JP6399793B2

JP6399793B2 - 撮像装置及び撮像装置の駆動方法

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Inventors: 聡史鈴木
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Description

本発明は、撮像装置及び撮像装置の駆動方法に関する。

近年、電子カメラ等の撮像装置において、光の強度分布のみならず距離情報をも取得可能な撮像装置が知られている。特許文献１では、撮像装置において、いわゆる光走行時間（ＴＯＦ：ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）方式の測距が可能な技術が開示されている。特許文献１では、撮像素子の１つの画素は１つのフォトダイオードに対して２つのフローティングディフュージョンと２つの転送スイッチを有している。そして、投射光のパルスタイミングに同期し、２つの転送スイッチを交互に開閉させることで、反射光により発生した電荷を１つのフォトダイオードから２つのフローティングディフュージョンへ配分する。その電荷の配分比から被写体までの距離を推定することができる。

国際公開第２００７／０２６７７７号

しかしながら、特許文献１では、ＴＯＦ方式の測距を実現するためには、使用する撮像素子において、１つの画素は１つのフォトダイオードに対して２つのフローティングディフュージョンと２つの転送スイッチを有する必要がある。そのため、特許文献１の撮像素子は、１つのフォトダイオードに対して１つのフローティングディフュージョンと１つの転送スイッチを有すればよい通常の画素構造と比べて、構成要素が多い。その結果、特許文献１の撮像素子は、フォトダイオードの面積が小さくなってしまうため、感度や飽和量が低下してしまうとういう課題がある。

本発明の目的は、簡単な画素の構成でＴＯＦ方式の測距を実現し、画素の感度や飽和量を向上させることができる撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することである。

本発明の撮像装置は、被写体に向けてパルス光を投射する投光部と、光を電荷に変換する光電変換部と、電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送スイッチと、前記フローティングディフュージョンの電荷量に応じた電圧を出力線に出力するアンプと、前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットするリセットスイッチとを各々が有する複数の画素が行列状に配置された撮像素子と、前記投光部および前記撮像素子を駆動制御する制御手段と、前記撮像素子から読み出した信号に基づいて被写体までの距離を算出する画像処理手段と、を有し、前記制御手段は、第１の読み出し期間では、前記リセットスイッチにより前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットし、リセットされた前記フローティングディフュージョンの電位を第１のリセット電位信号として前記出力線に出力し、前記投光部がパルス光を投射し、前記転送スイッチが、前記投光部のパルス光の投射期間内の第１の投射期間を含む期間に前記パルス光の反射光に基づく電荷を前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに転送し、電荷が転送された前記フローティングディフュージョンの電位を第１の光信号として前記出力線に出力し、その後の第２の読み出し期間では、前記リセットスイッチにより前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットし、リセットされた前記フローティングディフュージョンの電位を第２のリセット電位信号として前記出力線に出力し、前記投光部がパルス光を投射し、前記転送スイッチが、前記投光部のパルス光の投射期間内の前記第１の投射期間とは異なる第２の投射期間を含む期間に前記パルス光の反射光に基づく電荷を前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに転送し、電荷が転送された前記フローティングディフュージョンの電位を第２の光信号として前記出力線に出力するように前記投光部および前記撮像素子を駆動し、前記画像処理手段は、前記第１および第２のリセット電位信号、前記第１および第２の光信号に基づいて前記被写体までの距離を算出することを特徴とする。

簡単な画素の構成でＴＯＦ方式の測距を実現し、画素の感度や飽和量を向上させることができる。

撮像装置の構成例を示す図である。第１の実施形態における画素の構成例を示す回路図である。第１の実施形態における撮像素子の構成例を示す図である。ＴＯＦ測距用画素の駆動方法を示すタイミングチャートである。第２の実施形態における画素の構成例を示す回路図である。ＴＯＦ測距用画素の駆動方法を示すタイミングチャートである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による撮像装置１００の構成例を示す図である。撮影レンズ１０１を通過した光は、撮影レンズ１０１の焦点位置近傍に設けられた撮像素子１０２上に結像する。撮像素子１０２は、ＣＭＯＳイメージセンサ又はＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子である。

アナログ信号処理回路（ＡＦＥ）１０３は、撮像素子１０２から出力される画像信号に対して、相関二重サンプリング処理、信号増幅、基準レベル調整、Ａ／Ｄ変換処理等を行う。デジタル信号処理回路（ＤＦＥ）１０４は、アナログ信号処理回路１０３から出力される画像信号に対して、基準レベル調整等のデジタル画像処理を行う。

画像処理回路１０５は、デジタル信号処理回路１０４から出力された画像信号に対して、後述の焦点検出演算、及び所定の画像処理や欠陥補正等を施す。メモリ回路１０６及び記録回路１０７は、画像処理回路１０５から出力された画像信号等を記録保持する不揮発性メモリ又はメモリカード等の記録媒体である。

制御回路１０８は、撮影レンズ１０１、撮像素子１０２、画像処理回路１０５、操作回路１０９、表示回路１１０及び発光装置１１１等の撮像装置全体を統括的に駆動・制御する。操作回路１０９は、撮像装置１００に備え付けられた操作部からの信号を入力し、制御回路１０８に対してユーザの命令を出力する。表示回路１１０は、撮像後の画像やライブビュー画像、各種設定画面等を表示する。発光装置１１１は、制御回路１０８からの信号ＰＬＩＧＨＴ（図４（Ａ）、（Ｂ））信号に応じて、赤外線のパルス光を投射する投光部である。

図３は、図１の撮像素子１０２の構成例を示す図である。撮像素子１０２は、行列状に配置された複数の画素２００を有する。なお、図３においては、４行３列の計１２個の画素２００を示すが、実際は数百万〜数千万の画素２００で構成される。また、複数の画素２００は、ベイヤー配列に従って並べられ、それぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられる。ここでは、発光装置１１１の投射光である赤外光や、その反射光の受光効率を上げることを目的として、赤外フィルタや透明フィルタを形成した画素２００を配置してもよい。垂直シフトレジスタ３０１は、各行の画素２００に共通に接続される信号線３０２を介して、画素２００の行を選択・駆動する。

図２は、図３の画素２００の構成例を示す回路図である。画素２００は、１つのフォトダイオード２０１を有する。フォトダイオード２０１には、１つの転送スイッチ２０２が接続される。転送スイッチ２０２には、フローティングディフュージョン２０３が接続される。フローティングディフュージョン２０３には、リセットスイッチ２０４及びソースフォロアアンプ２０５が接続される。ソースフォロアアンプ２０５には、セレクトスイッチ２０６が接続されている。リセットスイッチ２０４及びソースフォロアアンプ２０５のドレインは、基準電位（電源電位）２０８を共有している。

フォトダイオード２０１は、マイクロレンズを通過した光を受光し、その受光した光を電荷に変換する光電変換部である。転送スイッチ２０２は、フォトダイオード２０１で発生した電荷をフローティングディフュージョン２０３に転送する。転送スイッチ２０２は、転送パルス信号ＰＴＸによって制御される。フローティングディフュージョン２０３は、フォトダイオード２０１から転送された電荷を一時的に蓄積するとともに、蓄積した電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部である。リセットスイッチ２０４は、フローティングディフュージョン２０３の電位（電荷）を基準電位２０８にリセットする。リセットスイッチ２０４は、リセットパルス信号ＰＲＥＳによって制御される。ソースフォロアアンプ２０５は、ＭＯＳトランジスタを有するソースフォロア回路であり、フローティングディフュージョン２０３に蓄積された電荷量に応じた電圧を増幅して、画素信号として出力する。セレクトスイッチ２０６は、ソースフォロアアンプ２０５で増幅された画素信号を垂直出力線２０７に出力する。垂直出力線２０７は、同じ列の複数の画素２００で共有される。セレクトスイッチ２０６は、セレクトパルス信号ＰＳＥＬによって制御される。

図３において、垂直出力線２０７Ａは、偶数列の画素２００の垂直出力線２０７（図２）であり、上側の列回路３０３に接続される。垂直出力線２０７Ｂは、奇数列の画素２００の垂直出力線２０７（図２）であり、下側の列回路３０３に接続される。

次に、列回路３０３の構成を説明する。オペアンプ３１０の入力端子には、基準電圧を供給する基準電源３１１が接続される。また、オペアンプ３１０の他方の入力端子には、クランプ容量３０８とフィードバック容量３０９が接続される。フィードバック容量３０９の両端をショートさせるためのスイッチ３１２は、リセット信号ＰＣ０Ｒで制御される。容量３１３及び３１４は、電圧を保持するための容量である。スイッチ３１５及び３１６は、それぞれ、容量３１３及び３１４への書き込みを制御する。スイッチ３１５は信号ＰＴＳで制御され、スイッチ３１６は信号ＰＴＮで制御される。スイッチ３１７は、水平シフトレジスタ３０４からの信号ＰＨＳに応じて、容量３１３の電圧を水平出力線３０５に転送する。スイッチ３１８は、水平シフトレジスタ３０４からの信号ＰＨＮに応じて、容量３１４の電圧を水平出力線３０６に転送する。出力アンプ３０７は、水平出力線３０５の電圧及び水平出力線３０６の電圧の差分を出力する。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態によるＴＯＦ方式測距実施時における撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。本実施形態では、１つのフォトダイオード２０１で発生した電荷を異なるタイミングで２回、フローティングディフュージョン２０３に読み出す。

まず、図４（Ａ）の時刻ｔ０〜ｔ１７の期間において、ある行の画素２００に対する１回目の信号の読み出しを行う。期間ＨＢＬＫ１について説明する。時刻ｔ０の前では、信号ＰＲＥＳがハイレベルになり、リセットスイッチ２０４がオンになり、フローティングディフュージョン２０３がリセット状態になる。

時刻ｔ１では、信号ＰＴＸがハイレベルになり、転送スイッチ２０２がオンになり、フォトダイオード２０１もリセットされる。

時刻ｔ２では、信号ＰＴＸがローレベルになり、転送スイッチ２０２がオフになり、フォトダイオード２０１の電荷蓄積が開始する。

時刻ｔ３では、信号ＰＳＥＬがハイレベルになり、セレクトスイッチ２０６がオンし、ソースフォロアアンプ２０５が動作状態になる。

時刻ｔ４では、信号ＰＲＥＳがローレベルになり、リセットスイッチ２０４がオフし、フローティングディフュージョン２０３のリセットが解除される。ソースフォロアアンプ２０５の出力信号は、垂直出力線２０７にリセット信号レベル（ノイズ成分）として読み出され、列回路３０３に入力される。

時刻ｔ５では、信号ＰＣ０Ｒがローレベルになり、スイッチ３１２がオフし、オペアンプ３１０のリセットが解除される。

時刻ｔ６では、信号ＰＴＮがハイレベルになり、スイッチ３１６がオンし、オペアンプ３１０の出力信号の容量３１４への書き込みが開始する。

時刻ｔ７では、信号ＰＴＮがローレベルになり、スイッチ３１６がオフし、オペアンプ３１０の出力信号の容量３１４への書き込みが終了する。容量３１４には、リセット信号レベルが書き込まれる。

時刻ｔ８では、信号ＰＴＸがハイレベルになり、転送スイッチ２０２がオンになり、フォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３への電荷転送が開始する。

時刻ｔ９では、信号ＰＬＩＧＨＴがハイレベルになり、発光装置１１１はパルス光の投射を開始する。

時刻ｔ１０では、信号ＰＴＸがローレベルになり、転送スイッチ２０２がオフになり、フォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３への電荷転送が終了する。

時刻ｔ１１では、信号ＰＬＩＧＨＴがローレベルになり、発光装置１１１はパルス光の投射を終了する。

発光装置１１１からの投射光は、被写体により反射し、その反射光がフォトダイオード２０１に入射される。フローティングディフュージョン２０３には、信号ＰＬＩＧＨＴのハイレベル期間の前半期間において、反射光に応じた電荷が転送される。ソースフォロアアンプ２０５の出力信号は、垂直出力線２０７に光信号レベル（光成分＋ノイズ成分）として読み出され、列回路３０３に入力される。

時刻ｔ１３では、信号ＰＴＳがハイレベルになり、スイッチ３１５がオンになり、オペアンプ３１０の出力信号の容量３１３への書き込みが開始する。

時刻ｔ１４では、信号ＰＴＳがローレベルになり、スイッチ３１５がオフし、オペアンプ３１０の出力信号の容量３１３への書き込みが終了する。容量３１３には、光信号レベルが書き込まれる。なお、容量３１３及び３１４に信号を書き込む際、オペアンプ３１０は、クランプ容量３０８とフィードバック容量３０９の比に応じた反転ゲインで増幅して信号を出力する。

時刻ｔ１５では、信号ＰＲＥＳがハイレベルになり、リセットスイッチ２０４がオンになり、フローティングディフュージョン２０３がリセット状態になる。

次に、期間ＨＳＲ１について説明する。時刻ｔ１６〜ｔ１７では、信号ＰＨＳ及びＰＨＮのパルスにより、各列のスイッチ３１７及び３１８が順次オンし、各列の容量３１３及び３１４に保持された信号が順次、水平出力線３０５及び３０６に出力される。出力アンプ３０７は、水平出力線３０５及び３０６の信号の差分信号（光成分）を出力する。

続けて、図４（Ｂ）の時刻ｔ１７〜ｔ３４において、同じ行の画素２００に対する２回目の信号の読み出しを行う。まず、期間ＨＢＬＫ２について説明する。時刻ｔ１７では、上記のように、信号ＰＲＥＳがハイレベルであり、フローティングディフュージョン２０３がリセット状態である。時刻ｔ１８では、信号ＰＴＸがハイレベルになり、転送スイッチ２０２がオンし、フォトダイオード２０１もリセットされる。

時刻ｔ１９では、信号ＰＴＸがローレベルになり、転送スイッチ２０２がオフになり、フォトダイオード２０１の電荷蓄積が開始する。

時刻ｔ２０では、信号ＰＳＥＬがハイレベルになり、セレクトスイッチ２０６がオンになり、ソースフォロアアンプ２０５が動作状態になる。

時刻ｔ２１では、信号ＰＲＥＳがローレベルになり、リセットスイッチ２０４がオフになり、フローティングディフュージョン２０３のリセットが解除される。オペアンプ３１０の出力信号は、垂直出力線２０７にリセット信号レベル（ノイズ成分）として読み出され、列回路３０３に入力される。

時刻ｔ２２では、信号ＰＣ０Ｒがハイレベルからローレベルに変化し、スイッチ３１２がオフし、オペアンプ３１０のリセットが解除される。

時刻ｔ２３では、信号ＰＴＮがハイレベルになり、スイッチ３１６がオンし、オペアンプ３１０の出力信号の容量３１４への書き込みが開始する。

時刻ｔ２４は、信号ＰＴＮがローレベルになり、スイッチ３１６がオフし、オペアンプ３１０の出力信号の容量３１４への書き込みが終了する。容量３１４には、リセット信号レベルが書き込まれる。

時刻ｔ２５では、信号ＰＲＥＳがハイレベルになり、リセットスイッチ２０４がオンになり、信号ＰＴＸがハイレベルになり、転送スイッチ２０２がオンになり、フォトダイオード２０１及びフローティングディフュージョン２０３がリセット状態になる。

時刻ｔ２６では、信号ＰＬＩＧＨＴがハイレベルになり、発光装置１１１はパルス光の投射を開始する。

時刻ｔ２７では、信号ＰＲＥＳがローレベルになり、リセットスイッチ２０４がオフになり、フォトダイオード２０１及びフローティングディフュージョン２０３のリセット状態が解除される。これにより、フローティングディフュージョン２０３は、フォトダイオード２０１により光電変換された電荷の蓄積を開始する。

時刻ｔ２８では、信号ＰＬＩＧＨＴがローレベルになり、発光装置１１１はパルス光の投射を終了する。

時刻ｔ２９では、信号ＰＴＸがローレベルになり、転送スイッチ２０２がオフし、フォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３への電荷転送が終了する。

発光装置１１１からの投射光は、被写体により反射し、その反射光がフォトダイオード２０１に入射される。フローティングディフュージョン２０３には、信号ＰＬＩＧＨＴのハイレベル期間の後半期間において、反射光に応じた電荷が転送される。ソースフォロアアンプ２０５の出力信号は、垂直出力線２０７に光信号レベル（光成分＋ノイズ成分）として読み出され、列回路３０３に入力される。

時刻ｔ３０では、信号ＰＴＳがハイレベルになり、スイッチ３１５がオンになり、オペアンプ３１０の出力信号の容量３１３への書き込みが開始する。

時刻ｔ３１では、信号ＰＴＳがローレベルになり、スイッチ３１５がオフし、オペアンプ３１０の出力信号の容量３１３への書き込みが終了する。容量３１３には、光信号レベルが書き込まれる。なお、容量３１３及び３１４に信号を書き込む際、オペアンプ３１０は、クランプ容量３０８とフィードバック容量３０９の比に応じた反転ゲインで増幅して信号を出力する。

時刻ｔ３２では、信号ＰＲＥＳがハイレベルになり、リセットスイッチ２０４がオンになり、フローティングディフュージョン２０３がリセット状態になる。

次に、期間ＨＳＲ２について説明する。時刻ｔ３３〜ｔ３４では、信号ＰＨＳ及びＰＨＮのパルスにより、各列のスイッチ３１７及び３１８が順次オンし、各列の容量３１３及び３１４に保持された信号が順次、水平出力線３０５及び３０６に出力される。出力アンプ３０７は、水平出力線３０５及び３０６の信号の差分信号（光成分）を出力する。

上記の画素２００の行の処理を、すべての行について順次行う。その後、画像処理回路１０５は、図４（Ａ）で撮像素子１０２が出力した信号と図４（Ｂ）で撮像素子１０２が出力した信号の比を基に、反射光の投射光に対する遅延時間を推定し、その遅延時間と光速との積から被写体までの距離を算出し、レンズ駆動量を算出する。制御回路１０８は、撮影レンズ１０１を上記のレンズ駆動量、駆動することにより、フォーカス駆動を行う。

本実施形態では、同一行の画素２００に対して、読み出しタイミングを異ならせて、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）の２回の信号読み出しを行うことにより、ＴＯＦ方式による焦点検出を行い、被写体までの距離を取得することができる。この際、撮像装置１００は、１つのフォトダイオードに対して２つの転送スイッチを有する特殊な画素ではなく、１つのフォトダイオード２０１に対して１つの転送スイッチ２０２を有する簡単な画素２００を用いることができる。これにより、フォトダイオード２０１の面積を大きくすることができ、画素２００の感度や飽和量を向上させることができる効果を奏する。

なお、時刻ｔ０〜ｔ１７における１回目の信号読み出しと、時刻ｔ１７〜ｔ３４における２回目の信号読み出しの違いは、信号ＰＬＩＧＨＴによって制御される投光タイミングと信号ＰＴＸ及びＰＲＥＳによって制御される電荷転送タイミングの関係にある。本実施形態は、投光タイミングを固定して、電荷転送のタイミングをずらす構成でも、電荷転送のタイミングを固定して、投光タイミングをずらす構成でも、その両方のタイミングをずらす構成でもよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による撮像装置１００について説明する。第２の実施形態では、フォトダイオード２０１の電荷のリセットを、オーバーフロードレインを用いて行う。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態による画素２００の構成例を示す回路図である。図５は、図２に対して、排出スイッチ２０９を追加したものである。以下、図５の画素２００が図２の画素２００と異なる点を説明する。フォトダイオード２０１には、転送スイッチ２０２の他、排出スイッチ２０９が接続される。排出スイッチ２０９は、転送パルス信号ＰＯＦＤに応じて、フォトダイオード２０１のカソード及びオーバーフロードレインを接続する。すなわち、排出スイッチ２０９は、転送パルス信号ＰＯＦＤに応じて、フォトダイオード２０１で発生した電荷をオーバーフロードレインに排出する。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態によるＴＯＦ方式測距実施時における撮像装置１００の駆動方法を示すタイミングチャートである。まず、図６（Ａ）について説明する。図６（Ａ）は、図４（Ａ）に対して、信号ＰＯＦＤを追加したものであり、信号ＰＯＦＤ以外の信号は同じである。以下、図６（Ａ）が図４（Ａ）と異なる点を説明する。

時刻ｔ１では、信号ＰＯＦＤがハイレベルになり、排出スイッチ２０９がオンになり、フォトダイオード２０１からオーバーフロードレインへの電荷排出が開始する。時刻ｔ２では、信号ＰＯＦＤがローレベルになり、排出スイッチ２０９がオフになり、フォトダイオード２０１からオーバーフロードレインへの電荷排出が終了する。

時刻ｔ１０では、信号ＰＴＸがローレベルになるのと同時に、信号ＰＯＦＤがハイレベルになり、転送スイッチ２０２がオフになり、排出スイッチ２０９がオンになる。これにより、フォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン６０３への電荷転送が終了し、フォトダイオード２０１からオーバーフロードレインへの電荷排出が開始する。

その後、時刻ｔ１２では、信号ＰＯＦＤがローレベルになり、排出スイッチ２０９がオフになり、フォトダイオード２０１からオーバーフロードレインへの電荷排出が終了する。

次に、図６（Ｂ）について説明する。図６（Ｂ）は、図４（Ａ）に対して、信号ＰＲＥＳ、ＰＴＸ及びＰＯＦＤが異なり、その他の信号は同じである。以下、図６（Ｂ）が図４（Ｂ）と異なる点を説明する。

時刻ｔ１８では、信号ＰＯＦＤがハイレベルになり、排出スイッチ２０９がオンになり、フォトダイオード２０１からオーバーフロードレインへの電荷排出が開始する。時刻ｔ１９では、信号ＰＯＦＤがローレベルになり、排出スイッチ２０９がオフになり、フォトダイオード２０１からオーバーフロードレインへの電荷排出が終了する。

時刻ｔ２５〜ｔ２７では、信号ＰＲＥＳがローレベルを維持し、リセットスイッチ２０４がオフ状態を維持し、信号ＰＴＸがローレベルを維持し、転送スイッチ２０２がオフ状態を維持する。

時刻ｔ２５では、信号ＰＯＦＤがハイレベルになり、排出スイッチ２０９がオンになり、フォトダイオード２０１からオーバーフロードレインへの電荷排出が開始し、フォトダイオード２０１の電荷がリセットされる。

時刻ｔ２７では、信号ＰＯＦＤがローレベルになり、排出スイッチ２０９がオフになり、信号ＰＴＸがハイレベルになり、転送スイッチ２０２がオンになる。これにより、フォトダイオード２０１からオーバーフロードレインへの電荷排出が終了し、フォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３への電荷転送が開始する。

時刻ｔ２９では、信号ＰＴＸがローレベルになり、転送スイッチ２０２がオフになり、フォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３への電荷転送が終了する。

本実施形態は、第１の実施形態と同様に、同一行の画素２００に対して、読み出しタイミングを異ならせて、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）の２回の信号読み出しを行うことにより、ＴＯＦ方式による焦点検出を行い、被写体までの距離を取得することができる。この際、撮像装置１００は、１つのフォトダイオードに対して２つの転送スイッチを有する特殊な画素ではなく、１つのフォトダイオード２０１に対して１つの転送スイッチ２０２を有する簡単な画素２００を用いることができる。これにより、フォトダイオード２０１の面積を大きくすることができ、感度や飽和量を向上させることができる効果を奏する。

第１及び第２の実施形態では、時刻ｔ０〜ｔ１７は、第１の読み出し期間である。時刻ｔ９〜ｔ１１では、発光装置１１１は、パルス光を投射する。転送スイッチ２０２は、発光装置１１１のパルス光の投射期間ｔ９〜ｔ１１内の第１の投射期間（前半の期間）ｔ９〜ｔ１０を含む期間にパルス光の反射光に基づく電荷をフォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３に転送する。ソースフォロアアンプ２０５は、フローティングディフュージョン２０３の電荷量に応じた電圧を垂直出力線２０７に出力する。

その後の時刻ｔ１７〜ｔ３４は、第２の読み出し期間である。時刻ｔ２６〜ｔ２８では、発光装置１１１は、パルス光を投射する。転送スイッチ２０２は、発光装置１１１のパルス光の投射期間ｔ２６〜ｔ２８内の第２の投射期間ｔ２７〜ｔ２８を含む期間ｔ２７〜ｔ２９にパルス光の反射光に基づく電荷をフォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３に転送する。発光装置１１１のパルス光の投射期間ｔ２６〜ｔ２８内の第２の投射期間（後半の期間）ｔ２７〜ｔ２８は、発光装置１１１のパルス光の投射期間ｔ２６〜ｔ２８内の第１の投射期間（前半の期間）ｔ２６〜ｔ２７とは異なる期間である。ソースフォロアアンプ２０５は、フローティングディフュージョン２０３の電荷量に応じた電圧を垂直出力線２０７に出力する。

画像処理回路１０５は、第１の読み出し期間の垂直出力線２０７の電圧及び第２の読み出し期間の垂直出力線２０７の電圧を基に、被写体までの距離を演算する。制御回路１０８は、画像処理回路１０５により演算された被写体までの距離に応じて、撮影レンズ１０１を駆動する。

なお、図４（Ａ）又は図６（Ａ）の読み出しの後に、図４（Ｂ）又は図６（Ｂ）の読み出しを行う例を説明したが、図４（Ｂ）又は図６（Ｂ）の読み出しの後に、図４（Ａ）又は図６（Ａ）の読み出しを行ってもよい。まず、第１の読み出し期間（図４（Ｂ）又は図６（Ｂ））について説明する。転送スイッチ２０２は、パルス光の投射期間ｔ２６〜ｔ２８内の第１の投射期間（後半の期間）ｔ２７〜ｔ２８を含む期間ｔ２７〜ｔ２９にパルス光の反射光に基づく電荷をフォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３に転送する。次に、その後の第２の読み出し期間（図４（Ａ）又は図６（Ａ））について説明する。転送スイッチ２０２は、発光装置１１１のパルス光の投射期間ｔ９〜ｔ１１内の第２の投射期間（前半の期間）ｔ９〜ｔ１０を含む期間にパルス光の反射光に基づく電荷をフォトダイオード２０１からフローティングディフュージョン２０３に転送する。

第１の読み出し期間（図４（Ａ）又は図６（Ａ））と第２の読み出し期間（図４（Ｂ）又は図６（Ｂ））とでは、発光装置１１１のパルス光の相対的な投射期間が同じであり、転送スイッチ２０２の相対的な転送期間が異なる。

なお、第１の読み出し期間（図４（Ａ）又は図６（Ａ））と第２の読み出し期間（図４（Ｂ）又は図６（Ｂ））とでは、転送スイッチ２０２の相対的な転送期間が同じであり、発光装置１１１のパルス光の相対的な投射期間が異なるようにしてもよい。

第１の実施形態で、リセットスイッチ２０４は、第２の読み出し期間（図４（Ｂ））では、発光装置１１１のパルス光の投射期間ｔ２６〜ｔ２８内の第１の投射期間（前半の期間）ｔ２６〜ｔ２７にフローティングディフュージョン２０３の電荷をリセットする。

第２の実施形態で、排出スイッチ２０９は、第１の読み出し期間（図６（Ａ））では、発光装置１１１のパルス光の投射期間ｔ９〜ｔ１１内の第２の投射期間（後半の期間）ｔ１０〜ｔ１１にフォトダイオード２０１の電荷を排出する。また、排出スイッチ２０９は、第２の読み出し期間（図６（Ｂ））では、発光装置１１１のパルス光の投射期間ｔ２６〜ｔ２８内の第１の投射期間（前半の期間）ｔ２６〜ｔ２７にフォトダイオード２０１の電荷を排出する。

第１及び第２の実施形態によれば、簡単な画素２００の構成でＴＯＦ方式の測距を実現し、画素２００の感度や飽和量を向上させることができる。

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

１００撮像装置、１１１発光装置、２００画素、２０１フォトダイオード、２０２転送スイッチ、２０３フローティングディフュージョン、２０４リセットスイッチ、２０５ソースフォロアアンプ、２０７垂直出力線

Claims

被写体に向けてパルス光を投射する投光部と、
光を電荷に変換する光電変換部と、電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送スイッチと、前記フローティングディフュージョンの電荷量に応じた電圧を出力線に出力するアンプと、前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットするリセットスイッチとを各々が有する複数の画素が行列状に配置された撮像素子と、
前記投光部および前記撮像素子を駆動制御する制御手段と、
前記撮像素子から読み出した信号に基づいて被写体までの距離を算出する画像処理手段と、を有し、
前記制御手段は、第１の読み出し期間では、前記リセットスイッチにより前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットし、リセットされた前記フローティングディフュージョンの電位を第１のリセット電位信号として前記出力線に出力し、前記投光部がパルス光を投射し、前記転送スイッチが、前記投光部のパルス光の投射期間内の第１の投射期間を含む期間に前記パルス光の反射光に基づく電荷を前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに転送し、電荷が転送された前記フローティングディフュージョンの電位を第１の光信号として前記出力線に出力し、
その後の第２の読み出し期間では、前記リセットスイッチにより前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットし、リセットされた前記フローティングディフュージョンの電位を第２のリセット電位信号として前記出力線に出力し、前記投光部がパルス光を投射し、前記転送スイッチが、前記投光部のパルス光の投射期間内の前記第１の投射期間とは異なる第２の投射期間を含む期間に前記パルス光の反射光に基づく電荷を前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに転送し、電荷が転送された前記フローティングディフュージョンの電位を第２の光信号として前記出力線に出力するように前記投光部および前記撮像素子を駆動し、
前記画像処理手段は、前記第１および第２のリセット電位信号、前記第１および第２の光信号に基づいて前記被写体までの距離を算出することを特徴とする撮像装置。
前記投射期間内の第１の投射期間は、前記投射期間内の前半の期間であり、
前記投射期間内の第２の投射期間は、前記投射期間内の後半の期間であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記投射期間内の第１の投射期間は、前記投射期間内の後半の期間であり、
前記投射期間内の第２の投射期間は、前記投射期間内の前半の期間であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記第１の読み出し期間と前記第２の読み出し期間とでは、前記投光部のパルス光の相対的な投射期間が同じであり、前記転送スイッチの相対的な転送期間が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第１の読み出し期間と前記第２の読み出し期間とでは、前記転送スイッチの相対的な転送期間が同じであり、前記投光部のパルス光の相対的な投射期間が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記リセットスイッチは、前記第２の読み出し期間では、前記投光部のパルス光の投射期間内の前記第１の投射期間に前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記複数の画素の各々は、前記光電変換部の電荷を排出する排出スイッチを有し、
前記排出スイッチは、前記第１の読み出し期間では、前記投光部のパルス光の投射期間内の前記第２の投射期間に前記光電変換部の電荷を排出し、前記第２の読み出し期間では、前記投光部のパルス光の投射期間内の前記第１の投射期間に前記光電変換部の電荷を排出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記画像処理手段は、前記第１の光信号と前記第１のリセット電位信号の差分信号および前記第２の光信号と前記第２のリセット電位信号の差分信号に基づいて前記被写体までの距離を算出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記撮像素子は、前記第１の光信号と前記第１のリセット電位信号の差分信号および前記第２の光信号と前記第２のリセット電位信号の差分信号を出力する出力手段を有することを特徴とする請求項８記載の撮像装置。
さらに、前記複数の画素の各列に接続された信号保持手段を有し、
前記信号保持手段は、前記第１の読み出し期間では、前記第１の光信号と前記第１のリセット電位信号を保持し、前記第２の読み出し期間では、前記第２の光信号と前記第２のリセット電位信号を保持することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像装置。
さらに、前記画素に光を結像させるための撮影レンズを有し、
前記制御手段は、前記画像処理手段により算出された被写体までの距離に応じて、前記撮影レンズを駆動することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
被写体に向けてパルス光を投射する投光部と、
光を電荷に変換する光電変換部と、電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送スイッチと、前記フローティングディフュージョンの電荷量に応じた電圧を出力線に出力するアンプと、前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットするリセットスイッチとを各々が有する複数の画素が行列状に配置された撮像素子と、
前記投光部および前記撮像素子を駆動制御する制御手段と、
前記撮像素子から読み出した信号に基づいて被写体までの距離を算出する画像処理手段と、を有する撮像装置の駆動方法であって、
前記制御手段が、第１の読み出し期間では、前記リセットスイッチにより前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットし、リセットされた前記フローティングディフュージョンの電位を第１のリセット電位信号として前記出力線に出力し、前記投光部がパルス光を投射し、前記転送スイッチが、前記投光部のパルス光の投射期間内の第１の投射期間を含む期間に前記パルス光の反射光に基づく電荷を前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに転送し、電荷が転送された前記フローティングディフュージョンの電位を第１の光信号として前記出力線に出力し、
その後の第２の読み出し期間では、前記リセットスイッチにより前記フローティングディフュージョンの電荷をリセットし、リセットされた前記フローティングディフュージョンの電位を第２のリセット電位信号として前記出力線に出力し、前記投光部がパルス光を投射し、前記転送スイッチが、前記投光部のパルス光の投射期間内の前記第１の投射期間とは異なる第２の投射期間を含む期間に前記パルス光の反射光に基づく電荷を前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに転送し、電荷が転送された前記フローティングディフュージョンの電位を第２の光信号として前記出力線に出力するように前記投光部および前記撮像素子を駆動し、
前記画像処理手段が、前記第１および第２のリセット電位信号、前記第１および第２の光信号に基づいて前記被写体までの距離を算出することを特徴とする撮像装置の駆動方法。