JP2013157868A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体までの距離の正確かつ高速な測定を可能とするための固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】実施形態によれば、固体撮像装置３は、第１のイメージセンサであるラインセンサ１１、第２のイメージセンサであるラインセンサ１２及び撮像処理回路１４を有する。第１のイメージセンサ及び第２のイメージセンサには、それぞれ複数の光電変換部１５が配列されている。光電変換部１５は、いずれも、第１画素からなるラインと、第２画素からなるラインと、を交互に並列させて構成されている。第２画素は、第１画素に対し、電荷の蓄積時間が短く設定されている。撮像処理回路１４は、出力合成部であるＨＤＲ合成部１９を有する。出力合成部は、第１画素による出力と第２画素による出力とを合成する。出力合成部は、入射光量に対する出力の飽和が生じている第１画素について、第２画素による検出結果を使用して出力を補間する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

測定対象とする物体までの距離を測定する測距装置としては、例えば、位相差検出方式によるものが知られている。位相差検出方式では、同一の物体を異なる位置において撮影して得られた被写体像の位相差を検出し、その位相差に基づいて、物体までの距離を算出する。被写体像の撮影には、電荷蓄積型の光電変換素子を備える固体撮像装置を使用する。電荷蓄積型の光電変換素子を使用する測距装置では、電荷の蓄積時間を適切に制御しなければ、光電変換による出力がほとんど得られない場合や、入射光量に対して出力が飽和してしまう場合がある。この場合、物体までの正確な距離を検出することが困難となる。

このような不具合を回避するには、例えば、複数の分割領域に最適な蓄積時間を設定し、複数回画像データを読み出す措置を取り得る。例えば、カメラの焦点調節装置等、調節の高速化が求められる場合に、測距装置は、高速な距離測定が必要となる。電荷蓄積型の光電変換素子を備える固体撮像装置は、出力の読み出しを一部の分割領域に限定可能とすることで、読み出し処理の高速化を図り得る一方、複数回の電荷蓄積を要することで、高速な位相差検出が困難となる。

特開２００４−２３３１１６号公報

本発明の一つの実施形態は、物体までの距離の正確かつ高速な測定を可能とするための固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、第１のイメージセンサ、第２のイメージセンサ及び撮像処理回路を有する。第１のイメージセンサは、被写体像を取り込む。第２のイメージセンサは、第１のイメージセンサと並べて設けられている。第２のイメージセンサは、第１のイメージセンサで取り込まれる被写体像に対し位相差を持たせた被写体像を取り込む。撮像処理回路は、第１のイメージセンサにより取得された被写体像と、第２のイメージセンサにより取得された被写体像と、を出力する。第１のイメージセンサ及び第２のイメージセンサには、それぞれ複数の光電変換部が配列されている。光電変換部は、いずれも、第１画素からなるラインと、第２画素からなるラインと、を交互に並列させて構成されている。第２画素は、第１画素に対し電荷の蓄積時間が短く設定されている。撮像処理回路は、出力合成部を有する。出力合成部は、第１画素による出力と第２画素による出力とを合成する。出力合成部は、入射光量に対する出力の飽和が生じている第１画素について、第２画素による検出結果を使用して出力を補間する。

第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示す模式図。 図１に示す固体撮像装置を備える測距装置の概略構成を示すブロック図。 光電変換部の構成を説明する図。 測距装置による位相差の検出と、距離の算出とを説明する図。 位相差の検出について説明する図。 光電変換部を構成する画素の配列について説明する図。 被写体像の輝度分布と、電荷の蓄積時間を異ならせた画素による出力との関係を説明する図。 第１の実施形態におけるラインセンサの出力特性を説明する図。 ＨＤＲ合成の具体的な方法について説明する図。 ＨＤＲ合成部が備える回路構成の例を示すブロック図。 出力加算部が備える回路構成の例を示すブロック図。 第２の実施形態にかかる固体撮像装置のうち、ラインセンサに設けられた光電変換部の概略構成を示す図。 ＨＤＲ合成部が備える回路構成の例を示すブロック図。 第３の実施形態にかかる固体撮像装置のうち、ラインセンサに設けられた光電変換部の概略構成を示す図。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す固体撮像装置を備える測距装置の概略構成を示すブロック図である。測距装置１は、例えば、カメラの焦点調節装置等に適用される。

測距装置１は、レンズモジュール２、固体撮像装置３及びＣＰＵ４を有する。レンズモジュール２は、測定対象とする物体からの光を取り込み、その物体の像を被写体像として結像させる。固体撮像装置３は、レンズモジュール２により取り込まれた光を信号電荷に変換し、被写体像を撮像する。ＣＰＵ４は、固体撮像装置３にて撮像された被写体像の位相差に基づいて、物体までの距離を算出する。

固体撮像装置３は、ラインセンサ１１及び１２、セレクタ１３及び撮像処理回路１４を有する。ラインセンサ１１は、被写体像を取り込む第１のイメージセンサである。ラインセンサ１２は、ラインセンサ１１と並べて設けられた第２のイメージセンサである。ラインセンサ１２は、ラインセンサ１１で取り込まれる被写体像に対し位相差を持たせた被写体像を取り込む。

ラインセンサ１１及び１２は、例えば、ＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）イメージセンサである。ラインセンサ１１及び１２としては、ＣＭＯＳイメージセンサに代えて、ＣＣＤ（charge coupled device）を適用しても良い。

ラインセンサ１１及び１２は、それぞれ、複数の光電変換部１５、カラム型ＡＤＣ（アナログデジタル変換器）１７及び水平転送部１８を有する。ラインセンサ１１及び１２には、複数の光電変換部１５が水平方向に配列されている。各光電変換部１５は、複数の画素１６を備える。

カラム型ＡＤＣ１７は、画素１６から垂直読み出しライン（図示省略）まで転送された信号を、アナログ方式からデジタル方式へ変換する。水平転送部１８は、カラム型ＡＤＣ１７にてデジタル方式へ変換された信号を順次読み出す。

セレクタ１３は、ラインセンサ１１からの信号とラインセンサ１２からの信号とを順次切り換えて、撮像処理回路１４へ出力する。撮像処理回路１４は、ラインセンサ１１により取得された被写体像の信号と、ラインセンサ１２により取得された被写体像の信号と、について信号処理を実施し、ＣＰＵ４へ出力する。撮像処理回路１４は、ハイダイナミックレンジ（high dynamic range；ＨＤＲ）合成のためのＨＤＲ合成部１９、及び出力加算部２０を有する。

ＨＤＲ合成部１９は、電荷の蓄積時間が互いに異なる画素による出力を、光電変換部１５ごとに合成する出力合成部として機能する。出力加算部２０は、各画素１６についてのＨＤＲ合成部１９からの出力を光電変換部１５ごとに加算し、光電変換部１５ごとの出力とする。

固体撮像装置３は、セレクタ１３で選択された信号をいずれも同じ撮像処理回路１４へ入力する構成に限られない。固体撮像装置３は、ラインセンサ１１に対応する撮像処理回路１４と、ラインセンサ１２に対応する撮像処理回路１４とを設ける構成としても良い。

図３は、光電変換部の構成を説明する図である。ラインセンサ１１及び１２に設けられた複数の光電変換部１５は、水平方向であるＸ方向に配列されている。複数の光電変換部１５は、いずれも、Ｘ方向と、垂直方向であるＹ方向とに配列された複数の画素１６により構成されている。

本実施形態では、画素１６は、各光電変換部１５において、例えば、Ｘ方向に５個（ｍ＝５）、Ｙ方向に１０個（ｎ＝１０）のアレイ状に配置されている。ラインセンサ１１及び１２において、配列させる光電変換部１５の数は同一であるものとする。各光電変換部１５の画素１６の数は、いずれも同一であるものとする。なお、光電変換部１５において、Ｘ方向へ配列させる画素１６の個数ｍは少なくとも１、Ｙ方向へ配列させる画素１６の個数ｎは少なくとも２、であれば良く、いずれも適宜変更可能であるものとする。

固体撮像装置３は、各光電変換部１５において、Ｘ方向へ並列させた画素１６からなるラインごとに、電荷の蓄積時間を、例えば、Ａ及びＡ／２と交互に異ならせる制御を実施する。

図４は、測距装置による位相差の検出と、距離の算出とを説明する図である。レンズモジュール２は、撮像レンズ２１及び２２を備える。撮像レンズ２１は、ラインセンサ１１に対向させて設けられている。撮像レンズ２２は、ラインセンサ１２に対向させて設けられている。撮像レンズ２１及び２２は、撮像レンズ２１の光軸２３及び撮像レンズ２２の光軸２４に対して垂直な方向へ並べられている。

撮像レンズ２１は、測定対象とする物体２５からの光を取り込み、ラインセンサ１１へ入射させる。撮像レンズ２１は、物体２５の像である被写体像をラインセンサ１１に結像させる。撮像レンズ２２は、物体２５からの光を取り込み、ラインセンサ１２へ入射させる。撮像レンズ２２は、ラインセンサ１２に被写体像を結像させる。

物体２５が無限遠にあると仮定した場合、ラインセンサ１１及び１２において、被写体像はそれぞれ光軸２３及び２４上に結像する。物体２５が有限遠或いは中近距離にあると仮定した場合において、被写体像は、ラインセンサ１１では光軸２３上に結像するのに対し、ラインセンサ１２では光軸２４に対し位相差αだけずれた位置に結像する。測距装置１は、例えば、以下に説明する三角測距法により、観測点から物体２５までの距離を測定する。

ＣＰＵ４は、かかる位相差αを実際の距離に変換するための演算を実施する。距離ＬＣと光軸２３及び２４間の長さｋとを辺とする三角形と、焦点距離ｆと位相差αとを辺とする三角形とは、相似の関係にある。従って、距離ＬＣは、以下の式（１）により求められる。
ＬＣ＝ｆ×ｋ／α ・・・（１）

長さｋ及び焦点距離ｆは、いずれもレンズモジュール２の構成により定められた値であることから、ＣＰＵ４は、位相差αを求めて式（１）に代入することで、距離ＬＣを算出できる。

図５は、位相差の検出について説明する図である。ＣＰＵ４は、例えば、ラインセンサ１１のうち基準とする領域２６の光電変換部１５からの出力群１Ｆ〜１Ｉが、ラインセンサ１２からの出力では、光電変換部１５を単位としていくつ分ずれているかを検出する。

ＣＰＵ４は、ラインセンサ１１のうち基準とする領域２６と同じ位置の領域２７−１における、ラインセンサ１２の出力群１Ｄ〜１Ｇを参照する。ＣＰＵ４は、ラインセンサ１１からの出力群１Ｆ〜１Ｉとラインセンサ１２の出力群１Ｄ〜１Ｇとを光電変換部１５ごとに比較し、光電変換部１５ごとの出力の差分を求める。ＣＰＵ４は、光電変換部１５ごとに求めた差分の絶対値を合計する。ＣＰＵ４は、かかる合計結果を、被写体像のずれを検出するための評価値として保持する。

次に、ＣＰＵ４は、領域２７−１から光電変換部１５一つ分移動した領域２７−２における、ラインセンサ１２の出力群１Ｅ〜１Ｈを参照する。ＣＰＵ４は、ラインセンサ１１からの出力群１Ｆ〜１Ｉとラインセンサ１２の出力群１Ｅ〜１Ｈとについて、光電変換部１５ごとの出力の差分を求める。ＣＰＵ４は、光電変換部１５ごとに求めた差分の絶対値を合計し、評価値とする。ＣＰＵ４は、このようにして、ラインセンサ１２において出力群を参照する領域を移動させながら、評価値を求めていく。

ラインセンサ１１及び１２について、光電変換部１５ごとの出力が一致している場合、評価値は理論上ゼロとなる。評価値がゼロとなるときにおける、ラインセンサ１１のうち基準とする領域２６と、ラインセンサ１２のうち出力を参照した領域とのずれ量が、位相差αに相当する。ただし、実際の評価値は、ノイズ等の影響によりゼロより若干大きい値となることから、ＣＰＵ４は、評価値が最小となるときのずれ量を、位相差αとする。なお、ラインセンサ１１のうち基準とする領域２６と同じ位置の領域２７−１において、評価値が最小となった場合、位相差は生じておらず、物体２５は無限遠に存在していることとなる。

図５に示す例では、ラインセンサ１１のうち基準とする領域２６と、ラインセンサ１２のうち領域２７−１から光電変換部１５二つ分移動した領域２７−３とで、出力群１Ｆ〜１Ｉが一致し、評価値が最小となる。この場合、位相差αは、光電変換部１５二つ分の長さとなる。

なお、ＣＰＵ４は、光電変換部１５の長さを単位として位相差αを検出する場合に限られない。ＣＰＵ４は、位相差αとして、光電変換部１５の長さ未満のずれも含めて検出するものとしても良い。ＣＰＵ４は、例えば、各評価値のうち最も小さい二つの値を使用する線形補間により、評価値が極小となるときのずれ量を、位相差αとして求める。ＣＰＵ４は、従来の相関演算及び補間演算のいずれを用いて、位相差αを算出するものとしても良い。

本実施形態では、固体撮像装置３は、光電変換部１５を構成するｍ×ｎ個の画素１６による出力を用いて、光電変換部１５の出力を求める。

図６は、光電変換部を構成する画素の配列について説明する図である。固体撮像装置３は、ラインセンサ１１及び１２の各光電変換部１５を、いずれも、電荷の蓄積時間を互いに異ならせた画素１６−１及び１６−２を含めた構成とすることで、ＨＤＲを実現可能とする。

画素１６−１は、例えば、電荷の蓄積時間がＡと設定されている。画素１６−２は、電荷の蓄積時間が、例えば、画素１６−１の蓄積時間Ａに対し半分のＡ／２と設定されている。ライン３１は、画素１６−１をＸ方向へ並列させて構成されている。ライン３２は、画素１６−２をＸ方向へ並列させて構成されている。

ライン３１及び３２は、Ｙ方向において交互に配置されている。固体撮像装置３は、ライン３１及び３２の配置に応じて、電荷の蓄積時間をＡ及びＡ／２と交互に異ならせて、ラインセンサ１１及び１２を駆動する。なお、光電変換部１５は、Ｘ方向のラインごとに電荷の蓄積時間を異ならせる構成に代えて、Ｙ方向のカラムごとに電荷の蓄積時間を異ならせる構成としても良い。

図７は、被写体像の輝度分布と、電荷の蓄積時間を異ならせた画素による出力との関係を説明する図である。図７に示す各グラフの縦軸は輝度、横軸は被写体像における位置を表すものとする。例えば、被写体像が、図７の上段に示す輝度分布を持つものとする。

図７の中段は、上段に示す輝度分布の被写体像を、蓄積時間を長時間とした画素を用いて検出した場合を表している。この場合、被写体像のうち輝度が低い部分については、高い感度で検出可能である。その一方、輝度が高い部分については、例えば所定の輝度Ｌ以上において、入射光量に対する信号出力の飽和が生じることがある。このような出力の飽和が生じると、測距装置１は、距離の正確な測定が困難となる。

図７の下段は、上段に示す輝度分布の被写体像を、蓄積時間を短時間とした画素を用いて検出した場合を表している。この場合、被写体像のうち輝度が高い部分については、出力の飽和が生じにくくなる。その一方、輝度が低い部分については、出力レベルがさらに低下するために、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が悪化することとなる。測距装置１は、ＳＮＲの悪化により、位相差の検出精度が低下することとなる。

図８は、第１の実施形態におけるラインセンサの出力特性を説明する図である。図８に示すグラフの縦軸は出力、横軸は輝度を表すものとする。輝度が低い部分については、蓄積時間をＡ（長時間）とした画素１６−１は、蓄積時間をＡ／２（短時間）とした画素１６−２に比べて、入射光量に対する出力の割合が高くなることで、明暗差が良好な輝度情報を得ることが可能である。画素１６−１は、所定の輝度Ｌ以上において出力が飽和し、輝度が増加しても一定の出力Ｓしか得られないこととなる。画素１６−２は、通常の照度環境下では画素１６−１のような出力の飽和を生じさせず、入射光量に応じた出力を得ることができる。

撮像処理回路１４は、輝度がＬ以下である部分については画素１６−１の出力を使用し、輝度がＬより大きい部分については画素１６−２の出力を使用して、光電変換部１５の出力を求める。固体撮像装置３は、輝度が低い部分についての画素１６−１の出力と、輝度が高い部分についての画素１６−２の出力とをＨＤＲ合成部１９において合成することにより、ＨＤＲによる撮像ができる。

ＨＤＲ合成部１９は、画素１６−１の出力に合わせて、画素１６−２の出力をゲイン倍、この例では２倍として、画素１６−１及び１６−２の出力を合成する。固体撮像装置３は、互いに同じ感度の画素１６−１及び１６−２に対し、蓄積時間をＡ及びＡ／２と異ならせることで、２倍のダイナミックレンジを得ることが可能となる。

なお、通常のＡＤ変換における分解能が１０ビットである場合に、撮像処理回路１４の出力は、ＨＤＲ合成を経ることで１１ビットとなる。撮像処理回路１４は、ＨＤＲ合成を経た信号について圧縮処理を施すことで、ＨＤＲ合成前のビット数へ信号を変換することとしても良い。これにより、ＣＰＵ４は、ＨＤＲ合成を経ない従来の場合と同様の演算処理を適用することが可能となる。撮像処理回路１４は、かかる圧縮処理を行わず、ビット数が増加したままの信号をＣＰＵ４へ入力することとしても良い。

図９は、ＨＤＲ合成の具体的な方法について説明する図である。ＨＤＲ合成部１９は、画素１６−１の出力と、画素１６−２の出力を２倍としたものとを合成する。また、例えば、ライン３１のうち、図中白抜きで表す五つの画素１６−１に出力の飽和が生じていたとする。

ＨＤＲ合成部１９は、入射光量に対する出力の飽和が生じている画素１６−１について、画素１６−２による検出結果を使用して出力を補間する。この場合、ＨＤＲ合成部１９は、飽和が生じた画素１６−１ごとに、当該画素１６−１の上下に位置する二つの画素１６−２の出力を平均し、さらに２倍とする演算を実施する。このようにして、ＨＤＲ合成部１９は、飽和が生じた画素１６−１について、それぞれ出力を補間する。なお、画素１６−１についての出力の補間のための演算は、この例による場合に限られず、いずれの手法によるものであっても良いものとする。

測距装置１は、固体撮像装置３におけるＨＤＲ合成により、入射光量に対する出力の飽和を抑制させ、距離の正確な測定が可能となる。また、測距装置１は、輝度が低い場合であっても高い感度で輝度情報が得られ、位相差の高精度な検出が可能となる。

図１０は、ＨＤＲ合成部が備える回路構成の例を示すブロック図である。ＨＤＲ合成部１９は、セレクタ４１及び４２、ラインメモリ（１Ｈ）４３及び４４、飽和判定部４５及びラインカウンタ４６を有する。

ラインカウンタ４６は、ＨＤＲ合成部１９へ入力された信号４７がライン３１及び３２のいずれからの出力であるかを示す信号を出力する。ラインカウンタ４６は、信号４７がライン３１からの出力である場合、例えば「０」を出力する。ラインカウンタ４６は、信号４７がライン３２からの出力である場合、例えば「１」を出力する。ラインカウンタ４６からの出力は、セレクタ４１における選択制御入力信号とされる。

セレクタ４１には、ゲインＮの乗算を経た信号４７と、ゲインＮの乗算を経ていない信号４７とが入力される。セレクタ４１は、選択制御入力信号である「０」が入力された場合、ゲインＮの乗算を経ていない信号４７を選択する。セレクタ４１は、選択制御入力信号である「１」が入力された場合、ゲインＮの乗算を経た信号４７を選択する。これにより、ＨＤＲ合成部１９は、蓄積時間をＡとした画素１６−１からの出力と、蓄積時間をＡ／２とした画素１６−２からの出力とのレベルを合わせる。この例では、Ｎ＝２とする。

ラインメモリ４３及び４４は、セレクタ４１からの信号を１ラインずつ遅延させる。飽和判定部４５は、ラインメモリ４３から読み出された信号を対象として、入射光量に対する出力の飽和が画素１６に生じているか否かの飽和判定を実施する。飽和判定部４５は、ラインメモリ４３から読み出された信号と、予め設定された飽和判定用閾値４８との比較により、飽和が生じているか否かを判定する。

飽和判定部４５は、飽和が生じていると判定した場合、その旨を表す信号、例えば「１」を、判定結果として出力する。飽和判定部４５は、飽和が生じていないと判定した場合、その旨を表す信号、例えば「０」を、判定結果として出力する。

飽和判定部４５による判定結果は、ラインカウンタ４６からの信号を反転させた信号との論理積として、セレクタ４２へ入力される。ラインカウンタ４６からの信号を反転させた信号は、ラインメモリ４３から読み出された信号が、ライン３１及び３２のいずれからの出力であるかを示す。

これにより、ラインメモリ４３から読み出された信号がライン３１からの出力であって、かつ画素１６−１に飽和が生じている場合に、セレクタ４２には「１」が入力される。ラインメモリ４３から読み出された信号がライン３１からの出力であって、かつ画素１６−１に飽和が生じていない場合、セレクタ４２には「０」が入力される。さらに、ラインメモリ４３から読み出された信号がライン３２からの出力である場合、セレクタ４２には「０」が入力される。これらの信号は、セレクタ４２における選択制御入力信号とされる。

ＨＤＲ合成部１９は、セレクタ４１からの遅延前の信号と、ラインメモリ４４から読み出した信号とを加算及び２分の１倍とすることで、両信号の平均値を求める。セレクタ４２には、かかる平均値と、ラインメモリ４３から読み出された信号とが入力される。

セレクタ４２は、選択制御入力信号である「１」が入力された場合、セレクタ４１からの信号とラインメモリ４４から読み出された信号との平均値を選択する。これにより、ＨＤＲ合成部１９は、飽和が生じている画素１６−１については、当該画素１６−１の上下に位置する二つの画素１６−２からの出力の平均値に置き換えることで、出力を補間する。

セレクタ４２は、選択制御入力信号である「０」が入力された場合、ラインメモリ４３から読み出された信号を選択する。これにより、ＨＤＲ合成部１９は、飽和が生じていない画素１６−１及び１６−２からの信号については、補間を実施せず出力する。

ＨＤＲ合成部１９は、セレクタ４２で選択された信号を出力する。このようにして、ＨＤＲ合成部１９は、画素１６−１及び１６−２による出力を合成する。なお、ＨＤＲ合成部１９は、飽和が生じている画素１６−１について、上下の二本のライン３２における画素１６−２からの出力の平均値への置き換えを実施する場合に限られない。ＨＤＲ合成部１９は、飽和が生じている画素１６−１について、いずれの手法により出力を補間することとしても良い。

ＨＤＲ合成部１９は、例えば、飽和が生じている画素１６−１に対し、上下の二本のライン３２のうち一方における画素１６−２の出力への置き換えを実施することとしても良い。この場合、ＨＤＲ合成部１９は、簡易な演算による補間を可能とすることで、回路構成の小規模化を図り得る。

撮像処理回路１４は、ＨＤＲ合成部１９から出力された信号について圧縮処理を施すこととしても良い。例えば、上述のＨＤＲ合成部１９は、デジタルレンジを１ビット増加させる。撮像処理回路１４は、例えばガンマ変換回路を用いて、圧縮処理を施す。

図１１は、出力加算部が備える回路構成の例を示すブロック図である。出力加算部２０は、ＨＤＲ合成部１９から入力されラインメモリ５１にて遅延させた信号と、遅延前の信号とを加算していく。出力加算部２０は、制御カウンタ５２からの垂直カウントに応じて、垂直方向について画素１６−１及び１６−２の出力を加算する。出力加算部２０は、制御カウンタ５２からの水平カウントに応じて、さらに水平方向について出力を加算する。出力加算部２０は、かかる加算結果を、光電変換部１５ごとの出力とする。

このように、測距装置１は、固体撮像装置３におけるＨＤＲ合成により、物体２５までの距離を正確に測定可能とする。また、測距装置１は、固体撮像装置３において複数回の電荷蓄積を要する場合に比べ、高速な位相差検出が可能となる。測距装置１は、固体撮像装置３を適用することで、物体までの距離を正確かつ高速に測定することができる。

（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置のうち、ラインセンサに設けられた光電変換部の概略構成を示す図である。本実施形態にかかる固体撮像装置は、第１の実施形態と同様、測距装置１（図２参照）に適用される。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

第２の実施形態にかかる固体撮像装置において、光電変換部６０は、電荷の蓄積時間を互いに異ならせた四本のライン６１−１、６１−２、６１−３及び６１−４を周期的に並列させて構成されている。光電変換部６０において、画素１６は、例えば、Ｘ方向に１２個（ｍ＝１２）、Ｙ方向に１２個（ｎ＝１２）のアレイ状に配置されている。

固体撮像装置は、Ｘ方向へ並列させた画素１６からなるラインごとに、電荷の蓄積時間を、例えば、Ａ、Ａ／２、Ａ／４及びＡ／８と周期的に異ならせる制御を実施する。ライン６１−１は、蓄積時間がＡとされたラインとする。ライン６１−２は、蓄積時間がＡ／２とされたラインとする。ライン６１−３は、蓄積時間がＡ／４とされたラインとする。ライン６１−４は、蓄積時間がＡ／８とされたラインとする。

図１３は、ＨＤＲ合成部が備える回路構成の例を示すブロック図である。ＨＤＲ合成部６２は、ライン６１−１の画素１６に合わせて、ライン６１−２、６１−３及び６１−４の画素１６の出力をゲイン倍、この例ではそれぞれ２倍、４倍及び８倍として、各ライン６１−１〜６１−４の出力を合成する。第２の実施形態にかかる固体撮像装置は、互いに同じ感度の画素１６に対し、ライン６１−１〜６１−４ごとに蓄積時間をＡ、Ａ／２、Ａ／４及びＡ/８と異ならせることで、最大で８倍のダイナミックレンジを得ることが可能となる。

飽和判定部６３は、ＨＤＲ合成部６２へ入力された信号を対象として、入射光量に対する出力の飽和が画素１６に生じているか否かの飽和判定を実施する。飽和判定部６３は、ＨＤＲ合成部６２へ入力された信号と、予め設定された飽和判定用閾値４８との比較により、飽和が生じているか否かを判定する。飽和判定部６３は、飽和が生じていないと判定した場合に、飽和判定の対象とした信号を出力する。

ＨＤＲ合成部６２は、ライン６１−２、６１−３及び６１−４から入力され、飽和が生じていないと判定された信号については、ゲイン倍、この例ではそれぞれ２倍、４倍及び８倍とする。ＨＤＲ合成部６２は、制御カウンタ６５からの垂直カウントに応じて、ＨＤＲ合成部６２へ入力された信号がいずれのライン６１−１〜６１−４からの出力であるかを識別し、ゲインを適宜乗算する。

さらに、ＨＤＲ合成部６２は、ラインメモリ６４にて遅延させた信号と、遅延前の信号とを加算していく。第２の実施形態では、ＨＤＲ合成部６２は、第１の実施形態における出力加算部２０（図１参照）と同様の加算処理を実施する。

ＨＤＲ合成部６２は、蓄積時間Ａのライン６１−１の画素１６において飽和が生じていない場合、蓄積時間Ａ、Ａ／２、Ａ／４及びＡ／８の各出力を、加算対象に含める。ＨＤＲ合成部６２は、蓄積時間Ａのライン６１−１の画素１６において飽和が生じており、かつ蓄積時間Ａ／２のライン６１−２の画素１６において飽和が生じていない場合、蓄積時間Ａ／２、Ａ／４及びＡ／８の各出力を、加算対象に含める。

ＨＤＲ合成部６２は、蓄積時間Ａ及びＡ／２のライン６１−１及び６１−２の画素１６において飽和が生じており、かつ蓄積時間Ａ／４のライン６１−３の画素１６において飽和が生じていない場合、蓄積時間Ａ／４及びＡ／８の各出力を、加算対象に含める。ＨＤＲ合成部６２は、蓄積時間Ａ、Ａ／２及びＡ／４のライン６１−１、６１−２及び６１−３の画素１６において飽和が生じている場合、蓄積時間Ａ／８の出力を、加算対象に含める。ＨＤＲ合成部６２は、制御カウンタ６５からの垂直カウントに応じて、画素１６の出力を加算する。ＨＤＲ合成部６２は、かかる加算結果を、光電変換部６０ごとの出力とする。

ＨＤＲ合成部６２は、飽和が生じている画素１６については、例えば、予め設定された値を適用し、出力とする。ＨＤＲ合成部６２は、飽和が生じている画素１６に所定値を適用することで、回路構成の簡素化を可能とする。ＨＤＲ合成部６２は、飽和が生じている画素１６について、所定の補間処理、例えば周囲の画素１６の出力を平均する演算を実施しても良い。

第２の実施形態の場合も、測距装置１は、第１の実施形態と同様、物体までの距離を正確かつ高速に測定することができる。本実施形態では、広範囲の輝度範囲に対応した蓄積時間を設定し、飽和していない出力を使用することで、広いダイナミックレンジの信号による高精度な距離測定が可能となる。

なお、光電変換部６０は、電荷の蓄積時間を互いに異ならせた四つのラインを並列させた構成である場合に限られない。光電変換部６０は、電荷の蓄積時間を互いに異ならせた複数のラインを並列させたものであれば良く、構成を適宜変更しても良い。

（第３の実施形態）
図１４は、第３の実施形態にかかる固体撮像装置のうち、ラインセンサに設けられた光電変換部の概略構成を示す図である。本実施形態にかかる固体撮像装置は、第１の実施形態と同様、測距装置１（図２参照）に適用される。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

第３の実施形態にかかる固体撮像装置において、光電変換部７０は、電荷の蓄積時間を互いに異ならせた二本のライン３１及び３２を交互に並列させて構成されている。光電変換部７０において、画素１６は、例えば、Ｘ方向に１２個（ｍ＝１２）、Ｙ方向に１２個（ｎ＝１２）のアレイ状に配置されている。

ラインセンサは、ライン３１及び３２の組ごとの間引き駆動のためのスイッチ７１を有する。スイッチ７１は、ライン３１及び３２の駆動及び駆動の停止を切り換える。光電変換部７０は、例えば、スイッチ７１が設けられたライン３１及び３２の組と、スイッチ７１が設けられていないライン３１及び３２の組とが、Ｙ方向において交互に配置されている。スイッチ７１は、スイッチ駆動信号７２に応じて、ＯＮ及びＯＦＦを切り換える。

固体撮像装置は、例えば、測定時の条件に応じて、スイッチ駆動信号７２を切り換える。例えば、詳細な距離測定が求められる状況下において、固体撮像装置は、各スイッチ７１をＯＮとする。これにより、測距装置１は、高精度な距離測定が可能となる。

例えば、詳細な測定が求められる以外の、通常の測定時には、固体撮像装置は、各スイッチ７１をＯＦＦとすることで、ラインセンサを間引き駆動させる。間引き駆動により、撮像処理回路での演算量を低減させることで、測距装置１は、高速な距離測定が可能となる。第３の実施形態の場合も、測距装置１は、第１の実施形態と同様、物体までの距離を正確かつ高速に測定することができる。

固体撮像装置は、光電変換部７０を構成するラインの少なくとも一つに対し、スイッチ７１が設けられていれば良いものとする。測距装置１は、光電変換部７０を構成するラインの少なくとも一つについて駆動及び駆動の停止を切り換え可能とすることで、測定を高速化させる効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

３ 固体撮像装置、１１、１２ ラインセンサ、１４ 撮像処理回路、１５、６０、７０ 光電変換部、１６、１６−１、１６−２ 画素、１９、６２ ＨＤＲ合成部、３１、３２ ライン、７１ スイッチ。

Claims (5)

1. 被写体像を取り込む第１のイメージセンサと、
   前記第１のイメージセンサと並べて設けられ、前記第１のイメージセンサで取り込まれる被写体像に対し位相差を持たせた被写体像を取り込む第２のイメージセンサと、
   前記第１のイメージセンサにより取得された被写体像と、前記第２のイメージセンサにより取得された被写体像と、を出力する撮像処理回路と、を有し、
   前記第１のイメージセンサ及び前記第２のイメージセンサには、それぞれ複数の光電変換部が配列され、
   前記光電変換部は、いずれも、第１画素からなるラインと、前記第１画素に対し電荷の蓄積時間が短く設定された第２画素からなるラインと、を交互に並列させて構成され、
   前記撮像処理回路は、前記第１画素による出力と前記第２画素による出力とを合成する出力合成部を有し、
   前記出力合成部は、入射光量に対する出力の飽和が生じている前記第１画素について、前記第２画素による検出結果を使用して出力を補間することを特徴とする固体撮像装置。
2. 被写体像を取り込む第１のイメージセンサと、
   前記第１のイメージセンサと並べて設けられ、前記第１のイメージセンサで取り込まれる被写体像に対し位相差を持たせた被写体像を取り込む第２のイメージセンサと、
   前記第１のイメージセンサにより取得された被写体像と、前記第２のイメージセンサにより取得された被写体像と、を出力する撮像処理回路と、を有し、
   前記第１のイメージセンサ及び前記第２のイメージセンサには、それぞれ複数の光電変換部が配列され、
   前記第１のイメージセンサ及び前記第２のイメージセンサの前記光電変換部は、いずれも、電荷の蓄積時間を互いに異ならせた画素を含めて構成され、
   前記撮像処理回路は、前記蓄積時間が互いに異なる画素による出力を、前記光電変換部ごとに合成する出力合成部を有することを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記光電変換部は、いずれも、第１画素からなるラインと、前記第１画素に対し電荷の蓄積時間が短く設定された第２画素からなるラインと、を交互に並列させて構成され、
   前記出力合成部は、入射光量に対する出力の飽和が生じている前記第１画素について、前記第２画素による検出結果を使用して出力を補間することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記光電変換部は、いずれも、画素の前記蓄積時間を互いに異ならせた複数のラインを並列させて構成され、
   前記出力合成部は、入射光量に対する出力の飽和が生じている飽和画素について、前記飽和画素の近傍に位置し出力の飽和が生じていない画素による検出結果を使用して出力を補間することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１のイメージセンサ及び前記第２のイメージセンサは、前記画素からなるラインの少なくとも一つに、駆動及び駆動の停止を切り換えるためのスイッチが設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。

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