CN1318857C - 使用强度调制光的空间信息检测装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种使用强度调制光的空间信息检测装置。该装置包括：光电转换器，用来接收照射以预定发射频率的强度调制光的空间提供的光，并且产生对应于接收到的光强度的电输出；本地振荡器电路，用来输出具有不同于发射频率的本地振荡器频率的本地振荡器信号；灵敏度控制器，用来将所述本地振荡器信号与所述电输出混合，以将所述电输出频率转换为低于发射频率的较低频率的差拍信号；积分器，以预定的时序进行所述差拍信号的积分；以及分析器，根据所述积分器的输出确定关于所述空间的信息。根据该装置，能够精确地检测空间信息而不在接收侧使用具有高速响应的开关元件。

Description

使用强度调制光的空间信息检测装置
技术领域
本发明涉及空间信息检测装置，用于从受强度调制的光照射的空间接收光，并通过接收到的光检测关于空间的信息，例如在空间中物体与检测装置之间的距离。
背景技术
在过去已知有使用强度调制的光检测关于空间的各种信息的技术。即，强度调制的光从光源照射到空间，光电转换器接收空间中的物体反射回来的光。根据强度调制的光与接收到的光之间的关系，可以得到空间信息。在本说明中，空间信息包括与在空间中的物体的距离、由在空间中的物体的反射引起的接收到的光的数量的变化等。例如，可以通过强度调制的光与接收到的光的相位差确定与物体的距离。通常，该技术称作飞行时间方法。
例如，美国专利No.5,856,667公开了使用飞行时间方法的装置和方法。根据飞行时间方法，从光源发出的光由所需发射频率进行强度调制，光电转换器在小于为发射频率的倒数的调制周期的时间段内多次检测接收到的光强度。当从光源发出的光的强度由正弦波调制时，由光电转换器在调制光的特定相位检测接收到的光强度。例如，在调制周期中接收到的光强度检测4次，并且通过检测四个接收到的光强度确定相位差。
当从光源发出的光是强度调制时，如图31的曲线“S1”所示，从空间中的物体反射的调制光由光电转换器接收，接收到的光强度变化，例如，如图31的曲线“S2”所示。在这种情况下，在4个不同的相位(0°、90°、180°、270°)可以检测到接收到的光的四个强度(A0’、A1’、A2’、A3’)。但是，在这种情况下，不可能正好在每个相位(0°、90°、180°、270°)时刻检测接收到的光强度。事实上，每个接收到的光强度对应于在时间宽度“Tw”内接收到的光强度，如图31所示。
在调制周期内相位差“ψ”不变、并且在从发射光的时刻到接收光的时刻消光系数(在图31中，没有考虑消光系数)不变的假设下，接收光的强度(A0’、A1’、A2’、A3’)和相位差之间的关系可以用以下等式表示：
ψ＝arctan{(A3’-A1’)/(A0’-A2’)}
因此，根据在调制周期内检测到的接收光的强度(A0’、A1’、A2’、A3’)确定相位差(ψ)的技术作为距离测量方法是可行的。由该距离测量方法测量的最大距离“L”[m]大约是被强度调制的正弦波波长的一半。即，当“c”表示光速[3.0×108m/s]，“T”表示调制周期[s]，最大距离“L”用等式L＝c·(T/2)表示。因此，调制周期“T”可以用等式T＝2L/c计算。例如，当最大距离“L”设为3m时，调制周期为20[ns](＝2×3/(3.0×108))。
在上述情况下，在调制周期的每四分之一波长除必须检测接收到的光强度。这意味着每几个纳秒[ns]，必须在1[ns]的时间宽度“Tw”下检测接收到的光强度。因此，需要具有高速响应的开关元件。另外，当由于驱动光源的信号波形失真或者从外部进入空间的光的数量暂时变化引起光电转换器接收到的光的波形失真时，根据接收到的光强度(A0’、A1’、A2’、A3’)难以精确地确定相位差“ψ”。结果，导致距离测量精度的降低。
发明内容
本发明的一个目的是提供使用强度调制光的空间信息检测装置，具有精确的检测关于空间的信息的能力，例如，在空间中的物体和该装置之间的距离，并且该装置不使用具有高速响应的昂贵的开关器件。
即，本发明的空间信息检测装置包括：
至少一个光电转换器，用来接收照射以预定发射频率的强度调制光的空间提供的光，并且产生对应于接收到的光强度的电荷量作为电输出；
本地振荡器电路，用来输出具有不同于发射频率的本地振荡器频率的本地振荡器信号；
灵敏度控制器，用来将本地振荡器信号与电输出混合，以将电输出频率转换为低于发射频率的较低频率的差拍信号；
积分器，以预定的时序进行差拍信号的积分；以及
分析器，根据积分器的输出确定关于空间的信息；
其中所述积分器具有电荷存储器和电荷排出器，电荷存储器用来存储由所述光电转换器产生的电荷的至少一部分，作为信号电荷，电荷排出器与具有发射频率与本地振荡器频率之间的频率差的所述差拍信号同步地从所述电荷存储器中排出电荷，以及所述灵敏度控制器具有以本地振荡器频率调制迁移到所述电荷存储器的电荷量相对于由光电转换器产生的电荷量的比的功能。
根据本发明，即使当由于驱动光源的信号波形失真或者从外部进入空间的光的数量瞬时变化引起光电转换器接收到的光的波形失真时，对用来确定空间信息的差拍信号的积分的影响也很小。因此，与使用波形确定空间信息的常规检测装置相比，存在可以精确检测空间信息的优点。
另外，因为使用频率低于强度调制光的发射频率的差拍信号的积分来确定空间信息，能够在光接收侧使用较便宜的开关器件代替具有高速响应的昂贵开关器件。例如，当测量时间来确定空间信息时，相对于频率低于发射频率的差拍信号进行时间测量。因此，与没有频率转换的测量时间的情况相比，能够用较低精度进行时间测量。
作为本发明的优选实施例，积分器相对于多个积分范围进行差拍信号的积分，每个积分范围在差拍信号的给定相位间隔内确定，分析器包括由多个积分范围得到的积分确定照射到空间的光与由光电转换器接收到的光之间的相位差。在这种情况下，通过使用照射到空间的光与由光电转换器接收到的光之间的相位差，能够确定空间信息，例如，在空间中的物体与空间信息检测装置之间的距离或者由在空间中的物体反射引起接收到的光的强度的变化。另外，因为由差拍信号的多个积分范围确定的积分转化为相位差，所以不需要与发光侧同步。结果，能够使用较简单的装置结构确定距离。
最好灵敏度控制器包含在光电转换器和积分器之间提供的半导体开关。在这种情况下，因为半导体开关在光电转换器和积分器之间接收并提供电荷，所以除了选择用于积分的信息之外能够使用半导体开关进行频率转换。
作为本发明的另一个优选实施例，作为电输出，光电转换器产生对应于接收到的光强度的电荷量。积分器具有电荷存储器和电荷排出器(ejector)，电荷存储器用来存储由光电转换器产生的电荷的至少一部分，作为信号电荷，电荷排出器与具有发射频率与本地振荡器频率之间的频率差的差拍信号同步地从电荷存储器中排出电荷。灵敏度控制器具有以本地振荡器频率调制迁移到电荷存储器的电荷量相对于由光电转换器产生的电荷量的比的功能。因为光接收侧的灵敏度由本地振荡器频率控制来产生差拍信号，所以能够使用光接收元件作为可以由本地振荡器频率的信号调节灵敏度的光电转换器，很容易的实现本发明的目的。
而且最好电荷存储器存储多个范围的信号电荷，每个范围在差拍信号的给定相位间隔内确定，分析器包括确定照射到空间的光与由光电转换器接收到的来自多个范围的存储的信号电荷的光之间的相位差。在这种情况下，通过使用照射到空间的光与由光电转换器接收到的光之间的相位差，能够确定空间信息，例如，在空间中的物体与空间信息检测装置之间的距离或者由在空间中的物体反射引起接收到的光的强度的变化。
另外，最好灵敏度控制器包括在光电转换器和电荷存储器之间提供的存储门，以调节从光电转换器迁移到电荷存储器的电荷量，和/或电荷清除单元，用来去掉由光电转换器产生的电荷的至少一部分，作为多余的电荷。在这种情况下，因为从电荷转换器清除的电荷量是受控的，以调节从光电转换器迁移到电荷存储器的电荷量，所以能够分别控制电荷清除单元的时序和在电荷存储器中存储电荷的时序，以进行频率转换，并由此最小化混在信号电荷中的噪声分量的数量。另外，当灵敏度控制器具有存储门和电荷清除单元时，能够控制清除多余的电荷，同时进行频率转换和存储信号电荷。
作为本发明的又一个优选实施例，空间信息检测装置具有多个光电转换器。积分器的电荷存储器是具有存储区域的CCD(电荷耦合器件)，存储区域存储由每个光电转换器在对应于每个光电转换器提供的门电极的区域产生的至少一部分电荷，作为信号电荷。电荷排出器是将信号电荷从电荷存储器转移到外部的CCD。电荷清除单元形成有溢流通道，用来清除每一个由光电转换器根据外部信号以批量方式产生的至少一部分电荷。光电转换器、电荷存储器、电荷排出器和电荷清除单元安装在单个半导体衬底上，以得到图像传感器。灵敏度控制器是门电极和电荷清除单元中的至少一个。在这种情况下，作为本发明的空间信息检测装置的图像传感器，可以使用具有溢流通道的隔行传送的CCD图像传感器或者具有溢流通道的帧传送的CCD图像传感器。因此，能够不使用空间电路设计或器件较容易的实现本发明的目的。
还优选在存储电荷和不涉及电荷的产生的区域具有光屏蔽膜的图像传感器。能够防止在光电转换器产生噪声分量，并改善S/N比。
还优选灵敏度控制器为门电极和电荷清除单元中的至少一个，并且加到门电极的电压和/或加到电荷清除单元的外部信号由本地振荡器频率调制。在这种情况下，因为CCD图像传感器的溢流通道由本地振荡器频率调制，所以能够独立于电荷存储器中的信号电荷的存储时序进行频率转换，并由此最小化混在电荷存储器中的噪声分量的数量。另外，当灵敏度控制器由门电极和电荷清除单元构成时，能够控制清除多余的电荷，同时进行频率转换并存储信号电荷。
作为本发明的再一个优选实施例，空间信息检测装置具有多个光电转换器，并且从多个光电转换器中选择一组光电转换器，以定义一个像素。对应于光电转换器组的多个灵敏度控制器由彼此具有相同的本地振荡器频率和不同相位的本地振荡器信号调制。电荷排出器同时输出由光电转换器组的光电转换器产生对应于差拍信号的不同相位的信号电荷。在这种情况下，因为对应于差拍信号的不同相位的信号电荷是同时得到的，所以能够更有效的检测空间信息。
此外，最好分析器包括通过对应于差拍信号的不同相位的信号电荷确定照射到空间中的光与由光电转换器接收到的光之间的相位差。因为在差拍信号的多个范围中存储的信号电荷被转换为相位差，所以不需要与发光侧同步。因此，能够通过使用相对简单的装置结构确定空间信息。
另外，最好分析器包括将相位差转换为距离信息。在这种情况下，可以提供距离测量装置作为空间信息检测装置。
通过下面结合附图对本发明的最佳实施方式的说明，本发明的这些和其它目的和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的距离测量装置的框图；
图2示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图3是根据本发明的第二实施例用于距离测量装置的图像传感器的示意图；
图4是根据本发明的第二实施例用于距离测量装置的另一个图像传感器的示意图；
图5是根据本发明的第三实施例的距离测量装置的图像传感器的平面图；
图6是图像传感器的相关部分的分解(explod)透视图；
图7是沿图6或11的线A-A的剖面图；
图8示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图9A到9C示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图10A和10B示出了根据本发明的第四实施例的距离测量装置的工作原理的说明图；
图11是根据本发明的第五实施例的距离测量装置的图像传感器的平面图；
图12是图像传感器的相关部分的分解透视图；
图13示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图14A到14C示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图15是根据本发明的第六实施例的距离测量装置的图像传感器的平面图；
图16是图像传感器的相关部分的透视图；
图17示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图18示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图19A到19C示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图20是根据本发明的第七实施例的距离测量装置的图像传感器的平面图；
图21是图像传感器的相关部分的透视图；
图22示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图23A到23C示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图24A和24B示出了根据本发明的第八实施例的距离测量装置的工作原理的说明图；
图25A和25B示出了根据本发明的第九实施例的距离测量装置的工作原理的说明图；
图26A和26B示出了根据本发明的第十实施例的距离测量装置的工作原理的说明图；
图27是根据本发明的第十一实施例的距离测量装置的透视图；
图28A和28B示出了距离测量装置的工作原理的说明图；
图29是根据本发明的第十二实施例用于距离测量装置的图像传感器的平面图；
图30是根据第六实施例的修改的用于距离测量装置的图像传感器的平面图；以及
图31示出了常规距离测量装置的工作原理的说明图。
具体实施方式
在下面介绍的优选实施例中，作为本发明的空间信息检测装置的例子，4细说明使用强度调制光与由光电转换器接收到的光之间的相位差的距离测量装置。但是，不用说，本发明并不限于这些距离测量装置。应当认识到，本发明的技术思想可以用于需要确定上述相位差的任何装置。
(第一实施例)
如图1所示，本实施例的距离测量装置具有向所需空间发光的光源1。从光源发出的光由发射控制器2以预定的发射频率进行强度调制。作为光源1，例如，可以使用发光二极管(LED)阵列或半导体激光器与发散透镜的组合。作为例子，发射控制器2用20MHz的正弦波对从光源1发出的光进行强度调制。
另外，距离测量装置具有接收从空间通过透镜4提供的光的多个光电转换器3。每个光电转换器3产生对应于接收到的光强度的电输出。换句话说，光电转换器3输出具有与接收到的光强度的信号电平对应的接收器信号。例如，100×100光电转换器的矩阵阵列用作图像传感器5。由光源的光照射的3维空间的信息通过透镜4映射到图像传感器5的光接收平面的2维平坦表面。例如，当在空间中存在物体“Ob”时，由相应的光电转换器接收从物体的每个点反射的光。通过检测从光源发出的光与光电转换器接收到的光之间的相位差，可以确定距离测量装置与物体的每个点之间的距离。
每个光电转换器3的电输出被输入到作为灵敏度控制器的频率转换器6。在频率转换器6中，进行频率转换，从而电输出(＝接收器信号)的频率变得小于发射频率。即，频率转换器6将光电转换器的接收器信号与从时钟产生器8输出的本地振荡器信号混合，以产生与发射频率与本地振荡器信号的频率之间的差相对应的包络分量的差拍信号(beat signal)，如图2所示。由此，时钟产生器8作为本地振荡器电路。
当在测量装置和物体“Ob”之间的距离没有瞬时变化时，差拍信号的相位根据从光源1发出的光的相位、从本地振荡器电路提供的本地振荡器信号的相位以及从光电转换器3输出的接收器信号的相位之间的关系而确定。即，接收器信号的强度(Y1)由以下等式表示：
Y1＝b1+a1·cos(ω1·t+ψ)
其中“ω1”表示对应于发射频率的角频率，“ψ”表示从光源发出的光的相位与接收器信号的相位之间的相位差，“a1”表示对应于接收器信号幅度的常数，“b1”表示对应于暗电流或外部光的常数(没有考虑瞬时变化)。另一方面，用下面的等式表示本地振荡器信号的强度(Y2)：
Y2＝b2+a2·cos(ω2·t)
其中“ω2”表示角频率，“a2”表示对应于本地振荡器信号幅度的常数，“b2”表示对应于直流偏置的常数。
因为接收器信号和本地振荡器信号的混合信号是(Y1·Y2)，所以可以得到具有与发射频率和本地振荡器信号的频率之间的差对应的包络分量的差拍信号。相位差“ψ”直接反映在包络分量的相位中。换句话说，通过将与接收器信号的相位差对应的时间乘以{差拍信号的周期/调制周期}得到与差拍信号的相位差“ψ”对应的时间。
当发射频率与本地振荡器信号的频率之间的差较小时，相对于常规方法可以显著地延长对应于相位差“ψ”的时间。例如，当发射频率为20MHz时，一个周期为50ns。因此，根据常规方法，必须在小于50ns的四分之一的每个短时间周期内进行接收到的光强度的数据采样，以确定相位差“ψ”。另一方面，根据本发明，当发射频率与本地振荡器信号的频率之间的差为例如300kHz时，差拍信号的一个周期为大约3300ns(＝1/(3×105))。因此，可以在小于3300ns的四分之一的每个较长的时间周期内(例如，700ns)对接收到的光强度进行数据采样，以确定相位差“ψ”。
因此，为了确定相位差“ψ”，可以用在差拍信号的一个周期内检测到的接收到的光强度代替从光源发出的光的调制周期内检测到的接收光的强度。即，如图2所示，以给定的相位间隔的时序在差拍信号的一个周期内在要求的积分范围“Ti”中多次进行差拍信号的积分。通过使用在差拍信号的一个周期内确定的多个积分可以确定相位差“ψ”。在图2中，在差拍信号的一个周期内，每90度的相位间隔，即，0°、90°、180°和270°，计算每个积分(A0、A1、A2、A3)。通过将这些积分(A0、A1、A2、A3)代入下面的等式得到相位差“ψ”：
ψ＝tan-1{(A3-A1)/(A0-A2)}
当控制发射频率与本地振荡器信号频率之间的差基本为零或非常小时，则即使当所产生的本地振荡器信号没有与从光源1发出的光同步时也能够确定相位差“ψ”。即，如图1所示，从频率转换器6输出的差拍信号被输入到积分器7。与从时钟发生器8输出的时钟信号同步，在差拍信号的每四分之一个周期进行积分，以在积分器7确定积分时刻和积分范围。所得到的差拍信号的积分输入到距离运算单元9。该运算单元9包括通过从积分器7提供的积分中确定相位差“ψ”的分析器，以将相位差“ψ”转换为距离测量装置与物体“Ob”之间的距离。
在上述情况中，在差拍信号的一个周期内进行四次积分。但是，可以适当确定进行积分的次数。另外，在上述情况中，在差拍信号的每四分之一周期进行积分。但是，当预先确定相位间隔时，不要求采用相等间隔的相位间隔，并且在差拍信号的一个周期内设置相位间隔。
如上所述，因为频率远远低于发射频率的差拍信号的积分被用来确定相位差“ψ”，所以相对于例如暗电流或外部光等噪声分量，能够获得相当高的S/N比。另外，与直接通过光电转换器的接收器信号确定相位差“ψ”的情况相比，相对改善了相位差“ψ”的检测精度。在上述情况中，用正弦波对从光源发出的光进行强度调制。但是，也可以使用其它波形进行强度调制，例如三角波或锯齿波。另外，作为从光源发出的光，除可见光之外也可以使用红外光等。在干扰光，例如，阳光和照明，的影响下，最好在光电转换器3之前放置仅通过光源发出的光的波长的光学滤色片。光学滤色片的使用对于随后的实施例也是有用的。
(第二实施例)
在第一实施例中，光电转换器3、频率转换器6和积分器7彼此独立。在本实施例中，它们一起形成图像传感器5。即，如图3所示，图像传感器5包括光电转换器3、存储单元7a、存储门6a以及传送电路10，每个光电转换器3，例如，光电二极管，产生对应于接收到的光强度的电荷量作为接收器信号，存储单元7a存储在光电转换器3中产生的电荷，每个存储门6a调节从光电转换器3迁移到相应的存储单元7a的电荷数量，传送电路10作为电荷排出器，将存储在每个存储单元7a中的电荷排出到外部。
存储门6a由从时钟发生器8输出的本地振荡器信号进行开关，从而对应于差拍信号的信号电荷量存储在存储单元7a中。因此，在本实施例中，频率转换器6由存储门6a和时钟发生器8构成。另外，因为从光电转换器3到作为电荷存储器的存储单元7a的电荷迁移量可以通过本地振荡器信号控制存储门6a来调节，可以认为存储门6a也起灵敏度控制器的作用，灵敏度控制器用来确定相对于在光电转换器3中产生的电荷量要作为信号电荷加到存储单元7a中的电荷量的比例。
如上所述，当存储门6a处于“导通”状态时，存储单元7a存储由光电转换器3产生的电荷作为信号电荷。因此，存储单元7a作为在第一实施例中说明的积分器7。需要在差拍信号的一个周期中多次读出积分器7的输出。在本实施例中，传送电路10根据差拍信号的周期适当确定的每个时间周期读出在每个存储单元7a中存储的积分。然后，读出的积分发送到作为第一实施例的分析器的运算单元9。在运算单元9中，通过进行在第一实施例中介绍的运算确定从光源1发出的光与由光电转换器3接收到的光之间的相位差“ψ”，并通过相位差“ψ”确定物体“Ob”与距离测量装置之间的距离，以输出距离图像。
顺便提及，作为光电转换器3，可以使用光电二极管或具有光电转换能力的MOS电容器。另一方面，作为存储单元7a，可以使用光屏蔽的MOS电容器，以防止接收到外部光。当CCD用作存储单元7a的MOS电容器时，可以使用将电荷从光电转换器3传送到存储单元7a的移位门(shift gate)作为存储门6a。或者，具有单独提供电荷能力的MOS电容器可以用作存储单元7a。作为存储门6a，也可以使用常规半导体开关，例如双极型晶体管和MOSFET。作为存储门6a的移位门或半导体开关是光屏蔽的，以防止接收到外部光。或者，作为存储门6a，也可以使用与光电转换器3一起集成的MOS型器件。例如，这种MOS型器件包括具有控制MOS电容器或MOS晶体管的偏置的能力。在这种情况下，外部光入射到没有光屏蔽的存储门6a上。可以使用一维或二维型图像传感器作为图像传感器5。
根据所使用的存储单元7a的类型可以适当设计传送电路10。例如，当多个存储单元7a构成CCD时，每个存储单元7a的电荷可以通过用读出脉冲驱动CCD依次读出。另一方面，在从存储单元7a单独提供电荷的情况下，每个存储单元7a的电荷可以通过分别对放在每个存储单元7a与运算单元9之间的半导体开关的MOS晶体管进行导通/关断操作依次读出。
参考图4，进一步详细说明从存储单元7a单独提供电荷的情况。在这种情况下，使用二维矩阵排列的光电转换器3。由MOS晶体管构成的用于垂直控制的半导体开关“Sv”的漏极连接到对应于每个光电转换器3的存储单元7a。在水平方向对齐的对应于光电转换器的半导体开关“Sv”的栅极一起连接到水平信号线“Lv”。一起连接到矩阵排列的每一行的半导体开关“Sv”的栅极连接到用于垂直控制的移位电阻“SRv”。移位电阻“SRv”可以选择性的导通对应于矩阵排列的行中的一行的半导体开关“Sv”。另一方面，在垂直方向对齐的对应于光电转换器3的半导体开关“Sv”的源极一起连接到垂直信号线“Lh”。一起连接到矩阵排列的每一列的半导体开关“Sv”的源极连接到由MOS晶体管构成的用于水平控制的半导体开关“Sh”的漏极。半导体开关“Sh”的栅极连接到用于水平控制的移位电阻“SRh”。移位电阻“SRh”可以选择性的导通对应于矩阵排列的列中的一列的半导体开关“Sh”。每个半导体开关“Sh”的源极一起连接到输出线“Lo”。
因此，当在对应于矩阵排列的行中的一行的半导体开关“Sv”由移位电阻“SRv”导通的条件下，在水平方向对齐的半导体开关“Sh”由移位电阻“SRh”依次导通时，能够将对应于矩阵排列的行的每个存储单元7a的电荷提供到信号线。接着，当在对应于矩阵排列的行中的另一行的半导体开关“Sv”由移位电阻“SRv”导通的条件下，在水平方向对齐的半导体开关“Sh”由移位电阻“SRh”依次导通时，能够将对应于矩阵排列的另一行的每个存储单元7a的电荷提供到信号线。因此，通过重复上述过程，能够依次读出存储在存储单元7a中的信号电荷。因此，移位电阻“SRh”和“SRv”的每一个可以作为控制半导体开关“Sh”或“Sv”的导通/关断状态的控制器，从而每个存储单元7a选择性地连接到输出线。其它结构和操作类似第一实施例。
(第三实施例)
在本实施例中，使用具有垂直溢流通道的隔行传送CCD作为图像传感器5。对于这种类型的图像传感器，可以使用在市场中可以得到的一个。
如图5所示，图像传感器5是具有3×4个光电二极管21的矩阵排列的2维图像传感器。数字22表示由与矩阵排列的每一列的光电二极管21相邻提供的垂直传送CCD构成的垂直传送部分。数字23表示由在垂直传送部分下面提供的水平传送CCD构成的水平传送部分。每个垂直传送部分22的每个光电二极管21具有一对门电极(22a、22b)。水平传送部分的每个垂直传送部分22具有一对门电极(23a、23b)。垂直传送部分22为4相位驱动，水平传送部分23为2相位驱动。因此，水平传送部分23从垂直传送部分22接收每一个水平行的信号电荷，并输出每一个水平行的信号电荷。因为这种类型的驱动技术在CCD领域是已知的，所以省略其详细说明。
在单个衬底20上形成光电二极管21、垂直传送部分22和水平传送部分23。为铝电极的溢流电极24直接形成在衬底20上，不穿过绝缘膜。即，衬底20作为溢流通道。溢流电极24形成在衬底20上，从而围绕全部光电二极管21、垂直传送部分22和水平传送部分23，如图5所示。除对应于光电二极管21的区域之外，衬底20的表面用后面将介绍的光屏蔽膜26覆盖(图6)，。
参考图6，更详细的说明图像传感器5。在本实施例中，使用n型半导体衬底作为衬底20。在要形成光电二极管21和垂直传送部分22的区域上的衬底20的整个表面上形成p型半导体的p阱31，从而在形成垂直传送部分22的区域的p阱厚度大于形成光电二极管21的区域的p阱厚度。另外，在p阱31上形成光电二极管21的区域形成n+型半导体层32。结果，由n+型半导体层32和p阱31提供的p-n结提供光电二极管21。在光电二极管21上形成p+型半导体层33。该表面层33已知作为埋置的光电二极管。
另一方面，在p阱31上形成垂直传送部分22的区域上形成n型半导体的存储传送层34。存储传送层34的上表面基本与表面层33的上表面平齐，并且存储传送层34的厚度大于表面层33的厚度。在n+型半导体层32与存储传送层34之间形成与表面层33具有相同杂质浓度的p+型半导体的分离层35。在存储传送层34上穿过绝缘膜25形成门电极22a、22b。门电极22a通过绝缘膜25与门电极22b绝缘。如上所述，为每个光电二极管21形成门电极22a、22b。门电极22a、22b中一个的宽度大于另一个的宽度。
特定地，如图7所示，在平面形状中构成具有较小宽度的门电极22b，形成具有平坦部分和从平坦部分的相对端延伸出的一对弯曲部分的具有较大宽度的门电极22a。以门电极22a的弯曲部分在高度方向与门电极22b部分重叠的方式放置门电极22a、22b。门电极22a的平坦部分的上表面基本与门电极22b的上表面平齐。因此，在垂直传送部分22的整个长度上的存储传送层上交替放置门电极22a、22b。绝缘膜25由二氧化硅制成。门电极22a、22b由多晶硅制成。另外，除了允许光电二极管接收光的区域之外，图像传感器5的表面用光屏蔽膜26覆盖。
接着，说明上述图像传感器5的驱动机构。当空间提供的光入射到光电二极管21上时，光电二极管21产生电荷。在光电二极管21产生的电荷提供给垂直传送部分22之后，它们可以被存储在垂直传送部分22中或者通过控制加到门电极22a、22b的电压从垂直传送部分22中传送。即，门电极22a、22b作为存储门。相对于由光电二极管21产生的电荷量，加到垂直传送部分22的电荷量的比例根据加到门电极22a、22b的电压在存储传送层34中形成势阱的深度以及形成势阱的时间周期而变化。另外，当合适的电压“Vs”加到溢流电极24上时，光电二极管21产生的电荷通过衬底20清除。因此，通过控制加到溢流电极24上的电压或者在溢流电极24上加电压的时间可以确定相对于由光电二极管21产生的电荷量而加到垂直传送部分22的电荷量的比例。因此，衬底20作为电荷清除部分。
如上所述，光电二极管21作为光电转换器，并且作为信号电荷从光电二极管21提供给垂直传送部分22的电荷量可以通过控制加到门电极22a、22b和溢流电极24中的至少一个上的电压来调节。因此，门电极22a、22b和溢流电极24(即，衬底20作为电荷清除部分)中的至少一个可以看作灵敏度控制器。换句话说，对应于本地振荡器信号的电压加到门电极22a、22b和溢流电极24中的至少一个上，它可以作为灵敏度控制器。另外，垂直传送部分22可以在对应于各个门电极22a、22b的区域上形成势阱。因为信号电荷可以存储在势阱中，所以势阱可以作为电荷存储器。因为存储在垂直传送部分22中的电荷可以通过控制加到门电极22a、22b、23a、23b的电压幅度以及在门电极上施加电压的时序来输出，所以垂直传送部分22和水平传送部分作为电荷排出器。
例如，当控制加到溢流电极24的电压时，由光电二极管21产生的电荷可以向垂直传送部分22迁移，如下所述。即，图8示出了沿图6中的虚线“L1”的电子势能变化的示意图。在图8中用数字21表示的区域对应于光电二极管。在图8中用数字20表示的区域对应于衬底。在图8中用数字22表示的区域对应于垂直传送部分。当电压没有加到溢流电极24上时，在光电二极管21和衬底20之间形成p阱31产生的势垒“B1”。另外，当电压没有加到门电极22a、22b上时，在光电二极管21和垂直传送部分22之间形成分离层35产生的势垒“B2”。因此，通过加到门电极22a、22b上的电压可以控制势垒“B2”的高度。同样，通过加到溢流电极24上的电压可以控制势垒“B1”的高度。在图8中，“e”表示电子。
顺便提及，由过去已知当以适当的时序在溢流电极24上加电压时，它可以作为电子快门(shutter)。当控制加到溢流电极24上的电压，并且较高的电压加到衬底20时，由光电二极管21产生的电荷可以作为多余的电荷通过衬底20清除。换句话说，可以控制加到垂直传送部分22的电荷量。这意味着灵敏度是可以调节的。
在本实施例中，通过在溢流电极24上施加对应于本地振荡器信号的电压来调节灵敏度，并且以本地振荡器信号调制相对于由光电二极管21产生的电荷量而加到垂直传送部分22的电荷量的比例。即，通过将光电二极管21的接收器信号(即，由光电二极管21产生的电输出)与时钟发生器8提供的本地振荡器信号混合而进行频率转换。
另外，因为在存储传送层34上穿过绝缘膜25形成门电极22a、22b，通过在门电极22a、22b上施加电压在存储传送层34中形成势阱，从而可以得到用于存储电荷的电容器。因此，能够在由势阱27的深度和宽度确定的容量范围内进行积分。
图9A到9C示出了加到门电极22a和溢流电极24上的电压与由光电二极管21产生的电荷的移动之间的关系。在图9A中，通过在门电极22a上施加较高的正电压消除由分离层35产生的势垒“B2”，并在存储传送层34中形成势阱27。此时，较低的电压加在溢流电极24上形成势垒“B1”。
在这种情况下，由于势垒“B1”的存在，由光电二极管21产生的电荷不能迁移到衬底20。结果，不能清除电荷。因此，由光电二极管21产生的电荷中落在势阱27的容量范围内的全部电荷作为信号电荷迁移到垂直传送部分22，如图9A箭头所示。
另一方面，在图9B中，较高的正电压加在门电极22a上，如图9A所示，并且较高的正电压加在溢流电极24上。确定加在溢流电极24上的电压，从而衬底20的电位低于垂直传送部分22的电位。因为消除了p阱31产生的势垒“B1”，所以光电二极管21产生的一部分电荷作为信号电荷能迁移到垂直传送部分22，而剩余的电荷作为多余的电荷通过衬底20清除，如图9B箭头所示。在这种情况下，与图9A的情况相比，相对于光电二极管21产生的电荷，信号电荷的比例降低。这意味着灵敏度降低。
根据加在门电极22a和溢流电极24的电压的幅度关系确定灵敏度，即，信号电荷与多余电荷的比。因此，区域的电位越低，向该区域迁移的电荷(电子)越多。因为在图9A的条件下的垂直传送部分22的电荷存储在势阱27中，所以它们在图9B的条件下不能迁移到衬底。
为了读出在垂直传送部分22中存储的信号电荷，如图9C所示，降低加在门电极22a上的电压，以形成势垒“B2”。势垒“B2”的形成防止来自光电二极管21的电荷流入垂直传送部分22，并防止电荷从垂直传送部分22流出到光电二极管21。
在该条件下，当为门电极22a、22b提供4相位时钟“V1”～“V4”，为门电极23a、23b提供2相位时钟“VH1”、“VH2”，能够读出存储在垂直传送部分22中的信号电荷。相对于上述四个间隔的每一个各个积分(A0～A3)的确定，可以读出存储在垂直传送部分22中的信号电荷。例如，在对应于积分“A0”的信号电荷存储在势阱27中之后，读出它们。接着，在对应于积分“A1”的信号电荷存储在势阱27中之后，再次读出它们。因此，重复存储和读出信号电荷的过程。不用说，存储积分A0～A3的时间周期(即，时钟信号的数量)设置为彼此相等。另外，读出积分A0～A3的顺序并不限于上述情况。例如，在确定积分A0之后，可确定积分A2而不是A1。
根据本实施例，因为控制加在溢流电极24上的电压，所以与在形成在垂直传送部分22的门电极22a、22b上施加电压的情况相比，防止了电容分量引起的响应延迟。因此，可以使用较高的本地振荡器频率。这也意味着可以使用较高的发射频率。结果，通过缩短强度调制的周期可以改善轴向分辨率。
在控制垂直溢流通道的情况下，能够控制加在衬底20上形成的p阱31的电压代替控制加在衬底20上形成的溢流电极24的电压。这与在本说明书中介绍的另一个实施例相同。
另外，可以通过在溢流电极24上施加高电压消除势垒“B1”的条件下通过门电极22a、22b控制灵敏度。即，当存在势垒“B2”时，光电二极管21的电荷向溢流通道20迁移。另一方面，在消除势垒“B2”的条件下，光电二极管21的电荷主要向垂直传送部分22迁移。因此，能够控制从光电二极管21向垂直传送部分22迁移的电荷量。其它结构和性能类似于第二实施例。
(第四实施例)
除了以下特征，本实施例的距离测量装置基本与第三实施例的相同。即，通过控制加在门电极22a和溢流电极24的电压能够确定相对于光电二极管21产生的电荷量，作为信号电荷加到存储传送层34的电荷量的比例。
在图10A中，通过在门电极22a上施加较高的正电压消除由分离层35产生的势垒“B2”，并在存储传送层34中形成势阱27。此时，较低的电压加在溢流电极24上形成势垒“B1”。在这种情况下，由于势垒“B1”的存在，由光电二极管21产生的电荷(电子“e”)不能迁移到衬底20。因此，不会出现多余的电荷。由光电二极管21产生的电荷中落在势阱27的容量范围内的全部电荷作为信号电荷迁移到垂直传送部分22，如图10A箭头所示。
另一方面，在图10B中，较低的正电压加在门电极22a上，如图10A所示，并且较高的正电压加在溢流电极24上。确定加在溢流电极24上的电压，从而衬底20的电位低于垂直传送部分22的电位。在这种情况下，消除了p阱31产生的势垒“B1”。但是，因为形成了由分离层35产生的势垒“B2”，所以光电二极管21产生的大部分电荷作为多余的电荷通过衬底20清除，如图10B箭头所示。结果，与图10A的情况相比，相对于光电二极管21产生的电荷，信号电荷的比例降低。这意味着灵敏度降低。
在本实施例中，图10A和10B的条件交替重复。根据加在门电极22a和溢流电极24的电压的幅度关系以及加在门电极22a的电压的时间周期与加在溢流电极24的电压的时间周期的比例确定灵敏度，即，信号电荷与多余电荷的比。其它结构和性能类似于第二实施例。
(第五实施例)
在本实施例中，使用具有横向溢流通道的隔行传送CCD作为图像传感器5。对于这种类型的图像传感器，可以使用在市场中可以得到的一个。如图11所示，在本实施例的图像传感器5中，与矩阵排列的(3×4)光电二极管21的每一列相邻形成n型半导体的溢流通道41。在这种情况下，图像传感器5具有三个溢流通道41。溢流通道41在其上端通过铝电极的溢流电极24彼此相连。垂直传送部分22和水平传送部分23与第三实施例的图像传感器5的那些具有相同的功能。
参考图12，更详细的说明图像传感器5。在本实施例中，使用p型半导体衬底作为衬底40。在要形成光电二极管21的区域上的衬底40的整个表面上形成n+型半导体层42。因此，光电二极管21由n+型半导体层42和衬底40构成。另一方面，在要形成垂直传送部分22的区域的衬底40的整个表面上形成n-型半导体的存储传送层44。
在n+型半导体层42与存储传送层44之间形成p+型半导体的分离层45a。在n+型半导体层42与溢流通道41之间形成p+型半导体的分离层45b。数字43表示在n+型半导体层42和分离层45a、45b上形成的与分离层45a、45b具有相同杂质浓度的p+型半导体表面层。表面层43防止光电二极管21产生的电荷穿过n+型半导体层42的表面迁移到垂直传送部分22中。
存储传送层44的上表面基本上与表面层43和溢流通道41的上表面平齐。另外，溢流通道41的厚度大于n+型半导体层42的厚度。在存储传送层44上穿过绝缘膜25为每个光电二极管21形成门电极22a、22b。门电极22a、22b中一个的宽度大于另一个的宽度。另外，除了允许光电二极管接收光的区域之外，图像传感器5的表面用光屏蔽膜26覆盖。这些结构类似于第三实施例的图像传感器5。
正如通过将示出沿图12的虚线的电子势能变化的图13以及图14A到14C与图8和图9A到9C进行比较所理解的，本实施例与第三实施例的不同仅仅在于光电二极管21产生的电荷通过溢流通道41清除，而不是第三实施例的衬底20。与用n+型半导体层32构成第三实施例的具有横向溢流通道的隔行传送CCD的光电二极管21相比，本实施例的具有垂直溢流通道的隔行传送CCD的光电二极管21可以用具有更大厚度的n+型半导体层42构成。
即，在形成垂直溢流通道的情况下，需要在衬底20上形成光电二极管21。但是，在形成横向溢流通道的情况下，因为衬底40用作构成光电二极管21的半导体层，所以能够增加n+型半导体层42的厚度。结果，由于靠近光电二极管21形成溢流通道41，所以减小了光接收面积。但是，与第三实施例相比，改善了红外线的灵敏度。其它结构和性能类似于第三实施例。
(第六实施例)
在本实施例中，使用具有垂直溢流通道的帧传送CCD作为图像传感器5。对于这种类型的图像传感器，可以使用在市场中可以得到的一个。
如图15所示，本实施例的图像传感器5为具有矩阵排列的(4×4)光电二极管21的2维图像传感器。该图像传感器5具有允许光电二极管21在垂直方向对齐作为垂直传送CCD的图像拾取部分“D1”，以及与图像拾取部分“D1”相邻形成的存储部分“D2”，其是没有光电转换能力的垂直传送CCD的排列。在图15中，数字23表示与存储部分“D2”相邻形成的水平传送部分，其由水平传送CCD形成。水平传送部分作为电荷排出器。
在本实施例中，光电二极管21和垂直传送CCD具有存储电荷并在垂直方向传送电荷的功能。因此，图像拾取部分“D1”和存储部分“D2”作为电荷存储器。图像拾取部分“D1”的矩阵排列的每一列具有四个光电二极管21，在光接收表面形成每个光电二极管21，并具有在垂直方向对齐的三个门电极21a～21c。在存储部分“D2”中的垂直传送CCD的每一列具有两组门电极，每一组由三个门电极28a～28c构成。另外，对于第三实施例的情况，水平传送部分23在存储部分“D2”的每一列具有一对门电极23a、23b。
门电极21a～21c由6相位时钟“V1”～“V6”驱动，门电极28a～28c由3相位时钟“VV1”～“VV3”驱动。门电极23a、23b由2相位时钟“VH1”、“VH2”驱动。水平传送部分23输出来自存储部分“D2”的每一个水平线的信号电荷。因为这种类型的驱动技术在CCD领域是已知的，所以省略其详细说明。
在单个衬底50上形成图像拾取部分“D1”、存储部分“D2”和水平传送部分23。为铝电极的溢流电极24直接形成在衬底50上，不穿过绝缘膜。即，衬底50作为溢流通道。溢流通道电极24形成在衬底50上，从而围绕整个图像拾取部分“D1”、存储部分“D2”和水平传送部分23。除对应于光电二极管21的区域之外，衬底50的表面用光屏蔽膜(未示出)覆盖。
参考图16，更详细的说明图像传感器5。在本实施例中，使用n型半导体衬底作为衬底50。在要形成光电二极管21的区域上的衬底50的整个表面上形成p型半导体层51。另外，在p型半导体层51上形成n型半导体的n阱52。由p型半导体层51和n阱52提供的p-n结提供光电二极管21。另外，如图16所示，在p型半导体层51和n阱52的上表面上穿过二氧化硅绝缘膜53形成三个门电极21a～21c。每个门电极21a～21c由多晶硅制成。
在图像拾取部分“D1”和存储部分“D2”上连续形成n阱52。即，在图像拾取部分“D1”的n阱52中产生、存储并传送电荷，在存储部分“D2”的n阱52中存储并传送电荷。
接着，说明上述图像传感器5的驱动机构。当空间提供的光入射到光电二极管21上时，光电二极管21产生电荷。当适当的电压加到门电极21a～21c上时，在n阱52中形成作为电荷存储器的势阱。所产生的电荷可以存储在势阱中。另外，由于通过控制加在门电极21a～21c上的电压可以改变势阱的深度，所以能够通过控制势阱的深度传送电荷。即，门电极21a～21c作为存储门。
另一方面，当适当的电压“Vs”加到溢流电极24上时，光电二极管21产生的电荷通过衬底50清除。因此，通过控制加到溢流电极24上的电压和在溢流电极24上加电压的时间，能够相对于由光电二极管21产生的电荷量改变作为信号电荷存储在n阱52的势阱中的电荷量的比例。即，通过在溢流电极24(即，衬底50)上施加对应于本地振荡器信号的电压，可以相对于由光电二极管21产生的电荷量控制信号电荷的比例。因此，如同第三实施例的情况，衬底50作为灵敏度控制器。
参考图17，示出了沿图16的虚线的电子势能，说明由光电二极管21产生的电荷的迁移。在图17中用数字21表示的区域对应于光电二极管。在图17中用数字50表示的区域对应于衬底。当电压没有加到溢流电极24上时，在光电二极管21(n阱52)和衬底50之间形成p型半导体层51产生的势垒“B3”。另一方面，在光电二极管21的衬底50的对侧，形成由p型半导体层51产生的势垒“B4”。
通过形成这些势垒，能够防止光电二极管21产生的电荷(电子“e”)泄漏到外部。通过控制加到溢流电极24上的电压可以确定势垒“B3”的高度。另一方面，通过在门电极21a～21c上施加电压形成的势阱中存储的电荷量由势阱的深度确定，势阱的深度由加在门电极21a～21c上的电压确定。即，当加在门电极21b上的电压大于加在门电极21a、21c上的电压时，所形成的势阱在其中央区域具有最大深度，如图18所示。
当适当的电压加在溢流电极24上，从而衬底50的电位低于n阱52的电位时，电压加在门电极21a、21c上，以消除势垒“B3”，并且电压加在门电极21b上，以形成势垒“B3”，大量电荷(电子“e”)存储在中央区域中，如图19B所示，并且在两侧区域的电荷通过衬底50清除，如图19A和19C所示。因此，通过给定到溢流电极24的本地振荡器信号，能够相对于光电二极管21产生的电荷调节在n阱52中形成的势阱中存储的信号电荷的比例。即，因为由本地振荡器信号控制灵敏度，所以存储在势阱中的信号电荷量成为与在由6相位时钟“V1”～“V6”定义的时刻差拍信号的积分A0～A3对应的电荷量。
顺便提及，在由光电二极管21产生电荷的时间周期期间，在旁边的门电极21a、21c产生的一部分电荷作为噪声分量流入对应于中间门电极21b的势阱中。另外，因为在各个积分A0～A3的每个中确定时传送电荷，所以在传送信号电荷的时间周期期间，光电二极管21产生的电荷作为噪声分量混入积分A0～A3。但是，这些噪声分量被积分平均，并且通过确定相位差“ψ”形成的减法操作基本被去掉。因此，这些噪声分量的影响变小。即，即使使用帧传送CCD，也能够精确地确定相位差“ψ”。
另外，因为通过使用帧传送CCD可以增加光电二极管21的孔径比，所以与使用隔行CCD的情况相比，能够实现更高的灵敏度。在上述情况下，为每个光电二极管21提供三个门电极21a～21c。但是，本实施例并没有限定对应于一个光电二极管的门电极的数量。其它结构和性能类似于第三实施例。
(第七实施例)
在本实施例中，使用具有横向溢流通道的帧传送CCD作为图像传感器5。如图20所示，本实施例的图像传感器5为具有矩阵排列(4×4)的光电二极管21的2维图像传感器。与光电二极管21的矩阵排列的每一列相邻形成n型半导体的溢流通道61。在这种情况中，图像传感器5具有四个溢流通道61。溢流通道61在其上端通过铝电极的溢流电极24彼此相连。图像拾取部分“D1”、存储部分“D2”和水平传送部分23与第六实施例的图像传感器5的那些具有相同的功能。
参考图21，更详细的说明图像传感器5。在本实施例中，用p型半导体衬底作为衬底60。在衬底60的整个表面上形成p型半导体层62。另外，在p型半导体层62中形成n型半导体的n阱63。p型半导体层62和n阱63提供光电二极管21。在p型半导体层62中与n阱63相邻形成p+型半导体的p+阱64。在p+阱64的上表面形成n型半导体的溢流通道61。由此，除了使用具有不同导电类型的衬底60和形成溢流通道61，本实施例的图像传感器5与第六实施例的图像传感器具有基本相同的结构。但是，与第六实施例相比，本实施例的图像传感器对红外线具有更高的灵敏度。
正如通过将示出沿图21的虚线L4的电子势能变化的图22与图17进行比较所理解的，本实施例与第六实施例的不同在于光电二极管21产生的电荷通过溢流通道61清除，而不是第六实施例的衬底50。通过在门电极21a～21c上施加电压在n阱63中形成的势阱中存储的电荷量由势阱的深度确定，势阱的深度由加在门电极21a～21c上的电压确定。即，当加在门电极21b上的电压大于加在门电极21a、21c上的电压时，对应于中间门电极21b的势阱具有最大深度。
当适当的电压加在溢流电极24上，以降低势垒“B3”时，电荷(电子“e”)存储在应于中间门电极21b的的势阱中，如图23B所示，在对应于旁边的门电极21a、21c的区域中产生的电荷通过溢流通道61清除，如图23A和23C所示。其它结构和性能类似于第六实施例。
(第八实施例)
如在第六和第七实施例中所说明的，当使用帧传送CCD作为图像传感器5时，为每个光电二极管21形成的门电极的数量并不限于三个。在本实施例中，为每个光电二极管21形成四个门电极。
在图24A和24B中，数字1～4分别表示第一、第二、第三和第四门电极。数字1～4的一个循环周期对应于一个光电二极管21的区域。图24A示出了存储由光电二极管21产生的电荷的周期，图24B示出了清除多余电荷的周期。阈值“Th1”表示溢流通道的电位。
如图24A所示，在存储电荷的周期中，通过不在第一门电极(1)上施加电压，在相邻的光电二极管21之间形成势垒，以便防止每个光电二极管21产生的电荷彼此混合。另外，当以阶梯的方式递减在第二、第三和第四门电极(2)～(4)上施加的电压时，能够得到具有不同深度的阶梯形势阱。对应于第三和第四门电极(3)、(4)的每个区域具有高于阈值“Th1”的电位。在对应于第二门电极(2)的区域，势阱具有最大深度(最低电位)。因为该电位低于阈值“Th1”，所以由光电二极管21产生的电荷(电子“e”)主要存储在对应于第二门电极(2)的区域中。
另一方面，如图24B所示，在清除电荷的周期中，增加对应于第三和第四门电极(3)、(4)的区域的电位，以防止存储在对应于在电荷存储周期中具有最低电位的第二门电极(2)的区域中的电荷泄漏。从而在电荷存储周期中在对应于第一、第三和第四门电极(1)、(3)、(4)的区域中产生的电荷流入溢流通道和对应于第二门电极(2)的区域中。因此，通过适当控制电荷存储周期与电荷清除周期的比例能够相对于光电二极管21产生的电荷量调节多余电荷量的比例。这意味着灵敏度可调。其它结构和性能类似于第六和第七实施例。
(第九实施例)
在本实施例中，为每个光电二极管21形成六个门电极。在图25A和25B中，数字1～6分别表示第一、第二、第三、第四、第五和第六门电极。数字1～6的一个循环周期对应于一个光电二极管21的区域。图25A示出了存储由光电二极管21产生的电荷的周期，图25B示出了清除多余电荷的周期。阈值“Th2”表示溢流通道的电位。
如图25A所示，在存储电荷的周期中，通过不在第一门电极(1)上施加电压，在相邻的光电二极管21之间形成势垒，以便防止每个光电二极管21产生的电荷彼此混合。在对应于第四门电极(4)的区域，势阱具有最大深度。以阶梯的方式增加在对应于第二、第三、第五和第六门电极(2)、(3)、(5)、(6)的区域上的电位，从而高于阈值“Th2”。如上所述，在对应于第四门电极(4)的区域，因为势阱具有低于阈值“Th2”的最大深度，所以由光电二极管21产生的电荷(电子“e”)主要存储在对应于第四门电极(4)的区域中。
如图25B所示，在清除电荷的周期中，增加对应于第二、第三、第五和第六门电极(2)、(3)、(5)、(6)的区域的电位，以防止存储在对应于在电荷存储周期中具有最低电位的第四门电极(4)的区域中的电荷泄漏。从而在电荷存储周期中在对应于第一、第二、第三、第五和第六门电极(1)、(2)、(3)、(5)、(6)的区域中产生的电荷流入溢流通道和对应于第四门电极(4)的区域中。
因此，对于与第八实施例的情况，通过适当控制电荷存储周期与电荷清除周期的比例能够相对于光电二极管21产生的电荷量调节多余电荷量的比例。这意味着灵敏度可调。其它结构和性能类似于第六或第七实施例。
(第十实施例)
如上所述，当使用帧传送CCD作为图像传感器5时，在除了确定积分A0～A3的周期之外的时间周期中，光电二极管21产生的电荷可能作为噪声分量混入信号电荷中。该噪声分量基本为常数，并且通过在确定积分A0～A3的周期中存储电荷来平均该噪声量。因此，在一定程度上能够去掉噪声分量并确定相位差“ψ”。
但是，由于噪声分量使S/N比降低。例如，当在关于电荷存储和传送的区域需要更大的动态范围时，距离测量装置的价格/性能恶化。在本实施例中，如图26A和26B所示，在存储信号电荷的区域以及与光电二极管21产生电荷无关的区域上形成光屏蔽膜65。
在图26A和26B中，对于第九实施例的情况，为每个光电二极管21形成六个门电极(1)到(6)。具体的，在对应于门电极(1)、(3)～(5)的区域形成光屏蔽膜65，从而只在对应于光电二极管21的门电极(2)、(6)的区域产生电荷(电子“e”)。结果，门电极(4)对电荷的产生基本没有贡献。换句话说，在门电极(4)不出现噪声分量。与没有形成光屏蔽膜65的情况相比，能够改善S/N比。其它结构和性能类似于第九实施例。
在上述各实施例中，每次确定各个积分A0～A3时输出电荷。下面说明的图像传感器5具有同时确定积分A0～A3中的至少两个的能力。
(第十一实施例)
在本实施例中，使用改进的图20中所示的帧传送CCD作为图像传感器5。即，如图27所示，交替放置溢流通道(61a、61b)，从而为每个光电二极管21提供溢流通道。因此，不用说，可以分别清除每个光电二极管21产生的电荷。
通过为每个溢流通道61a、61b给定本地振荡器信号，可以相对于光电二极管21产生的电荷量调节迁移到电荷存储器的势阱的信号电荷量的比例。在本实施例中，在传送信号电荷的方向对相邻的溢流通道61a、61b分别给定频率相同、相位相反的本地振荡器信号“φ1”、“φ2”。通过使用频率相同、相位相反的本地振荡器信号“φ1”、“φ2”，分别对应于本地振荡器信号的差拍信号也相位相反，如图28A和28B所示。
即，当在一个像素由相邻的两个光电二极管21的组提供的条件下进行上述控制时，对应于每个相位相反的差拍信号的电荷被存储在对应于两个光电二极管21的每一个的电荷存储器中。通过相对于这些相位相反的差拍信号中的每一个进行积分，能够同时得到确定相位差“ψ”所需的四个积分A0～A3中的两个。即，在本实施例中，可以同时存储积分A0、A1，可以同时存储积分A2、A4。
在本实施例中，因为将信号电荷与无关(extraneous)电荷混合，所以它们成为噪声分量。但是，无关电荷的数量远小于信号电荷，并且无关电荷以基本恒定的比例与信号电荷混合。因此，噪声分量对于确定相位差“ψ”具有最小的影响。其它结构和性能类似于第七实施例。
(第十二实施例)
在第十一实施例中，用改进的具有横向溢流通道的隔行传送CCD代替改进的帧传送CCD作为图像传感器5。即，如图29所示，与垂直方向对齐的光电二极管21相邻，交替放置溢流通道(41a、41b)，从而为每个光电二极管21提供溢流通道。另外，在垂直传送部分22中为每个光电二极管21形成三个门电极22a～22c。
在该图像传感器5中，一对在垂直方向相邻的光电二极管21提供一个像素，在与限定像素的两个光电二极管21对应的溢流通道61a、61b分别给定频率相同、相位相反的本地振荡器信号“Ф1”、“Ф2”。另外，对第十一实施例的情况，门电极21a～21c用6相位时钟驱动。结果，能够同时确定积分A0～A3中的两个。其它结构和性能类似于第十一实施例。
在第十一和第十二实施例中，为每个溢流通道形成三个门电极。但是，为每个溢流通道形成的门电极数可以是四个或更多。另外，当对不同的溢流通道给定相位彼此相差90度的四个本地振荡器信号，以代替相位相反的本地振荡器信号“Ф1”、“Ф2”时，能够同时确定积分A0～A3。此外，相位相反的本地振荡器信号“Ф1”、“Ф2”可以加在门电极21a～21c、22a～22c上。或者，相位相反的本地振荡器信号“Ф1”、“Ф2”可以加在溢流通道和这些门电极上。
在上述实施例中，隔行传送CCD或帧传送CCD用作图像传感器5。另外，如图30所示，可以使用通过用隔行传送CCD的光电二极管21和垂直传送部分22代替图15的帧传送CCD的图像拾取部分“D1”得到的帧隔行传送CCD。在这种情况下，与帧传送CCD相比，存在可以防止污点出现的优点。
在上述实施例中，也可以用1维图像传感器代替2维图像传感器。另外，在第一实施例中可以只使用一个光电转换器3。另外，在上述实施例中使用用来确定距离信息的分析器。但是，作为要了解的空间(intended space)的信息，通过分析器只能确定相位差“ψ”。或者，根据积分A0～A3评估或确定要了解的空间的另一个信息。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明的空间信息检测装置，即使当由于驱动光源的波形失真或者从外部进入该空间的光的数量瞬时变化引起光电转换器接收到的光的波形出现失真时，由于使用差拍信号的积分确定空间信息，所以对测量精度影响较小。因此，与测量精度受波形影响的常规检测装置相比，具有改善检测到的空间信息的精度的优点。另外，因为使用频率低于强度调制光的发射频率的差拍信号的积分来确定空间信息，所以具有在光接收侧可以使用较便宜的开关器件代替具有高速响应的昂贵的开关器件的另一个优点。
具有本发明的这些优点的空间信息检测装置可广泛用于需要确定在强度调制光与接收到的光之间的相位差的任何装置，特别适合距离测量装置。

Claims (18)

1.一种使用强度调制光的空间信息检测装置，包括：
至少一个光电转换器，用来接收照射以预定发射频率的强度调制光的空间提供的光，并且产生对应于接收到的光强度的电荷量作为电输出；
本地振荡器电路，用来输出具有不同于发射频率的本地振荡器频率的本地振荡器信号；
灵敏度控制器，用来将所述本地振荡器信号与所述电输出混合，以将所述电输出频率转换为低于发射频率的较低频率的差拍信号；
积分器，以预定的时序进行所述差拍信号的积分；以及
分析器，根据所述积分器的输出确定关于所述空间的信息，
其中所述积分器具有电荷存储器和电荷排出器，电荷存储器用来存储由所述光电转换器产生的电荷的至少一部分，作为信号电荷，电荷排出器与具有发射频率与本地振荡器频率之间的频率差的所述差拍信号同步地从所述电荷存储器中排出电荷，以及
所述灵敏度控制器具有以本地振荡器频率调制迁移到所述电荷存储器的电荷量相对于由光电转换器产生的电荷量的比的功能。
2.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述积分器相对于多个积分范围进行所述差拍信号的积分，每个积分范围在所述差拍信号的给定相位间隔内确定，并且所述分析器包括由多个积分范围得到的积分确定照射到空间的光与由所述光电转换器接收到的光之间的相位差。
3.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述灵敏度控制器包括在所述光电转换器和所述积分器之间提供的半导体开关。
4.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述电荷存储器存储多个范围的信号电荷，每个范围在所述差拍信号的给定相位间隔内确定，并且
所述分析器包括确定照射到空间的光与由所述光电转换器接收到的来自多个范围的存储的信号电荷的光之间的相位差。
5.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述灵敏度控制器包括在所述光电转换器和所述电荷存储器之间提供的存储门，以调节从所述光电转换器迁移到所述电荷存储器的电荷量。
6.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述灵敏度控制器包括电荷清除单元，用来去掉由所述光电转换器产生的电荷的至少一部分，作为多余的电荷。
7.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述灵敏度控制器包括：在所述光电转换器和所述电荷存储器之间提供的存储门，以调节从所述光电转换器迁移到所述电荷存储器的电荷量；和电荷清除单元，用来去掉由所述光电转换器产生的电荷的至少一部分，作为多余的电荷。
8.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，还包括电荷清除单元，其中所述至少一个光电转换器为多个光电转换器，
所述积分器的电荷存储器是具有存储区域的电荷耦合器件，存储区域存储由每个所述光电转换器在与每个光电转换器提供的门电极对应的区域产生的至少一部分电荷，作为信号电荷，
所述电荷排出器是将信号电荷从所述电荷存储器转移到外部的电荷耦合器件，
所述电荷清除单元形成有溢流通道，用来清除由每一个所述光电转换器根据外部信号以批量方式产生的至少一部分电荷，
所述光电转换器、所述电荷存储器、所述电荷排出器和所述电荷清除单元安装在单个半导体衬底上，以得到图像传感器，以及
所述灵敏度控制器是所述门电极和所述电荷清除单元中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，还包括电荷清除单元，用来去掉由所述光电转换器产生的电荷的至少一部分，作为多余的电荷，其中所述至少一个光电转换器为多个光电转换器，并且所述光电转换器、所述电荷存储器、所述电荷排出器和所述电荷清除单元安装在单个半导体衬底上，从而作为一个整体提供具有溢流通道的隔行传送电荷耦合器件图像传感器。
10.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，还包括电荷清除单元，用来去掉由所述光电转换器产生的电荷的至少一部分，作为多余的电荷，其中所述至少一个光电转换器为多个光电转换器，并且所述光电转换器、所述电荷存储器、所述电荷排出器和所述电荷清除单元安装在单个半导体衬底上，从而作为一个整体提供具有溢流通道的帧传送电荷耦合器件图像传感器。
11.根据权利要求8所述的空间信息检测装置，其中所述图像传感器在存储电荷和与电荷的产生不相关的区域上具有光屏蔽膜。
12.根据权利要求8所述的空间信息检测装置，其中所述灵敏度控制器为所述门电极，并且加到所述门电极的电压由本地振荡器频率调制。
13.根据权利要求8所述的空间信息检测装置，其中所述灵敏度控制器为所述电荷清除单元，并且加到所述电荷清除单元的外部信号由本地振荡器频率调制。
14.根据权利要求8所述的空间信息检测装置，其中所述灵敏度控制器为所述门电极和所述电荷清除单元，并且加到所述门电极的电压和加到所述电荷清除单元的外部信号二者中的每个由本地振荡器频率调制。
15.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述至少一个光电转换器为多个光电转换器，
从多个光电转换器中选择一组光电转换器，以定义一个像素，
对应于所述光电转换器组的多个灵敏度控制器由彼此具有相同的本地振荡器频率和不同相位的本地振荡器信号调制，以及
所述电荷排出器同时输出与由所述光电转换器组得到的所述差拍信号的不同相位对应的信号电荷。
16.根据权利要求15所述的空间信息检测装置，其中所述分析器包括通过对应于所述差拍信号的不同相位的信号电荷确定照射到空间中的光与由所述光电转换器接收到的光之间的相位差。
17.根据权利要求15所述的空间信息检测装置，还包括电荷清除单元，其中所述至少一个光电转换器为多个光电转换器，
所述积分器的电荷存储器是具有存储区域的电荷耦合器件，存储区域存储由每个所述光电转换器在与每个光电转换器提供的门电极对应的区域产生的至少一部分电荷，
所述电荷排出器是将电荷从所述电荷存储器转移到外部的电荷耦合器件，
所述电荷清除单元形成有溢流通道，用来清除由每个所述光电转换器根据外部信号以批量方式产生的至少一部分电荷，
所述光电转换器、所述电荷存储器、所述电荷排出器和所述电荷清除单元安装在单个半导体衬底上，以得到图像传感器，以及
所述灵敏度控制器是所述门电极和所述电荷清除单元中的至少一个。
18.根据权利要求2所述的空间信息检测装置，其中所述分析器包括将所述相位差转换为距离信息。
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