CN109073735B - 距离传感器 - Google Patents

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Abstract

本实施方式涉及一种距离传感器，其为了避免起因于干扰光的饱和而降低向在1个光敏区域准备的多个电荷收集区域分别注入的电流量之差。分别向各电荷收集区域注入电流的电流注入电路包括生成用于调节注入电流量的控制电压的电压生成电路，该电压生成电路生成对应于分别与各电荷收集区域结合的蓄积节点的电荷量中大的电荷量的控制电压，另一方面，在通过控制电压调节电流量的晶体管与蓄积节点之间配置有共源共栅器件，晶体管的电流输出端的电位与蓄积节点的电位分离。

Description

距离传感器
技术领域
本发明涉及距离传感器。
背景技术
已知有基于从光源射出脉冲光的记时与来自对象物的反射光到达的记时的时间差来测量至对象物的距离的飞行时间(TOF：Time-of-Flight)法。例如，在下述的专利文献1中记载有基于TOF法的距离传感器。该专利文献1中记载的距离传感器具备电荷分开类型的结构，将在光照射后的第一期间中在光敏区域内产生的电荷和在第一期间后的第二期间中在该光敏区域内产生的电荷蓄积在与不同的电荷收集区域分别结合的蓄积节点。然后，基于蓄积在这些蓄积节点的电荷量的比，计算至对象物的距离。进一步，专利文献1中记载的距离传感器为了防止干扰光成分引起的饱和，具备将电流分别注入蓄积节点的单元。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：德国专利申请公开第102005056774号说明书
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的发明人对上述的现有技术进行研究的结果，发现以下技术问题。即，在具备电荷分开类型的结构的距离传感器中，为了防止干扰光成分引起的饱和，有分别向与各电荷收集区域结合的蓄积节点注入电流的结构(参照专利文献1)。在这样的方式中，优选将被注入蓄积节点的电流量高精度地控制为均等的大小。这是因为，当在被注入与不同的电荷收集区域分别结合的蓄积节点的电流量产生不均时，会在至对象物的距离的计算结果中产生误差。
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的发明，其目的在于提供一种距离传感器，该距离传感器能够降低注入与针对1个光敏区域准备的不同的电荷收集区域分别结合的蓄积节点的电流量之差。
用于解决技术问题的技术手段
本实施方式的距离传感器是向对象物照射光，通过检测来自该对象物的反射光而测量至对象物的距离的距离传感器，为了解决如上所述的技术问题，具备半导体基板、第一和第二传送电极、电压生成电路、第一和第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管。半导体基板具有产生与反射光的光量相应的电荷的光敏区域和分别收集来自光敏区域的电荷的第一和第二电荷收集区域。另外，第一和第二电荷收集区域分别以各自与光敏区域相隔规定距离的状态配置。第一传送电极是用于控制从光敏区域到第一电荷收集区域的电荷传送的电极，配置在光敏区域与第一电荷收集区域之间的区域上。此外，第一传送电极在光照射后的第一期间中设定为能够进行电荷传送的导通电位，另一方面，在与该第一期间连续的的第二期间中设定为使电荷传送停止的断开电位。第二传送电极是用于控制从光敏区域到第二电荷收集区域的电荷传送的电极，配置在光敏区域与第二电荷收集区域之间的区域上。此外，第二传送电极在第一期间中设定为断开电位，而在第二期间中设定为导通电位。电压生成电路具有与设定为规定电压的第一恒定电位线电连接的一个端子和与设定为比第一恒定电位线低的电位的第二恒定电位线电连接的另一端。该电压生成电路生成与蓄积在与第一电荷收集区域电结合的蓄积节点的电荷量和蓄积在与第二电荷收集区域电结合的蓄积节点的电荷量中的较大的一方的电荷量相应的控制电压。第一和第二晶体管分别具有施加控制电压的控制端子、与第一恒定电位线连接的第一电流端子、和第二电流端子。第三晶体管具有与第一晶体管的第二电流端子连接的第一电流端子、与电结合于第一电荷收集区域的蓄积节点连接的第二电流端子和施加恒定电压的控制端子。第四晶体管具有与第二晶体管的第二电流端子连接的第一电流端子、与电结合于第二电荷收集区域的蓄积节点连接的第二电流端子和施加恒定电压的控制端子。
发明的效果
根据本实施方式的距离传感器，在通过控制电压调节电流量的晶体管与蓄积节点之间，配置有共源共栅器件，晶体管的电流输出端的电位与蓄积节点的电位分离，其中，上述控制电压是基于与针对1个光敏区域准备的多个电荷收集区域分别结合的蓄积节点的电荷量生成的电压。由此，能够降低与电荷收集区域分别结合的蓄积节点间的注入电流量之差。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的距离传感器的结构的俯视图。
图2是图1所示的距离传感器的各像素的受光部的俯视图。
图3是沿图2的III-III线的截面图。
图4是沿图2的IV-IV线的截面图。
图5是表示射入某个像素的反射光的强度的时间变化的例子的曲线图、表示施加至传送电极的电压的时间变化的曲线图、和表示施加至传送电极的电压的时间变化的曲线图。
图6是表示传感器驱动电路的拍摄区域的驱动方式的图。
图7是表示第1帧的蓄积帧的传送电极的动作的脉冲波形图和第2帧的蓄积帧的传送电极的动作的脉冲波形图。
图8是将对于第1帧和第2帧的1次驱动时钟的脉冲波形图叠加表示的图。
图9是进一步表示图8所示的脉冲波形图中、反射光的受光脉冲波形的记录的图。
图10是进一步表示图8所示的脉冲波形图中、反射光的受光脉冲波形的记录的图。
图11是表示一个实施方式的电流注入电路的结构的电路图。
图12是表示比较例的电流注入电路的结构的电路图。
图13是表示比较例的电流注入电路中的各蓄积节点的电压值(电位)的时间变化的例子的曲线图，和表示在比较例的电流注入电路中的各蓄积节点的注入电流量的时间变化的例子的曲线图。
图14是表示一个实施方式的电流注入电路的各蓄积节点的电压值(电位)的时间变化的例子的曲线图，和表示在一个实施方式的电流注入电路中的各蓄积节点的注入电流量的时间变化的例子的曲线图。
图15是表示第1变形例的驱动方法的脉冲波形图的图。
图16是用于说明第1变形例的距离计算方法的图。
图17是表示第2变形例的受光部的俯视图。
图18是沿图17的XVIII-XVIII线的截面图。
图19是表示第2变形例的传感器驱动电路的驱动方式的图。
图20是表示蓄积帧中的传送电极的动作的脉冲波形图。
符号说明
1A……距离传感器；10……半导体基板；10a……表面；10b……背面；10c……表面区域；11……拍摄区域；12……传感器驱动电路；13……处理电路；14……光敏区域；15……第一电荷收集区域；16……第二电荷收集区域；17……第一传送电极；18……第二传送电极；19……光栅电极；20……电流注入电路；21……电压生成电路；22a……第一晶体管；22b……第二晶体管；23a……第三晶体管；23b……第四晶体管；24……晶体管对；25……电流源；26a、26b……蓄积节点；27、28……缓冲电路；30……光源单元；31……光源；32……光源驱动电路；33……控制电路；34……电源电位线；35、36……复位电路；41……绝缘层；42、43……信号取出电极；100……电流注入电路；B……对象物；GND……基准电位线；L1……照射光；L2……反射光；N1……节点；P……像素；Sr……复位信号；T……周期；tL……导通时间；T1……光照射记时；T2……延迟时间；V3、V4、V5、V6……偏压(恒定电压)；VC1、VC2……控制电压；Vr……复位电位；Vtx1、Vtx2……驱动电压。
具体实施方式
[本申请发明的实施方式的说明]
首先，分别列举本申请发明的实施方式的对应地进行说明。
(1)本实施方式的距离传感器是向对象物照射光，通过检测来自该对象物的反射光来测量至对象物的距离的距离传感器，作为其一个实施方式，具备半导体基板、第一和第二传送电极、电压生成电路、第一和第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管。半导体基板具有产生与反射光的光量相应的电荷的光敏区域、以及分别收集来自光敏区域的电荷的第一和第二电荷收集区域。另外，第一和第二电荷收集区域分别各以从光敏区域相隔规定距离的状态配置。第一传送电极是用于控制从光敏区域到第一电荷收集区域的电荷传送的电极，配置在光敏区域与第一电荷收集区域之间的区域上。此外，第一传送电极在光照射后的第一期间中设定为能够进行电荷传送的导通电位，而在该第一期间后续的第二期间中设定为使电荷传送停止的断开电位。第二传送电极是用于控制从光敏区域到第二电荷收集区域的电荷传送的电极，配置在光敏区域与第二电荷收集区域之间的区域上。此外，第二传送电极在第一期间中设定为断开电位，而在第二期间中设定为导通电位。电压生成电路具有与设定为规定电压的第一恒定电位线连接的一个端子和与设定为比第一恒定电位线低的电位的第二恒定电位线连接的另一端。该电压生成电路生成和蓄积在与第一电荷收集区域结合的蓄积节点的电荷量、以及蓄积在与第二电荷收集区域结合的蓄积节点的电荷量中较大的一方相应的控制电压。第一和第二晶体管分别具有施加控制电压的控制端子、与第一恒定电位线连接的第一电流端子和第二电流端子。第三晶体管具有连接至第一晶体管的第二电流端子的第一电流端子、连接至与第一电荷收集区域结合的蓄积节点的第二电流端子、和施加恒定电压的控制端子。第四晶体管具有连接至第二晶体管的第二电流端子的第一电流端子、连接至与第二电荷收集区域结合的蓄积节点的第二电流端子、和施加恒定电压的控制端子。
(2)分别与不同的电荷收集区域结合的蓄积节点的电位与所蓄积的电荷量相应地变动。因此，与所蓄积的电荷量之差相应地在蓄积节点各自的电位也产生差。因而，在第一和第二晶体管分别与对应的蓄积节点直接连接的情况下，在第一和第二晶体管的电流端子间电压产生差异。故而，根据第一和第二晶体管的通道长度调制效果，注入第一电荷收集区域的电荷量与注入第二电荷收集区域的电荷量彼此并不相等，会产生些微差。由此，会在测量距离上产生误差。
(3)针对上述的问题，在本实施方式的距离传感器中，在第一晶体管和与第一电荷收集区域结合的蓄积节点之间连接第三晶体管，而在第二晶体管和与第二电荷收集区域结合的蓄积节点之间连接第四晶体管。在这样的结构中，第一晶体管的电流输出端的电位与对应的蓄积节点的电位分离。同样，第二晶体管的电流输出端的电位与对应的蓄积节点的电位也分离。其结果是，即使在蓄积节点分别存在电位差，也能够抑制对第一和第二晶体管的电流端子间电压的影响。即，能够降低从第一和第二晶体管向各对应的蓄积节点分别注入的电流量之差。
(4)作为本实施方式的一个方式，在具备如上所述的结构的距离传感器中，第三和第四晶体管也可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。由此，第一晶体管的电流输出端的电位与对应的蓄积节点的电位恰当地分离，此外，第二晶体管的电流输出端的电位与对应的蓄积节点的电位也分离。
以上，该[本申请发明的实施方式的说明]栏中列举的各实施方式能够分别应用于其余所有方式或应用于这些其余方式的所有组合。
[本申请发明的实施方式的详细情况]
以下，参照附图对本实施方式的距离传感器的具体结构进行详细说明。另外，本发明并不限定于这些例示，而希望包含由权利要求的范围所示、与权利要求的范围均等的意思和范围内的所有变更。附图的说明中对相同的要素标注相同的符号并省略重复的说明。在以下的说明中，在晶体管为FET的情况下，控制端子是指栅极，电流端子是指源极或漏极。在晶体管为双极晶体管的情况下，控制端子是指基极，电流端子是指集电极或发射极。
图1是表示本发明的一个实施方式的距离传感器1A的结构的俯视图。图1的距离传感器1A是向对象物照射光、通过检测来自该对象物的反射光来测量至对象物的距离的器件。如图1所示，距离传感器1A具备在半导体基板10上形成的拍摄区域11、传感器驱动电路12和处理电路13。传感器驱动电路12驱动拍摄区域11。处理电路13处理拍摄区域11的输出。拍摄区域11包括在半导体基板10上呈一维或二维状排列的多个像素P。在图1中表示第m行第n列的像素P(m，n)(m、n为自然数)。各像素P(m，n)包括受光部9和电流注入电路20。拍摄区域11按每个像素P检测来自对象物的反射光。然后，通过按每个像素P求取从光被照射至反射光到达为止的时间，求取对象物的图像的每个像素P的距离。该距离传感器1A是电荷分开类型的距离传感器，与在各像素P内分成2处的电荷量的比率相应地求取从光被照射至反射光到达为止的时间。
图2是图1所示的距离传感器1A的各像素P(m，n)的受光部9的俯视图。图3和图4分别是沿图2的III-III线和IV-IV线的截面图，是表示受光部9的截面结构的图。另外，在图3同时表示光源单元30。光源单元30是用于向对象物照射光L1的构成要素，包括光源31、光源驱动电路32和控制电路33。光源31包括激光元件或发光二极管等半导体发光元件。光源驱动电路32对光源31进行高频驱动。控制电路33输出光源驱动电路32的驱动时钟。此外，从光源31周期性地射出被进行方形波或正弦波的强度调制后的脉冲光。
来自光源31的照射光L1在对象物B的表面被反射，作为反射光L2从半导体基板10的背面10b侧分别射入距离传感器1A的拍摄区域11内的像素P(m，n)。另外，也可以与半导体基板10的背面10b相对地配置分别与像素P(m，n)对应的多个成像透镜。
如图2所示，受光部9具有传送电极17(第一传送电极)、传送电极18(第二传送电极)、传送电极44、光栅电极19、信号取出电极42、43和电荷排出用电极45。另外，在图2，传送电极17、18和信号取出电极42、43分别设置2个，不过它们也可以分别各设置1个。此外，在图2中各设置2个传送电极44和电荷排出用电极45，不过它们也可以分别各设置1个。
如图3所示，受光部9进一步具有光敏区域14、电荷收集区域15(第一电荷收集区域)和电荷收集区域16(第二电荷收集区域)。光敏区域14受到反射光L2照射而产生与其光量相应的电荷。电荷收集区域15、16分别按照以夹着光敏区域14的状态与该光敏区域14相邻的方式配置。电荷收集区域15、16分别通过收集来自光敏区域14的电荷，在各自结合的蓄积节点蓄积电荷。另外，在图3中，在电荷收集区域15、16之间配置有光敏区域14，电荷收集区域15、16也可以与光敏区域14的一侧相邻，在彼此的位置关系上没有限制。
具体而言，半导体基板10由高浓度的p型(第2导电型)半导体构成，各像素P(m，n)的受光部9具有设置在半导体基板10的表面10a侧的、低浓度的p型(第2导电型)的表面区域10c。此外，在半导体基板10的表面10a上形成有绝缘层41，在电荷收集区域15、16间的表面区域10c上隔着绝缘层41形成有光栅电极19。位于光栅电极19的正下方的表面区域10c内的区域成为光敏区域14。光敏区域14的电势通过对光栅电极19的施加电压而控制。在光栅电极19，根据需要施加微小的正的直流电压。由此，与射向光敏区域14的反射光L2的入射相应地产生空穴电子对。
电荷收集区域15、16是在半导体基板10的表面区域10c侧形成的高浓度的n型(第1导电型)区域。电荷收集区域15、16还称为浮动扩散区域或电荷蓄积区域。n型半导体在电中性的状态具有电子作为载流子，在载流子迁移了的情况下，正离子化。即，高浓度的n型的电荷收集区域15、16的能带结构成为大幅向下凹的形状，构成势阱。在电荷收集区域15上形成有信号取出电极42，在电荷收集区域16上形成有信号取出电极43。信号取出电极42、43经在绝缘层41形成的开口与各电荷收集区域15、16接触。
传送电极17配置在光敏区域14与电荷收集区域15之间的区域上。传送电极18配置在光敏区域14与电荷收集区域16之间的区域上。当向传送电极17施加正电位(导通电位)时，传送电极17的正下方的区域的电势成为光敏区域14的电势与电荷收集区域15的电势的中间的大小。由此，形成从光敏区域14朝向电荷收集区域15的电势的阶梯，电子落入电荷收集区域15的势阱内(在阱内蓄积电荷)。同样，当向传送电极18施加正电位(导通电位)时，传送电极18的正下方的区域的电势成为光敏区域14的电势与电荷收集区域16的电势的中间的大小。由此，形成从光敏区域14朝向电荷收集区域16的电势的阶梯，电子落入电荷收集区域16的势阱内。
另外，在本实施方式中，采用在电荷收集区域15、16上设置信号取出电极42、43而取出信号的结构，不过还能够在电荷收集区域15、16的旁边另外设置信号取出用的高浓度区域，在该高浓度区域与电荷收集区域15、16之间的区域上配置其它传送电极，在高浓度区域上设置信号取出电极而取出信号。
如图4所示，受光部9进一步具有2个电荷收集区域46。电荷收集区域46形成在半导体基板10的表面区域10c，按照以夹着光敏区域14的状态与该光敏区域14相邻的方式配置。而且，电荷排出用电极45形成在这些电荷收集区域46上。电荷排出用电极45经在绝缘层41形成的开口与电荷收集区域46接触。传送电极44配置在光敏区域14与电荷收集区域46之间的区域上。当向传送电极44施加正电位(导通电位)时，电荷从光敏区域14向电荷收集区域46移动，在电荷收集区域46的势阱内蓄积电荷。另外，电荷收集区域46的具体结构与电荷收集区域15、16相同。
图5(a)是表示入射到某个像素P(m，n)时反射光的强度的时间变化的例子的曲线图。图5(b)是表示施加于传送电极17的电压的时间变化的曲线图。图5(c)是表示施加于传送电极18的电压的时间变化的曲线图。如图5(a)所示，反射光L2仅延迟与从光照射记时T1至对象物B的距离相应的时间T2地入射到像素P(m，n)。
如图5(b)所示，传送电极17在光照射后的第一期间H1设定为导通电位，在之后的第二期间H2设定为断开电位。此外，如图5(c)所示，传送电极18在第一期间H1设定为断开电位，在第二期间H2设定为导通电位。而且，令反射光L2的一部分(图中的曲线图的区域A1)在第一期间H1内入射到像素P(m，n)。此时，因为传送电极17设定为导通电位，而传送电极18设定为断开电位，所以在光敏区域14产生的电荷移动至电荷收集区域15而蓄积。反射光L2的剩余部分(图中的曲线图的区域A2)在第二期间H2内入射到像素P(m，n)。此时，因为传送电极18设定为导通电位，而传送电极17设定为断开电位，所以在光敏区域14产生的电荷移动至电荷收集区域16并蓄积。因此，通过求取蓄积在电荷收集区域15的电荷量(蓄积在与电荷收集区域15结合的蓄积节点的电荷量)与蓄积在电荷收集区域16的电荷量(蓄积在与电荷收集区域16结合的蓄积节点的电荷量)的比率，能够获知延迟时间T2即至对象物B的距离。
此处，本实施方式的处理电路13也可以通过将蓄积在电荷收集区域15的电荷与蓄积在电荷收集区域16的电荷相互抵消而输出它们的电荷量之差的电路。在那样的情况下，也只要能够获知蓄积在电荷收集区域15、16的电荷量的合计量(蓄积在分别与电荷收集区域15、16结合的蓄积节点的电荷量的合计量)，就能够获知蓄积在电荷收集区域15的电荷量与蓄积在电荷收集区域16的电荷量的比率。以下，对用于知晓蓄积在电荷收集区域15、16的电荷量的合计量的拍摄区域11的驱动方式进行说明。
本实施方式的传感器驱动电路12通过依次执行被时间分割成的多个帧(分别表示传送电极的驱动图案)而驱动传送电极17、18。图6是表示传感器驱动电路12的拍摄区域11的驱动方式的图。如图6所示，在本实施方式的驱动方式中，交替地重复第1帧F1和第2帧F2并进行各帧F1、F2内的处理。在图6表示一并各帧F1、F2内的处理内容。在各帧F1、F2内，交替地重复向电荷收集区域15、16的进行电荷的蓄积的蓄积帧F3和从电荷收集区域15、16的进行电荷的读出的读出帧F4。
图7(a)和图7(b)是表示蓄积帧F3的传送电极17、18、44的动作的脉冲波形图。图7(a)表示第1帧F1的脉冲波形图，图7(b)表示第2帧F2的脉冲波形图。在该图7(a)和图7(b)中表示从控制电路33输出的光源驱动电路32的驱动时钟CL(即从光源31输出的脉冲光的强度的时间变化)、施加至传送电极17的驱动电压Vtx1、施加至传送电极18的驱动电压Vtx2和施加至传送电极44的驱动电压Vtxr。
在蓄积帧F3，驱动时钟CL每上升一次或者以一个周期T，驱动电压Vtx1和Vtx2将导通电位和断开电位各重复2次。周期T设定为驱动时钟CL的导通时间tL的2倍(即T＝2tL)。此外，各周期的驱动电压Vtx1和Vtx2的导通时间(设定为导通电位的期间)与驱动时钟CL的导通时间tL相等。
具体而言，如图7(a)和图7(b)所示，在第1帧F1和第2帧F2各自的蓄积帧F3，定义等间隔的时刻t0、t1、……、t9。这些间隔是照射光L1的一次照射时间tL的一半。此时，光源单元30在时刻t1～t3之间照射照射光L1。然后，如图7(a)所示，传感器驱动电路12在第1帧F1、在时刻t0～t2和t4～t6之间将驱动电压Vtx1设定为导通电位，在时刻t2～t4和t6～t8之间将驱动电压Vtx2设定为导通电位。此外，如图7(b)所示，传感器驱动电路12在第2帧F2、在时刻t1～t3和t5～t7之间将驱动电压Vtx1设定为导通电位，在时刻t3～t5和t7～t9之间将驱动电压Vtx2设定导通电位。
另外，施加至传送电极44的驱动电压Vtxr除从其它驱动电压Vtx1、Vtx2最初设定为导通电位至最后设定为断开电位的期间以外设定为导通电位。即，驱动电压Vtxr在第1帧F1在时刻t0～t8之间设定为断开电位，在第2帧F2在时刻t1～t9之间设定为断开电位，在其它期间设定为导通电位。
换言之，上述的动作如下所述。在第1帧F1，驱动电压Vtx1在相对于驱动时钟CL的上升记时早(tL/2)的记时上升。以下，令该第1帧F1的驱动电压Vtx1的相位为0°。同在第1帧F1，驱动电压Vtx2在相对于驱动电压Vtx1的上升记时晚tL的记时上升。换言之，第1帧F1的驱动电压Vtx2的相位为180°。在第2帧F2，驱动电压Vtx1在与驱动时钟CL的上升记时相同的记时上升。换言之，第2帧F2的驱动电压Vtx1的相位为90°。此外，同在第2帧F2，驱动电压Vtx2在相对于驱动电压Vtx1的上升记时晚tL的记时上升。换言之，第2帧F2的驱动电压Vtx2的相位为270°。另外，为了容易理解，图8是将对于图7(a)和图7(b)所示的第1帧F1和第2帧F2的1次驱动时钟CL的脉冲波形图叠加表示的图。驱动电压Vtx1(1)、驱动电压Vtx2(1)分别表示第1帧F1的驱动电压Vtx1、Vtx2，驱动电压Vtx1(2)、驱动电压Vtx2(2)分别表示第2帧F2的驱动电压Vtx1、Vtx2。
图9和图10进一步表示图8所示的脉冲波形图中反射光L2的受光脉冲波形的记录。现在，如图9所示那样，反射光L2在从向对象物照射光L1起的时间(tL/3)后射入该像素P(m，n)。此时，在第1帧F1，在电荷收集区域15蓄积与图9中的区域A3的面积相当的电荷，在电荷收集区域16蓄积与区域A4的面积相当的电荷。当令由反射光L2产生的总电荷量为Q时，装置电荷收集区域15中蓄积的电荷量为Q/6，电荷收集区域16中蓄积的电荷量为(5×Q/6)。此外，在第2帧F2，在电荷收集区域15蓄积与图中的区域A5的面积相当的电荷，在电荷收集区域16蓄积与区域A6的面积相当的电荷。此时，蓄积在电荷收集区域15的电荷量为(2×Q/3)，蓄积在电荷收集区域16的电荷量为Q/3。而且，当从第1帧F1的电荷收集区域16的电荷量(5×Q/6)减去第1帧F1的电荷收集区域15的电荷量Q/6时，获得(2×Q/3)的值。同样，当第2帧F2的电荷收集区域16的电荷量Q/3减去第2帧F2的电荷收集区域15的电荷量(2×Q/3)时，获得-Q/3的值。而且，当将它们的绝对值相加时，获得由反射光L2产生的总电荷量Q。
接着，如图10所示，反射光L2在从向对象物照射光L1起的时间(3×tL/4)后入射到该像素P(m，n)。此时，在第1帧F1，在电荷收集区域15蓄积与图10中的区域A7的面积相当的电荷，在电荷收集区域16蓄积与区域A8的面积相当的电荷。此时蓄积在电荷收集区域15的电荷量为Q/4，蓄积在电荷收集区域16的电荷量为(3×Q/4)。此外，在第2帧F2，在电荷收集区域15蓄积与图10中的区域A9的面积相当的电荷，在电荷收集区域16蓄积与区域A10的面积相当的电荷。此时蓄积在电荷收集区域15的电荷量为Q/4，蓄积在电荷收集区域16的电荷量为(3×Q/4)。而且，当从第1帧F1的电荷收集区域16的电荷量(3×Q/4)减去第1帧F1的电荷收集区域15的电荷量Q/4时，获得(Q/2)的值。同样，当从第2帧F2的电荷收集区域16的电荷量(3×Q/4)减去第2帧F2的电荷收集区域15的电荷量Q/4时，获得(Q/2)的值。而且，当将它们的绝对值相加时，获得与反射光L2产生的总电荷量Q。
由上述的例子可知，通过将从在相位180°即时刻t2～t4、t6～t8收集的电荷量减去在相位0°即时刻t0～t2、t4～t6收集的电荷量而得到的值的绝对值与从在相位270°即时刻t3～t5、t7～t9收集的电荷量减去在相位90°即时刻t1～t3、t5～t7收集的电荷量而得到的值的绝对值相加，能够获得由反射光L2产生的总电荷量Q。因而，基于这样获得的总电荷量Q和从处理电路13获得的蓄积在电荷收集区域15、16的电荷量之差，求取蓄积在电荷收集区域15、16的电荷量的比率(蓄积在分别与电荷收集区域15、16结合的蓄积节点的电荷量的比率)，能够获知延迟时间T2即至对象物B的距离。
根据本实施方式的距离传感器1A，能够如上所述，基于蓄积在分别与电荷收集区域15、16结合的蓄积节点的电荷量之差，求取时间T2即至对象物B的距离。因而，能够采用向各蓄积节点注入等量的电流等的使用方法，由此能够避免各蓄积节点的饱和。以下，对用于向各蓄积节点注入等量的电流的电路结构例进行详细说明。
图11是表示图1所示的电流注入电路20的结构的电路图。如图11所示，本实施方式的电流注入电路20包括电压生成电路21、晶体管22a(第一晶体管)、晶体管22b(第二晶体管)、晶体管23a(第三晶体管)和晶体管23b(第四晶体管)。晶体管22a、22b、23a、23b例如是p沟道MOSFET等场效应晶体管。
电压生成电路21配置在电源电位线34(第一恒定电位线)与相比电源电位线34电位低的基准电位线GND(第二恒定电位线)之间。电压生成电路21生成与蓄积在电荷收集区域15、16的电荷量中较大的一方的电荷量相应的控制电压VC1、VC2。具体而言，电压生成电路21具有在电源电位线34与基准电位线GND之间串联连接的晶体管对24和电流源25。进一步，电压生成电路21具有缓冲电路27、28。
晶体管对24包含晶体管24a(第5的晶体管)和晶体管24b(第6的晶体管)。晶体管24a、24b例如是p沟道MOSFET等场效应晶体管。晶体管24a、24b各自的一个电流端子(第一电流端子)以相互短路的状态、经电流源25与电源电位线34电连接。晶体管24a、24b各自的另一个电流端子(第二电流端子)以相互短路的状态与基准电位线GND电连接。晶体管24a的控制端子经蓄积节点26a与电荷收集区域15上的信号取出电极42电连接。晶体管24b的控制端子经蓄积节点26b与电荷收集区域16上的信号取出电极43电连接。蓄积节点26a蓄积收集到电荷收集区域15的电荷，蓄积节点26b蓄积收集到电荷收集区域16的电荷。
电流源25包含晶体管25a。晶体管25a例如是p沟道MOSFET等场效应晶体管。晶体管25a的一个电流端子(第一电流端子)与电源电位线34电连接。晶体管25a的另一个电流端子(第二电流端子)与晶体管24a、24b各自的第一电流端子电连接。在晶体管25a的控制端子施加规定的偏压(恒定电压)V1。另外，电流源还可以进一步具有与晶体管25a并联连接的其它晶体管。
晶体管22a将用于通过除去干扰光成分而避免蓄积节点26a的饱和的电流供给至蓄积节点26a。晶体管22a的一个电流端子(第一电流端子)与电源电位线34连接，另一个电流端子(第二电流端子)经晶体管23a与蓄积节点26a连接。晶体管22a的控制端子经缓冲电路27与晶体管对24和电流源25之间的节点N1电连接。
晶体管22b向蓄积节点26b供给用于除去干扰光成分的电流。晶体管22b的一个电流端子(第一电流端子)与电源电位线34连接，另一个电流端子(第二电流端子)经晶体管23b与蓄积节点26b连接。晶体管22b的控制端子经缓冲电路28与节点N1连接。
晶体管23a与晶体管22a共源共栅连接，抑制蓄积节点26a的电位的变动影响到晶体管22a的动作。具体而言，晶体管23a的一个电流端子(第一电流端子)与晶体管22a的第二电流端子连接，晶体管23a的另一个电流端子(第二电流端子)与蓄积节点26a连接。在晶体管23a的控制端子施加规定的偏压(恒定电压)V3。
晶体管23b与晶体管22b共源共栅连接，抑制蓄积节点26b的电位的变动影响到晶体管22b的动作。具体而言，晶体管23b的一个电流端子(第一电流端子)与晶体管22b的第二电流端子连接，晶体管23b的另一个电流端子(第二电流端子)与蓄积节点26b连接。在晶体管23b的控制端子施加规定的偏压(恒定电压)V4。作为一个例子，偏压V3与偏压V4也可以彼此相等。
缓冲电路27将节点N1的电位偏移而生成控制电压VC1，提供给晶体管22a的控制端子。缓冲电路27例如包含源极跟随电路(source-follow circuit)。具体而言，缓冲电路27具有相互串联连接的晶体管27a、27b。晶体管27a的一个电流端子(第一电流端子)与电源电位线34连接，另一个电流端子(第二电流端子)与晶体管27b的一个电流端子(第一电流端子)连接。晶体管27b的另一个电流端子(第二电流端子)与基准电位线GND连接。在晶体管27a的控制端子施加规定的偏压(恒定电压)V5。在晶体管27b的控制端子输入节点N1的电位。缓冲电路27从晶体管27a、27b之间的节点输出与节点N1的电位相应的大小的控制电压VC1。
缓冲电路28将节点N1的电位偏移而生成控制电压VC2，提供给晶体管22b的控制端子。缓冲电路28例如包括源极跟随电路。具体而言，缓冲电路28具有相互串联连接的晶体管28a、28b。晶体管28a的一个电流端子(第一电流端子)与电源电位线34连接，另一个电流端子(第二电流端子)与晶体管28b的一个电流端子(第一电流端子)连接。晶体管28b的另一个电流端子(第二电流端子)与基准电位线GND连接。在晶体管28a的控制端子施加规定的偏压(恒定电压)V6。在晶体管28b的控制端子输入节点N1的电位。缓冲电路28从晶体管28a、28b之间的节点输出与节点N1的电位相应的大小的控制电压VC2。偏压V5、V6的大小以使得从晶体管22a供向蓄积节点26a的电流量与从晶体管22b供向蓄积节点26b的电流量彼此相等的方式设定。作为一个例子，也可以为V5＝V6。
另外，也可以省略缓冲电路27、28。在这种情况下，晶体管22a、22b各自的控制端子与节点N1直接连接，节点N1的电位作为控制电压VC1、VC2提供给这些控制端子。
电流注入电路20进一步具有复位电路35、36。复位电路35具有晶体管35a，复位电路36具有晶体管36a。在晶体管35a、36a各自的一个电流端子(第一电流端子)输入复位电位Vr。晶体管35a的另一个电流端子(第二电流端子)与蓄积节点26a连接，晶体管36a的另一个电流端子(第二电流端子)与蓄积节点26b连接。在晶体管35a、36a各自的控制端子输入复位信号Sr，通过使得晶体管35a、36a成为导通状态，排出蓄积节点26a、26b的电荷。
对具备以上的结构的电流注入电路20的动作进行说明。当反射光L2入射到像素P(m，n)时，以与至对象物B的距离相应的比率向电荷收集区域15、16流入电荷(参照图5)。此外，在电荷收集区域15、16也流入与入射到该像素P(m，n)的干扰光的大小相当的电荷。但是，在施加至传送电极17的驱动电压的导通时间与施加至传送电极18的驱动电压的导通时间彼此相等的情况下，因干扰光而流入电荷收集区域15、16的电荷量彼此相等。
由此，蓄积节点26a、26b的电位分别成为与流入电荷收集区域15、16的电荷量相应的大小。而且，当电荷向电荷收集区域15、16的流入持续而蓄积节点26a、26b的电位中一个蓄积节点超过接通电压时，晶体管24a、24b中一个晶体管开始流动与该一个蓄积节点的电位相应的电流。因而，节点N1的电位成为与蓄积在电荷收集区域15、16(蓄积节点26a、26b)的电荷量中较大的一方的电荷量相应的大小。与该节点N1的电位对应的大小的控制电压VC1、VC2向晶体管22a、22b各自的控制端子输出。
晶体管22a、22b在控制端子接受上述的控制电压VC1、VC2，流动与控制电压VC1、VC2的大小对应的电流。此处，因为在晶体管23a、23b的控制端子总施加规定的偏压V3、V4，所以来自晶体管23a、23b的电流分别注入蓄积节点26a、26b。由此，在蓄积节点26a、26b抵消相同的量的电荷，避免干扰光引起的蓄积节点26a、26b(电荷收集区域15、16)的饱和。
对使用以上所述的本实施方式的距离传感器1A获得的效果进行说明。图12是表示比较例的电流注入电路100的结构的电路图。电流注入电路100除不具备晶体管23a、23b、缓冲电路27、28以外，具备与本实施方式的电流注入电路20相同的结构。另外，对复位电路35、36也省略图示。
在图12所示的电流注入电路100，晶体管22a、22b与蓄积节点26a、26b直接连接，蓄积节点26a、26b的电位与蓄积在电荷收集区域15、16的电荷量相应地变动。因而，与蓄积在电荷收集区域15、16的电荷量之差相应地，在蓄积节点26a、26b的电位也产生差。即，在晶体管22a、22b的漏极-源极间电压产生差。因此，根据晶体管22a、22b的特性(通道长度调制效果)，注入蓄积节点26a的电荷量与注入蓄积节点26b的电荷量彼此并不相等而产生微小的差。其结果是，在处理电路13输出蓄积在电荷收集区域15、16的电荷量之差时会产生误差，在测量距离上会产生误差。
针对这样的问题，在本实施方式的距离传感器1A，在晶体管22a、22b与蓄积节点26a、26b之间配置有晶体管23a、23b等共源共栅器件。由此，晶体管22a、22b各自的电位与蓄积节点26a、26b各自的电位分离，因此，即使在蓄积节点26a与蓄积节点26b之间存在电位差，对晶体管22a、22b各自的漏极-源极间电压的影响也被抑制(能够使晶体管22a、22b各自的漏极-源极间电压彼此相等)。因而，能够降低从晶体管22a、22b向对应的蓄积节点26a、26b(电荷收集区域15、16)分别注入的电流量之差，将它们高精度地控制为大致均等的大小。
此处，图13(a)是表示比较例的电流注入电路100的蓄积节点26a、26b各自的电压值(电位)的时间变化的例子的曲线图。在图13(a)，曲线图G11表示一个蓄积节点的电压值，曲线图G12表示另一个蓄积节点的电压值。此外，图13(b)是表示在比较例的电流注入电路100的各个蓄积节点26a、26b的注入电流量的时间变化的例子的曲线图。在图13(b)，曲线图G21表示在一个蓄积节点的注入电流量，曲线图G22表示在另一个蓄积节点的注入电流量。
如图13(a)所示，通过蓄积节点26a、26b的电荷的蓄积，蓄积节点26a、26b的电位逐渐下降。而且，当一个蓄积节点的电位超过晶体管24a(或24b)的接通电压时，如图13(b)所示，分别向蓄积节点26a、26b的电流注入开始(1.5～1.6毫秒)。由此，一个蓄积节点的电位的下降停止而成为固定电压，并且另一个蓄积节点的电位开始上升。
但是，起因于如上所述的蓄积节点26a与蓄积节点26b之间的电位差，向各个蓄积节点的注入电流量稍有不同。由此，曲线图G21与曲线图G22逐渐背离。这样的注入电流量之差表现为测量误差。
与此相对，图14(a)是表示本实施方式的电流注入电路20的蓄积节点26a、26b各自的电压值(电位)的时间变化的例子的曲线图。在图14(a)，曲线图G31表示一个蓄积节点的电压值，曲线图G32表示另一个蓄积节点的电压值。此外，图14(b)的曲线图G41、G42表示在本实施方式的电流注入电路20的向各个蓄积节点26a、26b的注入电流量的时间变化的例子。另外，因为向蓄积节点26a、26b的注入电流量彼此相等，所以曲线图G41、G42完全重合。
这样，根据本实施方式，能够降低蓄积节点26a与蓄积节点26b之间的电位差，使向各个蓄积节点的注入电流量相互接近。因而，根据本实施方式，能够减小测量误差。
此外，优选如本实施方式那样，晶体管23a、23b分别为MOSFET。由此，能够将晶体管22a、22b各自的电位与蓄积节点26a、26b各自的电位恰当地分离。特别地，如本实施方式那样在晶体管22a、22b分别为MOSFET的情况下有效。
(第1变形例)
图15(a)和图15(b)是表示上述的实施方式的第1变形例的驱动方法的脉冲波形图的图。上述的实施方式的传感器驱动电路12也可以不基于图7(a)和图7(b)所示的脉冲波形图而基于图15(a)和图15(b)所示的脉冲波形图驱动传送电极17、18。
该第1变形例的脉冲波形图与上述的实施方式的脉冲波形图的差异点在于驱动电压Vtx1和Vtx2的导通时间的长度。在上述的实施方式中，驱动电压Vtx1和Vtx2的导通时间(设定为导通电压的期间)与驱动时钟CL的导通时间(即照射光L1的照射时间)tL相等，而在本变形例中，驱动电压Vtx1和Vtx2的导通时间为时间tL的一半(tL/2)。
具体而言，如图15(a)和图15(b)所示，在第1帧F1和第2帧F2各自的蓄积帧F3，定义等间隔的时刻t0、t1、……、t8。这些间隔是照射光L1的一次照射时间tL的一半。此时，光源单元30在时刻t1～t3之间照射照射光L1。而且，如图15(a)所示，传感器驱动电路12在第1帧F1将驱动电压Vtx1在时刻t0～t1和t4～t5之间设定为导通电位，将驱动电压Vtx2在时刻t2～t3和t6～t7之间设定为导通电位。此外，如图15(b)所示，传感器驱动电路12在第2帧F2将驱动电压Vtx1在时刻t1～t2和t5～t6之间设定为导通电位，将驱动电压Vtx2在时刻t3～t4和t7～t8之间设定为导通电位。
另外，施加至传送电极44的驱动电压Vtxr除从其它驱动电压Vtx1、Vtx2最初设定为导通电位起至最后设定为断开电位为止的期间以外设定为导通电位。即，驱动电压Vtxr在第1帧F1在时刻t0～t7之间设定为断开电位，在第2帧F2在时刻t1～t8之间设定为断开电位，在其它期间设定为导通电位。
该第1变形例的驱动方式通过在进行第1帧F1的输出值的差分和第2帧F2的输出值的差分之后分别取绝对值并选择其中较大的一方的绝对值，从而能够获得由反射光L2产生的总电荷量的1/2的值。此外，通过将第1帧F1的输出值的符号和第2帧F2的输出值的符号适当地反转，加上适当的偏置(offset)，能够获得与时间T2相应地呈线形增加的值。
图16(a)～图16(c)是用于说明第1变形例的距离计算方法的图。图16(a)是表示从与电荷收集区域16结合的蓄积节点的电荷量减去与电荷收集区域15结合的蓄积节点的电荷量而得到的值(即源自各像素P(m，n)的输出值)和从照射光L1起至反射光L2入射为止的时间t(即至对象物B的距离)的关系的曲线图。在图16(a)，曲线图G41表示第1帧F1的输出值，曲线图G42表示第2帧F2的输出值。另外，为了便于说明，输出值以其最大值为1、最小值为-1的方式标准化。
如图16(a)的曲线图G41所示，在第1帧F1，在0＜t＜tL/2的区间D1输出值在1固定，在tL/2＜t＜tL的区间D2输出值从1下降至-1，在tL＜t＜(3×tL/2)的区间D3输出值在-1固定，在(3×tL/2)＜t＜2tL的区间D4输出值从-1上升至1。此外，如曲线图G42所示，在第2帧F2，在区间D1输出值从-1上升至1，在区间D2输出值在1固定，在区间D3输出值从1下降至-1，在区间D4输出值在-1固定。
此处，取第1帧F1和第2帧F2各自的输出值的绝对值，选择第1帧F1和第2帧F2各自的输出值中较大的一方的绝对值。如此，则能够如图16(b)所示那样，不依赖于时间t地获得固定值的曲线图G51。该曲线图G51表示由反射光L2产生的总电荷量的1/2。
另一方面，在区间D1～D4中、第1帧F1的输出值(曲线图G41)比第2帧F2的输出值(曲线图G42)小的区间，第1帧F1和第2帧F2的输出值中绝对值较小的一方的绝对值的符号反转。在图16(a)的例子中，区间D2的第1帧F1的输出值和区间D3的第2帧F2的输出值的符号反转。由此，区间D1、D3的第2帧F2的输出值与区间D2、D4的第1帧F1的输出值相对于时间t均具有正的倾斜。而且，如图16(b)所示那样，相对于区间D1、D3的第2帧F2的输出值与区间D2、D4的第1帧F1的输出值的双方乘以1/4。最后，通过分别在区间D1、D3的第2帧F2的输出值与区间D2、D4的第1帧F1的输出值加上恰当的偏移值，如图16(c)所示那样，在0≤t≤2tL的范围内获得输出值从0增加至1的线形的曲线图G52。其结果是，能够基于曲线图G51和曲线图G52，获知时间t即至对象物B的距离。另外，图16(a)～图16(c)所示的各运算的顺序并不限定于上述的说明，也可以按不同的顺序进行运算。或者，图16(a)～图16(c)所示的各演算也可以同时进行。
这样，根据第1变形例，能够与上述的实施方式一样，基于蓄积在分别与电荷收集区域15、16结合的蓄积节点的电荷量之差，求取至对象物B的距离。因而，能够适用上述的实施方式的电流注入电路20，由此能够避免各蓄积节点的饱和。
(第2变形例)
图17是表示上述的实施方式的第2变形例的受光部9A的俯视图。如图17所示，本变形例的受光部9A具有传送电极17(第一传送电极)、传送电极18(第二传送电极)、传送电极51(第一传送电极)和传送电极52(第二传送电极)各一个。这些传送电极17、18、51、52与光栅电极19相邻，配置在光栅电极19的周围。另外，在该第2变形例，光栅电极19位于传送电极17与传送电极18之间，光栅电极19位于传送电极51与传送电极52之间，不过传送电极17、18、51、52只要与光栅电极19相邻其彼此的位置关系就没有限制。
此外，受光部9A具有信号取出电极42、43、55、56各一个。传送电极17配置在信号取出电极42与光栅电极19之间，传送电极18配置在信号取出电极43与光栅电极19之间，传送电极51配置在信号取出电极55与光栅电极19之间，传送电极52配置在信号取出电极56与光栅电极19之间。此外，受光部9A具有传送电极44和电荷排出用电极45。
在受光部9A，传送电极17、18和信号取出电极42、43的正下方的结构与图3相同，传送电极44和电荷排出用电极45的正下方的结构与图4相同。图18是包括传送电极51，52和信号取出电极55、56的正下方的结构在内的、沿图17的XVIII-XVIII线的截面图。如图18所示，受光部9A还具有电荷收集区域57(第一电荷收集区域)和电荷收集区域58(第二电荷收集区域)。在图18的例子中，电荷收集区域57、58按照以夹着光敏区域14的状态与该光敏区域14相邻的方式配置。电荷收集区域57、58通过收集来自光敏区域14的电荷，在各自结合的蓄积节点蓄积电荷。另外，电荷收集区域57、58的结构与图3所示的电荷收集区域15、16的结构相同。
信号取出电极55在电荷收集区域57上形成，信号取出电极56在电荷收集区域58上形成。信号取出电极55、56经形成于绝缘层41的开口与各电荷收集区域57、58接触。
传送电极51配置在光敏区域14与电荷收集区域57之间的区域上。传送电极52配置在光敏区域14与电荷收集区域58之间的区域上。当向传送电极51施加正电位(导通电位)时，电子从光敏区域14落入电荷收集区域57的势阱内(在阱内蓄积电荷)。同样，当向传送电极52施加正电位(导通电位)时，电子从光敏区域14落入电荷收集区域58的势阱内。
第2变形例的传感器驱动电路通过依次执行被时间分割后的多个帧(分别表示传送电极的驱动图案)而驱动传送电极17、18、51、52。
图19是表示第2变形例的传感器驱动电路的驱动方式的图。如图19所示，在第2变形例的驱动方式中，一边重复执行同一帧F5一边进行帧F5内的处理。在图19同时表示帧F5内的处理内容。在帧F5内，交替重复执行向分别与电荷收集区域15、16、57、58结合的蓄积节点进行电荷蓄积的蓄积帧F6和从电荷收集区域15、16、57、58进行电荷读出的读出帧F4。
图20是表示蓄积帧F6的传送电极17、18、44、51、52的动作的脉冲波形图。在该图中表示驱动时钟CL、施加至传送电极17的驱动电压Vtx1、施加至传送电极18的驱动电压Vtx2、施加至传送电极51的驱动电压Vtx3、施加至传送电极52的驱动电压Vtx4和施加至传送电极44的驱动电压Vtxr。
在蓄积帧F6，驱动时钟CL每上升一次或者以一个周期T，驱动电压Vtx1～Vtx4将导通电位和断开电位各重复2次。周期T设定为驱动时钟CL的导通时间tL的2倍(即T＝2tL)。此外，各周期的驱动电压Vtx1～Vtx2的导通时间为驱动时钟CL的导通时间tL的一半(tL/2)。
具体而言，如图20所示，在各帧F5的蓄积帧F6，定义等间隔的时刻t0、t1、……、t8。这些间隔是照射光L1的一次照射时间tL的一半。此时，光源单元30在时刻t1～t3之间照射照射光L1。而且，如图20所示，在各帧F5，传感器驱动电路12将驱动电压Vtx1在时刻t0～t1和t4～t5之间设定为导通电位，将驱动电压Vtx2在时刻t1～t2和t5～t6之间设定为导通电位，将驱动电压Vtx3在时刻t2～t3和t6～t7之间设定为导通电位，将驱动电压Vtx4在时刻t3～t4和t7～t8之间设定为导通电位。
另外，施加至传送电极44的驱动电压Vtxr除从其它驱动电压Vtx1～Vtx4最初设定为导通电位起至最后设定为断开电位为止的期间以外设定为导通电位。即，在各帧F5，驱动电压Vtxr在时刻t0～t8之间设定为断开电位，在其它期间设定为导通电位。
第2变形例是在一个帧F5将第1变形例的第1帧F1和第2帧F2一并实施的例子。因而，根据该第2变形例，与第1变形例一样，能够得到由反射光L2产生的总电荷量的1/2的值，此外，能够基于蓄积在分别与电荷收集区域15、16、57、58结合的各蓄积节点的电荷量之差，求取至对象物B的距离。即，将第1变形例的第1帧F1的输出值在第2变形例换成从电荷收集区域16的电荷量减去电荷收集区域15的电荷量而得到的值，并且将第1变形例的第2帧F2的输出值在第2变形例中换成从电荷收集区域58的电荷量减去电荷收集区域57的电荷量而得到的值即可。因此，能够适用上述的实施方式的电流注入电路20，由此能够避免各蓄积节点的饱和。另外，在第2变形例中，对电荷收集区域15、16连接一个电流注入电路20，对电荷收集区域57、58连接另一个电流注入电路20。
本发明的距离传感器并不限定于上述的实施方式，能够进行其它各种各样的变形。例如，在上述实施方式中例示了各晶体管为MOSFET的情况，其实各晶体管也可以为其它FET，或者，还可以为双极晶体管。

Claims (2)

1.一种距离传感器，其特征在于，
所述距离传感器向对象物照射光，通过检测来自所述对象物的反射光而测量直至对象物的距离，
具备：
半导体基板，其具有产生与所述反射光的光量相应的电荷的光敏区域；和分别以与所述光敏区域相隔规定距离的状态配置并收集来自所述光敏区域的电荷的第一电荷收集区域和第二电荷收集区域；
第一传送电极，其配置在所述光敏区域与所述第一电荷收集区域之间的区域上，在光照射后的第一期间中设定为能够从所述光敏区域向所述第一电荷收集区域传送电荷的导通电位，而在与所述第一期间连续的第二期间中设定为停止该电荷的传送的断开电位；
第二传送电极，其配置在所述光敏区域与所述第二电荷收集区域之间的区域上，在所述第一期间中设定为停止从所述光敏区域向所述第二电荷收集区域的传送电荷的断开电位，而在所述第二期间中设定为能够进行该电荷的传送的导通电位；
电压生成电路，其具有与设定为规定电位的第一恒定电位线连接的一端和与设定为比所述第一恒定电位线低的电位的第二恒定电位线连接的另一端，并且生成对应于蓄积在与所述第一电荷收集区域结合的蓄积节点的电荷量和蓄积在与所述第二电荷收集区域结合的蓄积节点的电荷量中的较大的一方的电荷量的控制电压；
第一晶体管和第二晶体管，其各自具有：施加所述控制电压的控制端子；与所述第一恒定电位线连接的第一电流端子；和第二电流端子；
第三晶体管，其具有：与所述第一晶体管的所述第二电流端子连接的第一电流端子；与结合于所述第一电荷收集区域的所述蓄积节点连接的第二电流端子；和施加恒定电压的控制端子；以及
第四晶体管，其具有与所述第二晶体管的所述第二电流端子连接的第一电流端子；与结合于所述第二电荷收集区域的所述蓄积节点连接的第二电流端子；和施加恒定电压的控制端子。
2.如权利要求1所述的距离传感器，其特征在于：
所述第三晶体管和第四晶体管是MOSFET。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11336854B2 (en) * 2019-03-01 2022-05-17 Brookman Technology, Inc. Distance image capturing apparatus and distance image capturing method using distance image capturing apparatus
US20230182300A1 (en) * 2021-12-10 2023-06-15 Boston Dynamics, Inc. Systems and methods for robot collision avoidance

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1820498A (zh) * 2004-04-01 2006-08-16 浜松光子学株式会社 受光部及固态摄像装置
DE102005056774A1 (de) * 2005-11-28 2007-05-31 Pmdtechnologies Gmbh TOF-Pixel und Verfahren zu dessen Betrieb
CN101095241A (zh) * 2005-01-05 2007-12-26 松下电工株式会社 光电检测器、使用光电检测器的空间信息检测装置和光电检测法
CN101556962A (zh) * 2008-04-11 2009-10-14 三星电子株式会社 包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器及操作方法
CN101834197A (zh) * 2005-11-14 2010-09-15 松下电工株式会社 空间信息检测装置
CN102597922A (zh) * 2009-09-30 2012-07-18 夏普株式会社 显示装置
JP2012185174A (ja) * 2012-05-29 2012-09-27 Hamamatsu Photonics Kk 距離センサ及び距離画像センサ
CN103155150A (zh) * 2010-10-12 2013-06-12 浜松光子学株式会社 距离传感器以及距离图像传感器
CN103581645A (zh) * 2012-07-24 2014-02-12 三星电子株式会社 深度感测设备和方法
CN103703759A (zh) * 2011-08-08 2014-04-02 松下电器产业株式会社 固体摄像装置及固体摄像装置的驱动方法
WO2016016018A1 (de) * 2014-07-28 2016-02-04 Pmdtechnologies Gmbh Lichtlaufzeitsensor mit einer vorrichtung zur ladungskompensation

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3085803B2 (ja) * 1992-11-26 2000-09-11 株式会社東芝 差動電流源回路
US7199410B2 (en) * 1999-12-14 2007-04-03 Cypress Semiconductor Corporation (Belgium) Bvba Pixel structure with improved charge transfer
KR100278285B1 (ko) * 1998-02-28 2001-01-15 김영환 씨모스 이미지센서 및 그 제조방법
US7106915B2 (en) * 2001-07-16 2006-09-12 Cypress Semiconductor Corporation Methods and devices for reading out an image sensor with reduced delay time between lines
US6809358B2 (en) * 2002-02-05 2004-10-26 E-Phocus, Inc. Photoconductor on active pixel image sensor
US20040041930A1 (en) * 2002-08-27 2004-03-04 Calvin Chao Photoconductor-on-active-pixel (POAP) sensor utilizing a multi-layered radiation absorbing structure
US7196391B2 (en) * 2002-02-05 2007-03-27 E-Phocus, Inc. MOS or CMOS sensor with micro-lens array
US6730914B2 (en) * 2002-02-05 2004-05-04 E-Phocus, Inc. Photoconductor-on-active-pixel (POAP) sensor utilizing equal-potential pixel electrodes
US7335958B2 (en) * 2003-06-25 2008-02-26 Micron Technology, Inc. Tailoring gate work-function in image sensors
KR100531796B1 (ko) 2003-12-10 2005-12-02 엘지전자 주식회사 플라즈마 디스플레이 패널용 광셔터 및 그 구동방법
WO2007026777A1 (ja) * 2005-08-30 2007-03-08 National University Corporation Shizuoka University 半導体測距素子及び固体撮像装置
JP5395323B2 (ja) * 2006-09-29 2014-01-22 ブレインビジョン株式会社 固体撮像素子
JP5154862B2 (ja) * 2007-08-22 2013-02-27 浜松ホトニクス株式会社 測距装置
JP5356726B2 (ja) 2008-05-15 2013-12-04 浜松ホトニクス株式会社 距離センサ及び距離画像センサ
JP5483689B2 (ja) 2009-11-24 2014-05-07 浜松ホトニクス株式会社 距離センサ及び距離画像センサ
JP5558999B2 (ja) 2009-11-24 2014-07-23 浜松ホトニクス株式会社 距離センサ及び距離画像センサ
JP5302244B2 (ja) 2010-02-26 2013-10-02 浜松ホトニクス株式会社 距離画像センサ
JP5876289B2 (ja) 2011-12-28 2016-03-02 浜松ホトニクス株式会社 距離測定装置
KR20150040398A (ko) 2013-10-05 2015-04-15 명남수 비행시간법을 이용한 레이저 펄스 기반 고분해능 물리량 측정 장치
JP6386777B2 (ja) 2014-05-08 2018-09-05 浜松ホトニクス株式会社 距離画像センサ
JP6231940B2 (ja) * 2014-05-08 2017-11-15 浜松ホトニクス株式会社 測距装置及び測距装置の駆動方法
JP6386798B2 (ja) 2014-06-09 2018-09-05 浜松ホトニクス株式会社 測距装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1820498A (zh) * 2004-04-01 2006-08-16 浜松光子学株式会社 受光部及固态摄像装置
CN101095241A (zh) * 2005-01-05 2007-12-26 松下电工株式会社 光电检测器、使用光电检测器的空间信息检测装置和光电检测法
CN101834197A (zh) * 2005-11-14 2010-09-15 松下电工株式会社 空间信息检测装置
DE102005056774A1 (de) * 2005-11-28 2007-05-31 Pmdtechnologies Gmbh TOF-Pixel und Verfahren zu dessen Betrieb
CN101556962A (zh) * 2008-04-11 2009-10-14 三星电子株式会社 包括具有两个栅极的感应晶体管的图像传感器及操作方法
CN102597922A (zh) * 2009-09-30 2012-07-18 夏普株式会社 显示装置
CN103155150A (zh) * 2010-10-12 2013-06-12 浜松光子学株式会社 距离传感器以及距离图像传感器
CN103703759A (zh) * 2011-08-08 2014-04-02 松下电器产业株式会社 固体摄像装置及固体摄像装置的驱动方法
JP2012185174A (ja) * 2012-05-29 2012-09-27 Hamamatsu Photonics Kk 距離センサ及び距離画像センサ
CN103581645A (zh) * 2012-07-24 2014-02-12 三星电子株式会社 深度感测设备和方法
WO2016016018A1 (de) * 2014-07-28 2016-02-04 Pmdtechnologies Gmbh Lichtlaufzeitsensor mit einer vorrichtung zur ladungskompensation

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Publication number Publication date
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