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特開2024-83834距離画像撮像素子、距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024083834
(43)【公開日】2024-06-24
(54)【発明の名称】距離画像撮像素子、距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法
(51)【国際特許分類】
G01S 7/4863 20200101AFI20240617BHJP
G01S 17/894 20200101ALI20240617BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20240617BHJP
【ＦＩ】
G01S7/4863
G01S17/894
G01C3/06 120Q
G01C3/06 140
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022197882
(22)【出願日】2022-12-12
(71)【出願人】
【識別番号】000003193
【氏名又は名称】ＴＯＰＰＡＮホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100139686
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 史朗
(74)【代理人】
【識別番号】100169764
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100147267
【弁理士】
【氏名又は名称】大槻 真紀子
(72)【発明者】
【氏名】大久保 優
【テーマコード（参考）】
2F112
5J084
【Ｆターム（参考）】
2F112AD01
2F112BA06
2F112CA12
2F112DA25
2F112DA28
2F112EA05
2F112FA03
2F112FA07
2F112FA21
2F112FA45
2F112GA01
5J084AA05
5J084AD01
5J084BA04
5J084BA17
5J084BA20
5J084BA36
5J084BA40
5J084BB02
5J084CA03
5J084CA20
5J084CA49
5J084CA55
5J084CA67
5J084CA69
5J084EA04
(57)【要約】
【課題】電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積させる蓄積時間が一定となるように、電荷転送ゲートまたは電荷排出ゲートを駆動させる。
【解決手段】測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた電荷転送トランジスタと、前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタとを少なくとも備える画素回路が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子であって、前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられ、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタは、前記光電変換素子と電気的に接続されないフローティングである。
【選択図】図４
【解決手段】測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた電荷転送トランジスタと、前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタとを少なくとも備える画素回路が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子であって、前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられ、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタは、前記光電変換素子と電気的に接続されないフローティングである。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた電荷転送トランジスタと、前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタとを少なくとも備える画素回路が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子であって、
前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、
前記電荷転送トランジスタは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられ、
前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられ、
２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタは、前記光電変換素子と電気的に接続されないフローティングである、
ことを特徴とする距離画像撮像素子。
前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、
前記電荷転送トランジスタは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられ、
前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられ、
２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタは、前記光電変換素子と電気的に接続されないフローティングである、
ことを特徴とする距離画像撮像素子。
【請求項2】
前記光電変換素子の長辺に平行であり当該光電変換素子の中心を通るｘ軸に対して線対称となるように、当該長辺の各々にＭ個の前記電荷転送トランジスタがそれぞれ対向して形成され、
前記電荷排出トランジスタが前記光電変換素子の短辺に設けられている、
請求項１に記載の距離画像撮像素子。
前記電荷排出トランジスタが前記光電変換素子の短辺に設けられている、
請求項１に記載の距離画像撮像素子。
【請求項3】
前記電荷転送トランジスタが、前記短辺に平行で、前記光電変換素子の中心を通るｙ軸に対して線対称の位置に形成されている、
請求項２に記載の距離画像撮像素子。
請求項２に記載の距離画像撮像素子。
【請求項4】
前記電荷蓄積部が、前記ｘ軸に対して線対称に形成されている、
請求項２に記載の距離画像撮像素子。
請求項２に記載の距離画像撮像素子。
【請求項5】
測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた電荷転送トランジスタと、前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタとを少なくとも有する画素回路が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子を備える受光部と、
前記距離画像撮像素子における前記電荷転送トランジスタ及び前記電荷排出トランジスタの駆動を制御する距離画像処理部と、
を備え、
前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、
前記電荷転送トランジスタは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられ、
前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられ、
前記距離画像処理部は、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタを、前記電荷を排出するか蓄積するかに関わらず、オフ状態に維持する、
ことを特徴とする距離画像撮像装置。
前記距離画像撮像素子における前記電荷転送トランジスタ及び前記電荷排出トランジスタの駆動を制御する距離画像処理部と、
を備え、
前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、
前記電荷転送トランジスタは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられ、
前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられ、
前記距離画像処理部は、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタを、前記電荷を排出するか蓄積するかに関わらず、オフ状態に維持する、
ことを特徴とする距離画像撮像装置。
【請求項6】
前記距離画像処理部は、
前記電荷を排出する場合、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうちの第１電荷排出トランジスタをオン状態とし、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうちの前記第１電荷排出トランジスタとは他電荷排出トランジスタをオフ状態とし、
前記電荷を排出する状態から、前記電荷を蓄積する状態に切替える場合、前記第１電荷排出トランジスタをオフ状態とすると共に、前記電荷転送トランジスタをオン状態とし、前記他電荷排出トランジスタをオフ状態に維持する、
請求項５に記載の距離画像撮像装置。
前記電荷を排出する場合、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうちの第１電荷排出トランジスタをオン状態とし、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうちの前記第１電荷排出トランジスタとは他電荷排出トランジスタをオフ状態とし、
前記電荷を排出する状態から、前記電荷を蓄積する状態に切替える場合、前記第１電荷排出トランジスタをオフ状態とすると共に、前記電荷転送トランジスタをオン状態とし、前記他電荷排出トランジスタをオフ状態に維持する、
請求項５に記載の距離画像撮像装置。
【請求項7】
前記電荷排出トランジスタは、２個設けられ、
前記距離画像処理部は、第１駆動制御および第２駆動制御を、予め定められた駆動回数ごとに交互に実行し、
前記第１駆動制御は、２個の前記電荷排出トランジスタのうちの第１電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタをオン状態に切替える場合に、オフ状態に切替わるように制御し、２個の前記電荷排出トランジスタのうち前記第１電荷排出トランジスタと異なる第２電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態であるかオフ状態であるかに関わらず、オフ状態に維持する制御であり、
前記第２駆動制御は、前記第２電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態に切替える場合に、オフ状態に切替わるように制御し、前記第１電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態であるかオフ状態であるかに関わらず、オフ状態に維持する制御である、
請求項５に記載の距離画像撮像装置。
前記距離画像処理部は、第１駆動制御および第２駆動制御を、予め定められた駆動回数ごとに交互に実行し、
前記第１駆動制御は、２個の前記電荷排出トランジスタのうちの第１電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタをオン状態に切替える場合に、オフ状態に切替わるように制御し、２個の前記電荷排出トランジスタのうち前記第１電荷排出トランジスタと異なる第２電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態であるかオフ状態であるかに関わらず、オフ状態に維持する制御であり、
前記第２駆動制御は、前記第２電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態に切替える場合に、オフ状態に切替わるように制御し、前記第１電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態であるかオフ状態であるかに関わらず、オフ状態に維持する制御である、
請求項５に記載の距離画像撮像装置。
【請求項8】
測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた電荷転送トランジスタと、前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタとを少なくとも備える画素回路が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子が備えられた受光部と、前記距離画像撮像素子における前記電荷転送トランジスタ及び前記電荷排出トランジスタの駆動を制御する距離画像処理部と、を備え、前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、前記電荷転送トランジスタは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられ、前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられる距離画像撮像装置が行う距離画像撮像方法であって、
前記距離画像処理部は、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタを、前記電荷を排出するか蓄積するかに関わらず、オフ状態に維持する、
ことを特徴とする距離画像撮像方法。
前記距離画像処理部は、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタを、前記電荷を排出するか蓄積するかに関わらず、オフ状態に維持する、
ことを特徴とする距離画像撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、距離画像撮像素子、距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、光の速度が既知であることを利用し、空間（測定空間）における光の飛行時間に基づいて測定器と対象物との距離を測定する、タイム・オブ・フライト（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ、以下「ＴＯＦ」という）方式の距離画像センサが実現されている（例えば、特許文献１参照）。
【0003】
ＴＯＦ方式の距離画像センサは、光電変換素子が入射される光の光量を電荷に変換し、変換した電荷を電荷蓄積部に蓄積している。そのため、光電変換素子から電荷蓄積部へ電荷を転送するために、電荷蓄積部の各々には電荷を転送する電荷転送ゲート（トランジスタ）が設けられている。また、電荷を蓄積させることなく排出する期間（ドレイン期間）において光電変換素子が変換した電荷を排出する電荷排出ゲート（トランジスタ）が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第４２３５７２９号公報
【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、排出していた電荷をある電荷蓄積部に蓄積させるように切替えるタイミングと、ある電荷蓄積部に蓄積させていた電荷を別の電荷蓄積部に蓄積させるように切替えるタイミングとにおいて、切替時に駆動する電荷転送ゲートまたは電荷排出ゲートの数が異なる場合がある。
【0006】
この場合、トランジスタを駆動させる際の負荷がタイミングにより異なることに起因して、電荷の排出又は蓄積などを制御する制御パルスの特性が変化する場合がある。制御パルスの特性が変化してしまうと、電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積させる蓄積時間の時間幅が変動してしまい、距離を測定する精度が劣化する要因になる。
【0007】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積させる蓄積時間が一定となるように、電荷転送ゲートまたは電荷排出ゲートを駆動させることができる距離画像撮像素子、距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した課題を解決するために、本発明の距離画像撮像素子は、測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた電荷転送トランジスタと、前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタとを少なくとも備える画素回路が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子であって、前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、前記電荷転送トランジスタは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられ、前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられ、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタは、前記光電変換素子と電気的に接続されないフローティングである、ことを特徴とする。
【0009】
本発明の距離画像撮像素子は、前記光電変換素子の長辺に平行であり当該光電変換素子の中心を通るｘ軸に対して線対称となるように、当該長辺の各々にＭ個の前記電荷転送トランジスタがそれぞれ対向して形成され、前記電荷排出トランジスタが前記光電変換素子の短辺に設けられている。
【0010】
本発明の距離画像撮像素子は、前記電荷転送トランジスタが、前記短辺に平行で、前記光電変換素子の中心を通るｙ軸に対して線対称の位置に形成されている。
【0011】
本発明の距離画像撮像素子は、前記電荷蓄積部が、前記ｘ軸に対して線対称に形成されている。
【0012】
本発明の距離画像撮像装置は、測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた電荷転送トランジスタと、前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタとを少なくとも有する画素回路が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子を備える受光部と、前記距離画像撮像素子における前記電荷転送トランジスタ及び前記電荷排出トランジスタの駆動を制御する距離画像処理部と、を備え、前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、前記電荷転送トランジスタは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられ、前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられ、前記距離画像処理部は、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタを、前記電荷を排出するか蓄積するかに関わらず、オフ状態に維持する、ことを特徴とする。
【0013】
本発明の距離画像撮像装置は、前記距離画像処理部は、前記電荷を排出する場合、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうちの第１電荷排出トランジスタをオン状態とし、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうちの前記第１電荷排出トランジスタとは他電荷排出トランジスタをオフ状態とし、前記電荷を排出する状態から、前記電荷を蓄積する状態に切替える場合、前記第１電荷排出トランジスタをオフ状態とすると共に、前記電荷転送トランジスタをオン状態とし、前記他電荷排出トランジスタをオフ状態に維持する。
【0014】
本発明の距離画像撮像装置は、前記電荷排出トランジスタは、２個設けられ、前記距離画像処理部は、第１駆動制御および第２駆動制御を、予め定められた駆動回数ごとに交互に実行し、前記第１駆動制御は、２個の前記電荷排出トランジスタのうちの第１電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタをオン状態に切替える場合に、オフ状態に切替わるように制御し、２個の前記電荷排出トランジスタのうち前記第１電荷排出トランジスタと異なる第２電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態であるかオフ状態であるかに関わらず、オフ状態に維持する制御であり、前記第２駆動制御は、前記第２電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態に切替える場合に、オフ状態に切替わるように制御し、前記第１電荷排出トランジスタを、前記電荷転送トランジスタがオン状態であるかオフ状態であるかに関わらず、オフ状態に維持する制御である。
【0015】
本発明の距離画像撮像方法は、測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送経路上に設けられた電荷転送トランジスタと、前記光電変換素子から前記電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタとを少なくとも備える画素回路が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子が備えられた受光部と、前記距離画像撮像素子における前記電荷転送トランジスタ及び前記電荷排出トランジスタの駆動を制御する距離画像処理部と、を備え、前記光電変換素子の表面における平面視の形状が長方形であり、前記電荷転送トランジスタは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられ、前記電荷排出トランジスタは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられる距離画像撮像装置が行う距離画像撮像方法であって、前記距離画像処理部は、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうち少なくとも１個の前記電荷排出トランジスタを、前記電荷を排出するか蓄積するかに関わらず、オフ状態に維持する。
【発明の効果】
【0016】
以上説明したように、本発明によれば、電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積させる蓄積時間が一定となるように、電荷転送ゲートまたは電荷排出ゲートを駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】実施形態の距離画像撮像装置１の構成例を示すブロック図である。
【図2】実施形態の距離画像撮像素子（距離画像センサ３２）の構成例を示すブロック図である。
【図3】実施形態の画素回路３２１の構成例を示す回路図である。
【図4】実施形態の画素回路３２１のレイアウトパターンの例を示す図である。
【図6】実施形態の画素回路３２１を駆動するタイミングの例を示すタイミングチャートである。
【図7】実施形態の画素回路３２１を駆動するタイミングの例を示すタイミングチャートである。
【図8】実施形態の画素回路３２１を駆動するタイミングの例を示すタイミングチャートである。
【図9】実施形態の画素回路３２１を駆動した例を示す図である。
【図10】実施形態の距離画像処理部４が行う処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、距離画像撮像装置１の構成例を示すブロック図である。距離画像撮像装置１は、例えば、光源部２と、受光部３と、距離画像処理部４とを備える。なお、図１には、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象物である被写体ＯＢも併せて示している。距離画像撮像素子は、例えば、受光部３における距離画像センサ３２（後述）である。
【0019】
光源部２は、距離画像処理部４からの制御に従って、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象の被写体ＯＢが存在する撮影対象の空間に光パルスＰＯを照射する。光源部２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）などの面発光型の半導体レーザーモジュールである。光源部２は、光源装置２１と、拡散板２２とを備える。
【0020】
光源装置２１は、被写体ＯＢに照射する光パルスＰＯとなる近赤外の波長帯域（例えば、波長が８５０ｎｍ～９４０ｎｍの波長帯域）のレーザー光を発光する光源である。光源装置２１は、例えば、半導体レーザー発光素子である。光源装置２１は、タイミング制御部４１からの制御に応じて、パルス状のレーザー光を発光する。拡散板２２は、光源装置２１が発光した近赤外の波長帯域のレーザー光を、被写体ＯＢに照射する面の広さに拡散する光学部品である。拡散板２２が拡散したパルス状のレーザー光が、光パルスＰＯとして出射され、被写体ＯＢに照射される。
【0021】
受光部３は、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象の被写体ＯＢによって反射された光パルスＰＯの反射光ＲＬを受光し、受光した反射光ＲＬに応じた画素信号を出力する。受光部３は、レンズ３１と、距離画像センサ３２とを備える。レンズ３１は、入射した反射光ＲＬを距離画像センサ３２に導く光学レンズである。レンズ３１は、入射した反射光ＲＬを距離画像センサ３２側に出射して、距離画像センサ３２の受光領域に備えた画素回路に受光（入射）させる。
【0022】
距離画像センサ３２は、距離画像撮像装置１に用いられる撮像素子である。距離画像センサ３２は、二次元の受光領域に複数の画素を備える。距離画像センサ３２のそれぞれの画素回路（画素回路３２１）の中に、１つの光電変換素子と、この１つの光電変換素子に対応する複数の電荷蓄積部と、それぞれの電荷蓄積部に電荷を振り分ける構成要素とが設けられる。
【0023】
距離画像センサ３２は、タイミング制御部４１からの制御に応じて、光電変換素子が発生した電荷をそれぞれの電荷蓄積部に振り分ける。また、距離画像センサ３２は、電荷蓄積部に振り分けられた電荷量に応じた画素信号を出力する。距離画像センサ３２には、複数の画素回路が二次元の行列状に配置されており、それぞれの画素回路の対応する１フレーム分の画素信号を出力する。
【0024】
距離画像処理部４は、距離画像撮像装置１を制御し、被写体ＯＢまでの距離を演算する。距離画像処理部４は、タイミング制御部４１と、距離演算部４２とを備える。タイミング制御部４１は、距離の測定に要する様々な制御信号を出力するタイミングを制御する。ここでの様々な制御信号とは、例えば、光パルスＰＯの照射を制御する信号や、反射光ＲＬを複数の電荷蓄積部に振り分ける信号、受光部３が受光した背景光などの光が電荷蓄積部に蓄積されないように電荷を排出する信号、及び１フレームあたりの振り分け回数を制御する信号などである。振り分け回数とは、電荷蓄積部ＣＳ（図３参照）に電荷を振り分ける処理を繰返す回数である。
【0025】
距離演算部４２は、距離画像センサ３２から出力された画素信号に基づいて、被写体ＯＢまでの距離を演算した距離情報を出力する。距離演算部４２は、複数の電荷蓄積部ＣＳに蓄積された電荷量に基づいて、光パルスＰＯを照射してから反射光ＲＬを受光するまでの遅延時間Ｔｄを算出する。距離演算部４２は、算出した遅延時間Ｔｄに応じて、距離画像撮像装置１から被写体ＯＢまでの距離を演算する。
【0026】
このような構成によって、距離画像撮像装置１では、光源部２が被写体ＯＢに照射した近赤外の波長帯域の光パルスＰＯが被写体ＯＢによって反射された反射光ＲＬを受光部３が受光し、距離画像処理部４が、被写体ＯＢと距離画像撮像装置１との距離を測定した距離情報を出力する。なお、図１においては、距離画像処理部４を内部に備えた構成の距離画像撮像装置１を示しているが、距離画像処理部４は、距離画像撮像装置１の外部に備える構成要素であってもよい。
【0027】
次に、距離画像撮像装置１において画像撮像素子として用いられる距離画像センサ３２の構成について説明する。図２は、画像撮像素子（距離画像センサ３２）の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、距離画像センサ３２は、例えば、複数の画素回路３２１が配置された受光領域３２０と、制御回路３２２と、振り分け動作を有した垂直走査回路３２３と、水平走査回路３２４と、画素信号処理回路３２５とを備える。
【0028】
受光領域３２０は、複数の画素回路３２１が配置された領域であって、図２では、８行８列に二次元の行列状に配置された例を示している。画素回路３２１は、受光した光量に相当する電荷を蓄積する。制御回路３２２は、例えば、距離画像処理部４のタイミング制御部４１からの指示に応じて、距離画像センサ３２の構成要素の動作を制御する。
【0029】
垂直走査回路３２３は、制御回路３２２からの制御に応じて、受光領域３２０に配置された画素回路３２１を行ごとに制御する回路である。垂直走査回路３２３は、画素回路３２１の電荷蓄積部ＣＳそれぞれに蓄積された電荷量に応じた電圧信号を画素信号処理回路３２５に出力させる。
【0030】
画素信号処理回路３２５は、制御回路３２２からの制御に応じて、それぞれの列の画素回路３２１から出力された電圧信号に対して、予め定めた信号処理（例えば、ノイズ抑圧処理やＡ／Ｄ変換処理など）を行う。水平走査回路３２４は、制御回路３２２からの制御に応じて、画素信号処理回路３２５から出力される信号を、順次、時系列に出力させる回路である。これにより、１フレーム分蓄積された電荷量に相当する画素信号が、距離画像処理部４に順次出力される。以下の説明においては、画素信号処理回路３２５がＡ／Ｄ変換処理を行い、画素信号がデジタル信号であるものとして説明する。
【0031】
ここで、距離画像センサ３２に備える受光領域３２０内に配置された画素回路３２１の構成について説明する。図３は、画素回路３２１の構成例を示す回路図である。図３の画素回路３２１は、４つの画素信号読み出し部を備えた構成例である。
【0032】
画素回路３２１は、１つの光電変換素子ＰＤと、電荷排出トランジスタＧＤ（後述するＧＤ１、ＧＤ２）と、対応する出力端子Ｏから電圧信号を出力する４つの画素信号読み出し部ＲＵ（ＲＵ１からＲＵ４）とを備える。画素信号読み出し部ＲＵのそれぞれは、電荷転送トランジスタＧと、フローティングディフュージョンＦＤと、電荷蓄積容量Ｃと、リセットトランジスタＲＴと、ソースフォロアトランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＬとを備える。フローティングディフュージョンＦＤと電荷蓄積容量Ｃとは、電荷蓄積部ＣＳを構成している。
【0033】
図３に示す画素回路３２１において、出力端子Ｏ１から電圧信号を出力する画素信号読み出し部ＲＵ１は、電荷転送トランジスタＧ１（転送ＭＯＳトランジスタ）と、フローティングディフュージョンＦＤ１と、電荷蓄積容量Ｃ１と、リセットトランジスタＲＴ１と、ソースフォロアトランジスタＳＦ１と、選択トランジスタＳＬ１とを備える。画素信号読み出し部ＲＵ１では、フローティングディフュージョンＦＤ１と電荷蓄積容量Ｃ１とによって電荷蓄積部ＣＳ１が構成されている。画素信号読み出し部ＲＵ２、ＲＵ３及びＲＵ４も同様の構成である。
【0034】
光電変換素子ＰＤは、入射した光を光電変換して、入射した光（入射光）に応じた電荷を発生させ、発生させた電荷を蓄積する埋め込み型のフォトダイオードである。本実施形態においては、入射光は測定対象の空間から入射される。画素回路３２１では、光電変換素子ＰＤが入射光を光電変換して発生させた電荷を４つの電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに振り分け、振り分けられた電荷の電荷量に応じたそれぞれの電圧信号を、画素信号処理回路３２５に出力する。
【0035】
また、画素回路３２１の構成は、図３に示すような、４つの画素信号読み出し部ＲＵ（ＲＵ１からＲＵ４）を備えた構成に限定されるものではない。画素回路３２１は、例えば、画素信号読み出し部ＲＵが２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個以上の複数の画素信号読み出し部ＲＵを備えた構成の画素回路でもよい。すなわち、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個以上の電荷転送トランジスタＧが備えられた構成の画素回路でもよい。
【0036】
また、画素回路３２１の構成は、図３に示すような、電荷排出トランジスタＧＤ（後述するＧＤ１、ＧＤ２）と、を備えた構成に限定されるものではない。画素回路３２１は、例えば、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個以上の複数の電荷排出トランジスタＧＤを備えた構成の画素回路でもよい。
【0037】
【0038】
ここでの各トランジスタとは、画素回路３２１を構成する集積回路であり、具体的には、電荷転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４と、ソースフォロアトランジスタＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ３及びＳＦ４と、選択トランジスタＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３及びＳＬ４と、リセットトランジスタＲＴ１、ＲＴ２、ＲＴ３及びＲＴ４と、電荷排出トランジスタＧＤ１及びＧＤ２と、光電変換素子ＰＤである。上述したトランジスタの各々は、すべて、ｐ型の半導体基板上に形成されたｎチャネル型のＭＯＳトランジスタである。
【0039】
図４の例に示すように、例えば、リセットトランジスタＲＴ１は、ｐ型の半導体基板上において、ドレインＲＴ１＿Ｄ（ｎ拡散層（ｎ型不純物の拡散層））と、ソースＲＴ１＿Ｓ（ｎ拡散層）とゲートＲＴ１＿Ｇとの各々で構成されている。
【0040】
また、コンタクトＲＴ１＿Ｃは、リセットトランジスタＲＴ１のドレインＲＴ１＿Ｄ（ｎ拡散層）と、ソースＲＴ１＿Ｓ（ｎ拡散層）との各々の拡散層に設けられた、不図示の配線と接続するコンタクトを示すパターンである。他の電荷転送トランジスタＧ１からＧ４、ソースフォロアトランジスタＳＦ１からＳＦ４、選択トランジスタＳＬ１からＳＬ４、リセットトランジスタＲＴ２からＲＴ４、電荷排出トランジスタＧＤ１及びＧＤ２も同様の構成をしている。
【0041】
光電変換素子ＰＤは、長方形の形状で形成されており、長辺ＰＤＬ１と、長辺ＰＤＬ１に平行に対向する長辺ＰＤＬ２と、短辺ＰＤＳ１と、短辺ＰＤＳ１に平行に対向する短辺ＰＤＳ２とから成る。
【0042】
ここで、ｘ軸は、光電変換素子ＰＤの長方形のパターンにおいて、当該長方形の短辺ＰＤＳ１（及びＰＤＳ２）に対して直交し（すなわち、長方形の長辺ＰＤＬ１、ＰＤＬ２に平行であり）、長方形の中心Ｏを通る軸である。また、ｙ軸は、ｘ軸に直交し、すなわち長方形の長辺ＰＤＬ１（及びＰＤＬ２）に直交し（長方形の短辺ＰＤＳ１、ＰＤＳ２に平行であり）、長方形の中心Ｏを通る軸である。
【0043】
電荷排出トランジスタＧＤ１は、短辺ＰＤＳ１におけるｘ軸上に配置される。
【0044】
電荷排出トランジスタＧＤ２は、短辺ＰＤＳ２におけるｘ軸上に配置され、電荷排出トランジスタＧＤ１と、ｙ軸に対して線対称となる位置に配置される。すなわち、電荷排出トランジスタＧＤ２は、短辺ＰＤＳ２におけるｘ軸上に、電荷排出トランジスタＧＤ１とｘ軸に対して線対称となるように配置される。
【0045】
上述したように、電荷排出トランジスタＧＤ１及びＧＤ２の各々は、ｘ軸上に配置され、かつｙ軸から同一の距離に配置される。したがって、電荷排出トランジスタＧＤ１及びＧＤ２の各々は、光電変換素子ＰＤの中心Ｏから同一の距離に配置されている。
【0046】
電荷転送トランジスタＧ１及びＧ２は、長辺ＰＤＬ１において、ｙ軸に対して線対称となる位置に配置される。
電荷転送トランジスタＧ３及びＧ４は、長辺ＰＤＬ２において、ｙ軸に対して線対称となる位置に配置される。
電荷転送トランジスタＧ３は、電荷転送トランジスタＧ１と、ｘ軸に対して線対称となる位置に配置される。
電荷転送トランジスタＧ４は、電荷転送トランジスタＧ２と、ｘ軸に対して線対称となる位置に配置される。
電荷転送トランジスタＧ３及びＧ４は、長辺ＰＤＬ２において、ｙ軸に対して線対称となる位置に配置される。
電荷転送トランジスタＧ３は、電荷転送トランジスタＧ１と、ｘ軸に対して線対称となる位置に配置される。
電荷転送トランジスタＧ４は、電荷転送トランジスタＧ２と、ｘ軸に対して線対称となる位置に配置される。
【0047】
上述したように、電荷転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４の各々は、それぞれｘ軸、ｙ軸及び中心Ｏのそれぞれから同一の距離となるように配置されている。
また、電荷転送トランジスタＧ１からＧ４の各々は、同一のサイズ（チャネル長及びチャネル幅が同一）であり、同様のトランジスタ特性を有している。
これにより、光電変換素子ＰＤが生成した電荷を同一の転送効率（転送特性）とすることができ、電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４の各々に同一の転送特性にて電荷を蓄積させることが可能となる。したがって、被写体と距離画像撮像装置との間の距離を高い精度で求めることができる。
また、電荷転送トランジスタＧ１からＧ４の各々は、同一のサイズ（チャネル長及びチャネル幅が同一）であり、同様のトランジスタ特性を有している。
これにより、光電変換素子ＰＤが生成した電荷を同一の転送効率（転送特性）とすることができ、電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４の各々に同一の転送特性にて電荷を蓄積させることが可能となる。したがって、被写体と距離画像撮像装置との間の距離を高い精度で求めることができる。
【0048】
リセットトランジスタＲＴ１及びＲＴ２の各々は、リセットトランジスタＲＴ３、ＲＴ４それぞれと、ｘ軸に対して線対称に配置されている。
また、ソースフォロアトランジスタＳＦ１及びＳＦ２の各々は、ソースフォロアトランジスタＳＦ３及びＳＦ４それぞれと、ｘ軸に対して線対称に配置されている。
また、選択トランジスタＳＬ１及びＳＬ２の各々は、選択トランジスタＳＬ３及びＳＬ４それぞれと、ｘ軸に対して線対称に配置されている。
また、ソースフォロアトランジスタＳＦ１及びＳＦ２の各々は、ソースフォロアトランジスタＳＦ３及びＳＦ４それぞれと、ｘ軸に対して線対称に配置されている。
また、選択トランジスタＳＬ１及びＳＬ２の各々は、選択トランジスタＳＬ３及びＳＬ４それぞれと、ｘ軸に対して線対称に配置されている。
【0049】
なお、図４においては、画素回路３２１の半導体基板上における各トランジスタの各々の配置を示すものであり、配線パターン及び電荷蓄積容量（Ｃ１からＣ４）の各々は省略されている。例えば、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々は、フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３、ＦＤ４それぞれの位置に配置されている。
【0050】
ここで、図５を用いて、電荷を蓄積または排出する制御を行う際に主に駆動されるトランジスタ、具体的には、光電変換素子ＰＤと電荷転送トランジスタＧと電荷排出トランジスタＧＤの配置関係について説明する。
【0051】
【0052】
図５の例に示すように、電荷排出トランジスタＧＤ１は、ドレインＧＤ１＿Ｄと、ゲートＧＤ１＿Ｇと、ソース（光電変換素子ＰＤのｎ拡散層）とから形成されている。ドレインＧＤ１＿Ｄは、コンタクト及び配線を介して電源ＶＤＤと接続されている。
【0053】
電荷排出トランジスタＧＤ１は、ゲートＧＤ１＿Ｇに「Ｈ」レベルのゲート電圧が印加されることにより、光電変換素子ＰＤに生成された電荷（電子）を、ドレインＧＤ１＿Ｄに転送する。そして、ドレインＧＤ１＿Ｄは、光電変換素子ＰＤから転送された電荷を電源ＶＤＤに排出する。
【0054】
電荷排出トランジスタＧＤ２は、電荷排出トランジスタＧＤ１と同様の構成であり、ドレインＧＤ２＿Ｄと、ゲートＧＤ２＿Ｇと、ソース（光電変換素子ＰＤのｎ拡散層）とから形成されている。ドレインＧＤ２＿Ｄは、コンタクト及び配線を介して電源ＶＤＤと接続されている。
【0055】
電荷排出トランジスタＧＤ２は、ゲートＧＤ２＿Ｇに「Ｈ」レベルのゲート電圧が印加されることにより、光電変換素子ＰＤに生成された電荷（電子）を、ドレインＧＤ２＿Ｄに転送する。そして、ドレインＧＤ２＿Ｄは、光電変換素子ＰＤから転送された電荷を電源ＶＤＤに排出する。
【0056】
電荷転送トランジスタＧ１は、ドレインＧ１＿ＤとしてのフローティングディフュージョンＦ１と、ゲートＧ１＿Ｇと、ソース（光電変換素子ＰＤのｎ拡散層）とから形成されている。フローティングディフュージョンＦＤ１には、電荷蓄積部ＣＳ１が形成されている。ドレインＧ１＿Ｄは、コンタクト及び配線を介して、ソースフォロアトランジスタＳＦ１のゲートＳＦ１＿Ｇ、及びリセットトランジスタＲＴ１のソースＲＴ１＿Ｓの各々に接続されている。
【0057】
電荷転送トランジスタＧ１は、ゲートＧ１＿Ｇに「Ｈ」レベルのゲート電圧が印加されることにより、光電変換素子ＰＤに生成された電荷（電子）を、ドレインＧ１＿ＤとしてのフローティングディフュージョンＦ１に転送する。そして、フローティングディフュージョンＦＤ１は、光電変換素子ＰＤから転送された電荷を蓄積する。
電荷転送トランジスタＧ２、Ｇ３及びＧ４の各々は、電荷転送トランジスタＧ１と同様の構成である。
電荷転送トランジスタＧ２、Ｇ３及びＧ４の各々は、電荷転送トランジスタＧ１と同様の構成である。
【0058】
ここで、距離画像処理部４が画素回路３２１を駆動する制御、つまり電荷を蓄積または排出する制御について、図６～図８を用いて説明する。図６～図８は、画素回路３２１を駆動するタイミングの例を示すタイミングチャートである。
【0059】
【0060】
図６～図８では、「Ｇ１」で示す制御パルスにおいて、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させる電荷転送トランジスタＧ１の開閉タイミングが示されている。
また、「Ｇ２」で示す制御パルスにおいて、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させる電荷転送トランジスタＧ２の開閉タイミングが示されている。
また、「Ｇ３」で示す制御パルスにおいて、電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させる電荷転送トランジスタＧ３の開閉タイミングが示されている。
また、「Ｇ４」で示す制御パルスにおいて、電荷蓄積部ＣＳ４に電荷を蓄積させる電荷転送トランジスタＧ４の開閉タイミングが示されている。
また、「ＧＤ」で示す制御パルスにおいて、電荷を排出させる電荷排出トランジスタＧＤの開閉タイミングが示されている。
また、「Ｇ２」で示す制御パルスにおいて、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させる電荷転送トランジスタＧ２の開閉タイミングが示されている。
また、「Ｇ３」で示す制御パルスにおいて、電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させる電荷転送トランジスタＧ３の開閉タイミングが示されている。
また、「Ｇ４」で示す制御パルスにおいて、電荷蓄積部ＣＳ４に電荷を蓄積させる電荷転送トランジスタＧ４の開閉タイミングが示されている。
また、「ＧＤ」で示す制御パルスにおいて、電荷を排出させる電荷排出トランジスタＧＤの開閉タイミングが示されている。
【0061】
距離画像処理部４は、光源部２を制御し、光パルスＰＯが照射時間Ｔｏで照射されるように制御する。照射された光パルスＰＯは被写体ＯＢに反射し、例えば、遅延時間Ｔｄ遅れた反射光ＲＬが距離画像センサ３２に受光される。距離画像センサ３２に受光された反射光ＲＬは、光電変換素子ＰＤによって電荷に変換される。
【0062】
そして、距離画像処理部４は、光パルスＰＯを照射させた照射タイミングに応じた蓄積タイミングにおいて、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の順にそれぞれに電荷を蓄積させる制御を行う。距離画像処理部４は、電荷蓄積部ＣＳに電荷を蓄積させる駆動をさせた後、電荷を排出する制御を行う。距離画像処理部４は、このような動作を照射タイミングに応じて繰返し行う。
【0063】
まず、図６を用いて、距離画像処理部４が画素回路３２１を駆動する制御を説明する。図６には、距離画像処理部４が、電荷転送トランジスタＧ１～Ｇ４、および電荷排出トランジスタＧＤの開閉を制御する制御パルスのタイミングが示されている。
【0064】
まず、画素回路３２１は、電荷を排出する状態に制御されているとする。この場合、距離画像処理部４は、電荷転送トランジスタＧ１～Ｇ４をオフ状態に制御すると共に、電荷排出トランジスタＧＤをオン状態に制御する。これにより、電荷が排出される。
【0065】
この場合、図６の「Ｇ１」、「Ｇ２」、「Ｇ３」、および「Ｇ４」に対応する制御パルスは「Ｌｏｗ」であり、「ＧＤ」に対応する制御パルスは「Ｈｉｇｈ」である。
【0066】
次に、距離画像処理部４は、光パルスＰＯの照射タイミングに同期させた蓄積タイミングにおいて、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させる制御を行う。この場合、距離画像処理部４は、例えば時間Ｔ１において、電荷排出トランジスタＧＤをオフ状態に切替える。また、距離画像処理部４は、電荷転送トランジスタＧ１をオン状態に切替える。これにより、電荷は、電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積される。
【0067】
この場合、時間Ｔ１において、図６の「ＧＤ」に対応する制御パルスは「Ｌｏｗ」に切替わり、「Ｇ１」に対応する制御パルスは「Ｈｉｇｈ」に切替わる。
【0068】
次に、距離画像処理部４は、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させる制御を行う。この場合、距離画像処理部４は、例えば時間Ｔ２において、電荷転送トランジスタＧ１をオフ状態に切替える。また、距離画像処理部４は、電荷転送トランジスタＧ２をオン状態に切替える。これにより、電荷は、電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積される。
【0069】
この場合、時間Ｔ２において、図６の「Ｇ１」に対応する制御パルスは「Ｌｏｗ」に切替わり、「Ｇ２」に対応する制御パルスは「Ｈｉｇｈ」に切替わる。
【0070】
次に、距離画像処理部４は、電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させる制御を行う。この場合、距離画像処理部４は、例えば時間Ｔ３において、電荷転送トランジスタＧ２をオフ状態に切替える。また、距離画像処理部４は、電荷転送トランジスタＧ３をオン状態に切替える。これにより、電荷は、電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積される。
【0071】
この場合、時間Ｔ３において、図６の「Ｇ２」に対応する制御パルスは「Ｌｏｗ」に切替わり、「Ｇ３」に対応する制御パルスは「Ｈｉｇｈ」に切替わる。
【0072】
次に、距離画像処理部４は、電荷蓄積部ＣＳ４に電荷を蓄積させる制御を行う。この場合、距離画像処理部４は、例えば時間Ｔ４において、電荷転送トランジスタＧ３をオフ状態に切替える。また、距離画像処理部４は、電荷転送トランジスタＧ４をオン状態に切替える。これにより、電荷は、電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積される。
【0073】
この場合、時間Ｔ４において、図６の、「Ｇ３」に対応する制御パルスは「Ｌｏｗ」に切替わり、「Ｇ４」に対応する制御パルスは「Ｈｉｇｈ」に切替わる。
【0074】
次に、距離画像処理部４は、電荷を排出させる制御を行う。この場合、距離画像処理部４は、例えば時間Ｔ５において、電荷転送トランジスタＧ４をオフ状態に切替える。また、距離画像処理部４は、電荷排出トランジスタＧＤをオン状態に切替える。これにより、電荷は、排出される。
【0075】
この場合、時間Ｔ５において、図６の、「Ｇ４」に対応する制御パルスは「Ｌｏｗ」に切替わり、「ＧＤ」に対応する制御パルスは「Ｈｉｇｈ」に切替わる。
【0076】
図６の例では、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷が蓄積される蓄積時間は、「ＧＤ」に対応する制御パルスが「Ｌｏｗ」に切替わると共に「Ｇ１」に対応する制御パルスが「Ｈｉｇｈ」に切替わった時間Ｔ１から、「Ｇ１」に対応する制御パルスが「Ｌｏｗ」に切替わった時間Ｔ２までの時間である。
【0077】
同様に、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷が蓄積される蓄積時間は、時間Ｔ２から時間Ｔ３までの時間である。電荷蓄積部ＣＳ３に電荷が蓄積される蓄積時間は、時間Ｔ３から時間Ｔ４までの時間である。電荷蓄積部ＣＳ４に電荷が蓄積される蓄積時間は、時間Ｔ４から時間Ｔ５までの時間である。
【0078】
ここで、実際の制御パルスの波形形状は、寄生容量などの影響を受けることから、理想的な矩形形状にはならない。図７に示すように、制御パルスの立ち上がり、及び立下りに波形なまりが発生する。この場合、波形なまりにより、蓄積時間が変化する可能性がある。
【0079】
例えば、制御パルスが、閾値ｔｈを上回った場合に「Ｈｉｇｈ」になり、閾値ｔｈを下回った場合に「Ｌｏｗ」になったと仮定する。
【0080】
図７の例では、「ＧＤ」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ１に対応する時間Ｔ１＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
また、「Ｇ１」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ２に対応する時間Ｔ２＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
また、「Ｇ２」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ３に対応する時間Ｔ３＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
また、「Ｇ３」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ４に対応する時間Ｔ４＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
また、「Ｇ４」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ５に対応する時間Ｔ５＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
また、「Ｇ１」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ２に対応する時間Ｔ２＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
また、「Ｇ２」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ３に対応する時間Ｔ３＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
また、「Ｇ３」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ４に対応する時間Ｔ４＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
また、「Ｇ４」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回った点Ｐ５に対応する時間Ｔ５＃において「Ｌｏｗ」に切替わる。
【0081】
この場合、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷が蓄積される蓄積時間は、「ＧＤ」に対応する制御パルスが「Ｌｏｗ」に切替わると共に「Ｇ１」に対応する制御パルスが「Ｈｉｇｈ」に切替わった時間Ｔ１＃から、「Ｇ１」に対応する制御パルスが「Ｌｏｗ」に切替わった時間Ｔ２＃までの時間である。
【0082】
同様に、図７の例では、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷が蓄積される蓄積時間は、時間Ｔ２＃から時間Ｔ３＃までの時間である。電荷蓄積部ＣＳ３に電荷が蓄積される蓄積時間は、時間Ｔ３＃から時間Ｔ４＃までの時間である。電荷蓄積部ＣＳ４に電荷が蓄積される蓄積時間は、時間Ｔ４＃から時間Ｔ５＃までの時間である。
【0083】
ここで、制御パルスのそれぞれに発生した波形なまり、特に立下り特性が同じような特性を示す場合、波形なまりが発生していない場合と比較して、遅延が生じるものの、蓄積時間は波形なまりが発生していない場合とほぼ同じ時間間隔になると考えられる。
【0084】
例えば、図４及び図５において説明したように、例えば、電荷転送トランジスタＧおよび電荷排出トランジスタＧＤのそれぞれのトランジスタを、ｐ型の半導体基板上に形成されたｎチャネル型のＭＯＳトランジスタで揃え、更に、トランジスタのサイズを同一のサイズ（チャネル長及びチャネル幅が同一）とし、同様のトランジスタ特性を有するものとすることにより、制御パルスのそれぞれに発生する波形なまりを、同じような特性とすることが考えられる。
【0085】
ここで、図４及び図５に示すように、１つの画素回路３２１に対し、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷排出トランジスタＧＤ１およびＧＤ２の２つ配置されている。一方、「Ｇ１」、「Ｇ２」、「Ｇ３」及び「Ｇ４」のそれぞれに対応する電荷転送トランジスタＧ１～Ｇ４は、１つの画素回路３２１に対し１つ配置されている。
【0086】
距離画像処理部４が、「ＧＤ」に対応する制御パルスにて、電荷排出トランジスタＧＤ１およびＧＤ２の２つのトランジスタを制御し、「Ｇ１」、「Ｇ２」、「Ｇ３」及び「Ｇ４」のそれぞれに対応する制御パルスにて、電荷転送トランジスタＧ１～Ｇ４のうちの１つのトランジスタを制御することか考えられる。
【0087】
この場合、「ＧＤ」に対応する制御パルスの方が、「Ｇ１」、「Ｇ２」、「Ｇ３」及び「Ｇ４」のそれぞれに対応する制御パルスよりも、制御パルスが受ける負荷が大きくなると考えられる。このため、「ＧＤ」に対応する制御パルスにて２つのトランジスタを制御した場合、制御パルスの立下り特性は、「Ｇ１」、「Ｇ２」、「Ｇ３」及び「Ｇ４」のそれぞれに対応する制御パルスよりも、傾きがより緩やかになると考えられる。
【0088】
図８には、「ＧＤ」に対応する制御パルスに、他の制御パルスより大きな負荷がかかる場合のタイミングチャートの例が模式的に示されている。
【0089】
図８に示すように、「ＧＤ」に対応する制御パルスに大きな負荷がかかる場合、制御パルスの立下り特性は、他の制御パルスより、傾きがより緩やかになる。
【0090】
電荷蓄積部ＣＳ１に電荷が蓄積される蓄積時間は、時間Ｔ１＃＃から時間Ｔ２＃までの時間である。具体的には、「ＧＤ」に対応する制御パルスが閾値ｔｈを下回る点Ｐ１＃に対応する時間Ｔ１＃＃は、点Ｐ１＃よりも遅れる。
【0091】
この場合、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷が蓄積される蓄積時間は、他の電荷蓄積に電荷を蓄積させる蓄積時間よりも短くなる。このように、電荷蓄積部ＣＳによって蓄積時間が異なる場合、距離画像処理部４が算出する距離の精度が劣化する要因となる。
【0092】
この対策として、本実施形態では、「ＧＤ」に対応する制御パルスにて駆動させる電荷排出トランジスタＧＤの数を減らし、制御パルスにかかる負荷を低減させるようにした。
【0093】
具体的に、距離画像処理部４は、「ＧＤ」に対応する制御パルスにて、電荷排出トランジスタＧＤ１およびＧＤ２の２つのトランジスタのうち一方（例えば、電荷排出トランジスタＧＤ１）のみを、電荷の蓄積または排出に応じてオン状態またはオフ状態に制御し、他方（例えば、電荷排出トランジスタＧＤ２）を電荷の蓄積または排出に関わらずオフ状態に維持する。
【0094】
例えば、距離画像処理部４は、電荷を排出する場合、電荷排出トランジスタＧＤ１をオン状態とし、電荷排出トランジスタＧＤ２をオフ状態とする。距離画像処理部４は、電荷を排出する状態から、電荷を蓄積する状態に切替える場合、電荷排出トランジスタＧＤ１をオフ状態とすると共に、電荷転送トランジスタＧ１をオン状態とし、電荷排出トランジスタＧＤ２をオフ状態に維持する。
【0095】
或いは、距離画像撮像装置１において、一方（例えば、電荷排出トランジスタＧＤ１）をオン状態またはオフ状態にする制御が可能となるように配線し、他方（例えば、電荷排出トランジスタＧＤ２）はフローティングとして、電荷を排出する機能を実行しないように配置してもよい。
【0096】
ここで、本実施形態では、画素回路３２１には２つの電荷排出トランジスタＧＤが対称となるように配置されている。
【0097】
具体的には、光電変換素子ＰＤの長辺ＰＤＬに平行であり、光電変換素子ＰＤの中心Ｏを通るｘ軸に対して線対称となるように、長辺ＰＤＬの各々に２個の電荷転送トランジスタＧがそれぞれ対向して形成される。また、光電変換素子ＰＤの短辺ＰＤＳの各々に１個の電荷排出トランジスタＧＤが設けられている。更に、電荷転送トランジスタＧが、短辺ＰＤＳに平行で、光電変換素子ＰＤの中心Ｏを通るｙ軸に対して線対称の位置に形成されている。更に、電荷蓄積部ＣＳが、ｘ軸に対して線対称に形成されている。
【0098】
このため、他方の電荷排出トランジスタＧＤを画素回路３２１から削除してしまう場合と比較して、構造の対称性が高めることができる。したがって、電荷転送時に電荷転送トランジスタにおける蓄積時間のばらつきを抑制することが可能となる。
【0099】
【0100】
図９には、各制御パルスにて駆動させるトランジスタの数を１つに揃えることにより、各制御パルスの立下り特性を同等の特性とした例が示されている。
図９に示すように、電荷を排出するＧＤ期間が、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させるＧ１期間に切替わるタイミングにて、電荷排出トランジスタＧＤをオフ状態とする制御パルスが立下がる。
また、Ｇ１期間が、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させるＧ２期間に切替わるタイミングにて、電荷転送トランジスタＧ１をオフ状態とする制御パルスが立下がる。
また、Ｇ２期間が、電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させるＧ３期間に切替わるタイミングにて、電荷転送トランジスタＧ２をオフ状態とする制御パルスが立下がる。
また、Ｇ３期間が、電荷蓄積部ＣＳ４に電荷を蓄積させるＧ４期間に切替わるタイミングにて、電荷転送トランジスタＧ３をオフ状態とする制御パルスが立下がる。
これら各各制御パルスの立下り特性を同等の特性であることから、各蓄積時間に対応する、Ｇ１期間、Ｇ２期間、Ｇ３期間、およびＧ４期間のそれぞれは、同じ時間間隔となる。
図９に示すように、電荷を排出するＧＤ期間が、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させるＧ１期間に切替わるタイミングにて、電荷排出トランジスタＧＤをオフ状態とする制御パルスが立下がる。
また、Ｇ１期間が、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させるＧ２期間に切替わるタイミングにて、電荷転送トランジスタＧ１をオフ状態とする制御パルスが立下がる。
また、Ｇ２期間が、電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させるＧ３期間に切替わるタイミングにて、電荷転送トランジスタＧ２をオフ状態とする制御パルスが立下がる。
また、Ｇ３期間が、電荷蓄積部ＣＳ４に電荷を蓄積させるＧ４期間に切替わるタイミングにて、電荷転送トランジスタＧ３をオフ状態とする制御パルスが立下がる。
これら各各制御パルスの立下り特性を同等の特性であることから、各蓄積時間に対応する、Ｇ１期間、Ｇ２期間、Ｇ３期間、およびＧ４期間のそれぞれは、同じ時間間隔となる。
【0101】
上記では、２つの電荷排出トランジスタＧＤのうち、一方のみで電荷を排出させる制御の例を説明したが、これに限定されない。距離画像処理部４は、２つの電荷排出トランジスタＧＤを、一個ずつ交互に駆動して、電荷を排出させるように制御してもよい。
【0102】
ここで、図１０を用いて、２つの電荷排出トランジスタＧＤを、一個ずつ交互に駆動して、電荷を排出させる処理の例について、説明する。図１０は、実施形態の距離画像処理部４が行う処理の流れを示すフローチャートである。
【0103】
距離画像処理部４は、画素回路３２１を駆動し、電荷蓄積部ＣＳに電荷を蓄積させる（ステップＳ１０）。距離画像処理部４は、画素回路３２１を駆動させた駆動回数が閾値に達したか否かを判定する（ステップＳ１１）。距離画像処理部４は、駆動回数が閾値に達した場合、画素回路３２１を駆動させる際に用いた電荷排出トランジスタＧＤが、電荷排出トランジスタＧＤ１であるか、電荷排出トランジスタＧＤ２であるかを判定する（ステップＳ１２）。画素回路３２１を駆動させる際に用いた電荷排出トランジスタＧＤが、電荷排出トランジスタＧＤ１である場合、距離画像処理部４は、次回以降における画素回路３２１の駆動に用いる電荷排出トランジスタＧＤを、電荷排出トランジスタＧＤ２に変更する（ステップＳ１３）。一方、画素回路３２１を駆動させる際に用いた電荷排出トランジスタＧＤが、電荷排出トランジスタＧＤ２である場合、距離画像処理部４は、次回以降における画素回路３２１の駆動に用いる電荷排出トランジスタＧＤを、電荷排出トランジスタＧＤ１に変更する（ステップＳ１４）。
【0104】
なお、駆動回数は任意に設定されてよい。１回の駆動ごとに交互に電荷排出トランジスタＧＤを変更してもよいし、フレームの駆動回数の半数に達した時点で変更してもよいし、１フレームに対応する駆動回数ごとに変更しもよいし、複数フレーム単位で電荷排出トランジスタＧＤを変更してもよい。
【0105】
以上説明したように、実施形態の距離画像センサ３２（「距離画像撮像素子」の一例）は、画素回路３２１が半導体基板上に形成された距離画像撮像素子である。画素回路３２１は、光電変換素子ＰＤと、電荷蓄積部ＣＳと、電荷転送トランジスタＧと、電荷排出トランジスタＧＤを少なくとも備える。光電変換素子ＰＤは、測定対象の空間から入射した光に応じた電荷を発生する。電荷蓄積部ＣＳは、電荷を蓄積する。電荷転送トランジスタＧは、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳに転送する転送経路上に設けられる。電荷排出トランジスタＧＤは、光電変換素子ＰＤから電荷を排出する排出経路上に設けられる。光電変換素子ＰＤの表面における平面視の形状が長方形である。電荷転送トランジスタＧは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられる。電荷排出トランジスタＧＤは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられる。２Ｎ個の電荷排出トランジスタＧＤのうち、少なくとも１個の電荷排出トランジスタＧＤは、光電変換素子ＰＤと電気的に接続されないフローティングである。
【0106】
これにより、実施形態の距離画像センサ３２は、画素回路３２１に配置された２Ｎ個の電荷排出トランジスタＧＤのうち、より少ない数の電荷排出トランジスタＧＤを駆動して電荷を排出または蓄積することができる。このため、電荷排出トランジスタＧＤを駆動させる場合と、電荷転送トランジスタＧを駆動させる場合とにおいて、制御パルスの立下り特性を同等にすることができる。したがって、電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積させる蓄積時間が一定となるように、電荷転送ゲートまたは電荷排出ゲートを駆動させることが可能となる。
【0107】
また、実施形態の距離画像センサ３２では、ｘ軸に対して線対称となるように、長辺ＰＤＬの各々に２個の電荷転送トランジスタＧがそれぞれ対向して形成される。光電変換素子ＰＤの短辺ＰＤＳの各々に１個の電荷排出トランジスタＧＤが設けられている。また、実施形態の距離画像センサ３２では、電荷転送トランジスタＧが、ｙ軸に対して線対称の位置に形成されている。また、実施形態の距離画像センサ３２では、電荷蓄積部ＣＳが、ｘ軸に対して線対称に形成されている。これにより、実施形態の距離画像センサ３２では、構造の対称性を高めることができる。したがって、電荷を排出させない電荷排出トランジスタＧＤを画素回路３２１から削除してしまう場合と比較して、電荷転送時に、電荷転送トランジスタＧにおける蓄積時間のばらつきを抑制することが可能となる。
【0108】
また、実施形態の距離画像撮像装置１は、受光部３と、距離画像処理部４とを備える。受光部３は、画素回路３２１が半導体基板上に形成された距離画像センサ３２を備える。距離画像処理部４は、距離画像センサ３２における電荷転送トランジスタＧ及び電荷排出トランジスタＧＤの駆動を制御する。光電変換素子ＰＤの表面における平面視の形状が長方形である。電荷転送トランジスタＧは、２Ｍ（Ｍは整数であり、Ｍ≧２）個設けられる。電荷排出トランジスタＧＤは、２Ｎ（Ｎは整数であり、Ｎ≧１）個設けられる。距離画像処理部４は、２Ｎ個の電荷排出トランジスタＧＤのうち少なくとも１個の電荷排出トランジスタＧＤを、電荷を排出するか蓄積するかに関わらず、オフ状態に維持する。これにより、上述した効果と同様に、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに電荷を蓄積させる蓄積時間が一定となるように、電荷転送ゲートまたは電荷排出ゲートを駆動させることが可能となる。
【0109】
また、実施形態の距離画像撮像装置１では、電荷を排出する場合、２Ｎ個の電荷排出トランジスタＧＤのうちの電荷排出トランジスタＧＤ１（「第１電荷排出トランジスタ」の一例）をオン状態とし、電荷排出トランジスタＧＤ２（「他電荷排出トランジスタ」の一例）をオフ状態とする。他電荷排出トランジスタは、２Ｎ個の前記電荷排出トランジスタのうちの電荷排出トランジスタＧＤ１（「第１電荷排出トランジスタ」の一例）とは異なる電荷排出トランジスタＧＤである。距離画像処理部４は、電荷を排出する状態から、電荷を蓄積する状態に切替える場合、電荷排出トランジスタＧＤ１（「第１電荷排出トランジスタ」の一例）をオフ状態とすると共に、電荷転送トランジスタＧをオン状態とし、電荷排出トランジスタＧＤ２（「他電荷排出トランジスタ」の一例）をオフ状態に維持する。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、電荷を排出する状態から、電荷を蓄積する状態に切替える場合と、電荷を蓄積させる電荷蓄積部ＣＳを切替える場合とにおいて、制御パルスの立下り特性を同等にすることができる。したがって、電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積させる蓄積時間が一定となるように、電荷転送ゲートまたは電荷排出ゲートを駆動させることが可能となる。
【0110】
また、実施形態の距離画像撮像装置１では、電荷排出トランジスタＧＤは、２個設けられる。距離画像処理部４は、第１駆動制御および第２駆動制御を、予め定められた駆動回数ごとに交互に実行する。第１駆動制御は、電荷排出トランジスタＧＤ１（「第１電荷排出トランジスタ」の一例）を、電荷転送トランジスタＧをオン状態に切替える場合に、オフ状態に切替わるように制御し、電荷排出トランジスタＧＤ２（「第２電荷排出トランジスタ」の一例）を、電荷転送トランジスタＧがオン状態であるかオフ状態であるかに関わらず、オフ状態に維持する制御である。第２駆動制御は、電荷排出トランジスタＧＤ２（「第２電荷排出トランジスタ」の一例）を、電荷転送トランジスタＧをオン状態に切替える場合に、オフ状態に切替わるように制御し、電荷排出トランジスタＧＤ１（「第１電荷排出トランジスタ」の一例）を、電荷転送トランジスタＧがオン状態であるかオフ状態であるかに関わらず、オフ状態に維持する制御である。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、２つの電荷排出トランジスタＧＤを交互に使用して電荷を排出させることができ、光電変換素子ＰＤにおいて、電荷排出時における排出経路の対称性を高めることが可能となる。
【0111】
具体的に、距離画像処理部４は、「ＧＤ」に対応する制御パルスにて、電荷排出トランジスタＧＤ１およびＧＤ２の２つのトランジスタのうち一方（例えば、電荷排出トランジスタＧＤ１）のみを、オン状態またはオフ状態に制御し、他方（例えば、電荷排出トランジスタＧＤ２）をオフ状態に維持する。
【0112】
上述した実施形態における距離画像撮像装置１、距離画像処理部４の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
【符号の説明】
【0113】
１…距離画像撮像装置
２…光源部
３…受光部
３２１…画素回路
４…距離画像処理部
ＣＳ…電荷蓄積部
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…電荷転送トランジスタ
ＧＤ１，ＧＤ２…電荷排出トランジスタ
ＰＤ…光電変換素子
ＰＯ…光パルス
２…光源部
３…受光部
３２１…画素回路
４…距離画像処理部
ＣＳ…電荷蓄積部
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…電荷転送トランジスタ
ＧＤ１，ＧＤ２…電荷排出トランジスタ
ＰＤ…光電変換素子
ＰＯ…光パルス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】