測距システム
【課題】光源の強度や環境光に依存しない信頼性の高い距離情報を取得することができる測距システムを提供する。
【解決手段】照射装置と固体撮像装置と演算部とを備える測距システムであって、前記固体撮像装置は、第１照射タイミングで照射された照射光の反射光を第１受光期間で受光し、第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた光電子数とを用いて前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、前記第３受光期間は前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が一定となる時間である。
【解決手段】照射装置と固体撮像装置と演算部とを備える測距システムであって、前記固体撮像装置は、第１照射タイミングで照射された照射光の反射光を第１受光期間で受光し、第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた光電子数とを用いて前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、前記第３受光期間は前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が一定となる時間である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測距センサとして機能する固体撮像装置を有する測距システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、イメージセンサの応用例として、測距対象への距離を非接触に測定する測距方法として、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いたものが知られている。ＴＯＦ法を用いる場合においては、光電変換素子が受光した光電子（負電荷）を振り分けた後、該振り分けた光電子を読み出す技術が知られている。下記非特許文献１及び２には、パルス光の照射と照射停止を同じ長さ（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の照射と照射停止に同期させて受光を行い、発生した光電子を２方向に振り分けることが記載されている。この２方向に振り分けられた光電子を用いて測距対象までの距離を計測する。また、下記特許文献１には、光電変換素子が受光した光電子を４方向に振り分けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３２４２５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】宮川良平、金出武雄「ＣＣＤ−Ｂａｓｅｄ Ｒａｎｇｅ−Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＶＯＬ． ４４， ＮＯ． １０、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【非特許文献２】宮川良平、金出武雄、ＩＴＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６５、ＰＰ３７−４１（Ｎｏｖ．１９９５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１及び２、上記特許文献１に記載の技術では、環境光及びパルス光の反射光を受光することにより得られた光電子から、測距対象までの距離を計測するので、測距精度は、光源の発光強度や環境光に依存してしまう。
【０００６】
そこで本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、光源の強度や環境光に依存しない信頼性の高い距離情報を取得することができる測距システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、測距システムであって、測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、を備え、前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、前記第３受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が一定となる時間であることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、測距システムであって、測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、を備え、前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、前記第３受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達しない時間であることを特徴とする。
【０００９】
前記演算部は、前記第１受光期間で得られた前記光電子数と、前記第２受光期間で得られた前記光電子数とから、前記反射光の強度を求め、前記第１受光期間又は前記第２受光期間で得られた前記光電子数と、前記第３受光期間で得られた前記光電子数と、該求めた前記反射光の強度とから、前記照射光を照射してから、前記反射光が前記固体撮像装置に到達するまでの時間を示す時間情報を求めることで、前記測距対象までの距離を算出する。
【００１０】
前記照射装置が照射する照明光は、パルス光であり、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達してから前記所定時間経過後のタイミングを含む期間である。
【００１１】
前記照射装置は、交互に前記第１照射タイミングと前記第２照射タイミングとで前記照射光を照射し、前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、所定の周期で到来し、前記第２照射タイミングは、前記第１照射タイミングと位相が半周期と一定時間ずれており、前記第２受光期間は、前記第１受光期間と位相が半周期ずれている。
【００１２】
前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とは、予め決められた測距検知範囲に基づいて決められている。
【００１３】
予め決められた前記測距検知範囲を複数有し、複数の前記測距検知範囲に対応して、前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とが複数決められている。
【００１４】
前記複数の測距検知範囲の前記第１照射タイミング、及び、前記第２照射タイミングは、互いに一定時間の２倍だけ位相がずれており、前記複数の測距検知範囲の前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、互いに位相がずれていない。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明によれば、測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、を備え、前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、前記第３受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が一定となる時間であるので、照射光の強度や環境光に依存しない信頼性の高い距離情報を得ることができる。
【００１６】
本願発明によれば、測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、を備え、前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、前記第３受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達しない時間であるので、照射光の強度や環境光に依存しない信頼性の高い距離情報を得ることができる。
【００１７】
前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とは、予め決められた測距検知範囲に基づいて決められており、複数の前記測距検知範囲に対応して、前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とが複数決められているので、測距検知範囲を拡大することができる。
【００１８】
前記複数の測距検知範囲の前記第１照射タイミング、及び、前記第２照射タイミングは、互いに一定時間の２倍だけ位相がずれており、前記複数の測距検知範囲の前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、互いに位相がずれていないので、照射タイミングを一定時間だけずらしていくだけで、測距検知範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。
【図２】固体撮像装置の構成を示す図である。
【図３】図２に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線矢視一部断面図である。
【図６】光電変換素子、第１転送部、光電子保持部、及び第２転送部による光電子の移動状態を示すポテンシャル図の一例であり、図６Ａは、光電変換素子によって光電子が発生しているときのポテンシャル図を示すものであり、図６Ｂ、Ｃは、光電変換素子が発生した光電子を光電子保持部に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図６Ｄは、光電子保持部１１４で光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図６Ｅは、光電子保持部が保持した光電子を浮遊拡散層に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【図７】光電変換素子、第１転送部、光電子保持部、及び第２転送部による光電子の移動状態を示すポテンシャル図の他の例である。
【図８】図３に示す受光装置の回路構成の一例を示す図である。
【図９】図８に示す受光装置を用いて図３に示す単位画素を構成したときの回路図である。
【図１０】図８の単位画素の回路構成と別の例を示す図である。
【図１１】本実施の形態の距離計測における照射光の照射タイミング、及び、固体撮像装置の受光タイミングを示す図である。
【図１２】単位画素の駆動動作を示すタイムチャートである。
【図１３】第１受光期間で得られる面積Ｓ１（反射光成分の光電子数）と第２受光期間で得られる面積Ｓ２（反射光成分の光電子数）の説明図である。
【図１４】発光部の構成を示す図である。
【図１５】ＦＥＴのドレイン−ソース間の電圧と、ドレイン電流との関係を示す図である。
【図１６】変形例１の距離計測における照射光の照射タイミング、及び、固体撮像装置の受光タイミングを示す図である。
【図１７】変形例２における照射装置が照射する照射光の第１照射タイミング及び第２照射タイミングの一例を示す図である。
【図１８】変形例２における照射装置が照射する照射光の第１照射タイミング及び第２照射タイミングの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る単位画素及び該単位画素を有する固体撮像装置並びに該単位画素を有する測距システムについて、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２１】
図１は、実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システム１０の概略構成を示す図である。図１に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。
【００２２】
電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図１においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。
【００２３】
照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部２４を有する。発光部２４は、コンデンサと発光素子を有し、コンデンサが保持した電荷が発光ダイオードに供給されることで光を発光する。なお、制御部１８、および演算装置１６は、固体撮像素子上に形成してもよい。
【００２４】
発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４は、パルス光Ｌｐを１００（ナノ秒）の出力時間（パルス幅）で出力する。
【００２５】
なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。
【００２６】
この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００２７】
撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有する。演算部１６は、固体撮像装置２８が受光期間で取り込んだ光電子数の情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離を算出する。
【００２８】
図２は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（受光装置１００駆動部）３４と、サンプルホールド回路３６と、水平選択回路３８と、出力バッファ４０と、Ａ／Ｄ変換器４２とを有する。
【００２９】
電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４４と、垂直選択回路４６を有し、ゲート駆動回路４４は、各種ゲート駆動信号を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の発生（蓄積）、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４６は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子に対応する電圧信号（画素信号）を出力させる。水平選択回路３８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路３６に一端保持された後、水平選択回路３８を介して出力される。そして、出力バッファ４０及びＡ／Ｄ変換器４２を介して演算部１６に出力される。
【００３０】
図３は、図２に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一例を示す平面図である。単位画素３０は、複数の受光装置１００を有する。本実施の形態では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。
【００３１】
受光装置１００は、光電変換素子１０４と、３つの光電子振分部１０６と、１つの光電子排出部１０８を有する。３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられ、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられている。また、光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４の下側、又は上側に設けられ、光電子振分部１０６が設けられていない側に設けられる。単位画素３０の上側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の上側に光電子振分部１０６が設けられ、下側に光電子排出部１０８が設けられる。単位画素３０の下側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の下側に光電子振分部１０６が設けられ、上側に光電子排出部１０８が設けられる。このような構成を有することで、互いに上下方向で隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有する。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有している。
【００３２】
図４及び図５は、図３に示す受光装置１００の断面図であり、詳しくは、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図であり、図５は、図３のＶ−Ｖ線矢視一部断面図である。
【００３３】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有する。受光装置１００は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６と、２つの光電子排出部１０８とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲート１１０と呼ぶ）１１０を有するフォトゲート１１０構造を有している。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）フォトダイオードである。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するためのゲート駆動信号Ｓａがゲート駆動回路４４から入力される。
【００３４】
光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８を有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４に発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第１転送ゲート）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４４から第１転送部１１２を駆動させるためのゲート駆動信号Ｓｂが入力される。光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転動部１１２を挟んで反対側に配置され、光電変換素子１０４が発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（保持ゲート）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４４から光電子保持部１１４を駆動させるためのゲート駆動信号Ｓｃが入力される。
【００３５】
第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して光電子保持部１１４の反対側に配置され、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第２転送ゲート）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４４から第２転送部１１６を駆動させるためのゲート駆動信号Ｓｄが入力される。浮遊拡散層１１８（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を取り込み、電圧に変換させるためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。
【００３６】
図４に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、ゲートには、ゲート駆動回路４４からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用トランジスタ１２６のゲートに供給されると、リセット用トランジスタがオンとなり、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。
【００３７】
また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に応じた電圧信号を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号を信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、ゲートには、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４に垂直選択回路４６からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタ１３４がオンになり、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に対応する電圧が信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースは、信号読出線１３２が接続されている。
【００３８】
光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。
【００３９】
拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転送部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００４０】
図６は、光電変換素子１０４、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、及び第２転送部１１６による光電子の移動状態を示すポテンシャル図である。
【００４１】
図６Ａは、光電変換素子１０４によって光電子が発生しているときのポテンシャル図を示すものであり、図６Ｂ、Ｃは、光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図６Ｄは、光電子保持部１１４で光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図６Ｅは、光電子保持部１１４が保持した光電子を浮遊拡散層１１８に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【００４２】
図６Ａに示すように、フォトゲート１１０にハイ（Ｈｉｇｈ）のゲート駆動信号Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４にポテンシャル位置は下がり、発生した光電子ｅ−が光電変換素子１０４に溜まっていく。そして、図６Ｂに示すように、第１転送ゲート１２０にハイのゲート駆動信号Ｓｂを入力することで、光電変換素子１０４が発生した光電子ｅ−は光電子保持部１１４に転送される。なお、このとき、保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号Ｓｃが入力されている。さらに、フォトゲート１１０にロー（Ｌｏｗ）のゲート駆動信号Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４のポテンシャル位置が上がって（図６Ｃ参照）、光電変換素子１０４に発生した光電子ｅ−は、光電子保持部１１４に転送され、その後、第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号Ｓｂを入力して、図６Ｄに示すように光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に保持させる。この図６Ａ〜図６Ｃの状態を繰り返すことで、複数回の受光期間に光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に保持させることができる。なお、受光期間とは、受光した光に応じて光電子を発生して蓄積する期間（蓄積期間）のことをいう。
【００４３】
その後、図６Ｅに示すように、第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号Ｓｄを入力することで、第２転送部１１６のポテンシャル位置が下がり、保持ゲート１２２にローのゲート駆動信号Ｓｃを入力することで、光電子保持部１１４のポテンシャル位置が上がるとともに、光電子保持部１１４が保持した光電子ｅ−が浮遊拡散層１１８に転送される。
【００４４】
なお、図７に示すように、受光中も第１転送ゲート１２０にハイのゲート駆動信号Ｓｂを入力することで、受光及び光電変換素子１０４で発生した光電子の転送を同時に行ってもよい。
【００４５】
図８は、受光装置１００の回路構成の一例を示す図である。受光装置１００の光電変換素子１０４が保持した光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃは、図３及び図４で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用トランジスタ１３０のゲートが接続される。
【００４６】
各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送された光電子が順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）に変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。
【００４７】
詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。
【００４８】
このように、受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、同一の信号読出線１３２から読み出されることになる。なお、図８では、光電子排出部１０８の図示を省略している。
【００４９】
図９は、図８に示す受光装置１００を用いて図３に示す単位画素３０を構成したときの回路図である。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、図３で示したように、１つの光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃと、２つの光電子排出部１０８とを有する。全受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各浮遊拡散層１１８は、リセット用トランジスタ１２６のソース、及び、信号読出用トランジスタ１３０のゲートに接続されている。
【００５０】
リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算（加算）した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５１】
次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５２】
最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。このように、単位画素３０の受光装置１００の光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、全て同一の信号読出線１３２から読み出される。
【００５３】
また、図９に示すように、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｃ、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂとは互いに浮遊拡散層１１８を共有しており、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂと、左下の受光装置１００の光電子振分１０６ｃとは互いに浮遊拡散層１１８を共有している。
【００５４】
なお、図１０に示すように受光装置１００は、２つの信号読出線１３２ａ、１３２ｂを有してもよい。この場合は、例えば、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ａから、光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ｂからそれぞれ読み出される。図１０に示す受光装置１００では、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃのソースが光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃのゲートには、リセット信号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が供給される。また、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの浮遊拡散層１１８には、信号読出用トランジスタ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃのゲートが接続されており、選択用トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃのゲートには、選択信号Ｓｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３が供給される。要は、信号読出線１３２が受光装置１００の複数の浮遊拡散層１１８に接続されていればよい。このように、図１０に示す受光装置１００を用いて、光電子保持部１１４が保持している光電子を独立した信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出してもよい。
【００５５】
以上のように、上記実施の形態においては、単位画素３０の受光装置１００は、光電変換素子１０４に発生した光電子を転送するための第１転送部１１２と、光電子を一時的に保持する光電子保持部１１４と、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するための第２転送部１１６と、転送された光電子を保持して該転送された光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層１１８とを含む光電子振分部１０６とを有するので、光電変換素子が発生した光電子を複数方向に振り分けて読み出すことができるとともに、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００５６】
つまり、光電子振分部１０６によって振り分けられた光電変換素子１０４に発生した光電子は、該光電子振分部１０６の光電子保持部１１４に保持されるので、光電子保持部１１４が保持した光電子を読み出したい場合は、該光電子振分部１０６の浮遊拡散層１１８の電位をリセットした後、黒レベルが読み出される。その後、該光電子保持部１１４が保持した光電子を該浮遊拡散層１１８に転送して光電子に応じた電圧信号を読み出せばよいので、浮遊拡散層１１８の電位のリセットタイミングと、読み出しタイミングとのズレを最小限に抑えることができる。したがって、正確な黒レベルを得ることができ、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００５７】
単位画素３０は、複数の受光装置１００を有するので、受光期間における光電子数を多く取得できる。また、単位画素３０の複数の前記受光装置１００は、少なくとも、複数の受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００５８】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの前記受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を３つ有し、３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００５９】
単位画素３０が１次元又は２次元に配列された画素アレイ３２を有する固体撮像装置２８は、複数の浮遊拡散層１１８の電位を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０と信号読出用トランジスタ１３０を介して信号を読み出す信号読出線１３２とを備え、単位画素３０の浮遊拡散層１１８の各々の電位は１つの信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能となり、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置２８を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６０】
次に、本実施の形態の測距方法について説明する。図１１は、本実施の形態の距離計測における照射光Ｌｅの照射タイミング、及び、固体撮像装置２８の受光タイミングを示す図である。照射装置１２は、交互に第１照射タイミングと第２照射タイミングで照射光Ｌｅを所定時間照射する。つまり、第１照射タイミングと第２照射タイミングとにおける照射時間は同一時間である。第２照射タイミングは、第１照射タイミングと位相が半周期と一定時間（Δｔ）ずれている。図１１において照射光Ｌｅは、発光強度が一定となる期間を有する。第１照射タイミング及び第２照射タイミングは所定の周期で到来する。
【００６１】
固体撮像装置２８の受光装置１００は、第１受光期間〜第３受光期間で、光電変換素子１０４に入射した反射光Ｌｒを受光する（光電変換素子１０４に入射した反射光Ｌｒに応じた光電子数を発生する）。第１受光期間及び第３受光期間の受光タイミングは、第１照射タイミングに対して予め決められた受光期間であり、第２受光期間の受光タイミングは、第２照射タイミングに対して予め決められた受光期間である。第１受光期間〜第３受光期間の長さは時間Ｔで同じであり、第１受光期間〜第３受光期間は、照射装置１２が照射光Ｌｅを照射する前記所定時間以下の時間である。第１受光期間〜第３受光期間は、前記所定の周期で到来する。第２受光期間は、第１受光期間と位相が半周期ずれており、第３受光期間は、固体撮像装置２８に到達する第１照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒの強度が一定となる時間である。第１照射タイミング及び第２照射タイミングと、第１受光期間〜第３受光期間とは、測距検知範囲に基づいて決められている。測距検知範囲とは、距離を計測することができる距離範囲（例えば、５ｍ先から２０ｍ先までの範囲）のことである。
【００６２】
光は、１ｎｓｅｃ（ナノセック）で、３０ｃｍ進むので、往復を考慮して片道で１５ｃｍとなる。したがって、受光期間が１００ｎｓｅｃの場合はは、１５（ｃｍ）×１００（ｎｓｅｃ）の測距検知範囲となるが、前記一定時間（Δｔ）の設定によって、Δｔ（ｎｓｅｃ）×１５（ｃｍ）だけ測距検知範囲は短くなる。このように、測距検知範囲にしたがって、受光期間とΔｔの設定値が決定され、制御部１８によって設定される。
【００６３】
第１受光期間及び第２受光期間は、固体撮像装置２８に到達する反射光Ｌｒの強度が減少してから反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への到達が終了するまでの時間（反射光Ｌｒの立ち下がり期間）を含む。なお、照射光Ｌｅが完全な矩形波のパルス光の場合は、固体撮像装置２８に到達する反射光Ｌｒの強度が減少するタイミングと、反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への到達が終了するタイミングとは同時になるので、第１受光期間及び第２受光期間は、反射光Ｌｒが固体撮像装置２８に到達してから所定時間経過後のタイミングを含む期間であり、反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への到達が終了するタイミングを含む期間である。
【００６４】
前記照射装置１２の照射時間（前記所定時間）は、例えば、第１受光期間と、第３受光期間と、第１受光期間と第３受光期間との間の未発光期間の和以上の期間に設定さている。このように設定することで、［第１受光期間−Δｔ］×光速／２、で導出される距離が測距検知範囲となる。さらに詳しくは、照射光Ｌｅの発光時間の終了タイミングと第１受光期間とを一定期間オーバーラップさせる設定にする場合は、オーバーラップさせた期間だけ、測距検知範囲は短くなる。
【００６５】
図１２は、単位画素３０の駆動動作を示すタイムチャートである。図１２に示すように、１枚の輝度画像を撮像する１フレーム期間は、露光期間と読出期間を有し、露光期間は、光電変換素子１０４に露光を行わせ、読出期間は、露光期間によって得られた光電子を信号読出線１３２から読み出すための期間である。
【００６６】
露光期間は、光電変換素子１０４のフォトゲート１１０にゲート駆動信号Ｓａを供給することで、光電変換素子１０４に入射光量に応じた光電子を発生させる期間である。露光期間に照射装置１２が発光信号を発光部２４に供給することで発光部２４を駆動させ、照射光Ｌｅを測距対象Ｗに照射するとともに、フォトゲート１１０にゲート駆動信号Ｓａを供給して、光電変換素子１０４に受光を行わせる。
【００６７】
照射装置１２は、第１照射タイミング及び第２照射タイミングで照射光Ｌｅを照射するように発光部２４を駆動させ、ゲート駆動回路４４は、第１受光期間〜第３受光期間で受光するようにゲート駆動信号Ｓａをフォトゲート１１０に供給する。１フレーム期間の露光期間中に、第１照射タイミング及び第２照射タイミングでの照射、及び、第１受光期間〜第３受光期間での受光が所定回数（例えば、１００回）繰り返し行われ、受光期間中に発生した光電子が光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃによって光電子保持部１１４に転送される。
【００６８】
例えば、第１受光期間で光電変換素子１０４に発生した光電子数Ｑａは、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送され、第２受光期間で光電変換素子１０４に発生した光電子数Ｑｂは、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送され、第３受光期間で光電変換素子１０４に発生した光電子数Ｑｃは、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に転送される。この光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの駆動は、上述したようにゲート駆動回路４４から送られてくるゲート駆動信号によって行われる。
【００６９】
そして、受光期間が終了し、読出期間に入ると、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子が、信号読出線１３２から順次読み出される。
【００７０】
なお、前記第１受光期間〜第３受光期間以外の期間に、前記光電変換素子１０４に入射した光により発生した光電子は、ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力され、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００７１】
演算部１６は、信号読出線１３２を介して読み出された各画素の光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑａに応じた電圧信号ＶＱａと、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑｂに応じた電圧信号ＶＱｂと、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑｃに応じた電圧信号ＶＱｃとを用いて、測距対象Ｗまでの距離を算出する。
【００７２】
詳しくは、演算部１６は、第１受光期間で得られた光電子数Ｑａに応じた電圧信号ＶＱａと、第２受光期間で得られた光電子数Ｑｂに応じた電圧信号ＶＱｂとから、反射光Ｌｒの強度Ｉを求め、第１受光期間で得られた光電子数Ｑａに応じた電圧信号ＶＱａ又は第２受光期間で得られた光電子数Ｑｂに応じた電圧信号ＶＱｂと、第３受光期間で得られた光電子数Ｑｃに応じた電圧信号ＶＱｃと、該求めた反射光Ｌｒの強度とから、照射光Ｌｅを照射してから、反射光Ｌｒが固体撮像装置２８（単位画素３０、受光装置１００）に到達するまでの時間を示す時間情報ΔＴを求めることで、測距対象Ｗまでの距離を算出する。なお、反射光Ｌｒの立ち下がり期間を受光する受光期間においては、受光開始タイミングが反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への入射タイミングに対してより遅いほうが得られる光電子数が少なくなるので、電圧信号ＶＱａは、電圧信号ＶＱｂにより低い値となる。つまり、第２受光期間は、第１受光期間に比べ、受光開始タイミングが入射タイミングに対して前記一定時間（Δｔ）だけ早いからである。
【００７３】
反射光Ｌｒの強度Ｉは、数式１に示す関係式から求めることができる。
Ｉ≡（ＶＱｂ−ＶＱａ）／Δｔ ・・・数式１
【００７４】
第２受光期間は、第１受光期間に比べ、一定時間（Δｔ）だけ反射光Ｌｒを多く受光するので、第２受光期間により得られる光電子数Ｑｂは、第１受光期間により得られる光電子数ＱａよりΔｔ×Ｉ分だけ光電子数が多くなる。したがって、光電子数Ｑｂ＝光電子数Ｑａ＋ΔＩ×Ｉとなり、この式から上記した数式１を導くことができる。なお、光電子数Ｑｂ、Ｑａは、電圧信号ＶＱｂ、ＶＱａに等価することができる。
【００７５】
光電変換素子１０４が発生する光電子数のうち、反射光Ｌｒによって生じる光電子数は、入射する反射光Ｌｒの強度と、反射光Ｌｒの入射時間の積に比例するので、反射光Ｌｒによって発生する光電子数は、入射する反射光Ｌｒの強度と入射時間とを積算した面積で表すことができる。したがって、第１受光期間で得られた反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒａは、図１１に示す面積Ｓ１で表すことができ、第２受光期間で得られた反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｂは、図１１に示す面積Ｓ２で表すことができる。
【００７６】
図１３は、第１受光期間で得られる面積Ｓ１（光電子数Ｑｒａ）と第２受光期間で得られる面積Ｓ２（光電子数Ｑｒｂ）の説明図である。面積Ｓ１は、面積（光電子数）Ａと面積（光電子数）Ｃとからなり、面積Ａは、反射光Ｌｒの強度Ｉと時間情報ΔＴとを乗算したものである。したがって、面積Ｓ１は、Ｓ１＝Ｉ×ΔＴ＋Ｃ、の関係式で表すことができる。面積Ｃは、照射光Ｌｅを照射する照射装置１２の特性（照射光Ｌｅの強度Ｉを含む）と光電変換素子１０４の特性に依存する。なお、時間情報ΔＴは、照射光Ｌｅを照射してから反射光Ｌｒが固体撮像装置２８（単位画素３０、受光装置１００）に到達するまでの時間を示す情報である。なお、照射光Ｌｅが完全な矩形波のパルス光の場合は、面積Ｃは０となる。
【００７７】
面積Ｓ２は、面積（光電子数）Ｂと面積（光電子数）Ｃとからなり、面積Ｂは、反射光Ｌｒの強度Ｉと時間情報ΔＴとを乗算したものと、反射光Ｌｒの強度ＩとΔｔとを乗算したものとを加算したものである。つまり、面積Ｂは、Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔとで表すことができる。面積Ｓ２は、面積Ｓ１に比べ、Δｔだけ多く反射光Ｌｒを受光しているので、Δｔ×Ｉ分の光電子数だけ多く得られる。したがって、面積Ｓ２は、Ｓ２＝Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔ＋Ｃで表すことができる。なお、第３受光期間で得られた反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｃは、Ｑｃ＝Ｉ×Ｔ、で表すことができる。
【００７８】
光電子数Ｑｒｃと光電子数Ｑｒａとから、数式２に示す関係式が成り立つ。
（Ｑｒｃ−Ｑｒａ）／Ｉ＝［（Ｉ×Ｔ）−（Ｉ×ΔＴ＋Ｃ）］／Ｉ＝Ｔ−（ΔＴ＋Ｃ／Ｉ） ・・・数式２
【００７９】
光電子数Ｑｒｃと光電子数Ｑｒｂとから、数式３に示す関係式が成り立つ。
（Ｑｒｃ−Ｑｒｂ）／Ｉ＝［（Ｉ×Ｔ）−（Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔ＋Ｃ）］／Ｉ＝Ｔ−（ΔＴ＋Δｔ＋Ｃ／Ｉ） ・・・数式３
【００８０】
面積Ｃは、反射光Ｌｒの強度に比例するので、Ｃ／Ｉは、強度に依存しない定数とみなすことができ、測定することで予めＣ／Ｉを知ることができる。
【００８１】
（Ｑｒｃ−Ｑｒａ）は、（Ｑｃ−Ｑａ）に置き換えることができ、Ｑｃ、Ｑａは、ＶＱｃ、ＶＱａに等価することができるので、ΔＴは、数式２を用いて、
ΔＴ＝Ｔ−（ＶＱｃ−ＶＱａ）／Ｉ−Ｃ／Ｉ ・・・数式４
で表すことができる。（Ｑｒｃ−Ｑｒａ）を（Ｑｃ−Ｑａ）に置き換えることができる理由としては、第３受光期間で得られた光電子数Ｑｃは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｃと、環境光Ｌｓ成分の光電子数との合算であり、第１受光期間で得られた光電子数Ｑａは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒａと、環境光Ｌｓ成分の光電子数との合算であり、第１受光期間と第３受光期間の長さは共に時間Ｔであることから、光電子数Ｑｃから光電子数Ｑａを減算すると、環境光Ｌｓ成分は除去され、結果的に、（Ｑｃ−Ｑａ）＝（Ｑｒｃ−Ｑｒａ）となるからである。
【００８２】
（Ｑｒｃ−Ｑｒｂ）は、（Ｑｃ−Ｑｂ）に置き換えることができ、Ｑｃ、Ｑｂは、ＶＱｃ、ＶＱｂに等価することができるので、ΔＴは、数式３を用いて、
ΔＴ＝Ｔ−Δｔ−（ＶＱｃ−ＶＱｂ）／Ｉ−Ｃ／Ｉ ・・・数式５
で表すことできる。（Ｑｒｃ−Ｑｒｂ）を（Ｑｃ−Ｑｂ）に置き換えることができる理由としては、第３受光期間で得られた光電子数Ｑｃは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｃと、環境光Ｌｓ成分の光電子数との合算であり、第２受光期間で得られた光電子数Ｑｂは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｂと、環境光Ｌｓ成分の光電子数との合算であり、第２受光期間と第３受光期間の長さは共に時間Ｔであることから、光電子数Ｑｃから光電子数Ｑｂを減算すると、環境光Ｌｓ成分は除去され、結果的に、（Ｑｃ−Ｑｂ）＝（Ｑｒｃ−Ｑｒｂ）となるからである。
【００８３】
したがって、演算部１６は、数式４を用いて、第３受光期間の時間Ｔと、予め記憶された定数Ｃ／Ｉと、電圧信号ＶＱｃ、ＶＱａとから時間情報ΔＴを算出することができる。また、演算部１６は、数式５を用いて、第３受光期間の時間Ｔと、予め記憶された定数Ｃ／Ｉと、Δｔと、電圧信号ＶＱｃ、ＶＱｂとから時間情報ΔＴを算出することができる。演算部１６は、数式４と数式５のどちらか一方を用いて時間情報ΔＴを算出しても良いが、数式４及び数式５を用いて時間情報ΔＴを算出し、該算出した２つの時間情報ΔＴの平均を取ることによってより正確な時間情報ΔＴを求めることができる。なお、数式４及び数式５の発光強度Ｉは、数式１を用いて導くことができる。
【００８４】
なお、第３受光期間は、第１照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒの強度が一定となる時間としたが、第２照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒの強度が一定となる時間であってもよい。この場合は、第３受光期間は、第２照射タイミングに対して予め決められた受光期間であってもよい。
【００８５】
ここで、固体撮像装置２８から測距対象Ｗまでの距離が遠いほど、反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への入射タイミングが遅くなり、その分時間情報ΔＴは長くなり、逆に固体撮像装置２８から測距対象Ｗまでの距離が近いほど、反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への入射タイミングが早くなり、その分時間情報ΔＴは短くなる。したがって、演算部１６は、時間情報ΔＴを求めることによって、測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。なお、演算部１６は、初期値として固体撮像装置２８から一定距離離れた基準測距対象に対して照射光Ｌｅを照射し、その反射光Ｌｒを受光することで算出した時間情報ΔＴを基準時間情報ΔＴｓとして記憶しておき、測距対象Ｗからの反射光Ｌｒを受光して求めた時間情報ΔＴと、基準時間情報ΔＴｓと、前記一定距離とから測距対象Ｗまでの距離を求めてもよい。詳しくは、求めた時間情報ΔＴと基準時間情報ΔＴｓとの差から基準測距対象から測距対象Ｗまでの距離を求め、該求めた距離と前記一定距離とから固体撮像装置２８から測距対象Ｗまでの距離を求めてもよい。
【００８６】
このように、入射した反射光Ｌｒに応じた光電子に応じた電圧信号のみを用いて、測距対象Ｗの距離を求めることができるので、照射光Ｌｅの強度や環境光Ｌｓに依存しない信頼性の高い距離情報を得ることができる。
【００８７】
なお、測距精度を確保するために、照射装置１２は、発光強度が一定となる期間を有する照射光Ｌｅを照射する必要があるが（図１１参照）、発光部２４のコンデンサの電圧は、放電とともにその電位が低下するので、発光素子の発光強度も低下してしまう。したがって、本実施の形態では、図１４に示すように、発光部２４に、コンデンサ１６０と発光素子１６２の他にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１６４をさらに備えさせることで、発光強度が一定となる期間を有する照射光Ｌｅを照射させるというものである。発光素子１６２は、コンデンサ１６０とＦＥＴ１６４の間に介装され、ＦＥＴ１６４のソースは発光素子１６２に、ドレインはコンデンサ１６０に接続されている。
【００８８】
図１５は、ＦＥＴ１６４のドレイン−ソース間の電圧と、ドレイン電流との関係を示す図であり、ＦＥＴ１６４の特性を示す。図１５に示すように、ドレイン−ソース間の電圧がある一定値以上になると、ドレイン−ソース間の電圧にかかわらず、ドレイン電流は略一定の値となる。したがって、図１４に示すコンデンサ１６０の放電によってコンデンサ１６０の電圧が低下した場合であっても、発光素子１６２に流れる電流（ドレイン電流）が一定となるようにドレイン−ソース間の電圧が低下するので、発光素子１６２にかかる電圧は略一定となり、発光素子１６２の発光強度を一定に保つことができる。照射装置１２は、ＦＥＴ１６４のゲートにハイの発光信号を印加させることで、発光部２４に光を発光させる。
【００８９】
実施の形態は、以下のように変形してもよい。
【００９０】
（変形例１）上記実施の形態では、第３受光期間は、第１照射タイミング又は第２照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒの強度が一定となる時間としたが、変形例１では、第３受光期間は、第１照射タイミング及び第２照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒが固体撮像装置２８に到達しない時間、つまり、反射光Ｌｒが固体撮像装置２８に入射しない時間である。
【００９１】
図１６は、変形例１の距離計測における照射光Ｌｅの照射タイミング、及び、固体撮像装置２８の受光タイミングを示す図である。図１６に示すように、第３受光期間は、反射光Ｌｒが固体撮像装置２８に入射しない時間であることが分かる。これにより、第３受光期間で得られる光電子Ｑｃは、環境光Ｌｓに応じた光電子となる。ここで、照射装置１２の第１照射タイミング及び第２照射タイミングにおける照射時間（前記所定時間）は、受光期間第（第１受光期間又は第２受光期間）以上に設定されている。このように設定することで、［第１受光期間−Δｔ］×光速／２、で導出される距離が測距検知範囲となる。
【００９２】
光電子数Ｑａは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒａと環境光Ｌｓ成分の光電子数とからなる。光電子数Ｑｒａは、上述したように、光電子数Ｑｒａ＝Ｉ×ΔＴ＋Ｃで表すことができ、光電子数Ｑａの環境光Ｌｓ成分の光電子数は、光電子数Ｑｃで表すことができる。光電子数Ｑｂは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｂと環境光Ｌｓ成分の光電子数とからなる。光電子数Ｑｒｂは、上述したように、光電子数Ｑｒｂ＝Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔ＋Ｃで表すことができる。光電子数Ｑｂの環境光Ｌｓ成分の光電子数は、光電子数Ｑｃで表すことができる。ここで、第１受光期間〜第３受光期間の長さは時間Ｔで同一であることから、第１受光期間で得られた光電子数Ｑａの環境光Ｌｓ成分の光電子数と、第２受光期間で得られた光電子数Ｑｂの環境光Ｌｓ成分の光電子数とは、第３受光期間で得られた光電子数Ｑｃと同じになる。
【００９３】
したがって、光電子数Ｑａと光電子数Ｑｃとから、数式６に示す関係式が成り立ち、光電子数Ｑｂと光電子数Ｑｃとから、数式７に示す関係式が成り立つ。
（Ｑａ−Ｑｃ）／Ｉ＝［（Ｉ×ΔＴ＋Ｃ）＋Ｑｃ−Ｑｃ］／Ｉ＝ΔＴ＋Ｃ／Ｉ ・・・数式６
（Ｑｂ−Ｑｃ）／Ｉ＝［（Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔ＋Ｃ）＋Ｑｃ−Ｑｃ］／Ｉ＝ΔＴ＋Δｔ＋Ｃ／Ｉ ・・・数式７
Ｑａ、Ｑｃは、ＶＱａ、ＶＱｃに等価することができるので、ΔＴは、数式６を用いて、
ΔＴ＝（ＶＱａ−ＶＱｃ）Ｉ−Ｃ／Ｉ ・・・数式８
で表すことができる。また、Ｑｂ、Ｑｃは、ＶＱｂ、ＶＱｃに等価することができるので、ΔＴは、数式７を用いて、
ΔＴ＝（ＶＱｂ−ＶＱｃ）／Ｉ−Δｔ−Ｃ／Ｉ ・・・数式９
で表すことができる。
【００９４】
したがって、演算部１６は、数式８を用いて、電圧信号ＶＱａ、ＶＱｃと、予め記憶された定数Ｃ／Ｉとから時間情報ΔＴを算出することができる。また、演算部１６は、数式９を用いて、電圧信号ＶＱｂ、ＶＱｃと、Δｔと、予め記憶された定数Ｃ／Ｉとから時間情報ΔＴを算出することができる。演算部１６は、数式８及び数式９を用いて時間情報ΔＴを算出し、該算出した２つの時間情報ΔＴの平均を取ることによってより正確な時間情報ΔＴを求めることができる。なお、数式８及び数式９の発光強度Ｉは、数式１を用いて導くことができる。演算部１６は、求めた時間情報ΔＴから測距対象Ｗまでの距離を求める。
【００９５】
このように、入射した反射光Ｌｒに応じた光電子に応じた電圧信号のみを用いて、測距対象Ｗの距離を求めることができるので、照射光Ｌｅの強度や環境光Ｌｓに依存しない信頼性の高い距離情報を得ることができる。
【００９６】
（変形例２）上記実施の形態及び変形例１では、測距検知範囲を１つとし、該測距検知範囲に基づいて、第１照射タイミング及び第２照射タイミングと、第１受光期間〜第３受光期間とを決めるようにしたが、変形例２では、測距検知範囲を複数用意し、複数の第１照射タイミング及び第２照射タイミングと、第１受光期間〜第３受光期間とが複数の測距検知範囲に対応して決められている。例えば、測距検知範囲が１〜３まであり、第１照射タイミング及び第２照射タイミングと、第１受光期間〜第３受光期間とが測距検知範囲１〜３に対応してそれぞれ複数設けられている。これにより、距離を計測できる範囲を拡大することができる。
【００９７】
ここで、複数の測距検知範囲１〜３の第１受光期間及び第２受光期間は、互いに位相がずれないようにし、複数の測距検知範囲１〜３の第１照射タイミング及び第２照射タイミングは、一定時間（Δｔ）の２倍分だけ位相がずれていくようにしてもよい。つまり、各測距検知範囲の第１受光期間は互いに同位相、各測距検知範囲の第２受光期間は互いに同位相であり、各測距検知範囲の第１照射タイミングは、一定時間（Δｔ）の２倍分だけ位相が遅れていき、各測距検知範囲の第２照射タイミングは、一定時間の２倍分だけ位相が遅れていく。
【００９８】
図１７は、変形例２における照射装置１２が照射する照射光Ｌｅの第１照射タイミング及び第２照射タイミングの一例を示す図である。図１７に示すように、測距検知範囲２の第１照射タイミングは、測距検知範囲１の第２照射タイミングより位相が２×Δｔ遅れており、測距検知範囲３の第１照射タイミングは、測距検知範囲２の第１照射タイミングより位相が２×Δｔ遅れている。また、測距検知範囲２の第２照射タイミングは、測距検知範囲１の第２照射タイミングより位相が２×Δｔ遅れており、測距検知範囲３の第２照射タイミングは、測距検知範囲２の第２照射タイミングより位相が２×Δｔ送られている。
【００９９】
なお、各測距検知範囲１〜３の第２照射タイミングは、各測距検知範囲１〜３の第１照射タイミングをΔｔだけ位相を遅らせたタイミングである。したがって、照射装置１２は、照射光Ｌｅを照射する度に、照射タイミングをΔｔだけずらしていけば、各測距検知範囲の第１照射タイミング及び第２照射タイミングで照射光Ｌｅを照射していることになり、測距検知範囲が複数ある場合であっても、照射タイミングの制御が簡単になる。
【０１００】
また、各測距検知範囲の照射タイミングが他の測距検知範囲の照射タイミングと重複していてもよい。例えば、ある測距検知範囲の第１照射タイミングが、直前に照射した他の測距検知範囲の第２照射タイミングと重複していてもよく、該ある測距検知範囲の第２照射タイミングが、直後に照射する他の測距検知範囲の第１照射タイミングと重複していてもよい。
【０１０１】
図１８は、変形例２における照射装置１２が照射する照射光Ｌｅの第１照射タイミング及び第２照射タイミングの他の例を示す図である。図１８に示すように、各照射タイミング（１回目〜６回目の照射タイミング）は、一定時間（Δｔ）ずつ位相がずれており、ある照射タイミングとその直前の照射タイミング又はその直後の照射タイミングとで、測距検知範囲が決められている。例えば、１回目の照射タイミングと２回目の照射タイミングとで測距検知範囲１が定められ、２回目の照射タイミングと３回目の照射タイミングとで測距検知範囲２が定められ、３回目の照射タイミングと４回目の照射タイミングとで測距検知範囲３が定められ、４回目の照射タイミングと５回目の照射タイミングとで測距検知範囲４が定められ、５回目の照射タイミングと６回目の照射タイミングとで測距検知範囲５が定められる。
【０１０２】
２回目の照射タイミングは、測距検知範囲１からみれば第２照射タイミングとなるが、測距検知範囲２から見れば第１照射タイミングとなる。同様に、３回目の照射タイミングは、測距検知範囲２から見れば第２照射タイミングとなるが、測距検知範囲３から見れば第１照射タイミングとなる。４回目以降の照射タイミングも同様に、一方の測距検知範囲から見れば第２照射タイミングとなり、他方の測距検知範囲から見れば第１照射タイミングとなる。
【０１０３】
このように、各測距検知範囲の照射タイミングを重複させることで、照射タイミングの数を増やさなくても、距離を計測できる範囲を拡大することができ、測距精度を向上させることができる。
【０１０４】
なお、図１７及び図１８に示すタイミングは、図１２に示す単位画素３０の１フレーム期間内の露光期間における１周期の照射タイミングを記載したものであり、複数回受光と光電子の保持が繰り返された後に信号を読み出し、その後、位相が２×Δｔ遅れたタイミングで、次のフレームを取得する。
【０１０５】
（変形例３）上記実施の形態及び上記変形例１〜２では、単位画素３０は４つの受光装置１００を有するようにしたが、単位画素３０は、２つ、３つ、５つ等の複数の受光装置１００を有してもよく、受光装置１００を１つのみ有してもよい。また、受光装置１００は、３つの光電子振分部１０６を有するようにしたが、光電子振分部１０６を１つのみ有するようにしてもよい。単位画素３０が１つの受光装置１００のみを有し、該受光装置１００が１つの光電子振分部１０６のみを有する場合は、それぞれ異なるフレームで取得してもよく、さらには、第１受光期間〜第３受光期間で、それぞれ受光する単位画素３０を異ならせてもよい。例えば、第１受光期間で受光する単位画素３０を第１画素と、第２受光期間で受光する単位画素３０を第２画素と、第３受光期間で受光する単位画素３０を第３画素とし、第１画素〜第３画素で得られた光電子数を用いて測距対象Ｗまでの距離を算出する。
【０１０６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【０１０７】
１０…測距システム １２…照射装置
１４…撮像部 １６…演算部
１８…制御部 ２０…電源
２２…第２電源 ２８…固体撮像装置
３０…単位画素 ３２…画素アレイ
３４…画素駆動回路 ４４…ゲート駆動回路
１００…受光装置 １０２…ｐ型半導体基板
１０４…光電変換素子 １０６…光電子振分部
１０８…光電子排出部 １１０…フォトゲート
１１２…第１転送部 １１４…光電子保持部
１１６…第２転送部 １１８…浮遊拡散層
１２０…第１転送ゲート １２２…保持ゲート
１２４…第２転送ゲート １２６…リセット用トランジスタ
１３０…信号読出用トランジスタ １３２…信号読出線
１３４…選択用トランジスタ １４０…第３転送部
１４２…拡散層 １４４…第３転送ゲート
１６０…コンデンサ １６２…発光素子
１６４…ＦＥＴ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測距センサとして機能する固体撮像装置を有する測距システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、イメージセンサの応用例として、測距対象への距離を非接触に測定する測距方法として、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いたものが知られている。ＴＯＦ法を用いる場合においては、光電変換素子が受光した光電子（負電荷）を振り分けた後、該振り分けた光電子を読み出す技術が知られている。下記非特許文献１及び２には、パルス光の照射と照射停止を同じ長さ（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の照射と照射停止に同期させて受光を行い、発生した光電子を２方向に振り分けることが記載されている。この２方向に振り分けられた光電子を用いて測距対象までの距離を計測する。また、下記特許文献１には、光電変換素子が受光した光電子を４方向に振り分けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３２４２５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】宮川良平、金出武雄「ＣＣＤ−Ｂａｓｅｄ Ｒａｎｇｅ−Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＶＯＬ． ４４， ＮＯ． １０、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【非特許文献２】宮川良平、金出武雄、ＩＴＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６５、ＰＰ３７−４１（Ｎｏｖ．１９９５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１及び２、上記特許文献１に記載の技術では、環境光及びパルス光の反射光を受光することにより得られた光電子から、測距対象までの距離を計測するので、測距精度は、光源の発光強度や環境光に依存してしまう。
【０００６】
そこで本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、光源の強度や環境光に依存しない信頼性の高い距離情報を取得することができる測距システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、測距システムであって、測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、を備え、前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、前記第３受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が一定となる時間であることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、測距システムであって、測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、を備え、前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、前記第３受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達しない時間であることを特徴とする。
【０００９】
前記演算部は、前記第１受光期間で得られた前記光電子数と、前記第２受光期間で得られた前記光電子数とから、前記反射光の強度を求め、前記第１受光期間又は前記第２受光期間で得られた前記光電子数と、前記第３受光期間で得られた前記光電子数と、該求めた前記反射光の強度とから、前記照射光を照射してから、前記反射光が前記固体撮像装置に到達するまでの時間を示す時間情報を求めることで、前記測距対象までの距離を算出する。
【００１０】
前記照射装置が照射する照明光は、パルス光であり、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達してから前記所定時間経過後のタイミングを含む期間である。
【００１１】
前記照射装置は、交互に前記第１照射タイミングと前記第２照射タイミングとで前記照射光を照射し、前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、所定の周期で到来し、前記第２照射タイミングは、前記第１照射タイミングと位相が半周期と一定時間ずれており、前記第２受光期間は、前記第１受光期間と位相が半周期ずれている。
【００１２】
前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とは、予め決められた測距検知範囲に基づいて決められている。
【００１３】
予め決められた前記測距検知範囲を複数有し、複数の前記測距検知範囲に対応して、前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とが複数決められている。
【００１４】
前記複数の測距検知範囲の前記第１照射タイミング、及び、前記第２照射タイミングは、互いに一定時間の２倍だけ位相がずれており、前記複数の測距検知範囲の前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、互いに位相がずれていない。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明によれば、測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、を備え、前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、前記第３受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が一定となる時間であるので、照射光の強度や環境光に依存しない信頼性の高い距離情報を得ることができる。
【００１６】
本願発明によれば、測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、を備え、前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、前記第３受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達しない時間であるので、照射光の強度や環境光に依存しない信頼性の高い距離情報を得ることができる。
【００１７】
前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とは、予め決められた測距検知範囲に基づいて決められており、複数の前記測距検知範囲に対応して、前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とが複数決められているので、測距検知範囲を拡大することができる。
【００１８】
前記複数の測距検知範囲の前記第１照射タイミング、及び、前記第２照射タイミングは、互いに一定時間の２倍だけ位相がずれており、前記複数の測距検知範囲の前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、互いに位相がずれていないので、照射タイミングを一定時間だけずらしていくだけで、測距検知範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。
【図２】固体撮像装置の構成を示す図である。
【図３】図２に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線矢視一部断面図である。
【図６】光電変換素子、第１転送部、光電子保持部、及び第２転送部による光電子の移動状態を示すポテンシャル図の一例であり、図６Ａは、光電変換素子によって光電子が発生しているときのポテンシャル図を示すものであり、図６Ｂ、Ｃは、光電変換素子が発生した光電子を光電子保持部に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図６Ｄは、光電子保持部１１４で光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図６Ｅは、光電子保持部が保持した光電子を浮遊拡散層に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【図７】光電変換素子、第１転送部、光電子保持部、及び第２転送部による光電子の移動状態を示すポテンシャル図の他の例である。
【図８】図３に示す受光装置の回路構成の一例を示す図である。
【図９】図８に示す受光装置を用いて図３に示す単位画素を構成したときの回路図である。
【図１０】図８の単位画素の回路構成と別の例を示す図である。
【図１１】本実施の形態の距離計測における照射光の照射タイミング、及び、固体撮像装置の受光タイミングを示す図である。
【図１２】単位画素の駆動動作を示すタイムチャートである。
【図１３】第１受光期間で得られる面積Ｓ１（反射光成分の光電子数）と第２受光期間で得られる面積Ｓ２（反射光成分の光電子数）の説明図である。
【図１４】発光部の構成を示す図である。
【図１５】ＦＥＴのドレイン−ソース間の電圧と、ドレイン電流との関係を示す図である。
【図１６】変形例１の距離計測における照射光の照射タイミング、及び、固体撮像装置の受光タイミングを示す図である。
【図１７】変形例２における照射装置が照射する照射光の第１照射タイミング及び第２照射タイミングの一例を示す図である。
【図１８】変形例２における照射装置が照射する照射光の第１照射タイミング及び第２照射タイミングの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る単位画素及び該単位画素を有する固体撮像装置並びに該単位画素を有する測距システムについて、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２１】
図１は、実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システム１０の概略構成を示す図である。図１に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。
【００２２】
電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図１においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。
【００２３】
照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部２４を有する。発光部２４は、コンデンサと発光素子を有し、コンデンサが保持した電荷が発光ダイオードに供給されることで光を発光する。なお、制御部１８、および演算装置１６は、固体撮像素子上に形成してもよい。
【００２４】
発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４は、パルス光Ｌｐを１００（ナノ秒）の出力時間（パルス幅）で出力する。
【００２５】
なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。
【００２６】
この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００２７】
撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有する。演算部１６は、固体撮像装置２８が受光期間で取り込んだ光電子数の情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離を算出する。
【００２８】
図２は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（受光装置１００駆動部）３４と、サンプルホールド回路３６と、水平選択回路３８と、出力バッファ４０と、Ａ／Ｄ変換器４２とを有する。
【００２９】
電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４４と、垂直選択回路４６を有し、ゲート駆動回路４４は、各種ゲート駆動信号を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の発生（蓄積）、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４６は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子に対応する電圧信号（画素信号）を出力させる。水平選択回路３８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路３６に一端保持された後、水平選択回路３８を介して出力される。そして、出力バッファ４０及びＡ／Ｄ変換器４２を介して演算部１６に出力される。
【００３０】
図３は、図２に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一例を示す平面図である。単位画素３０は、複数の受光装置１００を有する。本実施の形態では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。
【００３１】
受光装置１００は、光電変換素子１０４と、３つの光電子振分部１０６と、１つの光電子排出部１０８を有する。３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられ、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられている。また、光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４の下側、又は上側に設けられ、光電子振分部１０６が設けられていない側に設けられる。単位画素３０の上側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の上側に光電子振分部１０６が設けられ、下側に光電子排出部１０８が設けられる。単位画素３０の下側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の下側に光電子振分部１０６が設けられ、上側に光電子排出部１０８が設けられる。このような構成を有することで、互いに上下方向で隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有する。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有している。
【００３２】
図４及び図５は、図３に示す受光装置１００の断面図であり、詳しくは、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図であり、図５は、図３のＶ−Ｖ線矢視一部断面図である。
【００３３】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有する。受光装置１００は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６と、２つの光電子排出部１０８とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲート１１０と呼ぶ）１１０を有するフォトゲート１１０構造を有している。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）フォトダイオードである。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するためのゲート駆動信号Ｓａがゲート駆動回路４４から入力される。
【００３４】
光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８を有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４に発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第１転送ゲート）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４４から第１転送部１１２を駆動させるためのゲート駆動信号Ｓｂが入力される。光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転動部１１２を挟んで反対側に配置され、光電変換素子１０４が発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（保持ゲート）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４４から光電子保持部１１４を駆動させるためのゲート駆動信号Ｓｃが入力される。
【００３５】
第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して光電子保持部１１４の反対側に配置され、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第２転送ゲート）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４４から第２転送部１１６を駆動させるためのゲート駆動信号Ｓｄが入力される。浮遊拡散層１１８（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を取り込み、電圧に変換させるためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。
【００３６】
図４に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、ゲートには、ゲート駆動回路４４からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用トランジスタ１２６のゲートに供給されると、リセット用トランジスタがオンとなり、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。
【００３７】
また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に応じた電圧信号を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号を信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、ゲートには、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４に垂直選択回路４６からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタ１３４がオンになり、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に対応する電圧が信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースは、信号読出線１３２が接続されている。
【００３８】
光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。
【００３９】
拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転送部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００４０】
図６は、光電変換素子１０４、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、及び第２転送部１１６による光電子の移動状態を示すポテンシャル図である。
【００４１】
図６Ａは、光電変換素子１０４によって光電子が発生しているときのポテンシャル図を示すものであり、図６Ｂ、Ｃは、光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図６Ｄは、光電子保持部１１４で光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図６Ｅは、光電子保持部１１４が保持した光電子を浮遊拡散層１１８に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【００４２】
図６Ａに示すように、フォトゲート１１０にハイ（Ｈｉｇｈ）のゲート駆動信号Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４にポテンシャル位置は下がり、発生した光電子ｅ−が光電変換素子１０４に溜まっていく。そして、図６Ｂに示すように、第１転送ゲート１２０にハイのゲート駆動信号Ｓｂを入力することで、光電変換素子１０４が発生した光電子ｅ−は光電子保持部１１４に転送される。なお、このとき、保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号Ｓｃが入力されている。さらに、フォトゲート１１０にロー（Ｌｏｗ）のゲート駆動信号Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４のポテンシャル位置が上がって（図６Ｃ参照）、光電変換素子１０４に発生した光電子ｅ−は、光電子保持部１１４に転送され、その後、第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号Ｓｂを入力して、図６Ｄに示すように光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に保持させる。この図６Ａ〜図６Ｃの状態を繰り返すことで、複数回の受光期間に光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に保持させることができる。なお、受光期間とは、受光した光に応じて光電子を発生して蓄積する期間（蓄積期間）のことをいう。
【００４３】
その後、図６Ｅに示すように、第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号Ｓｄを入力することで、第２転送部１１６のポテンシャル位置が下がり、保持ゲート１２２にローのゲート駆動信号Ｓｃを入力することで、光電子保持部１１４のポテンシャル位置が上がるとともに、光電子保持部１１４が保持した光電子ｅ−が浮遊拡散層１１８に転送される。
【００４４】
なお、図７に示すように、受光中も第１転送ゲート１２０にハイのゲート駆動信号Ｓｂを入力することで、受光及び光電変換素子１０４で発生した光電子の転送を同時に行ってもよい。
【００４５】
図８は、受光装置１００の回路構成の一例を示す図である。受光装置１００の光電変換素子１０４が保持した光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃは、図３及び図４で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用トランジスタ１３０のゲートが接続される。
【００４６】
各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送された光電子が順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）に変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。
【００４７】
詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。
【００４８】
このように、受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、同一の信号読出線１３２から読み出されることになる。なお、図８では、光電子排出部１０８の図示を省略している。
【００４９】
図９は、図８に示す受光装置１００を用いて図３に示す単位画素３０を構成したときの回路図である。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、図３で示したように、１つの光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃと、２つの光電子排出部１０８とを有する。全受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各浮遊拡散層１１８は、リセット用トランジスタ１２６のソース、及び、信号読出用トランジスタ１３０のゲートに接続されている。
【００５０】
リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算（加算）した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５１】
次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５２】
最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子数に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。このように、単位画素３０の受光装置１００の光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、全て同一の信号読出線１３２から読み出される。
【００５３】
また、図９に示すように、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｃ、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂとは互いに浮遊拡散層１１８を共有しており、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂと、左下の受光装置１００の光電子振分１０６ｃとは互いに浮遊拡散層１１８を共有している。
【００５４】
なお、図１０に示すように受光装置１００は、２つの信号読出線１３２ａ、１３２ｂを有してもよい。この場合は、例えば、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ａから、光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ｂからそれぞれ読み出される。図１０に示す受光装置１００では、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃのソースが光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃのゲートには、リセット信号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が供給される。また、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの浮遊拡散層１１８には、信号読出用トランジスタ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃのゲートが接続されており、選択用トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃのゲートには、選択信号Ｓｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３が供給される。要は、信号読出線１３２が受光装置１００の複数の浮遊拡散層１１８に接続されていればよい。このように、図１０に示す受光装置１００を用いて、光電子保持部１１４が保持している光電子を独立した信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出してもよい。
【００５５】
以上のように、上記実施の形態においては、単位画素３０の受光装置１００は、光電変換素子１０４に発生した光電子を転送するための第１転送部１１２と、光電子を一時的に保持する光電子保持部１１４と、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するための第２転送部１１６と、転送された光電子を保持して該転送された光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層１１８とを含む光電子振分部１０６とを有するので、光電変換素子が発生した光電子を複数方向に振り分けて読み出すことができるとともに、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００５６】
つまり、光電子振分部１０６によって振り分けられた光電変換素子１０４に発生した光電子は、該光電子振分部１０６の光電子保持部１１４に保持されるので、光電子保持部１１４が保持した光電子を読み出したい場合は、該光電子振分部１０６の浮遊拡散層１１８の電位をリセットした後、黒レベルが読み出される。その後、該光電子保持部１１４が保持した光電子を該浮遊拡散層１１８に転送して光電子に応じた電圧信号を読み出せばよいので、浮遊拡散層１１８の電位のリセットタイミングと、読み出しタイミングとのズレを最小限に抑えることができる。したがって、正確な黒レベルを得ることができ、リセットノイズを正確に除去することができる。
【００５７】
単位画素３０は、複数の受光装置１００を有するので、受光期間における光電子数を多く取得できる。また、単位画素３０の複数の前記受光装置１００は、少なくとも、複数の受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００５８】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの前記受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を３つ有し、３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、チップ面積が小さくなるのでコストが下がるとともに、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００５９】
単位画素３０が１次元又は２次元に配列された画素アレイ３２を有する固体撮像装置２８は、複数の浮遊拡散層１１８の電位を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０と信号読出用トランジスタ１３０を介して信号を読み出す信号読出線１３２とを備え、単位画素３０の浮遊拡散層１１８の各々の電位は１つの信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能となり、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置２８を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６０】
次に、本実施の形態の測距方法について説明する。図１１は、本実施の形態の距離計測における照射光Ｌｅの照射タイミング、及び、固体撮像装置２８の受光タイミングを示す図である。照射装置１２は、交互に第１照射タイミングと第２照射タイミングで照射光Ｌｅを所定時間照射する。つまり、第１照射タイミングと第２照射タイミングとにおける照射時間は同一時間である。第２照射タイミングは、第１照射タイミングと位相が半周期と一定時間（Δｔ）ずれている。図１１において照射光Ｌｅは、発光強度が一定となる期間を有する。第１照射タイミング及び第２照射タイミングは所定の周期で到来する。
【００６１】
固体撮像装置２８の受光装置１００は、第１受光期間〜第３受光期間で、光電変換素子１０４に入射した反射光Ｌｒを受光する（光電変換素子１０４に入射した反射光Ｌｒに応じた光電子数を発生する）。第１受光期間及び第３受光期間の受光タイミングは、第１照射タイミングに対して予め決められた受光期間であり、第２受光期間の受光タイミングは、第２照射タイミングに対して予め決められた受光期間である。第１受光期間〜第３受光期間の長さは時間Ｔで同じであり、第１受光期間〜第３受光期間は、照射装置１２が照射光Ｌｅを照射する前記所定時間以下の時間である。第１受光期間〜第３受光期間は、前記所定の周期で到来する。第２受光期間は、第１受光期間と位相が半周期ずれており、第３受光期間は、固体撮像装置２８に到達する第１照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒの強度が一定となる時間である。第１照射タイミング及び第２照射タイミングと、第１受光期間〜第３受光期間とは、測距検知範囲に基づいて決められている。測距検知範囲とは、距離を計測することができる距離範囲（例えば、５ｍ先から２０ｍ先までの範囲）のことである。
【００６２】
光は、１ｎｓｅｃ（ナノセック）で、３０ｃｍ進むので、往復を考慮して片道で１５ｃｍとなる。したがって、受光期間が１００ｎｓｅｃの場合はは、１５（ｃｍ）×１００（ｎｓｅｃ）の測距検知範囲となるが、前記一定時間（Δｔ）の設定によって、Δｔ（ｎｓｅｃ）×１５（ｃｍ）だけ測距検知範囲は短くなる。このように、測距検知範囲にしたがって、受光期間とΔｔの設定値が決定され、制御部１８によって設定される。
【００６３】
第１受光期間及び第２受光期間は、固体撮像装置２８に到達する反射光Ｌｒの強度が減少してから反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への到達が終了するまでの時間（反射光Ｌｒの立ち下がり期間）を含む。なお、照射光Ｌｅが完全な矩形波のパルス光の場合は、固体撮像装置２８に到達する反射光Ｌｒの強度が減少するタイミングと、反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への到達が終了するタイミングとは同時になるので、第１受光期間及び第２受光期間は、反射光Ｌｒが固体撮像装置２８に到達してから所定時間経過後のタイミングを含む期間であり、反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への到達が終了するタイミングを含む期間である。
【００６４】
前記照射装置１２の照射時間（前記所定時間）は、例えば、第１受光期間と、第３受光期間と、第１受光期間と第３受光期間との間の未発光期間の和以上の期間に設定さている。このように設定することで、［第１受光期間−Δｔ］×光速／２、で導出される距離が測距検知範囲となる。さらに詳しくは、照射光Ｌｅの発光時間の終了タイミングと第１受光期間とを一定期間オーバーラップさせる設定にする場合は、オーバーラップさせた期間だけ、測距検知範囲は短くなる。
【００６５】
図１２は、単位画素３０の駆動動作を示すタイムチャートである。図１２に示すように、１枚の輝度画像を撮像する１フレーム期間は、露光期間と読出期間を有し、露光期間は、光電変換素子１０４に露光を行わせ、読出期間は、露光期間によって得られた光電子を信号読出線１３２から読み出すための期間である。
【００６６】
露光期間は、光電変換素子１０４のフォトゲート１１０にゲート駆動信号Ｓａを供給することで、光電変換素子１０４に入射光量に応じた光電子を発生させる期間である。露光期間に照射装置１２が発光信号を発光部２４に供給することで発光部２４を駆動させ、照射光Ｌｅを測距対象Ｗに照射するとともに、フォトゲート１１０にゲート駆動信号Ｓａを供給して、光電変換素子１０４に受光を行わせる。
【００６７】
照射装置１２は、第１照射タイミング及び第２照射タイミングで照射光Ｌｅを照射するように発光部２４を駆動させ、ゲート駆動回路４４は、第１受光期間〜第３受光期間で受光するようにゲート駆動信号Ｓａをフォトゲート１１０に供給する。１フレーム期間の露光期間中に、第１照射タイミング及び第２照射タイミングでの照射、及び、第１受光期間〜第３受光期間での受光が所定回数（例えば、１００回）繰り返し行われ、受光期間中に発生した光電子が光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃによって光電子保持部１１４に転送される。
【００６８】
例えば、第１受光期間で光電変換素子１０４に発生した光電子数Ｑａは、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送され、第２受光期間で光電変換素子１０４に発生した光電子数Ｑｂは、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送され、第３受光期間で光電変換素子１０４に発生した光電子数Ｑｃは、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に転送される。この光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの駆動は、上述したようにゲート駆動回路４４から送られてくるゲート駆動信号によって行われる。
【００６９】
そして、受光期間が終了し、読出期間に入ると、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子が、信号読出線１３２から順次読み出される。
【００７０】
なお、前記第１受光期間〜第３受光期間以外の期間に、前記光電変換素子１０４に入射した光により発生した光電子は、ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力され、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００７１】
演算部１６は、信号読出線１３２を介して読み出された各画素の光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑａに応じた電圧信号ＶＱａと、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑｂに応じた電圧信号ＶＱｂと、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑｃに応じた電圧信号ＶＱｃとを用いて、測距対象Ｗまでの距離を算出する。
【００７２】
詳しくは、演算部１６は、第１受光期間で得られた光電子数Ｑａに応じた電圧信号ＶＱａと、第２受光期間で得られた光電子数Ｑｂに応じた電圧信号ＶＱｂとから、反射光Ｌｒの強度Ｉを求め、第１受光期間で得られた光電子数Ｑａに応じた電圧信号ＶＱａ又は第２受光期間で得られた光電子数Ｑｂに応じた電圧信号ＶＱｂと、第３受光期間で得られた光電子数Ｑｃに応じた電圧信号ＶＱｃと、該求めた反射光Ｌｒの強度とから、照射光Ｌｅを照射してから、反射光Ｌｒが固体撮像装置２８（単位画素３０、受光装置１００）に到達するまでの時間を示す時間情報ΔＴを求めることで、測距対象Ｗまでの距離を算出する。なお、反射光Ｌｒの立ち下がり期間を受光する受光期間においては、受光開始タイミングが反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への入射タイミングに対してより遅いほうが得られる光電子数が少なくなるので、電圧信号ＶＱａは、電圧信号ＶＱｂにより低い値となる。つまり、第２受光期間は、第１受光期間に比べ、受光開始タイミングが入射タイミングに対して前記一定時間（Δｔ）だけ早いからである。
【００７３】
反射光Ｌｒの強度Ｉは、数式１に示す関係式から求めることができる。
Ｉ≡（ＶＱｂ−ＶＱａ）／Δｔ ・・・数式１
【００７４】
第２受光期間は、第１受光期間に比べ、一定時間（Δｔ）だけ反射光Ｌｒを多く受光するので、第２受光期間により得られる光電子数Ｑｂは、第１受光期間により得られる光電子数ＱａよりΔｔ×Ｉ分だけ光電子数が多くなる。したがって、光電子数Ｑｂ＝光電子数Ｑａ＋ΔＩ×Ｉとなり、この式から上記した数式１を導くことができる。なお、光電子数Ｑｂ、Ｑａは、電圧信号ＶＱｂ、ＶＱａに等価することができる。
【００７５】
光電変換素子１０４が発生する光電子数のうち、反射光Ｌｒによって生じる光電子数は、入射する反射光Ｌｒの強度と、反射光Ｌｒの入射時間の積に比例するので、反射光Ｌｒによって発生する光電子数は、入射する反射光Ｌｒの強度と入射時間とを積算した面積で表すことができる。したがって、第１受光期間で得られた反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒａは、図１１に示す面積Ｓ１で表すことができ、第２受光期間で得られた反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｂは、図１１に示す面積Ｓ２で表すことができる。
【００７６】
図１３は、第１受光期間で得られる面積Ｓ１（光電子数Ｑｒａ）と第２受光期間で得られる面積Ｓ２（光電子数Ｑｒｂ）の説明図である。面積Ｓ１は、面積（光電子数）Ａと面積（光電子数）Ｃとからなり、面積Ａは、反射光Ｌｒの強度Ｉと時間情報ΔＴとを乗算したものである。したがって、面積Ｓ１は、Ｓ１＝Ｉ×ΔＴ＋Ｃ、の関係式で表すことができる。面積Ｃは、照射光Ｌｅを照射する照射装置１２の特性（照射光Ｌｅの強度Ｉを含む）と光電変換素子１０４の特性に依存する。なお、時間情報ΔＴは、照射光Ｌｅを照射してから反射光Ｌｒが固体撮像装置２８（単位画素３０、受光装置１００）に到達するまでの時間を示す情報である。なお、照射光Ｌｅが完全な矩形波のパルス光の場合は、面積Ｃは０となる。
【００７７】
面積Ｓ２は、面積（光電子数）Ｂと面積（光電子数）Ｃとからなり、面積Ｂは、反射光Ｌｒの強度Ｉと時間情報ΔＴとを乗算したものと、反射光Ｌｒの強度ＩとΔｔとを乗算したものとを加算したものである。つまり、面積Ｂは、Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔとで表すことができる。面積Ｓ２は、面積Ｓ１に比べ、Δｔだけ多く反射光Ｌｒを受光しているので、Δｔ×Ｉ分の光電子数だけ多く得られる。したがって、面積Ｓ２は、Ｓ２＝Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔ＋Ｃで表すことができる。なお、第３受光期間で得られた反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｃは、Ｑｃ＝Ｉ×Ｔ、で表すことができる。
【００７８】
光電子数Ｑｒｃと光電子数Ｑｒａとから、数式２に示す関係式が成り立つ。
（Ｑｒｃ−Ｑｒａ）／Ｉ＝［（Ｉ×Ｔ）−（Ｉ×ΔＴ＋Ｃ）］／Ｉ＝Ｔ−（ΔＴ＋Ｃ／Ｉ） ・・・数式２
【００７９】
光電子数Ｑｒｃと光電子数Ｑｒｂとから、数式３に示す関係式が成り立つ。
（Ｑｒｃ−Ｑｒｂ）／Ｉ＝［（Ｉ×Ｔ）−（Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔ＋Ｃ）］／Ｉ＝Ｔ−（ΔＴ＋Δｔ＋Ｃ／Ｉ） ・・・数式３
【００８０】
面積Ｃは、反射光Ｌｒの強度に比例するので、Ｃ／Ｉは、強度に依存しない定数とみなすことができ、測定することで予めＣ／Ｉを知ることができる。
【００８１】
（Ｑｒｃ−Ｑｒａ）は、（Ｑｃ−Ｑａ）に置き換えることができ、Ｑｃ、Ｑａは、ＶＱｃ、ＶＱａに等価することができるので、ΔＴは、数式２を用いて、
ΔＴ＝Ｔ−（ＶＱｃ−ＶＱａ）／Ｉ−Ｃ／Ｉ ・・・数式４
で表すことができる。（Ｑｒｃ−Ｑｒａ）を（Ｑｃ−Ｑａ）に置き換えることができる理由としては、第３受光期間で得られた光電子数Ｑｃは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｃと、環境光Ｌｓ成分の光電子数との合算であり、第１受光期間で得られた光電子数Ｑａは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒａと、環境光Ｌｓ成分の光電子数との合算であり、第１受光期間と第３受光期間の長さは共に時間Ｔであることから、光電子数Ｑｃから光電子数Ｑａを減算すると、環境光Ｌｓ成分は除去され、結果的に、（Ｑｃ−Ｑａ）＝（Ｑｒｃ−Ｑｒａ）となるからである。
【００８２】
（Ｑｒｃ−Ｑｒｂ）は、（Ｑｃ−Ｑｂ）に置き換えることができ、Ｑｃ、Ｑｂは、ＶＱｃ、ＶＱｂに等価することができるので、ΔＴは、数式３を用いて、
ΔＴ＝Ｔ−Δｔ−（ＶＱｃ−ＶＱｂ）／Ｉ−Ｃ／Ｉ ・・・数式５
で表すことできる。（Ｑｒｃ−Ｑｒｂ）を（Ｑｃ−Ｑｂ）に置き換えることができる理由としては、第３受光期間で得られた光電子数Ｑｃは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｃと、環境光Ｌｓ成分の光電子数との合算であり、第２受光期間で得られた光電子数Ｑｂは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｂと、環境光Ｌｓ成分の光電子数との合算であり、第２受光期間と第３受光期間の長さは共に時間Ｔであることから、光電子数Ｑｃから光電子数Ｑｂを減算すると、環境光Ｌｓ成分は除去され、結果的に、（Ｑｃ−Ｑｂ）＝（Ｑｒｃ−Ｑｒｂ）となるからである。
【００８３】
したがって、演算部１６は、数式４を用いて、第３受光期間の時間Ｔと、予め記憶された定数Ｃ／Ｉと、電圧信号ＶＱｃ、ＶＱａとから時間情報ΔＴを算出することができる。また、演算部１６は、数式５を用いて、第３受光期間の時間Ｔと、予め記憶された定数Ｃ／Ｉと、Δｔと、電圧信号ＶＱｃ、ＶＱｂとから時間情報ΔＴを算出することができる。演算部１６は、数式４と数式５のどちらか一方を用いて時間情報ΔＴを算出しても良いが、数式４及び数式５を用いて時間情報ΔＴを算出し、該算出した２つの時間情報ΔＴの平均を取ることによってより正確な時間情報ΔＴを求めることができる。なお、数式４及び数式５の発光強度Ｉは、数式１を用いて導くことができる。
【００８４】
なお、第３受光期間は、第１照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒの強度が一定となる時間としたが、第２照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒの強度が一定となる時間であってもよい。この場合は、第３受光期間は、第２照射タイミングに対して予め決められた受光期間であってもよい。
【００８５】
ここで、固体撮像装置２８から測距対象Ｗまでの距離が遠いほど、反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への入射タイミングが遅くなり、その分時間情報ΔＴは長くなり、逆に固体撮像装置２８から測距対象Ｗまでの距離が近いほど、反射光Ｌｒの固体撮像装置２８への入射タイミングが早くなり、その分時間情報ΔＴは短くなる。したがって、演算部１６は、時間情報ΔＴを求めることによって、測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。なお、演算部１６は、初期値として固体撮像装置２８から一定距離離れた基準測距対象に対して照射光Ｌｅを照射し、その反射光Ｌｒを受光することで算出した時間情報ΔＴを基準時間情報ΔＴｓとして記憶しておき、測距対象Ｗからの反射光Ｌｒを受光して求めた時間情報ΔＴと、基準時間情報ΔＴｓと、前記一定距離とから測距対象Ｗまでの距離を求めてもよい。詳しくは、求めた時間情報ΔＴと基準時間情報ΔＴｓとの差から基準測距対象から測距対象Ｗまでの距離を求め、該求めた距離と前記一定距離とから固体撮像装置２８から測距対象Ｗまでの距離を求めてもよい。
【００８６】
このように、入射した反射光Ｌｒに応じた光電子に応じた電圧信号のみを用いて、測距対象Ｗの距離を求めることができるので、照射光Ｌｅの強度や環境光Ｌｓに依存しない信頼性の高い距離情報を得ることができる。
【００８７】
なお、測距精度を確保するために、照射装置１２は、発光強度が一定となる期間を有する照射光Ｌｅを照射する必要があるが（図１１参照）、発光部２４のコンデンサの電圧は、放電とともにその電位が低下するので、発光素子の発光強度も低下してしまう。したがって、本実施の形態では、図１４に示すように、発光部２４に、コンデンサ１６０と発光素子１６２の他にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１６４をさらに備えさせることで、発光強度が一定となる期間を有する照射光Ｌｅを照射させるというものである。発光素子１６２は、コンデンサ１６０とＦＥＴ１６４の間に介装され、ＦＥＴ１６４のソースは発光素子１６２に、ドレインはコンデンサ１６０に接続されている。
【００８８】
図１５は、ＦＥＴ１６４のドレイン−ソース間の電圧と、ドレイン電流との関係を示す図であり、ＦＥＴ１６４の特性を示す。図１５に示すように、ドレイン−ソース間の電圧がある一定値以上になると、ドレイン−ソース間の電圧にかかわらず、ドレイン電流は略一定の値となる。したがって、図１４に示すコンデンサ１６０の放電によってコンデンサ１６０の電圧が低下した場合であっても、発光素子１６２に流れる電流（ドレイン電流）が一定となるようにドレイン−ソース間の電圧が低下するので、発光素子１６２にかかる電圧は略一定となり、発光素子１６２の発光強度を一定に保つことができる。照射装置１２は、ＦＥＴ１６４のゲートにハイの発光信号を印加させることで、発光部２４に光を発光させる。
【００８９】
実施の形態は、以下のように変形してもよい。
【００９０】
（変形例１）上記実施の形態では、第３受光期間は、第１照射タイミング又は第２照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒの強度が一定となる時間としたが、変形例１では、第３受光期間は、第１照射タイミング及び第２照射タイミングで照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒが固体撮像装置２８に到達しない時間、つまり、反射光Ｌｒが固体撮像装置２８に入射しない時間である。
【００９１】
図１６は、変形例１の距離計測における照射光Ｌｅの照射タイミング、及び、固体撮像装置２８の受光タイミングを示す図である。図１６に示すように、第３受光期間は、反射光Ｌｒが固体撮像装置２８に入射しない時間であることが分かる。これにより、第３受光期間で得られる光電子Ｑｃは、環境光Ｌｓに応じた光電子となる。ここで、照射装置１２の第１照射タイミング及び第２照射タイミングにおける照射時間（前記所定時間）は、受光期間第（第１受光期間又は第２受光期間）以上に設定されている。このように設定することで、［第１受光期間−Δｔ］×光速／２、で導出される距離が測距検知範囲となる。
【００９２】
光電子数Ｑａは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒａと環境光Ｌｓ成分の光電子数とからなる。光電子数Ｑｒａは、上述したように、光電子数Ｑｒａ＝Ｉ×ΔＴ＋Ｃで表すことができ、光電子数Ｑａの環境光Ｌｓ成分の光電子数は、光電子数Ｑｃで表すことができる。光電子数Ｑｂは、反射光Ｌｒ成分の光電子数Ｑｒｂと環境光Ｌｓ成分の光電子数とからなる。光電子数Ｑｒｂは、上述したように、光電子数Ｑｒｂ＝Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔ＋Ｃで表すことができる。光電子数Ｑｂの環境光Ｌｓ成分の光電子数は、光電子数Ｑｃで表すことができる。ここで、第１受光期間〜第３受光期間の長さは時間Ｔで同一であることから、第１受光期間で得られた光電子数Ｑａの環境光Ｌｓ成分の光電子数と、第２受光期間で得られた光電子数Ｑｂの環境光Ｌｓ成分の光電子数とは、第３受光期間で得られた光電子数Ｑｃと同じになる。
【００９３】
したがって、光電子数Ｑａと光電子数Ｑｃとから、数式６に示す関係式が成り立ち、光電子数Ｑｂと光電子数Ｑｃとから、数式７に示す関係式が成り立つ。
（Ｑａ−Ｑｃ）／Ｉ＝［（Ｉ×ΔＴ＋Ｃ）＋Ｑｃ−Ｑｃ］／Ｉ＝ΔＴ＋Ｃ／Ｉ ・・・数式６
（Ｑｂ−Ｑｃ）／Ｉ＝［（Ｉ×ΔＴ＋Ｉ×Δｔ＋Ｃ）＋Ｑｃ−Ｑｃ］／Ｉ＝ΔＴ＋Δｔ＋Ｃ／Ｉ ・・・数式７
Ｑａ、Ｑｃは、ＶＱａ、ＶＱｃに等価することができるので、ΔＴは、数式６を用いて、
ΔＴ＝（ＶＱａ−ＶＱｃ）Ｉ−Ｃ／Ｉ ・・・数式８
で表すことができる。また、Ｑｂ、Ｑｃは、ＶＱｂ、ＶＱｃに等価することができるので、ΔＴは、数式７を用いて、
ΔＴ＝（ＶＱｂ−ＶＱｃ）／Ｉ−Δｔ−Ｃ／Ｉ ・・・数式９
で表すことができる。
【００９４】
したがって、演算部１６は、数式８を用いて、電圧信号ＶＱａ、ＶＱｃと、予め記憶された定数Ｃ／Ｉとから時間情報ΔＴを算出することができる。また、演算部１６は、数式９を用いて、電圧信号ＶＱｂ、ＶＱｃと、Δｔと、予め記憶された定数Ｃ／Ｉとから時間情報ΔＴを算出することができる。演算部１６は、数式８及び数式９を用いて時間情報ΔＴを算出し、該算出した２つの時間情報ΔＴの平均を取ることによってより正確な時間情報ΔＴを求めることができる。なお、数式８及び数式９の発光強度Ｉは、数式１を用いて導くことができる。演算部１６は、求めた時間情報ΔＴから測距対象Ｗまでの距離を求める。
【００９５】
このように、入射した反射光Ｌｒに応じた光電子に応じた電圧信号のみを用いて、測距対象Ｗの距離を求めることができるので、照射光Ｌｅの強度や環境光Ｌｓに依存しない信頼性の高い距離情報を得ることができる。
【００９６】
（変形例２）上記実施の形態及び変形例１では、測距検知範囲を１つとし、該測距検知範囲に基づいて、第１照射タイミング及び第２照射タイミングと、第１受光期間〜第３受光期間とを決めるようにしたが、変形例２では、測距検知範囲を複数用意し、複数の第１照射タイミング及び第２照射タイミングと、第１受光期間〜第３受光期間とが複数の測距検知範囲に対応して決められている。例えば、測距検知範囲が１〜３まであり、第１照射タイミング及び第２照射タイミングと、第１受光期間〜第３受光期間とが測距検知範囲１〜３に対応してそれぞれ複数設けられている。これにより、距離を計測できる範囲を拡大することができる。
【００９７】
ここで、複数の測距検知範囲１〜３の第１受光期間及び第２受光期間は、互いに位相がずれないようにし、複数の測距検知範囲１〜３の第１照射タイミング及び第２照射タイミングは、一定時間（Δｔ）の２倍分だけ位相がずれていくようにしてもよい。つまり、各測距検知範囲の第１受光期間は互いに同位相、各測距検知範囲の第２受光期間は互いに同位相であり、各測距検知範囲の第１照射タイミングは、一定時間（Δｔ）の２倍分だけ位相が遅れていき、各測距検知範囲の第２照射タイミングは、一定時間の２倍分だけ位相が遅れていく。
【００９８】
図１７は、変形例２における照射装置１２が照射する照射光Ｌｅの第１照射タイミング及び第２照射タイミングの一例を示す図である。図１７に示すように、測距検知範囲２の第１照射タイミングは、測距検知範囲１の第２照射タイミングより位相が２×Δｔ遅れており、測距検知範囲３の第１照射タイミングは、測距検知範囲２の第１照射タイミングより位相が２×Δｔ遅れている。また、測距検知範囲２の第２照射タイミングは、測距検知範囲１の第２照射タイミングより位相が２×Δｔ遅れており、測距検知範囲３の第２照射タイミングは、測距検知範囲２の第２照射タイミングより位相が２×Δｔ送られている。
【００９９】
なお、各測距検知範囲１〜３の第２照射タイミングは、各測距検知範囲１〜３の第１照射タイミングをΔｔだけ位相を遅らせたタイミングである。したがって、照射装置１２は、照射光Ｌｅを照射する度に、照射タイミングをΔｔだけずらしていけば、各測距検知範囲の第１照射タイミング及び第２照射タイミングで照射光Ｌｅを照射していることになり、測距検知範囲が複数ある場合であっても、照射タイミングの制御が簡単になる。
【０１００】
また、各測距検知範囲の照射タイミングが他の測距検知範囲の照射タイミングと重複していてもよい。例えば、ある測距検知範囲の第１照射タイミングが、直前に照射した他の測距検知範囲の第２照射タイミングと重複していてもよく、該ある測距検知範囲の第２照射タイミングが、直後に照射する他の測距検知範囲の第１照射タイミングと重複していてもよい。
【０１０１】
図１８は、変形例２における照射装置１２が照射する照射光Ｌｅの第１照射タイミング及び第２照射タイミングの他の例を示す図である。図１８に示すように、各照射タイミング（１回目〜６回目の照射タイミング）は、一定時間（Δｔ）ずつ位相がずれており、ある照射タイミングとその直前の照射タイミング又はその直後の照射タイミングとで、測距検知範囲が決められている。例えば、１回目の照射タイミングと２回目の照射タイミングとで測距検知範囲１が定められ、２回目の照射タイミングと３回目の照射タイミングとで測距検知範囲２が定められ、３回目の照射タイミングと４回目の照射タイミングとで測距検知範囲３が定められ、４回目の照射タイミングと５回目の照射タイミングとで測距検知範囲４が定められ、５回目の照射タイミングと６回目の照射タイミングとで測距検知範囲５が定められる。
【０１０２】
２回目の照射タイミングは、測距検知範囲１からみれば第２照射タイミングとなるが、測距検知範囲２から見れば第１照射タイミングとなる。同様に、３回目の照射タイミングは、測距検知範囲２から見れば第２照射タイミングとなるが、測距検知範囲３から見れば第１照射タイミングとなる。４回目以降の照射タイミングも同様に、一方の測距検知範囲から見れば第２照射タイミングとなり、他方の測距検知範囲から見れば第１照射タイミングとなる。
【０１０３】
このように、各測距検知範囲の照射タイミングを重複させることで、照射タイミングの数を増やさなくても、距離を計測できる範囲を拡大することができ、測距精度を向上させることができる。
【０１０４】
なお、図１７及び図１８に示すタイミングは、図１２に示す単位画素３０の１フレーム期間内の露光期間における１周期の照射タイミングを記載したものであり、複数回受光と光電子の保持が繰り返された後に信号を読み出し、その後、位相が２×Δｔ遅れたタイミングで、次のフレームを取得する。
【０１０５】
（変形例３）上記実施の形態及び上記変形例１〜２では、単位画素３０は４つの受光装置１００を有するようにしたが、単位画素３０は、２つ、３つ、５つ等の複数の受光装置１００を有してもよく、受光装置１００を１つのみ有してもよい。また、受光装置１００は、３つの光電子振分部１０６を有するようにしたが、光電子振分部１０６を１つのみ有するようにしてもよい。単位画素３０が１つの受光装置１００のみを有し、該受光装置１００が１つの光電子振分部１０６のみを有する場合は、それぞれ異なるフレームで取得してもよく、さらには、第１受光期間〜第３受光期間で、それぞれ受光する単位画素３０を異ならせてもよい。例えば、第１受光期間で受光する単位画素３０を第１画素と、第２受光期間で受光する単位画素３０を第２画素と、第３受光期間で受光する単位画素３０を第３画素とし、第１画素〜第３画素で得られた光電子数を用いて測距対象Ｗまでの距離を算出する。
【０１０６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【０１０７】
１０…測距システム １２…照射装置
１４…撮像部 １６…演算部
１８…制御部 ２０…電源
２２…第２電源 ２８…固体撮像装置
３０…単位画素 ３２…画素アレイ
３４…画素駆動回路 ４４…ゲート駆動回路
１００…受光装置 １０２…ｐ型半導体基板
１０４…光電変換素子 １０６…光電子振分部
１０８…光電子排出部 １１０…フォトゲート
１１２…第１転送部 １１４…光電子保持部
１１６…第２転送部 １１８…浮遊拡散層
１２０…第１転送ゲート １２２…保持ゲート
１２４…第２転送ゲート １２６…リセット用トランジスタ
１３０…信号読出用トランジスタ １３２…信号読出線
１３４…選択用トランジスタ １４０…第３転送部
１４２…拡散層 １４４…第３転送ゲート
１６０…コンデンサ １６２…発光素子
１６４…ＦＥＴ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、
前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、
を備え、
前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、
前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、
前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、
前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、
前記第３受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が一定となる時間である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項２】
測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、
前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、
を備え、
前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、
前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、
前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、
前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、
前記第３受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達しない時間である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項３】
請求光１又は２に記載の測距システムであって、
前記演算部は、前記第１受光期間で得られた前記光電子数と、前記第２受光期間で得られた前記光電子数とから、前記反射光の強度を求め、前記第１受光期間又は前記第２受光期間で得られた前記光電子数と、前記第３受光期間で得られた前記光電子数と、該求めた前記反射光の強度とから、前記照射光を照射してから、前記反射光が前記固体撮像装置に到達するまでの時間を示す時間情報を求めることで、前記測距対象までの距離を算出する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距システムであって、
前記照射装置が照射する照明光は、パルス光であり、
前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達してから前記所定時間経過後のタイミングを含む期間である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測距システムであって、
前記照射装置は、交互に前記第１照射タイミングと前記第２照射タイミングとで前記照射光を照射し、
前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、所定の周期で到来し、
前記第２照射タイミングは、前記第１照射タイミングと位相が半周期と一定時間ずれており、
前記第２受光期間は、前記第１受光期間と位相が半周期ずれている
ことを特徴とする測距システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の測距システムであって、
前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とは、予め決められた測距検知範囲に基づいて決められている
ことを特徴とする測距システム。
【請求項７】
請求項６に記載の測距システムであって、
予め決められた前記測距検知範囲を複数有し、
複数の前記測距検知範囲に対応して、前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とが複数決められている
ことを特徴とする測距システム。
【請求項８】
請求項７に記載の測距システムであって、
前記複数の測距検知範囲の前記第１照射タイミング、及び、前記第２照射タイミングは、互いに一定時間の２倍だけ位相がずれており、
前記複数の測距検知範囲の前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、互いに位相がずれていない
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１】
測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、
前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、
を備え、
前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、
前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、
前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、
前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、
前記第３受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が一定となる時間である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項２】
測距対象に対して発光強度が一定となる期間を有する照射光を照射する照射装置と、
前記照射装置が照射した前記照射光の反射光を、該反射光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で受光する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の受光により得られた光電子数を用いて、被写体までの距離を計測する演算部と、
を備え、
前記照射装置は、第１照射タイミングと第２照射タイミングとで前記照射光を所定時間照射し、
前記固体撮像装置は、前記第１照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第１受光期間で受光し、前記第２照射タイミングで照射された前記照射光の前記反射光を第２受光期間でそれぞれ受光するとともに、前記第１照射タイミング又は前記第２照射タイミングに対して予め決められた第３受光期間で受光し、
前記演算部は、前記第１受光期間〜前記第３受光期間で得られた前記光電子数とを用いて、前記測距対象までの距離を算出し、
前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に到達する前記反射光の強度が減少してから該反射光の前記固体撮像装置への到達が終了するまでの時間を含み、且つ、前記所定時間以下の時間であり、
前記第３受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達しない時間である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項３】
請求光１又は２に記載の測距システムであって、
前記演算部は、前記第１受光期間で得られた前記光電子数と、前記第２受光期間で得られた前記光電子数とから、前記反射光の強度を求め、前記第１受光期間又は前記第２受光期間で得られた前記光電子数と、前記第３受光期間で得られた前記光電子数と、該求めた前記反射光の強度とから、前記照射光を照射してから、前記反射光が前記固体撮像装置に到達するまでの時間を示す時間情報を求めることで、前記測距対象までの距離を算出する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距システムであって、
前記照射装置が照射する照明光は、パルス光であり、
前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、前記反射光が前記固体撮像装置に到達してから前記所定時間経過後のタイミングを含む期間である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測距システムであって、
前記照射装置は、交互に前記第１照射タイミングと前記第２照射タイミングとで前記照射光を照射し、
前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、所定の周期で到来し、
前記第２照射タイミングは、前記第１照射タイミングと位相が半周期と一定時間ずれており、
前記第２受光期間は、前記第１受光期間と位相が半周期ずれている
ことを特徴とする測距システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の測距システムであって、
前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とは、予め決められた測距検知範囲に基づいて決められている
ことを特徴とする測距システム。
【請求項７】
請求項６に記載の測距システムであって、
予め決められた前記測距検知範囲を複数有し、
複数の前記測距検知範囲に対応して、前記第１照射タイミング及び前記第２照射タイミングと、前記第１受光期間〜前記第３受光期間とが複数決められている
ことを特徴とする測距システム。
【請求項８】
請求項７に記載の測距システムであって、
前記複数の測距検知範囲の前記第１照射タイミング、及び、前記第２照射タイミングは、互いに一定時間の２倍だけ位相がずれており、
前記複数の測距検知範囲の前記第１受光期間及び前記第２受光期間は、互いに位相がずれていない
ことを特徴とする測距システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−２１５４８１（Ｐ２０１２−２１５４８１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１３２６（Ｐ２０１１−８１３２６）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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