JP6160971B2 - 固体撮像素子及び測距撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子及び測距撮像装置に関する。

物体を検知する複数の方式の中で、固体撮像素子（イメージセンサ）を用いて被写体まで光が往復する飛行時間を利用して測距を行うＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。

図２４は、特許文献１に開示された従来技術であり、ＴＯＦ方式に用いる固体撮像素子を構成する単位画素９００の一部を示す平面図である。単位画素９００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９００は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。

単位画素９００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、半導体基板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、半導体基板上に絶縁体を介して形成された電極を有するフォトゲート構造を有している。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。フォトゲートには、光電変換素子１０４を駆動するためのゲート駆動信号がゲート駆動回路から入力される。また、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。

特開２０１２−２１５４８０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、光電子振分部により斜入射光による光の漏れ込みがおきる。また、光電子振分部はタイミングの異なる４種の受光信号期間の信号電荷が読み出される。

このため、光の漏れ込みの影響を受ける受光信号期間が異なり、更に、受光面（撮像領域）内の右側と左側とでは一方側は測定距離が実際よりも大きく、他方側は測定距離が実際よりも小さくなり、測距精度が悪化するという課題を有している。

前記課題を鑑み、本発明は、固体撮像素子における撮像領域内誤差を低減し、高い測距精度を有する固体撮像素子及び測距撮像装置を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、測距撮像装置に用いる固体撮像素子であって、半導体基板に設けられ、露光によって電荷を生成する複数の受光部と、前記複数の受光部に１対１に対応して配置され、前記複数の受光部で生成された電荷を読み出す複数の電荷読み出し部と、前記複数の受光部の露光を指示する露光制御信号を受け取るための複数のボンディングパッドとを有し、前記複数の電荷読み出し部の一部は、対応する受光部の左側に配置され、対応する受光部で生成された電荷を左へ読み出し、前記複数の電荷読み出し部の他部は、対応する受光部の右側に配置され、対応する受光部で生成された電荷を右へ読み出し、前記複数のボンディングパッドは、前記複数の受光部及び前記複数の電荷読み出し部を含む撮像領域の上下または上下左右に配置されている。

このように、複数の電荷読み出し部の一部が対応する受光部の左側に配置され、他部が対応する受光部の右側に配置されていることにより、撮像領域内誤差を低減できる。よって、高い測距精度を実現できる。また、露光を指示する露光制御信号を受け取る複数のボンディングパッドが撮像領域の上下または上下左右に配置されることにより、撮像領域面内における上下方向または上下左右方向における露光量の誤差を低減できる。その結果、より高い測距精度を実現できる。

例えば、前記複数の受光部は行列状に配置され、左に電荷が読み出される受光部と右に電荷が読み出される受光部とは、列方向および行方向に交互に配置されていてもよい。

これにより、撮像領域内誤差を一層低減できる。

また、例えば、前記固体撮像素子は、ＣＣＤ型の固体撮像素子であり、前記露光制御信号は、前記複数の受光部の電荷を掃き捨てるための基板電圧を含んでもよい。

これにより、複数の受光部を一括してリセットする動作、いわゆるグローバルリセットを行うことができ、更に高精度な測距を実現できる。

また、例えば、前記固体撮像素子は、行列状に配置された前記複数の受光部のうち、奇数行目の露光・読み出し時刻と偶数行目の露光・読み出し時刻とが異なってもよい。

また、本発明はこのような固体撮像素子として実現できるだけでなく測距撮像装置としても実現できる。つまり、本発明の一態様に係る測距撮像装置は、光照射を指示する発光制御信号と、露光を指示する露光制御信号とを発生する駆動制御部と、前記発光制御信号を受信することにより前記光照射を行う光源部と、前記光照射に対する対象物体からの反射光に対し、前記露光制御信号を受信することにより前記露光を行い、撮像情報を取得する撮像部と、前記撮像情報を用いて前記対象物体までの距離情報を出力する画像処理部とを備え、前記撮像部は、前記露光によって電荷を生成する複数の受光部と、前記複数の受光部に１対１に対応して配置され、前記複数の受光部で生成された電荷を読み出す複数の電荷読み出し部とを有し、前記複数の電荷読み出し部の一部は、対応する受光部の左側に配置され、前記複数の電荷読み出し部の他部は、対応する受光部の右側に配置され、前記光源部による前記発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間を経て前記露光制御信号を受信し前記露光を行う第一の露光期間、及び、前記光源部による前記発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間より長い第二の遅延時間を経て前記露光制御信号を受信し前記露光を行う第二の露光期間のいずれにおいても、前記複数の電荷読み出し部の一部は、対応する受光部で生成された電荷を左へ読み出し、前記複数の電荷読み出し部の他部は、対応する受光部で生成された電荷を右へ読み出す。

例えば、前記撮像部は、さらに、露光制御信号を受け取るための複数のボンディングパッドであって、前記複数の受光部及び前記複数の電荷読み出し部を含む撮像領域の上下または上下左右に配置された複数のボンディングパッドを備えてもよい。

また、例えば、前記画像処理部は、前記撮像情報を用いて、前記撮像部の前記複数の受光部及び前記複数の電荷読み出し部を含む撮像領域内誤差である面内シェーディング成分を、前記撮像領域の分割領域ごとに検出するシェーディング成分検出部と、前記シェーディング成分検出部で検出された前記分割領域ごとのシェーディング成分を保存するＬｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅと、前記Ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅに保存されている前記分割領域ごとのシェーディング成分に基づいて前記距離情報の面内シェーディングを補正して出力する補正部とを備えてもよい。

これにより、距離情報の面内シェーディングが補正され、高精度な測距が可能となる。

また、例えば、前記撮像部は、ＣＣＤ型の固体撮像素子を備え、前記露光制御信号は、前記複数の受光部の電荷を掃き捨てるための基板電圧を含んでもよい。

本発明は、固体撮像素子における撮像領域内誤差を低減し、高い測距精度を実現可能とする。

図１は、実施の形態１に係る固体撮像部を有する測距撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図２は、一般的な測距撮像装置の露光量を検出するタイミングを説明する図である。 図３は、一般的なＣＣＤ型の固体撮像素子の構成を示すレイアウト図である。 図４は、実施の形態１に係る固体撮像素子の一例を示す構成図である。 図５は、撮像領域周辺の構成の一例を示すレイアウト図である。 図６は、撮像領域周辺の構成の他の一例を示すレイアウト図である。 図７は、実施の形態１に係る測距撮像装置の動作の概要を示すタイミングチャートである。 図８は、実施の形態１に係る測距撮像装置の動作の詳細を示すタイミングチャートである。 図９は、実施の形態１に係る測距撮像装置の動作の詳細を示すタイミングチャートである。 図１０は、信号電荷加算及び信号電荷転送のイメージを示す図である。 図１１は、実施の形態１に係る測距撮像装置の他の動作の概要を示すタイミングチャートである。 図１２は、実施の形態１に係る測距撮像装置の他の動作の詳細を示すタイミングチャートである。 図１３は、実施の形態１に係る測距撮像装置の他の動作の詳細を示すタイミングチャートである。 図１４は、実施の形態１に係る測距撮像装置の他の動作の詳細を示すタイミングチャートである。 図１５は、実施の形態１に係る測距撮像装置の他の動作の詳細を示すタイミングチャートである。 図１６は、実施の形態１に係る測距撮像装置の他の動作の詳細を示すタイミングチャートである。 図１７は、実施の形態１に係る測距撮像装置の他の動作の詳細を示すタイミングチャートである。 図１８Ａは、信号電荷加算及び信号電荷転送のイメージを示す図である。 図１８Ｂは、図１８Ａの後の、信号電荷加算及び信号電荷転送のイメージを示す図である。 図１９は、読み出しキズ信号電荷転送のイメージを示す図である。 図２０は、実施の形態２における画像処理部の構成を示すブロック図である。 図２１は、距離信号の固体撮像素子における撮像領域内誤差である面内シェーディングの補正概念の例を示す図である。 図２２は、固体撮像素子における撮像領域内誤差である面内シェーディングの別の補正概念の例を示す図である。 図２３は、分割領域の一例を示す図である。 図２４は、従来の固体撮像素子を構成する単位画素の一部を示す平面図である。

以下、本開示の実施の形態に係る測距撮像装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定するものではない。

（実施の形態１）
［測距撮像装置］
図１は、本実施の形態に係る測距撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。

同図に示すように、測距撮像装置１０は、光源部１と、固体撮像部２と、画像処理部３と、駆動制御部４とを備える。

光源部１は、駆動制御部４で発生された発光制御信号を受信することにより、発光制御信号が示すタイミングに従って、光（例えば赤外光）の照射を行う。この光源部１は、駆動回路、コンデンサ、及び、発光素子を有し、コンデンサに保持した電荷を発光素子へ供給することで光を発する。発光素子としてはレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いてもよい。

固体撮像部２（撮像部）は、駆動制御部４で発生された露光制御信号が示すタイミングに従って露光を行い、複数回の露光量の総和からＲＡＷデータ（撮像情報）を得る。すなわち、光源部１による光照射に対する対象物体からの反射光に対し、駆動制御部４で発生された露光制御信号を受信することにより露光を行い、ＲＡＷデータを取得する。この固体撮像部２は、カメラレンズ、固体撮像素子、Ａ／Ｄコンバータ、及び、ＲＡＷデータを作成し出力する回路等、を有する。

駆動制御部４は、光照射を指示する発光制御信号と、露光を指示する露光制御信号とを発生することにより、光源部１による照射タイミング、及び、固体撮像部２による露光タイミングを指示する。

画像処理部３は、固体撮像部２から受けたＲＡＷデータを用いて対象物体までの距離画像情報（距離情報）を出力する。

［一般的な固体撮像素子］
ここで、図２及び図３を用いて、一般的な測距撮像装置に搭載される固体撮像素子について説明する。図２は、一般的な測距撮像装置の露光量を検出するタイミングを説明する図であり、図３は、一般的なＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子の構成を示すレイアウト図である。

図２に示すように、ＴＯＦ方式で測定対象物の測距を行う場合、発光制御信号に対して、測定対象物からの反射光をタイミングの異なる２パターンで露光した光量の比に基づいて測定対象物までの距離を算出する方法が一般的である。例えば、測距撮像装置は、第一の露光制御信号によって、測定対象物からの反射光の全てが露光期間に含まれるように露光を行い、第二の露光制御信号によって、測定対象物からの反射光が発光タイミングに対して遅延する程、露光量が増加するような露光を行う。また、さらに、背景光等による露光量のオフセット成分を検出するため、発光制御信号を停止させて第一の露光制御信号、及び、第二の露光制御信号と同じ条件の露光を行う。

ここで、第一の露光制御信号による露光量の総和をＳ０、第二の露光制御信号による露光量の総和をＳ１、背景光の露光量の総和をＢＧ、照射する直接光の発光信号幅をＴ０、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃ、とすると、以下式１の演算を行う事で距離Ｌを算出できる。なお、第一の露光制御信号による露光量とは、第一の露光制御信号により行った露光により発生した電荷量であり、第二の露光制御信号による露光とは、第二の露光制御信号により行った露光により発生した電荷量である。

ここで、図３に示すように、一般的なＣＣＤ型の固体撮像素子は、受光部（ＰＤ；フォトダイオード）から垂直転送部（以下ＶＣＣＤ）への電荷読み出し部（読み出しゲート）がＰＤに対して全て左右の同一方向に配置され、各列のＰＤと各列のＶＣＣＤが一対の組合せとなる。よって、一般的なＣＣＤ型の固体撮像素子は、ＰＤとＶＣＣＤとの位置関係から明らかなように構造的に左右の幾何学的対称性を有しない。このような左右の幾何学的対称性を有さないことにより、一般的なＣＣＤ型の固体撮像素子が搭載された測距撮像装置では、次のような課題がある。

例えば、図３のように、ＰＤに対して読み出しゲートが左側のみに位置する場合、図面上の左側（読み出しゲートによる読み出し方向）から入射する光はＶＣＣＤに漏れ込まないが、図面上の右側から入射する光はＶＣＣＤに漏れ込む。これにより、撮像領域９０８に入射した光の光量が同じ場合であっても、図面上の右側から入射した光による露光量は、図面上の左側から入射した光による露光量より大きくなる。

また、測定対象物からの反射光の全てが露光期間に含まれるように露光を行う第一の露光制御信号による露光量の総和であるＳ０よりも、測定対象物からの反射光が発光タイミングに対して遅延する程、露光量が増加するような露光を行う第二の露光制御信号による露光量の総和であるＳ１の方が必ず小さい。よって、第一の露光制御信号による露光期間におけるＶＣＣＤへの光の漏れ込み量と、第二の露光制御信号による露光期間におけるＶＣＣＤへの光の漏れ込み量とが同じであっても、各期間の露光量に対して、光の漏れ込みによって発生する電荷量が占める割合が大きくなる。つまり、第二の露光制御信号による露光量の総和であるＳ１の方が影響比率は大きく、その結果、測定距離が実際の測定対象物までの距離よりも大きくなる。

従って、固体撮像素子における撮像領域内の左側になるほど光が右側から入射する角度が大きくなりＶＣＣＤへの漏れ込み量が大きくなる。よって、第一の露光制御信号による露光量の総和であるＳ０に対して、第二の露光制御信号による露光量の総和であるＳ１の比率が増加し、その結果、式１から分かるように、測定距離が実際の測定対象物までの距離よりも大きくなる。

また、ＰＤの左右に光電子振分部を形成する構成も考えられるが、このような構成の場合は、斜入射光による光の漏れ込みが起き、距離画像のシェーディング成分に起因する特性劣化が発生する。加えて、光電子振分部にはタイミングの異なる複数の受光信号期間の信号電荷が読み出されるので、固体撮像素子における受光面内の右側と左側とで光の漏れ込みの影響を受ける受光信号期間が異なる。その結果、固体撮像素子における受光面内の右側と左側とでは、一方は測定距離が実際の測定対象物までの距離よりも大きく、他方は測定距離が実際測定対象物までの距離よりも小さくなる。

また、固体撮像素子の露光を制御する画素駆動回路が撮像領域９０８周辺の片方（撮像領域９０８を構成する４辺のうちの１辺）に配置されている場合は、画素駆動回路から離れて配置されているＰＤ（画素）ほど発光信号に対する第一及び第二の露光制御信号の遅延が大きくなる。よって、画素駆動回路に近いＰＤと画素駆動回路から遠いＰＤとでは、受光する露光タイミングが異なる。その結果、露光量が異なり、測定距離に誤差が発生する。

これに対し、本実施の形態に係る固体撮像素子は、上述した特性劣化（問題）を解決できる。その詳細について説明する。

［本実施の形態に係る固体撮像素子］
図４は、本実施の形態に係る固体撮像素子の一例を示す構成図であり、上述の測距撮像装置１０の固体撮像部２はこの固体撮像素子２０を備える。ここでは、開示の理解を容易とするため垂直方向に４画素分、水平方向に４画素分のみ示している。

図４に示すように、本実施の形態に係る固体撮像素子２０は、複数のＰＤ２１（複数の受光部）と、複数の読み出しゲート２２（複数の電荷読み出し部）と、複数のＶＣＣＤ２３（複数の垂直転送部）と、ＨＣＣＤ２４（水平転送部）と、出力アンプ２５とを備える。

複数のＰＤ２１は、半導体基板に行列状に配置され、各々が入射光を信号電荷に変換するフォトダイオードである。

複数の読み出しゲート２２は、各々がＰＤ２１に対応して設けられ、対応するＰＤ２１から信号電荷を読み出す。

複数のＶＣＣＤ２３は、複数のゲートから構成され、ＰＤ２１から読み出しゲート２２で読み出された信号電荷を順次垂直方向に転送する。各ＶＣＣＤ２３は、例えば、ＰＤ２１から読み出された信号電荷を列方向（垂直方向）に転送する８相電極Ｖ１〜Ｖ８（以降、ゲートＶ１〜Ｖ８と記載する場合あり）で構成されている。

ＨＣＣＤ２４は、複数のゲートから構成され、複数のＶＣＣＤ２３から転送された信号電荷を順次水平方向（行方向）に転送する。このＨＣＣＤ２４は、例えば、２相電極Ｈ１、Ｈ２で構成される。

出力アンプ２５は、ＨＣＣＤ２４から転送された信号電荷を順次検出して電圧信号に変換して出力する。

ここで、上述のＶＣＣＤ２３を構成するゲートＶ１〜Ｖ８のうち、ゲートＶ１及びＶ５は、一行かつ一列毎に読み出すことが可能なように、複数のＰＤ２１のそれぞれに対応して設けられた読み出しゲート２２と共用されている。また、ＰＤ２１の読み出しゲート２２が形成された側と左右方向の反対側には、信号電荷の混入を抑制ためのチャネルストップが設置されている。

このように、本実施の形態に係る固体撮像素子２０は、ＣＣＤ型の固体撮像素子（ＣＣＤ型のイメージセンサ）である。

この構成により、発光制御信号に対して対象物体からの反射光を受光する露光制御信号のタイミングが各々異なる複数の露光期間で得られる信号を蓄積する手段として、ＶＣＣＤ２３に既に構成されている複数パケットを利用することができるので、追加で信号蓄積手段を形成することが不要となり、小型で高精度な測距撮像装置を実現出来る。

つまり、図４に示すように、本実施の形態に係る固体撮像素子２０及びそれが搭載される測距撮像装置は、上述した読み出しゲート２２の構成によりＰＤ２１の左右の幾何学的対称性を満たすという特徴を備え、より具体的には、偶数列のＶＣＣＤ２３（図中のＶＣＣＤ２、ＶＣＣＤ４）にはその左右のＰＤ２１から読み出しを行う垂直転送と共用した読み出しゲートＶ１が、奇数列のＶＣＣＤ２３（図中のＶＣＣＤ１、ＶＣＣＤ３）にはその左右のＰＤ２１から読み出しを行う垂直転送と共用した読み出しゲートＶ５が設置される。つまり、偶数列のＶＣＣＤ２３のゲートＶ１のパケット、及び、奇数列のＶＣＣＤ２３のゲートＶ５のパケットでは、左右に隣接した２つのＰＤ２１の信号電荷が加算され、上記一つのＶ１およびＶ５の読み出しゲートにより信号電荷が読み出され、その結果ＶＣＣＤ２３内には千鳥状に信号電荷を読み出すことが出来る。

このように、本実施の形態に係る固体撮像素子２０は、露光によって信号電荷（電荷）を生成する複数のＰＤ２１（受光部）と、複数のＰＤ２１に１対１に対応して配置され、複数のＰＤ２１で生成された信号電荷を読み出す複数の読み出しゲート２２（電荷読み出し部）とを有し、複数の読み出しゲート２２の一部は、対応するＰＤ２１の左側に配置され、対応するＰＤ２１で生成された信号電荷を左へ読み出し、複数の読み出しゲート２２の他部は、対応するＰＤ２１の右側に配置され、対応するＰＤ２１で生成された信号電荷を右へ読み出す。

これにより、撮像領域８（受光面）内誤差を抑制できる。具体的には、ＰＤ２１とＶＣＣＤ２３とが左右の幾何学的対称性を有することにより、各ＶＣＣＤ２３へ漏れ込む光の量の差を抑制できるので、撮像領域８（受光面）内誤差を抑制できる。すなわち、本実施の形態に係る固体撮像素子２０を用いた測距撮像装置１０は、全ての読み出しゲートが対応するＰＤの同一側（左側）に配置されている一般的な固体撮像素子を用いた測距撮像装置と比較して、高い測距精度を実現できる。

また、左に信号電荷が読み出されるＰＤ２１と右に信号電荷が読み出されるＰＤ２１とは、列方向および行方向に交互に配置されている。これにより、撮像領域８内誤差を一層低減できる。

次に、図５及び図６を用いて、本実施の形態に係る固体撮像素子２０の撮像領域周辺の構成について詳細に説明する。図５は、撮像領域周辺の構成の一例を示すレイアウト図であり、図６は、撮像領域周辺の構成の他の一例を示すレイアウト図であり、これらの図には、全画素のＰＤ２１に蓄積された信号電荷を掃き捨てるため各ＰＤ２１に与える基板電圧（ＳＵＢ）を供給するためのボンディングパッド、及び、縦型電荷掃き出しドレイン（ＶＯＦＤ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｏｖｅｒ ｆｌｏｗ ｄｒａｉｎ）の詳細である。

ＶＯＦＤは、ＰＤ２１のバルク方向（半導体基板の深さ方向）に構成されており、φＳＵＢ端子に高電圧が印加されると全ＰＤ２１の信号電荷は一括してφＳＵＢ端子を介して外部に排出される構成である。具体的には、ＳＵＢ端子がＨレベルの時はＰＤ２１内の信号電荷は半導体基板（外部）に排出され、ＳＵＢ端子がＬレベルで、電極Ｖ１及び電極Ｖ５のそれぞれに印加されるパルスであるφＶ１及びφＶ５がＨレベルの時にＰＤ２１内で光電変換された信号電荷は電極Ｖ１及び電極Ｖ５ゲート下にて、蓄積されることになる。

また、読み出しゲート２２を開いた状態で、ＳＵＢ端子に印加されるφＳＵＢパルスに従って基板電圧（ＳＵＢ）を制御し、φＳＵＢがＬｏｗの期間で露光し、信号電荷をＶＣＣＤ２３に蓄積する。つまり、φＳＵＢは、露光タイミングを指示する露光制御信号でもある。

ここで、図５に示すように、露光制御信号であるφＳＵＢを受け取るためのボンディングパッド９を撮像領域８の上下に複数配置する。一例として図５では、複数のＰＤ２１の露光を指示する露光制御信号を受け取るための複数のボンディングパッド９は、複数のＰＤ２１及び複数の読み出しゲート２２を含む撮像領域８の上下に配置されている。このとき、ボンディングパッド９に印加されたφＳＵＢはφＳＵＢパルス伝播イメージ７のように伝播する。

これによって、複数のＰＤ２１を含む撮像領域８面内における上下方向で、露光制御信号であるφＳＵＢの伝播遅延差が解消されるため、撮像領域８の面内における上下方向で露光量の誤差を低減でき、測定距離に誤差が少なく高精度な測距が出来る。

なお、露光制御信号であるφＳＵＢパルスを供給するボンディングパッド９を撮像領域８の上下及び左右に複数配置してもよい。一例として図６では、複数のボンディングパッド９は、撮像領域８の上下左右に配置されている。これにより、撮像領域８の面内における上下方向と左右方向で、露光制御信号であるφＳＵＢパルスの伝播遅延差が解消され、撮像領域８の面内における上下方向のみならず左右方向での露光量の誤差が無くなり、測定距離に誤差が更に少なく高精度な測距が出来る。

［測距撮像装置の駆動方法］
次に、本実施の形態に係る測距撮像装置１０の動作タイミングについて説明する。図７は、測距撮像装置１０の動作の概要を示すタイミングチャートであり、１フレーム期間内で、左右に隣接する２つのＰＤ２１で発生された信号電荷をＶＣＣＤ２３に読み出し、垂直転送する駆動タイミングの一例を示す。

図７には、垂直同期パルスＶＤと、露光制御信号であるφＳＵＢと、φＶ１及びφＶ５と、光源部１から照射される赤外光と、対象物体で反射された反射光と、背景光と、ＰＤ２１で発生した信号電荷を示すＳｉｇｎａｌとが示されている。

垂直同期パルスＶＤは毎秒６０フレーム（６０ｆｐｓ）であり、各フレーム期間内に、φＳＵＢによって決定されるＰＤ２１の露光期間に対し、光源部１による赤外光照射タイミングの第１の位相で照射され、対象物体までの距離に応じて遅延した反射光を固体撮像部２で受光するＳ０期間の信号電荷蓄積イメージ５１と、光源部１による赤外光照射タイミングの第２の位相で照射され、対象物体までの距離に応じて遅延した反射光を固体撮像部２で受光するＳ１期間の信号電荷蓄積イメージ５２と、光源部１による赤外光照射を停止し、背景光のみを固体撮像部２で受光するＢＧ期間の信号電荷蓄積イメージ５３との三種類の固体撮像素子２０の出力信号が得られる。

つまり、固体撮像素子２０の出力信号としては、光源部１から照射されて対象物体で反射した反射光全てを含む露光期間（Ｓ０期間）で露光することにより得られる電荷蓄積イメージと、反射光の一部を含む露光期間（Ｓ１期間）で露光することにより得られる電荷蓄積イメージと、反射光を含まない露光期間（ＢＧ期間）で露光することにより得られる電荷蓄積イメージとの３パターンが得られる。ここで、Ｓ０期間、Ｓ１期間、及び、ＢＧ期間からなる組は、１フレームあたり複数回（例えば、２回）繰り返されている。

なお図７では、本開示の理解を容易とするため、反射光全てを含むように露光するＳ０撮像と、反射光の一部を含むように露光するＳ１撮像と、反射光を含まないように露光するＢＧ撮像とを１フレームあたり２回ずつ行っているが、２０回程度行ってもよい。このように１フレームあたり２０回程度行うことにより、見かけ上のＳ０期間、Ｓ１期間、ＢＧ期間（すなわち、１フレームにおけるＳ０期間の平均時刻、Ｓ１期間の平均時刻、ＢＧ期間の平均時刻）を同時化することができ、対象物体の動きが速い場合であっても、測定距離の誤差を抑制することができる。

さらに図７では、Ｓ０−１、Ｓ１−１、ＢＧ−１期間についても、本開示の理解を容易とするため、各々１回の光源照射となっているが、実際の詳細タイミングは、後述する図８、図９に示すタイミングチャートのように、複数回行うことが好ましい。つまり、各期間に複数回露光することが好ましい。実際には各５００回程度の設定にすることが、より好ましい適例となる。

さらに、図８、図９、図１０を用いて、本実施の形態に係る測距撮像装置１０の詳細動作を説明する。図８及び図９は、測距撮像装置１０の動作の詳細を示すタイミングチャートであり、具体的には、図８は図７に示すＳ０−１期間およびＳ１−１期間のタイミングチャートであり、図９は図７に示すＢＧ−１期間およびＳ１−２期間のタイミングチャートである。図１０は、信号電荷加算及び信号電荷転送のイメージを示す図である。各発光、受光のためのタイミングパルスは駆動制御部４により印加される。

図８に示す通り、まずＳ０−１期間にφＶ１とφＶ５にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、φＳＵＢの位相に同期して光源部１から赤外光が発光され、対象物体までの距離に応じて遅延する反射光の全てと背景光を受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＳ０−１期間に蓄積した信号電荷が図１０（１）の信号電荷３１（１）に示す通りに格納される。次に図８の時刻Ｔ１〜Ｔ１０のタイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１期間に蓄積した信号電荷３１（１）がＶＣＣＤ２３内を順方向に転送され、ゲートＶ１及びＶ５下の信号電荷は空となる。

次に、図８に示すＳ１−１期間にφＶ１とφＶ５にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、φＳＵＢの位相に同期して光源部１から赤外光が発光され、対象物体までの距離に応じて遅延する反射光の一部と背景光を受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＳ１−１期間に蓄積した信号電荷が図１０（２）の信号電荷３２（１）に示す通りに格納される。この時、Ｓ０−１期間に蓄積した信号電荷３１（１）と、Ｓ１−１期間に蓄積した信号電荷３２（１）は、混合することなく独立して、ＶＣＣＤ２３内に格納される。次に図８の時刻Ｔ１１〜Ｔ１９のタイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１期間に蓄積した信号電荷３１（１）とＳ１−１期間に蓄積した信号電荷３２（１）とがＶＣＣＤ２３内を順方向に転送され、ゲートＶ１及びＶ５下の信号電荷は再び空となる。

次に、図９に示すＢＧ−１期間にφＶ１とφＶ５にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、光源部１からの赤外光の発光を停止し、背景光のみを受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＢＧ−１期間に蓄積した信号電荷が図１０（３）の信号電荷３３（１）に示す通りに格納される。この時、Ｓ０−１期間に蓄積した信号電荷３１（１）と、Ｓ１−１期間に蓄積した信号電荷３２（１）と、ＢＧ−１期間に蓄積した信号電荷３３（１）との３種類が混合することなく、独立してＶＣＣＤ２３内に格納される。

次に、ＶＣＣＤ２３内の信号電荷を転送することなく、図７に示すとおりにＢＧ−１期間と同様の動作をもう一度繰り返して、ＢＧ−２期間とする。つまり、ＢＧ−１期間の信号電荷３３（１）とＢＧ−２期間の信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され、ＢＧ−１期間の信号電荷３３（１）とＢＧ−２期間の信号電荷とが加算された信号電荷３３（２）がＶＣＣＤ２３内に格納されることになる。次に、図９の時刻Ｔ２０〜Ｔ２８タイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１期間に蓄積した信号電荷３１（１）とＳ１−１期間に蓄積した信号電荷３２（１）とＢＧ−１及びＢＧ−２期間に蓄積した信号電荷３３（２）とが、ＶＣＣＤ２３内を逆方向に転送される。

以下、Ｓ１−２期間に、上記Ｓ１−１期間と同様に露光することにより、Ｓ１−１期間に蓄積した信号電荷３２（１）とＳ１−２期間に蓄積した信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され、加算された信号電荷３２（２）がＶＣＣＤ２３内に格納されることになる。その後、図９に示す時刻Ｔ２９〜Ｔ３７の通りにφＶ１〜φＶ８にパルスを印加することによりＶＣＣＤ２３の逆転送を実現する。同様に、Ｓ０−２期間に、上記Ｓ０−１期間と同様に露光することにより、Ｓ０−１期間に蓄積した信号電荷３１（１）とＳ０−２期間に蓄積した信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され、加算された信号電荷３１（２）がＶＣＣＤ２３内に格納されることになる。

これら一連の全体動作を複数回繰り返したのち、図７のｔｒａｎ期間に示す転送期間にて、ＶＣＣＤとＨＣＣＤとを順次転送し、出力アンプ２５で各信号電荷に応じた信号電圧に変換されてＣＣＤ型の固体撮像素子２０から出力する。これが１フレームの動作となり、この繰り返しによって、撮像動作が完了する。

このように、本実施の形態に係る測距撮像装置１０では、光源部１による発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間を経て露光制御信号を受信し露光を行う第一の露光期間（Ｓ０期間）、及び、光源部１による発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間より長い第二の遅延時間を経て露光制御信号を受信し露光を行う第二の露光期間（Ｓ１期間）のいずれにおいても、複数の読み出しゲート２２の一部は、対応するＰＤ２１で生成された信号電荷を左へ読み出し、複数の読み出しゲート２２の他部は、対応するＰＤ２１で生成された信号電荷を右へ読み出す。

次に図１に示す画像処理部３により、距離演算を施す。距離Ｌは上述した式１で表される。この演算を画像処理部でＣＣＤ型の固体撮像素子２０の各画素アドレスについて実行することで本側距撮像装置の出力である距離画像の動画像を示す距離画像情報（距離情報）を得る。

上記一連の動作にて、Ｓ０、Ｓ１、ＢＧ期間の全てのＰＤ２１からの信号電荷の読み出しにおいて、固体撮像素子２０の受光部であるＰＤ２１とＶＣＣＤ２３との構造が幾何学的な左右対称性を完全に満足しており、距離画像のシェーディング成分に起因する特性劣化を低減することが出来る。

以上、本実施の形態に係る固体撮像素子２０および測距撮像装置１０は、固体撮像素子２０における撮像領域８面内の端における斜入射光による漏れ込みの影響がなく、また、露光制御信号の有効画素領域内における伝播遅延が解消され、高精度な測距が実現できる。また、固体撮像素子２０における撮像領域８内誤差を低減でき、高い測距精度を実現できる。

すなわち、本実施の形態に係る固体撮像素子２０は、露光によって信号電荷（電荷）を生成する複数のＰＤ２１（受光部）と、複数のＰＤ２１に１対１に対応して配置され、複数のＰＤ２１で生成された信号電荷を読み出す複数の読み出しゲート２２（電荷読み出し部）とを有し、複数の読み出しゲート２２の一部は、対応するＰＤ２１の左側に配置され、対応するＰＤ２１で生成された信号電荷を左へ読み出し、複数の読み出しゲート２２の他部は、対応するＰＤ２１の右側に配置され、対応するＰＤ２１で生成された信号電荷を右へ読み出す。

このように、複数の読み出しゲート２２の一部が対応するＰＤ２１の左側に配置され、他部が対応するＰＤ２１の右側に配置されることにより、撮像領域８（受光面）内誤差を抑制できる。つまり、ＰＤ２１とＶＣＣＤ２３とが左右の幾何学的対称性を有することにより、各ＶＣＣＤ２３へ漏れ込む光の量の差を抑制できるので、撮像領域８（受光面）内誤差を抑制できる。また、露光を指示するφＳＵＢ（露光制御信号）を受け取る複数のボンディングパッド９が撮像領域８の上下または上下左右に配置されることにより、撮像領域８面内における上下方向または上下左右方向における露光量の誤差を低減できる。その結果、より高い測距精度を実現できる。

また、左に電荷が読み出されるＰＤ２１と右に電荷が読み出されるＰＤ２１とは、列方向および行方向に交互に配置されている。これにより、撮像領域８内誤差を一層低減できる。

また、固体撮像素子２０は、ＣＣＤ型の固体撮像素子であり、露光制御信号は、複数のＰＤ２１の電荷を掃き捨てるための基板電圧を含む。これにより、複数のＰＤ２１を一括してリセットする動作、いわゆるグローバルリセットを行うことができ、更に高精度な測距を実現できる。

次に、本実施の形態に係る測距撮像装置１０の他の動作タイミングについて説明する。図１１は、測距撮像装置１０の他の動作の概要を示すタイミングチャートであり、１フレーム期間内で、左右に隣接する２つのＰＤ２１で発生された信号電荷をＶＣＣＤ２３に読み出し、垂直転送する駆動タイミングの一例を示す。

図１１には、垂直同期パルスＶＤと、露光制御信号であるφＳＵＢと、φＶ１及びφＶ５と、光源部１から照射される赤外光と、対象物体で反射された反射光と、背景光と、ＰＤ２１で発生した信号電荷を示すＳｉｇｎａｌとが示されている。

垂直同期パルスＶＤは毎秒６０フレーム（６０ｆｐｓ）であり、各フレーム期間内に、φＳＵＢによって決定されるＰＤ２１の露光期間に対し、光源部１による赤外光照射タイミングの第１の位相で照射され、対象物体までの距離に応じて遅延した反射光を固体撮像部２で受光するＳ０期間の信号電荷蓄積イメージ５１と、光源部１による赤外光照射タイミングの第２の位相で照射され、対象物体までの距離に応じて遅延した反射光を固体撮像部２で受光するＳ１期間の信号電荷蓄積イメージ５２と、光源部１による赤外光照射を停止し、背景光のみを固体撮像部２で受光するＢＧ期間の信号電荷蓄積イメージ５３との三種類の固体撮像素子２０の出力信号が得られる。

つまり、固体撮像素子２０の出力信号としては、光源部１から照射されて対象物体で反射した反射光全てを含む露光期間（Ｓ０期間）で露光することにより得られる電荷蓄積イメージと、反射光の一部を含む露光期間（Ｓ１期間）で露光することにより得られる電荷蓄積イメージと、反射光を含まない露光期間（ＢＧ期間）で露光することにより得られる電荷蓄積イメージとの３パターンが得られる。ここで、Ｓ０期間、Ｓ１期間、及び、ＢＧ期間からなる組は、１フレームあたり複数回（例えば、２回）繰り返されている。

なお図１１では、本開示の理解を容易とするため、反射光全てを含むように露光するＳ０撮像と、反射光の一部を含むように露光するＳ１撮像と、反射光を含まないように露光するＢＧ撮像とを１フレームあたり２回ずつ行っているが、２０回程度行ってもよい。このように１フレームあたり２０回程度行うことにより、見かけ上のＳ０期間、Ｓ１期間、ＢＧ期間（すなわち、１フレームにおけるＳ０期間の平均時刻、Ｓ１期間の平均時刻、ＢＧ期間の平均時刻）を同時化することができ、対象物体の動きが速い場合であっても、測定距離の誤差を抑制することができる。

さらに図１１では、φＶ１にＨレベルを印加しているＳ０−１１、Ｓ１−１１、ＢＧ−１１、Ｓ０−２１、Ｓ１−２１、ＢＧ−２１期間と、φＶ５にＨレベルを印加しているＳ０−１２、Ｓ１−１２、ＢＧ−１２、Ｓ０−２２、Ｓ１−２２、ＢＧ−２２期間とのそれぞれについても、本開示の理解を容易とするため、各々１回の光源照射となっているが、実際の詳細タイミングは、後述する図１２、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７に示すタイミングチャートのように、複数回行うことが好ましい。つまり、各期間に複数回露光することが好ましい。実際には各５００回程度の設定にすることが、より好ましい適例となる。

さらに、図１２、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８Ａ、図１８Ｂを用いて、本実施の形態に係る測距撮像装置１０の他の詳細動作を説明する。図１２、図１３、図１４、図１５、図１６及び図１７は、測距撮像装置１０の他の動作の詳細を示すタイミングチャートであり、具体的には、図１２は図１１に示すＳ０−１１期間およびＳ１−１１期間のタイミングチャートであり、図１３は図１１に示すＢＧ−１１期間およびＳ０−１２期間のタイミングチャートであり、図１４は図１１に示すＳ１−１２期間およびＢＧ−１２期間のタイミングチャートであり、図１５は図１１に示すＳ０−２１期間およびＳ１−２１期間のタイミングチャートであり、図１６は図１１に示すＢＧ−２１期間およびＳ０−２２期間のタイミングチャートであり、図１７は図１１に示すＳ１−２２期間およびＢＧ−２２期間のタイミングチャートである。図１８Ａ及び図１８Ｂは、信号電荷加算及び信号電荷転送のイメージを示す図である。各発光、受光のためのタイミングパルスは駆動制御部４により印加される。

図１２に示す通り、まずＳ０−１１期間にφＶ１にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、φＳＵＢの位相に同期して光源部１から赤外光が発光され、対象物体までの距離に応じて遅延する反射光の全てと背景光を受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＳ０−１１期間に蓄積した信号電荷が図１８Ａ（１）の信号電荷６１（１）に示す通りに格納される。次に図１２の時刻Ｔ１〜Ｔ１０のタイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１１期間に蓄積した信号電荷６１（１）がＶＣＣＤ２３内を順方向に転送され、ゲートＶ１下の信号電荷は空となる。

次に、図１２に示すＳ１−１１期間にφＶ１にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、φＳＵＢの位相に同期して光源部１から赤外光が発光され、対象物体までの距離に応じて遅延する反射光の一部と背景光を受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＳ１−１１期間に蓄積した信号電荷が図１８Ａ（２）の信号電荷６２（１）に示す通りに格納される。この時、Ｓ０−１１期間に蓄積した信号電荷６１（１）と、Ｓ１−１１期間に蓄積した信号電荷６２（１）は、混合することなく独立して、ＶＣＣＤ２３内に格納される。次に図１２の時刻Ｔ１１〜Ｔ１９のタイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１１期間に蓄積した信号電荷６１（１）とＳ１−１１期間に蓄積した信号電荷６２（１）とがＶＣＣＤ２３内を順方向に転送され、ゲートＶ１下の信号電荷は再び空となる。

次に、図１３に示すＢＧ−１１期間にφＶ１にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、光源部１からの赤外光の発光を停止し、背景光のみを受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＢＧ−１１期間に蓄積した信号電荷が図１８Ａ（３）の信号電荷６３（１）に示す通りに格納される。この時、Ｓ０−１１期間に蓄積した信号電荷６１（１）と、Ｓ１−１１期間に蓄積した信号電荷６２（１）と、ＢＧ−１１期間に蓄積した信号電荷６３（１）との３種類が混合することなく、独立してＶＣＣＤ２３内に格納される。

次に、ＶＣＣＤ２３内の信号電荷を転送することなく、図１３に示す通りＳ０−１２期間にφＶ５にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、φＳＵＢの位相に同期して光源部１から赤外光が発光され、対象物体までの距離に応じて遅延する反射光の全てと背景光を受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＳ０−１２期間に蓄積した信号電荷が図１８Ａ（４）の信号電荷６４（１）に示す通りに格納される。次に図１３の時刻Ｔ２０〜Ｔ２８のタイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１１期間に蓄積した信号電荷６１（１）、Ｓ１−１１期間に蓄積した信号電荷６２（１）、ＢＧ−１１期間に蓄積した信号電荷６３（１）及びＳ０−１２期間に蓄積した信号電荷６４（１）がＶＣＣＤ２３内を順方向に転送され、ゲートＶ５下の信号電荷は空となる。

次に、図１４に示すＳ１−１２期間にφＶ５にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、φＳＵＢの位相に同期して光源部１から赤外光が発光され、対象物体までの距離に応じて遅延する反射光の一部と背景光を受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＳ１−１２期間に蓄積した信号電荷が図１８Ａ（５）の信号電荷６５（１）に示す通りに格納される。この時、Ｓ０−１２期間に蓄積した信号電荷６４（１）と、Ｓ１−１２期間に蓄積した信号電荷６５（１）は、混合することなく独立して、ＶＣＣＤ２３内に格納される。次に図１４の時刻Ｔ２９〜Ｔ３７のタイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１１期間に蓄積した信号電荷６１（１）、Ｓ１−１１期間に蓄積した信号電荷６２（１）、ＢＧ−１１期間に蓄積した信号電荷６３（１）及びＳ０−１２期間に蓄積した信号電荷６４（１）とＳ１−１２期間に蓄積した信号電荷６５（１）とがＶＣＣＤ２３内を順方向に転送され、ゲートＶ５下の信号電荷は再び空となる。

次に、図１４に示すＢＧ−１２期間にφＶ５にＨレベルを印加し、φＳＵＢをＬレベルに下げることにより露光が開始され、光源部１からの赤外光の発光を停止し、背景光のみを受光する。

これを複数回繰り返した後、ＶＣＣＤ２３にＢＧ−１２期間に蓄積した信号電荷が図１８Ａ（６）の信号電荷６６（１）に示す通りに格納される。この時、Ｓ０−１２期間に蓄積した信号電荷６４（１）と、Ｓ１−１２期間に蓄積した信号電荷６５（１）と、ＢＧ−１２期間に蓄積した信号電荷６６（１）との３種類が混合することなく、独立してＶＣＣＤ２３内に格納される。次に、図１４の時刻Ｔ３８〜Ｔ７３タイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１１期間に蓄積した信号電荷６１（１）、Ｓ１−１１期間に蓄積した信号電荷６２（１）、ＢＧ−１１期間に蓄積した信号電荷６３（１）及びＳ０−１２期間に蓄積した信号電荷６４（１）、Ｓ１−１２期間に蓄積した信号電荷６５（１）、ＢＧ−１２期間に蓄積した信号電荷６６（１）が、ＶＣＣＤ２３内を４回逆方向に転送される。

次に図１５に示す通りにＳ０−１１期間と同様の動作をもう一度繰り返して、Ｓ０−２１期間とする。つまり、図１８Ｂ（７）に示す通りＳ０−１１期間の信号電荷６１（１）とＳ０−２１期間の信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され、Ｓ０−１１期間の信号電荷とＳ０−２１期間の信号電荷とが加算された信号電荷６１（２）がＶＣＣＤ２３内に格納されることになる。次に、図１５の時刻Ｔ７４〜Ｔ８３タイミングに示す、φＶ１〜φＶ８のパルスを印加することにより、ＶＣＣＤ２３内のＳ０−１１及びＳ０−２１期間に蓄積した信号電荷６１（２）、Ｓ１−１１期間に蓄積した信号電荷６２（１）、ＢＧ−１１期間に蓄積した信号電荷６３（１）及びＳ０−１２期間に蓄積した信号電荷６４（１）、Ｓ１−１２期間に蓄積した信号電荷６５（１）、ＢＧ−１２期間に蓄積した信号電荷６６（１）が、ＶＣＣＤ２３内を順方向に転送される。

以下、Ｓ１−２１期間に、上記Ｓ１−１１期間と同様の動作で露光することにより、図１８Ｂ（８）に示す通りＳ１−１１期間に蓄積した信号電荷とＳ１−２１期間に蓄積した信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され信号電荷６２（２）となる。その後、図１５に示す時刻Ｔ８４〜Ｔ９２の通りにφＶ１〜φＶ８にパルスを印加することにより信号電荷がＶＣＣＤ２３内を順方向に転送される。同様に、ＢＧ−２１期間に、上記ＢＧ−１１期間と同様の動作で露光することにより、図１８Ｂ（９）に示す通りＢＧ−１１期間に蓄積した信号電荷とＢＧ−２１期間に蓄積した信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され信号電荷６３（２）となる。その後、ＶＣＣＤ２３内の信号電荷を転送することなく、同様に、Ｓ０−２２期間に、上記Ｓ０−１２期間と同様の動作で露光することにより、図１８Ｂ（１０）に示す通りＳ０−１２期間に蓄積した信号電荷とＳ０−２２期間に蓄積した信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され信号電荷６４（２）となる。その後、図１６に示す時刻Ｔ９３〜Ｔ１０１の通りにφＶ１〜φＶ８にパルスを印加することにより信号電荷がＶＣＣＤ２３内を順方向に転送される。同様に、Ｓ１−２２期間に、上記Ｓ１−１２期間と同様の動作で露光することにより、図１８Ｂ（１１）に示す通りＳ１−１２期間に蓄積した信号電荷とＳ１−２２期間に蓄積した信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され信号電荷６５（２）となる。その後、図１７に示す時刻Ｔ１０２〜Ｔ１１０の通りにφＶ１〜φＶ８にパルスを印加することにより信号電荷がＶＣＣＤ２３内を順方向に転送される。同様に、ＢＧ−２２期間に、上記ＢＧ−１２期間と同様の動作で露光することにより、図１８Ｂ（１２）に示す通りＢＧ−１２期間に蓄積した信号電荷とＢＧ−２２期間に蓄積した信号電荷とがＶＣＣＤ２３内で加算され信号電荷６６（２）となる。

これら一連の全体動作を複数回繰り返したのち、図１１のｔｒａｎ期間に示す転送期間にて、ＶＣＣＤとＨＣＣＤとを順次転送し、出力アンプ２５で各信号電荷に応じた信号電圧に変換されてＣＣＤ型の固体撮像素子２０から出力する。これが１フレームの動作となり、この繰り返しによって、撮像動作が完了する。

このように、本実施の形態に係る測距撮像装置１０では、他の動作タイミングにおいても、光源部１による発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間を経て露光制御信号を受信し露光を行う第一の露光期間（Ｓ０期間）、及び、光源部１による発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間より長い第二の遅延時間を経て露光制御信号を受信し露光を行う第二の露光期間（Ｓ１期間）のいずれにおいても、複数の読み出しゲート２２の一部は、対応するＰＤ２１で生成された信号電荷を左へ読み出し、複数の読み出しゲート２２の他部は、対応するＰＤ２１で生成された信号電荷を右へ読み出す。

次に図１に示す画像処理部３により、距離演算を施す。距離Ｌは上述した式１で表される。この演算を画像処理部でＣＣＤ型の固体撮像素子２０の各画素アドレスについて実行することで本測距撮像装置の出力である距離画像の動画像を示す距離画像情報（距離情報）を得る。

上記一連の動作にて、Ｓ０、Ｓ１、ＢＧ期間の全てのＰＤ２１からの信号電荷の読み出しにおいて、固体撮像素子２０の受光部であるＰＤ２１とＶＣＣＤ２３との構造が幾何学的な左右対称性を完全に満足しており、距離画像のシェーディング成分に起因する特性劣化を低減することが出来る。

さらに図１９は、読み出しキズが発生した場合に、上記一連の動作による読み出しキズ信号の蓄積信号電荷への加算及び転送のイメージを示す図である。読み出しキズは読み出しゲートにＨレベルを印加した際に、対応するＰＤ２１の読み出しゲートを配置していない側のＶＣＣＤ２３に発生する。図１９では図面上第１行目のφＶ１による読み出しキズ信号をＡ、図面上第２行目のφＶ５による読み出しキズ信号をＢ、図面上第３行目のφＶ１による読み出しキズ信号をＣ、図面上第４行目のφＶ５による読み出しキズ信号をＤとして、信号電荷への加算及び転送のイメージを示している。上記一連の動作により、図１９（６）に示す通り、Ｓ０−１１期間に蓄積した信号電荷６１（１）、Ｓ１−１１期間に蓄積した信号電荷６２（１）、ＢＧ−１１期間に蓄積した信号電荷６３（１）には等しく読み出しキズ信号Ｂが加算されるものと読み出しキズ信号Ｄが加算されるものとが存在し、Ｓ０−１２期間に蓄積した信号電荷６４（１）、Ｓ１−１２期間に蓄積した信号電荷６５（１）、ＢＧ−１２期間に蓄積した信号電荷６６（１）には等しく読み出しキズ信号Ａが加算されるものと読み出しキズ信号Ｃが加算されるものとが存在する。つまり、上記一連の動作によりＳ０，Ｓ１，ＢＧ期間のいずれにも読み出しキズ信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが等しく含まれているので、上述した式１で表される演算により求められる距離Ｌには読み出しキズ信号が全てキャンセルされる。

以上、本実施形態に係る固体撮像素子２０および測距撮像装置１０は、固体撮像素子２０における読み出しゲートをＨレベルにすることにより発生する読み出しキズに起因する距離誤差をキャンセルでき、誤差の無い更に高精度な測距を実現できる。

（実施の形態２）
以下、図面を参照しながら、実施の形態２に係る測距撮像装置の構成及び動作について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。本実施の形態に係る測距撮像装置は、実施の形態１に係る測距撮像装置１０と比較して、画像処理部の構成が異なる。

図２０は、本実施の形態にかかる画像処理部５０３の構成を示すブロック図であり、実施の形態１における画像処理部３と比較して距離画像情報（以下、距離信号と記載する場合あり）の固体撮像素子における受光面内誤差（撮像領域８内誤差）である面内シェーディングを補正する手段が構成されている。

図２０に示す通り、面内シェーディングを補正する手段は、固体撮像素子２０を備える固体撮像部２から出力されたＲＡＷ信号から面内シェーディング成分を検出する検出部５１１（シェーディング成分検出部）と、検出部５１１で検出した面内各領域のシェーディング成分を保存するＬｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ５１２と、Ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ５１２に保存されている面内各領域のシェーディング成分に基づいて距離信号の面内シェーディングを補正する補正部５１３とを備える。

図２１は、本開示の実施の形態にかかる、距離信号の固体撮像素子２０における撮像領域内誤差である面内シェーディングの補正概念の例を示す図である。図２１に示す通り、固体撮像素子２０における撮像領域を複数の領域に分割し、複数の分割領域毎に代表点を設定し、代表点毎に実距離と測距値との関係の理想直線の差異から、測距オフセットと測距ゲイン（傾き）の少なくとも一方を算出し、補正値としてＬｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ５１２に保存し、更に代表点間の測距オフセットと測距ゲイン（傾き）は線形補完して算出し、補正部５１３にて距離信号の面内シェーディングを補正する。この構成により、距離信号の固体撮像素子２０における撮像領域内誤差である面内シェーディングが補正され、高精度な測距が可能となる効果を有する。

図２２は、本実施の形態にかかる、固体撮像素子２０における撮像領域内誤差である面内シェーディングの別の補正概念の例を示す図である。固体撮像素子２０における撮像領域８を複数の領域に分割し、複数の分割領域毎に代表点を設定し、代表点毎に実距離と測距値との誤差を補正値として、Ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ５１２に保存し、更に代表点間の補正値は線形補完して算出し、補正部５１３にて距離信号の面内シェーディングを補正する。この構成により、距離信号の固体撮像素子における撮像領域内誤差である面内シェーディングが更に精度よく補正され、更に高精度な測距が可能となる効果を有する。

上記のいずれの補正においても、代表点は単一画素でも、複数画素でもよい。複数画素の場合、実距離と測距値は平均値、中間値、メディアン値のいずれでもよい。

なお、複数の分割領域の面積は均等であることに限定されるものではなく、図２３に示す通り、異なる面積で分割してもよい。図２３に示す固体撮像素子における撮像領域の複数領域分割例では、撮像領域の端になる程、分割領域の面積を小さくしている。このことにより、光の入射角度が大きいことによる漏れ込みに起因する測距誤差が大きい撮像領域の端になる程、補正の精度が高くなるので、より面内シェーディングの小さい、高精度な測距が可能となる効果を有する。

また、代表点間の測距オフセットと測距ゲイン（傾き）の補完および、代表点間の補正値の補完は線形に限定はしない。

以上、本実施の形態に係る測距撮像装置は、実施の形態１に係る測距撮像装置１０と同様に固体撮像素子２０における受光面（撮像領域８）内の端における斜入射光による漏れ込みの影響がなく、また、露光制御信号の有効画素領域内における伝播遅延が解消され、高精度な測距が実現できる。また、固体撮像素子における撮像領域内誤差を低減でき、高い測距精度を実現できる。また、実施の形態１に係る測距撮像装置１０と比較して、面内シェーディングに対する補正が高度になるので、より高精度な測距が実現できる。

以上、本開示の固体撮像素子及び測距撮像装置について上記実施の形態に基づいて説明してきたが、本開示の固体撮像素子及び測距撮像装置は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本開示の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の固体撮像素子及び測距撮像装置を内蔵した各種機器も本開示に含まれる。

なお、上記実施の形態では、ＣＣＤイメージセンサ（ＣＣＤ型固体撮像素子）を用いたことにより複数のＰＤ（受光部）を一括してリセットする動作、いわゆるグローバルリセットを行うことが出来、更に高精度な測距を実現することが出来る。しかし、本開示に用いる固体撮像素子はＣＣＤイメージセンサに限定されものではなく、測距撮像装置としての他の要求を考慮して、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ型固体撮像素子）などのその他の固体撮像素子（イメージセンサ）を用いても本開示の効果を得ることが出来る。

更に、本開示は距離情報により距離を測定する装置（測距撮像装置）に留まらず、その他の物理量（例：形状、温度、放射線濃度など）を精度よく検知（測定）する装置（物理量検知装置）や、撮像したデータを精度良く描写させる装置（撮像装置）にも用いることが出来る。

本発明に係る固体撮像素子及び測距撮像装置は、周辺環境に依存することなく、測定対象物の高精度な３次元測定が実現できるため、例えば、人物、建物などの３次元測定の精度向上に有効である。

１ 光源部
２ 固体撮像部（撮像部）
３、５０３ 画像処理部
４ 駆動制御部
７ φＳＵＢパルス伝播イメージ
８、９０８ 撮像領域
９ ボンディングパッド
１０ 測距撮像装置
２０ 固体撮像素子
２１ ＰＤ（受光部）
２２ 読み出しゲート（電荷読み出し部）
２３ ＶＣＣＤ
２４ ＨＣＣＤ
２５ 出力アンプ
３１（１）〜３３（１）、３１（２）〜３３（２）、６１（１）〜６６（１）、６１（２）〜６６（２） 信号電荷
５１ Ｓ０期間の信号電荷蓄積イメージ
５２ Ｓ１期間の信号電荷蓄積イメージ
５３ ＢＧ期間の信号電荷蓄積イメージ
１００ 受光装置
１０４ 光電変換素子
１０６ 光電子振分部
１０８ 光電子排出部
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
５１１ 検出部（シェーディング成分検出部）
５１２ Ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅ
５１３ 補正部
９００ 単位画素

Claims (9)

1. 光照射を指示する発光制御信号と、露光を指示する露光制御信号とを発生する駆動制御部と、
   前記発光制御信号を受信することにより前記光照射を行う光源部と、
   前記光照射に対する対象物体からの反射光に対し、前記露光制御信号を受信することにより前記露光を行い、撮像情報を取得する撮像部と、
   前記撮像情報を用いて前記対象物体までの距離情報を出力する画像処理部とを備え、
   前記撮像部は、
   前記露光によって電荷を生成する複数の受光部と、
   前記複数の受光部に１対１に対応して配置され、前記複数の受光部で生成された電荷を読み出す複数の電荷読み出し部とを有し、
   前記複数の電荷読み出し部の一部は、対応する受光部の左側に配置され、
   前記複数の電荷読み出し部の他部は、対応する受光部の右側に配置され、
   前記光源部による前記発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間を経て前記露光制御信号を受信し前記露光を行う第一の露光期間、及び、前記光源部による前記発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間より長い第二の遅延時間を経て前記露光制御信号を受信し前記露光を行う第二の露光期間のいずれにおいても、
   前記複数の電荷読み出し部の一部は、対応する受光部で生成された電荷を左へ読み出し、
   前記複数の電荷読み出し部の他部は、対応する受光部で生成された電荷を右へ読み出す
   測距撮像装置。
2. 前記画像処理部は、
   前記撮像情報を用いて、前記撮像部の前記複数の受光部及び前記複数の電荷読み出し部を含む撮像領域内誤差である面内シェーディング成分を、前記撮像領域の分割領域ごとに検出するシェーディング成分検出部と、
   前記シェーディング成分検出部で検出された前記分割領域ごとのシェーディング成分を保存するＬｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅと、
   前記Ｌｏｏｋｕｐ ｔａｂｌｅに保存されている前記分割領域ごとのシェーディング成分に基づいて前記距離情報の面内シェーディングを補正して出力する補正部とを備える
   請求項１に記載の測距撮像装置。
3. 測距撮像装置に用いられる固体撮像素子であって、
   前記測距撮像装置は、
   光照射を指示する発光制御信号と、露光を指示する露光制御信号とを発生する駆動制御部と、
   前記発光制御信号を受信することにより前記光照射を行う光源部と、
   前記固体撮像素子で取得される撮像情報を用いて対象物体までの距離情報を出力する画像処理部とを有し、
   前記固体撮像素子は、
   前記光照射に対する前記対象物体からの反射光に対し、前記露光制御信号を受信することにより前記露光を行い、前記撮像情報を取得し、
   前記露光によって電荷を生成する複数の受光部と、
   前記複数の受光部に１対１に対応して配置され、前記複数の受光部で生成された電荷を読み出す複数の電荷読み出し部とを有し、
   前記複数の電荷読み出し部の一部は、対応する受光部の左側に配置され、
   前記複数の電荷読み出し部の他部は、対応する受光部の右側に配置され、
   前記光源部による前記発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間を経て前記露光制御信号を受信し前記露光を行う第一の露光期間、及び、前記光源部による前記発光制御信号の受信タイミングに対して第一の遅延時間より長い第二の遅延時間を経て前記露光制御信号を受信し前記露光を行う第二の露光期間のいずれにおいても、
   前記複数の電荷読み出し部の一部は、対応する受光部で生成された電荷を左へ読み出し、
   前記複数の電荷読み出し部の他部は、対応する受光部で生成された電荷を右へ読み出す
   固体撮像素子。
4. 前記固体撮像素子は、さらに、前記露光制御信号を受け取るための複数のボンディングパッドであって、前記複数の受光部及び前記複数の電荷読み出し部を含む撮像領域を挟んで少なくとも上下方向に対向する位置に配置された複数のボンディングパッドを備える
   請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記固体撮像素子は、ＣＣＤ型固体撮像素子であり、
   前記露光制御信号は、前記複数の受光部の電荷を掃き捨てるための基板電圧を含む
   請求項３または４に記載の固体撮像素子。
6. 測距撮像装置に用いられる固体撮像素子であって、
   半導体基板に設けられ、露光によって電荷を生成する複数の受光部と、
   前記複数の受光部に１対１に対応して配置され、前記複数の受光部で生成された電荷を読み出す複数の電荷読み出し部と、
   前記複数の受光部の露光を指示する露光制御信号を受け取るための複数のボンディングパッドとを有し、
   前記複数の電荷読み出し部の一部は、対応する受光部の左側に配置され、対応する受光部で生成された電荷を左へ読み出し、
   前記複数の電荷読み出し部の他部は、対応する受光部の右側に配置され、対応する受光部で生成された電荷を右へ読み出し、
   前記複数のボンディングパッドは、前記複数の受光部及び前記複数の電荷読み出し部を含む撮像領域を挟んで少なくとも上下方向に対向する位置に配置されている
   固体撮像素子。
7. 前記複数の受光部は行列状に配置され、
   左に電荷が読み出される受光部と右に電荷が読み出される受光部とは、列方向および行方向に交互に配置されている
   請求項６に記載の固体撮像素子。
8. 前記固体撮像素子は、ＣＣＤ型の固体撮像素子であり、
   前記露光制御信号は、前記複数の受光部の電荷を掃き捨てるための基板電圧を含む
   請求項６または７に記載の固体撮像素子。
9. 行列状に配置された前記複数の受光部のうち、奇数行目の露光・読み出し時刻と偶数行目の露光・読み出し時刻とが異なる
   請求項６または７に記載の固体撮像素子。

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