CN116097126A - 距离图像取得装置及距离图像取得方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一方面的目的在于提供能够延长测定距离并且能够确保距离精度的距离图像取得装置。本发明的一方面的距离图像取得装置(1)具备通过使用传输栅电极(42、43)向电荷蓄积区域(24、25)传输对应于从光源(2)出射且被对象物(OJ)反射的测定光的入射而在电荷产生区域(36)中产生的电荷，从而检测测定光的测距传感器(10)。电荷产生区域(36)包含产生雪崩倍增的雪崩倍增区域。控制部(4)将测定对象的整个距离范围(70)分割成多个区间(71A～71E)，以使光源(2)的测定光的出射时机和传输栅电极(42、43)的电荷的传输时机之间的时间差(TD)在多个区间(71A～71E)之间不同且对多个区间实施测定的方式，控制测距传感器(10)，并基于对于多个区间(71A～71E)的测定结果，生成整个距离范围(70)的距离图像。

Description

距离图像取得装置及距离图像取得方法
技术领域
本发明的一方面涉及距离图像取得装置及距离图像取得方法。
背景技术
作为用于利用间接TOF(Time of Flight(飞行时间))方式取得对象物的距离图像的测距传感器，已知有具备设置有光感应区域的半导体层和按每个像素设置于半导体层上的光栅电极及传输栅电极的测距传感器(参照例如专利文献1、2)。根据这种测距传感器，能够以高速传输通过光的入射而在光感应区域中产生的电荷。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011－133464号公报
专利文献2：日本特开2013－206903号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在上述那样的测距传感器中，被对象物反射而返回到测距传感器的光的量随着到对象物的距离的增加而减少，因此，在延长测定距离上具有极限。另外，为了延长测定距离，需要扩大测定光的脉冲宽度，但当扩大脉冲宽度时，距离精度会劣化。
本发明的一方面的目的在于，提供能够延长测定距离并且能够确保距离精度的距离图像取得装置及距离图像取得方法。
解决问题的技术手段
本发明的一方面所涉及的距离图像取得装置，具备：光源，其出射测定光；测距传感器，其具有电荷产生区域、电荷蓄积区域、以及配置于电荷产生区域和电荷蓄积区域之间的区域上的传输栅电极，通过使用传输栅电极向电荷蓄积区域传输对应于从光源出射且被对象物反射的测定光的入射而在电荷产生区域中产生的电荷，从而检测测定光；控制部，其控制测距传感器，基于测距传感器的检测结果生成对象物的距离图像，电荷产生区域包含产生雪崩倍增的雪崩倍增区域，控制部将测定对象的整个距离范围分割成多个区间，以使光源的测定光的出射时机和传输栅电极的电荷的传输时机之间的时间差在多个区间之间不同且对多个区间实施测定的方式，控制测距传感器，基于对多个区间的测定的结果，生成整个距离范围的距离图像。
在该距离图像取得装置中，电荷产生区域包含产生雪崩倍增的雪崩倍增区域。由此，能够提高测距传感器的灵敏度，其结果，可以延长测定距离。另一方面，如上所述，通常为了延长测定距离，需要扩大测定光的脉冲宽度，当扩大脉冲宽度时，距离精度会劣化。关于这一点，在该距离图像取得装置中，将测定对象的整个距离范围分割成多个区间，使光源的测定光的出射时机和传输栅电极的电荷的传输时机之间的时间差在多个区间之间不同且对多个区间实施测定，基于对多个区间的测定的结果，生成整个距离范围的距离图像。由此，即使在测定距离长的情况下，也能够抑制测定光的脉冲宽度变宽，能够确保距离精度。另外，在单单进行向多个区间的分割的情况下，存在电荷蓄积时间(曝光时间)减少而使电荷蓄积量不足的担忧，但在该距离图像取得装置中，电荷产生区域包含雪崩倍增区域，因此，能够抑制电荷蓄积量不足。因此，难以产生为了补充电荷蓄积量的不足而延长电荷蓄积时间的必要。再有，通过进行向多个区间的分割，也能够抑制在测距传感器和对象物之间存在透明体或半透明体等而引起的测定精度的降低(多回波)。通过以上所述，根据该距离图像取得装置，能够延长测定距离，并且能够确保距离精度。
也可以是多个区间包含第一区间和比第一区间远离光源的第二区间，控制部在对第一区间的测定中，以按比对第二区间的测定的情况高的读出频率读出蓄积于电荷蓄积区域的电荷的方式控制测距传感器。在该情况下，能够抑制在对比第二区间接近光源的第一区间的测定之时电荷产生区域饱和。这种饱和的抑制在电荷产生区域包含雪崩倍增区域的情况下特别有效。
也可以是多个区间包含第一区间和比第一区间远离光源的第二区间，控制部在对第一区间的测定中，以按比对第二区间的测定的情况低的传输频率向电荷蓄积区域传输电荷的方式控制测距传感器。在该情况下，能够抑制在对比第二区间接近光源的第一区间的测定之时电荷产生区域饱和。
也可以是电荷蓄积区域包含一对电荷蓄积区域，传输栅电极包含分别配置于电荷产生区域和一对电荷蓄积区域之间的区域上的一对传输栅电极。在这种结构中，也能够将测定对象的整个距离范围分割成多个区间，使光源的测定光的出射时机和传输栅电极的电荷的传输时机之间的时间差在多个区间之间不同且对多个区间实施测定。
也可以是测距传感器仅具有一个区域作为电荷蓄积区域，并且仅具有一个电极作为传输栅电极。在这种结构中，也能够将测定对象的整个距离范围分割成多个区间，使光源的测定光的出射时机和传输栅电极的电荷的传输时机之间的时间差在多个区间之间不同且对多个区间实施测定。
也可以是控制部通过固定出射时机，并使传输时机与出射时机偏离，而使出射时机和传输时机之间的时间差在多个区间之间不同。在该情况下，能够使出射时机和传输时机之间的时间差在多个区间之间不同。
也可以是控制部通过固定传输时机，并使出射时机与传输时机偏离，而使出射时机和传输时机之间的时间差在多个区间之间不同。在该情况下，能够使出射时机和传输时机之间的时间差在多个区间之间不同。
也可以是对多个区间的测定中的电荷蓄积时间彼此相等。在该情况下，例如，与延长对远离光源且电荷蓄积量容易不足的区间的测定中的电荷蓄积时间的情况相比，能够使距离图像的取得高速化。
本发明的一方面所涉及的距离图像取得方法，是取得对象物的距离图像的距离图像取得方法，使用出射测定光的光源和测距传感器，将测定对象的整个距离范围分割成多个区间，使光源的测定光的出射时机和传输栅电极的电荷的传输时机之间的时间差在多个区间之间不同且对多个区间实施测定，基于对多个区间的测定的结果，生成整个距离范围的距离图像，所述测距传感器具有电荷产生区域、电荷蓄积区域、以及配置于电荷产生区域和电荷蓄积区域之间的区域上的传输栅电极，且通过使用传输栅电极向电荷蓄积区域传输对应于从光源出射且被对象物反射的测定光的入射而在电荷产生区域中产生的电荷，从而检测测定光，电荷产生区域包含产生雪崩倍增的雪崩倍增区域。
在该距离图像取得方法中，由于上述的理由，能够延长测定距离，并且能够确保距离精度。
发明的效果
根据本发明的一方面，可以提供能够延长测定距离，并且能够确保距离精度的距离图像取得装置及距离图像取得方法。
附图说明
图1是实施方式的距离图像取得装置的结构图。
图2是测距传感器的像素部的俯视图。
图3是沿着图2的III－III线的截面图。
图4是沿着图2的IV－IV线的截面图。
图5是用于说明实施方式的距离图像取得方法的时序图。
图6是用于说明实施方式的距离图像取得方法的时序图。
图7是第一变形例的测距传感器的像素部的俯视图。
图8是沿着图7的VIII－VIII线的截面图。
图9是用于说明第一变形例的距离图像取得方法的时序图。
图10是用于说明第二变形例的距离图像取得方法的时序图。
图11是用于说明第三变形例的距离图像取得方法的时序图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。此外，在各图中，对相同或相当部分标注相同符号，并省略重复的说明。
[距离图像取得装置]
如图1所示，距离图像取得装置1具备光源2、测距传感器10、信号处理部3、控制部4、以及显示部5。距离图像取得装置1是利用间接TOF方式取得对象物OJ的距离图像的装置。距离图像是包含与到对象物OJ的距离d相关的信息的图像。
光源2出射脉冲光(测定光)L。光源2例如包含红外LED等。脉冲光L例如为近红外光，脉冲光L的频率例如为10kHz以上。测距传感器10检测从光源2出射且被对象物OJ反射的脉冲光L。测距传感器10通过在半导体基板(例如硅基板)单片形成像素部11及CMOS读出电路部12而构成。测距传感器10安装于信号处理部3上。
信号处理部3控制测距传感器10的像素部11及CMOS读出电路部12。信号处理部3对从测距传感器10输出的信号实施规定的处理而生成检测信号。控制部4控制光源2及信号处理部3。控制部4基于从信号处理部3输出的检测信号，生成对象物OJ的距离图像。显示部5显示由控制部4生成的对象物OJ的距离图像。
[测距传感器]
如图2、图3及图4所示，测距传感器10在像素部11中具备半导体层20和电极层40。半导体层20具有第一表面20a及第二表面20b。第一表面20a是半导体层20的厚度方向上的一侧的表面。第二表面20b是半导体层20的厚度方向上的另一侧的表面。电极层40设置于第一表面20a上。
半导体层20及电极层40构成沿着第一表面20a配置的多个像素11a。多个像素11a例如沿着第一表面20a二维地排列。通过这些像素11a构成距离图像。在距离图像中，各像素11a包含与到对象物OJ的距离d相关的信息。以下，将半导体层20的厚度方向称为Z方向，将与Z方向垂直的一方向称为X方向，将与Z方向及X方向的双方向垂直的方向称为Y方向。将Z方向上的一侧称为第一侧，将Z方向上的另一侧(与第一侧相反侧)称为第二侧。在图2中，省略下述的配线层60的图示。
各像素11a在半导体层20中具有半导体区域21、雪崩倍增区域22、电荷分配区域23、一对电荷蓄积区域24、25、一对电荷排出区域26、27、多个电荷阻止区域28、阱区域31、LOCOS(Local Oxidation of Silicon(硅的局部氧化))区域33、势垒区域34、以及一对凹入区域35。各区域21～28、31～35通过对半导体基板(例如硅基板)实施各种处理(例如，蚀刻、成膜、杂质注入等)而形成。
半导体区域21为p型(第一导电类型)的区域，在半导体层20中沿着第二表面20b设置。作为一个例子，半导体区域21是具有1×1015cm－3以下的载流子浓度的p型的区域，其厚度为10μm左右。
雪崩倍增区域22包含第一倍增区域22a及第二倍增区域22b。第一倍增区域22a为p型的区域，在半导体层20中形成于半导体区域21的第一侧。作为一个例子，第一倍增区域22a是具有1×1016cm－3以上的载流子浓度的p型的区域，其厚度为1μm左右。第二倍增区域22b为n型(第二导电类型)的区域，在半导体层20中形成于第一倍增区域22a的第一侧。作为一个例子，第二倍增区域22b是具有1×1016cm－3以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度为1μm左右。第一倍增区域22a及第二倍增区域22b形成pn结。
电荷分配区域23为n型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b的第一侧。作为一个例子，电荷分配区域23是具有5×1015～1×1016cm－3的载流子浓度的n型的区域，其厚度为1μm左右。
各电荷蓄积区域24、25为n型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b的第一侧。各电荷蓄积区域24、25与电荷分配区域23连接。一对电荷蓄积区域24、25夹着电荷分配区域23中的第一侧的部分，在X方向上相对。作为一个例子，各电荷蓄积区域24、25为具有1×1018cm－3以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度为0.2μm左右。电荷分配区域23中的第二侧的部分进入各电荷蓄积区域24、25和第二倍增区域22b之间。
各电荷排出区域26、27为n型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b的第一侧。各电荷排出区域26、27与电荷分配区域23连接。一对电荷排出区域26、27夹着电荷分配区域23中的第一侧的部分，在Y方向上相对。作为一个例子，各电荷排出区域26、27为具有1×1018cm－3以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度为0.2μm左右。电荷分配区域23中的第二侧的部分进入各电荷排出区域26、27和第二倍增区域22b之间。
各电荷阻止区域28为p型的区域，在半导体层20中形成于各电荷蓄积区域24、25和电荷分配区域23(电荷分配区域23中的第二侧的部分)之间。作为一个例子，各电荷阻止区域28为具有1×1017～1×1018cm－3的载流子浓度的p型的区域，其厚度为0.2μm左右。
阱区域31为p型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b的第一侧。在从Z方向观察的情况下，阱区域31包围电荷分配区域23。LOCOS区域33在半导体层20中形成于阱区域31的第一侧。LOCOS区域33与阱区域31连接。阱区域31与LOCOS区域33一起构成多个读出电路(例如，源极跟随放大器、复位晶体管等)。多个读出电路分别与电荷蓄积区域24、25电连接。作为一个例子，阱区域31为具有1×1016～5×1017cm－3的载流子浓度的p型的区域，其厚度为1μm左右。作为用于将像素部和读出电路部电分离的结构，也可以使用STI(Shallow Trench Isolation(浅沟道隔离))代替LOCOS区域33，或也可以仅使用阱区域31。
势垒区域34为n型的区域，在半导体层20中形成于第二倍增区域22b和阱区域31之间。在从Z方向观察的情况下，势垒区域34包含阱区域31。即，在从Z方向观察的情况下，阱区域31位于势垒区域34内。势垒区域34包围电荷分配区域23。势垒区域34的n型杂质的浓度高于第二倍增区域22b的n型杂质的浓度。作为一个例子，势垒区域34为具有从第二倍增区域22b的载流子浓度到第二倍增区域22b的载流子浓度的2倍左右的载流子浓度的n型的区域，其厚度为1μm左右。
各凹入区域35为n型的区域，在半导体层20中形成于势垒区域34的第一侧。各凹入区域35中的第二侧的端部与势垒区域34连接。各凹入区域35中的第一侧的端部与各电荷排出区域26、27连接。各电荷排出区域26、27的n型杂质的浓度高于各凹入区域35的n型杂质的浓度，各凹入区域35的n型杂质的浓度高于势垒区域34的n型杂质的浓度及阱区域31的p型杂质的浓度。作为一个例子，各凹入区域35为具有阱区域31的载流子浓度以上的载流子浓度的n型的区域，其厚度依赖于各电荷排出区域26、27和势垒区域34之间的距离。
各像素11a在电极层40中具有光栅电极41、一对第一传输栅电极42、43、以及一对第二传输栅电极44、45。各栅电极41～45经由绝缘膜46形成于半导体层20的第一表面20a上。绝缘膜46例如为氮化硅膜、硅氧化膜等。
光栅电极41在电极层40中形成于电荷分配区域23的第一侧。光栅电极41由具有导电性及光透过性的材料(例如多晶硅)形成。作为一个例子，在从Z方向观察的情况下，光栅电极41呈具有在X方向上相对的2边、及在Y方向上相对的2边的矩形状。
半导体区域21、雪崩倍增区域22及电荷分配区域23中，光栅电极41的正下方的区域(在从Z方向观察的情况下，与光栅电极41重合的区域)作为对应于入射光而产生电荷的电荷产生区域(光吸收区域、光电转换区域)36发挥作用。换言之，光栅电极41配置于电荷产生区域36上。在电荷产生区域36中，半导体区域21中产生的电荷在雪崩倍增区域22中倍增，在电荷分配区域23中分配。
第一传输栅电极42配置于电荷分配区域23中的电荷产生区域36和电荷蓄积区域24之间的区域上。第一传输栅电极43配置于电荷分配区域23中的电荷产生区域36和电荷蓄积区域25之间的区域上。各第一传输栅电极42、43由具有导电性及光透过性的材料(例如多晶硅)形成。作为一个例子，在从Z方向观察的情况下，各第一传输栅电极42、43呈具有在X方向上相对的2边、及在Y方向上相对的2边的矩形状。
第二传输栅电极44配置于电荷分配区域23中的电荷产生区域36和电荷排出区域26之间的区域上。第二传输栅电极45配置于电荷分配区域23中的电荷产生区域36和电荷排出区域27之间的区域上。各第二传输栅电极44、45由具有导电性及光透过性的材料(例如多晶硅)形成。作为一个例子，在从Z方向观察的情况下，各第二传输栅电极44、45呈具有在X方向上相对的2边、及在Y方向上相对的2边的矩形状。
测距传感器10在像素部11中还具备相对电极50和配线层60。相对电极50设置于半导体层20的第二表面20b上。在从Z方向观察的情况下，相对电极50包含多个像素11a。相对电极50在Z方向上与电极层40相对。相对电极50例如由金属材料形成。配线层60以覆盖电极层40的方式设置于半导体层20的第一表面20a。配线层60与各像素11a及CMOS读出电路部12(参照图1)电连接。在配线层60中与各像素11a的光栅电极41相对的部分形成有光入射开口60a。
在半导体层20，以将各像素11a相互分离的方式形成有沟槽29。沟槽29形成于半导体层20的第一表面20a。沟槽29的底面29a相对于雪崩倍增区域22位于第二侧。即，沟槽29将雪崩倍增区域22完全分离。在沟槽29内配置有氧化硅等绝缘材料47。也可以代替绝缘材料47，将钨等金属材料、多晶硅等配置于沟槽29内。
在各像素11a中，雪崩倍增区域22到达至沟槽29。雪崩倍增区域22为引起雪崩倍增的区域。在各像素11a中，在施加规定值的反方向偏压的情况下可产生3×105～4×105V/cm的电场强度的雪崩倍增区域22扩展至被沟槽29包围的区域整体。
[距离图像取得方法]
说明距离图像取得装置1的动作例(距离图像取得方法)。以下的动作通过控制部4控制各部的驱动而实现。首先，对测距传感器10进行的脉冲光L的检测方法进行说明。
在测距传感器10的各像素11a中，以光栅电极41的电位为基准对相对电极50施加负电压(例如－50V)。即，对形成于雪崩倍增区域22的pn结施加反方向偏压。由此，在雪崩倍增区域22产生3×105～4×105V/cm的电场强度。在该状态下，当脉冲光L经由光入射开口60a及光栅电极41入射至半导体层20时，通过脉冲光L的吸收产生的电荷(电子)在雪崩倍增区域22中倍增并以高速向电荷分配区域23移动。
对各像素11a的第一传输栅电极42、43施加脉冲电压信号(下述的电压信号TX1、TX2)。施加于第一传输栅电极42、43的脉冲电压信号例如是以光栅电极41的电位为基准交替重复进行正电压(接通)及负电压(断开)的电压信号。在对第一传输栅电极42施加正电压的期间，电荷从电荷分配区域23以高速向电荷蓄积区域24传输，在对第一传输栅电极43施加正电压的期间，电荷从电荷分配区域23以高速向电荷蓄积区域25传输。
如下所述，施加于第一传输栅电极42、43的脉冲电压信号以在互不相同的时机接通的方式设定。由此，移动至电荷分配区域23的电荷在与脉冲电压信号对应的传输时机向电荷蓄积区域24、25传输而被分配。通过规定期间的传输而蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷经由通过阱区域31等构成的读出电路、及配线层60，作为信号向CMOS读出电路部12(参照图1)传输并读出。蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷的量与在对第一传输栅电极42、43施加正电压的期间入射于电荷产生区域36的脉冲光L的光量(强度)对应。这样，在测距传感器10中，通过使用第一传输栅电极42、43向电荷蓄积区域24、25传输对应于被对象物OJ反射的脉冲光L的入射而在电荷产生区域36中产生的电荷，能够检测脉冲光L。
接着，参照图5及图6说明距离图像取得装置1的动作例。如图5及图6所示，在该距离图像取得方法中，将测定对象的整个距离范围70分割成多个区间(单位距离范围)。在该例中，多个区间包含五个区间71A～71E。区间71A～71E的长度彼此相等。作为一个例子，整个距离范围70为22.5m，各区间71A～71E的长度为4.5m。区间71A、71B、71C、71D、71E按该顺序从光源接近。即，区间71A是距光源2为0m～4.5m的范围，区间71B是距光源2为4.5m～9m的范围，区间71C是距光源2为9m～13.5m的范围，区间71D是距光源2为13.5m～18m的范围，区间71E是距光源2为18m～22.5m的范围。
在该距离图像取得方法中，对各区间71A～71E实施测定。在该例中，帧速率为30fps，一个数据DT的长度为33.3ms。数据DT包含与区间71A～71E对应的五个子帧F1～F5。即，在该距离图像取得方法中，与整个距离范围70对应的帧(数据DT)被时间分割为多个子帧F1～F5。子帧F1～F5的长度彼此相等，在该例中为6.6ms。
各子帧F1～F5包含第一期间P1、和与第一期间P1连续的第二期间P2。在第一期间P1中，从光源2出射脉冲光L，利用测距传感器10检测被对象物OJ反射的脉冲光L。在第二期间P2中，从光源2未出射脉冲光L，利用测距传感器10仅检测背景光。即，在第一期间P1中检测测定光及背景光，在第二期间P2中仅检测背景光。在生成对象物OJ的距离图像时，在第一期间P1中取得的信号与在第二期间P2中取得的信号的差分被设为信号光。第一期间P1的长度与第二期间P2的长度相等，在该例中为3.3ms。
在各子帧F1～F5中，使光源2的脉冲光L的出射时机和第一传输栅电极42、43的电荷的传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同且对区间71A～71E实施测定。以下，说明各子帧F1～F5中的动作的详情。在图5及图6中示出从光源2出射的脉冲光L的强度信号SL、施加于第一传输栅电极42的电压信号TX1、及施加于第一传输栅电极43的电压信号TX2。
如图5及图6所示，在子帧F1中，施加于第一传输栅电极42的电压信号TX1具有与从光源2出射的脉冲光L的强度信号SL相同的周期、脉冲宽度及相位。即，在子帧F1中，没有出射时机和传输时机之间的时间差TD(为零)。施加于第一传输栅电极43的电压信号TX2在第一传输栅电极42的电压信号TX1刚断开之后上升并接通。电压信号TX2具有与强度信号SL及电压信号TX1相同的周期及脉冲宽度。脉冲光L、电压信号TX1、TX2的脉冲宽度例如为30ns。在电压信号TX1、TX2双方断开的期间中，对第二传输栅电极44、45施加正电压，电荷以高速从电荷分配区域23向电荷排出区域26、27传输。传输到电荷排出区域26、27的电荷被排出至外部。
在图5中，读出蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷的时机以符号R表示。如图5所示，在子帧F1中，在第一期间P1及第二期间P2的各个中，除了期间的始点及终点之外，还在始点和终点之间读出1次电荷。即，读出次数N为3次。
如图1所示，当从光源2出射脉冲光L，且被对象物OJ反射的脉冲光L被测距传感器10检测时，由测距传感器10检测的脉冲光L的强度信号的相位相对于从光源2出射的脉冲光L的强度信号SL的相位，对应于到对象物OJ的距离d而偏离。因此，通过按每个像素11a取得在子帧F1中蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷量，能够得到用于生成关于区间71A的距离图像的数据。
在子帧F2中，施加于第一传输栅电极42的电压信号TX1自从光源2出射的脉冲光L的强度信号SL起，相位偏离时间TS。即，在子帧F2中，时间差TD为时间TS。时间TS与区间71B对应，例如为30ns。在该例中，时间TS与脉冲光L的脉冲宽度相等。关于其它的点，电压信号TX1、TX2与子帧F1相同。如图5所示，在子帧F2中，在第一期间P1及第二期间P2的各个中，在期间的始点及终点读出2次电荷，读出次数N为2次。通过按每个像素11a取得在子帧F2中蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷量，能够得到用于生成关于区间71B的距离图像的数据。
在子帧F3中，施加于第一传输栅电极42的电压信号TX1自从光源2出射的脉冲光L的强度信号SL起，相位偏离时间TS的2倍。即，在子帧F3中，时间差TD为时间2TS。时间2TS与区间71C对应，例如为60ns。关于其它的点，电压信号TX1、TX2与子帧F1相同。子帧F3的读出次数N与子帧F2相同，为2次。通过按每个像素11a取得在子帧F3中蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷量，能够得到用于生成关于区间71C的距离图像的数据。
在子帧F4中，施加于第一传输栅电极42的电压信号TX1自从光源2出射的脉冲光L的强度信号SL起，相位偏离时间TS的3倍。即，在子帧F4中，时间差TD为时间3TS。时间3TS与区间71D对应，例如为90ns。关于其它的点，电压信号TX1、TX2与子帧F1相同。子帧F4的读出次数N与子帧F2相同，为2次。通过按每个像素11a取得在子帧F4中蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷量，能够得到用于生成关于区间71D的距离图像的数据。
在子帧F5中，施加于第一传输栅电极42的电压信号TX1自从光源2出射的脉冲光L的强度信号SL起，相位偏离时间TS的4倍。即，在子帧F5中，时间差TD为时间4TS。时间4TS与区间71E对应，例如为120ns。关于其它的点，电压信号TX1、TX2与子帧F1相同。子帧F4的读出次数N与子帧F2相同，为2次。通过按每个像素11a取得在子帧F5中蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷量，能够得到用于生成关于区间71E的距离图像的数据。
这样，使光源2的脉冲光L的出射时机和第一传输栅电极42、43的电荷的传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同且对区间71A～71E实施测定。更具体而言，通过固定出射时机，并使传输时机与出射时机偏离，使时间差TD在区间71A～71E之间不同。另外，在对区间71A(子帧F1)的测定中，按比对比区间71A远离光源2的区间71B～71E(子帧F2～F5)的测定的情况高的读出频率(多的读出次数N)，读出蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷。另外，子帧F1～F5中的第一期间P1的长度为3.3ms且彼此相等，对区间71A～71E的测定中的电荷蓄积时间(曝光时间)彼此相等。
在实施方式的距离图像取得方法中，基于关于区间71A～71E的测定结果，生成整个距离范围70的距离图像。即，通过对上述的区间71A～71E(子帧F1～F5)的测定，得到用于生成区间71A～71E的距离图像的数据。通过合成这些数据，能够生成整个距离范围70的距离图像。
[作用及效果]
如以上所说明的那样，在距离图像取得装置1中，电荷产生区域36包含产生雪崩倍增的雪崩倍增区域22。由此，能够提高测距传感器10的灵敏度，其结果，可以延长测定距离。另一方面，如上所述，通常为了延长测定距离而需要扩大脉冲光L的脉冲宽度，当扩大脉冲宽度时，距离精度会劣化。关于这一点，在距离图像取得装置1中，测定对象的整个距离范围70被分割成多个区间71A～71E，使光源2的脉冲光L的出射时机和第一传输栅电极42、43的传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同且对区间71A～71E实施测定，基于对区间71A～71E的测定的结果生成整个距离范围70的距离图像。由此，即使在测定距离长的情况下，也能够抑制脉冲光L的脉冲宽度扩大，能够确保距离精度。
例如，在与距离图像取得装置1不同，不进行向区间71A～71E的分割而对整个距离范围70进行测定的情况下，如以下所述，脉冲宽度成为150ns左右。即，在间接TOF方式中，下述式(1)成立。
ΔD＝cW/2…(1)
ΔD为距离精度，c为光速，W为脉冲光L的脉冲宽度。在式(1)中，将距离精度ΔD设为22.5m，且将光速c设为3×108m/s时，脉冲宽度W成为150ns。与之相对，在距离图像取得装置1中，如上所述，脉冲光L的脉冲宽度W为30ns，距离精度ΔD为4.5m。即，与不进行向区间71A～71E的分割的情况相比，距离精度ΔD提高至1/5(30ns/150ns)。这样，在距离图像取得装置1中，通过对测距范围进行时间分割并取得距离数据，能够实现长距离化且提高距离精度。此外，实际上，上述式(1)的右边可进一步乘以N/S比。
另外，在单单进行向区间71A～71E的分割的情况下，存在电荷蓄积时间(曝光时间)减少而使电荷蓄积量不足的担忧，但在距离图像取得装置1中，因为电荷产生区域36包含雪崩倍增区域22，所以能够抑制电荷蓄积量不足。因此，难以产生为了补充电荷蓄积量的不足而延长电荷蓄积时间的必要。再有，通过进行向区间71A～71E的分割，也能够抑制在测距传感器10和对象物之间存在透明体或半透明体等而引起的测定精度的降低(多回波)。例如，在与距离图像取得装置1不同，不进行向区间71A～71E的分割而对整个距离范围70进行测定的情况下，会输出将到位于区间71A的物体的距离和到位于区间71E的物体的距离进行了平均的距离，测定精度可能降低。与之相对，在距离图像取得装置1中，因为进行向区间71A～71E的分割，所以能够抑制这种测定精度的降低。通过以上所述，根据距离图像取得装置1，能够延长测定距离，并且能够确保距离精度。
在对区间71A(第一区间)的测定中，按比对比区间71A远离光源2的区间71B～71E(第二区间)的测定的情况高的读出频率(多的读出次数N)，读出蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷。由此，能够抑制在对区间71A的测定之时电荷产生区域36会饱和的信号饱和。这种饱和的抑制在电荷产生区域36包含雪崩倍增区域22的情况下特别有效。在对区间71A的测定中容易产生信号饱和是因为，越是从光源2接近的区间，被对象物OJ反射且返回到测距传感器10的脉冲光L的强度越高。
测距传感器10具有一对电荷蓄积区域24、25、分别配置于电荷产生区域36和一对电荷蓄积区域24、25之间的区域上的一对第一传输栅电极42、43。在这种结构中，也能够将测定对象的整个距离范围70分割成多个区间71A～71E，使出射时机和传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同且对区间71A～71E实施测定。
通过固定脉冲光L的出射时机，并使第一传输栅电极42、43的电荷的传输时机与脉冲光L的出射时机偏离，使出射时机和传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同。由此，能够使出射时机和传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同。
对区间71A～71E的测定中的电荷蓄积时间(曝光时间)彼此相等。由此，例如，与延长对远离光源2且电荷蓄积量容易不足的区间(例如区间71E)的测定中的电荷蓄积时间的情况相比，能够将距离图像的取得高速化。
[变形例]
也可以如图7及图8所示的第一变形例那样构成测距传感器10。第一变形例的测距传感器10分别逐一具有电荷蓄积区域24、电荷排出区域26、第一传输栅电极42及第二传输栅电极44。换言之，测距传感器10不具有电荷蓄积区域25、电荷排出区域27、第一传输栅电极43及第二传输栅电极45。
在第一变形例的测距传感器10的各像素11a中，在从Z方向观察的情况下，电荷蓄积区域24配置于电荷分配区域23的中央部。在从Z方向观察的情况下，电荷排出区域26例如呈矩形环状，沿着电荷分配区域23的外缘配置。在从Z方向观察的情况下，光栅电极41例如呈矩形环状，配置于电荷蓄积区域24的外侧且电荷排出区域26的内侧。在从Z方向观察的情况下，第一传输栅电极42例如呈矩形环状，配置于电荷蓄积区域24的外侧且光栅电极41的内侧。在从Z方向观察的情况下，第二传输栅电极44例如呈矩形环状，配置于光栅电极41的外侧且电荷排出区域26的内侧。此外，电荷蓄积区域24、电荷排出区域26、光栅电极41、第一传输栅电极42及第二传输栅电极44也可以形成为八边形等任意的形状。
如图9所示，在使用第一变形例的测距传感器10的情况下，也与上述实施方式相同，能够使光源2的脉冲光L的出射时机和第一传输栅电极42的电荷的传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同且对区间71A～71E进行测定。
在图9中，将一个数据分割成6个子帧G1～G6。在子帧G1中，施加于第一传输栅电极42的电压信号TX1具有与从光源2出射的脉冲光L的强度信号SL相同的周期、脉冲宽度及相位。即，在子帧G1中，没有出射时机和传输时机之间的时间差TD(为零)。在电压信号TX1断开的期间中，对第二传输栅电极44施加正电压，电荷以高速从电荷分配区域23向电荷排出区域26传输。传输至电荷排出区域26的电荷被排出至外部。
在子帧G2～G6中，时间差TD分别成为时间TS、2TS、3TS、4TS、5TS。关于其它的点，电压信号TX1与子帧G1相同。
如图9所示，能够根据在相邻的子帧G1、G2中取得的数据得到与上述实施方式中的子帧F1对应的数据。同样，能够根据在子帧G2、G3中取得的数据得到与上述实施方式中的子帧F3对应的数据。同样，能够根据在子帧G3～G6中取得的数据得到与上述实施方式中的子帧F3～F5对应的数据。因此，能够基于关于子帧G1～G6的测定结果，生成整个距离范围70的距离图像。通过这种第一变形例，也与上述实施方式相同，能够延长测定距离，并且能够确保距离精度。
也可以如图10所示的第二变形例那样取得距离图像。在第二变形例中，与上述实施方式不同，通过固定第一传输栅电极42、43的电荷的传输时机，使脉冲光L的出射时机与传输时机偏离，从而使出射时机和传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同。
具体而言，在图10的例子中，在子帧F2～F5中，光源2的脉冲光L的出射时机相对于第一传输栅电极42、43的电荷的传输时机，分别偏离时间TS、2TS、3TS、4TS。在该情况下，通过合成关于区间71A～71E的测定数据，也能够生成整个距离范围70的距离图像。因此，通过第二变形例，也与上述实施方式相同，能够延长测定距离，并且能够确保距离精度。
如图11所示的第三变形例那样，在第一变形例中，与第二变形例相同，通过固定第一传输栅电极42的电荷的传输时机，并将脉冲光L的出射时机与传输时机偏离，也可以使出射时机和传输时机之间的时间差TD在区间71A～71E之间不同。
在图11的例子中，在子帧G2～G6中，光源2的脉冲光L的出射时机相对于第一传输栅电极42的电荷的传输时机，分别偏离时间TS、2TS、3TS、4TS、5TS。在该情况下，也能够根据在子帧G1～G6中取得的数据，得到与上述实施方式中的子帧F1～F5对应的数据，能够生成整个距离范围70的距离图像。因此，通过第三变形例，也与上述实施方式相同，能够延长测定距离，并且能够确保距离精度。
本发明不限于上述实施方式及变形例。例如，各构成的材料及形状不限于上述的材料及形状，能够采用各种各样的材料及形状。在测距传感器10中，也可以是沟槽29的底面29a相对于雪崩倍增区域22位于第一侧，雪崩倍增区域22遍及多个像素11a而相连。或者，也可以是不在半导体层20形成沟槽29，雪崩倍增区域22遍及多个像素11a而相连。电荷排出区域26、27及第二传输栅电极44、45也可以省略。p型及n型的各导电类型也可以相对于上述的例子相反。多个像素11a也可以沿着半导体层20的第一表面20a一维地排列。测距传感器10也可以仅具有单一的像素11a。
整个距离范围70也可以被分割成两个以上的任意数的区间。多个区间的长度也可以互不相同。子帧F1～F5中的第一期间P1的长度也可以互不相同。即，对区间71A～71E的测定中的电荷蓄积时间也可以互不相同。子帧F1中的读出次数N也可以为期间的始点及终点的2次，或也可以为4次以上。子帧F2～F5中的读出次数N也可以为3次以上。
在上述实施方式中，在对区间71A(第一区间)的测定中，按比对比区间71A远离光源2的区间71B～71E(第二区间)的测定的情况高的读出频率读出蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷，由此，抑制对区间71A的测定时的电荷产生区域36的信号饱和。也可以取而代之或除此之外，在对区间71A的测定中，按比对区间71B～71E的测定的情况低的传输频率，传输蓄积于电荷蓄积区域24、25的电荷。例如，在上述实施方式的区间71A中，对1次脉冲光L的出射进行1次电荷传输，但也可以对2次或4次脉冲光L的出射进行1次电荷传输。在该情况下，也能够抑制信号饱和。在该情况下，区间71A～71E中的读出频率也可以相互相同。
符号的说明
1…距离图像取得装置，2…光源，4…控制部，10…测距传感器，22…雪崩倍增区域，24、25…电荷蓄积区域，36…电荷产生区域，42、43…第一传输栅电极，70…整个距离范围，71A…区间(第一区间)，
71B…区间(第二区间)，71C～71E…区间，L…脉冲光(测定光)，
OJ…对象物，TD…时间差。

Claims (9)

1.一种距离图像取得装置，其中，
具备：
光源，其出射测定光；
测距传感器，其具有电荷产生区域、电荷蓄积区域、以及配置于所述电荷产生区域和所述电荷蓄积区域之间的区域上的传输栅电极，通过使用所述传输栅电极向所述电荷蓄积区域传输对应于从所述光源出射且被对象物反射的所述测定光的入射而在所述电荷产生区域中产生的电荷，从而检测所述测定光；以及
控制部，其控制所述测距传感器，基于所述测距传感器的检测结果生成所述对象物的距离图像，
所述电荷产生区域包含产生雪崩倍增的雪崩倍增区域，
所述控制部，
将测定对象的整个距离范围分割成多个区间，
以使所述光源的所述测定光的出射时机和所述传输栅电极的所述电荷的传输时机之间的时间差在所述多个区间之间不同且对所述多个区间实施测定的方式，控制所述测距传感器，
基于对所述多个区间的所述测定的结果，生成所述整个距离范围的所述距离图像。
2.根据权利要求1所述的距离图像取得装置，其中，
所述多个区间包含第一区间和比所述第一区间远离所述光源的第二区间，
所述控制部在对所述第一区间的测定中，以按比对所述第二区间的测定的情况高的读出频率读出蓄积于所述电荷蓄积区域的所述电荷的方式，控制所述测距传感器。
3.根据权利要求1或2所述的距离图像取得装置，其中，
所述多个区间包含第一区间和比所述第一区间远离所述光源的第二区间，
所述控制部在对所述第一区间的测定中，以按比对所述第二区间的测定的情况低的传输频率向所述电荷蓄积区域传输电荷的方式，控制所述测距传感器。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的距离图像取得装置，其中，
所述电荷蓄积区域包含一对电荷蓄积区域，
所述传输栅电极包含分别配置于所述电荷产生区域和所述一对电荷蓄积区域之间的区域上的一对传输栅电极。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的距离图像取得装置，其中，
所述测距传感器仅具有一个区域作为所述电荷蓄积区域，并且仅具有一个电极作为所述传输栅电极。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的距离图像取得装置，其中，
所述控制部通过固定所述出射时机，并使所述传输时机与所述出射时机偏离，而使所述出射时机和所述传输时机之间的所述时间差在所述多个区间之间不同。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的距离图像取得装置，其中，
所述控制部通过固定所述传输时机，并使所述出射时机与所述传输时机偏离，而使所述出射时机和所述传输时机之间的所述时间差在所述多个区间之间不同。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的距离图像取得装置，其中，
对所述多个区间的所述测定中的电荷蓄积时间彼此相等。
9.一种距离图像取得方法，其中，
是取得对象物的距离图像的距离图像取得方法，
使用出射测定光的光源、和测距传感器，
将测定对象的整个距离范围分割成多个区间，
使所述光源的所述测定光的出射时机和所述传输栅电极的所述电荷的传输时机之间的时间差在所述多个区间之间不同且对所述多个区间实施测定，
基于对所述多个区间的所述测定的结果，生成所述整个距离范围的所述距离图像，
所述测距传感器具有电荷产生区域、电荷蓄积区域、以及配置于所述电荷产生区域和所述电荷蓄积区域之间的区域上的传输栅电极，且通过使用所述传输栅电极向所述电荷蓄积区域传输对应于从所述光源出射且被所述对象物反射的所述测定光的入射而在所述电荷产生区域中产生的电荷，从而检测所述测定光，所述电荷产生区域包含产生雪崩倍增的雪崩倍增区域。
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