JP6650309B2 - 距離計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＴＯＦ（Time Of Flight：光飛行時間）方式で測距を行う距離計測装置に関する。

ＴＯＦ方式で測距を行う距離計測装置が知られている（例：特許文献１）。

このような距離計測装置は、一般的な構造では、例えば、格子配列の複数の画素を有し、各画素ごとに入射光の強度に関係して生成した電荷の蓄積電荷量を外部から読出し可能にしている撮像素子と、強度変調した変調光を撮像素子の撮像範囲に向けて出射する変調光出射部と、変調光出射部が出射した出射変調光と該出射変調光が撮像範囲の測距対象に反射して撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、各画素について撮像素子から読出した蓄積電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、位相差検出部が検出した位相差に基づいて測距対象までの距離を測定する測距部とを備える。

位相差検出部は、出射光の周期で１／４（位相で９０°）ずつずれた４つの位相情報を取得し、例えば逆正接の式により位相差（位相遅れ）を導出する。

一般的なＴＯＦ用撮像素子は、１つのフォトダイオードに対して２つの電荷蓄積部を有しており、該２つの電荷蓄積部から１８０°ずれた位相情報を取得している。したがって、９０°ずらした４つの位相情報を同時に取得するために、１つの画素を２つの副画素（フォトダイオードが２つ）で構成して、電荷蓄積部が計４個になるようにしている。

距離計測装置に装備される従来の撮像素子では、異なる２つの蓄積期間の蓄積電荷量を検出する第１副画素及び第２副画素が、格子配列の行方向に１つずつ交互に配列されている。

一方、撮像素子の画像分解能（測距可能な測距対象の最小の寸法）が低くても、十分という使用状況があり、撮像素子はビニングの読出しモードに対応できるようにしている。なお、ビニングの読出しモードでは、実質的に処理する画素の総数が減るので、測距処理の所要時間が短縮されるとともに、入射強度が平均化され、ノイズの影響が抑制される利点がある。

特許文献２〜４は、距離計測装置に装備される撮像素子ではないものの、映像撮影用カメラに装備され、かつビニング用結線を有する撮像素子を開示する。映像撮影用カメラの撮像素子は、ＴＯＦ方式の測距に用いられる撮像素子とは異なり、開始が異なる複数の期間ごとの蓄積電荷量を検出する必要がない。

したがって、特許文献２〜４の撮像素子は、各副画素は電荷蓄積部を１つしか有していない。また、ビニング用結線は、単純に隣り合う副画素間に配線されるか（特許文献２）、同一色用の各副画素の電荷蓄積部間に配線される。また、映像撮影用のカラーカメラの撮像素子において、同種の副画素同士、すなわち入射光の同一色成分の光強度を検出する副画素が格子配列の行方向又は列方向に連続して並ぶことはない（特許文献３，４）。

特開２００８−８９３４６号公報 特開２０１１−５３０９２０号公報 特開２０１２−１９５１６号公報 特開２０１５−２２８６５０号公報

ビニングに対応するためには、第１副画素同士及び第２画素同士間を結線する必要があるが、従来の撮像素子では、結線対象となる副画像を結線した場合、該副画像間に結線対象とならない副画素が存在するために、結線が長くなっている。結線の長さの増大は、開口率低下の原因になる。

本発明の目的は、ビニングに対応するための結線の長さを短縮できる距離計測装置を提供することである。

本発明の距離計測装置は、
格子配列の複数の画素を有し、各画素ごとに入射光の強度に関係して生成した電荷の蓄積電荷量を外部から読出し可能にしている撮像素子と、
強度変調した変調光を前記撮像素子の撮像範囲に向けて出射する変調光出射部と、
前記変調光出射部が出射した出射変調光と該出射変調光が前記撮像範囲の測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、各画素について前記撮像素子から読出した前記蓄積電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部が検出した位相差に基づいて前記測距対象までの距離を測定する測距部とを備える距離計測装置であって、
各画素は、行方向に隣り合って配列された第１副画素及び第２副画素を有し、
期間の長さが前記出射変調光の１周期未満の等しい長さで、かつ期間の開始が前記出射変調光の周期の１／４ずつ順番に遅れる第１期間、第２期間、第３期間及び第４期間が設定され、
前記第１副画素は、入射光の強度に関係した電荷量の電荷を生成する第１電荷生成部と、該第１電荷生成部が前記第１期間に生成した電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、前記第１電荷生成部が前記第３期間に生成した電荷を蓄積する第３電荷蓄積部とを有し、
前記第２副画素は、入射光の強度に関係した電荷量の電荷を生成する第２電荷生成部と、該第２電荷生成部が前記第２期間に生成した電荷を蓄積する第２電荷蓄積部と、前記第２電荷生成部が前記第４期間に生成した電荷を蓄積する第４電荷蓄積部とを有し、
前記位相差検出部は、前記蓄積電荷量として、前記第１電荷蓄積部の蓄積電荷量、前記第２電荷蓄積部の蓄積電荷量、前記第３電荷蓄積部の蓄積電荷量、及び前記第４電荷蓄積部の蓄積電荷量を前記撮像素子から読出して、読み出した蓄積電荷量に基づいて前記位相差を検出し、
前記格子配列の各行には、２つの前記第１副画素が行方向に連続する第１行部分と２つの前記第２副画素が行方向に連続する第２行部分とが、行方向に交互に配列され、
各第１行部分における隣り合う第１副画素では、前記第１電荷蓄積部同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第１結線により接続されているとともに、前記第３電荷蓄積部同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第３結線により接続され、
前記第２行部分における隣り合う第２副画素では、前記第２電荷蓄積部同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第２結線により接続されているとともに、前記第４電荷蓄積部同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第４結線により接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１行部分と第２行部分とが行方向に交互に配列される。この結果、各結線は、その結線対象が存在しない副画素を通ることなく、行方向に隣り合う副画素間で配線されることになるので、ビニング用結線の長さを短縮することができる。

本発明の距離計測装置において、格子配列は、前記第１副画素のみの列と、前記第２副画素のみの列とから成り、行方向に１つの前記第１行部分と１つの前記第２行部分とが隣り合っているものが列方向に２つ連続する副画素の集合が１つの副画素群として設定され、各副画素群において、前記第１結線同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第５結線により接続され、前記第２結線同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第６結線により接続され、前記第３結線同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第７結線により接続され、前記第４結線同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第８結線により接続されていることが好ましい。

この構成によれば、列方向のビニングに対応する結線としての第５〜第８結線は、その結線対象が存在しない副画素を通ることなく、列方向に隣り合う副画素間で配線されることになる。この結果、第５〜第８結線の長さを短縮することができる。

本発明の距離計測装置において、各副画素は、前記第１電荷生成部又は前記第２電荷生成部が配置される第１領域と、前記第１電荷蓄積部及び前記第３電荷蓄積部と前記第２電荷蓄積部及び前記第４電荷蓄積部とのいずれかが配置される第２領域とに列方向に区分され、各副画素群において、列方向に隣り合う副画素同士は、前記第２領域同士を列方向に隣り合わせていることが好ましい。

この構成によれば、各副画素群において、列方向に隣り合う副画素同士は、第２領域同士を列方向に隣り合わせている。これにより、第５〜第８結線は、第１領域を通ることなく、列方向に隣り合っている第２領域間で配線されることになる。この結果、第５〜第８結線の長さを短縮することができる。

距離計測装置の全体構成図。 カメラが備える撮像素子の構成図。 画素の詳細な構成図。 出射変調光及び反射変調光のタイミングチャート。 種々の格子配列を有する画素配列部に関し、図５Ａは参考例の画素配列部の正面図、図５Ｂは図２の画素配列部の第１例の正面図、図５Ｃは図２の画素配列部の第２例の正面図。 図５Ｂの画素配列部におけるビニング用結線を示す図。 図５Ｃの画素配列部におけるビニング用結線を示す図。

図１は距離計測装置１の全体構成図である。距離計測装置１は、変調光出射部２、カメラ４及び制御装置５を備え、距離計測装置１からカメラ４の撮像範囲６に存在する測距対象７までの距離Ｄを計測する。

変調光出射部２は、制御装置５からの制御信号により点灯及び消灯を制御され、例えば１０ＭＨｚ（図４）で点滅して、強度を変調された変調光を生成する。該変調光は、変調光出射部２の光出射部に装着されたレンズ２ａにより配光調整されて、出射変調光Ｌａとして出射される。これにより、出射変調光Ｌａは、撮像範囲６の全体を一度に照射する。

撮像範囲６内に測距対象７が存在するときは、出射変調光Ｌａは、測距対象７に反射し、反射後は、出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂとなって、距離計測装置１へ戻る。レンズ４ａは、カメラ４の入射部に装着されて、撮像範囲６から入射する光を集めて、撮像画像光としてカメラ４内の撮像素子１０（図２）に入射させる。撮像画像光には、背景光と反射変調光Ｌｂとが含まれている。反射変調光Ｌｂは、それが由来する測距対象７が撮像範囲６で占める位置に応じて、撮像素子１０における対応の画素Ｇ（図２）に入射する。

変調光出射部２は、強度変調した変調光を撮像素子の撮像範囲に向けて出射する変調光出射部の一例である。制御装置５は、位相差検出部５１及び測距部５２を備える。

距離計測装置１がＴＯＦ方式で距離Ｄを計測する処理の詳細は後述するので、ここでは距離計測装置１について概略的に説明する。カメラ４の撮像素子１０（図２）は、各画素ごとに入射光の強度に関係して生成した電荷の蓄積電荷量を外部から読出し可能にしている。位相差検出部５１は、変調光出射部２が出射した出射変調光Ｌａと反射変調光Ｌｂとの位相差φを、各画素について撮像素子１０から読出した蓄積電荷量に基づいて検出する。測距部５２は、位相差検出部５１が検出した位相差に基づいて距離Ｄを測定する。

図２は、カメラ４が備える撮像素子１０の構成図である。撮像素子１０は、主要構成要素として、画素配列部１１、行制御部１５、列制御部１６及び画素読出し制御部１７を備えている。なお、この撮像素子１０はＣＭＯＳ型である。

図２の画素配列部１１は、正面視で図示されており、列方向（縦方向）及び行方向（横方向）に整列した格子配列で平面上に分布した複数の画素Ｇ（ｎ，ｍ）を有している。

なお、画素配列部１１における各画素Ｇを特定するために、行番号ｎと列番号ｍとを用いて、画素Ｇ（ｎ，ｍ）と表す（図６等を参照）。画素Ｇ（ｎ，ｍ）とは、画素配列部１１の正面視において上からｎ番目の行で、左からｍ番目の列の画素Ｇを指すものとする。なお、画素配列部１１は、例えば１２６（行数）×１２６（列数）個の画素Ｇから成る。以降、個々の画素を特に区別する必要がないときは、画素Ｇ（ｎ，ｍ）を画素Ｇと、総称する。

各画素Ｇは副画素Ｐｏと副画素Ｐｅとの２つの副画素を有する。副画素Ｐｏと副画素Ｐｅとを区別しないときは、「副画素Ｐ」と総称する。

画素配列部１１の格子配列において、２つの副画素Ｐｏが行方向に連続する行部分を第１行部分２３ａと名付け、２つの副画素Ｐｅが行方向に連続する行部分を第２行部分２３ｂと名付ける。第１行部分２３ａと第２行部分２３ｂとは、各行において行方向に交互に配列されている。

また、各列は、副画素Ｐｏのみからなるか、又は副画素Ｐｅのみから成る。副画素Ｐｏと副画素Ｐｅとが同一列に混在することはない。したがって、第１行部分２３ａは列方向に整列状態で連続するとともに、第２行部分２３ｂも列方向に整列状態で連続する。

行制御部１５は、行制御ライン２０に制御信号を供給し、画素配列部１１の画素Ｇを行ごとに制御できるようになっている。列制御部１６は、列制御ライン２１に制御信号を印加し、画素配列部１１の画素Ｇを列ごとに制御できるようになっている。画素読出し制御部１７は、制御装置５（図１）からの制御信号に基づいて行制御部１５及び列制御部１６を制御する。

図３は、画素Ｇの詳細な構成図である。図３に図示の画素Ｇは、列番号（Ｇ（ｎ，ｍ）のｍ）が奇数の画素であり、副画素Ｐｏが左に配置され、副画素Ｐｅが右に配置されている。列番号（Ｇ（ｎ，ｍ）のｍ）が偶数の画素Ｇでは、左が副画素Ｐｅであり、右が副画素Ｐｏの配置になっている。図３では、後述の結線Ｋ１等のビニング用結線の図示を省略している。

副画素Ｐｏは、ＰＤ、Ｍ１，Ｍ３、Ｆｄ１，Ｆｄ３、及び２つのＢＭを備える。副画素Ｐｅは、ＰＤ、Ｍ２，Ｍ４、Ｆｄ２，Ｆｄ４、及び２つのＢＭを備える。なお、ＰＤはフォトダイオードを意味し、Ｍは振分けスイッチを意味し、Ｆｄは、電荷蓄積部としてのフローティングディフュージョンを意味し、ＢＭは転送スイッチを意味するものとする。Ｍ１〜Ｍ４及びＢＭは、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）から成る。なお、Ｆｄ１〜Ｆｄ４を個々に区別する必要のないときは、「Ｆｄ」と総称する。

Ｔｘ１〜Ｔｘ４には、Ｍ１〜Ｍ４のオンオフを制御する制御信号が行制御部１５から供給される。Ｂｉには、ＢＭのオンオフを制御する制御信号が行制御部１５から供給される。図２に図示の１つの行制御ライン２０（図２）は、Ｔｘ１〜Ｔｘ４及びＢｉのラインをまとめて示したものである。

Ｒｏは、画素配列部１１の格子配列内のＦｄの列（Ｆｄの列は格子配列の画素Ｇの１列に対してＦｄ１〜Ｆｄ４の計４列が定義される）の全部のＢＭのドレインに接続されている。列制御部１６は、Ｒｏを介して各画素ＧのＦｄ１〜Ｆｄ４に蓄積されている電荷の電荷量の読出し値としてのＣ１〜Ｃ４を画素Ｇごとに個別に読出す。図２に図示の１つの列制御ライン２１は少なくともＲｏを含む。

副画素Ｐｏと副画素Ｐｅとは、それらに装備されるゲート（Ｍ１〜Ｍ４やＢＭのこと）の作動タイミングが異なるのみで、全体の作動は同一である。したがって、副画素Ｐｏの作動のみを説明する。

ＰＤは、画素Ｇに入射する入射光の強度が大きいほど、多数の電子を生成する。なお、電子の数の増大に連れて、電荷量（絶対値）は増大する。Ｍ１とＭ３とはＴｘ１，Ｔｘ３の印加電圧により逆位相でオンオフされる。すなわち、オン、オフの１回ずつを１回のオンオフサイクルとして、各オンオフサイクルにおいて、Ｍ１のオン期間はＭ３のオフ期間とされ、Ｍ１のオフ期間はＭ３のオン期間とされる。各オンオフサイクルにおいて、Ｍ１のオン期間の長さとＭ３のオン期間の長さは等しい。なお、該オンオフサイクルの周期は出射変調光Ｌａの周期に設定され、オン期間は出射変調光Ｌａの半周期に設定される。

Ｍ１のオン期間では、ＰＤが生成した電子が、Ｆｄ１に供給され、蓄積される。Ｍ３のオン期間では、ＰＤが生成した電子が、Ｆｄ３に供給され、蓄積される。Ｍ１，Ｍ３の複数のオンオフサイクルにより、Ｆｄ１，Ｆｄ３には、画素Ｇ（厳密には副画素Ｐｏ）に入射した入射光の強さに関係する電荷量の電荷が蓄積される。列制御部１６は、所定の読出しタイミングでＲｏを通電状態にし、Ｆｄ１，Ｆｄ３の電荷量を、Ｒｏを介してＣ１，Ｃ３として読出して、画素読出し制御部１７に出力する。Ｃ１，Ｃ３は、さらに、画素読出し制御部１７から制御装置５（図１）に送られる。

図４は出射変調光Ｌａ及び反射変調光Ｌｂのタイミングチャートである。横軸の目盛は、時間経過を出射変調光Ｌａの位相で表わしている。出射変調光Ｌａは、その振幅が周期的に変化するパルス波形となっている。反射変調光Ｌｂは、出射変調光Ｌａに由来するので、周期は出射変調光Ｌａの周期と等しくなる。１周期は３６０°で表わし、図４の横軸の時間経過は、０°から３６０°までの１周期内の位相の繰り返しで示している。

出射変調光Ｌａは、変調光出射部２が出射する変調光由来の光であり、出射変調光Ｌａのレベルは、変調光出射部２の消灯時ではＬｏｗ（ロー）、変調光出射部２の点灯時はＨｉｇｈ（ハイ）となっている。点灯時のＨｉｇｈレベルに対応する光強度は、変調光出射部２の給電電流の増減により増減可能である。

出射変調光Ｌａは、周期＝１００ｎｓ（周波数＝１０ＭＨｚ）で、デューティ比＝５０％の矩形波となっている。図４では、出射変調光Ｌａの立ち上がり時刻を位相＝０°で表わしている。反射変調光Ｌｂは、距離計測装置１から出射した出射変調光Ｌａが測距対象７（図１）に到達し、測距対象７に反射して距離計測装置１に戻る。この結果、反射変調光Ｌｂの位相は、光が測距対象７までの距離Ｄの２倍の長さを飛行する時間分だけ、出射変調光Ｌａより位相が遅れ、出射変調光Ｌａと反射変調光Ｌｂとの間に位相差φが生じる。位相差φより、距離計測装置１と測距対象７との間の距離Ｄを計測することができる。

前述したように、Ｔｘ１〜Ｔｘ４によりＭ１〜Ｍ４をオンオフ制御することでＦｄ１〜Ｆｄ４への電荷蓄積タイミングを異ならせることにより、対応画素Ｇの異なる期間に入射した反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに関する情報として保持された各蓄積電荷量を、画素読出し制御部１７（図２）は、Ｂｉ及びＲｏを介して画素ＧごとのＦｄ１〜Ｆｄ４の電荷量を一括して読出す。

図４において、Ｔ１〜Ｔ４は、画素読出し制御部１７がＦｄ１〜Ｆｄ４から読出すＦｄ１〜Ｆｄ４の電荷量の電荷の蓄積期間を示している。

Ｔ１〜Ｔ４の期間の長さは、出射変調光Ｌａのハイ、ローの期間に等しく、１８０°（出射変調光Ｌａの半周期）にしている。期間の開始は、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の順番に出射変調光Ｌａの位相で９０°（周期の１／４）ずつ遅れている。すなわち、Ｔ１は位相０°〜１８０°の期間に設定される。Ｔ２は位相９０°〜２７０°の期間に設定される。Ｔ３は位相１８０°〜３６０°の期間に設定される。Ｔ４は位相２７０°〜３６０°とその次の周期の位相０°〜９０°との期間、換言すれば位相２７０°〜４５０°の連続期間として設定される。この結果、Ｆｄ１〜Ｆｄ４には、Ｔ１〜Ｔ４に副画素Ｐに入射した反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに対応する電荷量で電荷が蓄積される。画素読出し制御部１７は、各画素ＧにおいてＴ１〜Ｔ４に蓄積された電荷の電荷量を読出し値Ｃ１〜Ｃ４として読出す。

制御装置５は、位相差φを次の式（１）により算出する。
式（１）：位相差φ＝ｔａｎ^−１｛（Ｃ１−Ｃ３）／（Ｃ２−Ｃ４）｝
上式において、「ｔａｎ」は正接（タンジェント）を意味し、「ｔａｎ^−１」とは逆正接（アークタンジェント）を意味する。Ｃ１〜Ｃ４の個々には、背景光由来の入射光に因る蓄積電荷量が含まれるが、差分Ｃ１−Ｃ３、及び差分Ｃ２−Ｃ４からは、背景光由来の入射光に因る影響が除去されている。

図５Ａ〜図５Ｃは種々の格子配列を有する画素配列部の正面図である。図５Ａの画素配列部１１ｚは、後述のビニング結線の長さ短縮の説明の理解容易化のために、参考として示している。図５Ｂの画素配列部１１ａは、画素配列部１１（図２）の第１例である。図５Ｃの画素配列部１１ｂは、画素配列部１１の第２例である。

図５Ａ〜図５Ｃは、格子配列のうち、画素Ｇの単位で２（縦）×２．５（横）の画素範囲を抽出して示している。すなわち、これらの図では、画素Ｇ（ｎ，ｍ），Ｇ（ｎ，ｍ＋１），Ｇ（ｎ＋１，ｍ），Ｇ（ｎ＋１，ｍ＋１）は全体が示され、画素Ｇ（ｎ，ｍ＋２），Ｇ（ｎ＋１，ｍ＋２）は片側の半部のみが示されている。

図５Ａ〜図５Ｃの説明の便宜上、画素Ｇの格子配列について上下左右を定義する。上下左右は、正面視の図５Ａ〜図５Ｃの上下左右に対応させる。画素Ｇ（ｎ，ｍ）の行番号ｎについて、数値が大きい程、下の行になる。画素Ｇ（ｎ，ｍ）の列番号ｍについて、数値が大きい程、右側の列になる。

図５Ａ〜図５Ｃについて、共通な構成を先に説明してから、個々の構成を説明する。図５Ａ〜図５Ｃに図示の画素Ｇ、副画素Ｐ及びＰＤの縦（列方向）及び横（行方向）の寸法比は、画素配列部１１ｚ，１１ａ，１１ｂにおける後述のビニング結線の長さ短縮の説明の理解容易化のために、実際の製品の寸法比とほぼ同一になるように、図示している。

副画素Ｐの面積に対するＰＤの面積は、副画素Ｐの開口率（＝画素Ｇの開口率）を決める。画素Ｇの開口率が大きいほど、画素配列部１１の小型化や性能向上化に有利となる。したがって、副画素Ｐ内の配線の長さを短縮することにより、配線領域を含む回路部の占有領域を減少させ、ＰＤが副画素Ｐ内に占める割合を増大することが好ましい。

副画素Ｐにおいて、ＰＤが配置されている領域を「第１領域Ｓａ」と呼び、ＰＤ以外のＦｄ１やＭ１等（回路素子）が配置されている領域を「第２領域Ｓｂ」と呼ぶことにする。副画素Ｐは、縦長の形状であるとともに、縦長の方向（列方向）に第１領域Ｓａと第２領域Ｓｂとに区分されている。

図５Ａ〜図５Ｃを個々に説明する。図５Ａの画素配列部１１ｚでは、全部の画素Ｇは、副画素Ｐｏ，Ｐｅをそれぞれ左側及び右側に有している。また、全部の副画素Ｐは、第２領域Ｓｂ及び第１領域Ｓａをそれぞれ上側及び下側に有している。

図５Ｂの画素配列部１１ａでは、図２で説明したように、２つの副画素Ｐｏが行方向に連続する第１行部分２３ａと２つの副画素Ｐｅが行方向に連続する第２行部分２３ｂとが、行方向に交互に配列される。したがって、画素配列部１１ａでは、行方向に隣り合う２つの画素Ｇにおいて、一方の画素Ｇは、副画素Ｐｏ，Ｐｅをそれぞれ左側及び右側に有している。他方の画素Ｇは、副画素Ｐｅ，Ｐｏをそれぞれ左側及び右側に有している。また、全部の副画素Ｐは、画素配列部１１ｚの副画素Ｐの場合と同様に、第２領域Ｓｂ及び第１領域Ｓａをそれぞれ上側及び下側に有している。

図５Ｃの画素配列部１１ｂの構成について説明する。画素配列部１１ｂは、撮像素子１０の第２例であるので、第１行部分２３ａと第２行部分２３ｂとが行方向に交互に配列される。行方向に隣り合う２つの画素Ｇにおいて、一方の画素Ｇは、副画素Ｐｏ，Ｐｅをそれぞれ左側及び右側に有している。他方の画素Ｇは、副画素Ｐｅ，Ｐｏをそれぞれ左側及び右側に有している。

画素配列部１１ｂにおいて画素配列部１１ａとの相違点は、第１領域Ｓａ及び第２領域Ｓｂの上下関係である。画素配列部１１ａでは、全部の副画素Ｐは第２領域Ｓｂ及び第１領域Ｓａをそれぞれ上側及び下側に有している。これに対し、画素配列部１１ｂでは、第１領域Ｓａ及び第２領域Ｓｂをそれぞれ上側及び下側に有している副画素Ｐのみが占める行と、第２領域Ｓｂ及び第１領域Ｓａをそれぞれ上側及び下側に有している副画素Ｐのみが占める行とが列方向に交互に配列されている。

ここで、ビニングの読出しモードに対応するためのビニング群（副画素群）Ｇｖについて説明する。ビニング群Ｇｖは、２（縦）×４（横）の縦横に連続する計８個の副画素Ｐの集合として設定される。ビニング群Ｇｖは、第１行部分２３ａと第２行部分２３ｂとが行方向に隣り合う配列部分が列方向に２つ連続して並ぶ配列範囲として設定される。

画素配列部１１ｚ（図５Ａ）では、ビニング群Ｇｖは、各行が左から順番に副画素Ｐｏ，Ｐｅ，Ｐｏ，Ｐｅの順に配列されている。画素配列部１１ａ（図５Ｂ）及び画素配列部１１ｂ（図５Ｃ）では、ビニング群Ｇｖは、各行が左から順番に副画素Ｐｅ，Ｐｅ，Ｐｏ，Ｐｏの順に配列されている。なお、ビニング群Ｇｖをこのように設定した場合、画素配列部１１全体の格子配列（図２参照）では、最左端列（第１列）の副画素Ｐｏ及び最右端列（最終列）の副画素Ｐｅは、ビニング群Ｇｖの副画素Ｐとしては使用されない。

図６及び図７はそれぞれ図５Ｂの画素配列部１１ａ及び図５Ｃの画素配列部１１ｂにおけるビニング用結線を示している。画素配列部１１ａ，１１ｂのビニング用結線とは、具体的に、結線Ｋａ１〜Ｋａ４，Ｋｂ１〜Ｋｂ４である。これらの結線は、いずれも各ビニング群Ｇｖ内での結線であり、ビニング群Ｇｖ間の結線ではない。各ビニング群Ｇｖにおいて、結線Ｋａ１〜Ｋａ４は行方向の配線であり、結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４は列方向の配線である。

図示は省略されているが、各結線Ｋａ１〜Ｋａ４，Ｋｂ１〜Ｋｂ４は、個々に図３に図示しているようなＢＭが挿入されて、ＢＭのオンオフにより両端の結線対象を接続状態及び非接続状態に切替可能にしている。同一行に属する複数のビニング群Ｇｖにおいて、結線Ｋａ１〜Ｋａ４，Ｋｂ１〜Ｋｂ４の接続状態及び非接続状態の切替は、ビニング用の追加Ｂｉ（図示せず）の制御信号に基づいて同一行に属するビニング群Ｇｖ同士が、ビニングの読出しモード時には一斉に行われる。なお、ビニング群Ｇｖは、画素配列部１１ａ，１１ｂの画素Ｇの格子配列において２行を占めるので、同一行に属する複数のビニング群Ｇｖとは、それらビニング群Ｇｖが該格子配列において連続する２行を同一としていることを意味する。

各ビニング群Ｇｖにおいて、各結線Ｋａ１〜Ｋａ４，Ｋｂ１〜Ｋｂ４の結線対象を具体的に述べる。各結線Ｋａ１は、同一行の２つのＦｄ１のＢＭのドレイン間を接続している。各結線Ｋａ２は、同一行の２つのＦｄ２のＢＭのドレイン間を接続している。各結線Ｋａ３は、同一行の２つのＦｄ３のＢＭのドレイン間を接続している。各結線Ｋａ４は、同一行の２つのＦｄ４のＢＭのドレイン間を接続している。

結線Ｋａ１〜Ｋａ４は、対応のＢＭのドレイン間を接続することにより、ビニング読出しモードの読出し時では、オン状態の対応のＢＭを介して対応のＦｄ１同士、対応のＦｄ２同士、対応のＦｄ３同士及び対応のＦｄ４同士をそれぞれ接続することになる。また、結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４は、対応する結線Ｋａ１〜Ｋａ４同士をそれぞれ接続することにより、ビニング読出しモードの読出し時では結線Ｋａ１〜Ｋａ４を介して対応のＦｄ１同士、対応のＦｄ２同士、対応のＦｄ３同士及び対応のＦｄ４同士をそれぞれ接続することになる。

結線Ｋｂ１は、２つの結線Ｋａ１を接続している。結線Ｋｂ２は、２つの結線Ｋａ２を接続している。結線Ｋｂ３は、２つの結線Ｋａ３を接続している。結線Ｋｂ４は、２つの結線Ｋａ４を接続している。

図６に図示の画素配列部１１ａでは、結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４は、ビニング群Ｇｖ内のＰＤを横切って記載されているが、これは図示の簡潔上、そのように記載したまでである。実際の製品としての画素配列部１１ａでは、結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４は、ＰＤを迂回して、副画素Ｐ内にＰＤの側辺の外に存在する余白部分を通っている。これにより、ＰＤへの入射光が結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４により阻害されることが防止される。

図５Ａ〜図５Ｃの対比から分かるように、画素配列部１１ｚにおける結線Ｋａ１〜Ｋａ４は、結線対象の存在する２つの副画素Ｐが、行方向に隣り合う関係ではなく、行方向に隣りの隣りの関係になっている。これに対し、画素配列部１１ａ，１１ｂにおける結線Ｋａ１〜Ｋａ４は、結線対象の存在する２つの副画素Ｐが、行方向に隣り合う関係になっている。この結果、画素配列部１１ａ，１１ｂでは、結線Ｋａ１〜Ｋａ４の長さが副画素Ｐの１個分の行寸法だけ画素配列部１１ｚにおける結線よりも短縮される。

さらに、画素配列部１１ｂでは、各ビニング群Ｇｖにおいて、上の行の副画素Ｐと下の行の副画素Ｐとは、第２領域Ｓｂ同士を列方向に隣り合わせている。この結果、画素配列部１１ｂでは、画素配列部１１ａのように、結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４の両端が列方向にＰＤの両側になることがない。これにより、画素配列部１１ｂの結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４は、画素配列部１１ａの結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４よりも、長さがＰＤの１個分の列寸法だけ短縮される。

画素配列部１１ａ，１１ｂを装備する撮像素子１０の作用について説明する。

距離計測装置１は、標準測距モードとビニング測距モードとを有する。標準測距モードでは、撮像素子１０の画素Ｇごとに、画素Ｇに対応する測距対象７の部位までの距離Ｄを測距する。ビニング測距モードでは、撮像素子１０のビニング群Ｇｖごとに、ビニング群Ｇｖに対応する測距対象７の部位までの距離Ｄを測距する。ビニング測距モード時の分解能は、標準測距モード時の分解能より低いが、測距処理の所要時間が短縮されるとともに、ノイズの影響が低下する。

制御装置５は、標準測距モードとビニング測距モードとに対応して、撮像素子１０からのデータの読出しに関して標準読出しモードとビニング読出しモードとを有する。制御装置５は、標準読出しモードでは、各画素ＧごとにＦｄ１〜Ｆｄ４の蓄積電荷量を読出す。制御装置５は、ビニング読出しモードでは、各ビニング群ＧｖごとにＦｄ１〜Ｆｄ４の蓄積電荷量を読出す。各ビニング群Ｇｖは、Ｆｄ１〜Ｆｄ４を４個ずつ有しているが、各ビニング群ＧｖごとにＦｄ１〜Ｆｄ４の蓄積電荷量の読出しは、各ビニング群ＧｖのＦｄ１〜Ｆｄ４の蓄積電荷量を、４つの画素Ｇごとに個々に読出すのではなく、４つの画素Ｇ全体の平均値又は合計値で同時に読出すことになる。

距離計測装置１の全体の作用について説明する。

最初に、距離計測装置１の標準測距モード時の距離計測装置１の作用について説明する。標準測距モード時には、制御装置５は、標準読出しモードでカメラ４からのデータを読出す。

標準読出しモード行制御部１５はＢｉに個々に制御信号を供給する。これにより、同一行の画素ＧのＢＭ（図３）は一斉にオンとなる。次に、列制御部１６は、１つのＲｏを選択して、通電状態にする。これにより、ドレインが、通電状態のＲｏに接続されているＢＭのうち、オン状態のＢＭに接続されているＦｄの蓄積電荷量が列制御部１６を介して画素読出し制御部１７に読出される。こうして、制御装置５は画素ＧごとのＣ１〜Ｃ４を読出す。

制御装置５において、位相差検出部５１は、各画素Ｇについて個々にカメラ４から読出したＣ１〜Ｃ４に基づいて式（１）を用いて各画素Ｇごとに出射変調光Ｌａと反射変調光Ｌｂとの位相差φを検出する。測距部５２は、該位相差φに基づいて各画素Ｇに対応する測距対象７の各部位までの距離Ｄを測定する。

距離Ｄの計算式は、例えば次の式（２）である。位相差検出部５１は、画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとに位相差φ（ｎ，ｍ）を検出するので、測距部５２は距離Ｄを画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとに算出する。
式（２）：距離Ｄ＝（光速×１００ｎｓ×位相差φ（ｎ，ｍ））／（３６０°×２）
ただし、位相差φの単位は「°」とする。

次に、距離計測装置１のビニング測距モード時の距離計測装置１の作用について説明する。ビニング測距モード時には、制御装置５は、ビニング読出しモードでカメラ４からのデータを読出す。ビニング読出しモードでは、行制御部１５は、同一行の複数のビニング群ＧｖのＢｉに同時に制御信号を供給する。なお、ビニング群Ｇｖは、画素配列部１１ａ，１１ｂの画素Ｇの格子配列において連続２行を占めるので、制御信号を送られるＢｉは格子配列において連続２行となる。

これにより、連続２行のＢＭ（図３）は一斉にオンとなる。行制御部１５は、また、ビニング用の追加Ｂｉ（図示せず）の制御信号を介して、該連続２行のビニング群Ｇｖの結線Ｋａ１〜Ｋａ４及び結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４を一斉にオンにする。この結果、結線Ｋａ１〜Ｋａ４及び結線Ｋｂ１〜Ｋｂ４により相互に接続された各４個ずつのＦｄ１〜Ｆｄ４の電荷蓄積量は平均化される。

次に、列制御部１６は、各ビニング群Ｇｖに属する８本のＲｏからＣ１に対応付けられている２本のうちのいずれか１つのＲｏを選択する。そして、該選択したＲｏを通電状態にして、Ｃ１（図３）を読出す。該Ｃ１は、ビニング群Ｇｖ内の４つのＦｄ１の蓄積電荷量の平均値又は合計値に相当する。Ｃ１についての読出し処理をＣ２〜Ｃ４についても順番に行う。こうして、制御装置５はビニング群ＧｖごとのＣ１〜Ｃ４を読出す。

制御装置５において、位相差検出部５１は、各ビニング群Ｇｖについて個々にカメラ４から読出したＣ１〜Ｃ４に基づいて式（１）を用いて各ビニング群Ｇｖごとに出射変調光Ｌａと反射変調光Ｌｂとの位相差φを検出する。

測距部５２は、該位相差φに基づいて各ビニング群Ｇｖごとに対応する測距対象７の各部位までの距離Ｄを測定する。この時の距離Ｄの算出には、前述の式（２）が用いられる。ただし、式（２）における位相差φ（ｎ，ｍ）のｎ，ｍは、画素配列部１１の格子配列における各ビニング群Ｇｖの位置の特定のために、各ビニング群Ｇｖに割当てた行番号及び列番号に変更される。

ビニング測距モード時の分解能は、標準測距モード時の分解能より低いが、測距処理の所要時間が短縮されるとともに、ノイズの影響が低下する。

本発明の実施形態について説明したが。本発明は、上記実施形態に限定されることなく、同一の技術思想に包含される範囲内で種々の変形例を包含する。

本発明の第１電荷生成部及び第２電荷生成部は、例えばそれぞれ副画素ＰｏのＰＤ及び副画素ＰｅのＰＤに対応する。

本発明の第１副画素及び第２副画素は、例えばそれぞれ副画素Ｐｏ，Ｐｅに対応するが、それぞれ逆の副画素Ｐｅ，Ｐｏに対応付けることもできる。

本発明の第１電荷蓄積部、第２電荷蓄積部、第３電荷蓄積部及び第４電荷蓄積部は、例えばＦｄ１，Ｆｄ２，Ｆｄ３，Ｆｄ４に対応する。

本発明の第１結線、第２結線、第３結線及び第４結線は、例えば結線Ｋａ１，Ｋａ２，Ｋａ３，Ｋａ４に対応する。

本発明の第５結線、第６結線、第７結線及び第８結線は、例えば結線Ｋｂ１，Ｋｂ２，Ｋｂ３，Ｋｂ４に対応する。

実施形態のビニング群Ｇｖは本発明の副画素群に相当する。ビニング群Ｇｖにおける行方向の副画素の配列は副画素Ｐｅ，Ｐｅ，Ｐｏ，Ｐｏの順番になっている。本発明の副画素群は、行方向の副画素の配列が副画素Ｐｏ，Ｐｏ，Ｐｅ，Ｐｅの順番であってもよい。

本発明の第１期間、第２期間、第３期間及び第４期間は、実施形態のＴ１〜Ｔ４に対応する。Ｔ１〜Ｔ４長さは、出射変調光Ｌａの１周期未満の等しい長さとしての半周期に設定されている。しかしながら、本発明の第１期間、第２期間、第３期間及び第４期間は、１周期の１／４であってもよい。

実施形態では、ビニングの手法として、Ｆｄの情報をソースフォロワ接続のＢＭを介して電圧出力し、ＢＭドレイン同志を接続している。本発明は、これに限定されず、例えば複数のＦｄ同士を接続して蓄積電荷量を合計する方法等のその他のビニング手法も用いることができる。

Ｆｄ１〜Ｆｄ４・・・第１〜第４電荷蓄積部、Ｇ・・・画素、Ｇｖ・・・ビニング群（副画素群）、Ｋａ１〜Ｋａ４・・・第１〜第４結線，Ｋｂ１〜ｋｂ４・・・第５〜第８結線、Ｌａ・・・出射変調光、Ｌｂ・・・反射変調光、Ｐ・・・副画素、ＰＤ・・・電荷生成部、Ｐｏ・・・副画素（第１副画素）、Ｐｅ・・・副画素（第２副画素）、Ｓａ・・・第１領域、Ｓｂ・・・第２領域、Ｔ１〜Ｔ４・・・第１〜第４期間、１・・・距離計測装置、２・・・変調光出射部、６・・・撮像範囲、７・・・測距対象、１０・・・撮像素子、１１・・・画素配列部、２３ａ・・・第１行部分、２３ｂ・・第２行部分、５１・・・位相差検出部、５２・・・測距部。

Claims (3)

1. 格子配列の複数の画素を有し、各画素ごとに入射光の強度に関係して生成した電荷の蓄積電荷量を外部から読出し可能にしている撮像素子と、
   強度変調した変調光を前記撮像素子の撮像範囲に向けて出射する変調光出射部と、
   前記変調光出射部が出射した出射変調光と該出射変調光が前記撮像範囲の測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、各画素について前記撮像素子から読出した前記蓄積電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
   前記位相差検出部が検出した位相差に基づいて前記測距対象までの距離を測定する測距部とを備える距離計測装置であって、
   各画素は、行方向に隣り合って配列された第１副画素及び第２副画素を有し、
   期間の長さが前記出射変調光の１周期未満の等しい長さで、かつ期間の開始が前記出射変調光の周期の１／４ずつ順番に遅れる第１期間、第２期間、第３期間及び第４期間が設定され、
   前記第１副画素は、入射光の強度に関係した電荷量の電荷を生成する第１電荷生成部と、該第１電荷生成部が前記第１期間に生成した電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、前記第１電荷生成部が前記第３期間に生成した電荷を蓄積する第３電荷蓄積部とを有し、
   前記第２副画素は、入射光の強度に関係した電荷量の電荷を生成する第２電荷生成部と、該第２電荷生成部が前記第２期間に生成した電荷を蓄積する第２電荷蓄積部と、前記第２電荷生成部が前記第４期間に生成した電荷を蓄積する第４電荷蓄積部とを有し、
   前記位相差検出部は、前記蓄積電荷量として、前記第１電荷蓄積部の蓄積電荷量、前記第２電荷蓄積部の蓄積電荷量、前記第３電荷蓄積部の蓄積電荷量、及び前記第４電荷蓄積部の蓄積電荷量を前記撮像素子から読出して、読み出した蓄積電荷量に基づいて前記位相差を検出し、
   前記格子配列の各行には、２つの前記第１副画素が行方向に連続する第１行部分と２つの前記第２副画素が行方向に連続する第２行部分とが、行方向に交互に配列され、
   各第１行部分における隣り合う第１副画素では、前記第１電荷蓄積部同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第１結線により接続されているとともに、前記第３電荷蓄積部同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第３結線により接続され、
   前記第２行部分における隣り合う第２副画素では、前記第２電荷蓄積部同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第２結線により接続されているとともに、前記第４電荷蓄積部同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第４結線により接続されていることを特徴とする距離計測装置。
2. 請求項１の距離計測装置において、
   前記格子配列は、前記第１副画素のみの列と、前記第２副画素のみの列とから成り、
   行方向に１つの前記第１行部分と１つの前記第２行部分とが隣り合っているものが列方向に２つ連続する副画素の集合が１つの副画素群として設定され、
   各副画素群において、前記第１結線同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第５結線により接続され、前記第２結線同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第６結線により接続され、前記第３結線同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第７結線により接続され、前記第４結線同士が接続状態及び非接続状態を切替可能の第８結線により接続されていることを特徴とする距離計測装置。
3. 請求項２の距離計測装置において、
   各副画素は、前記第１電荷生成部又は前記第２電荷生成部が配置される第１領域と、前記第１電荷蓄積部及び前記第３電荷蓄積部と前記第２電荷蓄積部及び前記第４電荷蓄積部とのいずれかが配置される第２領域とに列方向に区分され、
   各副画素群において、列方向に隣り合う副画素同士は、前記第２領域同士を列方向に隣り合わせていることを特徴とする距離計測装置。