CN1659447A - 具有可控灵敏度的光接收设备及其空间信息检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种使用强度调制光的空间信息检测装置，包含：光电转换器，用来接收从空间提供的光，其中向该空间中发射了用预定调制信号进行强度调制的光，并且生成相应于接收光强度的电荷量；具有电极的电荷抛弃部件，用来根据施加到所述电极的电压从由所述光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；电荷存储部件，用来存储来自由所述光电转换器生成的电荷的信号电荷；控制电路，用来按照与所述调制信号的周期同步的定时，控制施加到所述电极的电压，以改变在所述电荷存储部件中存储的信号电荷相对由所述光电转换器生成的电荷的比例；电荷喷射泵，用来输出来自所述电荷存储部件的信号电荷；以及分析器，用来根据所述电荷喷射泵的输出确定空间信息。根据该装置，因为预先由电荷抛弃部件从由光电转换器生成的电荷中去除了不必要电荷，所以可以提高S/N比并且准确地确定空间信息。

Description

具有可控灵敏度的光接收设备 及其空间信息检测装置
技术领域
本发明涉及一种使用新型灵敏度控制方法的光接收设备以及根据该光接收设备技术概念的空间信息检测装置。
背景技术
过去使用利用强度调制光检测空间信息的技术。即，从光源向空间发射强度调制光，并且由光电转换器接收从空间中的目标反射的光。可以根据强度调制光与接收光之间的关系确定空间信息。在本说明书中，空间信息包含距目标的距离、由目标上的反射引起的光接收量变化等等。例如，可以根据强度调制光与接收光之间的相位差，确定距离信息。一般地，该技术称为“飞行时间(TOF)”方法。
例如，美国专利5856667公开了一种使用TOF方法的距离测量装置。在该装置中，从光源发射的光由具有所需调制频率(即发射频率)的正弦波进行强度调制，并且在短于为调制频率倒数的调制周期的时间周期内，光敏部件多次检测接收光的强度。当在一个调制周期内重复检测接收光强度4次时，根据所检测的四个接收光的强度确定相位距离。例如，当以20MHz无线电波对从光源向目标发射的光进行强度调制时，经过强度调制的光的波长为15m。因此，当经过强度调制的光去向与该装置距离7.5m的目标并且返回时，产生相应于一个调制周期的相位延迟。
当从光源发射的光被强度调制时，如图30的曲线“W”所示，并且从目标反射的调制光由光敏部件接收，则接收光的强度改变，例如，图30的曲线“R”所示。在这种情况下，可以在四个的相位(0°、90°、180°、270°)上检测接收光的四个强度(A1、A2、A3、A4)。然而，在当前情况下，不可能检测恰在这些相位(0°、90°、180°、270°)的每一个的时刻上接收的光的强度。实际上，接收光的强度的每一个相应于在一时间宽度(Tw)内接收的光强度，如图30所示。
在采样接收光的强度(A1、A2、A3、A4)的时间周期内相位差“Ψ”不变化并且发射光与接收光之间的消光比没有变化的假定之下，可以用以下等式表示接收光强度(A1、A2、A3、A4)与相位差“Ψ”之间的关系：
Ψ＝tan-1{(A3-A1)/(A0-A2)}。
利用如此获得的相位差“Ψ”[rad]、调制周期“T”[s]、以及光速“c”[m/s]，可以通过以下公式计算目标与该装置之间的距离“L”[m]。
LcT(Ψ/4π)。
为了实现上述技术概念，该美国专利提出利用图31所示的摄像传感器，其包含在每个光敏部件(PD)中配备的四个存储器单元(M0、M1、M2、M3)，以及安装在每个存储器单元与光敏部件之间的电子开关(S0、S1、S2、S3)。在短时间宽度(Tw)内分别闭合这些电子开关(S0、S1、S2、S3)，如图30所示，以在存储器单元(M0、M1、M2、M3)中存储接收光强度(A0、A1、A2、A3)。通过相对多个周期重复该过程，可以减少暗电流噪声、发射噪声(即由电子-空穴对出现的变化引起的噪声)、放大器电路的静电噪声等等的影响，并且提高信噪比。在本说明书中，以上描述的操作称为“同步综合”(synchronized integration)。
然而，当电荷由光敏部件生成时，某些电荷可能停留在光敏部件中一段时间而没有通过电子开关转移到存储单元。通过光敏部件中的复合，此类剩余电荷消失。可替换地，当在时间宽度(Tw)内闭合另一电子开关时，可以通过该电子开关将剩余电荷偶然地转移到另一存储单元。
例如，当调制频率为20MHz时，需要时间宽度(Tw)短于调制周期50ns。在另一方面，允许剩余电荷通过复合消失所需的时间一般长于100μs。因此，存在以下可能性：剩余电荷被偶然转移到另一存储单元。这意味着剩余电荷作为噪声分量被混合在待存储在该存储单元中的信号电荷中。结果，当根据上述操作确定相位差“Ψ”时，存在检测距离信息的准确性下降的问题。另外，当使用具有大量电子开关的摄像传感器时，如图30所示，存在另一问题，即距离测量装置的性价比下降。
发明内容
因此，本发明的首要目的是提供一种使用强度调制光的空间信息检测装置，其能够防止不必要电荷作为噪声分量被混合在用来确定空间信息的信号电荷中，并且能够提高信噪比。
即本发明的空间信息检测装置包含：
至少一个光电转换器，用来接收从空间提供的光，其中向该空间中发射了用预定调制信号进行强度调制的光，并且生成相应于接收光强度的电荷量；
具有第一电极的电荷抛弃部件，用来根据施加到所述第一电极的电压从由所述光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；
电荷存储部件，用来存储来自由所述光电转换器生成的电荷的信号电荷；
控制电路，用来按照与所述调制信号的周期同步的定时，控制施加到所述第一电极的电压，以改变在所述电荷存储部件中存储的信号电荷相对由所述光电转换器生成的电荷的比例；
电荷喷射泵，用来输出来自所述电荷存储部件的信号电荷；以及
分析器，用来根据所述电荷喷射泵的输出确定空间信息。
根据本发明，因为按照与调制信号的周期同步的定时控制施加的到电荷抛弃部件第一电极的电压，所以具有以下优点：不被用做信号电荷的剩余电荷，即由光电转换器生成的部分电荷，可以确保在转移到电荷存储部件之前被作为不必要电荷去除，并且结果使S/N比显著提高。另外，因为可以在不经过通过光电转换器中的复合允许剩余电荷消失所需时间的情况下，向电荷存储部件转移信号电荷，所以可以高准确度、高效率地确定空间信息。
在本发明中，优选的是，所述电荷存储部件具有第二电极，并且所述控制电路将施加到所述第二电极的电压控制为恒定，以向所述电荷存储部件转移所需量的由所述光电转换器生成的电荷。另外，优选的是，所述控制电路控制施加到所述第一电极与所述第二电极的电压，从而在向所述电荷存储部件转移由所述光电转换器生成的电荷的阶段与向所述电荷抛弃部件转移由所述光电转换器生成的电荷的阶段之间交替切换。
另外，优选的是，所述分析器根据相对所述调制信号周期内不同相位存储的信号电荷，确定距离信息，并且所述空间信息检测装置还包含：相位开关，用来在每次完成在所述电荷存储部件中存储信号电荷时，改变所述调制信号的相位，此时向所述第一电极施加电压。另外，优选的是，所述电荷存储部件具有在存储信号电荷的区域的附近形成的所述第二电极上的光屏蔽薄膜。
本发明的另一目的在于提供能够达到上述优点的另一种使用强度调制光的空间信息检测装置。即
本发明的空间信息检测装置包含：
至少一个光电转换器，用来接收从空间提供的光，其中向该空间中发射了用预定调制信号进行强度调制的光，并且生成相应于接收光强度的电荷量；
具有第一电极的电荷抛弃部件，用来根据施加到所述第一电极的电压从由所述光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；
具有第二电极的电荷存储部件，用来根据施加到所述第二电极的电压存储来自由所述光电转换器生成的电荷的信号电荷；
控制电路，用来按照与所述调制信号的周期同步的定时，控制施加到所述第二电极的电压，以改变在所述电荷存储部件中存储的信号电荷相对由所述光电转换器生成的电荷的比例；
电荷喷射泵，用来输出来自所述电荷存储部件的信号电荷；以及
分析器，用来根据所示电荷喷射泵的输出确定空间信息。
根据本发明，通过按照与调制信号的周期同步的定时控制施加到第二电极的电压，可以改变待存储在电荷存储部件中的信号电荷相对由光电转换器生成的电荷的比例，并且通过向第一电极时间恒定电压，由光电转换器生成的电荷的部分电荷(即剩余电荷)总是被作为不必要电荷抛弃。即，可以控制在光电转换器生成的电荷中、待转移到电荷存储部件的信号电荷量。因此，具有以下优点：更有效地确定空间信息，而不破坏检测准确性。
作为本发明的另一优选实施方式，所述空间信息检测装置包含多个光电转换器，并且从所述多个光电转换器选择一组光电转换器来定义一个像素。所述控制电路允许所述电荷存储部件按照与所述调制信号周期同步的不同相位的每一个的定时存储来自由所述组的光电转换器的每一个生成的电荷的信号电荷。所述电荷喷射泵同时输出相对不同相位存储的信号电荷。
本发明的另一目的是提供一种使用具有溢流漏极电极的现有CCD摄像传感器的空间信息检测方法，其特征在于：通过与调制信号的周期同步地控制施加到溢流电极的控制电压，以获得与同步集成基本相同的操作。
即，本发明的空间信息检测方法包含以下步骤：
允许所述CCD摄像传感器接收从向其中发射用预定调制信号进行了强度调制的光的空间提供的光；
通过相对所述调制信号周期内不同相位的每一个多次重复电荷抽取操作，存储信号电荷；以及
根据相对所述调制信号不同相位的每一个存储的信号电荷，确定空间信息，
其中所述电荷抽取操作包含以下步骤：根据与所述调制信号的周期同步地施加到所述溢流电极的控制电压，从由所述CCD摄像传感器的光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；以及在所述CCD摄像传感器的电荷存储区域中存储作为信号电荷的剩余电荷。
根据本发明的以上方法，即使使用现有CCD摄像传感器来检测空间信息时，也可能通过与所述调制信号的周期同步地控制施加到溢流电极的控制电压而不是使用大量的电子开关，改进S/N比，并且以高准确性、高效率地获得空间信息。
在以上检测方法中，优选地是，所述CCD摄像传感器具有至少三个光电转换器，并且所述电荷抽取操作包含以下步骤：与所述调制信号的周期同步地向所述溢流漏极电极施加控制电压，使得由所述至少三个光电转换器中的预定一个或多个生成的电荷被作为信号电荷存储在所述电荷存储区域中，并且由剩余一或多个光电转换器生成的电荷被作为不必要电荷抛弃。另外，优选地是，向所述溢流漏极电极施加控制电压，以生成势垒，用于将预定一个或多个光电转换器从剩余一个或多个光电转换器中电隔离。
本发明的另一目的在于提供一种具有可控灵敏度的光接收元件，其对于上述空间信息检测装置尤其有用。
即本发明的光接收元件包含：
至少一个光电转换器，用来接收从空间提供的光，其中向该空间中发射了用预定调制信号进行强度调制的光，并且生成相应于接收光强度的电荷量；
具有电极的电荷抛弃部件，用来根据施加到所述电极的电压从由所述光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；
电荷存储部件，用来存储来自由所述光电转换器生成的电荷的信号电荷；
灵敏度控制器，用来按照与所述调制信号的周期同步的定时，控制施加到所述电极的电压，以改变在所述电荷存储部件中存储的信号电荷相对由所述光电转换器生成的电荷的比例；以及
电荷喷射泵，用来输出来自所述电荷存储部件的信号电荷。
通过以下参照附图对具体实施方式的描述，可以更明显地看出本发明的以上以及其他目的与优点。
附图说明
图1为本发明的距离测量装置的方框图；
图2A至2D为说明根据本发明第一实施方式的距离测量装置的工作原理的解释性图示；
图3A至3D为说明根据本发明第二实施方式的距离测量装置的工作原理的解释性图示；
图4A至4D为说明根据本发明第三实施方式的距离测量装置的工作原理的解释性图示；
图5为根据本发明第四实施方式的距离测量装置的摄像传感器的平面图；
图6为摄像传感器相关部分的分解透视图；
图7为显示沿图6或11的线A-A的剖面图；
图8为显示距离测量装置的操作的电势图；
图9A至9C为显示距离测量装置的另一操作的电势图；
图10为根据本发明第五实施方式的距离测量装置的摄像传感器的平面图；
图11为摄像传感器相关部分的分解透视图；
图12为显示距离测量装置的操作的电势图；
图13A至13C为显示距离测量装置的另一操作的电势图；
图14为根据本发明第六实施方式的距离测量装置的摄像传感器的平面图；
图15为摄像传感器相关部分的透视图；
图16为显示距离测量装置的操作的电势图；
图17为显示距离测量装置的另一操作的电势图
图18A至18C为显示距离测量装置的另一操作的电势图；
图19为根据本发明第七实施方式的距离测量装置的摄像传感器的平面图；
图20为摄像传感器相关部分的透视图；
图21为显示距离测量装置的操作的电势图；
图22A至22C为显示距离测量装置的另一操作的电势图；
图23A与23B为显示根据本发明第八实施方式的距离测量装置的操作的电势图；
图24A与24B为显示根据本发明第九实施方式的距离测量装置的操作的电势图；
图25A与25B分别为三维地显示在电荷存储阶段与电荷抛弃阶段内在门电极下生成的电子电势的解释性图示；
图26A与26B为显示根据本发明第十实施方式的距离测量装置的操作的电势图；
图27为根据本发明第十一实施方式的距离测量装置的透视图；
图28为根据本发明第十二实施方式的距离测量装置的摄像传感器的平面图；
图29为根据本发明第十三实施方式的距离测量装置的摄像传感器的平面图；
图30为显示现有距离测量装置的工作原理的解释性图示；和
图31为用于现有距离测量装置的摄像传感器的平面图。
具体实施方式
作为本发明空间信息检测装置的例子，以下将详细描述用来根据向目标发射的强度调制光与由光电转换器接收的光之间的相位差确定距离信息的距离测量装置的优选实施方式。然而，无须指出，本发明不限于这些实施方式。应该理解本发明的技术思路可以用于使用相位差的任何装置或设备。
<第一实施方式>
如图1所示，本实施方式的距离测量装置具有光源2，用来向所需空间发射光。从光源2发射的光由控制电路3以预定调制频率进行强度调制。作为光源2，例如可以使用发光二极管(LED)阵列或者半导体激光与发散透镜的组合。作为例子，控制电路3用20MHz正弦波对从光源2发射的光进行强度调制。
另外，该距离测量装置具有多个光电转换器11，用来接收从空间通过诸如透镜4等光学系统提供的光。每个光电转换器11都生成相应于接收光强度的电荷量。例如，可以使用光电二极管作为光电转换器11。作为光电二极管的结构，具有“p-n”结结构、“pin”结构、以及“MIS”结构。在该实施方式中，使用100×100光电转换器11矩阵阵列作为摄像传感器1。
由光源2所发射的光进入的空间的三维信息通过镜头4映射到作为摄像传感器1的光接收表面的二维平面。例如，当在空间中存在目标“Ob”时，从目标每个点反射的光由光电转换器接收。通过检测从光源2发射的光与由光电转换器11接收的光之间的相位差，可以确定该装置与目标每个点之间的距离。
除了光电转换器11之外，摄像传感器1还具有：电荷存储部分12，用来存储由光电转换器11生成的部分电荷，作为用来确定相位差的信号电荷；电荷抛弃部分14，用来从由光电转换器11生成的电荷中去除不被用做信号电荷的不必要电荷；以及电荷喷射泵13，用来输出来自电荷存储部分12的信号电荷到摄像传感器1的外部。电荷存储部分12具有第一电极12a。通过控制施加到第一电极12a的电压，可以改变从光电转换器11转移到电荷存储部分12的电荷量。另外，电荷抛弃部分14具有第二电极14a。通过控制施加到第二电极14a的电压，可以改变从光电转换器11转移到电荷抛弃部分14的电荷量。
每个光电转换器11都配备有电荷存储部分12。因此，电荷存储部分12的数目等于每个光电转换器11的数目。在另一方面，可以为每组多个光电转换器11配备电荷抛弃部分14。在本实施方式中，为摄像传感器1的所有光电转换器11形成单一电荷抛弃部分14。从电荷喷射泵13输出的信号电荷送往分析器5。在分析器5中，确定从光源2发射的光与由光电转换器11接收的光之间的相位差。
如上所述，为了确定与目标“Ob”的距离，需要按与调制信号周期同步的定时检测接收光的强度(A0、A1、A2、A3)。在恒定时间宽度“Tw”(图30)内在调制信号的特定相位(例如0°、90°、180°、270°)上由光电转换器11生成的电荷作为信号电荷存储在电荷存储部分12中。因此，优选地，增加在时间宽度“Tw”内生成的电荷量，而相反地减少在非时间宽度(Tw)的剩余时间段内生成的电荷量，并且在理想状况下，将在剩余时间段内生成的电荷量减少到零。因为由光电转换器11生成的电荷量根据光电转换器11上的入射光量变化，所以需要控制摄像传感器1的灵敏度，以获得信号电荷的增加量。
为了控制摄像传感器1的灵敏度，可以提出按适当定时控制施加到电荷存储部分12第一电极12a的电压幅度。然而，因为由光电转换器11生成的部分电荷，即不被用做信号电荷的剩余电荷，可能作为噪声分量混合在信号电荷中，所以控制施加到第一电极的电压幅度是不够的。
在本实施方式中，通过将施加到第一电极12a的电压幅度保持恒定，由每个光电转换器11生成的所需电荷量总是提供给相应电荷存储部分12。在另一方面，除了对于信号电荷生成周期，向电荷抛弃部分14第二电极14a施加所需电压，使得由光电转换器11在非信号电荷生成周期的时段内生成的电荷作为不必要电荷送往电荷抛弃部分14。简而言之，通过按与调制信号周期同步的定时改变施加到第二电极14a的电压，可以控制摄像传感器1的灵敏度。
以下参照图2A至2D更详细地解释本发明的基本概念。在该解释中，从光源2向空间发射的光用调制信号进行强度调制，如图2A所示。例如，在一个调制信号周期内在相应于图30的时间宽度“Tw”的特定相位范围(0到90度)内光电转换器11生成相应于接收光强度(例如图30的“A0”)的电荷，并且该电荷被存储在电荷存储部分12中。该过程被重复多次，例如几万次-几十万次(即几万个调制信号周期-几十万个调制信号周期)，以累积相应于接收光强度“A0”的信号电荷。
在这种情况下，如图2B所示，将施加到电荷存储部分12第一电极12a的电压保持恒定。在另一方面，如图2C所示，对于非信号电荷生成周期的时段(相应于相位范围90到360度)，向电荷抛弃部分14第二电极14a施加所需电压，使得在该时段内由光电转换器生成的电荷被作为不必要电荷抛弃。换而言之，因为对于信号电荷生成周期(相应于相位范围0到90度)不向第二电极14a施加电压，所以在信号电荷生成周期内由光电转换器生成的电荷作为信号电荷提供给电荷存储部分12。
因此通过这种控制方法，向电荷存储部分12第一电极12a施加电压的阶段(图2B)与向电荷抛弃部分14第二电极14a施加电压的阶段(图2C)部分重叠。根据该电压控制，可能抽取相应于接收光强度“A0”的信号电荷，如图2D所示。在该实施方式中，每四分之一个调制信号周期进行数据采样。
以上图2A至2D所示信号抽取处理被重复几万次-几十万次，以获得相应于接收光强度“A0”的累积的信号电荷，然后累积的信号电荷通过电荷喷射泵13输出到分析器5。类似地，执行以上操作以在电荷存储部分12中存储相应于接收光每个强度(A0、A1、A2、A3)的累积的信号电荷。
因此，因为本实施方式的摄像传感器1具有包含第二电极14a的电荷抛弃部分14，并且通过控制施加到第二电极14a的电压，由光电转换器11生成的、不被用做信号电荷的部分电荷被主动地作为不必要电荷去除，所以可能有效地防止不必要电荷作为噪声分量混合在信号电荷中。另外，因为对在几万到几十万个调制信号周期中累积信号电荷，所以可能精确地确定距离信息。例如从高灵敏度的观点出发，当调制信号设置为20MHz并且按每秒30帧抽取信号电荷时，可能对在几十万个调制信号周期中累积信号电荷。
在以上解释中，在向第二电极14a施加电压的时段内，向第一电极12a施加恒定电压。然而，通过适当地设置施加到第一与第二电极的电压之间的幅度关系，可能防止在去除作为不必要电荷的电荷的阶段内存储信号电荷。
作为该实施方式的改进，可以为每个光电转换器11形成一组电荷存储部分12与电荷抛弃部分14。在这种情况下，可能在一个调制信号周期内一次获得相应于接收光四个强度(A0、A1、A2、A3)的电荷。就数据采样的定时而言，当预先确定相位间隔时，不需要采用等距离的相位间隔。
在本实施方式中，从光源2发射的光由正弦波进行强度调制。然而，可以利用另一波形进行强度调制，例如三角波或者锯齿波。另外，作为从光源2发射的光，除了使用可见光，可以使用红外线等等。替代具有光电转换器11矩阵排列的摄像传感器1，可以使用具有光电转换器11一维排列的另一摄像传感器。另外，当只在空间的一个方向上测量距离信息、或者从光源2向空间扫描光束时，可能采用只使用四个光电转换器来确定距离信息的摄像传感器。在该实施方式中，将光电转换器11与电荷存储部分12集成。然而，可以利用分离的部件实现摄像传感器1的功能。
<第二实施方式>
本实施方式提出对于图1所示距离测量装置摄像传感器的另一灵敏度控制方法。即，如图3A到3D所示，该控制方法特征在于：向电荷存储部分12第一电极12a施加电压的阶段(图3B)与向电荷抛弃部分14第二电极14a施加电压的阶段(图3C)不重叠。
例如，从光源2向空间发射的光由图3A所示的调制信号进行强度调制。图3B到3C解释以下情况：检测相应于接收光强度(例如图30的“A0”)的电荷，其由光电转换器在一个调制信号周期内在相应于图30的时间宽度“Tw”的特定相位范围(0到90度)内生成。如图3B所示，每四分之一个调制信号周期向第一电极12a施加电压，即在每个调制信号周期内在特定相位范围(0到90度)内，以将由光电转换器11生成的电荷作为信号电荷送往电荷存储部分12。
在另一方面，如图3C所示，在非该特定相位范围(0到90度)(其中向第一电极12a施加电压)的剩余相位范围(90到360度)内，向第二电极14a施加电压，以将由光电转换器11生成的电荷作为不必要电荷送往电荷抛弃部分14。根据以上描述的电压控制，可能抽取相应于接收光强度“A0”的信号电荷，如图3D所示。
根据本实施方式，可能分离地控制施加到第一与第二电极的电压，而不用考虑这些电压之间的幅度关系，并且因此具有容易控制这些电压的优点。结果，可能容易地控制作为信号电荷相对由光电转换器11生成的电荷的比例的灵敏度，以及不必要电荷相对由光电转换器11生成的电荷的比例。
在本实施方式中，因为在电荷存储部分12中存储信号电荷的阶段由施加到第一电极12a的电压确定，所以可能缩短的向第二电极14a施加电压的阶段。例如，紧接向第一电极12a施加电压之前，可以在所需时间内向第二电极14a施加电压。其他配置与操作与第一实施方式基本相同。
<第三实施方式>
本实施方式提出对于图1所示距离测量装置摄像传感器的另一灵敏度控制方法。即，如图4A到4D所示，该控制方法特征在于：总是向电荷抛弃部分14第二电极14a施加恒定电压，以抛弃由光电转换器11生成的、作为不必要电荷的部分电荷，并且只在向电荷存储部分12第一电极12a施加电压的阶段，将由光电转换器11生成的电荷作为信号电荷存储在电荷存储部分12中。
例如，从光源2向空间发射的光由图4A所示的调制信号进行强度调制。图4B到4C解释以下情况：检测相应于接收光强度(例如图30的“A0”)的电荷，其由光电转换器在一个调制信号周期内在相应于图30的时间宽度“Tw”的特定相位范围(0到90度)内生成。如图4B所示，每四分之一个调制信号周期向第一电极12a施加电压，即在每个调制信号周期内在特定相位范围(0到90度)内，以将由光电转换器11生成的电荷作为信号电荷送往电荷存储部分12。
在另一方面，如图4C所示，总是向第二电极14a施加恒定DC电压，以将由光电转换器11生成的部分电荷作为不必要电话送往电荷抛弃部分14。然而，如上所述，因为在向第一电极12a施加电压的阶段由光电转换器11生成的电荷被作为信号电荷送往电荷存储部分12，所以可能抽取相应于接收光强度“A0”的信号电荷，如图4D所示。
根据本实施方式，不管是否存在向第一电极12a施加的电压，通过向第二电极14a施加恒定DC电压，总是将预定量的电荷抛弃到电荷抛弃部分14。因此，可以确保由电荷抛弃部分14去除不被用做信号电荷的不必要电荷(剩余电荷)。
另外，即使当通过向第一电极12a施加电压将由光电转换器11生成的电荷作为信号电荷存储在电荷存储部分12中时，也将预定量的电荷作为不必要电荷送往电荷抛弃部分14。因此，在严格的意义上，为了在电荷存储部分12中存储足够量的信号电荷，需要考虑施加到第一与第二电极的电压之间的幅度关系。然而，在实际意义上，因为施加到第二电极的电压为恒定的，所以只控制施加到第一电极的电压就足够了。其他配置与操作与第一实施方式基本相同。
<第四实施方式>
本实施方式解释以下情况：使用市场上可购得的、具有垂直溢流漏极(vertical-overflow drain)的行间转移CCD(interline transfer CCD)，作为图1的摄像传感器5。
如图5所示，摄像传感器1为具有3×4光电二极管21矩阵排列的二维摄像传感器。标号22表示构成垂直转移CCD的垂直转移部分，其安装临近该矩阵排列的每一列的光电二极管21。标号23表示构成水平转移CCD的水平转移部分，其安装在垂直转移部分的下部。在每个垂直转移部分22中，为每个光电二极管21提供一对门电极(22a、22b)。在水平转移部分中，为每个垂直转移部分22提供一对门电极(23a、23b)。
垂直转移部分22由四相驱动控制，并且水平转移部分23由二相驱动控制。即，向垂直转移部分22的门电极(22a、22b)施加四相控制电压(V1至V4)，并且向水平转移部分23的门电极(23a、23b)施加二相控制电压(VH1、VH2)。因为该类型的驱动技术在现有CCD领域是公知的，所以省略进一步的详细解释。
光电二极管21、垂直转移部分22、以及水平转移部分23在单一基底20上形成。不通过绝缘薄膜，直接在基底20上形成采用铝作为电极的溢流电极24，以围绕整个光电二极管21、垂直转移部分22、以及水平转移部分23，如图5所示。当向溢流电极24施加所需幅度的正电压(Vs)时，通过溢流电极24抛弃由光电二极管21生成的电荷(电子)。
即，在本实施方式中，基底20被用做溢流漏极的一部分。这样，因为溢流漏极从由光电转换器11的光电二极管21生成的电荷中去除了不必要电荷，所以溢流漏极发挥电荷抛弃部分14的功能。所去除的电荷量可以通过施加到溢流电极24的电压控制。所以，溢流电极24作为第二电极14a工作。
参照图6，以下更具体地解释摄像传感器1。在本实施方式中，使用n型半导体基底作为基底20。p型半导体p阱31在基底20的连续表面(generalsurface)上用于光电二极管21与垂直转移部分22的区域上形成，使得在用于垂直转移部分22的区域处的p阱厚度大于用于光电二极管21的区域处的p阱厚度。另外，在位于用于光电二极管21区域的p阱31上形成n+型半导体层32。结果，光电二极管21包含由n+型半导体层32与p阱31形成的p-n结。在光电二极管21上形成p+型半导体表面层33。形成表面层33的目的在于防止当向垂直转移部分22发送由光电二极管21生成的电荷时，n+型半导体层32的表面区域成为电荷通道。此种光电二极管称为掩埋式光电二极管。
在另一方面，在p阱31上在相应于垂直转移部分22的区域处形成n型半导体存储转移层34。存储转移层34的顶表面基本与表面层33的顶表面对齐，并且存储转移层34的厚度大于表面层33的厚度。存储转移层34的一侧接触表面层33。在n+型半导体层32与存储转移层34之间形成具有与表面层33相同杂质浓度的p+型半导体分离层35。在存储转移层34上通过绝缘薄膜25形成门电极22a、22b。绝缘薄膜25将门电极22a与门电极22b绝缘。如上所述，为每个光电二极管21都形成门电极22a、22b。门电极22a、22b之一的宽度比另一个大。
具体地讲，如图7所示，宽度较小的门电极22b配置为平面形状，而宽度较大的门电极22a形成具有平坦部分与从平坦部分相对端延伸的一对弯曲部分。安置门电极22a、22b使得门电极22a的平坦部分与门电极22b在高度方向上部分重叠。另外，门电极22a平坦部分的顶表面基本与门电极22b的顶表面对齐。因此，沿垂直转移部分22的长度方向，门电极22a、22b交替安置在存储转移层34上。绝缘薄膜25由二氧化硅构成。门电极22a、22b由多晶硅构成。另外，基底20的不同于光电二极管21的区域的表面由光屏蔽薄膜26覆盖。
接着，解释驱动上述摄像传感器1的机制。当从空间提供的光入射到光电二极管21时，光电二极管21生成电荷。另外，根据施加到门电极22a的电压与施加到溢流电极24的电压之间的关系，可以确定作为信号电荷提供给垂直转移部分22的电荷相对由光电二极管21生成的电荷的比例。具体地讲，根据势阱深度与势梯度之间的关系，确定上述比例，该势阱深度根据施加到门电极22a的电压以及向门电极22a施加电压的时间周期在存储转移层34中形成，该势梯度根据施加到溢流电极24的电压以及向溢流电极24施加电压的时间周期在光电二极管21与基底20之间形成。
根据在第一到第三实施方式中解释的电压控制方法之一，可以控制施加到门电极22a(相应于第一电极12a)与溢流电极24(相应于第二电极12b)的电压。在本实施方式中，这些电压由第一实施方式的方法控制，即使得向门电极22a施加电压的阶段与向溢流电极24施加电压的阶段部分重叠，如图2A至2D所示。
提供给垂直转移部分22的电荷相对于由光电二极管21生成的电荷的比例根据施加到门电极22a、22b的电压变化。即，在垂直转移部分22，因为门电极22a、22b在存储转移层34上通过绝缘薄膜25形成，所以通过向门电极22a、22b施加电压，在存储转移层34中相应于门电极22a、22b中每一个的区域上形成势阱。结果，可以按由势阱深度与宽度确定的容量存储电荷。因此，势阱发挥电荷存储部分12的作用，用来存储信号电荷。
另外，通过控制施加到门电极22a、22b、23a、23b的电压幅度以及向相应门电极施加电压的定时，可以将在垂直转移部分22中存储的电荷通过水平转移部分23输出到分析器5。因此，垂直转移部分22与水平转移部分23发挥电荷喷射泵13的作用。
例如，如下所述，通过控制施加到溢流电极24的电压，允许由光电二极管21生成的电荷向垂直转移部分22迁移。即，图8为显示电子电势沿图6中点线“L1”变化的示意图。图8中标号21所指的区域相应于光电二极管。图8中标号20所指的区域相应于基底。图8中标号22所指的区域相应于垂直转移部分。当未向溢流电极24施加电压时，由光电二极管21与基底20之间的p阱形31成势垒“B1”。另外，当未向门电极22a、22b施加电压时，由光电二极管21与垂直转移部分22之间的分离层35形成势垒“B2”。因此，通过控制施加到门电极22a、22b的电压幅度，可以改变势垒“B2”的高度，并且通过控制施加到溢流电极24的电压幅度，可以改变势垒“B1”的高度。在图8中“e”表示电子。
图9A至9C显示施加到门电极22a与溢流电极24的电压与由光电二极管21生成的电荷的运动之间的关系。在图9A中，通过向门电极22a施加相对较高的正电压(V1)，去除由分离层35形成的势垒“B2”，并且在存储转移层34中形成势阱27。此时，向溢流电极24施加相对较低的电压(Vs)以形成势垒“B1”。由于存在势垒“B1”，所以由光电二极管21生成的电荷无法向基底20迁移。结果，无法抛弃电荷，并且因此当势阱27容量允许时，由光电二极管21生成的电荷作为信号电荷迁移到垂直转移部分22。
在另一方面，在图9B中，向门电极22a施加相对较高的正电压(V1)，如图9A所示，并且还向溢流电极24施加相对较高的电压(Vs)。确定施加到溢流电极24的电压，使得基底20的电势低于垂直转移部分22的电势。因为去除了由p阱31形成的势垒“B1”，并且相对光电二极管21的基底20的势梯度大于相对光电二极管21的垂直转移部分22的势梯度，所以由光电二极管21生成的大部分电荷作为不必要电荷向基底20迁移，然后被丢弃，如图9B所示。
即，与图9A的情况比较，由光电二极管21生成的电荷中信号电荷的比例大大减少。这意味着光电转换器11的灵敏度降低。根据施加到门电极22a与溢流电极24的电压之间的幅度关系，确定由信号电荷与不必要电荷的比例所定义的灵敏度。因为电荷(电子)容易向较低电子电势迁移，所以提供到垂直转移部分22中的电荷存储在电势比光电二极管21低的势阱27中，如图9A所示，并且所存储的电荷无法向基底20迁移如图9B所示。
为了读取在垂直转移部分22中存储的信号电荷，从门电极22a去除所施加的电压(V1)(或者可以向门电极22a施加相对较小的电压(V1))，以形成势垒“B2”。另外，向溢流电极24施加相对较低的电压(Vs)以形成势垒“B1”。不一定要求形成势垒“B1”。重要的是形成势垒“B2”。势垒“B2”的形成阻止电荷从光电二极管21流入垂直转移部分22，以及电荷从垂直转移部分22流出到光电二极管21。在这种情况下，通过水平转移部分23将存储在垂直转移部分22中的信号电荷发送给分析器5。
每次检测到相应于接收光的一个强度(A0-A3)的信号电荷，都读出在垂直转移部分22中存储的信号电荷。例如，当在势阱27中存储相应于积分“A0”的信号电荷之后，将其读出。接着，当在势阱27中存储相应于积分“A1”的信号电荷之后，将其读出。因此，重复存储并读出信号电荷的过程。无须说存储相应于接收光强度(A0-A3)的信号电荷的时间周期为恒定的。另外，读出相应于接收光强度(A0-A3)的信号电荷的顺序不限于上述情况。例如，在抽取相应于接收光强度(A0)的信号电荷之后，可以收取相应于接收光强度(A2)的信号电荷。其他配置与操作与第一实施方式基本相同。
<第五实施方式>
本实施方式解释以下情况：使用市场上可购得的、具有横向溢流漏极的行间转移CCD，作为图1的摄像传感器1。
如图10所示，在本实施方式的摄像传感器1中，靠近光电二极管21矩阵排列(3×4)每一列形成n型半导体溢流漏极41。在这种情况下，摄像传感器1具有三个溢流漏极41。溢流漏极41在其上端通过采用铝作为电极的溢流电极24相互连接。垂直转移部分22与水平转移部分23具有与第四实施方式的摄像传感器1中基本相同的功能。
参照图11，以下将更具体地解释摄像传感器1。在本实施方式中，使用p型半导体基底作为基底40。在基底40连续表面中意在形成光电二极管21的区域上形成n+型半导体层42。因此，光电二极管21由n+型半导体层42与基底40构成。在另一方面，在基底40连续表面中意在形成垂直转移部分22的区域上形成n型半导体存储转移层44。
在n+型半导体层42与存储转移层44之间形成p+型半导体分离层45a。在n+型半导体层42与溢流漏极41之间形成p+型半导体分离层45b。标号43表示具有与分离层45a、45b相同杂质浓度的p+型半导体表面层，其在n+型半导体层42与分离层45a、45b上形成。该表面层43防止由光电二极管21生成的电荷通过n+型半导体层42的表面迁移到垂直转移部分22。
存储转移层44的顶表面基本与表面层43和溢流漏极41的顶表面对齐。另外，溢流漏极41的厚度大于n+型半导体层42的厚度。通过绝缘薄膜25在存储转移层44上为每个光电二极管21形成门电极22a、22b。门电极22a、22b之一的宽度比另一个大。另外，摄像传感器1的、非用来允许光电二极管21接收光的表面由光屏蔽薄膜26覆盖。这些与第四实施例的摄像传感器1相同。
从显示沿图11点线“L2”的电子电势变化的图12、图13A至13C与图8、图9A至9C之间的比较可知，本实施方式只在以下方面与第四实施方式不同：由光电二极管21生成的电荷由溢流漏极41抛弃，而不是第四实施方式的基底20。另外，与构成根据第四实施方式的具有垂直溢流漏极的行间转移CCD的光电二极管21的n+型半导体层32相比，根据本实施方式的具有横向溢流漏极的行间转移CCD的光电二极管21可以由厚度较大的n+型半导体层42形成。
即，在形成垂直溢流漏极的情况下，需要在基底20上形成光电二极管21。然而，在形成横向溢流漏极的情况下，因为基底40被用做构成光电二极管21的半导体层，所以可能增加n+型半导体层42的厚度。另外，与第四实施方式相比，具有以下优点：对于红外线的灵敏度得到提高。其他配置与性能与第四实施方式基本相同。
<第六实施方式>
本实施方式解释以下情况：使用市场上可购得的、具有垂直溢流漏极的帧转移CCD，作为图1的摄像传感器1。
如图14所示，本实施方式的摄像传感器1为具有矩阵排列(4×4)光电二极管21的二维摄像传感器。该摄像传感器1配备有包含多个垂直转移CCD的图像拾取部分“D1”以及临近图像拾取部分“D1”形成的存储部分“D2”，其中每个垂直转移CCD由在垂直方向上对齐的光电二极管21构成，存储部分“D2”为不具有光电转换功能的垂直转移CCD阵列。在图14中，标号23表示临近存储部分“D2”形成的水平转移部分，其由水平转移CCD构成。该水平转移部分发挥电荷喷射泵的功能。
在本实施方式中，光电二极管21与垂直转移CCD具有存储电荷与在垂直方向上转移电荷的功能。因此，图像拾取部分“D1”与存储部分“D2”发挥电荷存储部分的功能。图像拾取部分“D1”的每一列具有四个光电二极管21，每个光电二极管21在光接收表面上形成具有在垂直方向上对齐的三个门电极21a-21c。存储部分“D2”的每一列具有两组三个门电极28a-28c。另外，在水平转移部分23中，为存储部分“D2”的每一列形成一对门电极23a、23b，与在第四实施方式中情况相同。
门电极21a-21c由6相控制电压“V1”-“V6”驱动，并且门电极28a-28c由3相控制电压“VV1”-“VV3”驱动。门电极23a、23b由2相控制电压“VH1”、“VH2”驱动。水平转移部分23为每个水平行输出来自存储部分“D2”的信号电荷。因为此类型的驱动技术在CCD领域是公知的，所以省略进一步的详细解释。
图像拾取部分“D1”、存储部分“D2”以及水平转移部分23在单一基底50上形成。采用铝作为电极的溢流电极24不通过绝缘薄膜而直接在基底50上形成。即，基底50发挥溢流漏极的功能。溢流漏极24在基底50上形成，从而围绕整个图像拾取部分“D1”、存储部分“D2”以及水平转移部分23。基底50的不同于光电二极管21的区域的表面由光屏蔽薄膜覆盖(未显示)。
参照图15，以下更具体地描述摄像传感器1。在本实施方式中，使用n型半导体基底作为基底50。在基底50连续表面中意在形成光电二极管21的区域上形成p型半导体层51。另外，在p型半导体层51中形成n型半导体n阱52。在p型半导体层51与n阱52的顶表面上通过二氧化硅的绝缘薄膜53形成三个门电极28a-28c。即，在本实施方式中，由n阱52、绝缘薄膜53、以及门电极28a至28c形成MIS型光电二极管21。门电极28a-28c的每一个都由多晶硅构成。n阱52在图像拾取部分“D1”与存储部分“D2”上连续形成。在图像拾取部分“D1”的n阱52中，生成、存储并转移电荷，并且在存储部分“D2”的n阱52中，存储并转移电荷。
接着，解释驱动上述摄像传感器1的机制。当从空间提供的光入射到光电二极管21时，光电二极管21生成电荷。当向门电极28a-28c施加适当电压时，在n阱52中形成势阱作为电荷存储部分。因此，所生成的电荷存储在势阱中。另外，通过控制用来转移电荷的、施加到门电极28a-28c的电压，可以控制势阱的深度。在另一方面，当向溢流电极24施加适当电压“Vs”时，通过基底50抛弃由光电二极管21生成的电荷。因此，通过控制施加到溢流电极24的电压以及向溢流电极24施加电压的时间周期，可以改变在n阱52的势阱中存储的信号电荷相对由光电二极管21生成的电荷的比例。
参照显示沿图15中点线“L3”电子电势变化的图16，以下解释由光电二极管21生成的电荷的迁移。在图16中由标号21指示的区域相应于光电二极管。在图16中由标号50指示的区域相应于基底。当未向溢流电极24施加电压时，由光电二极管21(n阱52)与基底50之间的p型半导体层51形成势垒“B3”。在另一方面，在光电二极管21的相对侧，由p型半导体层51形成势垒“B4”，以防止向外泄露由光电二极管21生成的电荷(电子“e”)。通过控制施加到溢流电极24的电压幅度，可以改变势垒“B3”的高度。
在另一方面，根据势阱深度，确定在势阱中存储的电荷量，所述势阱通过向门电极21a-21c施加电压而在n阱52中形成，所述势阱深度可以通过控制施加到门电极21a-21c的电压幅度改变。即，当施加到门电极21b的电压幅度高于施加到门电极21a、21c的电压幅度时，形成在其中心区域具有最大深度的势阱，如图17所示。
通过向溢流电极24施加电压使得基底50的电势低于n阱52的电势、向门电极21a、21c施加电压以去除势垒“B3”、以及向门电极21b施加电压以形成势垒“B3”，如图18A至18C所示，可以在图18B所示势阱中心区域存储大量电荷(电子“e”)，以及通过基底50在图18A与18C所示的两侧区域抛弃电荷。
另外，在光电二极管21生成电荷的时间周期内，在旁边的门电极21a、21c处生成的部分电荷可以作为噪声分量流入与中心门电极21b相应的势阱27。另外，因为每当可以检测到相应于接收光的一个强度(A0、A1、A2、A3)的信号电荷时都转移信号电荷，所以在转移信号电荷的时间周期内，由光电二极管21生成的电荷可能作为噪声分量混合。然而，这些噪声分量由积分平均，并且大部分通过执行用来确定相位差“ψ”的减法去除。因此，这些噪声分量的影响变小。结果，即使当使用帧转移CCD时，也可以准确地确定相位差“ψ”。
在以上情况中，为每个光电二极管21形成三个门电极21a-21c。然而，相应于一个光电二极管21的门电极的数目不限于本实施方式。其他配置与性能与第四实施方式基本相同。
<第七实施方式>
本实施方式解释以下情况：使用市场上可购得的、具有横向溢流漏极的帧转移CCD，作为图1的摄像传感器1。
如图19所示，本实施方式的摄像传感器1为具有矩阵排列(4×4)光电二极管21的二维摄像传感器。为光电二极管21矩阵排列的每一列形成n型半导体溢流漏极61。在本实施方式中，摄像传感器1具有四个溢流漏极61。溢流漏极61在其上端通过采用铝作为电极的溢流电极24相互连接。图像拾取部分“D1”、存储部分“D2”、以及水平转移部分23具有与第六实施方式中相同的功能。
参照图20，以下更具体地描述本实施方式的摄像传感器1。即，使用p型半导体基底作为基底60。在基底60的连续表面上形成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n阱63。因此，光电二极管21由p型半导体层62与n阱63构成。在p型半导体层62中临近n阱63形成p+型半导体p+阱64。在p+阱64的顶表面中形成n型半导体溢流漏极61。因此，本实施方式的摄像传感器1具有与第六实施方式的摄像传感器基本相同的结构，只是使用了具有不同导电类型的基底60并形成溢流漏极61。与第六实施方式相比，具有以下优点：本实施方式的摄像传感器对红外线灵敏度更高。
从显示沿图20点线“L4”的电子电势变化的图21与图16之间的比较可知，本实施方式在以下方面与第六实施方式不同：由光电二极管21生成的电荷通过溢流漏极61抛弃，而不是第六实施方式的基底50。势阱的深度确定了在势阱中存储的电荷量，其中通过向门电极21a-21c施加电压在n阱63中形成所述势阱，通过控制施加到门电极21a-21c的电压幅度可以改变所述势阱的深度。即，当施加到门电极21b的电压幅度高于施加到门电极21a、21c的电压幅度时，相应于门电极21b的势阱具有最大深度。
当向溢流电极24施加适当电压以降低势垒“B3”时，在相应于门电极21b的势阱中存储电荷(电子“e”)，如图22B所示，并且在相应于旁边的门电极21a、21c的区域处生成的电荷由溢流漏极61抛弃，如图22A与22C所示。其他配置与性能基本与第六实施方式相同。
<第八实施方式>
如在第六与第七实施方式中解释的，当使用帧转移CCD作为摄像传感器1时，为每个光电二极管21形成的门电极的数目不限于三。在本实施方式中，为每个光电二极管21形成四个门电极。
在图23A与23B中，数字1-4分别表示第一、第二、第三、以及第四门电极。数字1-4的一次循环相应于一个光电二极管21。图23A显示存储由光电二极管21生成的电荷的电荷存储周期，图23B显示抛弃不必要电荷的电荷抛弃周期。门限值“Th1”表示溢流漏极的电势。
如图23A所示，在电荷存储周期，通过不向第一门电极(1)施加电压，在临近光电二极管21之间形成势垒，以防止由光电二极管21生成的电荷相互混合。另外，当施加到第二、第三、以及第四门电极(2)-(4)的电压幅度以阶梯方式变化时，可能获得具有不同深度的阶梯状势阱。相应于第三与第四门电极(3)、(4)的每个势阱区域具有高于门限值“Th1”的电子电势。在相应于第二门电极(2)的区域处，电子电势具有最大深度(最低电子电势)。因为该电子电势低于门限值“Th1”，所以由光电二极管21生成的电荷(电子“e”)主要存储在相应于第二门电极(2)的区域中。
在另一方面，如图23B所示，在电荷抛弃周期，提高相应于第三与第四门电极(3)、(4)的区域的电子电势，以防止泄露存储在相应于第二门电极(2)的、在电荷存储周期中具有最低电子电势的区域中的电荷。由此，在电荷存储周期中在相应于第一、第三、以及第四门电极(1)、(3)、(4)的区域处生成的电荷流入溢流漏极以及相应于第二门电极(2)的区域。换而言之，在图23B所示的电荷存储周期，控制施加到门电极(1)-(4)的电压，以形成势垒，用来将具有最低电子电势的、相应于第二门电极(2)的区域从周围电隔离出来。因此，通过适当控制电荷存储周期对电荷抛弃周期的比例，可能改变待抛弃的不必要电荷相对由光电二极管21生成的电荷的比例。这意味着灵敏度是可调整的。其他配置与性能与第六或第七实施方式基本相同。
<第九实施方式>
在本实施方式中，为每个光电二极管21形成6个门电极。在图24A与24B中，数字1-6分别表示第一、第二、第三、第四、第五、以及第六门电极。数字1-6的一次循环相应于一个光电二极管21。图24A显示存储由光电二极管21生成的电荷的电荷存储周期，图24B显示抛弃不必要电荷的电荷抛弃周期。门限值“Th1”表示溢流漏极的电势。门限值“Th2”表示溢流漏极的电势。
如图24A所示，在电荷存储周期，通过不向第一门电极(1)施加电压，在临近光电二极管21之间形成势垒，以防止由光电二极管21生成的电荷相互混合。在相应于第四门电极(4)的区域处势阱具有最大深度。以阶梯方式改变相应于第二、第三、第五、以及第六门电极(2)、(3)、(5)、(6)的区域的电子电势，从而高于门限值“Th2”。因为相应于第四门电极(4)的区域的势阱具有最大深度(其低于门限值“Th2”)，所以由光电二极管21生成的电荷(电子“e”)主要存储在该区域中。
图25A为三维地显示在电荷存储周期内相应于门电极(1)至(6)的区域的电子电势的示例视图。该图中所示的“V1”至“V6”分别相应于图19中所示的垂直转移电压“V1”至“V6”，而“LOD”相应于溢流漏极61。位于相应于门电极(2)与(6)(向其施加了电压“V2”与“V6”)的区域处的电子向相应于门电极(3)与(5)(向其施加了电压“V3”与“V5”)的区域迁移。另外，位于相应于门电极(3)与(5)的区域处的电子向相应于门电极(4)(向其施加了电压“V4”)的区域迁移。结果，在相应于第四门电极(4)的区域中存储电子。
在另一方面，如图24B所示，在电荷抛弃周期，提高相应于第二、第三、第五、以及第六门电极(2)、(3)、(5)、(6)的区域的电子电势，以防止泄露在相应于门电极(4)、在电荷存储周期内具有最低电子电势的区域中存储的电子。由此，在电荷存储周期内在相应于第一、第二、第三、第五、以及第六门电极(1)、(2)、(3)、(5)、(6)的区域处生成的电荷流入溢流漏极以及相应于的第四门电极(4)的区域中。
图25B为三维地显示在电荷抛弃周期内相应于门电极(1)至(6)的区域的电子电势的示例视图。当降低电压“V3”与“V5”从而基本等于电压“V1”时，相应于的第四门电极(4)、施加了电压“V4”的区域被从周围隔离出来，从而防止向该区域流入电子。另外，通过将溢流漏极(LOD)电极的电子电势设置高于施加了电压“V4”的门电极(4)并低于施加了电压“V2”与“V6”的门电极(2)与(6)，可以将在相应于门电极(2)与(6)的区域处生成的电子抛弃给溢流漏极电压，而不抛弃在相应于的电极(4)的区域中存储的电子。
因此，如在第八实施方式的情况中一样，通过适当控制电荷存储周期对电荷抛弃周期的比例，可能改变待抛弃的不必要电荷相对由光电二极管21生成的电荷的比例。这意味着灵敏度是可调整的。其他配置与性能与第六或第七实施方式基本相同。
<第十实施方式>
如上所述，当将帧转移CCD用做摄像传感器5时，在不同于用于抽取响应于接收光强度(A0-A3)的信号电荷的时间周期中，由光电二极管21生成的电荷可能作为噪声分量混合到信号电荷中。噪声分量基本是恒定的，并且通过以下平均：存储抽取相应于接收光强度(A0-A3)的信号电荷的时间周期的信号电荷。因此，可以在某种程度上去除噪声分量，并且确定相位差“Ψ”。
然而，由于噪声分量而降低了S/N比。例如，当在用来存储或转移电荷的区域需要较大的动态范围时，距离测量装置的性价比将退化。在本实施方式中，如图26A与26B所示，在存储信号电荷的区域以及与光电二极管21电荷生成无关的区域上形成光遮挡薄膜65。
在图26A与26B中，与第九实施方式的情况一样，为每个光电二极管21形成六个门电极(1)至(6)。具体地讲，在相应于门电极(1)与(4)的区域上形成光遮挡薄膜65，使得只在相应于各个光电二极管21的门电极(2)、(3)、(5)、(6)的区域上形成电荷(电子“e”)。结果，门电极(4)基本对电荷生成无贡献。换而言之，在门电极(4)处不产生噪声分量。因此，与不形成光遮挡薄膜65的情况相比，可以提高S/N比。可替换地，可以在相应于门电极(1)、(3)、(4)、以及(5)的区域上形成光遮挡薄膜65，使得只在相应于光电二极管21的门电极(2)与(6)的区域上形成电荷(电子“e”)。其他配置与性能与第九实施方式基本相同。
在第四或第十实施方式中，向第一与第二电极施加电压的定时由第一实施方式中解释的方法控制。可替换地，可以使用在第二或第三实施方式中解释的方法。
在以上实施方式中，每次检测到相应于接收光的一个强度(A0、A1、A2、A3)的信号电荷时，都输出电荷。根据以下解释的摄像传感器，可能同时检测相应于接收光的至少两个强度(A0、A1、A2、A3)的信号电荷。
<第十一实施方式>
在本实施方式中，将对图19的具有溢流漏极的帧转移CCD的改进用作摄像传感器1。即，如图27所示，溢流漏极(61a，61b)交替安置，从而为每个光电二极管21形成每个溢流漏极。因此，可以分离地抛弃由每个光电二极管21生成的电荷。
通过与调制信号周期同步地向每个溢流漏极61a，61b施加电压，可以改变提供到电荷存储部分的势阱的信号电荷相对光电二极管21生成的电荷的比例。在本实施方式中，向溢流漏极61a施加电压的定时与向在转移信号电荷的方向上临近的溢流漏极61b施加电压的定时相差180度。由此，通过向溢流漏极61a，61b施加两个具有不同相位(φ1，φ2)的电压，可以在形成于相应光电二极管21中的势阱中分别存储相应于这两个相互差180度相位的调制信号的信号电荷。
即，可以同时抽取确定相位差“Ψ”所需的相应于接收光四个强度(A0-A3)中两个强度的信号电荷。例如，同时抽取相应于接收光强度(A0与A3)的信号电荷，然后同时抽取相应于接收光强度(A1与A2)的信号电荷。
在本实施方式中，因为信号电荷与具有特定意图的额外电荷混合，所以其成为噪声分量。然而，额外电荷的数量远远小于信号电荷，并且额外电荷以基本恒定的比例进行信号电荷混合。因此，该噪声分量对确定相位差“Ψ”影响很小。其他配置与性能与第七实施方式基本相同。
<第十二实施方式>
在本实施方式中，将对具有横向溢流漏极的行间转移CCD的改进用做摄像传感器5，以替代对帧转移CCD的改进。即，如图28所示，溢流漏极(41a，41b)与在垂直方向上对齐的光电二极管21相邻交替安置，从而为每个光电二极管21形成每个溢流漏极。在垂直转移部分22，为每个光电二极管21形成三个门电极22a-22c。
在该摄像传感器1中，在调制信号的不同相位上向垂直方向上的临近溢流漏极41a，41b施加电压。另外，与第十一实施方式的情况一样，门电极22a-22c由六相控制电压驱动。结果，可以同时获得相应于接收光四个强度(A0-A3)中的两个强度的信号电荷。他配置与性能与第十一实施方式基本相同。
<第十三实施方式>
在第十一与第十二实施方式中，为每个溢流漏极配备三个门电极。但是，每个溢流漏极配备的门电极的数目可以是四个或更高。另外，当按四个定时(这些定时相对调制信号的相位而言相互相差90度)向四个不同的溢流漏极施加电压时，可以同时获得相应于接收光四个强度(A0-A3)的信号电荷。另外，施加每个电压的定时可以是与调制信号的周期同步的特定相位。可选地，可以确定施加电压的定时之间的间隔。
在以上实施方式中，将行间转移CCD或帧转移CCD用做摄像传感器1。另外，可以使用帧行间转移CCD，其可以通过以下获得：将图14的帧转移CCD的图像拾取部分“D1”替换为行间转移CCD的光电二极管21与垂直转移部分22，如图29所示。在这种情况下，与帧转移CCD相比，具有防止发生污损的优点。
在上述实施方式中，可以使用具有一维阵列光电二极管的摄像传感器，以替代摄像传感器1。另外，在第一实施方式中可以只使用一个光电转换器11。在上述实施方式中使用的分析器提供距离信息。然而，作为与目标空间相关的信息，可以只确定相位差“Ψ”。可替换地，分析器可以根据接收光强度确定与目标空间相关的其他空间信息。
工业实用性
如上所述，根据本发明的空间信息检测装置，通过按照与调制信号周期同步的定时控制施加到电荷抛弃部分的电极的电压，可以确保在将其转移到电荷存储部分之前，去除由光电转换器生成的电荷的剩余电荷，其为不被用作信号电荷的不必要电荷，并且作为结果将大大提高S/N比。
在使用具有包含溢流漏极电极的现有CCD摄像传感器的空间信息检测装置情况下，通过根据与调制信号周期同步地施加到溢流电极的控制电压从由CCD摄像传感器的光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷，并且在CCD摄像传感器的电荷存储区域中存储剩余电荷作为信号电荷，可以适当地控制CCD摄像传感器的灵敏度。
本发明的空间信息检测装置可广泛用于确定强度调制光与接收光之间相位差所需的任何设备，尤其适合于距离测量装置。

Claims (16)

1.一种使用强度调制光的空间信息检测装置，包含：
至少一个光电转换器，用来接收从空间提供的光，其中向该空间中发射了用预定调制信号进行强度调制的光，并且生成相应于接收光强度的电荷量；
具有第一电极的电荷抛弃部件，用来根据施加到所述第一电极的电压从由所述光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；
电荷存储部件，用来存储来自由所述光电转换器生成的电荷的信号电荷；
控制电路，用来按照与所述调制信号的周期同步的定时，控制施加到所述第一电极的电压，以改变在所述电荷存储部件中存储的信号电荷相对由所述光电转换器生成的电荷的比例；
电荷喷射泵，用来输出来自所述电荷存储部件的信号电荷；以及
分析器，用来根据所述电荷喷射泵的输出确定空间信息。
2.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述电荷存储部件具有第二电极，并且所述控制电路将施加到所述第二电极的电压控制为恒定，以向所述电荷存储部件转移所需量的由所述光电转换器生成的电荷。
3.根据权利要求2所述的空间信息检测装置，其中所述控制电路控制施加到所述第一电极与所述第二电极的电压，从而在向所述电荷存储部件转移由所述光电转换器生成的电荷的阶段与向所述电荷抛弃部件转移由所述光电转换器生成的电荷的阶段之间交替切换。
4.一种使用强度调制光的空间信息检测装置，包含：
至少一个光电转换器，用来接收从空间提供的光，其中向该空间中发射了用预定调制信号进行强度调制的光，并且生成相应于接收光强度的电荷量；
具有第一电极的电荷抛弃部件，用来根据施加到所述第一电极的电压从由所述光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；
具有第二电极的电荷存储部件，用来根据施加到所述第二电极的电压存储来自由所述光电转换器生成的电荷的信号电荷；
控制电路，用来按照与所述调制信号的周期同步的定时，控制施加到所述第二电极的电压，同时将恒定电压施加到所述第一电极，以改变在所述电荷存储部件中存储的信号电荷相对由所述光电转换器生成的电荷的比例；
电荷喷射泵，用来输出来自所述电荷存储部件的信号电荷；以及
分析器，用来根据所示电荷喷射泵的输出确定空间信息。
5.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，并且所述空间信息检测装置包含具有所述光电转换器、电荷存储部件、以及所述电荷喷射泵的CCD摄像传感器，并且其中所述CCD摄像传感器具有作为所述电荷抛弃部件的溢流漏极。
6.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，
从所述光电转换器选择一组光电转换器来定义一个像素；
所述控制电路允许所述电荷存储部件按照与所述调制信号周期同步的不同相位的每一个的定时存储来自由所述组的光电转换器的每一个生成的电荷的信号电荷；并且其中
所述电荷喷射泵同时输出相对不同相位存储的信号电荷。
7.根据权利要求2所述的空间信息检测装置，其中所述电荷存储部件具有在存储信号电荷的区域的附近所形成的所述第二电极上的光屏蔽薄膜。
8.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述分析器根据相对所述调制信号的不同相位存储的信号电荷，确定发射到所述空间的光与由所述光电转换器接收的光之间的相位差。
9.根据权利要求8所述的空间信息检测装置，其中所述分析器将所述相位差转换为距离信息。
10.根据权利要求1所述的空间信息检测装置，其中所述分析器根据相对所述调制信号周期内不同相位存储的信号电荷，确定距离信息，并且其中所述空间信息检测装置还包含：相位开关，用来在每次依相位完成在所述电荷存储部件中存储信号电荷时，改变所述调制信号的相位，依该相位向所述第一电极施加电压。
11.一种使用具有溢流漏极电极的CCD摄像传感器的空间信息检测方法，包含以下步骤：
允许所述CCD摄像传感器接收从空间提供的光，其中向该空间中发射了用预定调制信号进行强度调制的光；
通过相对所述调制信号周期内不同相位的每一个多次重复电荷抽取操作，存储信号电荷；以及
根据相对所述调制信号不同相位存储的信号电荷，确定空间信息，
其中所述电荷抽取操作包含以下步骤：根据与所述调制信号的周期同步地施加到所述溢流电极的控制电压，从由所述CCD摄像传感器的光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；以及在所述CCD摄像传感器的电荷存储区域中存储作为信号电荷的电荷的剩余。
12.根据权利要求11所述的空间信息检测方法，其中所述CCD摄像传感器为行间转移CCD摄像传感器。
13.根据权利要求11所述的空间信息检测方法，其中所述CCD摄像传感器为帧转移CCD摄像传感器。
14.根据权利要求13所述的空间信息检测方法，其中所述CCD摄像传感器具有至少三个光电转换器，并且所述电荷抽取操作包含以下步骤：与所述调制信号的周期同步地向所述溢流漏极电极施加控制电压，使得由所述至少三个光电转换器中的预定一个或多个生成的电荷被作为信号电荷存储在所述电荷存储区域中，并且由剩余一或多个光电转换器生成的电荷被作为不必要电荷抛弃。
15.根据权利要求14所述的空间信息检测方法，其中向所述溢流漏极电极施加控制电压，以生成势垒，用于将预定一个或多个光电转换器从剩余一个或多个光电转换器中电隔离。
16.一种具有可控灵敏度的光接收元件，包含：
至少一个光电转换器，用来接收从空间提供的光，其中向该空间中发射了用预定调制信号进行强度调制的光，并且生成相应于接收光强度的电荷量；
具有第一电极的电荷抛弃部件，用来根据施加到所述第一电极的电压从由所述光电转换器生成的电荷中去除不必要电荷；
电荷存储部件，用来存储来自由所述光电转换器生成的电荷的信号电荷；
灵敏度控制器，用来按照与所述调制信号的周期同步的定时，控制施加到所述电极的电压，以改变在所述电荷存储部件中存储的信号电荷相对由所述光电转换器生成的电荷的比例；以及
电荷喷射泵，用来输出来自所述电荷存储部件的信号电荷。
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