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1. WO2020195046 - 固体撮像装置

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明 細 書

発明の名称 固体撮像装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007   0008   0009   0010  

課題を解決するための手段

0011  

発明の効果

0012  

図面の簡単な説明

0013  

発明を実施するための形態

0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119  

産業上の利用可能性

0120  

符号の説明

0121  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

明 細 書

発明の名称 : 固体撮像装置

技術分野

[0001]
 本開示は、距離測定およびカメラ画像生成に利用可能な固体撮像装置に関するものである。

背景技術

[0002]
 従来、固体撮像装置は画像を高感度、高精細に撮像することに注力されてきたが、それに加えて固体撮像装置からの距離情報も取得できる機能を併せ持つものも近年登場してきた。画像に距離情報が加われば固体撮像装置の撮影対象の3次元的な情報が感知できることになる。例えば、人物を撮影すれば、しぐさ(ジェスチャー)を3次元的に検知できるので、様々な機器の入力装置として使用できる。さらに例示すると、自動車に搭載すれば自車の周囲に存在する物体・人物との距離を認識できるので衝突防止や自動運転などに応用できる。
[0003]
 固体撮像装置から物体までの距離測定に使用される数々の方法の中に、光を固体撮像装置付近から物体に向けて照射されてから、物体により反射し固体撮像装置に帰還するまでの時間を測定するTOF(Time Of flight)法がある。特許文献1には、固体撮像装置にTOF法を適用して3次元的な情報を得る技術が開示されている。
[0004]
 特許文献1では、投射光(光パルス信号)が物体で反射した光と、投射光をOFFにした状態で得られた背景光との差分を求め、複数のトランスファゲートによる上記差分の位相差を用いて3次元的な情報を得ている。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 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、特許文献1では、背景光の強度に対して、ある程度以上の投射光の強度を確保する必要がある。特に、背景光の強い野外や、物体が遠距離にある場合、投射光の強度を高くする必要がある。
[0007]
 そこで、投射光の拡散角を小さくする(例えば、投射光を水平方向に延びるライン状にする)ことにより、投射光の強度を高めることができる。
[0008]
 しかし、この方法では、画素エリアにおける、投射光の照射位置に対応する画素、すなわち、所定行の画素からは距離測定のための信号が生成されるが、それ以外の画素からは距離測定のための信号が生成されない。このため、全画素を、同じタイミングで、距離測定のために用いることができず、固体撮像装置の利用効率が低くなる。
[0009]
 そこで、投射光の照射位置に対応していない画素をカメラ画像の撮像に用いることが考えられる。しかし、距離測定が行われる場合、画素の露光時間が非常に短くなるので、鮮明なカメラ画素を生成するために必要な露光時間を確保することができない。
[0010]
 本開示はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、距離測定およびカメラ画像生成に利用可能な固体撮像装置において、画素を効率よく使用しつつ、鮮明なカメラ画像を作成するために必要な露光時間を確保することができる固体撮像装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0011]
 本開示の一態様に係る固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素と、前記複数の画素の露光と、前記複数の画素からの画素信号の読み出しとを行うスキャン期間において、前記複数の画素のうち所定数の行に含まれる画素を、距離測定に用いられる第1画素として選択する測距アドレス回路と、前記スキャン期間において、前記複数の画素のうち前記第1画素以外の画素を、カメラ画像作成に用いられる第2画素として選択するカメラアドレス回路と、前記第1画素を駆動する第1駆動回路と、前記第2画素を駆動する第2駆動回路と、を備える。前記第1駆動回路は、前記スキャン期間に含まれる光照射期間において、前記第1画素の同時露光を行う一方、前記光照射期間後の読み出し期間において、前記第1画素からの画素信号の読み出しを行う。前記第2駆動回路は、前記スキャン期間における前記光照射期間を含む期間において、前記第2画素からの画素信号の読み出しを行う。

発明の効果

[0012]
 距離測定およびカメラ画像生成に利用可能な固体撮像装置において、画素を効率よく使用しつつ、鮮明なカメラ画像を作成するために必要な露光時間を確保することができる。

図面の簡単な説明

[0013]
[図1] 第1実施形態に係る距離測定装置の構成例を示す概略図。
[図2] 第1実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す回路図。
[図3] 第1実施形態に係る画素の構成例を示す回路図。
[図4] 第1実施形態に係る固体撮像装置の動作シーケンスを示す図。
[図5] 第2実施形態に係る固体撮像装置の動作シーケンスを示す図。
[図6] 第3実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す回路図。
[図7] 第3実施形態に係る固体撮像装置の動作シーケンスを示す図。
[図8] 測距アドレス回路の構成例を示す回路図。
[図9] 測距アドレス回路の動作シーケンスを示す図。

発明を実施するための形態

[0014]
 以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物あるいはその用途を制限することを意図するものでは全くない。例えば、具体的なブロック構成や回路構成を開示し、それを参照しながら説明するが、開示した構成はあくまでも一例であり、これに限られるわけではない。
[0015]
 -距離測定装置の構成-
 図1は第1実施形態に係る距離測定装置の構成例を示す概略図であり、図2は第1実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す回路図であり、図3は第1実施形態に係る画素の構成例を示す回路図である。なお、図2は、固体撮像装置1の説明をしやすくするために、一部を省略して図示している。
[0016]
 図1に示すように、本実施形態に係る距離測定装置は、固体撮像装置1と、信号処理装置2と、計算機3と、光源4とを備える。
[0017]
 固体撮像装置1は、画素アレイ11と、測距アドレス回路12と、カメラアドレス回路13と、マルチプレクサ14と、グローバルシャッタ回路15と、列回路16と、水平シフトレジスタ17と、出力アンプ18とを備える。
[0018]
 画素アレイ11には、画素100が行列状に配置されている。各画素100は、入力される露光信号TRNに従って、露光を行う。また、各画素100は、入力される選択信号SELに従って、露光結果を示す画素信号を垂直信号線121に出力する。なお、以下の説明において、画素アレイ11は、N行(Nは整数)の画素100を含むものとする。
[0019]
 また、画素アレイ11は、第1画素領域110と第2画素領域111を含む。第1画素領域110には、距離測定に用いられる第1画素が含まれる。第2画素領域111には、カメラ画像に用いられる第2画素が含まれる。第1画素領域110は、光源4における投射光の照射位置に対応する部分であり、複数行の画素100を含む。
[0020]
 測距アドレス回路12は、例えば、パルス信号を生成する回路等であり、画素アレイ11から複数行の画素100を第1画素として選択するものである。具体的に、測距アドレス回路12は、選択した第1画素の駆動タイミングを示す第1駆動信号TOFを生成し、マルチプレクサ14に出力する。
[0021]
 カメラアドレス回路13は、例えば、パルス信号を生成する回路等であり、画素アレイ11から第1画素として選択された画素100以外を第2画素として選択するものである。具体的に、カメラアドレス回路13は、測距アドレス回路12に選択された第1画素以外の画素100を第2画素として選択し、第2画素の駆動タイミングを示す第2駆動信号BRTを生成し、マルチプレクサ14に出力する。
[0022]
 マルチプレクサ14は、複数の駆動信号生成部141を備える。駆動信号生成部141は、画素アレイ11の行ごとに設けられている。駆動信号生成部141は、外部から測距露光信号TRN_TOF、カメラ露光信号TRN_BRT、測距リセット信号RST_TOF、カメラリセット信号RST_BRT、測距選択信号SEL_TOF、カメラ選択信号SEL_BRTの入力を受ける。また、駆動信号生成部141は、露光信号TRNをグローバルシャッタ回路15に出力し、第1リセット信号RSTおよび選択信号SELを、対応する画素100に出力する。なお、図2では、図示を省略しているが、マルチプレクサ14は、画素100の行ごとに、第2リセット信号OVFおよびカウント信号CNTを出力する。また、以下の説明において、k行目の画素に対応する第1駆動信号、第2駆動信号、露光信号、第1リセット信号、第2リセット信号、選択信号、カウント信号、をそれぞれ、第1駆動信号TOF(k)、第2駆動信号BRT(k)、露光信号TRN(k)、第1リセット信号RST(k)、第2リセット信号OVF(k)、選択信号SEL(k)、カウント信号CNT(k)とする。
[0023]
 グローバルシャッタ回路15は、例えば、画素100の行ごとに設けられており、対応する駆動信号生成部141から露光信号TRNを受けたとき、行方向に並んだ画素100の同時露光を行う。例えば、グローバルシャッタ回路15は、露光信号TRN(k)を受けたとき、k行目に並んだ画素100が同時露光を行うように、露光信号TRN(k)を出力する。なお、グローバルシャッタ回路15が設けられなくてもよく、マルチプレクサ14が画素100に露光信号TRNを直接出力してもよい。
[0024]
 列回路16は、垂直信号線121を介して、各画素100から出力される画素信号を受ける。列回路16は、各画素100で異なるオフセット成分を除去するCDS(Correlated Double Sampling)処理などを行い、水平シフトレジスタ17に出力する。
[0025]
 水平シフトレジスタ17は、列回路16から出力される信号を順次出力アンプ18に転送する。
[0026]
 出力アンプ18は、水平シフトレジスタ17から順次入力される信号を増幅し信号処理装置2に出力する。
[0027]
 信号処理装置2は、アナログフロントエンド21と、ロジック・メモリ22とを備える。
[0028]
 アナログフロントエンド21は、固体撮像装置1の出力アンプ18から出力された信号をアナログ形式からデジタル形式に変換する。また、アナログフロントエンド21は、デジタル形式に変換した信号を、ロジック・メモリ22に出力する。なお、アナログフロントエンド21は必要に応じて、出力アンプ18から出力された信号の順序を入れ替えてもよい。
[0029]
 ロジック・メモリ22は、アナログフロントエンド21から受けた信号に基づき、距離信号およびカメラ画像信号を生成する。生成された距離信号およびカメラ画像信号は、計算機3に出力される。
[0030]
 計算機3は、例えば、コンピュータ等であり、ロジック・メモリ22から入力される距離信号に基づいて、固体撮像装置1の周囲の三次元情報を構成する。また、計算機3は、ロジック・メモリ22から入力されるカメラ画像信号に基づいて、カメラ画像を生成する。なお、信号処理装置2が距離信号およびカメラ画像信号に基づいて、固体撮像装置1の周囲の三次元情報を構成するとともに、カメラ画像を生成してもよい。
[0031]
 光源4は、三次元情報を得たい箇所に光を投射する。光源4は、スキャン機構41を備え、行方向に延びるライン状のパルス光を出力する。パルス光の出力時刻や幅は、ロジック・メモリ22によって制御される。
[0032]
 -画素の構成-
 図3に示すように、画素100は、アバランシェフォトダイオード101と、オーバーフロートランジスタ102と、トランスファゲートトランジスタ103と、リセットトランジスタ105と、カウントトランジスタ106と、メモリキャパシタ107と、増幅トランジスタ108と、選択トランジスタ109とを備える。
[0033]
 アバランシェフォトダイオード101は、入射光を信号電荷に変換する光電変換を行う。アバランシェフォトダイオード101は、生成した信号電荷を、数倍~数十倍に増幅する。
[0034]
 オーバーフロートランジスタ102は、ゲートに第2リセット信号OVFを受け、第2リセット信号OVFがハイレベルのとき、アバランシェフォトダイオード101にリセット電圧VRSTを供給する。すなわち、第2リセット信号OVFがハイレベルのとき、アバランシェフォトダイオード101内の電圧は、リセット電圧VRSTにリセットされる。
[0035]
 トランスファゲートトランジスタ103は、ゲートに露光信号TRNを受け、露光信号TRNがハイレベルのとき、アバランシェフォトダイオード101内の信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。すなわち、露光信号TRNがハイレベルのとき、画素100は露光を行う。
[0036]
 リセットトランジスタ105は、ゲートに第1リセット信号RSTを受け、第1リセット信号RSTがハイレベルのとき、フローティングディフュージョンFDにリセット電圧VRSTを供給する。すなわち、第1リセット信号RSTがハイレベルのとき、フローティングディフュージョンFDはリセット電圧VRSTにリセットされる。
[0037]
 カウントトランジスタ106は、ゲートにカウント信号CNTを受け、カウント信号CNTがハイレベルのとき、フローティングディフュージョンFDに蓄積された信号電荷をメモリキャパシタ107に転送する。メモリキャパシタ107は、カウントトランジスタ106から転送された信号電荷を蓄積する。すなわち、メモリキャパシタ107には、露光結果に基づいた信号電荷が蓄積される。
[0038]
 増幅トランジスタ108は、フローティングディフュージョンFDに蓄積された信号電荷に応じた電圧を増幅して選択トランジスタ109に出力する。
[0039]
 選択トランジスタ109は、ゲートに選択信号SELを受け、選択信号SELがハイレベルのとき、増幅トランジスタ108から受けた電圧に応じた画素信号を垂直信号線121に出力する。すなわち、選択信号SELがハイレベルのとき、画素100から画素信号の読み出しが行われる。
[0040]
 -マルチプレクサの構成-
 図2に示すように、マルチプレクサ14は、画素100の行ごとに駆動信号生成部141を備える。駆動信号生成部141は、ANDゲート201~206と、ORゲート207~209とを備える。
[0041]
 ANDゲート201は、第1駆動信号TOFと測距露光信号TRN_TOFとの論理積を算出し、出力信号AとしてORゲート207に出力する。ANDゲート202は、第2駆動信号BRTとカメラ露光信号TRN_BRTとの論理積を算出し、出力信号BとしてORゲート207に出力する。ORゲート207は、出力信号Aと出力信号Bとの論理和を算出し、露光信号TRNとして画素100に出力する。すなわち、第1駆動信号TOFおよび測距露光信号TRN_TOFがハイレベルのとき、または、第2駆動信号BRTおよびカメラ露光信号TRN_BRTがハイレベルのとき、露光信号TRNがハイレベルとなり、画素100は露光を行う。
[0042]
 ANDゲート203は、第1駆動信号TOFと測距リセット信号RST_TOFとの論理積を算出し、出力信号CとしてORゲート208に出力する。ANDゲート204は、第2駆動信号BRTとカメラリセット信号RST_BRTとの論理積を算出し、出力信号DとしてORゲート208に出力する。ORゲート208は、出力信号Aと出力信号Bとの論理和を算出し、第1リセット信号RSTとして画素100に出力する。すなわち、第1駆動信号TOFと測距リセット信号RST_TOFとがハイレベルのとき、または、第2駆動信号BRTとカメラリセット信号RST_BRTとがハイレベルのとき、第1リセット信号RSTがハイレベルとなり、画素100におけるフローティングディフュージョンFDがリセット電圧VRSTにリセットされる。
[0043]
 ANDゲート205は、第1駆動信号TOFと測距選択信号SEL_TOFとの論理積を算出し、出力信号EとしてORゲート209に出力する。ANDゲート206は、第2駆動信号BRTとカメラ選択信号SEL_BRTとの論理積を算出し、出力信号FとしてORゲート209に出力する。ORゲート209は、出力信号Eと出力信号Fとの論理和を算出し、選択信号SELとして画素100に出力する。すなわち、第1駆動信号TOFおよび測距選択信号SEL_TOFがハイレベルのとき、または、第2駆動信号BRTおよびカメラ選択信号SEL_BRTがハイレベルのとき、選択信号SELがハイレベルとなり、画素100は画素信号の読み出しを行う。
[0044]
 -固体撮像装置の動作-
 図4は固体撮像装置の動作シーケンスを示す。具体的に、図4は光源スキャン期間γ,γ+1における固体撮像装置1の動作を示す。
[0045]
 固体撮像装置1は、1フレーム分の距離画像およびカメラ画像を生成するために、光源スキャン期間γ,γ+1を含むM個の光源スキャン期間における動作を行う。各スキャン期間において、測距アドレス回路12により、光源4の照射位置に対応するα行の画素100が、第1画素として選択される。そして、カメラアドレス回路13により、第1画素以外の画素100が第2画素として選択される。
[0046]
 図4では、光源スキャン期間γにおいて、画素アレイ11のうち、k~k+α行目の画素100が第1画素として選択され、m~m+α,l~l+α行目の画素100が第2画素として選択されている。また、光源スキャン期間γ+1において、画素アレイ11のうち、k+α+1~k+2α行目の画素が第1画素として選択されている。
[0047]
 また、各光源スキャン期間は、光照射期間と読み出し期間とに分けられている。
[0048]
 まず、第1画素の動作について説明する。
[0049]
 光源スキャン期間γの光照射期間において、測距アドレス回路12は第1駆動信号TOF(k)~TOF(k+α)をハイレベルにする。その後、測距露光信号TRN_TOFがハイレベルとなる。このため、k~k+α行目の画素100に対応する駆動信号生成部141におけるANDゲート201から出力される出力信号Aがハイレベルとなり、露光信号TRN(k)~TRN(k+α)がハイレベルとなる。これにより、k~k+α行目の画素100において、トランスファゲートトランジスタ103がオン状態となり、アバランシェフォトダイオード101からフローティングディフュージョンFDへの信号電荷の転送が開始される。すなわち、第1画素の同時露光が開始される。
[0050]
 その後、測距露光信号TRN_TOFがローレベルとなり、ANDゲート201から出力される出力信号Aがローレベルとなり、露光信号TRN(k)~TRN(k+α)がローレベルとなる。このため、k~k+α行目の画素100において、トランスファゲートトランジスタ103がオフ状態となり、アバランシェフォトダイオード101からフローティングディフュージョンFDへの信号電荷の転送が停止される。すなわち、第1画素における同時露光が終了する。その後、測距アドレス回路12は、第1駆動信号TOF(k)~TOF(k+α)をローレベルにして、初期状態に戻る。
[0051]
 光照射期間において、第1画素に対して、以上の動作が複数回行われる。すなわち、本実施形態の固体撮像装置1では、光照射期間において、第1画素の同時露光が複数回行われる。
[0052]
 次に、光源スキャン期間γの読み出し期間において、測距選択信号SEL_TOFがハイレベルとなる。また、測距アドレス回路12は第1駆動信号TOF(k)をハイレベルにする。このため、k行目の画素100に対応する駆動信号生成部141におけるANDゲート205から出力される出力信号Eがハイレベルとなり、選択信号SEL(k)がハイレベルとなる。これにより、k行目の画素100において、選択トランジスタ109がオン状態となり、画素100から画素信号が出力される。すなわち、k行目の画素100からの画素信号の読み出しが開始される。その後、測距選択信号SEL_TOFおよび第1駆動信号TOF(k)がローレベルとなり、k行目の画素100からの画素信号の出力が停止される。すなわち、k行目の画素100からの画素信号の読み出しが終了する。
[0053]
 その後、k+1~k+α行目の画素100に対して、以上の動作が順次行われる。すなわち、第1画素からの画素信号の読み出しが、行ごとに行われる。
[0054]
 その後、固体撮像装置1は、光源スキャン期間γ+1において、光源4の照射位置をk+α+1~k+2α行目の画素100に対応するように変更しつつ、k+α+1~k+2α行目の画素100に対して、以上に説明した動作を同様に行う。すなわち、測距アドレス回路12は、光源スキャン期間ごとに、画素100をα行ずつ、ずらしながら第1画素を選択する。したがって、固体撮像装置1では、スキャン期間ごとに、第1画素として選択する画素100が変更される。
[0055]
 次に、第2画素の動作について説明する。
[0056]
 光源スキャン期間γの光照射期間において、カメラアドレス回路13は、第2駆動信号BRT(m)をハイレベルにする。また、カメラ露光信号TRN_BRTおよびカメラ選択信号SEL_BRTがハイレベルとなる。このため、m行目の画素100に対応する駆動信号生成部141におけるANDゲート202から出力される出力信号Bがハイレベルとなり、露光信号TRN(m)がハイレベルとなる。また、m行目の画素100に対応する駆動信号生成部141におけるANDゲート206から出力される出力信号Fがハイレベルとなり、選択信号SEL(m)がハイレベルとなる。これにより、m行目の画素100において、トランスファゲートトランジスタ103および選択トランジスタ109がオン状態となり、m行目の画素100の露光が開始されるとともに、m行目の画素100からの画素信号の読み出しが開始される。その後、カメラアドレス回路13が第2駆動信号BRT(m)をローレベルにするとともに、カメラ露光信号TRN_BRTおよびカメラ選択信号SEL_BRTがローレベルになることにより、m行目の画素100の露光が終了されるとともに、m行目の画素100からの画素信号の読み出しが終了する。
[0057]
 ここで、カメラ露光信号TRN_BRTがハイレベルとなるカメラ露光時間Tbは、測距露光信号TRN_TOFがハイレベルとなる測距露光時間Taよりも長く設定されている。すなわち、各光源スキャン期間において、第2画素として選択された画素100は、第1画素として選択された画素100よりも長い時間露光することとなる。
[0058]
 その後、カメラアドレス回路13は、第2駆動信号BRT(l)をハイレベルにする。また、カメラリセット信号RST_BRTがハイレベルとなる。このため、l行目の画素100に対応する駆動信号生成部141におけるANDゲート204から出力される出力信号Dがハイレベルとなり、第1リセット信号RSTがハイレベルとなる。これにより、リセットトランジスタ105がオン状態となり、フローティングディフュージョンFDにリセット電圧VRSTが供給される。すなわち、l行目の画素100のフローティングディフュージョンFDがリセット電圧VRSTにリセットされる。
[0059]
 その後、m+1~m+α,l+1~l+α行目の画素100に対して、以上に説明した動作が同様に行われる。
[0060]
 その後、図示は省略するが、カメラアドレス回路13は、光源スキャン期間ごとに、画素100をα行ずつ、ずらしながら第2画素を選択する。すなわち、固体撮像装置1では、スキャン期間ごとに、第2画素として選択する画素100が変更される。
[0061]
 以上の構成により、画素アレイ11に含まれる、k~k+α行目の画素100は、測距アドレス回路12により、距離測定に用いられる第1画素として選択される。また、画素アレイ11に含まれる、第1画素以外のm~m+α行目の画素100は、カメラアドレス回路13により、カメラ画像生成に用いられる第2画素として選択される。マルチプレクサ14のANDゲート201は、スキャン期間に含まれる光照射期間において、第1画素が同時露光を行うように出力信号Aを出力する一方、マルチプレクサ14のANDゲート205は、光照射期間後の読み出し期間において、第1画素から画素信号が読み出されるように出力信号Eを出力する。また、マルチプレクサ14のANDゲート206は、スキャン期間における光照射期間を含む期間において、第2画素から画素信号が読み出されるように出力信号Fを出力する。すなわち、第1画素は距離測定のために用いられる一方、第2画素はカメラ画像作成のために用いられる。これにより、画素100を無駄なく使用することができる。また、スキャン期間における光照射期間を含む期間において、第1画素を駆動するANDゲート201,206と異なるANDゲート205により、第2画素からの画素信号が読み出される。これにより、第2画素は、第1画素の露光時間よりも長い時間露光を行うことができる。したがって、距離測定およびカメラ画像生成に利用可能な固体撮像装置1において、画素100を効率よく使用しつつ、鮮明なカメラ画像を作成するために必要な露光時間を確保することができる。
[0062]
 また、測距アドレス回路12は、第1画素の行ごとに、第1画素の駆動タイミングを示す第1駆動信号TOFを出力する。カメラアドレス回路13は、第2画素の行ごとに、第2画素の駆動タイミングを示す第2駆動信号BRTを出力する。マルチプレクサ14は、第1画素の露光タイミングを示す測距露光信号TRN_TOF、第1画素の画素信号の出力タイミングを示す測距選択信号SEL_TOF、第2画素の露光タイミングを示すカメラ露光信号TRN_BRT、および、第2画素の画素信号の出力タイミングを示すSEL_BRTを受け、露光信号TRNおよび選択信号SELを画素100に出力する。第1画素の露光信号TRNは、第1駆動信号TOFと測距露光信号TRN_TOFとの論理積によって生成される。第1画素の選択信号SELは、第1駆動信号TOFと測距選択信号SEL_TOFとの論理積によって生成される。第2画素の露光信号TRNは、第2駆動信号とカメラ露光信号TRN_BRTとの論理積によって生成される。第2画素の選択信号は、第2駆動信号BRTと測距選択信号SEL_BRTとの論理積によって生成される。これにより、第1および第2画素の駆動タイミングを示す信号と、駆動内容ごとの駆動タイミングを示す信号との論理積を行うことにより、画素100の行および駆動内容ごとに、制御信号を生成するための回路を設ける必要がなくなり、固体撮像装置1の面積を抑えることができる。
[0063]
 なお、本実施形態において、第2画素の露光、および、第2画素からの画素信号の出力は同時に行われているが、異なるタイミングで行われてもよい。
[0064]
 (第2実施形態)
 図5は第2実施形態に係る固体撮像装置の動作シーケンスを示す。なお、第2実施形態における固体撮像装置は、第1実施形態における固体撮像装置と同じ構成である。図5では、光源スキャン期間γの光照射期間において、第2画素の同時露光が行われた後に、第2画素からの画素信号の読み出しが行われる。
[0065]
 具体的に、光源スキャン期間γの光照射期間において、カメラアドレス回路13は、第2駆動信号BRT(m)~BRT(m+α)をハイレベルにする。また、カメラ露光信号TRN_BRTがハイレベルとなる。このため、露光信号TRN(m)~TRN(m+α)がハイレベルとなり、m~m+α行目の画素100におけるトランスファゲートトランジスタ103がオン状態となる。すなわち、第2画素の同時露光が開始される。
[0066]
 その後、カメラ露光信号TRN_BRTがローレベルとなる。このため、露光信号TRN(m)~TRN(m+α)がローレベルとなり、m~m+α行目の画素100におけるトランスファゲートトランジスタ103がオフ状態となる。すなわち、第2画素の同時露光が終了される。
[0067]
 その後、カメラアドレス回路13は、第2駆動信号BRT(m+1)~BRT(m+α)をローレベルにする。また、カメラ選択信号SEL_BRTがハイレベルとなる。このため、選択信号SEL(m)がハイレベルとなり、m行目の画素100における選択トランジスタ109がオン状態となる。すなわち、m行目の画素100からの画素信号の読み出しが開始される。
[0068]
 その後、カメラアドレス回路13は、第2駆動信号BRT(m)をローレベルにする。このため、選択信号SEL(m)がローレベルとなり、m行目の画素100における選択トランジスタ109がオフ状態となる。すなわち、m行目の画素100からの画素信号の読み出しが終了する。
[0069]
 その後、第2画素の同時露光が行われた後に、m+1~m+α行目の画素100に対して、以上に説明した動作が同様に行われる。これにより、鮮明なカメラ画像を生成するために必要な画素信号を第2画素から得ることができる。
[0070]
 なお、本実施形態において、第2画素の同時露光が終了した後に、m+1~m+α行目の画素100におけるカウント信号CNTをハイレベルにして、カウントトランジスタ106をオン状態にし、フローティングディフュージョンFDからメモリキャパシタ107に信号電荷を転送してもよい。
[0071]
 (第3実施形態)
 図6は第3実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す回路図である。なお、図6では、説明をしやすくするため、固体撮像装置1の一部を省略して図示している。
[0072]
 図6に示すように、マルチプレクサ14は、第1電源線301と、第2電源線302と、第3電源線303と、スイッチ321,322とをさらに備える。第3電源線303およびスイッチ321,322は、画素100の行ごとに設けられている。
[0073]
 マルチプレクサ14は、第1電源線301を介して、第1電源311と接続されており、第1電源311から第1リセット電圧VRST1の供給を受けている。また、マルチプレクサ14は、第2電源線302を介して、第2電源312と接続されており、第2電源312から第2リセット電圧VRST2の供給を受けている。なお、第1リセット電圧VRST1は、第2リセット電圧VRST2より高い電圧である。例えば、第1リセット電圧VRST1は3Vであり、第2リセット電圧VRST2は1.5V~2Vである。
[0074]
 第1電源線301は、スイッチ321を介して、第3電源線303と接続されており、第2電源線302は、スイッチ322を介して、第3電源線303と接続されている。スイッチ321は、測距アドレス回路12からハイレベルの第1駆動信号TOFを受けたとき、第1電源線301と第3電源線303とを接続する。スイッチ322は、カメラアドレス回路13からハイレベルの第2駆動信号BRTを受けたとき、第2電源線302と第3電源線303とを接続する。なお、図示は省略するが、第3電源線303は、行方向に並んだ画素100におけるオーバーフロートランジスタ102のソースおよびリセットトランジスタ105のソースに接続されている。すなわち、マルチプレクサ14は、図3におけるリセット電圧VRSTに、第1リセット電圧VRST1または第2リセット電圧VRST2の供給を行う。
[0075]
 図7は本実施形態に係る固体撮像装置の動作シーケンスを示す。具体的に、図7では、光源スキャン期間γにおけるk,m,l行目の画素100の動作シーケンスを示す。
[0076]
 まず、第1画素の動作を説明する。
[0077]
 光照射期間において、測距アドレス回路12は、第1駆動信号TOF(k)~TOF(k+α)をハイレベルにする。また、第2リセット信号OVF(k)~OVF(k+α)がハイレベルとなる。このため、k~k+α行目の画素100におけるオーバーフロートランジスタ102がオン状態となる。このとき、スイッチ321により、第1電源線301と第3電源線303とが接続されているため、アバランシェフォトダイオード101に第1リセット電圧VRST1が供給される。すなわち、第1画素におけるアバランシェフォトダイオード101が第1リセット電圧VRST1にリセットされる。
[0078]
 その後、第2リセット信号OVF(k)~OVF(k+α)がローレベルになるとともに、露光信号TRN(k)~TRN(k+α)がハイレベルとなり、第1画素の同時露光が行われる。
[0079]
 その後、露光信号TRN(k)~TRN(k+α)がローレベルとなり、カウント信号CNT(k)~CNT(k+α)がハイレベルとなる。すなわち、第1画素におけるメモリキャパシタ107に露光結果に基づいた信号電荷が蓄積される。
[0080]
 その後、カウント信号CNT(k)~CNT(k+α)がローレベルとなり、測距アドレス回路12は、第1駆動信号TOF(k)~TOF(k+α)をローレベルにする。
[0081]
 その後、光照射期間において、第1画素に対して、以上の動作が複数回行われる。
[0082]
 次に、光源スキャン期間γの読み出し期間において、測距選択信号SEL_TOFおよび第1リセット信号RST(k)がハイレベルとなる。また、測距アドレス回路12は第1駆動信号TOF(k)をハイレベルにする。このため、リセットトランジスタ105および選択トランジスタ109がオン状態となる。このとき、スイッチ321により、第1電源線301と第3電源線303とが接続されているため、フローティングディフュージョンFDに第1リセット電圧VRST1が供給される。すなわち、k行目の画素100におけるフローティングディフュージョンFDが第1リセット電圧VRST1にリセットされる。
[0083]
 その後、第1リセット信号RST(k)がローレベルとなり、カウント信号CNT(k)がハイレベルとなる。このため、カウントトランジスタ106がオン状態となり、メモリキャパシタ107に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンFDに転送され、フローティングディフュージョンFDの電圧に応じた画素信号が選択トランジスタ109から出力される。すなわち、k行目の画素100からの画素信号の読み出しが行われる。
[0084]
 その後、カウント信号CNT(k)がローレベルとなり、第1リセット信号RST(k)が一時的にハイレベルとなって、k行目の画素100におけるフローティングディフュージョンFDが第1リセット電圧VRST1にリセットされる。
[0085]
 その後、測距選択信号SEL_TOFがローレベルとなり、測距アドレス回路12が第1駆動信号TOF(k)をローレベルにして、初期状態に戻る。
[0086]
 その後、k+1~k+α行目の画素100に対して、以上の動作が、画素100の行ごとに行われる。
[0087]
 次に、第2画素の動作を説明する。
[0088]
 光照射期間において、カメラアドレス回路13は、第2駆動信号BRT(m)をハイレベルにする。また、カメラ選択信号SEL_BRTおよび第1リセット信号RST(m)がハイレベルとなる。このため、m行目の画素100におけるリセットトランジスタ105および選択トランジスタ109がオン状態となる。このとき、スイッチ322により、第2電源線302と第3電源線303とが接続されているため、フローティングディフュージョンFDに第2リセット電圧VRST2が供給される。すなわち、m行目の画素100におけるフローティングディフュージョンFDが第2リセット電圧VRST2にリセットされる。
[0089]
 その後、第1リセット信号RST(m)がローレベルとなり、露光信号TRN(m)がハイレベルとなる。このため、m行目の画素100において露光が行われる。このとき、選択トランジスタ109がオン状態であるため、画素100からの画素信号の読み出しが行われる。
[0090]
 その後、カメラ露光信号SEL_BRT、露光信号TRN(m)、第1駆動信号BRT(m)および選択信号SEL(m)がローレベルとなり、初期状態に戻る。
[0091]
 その後、カメラアドレス回路13は、第2駆動信号BRT(l)をハイレベルにする。また、カメラ露光信号SEL_BRT、選択信号SEL(l)および第1リセット信号RST(l)がハイレベルとなる。このため、l行目の画素100におけるリセットトランジスタ105および選択トランジスタ109がオン状態となる。このとき、スイッチ322により、第2電源線302と第3電源線303とが接続されているため、フローティングディフュージョンFDに第2リセット電圧VRST2が供給される。すなわち、l行目の画素100におけるフローティングディフュージョンFDが第2リセット電圧VRST2にリセットされる。
[0092]
 その後、第1リセット信号RST(l)がローレベルとなり、露光信号TRN(l)がハイレベルとなる。このため、l行目の画素100におけるオーバーフロートランジスタ102がオン状態となる。このとき、スイッチ322により、第2電源線302と第3電源線303とが接続されているため、アバランシェフォトダイオード101に第2リセット電圧VRST2が供給される。すなわち、l行目の画素100におけるアバランシェフォトダイオード101が第2リセット電圧VRST2にリセットされる。
[0093]
 その後、第2駆動信号BRT(l)、第2リセット信号RST(l)および選択信号SEL(l)がローレベルとなり、初期状態に戻る。
[0094]
 その後、m+1~m+α,l+1~l+α行目の画素100に対して、以上に動作が、行ごとに行われる。
[0095]
 以上の構成により、光源スキャン期間γにおいて、第1画素として選択されるk~k+α行目の画素100は、露光が行われる前に、アバランシェフォトダイオード101およびフローティングディフュージョンFDが第1リセット電圧VRST1にリセットされている。また、光源スキャン期間γにおいて、第2画素として選択されるm~m+α,l~l+α行目の画素100は、露光が行われる前に、アバランシェフォトダイオード101およびフローティングディフュージョンFDが第1リセット電圧VRST1よりも低い第2リセット電圧VRST2にリセットされている。これにより、第2画素におけるアバランシェフォトダイオード101の信号電荷の増倍率を抑えることができるため、第2画素に、カメラ画像作成に適した動作を行わせることができる。
[0096]
 (アドレス回路の構成)
 図8は第1~第3実施形態に係る固体撮像装置における測距アドレス回路の構成例を示す回路図である。図8に示すように、測距アドレス回路12は、N個のDフリップフロップ401を含む露光アドレス用サブ回路405と、N個のDフリップフロップ402を含む読み出しアドレス用サブ回路406と、N個の選択回路403と、N個のANDゲート404とを含む。Dフリップフロップ401、Dフリップフロップ402、選択回路403およびANDゲート404は、画素100の行ごとに設けられている。
[0097]
 各Dフリップフロップ401は、クロック端子に第1クロック信号CK1を受け、リセット端子に第3リセット信号RST3を受ける。また、Dフリップフロップ401は直列接続されている。例えば、1行目の画素100に対応するDフリップフロップ401は、D端子に第1シフト信号SFT1を受け、Q端子が、2行目の画素100に対応するDフリップフロップ401のD端子、および、1行目の画素100に対応する選択回路403の第1入力端子に接続されている。すなわち、Dフリップフロップ401は、Q端子が、後段のDフリップフロップ401のD端子および選択回路403の第1入力端子に接続される。
[0098]
 各Dフリップフロップ402は、クロック端子に第2クロック信号CK2を受け、リセット端子に第4リセット信号RST4を受ける。また、Dフリップフロップ402は直列接続されている。例えば、1行目の画素100に対応するDフリップフロップ402は、D端子に第2シフト信号SFT2を受け、Q端子が、2行目の画素100に対応するDフリップフロップ402のD端子、および、1行目の画素100に対応する選択回路403の第2入力端子に接続されている。すなわち、Dフリップフロップ402は、Q端子が、後段のDフリップフロップ402のD端子および選択回路403の第2入力端子に接続される。
[0099]
 選択回路403は、入力された制御信号に応じて、第1出力端子に入力された信号または第2出力端子に入力された信号を、ANDゲート404に出力する。具体的に、選択回路403は、制御信号として、反転された測距選択信号SEL_TOFを受ける。例えば、選択回路403は、測距選択信号SEL_TOFがローレベルのときは、第1入力端子に入力された信号、すなわち、Dフリップフロップ401のQ端子から出力される信号をANDゲート404に出力する。一方、選択回路403は、測距選択信号SEL_TOFがハイレベルのときは、第2入力端子に入力された信号、すなわち、Dフリップフロップ402のQ端子から出力される信号をANDゲート404に出力する。
[0100]
 ANDゲート404は、選択回路403から出力された信号と、アドレスイネーブル信号Addrとの論理積を行い、第1駆動信号TOF(1)~TOF(N)を出力する。
[0101]
 図9は測距アドレス回路の動作シーケンスを示す。具体的に、図9は光源スキャン期間1における固体撮像装置1の動作を示す。図9では、測距アドレス回路12により、2~α+1行目の画素100が第1画素として選択される。
[0102]
 光源スキャン期間1の前において、第1シフト信号SFT1をハイレベルにし、第1クロック信号CK1をα回ハイレベルにする。その後、第1シフト信号SFT1をローレベルにし、第1クロック信号CK1を1回ハイレベルにする。このため、2~α+1行目の画素100に対応するDフリップフロップ401のQ端子から出力される信号がハイレベルとなる。
[0103]
 また、第2シフト信号SFT2をハイレベルにし、第2クロック信号CK1を1回ハイレベルにする。その後、第2シフト信号SFT2をローレベルにし、第2クロック信号CK2を1回ハイレベルにする。このため、2行目の画素100に対応するDフリップフロップ402のQ端子から出力される信号がハイレベルとなる。
[0104]
 光源スキャン期間1における光照射期間において、アドレスイネーブル信号Addrがハイレベルとなる。このとき、測距選択信号SEL_TOFがローレベルであるため、選択回路403は、第1入力端子に入力された信号、すなわち、Dフリップフロップ401のQ端子から出力される信号をANDゲート404に出力する。したがって、第1駆動信号TOF(2)~TOF(1+α)がハイレベルとなる。
[0105]
 その後、アドレスイネーブル信号Addrがハイレベルとなるタイミングに、第1駆動信号TOF(2)~TOF(1+α)がハイレベルとなる。
[0106]
 光源スキャン期間1の読み出し期間において、測距選択信号SEL_TOFおよびアドレスイネーブル信号Addrがハイレベルとなる。このため、選択回路403は、第2入力端子に入力された信号、すなわち、Dフリップフロップ402のQ端子から出力されるハイレベルの信号をANDゲート404に出力する。したがって、第1駆動信号TOF(2)がハイレベルとなる。
[0107]
 その後、測距選択信号SEL_TOFおよびアドレスイネーブル信号Addrがローレベルとなり、第2クロック信号CK2がハイレベルとなる。すなわち、2行目の画素100に対応するDフリップフロップ402のQ端子から出力される信号が、ローレベルとなり、3行目の画素100に対応するDフリップフロップ402のQ端子から出力される信号が、ハイレベルとなる。
[0108]
 その後、測距選択信号SEL_TOFおよびアドレスイネーブル信号Addrがローレベルとなり、第2クロック信号CK2がハイレベルとなる。このとき、第1駆動信号TOF(3)がハイレベルとなる。
[0109]
 その後、同様の動作を行うことにより、第1駆動信号TOF(4)~TOF(α+1)を1行ごとにハイレベルにすることができる。
[0110]
 以上の構成により、測距アドレス回路12において、第1駆動信号TOF(1)~TOF(N)を生成することができる。
[0111]
 なお、本実施形態において、カメラアドレス回路13を測距アドレス回路12と同様に構成してもよい。
[0112]
 また、測距アドレス回路12は、その他の回路構成により実現されてもよい。
[0113]
 (その他の実施形態)
 以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態について説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
[0114]
 なお、上記各実施形態において、マルチプレクサ14は、画素100が露光する前に、第2リセット信号OVFをハイレベルにして、オーバーフロートランジスタ102をオン状態にして、アバランシェフォトダイオード101内の信号電荷をリセットしてもよい。
[0115]
 また、上記各実施形態において、マルチプレクサ14に、ANDゲートおよびORゲートをさらに備え、露光信号TRN、選択信号SEL、または、第1リセット信号RSTと同様の構成で、第2リセット信号OVFおよびカウント信号CNTを生成してもよい。
[0116]
 また、上記各実施形態において、固体撮像装置1は、1フレーム分の動作をM個の光源スキャン期間に分け、画素アレイ11の行数をNとし、光源スキャン期間ごとに第1および第2画素として選択する画素100をα行ずつ、ずらす場合、αをN/Mに設定してもよい。また、αをN/M以下に設定してもよい。この場合、1フレーム分の動作において、同一の第2画素に対して、複数回、露光および画素信号の読み出しが行われるため、光源4の照射端部の強度が小さいときでも、鮮明なカメラ画像を生成することができる。
[0117]
 また、上記各実施形態において、光源スキャン期間に、α行の画素100が第1画素として選択され、2α行の画素100が第2画素として選択されるが、これに限られない。例えば、第1画素として、α行以上またはα行以下の画素100が選択されてもよいし、第2画素として、2α行以上または2α行以下の画素100が選択されてもよい。
[0118]
 また、光源スキャン期間ごとに第1および第2画素として選択する画素100をα行以上またはα行以下ずつ、ずらして選択してもよい。
[0119]
 また、上記各実施形態において、画素100は、アバランシェフォトダイオード101に代えて、フォトダイオード等の光電変換素子を備えてもよい。

産業上の利用可能性

[0120]
 本開示は、距離測定とカメラ画像生成に利用可能な固体撮像装置であるため、例えば、距離カメラ等に適用することができる。

符号の説明

[0121]
 1 固体撮像装置
 4 光源
 11 画素アレイ
 12 測距アドレス回路
 13 カメラアドレス回路
 14 マルチプレクサ
 100 画素
 103 トランスファゲートトランジスタ
 105 リセットトランジスタ
 109 選択トランジスタ
 201~206 ANDゲート

請求の範囲

[請求項1]
 行列状に配置された複数の画素と、
 前記複数の画素の露光と、前記複数の画素からの画素信号の読み出しとを行うスキャン期間において、前記複数の画素のうち所定数の行に含まれる画素を、距離測定に用いられる第1画素として選択する測距アドレス回路と、
 前記スキャン期間において、前記複数の画素のうち前記第1画素以外の画素を、カメラ画像作成に用いられる第2画素として選択するカメラアドレス回路と、
 前記第1画素を駆動する第1駆動回路と、
 前記第2画素を駆動する第2駆動回路と、
を備え、
 前記第1駆動回路は、前記スキャン期間に含まれる光照射期間において、前記第1画素の同時露光を行う一方、前記光照射期間後の読み出し期間において、前記第1画素からの画素信号の読み出しを行い、
 前記第2駆動回路は、前記スキャン期間における前記光照射期間を含む期間において、前記第2画素からの画素信号の読み出しを行う
 ことを特徴とする固体撮像装置。
[請求項2]
 請求項1記載の固体撮像装置において、
 前記測距アドレス回路は、前記スキャン期間ごとに、前記複数の画素のうち前記第1画素として選択する行を変更することを特徴とする固体撮像装置。
[請求項3]
 請求項1または2記載の固体撮像装置において、
 前記測距アドレス回路は、前記第1画素のうち露光させる行を示す第1駆動信号を出力し、
 前記第1駆動回路は、前記測距アドレス回路から前記第1駆動信号を受けるとともに、前記第1画素を露光させるタイミングを示す測距露光信号を受け、前記第1駆動信号と前記測距露光信号との論理積を行い、前記第1画素に出力する
 ことを特徴とする固体撮像装置。
[請求項4]
 請求項1~3記載のいずれか1項記載の固体撮像装置において、
 前記画素は、アバランシェフォトダイオードを含み、
 前記第2画素は、前記第1画素の電荷蓄積領域をリセットするための第1リセット電圧と異なる第2リセット電圧により、電荷蓄積領域がリセットされることを特徴とする固体撮像装置。
[請求項5]
 請求項1~4記載のいずれか1項記載の固体撮像装置において、
 前記第2駆動回路は、前記スキャン期間における前記光照射期間を含む期間において、前記第2画素の露光と、前記第2画素からの画素信号の読み出しとを、前記第2画素の行ごとに行うことを特徴とする固体撮像装置。
[請求項6]
 請求項1~4記載のいずれか1項記載の固体撮像装置において、
 前記第2駆動回路は、前記スキャン期間における前記光照射期間を含む期間において、前記第2画素の同時露光を行い、前記第2画素からの画素信号の読み出しを、前記第2画素の行ごとに行うことを特徴とする固体撮像装置。
[請求項7]
 請求項1~6記載のいずれか1項記載の固体撮像装置と、
 行方向に延びるライン状の照射光を照射可能な光源と
 を備える撮像装置であって、
 前記測距アドレス回路は、前記照射光の照射位置に対応する画素を前記第1画素として選択することを特徴とする撮像装置。
[請求項8]
 請求項7記載の撮像装置において、
 前記光源は、前記スキャン期間ごとに、列方向に前記照射光を移動させ、
 前記測距アドレス回路は、前記スキャン期間ごとに、前記第1画素として選択する画素を変更することを特徴とする撮像装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]