知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-10-06
(45)【発行日】2025-10-15
(54)【発明の名称】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 17/894 20200101AFI20251007BHJP
G01S 17/10 20200101ALI20251007BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20251007BHJP
【ＦＩ】
G01S17/894
G01S17/10
G01C3/06 120Q
G01C3/06 140
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021083084
(22)【出願日】2021-05-17
(65)【公開番号】P2022176579
(43)【公開日】2022-11-30
【審査請求日】2024-04-22
(73)【特許権者】
【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】畠山 邦広
(72)【発明者】
【氏名】中込 友洋
(72)【発明者】
【氏名】高橋 聡
【審査官】佐藤 宙子
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２０／１６６５７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／００２２３４９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０２１－０２５８３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０４１９４３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／００－ ３／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定対象の空間である測定空間から入射する光である入射光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積するＮ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を転送する転送トランジスタとを備える複数の画素回路と、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、前記電荷蓄積部の各々に前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路と
を有する受光部と、
前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる測定制御部と、
前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める距離演算部と
を備え、
前記測定制御部が、
容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、前記フレーム周期における蓄積回数に対して所定の比率を乗じた分割蓄積回数を設定し、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対し、異なる前記蓄積周期で前記転送トランジスタを転送順番においてオンとし、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対して前記分割蓄積回数分の前記光電変換素子の発生した電荷を転送することにより、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させる
ことを特徴とする距離画像撮像装置。
【請求項2】
前記測定制御部が、前記容量増加モードにおいて、異なる前記蓄積周期毎に前記転送トランジスタをオンとすることを繰り返して、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、交互に前記光電変換素子の発生する電荷を振分けて蓄積させ、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させる
ことを特徴とする請求項１に記載の距離画像撮像装置。
【請求項3】
測定対象の空間である測定空間から入射する光である入射光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積するＮ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を転送する転送トランジスタとを備える複数の画素回路と、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、前記電荷蓄積部の各々に前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路と
を有する受光部と、
前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる測定制御部と、
前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める距離演算部と
を備え、
前記測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記電荷蓄積部の組合せを２個以上の複数組として設ける
ことを特徴とする距離画像撮像装置。
【請求項4】
前記測定制御部が、前記フレーム周期の蓄積期間における前記蓄積周期毎に、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、前記電荷蓄積部の各々に設定された前記転送順番に転送トランジスタをオンとして蓄積転送する通常モードと、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる前記容量増加モードとを所定の条件により切替える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の距離画像撮像装置。
【請求項5】
前記所定の条件が、前記電荷蓄積部に蓄積される前記電荷の電荷量が、当該電荷蓄積部の最大容量に対して予め設定した比率を超えた場合であり、前記組合せが前記比率を超えた電荷蓄積部を含む
ことを特徴とする請求項４に記載の距離画像撮像装置。
【請求項6】
光電変換素子と複数の電荷蓄積部と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部と、測定制御部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、前記画素駆動回路が、フレーム周期において、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、Ｎ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行って振分けて蓄積させる過程と、
前記測定制御部が、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程と、
前記距離演算部が、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める過程と
を含み、
前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程において、前記測定制御部が、
容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、前記フレーム周期における蓄積回数に対して所定の比率を乗じた分割蓄積回数を設定し、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対し、異なる前記蓄積周期で前記転送トランジスタを転送順番においてオンとし、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対して前記分割蓄積回数分の前記光電変換素子の発生した電荷を転送することにより、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させる
ことを特徴とする距離画像撮像方法。
【請求項7】
光電変換素子と複数の電荷蓄積部と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部と、測定制御部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、前記画素駆動回路が、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、Ｎ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行って振分けて蓄積させる過程と、
前記測定制御部が、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程と、
前記距離演算部が、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める過程と
を含み、
前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程において、前記測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記電荷蓄積部の組合せを２個以上の複数組として設ける
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、光の飛行時間に基づいて被写体との距離を測定するタイム・オブ・フライト(Time of Fright、以下「ＴｏＦ」と記す)方式の距離画像撮像装置がある（例えば、特許文献１参照）。
ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、光を照射する光源部と、距離を測定するための光を検出する画素回路が二次元の行列状(アレイ状)に複数配置された画素アレイを含む撮像部を備えている。上記画素回路の各々は、光の強度に対応する電荷を発生する光電変換素子（例えば、フォトダイオード）を構成要素として有している。
この構成により、ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、測定空間（三次元空間）において、自身と被写体との間の距離の情報や、被写体の画像を取得(撮像)することができる。
ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、光を照射する光源部と、距離を測定するための光を検出する画素回路が二次元の行列状(アレイ状)に複数配置された画素アレイを含む撮像部を備えている。上記画素回路の各々は、光の強度に対応する電荷を発生する光電変換素子（例えば、フォトダイオード）を構成要素として有している。
この構成により、ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、測定空間（三次元空間）において、自身と被写体との間の距離の情報や、被写体の画像を取得(撮像)することができる。
【0003】
ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、放射光を放射したタイミングから、被写体により反射した反射光を受光したタイミングまでの遅延時間により距離の計測を行う。
しかし、入射される入射光の強度に応じて光センサが発生する電荷量が変化するため、被写体までの距離が短くなるに従い、反射光の強度が増加してしまう（光の強度は距離の二乗に反比例）。
しかし、入射される入射光の強度に応じて光センサが発生する電荷量が変化するため、被写体までの距離が短くなるに従い、反射光の強度が増加してしまう（光の強度は距離の二乗に反比例）。
【0004】
上述したように、反射光の強度や環境における背景光の強度が増加することにより、光電変換素子が生成する電荷量が増加し、反射光及び背景光の強度によっては、この電荷量を蓄積する電荷蓄積部が飽和する場合がある。
一方、ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、電荷蓄積部に蓄積された電荷量に基づいて上記遅延時間を求めるため、信号とノイズとのＳＮ比が大きくなるほど測定精度が向上する。
このため、電荷蓄積部を飽和させないため、電荷蓄積部の容量を増加させることが考えられる。
一方、ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、電荷蓄積部に蓄積された電荷量に基づいて上記遅延時間を求めるため、信号とノイズとのＳＮ比が大きくなるほど測定精度が向上する。
このため、電荷蓄積部を飽和させないため、電荷蓄積部の容量を増加させることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００４－２９４４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、電荷蓄積部の容量を増加させる際、画素回路の面積を増加させて、電荷蓄積部の容量を同一チップサイズとして増加させた場合、画素数を減少させる必要があり、距離画像撮像装置の解像度が低下してしまう。
一方、画素回路の面積を増加させた分、チップサイズも増加させた場合、距離画像撮像装置の解像度は維持できるが、チップの単価が増加してしまう。
また、画素回路の面積を変更せず、電荷蓄積部の容量を増加させた場合、電荷蓄積部の面積が増加する分、光電変換部の面積を低減させる必要があり、入射する入射光に対する感度が低下することになり、求める距離の精度が低下する。
一方、画素回路の面積を増加させた分、チップサイズも増加させた場合、距離画像撮像装置の解像度は維持できるが、チップの単価が増加してしまう。
また、画素回路の面積を変更せず、電荷蓄積部の容量を増加させた場合、電荷蓄積部の面積が増加する分、光電変換部の面積を低減させる必要があり、入射する入射光に対する感度が低下することになり、求める距離の精度が低下する。
【0007】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能な距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法を提供することを目的としている。
【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装置は、測定対象の空間である測定空間から入射する光である入射光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積するＮ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を転送する転送トランジスタとを備える複数の画素回路と、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、前記電荷蓄積部の各々に前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路とを有する受光部と、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる測定制御部と、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める距離演算部とを備え、前記測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、前記フレーム周期における蓄積回数に対して所定の比率を乗じた分割蓄積回数を設定し、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対し、異なる前記蓄積周期で前記転送トランジスタを転送順番においてオンとし、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対して前記分割蓄積回数分の前記光電変換素子の発生した電荷を転送することにより、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させることを特徴とする。
【0009】
本発明の距離画像撮像装置は、前記測定制御部が、前記容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対応する前記転送トランジスタを前記蓄積周期毎に前記転送順番において同時にオンとし、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに対して前記光電変換素子の発生した電荷を転送し、前記組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させることを特徴とする。
【0010】
本発明の距離画像撮像装置は、測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、前記フレーム周期における蓄積回数に対して所定の比率を乗じた分割蓄積回数を設定し、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対し、異なる前記蓄積周期で前記転送トランジスタを前記転送順番においてオンとし、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対して前記分割蓄積回数分の前記光電変換素子の発生した電荷を転送することにより、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させることを特徴とする。
【0011】
本発明の距離画像撮像装置は、前記測定制御部が、前記容量増加モードにおいて、異なる前記蓄積周期毎に前記転送トランジスタをオンとすることを繰り返して、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、交互に前記光電変換素子の発生する電荷を振分けて蓄積させ、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させることを特徴とする。
【0012】
本発明の距離画像撮像装置は、測定対象の空間である測定空間から入射する光である入射光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積するＮ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部と、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を転送する転送トランジスタとを備える複数の画素回路と、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、前記電荷蓄積部の各々に前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路とを有する受光部と、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる測定制御部と、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める距離演算部とを備え、前記測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記電荷蓄積部の組合せを２個以上の複数組として設けることを特徴とする。
【0013】
本発明の距離画像撮像装置は、前記測定制御部が、前記フレーム周期の蓄積期間における前記蓄積周期毎に、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、前記電荷蓄積部の各々に設定された前記転送順番に転送トランジスタをオンとして蓄積転送する通常モードと、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる前記容量増加モードとを所定の条件により切替えることを特徴とする。
【0014】
本発明の距離画像撮像装置は、前記所定の条件が、前記電荷蓄積部に蓄積される前記電荷の電荷量が、当該電荷蓄積部の最大容量に対して予め設定した比率を超えた場合であり、前記組合せが前記比率を超えた電荷蓄積部を含むことを特徴とする。
【0015】
本発明の距離画像撮像方法は、光電変換素子と複数の電荷蓄積部と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部と、測定制御部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、前記画素駆動回路が、フレーム周期において、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、Ｎ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行って振分けて蓄積させる過程と、前記測定制御部が、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程と、前記距離演算部が、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める過程とを含み、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程において、前記測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記組合せの複数の前記電荷蓄積部の各々に対して、前記フレーム周期における蓄積回数に対して所定の比率を乗じた分割蓄積回数を設定し、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対し、異なる前記蓄積周期で前記転送トランジスタを転送順番においてオンとし、前記組合せの前記電荷蓄積部のそれぞれに対して前記分割蓄積回数分の前記光電変換素子の発生した電荷を転送することにより、当該組合せの前記電荷蓄積部それぞれに、前記光電変換素子の発生する電荷を分割して蓄積させることを特徴とする。
また、本発明の距離画像撮像方法は、光電変換素子と複数の電荷蓄積部と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部と、測定制御部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、前記画素駆動回路が、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、Ｎ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行って振分けて蓄積させる過程と、前記測定制御部が、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程と、前記距離演算部が、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める過程とを含み、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程において、前記測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記電荷蓄積部の組合せを２個以上の複数組として設けることを特徴とする。
また、本発明の距離画像撮像方法は、光電変換素子と複数の電荷蓄積部と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部と、測定制御部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、前記画素駆動回路が、光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、Ｎ個（Ｎ≧３）の電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行って振分けて蓄積させる過程と、前記測定制御部が、前記光電変換素子が発生する前記電荷を、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程と、前記距離演算部が、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を測定距離として求める過程とを含み、前記電荷蓄積部の組合せの各々に分割して振り分けて蓄積させる過程において、前記測定制御部が、容量増加モードにおいて、前記電荷蓄積部の組合せを２個以上の複数組として設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【0016】
以上説明したように、本発明によれば、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能な距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。
【図2】本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置における距離画像センサ３２に配置された画素回路３２１の構成の一例を示した回路図である。
【図3】通常モードにおける光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
【図4】電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
【図5】第１の実施形態における電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
【図6】第１の実施形態の距離画像撮像装置１による距離画像センサ３２と被写体Ｓとの距離の算出の処理の動作例を示すフローチャートである。
【図7】第２の実施形態における電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
【図8】第３の実施形態における背景光の影響が無視できる環境の場合の容量増加モードによる、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示した構成の距離画像撮像装置１は、ＴｏＦ方式の距離画像撮像装置であり、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Ｓ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。
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示した構成の距離画像撮像装置１は、ＴｏＦ方式の距離画像撮像装置であり、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Ｓ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Ｓ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Ｓ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Ｓ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Ｓに照射される。
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Ｓ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Ｓ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Ｓ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。
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回路３２１、画素回路３２１の各々を制御する画素駆動回路３２２と備える。
上記画素回路３２１は、１つの光電変換素子（例えば、後述する光電変換素子ＰＤ）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（例えば、後述する電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４）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ている。
上記画素回路３２１は、１つの光電変換素子（例えば、後述する光電変換素子ＰＤ）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（例えば、後述する電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４）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ている。
【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Ｓ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、測定制御部４３とを備える。
タイミング制御部４１は、測定制御部４３の制御に応じて、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、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２参照）に電荷を振り分ける処理を繰返す回数である。
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、測定制御部４３とを備える。
タイミング制御部４１は、測定制御部４３の制御に応じて、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、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２参照）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、測定制御部４３の制御に応じて、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Ｓ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Ｓまでの距離（測定距離）を演算する。
【0026】
測定制御部４３は、フレーム周期で繰返されるフレームにおいて、電荷蓄積部ＣＳに蓄積される蓄積電荷量に応じて、光電変換素子ＰＤが入射光により発生する電荷を、電荷蓄積部の各々への振り分けの際、振り分けのアルゴリズムを通常モード（電荷蓄積部が飽和しない状態で用いるモード）と、容量増加モード（電荷蓄積部が飽和する状態で用いるモード）とのいずれかを選択して、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の各々の動作を制御する。
すなわち、測定制御部４３は、通常モード及び容量増加モードの各々に対応して、タイミング制御部４１におけるタイミングの制御、距離演算部４２における演算の制御及び画素駆動回路３２２による電荷蓄積部ＣＳそれぞれへの光電変換素子ＰＤからの電荷の振分けを行う（後に詳述する）。
すなわち、測定制御部４３は、通常モード及び容量増加モードの各々に対応して、タイミング制御部４１におけるタイミングの制御、距離演算部４２における演算の制御及び画素駆動回路３２２による電荷蓄積部ＣＳそれぞれへの光電変換素子ＰＤからの電荷の振分けを行う（後に詳述する）。
【0027】
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Ｓに照射した近赤外の波長帯域の光パルスＰＯが被写体Ｓ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Ｓと距離画像撮像装置１との測定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。
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。
【0028】
すなわち、本実施形態による距離画像撮像装置は、電荷蓄積部ＣＳに蓄積される電荷により、被写体と距離画像センサ３２との距離を算出する。
このため、測定距離の計算において、反射光や背景光の強度が高い場合、入射光の強度が高くなり、光電変換素子において発生する電荷が、電荷蓄積部ＣＳの電荷を蓄積できる容量である最大蓄積容量を超えてしまう場合、正確に光電変換素子が発生する電荷量を得ることができず、電荷蓄積部の電荷量を用いる距離の計算によって、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの測定距離を正確に求めることができない。
このため、測定距離の計算において、反射光や背景光の強度が高い場合、入射光の強度が高くなり、光電変換素子において発生する電荷が、電荷蓄積部ＣＳの電荷を蓄積できる容量である最大蓄積容量を超えてしまう場合、正確に光電変換素子が発生する電荷量を得ることができず、電荷蓄積部の電荷量を用いる距離の計算によって、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの測定距離を正確に求めることができない。
【0029】
また、距離画像撮像装置１から被写体Ｓまでの距離が近くなるに従い、また被写体Ｓの反射率が高い程、被写体Ｓで光パルスＰＯが反射して生成される反射光の強度が高くなる。このため、光電変換素子において反射光により発生する電荷が増加する。
このため、電荷蓄積部の蓄積できる最大蓄積容量を超え、電荷蓄積部の電荷量を用いる距離の計算によって、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの測定距離を正確に求めることができない。
このため、電荷蓄積部の蓄積できる最大蓄積容量を超え、電荷蓄積部の電荷量を用いる距離の計算によって、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの測定距離を正確に求めることができない。
【0030】
上述した処理を電荷蓄積部に蓄積される電荷量により、積算回数、あるいは光パルスＰＯの放射回数を制御するオートエクスポージャの処理が行われる。
ここで、反射光の強度が高くなった場合、反射光によって光電変換素子で発生する電荷の蓄積回数を低減させることにより、測定距離の計算に必要な電荷量が電荷蓄積素子に蓄積され、得られる測定距離の精度が向上する。
ここで、反射光の強度が高くなった場合、反射光によって光電変換素子で発生する電荷の蓄積回数を低減させることにより、測定距離の計算に必要な電荷量が電荷蓄積素子に蓄積され、得られる測定距離の精度が向上する。
【0031】
しかしながら、被写体の各々の反射率が同一であることは一般的に少なく、被写体のそれぞれの反射率は互いに異なっており、光の強度が被写体との距離に反比例することから、予め近距離の物体に合わせて積算回数を設定した場合、距離画像撮像装置から遠い距離にある反射率の低い被写体からの反射光で発生される電荷が低減し、Ｓ／Ｎ比が低下して測定距離の精度が低下する。
【0032】
一方、測定距離の精度を向上させるために遠距離の被写体に合わせて積算回数を設定した際、遠距離の被写体以外の被写体の各々から距離画像撮像装置までの距離が不明であり距離画像撮像装置１の近距離に被写体が存在する場合、当該近距離の被写体からの反射光の強度が遠距離にある被写体に比較して大きく、近距離の被写体からの反射光で発生される電荷により電荷蓄積部が飽和してしまう。
このため、本実施形態においては、後述するように、測定制御部４３が電荷蓄積部が飽和しないように、タイミング制御部４１を介して、光電変換素子ＰＤが入射光により発生する電荷の電荷蓄積部の各々への振り分けの際、振り分けのアルゴリズムを通常モード及び容量増加モードのいずれかを選択して行う制御を行う。
このため、本実施形態においては、後述するように、測定制御部４３が電荷蓄積部が飽和しないように、タイミング制御部４１を介して、光電変換素子ＰＤが入射光により発生する電荷の電荷蓄積部の各々への振り分けの際、振り分けのアルゴリズムを通常モード及び容量増加モードのいずれかを選択して行う制御を行う。
【0033】
次に、距離画像センサ３２における画素回路３２１の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置における距離画像センサ３２に配置された画素回路３２１の構成の一例を示した回路図である。図２の画素回路３２１は、例えば、４つの画素信号読み出し部ＲＵ１からＲＵ４を備えた構成例である。本実施形態における画素回路３２１の構成は、一例であり、画素信号読み出し部は３個以上の複数個、すなわちｎ個（ｎ≧３）の構成を有する。
図２は、本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置における距離画像センサ３２に配置された画素回路３２１の構成の一例を示した回路図である。図２の画素回路３２１は、例えば、４つの画素信号読み出し部ＲＵ１からＲＵ４を備えた構成例である。本実施形態における画素回路３２１の構成は、一例であり、画素信号読み出し部は３個以上の複数個、すなわちｎ個（ｎ≧３）の構成を有する。
【0034】
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、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（ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３、ＦＤ４）と電荷蓄積容量Ｃ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）とは、電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４）を構成している。
【0035】
図２に示した画素回路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、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。
【0036】
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、距離画像処理部４に出力する。
また、距離画像センサ３２に配置される画素回路の構成は、図２に示したような、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く、画素信号読み出し部ＲＵが１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。
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、距離画像処理部４に出力する。
また、距離画像センサ３２に配置される画素回路の構成は、図２に示したような、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く、画素信号読み出し部ＲＵが１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。
【0037】
上記距離画像撮像装置１の画素回路３２１の駆動において、光パルスＰＯが照射時間Ｔｏで照射され、遅延時間Ｔｄ遅れて反射光ＲＬが距離画像センサ３２に受光される。画素駆動回路３２２は、タイミング制御部４１に制御により、光パルスＰＯの照射に同期させて、光電変換素子ＰＤに発生する電荷を、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４に対して、蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４をそれぞれのタイミングにより供給して振り替えて、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４の順に蓄積させる。
【0038】
そして、画素駆動回路３２２は、リセットトランジスタＲＴ及び選択トランジスタＳＬの各々を、駆動信号ＲＳＴ、ＳＥＬそれぞれにより制御し、電荷蓄積部ＣＳに蓄積された電荷を、ソースフォロアトランジスタＳＦにより電気信号に変換し、生成された電気信号を出力端子Ｏを介して距離演算部４２に出力する。
また、画素駆動回路３２２は、タイミング制御部４１の制御により、駆動信号ＲＳＴＤにより、光電変換素子ＰＤにおいて発生された電荷を電源ＶＤＤに流して放電する（電荷を消去する）。
また、画素駆動回路３２２は、タイミング制御部４１の制御により、駆動信号ＲＳＴＤにより、光電変換素子ＰＤにおいて発生された電荷を電源ＶＤＤに流して放電する（電荷を消去する）。
【0039】
図３は、通常モードにおける光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
図３のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベルを示し、横軸は時間を示している。また、図３においては、フレームにおける電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期を示している。通常モードにおける、光パルスＰＯ及び反射光ＲＬの時間軸における相対関係と、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々に供給する蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４それぞれのタイミングと、電荷排出トランジスタＧＤに供給する駆動信号ＲＳＴＤのタイミングとを示している。
図３のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベルを示し、横軸は時間を示している。また、図３においては、フレームにおける電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期を示している。通常モードにおける、光パルスＰＯ及び反射光ＲＬの時間軸における相対関係と、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々に供給する蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４それぞれのタイミングと、電荷排出トランジスタＧＤに供給する駆動信号ＲＳＴＤのタイミングとを示している。
【0040】
タイミング制御部４１は、光源部２に対して光パルスＰＯを測定空間に対して照射させる。これにより、光パルスＰＯが被写体に反射し、反射光ＲＬとして受光部３に受光される。そして、光電変換素子ＰＤは、背景光及び反射光ＲＬの各々に対応した電荷を発生する。画素駆動回路３２２は、光電変換素子ＰＤの発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４の各々に対して転送するため、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々のオンオフを制御する。
すなわち、画素駆動回路３２２は、蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４の各々を、所定の時間幅（照射時間Ｔｏ、すなわちパルス幅と同一の幅）の「Ｈ」レベルの信号として、転送トランジスタＧ１からＧ４それぞれに供給する。
すなわち、画素駆動回路３２２は、蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４の各々を、所定の時間幅（照射時間Ｔｏ、すなわちパルス幅と同一の幅）の「Ｈ」レベルの信号として、転送トランジスタＧ１からＧ４それぞれに供給する。
【0041】
画素駆動回路３２２は、例えば、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳ１に転送する転送経路上に設けられた転送トランジスタＧ１をオン状態にする。これにより、光電変換素子ＰＤにより光電変換された電荷が、転送トランジスタＧ１を介して電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積される。その後、画素駆動回路３２２は、転送トランジスタＧ１をオフ状態にする。これにより、電荷蓄積部ＣＳ１への電荷の転送が停止される。このようにして、画素駆動回路３２２は、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させる。他の電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４においても同様である。
【0042】
このとき、電荷蓄積部ＣＳに電荷の振り分けを行なう電荷蓄積期間（フレームにおける電荷蓄積部ＣＳの各々に電荷を蓄積する期間）において、蓄積駆動信号ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４の各々が、蓄積周期において、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４それぞれに供給される転送周期Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４（電荷を蓄積して積算する周期、転送順番）が繰返される。
ここで、例えば、転送周期Ｔ１において入射光（背景光のみ）により発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積され、転送周期Ｔ２において入射光（背景光＋反射光）により発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積され、転送周期Ｔ３において入射光（背景光＋反射光）により発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積され、転送周期Ｔ４において入射光（背景光＋反射光）により発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積される。
ここで、例えば、転送周期Ｔ１において入射光（背景光のみ）により発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積され、転送周期Ｔ２において入射光（背景光＋反射光）により発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積され、転送周期Ｔ３において入射光（背景光＋反射光）により発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積され、転送周期Ｔ４において入射光（背景光＋反射光）により発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積される。
【0043】
そして、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４の各々を介して、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに、光電変換素子ＰＤから入射光に対応した電荷が転送される。すなわち、各フレーム周期の電荷蓄積期間において、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々の転送順番毎に電荷の転送が行われる複数の蓄積周期が繰返される。
これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々の蓄積周期毎に、転送周期Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４の各々において電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに電荷が蓄積される。
これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々の蓄積周期毎に、転送周期Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４の各々において電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに電荷が蓄積される。
【0044】
また、画素駆動回路３２２は、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々の蓄積周期を繰返す際、電荷蓄積部ＣＳ４に対する電荷の転送（振り分け）が終了した後、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た電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
これにより、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷蓄積部ＣＳ１に対する転送周期Ｔ１が開始される前に、直前の電荷蓄積部ＣＳ４の転送周期Ｔ４の後に光電変換素子ＰＤに発生した電荷を破棄する（すなわち、光電変換素子ＰＤをリセットさせる）。
これにより、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷蓄積部ＣＳ１に対する転送周期Ｔ１が開始される前に、直前の電荷蓄積部ＣＳ４の転送周期Ｔ４の後に光電変換素子ＰＤに発生した電荷を破棄する（すなわち、光電変換素子ＰＤをリセットさせる）。
【0045】
そして、画素駆動回路３２２は、受光部３内に配置された全ての画素回路３２１の各々から、それぞれ電圧信号を画素回路３２１の行（横方向の配列）単位で、順次Ａ／Ｄ変換処理などの信号処理を行なう。
その後、画素駆動回路３２２は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光部３において配置された列の順番に、順次、距離演算部４２に出力させる。
その後、画素駆動回路３２２は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光部３において配置された列の順番に、順次、距離演算部４２に出力させる。
【0046】
上述したような、画素駆動回路３２２による電荷蓄積部ＣＳへ電荷の蓄積と光電変換素子ＰＤが光電変換した電荷の破棄とが、１フレームに渡って繰り返し行われる。これにより、所定の時間区間に距離画像撮像装置１に受光された光量に相当する電荷が、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積される。画素駆動回路３２２は、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積された、１フレーム分の電荷量に相当する電気信号を、距離演算部４２に出力する。
【0047】
光パルスＰＯを照射するタイミングと、電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに電荷を蓄積させるタイミングとの関係から、電荷蓄積部ＣＳ１には、光パルスＰＯを照射する前の背景光などの外光成分に相当する電荷量が保持される。また、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４には、反射光ＲＬ、及び外光成分に相当する電荷量が振り分けられて保持される。電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３、あるいは電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４に振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。
【0048】
図１に戻り、距離演算部４２は、この原理を利用して、以下の（１）あるいは（２）式により、遅延時間Ｔｄを算出する。
Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ３－Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３－２×Ｑ１） …（１）
Ｔｄ＝Ｔｏ＋Ｔｏ×（Ｑ４－Ｑ１）／（Ｑ３＋Ｑ４－２×Ｑ１） …（２）
ここで、Ｔｏは光パルスＰＯが照射された期間、Ｑ１は電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積された電荷量、Ｑ２は電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積された電荷量、Ｑ３は電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積された電荷量、Ｑ４は電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積された電荷量を示す。距離演算部４２は、例えば、Ｑ４＝Ｑ１である場合、（１）式で遅延時間Ｔｄを算出し、一方、Ｑ２＝Ｑ１である場合、（２）式で遅延時間Ｔｄを算出する。
Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ３－Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３－２×Ｑ１） …（１）
Ｔｄ＝Ｔｏ＋Ｔｏ×（Ｑ４－Ｑ１）／（Ｑ３＋Ｑ４－２×Ｑ１） …（２）
ここで、Ｔｏは光パルスＰＯが照射された期間、Ｑ１は電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積された電荷量、Ｑ２は電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積された電荷量、Ｑ３は電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積された電荷量、Ｑ４は電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積された電荷量を示す。距離演算部４２は、例えば、Ｑ４＝Ｑ１である場合、（１）式で遅延時間Ｔｄを算出し、一方、Ｑ２＝Ｑ１である場合、（２）式で遅延時間Ｔｄを算出する。
【0049】
（１）式においては、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部ＣＳ４には蓄積されない。一方、（２）式においては、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部ＣＳ２には蓄積されない。
なお、（１）式あるいは（２）式では、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４に蓄積される電荷量のうち、外光成分に相当する成分が、電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積された電荷量と同量であることを前提とする。
なお、（１）式あるいは（２）式では、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４に蓄積される電荷量のうち、外光成分に相当する成分が、電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積された電荷量と同量であることを前提とする。
【0050】
距離演算部４２は、（１）式あるいは（２）式で求めた遅延時間に、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の測定距離を算出する。
そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。
そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。
【0051】
また、時間Ｔrsは、図３における蓄積周期の１サイクルにおける電荷蓄積部ＣＳ４に対する光電変換素子ＰＤからの電荷の振分け終了後における、当該光電変換素子ＰＤに入力光により発生した電荷が留まらない（溜らない）ように、電荷排出トランジスタＧＤに供給する駆動信号ＲＳＴＤを「Ｈ」レベルとされる期間を示している。
【0052】
図４は、第１の実施形態の距離画像撮像装置における測定制御部４３の構成例を示すブロック図である。図４において、測定制御部４３は、通常モード稼働条件設定部４３１、モード判定部４３２、容量増加モード稼働条件設定部４３３、稼働制御部４３４、モード判定条件記憶部４３５、稼働条件組合せ記憶部４３６の各々を備えている。
【0053】
通常モード稼働条件設定部４３１は、図３に示すタイミングチャートの通常モードにおけるタイミング制御部４１の制御の設定を、稼働条件組合せ記憶部４３６から読み出す。
そして、通常モード稼働条件設定部４３１は、読み出した通常モードの設定を稼働制御部４３４に対して供給する。
稼働制御部４３４は、通常モードの設定により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、図３に示す通常モードの動作を行わせる。
そして、通常モード稼働条件設定部４３１は、読み出した通常モードの設定を稼働制御部４３４に対して供給する。
稼働制御部４３４は、通常モードの設定により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、図３に示す通常モードの動作を行わせる。
【0054】
モード判定部４３２は、通常モードまたは容量増加モードのいずれかにより、タイミング制御部４１を稼働するかの判定を行う。
ここで、モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳ１が背景光により発生した電荷を蓄積する場合、電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の電荷蓄積量Ｑ４の各々が予め設定されている容量閾値を超えた画素回路３２１の個数を抽出する。
ここで、モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳ１が背景光により発生した電荷を蓄積する場合、電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の電荷蓄積量Ｑ４の各々が予め設定されている容量閾値を超えた画素回路３２１の個数を抽出する。
【0055】
モード判定部４３２は、上記容量閾値をモード判定条件記憶部４３５から読み出し、電荷蓄積量Ｑ２、電荷蓄積量Ｑ３及び電荷蓄積量Ｑ４の各々と比較する。
この第１閾値は、例えば、電荷蓄積部ＣＳの最大蓄積容量の８０％、あるいは８０％以上のいずれかの電荷量として設定される。
ここで、実際の運用において、容量閾値としては、電荷蓄積部ＣＳに蓄積される反射光により発生する電荷の変動を考慮し、経験的な範囲として、例えば最大蓄積容量の９０％～９５％程度に設定される。
この第１閾値は、例えば、電荷蓄積部ＣＳの最大蓄積容量の８０％、あるいは８０％以上のいずれかの電荷量として設定される。
ここで、実際の運用において、容量閾値としては、電荷蓄積部ＣＳに蓄積される反射光により発生する電荷の変動を考慮し、経験的な範囲として、例えば最大蓄積容量の９０％～９５％程度に設定される。
【0056】
しかしながら、容量閾値が最大蓄積容量の９０％～９５％の設定の場合、光電変換素子ＰＤが反射光のみでなく背景光を含んだ入射光による電荷を発生するため、背景光による影響を考慮すると、背景光の強度の変化によっては電荷蓄積部ＣＳが飽和することが想定される。
このため、背景光の変化による光電変換素子ＰＤが発生する入射光による電荷量の変動に対する余裕（マージン）を持たせると、実験的には６０％以上とすることが望ましい結果が得られた。
このため、背景光の変化による光電変換素子ＰＤが発生する入射光による電荷量の変動に対する余裕（マージン）を持たせると、実験的には６０％以上とすることが望ましい結果が得られた。
【0057】
モード判定部４３２は、画素回路３２１毎に、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々に蓄積される電荷量である、電荷蓄積量Ｑ２、電荷蓄積量Ｑ３、電荷蓄積量Ｑ４それぞれが、予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。
そして、モード判定部４３２は、画素回路３２１の全てにおける、蓄積容量が容量閾値を超えた電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々の数を集計する。
ここで、モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部ＣＳを抽出する。
なお、電荷蓄積部の抽出方法は上述した方法に限定されない。例えば、全画素数に対する飽和画素の比率（例えば、全画素数のうち２０％）を抽出閾値として予め定めておき、各電荷蓄積部の飽和画素をカウントし、上記抽出閾値を超えて飽和した場合に電荷蓄積部を抽出してもよい。
そして、モード判定部４３２は、画素回路３２１の全てにおける、蓄積容量が容量閾値を超えた電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々の数を集計する。
ここで、モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部ＣＳを抽出する。
なお、電荷蓄積部の抽出方法は上述した方法に限定されない。例えば、全画素数に対する飽和画素の比率（例えば、全画素数のうち２０％）を抽出閾値として予め定めておき、各電荷蓄積部の飽和画素をカウントし、上記抽出閾値を超えて飽和した場合に電荷蓄積部を抽出してもよい。
【0058】
このとき、モード判定部４３２は、通常モードにおいて蓄積周期（電荷蓄積サイクル）における転送周期Ｔ２（転送順番）において光電変換素子ＰＤの発生した電荷を電荷蓄積部ＣＳ２のみに振分けている。
しかしながら、モード判定部４３２は、例えば、電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた場合、容量増加モードとして、転送周期Ｔ２において光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ２及び電荷蓄積部ＣＳ３に対して蓄積させる。
また、モード判定部４３２は、転送周期Ｔ３において光電変換素子ＰＤが発生した電荷を電荷蓄積部ＣＳ４に対して蓄積させる。
なお、電荷蓄積部ＣＳ２に組み合わせる電荷蓄積部は、電荷蓄積部ＣＳ３に限定されない。例えば、電荷蓄積部ＣＳ４を転送周期Ｔ２のタイミングで電荷蓄積部ＣＳ２と組み合わせ、転送周期Ｔ３には電荷蓄積部ＣＳ３、転送周期Ｔ１には電荷蓄積部ＣＳ１を割り当てることで、上述と同様の動作が可能である。
すなわち、モード判定部４３２は、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、入射光により光電変換素子ＰＤが生成する電荷を、電荷蓄積部ＣＳの組み合わせの各々に対して、分割して振り分けて蓄積させる処理を行う。
しかしながら、モード判定部４３２は、例えば、電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた場合、容量増加モードとして、転送周期Ｔ２において光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ２及び電荷蓄積部ＣＳ３に対して蓄積させる。
また、モード判定部４３２は、転送周期Ｔ３において光電変換素子ＰＤが発生した電荷を電荷蓄積部ＣＳ４に対して蓄積させる。
なお、電荷蓄積部ＣＳ２に組み合わせる電荷蓄積部は、電荷蓄積部ＣＳ３に限定されない。例えば、電荷蓄積部ＣＳ４を転送周期Ｔ２のタイミングで電荷蓄積部ＣＳ２と組み合わせ、転送周期Ｔ３には電荷蓄積部ＣＳ３、転送周期Ｔ１には電荷蓄積部ＣＳ１を割り当てることで、上述と同様の動作が可能である。
すなわち、モード判定部４３２は、電荷蓄積サイクルのいずれかの転送周期において、入射光により光電変換素子ＰＤが生成する電荷を、電荷蓄積部ＣＳの組み合わせの各々に対して、分割して振り分けて蓄積させる処理を行う。
【0059】
図５は、第１の実施形態における電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
図５のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベル（「Ｈ」レベル／「Ｌ」レベル）を示し、横軸は時間を示している。また、図５においては、フレームにおける電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期における転送順番を示している。容量増加モードにおける転送トランジスタＧ１からＧ４の各々に供給する蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４それぞれのタイミングと、電荷排出トランジスタＧＤに供給する駆動信号ＲＳＴＤのタイミングとを示している。
図５のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベル（「Ｈ」レベル／「Ｌ」レベル）を示し、横軸は時間を示している。また、図５においては、フレームにおける電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期における転送順番を示している。容量増加モードにおける転送トランジスタＧ１からＧ４の各々に供給する蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４それぞれのタイミングと、電荷排出トランジスタＧＤに供給する駆動信号ＲＳＴＤのタイミングとを示している。
【0060】
タイミング制御部４１は、光源部２に対して光パルスＰＯを測定空間に対して照射させる。これにより、光パルスＰＯが被写体に反射し、反射光ＲＬとして受光部３に受光される。そして、光電変換素子ＰＤは、背景光及び反射光ＲＬの各々に対応した電荷を発生する。画素駆動回路３２２は、光電変換素子ＰＤの発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４の各々に対して転送するため、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々のオンオフを制御する。
【0061】
すなわち、画素駆動回路３２２は、蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４の各々を、所定の時間幅（照射時間Ｔｏ、すなわちパルス幅と同一の幅）の「Ｈ」レベルの信号として、転送トランジスタＧ１からＧ４それぞれに供給する。
画素駆動回路３２２は、例えば、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳ１に転送する転送経路上に設けられた転送トランジスタＧ１をオン状態にする。これにより、光電変換素子ＰＤにより光電変換された電荷が、転送トランジスタＧ１を介して電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積される。その後、画素駆動回路３２２は、転送トランジスタＧ１をオフ状態にする。これにより、電荷蓄積部ＣＳ１への電荷の転送が停止される。
画素駆動回路３２２は、例えば、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳ１に転送する転送経路上に設けられた転送トランジスタＧ１をオン状態にする。これにより、光電変換素子ＰＤにより光電変換された電荷が、転送トランジスタＧ１を介して電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積される。その後、画素駆動回路３２２は、転送トランジスタＧ１をオフ状態にする。これにより、電荷蓄積部ＣＳ１への電荷の転送が停止される。
【0062】
また、画素駆動回路３２２は、容量増加モードの場合、タイミング制御部４１のタイミング制御により、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させる転送周期Ｔ２において、蓄積駆動信号ＴＸ２及びＴＸ３を同時のタイミング（同一の転送順番において同時に）で「Ｈ」レベルとする。
そして、転送トランジスタＧ２及びＧ３の各々は、光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ２のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
そして、転送トランジスタＧ２及びＧ３の各々は、光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ２のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
【0063】
また、通常モードにおいて、蓄積駆動信号ＴＸ４は、通常モードであれば、転送周期Ｔ４において「Ｈ」レベルとされていた。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部ＣＳ４が通常モードにおける電荷蓄積部ＣＳ３の機能を有しているため、画素駆動回路３２２は、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとする。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ４には、転送周期Ｔ３において光電変換素子ＰＤにより発生した電荷が、転送トランジスタＧ４を介して振分けられて蓄積される。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部ＣＳ４が通常モードにおける電荷蓄積部ＣＳ３の機能を有しているため、画素駆動回路３２２は、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとする。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ４には、転送周期Ｔ３において光電変換素子ＰＤにより発生した電荷が、転送トランジスタＧ４を介して振分けられて蓄積される。
【0064】
そして、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４の各々を介して、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに、光電変換素子ＰＤから入射光に対応した電荷が転送される。電荷蓄積期間に転送周期Ｔ１からＴ３及びＴrsからなる複数の蓄積周期が繰返される。
これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部ＣＳ１（転送周期Ｔ１）と、ＣＳ２及びＣＳ３（転送周期Ｔ２）と、ＣＳ４（転送周期Ｔ３）の各々の転送周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１と、ＣＳ２及びＣＳ３と、ＣＳ４とのそれぞれに電荷が蓄積される。
これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部ＣＳ１（転送周期Ｔ１）と、ＣＳ２及びＣＳ３（転送周期Ｔ２）と、ＣＳ４（転送周期Ｔ３）の各々の転送周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１と、ＣＳ２及びＣＳ３と、ＣＳ４とのそれぞれに電荷が蓄積される。
【0065】
また、画素駆動回路３２２は、光電変換素子ＰＤから電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々への電荷の転送を行う転送周期それぞれを繰返す際、電荷蓄積部ＣＳ４に対する電荷の転送（振分け）が終了した後、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た電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
【0066】
これにより、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷蓄積部ＣＳ１に対する転送周期Ｔ１が開始される前に、直前の電荷蓄積部ＣＳ４の転送周期Ｔ３の後に光電変換素子ＰＤに発生した電荷を破棄する（すなわち、光電変換素子ＰＤをリセットさせる）。
容量増加モードの場合、転送周期Ｔ２及びＴ３が実質的に統合されて転送周期Ｔ４が無くなるため、図５に示すように、転送周期Ｔ３の後の時間Ｔrsにおいて、電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
容量増加モードの場合、転送周期Ｔ２及びＴ３が実質的に統合されて転送周期Ｔ４が無くなるため、図５に示すように、転送周期Ｔ３の後の時間Ｔrsにおいて、電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
【0067】
そして、画素駆動回路３２２は、フレーム周期における蓄積期間が終了した後、受光部３内に配置された全ての画素回路３２１の各々から、それぞれ電圧信号を画素回路３２１の行（横方向の配列）単位で、順次Ａ／Ｄ変換処理などの信号処理を行なう。この画素回路３２１の各々の電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４のそれぞれから、電荷蓄積量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を読み出す処理については、通常モードと同様である。
その後、画素駆動回路３２２は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光部３において配置された列の順番に、順次、距離演算部４２に出力させる。
その後、画素駆動回路３２２は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光部３において配置された列の順番に、順次、距離演算部４２に出力させる。
【0068】
ここで、距離演算部４２は、画素駆動回路３２２により供給されるデジタル値の電荷蓄積量Ｑ２と電荷蓄積量Ｑ３とを加算し（一個の電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積された電荷量として扱う）、この加算結果Ｑ２＋Ｑ３と、電荷蓄積量Ｑ１及び電荷蓄積量Ｑ４との各々を用いて、後述する（４）式により、遅延時間Ｔｄを算出し、被写体Ｓと距離画像撮像装置１との間の距離を求める。
また、上記Ａ／Ｄ変換処理を行う前段に、アナログ値の電荷蓄積量Ｑ２と電荷蓄積量Ｑ３とを加算する加算器を設け、当該加算器による加算結果Ｑ２＋Ｑ３をＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル値の加算結果Ｑ２＋Ｑ３を距離演算部４２に出力する構成としてもよい。
また、上記Ａ／Ｄ変換処理を行う前段に、アナログ値の電荷蓄積量Ｑ２と電荷蓄積量Ｑ３とを加算する加算器を設け、当該加算器による加算結果Ｑ２＋Ｑ３をＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル値の加算結果Ｑ２＋Ｑ３を距離演算部４２に出力する構成としてもよい。
【0069】
上述したような、画素駆動回路３２２による電荷蓄積部ＣＳへ電荷の蓄積と光電変換素子ＰＤが光電変換した電荷の破棄とが、１フレームに渡って繰り返し行われる。これにより、所定の時間区間に距離画像撮像装置１に受光された光量に相当する電荷が、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積される。画素駆動回路３２２は、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積された、１フレーム分の電荷量に相当する電気信号を、距離演算部４２に出力する。
【0070】
光パルスＰＯを照射するタイミングと、電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに電荷を蓄積させるタイミングとの関係から、電荷蓄積部ＣＳ１には、光パルスＰＯを照射する前の背景光などの外光成分に相当する電荷量が保持される。また、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４には、反射光ＲＬ、及び外光成分に相当する電荷量が振り分けられて保持される。
ここで、図５において、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３と、電荷蓄積部ＣＳ４とに振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。
ここで、図５において、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３と、電荷蓄積部ＣＳ４とに振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。
【0071】
また、容量増加モードにおける図５に示す電荷蓄積部ＣＳの組合せの場合、距離演算部４２は、以下の（４）式により、遅延時間Ｔｄを算出する。
Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ４－Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４－３×Ｑ１）…（４）
このとき、距離演算部４２は、上記（４）式で求めた遅延時間Ｔｄに、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の測定距離を算出する。
そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。
Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ４－Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４－３×Ｑ１）…（４）
このとき、距離演算部４２は、上記（４）式で求めた遅延時間Ｔｄに、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の測定距離を算出する。
そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。
【0072】
また、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４を組み合わせて用いる。
すなわち、画素駆動回路３２２は、例えば、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた容量増加モードの場合、タイミング制御部４１のタイミング制御により、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させる転送周期Ｔ１において、蓄積駆動信号ＴＸ１のタイミングで「Ｈ」レベルとする。
画素駆動回路３２２は、タイミング制御部４１のタイミング制御により、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させる転送周期Ｔ２において、蓄積駆動信号ＴＸ２のタイミングで「Ｈ」レベルとする。
すなわち、画素駆動回路３２２は、例えば、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた容量増加モードの場合、タイミング制御部４１のタイミング制御により、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させる転送周期Ｔ１において、蓄積駆動信号ＴＸ１のタイミングで「Ｈ」レベルとする。
画素駆動回路３２２は、タイミング制御部４１のタイミング制御により、電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させる転送周期Ｔ２において、蓄積駆動信号ＴＸ２のタイミングで「Ｈ」レベルとする。
【0073】
そして、画素駆動回路３２２は、タイミング制御部４１のタイミング制御により、電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させる転送周期Ｔ３において、蓄積駆動信号ＴＸ３及びＴＸ４を同時のタイミングで「Ｈ」レベルとする。
ここで、転送トランジスタＧ３及びＧ４の各々は、光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ３、電荷蓄積部ＣＳ４のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ３のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
ここで、転送トランジスタＧ３及びＧ４の各々は、光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ３、電荷蓄積部ＣＳ４のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ３のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
【0074】
また、通常モードにおいて、蓄積駆動信号ＴＸ４は、通常モードであれば、転送周期Ｔ４において「Ｈ」レベルとされていた。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部ＣＳ４が通常モードにおける電荷蓄積部ＣＳ３の機能を有しているため、画素駆動回路３２２は、上述したように、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとする。
これにより、容量増加モードの場合、転送周期Ｔ２及びＴ３が実質的に統合されて転送周期Ｔ４が無くなるため、転送周期Ｔ３の後の時間Ｔrsにおいて、電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部ＣＳ４が通常モードにおける電荷蓄積部ＣＳ３の機能を有しているため、画素駆動回路３２２は、上述したように、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとする。
これにより、容量増加モードの場合、転送周期Ｔ２及びＴ３が実質的に統合されて転送周期Ｔ４が無くなるため、転送周期Ｔ３の後の時間Ｔrsにおいて、電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
【0075】
光パルスＰＯを照射するタイミングと、電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに電荷を蓄積させるタイミングとの関係から、電荷蓄積部ＣＳ１には、光パルスＰＯを照射する前の背景光などの外光成分に相当する電荷量が保持される。また、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４には、反射光ＲＬ、及び外光成分に相当する電荷量が振り分けられて保持される。
ここで、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた場合、電荷蓄積部ＣＳ２と、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４とに振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。
ここで、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた場合、電荷蓄積部ＣＳ２と、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４とに振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。
【0076】
このため、容量増加モードにおける電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた電荷蓄積部ＣＳの組合せの場合、距離演算部４２は、以下の（５）式により、遅延時間Ｔｄを算出する。
Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ３＋Ｑ４－２×Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４－３×Ｑ１） …（５）
このとき、距離演算部４２は、上記（５）式で求めた遅延時間Ｔｄに、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の測定距離を算出する。
そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。
Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ３＋Ｑ４－２×Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４－３×Ｑ１） …（５）
このとき、距離演算部４２は、上記（５）式で求めた遅延時間Ｔｄに、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の測定距離を算出する。
そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。
【0077】
ここで、距離演算部４２は、画素駆動回路３２２により供給されるデジタル値の電荷蓄積量Ｑ３と電荷蓄積量Ｑ４とを加算し（一個の電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積された電荷量として扱う）、この加算結果Ｑ３＋Ｑ４と、電荷蓄積量Ｑ１及び電荷蓄積量Ｑ２との各々を用いて、上記（５）式により、遅延時間Ｔｄを算出する。
【0078】
また、画素駆動回路３２２におけるＡ／Ｄ変換処理を行う前段に、アナログ値の電荷蓄積量Ｑ３と電荷蓄積量Ｑ４とを加算する加算器を設け、当該加算器による加算結果Ｑ３＋Ｑ４をＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル値の加算結果Ｑ３＋Ｑ４を距離演算部４２に出力する構成としてもよい。
【0079】
図６は、第１の実施形態の距離画像撮像装置１による距離画像センサ３２と被写体Ｓとの距離の算出の処理の動作例を示すフローチャートである。距離画像撮像装置１が起動された場合、以下のステップＳ１から測距離の処理が開始される。
ステップＳ１：
測定制御部４３における通常モード稼働条件設定部４３１は、稼働条件組合せ記憶部４３６から、通常モードの設定である通常モード稼働条件（通常モードにおけるタイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２に対する制御情報）を読み出す。
そして、通常モード稼働条件設定部４３１は、読み出した通常モード稼働条件を稼働制御部４３４に対して供給する。
稼働制御部４３４は、通常モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、図３に示す通常モードの動作を行わせる。
ステップＳ１：
測定制御部４３における通常モード稼働条件設定部４３１は、稼働条件組合せ記憶部４３６から、通常モードの設定である通常モード稼働条件（通常モードにおけるタイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２に対する制御情報）を読み出す。
そして、通常モード稼働条件設定部４３１は、読み出した通常モード稼働条件を稼働制御部４３４に対して供給する。
稼働制御部４３４は、通常モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、図３に示す通常モードの動作を行わせる。
【0080】
ステップＳ２：
画素駆動回路３２２は、蓄積駆動信号ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４の各々を、順次、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４それぞれに供給し、光電変換素子ＰＤの発生する電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４に振り分ける。
そして、画素駆動回路３２２は、１フレーム間において所定の回数の蓄積周期により電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々に蓄積された電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のそれぞれを、距離演算部４２及び測定制御部４３に対して出力する。
これにより、距離演算部４２は、（１）式により距離画像撮像装置１から被写体Ｓまでの距離を求める。
画素駆動回路３２２は、蓄積駆動信号ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４の各々を、順次、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４それぞれに供給し、光電変換素子ＰＤの発生する電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４に振り分ける。
そして、画素駆動回路３２２は、１フレーム間において所定の回数の蓄積周期により電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々に蓄積された電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のそれぞれを、距離演算部４２及び測定制御部４３に対して出力する。
これにより、距離演算部４２は、（１）式により距離画像撮像装置１から被写体Ｓまでの距離を求める。
【0081】
ステップＳ３：
モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳの各々における蓄積容量と比較する、予め設定された容量閾値をモード判定条件記憶部４３５から読み出す。
そして、モード判定部４３２は、現在の動作が通常モードの場合、画素回路３２１毎に、電荷蓄積部ＣＳ１、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々に蓄積される電荷量である、電荷蓄積量Ｑ１、電荷蓄積量Ｑ２、電荷蓄積量Ｑ３、電荷蓄積量Ｑ４それぞれが予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。
モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳの各々における蓄積容量と比較する、予め設定された容量閾値をモード判定条件記憶部４３５から読み出す。
そして、モード判定部４３２は、現在の動作が通常モードの場合、画素回路３２１毎に、電荷蓄積部ＣＳ１、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々に蓄積される電荷量である、電荷蓄積量Ｑ１、電荷蓄積量Ｑ２、電荷蓄積量Ｑ３、電荷蓄積量Ｑ４それぞれが予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。
【0082】
また、モード判定部４３２は、画素回路３２１の全てにおいて、蓄積容量が容量閾値を超えた電荷蓄積部ＣＳの数を、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々の種類毎に集計する。
この集計の後、モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々の種類のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部ＣＳを抽出する。
この集計の後、モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々の種類のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部ＣＳを抽出する。
【0083】
一方、モード判定部４３２は、現在の動作が容量増加モードの場合、画素回路３２１毎に、組み合わせて稼働させている２個（あるいは３個以上の複数）の電荷蓄積部ＣＳと、単独で稼働させている電荷蓄積部ＣＳとの各々に蓄積される電荷量それぞれが、予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。
【0084】
例えば、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の組合せが一個の電荷蓄積として稼働し、電荷蓄積部ＣＳ４が単独で稼働している場合、モード判定部４３２は、電荷蓄積量Ｑ２及び電荷蓄積量Ｑ３の加算値と、電荷蓄積量Ｑ４それぞれが、予め設定されている容量閾値を超えるか否かの判定を行う。すなわち、モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の組合せにおける電荷蓄積量Ｑ２＋Ｑ３と、電荷蓄積部ＣＳにおける電荷蓄積量Ｑ４との各々と、容量閾値との比較を行う。
【0085】
また、モード判定部４３２は、画素回路３２１の全てにおいて、蓄積容量が容量閾値を超えた電荷蓄積部ＣＳの数を、組み合わせて稼働させている２個の電荷蓄積部ＣＳと、単独で稼働させている電荷蓄積部ＣＳとの各々の種類毎に集計する。
この集計の後、モード判定部４３２は、組み合わせて稼働させている２個の電荷蓄積部ＣＳと、単独で稼働させている電荷蓄積部ＣＳとの各々の種類のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部ＣＳを抽出する。
この集計の後、モード判定部４３２は、組み合わせて稼働させている２個の電荷蓄積部ＣＳと、単独で稼働させている電荷蓄積部ＣＳとの各々の種類のなかで、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部ＣＳを抽出する。
【0086】
ここで、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の組合せが一個の電荷蓄積として稼働し、電荷蓄積部ＣＳ４が単独で稼働している場合、モード判定部４３２は、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の組合せと、電荷蓄積部ＣＳ４との種類毎に蓄積容量が容量閾値を超えた個数（すなわち、画素数）を集計する。
そして、モード判定部４３２は、集計した個数が大きい方の種類の個数を最大個数とし、対応する種類として電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の組合せと、電荷蓄積部ＣＳ４とのいずれかを抽出する。
そして、モード判定部４３２は、集計した個数が大きい方の種類の個数を最大個数とし、対応する種類として電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の組合せと、電荷蓄積部ＣＳ４とのいずれかを抽出する。
【0087】
ステップＳ４：
モード判定部４３２は、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部ＣＳ（あるいは２個の電荷蓄積部の組合せ）の個数、すなわち最大個数と比較する、予め設定された設定数（個数の閾値）をモード判定条件記憶部４３５から読み出す。
そして、モード判定部４３２は、抽出した最大個数が上記設定数を超えるか否かの判定を行う。
このとき、モード判定部４３２は、最大個数が設定数を超えた場合、処理をステップＳ５へ進める。一方、モード判定部４３２は、最大個数が設定数以下の場合、処理をステップＳ６へ進める。
モード判定部４３２は、蓄積容量が容量閾値を超えた数が最も大きな電荷蓄積部ＣＳ（あるいは２個の電荷蓄積部の組合せ）の個数、すなわち最大個数と比較する、予め設定された設定数（個数の閾値）をモード判定条件記憶部４３５から読み出す。
そして、モード判定部４３２は、抽出した最大個数が上記設定数を超えるか否かの判定を行う。
このとき、モード判定部４３２は、最大個数が設定数を超えた場合、処理をステップＳ５へ進める。一方、モード判定部４３２は、最大個数が設定数以下の場合、処理をステップＳ６へ進める。
【0088】
ステップＳ５：
モード判定部４３２は、最大個数の電荷蓄積部ＣＳの種類、すなわち、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４のいずれが最大個数となったかを、容量増加モード稼働条件設定部４３３に対して出力する。
容量増加モード稼働条件設定部４３３は、最大個数となった電荷蓄積部ＣＳ、例えば、電荷蓄積部ＣＳ２に対応する容量増加モードの容量増加モード稼働条件（容量増加モードにおけるタイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２に対する制御情報）を、稼働条件組合せ記憶部４３６から読み出す。
モード判定部４３２は、最大個数の電荷蓄積部ＣＳの種類、すなわち、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４のいずれが最大個数となったかを、容量増加モード稼働条件設定部４３３に対して出力する。
容量増加モード稼働条件設定部４３３は、最大個数となった電荷蓄積部ＣＳ、例えば、電荷蓄積部ＣＳ２に対応する容量増加モードの容量増加モード稼働条件（容量増加モードにおけるタイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２に対する制御情報）を、稼働条件組合せ記憶部４３６から読み出す。
【0089】
ここで、電荷蓄積部ＣＳ２に対応する容量増加モードの容量増加モード稼働条件とは、すでに説明したように、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３を一つの電荷蓄積部ＣＳとして用いる設定である。
このため、この容量増加モード稼働条件における転送周期Ｔ２において、画素駆動回路２２は、蓄積駆動信号ＴＸ２及びＴＸ３を同時のタイミングで「Ｈ」レベルとし、転送トランジスタＧ２及びＧ３の各々に分割して振分ける処理を行う。
このため、この容量増加モード稼働条件における転送周期Ｔ２において、画素駆動回路２２は、蓄積駆動信号ＴＸ２及びＴＸ３を同時のタイミングで「Ｈ」レベルとし、転送トランジスタＧ２及びＧ３の各々に分割して振分ける処理を行う。
【0090】
上述したように、モード判定部４３２は、最大個数として抽出された電荷蓄積部ＣＳの種類に対応して、電荷蓄積部ＣＳ２、電荷蓄積部ＣＳ３及び電荷蓄積部ＣＳ４の各々の場合における容量増加モード稼働条件を、それぞれ稼働条件組合せ記憶部４３６から読み出す。
そして、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、読み出した容量増加モード稼働条件を、稼働制御部４３４に対して出力する。
これにより、稼働制御部４３４は、電荷蓄積部ＣＳの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
なお、上述したステップに限らず、あらかじめ容量増加モードで駆動してもよい。
そして、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、読み出した容量増加モード稼働条件を、稼働制御部４３４に対して出力する。
これにより、稼働制御部４３４は、電荷蓄積部ＣＳの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
なお、上述したステップに限らず、あらかじめ容量増加モードで駆動してもよい。
【0091】
ステップＳ６：
モード判定部４３２は、現在の動作モードが通常モードであるか否か、すなわち通常モードあるいは容量増加モードのいずれであるかの判定を行う。
このとき、モード判定部４３２は、現在の動作モードが通常モードである場合、処理をステップＳ２へ進める。
一方、モード判定部４３２は、現在の動作モードが通常モードでない（容量増加モードである）場合、処理をステップＳ１へ進める。
モード判定部４３２は、現在の動作モードが通常モードであるか否か、すなわち通常モードあるいは容量増加モードのいずれであるかの判定を行う。
このとき、モード判定部４３２は、現在の動作モードが通常モードである場合、処理をステップＳ２へ進める。
一方、モード判定部４３２は、現在の動作モードが通常モードでない（容量増加モードである）場合、処理をステップＳ１へ進める。
【0092】
上述したように、本実施形態によれば、電荷蓄積部ＣＳが飽和する画素数が予め設定した設定数を超える場合、複数（例えば２個）の電荷蓄積部ＣＳを組み合わせて一個の電荷蓄積部として稼働させる、例えば、蓄積電荷の容量（蓄積容量）が容量閾値を超える電荷蓄積部ＣＳ２が設定数を超える場合、電荷蓄積部ＣＳ２とＣＳ３とを組み合わせて、光電変換素子ＰＤの発生する電荷を分割して振分けることにより、電荷蓄積部ＣＳ２が飽和し、距離測定の計算結果の精度を低下させることを防止する構成としているため、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能となる。
【0093】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の第２の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明した図１の第１の実施形態による距離画像撮像装置１と同様の構成である。
以下、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる動作のみを説明する。
以下、本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の第２の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明した図１の第１の実施形態による距離画像撮像装置１と同様の構成である。
以下、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる動作のみを説明する。
【0094】
第１の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明したように、容量増加モードにおいて、同一の蓄積周期における同一の転送周期で同時に組合せの電荷蓄積部ＣＳに対応する転送トランジスタＧをオン状態として、組合せの電荷蓄積部ＣＳの各々に対して、入射光により光電変換素子ＰＤで発生した電荷を分割して振分ける処理を行う。
しかしながら、第２の実施形態においては、容量増加モードにおいて、異なる蓄積周期における同一の転送周期の各々で（異なる蓄積周期における同一の転送順番の各々で）、組合せの電荷蓄積部ＣＳに対応する転送トランジスタＧをそれぞれオン状態として、組合せの電荷蓄積部ＣＳの各々に対して、入射光により光電変換素子ＰＤで発生した電荷を分割して振分ける処理を行う。
しかしながら、第２の実施形態においては、容量増加モードにおいて、異なる蓄積周期における同一の転送周期の各々で（異なる蓄積周期における同一の転送順番の各々で）、組合せの電荷蓄積部ＣＳに対応する転送トランジスタＧをそれぞれオン状態として、組合せの電荷蓄積部ＣＳの各々に対して、入射光により光電変換素子ＰＤで発生した電荷を分割して振分ける処理を行う。
【0095】
図７は、第２の実施形態における電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた場合における容量増加モードによる、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。図７のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベル（「Ｈ」レベル／「Ｌ」レベル）を示し、横軸は時間を示している。また、図７においては、フレーム周期における電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期を示している。容量増加モードにおける転送トランジスタＧ１からＧ４の各々に供給する蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４それぞれのタイミングと、電荷排出トランジスタＧＤに供給する駆動信号ＲＳＴＤのタイミングとを示している。
【0096】
タイミング制御部４１は、図５の説明と同様に、光源部２に対して光パルスＰＯを測定空間に対して照射させる。これにより、光パルスＰＯが被写体に反射し、反射光ＲＬとして受光部３に受光される。そして、光電変換素子ＰＤは、背景光及び反射光ＲＬの各々に対応した電荷を発生する。画素駆動回路３２２は、光電変換素子ＰＤの発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４の各々に対して転送するため、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々のオンオフを制御する。
【0097】
すなわち、画素駆動回路３２２は、蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４の各々を、所定の時間幅（照射時間Ｔｏ、すなわちパルス幅と同一の幅）の「Ｈ」レベルの信号として、転送トランジスタＧ１からＧ４それぞれに供給する。
画素駆動回路３２２は、例えば、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳ１に転送する転送経路上に設けられた転送トランジスタＧ１をオン状態にする。これにより、光電変換素子ＰＤにより光電変換された電荷が、転送トランジスタＧ１を介して電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積される。その後、画素駆動回路３２２は、転送トランジスタＧ１をオフ状態にする。これにより、電荷蓄積部ＣＳ１への電荷の転送が停止される。
画素駆動回路３２２は、例えば、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳ１に転送する転送経路上に設けられた転送トランジスタＧ１をオン状態にする。これにより、光電変換素子ＰＤにより光電変換された電荷が、転送トランジスタＧ１を介して電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積される。その後、画素駆動回路３２２は、転送トランジスタＧ１をオフ状態にする。これにより、電荷蓄積部ＣＳ１への電荷の転送が停止される。
【0098】
また、図３に示す通常モードにおける被写体Ｓとの距離の計測の際、モード判定部４３２が電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた画素数が、設定数を超えることを検出した場合、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、稼働条件組合せ記憶部４３６から、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３を組合せて稼働させる容量増加モード稼働条件を読み出す。
そして、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、読み出した上記容量増加モード稼働条件を稼働制御部４３４に対して出力する。
稼働制御部４３４は、電荷蓄積部ＣＳの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
そして、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、読み出した上記容量増加モード稼働条件を稼働制御部４３４に対して出力する。
稼働制御部４３４は、電荷蓄積部ＣＳの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
【0099】
これにより、画素駆動回路３２２は、容量増加モードの場合、タイミング制御部４１のタイミング制御により、フレーム周期における電荷を蓄積する蓄積期間において、蓄積周期が例えばｍ個ある場合、蓄積期間における最初の１番目の蓄積周期からｍ／２番目の蓄積周期までの間、転送周期Ｔ２において蓄積駆動信号ＴＸ２を「Ｈ」レベルとし、転送トランジスタＧ２をオン状態として電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させる。
また、画素駆動回路３２２は、（ｍ／２）＋１番目の蓄積周期からｍ番目の蓄積周期までの間、転送周期Ｔ２において蓄積駆動信号ＴＸ３を「Ｈ」レベルとし、転送トランジスタＧ３をオン状態として電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させる。
また、画素駆動回路３２２は、（ｍ／２）＋１番目の蓄積周期からｍ番目の蓄積周期までの間、転送周期Ｔ２において蓄積駆動信号ＴＸ３を「Ｈ」レベルとし、転送トランジスタＧ３をオン状態として電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させる。
【0100】
すなわち、電荷蓄積部ＣＳ２の電荷蓄積量Ｑ２が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、フレーム周期毎の蓄積期間において、異なる蓄積周期における同一の転送周期において、入射光により光電変換素子ＰＤが発生する電荷を、一つの電荷蓄積部ＣＳ２に振分けるのではなく、複数、すなわち電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の２個に対してそれぞれ分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ２のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ２のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
【0101】
また、通常モードにおいて、蓄積駆動信号ＴＸ４は、通常モードであれば、転送周期Ｔ４において「Ｈ」レベルとされていた。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部ＣＳ４が通常モードにおける電荷蓄積部ＣＳ３の機能を有しているため、すでに述べた第１の実施形態と同様に、画素駆動回路３２２は、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとする。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ４には、転送周期Ｔ３において光電変換素子ＰＤにより発生した電荷が、転送トランジスタＧ４を介して振分けられて蓄積される。
しかしながら、容量増加モードにおいて、電荷蓄積部ＣＳ４が通常モードにおける電荷蓄積部ＣＳ３の機能を有しているため、すでに述べた第１の実施形態と同様に、画素駆動回路３２２は、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとする。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ４には、転送周期Ｔ３において光電変換素子ＰＤにより発生した電荷が、転送トランジスタＧ４を介して振分けられて蓄積される。
【0102】
また、上述した容量増加モード稼働条件においては、蓄積周期が例えばｍ個ある場合、蓄積期間における最初の１番目の蓄積周期からｍ／２番目の蓄積周期までの間で電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させ、（ｍ／２）＋１番目の蓄積周期からｍ番目の蓄積周期までの間で電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させる構成としている。
しかしながら、奇数番目の蓄積周期の転送周期Ｔ２において蓄積駆動信号ＴＸ２を「Ｈ」レベルとし、例えば、偶数番目の蓄積周期の転送周期Ｔ２において蓄積駆動信号ＴＸ３を「Ｈ」レベルとして、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に対して交互に、光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。
また、上述した構成に限らず、例えば、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を電荷蓄積部ＣＳ２と電荷蓄積部ＣＳ３との各々に半分ずつ分割するように、ランダムに振り分ける構成としてもよい。
しかしながら、奇数番目の蓄積周期の転送周期Ｔ２において蓄積駆動信号ＴＸ２を「Ｈ」レベルとし、例えば、偶数番目の蓄積周期の転送周期Ｔ２において蓄積駆動信号ＴＸ３を「Ｈ」レベルとして、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に対して交互に、光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。
また、上述した構成に限らず、例えば、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を電荷蓄積部ＣＳ２と電荷蓄積部ＣＳ３との各々に半分ずつ分割するように、ランダムに振り分ける構成としてもよい。
【0103】
また、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を半分ずつ（均等に）、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成とした。
しかしながら、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を所定の比率として、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。すなわち、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に分割される電荷量が均等でなく、所定の比率となっても、一つの電荷蓄積部ＣＳ２のみの場合のように、飽和することを低減できる効果が得られる。
しかしながら、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を所定の比率として、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。すなわち、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の各々に分割される電荷量が均等でなく、所定の比率となっても、一つの電荷蓄積部ＣＳ２のみの場合のように、飽和することを低減できる効果が得られる。
【0104】
そして、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４の各々を介して、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに、光電変換素子ＰＤから入射光に対応した電荷が転送される。電荷蓄積期間に転送周期Ｔ１から転送周期Ｔ３、及び時間Ｔrsからなる複数の蓄積周期が繰返される。
これにより、電荷蓄積期間における転送周期Ｔ１と、蓄積周期が異なる転送周期Ｔ２と、転送周期Ｔ３との各々の転送周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１と、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３と、電荷蓄積部ＣＳ４とのそれぞれに電荷が蓄積される。
これにより、電荷蓄積期間における転送周期Ｔ１と、蓄積周期が異なる転送周期Ｔ２と、転送周期Ｔ３との各々の転送周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１と、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３と、電荷蓄積部ＣＳ４とのそれぞれに電荷が蓄積される。
【0105】
また、画素駆動回路３２２は、項で変換素子ＰＤから電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々への電荷の転送を行う転送周期それぞれを繰返す際、電荷蓄積部ＣＳ４に対する電荷の転送（振分け）が終了した後、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た電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
これにより、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷蓄積部ＣＳ１に対する転送周期Ｔ１が開始される前に、直前の電荷蓄積部ＣＳ４の転送周期Ｔ３の後に光電変換素子ＰＤに発生した電荷を破棄する（すなわち、光電変換素子ＰＤをリセットさせる）。
容量増加モードの場合、転送周期Ｔ２及びＴ３が実質的に統合されて転送周期Ｔ４が無くなるため、図７に示すように、転送周期Ｔ３の後の時間Ｔrsにおいて、電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
これにより、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷蓄積部ＣＳ１に対する転送周期Ｔ１が開始される前に、直前の電荷蓄積部ＣＳ４の転送周期Ｔ３の後に光電変換素子ＰＤに発生した電荷を破棄する（すなわち、光電変換素子ＰＤをリセットさせる）。
容量増加モードの場合、転送周期Ｔ２及びＴ３が実質的に統合されて転送周期Ｔ４が無くなるため、図７に示すように、転送周期Ｔ３の後の時間Ｔrsにおいて、電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
【0106】
そして、画素駆動回路３２２は、第１の実施形態と同様に、フレーム周期における蓄積期間が終了した後、受光部３内に配置された全ての画素回路３２１の各々から、それぞれ電圧信号を画素回路３２１の行（横方向の配列）単位で、順次Ａ／Ｄ変換処理などの信号処理を行なう。この画素回路３２１の各々の電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４のそれぞれから、電荷蓄積量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を読み出す処理については、通常モードと同様である。
その後、画素駆動回路３２２は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光部３において配置された列の順番に、順次、距離演算部４２に出力させる。
その後、画素駆動回路３２２は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光部３において配置された列の順番に、順次、距離演算部４２に出力させる。
【0107】
ここで、距離演算部４２は、画素駆動回路３２２により供給されるデジタル値の電荷蓄積量Ｑ２と電荷蓄積量Ｑ３とを加算し（一個の電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積された電荷量として扱う）、この加算結果Ｑ２＋Ｑ３と、電荷蓄積量Ｑ１及び電荷蓄積量Ｑ４との各々を用いて、第１の実施形態と同様に遅延時間Ｔｄを算出し、被写体Ｓと距離画像撮像装置１との間の距離を求める。
また、上記Ａ／Ｄ変換処理を行う前段に、アナログ値の電荷蓄積量Ｑ２と電荷蓄積量Ｑ３とを加算する加算器を設け、当該加算器による加算結果Ｑ２＋Ｑ３をＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル値の加算結果Ｑ２＋Ｑ３を距離演算部４２に出力する構成としてもよい。
また、上記Ａ／Ｄ変換処理を行う前段に、アナログ値の電荷蓄積量Ｑ２と電荷蓄積量Ｑ３とを加算する加算器を設け、当該加算器による加算結果Ｑ２＋Ｑ３をＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル値の加算結果Ｑ２＋Ｑ３を距離演算部４２に出力する構成としてもよい。
【0108】
上述したような、画素駆動回路３２２による電荷蓄積部ＣＳへ電荷の蓄積と光電変換素子ＰＤが光電変換した電荷の破棄とが、１フレームに渡って繰り返し行われる。これにより、所定の時間区間に距離画像撮像装置１に受光された光量に相当する電荷が、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積される。画素駆動回路３２２は、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積された、１フレーム（フレーム周期）分の電荷量に相当する電気信号を、距離演算部４２に出力する。
【0109】
光パルスＰＯを照射するタイミングと、電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに電荷を蓄積させるタイミングとの関係から、電荷蓄積部ＣＳ１には、光パルスＰＯを照射する前の背景光などの外光成分に相当する電荷量が保持される。また、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４には、反射光ＲＬ、及び外光成分に相当する電荷量が振り分けられて保持される。
ここで、図７において、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３と、電荷蓄積部ＣＳ４とに振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。
ここで、図７において、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３と、電荷蓄積部ＣＳ４とに振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。
【0110】
また、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、電荷蓄積部ＣＳ２を単独（一個）とし、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４を組み合わせて用いる。
すなわち、図３に示す通常モードにおける被写体Ｓとの距離の計測の際、モード判定部４３２が電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた画素数が、設定数を超えることを検出した場合、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、稼働条件組合せ記憶部４３６から、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４を組合せて稼働させる容量増加モード稼働条件を読み出す。
すなわち、図３に示す通常モードにおける被写体Ｓとの距離の計測の際、モード判定部４３２が電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた画素数が、設定数を超えることを検出した場合、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、稼働条件組合せ記憶部４３６から、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４を組合せて稼働させる容量増加モード稼働条件を読み出す。
【0111】
そして、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、読み出した上記容量増加モード稼働条件を稼働制御部４３４に対して出力する。
稼働制御部４３４は、電荷蓄積部ＣＳの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
稼働制御部４３４は、電荷蓄積部ＣＳの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
【0112】
これにより、画素駆動回路３２２は、容量増加モードの場合、タイミング制御部４１のタイミング制御により、フレーム周期における電荷を蓄積する蓄積期間において、蓄積周期が例えばｍ個ある場合、蓄積期間における最初の１番目の蓄積周期からｍ／２番目の蓄積周期までの間、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ３を「Ｈ」レベルとし、転送トランジスタＧ３をオン状態として電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させる。
また、画素駆動回路３２２は、（ｍ／２）＋１番目の蓄積周期からｍ番目の蓄積周期までの間、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとし、転送トランジスタＧ４をオン状態として電荷蓄積部ＣＳ４に電荷を蓄積させる。
また、画素駆動回路３２２は、（ｍ／２）＋１番目の蓄積周期からｍ番目の蓄積周期までの間、転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとし、転送トランジスタＧ４をオン状態として電荷蓄積部ＣＳ４に電荷を蓄積させる。
【0113】
すなわち、電荷蓄積部ＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ３が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、フレーム周期毎の蓄積期間において、異なる蓄積周期における同一の転送周期において、入射光により光電変換素子ＰＤが発生する電荷を、一つの電荷蓄積部ＣＳ３に振分けるのではなく、複数、すなわち電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の２個に対してそれぞれ分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ３のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ３のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
【0114】
また、通常モードにおいて、蓄積駆動信号ＴＸ２は、通常モードと同様に、転送周期Ｔ２において「Ｈ」レベルとされる。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ２には、通常モードと同様に、転送周期Ｔ２において光電変換素子ＰＤにより発生した電荷が、転送トランジスタＧ２を介して振分けられて蓄積される。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ２には、通常モードと同様に、転送周期Ｔ２において光電変換素子ＰＤにより発生した電荷が、転送トランジスタＧ２を介して振分けられて蓄積される。
【0115】
また、容量増加モードにおける図７に示す駆動形態で、転送周期Ｔ３において電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４を組合わせる場合、距離演算部４２は、以下の（６）式により、遅延時間Ｔｄを算出する。
Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ３＋Ｑ４－２×Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４－３×Ｑ１）…（６）
このとき、距離演算部４２は、上記（６）式で求めた遅延時間Ｔｄに、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の測定距離を算出する。
そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。
Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ３＋Ｑ４－２×Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４－３×Ｑ１）…（６）
このとき、距離演算部４２は、上記（６）式で求めた遅延時間Ｔｄに、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の測定距離を算出する。
そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。
【0116】
また、上述した容量増加モード稼働条件においては、蓄積周期が例えばｍ個ある場合、蓄積期間における最初の１番目の蓄積周期からｍ／２番目の蓄積周期までの間で電荷蓄積部ＣＳ３に電荷を蓄積させ、（ｍ／２）＋１番目の蓄積周期からｍ番目の蓄積周期までの間で電荷蓄積部ＣＳ４に電荷を蓄積させる構成としている。
しかしながら、例えば、奇数番目の蓄積周期の転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ３を「Ｈ」レベルとし、偶数番目の蓄積周期の転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとして、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に対して交互に、光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。
しかしながら、例えば、奇数番目の蓄積周期の転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ３を「Ｈ」レベルとし、偶数番目の蓄積周期の転送周期Ｔ３において蓄積駆動信号ＴＸ４を「Ｈ」レベルとして、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に対して交互に、光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。
【0117】
また、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を半分ずつ（均等に）、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成とした。
しかしながら、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を所定の比率として、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。すなわち、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に分割される電荷量が均等でなく、所定の比率となっても、一つの電荷蓄積部ＣＳ３のみの場合のように、飽和することを低減できる効果が得られる。
しかしながら、フレーム周期の蓄積期間における蓄積周期の個数を所定の比率として、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に光電変換部ＰＤの発生する電荷を分割して振分ける構成としてもよい。すなわち、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に分割される電荷量が均等でなく、所定の比率となっても、一つの電荷蓄積部ＣＳ３のみの場合のように、飽和することを低減できる効果が得られる。
【0118】
そして、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４の各々を介して、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに、光電変換素子ＰＤから入射光に対応した電荷が転送される。電荷蓄積期間に転送周期Ｔ１からＴ４からなる複数の蓄積周期が繰返される。
これにより、電荷蓄積期間における転送周期Ｔ１と、転送周期Ｔ２と、蓄積周期が異なる転送周期Ｔ３の各々の転送周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１と、電荷蓄積部ＣＳ２と、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４とのそれぞれに電荷が蓄積される。
これにより、電荷蓄積期間における転送周期Ｔ１と、転送周期Ｔ２と、蓄積周期が異なる転送周期Ｔ３の各々の転送周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１と、電荷蓄積部ＣＳ２と、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４とのそれぞれに電荷が蓄積される。
【0119】
上述したように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、電荷蓄積部ＣＳが飽和する画素数が予め設定した設定数を超える場合、複数（例えば２個）の電荷蓄積部ＣＳを組み合わせて一個の電荷蓄積部として稼働させる、例えば、蓄積電荷の容量（蓄積容量）が容量閾値を超える電荷蓄積部ＣＳ２が設定数を超える場合、電荷蓄積部ＣＳ２とＣＳ３とを組み合わせて、光電変換素子ＰＤの発生する電荷を分割して振分けることにより、電荷蓄積部ＣＳ２が飽和し、距離測定の計算結果の精度を低下させることを防止する構成としているため、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能となる。
【0120】
＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の第２の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明した図１の第１の実施形態による距離画像撮像装置１と同様の構成である。
以下、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる動作のみを説明する。
以下、本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の第２の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明した図１の第１の実施形態による距離画像撮像装置１と同様の構成である。
以下、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる動作のみを説明する。
【0121】
第１の実施形態の距離画像撮像装置は、すでに説明したように、容量増加モードにおいて、同一の蓄積周期における同一の転送周期で同時に組合せの電荷蓄積部ＣＳに対応する転送トランジスタＧをオン状態として、組合せの電荷蓄積部ＣＳの各々に対して、入射光により光電変換素子ＰＤで発生した電荷を分割して振分ける処理を行う。
しかしながら、第３の実施形態においては、背景光の影響が無視できる環境、例えば暗闇で環境における背景光がほとんどない状態を前提としている容量増加モードを有している。
なお、上述した本実施形態における駆動は、４tap（４個の電荷蓄積部）を備える画素の場合であり、５tap（５個の電荷蓄積部）以上の電荷蓄積部を備える画素においては背景光の影響を考慮した容量増加モードとなる。
しかしながら、第３の実施形態においては、背景光の影響が無視できる環境、例えば暗闇で環境における背景光がほとんどない状態を前提としている容量増加モードを有している。
なお、上述した本実施形態における駆動は、４tap（４個の電荷蓄積部）を備える画素の場合であり、５tap（５個の電荷蓄積部）以上の電荷蓄積部を備える画素においては背景光の影響を考慮した容量増加モードとなる。
【0122】
図８は、第３の実施形態における背景光の影響が無視できる環境の場合の容量増加モードによる、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。図８のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベル（「Ｈ」レベル／「Ｌ」レベル）を示し、横軸は時間を示している。また、図８においては、フレーム周期における電荷の蓄積期間に繰返される蓄積周期を示している。容量増加モードにおける、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々に供給する蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４それぞれのタイミングと、電荷排出トランジスタＧＤに供給する駆動信号ＲＳＴＤのタイミングとを示している。
【0123】
本実施形態において、背景光を取得する必要がないため、容量増加モードの場合、稼働条件組合せ記憶部４３６における容量増加モード稼働条件により、光源部２は、蓄積周期Ｔ１と同一タイミングにおいて光パルスＰＯを照射する。
また、容量増加モードとするモード判定は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に、通常モードにおいて行われる。
そして、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、読み出した上記容量増加モード稼働条件を稼働制御部４３４に対して出力する。
また、容量増加モードとするモード判定は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に、通常モードにおいて行われる。
そして、容量増加モード稼働条件設定部４３３は、読み出した上記容量増加モード稼働条件を稼働制御部４３４に対して出力する。
【0124】
稼働制御部４３４は、電荷蓄積部ＣＳの各々に対応した容量増加モード稼働条件により、タイミング制御部４１、距離演算部４２及び画素駆動回路３２２の稼働を制御し、容量増加モードの動作を行わせる。
上記容量増加モード稼働条件は、背景光の蓄積に電荷蓄積部ＣＳ１を用いないため、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２の各々を組合せ、かつ電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々とを組合せ、通常モードにおける電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２それぞれの一個に対応させて稼働させる。
上記容量増加モード稼働条件は、背景光の蓄積に電荷蓄積部ＣＳ１を用いないため、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２の各々を組合せ、かつ電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々とを組合せ、通常モードにおける電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２それぞれの一個に対応させて稼働させる。
【0125】
すなわち、画素駆動回路３２２は、容量増加モードの場合、タイミング制御部４１のタイミング制御により、通常駆動では電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させる転送周期Ｔ１において、蓄積駆動信号ＴＸ１及びＴＸ２を同時のタイミングで「Ｈ」レベルとする。
そして、転送トランジスタＧ１及びＧ２の各々は、光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１、電荷蓄積部ＣＳ２のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ１のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
そして、転送トランジスタＧ１及びＧ２の各々は、光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１、電荷蓄積部ＣＳ２のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ１のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
【0126】
また、同様に、画素駆動回路３２２は、容量増加モードの場合、タイミング制御部４１のタイミング制御により、通常駆動では電荷蓄積部ＣＳ２に電荷を蓄積させる転送周期Ｔ２において、蓄積駆動信号ＴＸ３及びＴＸ４を同時のタイミングで「Ｈ」レベルとする。
そして、転送トランジスタＧ３及びＧ４の各々は、光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ３、電荷蓄積部ＣＳ４のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ２のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
そして、転送トランジスタＧ３及びＧ４の各々は、光電変換素子ＰＤが発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ３、電荷蓄積部ＣＳ４のそれぞれに分割して振分ける。
これにより、電荷蓄積部ＣＳ２のみでは飽和していた電荷量が、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の各々に分割されて蓄積されるため、蓄積電荷量が最大蓄積容量を超えて飽和することを抑制することができる。
【0127】
そして、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４の各々を介して、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに、光電変換素子ＰＤから入射光に対応した電荷が転送される。電荷蓄積期間に転送周期Ｔ１からＴ４からなる複数の蓄積周期が繰返される。
これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２（転送周期Ｔ１）と、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４（転送周期Ｔ２）との各々の転送周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２と電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４とのそれぞれに電荷が蓄積される。
これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２（転送周期Ｔ１）と、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４（転送周期Ｔ２）との各々の転送周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２と電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４とのそれぞれに電荷が蓄積される。
【0128】
また、画素駆動回路３２２は、項で変換素子ＰＤから電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々への電荷の転送を行う転送周期それぞれを繰返す際、電荷蓄積部ＣＳ４に対する電荷の転送（振分け）が終了した後、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た電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
【0129】
これにより、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷蓄積部ＣＳ１に対する転送周期Ｔ１が開始される前に、直前の電荷蓄積部ＣＳ４の転送周期Ｔ２後に光電変換素子ＰＤに発生した電荷を破棄する（すなわち、光電変換素子ＰＤをリセットさせる）。
容量増加モードの場合、転送周期Ｔ１及びＴ２と、転送周期Ｔ３及びＴ４との各々が実質的に統合されて転送周期Ｔ３及びＴ４が無くなるため、図８に示すように、転送周期Ｔ２の後の時間Ｔrsにおいて、電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
容量増加モードの場合、転送周期Ｔ１及びＴ２と、転送周期Ｔ３及びＴ４との各々が実質的に統合されて転送周期Ｔ３及びＴ４が無くなるため、図８に示すように、転送周期Ｔ２の後の時間Ｔrsにおいて、電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。
【0130】
また、第２の実施形態と同様に、電荷蓄積部ＣＳ２やＣＳ３の電荷蓄積量Ｑ２、Ｑ３が容量閾値を超えた場合における容量増加モードは、フレーム周期毎の蓄積期間において、異なる蓄積周期における同一の転送周期において、入射光により光電変換素子ＰＤが発生する電荷を、一つの電荷蓄積部ＣＳ２やＣＳ３に振分けるのではなく、すなわち電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２の２個とに対してそれぞれ分割し、あるいは電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４の２個とに対してそれぞれ分割して振分ける構成としてもよい。
【0131】
また、背景光を無視することを前提とした場合、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２及びＣＳ３の３個の電荷蓄積部において、第１の実施形態の構成と同様に、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２の組合せと、電荷蓄積部ＣＳ３とで距離計測を行わせてもよいし、電荷蓄積部ＣＳ１と、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の組合せとで距離計測を行わせてもよい
【0132】
上述したように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、電荷蓄積部ＣＳが飽和する画素数が予め設定した設定数を超える場合、複数（例えば２個）の電荷蓄積部ＣＳを組み合わせて一個の電荷蓄積部として稼働させる、例えば、蓄積電荷の容量（蓄積容量）が容量閾値を超える電荷蓄積部ＣＳ２やＣＳ３が設定数を超える場合、電荷蓄積部ＣＳ１とＣＳ２とを、あるいは電荷蓄積部ＣＳ３とＣＳ４とを組み合わせて、光電変換素子ＰＤの発生する電荷を分割して振分けることにより、電荷蓄積部ＣＳ２やＣＳ３が飽和し、距離測定の計算結果の精度を低下させることを防止する構成としているため、電荷蓄積部の容量を増加させることなく、撮像画像の解像度及び入射光に対する感度を維持しつつ、入射光の強度が増加することによる飽和を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【0133】
１…距離画像撮像装置
２…光源部
３…受光部
２１…光源装置
２２…拡散板
３１…レンズ
３２…距離画像センサ（距離画像撮像素子）
３２１…画素回路
３２２…画素駆動回路
４…距離画像処理部
４１…タイミング制御部
４２…距離演算部
４３…測定制御部
４３１…通常モード稼働条件設定部
４３２…モード判定部
４３３…容量増加モード稼働条件設定部
４３４…稼働制御部
４３５…モード判定条件記憶部
４３６…稼働条件組合せ記憶部
ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４…電荷蓄積部
ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３，ＦＤ４…フローティングディフュージョン
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…転送トランジスタ
ＧＤ…電荷排出トランジスタ
ＰＤ…光電変換素子
ＰＯ…光パルス
ＲＬ…反射光
ＲＴ１，ＲＴ２，ＲＴ３，ＲＴ４…リセットトランジスタ
Ｓ…被写体
ＳＦ１，ＳＦ２，ＳＦ３，ＳＦ４…ソースフォロアトランジスタ
ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４…選択トランジスタ
２…光源部
３…受光部
２１…光源装置
２２…拡散板
３１…レンズ
３２…距離画像センサ（距離画像撮像素子）
３２１…画素回路
３２２…画素駆動回路
４…距離画像処理部
４１…タイミング制御部
４２…距離演算部
４３…測定制御部
４３１…通常モード稼働条件設定部
４３２…モード判定部
４３３…容量増加モード稼働条件設定部
４３４…稼働制御部
４３５…モード判定条件記憶部
４３６…稼働条件組合せ記憶部
ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４…電荷蓄積部
ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３，ＦＤ４…フローティングディフュージョン
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…転送トランジスタ
ＧＤ…電荷排出トランジスタ
ＰＤ…光電変換素子
ＰＯ…光パルス
ＲＬ…反射光
ＲＴ１，ＲＴ２，ＲＴ３，ＲＴ４…リセットトランジスタ
Ｓ…被写体
ＳＦ１，ＳＦ２，ＳＦ３，ＳＦ４…ソースフォロアトランジスタ
ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４…選択トランジスタ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】