CN111034177B - 固体摄像装置以及具备该固体摄像装置的摄像装置 - Google Patents

Abstract

在半导体基板中具备以矩阵状配置的多个像素(20)的固体摄像装置(100)，多个像素(20)分别具备将接收到的光转换为信号电荷的光电转换部(1)、从光电转换部(1)读出信号电荷的多个读出栅极(6)、蓄积由多个读出栅极(6)读出的信号电荷的多个电荷蓄积部(2)、以及从多个电荷蓄积部(2)中的1个接受该电荷蓄积部(2)中蓄积的信号电荷的传送并将其保持、将所保持的信号电荷向多个电荷蓄积部(2)中的1个传送的电荷保持部(10)。

Description

固体摄像装置以及具备该固体摄像装置的摄像装置

技术领域

本发明涉及取得被摄体的距离图像的固体摄像装置。

背景技术

以往，已知利用TOF(Time Of Flight)方式取得被摄体的距离图像的固体摄像装置(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2015－215181号公报

在以往的固体摄像装置中，当取得运动的被摄体的距离图像时，有时会产生运动模糊(motion blur)。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供与以往相比能够抑制当取得被摄体的距离图像时的运动模糊的产生的固体摄像装置、以及具备该固体摄像装置的摄像装置。

本发明的一个技术方案的固体摄像装置，是在半导体基板中具备以矩阵状配置的多个像素的固体摄像装置。上述多个像素分别具备将接受到的光转换为信号电荷的光电转换部、从上述光电转换部读出上述信号电荷的多个读出栅极、蓄积通过上述多个读出栅极读出的上述信号电荷的多个电荷蓄积部、以及从上述多个电荷蓄积部中的1个接受并保持该电荷蓄积部中蓄积的上述信号电荷的传送并将所保持的上述信号电荷向上述多个电荷蓄积部中的1个传送的电荷保持部。

本发明的一个技术方案的摄像装置，具备上述固体摄像装置、按1帧期间内的每个曝光期间以多个定时以脉冲状发出红外光的光源部、以及基于上述固体摄像装置的输出信号生成距离图像的处理器。

根据上述结构的固体摄像装置以及摄像装置，与以往相比能够抑制当取得被摄体的距离图像时的运动模糊的产生。

附图说明

图1是表示实施方式1的测距摄像装置(摄像装置)的概略结构的一例的功能框图。

图2是表示实施方式1的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图

图3A是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图3B是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图4是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的概略平面图。

图5是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的驱动时序图。

图6是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的概略平面图。

图7是表示实施方式2的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图。

图8A是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的驱动时序图。

图8B是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的驱动时序图。

图9是表示实施方式3的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图。

图10是以往的测距装置的像素的平面图。

图11是以往的测距装置的各种信号的时序图。

具体实施方式

(得到本发明的一形态的经过)

在对到物体的距离进行检测的多个方式中，已知利用光到测定对象物为止往复的飞行时间来进行测距的TOF方式。

图10、图11是专利文献1所公开的现有技术的测距装置。

图10是现有技术的像素平面图，FD1、FD2是第一及第二电荷蓄积区域，TX1、TX2是第一及第二传送电极，PG是光栅(photo gate)电极。

此外，图11是现有技术的测距装置的各种信号的时序图，示出了多个帧周期T_F中按时间序列连续的两个帧周期T_F，S_D是光源的驱动信号，S_Lr是对象物的脉冲光的反射光返回到摄像区域时的反射光的强度信号，S1是施加于第一传送电极TX1的第一脉冲信号S1，S2是施加于第二传送电极TX2的第二脉冲信号S2，reset是复位信号，T_acc是蓄积期间，T_ro是读出期间。

专利文献1所示的现有技术公开了如下技术：如图11所示，在帧间对施加于读出栅极的脉冲的定时进行切换，将对2帧的信号进行加法运算而得到的2个信号Q1、Q2用于距离运算，由此抑制图10(b)所示那样的来自周围像素的电荷的漏入量(串扰(cross talk))的不同。

但是，现有技术中，在帧间进行了读出定时的变更，所以帧间的曝光期间具有时间差。因此，容易发生运动模糊，为了得到加法运算后的距离信号而需要读出2帧，具有实际有效的帧速率下降、此外在外部需要帧存储器这样的课题。

进而，现有技术由于没有考虑背景光成分及暗电流成分，所以在无法忽视这样的不含距离信息的信号的环境下的测距误差非常大。

发明者鉴于上述课题，反复研究的结果是，想到了实现没有运动模糊的发生和帧速率的大幅下降的高测距精度的固体摄像装置。

以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行说明。另外，虽然利用附图进行说明，但它们以例示为目的，并不意欲限定本发明。在附图中，关于表示实质相同的结构、动作及效果的要素，附加同一符号。

(实施方式1)

图1是表示本发明的实施方式1的测距摄像装置1000的概略结构的一例的功能框图。如该图所示，测距摄像装置1000具备固体摄像装置100、光源驱动器200、处理器300、光学透镜400和光源部500。此外，固体摄像装置100具备摄像部101、AD转换部102、定时生成部103和快门驱动器104。

定时生成部103产生用于指示向对象物600的光照射(这里例示近红外光的照射)的发光信号并经由光源驱动器200对光源部500进行驱动，并且，对于摄像部101，产生用于指示来自对象物600的反射光的曝光的曝光信号。

摄像部101包含以矩阵状配置于半导体基板的多个像素，对包含对象物600的区域，按照由定时生成部103产生的曝光信号所表示的定时，在1帧期间内进行多次曝光，得到与多次曝光量的总和对应的信号。

处理器300基于从固体摄像装置100接收到的信号，运算到对象物600的距离。

如图1所示，对于对象物600，从光源部500照射背景光和近红外光。来自对象物600的反射光经由光学透镜400向摄像部101入射。入射到摄像部101中的反射光成像，该成像出的图像被转换为电信号。光源部500以及固体摄像装置100的动作由固体摄像装置100的定时生成部103控制。固体摄像装置100的输出由处理器300转换为距离图像，根据用途也转换为可视图像。另外，处理器300不是必须设置在固体摄像装置100的外部，也可以将对距离进行运算的功能等的一部分或全部内置于固体摄像装置100。

作为固体摄像装置100，例示所谓的CMOS图像传感器。

此外，在一般的脉冲TOF方式中，将从脉冲宽度Tp的照射光的上升时刻开始的第1曝光期间设为T1，将从照射光的下降时刻开始的第2曝光期间设为T2，曝光期间T1、T2被设定为与脉冲宽度Tp相同的长度。将在第1曝光期间T1中摄像部101得到的信号量设为A0，将在第2曝光期间T2中相机得到的信号量设为A1，将光速(299792458m/s)设为c，则距离d由下式给出。

d＝c×Tp/2×A1/(A0+A1)

在TOF方式的测距相机中使用的固体摄像元件，将关于照射光的1周期进行的采样反复多次。

设测距范围为D，则D＝c×Tp/2。

另一方面，实施方式2中使用的TOF方式(脉冲TOF方式、测距方式)中，考虑背景光成分及暗电流成分，将从发光脉冲的脉冲宽度Tp的照射光的上升时刻开始的第1曝光期间设为T1，将从照射光的下降时刻开始的第2曝光期间设为T2，将在第1曝光期间T1中相机得到的信号量设为A0，将在第2曝光期间T2中相机得到的信号量设为A1，将光速(299792458m/s)设为c。并且，在信号中含有来自照射光以外的光源(例如太阳)的背景光成分及电荷蓄积部的暗电流成分的环境下，将使近红外光源关闭(OFF)了的第3曝光期间设为T3，将曝光期间T3设定为与脉冲宽度T_p相同的长度，将在第3曝光期间T3中得到的信号量作为A2而求出。并且，在计算距离d时，由于从A0、A1分别仅提取距离信息，所以将A2进行差分，能够设为d＝c×Tp/2×{(A1－A2)/(A0－A2+A1－A2)}。

此外，作为固体摄像装置100的像素结构，有通过多个读出栅极将由光电转换部产生的信号电荷向电荷蓄积部分配的方法。

作为电荷蓄积部，使用浮置扩散层(floating diffusion)、电荷耦合元件存储器(CCD存储器)。在使用多个读出栅极的构造的情况下，由于制造工序中的偏差及被聚光的光向特定的读出栅极侧偏倚等，在读出特性中产生差异。此外，有产生像素间的串扰而成为测距误差的原因的情况。

接着，图2是表示实施方式1的固体摄像装置100所具备的像素20的布局结构的概略平面图。

多个像素20以矩阵状配置在半导体基板的像素区域。各像素20具备光电转换部1、多个电荷蓄积部2(作为一例是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)、多个读出栅极6(作为一例是第一读出栅极6a、第二读出栅极6b)、输出控制栅极13、浮置扩散层14、复位栅极15、复位漏极16、读出电路17、多个曝光控制栅极8(作为一例是曝光控制栅极8a、曝光控制栅极8b)、多个溢出(overflow)漏极9(作为一例是溢出漏极9a、溢出漏极9b)、以及电荷保持部10。

光电转换部1将接收到的光转换为信号电荷。

读出栅极6从光电转换部1读出信号电荷。

电荷蓄积部2蓄积从读出栅极6读出的信号电荷。电荷蓄积部2由栅极绝缘膜下的用于传送信号电荷的传送通道(CCD通道)4、以及栅极绝缘膜上的传送电极5(作为一例是传送电极5a、传送电极5b、传送电极5c、传送电极5d、传送电极5e的某一个)构成。即，电荷蓄积部2如图2所示，包括传送通道4的一部分以及在半导体基板的平面视图中与传送通道4的一部分重叠的、传送电极5的一部分。此外，如图2所示，传送通道4每1个像素是1条。

这里，将向传送电极5a、传送电极5b、传送电极5c、传送电极5d、传送电极5e施加的电压分别设为VG1、VG2、VG3、VG4、VG5。

第一电荷蓄积部2a和第二电荷蓄积部2b进行5相驱动。作为一例，第一电荷蓄积部2a和第二电荷蓄积部2b分别与第一读出栅极6a和第二读出栅极6b相邻，形成于在曝光时被施加成为High电压的VG1和VG3的传送电极5之下(这里是传送电极5a之下和传送电极5c之下)。

溢出漏极9从光电转换部1将信号电荷的至少一部分排出。

曝光控制栅极8控制向溢出漏极9的上述排出。

电荷保持部10，从多个电荷蓄积部2(这里是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)中的1个，接受该电荷蓄积部2中蓄积的信号电荷的传送并将其保持，将保持的信号电荷向多个电荷蓄积部2(这里是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)中的1个传送。电荷保持部10如图2所示，具备电荷保持栅极11和进行电荷保持部10的传送控制的传送控制栅极12。

浮置扩散层14从多个电荷蓄积部2(这里是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)中的1个，接受在该电荷蓄积部2中蓄积的信号电荷的传送并将其保持。

输出控制栅极13进行向浮置扩散层14的传送控制。

读出电路17将保持于浮置扩散层14的信号电荷转换为电压并读出到像素20的外部。例如，读出电路17包括栅极与浮置扩散层14连接的源极跟随晶体管、和与源极跟随晶体管串联连接的选择晶体管。例如，通过由选择晶体管选择读出电路17，从而保持于浮置扩散层14的信号电荷被该读出电路17向AD转换部102读出。

这里，第一读出栅极6a和第二读出栅极6b相对于光电转换部1的将垂直方向(以矩阵状配置的多个像素20的列方向，即图2中的上下方向)分割的中心线而言上下对称地设置。并且，如图2所示，多个像素20通过第一读出栅极6a和第二读出栅极6b而在多个像素20的矩阵状配置中的行方向上以相同朝向(即，图2中的向左)从光电转换部1被读出信号电荷。

同样地，曝光控制栅极8a和曝光控制栅极8b也相对于光电转换部1的将垂直方向(以矩阵状配置的多个像素20的列方向，即图2中的上下方向)分割的中心线而言上下对称地设置。

第一读出栅极6a和第二读出栅极6b的上述上下对称的位置关系、以及曝光控制栅极8a和曝光控制栅极8b的上述上下对称的位置关系的目的在于，使利用读出栅极6和曝光控制栅极8的2组进行的读出的特性在设计上一致。

图3A、图3B是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

以下，参照图3A对曝光时的动作进行说明。

曝光控制栅极8a及8b分别被施加驱动脉冲ODG，第一读出栅极6a及第二读出栅极6b分别被施加驱动脉冲TG1、TG2。图3A中虽未示出，但传送电极5a～5e分别被施加驱动脉冲VG1～VG5。并且，在曝光时VG1和VG3被施加High电压，其他被施加Low电压。在施加了High电压的传送电极5下能够进行电荷蓄积。即，通过被施加了High电压的传送电极5(这里是传送电极5a、传送电极5c)和在其下重叠的传送通道4，形成电荷蓄积部2(这里是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)。此外，从光源部500，反复照射以一定周期反复开启关闭(ON/OFF)的近红外脉冲光。Tp是照射脉冲光的脉冲宽度。从对象物体反射了的近红外脉冲光，对应于距光源部500的距离而具有Td的迟延地到达摄像部101，在光电转换部1中被转换为信号电荷。

作为初始状态，ODG是High状态，光电转换部1处于复位状态。此外，第一读出栅极6a和第二读出栅极6b是Low状态，传送电极5a及传送电极5c保持为High状态的第一电荷蓄积部2a及第二电荷蓄积部2b与光电转换部1被电切断。该状态下由光电转换部1生成的信号电荷经由曝光控制栅极8被向溢出漏极9排出，不蓄积于光电转换部1。

接着，与照射脉冲光开启的时刻t1同步地，ODG成为Low状态，从光电转换部1向溢出漏极9的电荷排出停止。此时，第一读出栅极6a从Low状态转移为High状态，通过反射脉冲光的入射而生成的信号电荷的经由第一读出栅极6a向第一电荷蓄积部2a的传送开始，反射脉冲光的在先成分(A0)被保持于第一电荷蓄积部2a。

接着，第二读出栅极6b从Low状态转移为High状态，通过反射脉冲光的入射而生成的信号电荷的经由第二读出栅极6b向第二电荷蓄积部2b的传送开始，反射脉冲光的在后成分(A1)被保持于第二电荷蓄积部2b。

这样，第一读出栅极6a和第二读出栅极6b，在1帧期间的曝光期间，分别以第一相位差进行第一信号电荷(反射脉冲光的在先成分(A0))的读出和第二信号电荷(反射脉冲光的在后成分(A1))的读出。

另外，在上述的现有技术中，按每帧来切换TG1和TG2的脉冲定时，但在实施方式1中，通过在像素20内具有电荷保持部10，来将曝光时的测距信号A0、A1的位置进行切换，在切换后切换TG1和TG2的脉冲，从而能够在1帧内抑制由读出位置、电荷蓄积部2的位置引起的特性差。

以下，对该动作进行说明。

图4是表示实施方式1的固体摄像装置100的信号切换的动作的概略平面图。

图5是表示实施方式1的固体摄像装置100的信号切换动作的驱动定时。

在图4中，向各传送电极5施加VG1～VG5的驱动脉冲，将信号电荷向希望的场所传送。电荷保持栅极11被施加VS的驱动脉冲，传送控制栅极12被施加VB的驱动脉冲。为了使信号的位置明确，仅将各行的中央的像素20所生成的A0、A1信号的文字背景用点涂布。

这里，施加于传送电极5a～5e的驱动脉冲VG1～VG5、施加于电荷保持栅极11的驱动脉冲VS、施加于传送控制栅极12的驱动脉冲VB被从定时生成部103输出。

tt1是图3A所示的曝光完成了的定时(即t3)，在被施加成为了High电压的VG1、VG3的传送电极5下分别蓄积有A0、A1信号。之后，在图4中向上方通过5相驱动而传送电荷。

接着，在tt2，VG2、VG5成为High电压，在被施加VG2、VG5的传送电极5下蓄积信号电荷。接着，如图5所示，通过使VS为High电压并接着使VB为High电压，从而在被施加了VG5的传送电极5的电荷蓄积部2与电荷保持部10之间制作出电荷传送的路径后，向被施加VG5和VB的传送电极5和传送控制栅极12依次施加Low电压，将A0信号向电荷保持栅极11下传送(图4、图5中的tt3)。这样，定时生成部103输出使从多个电荷蓄积部2中的1个将该电荷蓄积部2中蓄积的信号电荷向电荷保持部10传送的第1信号。

接着，在tt3，通过5相驱动将位于电荷保持栅极11下的A0信号之下的A1信号向上部传送，并越过电荷保持栅极11而蓄积到被施加VG3的传送电极5下(tt4)。

然后，使VG5、VB再次为High电压，在电荷保持部10和被施加VG5的传送电极5的电荷蓄积部2之间制作出传送路径之后，按VS、VB的顺序施加Low电压，将A0信号向被施加了成为High电压的VG5的传送电极5下传送(tt5)。这样，定时生成部103输出使从电荷保持部10将所保持的信号电荷向多个电荷蓄积部2中的1个传送的第2信号。

接着，通过5相驱动向下方进行传送，得到A0和A1的纵向位置切换了的状态(tt6)。以下将该一系列动作称作切换动作。这样，定时生成部103通过输出包括第1信号和第2信号的多个信号，来切换通过第一读出栅极6a读出了第一信号电荷(A0)并通过第二读出栅极6b读出了第二信号电荷(A1)的情况下的、蓄积第一信号电荷(A0)的第一电荷蓄积部2a的位置和蓄积第二信号电荷(A1)的第二电荷蓄积部2b的位置。

在实施了该切换动作后，如图4所示那样，A1信号配置于被施加TG1的第一读出栅极6a旁边，A0信号配置于被施加TG2的第二读出栅极6b旁边，所以能够如图3B所示那样切换向TG1和TG2施加的脉冲定时，再次开始曝光。即，第一读出栅极6a和第二读出栅极6b，在曝光期间，在实施了上述切换动作后，能够以与第一相位差相差180度相位的第二相位差，来进行第一读出栅极6a的向第二电荷蓄积部2b的信号电荷的读出和第二读出栅极6b的向第一电荷蓄积部2a的电荷的读出。这里，将图3A中的施加于TG1的驱动脉冲与施加于TG2的驱动脉冲的相位关系以及图3B中的施加于TG1的驱动脉冲和施加于TG2的驱动脉冲的相位关系成为相反相位的定时这一情况称作相差180度相位。

在切换前的曝光中，

A0＝A0(TG1)

A1＝A1(TG2)

这里，(TG1)(TG2)的记载表示分别通过被施加TG1、TG2的第一读出栅极6a、第二读出栅极6b进行的读出。

另一方面，在切换后的曝光中，

A0＝A0(TG2)

A1＝A1(TG1)

如果将A0、A1彼此相加，则成为A0＝A0(TG1)+A0(TG2)

A1＝A1(TG1)+A1(TG2)

A0、A1都均等地包括通过被施加TG1、TG2的第一读出栅极6a、第二读出栅极6b读出的成分，此外关于电荷蓄积位置也被均等地划分，即使具备2个读出栅极6、电荷蓄积部2，也能够消除在1帧内的曝光期间中读出的场所以及电荷蓄积位置的差所带来的信号的差。

图6是表示实施方式1的固体摄像装置100的信号切换的动作的概略平面图。

在图4所示的切换动作后的曝光后，如果再次进行图6所示的切换动作则能够回到图4的初始状态(tt1)，优选的是，将图3A的曝光、图4的切换动作、图3B的曝光、图6的切换动作重复多次，降低时间轴上的信号的偏倚。

如以上详细说明那样，通过实施方式1，能够不使用多个帧地抑制读出栅极6和电荷蓄积部2的位置所带来的特性差，所以能够提供测距精度良好的测距用固体摄像元件。

(实施方式2)

关于本发明的实施方式2的固体摄像装置及其驱动方法，以与上述实施方式1的不同点为中心来说明。

图7是表示实施方式2的固体摄像装置所具备的像素20a的布局结构的概略平面图。实施方式2的固体摄像装置与上述的实施方式1相比不同点在于，配置有7个传送电极5。因此，相对于上述实施方式1，能够使电荷蓄积部2为3个。如图7所示，像素20a除了第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b以外还具备第三电荷蓄积部2c。

上述的实施方式1中的固体摄像装置100的电荷蓄积部2是2个。

相对于此，在实施方式2中，追加了1个用于独立地获得背景光以及电荷蓄积部2所产生的暗电流和寄生灵敏度成分这样的不含距离信息的信号的电荷蓄积部2，与上述实施方式1同样地抑制在1帧内经由2个读出栅极得到的测距信号(信号电荷)的特性差，并且将背景光成分(以下记作BG)以及电荷蓄积部2所产生的暗电流成分(以下记作DS)及寄生灵敏度成分(以下记作Sm)在距离计算时去除从而降低了测距误差。因此，如图7所示那样设置7个构成电荷耦合元件的电极(传送电极5a～5g)，设为7相驱动，从而将能够蓄积的信号电荷增加到3个。另外，8相驱动也没问题。

以下，对动作进行说明。

关于在曝光时进行了切换动作后、将施加于TG1和TG2的脉冲定时切换而抑制读出特性差，与上述的实施方式1相同，但多个电荷蓄积部2中的暗电流成分DS、寄生灵敏度Sm也按每个电荷蓄积部2而不同，因此将第一电荷蓄积部2a的暗电流成分和寄生灵敏度作为DS1、Sm1，将第二电荷蓄积部2b的暗电流成分和寄生灵敏度作为DS2、Sm2，将第三电荷蓄积部2c的暗电流成分和寄生灵敏度作为DS3、Sm3来分开考虑。

此外，关于电荷保持部10，也与电荷蓄积部2同样地产生暗电流、寄生灵敏度所带来的信号电荷，所以将它们设为DSX、SmX。在信号电荷的切换动作中，最初向电荷保持部10传送的信号电荷中混入上述暗电流DSX、寄生灵敏度SmX所带来的电荷，因此在有A0、A1、A2这3个信号的情况下，需要使最初向电荷保持部10传送的次数在上述3个信号间是均等的。

进而，在3个电荷蓄积部2中，也需要使A0、A1、A2停留在各个电荷蓄积部2中的时间相等。

图8A、图8B是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的驱动时序图。图8A示出了曝光和切换动作序列，图8B示出了曝光定时。为了简单，传送电极5省略，仅记载了第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b、第三电荷蓄积部2c和各电荷蓄积部2a～2c中蓄积的信号。

实施方式2中，为了使读出特性差和电荷蓄积部2的暗电流差、寄生灵敏度差、以及在切换动作中混入到各信号中的电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度均等地分散于各信号，如图8A所示那样由曝光(1)～(6)、切换动作(1)～(6)构成曝光期间。曝光(1)～(6)中，曝光时间相同。为了进行2个信号的切换动作，需要将某一方的信号向电荷保持部10传送，但在切换动作(1)～(6)中，将哪个信号向电荷保持部10传送是不同的，所以这也记载于图8A中。

首先，在最初的曝光(1)中，A0、A1、A2成分由以下的式子表示。

A0＝A0(TG1)+DS1+Sm1

A1＝A1(TG2)+DS2+Sm2

A2＝DS3+Sm3

这里，(TG1)(TG2)的记载与上述的实施方式1相同，分别表示通过被施加TG1的第一读出栅极6a、被施加TG2的第二读出栅极6b进行的读出。

在切换动作(1)和曝光(2)之间，在切换动作(1)时，A0信号被向电荷保持部10传送，所以对A0加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，

A0＝A0(TG2)+DS2+Sm2+DSX+SmX

A1＝A1(TG1)+DS1+Sm1

A2＝DS3+Sm3

在切换动作(2)与曝光(3)之间，在切换动作(2)时，A2信号被向电荷保持部10传送，所以对A2加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，在曝光(3)中不进行光源部500的发光，读出脉冲仅是TG2，将背景光成分(BG)读出，因此，

A0＝DS3+Sm3

A1＝DS1+Sm1

A2＝BG(TG2)+DS2+Sm2+DSX+SmX

在切换动作(3)与曝光(4)之间，在切换动作(3)时，A1信号被向电荷保持部10传送，所以对A1加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，在曝光(4)中不进行光源部500的发光，读出脉冲仅是TG1，将背景光成分(BG)读出，因此

A0＝DS3+Sm3

A1＝DS2+Sm2+DSX+SmX

A2＝BG(TG1)+DS1+Sm1

在切换动作(4)与曝光(5)之间，在切换动作(4)时，A0信号被向电荷保持部10传送，所以对A0加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，在曝光(5)中不进行光源部500的发光，读出脉冲不施加，因此

A0＝DS2+Sm2+DSX+SmX

A1＝DS3+Sm3

A2＝DS1+Sm1

在切换动作(5)与曝光(6)之间，在切换动作(5)时，A2信号被向电荷保持部10传送，所以对A2加上电荷保持部的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，在曝光(6)中，不进行光源部500的发光，读出脉冲不施加，因此

A0＝DS1+Sm1

A1＝DS3+Sm3

A2＝DS2+Sm2+DSX+SmX

在切换动作(6)后，在切换动作(6)时，A1信号被向电荷保持部10传送，所以对A1加上电荷保持部的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，由于不进行曝光，所以其他寄生灵敏度和暗电流几乎能够忽视而设为0，那么

A0＝0

A1＝DSX+SmX

A2＝0

蓄积为A0、A1、A2。

将以上按每个A0、A1、A2进行加法运算，那么

A0＝A0(TG1)+A0(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2+2×DS3+2×Sm3

+2×DSX+2×SmX

A1＝A1(TG1)+A1(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2+2×DS3+2×Sm3

+2×DSX+2×SmX

A2＝BG(TG1)+BG(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2+2×DS3+2×Sm3

+2×DSX+2×SmX

A0、A1、A2各自中，将通过不同的2个读出栅极6读出的A0、A1、BG信号以相加后的状态而包含，所以读出特性的差被消除。

此外，DS1、Sm1、DS2、Sm2、DS3、Sm3、DSX、SmX这样的关于3个电荷蓄积部2和电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度也均等地包含于A0、A1、A2，因此A0－A2、A1－A2的差分后的值中不包含这些与距离信息没有关系的信号。此外，各曝光时间相等地设定，因此A0(TG1)+A0(TG2)、A1(TG1)+A1(TG2)中包含的背景光成分与BG(TG1)+BG(TG2)相等，差分后仅得到距离信息，能够抑制测距误差。

为了降低电荷保持部10的暗电流，优选的是，向形成电荷保持部10的电荷保持栅极11和传送控制栅极12，除了通过切换动作将信号电荷传送、蓄积的情况以外，以使传送通道的界面钉扎(pinning)的方式施加负电压而降低暗电流。即，优选的是，电荷保持部10包括电荷保持通道(未图示)的至少一部分、以及在半导体基板的平面视中与电荷保持通道的至少一部分重叠的电荷保持栅极11的至少一部分而构成，电荷保持栅极11，在除了电荷保持部10保持信号电荷的期间以外的期间的至少一部分期间，以使电荷保持通道与电荷保持栅极11之间的界面被钉扎的方式被施加负电压。

此外，为了降低寄生灵敏度，优选的是，以将电荷保持栅极11和传送控制栅极12周边的一部分或全部覆盖的方式隔着绝缘膜设置遮光膜。即，优选的是，电荷保持部10的至少一部分被遮光膜覆盖。在MOS工艺中布线设置于距栅极电极较高的位置，所以通过在与布线不同的较低位置利用W(钨)等进行遮光从而能够降低寄生灵敏度。

进而，在图7中，在1个像素内设有电荷保持部10，但通过使电荷保持部10由多个像素共有，从而与不共有的情况相比，能够使切换动作时混入到信号电荷中的寄生灵敏度和暗电流成为“1/共有像素数”，因此能够抑制A0－A2、A1－A2的差分时产生的散粒噪声(shotnoise)增加，降低测距偏差。

另外，图8A、图8B仅处理了曝光期间，但在1帧期间中的上述曝光期间之后的信号读出期间中各信号也蓄积于不同的电荷蓄积部，所以在该期间中也产生暗电流差、寄生灵敏度差。

与曝光期间中的情况同样地，通过将切换动作(1)～(6)在信号读出期间中也进行，能够使该期间中的不同的电荷蓄积部中产生的暗电流、寄生灵敏度差也相等。

该情况下，由于仅仅是将信号读出，所以不需要图8B的TG1、TG2所示的读出脉冲，TG1和TG2始终为Low状态，此外ODG始终为High状态即可。

如以上详细说明的那样，通过实施方式2，不使用多个帧，能够抑制读出栅极6的位置带来的特性差，并且将背景光、暗电流、寄生灵敏度的各信号间差进行抑制而进行减法运算，因此能够提供测距精度良好的测距用固体摄像元件。

(实施方式3)

图9是表示本发明的实施方式3的固体摄像装置所具备的像素20b的布局结构的概略平面图。如图9所示，像素20b具备电荷保持部复位栅极18和电荷保持部复位漏极19。实施方式3的固体摄像装置与上述的实施方式2相比不同点在于，追加了电荷保持部复位栅极18和电荷保持部复位漏极19，因此其他说明已经说明而省略，以电荷保持部复位栅极18和电荷保持部复位漏极19为中心进行说明。

上述的实施方式1、上述的实施方式2都优选的是，电荷保持部10的处理电荷量为了避免溢出而设定得比电荷蓄积部2的处理电荷量大，但在电荷保持部10的寄生灵敏度(SmX)、暗电流(DSX)变大等情况下，优选的是，与电荷保持部10相邻地追加对电荷保持部10的电荷蓄积和向漏极的排出进行控制的电荷保持部复位栅极18与电荷保持部复位漏极19、即从电荷保持部10将信号电荷的至少一部分排出的电荷保持部复位漏极19和控制向电荷保持部复位漏极19的上述排出的电荷保持部复位栅极18，抑制电荷保持部10的溢出。

此外，在切换动作前，使电荷保持部复位栅极18成为ON(接通)，由此，将在曝光期间中、信号读出期间中蓄积的DSX、SmX成分向电荷保持部复位漏极19排出，从而能够降低在切换动作时DSX、SmX成分混入到被传送至电荷保持部10的A0、A1、BG等信号中，因此能够抑制在减法运算处理时产生的散粒噪声的增加，能够降低测距偏差。

进而，如果使向传送控制栅极12施加了Low电压时的通道电位比向传送通道4上的传送电极5施加了Low电压时的通道电位以一定量较深，使电荷保持部10和电荷保持部复位栅极18为High电压，则还能够降低由电荷耦合元件构成的电荷蓄积部2的溢出。

如以上详细说明那样，除了上述的实施方式2的效果以外，还能够抑制电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度混入到距离运算所需要的信号中，因此能够提供测距精度更好的测距用固体摄像元件。

本发明能够广泛利用于取得被摄体的距离图像的固体摄像装置。

标号说明

1 光电转换部

2 电荷蓄积部

2a 第一电荷蓄积部

2b 第二电荷蓄积部

4 传送通道

5，5a，5b，5c，5d， 5e， 5f，5g 传送电极

6 读出栅极

6a 第一读出栅极

6b 第二读出栅极

8，8a，8b 曝光控制栅极

9，9a，9b 溢出漏极

10 电荷保持部

11 电荷保持栅极

12 传送控制栅极

13 输出控制栅极

14 浮置扩散层

15 复位栅极

16 复位漏极

18 电荷保持部复位栅极

19 电荷保持部复位漏极

20，20a，20b 像素

100 固体摄像装置

103 定时生成部

Claims (14)

1.一种固体摄像装置，在半导体基板中具备像素，其特征在于，

上述像素具备：

光电转换部，将接收到的光转换为信号电荷；

多个读出栅极，从上述光电转换部将上述信号电荷读出；

多个电荷蓄积部，将通过上述多个读出栅极向第一方向读出的上述信号电荷进行蓄积；以及

电荷保持部，从上述多个电荷蓄积部中的1个，将在该电荷蓄积部中蓄积的上述信号电荷的向与上述第一方向反向的第二方向的传送接受并保持，向上述第一方向将所保持的上述信号电荷向上述多个电荷蓄积部中的1个传送。

2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述固体摄像装置具备以矩阵状配置的多个上述像素；

上述多个像素，从上述光电转换部，在上述多个像素的上述配置中的行方向上向相同方向被读出上述信号电荷。

3.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述多个电荷蓄积部分别包括：

用于传送上述信号电荷的传送通道的一部分；以及

在上述半导体基板的平面视图中与该传送通道的一部分重叠的、传送电极的一部分，

上述传送电极，每一个像素是1条。

4.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述多个读出栅极包括第一读出栅极和第二读出栅极；

上述固体摄像装置具备定时生成部，该定时生成部进行通过上述第一读出栅极读出第一信号电荷且通过上述第二读出栅极读出第二信号电荷的情况下的、该第一信号电荷被蓄积的场所和该第二信号电荷被蓄积的场所的切换。

5.如权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述第一读出栅极和上述第二读出栅极分别以第一相位差进行上述第一信号电荷的读出和上述第二信号电荷的读出。

6.如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述多个电荷蓄积部包括第一电荷蓄积部和第二电荷蓄积部；

上述定时生成部，在以上述第一相位差进行的、上述第一读出栅极向上述第一电荷蓄积部的上述第一信号电荷的读出以及上述第二读出栅极向上述第二电荷蓄积部的上述第二信号电荷的读出之后，进行上述切换。

7.如权利要求6所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述第一读出栅极及上述第二读出栅极分别以与上述第一相位差相差180度相位的第二相位差进行上述第一读出栅极向上述第二电荷蓄积部的上述信号电荷的读出和上述第二读出栅极向上述第一电荷蓄积部的上述信号电荷的读出。

8.如权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述定时生成部在信号读出期间进行上述切换。

9.如权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述定时生成部进行多次上述切换，以使上述第一信号电荷被向上述电荷保持部传送的次数等于上述第二信号电荷被向上述电荷保持部传送的次数。

10.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述电荷保持部，包括：

电荷保持通道的至少一部分；以及

在上述半导体基板的平面视图中与该电荷保持通道的至少一部分重叠的、电荷保持栅极的至少一部分；

上述电荷保持栅极，在除了上述电荷保持部保持上述信号电荷的期间以外的期间中的至少一部分期间，以使上述电荷保持通道与上述电荷保持栅极之间的界面被钉扎的方式被施加负电压。

11.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述电荷保持部的至少一部分被遮光膜覆盖。

12.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述像素还具备：

电荷保持部复位漏极，从上述电荷保持部将上述信号电荷的至少一部分排出；以及

电荷保持部复位栅极，控制向上述电荷保持部复位漏极的上述排出。

13.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述像素还具备：

溢出漏极，从上述光电转换部将上述信号电荷的至少一部分排出；以及

曝光控制栅极，控制向上述溢出漏极的上述排出。

14.一种摄像装置，其特征在于，

具备：

权利要求1～13中任1项所述的固体摄像装置；

光源部，按多个定时以脉冲状发出红外光；以及

处理器，基于上述固体摄像装置的输出信号，生成距离图像。

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