JP7428133B2 - 測距装置、カメラ、及び測距装置の駆動調整方法 - Google Patents
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Description
本発明の第1の実施形態に係る測距装置は、図1に示すように、画素アレイ部(X11~X1m;X21~X2m;……;Xn1~Xnm)と周辺回路部(71,72,74~77,94~96,NC1~NCm)とを同一の半導体チップ上に集積化した2次元イメージセンサ(3D撮像装置)を基礎とする。画素アレイ部(X11~X1m;X21~X2m;……;Xn1~Xnm)には、2次元マトリクス状に多数の画素Xij(i=1~m,j=1~n;m,nはそれぞれ2以上の正の整数である。)が配列されており、方形状の撮像領域を構成している。
Q2real(a) = Q2-Q1 ……(1)
で与えられる。
Q3real(a) = Q3-Q1alpha-ef. ……(2)
で与えられる。ここで電荷蓄積領域23aに転送され蓄積される実効信号電荷Q1alpha-ef.は、αを第1駆動信号G1との関係で第3駆動信号G3のパルスに割り当てられる第3電荷蓄積時間Ta3の伸張割合を示す係数として、
Q1alpha-ef. =α×Q1 ……(3)
で与えられる。
L=(cTo/2)(Q2/(Q1+Q2)) ……(4)
で与えられる。ここで、cは光速、Toは、パルス光の光投影時間(パルス幅)である。
L=(cTo/2)(Q3real(a)/(Q2real(a)+ Q3real(a)))…(5)
図8に本発明に至る前の段階で本発明者が検討した参考技術に係る測距装置の動作の概略を示すフローチャートを示す。図8に示す参考技術は、特許文献1等に記載された従来の3分岐型ロックインピクセルの問題点を改善する目的の技術である。参考技術も図2に示したハードウェア資源と同様な各種の論理回路を有する構成の制御演算回路74の処理に従う。図8に示すフローチャートの流れに対応する駆動タイミング図が、図9である。
第1の実施形態に係る測距装置においては、第3電荷蓄積時間Ta3を伸張させ、環境光の時間線形補正を行うため、環境光による第3電荷蓄積領域23c及び第3補助キャパシタC3のそれぞれの電荷蓄積量の和が、蓄積時間に比例して大きくなる。これにより、第3電荷蓄積領域23c及び第3補助キャパシタC3のそれぞれの電荷蓄積量の和で、画素が飽和する場合が多くなる。このことを改善するためには、第3電荷蓄積領域23c及び第3補助キャパシタC3のそれぞれの電荷蓄積量の和を、第1電荷蓄積領域23a及び第1補助キャパシタC1のそれぞれの電荷蓄積量の和、並びに第2電荷蓄積領域23b及び第2補助キャパシタC2のそれぞれの電荷蓄積量の和よりも大きくなるように設計すればよい。
第2の実施形態に係る測距装置の構成の一例は、第1及び第1の実施形態の変形例に係る測距装置と同様、図1~4で示される。図14は、第2の実施形態に係る測距装置における過渡応答の波形を模式的に示す図である。第1及び第1の実施形態の変形例に係る測距装置における図14に対応する図は図12(b)に示される。第1及び第1の実施形態の変形例において、投影光の波形の歪みは考慮されていない。しかしながら実際は、図14に示すように、投影光自体に遅れや、波形の歪みが生じる。受信光は、被写体までの距離の分だけ遅れて入射する。光電子は、第1及び第1の実施形態の変形例において述べた理由により、受信光波形よりも更に遅れ、波形の歪みが生じる。
Q2real(b)= Q2-Q1beta-ef. ……(6)
Q3real(b)= Q3-Q1beta-ef. ……(7)
Q1beta-ef.=β×Q1 ……(8)
L=(cTo/2)(Q3real(b)/(Q2real(b)+ Q3real(b))) …(9)
ここで、βは、第1電荷蓄積時間Ta1の伸張割合である。第2の実施形態に係る測距装置においては、図2に示した制御演算回路74の時間設定論理回路741を用いて第1電荷蓄積時間Ta1を伸張させることができるので、式(6)~(9)に示すように、第1電荷蓄積時間Ta1の伸張割合βによる環境光の時間線形補正を行えばよい。
第2の実施形態に係る測距装置においては、第1電荷蓄積時間Ta1を伸張させ、環境光の時間線形補正を行うため、環境光による第1電荷蓄積領域23a及び第1補助キャパシタC1のそれぞれの電荷蓄積量の和が、蓄積時間に比例して大きくなる。これにより、第1電荷蓄積領域23a及び第1補助キャパシタC1のそれぞれの電荷蓄積量の和で、画素が飽和する場合が多くなる。このことを改善するためには、第1電荷蓄積領域23a及び第1補助キャパシタC1のそれぞれの電荷蓄積量の和を、第2電荷蓄積領域23b及び第2補助キャパシタC2のそれぞれの電荷蓄積量の和、並びに第3電荷蓄積領域23c及び第3補助キャパシタC3のそれぞれの電荷蓄積量の和よりも大きくなるように設計すればよい。
第3の実施形態に係る測距装置の構成の一例は、第1及び第2の実施形態に係る測距装置と同様、図1~4で示される。図17は、第3の実施形態に係る測距装置における過渡応答の波形を模式的に示す図である。図18は、第3の実施形態に係る測距装置の制御演算回路74の動作の概略示すフローチャートである。図19は、図18のフローチャートに基づいたタイミング図である。図17に示す波形は、測距したい被写体が最短距離にある状態を示している。図18のフローチャートは、図15のフローチャートに第2電荷蓄積時間Ta2を伸張するフローが追加されている。追加した第2電荷蓄積時間Ta2を伸張するフローは、第1の実施形態に係る測距装置の第3電荷蓄積時間Ta3を伸張するフローと概ね同様である。即ち、第3の実施形態は第1の実施形態と第2の実施形態を組み合わせたものであり、遠景の線形性の改善と、測距範囲の拡大を同時に実現することができる。
Q2real(c)= Q2-Q1beta-ef. ……(10)
Q3real(c)= Q3-Q1gamma-ef. ……(11)
Q1beta-ef.=β×Q1 ……(12)
Q1gamma-ef.=γ×Q1 ……(13)
L=(cTo/2)(Q3real(c)/(Q2real(c)+ Q3real(c)))…(14)
ここで、βは第1電荷蓄積時間Ta1の伸張割合であり、γは第3電荷蓄積時間Ta3の伸張割合である。第3の実施形態に係る測距装置では、図2に示した制御演算回路74の時間設定論理回路741を用いて第1電荷蓄積時間Ta1及び第3電荷蓄積時間Ta3を伸張させることができるので、式(10)~(14)に示すように、第1電荷蓄積時間Ta1の伸張割合β及び第3電荷蓄積時間Ta3の伸張割合γで環境光の時間線形補正を行えばよい。
第3の実施形態においては、第1電荷蓄積時間Ta1及び第3電荷蓄積時間Ta3を伸張させ、環境光の時間線形補正を行うため、環境光による第1電荷蓄積領域23a及び第1補助キャパシタC1のそれぞれの電荷蓄積量の和及び第3電荷蓄積領域23c及び第3補助キャパシタC3のそれぞれの電荷蓄積量の和が、蓄積時間に比例して大きくなる。これにより、第1電荷蓄積領域23a及び第1補助キャパシタC1のそれぞれの電荷蓄積量の和及び第3電荷蓄積領域23c及び第3補助キャパシタC3のそれぞれの電荷蓄積量の和で、画素が飽和する場合が多くなる。このことを改善するためには、第1電荷蓄積領域23a及び第1補助キャパシタC1のそれぞれの電荷蓄積量の和及び第3電荷蓄積領域23c及び第3補助キャパシタC3のそれぞれの電荷蓄積量の和を、第2電荷蓄積領域23b及び第2補助キャパシタC2のそれぞれの電荷蓄積量の和よりも大きくなるように設計すればよい。
第4の実施形態に係る測距装置の画素の主要部の断面図を図21に示す。画素の主要部は、p型の半導体からなる機能基体層20、機能基体層20の上部の一部に設けられたn型の表面埋込領域22、及び表面埋込領域22の表面に接して設けられた、p+型のピニング層29を含む光電変換領域(29,22)と、光電変換領域(29,22)上に設けられたゲート絶縁膜33を含む。そして、光電変換領域(29,22)の中央部を受光領域としている。光電変換領域(29,22)を囲むように光電変換領域(29,22)の中心位置に関して対称となる2つの位置のそれぞれに互いに離間して設けられた、機能基体層20よりも高不純物密度でn+型の第1電荷蓄積領域23pが第1浮遊ドレイン領域FD1として、第2電荷蓄積領域23qが第2浮遊ドレイン領域FD2として配置されている。
第4の実施形態の変形例に係る測距装置の画素の主要部の断面図を図23に示す。図23に示す画素主要部は、図21に示す画素の主要部の光電変換領域(29,22)の受光領域に、第3電荷振分ゲート54s(G3)が接続された構造をなしている。第3電荷振分ゲート54sには第3電荷蓄積領域23sが接続され、図示していないが第3補助キャパシタC3と、ソースフォロア増幅トランジスタSF3とが表面配線等を介して接続されている。第1電荷蓄積領域23p、第2電荷蓄積領域23q及び第3電荷蓄積領域23sには、更に、第1リセットトランジスタR1、第2リセットトランジスタR2及び第3リセットトランジスタR3がそれぞれ接続されている。
第5の実施形態に係る測距装置の画素の主要部の平面図を図25に示す。透明電極をゲート電極としたMOS構造を用いた光電変換部を有するフォトゲート(PG)11を囲むようにフォトゲート11の中心位置に関して対称となる6つの位置のそれぞれに互いに離間して設けられた、第1電荷蓄積領域23pが第1浮遊ドレイン領域FD1として、第2電荷蓄積領域23qが第2浮遊ドレイン領域FD2として、第3電荷蓄積領域23rが第3浮遊ドレイン領域FD3として、第4電荷蓄積領域23sが浮遊ドレイン領域FD4として、第1電荷排出領域23uと第2電荷排出領域23vが電源VDDに接続されている。
第6の実施形態に係る測距装置の画素の主要部の平面図を図27に、参考技術に係る測距装置の画素の主要部の平面図を図26に示す。pn接合を用いた光電変換部を有するフォトダイオード11の中心位置に関して対称となる4つの位置のそれぞれに、互いに離間して設けられた、n+型の第1電荷蓄積領域23pが第1浮遊ドレイン領域FD1として、n+型の第2電荷蓄積領域23qが第2浮遊ドレイン領域FD2として、n+型の第3電荷蓄積領域23rが第3浮遊ドレイン領域FD3として、n+型の電荷排出領域23sがドレインとして配置されている。
上記のように、本発明は第1~第6の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、既に述べた第1~第6の実施形態の説明では、第1導電型をp型、第2導電型をn型として説明したが、第1導電型をn型、第2導電型をp型としても、電気的な極性を反対にすれば同様な効果が得られることは容易に理解できるであろう。
Claims (14)
- 対象物に光パルスを投影する発光部と、
前記対象物からの前記光パルスの反射光を受光する受光領域と、
Nを3以上の正の整数とし、前記受光領域で光電変換された信号電荷を、N個の電荷移動経路に沿って順に振り分け転送するN個の電荷振分ゲートと、
前記信号電荷以外の電荷を前記受光領域から排出する電荷排出ゲートと、
N個の電荷振分ゲートに沿って転送された前記信号電荷をそれぞれ蓄積するN個の電荷蓄積領域と、
前記発光部に制御信号を供給し、且つN個の電荷振分ゲート及び前記電荷排出ゲートのそれぞれに、オフセット時間を挟んだ異なるタイミングで、順次、駆動信号を供給し、特定の電荷振分ゲートに割り当てられる電荷蓄積時間を、他の電荷振分ゲートに割り当てられる電荷蓄積時間よりも伸張して駆動する駆動回路と、
N個の電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷をそれぞれ独立に読み出す読出増幅回路と、
前記読出増幅回路を経由した信号を入力し、前記対象物までの距離の算出を含む演算を実施する論理演算回路と、
を備えることを特徴とする測距装置。 - 前記論理演算回路が出力した値から、前記特定の電荷振分ゲートに割り当てられる前記電荷蓄積時間を、逐次伸張する信号を生成し、前記駆動回路に供給する制御演算回路を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の測距装置。
- 前記特定の電荷振分ゲートは、前記電荷排出ゲートに印加される駆動信号の繰り返し周期で定義される繰り返し周期時間の内の、最後に割り当てられる電荷蓄積時間に対応する電荷振分ゲートであることを特徴とする請求項2に記載の測距装置。
- 前記制御演算回路は、前記論理演算回路が直前に測定し算出した暗時相当の信号電荷と、一つ前のタイミングで測定され算出された暗時相当の信号電荷の差が予め決めたしきい値を下回るか否かを判定し、前記しきい値を下回らない場合は、前記特定の電荷振分ゲートに割り当てられる電荷蓄積時間を更に伸張し、前記しきい値を下回る場合は、前記伸張を終了することを特徴とする請求項3に記載の測距装置。
- 前記制御演算回路は、前記論理演算回路が直前に測定し算出された距離の検出値と、一つ前のタイミングで測定され算出された距離の検出値の差が、予め決めたしきい値を下回るか否かを判定し、前記しきい値を下回らない場合は、前記特定の電荷振分ゲートに割り当てられる電荷蓄積時間を更に伸張し、前記しきい値を下回る場合は、前記伸張を終了することを特徴とする請求項3に記載の測距装置。
- 前記N個の電荷蓄積領域のそれぞれには補助キャパシタが設けられていることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の測距装置。
- 前記特定の電荷振分ゲートからの信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域に接続された補助キャパシタの容量が、他の補助キャパシタの容量よりも大きいことを特徴とする請求項6に記載の測距装置。
- 撮像光学系と、
対象物に光パルスを投影する発光部と、
前記撮像光学系を介し前記対象物からの前記光パルスの反射光を受光する受光領域、Nを3以上の正の整数とし前記受光領域で光電変換された信号電荷をN個の電荷移動経路に沿って順に振り分け転送するN個の電荷振分ゲート、前記信号電荷以外の電荷を前記受光領域から排出する電荷排出ゲート、N個の電荷振分ゲートに沿って転送された前記信号電荷をそれぞれ蓄積するN個の電荷蓄積領域、前記発光部に制御信号を供給し且つN個の電荷振分ゲート及び前記電荷排出ゲートのそれぞれに順次、駆動信号を供給する駆動回路を集積化した固体撮像装置と、
前記N個の電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷をそれぞれ独立に読み出す読出増幅回路と、
前記撮像光学系を制御し、且つ前記読出増幅回路を経由した信号を入力し前記対象物までの距離の算出を含む演算を実施する論理演算回路と、
前記論理演算回路が出力した値から、N個の電荷振分ゲートの内の特定の電荷振分ゲートに割り当てられる電荷蓄積時間を、逐次伸張する信号を生成し、前記駆動回路に供給する制御演算回路と
を有することを特徴とするカメラ。 - 前記駆動回路が、前記N個の電荷振分ゲート及び前記電荷排出ゲートのそれぞれに、オフセット時間を挟んだ異なるタイミングで、前記駆動信号を供給することを特徴とする請求項8に記載のカメラ。
- 対象物に光パルスを投影する発光部、前記対象物からの前記光パルスの反射光を受光する受光領域、 Nを3以上の正の整数とし前記受光領域で光電変換された信号電荷をN個の電荷移動経路に沿って順に振り分け転送するN個の電荷振分ゲート、前記信号電荷以外の電荷を前記受光領域から排出する電荷排出ゲート、 N個の電荷振分ゲートに沿って転送された前記信号電荷をそれぞれ蓄積するN個の電荷蓄積領域、前記発光部に制御信号を供給し、且つN個の電荷振分ゲート及び前記電荷排出ゲートのそれぞれに順次、駆動信号を供給する駆動回路、N個の電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷をそれぞれ独立に読み出す読出増幅回路を備える測距装置の駆動調整方法であって、
前記読出増幅回路を経由した信号を入力し、前記対象物までの距離の算出を含む演算をするステップと、
前記演算の結果から、N個の電荷振分ゲートの内の特定の電荷振分ゲートに割り当てられる電荷蓄積時間を、逐次伸張する信号を生成し、前記駆動回路に供給するステップと、
を含む駆動調整方法。 - 前記N個の電荷振分ゲート及び前記電荷排出ゲートのそれぞれに、オフセット時間を挟んだ異なるタイミングで前記駆動信号が供給されることを特徴とする請求項10に記載の駆動調整方法。
- 前記特定の電荷振分ゲートは、前記電荷排出ゲートに印加される駆動信号の繰り返し周期で定義される繰り返し周期時間の内の、最後に割り当てられる電荷蓄積時間に対応する電荷振分ゲートであることを特徴とする請求項10又は11に記載の駆動調整方法。
- 前記伸張する信号の生成は、直前に測定し算出した暗時相当の信号電荷と、一つ前のタイミングで測定され算出された暗時相当の信号電荷の差が予め決めたしきい値を下回るか否かを判定し、前記しきい値を下回らない場合は、前記特定の電荷振分ゲートに割り当てられる電荷蓄積時間を更に伸張し、前記しきい値を下回る場合は、前記伸張を終了することを特徴とする請求項10又は11に記載の駆動調整方法。
- 前記伸張する信号の生成は、直前に測定し算出された距離の検出値と、一つ前のタイミングで測定され算出された距離の検出値の差が、予め決めたしきい値を下回るか否かを判定し、前記しきい値を下回らない場合は、前記特定の電荷振分ゲートに割り当てられる電荷蓄積時間を更に伸張し、前記しきい値を下回る場合は、前記伸張を終了することを特徴とする請求項10又は11に記載の駆動調整方法。
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