode determination unit 432 determines that the storage capacity is the capacity threshold value among the types of each of the two charge storage units CS operated in combination and the charge storage units CS operated independently. is extracted.

ここで、電荷蓄積部CS2及びCS3の組合せが一個の電荷蓄積として稼働し、電荷蓄積部CS4が単独で稼働している場合、モード判定部432は、電荷蓄積部CS2及びCS3の組合せと、電荷蓄積部CS4との種類毎に蓄積容量が容量閾値を超えた個数(すなわち、画素数)を集計する。
そして、モード判定部432は、集計した個数が大きい方の種類の個数を最大個数とし、対応する種類として電荷蓄積部CS2及びCS3の組合せと、電荷蓄積部CS4とのいずれかを抽出する。
Here, when the combination of the charge storage units CS2 and CS3 operates as one charge storage and the charge storage unit CS4 operates alone, the mode determination unit 432 determines whether the combination of the charge storage units CS2 and CS3 and the charge The number (that is, the number of pixels) of which the storage capacity exceeds the capacity threshold is counted for each type of the storage section CS4.
Then, mode determination unit 432 sets the number of types having the greater total number as the maximum number, and extracts either the combination of charge storage units CS2 and CS3 or charge storage unit CS4 as the corresponding type.

ステップS4:
モード判定部432は、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部CS(あるいは2個の電荷蓄積部の組合せ)の個数、すなわち最大個数と比較する、予め設定された設定数(個数の閾値)をモード判定条件記憶部435から読み出す。
そして、モード判定部432は、抽出した最大個数が上記設定数を超えるか否かの判定を行う。
このとき、モード判定部432は、最大個数が設定数を超えた場合、処理をステップS5へ進める。一方、モード判定部432は、最大個数が設定数以下の場合、処理をステップS6へ進める。
Step S4:
The mode determination unit 432 compares the number of charge storage units CS (or a combination of two charge storage units) with the largest number of storage capacities exceeding the capacity threshold value, that is, the preset set number ( number) is read from the mode determination condition storage unit 435 .
Then, the mode determination unit 432 determines whether or not the extracted maximum number exceeds the set number.
At this time, if the maximum number exceeds the set number, the mode determination unit 432 advances the process to step S5. On the other hand, when the maximum number is equal to or less than the set number, mode determination unit 432 advances the process to step S6.

ステップS5:
モード判定部432は、最大個数の電荷蓄積部CSの種類、すなわち、電荷蓄積部CS2、CS3及びCS4のいずれが最大個数となったかを、容量増加モード稼働条件設定部433に対して出力する。
容量増加モード稼働条件設定部433は、最大個数となった電荷蓄積部CS、例えば、電荷蓄積部CS2に対応する容量増加モードの容量増加モード稼働条件(容量増加モードにおけるタイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322に対する制御情報)を、稼働条件組合せ記憶部436から読み出す。
Step S5:
The mode determination unit 432 outputs to the capacity increase mode operating condition setting unit 433 the type of the maximum number of charge storage units CS, that is, which of the charge storage units CS2, CS3, and CS4 has the maximum number.
The capacity increase mode operating condition setting unit 433 sets the capacity increase mode operating conditions (the timing control unit 41 in the capacity increase mode, the distance calculation 42 and pixel drive circuit 322) is read out from the operating condition combination storage unit 436.

ここで、電荷蓄積部CS2に対応する容量増加モードの容量増加モード稼働条件とは、すでに説明したように、電荷蓄積部CS2及びCS3を一つの電荷蓄積部CSとして用いる設定である。
このため、この容量増加モード稼働条件における転送周期T2において、画素駆動回路22は、蓄積駆動信号TX2及びTX3を同時のタイミングで「H」レベルとし、転送トランジスタG2及びG3の各々に分割して振分ける処理を行う。
Here, the capacity increase mode operation condition of the capacity increase mode corresponding to the charge storage section CS2 is, as already described, a setting in which the charge storage sections CS2 and CS3 are used as one charge storage section CS.
Therefore, in the transfer cycle T2 under this capacity increase mode operating condition, the pixel drive circuit 22 sets the accumulation drive signals TX2 and TX3 to the "H" level at the same timing, and divides and oscillates the transfer transistors G2 and G3 respectively. Perform the process of dividing.

上述したように、モード判定部432は、最大個数として抽出された電荷蓄積部CSの種類に対応して、電荷蓄積部CS2、電荷蓄積部CS3及び電荷蓄積部CS4の各々の場合における容量増加モード稼働条件を、それぞれ稼働条件組合せ記憶部436から読み出す。
そして、容量増加モード稼働条件設定部433は、読み出した容量増加モード稼働条件を、稼働制御部434に対して出力する。
これにより、稼働制御部434は、電荷蓄積部CSの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
なお、上述したステップに限らず、あらかじめ容量増加モードで駆動してもよい。
As described above, the mode determination unit 432 selects the capacity increase mode for each of the charge storage units CS2, CS3, and CS4 in accordance with the type of the charge storage units CS extracted as the maximum number. Each operating condition is read from the operating condition combination storage unit 436 .
Then, the capacity increase mode operating condition setting unit 433 outputs the read capacity increase mode operating condition to the operation control unit 434 .
As a result, the operation control unit 434 controls the operation of the timing control unit 41, the distance calculation unit 42, and the pixel driving circuit 322 according to the capacity increase mode operating conditions corresponding to each of the charge storage units CS, thereby performing the capacity increase mode operation. to do
It should be noted that the drive may be performed in the capacity increase mode in advance without being limited to the steps described above.

ステップS6:
モード判定部432は、現在の動作モードが通常モードであるか否か、すなわち通常モードあるいは容量増加モードのいずれであるかの判定を行う。
このとき、モード判定部432は、現在の動作モードが通常モードである場合、処理をステップS2へ進める。
一方、モード判定部432は、現在の動作モードが通常モードでない(容量増加モードである)場合、処理をステップS1へ進める。
Step S6:
The mode determination unit 432 determines whether the current operation mode is the normal mode, that is, whether it is the normal mode or the capacity increase mode.
At this time, if the current operation mode is the normal mode, mode determination unit 432 advances the process to step S2.
On the other hand, when the current operation mode is not the normal mode (it is the capacity increase mode), mode determination unit 432 advances the process to step S1.

上述したように、本実施形態によれば、電荷蓄積部CSが飽和する画素数が予め設定した設定数を超える場合、複数(例えば2個)の電荷蓄積部CSを組み合わせて一個の電荷蓄積部として稼働させる、例えば、蓄積電荷の容量(蓄積容量)が容量閾値を超える電荷蓄積部CS2が設定数を超える場合、電荷蓄積部CS2とCS3とを組み合わせて、光電変換素子PDの発生する電荷を分割して振分けることにより、電荷蓄積部CS2が飽和し、距離測定の計算結果の精度を低下させることを防止する構成としているため、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, when the number of pixels at which the charge storage section CS is saturated exceeds a preset number, a plurality of (for example, two) charge storage sections CS are combined to form a single charge storage section. For example, when the number of charge storage units CS2 whose capacity (storage capacity) of stored charges exceeds the capacity threshold exceeds a set number, the charge storage units CS2 and CS3 are combined to store the charge generated by the photoelectric conversion element PD. By dividing and distributing, the charge storage unit CS2 is saturated and the accuracy of the calculation result of the distance measurement is prevented from being lowered. Also, it is possible to suppress saturation due to an increase in the intensity of incident light while maintaining sensitivity to incident light.

<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。
本発明の第2の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明した図1の第1の実施形態による距離画像撮像装置1と同様の構成である。
以下、第2の実施形態において、第1の実施形態と異なる動作のみを説明する。
<Second embodiment>
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
A distance image pickup device according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as the distance image pickup device 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1, which has already been described.
Only the operations of the second embodiment that differ from those of the first embodiment will be described below.

第1の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明したように、容量増加モードにおいて、同一の蓄積周期における同一の転送周期で同時に組合せの電荷蓄積部CSに対応する転送トランジスタGをオン状態として、組合せの電荷蓄積部CSの各々に対して、入射光により光電変換素子PDで発生した電荷を分割して振分ける処理を行う。
しかしながら、第2の実施形態においては、容量増加モードにおいて、異なる蓄積周期における同一の転送周期の各々で(異なる蓄積周期における同一の転送順番の各々で)、組合せの電荷蓄積部CSに対応する転送トランジスタGをそれぞれオン状態として、組合せの電荷蓄積部CSの各々に対して、入射光により光電変換素子PDで発生した電荷を分割して振分ける処理を行う。
As described above, the range image pickup apparatus of the first embodiment simultaneously turns on the transfer transistors G corresponding to the combined charge storage units CS in the same transfer cycle in the same storage cycle in the capacity increase mode. , a process of dividing and distributing the charge generated in the photoelectric conversion element PD by incident light to each of the charge storage units CS of the combination.
However, in the second embodiment, in each of the same transfer cycles in the different accumulation cycles (in each of the same transfer order in the different accumulation cycles) in the capacity increase mode, the transfer corresponding to the combined charge storage section CS Each of the transistors G is turned on, and the charge generated in the photoelectric conversion element PD by incident light is divided and allocated to each of the combined charge storage units CS.

図7は、第2の実施形態における電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、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7のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベル(「H」レベル/「L」レベル)を示し、横軸は時間を示している。また、図7においては、フレーム周期における電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期を示している。容量増加モードにおける転送トランジスタ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. 7 shows transfer of charges generated in the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage units CS in the capacity increase mode when the charge storage amount Q2 of the charge storage unit CS2 exceeds the capacity threshold in the second embodiment. It is a figure which shows the timing chart which carries out. In the timing chart of FIG. 7, the vertical axis indicates the pulse level (“H” level/“L” level), and the horizontal axis indicates time. FIG. 7 also shows an accumulation period that is repeated during the charge accumulation period in the frame period. The timing of each of the storage drive signals TX1 to TX4 supplied to the transfer transistors G1 to G4 in the capacity increase mode and the timing of the drive signal RSTD supplied to the charge discharge transistor GD are shown.

タイミング制御部41は、図5の説明と同様に、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。 The timing control unit 41 causes the light source unit 2 to irradiate the measurement space with the light pulse PO, as in the description of FIG. 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.

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、すなわちパルス幅と同一の幅)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。
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。
That is, the pixel drive circuit 322 converts each of the accumulation drive signals TX1 to TX4 into an "H" level signal with a predetermined time width (the irradiation time To, that is, the same width as the pulse width), and the transfer transistors G1 to G4, respectively. supply to
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.

また、図3に示す通常モードにおける被写体Sとの距離の計測の際、モード判定部432が電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2が容量閾値を超えた画素数が、設定数を超えることを検出した場合、容量増加モード稼働条件設定部433は、稼働条件組合せ記憶部436から、電荷蓄積部CS2及びCS3を組合せて稼働させる容量増加モード稼働条件を読み出す。
そして、容量増加モード稼働条件設定部433は、読み出した上記容量増加モード稼働条件を稼働制御部434に対して出力する。
稼働制御部434は、電荷蓄積部CSの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
Further, when measuring the distance to the object S in the normal mode shown in FIG. 3, the mode determination unit 432 detects that the number of pixels in which the charge accumulation amount Q2 of the charge accumulation unit CS2 exceeds the capacity threshold exceeds the set number. In this case, the capacity increase mode operating condition setting unit 433 reads from the operating condition combination storage unit 436 the capacity increase mode operating condition for operating the charge storage units CS2 and CS3 in combination.
Then, the capacity increase mode operating condition setting unit 433 outputs the read capacity increase mode operating condition to the operation control unit 434 .
The operation control unit 434 controls the operations of the timing control unit 41, the distance calculation unit 42, and the pixel driving circuit 322 according to the capacity increase mode operating conditions corresponding to each of the charge storage units CS, and causes the capacity increase mode operation to be performed. .

これにより、画素駆動回路322は、容量増加モードの場合、タイミング制御部41のタイミング制御により、フレーム周期における電荷を蓄積する蓄積期間において、蓄積周期が例えばm個ある場合、蓄積期間における最初の1番目の蓄積周期からm/2番目の蓄積周期までの間、転送周期T2において蓄積駆動信号TX2を「H」レベルとし、転送トランジスタG2をオン状態として電荷蓄積部CS2に電荷を蓄積させる。
また、画素駆動回路322は、(m/2)+1番目の蓄積周期からm番目の蓄積周期までの間、転送周期T2において蓄積駆動信号TX3を「H」レベルとし、転送トランジスタG3をオン状態として電荷蓄積部CS3に電荷を蓄積させる。
As a result, in the case of the capacity increase mode, the pixel drive circuit 322 controls the timing control of the timing control unit 41 so that when there are, for example, m accumulation periods in the accumulation period for accumulating charges in the frame period, the first 1 in the accumulation period From the th accumulation period to the m/2th accumulation period, the accumulation drive signal TX2 is set to the "H" level in the transfer period T2, and the transfer transistor G2 is turned on to accumulate charges in the charge accumulation section CS2.
In addition, the pixel drive circuit 322 sets the accumulation drive signal TX3 to "H" level in the transfer period T2 from the (m/2)+1th accumulation period to the mth accumulation period, and turns on the transfer transistor G3. Charge is accumulated in the charge accumulation unit CS3.

すなわち、電荷蓄積部CS2の電荷蓄積量Q2が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、フレーム周期毎の蓄積期間において、異なる蓄積周期における同一の転送周期において、入射光により光電変換素子PDが発生する電荷を、一つの電荷蓄積部CS2に振分けるのではなく、複数、すなわち電荷蓄積部CS2及びCS3の2個に対してそれぞれ分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部CS2のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部CS2及びCS3の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
That is, in the capacity increase mode when the charge storage amount Q2 of the charge storage unit CS2 exceeds the capacity threshold, the incident light causes the photoelectric conversion element PD to move in the same transfer cycle in a different storage cycle in the storage period of each frame cycle. The generated charges are not distributed to one charge storage section CS2, but are divided and distributed to a plurality of charge storage sections CS2 and CS3, respectively.
As a result, the charge amount saturated only in the charge storage section CS2 is divided and accumulated in each of the charge storage sections CS2 and CS3, thereby suppressing saturation of the accumulated charge amount exceeding the maximum storage capacity. be able to.

また、通常モードにおいて、蓄積駆動信号TX4は、通常モードであれば、転送周期T4において「H」レベルとされていた。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部CS4が通常モードにおける電荷蓄積部CS3の機能を有しているため、すでに述べた第1の実施形態と同様に、画素駆動回路322は、転送周期T3において蓄積駆動信号TX4を「H」レベルとする。
これにより、電荷蓄積部CS4には、転送周期T3において光電変換素子PDにより発生した電荷が、転送トランジスタG4を介して振分けられて蓄積される。
Further, in the normal mode, the accumulation drive signal TX4 is set to "H" level in the transfer period T4 in the normal mode.
However, in the capacity increase mode, the charge storage section CS4 has the function of the charge storage section CS3 in the normal mode. Accumulation drive signal TX4 is set to "H" level.
As a result, the charge generated by the photoelectric conversion element PD in the transfer period T3 is distributed and accumulated in the charge accumulation unit CS4 via the transfer transistor G4.

また、上述した容量増加モード稼働条件においては、蓄積周期が例えばm個ある場合、蓄積期間における最初の1番目の蓄積周期からm/2番目の蓄積周期までの間で電荷蓄積部CS2に電荷を蓄積させ、(m/2)+1番目の蓄積周期からm番目の蓄積周期までの間で電荷蓄積部CS3に電荷を蓄積させる構成としている。
しかしながら、奇数番目の蓄積周期の転送周期T2において蓄積駆動信号TX2を「H」レベルとし、例えば、偶数番目の蓄積周期の転送周期T2において蓄積駆動信号TX3を「H」レベルとして、電荷蓄積部CS2及びCS3の各々に対して交互に、光電変換部PDの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。
また、上述した構成に限らず、例えば、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を電荷蓄積部CS2と電荷蓄積部CS3との各々に半分ずつ分割するように、ランダムに振り分ける構成としてもよい。
Further, under the above-described capacity increase mode operating conditions, if there are m accumulation cycles, for example, charges are stored in the charge accumulation unit CS2 from the first accumulation cycle to the m/2th accumulation cycle in the accumulation period. The charge is accumulated in the charge accumulation section CS3 from the (m/2)+1th accumulation period to the mth accumulation period.
However, in the transfer period T2 of the odd-numbered accumulation period, the accumulation drive signal TX2 is set to "H" level, and for example, in the transfer period T2 of the even-numbered accumulation period, the accumulation drive signal TX3 is set to "H" level. and CS3 alternately, the charge generated by the photoelectric conversion unit PD may be divided and distributed.
In addition to the configuration described above, for example, a configuration may be employed in which the number of accumulation periods in the accumulation period of the frame period is randomly distributed so as to divide the charge accumulation section CS2 and the charge accumulation section CS3 by half.

また、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を半分ずつ(均等に)、電荷蓄積部CS2及びCS3の各々に光電変換部PDの発生する電荷を分割して振分ける構成とした。
しかしながら、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を所定の比率として、電荷蓄積部CS2及びCS3の各々に光電変換部PDの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。すなわち、電荷蓄積部CS2及びCS3の各々に分割される電荷量が均等でなく、所定の比率となっても、一つの電荷蓄積部CS2のみの場合のように、飽和することを低減できる効果が得られる。
Also, the number of accumulation periods in the accumulation period of the frame period is halved (equally), and the charge generated by the photoelectric conversion section PD is divided and distributed to each of the charge accumulation sections CS2 and CS3.
However, the number of accumulation periods in the accumulation period of the frame period may be set to a predetermined ratio, and the charge generated by the photoelectric conversion section PD may be divided and allocated to each of the charge accumulation sections CS2 and CS3. That is, even if the amount of charge divided into each of the charge storage units CS2 and CS3 is not uniform and has a predetermined ratio, there is an effect of reducing saturation as in the case of only one charge storage unit CS2. can get.

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。電荷蓄積期間に転送周期T1から転送周期T3、及び時間Trsからなる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転送周期T1と、蓄積周期が異なる転送周期T2と、転送周期T3との各々の転送周期毎に、電荷蓄積部CS1と、電荷蓄積部CS2及びCS3と、電荷蓄積部CS4とのそれぞれに電荷が蓄積される。
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 consisting of transfer cycles T1 to T3 and time Trs are repeated during the charge accumulation period.
As a result, in each of the transfer period T1 in the charge accumulation period, the transfer period T2 having a different accumulation period, and the transfer period T3, the charge accumulation unit CS1, the charge accumulation units CS2 and CS3, and the charge accumulation unit A charge is accumulated in each of CS4 and CS4.

また、画素駆動回路322は、項で変換素子PDから電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々への電荷の転送を行う転送周期それぞれを繰返す際、電荷蓄積部CS4に対する電荷の転送(振分け)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に対する転送周期T1が開始される前に、直前の電荷蓄積部CS4の転送周期T3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)。
容量増加モードの場合、転送周期T2及びT3が実質的に統合されて転送周期T4が無くなるため、図7に示すように、転送周期T3の後の時間Trsにおいて、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。
In addition, the pixel driving circuit 322 transfers (distributes) the charge to the charge storage section CS4 when repeating each transfer cycle for transferring the charge from the conversion element PD to each of the charge storage sections CS1, CS2, CS3, and CS4. ) is completed, the drive signal RSTD of "H" level is supplied to the charge discharge transistor GD provided on the discharge path for discharging the charge from the photoelectric conversion element PD 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 transfer cycle T3 of the charge storage unit CS4 before the transfer cycle T1 for the charge storage unit CS1 is started (that is, reset the photoelectric conversion element PD).
In the case of the capacity increase mode, the transfer periods T2 and T3 are substantially integrated and the transfer period T4 is eliminated. Therefore, as shown in FIG. It is turned on by supplying the driving signal RSTD of "H" level.

そして、画素駆動回路322は、第1の実施形態と同様に、フレーム周期における蓄積期間が終了した後、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。この画素回路321の各々の電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4のそれぞれから、電荷蓄積量Q1、Q2、Q3、Q4を読み出す処理については、通常モードと同様である。
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、距離演算部42に出力させる。
Then, as in the first embodiment, the pixel drive circuit 322 outputs voltage signals from each of all the pixel circuits 321 arranged in the light receiving section 3 after the accumulation period in the frame cycle is completed. Signal processing such as A/D conversion processing is sequentially performed in units of 321 rows (horizontal array). The process of reading the charge storage amounts Q1, Q2, Q3, Q4 from the charge storage units CS1, CS2, CS3, CS4 of the pixel circuit 321 is the same as in the normal mode.
After that, the pixel drive circuit 322 causes the voltage signals after the signal processing to be output to the distance calculation section 42 sequentially in the order of the columns arranged in the light receiving section 3 .

ここで、距離演算部42は、画素駆動回路322により供給されるデジタル値の電荷蓄積量Q2と電荷蓄積量Q3とを加算し(一個の電荷蓄積部CS2に蓄積された電荷量として扱う)、この加算結果Q2+Q3と、電荷蓄積量Q1及び電荷蓄積量Q4との各々を用いて、第1の実施形態と同様に遅延時間Tdを算出し、被写体Sと距離画像撮像装置1との間の距離を求める。
また、上記A/D変換処理を行う前段に、アナログ値の電荷蓄積量Q2と電荷蓄積量Q3とを加算する加算器を設け、当該加算器による加算結果Q2+Q3をA/D変換し、得られたデジタル値の加算結果Q2+Q3を距離演算部42に出力する構成としてもよい。
Here, the distance calculation unit 42 adds the digital charge accumulation amount Q2 and the charge accumulation amount Q3 supplied from the pixel drive circuit 322 (handled as the charge amount accumulated in one charge accumulation unit CS2), Using this addition result Q2+Q3, the charge accumulation amount Q1, and the charge accumulation amount Q4, the delay time Td is calculated in the same manner as in the first embodiment, and the distance between the object S and the distance image pickup device 1 is calculated. Ask for
Further, an adder for adding the charge accumulation amount Q2 and the charge accumulation amount Q3 of analog values is provided in the preceding stage of the A/D conversion process, and the addition result Q2+Q3 by the adder is A/D converted to obtain The addition result Q2+Q3 of the digital values may be output to the distance calculator 42. FIG.

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(フレーム周期)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 (frame period) 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。
ここで、図7において、電荷蓄積部CS2及びCS3と、電荷蓄積部CS4と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.
Here, in FIG. 7, the distribution (distribution ratio) of the amount of charge distributed to the charge storage units CS2 and CS3 and the charge storage unit CS4 is determined by the light pulse PO reflected by the object S and incident on the distance image pickup device 1. It becomes a ratio according to the delay time Td until it is completed.

また、電荷蓄積部CS3の電荷蓄積量Q3が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、電荷蓄積部CS2を単独(一個)とし、電荷蓄積部CS3及びCS4を組み合わせて用いる。
すなわち、図3に示す通常モードにおける被写体Sとの距離の計測の際、モード判定部432が電荷蓄積部CS3の電荷蓄積量Q3が容量閾値を超えた画素数が、設定数を超えることを検出した場合、容量増加モード稼働条件設定部433は、稼働条件組合せ記憶部436から、電荷蓄積部CS3及びCS4を組合せて稼働させる容量増加モード稼働条件を読み出す。
In the capacity increase mode when the charge storage amount Q3 of the charge storage section CS3 exceeds the capacity threshold, the charge storage section CS2 is used alone (one) and the charge storage sections CS3 and CS4 are used in combination.
That is, when measuring the distance to the object S in the normal mode shown in FIG. 3, the mode determination unit 432 detects that the number of pixels in which the charge accumulation amount Q3 of the charge accumulation unit CS3 exceeds the capacity threshold exceeds the set number. In this case, the capacity increase mode operating condition setting unit 433 reads from the operating condition combination storage unit 436 the capacity increase mode operating condition for operating the charge storage units CS3 and CS4 in combination.

そして、容量増加モード稼働条件設定部433は、読み出した上記容量増加モード稼働条件を稼働制御部434に対して出力する。
稼働制御部434は、電荷蓄積部CSの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
Then, the capacity increase mode operating condition setting unit 433 outputs the read capacity increase mode operating condition to the operation control unit 434 .
The operation control unit 434 controls the operations of the timing control unit 41, the distance calculation unit 42, and the pixel driving circuit 322 according to the capacity increase mode operating conditions corresponding to each of the charge storage units CS, and causes the capacity increase mode operation to be performed. .

これにより、画素駆動回路322は、容量増加モードの場合、タイミング制御部41のタイミング制御により、フレーム周期における電荷を蓄積する蓄積期間において、蓄積周期が例えばm個ある場合、蓄積期間における最初の1番目の蓄積周期からm/2番目の蓄積周期までの間、転送周期T3において蓄積駆動信号TX3を「H」レベルとし、転送トランジスタG3をオン状態として電荷蓄積部CS3に電荷を蓄積させる。
また、画素駆動回路322は、(m/2)+1番目の蓄積周期からm番目の蓄積周期までの間、転送周期T3において蓄積駆動信号TX4を「H」レベルとし、転送トランジスタG4をオン状態として電荷蓄積部CS4に電荷を蓄積させる。
As a result, in the case of the capacity increase mode, the pixel drive circuit 322 controls the timing control of the timing control unit 41 so that when there are, for example, m accumulation periods in the accumulation period for accumulating charges in the frame period, the first 1 in the accumulation period From the th accumulation period to the m/2th accumulation period, in the transfer period T3, the accumulation drive signal TX3 is set to the "H" level, the transfer transistor G3 is turned on, and charges are accumulated in the charge accumulation section CS3.
In addition, the pixel drive circuit 322 sets the accumulation drive signal TX4 to "H" level and turns on the transfer transistor G4 in the transfer period T3 from the (m/2)+1th accumulation period to the mth accumulation period. Charge is accumulated in the charge accumulation unit CS4.

すなわち、電荷蓄積部CS3の電荷蓄積量Q3が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、フレーム周期毎の蓄積期間において、異なる蓄積周期における同一の転送周期において、入射光により光電変換素子PDが発生する電荷を、一つの電荷蓄積部CS3に振分けるのではなく、複数、すなわち電荷蓄積部CS3及びCS4の2個に対してそれぞれ分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部CS3のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部CS3及びCS4の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
That is, in the capacity increase mode when the charge storage amount Q3 of the charge storage unit CS3 exceeds the capacity threshold, the incident light causes the photoelectric conversion element PD to move in the same transfer cycle in a different storage cycle in the storage period of each frame cycle. The generated charges are not distributed to one charge storage section CS3, but are divided and distributed to a plurality of charge storage sections CS3 and CS4, respectively.
As a result, the charge amount saturated only in the charge storage section CS3 is divided and accumulated in each of the charge storage sections CS3 and CS4, thereby suppressing saturation of the accumulated charge amount exceeding the maximum storage capacity. be able to.

また、通常モードにおいて、蓄積駆動信号TX2は、通常モードと同様に、転送周期T2において「H」レベルとされる。
これにより、電荷蓄積部CS2には、通常モードと同様に、転送周期T2において光電変換素子PDにより発生した電荷が、転送トランジスタG2を介して振分けられて蓄積される。
In the normal mode, accumulation drive signal TX2 is set to "H" level in transfer period T2 as in the normal mode.
As a result, the charges generated by the photoelectric conversion elements PD in the transfer cycle T2 are distributed and accumulated in the charge storage unit CS2 via the transfer transistor G2, as in the normal mode.

また、容量増加モードにおける図7に示す駆動形態で、転送周期T3において電荷蓄積部CS3及びCS4を組合わせる場合、距離演算部42は、以下の(6)式により、遅延時間Tdを算出する。
Td=To×(Q3+Q4-2×Q1)/(Q2+Q3+Q4-3×Q1)…(6)
このとき、距離演算部42は、上記(6)式で求めた遅延時間Tdに、光速(速度)を乗算させることにより、被写体Sまでの往復の測定距離を算出する。
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。
7 in the capacity increase mode, when the charge accumulation units CS3 and CS4 are combined in the transfer period T3, the distance calculation unit 42 calculates the delay time Td by the following equation (6).
Td=To×(Q3+Q4-2×Q1)/(Q2+Q3+Q4-3×Q1) (6)
At this time, the distance calculator 42 multiplies the delay time Td obtained by the above equation (6) by the speed of light (velocity) to calculate the round trip distance to the subject S.
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.

また、上述した容量増加モード稼働条件においては、蓄積周期が例えばm個ある場合、蓄積期間における最初の1番目の蓄積周期からm/2番目の蓄積周期までの間で電荷蓄積部CS3に電荷を蓄積させ、(m/2)+1番目の蓄積周期からm番目の蓄積周期までの間で電荷蓄積部CS4に電荷を蓄積させる構成としている。
しかしながら、例えば、奇数番目の蓄積周期の転送周期T3において蓄積駆動信号TX3を「H」レベルとし、偶数番目の蓄積周期の転送周期T3において蓄積駆動信号TX4を「H」レベルとして、電荷蓄積部CS3及びCS4の各々に対して交互に、光電変換部PDの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。
In addition, under the above-described capacity increase mode operation conditions, if there are m accumulation periods, for example, charges are stored in the charge accumulation section CS3 from the first accumulation period to the m/2th accumulation period in the accumulation period. The charge is accumulated in the charge accumulation section CS4 from the (m/2)+1th accumulation period to the mth accumulation period.
However, for example, the accumulation drive signal TX3 is set to "H" level in the transfer period T3 of the odd-numbered accumulation period, and the accumulation drive signal TX4 is set to "H" level in the transfer period T3 of the even-numbered accumulation period. and CS4 alternately, the charge generated by the photoelectric conversion unit PD may be divided and distributed.

また、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を半分ずつ(均等に)、電荷蓄積部CS3及びCS4の各々に光電変換部PDの発生する電荷を分割して振分ける構成とした。
しかしながら、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を所定の比率として、電荷蓄積部CS3及びCS4の各々に光電変換部PDの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。すなわち、電荷蓄積部CS3及びCS4の各々に分割される電荷量が均等でなく、所定の比率となっても、一つの電荷蓄積部CS3のみの場合のように、飽和することを低減できる効果が得られる。
Also, the number of accumulation periods in the accumulation period of the frame period is halved (equally), and the charge generated by the photoelectric conversion section PD is divided and distributed to each of the charge accumulation sections CS3 and CS4.
However, the number of accumulation periods in the accumulation period of the frame period may be set to a predetermined ratio, and the charge generated by the photoelectric conversion section PD may be divided and allocated to each of the charge accumulation sections CS3 and CS4. That is, even if the amount of charge divided into each of the charge storage units CS3 and CS4 is not equal and has a predetermined ratio, there is an effect of reducing saturation as in the case of only one charge storage unit CS3. can get.

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。電荷蓄積期間に転送周期T1からT4からなる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転送周期T1と、転送周期T2と、蓄積周期が異なる転送周期T3の各々の転送周期毎に、電荷蓄積部CS1と、電荷蓄積部CS2と、電荷蓄積部CS3及びCS4とのそれぞれに電荷が蓄積される。
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 storage cycles consisting of transfer cycles T1 to T4 are repeated during the charge storage period.
As a result, the charge storage unit CS1, the charge storage unit CS2, and the charge storage units CS3 and CS4 are charged for each transfer cycle of the transfer cycle T1, the transfer cycle T2, and the transfer cycle T3 having a different storage cycle in the charge storage period. charge is accumulated in each of

上述したように、本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、電荷蓄積部CSが飽和する画素数が予め設定した設定数を超える場合、複数(例えば2個)の電荷蓄積部CSを組み合わせて一個の電荷蓄積部として稼働させる、例えば、蓄積電荷の容量(蓄積容量)が容量閾値を超える電荷蓄積部CS2が設定数を超える場合、電荷蓄積部CS2とCS3とを組み合わせて、光電変換素子PDの発生する電荷を分割して振分けることにより、電荷蓄積部CS2が飽和し、距離測定の計算結果の精度を低下させることを防止する構成としているため、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment, when the number of pixels at which the charge storage section CS is saturated exceeds a preset number, a plurality of (for example, two) charge storage sections CS are combined to operate as one charge storage unit. For example, when the number of charge storage units CS2 whose capacity of stored charges (accumulation capacity) exceeds the capacity threshold exceeds a set number, the charge storage units CS2 and CS3 are combined, By dividing and distributing the charge generated by the photoelectric conversion element PD, the charge storage section CS2 is saturated and the accuracy of the calculation result of the distance measurement is prevented from deteriorating. It is possible to suppress saturation due to an increase in the intensity of incident light while maintaining the resolution of the captured image and the sensitivity to incident light without increasing the intensity.

<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。
本発明の第2の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明した図1の第1の実施形態による距離画像撮像装置1と同様の構成である。
以下、第2の実施形態において、第1の実施形態と異なる動作のみを説明する。
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
A distance image pickup device according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as the distance image pickup device 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1, which has already been described.
Only the operations of the second embodiment that differ from those of the first embodiment will be described below.

第1の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明したように、容量増加モードにおいて、同一の蓄積周期における同一の転送周期で同時に組合せの電荷蓄積部CSに対応する転送トランジスタGをオン状態として、組合せの電荷蓄積部CSの各々に対して、入射光により光電変換素子PDで発生した電荷を分割して振分ける処理を行う。
しかしながら、第3の実施形態においては、背景光の影響が無視できる環境、例えば暗闇で環境における背景光がほとんどない状態を前提としている容量増加モードを有している。
なお、上述した本実施形態における駆動は、4tap(4個の電荷蓄積部)を備える画素の場合であり、5tap(5個の電荷蓄積部)以上の電荷蓄積部を備える画素においては背景光の影響を考慮した容量増加モードとなる。
As described above, the range image pickup apparatus of the first embodiment simultaneously turns on the transfer transistors G corresponding to the combined charge storage units CS in the same transfer cycle in the same storage cycle in the capacity increase mode. , a process of dividing and distributing the charge generated in the photoelectric conversion element PD by incident light to each of the charge storage units CS of the combination.
However, the third embodiment has a capacity increasing mode that assumes an environment in which the influence of background light is negligible, for example, a state in which there is almost no background light in the dark environment.
Note that the driving in the present embodiment described above is for a pixel having 4 taps (four charge storage portions), and in a pixel having charge storage portions of 5 taps (five charge storage portions) or more, the driving of the background light is performed. It becomes a capacity increase mode considering the influence.

図8は、第3の実施形態における背景光の影響が無視できる環境の場合の容量増加モードによる、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8のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベル(「H」レベル/「L」レベル)を示し、横軸は時間を示している。また、図8においては、フレーム周期における電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期を示している。容量増加モードにおける、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. 8 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 capacity increase mode in the case of an environment in which the influence of background light can be ignored in the third embodiment. is. In the timing chart of FIG. 8, the vertical axis indicates the pulse level (“H” level/“L” level), and the horizontal axis indicates time. Also, FIG. 8 shows an accumulation period that is repeated during the charge accumulation period in the frame period. The timings of the storage drive signals TX1 to TX4 supplied to the transfer transistors G1 to G4 and the timing of the drive signal RSTD supplied to the charge discharge transistor GD in the capacity increase mode are shown.

本実施形態において、背景光を取得する必要がないため、容量増加モードの場合、稼働条件組合せ記憶部436における容量増加モード稼働条件により、光源部2は、蓄積周期T1と同一タイミングにおいて光パルスPOを照射する。
また、容量増加モードとするモード判定は、第1の実施形態及び第2の実施形態と同様に、通常モードにおいて行われる。
そして、容量増加モード稼働条件設定部433は、読み出した上記容量増加モード稼働条件を稼働制御部434に対して出力する。
In the present embodiment, since it is not necessary to obtain background light, in the case of the capacity increase mode, the light source unit 2 outputs the light pulse PO to irradiate.
Also, the mode determination to select the capacity increase mode is performed in the normal mode, as in the first and second embodiments.
Then, the capacity increase mode operating condition setting unit 433 outputs the read capacity increase mode operating condition to the operation control unit 434 .

稼働制御部434は、電荷蓄積部CSの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部41、距離演算部42及び画素駆動回路322の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
上記容量増加モード稼働条件は、背景光の蓄積に電荷蓄積部CS1を用いないため、電荷蓄積部CS1及びCS2の各々を組合せ、かつ電荷蓄積部CS3及びCS4の各々とを組合せ、通常モードにおける電荷蓄積部CS1、CS2それぞれの一個に対応させて稼働させる。
The operation control unit 434 controls the operations of the timing control unit 41, the distance calculation unit 42, and the pixel driving circuit 322 according to the capacity increase mode operating conditions corresponding to each of the charge storage units CS, and causes the capacity increase mode operation to be performed. .
Since the charge storage section CS1 is not used for accumulating background light, the operating conditions for the capacity increase mode are the combination of the charge storage sections CS1 and CS2 and the combination of the charge storage sections CS3 and CS4. Each one of the storage units CS1 and CS2 is made to operate.

すなわち、画素駆動回路322は、容量増加モードの場合、タイミング制御部41のタイミング制御により、通常駆動では電荷蓄積部CS1に電荷を蓄積させる転送周期T1において、蓄積駆動信号TX1及びTX2を同時のタイミングで「H」レベルとする。
そして、転送トランジスタG1及びG2の各々は、光電変換素子PDが発生した電荷を、電荷蓄積部CS1、電荷蓄積部CS2のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部CS1のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部CS1及びCS2の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
That is, in the case of the capacity increase mode, the pixel drive circuit 322 outputs the accumulation drive signals TX1 and TX2 at the same timing in the transfer period T1 in which charges are accumulated in the charge accumulation section CS1 in normal driving, under the timing control of the timing control section 41. to "H" level.
Each of the transfer transistors G1 and G2 divides and distributes the charge generated by the photoelectric conversion element PD to the charge storage section CS1 and the charge storage section CS2, respectively.
As a result, the charge amount saturated in only the charge storage section CS1 is divided and accumulated in each of the charge storage sections CS1 and CS2, thereby suppressing saturation of the accumulated charge amount exceeding the maximum storage capacity. be able to.

また、同様に、画素駆動回路322は、容量増加モードの場合、タイミング制御部41のタイミング制御により、通常駆動では電荷蓄積部CS2に電荷を蓄積させる転送周期T2において、蓄積駆動信号TX3及びTX4を同時のタイミングで「H」レベルとする。
そして、転送トランジスタG3及びG4の各々は、光電変換素子PDが発生した電荷を、電荷蓄積部CS3、電荷蓄積部CS4のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部CS2のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部CS3及びCS4の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
Similarly, in the case of the capacity increase mode, the pixel drive circuit 322 outputs the accumulation drive signals TX3 and TX4 in the transfer period T2 in which charges are accumulated in the charge accumulation section CS2 in normal driving, under the timing control of the timing control section 41. At the same timing, it is set to "H" level.
Then, each of the transfer transistors G3 and G4 divides and distributes the charge generated by the photoelectric conversion element PD to the charge storage section CS3 and the charge storage section CS4, respectively.
As a result, the charge amount saturated only in the charge storage section CS2 is divided and accumulated in each of the charge storage sections CS3 and CS4, thereby suppressing saturation of the accumulated charge amount exceeding the maximum storage capacity. be able to.

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。電荷蓄積期間に転送周期T1からT4からなる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及びCS2(転送周期T1)と、電荷蓄積部CS3及びCS4(転送周期T2)との各々の転送周期毎に、電荷蓄積部CS1及びCS2と電荷蓄積部CS3及びCS4とのそれぞれに電荷が蓄積される。
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 storage cycles consisting of transfer cycles T1 to T4 are repeated during the charge storage period.
As a result, the charge accumulation units CS1 and CS2 and the charge accumulation units CS1 and CS2 and the charge accumulation units are A charge is accumulated in each of CS3 and CS4.

また、画素駆動回路322は、項で変換素子PDから電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々への電荷の転送を行う転送周期それぞれを繰返す際、電荷蓄積部CS4に対する電荷の転送(振分け)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。 In addition, the pixel driving circuit 322 transfers (distributes) the charge to the charge storage section CS4 when repeating each transfer cycle for transferring the charge from the conversion element PD to each of the charge storage sections CS1, CS2, CS3, and CS4. ) is completed, the drive signal RSTD of "H" level is supplied to the charge discharge transistor GD provided on the discharge path for discharging the charge from the photoelectric conversion element PD to turn it on.

これにより、電荷排出トランジスタGDは、電荷蓄積部CS1に対する転送周期T1が開始される前に、直前の電荷蓄積部CS4の転送周期T2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)。
容量増加モードの場合、転送周期T1及びT2と、転送周期T3及びT4との各々が実質的に統合されて転送周期T3及びT4が無くなるため、図8に示すように、転送周期T2の後の時間Trsにおいて、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。
As a result, before the transfer cycle T1 for the charge storage unit CS1 is started, the charge discharge transistor GD discards the charge generated in the photoelectric conversion element PD after the immediately preceding transfer cycle T2 for the charge storage unit CS4 (that is, the photoelectric conversion element PD). reset the conversion element PD).
In the case of the capacity increase mode, the transfer periods T1 and T2 and the transfer periods T3 and T4 are substantially integrated and the transfer periods T3 and T4 are eliminated. At the time Trs, the "H" level drive signal RSTD is supplied to the charge discharge transistor GD to turn it on.

また、第2の実施形態と同様に、電荷蓄積部CS2やCS3の電荷蓄積量Q2、Q3が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、フレーム周期毎の蓄積期間において、異なる蓄積周期における同一の転送周期において、入射光により光電変換素子PDが発生する電荷を、一つの電荷蓄積部CS2やCS3に振分けるのではなく、すなわち電荷蓄積部CS1及びCS2の2個とに対してそれぞれ分割し、あるいは電荷蓄積部CS3及びCS4の2個とに対してそれぞれ分割して振分ける構成としてもよい。 Also, as in the second embodiment, the capacity increase mode when the charge storage amounts Q2 and Q3 of the charge storage units CS2 and CS3 exceed the capacity threshold is the same in different storage cycles in the storage period of each frame cycle. In the transfer period of , the charges generated by the photoelectric conversion element PD due to incident light are not distributed to the single charge storage units CS2 and CS3, but divided into the two charge storage units CS1 and CS2, respectively. Alternatively, it may be divided and allocated to the two charge storage units CS3 and CS4.

また、背景光を無視することを前提とした場合、電荷蓄積部CS1、CS2及びCS3の3個の電荷蓄積部において、第1の実施形態の構成と同様に、電荷蓄積部CS1及びCS2の組合せと、電荷蓄積部CS3とで距離計測を行わせてもよいし、電荷蓄積部CS1と、電荷蓄積部CS2及びCS3の組合せとで距離計測を行わせてもよい Assuming that the background light is ignored, the combination of the charge storage units CS1 and CS2 in the three charge storage units CS1, CS2, and CS3 is the same as in the configuration of the first embodiment. , the distance measurement may be performed with the charge storage unit CS3, or the distance measurement may be performed with the combination of the charge storage unit CS1 and the charge storage units CS2 and CS3.

上述したように、本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、電荷蓄積部CSが飽和する画素数が予め設定した設定数を超える場合、複数(例えば2個)の電荷蓄積部CSを組み合わせて一個の電荷蓄積部として稼働させる、例えば、蓄積電荷の容量(蓄積容量)が容量閾値を超える電荷蓄積部CS2やCS3が設定数を超える場合、電荷蓄積部CS1とCS2とを、あるいは電荷蓄積部CS3とCS4とを組み合わせて、光電変換素子PDの発生する電荷を分割して振分けることにより、電荷蓄積部CS2やCS3が飽和し、距離測定の計算結果の精度を低下させることを防止する構成としているため、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment, when the number of pixels at which the charge storage section CS is saturated exceeds a preset number, a plurality of (for example, two) charge storage sections CS are combined to operate as one charge storage unit. Alternatively, by combining the charge storage units CS3 and CS4 and dividing and distributing the charge generated by the photoelectric conversion element PD, the charge storage units CS2 and CS3 are saturated and the accuracy of the distance measurement calculation result is lowered. Therefore, it is possible to suppress saturation due to an increase in the intensity of incident light while maintaining the resolution of the captured image and the sensitivity to incident light without increasing the capacity of the charge storage unit. Become.

1…距離画像撮像装置
2…光源部
3…受光部
21…光源装置
22…拡散板
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
431…通常モード稼働条件設定部
432…モード判定部
433…容量増加モード稼働条件設定部
434…稼働制御部
435…モード判定条件記憶部
436…稼働条件組合せ記憶部
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
PD…光電変換素子
PO…光パルス
RL…反射光
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 21... Light source device 22... Diffusion plate 31... Lens 32... Range image sensor (range image pick-up element)
321... Pixel circuit 322... Pixel drive circuit 4... Distance image processing unit 41... Timing control unit 42... Distance calculation unit 43... Measurement control unit 431... Normal mode operation condition setting unit 432... Mode determination unit 433... Capacity increase mode operation condition Setting unit 434 Operation control unit 435 Mode determination condition storage unit 436 Operation condition combination storage unit CS1, CS2, CS3, CS4 Charge storage unit FD1, FD2, FD3, FD4 Floating diffusion G1, G2, G3, G4... Transfer transistor GD... Charge discharge transistor PD... Photoelectric conversion element PO... Light pulse RL... Reflected light RT1, RT2, RT3, RT4... Reset transistor S... Subject SF1, SF2, SF3, SF4... Source follower transistor SL1, SL2, SL3, SL4... selection transistor

Claims (8)

測定対象の空間である測定空間から入射する光である入射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N個(N≧3)の電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を転送する転送トランジスタとを備える複数の画素回路と、
光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、前記電荷蓄積部の各々に前記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、
前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組み合わせの各々に分割して振り分けて蓄積させる測定制御部と、
前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める距離演算部と
を備える
ことを特徴とする距離画像撮像装置。
a photoelectric conversion element that generates charges according to incident light that is light that is incident from a measurement space that is a space to be measured; N (N≧3) charge storage units that store the charges in a frame period; a plurality of pixel circuits each comprising a transfer transistor for transferring the charge from the photoelectric conversion element to each of the charge storage units;
a pixel drive circuit that turns on and off the transfer transistors in each of the charge storage units in a predetermined accumulation cycle synchronized with the irradiation of the light pulse, and distributes and accumulates the charges;
a measurement control unit that divides and distributes and accumulates the charge generated by the photoelectric conversion element to each of the combinations of the charge accumulation units in any transfer period of the charge accumulation cycle;
and a distance calculation unit that calculates a distance to a subject existing in the measurement space as a measurement distance based on the amount of charge accumulated in each of the charge accumulation units.
測定制御部が、
容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対応する前記転送トランジスタを前記蓄積周期毎に前記転送順番において同時にオンとし、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに対して前記光電変換素子の発生した電荷を転送し、前記組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させる
ことを特徴とする請求項1に記載の距離画像撮像装置。
The measurement control unit
In the capacity increasing mode, the transfer transistors corresponding to each of the plurality of charge storage units of the combination are simultaneously turned on in the transfer order for each storage cycle, and the photoelectric conversion is performed for each of the charge storage units of the combination. 2. The distance imaging device according to claim 1, wherein the charge generated by the element is transferred, and the charge generated by the photoelectric conversion element is divided and accumulated in each of the charge storage units of the combination.
測定制御部が、
容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、前記フレーム周期における蓄積回数に対して所定の比率を乗じた分割蓄積回数を設定し、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対し、異なる前記蓄積周期で前記転送トランジスタを前記転送順番においてオンとし、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対して前記分割蓄積回数分の前記光電変換素子の発生した電荷を転送することにより、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させる
ことを特徴とする請求項1に記載の距離画像撮像装置。
The measurement control unit
In the capacity increase mode, for each of the plurality of charge storage units in the combination, a divided storage count obtained by multiplying the storage count in the frame period by a predetermined ratio is set, and the charge storage units in the combination are divided. For each, the transfer transistors are turned on in the transfer order in the different accumulation cycles, and the charges generated by the photoelectric conversion elements for the number of divided accumulations are transferred to each of the charge accumulation units of the combination. 2. The range image pickup apparatus according to claim 1, wherein the charge generated by the photoelectric conversion element is divided and accumulated in each of the charge accumulation units of the combination.
前記容量増加モードにおいて、異なる蓄積周期毎に前記転送トランジスタをオンとすることを繰り返して、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、交互に前記光電変換素子の発生する電荷を振分けて蓄積させ、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させる
ことを特徴とする請求項3に記載の距離画像撮像装置。
In the capacity increase mode, the transfer transistor is repeatedly turned on for each different accumulation period, so that the charge generated by the photoelectric conversion element is alternately distributed to each of the plurality of charge accumulation units of the combination. 4. The range image pick-up device according to claim 3, wherein the charge generated by the photoelectric conversion element is divided and accumulated.
前記容量増加モードにおいて、前記電荷蓄積部の組合せを2個以上の複数組として設ける
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の距離画像撮像装置。
5. The distance image pickup device according to claim 1, wherein in the capacity increase mode, a plurality of combinations of two or more charge accumulation units are provided.
前記測定制御部が、
前記フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期毎に、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、前記電荷蓄積部の各々に設定された転送順番に転送トランジスタをオンとして蓄積転送する通常モードと、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組み合わせの各々に分割して振り分けて蓄積させる容量増加モードとを所定の条件により切替える
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の距離画像撮像装置。
The measurement control unit
a normal mode in which the charge generated by the photoelectric conversion element is accumulated and transferred by turning on a transfer transistor in a transfer order set in each of the charge accumulation units for each accumulation period in the accumulation period of the frame period; A capacity increase mode in which the charge generated by the conversion element is divided and distributed to each of the combinations of the charge storage units and stored in any transfer period of the charge storage cycle is switched according to a predetermined condition. The range imaging device according to any one of claims 1 to 5.
前記所定の条件が、
前記電荷蓄積部に蓄積される前記電荷の電荷量が、当該電荷蓄積部の最大容量に対して予め設定した比率を超えた場合であり、前記組合せが前記比率を超えた電荷蓄積部を含む
ことを特徴とする請求項6に記載の距離画像撮像装置。
The predetermined condition is
the charge amount of the charge accumulated in the charge storage unit exceeds a preset ratio with respect to the maximum capacity of the charge storage unit, and the combination includes the charge storage unit exceeding the ratio. 7. The range imaging device according to claim 6, characterized by:
光電変換素子と複数の電荷蓄積部と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部と、測定制御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、
前記画素駆動回路が、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、N個(N≧3)の電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行って振分けて蓄積させる過程と、
前記測定制御部が、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組み合わせの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程と、
前記距離演算部が、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める過程と
を含む
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, a plurality of charge storage units, and a transfer transistor; a pixel drive circuit; a distance calculation unit; and a measurement control unit. and
The pixel driving circuit stores charges generated by the photoelectric conversion elements in response to incident light from the measurement space in each of N (N≧3) charge storage units in a predetermined storage period synchronized with irradiation of light pulses. a step of turning on and off each of the transfer transistors for transferring the charge from the photoelectric conversion element to the charge storage unit, distributing the charge, and accumulating the charge;
a step in which the measurement control unit divides, distributes, and accumulates the charge generated by the photoelectric conversion element to each of the combinations of the charge accumulation units in one of the transfer cycles of the charge accumulation cycle;
and a distance image capturing method, wherein the distance calculation unit obtains a distance to an object existing in the measurement space as a measurement distance based on the amount of charge accumulated in each of the charge accumulation units. .
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