JP6433243B2 - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関する。

光飛行時間測定法（Time Of Flight：ＴＯＦ法）による三次元距離計測が可能な固体撮像素子が提案されている。ＴＯＦ法とは、光の速度が既知であることを利用し、対象物に対して光を投射してから対象物に反射した光が返ってくるまでの遅延時間を測定することにより、対象物までの距離を測る方法である。例えば、固体撮像素子を用いて、パルス光の投射タイミングに同期して、連続した異なる時間帯の信号を取得し、異なる時間帯に蓄積された信号同士の比を基に、対象物までの距離を求める技術が知られている。

特許文献１には、複数の画素が行列状に配置され、個々の画素においてＴＯＦ法による三次元距離計測が可能な固体撮像素子が開示されている。個々の画素は、受光素子と、受光素子で発生した電荷を、電荷が発生した時間帯毎に別々に蓄積するための第１の電荷蓄積部及び第２の電荷蓄積部とを有する。また、受光素子で発生した電荷を時間帯毎に振り分けるために、受光素子から第１の電荷蓄積部への電荷転送を制御する第１の転送ゲート及び受光素子から第２の電荷蓄積部への電荷転送を制御する第２の転送ゲートを有する。転送ゲートは、距離計測を行う対象物へ向けたパルス光の投射に同期して交互に開閉され、対象物に反射した光が固体撮像素子に入射することで生成された電荷が、第１の電荷蓄積部及び第２の電荷蓄積部に時間帯毎に振り分けられて蓄積される。そして、２つの電荷蓄積部に蓄積された電荷の配分比から、対象物までの距離を求める。

１つの受光素子で発生した電荷を、複数の電荷蓄積部に時間帯毎に振り分けて蓄積するためには、第１の転送ゲートと第２の転送ゲートとを別々の制御信号によって駆動する必要がある。したがって、特許文献１に記載の固体撮像素子では、第１の転送ゲートを制御するための第１の転送制御信号線と、第２の転送ゲートを制御するための第２の転送制御信号線とを、それぞれ独立して設けている。具体的には、第１の転送制御信号線と第２の転送制御信号線とを、各画素行又は各画素列に対して１組ずつ設けている。

特開２００４−２９４４２０号公報

前述したとおり、特許文献１に開示された技術においては、ＴＯＦ法による三次元距離計測を実現するために、第１の転送制御信号線及び第２の転送制御信号線を、固体撮像素子の各画素行又は各画素列に対して１組ずつ設けている。しかしながら、画素が配置される画素領域に設ける制御信号線の数が増加するほど、画素面積に対する開口率が低下し、固体撮像素子の感度が下がってしまう。ここで言う開口率とは、固体撮像素子の画素において、制御信号線や電源配線等によって遮光されていない開口部の面積の、画素面積に対する比のことである。

ここで、光速は約３×１０⁸ｍ／ｓと早いため、光飛行時間を計測するためには固体撮像素子を高速に駆動する必要があり、高速駆動を行っても十分な信号量を得ることができるよう使用する固体撮像素子の感度が高いことが求められる。したがって、開口率の低下による固体撮像素子の感度低下は、光飛行時間の計測を行う固体撮像素子にとって、重要な問題である。本発明の目的は、感度を低下させずに光飛行時間を計測することを可能にした固体撮像素子を提供することである。

本発明に係る固体撮像素子は、光電変換手段、前記光電変換手段で発生した電荷を保持する第１の電荷保持手段、前記光電変換手段で発生した電荷を保持する第２の電荷保持手段、前記光電変換手段から前記第１の電荷保持手段への電荷転送を制御する第１の転送手段、及び前記光電変換手段から前記第２の電荷保持手段への電荷転送を制御する第２の転送手段をそれぞれ有し、行列状に配された複数の画素と、第１の転送制御信号を供給する第１の転送制御信号線と、第２の転送制御信号を供給する第２の転送制御信号線とを有し、第１の画素行に配された複数の画素の前記第１の転送手段と、前記第１の画素行に隣接する画素行に配された複数の画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの一方の転送手段とが、１つの前記第１の転送制御信号線を介して供給される前記第１の転送制御信号により制御され、前記第１の画素行に配された複数の画素の前記第２の転送手段と、前記第１の画素行に隣接する画素行に配された複数の画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの他方の転送手段とが、１つの前記第２の転送制御信号線を介して供給される前記第２の転送制御信号により制御されることを特徴とする。

本発明によれば、開口率を低下させることなく２つの転送手段を別々の制御信号で駆動することができ、固体撮像素子の感度を低下させずに光飛行時間を計測することが可能となる。

第１の実施形態における固体撮像素子の構成例を示す等価回路図である。 第１の実施形態における固体撮像素子の構成例を示す図である。 第１の実施形態における固体撮像素子の通常撮影時の駆動例を示すタイミングチャートである。 第１の実施形態における固体撮像素子の三次元距離計測時の駆動例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固体撮像素子の構成例を示す等価回路図である。 第２の実施形態における固体撮像素子の構成例を示す図である。 第２の実施形態における固体撮像素子の通常撮影時の駆動例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固体撮像素子の三次元距離計測時の駆動例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固体撮像素子の他の構成例を示す図である。 第２の実施形態における固体撮像素子の他の構成例を示す等価回路図である。 本実施形態における撮像装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、本発明の一実施形態における撮像装置について説明する。図１１は、本実施形態における撮像装置の構成例を示すブロック図である。図１１に示すように、撮像装置１は、固体撮像素子１０、測距対象へ向けてパルス光を投光するための投光手段としての光源部２０、及び固体撮像素子１０と光源部２０とを制御する制御信号生成部３０を有する。

制御信号生成部３０は、固体撮像素子１０を駆動するための駆動制御信号を生成する。また、制御信号生成部３０は、光源部２０と固体撮像素子１０とが同期して駆動されるように、光源部２０を制御するための投光制御信号ＰＬｉｇｈｔを生成する。光源部２０は、制御信号生成部３０からの投光制御信号ＰＬｉｇｈｔを受けて、測距対象（対象物）へ向けてパルス光を投光する。固体撮像素子１０は、行列状に配置された複数の画素を有する。固体撮像素子１０は、制御信号生成部３０からの駆動制御信号を受けて、測距対象からの反射光を含む入射光を電気信号に変換して出力する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。
以下、図１及び図２を参照して、第１の実施形態における固体撮像素子の構成について説明する。図２は、第１の実施形態における固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、固体撮像素子１０は、画素部１００、垂直走査回路（ＶＳＲ）１２０、列回路部１１０、及び水平走査回路（ＨＳＲ）１３０を有する。

画素部１００には、入射光を電気信号に変換する複数の単位画素ＰＩＸが、行列状に配置されている。図２においては、ｊ行×ｉ列の単位画素を有する画素部を例示し、ｙ行目ｘ列目に配された単位画素をＰＩＸ（ｘ，ｙ）と表している。

垂直走査回路（ＶＳＲ）１２０は、制御信号生成部３０で生成された駆動制御信号のうち、画素部１００の駆動に必要な駆動制御信号を画素部１００に供給する。例えば、垂直走査回路（ＶＳＲ）１２０は、転送制御信号ＰＴＸ、リセット制御信号ＰＲＥＳ、選択制御信号ＰＳＥＬ等を画素部１００に供給する。画素部１００の各画素は、垂直走査回路（ＶＳＲ）１２０から供給される駆動制御信号に従って、入射光に応じた電荷を蓄積し、電圧信号に変換して出力する。

列回路部１１０は、サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）１１１及びスイッチ１１２を有する。サンプルホールド回路１１１は、垂直出力線ＶＬ１、ＶＬ２を介して、画素部１００から出力された信号を保持する。スイッチ１１２は、水平走査回路（ＨＳＲ）１３０によって制御され、サンプルホールド回路１１１に保持された信号を出力させる。

図２には、各単位画素からの、入射光に応じた光信号（ｓｉｇ）と、信号読み出し時の基準信号（ｒｅｆ）のそれぞれを画素行単位で保持できるよう１つの垂直出力線に対して２つのサンプルホールド回路１１１を有する列回路部を例示している。垂直出力線ＶＬ１に対して、基準信号（ｒｅｆ）に係るサンプルホールド回路１１１−ｒ１及びスイッチ１１２−ｒ１と、光信号（ｓｉｇ）に係るサンプルホールド回路１１１−ｓ１及びスイッチ１１２−ｓ１とを有する。また、垂直出力線ＶＬ２に対して、基準信号（ｒｅｆ）に係るサンプルホールド回路１１１−ｒ２及びスイッチ１１２−ｒ２と、光信号（ｓｉｇ）に係るサンプルホールド回路１１１−ｓ２及びスイッチ１１２−ｓ２とを有する。

水平走査回路（ＨＳＲ）１３０は、制御信号生成部３０で生成された駆動制御信号のうち、列回路部１１０に保持された信号の読み出しに必要な駆動制御信号を列回路部１１０に供給する。列回路部１１０に保持された信号（ｒｅｆ及びｓｉｇ）は、水平走査回路（ＨＳＲ）１３０から供給される駆動制御信号に従って、固体撮像素子１０から出力される。

図１は、第１の実施形態における固体撮像素子の画素部における単位画素、及び単位画素の各部の駆動を制御するための制御信号線を示す等価回路図である。図１において、ＰＩＸ（ｘ，ｙ）は、ｙ行目ｘ列目に配された単位画素であり、ＰＩＸ（ｘ，ｙ−１）、ＰＩＸ（ｘ，ｙ＋１）は、それぞれ単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）に隣接する行である（ｙ−１）行目、（ｙ＋１）行目に配された単位画素である。単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）の構成について、以下に詳細に説明する。なお、単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ−１）、ＰＩＸ（ｘ，ｙ＋１）の構成については、ＰＩＸ（ｘ，ｙ）と同様であるため、説明は割愛する。

単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）は、光電変換手段としての光電変換素子ＰＤと、光電変換素子ＰＤにおいて発生した電荷を保持するための電荷保持手段としての第１の浮遊拡散部ＦＤ１及び第２の浮遊拡散部ＦＤ２を有する。また、単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）は、光電変換素子ＰＤから第１の浮遊拡散部ＦＤ１への電荷転送を制御する転送手段としての第１の転送ゲートＴＸ１を有する。また、単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）は、光電変換素子ＰＤから第２の浮遊拡散部ＦＤ２への電荷転送を制御する転送手段としての第２の転送ゲートＴＸ２を有する。

各画素行間には、転送制御信号線ΦＴＸが１本ずつ配される。単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）の第１の転送ゲートＴＸ１と、隣接する（ｙ−１）行に配された単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ−１）の第２の転送ゲートＴＸ２には、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙが共通の転送制御信号線ΦＴＸ＿ｙを介して供給される。単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）の第２の転送ゲートＴＸ２と、隣接する（ｙ＋１）行に配された単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ＋１）の第１の転送ゲートＴＸ１には、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ＋１が共通の転送制御信号線ΦＴＸ＿ｙ＋１を介して供給される。単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ＋１）は、単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）に対して単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ−１）とは逆方向に隣接する（ｙ＋１）行に配された画素である。

このように本実施形態では、一方の転送ゲートを制御するための転送制御信号線ΦＴＸ＿ｙを、隣接する２行の画素で共通化し、また、他方の転送ゲートを制御するための転送制御信号線ΦＴＸ＿ｙ＋１を、隣接する２行の画素で共通化している。転送制御信号線を隣接する２行間で共有させることで、１本の転送制御信号線によって２行分の画素の駆動を制御することが可能となる。したがって、１つの画素の第１の転送ゲートＴＸ１と第２の転送ゲートＴＸ２とを別々の制御信号で駆動可能なまま、従来１行当たり２本必要であった転送制御信号線を、２行当たり２本とすることができる。すなわち、転送制御信号線の本数を半分にすることが可能となるため、制御信号数の増加に伴う画素の開口率の低下を防ぐことができる。

単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）は、第１のソースフォロワアンプＳＦ１及び第２のソースフォロワアンプＳＦ２を有する。第１の浮遊拡散部ＦＤ１と第１のソースフォロワアンプＳＦ１とによって、第１の画素アンプが構成され、第１の浮遊拡散部ＦＤ１に蓄積された電荷に応じた電圧信号を出力する。同様に、第２の浮遊拡散部ＦＤ２と第２のソースフォロワアンプＳＦ２とによって、第２の画素アンプが構成され、第２の浮遊拡散部ＦＤ２に蓄積された電荷に応じた電圧信号を出力する。

単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）は、第１のリセットゲートＲＥＳ１及び第２のリセットゲートＲＥＳ２と、第１の選択スイッチＳＥＬ１及び第２の選択スイッチＳＥＬ２とを有する。第１のリセットゲートＲＥＳ１は、第１の浮遊拡散部ＦＤ１及び光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷をリセットするためのものである。第２のリセットゲートＲＥＳ２は、第２の浮遊拡散部ＦＤ２及び光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷をリセットするためのものである。第１のリセットゲートＲＥＳ１と第２のリセットゲートＲＥＳ２は、共通のリセット制御信号線ΦＲＥＳ＿ｙを介して供給されるリセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙによって制御される。

第１の選択スイッチＳＥＬ１は、第１の画素アンプから第１の垂直出力線ＶＬ１へと信号を出力させる画素を選択するためのスイッチである。第２の選択スイッチＳＥＬ２は、第２の画素アンプから第２の垂直出力線ＶＬ２へと信号を出力させる画素を選択するためのスイッチである。第１の選択スイッチＳＥＬ１と第２の選択スイッチＳＥＬ２とは、共通の選択制御信号線ΦＳＥＬ＿ｙを介して供給される選択制御信号ＳＥＬ＿ｙによって制御される。以上が、第１の実施形態における固体撮像素子の構成である。

次に、図３及び図４を参照して、第１の実施形態における固体撮像素子の撮像動作について説明する。なお、本実施形態においては、画素部における信号の蓄積の後、画素部から信号を読み出す、という一連の動作を画素行毎に順次行う、いわゆる「ローリングシャッタ駆動」を行うものとする。

図３は、第１の実施形態における固体撮像素子での、ＴＯＦ法による三次元距離計測を伴わない通常の画像信号取得を行う撮像動作の例を示す駆動タイミングチャートである。ＴＯＦ法による三次元距離計測を行わない場合（通常撮像動作時）には、一度の撮像動作で異なる時間帯の信号を得る必要がないため、２つの浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２の双方を使用して信号の蓄積を行う必要がない。したがって、通常の撮像動作では、一方の浮遊拡散部のみを使用して信号の読み出しを行い、画像信号を生成するようにすればよい。以下では、第１の浮遊拡散部ＦＤ１のみを使用して信号の読み出しを行うものとして説明する。

以下、図３を用いて、通常の撮像動作におけるｙ行目の画素の信号読み出し動作を説明する。時刻Ｔ３０１にて、選択制御信号ＰＳＥＬ＿ｙがハイレベルとなり、ｙ行目の画素の選択スイッチＳＥＬ１、ＳＥＬ２がオンされる。これにより、ｙ行目の画素の第１の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ１に接続され、ｙ行目の画素の第２の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ２に接続される。

時刻Ｔ３０２にて、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙがローレベルとなることで、ｙ行目の画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２がオフされ、浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットが解除される。時刻Ｔ３０３にて、ｙ行目の画素のリセットが解除された状態の第１の浮遊拡散部ＦＤ１に応じた第１の画素アンプからの出力信号ｒｅｆ１が、垂直出力線ＶＬ１を介してサンプルホールド回路１１１−ｒ１に保持される。また、ｙ行目の画素のリセットが解除された状態の第２の浮遊拡散部ＦＤ２に応じた第２の画素アンプからの出力信号ｒｅｆ２が、垂直出力線ＶＬ２を介してサンプルホールド回路１１１−ｒ２に保持される。

時刻Ｔ３０４にて、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙがハイレベルとなることで、ｙ行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオンされ、それまでに光電変換素子ＰＤに蓄積されていた電荷が、第１の浮遊拡散部ＦＤ１に読み出される。このとき、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙによって、（ｙ−１）行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２も同時にオンされ、（ｙ−１）行目の画素の光電変換素子ＰＤから第２の浮遊拡散部ＦＤ２に電荷が読み出される。しかし、（ｙ−１）行目の画素に供給されるリセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙ−１がハイレベルであるので、（ｙ−１）行目の画素の第２の浮遊拡散部ＦＤ２に読み出された電荷は、蓄積されずにリセットされる。

時刻Ｔ３０５にて、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙがローレベルとなることで、ｙ行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオフされ、ｙ行目の画素の光電変換素子ＰＤから第１の浮遊拡散部ＦＤ１への電荷の読み出しが終了する。また、（ｙ−１）行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオフされ、（ｙ−１）行目の画素の光電変換素子ＰＤから第２の浮遊拡散部ＦＤ２への電荷の読み出しが終了する。

時刻Ｔ３０６にて、ｙ行目の画素の光電変換素子ＰＤから電荷が読み出された状態の第１の浮遊拡散部ＦＤ１に応じた第１の画素アンプからの出力信号ｓｉｇ１が、垂直出力線ＶＬ１を介してサンプルホールド回路１１１−ｓ１に保持される。また、ｙ行目の画素の光電変換素子ＰＤから電荷が読み出されていない第２の浮遊拡散部ＦＤ２に応じた第２の画素アンプからの出力信号ｓｉｇ２が、垂直出力線ＶＬ２を介してサンプルホールド回路１１１−ｓ２に保持される。

時刻Ｔ３０７にて、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙがハイレベルとなることで、ｙ行目の画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２がオンされ、浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットが開始される。時刻Ｔ３０８にて、選択制御信号ＰＳＥＬ＿ｙがローレベルとなり、ｙ行目の画素の選択スイッチＳＥＬ１、ＳＥＬ２がオフされる。これにより、ｙ行目の画素の第１の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ１から切断され、ｙ行目の画素の第２の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ２から切断される。

その後、時刻Ｔ３０９までの間に、スイッチ１１２を制御して、サンプルホールド回路１１１に保持された信号ｒｅｆ１、ｒｅｆ２、ｓｉｇ１、ｓｉｇ２を、画素列毎に固体撮像素子から順次出力させる。以上の時刻Ｔ３０１〜時刻Ｔ３０９の動作が、ｙ行目の画素行の読み出し動作である。この動作を、制御信号を供給する対象行を順次切り替えながらｊ回繰り返すことで、画素部１００に配された１行目〜ｊ行目の画素から信号を読み出して、１フレーム分の読み出し動作を完了する。

以上が、本実施形態における固体撮像素子での通常の撮像動作である。前述した撮像動作によって読み出された信号ｒｅｆ１、ｒｅｆ２、ｓｉｇ１、ｓｉｇ２のうち、光電変換素子ＰＤからの電荷信号に対応した信号ｓｉｇ１と、その基準信号ｒｅｆ１とを使用して通常の画像信号を生成すればよい。

図４は、第１の実施形態における固体撮像素子での、ＴＯＦ法による三次元距離計測を行う際の距離画像取得を行う撮像動作の例を示す駆動タイミングチャートである。距離画像の取得を行う場合（距離画像取得動作時）には、一度の撮像動作で異なる時間帯の信号を蓄積する必要があるため、２つの浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２の双方を使用して信号の読み出しを行う。

以下、図４を用いて、ＴＯＦ法による三次元距離計測を行う際の距離画像取得を行う撮像動作におけるｙ行目の画素の信号読み出し動作を説明する。時刻Ｔ４０１にて、選択制御信号ＰＳＥＬ＿ｙがハイレベルとなり、ｙ行目の画素の選択スイッチＳＥＬ１、ＳＥＬ２がオンされる。これにより、ｙ行目の画素の第１の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ１に接続され、ｙ行目の画素の第２の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ２に接続される。

時刻Ｔ４０２にて、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙがハイレベルとなることで、ｙ行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオンされ、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ＋１がハイレベルとなることで、ｙ行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオンされる。このとき、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙがハイレベルであるため、ｙ行目の画素の光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷がリセットされる。

なお、同時に、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙによって、（ｙ−１）行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオンされ、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ＋１によって、（ｙ＋１）行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオンされる。このとき、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙ−１、ＰＲＥＳ＿ｙ＋１がともにハイレベルであるため、（ｙ−１）行目及び（ｙ＋１）行目の画素の光電変換素子ＰＤ及び浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２に蓄積された電荷もまた、リセットされる。

時刻Ｔ４０３にて、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ、ＰＴＸ＿ｙ＋１がともにローレベルとなり、ｙ行目の画素の転送ゲートＴＸ１、ＴＸ２がオフされる。同時に、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙがローレベルとなり、ｙ行目の画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２がオフされ、浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットが解除される。なお、同時に、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙによって、（ｙ−１）行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオフされ、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ＋１によって、（ｙ＋１）行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオフされる。

時刻Ｔ４０４にて、ｙ行目の画素のリセットが解除された状態の第１の浮遊拡散部ＦＤ１に応じた第１の画素アンプからの出力信号ｒｅｆ１が、垂直出力線ＶＬ１を介してサンプルホールド回路１１１−ｒ１に保持される。また、ｙ行目の画素のリセットが解除された状態の第２の浮遊拡散部ＦＤ２に応じた第２の画素アンプからの出力信号ｒｅｆ２が、垂直出力線ＶＬ２を介してサンプルホールド回路１１１−ｒ２に保持される。

時刻Ｔ４０５にて、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙがハイレベルとなることで、ｙ行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオンされ、リセット解除後に光電変換素子ＰＤで発生した電荷が、第１の浮遊拡散部ＦＤ１に読み出される。このとき、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙによって、（ｙ−１）行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２も同時にオンされ、（ｙ−１）行目の画素の光電変換素子ＰＤから第２の浮遊拡散部ＦＤ２に電荷が読み出される。しかし、（ｙ−１）行目の画素に供給されるリセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙ−１がハイレベルであるので、（ｙ−１）行目の画素の第２の浮遊拡散部ＦＤ２に読み出された電荷は、蓄積されずにリセットされる。

時刻Ｔ４０６にて、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙがローレベルとなることで、ｙ行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオフされ、ｙ行目の画素の光電変換素子ＰＤから第１の浮遊拡散部ＦＤ１への電荷の読み出しが終了する。また、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙによって、（ｙ−１）行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２も同時にオフされる。

これと同時に、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ＋１がハイレベルとなることで、ｙ行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオンされ、時刻Ｔ４０６以降に光電変換素子ＰＤで発生した電荷が、第２の浮遊拡散部ＦＤ２に読み出される。このとき、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ＋１によって、（ｙ＋１）行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１も同時にオンされ、（ｙ＋１）行目の画素の光電変換素子ＰＤから第１の浮遊拡散部ＦＤ１に電荷が読み出される。しかし、（ｙ＋１）行目の画素に供給されるリセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙ＋１がハイレベルであるので、（ｙ＋１）行目の画素の第１の浮遊拡散部ＦＤ１に読み出された電荷は、蓄積されずにリセットされる。

また、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ、ＰＴＸ＿ｙ＋１と同期して、時刻Ｔ４０６を跨ぐようにハイレベルの投光制御信号ＰＬｉｇｈｔが光源部２０に対して供給される。光源部２０は、投光制御信号ＰＬｉｇｈｔがハイレベルである期間は点灯し、ローレベルである期間は消灯する。光源部２０から投光された光は、測距対象（対象物）に反射し、撮像装置から測距対象までの距離に応じた遅延時間の後、固体撮像素子に到達する。ｙ行目の画素の光電変換素子ＰＤにおいて、時刻Ｔ４０６以前に固体撮像素子に到達した光により発生した電荷は、第１の浮遊拡散部ＦＤ１に転送され、時刻Ｔ４０６以降に固体撮像素子に到達した光により発生した電荷は、第２の浮遊拡散部ＦＤ２に転送される。

時刻Ｔ４０７にて、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ＋１がローレベルとなることで、ｙ行目の画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオフされ、ｙ行目の画素の光電変換素子ＰＤから第２の浮遊拡散部ＦＤ２への電荷転送が終了され、ｙ行目の画素の信号蓄積が終了される。なお、このとき、転送制御信号ＰＴＸ＿ｙ＋１によって、（ｙ＋１）行目の画素の第１の転送ゲートＴＸ１も同時にオフされる。

時刻Ｔ４０８にて、ｙ行目の画素の時刻Ｔ４０６以前に光電変換素子ＰＤで発生した電荷が蓄積された第１の浮遊拡散部ＦＤ１に応じた第１の画素アンプからの出力信号ｓｉｇ１が、垂直出力線ＶＬ１を介してサンプルホールド回路１１１−ｓ１に保持される。また、ｙ行目の画素の時刻Ｔ４０６以降に光電変換素子ＰＤで発生した電荷が蓄積された第２の浮遊拡散部ＦＤ２に応じた第２の画素アンプからの出力信号ｓｉｇ２が、垂直出力線ＶＬ２を介してサンプルホールド回路１１１−ｓ２に保持される。

時刻Ｔ４０９にて、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿ｙがハイレベルとなることで、ｙ行目の画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２がオンされ、浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットが開始される。時刻Ｔ４１０にて、選択制御信号ＰＳＥＬ＿ｙがローレベルとなり、ｙ行目の画素の選択スイッチＳＥＬ１、ＳＥＬ２がオフされる。これにより、ｙ行目の画素の第１の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ１から切断され、ｙ行目の画素の第２の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ２から切断される。

その後、時刻Ｔ４１１までの間に、スイッチ１１２を制御して、サンプルホールド回路１１１に保持された信号ｒｅｆ１、ｒｅｆ２、ｓｉｇ１、ｓｉｇ２を、画素列毎に固体撮像素子から順次出力させる。以上の時刻Ｔ４０１〜時刻Ｔ４１１の動作が、ｙ行目の画素行の読み出し動作である。この動作を、制御信号を供給する対象行を順次切り替えながらｊ回繰り返すことで、画素部１００に配された１行目〜ｊ行目の画素から信号を読み出して、１フレーム分の読み出し動作を完了する。

以上が、本実施形態における固体撮像素子での距離画像取得の撮像動作である。前述した撮像動作によって読み出された信号のうち、第１の浮遊拡散部ＦＤ１に蓄積された電荷信号に対応した信号ｓｉｇ１と、その基準信号ｒｅｆ１を使用して、第１の反射光画像を生成する。第１の反射光画像は、被写体からの反射光によって、時刻Ｔ４０３から時刻Ｔ４０６までの期間に光電変換素子ＰＤで発生した電荷に対応するものである。また、第２の浮遊拡散部ＦＤ２に蓄積された電荷信号に対応した信号ｓｉｇ２と、その基準信号ｒｅｆ２を使用して、第２の反射光画像を生成する。第２の反射光画像は、被写体からの反射光によって、時刻Ｔ４０６から時刻Ｔ４０７までの期間に光電変換素子ＰＤで発生した電荷に対応するものである。生成した第１の反射光画像と第２の反射光画像との信号の比を用いて光飛行時間を演算し、測距対象までの距離を導出し距離画像を生成すればよい。

以上のように、第１の実施形態では、隣接する２行の画素の双方に、転送制御信号線ΦＴＸからの転送制御信号ＰＴＸを供給する。これにより、各画素の第１の転送ゲートＴＸ１と第２の転送ゲートＴＸ２を別々の制御信号で駆動可能でありながら、転送制御信号線の数を１行当たり２本から１本に削減することが可能である。したがって、１画素あたり２つの転送ゲートの各々を、開口率を低下させることなく別々の制御信号で駆動することができ、固体撮像素子の感度を低下させずに光飛行時間を計測することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
前述した第１の実施形態においては、光電変換素子ＰＤにおいて発生した電荷を、第１の浮遊拡散部ＦＤ１及び第２の浮遊拡散部ＦＤ２に転送して蓄積するよう駆動している。一般に、浮遊拡散部には暗電流等のノイズが混入しやすく、浮遊拡散部における信号の保持期間が長いほどノイズの影響が多くなるため、浮遊拡散部は長期間の電荷保持には適していないことが知られている。したがって、第１の実施形態では、画素部における信号の蓄積の後、画素部から信号を読み出す、という一連の動作を画素行毎に順次行う、「ローリングシャッタ駆動」を行うようにしていた。

「ローリングシャッタ駆動」は、画素行毎に異なる時刻の信号が蓄積されるため、同じ１フレーム内の信号同士であっても蓄積時刻の同時性が得られない。一方で、同じ１フレーム内の全画素の信号が同時に蓄積される、いわゆる「グローバルシャッタ駆動」が知られている。「グローバルシャッタ駆動」では、リセット期間、蓄積期間の動作を全画素同時に行った後、画素行毎に順次信号の読み出しを行うため、同じ１フレーム内の信号同士で蓄積時刻の同時性が保たれる。

しかし、第１の実施形態における固体撮像素子は、「グローバルシャッタ駆動」に適した構成にはなっていない。なぜならば、第１の実施形態に示した構成の固体撮像素子で「グローバルシャッタ駆動」を行う場合、全画素一斉に光電変換素子から浮遊拡散部へ電荷を転送した後、各行の画素の浮遊拡散部に、その行から信号が読み出されるまで電荷を保持しておくことになる。したがって、各行の画素の浮遊拡散部から、画素行毎に順次信号を読み出していくうちに、後の順序で読み出される画素行の浮遊拡散部が、より大きくノイズの影響を受けて、精度の高い距離情報を得ることが困難となってしまうためである。

第２の実施形態では、「グローバルシャッタ駆動」に適した固体撮像素子について説明する。以下、図５及び図６を参照して、第２の実施形態における固体撮像素子の構成について説明する。図５は、第２の実施形態における固体撮像素子の画素部における単位画素、及び単位画素の各部の駆動を制御するための制御信号線を示す等価回路図である。第１の実施形態とは、各単位画素が、第１の画素内メモリＣ１、第２の画素内メモリＣ２、第１の読み出しゲートＲＯ１、及び第２の読み出しゲートＲＯ２を有する点が異なる。

電荷保持手段としての第１の画素内メモリＣ１及び第２の画素内メモリＣ２は、光電変換素子ＰＤにおいて発生した電荷を保持するためのメモリ（容量）である。第１の転送ゲートＴＸ１は、光電変換素子ＰＤから第１の画素内メモリＣ１への電荷転送を制御する。また、第２の転送ゲートＴＸ２は、光電変換素子ＰＤから第２の画素内メモリＣ２への電荷転送を制御する。図５に示すように、光電変換素子ＰＤは、第１の転送ゲートＴＸ１を介して第１の画素内メモリＣ１に接続され、第２の転送ゲートＴＸ２を介して第２の画素内メモリＣ２に接続される。

第１の転送ゲートＴＸ１は、第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を介して供給される第１の転送制御信号ＰＴＸ１によって制御される。第２の転送ゲートＴＸ２は、第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を介して供給される第２の転送制御信号ＰＴＸ２によって制御される。単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）及び隣接する（ｙ−１）行に配された単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ−１）の第１の転送ゲートＴＸ１には、第１の転送制御信号ＰＴＸ１が共通の第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を介して供給される。単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）及び隣接する（ｙ＋１）行に配された単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ＋１）の第２の転送ゲートＴＸ２には、第２の転送制御信号ＰＴＸ２が共通の第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を介して供給される。単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ＋１）は、単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）に対して単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ−１）とは逆方向に隣接する（ｙ＋１）行に配された画素である。

このように本実施形態では、隣接する２行の画素で第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を共通化し、また、隣接する２行の画素で第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を共通化している。転送制御信号線を隣接する２行間で共有させることで、１本の転送制御信号線によって２行分の画素の駆動を制御することが可能となる。したがって、１つの画素の第１の転送ゲートＴＸ１と第２の転送ゲートＴＸ２とを別々の制御信号で駆動可能なまま、従来１行当たり２本必要であった転送制御信号線を、２行当たり２本とすることができ、転送制御信号線の本数を半分にすることが可能となる。

第１の読み出しゲートＲＯ１は、第１の画素内メモリＣ１から第１の浮遊拡散部ＦＤ１への電荷の読み出しを制御する。第２の読み出しゲートＲＯ２は、第２の画素内メモリＣ２から第２の浮遊拡散部ＦＤ２への電荷の読み出しを制御する。図５に示すように、第１の画素内メモリＣ１は、第１の読み出しゲートＲＯ１を介して第１の浮遊拡散部ＦＤ１に接続され、第２の画素内メモリＣ２は、第２の読み出しゲートＲＯ２を介して第２の浮遊拡散部ＦＤ２に接続される。第１の読み出しゲートＲＯ１及び第２の読み出しゲートＲＯ２は、共通の読み出し制御信号線ΦＲＯ＿ｙを介して供給される、読み出し制御信号ＰＲＯ＿ｙによって制御される。単位画素内のその他の構成要素については、第１の実施形態と同様であるので、説明は割愛する。

以上に述べたように、本実施形態では、暗電流等のノイズが混入しやすい浮遊拡散部の他に、電荷保持手段として、ノイズの影響の少ない画素内メモリを設ける。これにより、１フレームの読み出しを行う間、ノイズによって信号を劣化させることなく、電荷を画素部で保持することが可能となる。なお、本実施形態では、画素内メモリから浮遊拡散部への電荷の読み出し制御のために読み出し制御信号線ΦＲＯ＿ｙが配線されるため、第１の実施形態と比較して、画素の開口率は低下する。しかし、従来の固体撮像素子では１行当たり２本必要であった転送制御信号線を半数に削減させることで、必要な制御信号の増加による開口率への影響を低減させている。

図６は、第２の実施形態における固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態においては、「ローリングシャッタ駆動」を行うために転送制御信号ＰＴＸ１、ＰＴＸ２を、画素行毎に異なる期間に供給するようにしていた。一方、第２の実施形態では、「グローバルシャッタ駆動」を行うため、転送制御信号ＰＴＸ１、ＰＴＸ２を全画素に対して同時に供給するようにしている。

具体的には、図６に示すように、各画素行間に１行おきに配線された第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を介して、その上下に配された画素行の画素の第１の転送ゲートＴＸ１に対して第１の転送制御信号ＰＴＸ１を供給する。また、各画素行間に１行おきに配線された第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を介して、その上下に配された画素行の画素の第２の転送ゲートＴＸ２に対して第２の転送制御信号ＰＴＸ２を供給する。他の各ブロックの詳細については、第１の実施形態と同様の構成であるため、説明は割愛する。以上が、第２の実施形態における固体撮像素子の構成である。

次に、図７及び図８を参照して、第２の実施形態における固体撮像素子の撮像動作について説明する。なお、固体撮像素子の読み出し動作は、リセット期間、蓄積期間、及び読み出し期間の３つの期間に大別される。リセット期間は、光電変換素子及び画素内メモリの電荷をリセットする期間であり、蓄積期間は、光電変換素子で発生した電荷を画素内メモリに蓄積する期間であり、読み出し期間は、画素内メモリに蓄積され保持された電荷を読み出す期間である。第２の実施形態における固体撮像素子の撮像動作においては、リセット期間及び蓄積期間の駆動を全画素同時に行い、読み出し期間の駆動は画素行毎に順次行う、「グローバルシャッタ駆動」を行うものとする。

図７は、第２の実施形態における固体撮像素子での、ＴＯＦ法による三次元距離計測を伴わない通常の画像信号取得を行う撮像動作の例を示す駆動タイミングチャートである。ＴＯＦ法による三次元距離計測を行わない場合（通常撮像動作時）には、一度の撮像動作で異なる時間帯の信号を得る必要がないため、２つの画素内メモリＣ１、Ｃ２の双方を使用して信号の蓄積を行う必要がない。したがって、通常の撮像動作では、一方の画素内メモリのみを使用して信号の蓄積を行い、蓄積を行った側の画素内メモリから読み出した信号のみを用いて、画像信号を生成するようにすればよい。以下では、第１の画素内メモリＣ１のみを使用して信号の蓄積を行うものとして説明する。

リセット期間においては、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿１〜ＰＲＥＳ＿ｊ及び読み出し制御信号ＰＲＯ＿１〜ＰＲＯ＿ｊがともにハイレベルであるため、すべての画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２及び読み出しゲートＲＯ１、ＲＯ２がオンする。また、第１の転送制御信号ＰＴＸ１がハイレベルであるため、すべての画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオンしている。したがって、全画素行の浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２、画素内メモリＣ１、Ｃ２、及び光電変換素子ＰＤがリセットされた状態となっている。

時刻Ｔ１０１にて、読み出し制御信号ＰＲＯ＿１〜ＰＲＯ＿ｊがローレベルとなり、すべての画素の読み出しゲートＲＯ１、ＲＯ２がオフされ、画素内メモリＣ１、Ｃ２及び光電変換素子ＰＤのリセットが全画素同時に解除されることでリセット期間が終了する。それと同時に蓄積期間が開始される。このとき、第１の転送制御信号ＰＴＸ１はハイレベルであり、第１の転送ゲートＴＸ１はオンしたままであるため、光電変換素子ＰＤで発生した電荷は、第１の画素内メモリＣ１に転送され蓄積される。また、第２の転送制御信号ＰＴＸ２はローレベルであり、第２の転送ゲートＴＸ２はオフしたままであるため、第２の画素内メモリＣ２には、リセット解除された時点での電荷が保持される。

所望の蓄積時間が経過した後、時刻Ｔ１０２にて、第１の転送制御信号ＰＴＸ１がローレベルとなり、すべての画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオフされる。これにより、光電変換素子ＰＤから第１の画素内メモリＣ１への電荷転送が全画素行で同時に終了し、蓄積期間が終了する。蓄積期間が終了した後、読み出し期間が開始され、画素内メモリＣ１、Ｃ２に蓄積、保持された信号の読み出しが画素行毎に行われる。

時刻Ｔ１０３にて、選択制御信号ＰＳＥＬ＿１がハイレベルとなり、１行目（ｙ＝１）の画素の選択スイッチＳＥＬ１、ＳＥＬ２がオンされる。これにより、１行目の画素の第１の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ１に接続され、１行目の画素の第２の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ２に接続される。

時刻Ｔ１０４にて、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿１がローレベルとなることで、１行目の画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２がオフされ、浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットが解除される。時刻Ｔ１０５にて、１行目の画素のリセットが解除された状態の第１の浮遊拡散部ＦＤ１に応じた第１の画素アンプからの出力信号ｒｅｆ１が、垂直出力線ＶＬ１を介してサンプルホールド回路１１１−ｒ１に保持される。また、１行目の画素のリセットが解除された状態の第２の浮遊拡散部ＦＤ２に応じた第２の画素アンプからの出力信号ｒｅｆ２が、垂直出力線ＶＬ２を介してサンプルホールド回路１１１−ｒ２に保持される。

時刻Ｔ１０６にて、読み出し制御信号ＰＲＯ＿１がハイレベルとなることで、１行目の画素の読み出しゲートＲＯ１がオンされ、第１の画素内メモリＣ１に蓄積、保持された電荷が、第１の浮遊拡散部ＦＤ１に読み出される。また、同時に１行目の画素の読み出しゲートＲＯ２がオンされ、第２の画素内メモリＣ２に蓄積、保持された電荷が、第２の浮遊拡散部ＦＤ２に読み出される。時刻Ｔ１０７にて、読み出し制御信号ＰＲＯ＿１がローレベルとなることで、１行目の画素の読み出しゲートＲＯ１、ＲＯ２がオフされ、画素内メモリＣ１、Ｃ２から浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２への電荷の読み出しが終了する。

時刻Ｔ１０８にて、１行目の画素の第１の画素内メモリＣ１から電荷が読み出された状態の第１の浮遊拡散部ＦＤ１に応じた第１の画素アンプからの出力信号ｓｉｇ１が、垂直出力線ＶＬ１を介してサンプルホールド回路１１１−ｓ１に保持される。また、１行目の画素の第２の画素内メモリＣ２から電荷が読み出された状態の第２の浮遊拡散部ＦＤ２に応じた第２の画素アンプからの出力信号ｓｉｇ２が、垂直出力線ＶＬ２を介してサンプルホールド回路１１１−ｓ２に保持される。

時刻Ｔ１０９にて、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿１がハイレベルとなることで、１行目の画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２がオンされ、浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットが開始される。時刻Ｔ１１０にて、選択制御信号ＰＳＥＬ＿１がローレベルとなり、１行目の画素の選択スイッチＳＥＬ１、ＳＥＬ２がオフされる。これにより、１行目の画素の第１の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ１から切断され、１行目の画素の第２の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ２から切断される。

その後、時刻Ｔ１１１までの間に、スイッチ１１２を制御して、サンプルホールド回路１１１に保持された信号ｒｅｆ１、ｒｅｆ２、ｓｉｇ１、ｓｉｇ２を、画素列毎に固体撮像素子から順次出力させる。以上の時刻Ｔ１０３〜時刻Ｔ１１１の動作が、１行目（ｙ＝１）の画素行の読み出し動作である。この動作を、制御信号を供給する対象行を順次切り替えながらｊ回繰り返すことで、画素部１００に配された１行目〜ｊ行目の画素から信号を読み出して、１フレーム分の読み出し期間を完了する。

以上が、本実施形態における固体撮像素子での通常の撮像動作である。前述した撮像動作によって読み出された信号ｒｅｆ１、ｒｅｆ２、ｓｉｇ１、ｓｉｇ２のうち、光電変換素子ＰＤからの電荷信号に対応した信号ｓｉｇ１と、その基準信号ｒｅｆ１を使用して通常の画像信号を生成すればよい。

図８は、第２の実施形態における固体撮像素子での、ＴＯＦ法による三次元距離計測を行う際の距離画像取得を行う撮像動作の例を示す駆動タイミングチャートである。距離画像の取得を行う場合（距離画像取得動作時）には、一度の撮像動作で異なる時間帯の信号を蓄積する必要があるため、２つの画素内メモリＣ１、Ｃ２の双方を使用して信号の蓄積を行う。

リセット期間には、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿１〜ＰＲＥＳ＿ｊ及び読み出し制御信号ＰＲＯ＿１〜ＰＲＯ＿ｊがともにハイレベルであるため、すべての画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２及び読み出しゲートＲＯ１、ＲＯ２がオンする。また、転送制御信号ＰＴＸ１、ＰＴＸ２がハイレベルであるため、すべての画素の転送ゲートＴＸ１、ＴＸ２がオンしている。したがって、全画素行の浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２、画素内メモリＣ１、Ｃ２、及び光電変換素子ＰＤがリセットされた状態となっている。

時刻Ｔ２０１にて、読み出し制御信号ＰＲＯ＿１〜ＰＲＯ＿ｊがローレベルとなり、すべての画素の読み出しゲートＲＯ１、ＲＯ２がオフされ、画素内メモリＣ１、Ｃ２及び光電変換素子ＰＤのリセットが全画素行で同時に解除される。これによりリセット期間が終了し、蓄積期間が開始される。リセット期間の終了と同時に、第２の転送制御信号ＰＴＸ２がローレベルとなり、すべての画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオフされる。一方、第１の転送制御信号ＰＴＸ１はハイレベルのままであり、すべての画素の第１の転送ゲートＴＸ１はオンしたままであるため、光電変換素子ＰＤで発生した電荷は、第１の画素内メモリＣ１に転送され蓄積される。

時刻Ｔ２０２にて、第１の転送制御信号ＰＴＸ１がローレベルとなり、すべての画素の第１の転送ゲートＴＸ１がオフされると同時に、第２の転送制御信号ＰＴＸ２がハイレベルとなり、すべての画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオンされる。この動作により、光電変換素子ＰＤから第１の画素内メモリＣ１への電荷転送が終了されると同時に、光電変換素子ＰＤから第２の画素内メモリＣ２への電荷転送が開始される。

このとき、転送制御信号ＰＴＸ１、ＰＴＸ２と同期して、時刻Ｔ２０２を跨ぐようにハイレベルの投光制御信号ＰＬｉｇｈｔが光源部２０に対して供給される。光源部２０は、投光制御信号ＰＬｉｇｈｔがハイレベルである期間は点灯し、ローレベルである期間は消灯する。光源部２０から投光された光は、測距対象（対象物）に反射し、撮像装置から測距対象までの距離に応じた遅延時間の後、固体撮像素子に到達する。時刻Ｔ２０２以前に固体撮像素子に到達した光により発生した電荷は、第１の画素内メモリＣ１に転送され、時刻Ｔ２０２以降に固体撮像素子に到達した光により発生した電荷は、第２の画素内メモリＣ２に転送される。

時刻Ｔ２０３にて、第２の転送制御信号ＰＴＸ２がローレベルとなり、すべての画素の第２の転送ゲートＴＸ２がオフされることで、光電変換素子ＰＤから第２の画素内メモリＣ２への電荷転送が終了され、蓄積期間が終了される。蓄積期間が終了した後、読み出し期間が開始され、画素内メモリＣ１、Ｃ２に蓄積、保持された信号の読み出しが画素行毎に行われる。

時刻Ｔ２０４にて、選択制御信号ＰＳＥＬ＿１がハイレベルとなり、１行目（ｙ＝１）の画素の選択スイッチＳＥＬ１、ＳＥＬ２がオンされる。これにより、１行目の画素の第１の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ１に接続され、１行目の画素の第２の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ２に接続される。

時刻Ｔ２０５にて、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿１がローレベルとなることで、１行目の画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２がオフされ、浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットが解除される。時刻Ｔ２０６にて、１行目の画素のリセットが解除された状態の第１の浮遊拡散部ＦＤ１に応じた第１の画素アンプからの出力信号ｒｅｆ１が、垂直出力線ＶＬ１を介してサンプルホールド回路１１１−ｒ１に保持される。また、１行目の画素のリセットが解除された状態の第２の浮遊拡散部ＦＤ２に応じた第２の画素アンプからの出力信号ｒｅｆ２が、垂直出力線ＶＬ２を介してサンプルホールド回路１１１−ｒ２に保持される。

時刻Ｔ２０７にて、読み出し制御信号ＰＲＯ＿１がハイレベルとなることで、１行目の画素の読み出しゲートＲＯ１がオンされ、第１の画素内メモリＣ１に蓄積、保持された電荷が、第１の浮遊拡散部ＦＤ１に読み出される。また、同時に１行目の画素の読み出しゲートＲＯ２がオンされ、第２の画素内メモリＣ２に蓄積、保持された電荷が、第２の浮遊拡散部ＦＤ２に読み出される。時刻Ｔ２０８にて、読み出し制御信号ＰＲＯ＿１がローレベルとなることで、１行目の画素の読み出しゲートＲＯ１、ＲＯ２がオフされ、画素内メモリＣ１、Ｃ２から浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２への電荷の読み出しが終了する。

時刻Ｔ２０９にて、１行目の画素の第１の画素内メモリＣ１から電荷が読み出された状態の第１の浮遊拡散部ＦＤ１に応じた第１の画素アンプからの出力信号ｓｉｇ１が、垂直出力線ＶＬ１を介してサンプルホールド回路１１１−ｓ１に保持される。また、１行目の画素の第２の画素内メモリＣ２から電荷が読み出された状態の第２の浮遊拡散部ＦＤ２に応じた第２の画素アンプからの出力信号ｓｉｇ２が、垂直出力線ＶＬ２を介してサンプルホールド回路１１１−ｓ２に保持される。

時刻Ｔ２１０にて、リセット制御信号ＰＲＥＳ＿１がハイレベルとなることで、１行目の画素のリセットゲートＲＥＳ１、ＲＥＳ２がオンされ、浮遊拡散部ＦＤ１、ＦＤ２のリセットが開始される。時刻Ｔ２１１にて、選択制御信号ＰＳＥＬ＿１がローレベルとなり、１行目の画素の選択スイッチＳＥＬ１、ＳＥＬ２がオフされる。これにより、１行目の画素の第１の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ１から切断され、１行目の画素の第２の画素アンプの出力ノードが垂直出力線ＶＬ２から切断される。

その後、時刻Ｔ２１２までの間に、スイッチ１１２を制御して、サンプルホールド回路１１１に保持された信号ｒｅｆ１、ｒｅｆ２、ｓｉｇ１、ｓｉｇ２を、画素列毎に固体撮像素子から順次出力させる。以上の時刻Ｔ２０４〜時刻Ｔ２１２の動作が、１行目（ｙ＝１）の画素行の読み出し動作である。この動作を、制御信号を供給する対象行を順次切り替えながらｊ回繰り返すことで、画素部１００に配された１行目〜ｊ行目の画素から信号を読み出して、１フレーム分の読み出し期間を完了する。

以上が、本実施形態における固体撮像素子での距離画像取得の撮像動作である。前述した撮像動作によって読み出された信号のうち、第１の画素内メモリＣ１に蓄積された電荷信号に対応した信号ｓｉｇ１と、その基準信号ｒｅｆ１を使用して、第１の反射光画像を生成する。第１の反射光画像は、被写体からの反射光によって、時刻Ｔ２０１から時刻Ｔ２０２までの期間に光電変換素子ＰＤで発生した電荷に対応するものである。また、第２の画素内メモリＣ２に蓄積された電荷信号に対応した信号ｓｉｇ２と、その基準信号ｒｅｆ２を使用して、第２の反射光画像を生成する。第２の反射光画像は、被写体からの反射光によって、時刻Ｔ２０２から時刻Ｔ２０３までの期間に光電変換素子ＰＤで発生した電荷に対応するものである。生成した第１の反射光画像と第２の反射光画像との信号の比を用いて光飛行時間を演算し、測距対象までの距離を導出し距離画像を生成すればよい。

以上のように、第２の実施形態では、電荷保持手段としてノイズの影響の少ない画素内メモリを設け、全画素の画素内メモリで同時に信号を蓄積させる。これにより、１フレームの読み出しを行う間、ノイズによって信号を劣化させることなく、電荷を画素部で保持することが可能となる。

また、隣接する２行の画素で第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を共通化し、また、隣接する２行の画素で第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を共通化する。これにより、各画素の第１の転送ゲートＴＸ１と第２の転送ゲートＴＸ２を別々の制御信号で駆動可能でありながら、転送制御信号線の数を１行当たり２本から１本に削減することが可能である。したがって、１画素あたり２つの転送ゲートの各々を、開口率を低下させることなく別々の制御信号で駆動することができ、必要な制御信号の増加による開口率への影響を低減しつつ、光飛行時間を計測することが可能となる。

以下、図９及び図１０を参照して、第２の実施形態における固体撮像素子の他の構成例について説明する。図９は、第２の実施形態における固体撮像素子の他の構成例を示すブロック図である。図６に示した例においては、転送制御信号線ΦＴＸ１、ΦＴＸ２を水平方向に伸長する構成としている。そして、隣接する２行の画素に対して、共通の第１の転送制御信号線ΦＴＸ１から第１の転送制御信号ＰＴＸ１を供給し、隣接する２行の画素に対して、共通の第２の転送制御信号線ΦＴＸ２から第２の転送制御信号ＰＴＸ２を供給するようにしている。

図９に示す例では、転送制御信号線ΦＴＸ１、ΦＴＸ２を垂直方向に伸長する構成としている。そして、隣接する２列の画素に対して、共通の第１の転送制御信号線ΦＴＸ１から第１の転送制御信号ＰＴＸ１を供給し、隣接する２列の画素に対して、共通の第２の転送制御信号線ΦＴＸ２から第２の転送制御信号ＰＴＸ２を供給する。このように、隣接する２列の画素で第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を共通化し、また、隣接する２列の画素で第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を共通化している。これにより、転送制御信号線を垂直方向に伸長する構成であっても、転送制御信号線の数を１列当たり２本から１本に削減して、１つの画素の第１の転送ゲートＴＸ１と第２の転送ゲートＴＸ２を別々の制御信号で駆動することが可能となる。他の各ブロックの詳細については、第１の実施形態と同様の構成であるため、説明は割愛する。

図１０は、図９に示した固体撮像素子の画素部における単位画素、及び単位画素の各部の駆動を制御するための制御信号線を示す等価回路図である。図１０において、ＰＩＸ（ｘ，ｙ）は、ｙ行目ｘ列目に配された単位画素であり、ＰＩＸ（ｘ−１，ｙ）、ＰＩＸ（ｘ＋１，ｙ）は、それぞれ単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）に隣接する列である（ｘ−１）列目、（ｘ＋１）列目に配された単位画素である。各単位画素内の構成については、図５に示した単位画素と同様であるため、説明は割愛する。

図１０に示すように、単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）及び隣接する（ｘ−１）列に配された単位画素ＰＩＸ（ｘ−１，ｙ）の第１の転送ゲートＴＸ１には、第１の転送制御信号ＰＴＸ１が共通の第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を介して供給される。また、単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）及び隣接する（ｘ＋１）列に配された単位画素ＰＩＸ（ｘ＋１，ｙ）の第２の転送ゲートＴＸ２には、第２の転送制御信号ＰＴＸ２が共通の第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を介して供給される。単位画素ＰＩＸ（ｘ＋１，ｙ）は、単位画素ＰＩＸ（ｘ，ｙ）に対して単位画素ＰＩＸ（ｘ−１，ｙ）とは逆方向に隣接する（ｘ＋１）列に配された画素である。

このように、図９及び図１０に示した固体撮像素子では、隣接する２列の画素で第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を共通化し、また、隣接する２列の画素で第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を共通化している。転送制御信号線を隣接する２列間で共有させることで、１本の転送制御信号線によって２列分の画素の駆動を制御することが可能となる。したがって、１つの画素の第１の転送ゲートＴＸ１と第２の転送ゲートＴＸ２とを別々の制御信号で駆動可能なまま、従来１列当たり２本必要であった転送制御信号線を、２列当たり２本とすることができる。すなわち、転送制御信号線の本数を半分にすることが可能となるため、制御信号数の増加に伴う画素の開口率の低下を防ぐことができる。

図９及び図１０に示した固体撮像素子の撮像動作については、前述した第２の実施形態における動作と同様であるので、説明は割愛する。

以上のように、隣接する２列の画素で第１の転送制御信号線ΦＴＸ１を共通化し、また、隣接する２列の画素で第２の転送制御信号線ΦＴＸ２を共通化する。これにより、各画素の第１の転送ゲートＴＸ１と第２の転送ゲートＴＸ２を別々の制御信号で駆動可能でありながら、転送制御信号線の数を１列当たり２本から１本に削減することが可能である。したがって、１画素あたり２つの転送ゲートの各々を、開口率を低下させることなく別々の制御信号で駆動することができ、必要な制御信号の増加による開口率への影響を低減しつつ、光飛行時間を計測することが可能となる。

なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一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。

１：撮像装置 １０：固体撮像素子 ２０：光源部 ３０：制御信号生成部 １００：画素部 １１０：列回路部 １２０：垂直走査回路 １３０：水平走査回路 ＰＩＸ：画素 ΦＴＸ：転送制御信号線 ΦＲＥＳ：リセット制御信号線 ΦＳＥＬ：選択制御信号線 ΦＲＯ：読み出し制御信号線 ＰＤ：光電変換素子 ＦＤ１、ＦＤ２：浮遊拡散部 ＴＸ１、ＴＸ２：転送ゲート ＳＦ１、ＳＦ２：ソースフォロワアンプ ＲＥＳ１、ＲＥＳ２：リセットゲート ＳＥＬ１、ＳＥＬ２：選択スイッチ Ｃ１、Ｃ２：画素内メモリ ＲＯ１、ＲＯ２：読み出しゲート

Claims (7)

1. 光電変換手段、前記光電変換手段で発生した電荷を保持する第１の電荷保持手段、前記光電変換手段で発生した電荷を保持する第２の電荷保持手段、前記光電変換手段から前記第１の電荷保持手段への電荷転送を制御する第１の転送手段、及び前記光電変換手段から前記第２の電荷保持手段への電荷転送を制御する第２の転送手段をそれぞれ有し、行列状に配された複数の画素と、
   第１の転送制御信号を供給する第１の転送制御信号線と、
   第２の転送制御信号を供給する第２の転送制御信号線とを有し、
   第１の画素行に配された複数の画素の前記第１の転送手段と、前記第１の画素行に隣接する画素行に配された複数の画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの一方の転送手段とが、１つの前記第１の転送制御信号線を介して供給される前記第１の転送制御信号により制御され、
   前記第１の画素行に配された複数の画素の前記第２の転送手段と、前記第１の画素行に隣接する画素行に配された複数の画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの他方の転送手段とが、１つの前記第２の転送制御信号線を介して供給される前記第２の転送制御信号により制御されることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１の画素行に配された画素と、前記第１の画素行と第１の方向に隣接する第２の画素行に配された画素との間に、前記１つの第１の転送制御信号線が設けられ、
   前記第１の画素行に配された画素と、前記第１の画素行と第２の方向に隣接する第３の画素行に配された画素との間に、前記１つの第２の転送制御信号線が設けられ、
   前記第１の画素行に配された画素の前記第１の転送手段と、前記第２の画素行に配された画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの一方の転送手段とが、前記第１の転送制御信号により制御され、
   前記第１の画素行に配された画素の前記第２の転送手段と、前記第３の画素行に配された画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの他方の転送手段とが、前記第２の転送制御信号により制御されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 光電変換手段、前記光電変換手段で発生した電荷を保持する第１の電荷保持手段、前記光電変換手段で発生した電荷を保持する第２の電荷保持手段、前記光電変換手段から前記第１の電荷保持手段への電荷転送を制御する第１の転送手段、及び前記光電変換手段から前記第２の電荷保持手段への電荷転送を制御する第２の転送手段をそれぞれ有し、行列状に配された複数の画素と、
   第１の転送制御信号を供給する第１の転送制御信号線と、
   第２の転送制御信号を供給する第２の転送制御信号線とを有し、
   第１の画素列に配された複数の画素の前記第１の転送手段と、前記第１の画素列に隣接する画素列に配された複数の画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの一方の転送手段とが、１つの前記第１の転送制御信号線を介して供給される前記第１の転送制御信号により制御され、
   前記第１の画素列に配された複数の画素の前記第２の転送手段と、前記第１の画素列に隣接する画素列に配された複数の画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの他方の転送手段とが、１つの前記第２の転送制御信号線を介して供給される前記第２の転送制御信号により制御されることを特徴とする固体撮像素子。
4. 前記第１の画素列に配された画素と、前記第１の画素列と第１の方向に隣接する第２の画素列に配された画素との間に、前記１つの第１の転送制御信号線が設けられ、
   前記第１の画素列に配された画素と、前記第１の画素列と第２の方向に隣接する第３の画素列に配された画素との間に、前記１つの第２の転送制御信号線が設けられ、
   前記第１の画素列に配された画素の前記第１の転送手段と、前記第２の画素列に配された画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの一方の転送手段とが、前記第１の転送制御信号により制御され、
   前記第１の画素列に配された画素の前記第２の転送手段と、前記第３の画素列に配された画素の前記第１の転送手段及び前記第２の転送手段のうちの他方の転送手段とが、前記第２の転送制御信号により制御されることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の転送手段による電荷転送と前記第２の転送手段による電荷転送とが、それぞれ異なる時間帯に行われるよう駆動可能であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の固体撮像素子。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の固体撮像素子と、
   測距対象へ向けて投光を行う投光手段とを有し、
   第１の時間帯に生じた第１の電荷信号を前記第１の電荷保持手段に保持し、
   前記投光手段から投光された光の前記測距対象による反射光によって生じた電荷信号のうち、前記第１の時間帯に続く第２の時間帯に生じた第２の電荷信号を前記第２の電荷保持手段に保持し、
   前記第１の電荷信号と前記第２の電荷信号とを用いて、前記測距対象までの距離を求めることを特徴とする撮像装置。
7. 前記撮像装置と前記測距対象との間の距離を導出する距離画像取得動作時には、前記第１の電荷保持手段と前記第２の電荷保持手段との双方から読み出した信号を用いて、前記撮像装置と前記測距対象との間の距離を導出し、
   前記撮像装置と前記測距対象との間の距離の導出を行わずに通常の画像信号を生成する通常撮像動作時には、前記第１の電荷保持手段と前記第２の電荷保持手段のうちの一方の電荷保持手段から読み出した信号を用いて、画像信号を生成することを特徴とする請求項６記載の撮像装置。

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