DE112010003958B4

DE112010003958B4 - Fotoelektrisches Wandlerelement, Lichtempfangsvorrichtung, Lichtempfangssystem und Abstandsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE112010003958B4
Application number: DE112010003958.5T
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Kamiyama; Keisuke Korekado
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2030-10-02
Also published as: JP2011082358A; US8947645B2; WO2011043251A1; JP5211008B2; DE112010003958T5; US20120200842A1

Abstract

Fotoelektrisches Wandlerelement zum Erfassen von Licht und Umwandeln des Lichts in Fotoelektronen, umfassend:eine MOS-Diode (18), die eine Elektrode (16) aufweist, die auf einem Halbleitergrundkörper (12) mit einem Isolator (14) dazwischen ausgebildet ist; undeine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), die in dem Halbleitergrundkörper (12) ausgebildet sind,worin die Elektrode (16) der MOS-Diode (18), bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) von einem Elektrodenabschnitt (20) abzweigen, unddie Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen die Zweigabschnitte (22) der Elektrode (16) eingebettet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein fotoelektrisches Wandlerelement, das Licht in eine einer Lichtmenge entsprechende Ladung umwandelt, eine Lichtempfangsvorrichtung, die Luminanzinformation von zu dem fotoelektrischen Wandlerelement einfallendem Licht in einer festen Zeitperiode erfasst, ein Lichtempfangssystem, worin der Einfluss von Umgebungslicht unter Verwendung des fotoelektrischen Wandlerelements gesteuert wird, sowie eine Abstandsmessvorrichtung, worin die Prinzipien einer Flugzeit(TOF)-Methode mittels des Lichtempfangssystems angewendet werden.
Technischer Hintergrund
Die US 4 808 833 A zeigt einen Bildsensor mit ersten Drähten, die parallel auf einen ersten Bereich eines Substrats ausgebildet sind; einer Halbleiterschicht, die auf den die ersten Drähte bedeckenden ersten Bereich und auf einer zweiten Region des Substrats; erste Elektroden, die in Reihe angeordnet sind und die mit der Halbleiterschicht des zweiten Bereichs verbunden sind; zweite Elektroden, die in Reihe angeordnet und mit der Halbleiterschicht des zweiten Bereichs verbunden sind; und mit zweiten Drähten, die von den ersten Elektroden ausgehen, wobei die zweiten Drähte die ersten Elektroden mit den ersten Drähten an Durchgangslöchern in der Halbleiterschicht verbinden. Die zweiten Elektroden sind als eine gemeinsame Elektrode ausgebildet, und jede der ersten Elektroden bildet zusammen mit einem Abschnitt der zweiten Elektrode, der den ersten Elektroden zugewandt ist, und der Halbleiterschicht ein lichtempfindliches Element.
Die US 6 777 659 B1 zeigt einen Anstandsmesser mittels Time-of-Flight von moduliertem Licht und einem photoelektrischen Umwandlungselement mit Photogates mit Elektroden über einem Halbleiterkörper mit einem Isolator dazwischen ausgebildet und mit akkumulierenden Gates als in dem Halbleiterkörper eingebettete Photodioden, wobei diese beide jeweils neben einander liegende Abschnitte wie Verzweigungen aufweisen und die Photogates dereart gesteuert werden, dass die dort erzeugten Photoelektronen zu den akkumulierenden Gates hinwandern.
Herkömmlich ist ein Bildsensor vorgeschlagen worden, der zur Signalerfassung mit hohem Signalrauschverhältnis in der Lage ist, während der Einfluss von Umgebungslicht beseitigt wird (siehe Koji Yamamoto, „Furiwake Tenso Hoshiki Oyobi Bubun Ryoiki Kosoku Yomidashi Hoshiki ni yoru Hecho Hikari Seibun Kenshutsu Kano na CMOS Image Sensor ni Kansuru Kenkyu (Research in Relation to CMOS Image Sensors Capable of Modulated Light Component Detection by Allocated Transfer and Subregion High Speed Readout Methods)“, Graduate School of Materials Sciende, Nara Institute of Science and Technology, March 2006, nachfolgend als Dokument 1 bezeichnet). Der in Dokument 1 offenbarte Bildsensor erfasst modulierte Lichtkomponenten unter Verwendung eines Ladungszuweisungsübertragungsverfahrens. Jedoch hat dessen Pixelverschaltung eine Struktur, worin zwei normale PG(Photogate)-Methoden-Bildsensoren in Kombination verwendet werden und mit einem normalen PG als Lichtempfangselement zusammengebaut sind. Ein solcher Bildsensor enthält eine Struktur, worin zwei Übertragungsgatter vorhanden sind, die ein Lichtempfangselement dazwischen aufnehmen, und Signalladungssammeleinheiten sind an jeweiligen Außenseiten der Übertragungsgatter angeordnet. Ferner wird gemäß Dokument 1, um die Empfindlichkeit zu erhöhen, eine Struktur vorgeschlagen, worin der durch Polysilizium gebildete PG-Prozentsatz verringert ist. Insbesondere ist ein Beispiel offenbart, worin das PG in einer kammartigen Gestalt ausgebildet ist.
Ferner ist für die beispielhafte Anwendung eines Bildsensors ein Abstandsmesssystem bekannt, um den Abstand zu einem Objekt kontaktfrei zu messen. Ein solches Abstandsmesssystem verwendet eine Flugzeit(TOF)-Methode. Die TOF-Methode arbeitet durch Bestrahlen von Licht in Bezug auf ein Objekt, Messen einer Zeitdauer seit dem Abstrahlen des Lichts bis zum Einfall des Lichts auf ein Objekt, und bis das Licht umgelenkt wird und zurückkehrt, und dann Messen des Abstands zu dem Objekt basierend auf dieser Dauer und der Lichtgeschwindigkeit (siehe Ryohei Miyagawa und Takeo Kanade, „CC-Based Range-Finding Sensor", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 44, No. 10, October 1997, pp. 1648 through 1652, nachfolgend als Dokument 2 bezeichnet).
Gemäß Dokument 2 wird im Detail die Bestrahlungszeit von gepulstem Licht in einem Abstandsmesssystem offenbart, sowie die Betriebszeit von zwei Lichtempfangselementen. Insbesondere wird eine Bestrahlungszeit und eine Bestrahlungsstoppzeit von gepulstem Licht in der gleichen Länge wiederholt (d.h. das Lichtabgabeelement wird mit einem Tastverhältnis von 50 % betrieben), und Ladungen werden abwechselnd in zwei Richtungen synchron mit Strahlung und Nicht-Strahlung des gepulsten Lichts übertragen (siehe 1 von Dokument 2). Zusätzlich wird eine Dauer, über die das gepulste Licht von einem Objekt reflektiert und zurückkehrt, basierend auf der Phasendifferenz von zwei Ausgangsspannungen, gemessen.
Zusammenfassung der Erfindung
Übrigens ist es zum Realisieren einer Abstandsmessvorrichtung durch eine TOF-Methode erforderlich, dass die empfangenen Fotoelektronen (d.h. durch fotoelektrische Wandlung erfasste Ladungen) mit hohen Geschwindigkeiten übertragen werden.
In dem Bildsensor des vorgenannten Dokuments 1 ist, um die Empfindlichkeit zu verbessern, ein Beispiel offenbart, worin das PG (Fotogatter) in einer kammartigen Gestalt ausgebildet ist. In diesem Fall enthält, innerhalb des Lichtempfangselements, dessen PG-Abschnitt eine Funktion zum Überführen der ausgangsseitig gespeicherten Ladungen (Fotoelektronen). Jedoch besitzen Abschnitte davon, abgesehen von dem PG, diese Funktion nicht. Dementsprechend tritt ein Problem darin auf, dass Zeit erforderlich ist, um alle in dem Lichtempfangselement gespeicherten Fotoelektronen zur Ausgangsseite zu übertragen.
Ferner ist es in Bezug auf den Empfang von Mischlicht, das aus Umgebungslicht und moduliertem Licht mit einer bestimmten Zeitgebung zusammengesetzt ist, und der Empfang des modulierten Lichts mit einer anderen Zeitgebung notwendig, dass die Ladungen abwechselnd in zwei Richtungen synchron mit Strahlung und Nicht-Abstrahlung des modulierten Lichts übertragen werden. Zu diesem Zweck müssen Fotoelektronen, die in dem fotoelektrischen Wandlerelement fotoelektrisch gewandelt werden, mit hohen Geschwindigkeiten über gewünschte Gatterelektroden zu jeweiligen Knoten übertragen werden. Um insbesondere ein ausreichendes Signalrauschverhältnis (S/N-Verhältnis) zu bekommen, ist ein fotoelektrisches Wandlerelement mit einer großen Lichtempfangsfläche erforderlich. Jedoch ist im Falle der Verwendung eines großen fotoelektrischen Wandlerelements der Abstand zu den Ausgangsknoten lang, und daher ist es schwierig, dass die fotoelektrisch gewandelten Fotoelektronen mit hohen Geschwindigkeiten zu einem gewünschten Knoten übertragen werden.
Wenn ferner in dem Fall, dass Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement zwei Knoten zugewiesen werden, die Abstände zu den jeweiligen Gatterelektroden von dem fotoelektrischen Wandlerelement unterschiedlich sind, dann tritt ein Unterschied in der Übertragungseffizienz zu den zwei Knoten auf, was in einem verringerten Signalrauschverhältnis resultiert, hervorgerufen durch das Vorhandensein einer in der Ebene liegenden Verteilung der Umwandlungseffizienz des fotoelektrischen Wandlerelements, oder Unterschieden in den Übertragungswegen der Fotoelektronen.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorgenannten Probleme gemacht worden und hat zur Aufgabe, ein fotoelektrisches Wandlerelement anzugeben, worin durch fotoelektrische Umwandlung enthaltene Fotoelektronen mit hohen Geschwindigkeiten zu einem gewünschten Bereich überführt und darin gesammelt werden können, worin eine Abstandsmessvorrichtung durch Anwendung der Prinzipien einer TOF-Methode realisiert werden kann, und die ferner ermöglicht, dass die Erfindung von verschiedenen Lichtempfangsvorrichtungen angewendet wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtempfangsvorrichtung anzugeben, worin Luminanzinformation hochgenau von einfallendem Licht innerhalb einer festen Zeitdauer erfasst werden kann, unter Verwendung des fotoelektrischen Wandlerelements mit den vorgenannten Wirkungen, wobei die Lichtempfangsvorrichtung ferner mit einer elektronischen Verschlussfunktion kombiniert wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lichtempfangssystem anzugeben, worin das Signalrauschverhältnis verbessert werden kann, der Einfluss von Umgebungslicht durch Rauschkomponenten reduziert werden kann und das ermöglicht, dass erforderliche Lichtkomponenten mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abstandsmessvorrichtung anzugeben, worin das Signalrauschverhältnis verbessert werden kann, der Einfluss von Umgebungslichtrauschkomponenten reduziert werden kann, und die ermöglicht, dass der Abstand zu einem Objekt mit hoher Genauigkeit gemessen wird.

[1] Ein fotoelektrisches Wandlerelement zum Erfassen von Licht und Umwandeln des Lichts in Fotoelektronen gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassend: eine MOS-Diode, die eine Elektrode aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat mit einem Isolator dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, worin die Elektrode der MOS-Diode, bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten von einem Elektrodenabschnitt abzweigen, und die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen die Zweigabschnitte der Elektrode eingebettet sind.
[2] Im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Potential unter der Elektrode der MOS-Diode derart gesteuert, dass Fotoelektronen, die zumindest durch fotoelektrische Wandlung an den eingebetteten Fotodioden erzeugt werden, zu der MOS-Diode wandern.
[3] In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, innerhalb der MOS-Diode, ein Abschnitt, der einer Basis von dem einen Elektrodenabschnitt der Elektrode entspricht, als Ladungssammeleinheit aufgebaut.
[4] In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind eine Mehrzahl von Zweigabschnitten der Elektrode in der MOS-Diode jeweils rechtwinklig gestaltet.
[5] In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist jeder der mehreren Zweigabschnitte der Elektrode innerhalb der MOS-Diode so ausgestaltet, dass er, bei Betrachtung von deren Oberseite, in der Breite zu dem einen Elektrodenabschnitt hin allmählich größer wird.
[6] In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Stromversorgungsanschlüsse von jedem der Mehrzahl von Zweigabschnitten der Elektrode in der MOS-Diode an Positionen ausgebildet, die, bei Betrachtung von dessen Oberseite, von der Ladungssammeleinheit maximal getrennt sind.
[7] Im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ferner vorgesehen, eine erste MOS-Diode, die eine erste Elektrode aufweist, die auf dem Halbleitersubstrat mit dem Isolator dazwischen ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von zweiten MOS-Dioden, die jeweilige zweite Elektroden aufweisen, die auf dem Halbleitersubstrat mit dem Isolator dazwischen ausgebildet sind, worin die zweiten Elektroden der Mehrzahl von zweiten MOS-Dioden jeweils von der ersten Elektrode getrennt sind, und, bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten der ersten Elektrode eingebettet sind, und die eingebetteten Fotodioden zwischen der ersten MOS-Diode und den zweiten MOS-Dioden ausgebildet sind.
[8] Eine Lichtempfangsvorrichtung, die Luminanzinformation von einfallendem Licht gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfasst, umfasst: ein fotoelektrisches Wandlerelement, das einfallendes Licht erfasst und in Fotoelektronen umwandelt, eine Ladungssammeleinheit zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlerelement erzeugten Fotoelektronen; einen Kondensator, der die Fotoelektronen mit einer festen Zeitdauer speichert; eine Ladungs-Entladeeinehit, die die Fotoelektronen entlädt; ein erstes MOS-Typ-Schaltelement, das zwischen der Ladungssammeleinheit und dem Kondensator angeordnet ist, um zu bewirken, dass die in der Ladungssammeleinheit gesammelten Fotoelektronen zu dem Kondensator hin wandern, ein zweites MOS-Typ-Schaltelement, das zwischen der Ladungssammeleinheit und der Ladungs-Entladeeinheit angeordnet ist, um das Entladen von Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit zu der Ladungs-Entladeeinehit zu steuern. Das fotoelektrische Wandlerelement umfasst eine MOS-Diode, die eine Elektrode aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat mit einem Isolator dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, worin die Elektrode der MOS-Diode, bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten von einem Elektrodenabschnitt abzweigen, wobei die Mehrzahl von eingebetteten Fotoelektroden, bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten der Elektrode eingebettet sind, und die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement zu dem Kondensator durch selektives Steuern zum Öffnen/Schließen des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements überführt werden, wodurch Luminanzinformation des einfallenden Lichts basierend auf einer Menge (Ladungsmenge) der zum Kondensator überführten Fotoelektronen erfasst wird.
[9] In dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Ladungssammeleinheit mit dem fotoelektrischen Wandlerelement die Ladungssammeleinheit mit dem fotoelektrischen Wandlerelement verbunden und die Ladungs-Entladeeinheit gegenüber dem Kondensator angeordnet, während die Ladungssammeleinheit dazwischen aufgenommen ist.
[10] In dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Kondensator einen MIM-Kondensator, einen MOS-Kondensator, eine eingebettete Fotodiodenstruktur oder eine parasitische pn-Übergangskapazität aufweist.
[11] In dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind zumindest die Ladungssammeleinheit, das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement und der Kondensator in einem lichtabgeschirmten Bereich ausgebildet.
[12] Eine Lichtempfangsvorrichtung, die Luminanzinformation von einfallendem Licht gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, erfasst, umfasst ein fotoelektrisches Wandlerelement, das das einfällende Licht erfasst und in Fotoelektronen umwandelt; eine Ladungssammeleinheit zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlerelement erzeugten Fotoelektronen, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, die die Fotoelektronen mit einer festen Zeitdauer speichern, eine Ladungs-Entladeeinheit, die die Fotoelektronen entlädt; ein erstes MOS-Typ Schaltelement, das zwischen der Ladungssammeleinheit und dem ersten Kondensator angeordnet ist, um die in der Ladungssammeleinheit gesammelten Fotoelektronen selektiv dem ersten Kondensator zuzuweisen, und ein zweites MOS-Typ Schaltelement, das zwischen der Ladungssammeleinheit und dem zweiten Kondensator angeordnet ist, um die in der Ladungssammeleinheit gesammelten Fotoelektronen selektiv dem zweiten Kondensator zuzuweisen; und ein drittes MOS-Typ Schaltelement zum Steuern des Entladens von Fotoelektronen von der Sammeleinheit zu der Ladungs-Entladeeinheit. Das fotoelektrische Wandlerelement umfasst eine MOS-Diode, die eine Elektrode aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat mit einem Isolator dazwischen ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, worin die Elektrode der MOS-Diode, bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten von einem Elektrodenabschnitt abzweigen, die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten der Elektrode eingebettet sind, und die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement zu dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator durch selektives Steuern von Ein-/Aus-Zuständen der ersten bis dritten Schaltelemente überführt werden, wodurch Luminanzinformation von einfallendem Licht basierend auf einer Menge (Ladungsmenge) der zu dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator überführten Fotoelektronen erfasst wird.
[13] In dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Ladungssammeleinheit mit dem fotoelektrischen Wandlerelement verbunden, die Ladungs-Entladeeinheit gegenüber dem fotoelektrischen Wandlerelement angeordnet, während die Ladungssammeleinheit dazwischen aufgenommen ist, und der erste Kondensator und der zweite Kondensator einander gegenüberliegend angeordnet, während die Ladungssammeleinheit dazwischen aufgenommen ist.
[14] In dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Kondensator und der zweite Kondensator einen MIM-Kondensator, einen MOS-Kondensator, eine eingebettete Fotodiodenstruktur oder eine parasitische pn-Übergangskapazität
[15] In dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind zumindest die Ladungssammeleinheit, die ersten bis dritten Schaltelemente, der erste Kondensator und der zweite Kondensator in einem lichtabgeschirmten Bereich ausgebildet.
[16] Ein Lichtempfangssystem gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lichtabgabevorrichtung, die gepulstes Licht in Bezug auf ein Objekt abstrahlt, eine Lichtempfangsvorrichtung, die reflektiertes Licht des gepulsten Lichts empfängt und in Antwort auf eine empfangene Lichtmenge eine Ausgabe ausführt; und einen Controller, der die Lichtabgabevorrichtung und die Lichtempfangsvorrichtung steuert/regelt. Die Lichtempfangsvorrichtung umfasst ein fotoelektrisches Wandlerelement, das das reflektierte Licht erfasst und in Fotoelektronen umwandelt; eine Ladungssammeleinheit zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlungselement erzeugten Fotoelektronen, ein Paar von Kondensatoren, die die Fotoelektronen mit einer festen Zeitdauer speichern, eine Ladungs-Entladeeinheit, die die Fotoelektronen entlädt, ein Paar von MOS-Typ-Schaltelementen, die zwischen der Ladungssammeleinheit und dem Paar von Kondensatoren angeordnet sind, um die in der Ladungssammeleinheit gesammelten Fotoelektronen synchron mit dem Betrieb der Lichtabgabevorrichtung selektiv dem Paar von Kondensatoren zuzuweisen, und ein drittes MOS-Typ-Schaltelement zum Steuern des Entladens der Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit zu der Ladungs-Entladeeinheit synchron mit dem Betrieb der Lichtabgabevorrichtung. Das fotoelektrische Wandlerelement umfasst eine MOS-Diode, die eine Elektrode aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat mit einem Isolator dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, worin die Elektroden der MOS-Diode, bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten von einem Elektrodenabschnitt abzweigen, die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen einer Mehrzahl von Zweigabschnitten der Elektrode eingebettet sind. Der Controller schaltet ein erstes Schaltelement unter dem Paar von Schaltelementen ein und führt die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement zu einem ersten Kondensator unter dem Paar von Kondensatoren in einer ersten Dauer überführt, die innerhalb einer Dauer liegt, in der das gepulste Licht von der Lichtabgabevorrichtung nicht abgestrahlt wird, ein zweites Schaltelement unter dem Paar von Schaltelementen einschaltet und die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement zu einem zweiten Kondensator unter dem Paar von Kondensatoren in einer zweiten Dauer überführt, die innerhalb einer Dauer liegt, in der das gepulste Licht von der Lichtabgabevorrichtung abgestrahlt wird, das dritte Schaltelement einschaltet und die Ladungs-Entladeeinheit ansteuert, um die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement innerhalb einer Dauer außerhalb der ersten Dauer und der zweiten Dauer zu entladen, und Luminanzinformation des reflektierten Lichts basierend auf einer zum ersten Kondensator überführten Menge (Ladungsmenge) der Fotoelektronen und einer zum zweiten Kondensator überführten Menge (Ladungsmenge) der Fotoelektronen erfasst.
[17] In dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ferner eine Stromquelle und einen ersten MOS-Typ Rücksetzschalter und einen zweiten MOS-Typ Rücksetzschalter vorgesehen, um die Potentiale des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators auf Anfangspotentiale zu setzen.
[18] In dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ferner vorgesehen ein erster Verstärker und ein zweiter Verstärker zum jeweiligen Umwandeln auf elektrische Signale eines Pegels, der Potentialen entspricht, basierend auf der Menge in dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator gespeicherten Fotoelektronen.
[19] In dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ferner vorgesehen eine erste Ladungshalteeinheit und eine zweite Ladungshalteeinheit, die durch einen MOS-Kondensator oder eine eingebettete parasitische fotodiodenstrukturierte Kapazität aufgebaut sind, um die von dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement überführten Fotoelektronen vorübergehend zu speichern; und eine erste Ladungstransfereinheit und eine zweite Ladungstransfereinheit, die durch MOS-Typ-Schaltelemente aufgebaut sind, um die Fotoelektronen, die jeweils in der ersten Ladungshalteeinheit und der zweiten Ladungshalteeinheite vorübergehend gespeichert sind, zu dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator zu übertragen.
[20] Ein Lichtempfangssystem gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lichtabgabevorrichtung, die die gepulstes Licht in Bezug auf ein Objekt abstrahlt, eine Lichtempfangsvorrichtung die reflektiertes Licht des gepulsten Lichts empfängt und in Antwort auf eine empfangene Lichtmenge eine Ausgabe ausführt, und einen Controller, der die Lichtabgabevorrichtung und die Lichtempfangsvorrichtung steuert/regelt. Die Lichtempfangsvorrichtung umfasst ein fotoelektrisches Wandlerelement, das das reflektierte Licht erfasst und in Fotoelektronen umwandelt, eine Ladungssammeleinheit zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlerelement erzeugten Fotoelektronen erste bis vierte Kondensatoren, die die Fotoelektronen mit einer festen Dauer speichern; eine Ladungs-Entladeeinheit, die die Fotoelektronen entlädt, erste bis vierte MOS-Typ-Schaltelemente, die zwischen der Ladungssammeleinheit und den ersten bis vierten Kondensatoren angeordnet sind, um die Fotoelektronen den ersten bis vierten Kondensatoren synchron mit der Abstrahlung des gepulsten Lichts zuzuweisen und ein fünftes MOS-Typ-Schaltelement, das zwischen der Ladungssammeleinheit und der Ladungs-Entladeeinheit angeordnet ist, zum Steuern der Zufuhr der Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit zu der Ladungs-Entladeeinheit. Das fotoelektrische Wandlerelement umfasst eine MOS-Diode, die eine Elektrode aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat mit einem Isolator dazwischen ausgebildet ist und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, worin die Elektrode der MOS-Diode, bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten von einem Elektrodenabschnitt abzweigt, wobei die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten der Elektrode eingebettet sind, und der Controller Strahlung des gepulsten Lichts durch die Lichtabgabevorrichtung steuert und die ersten bis vierten Schaltelemente ein-/ausschaltet, das fünfte Schaltelement einschaltet und die Fotoelektronen zu der Ladungs-Entladeeinheit dann entlädt, wenn alle der ersten bis vierten Schaltelemente ausgeschaltet sind, und Luminanzinformation des reflektierten Lichts basierend auf einer zu den ersten bis vierten Schaltelementen überführten Menge (Ladungsmenge) der Fotoelektronen erfasst.
[21] In dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ferner eine Stromquelle und erste bis vierte MOS-Typ-Rücksetzschalter vorgesehen, um die Potentiale der ersten bis vierten Kondensatoren auf Anfangspotentiale zu setzen.
[22] In dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ferner erste bis vierte Verstärker vorgesehen, um jeweils auf elektrische Signale von Pegeln umzuwandeln, die Potentialen entsprechen, die auf Menge der in den ersten bis vierten Kondensatoren gespeicherten Fotoelektronen beruhen.
[23] In dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ferner erste bis vierte Ladungshalteeinheiten vorgesehen, die durch einen MOS-Kondensator oder eine eingebettete parasitische fotodioden-strukturierte Kapazität aufgebaut sind, um die durch die ersten bis vierten Schaltelemente übertragenen Fotoelektronen vorübergehend zu speichern, und erste bis vierte Ladungstransfereinheiten, die durch MOS-Typ-Schaltelemente aufgebaut sind, um die Fotoelektronen, die jeweils in den ersten bis vierten Ladungshalteeinheiten vorübergehend gespeichert sind, jeweils zu den ersten bis vierten Kondensatoren zu übertragen.
[24] In den vierten und fünften Aspekten der vorliegenden Erfindung ist ein Strukturelement der Lichtempfangsvorrichtung durch ein Strukturelement eines Pixelabschnitts eines Liniensensorarrays oder eines zweidimensionalen Bildsensorarrays, in dem eine Mehrzahl von Pixel vorgesehen sind, aufgebaut.
[25] Eine Abstandsmessvorrichtung gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lichtabgabevorrichtung, die gepulstes Licht in Bezug auf ein Objekt abstrahlt, eine Lichtempfangsvorrichtung, die reflektiertes Licht des gepulsten Lichts empfängt und in Antwort auf eine empfangene Lichtmenge eine Ausgabe ausführt, einen Controller, der die Lichtabgabevorrichtung und die Lichtempfangsvorrichtung steuert/regelt, und einen Arithmetik-Prozessor zum Berechnen eines Abstands zu dem Objekt durch eine Flugzeitmethode unter Verwendung der Ausgabe der Lichtempfangsvorrichtung. Die Lichtempfangsvorrichtung umfasst ein fotoelektrisches Wandlerelement, das das reflektierte Licht erfasst und in Fotoelektronen umwandelt, eine Ladungssammeleinheit zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlerelement erzeugten Fotoelektronen, erste bis vierte Kondensatoren, die die Fotoelektronen mit einer festen Zeitdauer speichern, eine Ladungs-Entladeeinheit, die die Fotoelektronen entlädt, erste bis vierte MOS-Typ-Schaltelemente, die zwischen der Ladungssammeleinheit und den ersten bis vierten Kondensatoren angeordnet sind, um die Fotoelektronen den ersten bis vierten Kondensatoren synchron mit der Abstrahlung des gepulsten Lichts zuzuweisen, und ein fünftes MOS-Typ-Schaltelement, das zwischen der Ladungssammeleinheit und der Ladungs-Entladeeinheit angeordnet ist, zum Steuern der Zufuhr der Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit zu der Ladungs-Entladeeinheit. Das fotoelektrische Wandlerelement umfasst eine MOS-Diode, die eine Elektrode aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat mit einem Isolator dazwischen ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, worin die Elektrode der MOS-Diode, bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten von einem Elektrodenabschnitt abzweigen, wobei die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden, bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten der Elektrode eingebettet sind. Es wird angenommen, dass eine Bestrahlungsstartzeit des gepulsten Lichts als Zeit Teu genommen wird, eine Bestrahlungsendzeit des gepulsten Lichts als Zeit Ted genommen wird, eine Einfallsendzeit des reflektierten Lichts in Bezug auf das fotoelektrische Wandlerelement als Zeit Trd genommen wird, Ein-Schaltzeiten der ersten bis vierten Schaltelemente als Zeiten Tg1u, Tg2u, Tg3u, Tg4u genommen werden, Aus-Schaltzeiten der ersten bis vierten Schaltelemente als Zeiten Tg1d, Tg2d, Tg3d, Tg4d genommen werden, eine Zeitperiode von der Zeit Tg1u zur Zeit Tg1d als P1 genommen wird, eine Zeitperiode von der Zeit Tg2u zur Zeit Tg2d als P2 genommen wird, eine Zeitperiode von der Zeit Tg3u zur Zeit Tg3d als P3 genommen wird, eine Zeitperiode von der Zeit Tg4u zur Zeit Tg4d als P4 genommen wird, eine Zeitperiode von der Zeit Tg4u zur Zeit Trd als Psr genommen wird, eine Menge der Fotoelektronen, die innerhalb der Zeitperiode P1 in dem ersten Kondensator gespeichert wird, als Ladungsmenge Q1 genommen wird, eine Menge der Fotoelektronen, die innerhalb der Zeitperiode P2 in dem zweiten Kondensator gespeichert wird, als Ladungsmenge Q2 genommen wird, eine Menge der Fotoelektronen, die innerhalb der Zeitperiode P3 in dem dritten Kondensator gespeichert wird, als Ladungsmenge Q3 genommen wird, eine Menge der Fotoelektronen, die innerhalb der Zeitperiode P4 in dem vierten Kondensator gespeichert wird, als Ladungsmenge Q4 genommen wird, eine Zeitdauer von der Bestrahlung des gepulsten Lichts zur Reflektion des gepulsten Lichts durch das Objekt und bis das reflektierte Licht zurückkehrt, als Umlaufzeitdauer ΔP genommen wird, und der Abstand zwischen dem Objekt und der Lichtabgabevorrichtung und der Lichtempfangsvorrichtung als Abstand D genommen wird, dann der Controller die Strahlung des gepulsten Lichts von der Lichtabgabevorrichtung steuert/regelt und die ersten bis vierten Schaltelemente ein-/ausschaltet, derart, dass:
1. (1) P1 = P3
2. (2) P2 = P4, und
3. (3) Tg1u < Tg1d ≤ Tg2u < Tg2d ≤ Teu < Tg3u < Tg3d ≤ Tg4u ≤ Ted < Tg4d, oder Teu < Tg3u < Tg3d ≤ Tg4u ≤ Ted < Tg4d < Tg1u < Tg1d ≤ Tg2u < Tg2d und das fünfte Schaltelement einschaltet und die Fotoelektronen zu der Ladungs-Entladeeinheit dann entlädt, wenn alle der ersten bis vierten Schaltelemente ausgeschaltet sind, und der Arithmetik-Prozessor Luminanzinformation des reflektierten Lichts in der Zeitperiode P3 basierend auf einer Differenz zwischen die der Ladungsmenge Q3, die in dem dritten Kondensator gespeichert ist und die dem Umgebungslicht und dem reflektierten Licht entspricht, und der Ladungsmenge Q1, die in dem ersten Kondensator gespeichert ist und die dem Umgebungslicht entspricht, erfasst, Luminanzinformation des reflektierten Lichts in der Zeitdauer Psr basierend auf einer Differenz zwischen der Ladungsmenge Q4, die in dem vierten Kondensator gespeichert ist und die dem Umgebungslicht und dem reflektierten Licht entspricht und der Ladungsmenge Q2, die in dem zweiten Kondensator gespeichert ist und die dem Umgebungslicht entspricht, erfasst, ein Verhältnis zwischen der Luminanzinformation des reflektierten Lichts in der Zeitperiode P3 und der Luminanzinformation des reflektierten Lichts der Zeitdauer Psr bestimmt und die Umlaufzeitdauer ΔP basierend auf dem Verhältnis zwischen der Zeitperiode P3 und der Zeitdauer Psr berechnet und den Abstand D basierend auf der Umlaufzeitdauer ΔP misst.
[26] In dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Umlaufzeitdauer ΔP basierend auf der folgenden Gleichung (1) berechnet, wenn die Zeit Ted und die Zeit Tg4u gleich sind, $Δ P = {(Q 4 - Q 2) / (Q 3 - Q 1)} \times P 3$
und die Umlaufzeitdauer ΔP basierend auf der folgenden Gleichung (2) berechnet wird, wenn die Zeit Ted später als die Zeit Tg4u ist, $Δ P = [(Q 4 - Q 2) / (Q 3 - Q 1)] \times P 3 - (Ted - Tg4u)$
[27] In dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung strahlt der Controller das gepulste Licht mehre Male zu der Lichtabgabevorrichtung in jedem von jeweiligen Messzyklen, und der Arithmetik-Prozessor berechnet die Umlaufzeitdauer ΔP unter Verwendung der Ladungsmengen Q1 bis Q4, nachdem die Fotoelektronen mehrere Male jeweils in den ersten bis vierten Kondensatoren gespeichert worden sind.

Wie oben beschrieben, können, gemäß dem fotoelektrischen Wandlerelement der vorliegenden Erfindung, durch fotoelektrische Umwandlung erhaltene Fotoelektronen mit hohen Geschwindigkeiten zu einem gewünschten Bereich übertragen und darin gesammelt werden, und eine Abstandsmessvorrichtung kann durch Anwendung der Prinzipien einer TOF-Methode realisiert werden, die weiter auf verschiedene Lichtempfangsvorrichtungen angewendet werden kann.
Ferner kann gemäß der Lichtempfangsvorrichtung der vorliegenden Erfindung die Luminanzinformation hochgenau von einfallendem Licht innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer unter Verwendung des fotoelektrischen Wandlerelements mit den vorgenannten Wirkungen erfasst werden, und die Lichtempfangsvorrichtung kann ferner mit einer elektronischen Verschlussfunktion kombiniert werden.
Ferner kann gemäß dem Lichtempfangssystem der vorliegenden Erfindung das Signalrauschverhältnis verbessert werden, kann der Einfluss von Umgebungslicht-Rauschkomponenten reduziert werden und können erforderliche Lichtkomponenten mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Noch weiter kann gemäß der Abstandsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung das Signalrauschverhältnis verbessert werden, kann der Einfluss von Umgebungslicht-Rauschkomponenten reduziert werden und kann der Abstand zu einem Objekt mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die ein erstes fotoelektrisches Wandlerelement zeigt, bei Betrachtung von deren Oberseite;
2 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie II-II in 1;
3 ist ein Zeitdiagramm, das Operationen des ersten fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
4 ist ein Potentialdiagramm, das Operationen (d.h. Operationen zur Zeit t1 in 3) des ersten fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
5 ist ein Potentialdiagramm, das Operationen (d.h. Operationen zur Zeit t2 in 3) des ersten fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
6 ist eine Ansicht, die ein zweites fotoelektrisches Wandlerelement zeigt, bei Betrachtung von dessen Oberseite;
7 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie VII-VII in 6;
8 ist ein Zeitdiagramm, das Operationen des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
9A, 9B und 9C sind Potentialdiagramme, die Operationen (d.h. Operationen zur Zeit t0, t1 und t2 in 8) des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements zeigen;
10 ist ein schematisches Diagramm, das Merkmale des ersten fotoelektrischen Wandlerelements und des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
11 ist eine Ansicht, die eine erste Lichtempfangseinheit einer ersten Lichtempfangsvorrichtung zeigt, bei Betrachtung von deren Oberseite;
12 ist eine Ansicht, die eine zweite Lichtempfangseinheit einer zweiten Lichtempfangsvorrichtung zeigt, bei Betrachtung von deren Oberseite;
13 ist ein schematisches Diagramm, das Merkmale eines ersten Lichtempfangssystems und eines zweiten Lichtempfangssystems zeigt;
14 ist ein Schaltplan, der eine erste Lichtempfangseinheit eines ersten Lichtempfangssystems zeigt;
15 ist ein Zeitdiagramm, das Operationen des ersten Lichtempfangssystems zeigt;
16 ist ein Zeitdiagramm, das Grundprinzipien einer Technik zum Reduzieren des Einflusses von Umgebungslicht zeigt;
17A ist ein Erläuterungsdiagramm, das Grundprinzipien einer Technik zum Reduzieren des Einflusses von Umgebungslicht zeigt;
17B ist ein Erläuterungsdiagramm, das einen Einfluss von Photonrauschen von Sonnenlicht zeigt;
18A ist ein Erläuterungsdiagramm, das ein Verfahren zum mehrfachen Wiederholen des in 17A gezeigten Zyklus zeigt, um hier das Signalrauschverhältnis zu verbessern;
18B ist ein Erläuterungsdiagramm, das einen Einfluss von Zufalls-Photonschussrauschen zeigt;
19 ist ein Schaltplan, der eine zweite Lichtempfangseinheit eines zweiten Lichtempfangssystems zeigt;
20 ist ein Zeitdiagramm, das Operationen des zweiten Lichtempfangssystems zeigt;
21 ist ein schematisches Diagramm, das eine erste Abstandsmessvorrichtung und eine zweite Abstandsmessvorrichtung zeigt;
22 ist ein schematisches Diagramm, das eine dritte Lichtempfangseinheit mit einem Sensorarray einer dritten Lichtempfangsvorrichtung in der ersten Abstandsmessvorrichtung zeigt;
23 ist ein Schaltplan, der die Struktur von jeweiligen Pixeln der dritten Lichtempfangseinheit zeigt;
24 ist ein Zeitdiagramm eines Abstandsmesszyklus;
25 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel von Bestrahlungslicht, reflektiertem Licht und Ein-/Aus-Zeiten von ersten bis fünften Schaltelementen innerhalb jeweiliger zweiter Akkumulationsperioden Tca2 zeigt;
26 ist ein Zeitdiagramm, das ein anderes Beispiel von Strahlungslicht, reflektiertem Licht und Ein-/Aus-Zeiten von ersten bis fünften Schaltelementen innerhalb jeweiliger zweiter Akkumulationsperioden Tca2 zeigt;
27 ist ein Schaltplan, der jeweilige Pixel in einer vierten Lichtempfangseinheit der vierten Lichtempfansvorrichtung zeigt, die in der zweiten Distanzmessvorrichtung angeordnet ist;
28 ist eine Querschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel eines fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
29 ist eine Ansicht, die ein drittes fotoelektrisches Wandlerelement zeigt, bei Betrachtung von deren Oberseite;
30A ist ein Potentialdiagramm entlang Linie XXXA-XXXA in 29;
30B ist ein Potentialdiagramm entlang Linie XXXB-XXXB in 29;
31 ist ein Potentialdiagramm entlang Linie XXXI-XXXI in 29;
32 ist ein Potentialdiagramm, das Operationen (d.h. Operationen zur Zeit t2 in 3) des dritten fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
33 ist eine Ansicht, die ein viertes fotoelektrisches Wandlerelement zeigt, bei Betrachtung von deren Oberseite;
34 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie XXXIV-XXXIV in 33;
35 ist ein Zeitdiagramm, das Operationen des vierten fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
36A ist ein Potentialdiagramm, das Operationen (d.h. Operationen der Zeit t11 in 35) des vierten fotoelektrischen Wandlerelements zeigt;
36B ist ein ähnliches Potentialdiagramm von Operationen von Zeit t12;
36C ist ein anderes Potentialdiagramm, das Operationen der Zeit t11 zeigt;
37 ist eine Ansicht, die ein fünftes fotoelektrisches Wandlerelement zeigt, bei Betrachtung von deren Oberseite;
38A ist eine Potentialdiagrammansicht entlang Linie XXXVII-IA-XXXVIIIA in 37;
38B ist eine Potentialdiagrammansicht entlang Linie XXXVIIIB-XXXII-IB in 37;
39 ist eine Potentialdiagrammansicht entlang Linie XXXIX-XXXIX in 37;
40 ist eine Ansicht, die ein sechstes fotoelektrisches Wandlerelement zeigt, bei Betrachtung von dessen Oberseite zeigt; und
41 ist ein Potentialdiagrammansicht entlang Linie XLI-XLI in 40.

Beschreibung von Ausführungen
Nachfolgend werden ein fotoelektrisches Wandlerelement, eine Lichtempfangsvorrichtung, ein Lichtempfangssystem und eine Abstandsmessvorrichtung gemäß Ausführungen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die 1 bis 41 beschrieben.
[Erstes fotoelektrisches Wandlerelement 10A]
Zuerst enthält, wie in den 1 und 2 gezeigt, ein fotoelektrisches Wandlerelement (nachfolgend als erstes fotoelektrisches Wandlerelement 10A bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung eine MOS-Diode 18, die eine Elektrode 16 aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat 12 (siehe 2) mit einem dazwischen angeordneten Isolator 14 ausgebildet ist, und eingebettete Fotodioden BPD, die auf dem Halbleitersubstrat 12 ausgebildet sind. Insbesondere ist, wie in 2 gezeigt, zum Beispiel der Halbleitersubstrat 12 durch einen p-typ-Verunreinigungsdiffusionsbereich gebildet. Zusätzlich ist die vorgenannte MOS-Diode 18 hergestellt durch Ausbildung der Elektrode 16 aus Polysilizium oder einem metallischen Leiter oder dergleichen auf dem Halbleitersubstrat 12 über. eine Isolationsschicht (Isolator 14), die aus SiO₂ oder dergleichen hergestellt ist. Ferner sind die vorgenannten eingebetteten Fotodioden BPD jeweils aufgebaut durch Ausbildung eines hochdotierten p-typ-Verunreinigungsdiffusionsbereichs auf der Oberfläche eines n-typ-Verunreinigungsdiffusionsbereichs, der selbst auf einem p-typ-Verunreinigungsdiffusionsbereich ausgebildet ist.
Bei Betrachtung von der Oberseite her hat die Elektrode 16 der MOS-Diode 18 eine kammförmige Gestalt, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten 22 jeweils von einem Elektrodenabschnitt 20 abzweigen. Die eingebetteten Fotoelektroden BPD sind so angeordnet, dass sie zwischen den mehreren Zweigabschnitten 22 der Elektrode 16 eingebettet sind. Die Zweigabschnitte 22 der Elektrode 16 in der MOS-Diode 18 sind jeweils rechtwinklig ausgestaltet.
Eine Ladungssammeleinheit 26 zum Akkumulieren von Fotoelektronen, die durch das erste fotoelektrische Wandlerelement erzeugt werden, ist auf einem Basisabschnitt 24 (im Wesentlichen in der Mitte in der Längsrichtung) des einen Elektrodenabschnitts 20 auf der Elektrode 16 ausgebildet. Die Ladungssammeleinheit 26 ist so ausgebildet, dass sie sich von dem Basisabschnitt 24 des einen Elektrodenabschnitts 20 in einer von den Zweigabschnitten 22 entgegengesetzten Richtung erstreckt. Die Ladungssammeleinheit 26 kann strukturell innerhalb des ersten fotoelektrischen Wandlerelements 10A enthalten sein, braucht aber darin nicht enthalten sein.
Stromversorgungsanschlüsse 28 von jedem der Zweigabschnitte 22 der Elektrode 16 in der MOS-Diode 18 sind an Positionen ausgebildet, die, bei Betrachtung von der Oberseite, von der Ladungssammeleinheit 26 maximal getrennt sind. Insbesondere sind die Stromversorgungsanschlüsse 28 an Enden, die Abstand von der Ladungssammeleinheit 26 haben, von jedem der Zweigabschnitte 22 ausgebildet.
Zusätzlich sind nicht dargestellte Metalldrähte vorgesehen, um eine Spannung V1 an die Stromversorgungsanschlüsse 28 anzulegen. Die Spannung V1 wechselt über eine Niedrigpegelspannung V1L zu einer Hochspannung V1H. Die Niedrigpegelspannung V1 L kann eine Nullpegelspannung 0V oder eine negative Spannung sein.
Nachfolgend werden Operationen des ersten fotoelektrischen Wandlerelements 10A in Bezug auf das Zeitdiagramm von 3 und die Potentialdiagramme von 4 und 5 erläutert. Wie intuitiv aus der Tatsache ersichtlich ist, dass die Potentialdiagramme der 4 und 5 auf Fotoelektronen 30 als Ladungen anwendbar sind, ist dieses so dargestellt, dass die Potentialorte 32a und 32b niedriger werden, wenn die Potentiale höher gehen.
Wenn zunächst, wie in 3 gezeigt zur Zeit t1 (Anfangsbelichtungsstufe) die Spannung V1 einen hohen Pegel V1H einnimmt, wie in 4 gezeigt, werden die Potentialorte 32a unter der Elektrode 16 niedriger als die Potentialorte 32b der eingebetteten Fotodioden BPD, wodurch ein Potentialgefälle 34 von den eingebetteten Fotodioden BPD zu den Potentialorten 32a unter der Elektrode 16 gebildet wird. Aus dieser Tatsache, in Folge des Potentialgefälles, bewegen sich (d.h. wandern) die Fotoelektronen 30, die durch die eingebetteten Fotodioden BPD erzeugt werden, mit hohen Geschwindigkeiten zu Orten unterhalb der Elektrode 16, und insbesondere zu Orten unterhalb der mehreren Zweigabschnitte 22 davon.
Wenn danach zur Zeit t2 (Belichtungsendstufe) die Spannung V1 eine Niedrigpegelspannung V1L einnimmt, wie in 5 gezeigt, trotz der Tatsache, dass die Stromversorgungsanschlüsse 28 der Elektrode 16 an Positionen, die von der Ladungssammeleinheit 26 maximal getrennt sind, unter den Potentialorten 32a unterhalb der Elektrode 16 ausgebildet sind, steigen die Potentialorte 32a an ihren Abschnitten direkt unterhalb der Stromversorgungsanschlüsse 28 rasch an, wohingegen die Potentialorte 32a, die der Ladungssammeleinheit 26 näher sind, allmählich ansteigen. In Folge des Absinkens der positiven Ladung der Elektrode 16, weil das Potential an den Abschnitten direkt unterhalb der Stromversorgungsanschlüsse 28 absinkt, weil das Potential über der Gesamtheit der Elektrode 16 vorübergehend absinkt, steigt auch der Pegel der Potentialorte 32a unterhalb der Elektrode 16 an. Demzufolge werden Potentialgradienten 34 in der Längsrichtung unterhalb des Zweigabschnittes 22 der Elektrode 16 ausgebildet, und über die Zeit bewegen sich die Potentialgradienten 34 parallel zu der Ladungssammeleinheit 26, wodurch die Fotoelektronen 30 dazu veranlasst werden, mit hohen Geschwindigkeiten zur Ladungssammeleinheit 26 zu wandern.
Auf diese Weise sind in dem ersten fotoelektrischen Wandlerelement 10A, die eingebetteten Fotodioden BPD zwischen den Zweigabschnitten 22 der Elektrode 16 angeordnet, und durch Steuerung der an der Elektrode 16 angelegten Spannung V werden Potentialgradienten 34 mittels einer Differenz in den Potentialorten gebildet, die unter der Elektrode 16 und in den benachbarten eingebetteten Fotodioden BPD gebildet werden. Daher können Fotoelektroden 30, die durch fotoelektrische Wandlung erfasst werden, überführt und mit hohen Geschwindigkeiten in der Ladungssammeleinheit 26 akkumuliert werden. Ferner sind die eingebetteten Fotodioden BPD vollständig entleerte Vorrichtungen, so dass Restladungen unterdrückt werden können und die Fotoelektronen vollständig davon überführt werden können. Da ferner ein hochdotierter p-Typ-Bereich in der Oberfläche davon existiert, kann das Auftreten von Dunkelströmen vorteilhaft unterdrückt werden.
Weil darüber hinaus die Stromversorgungsanschlüsse 28 der Elektrode 16 an Positionen ausgebildet sind, die von der Ladungssammeleinheit 26 maximal getrennt sind, können die Potentialorte 32a unter der Elektrode 16 kontinuierlich angehoben werden als Startpunkte von Abschnitten direkt unterhalb der Stromversorgungsanschlüsse 28. Gemäß dem Anstieg der Potentialorte 32a unterhalb der Elektrode 16 werden elektrische Felder erzeugt, und die Fotoelektronen 30 unterhalb der Elektrode 16 können mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden. Im Ergebnis können sich Fotoelektronen 30 unterhalb der Elektrode 16, zum Beispiel die Fotoelektronen 30 unterhalb der mehreren Zweigabschnitte 22 zur Ladungssammeleinheit 26 bewegen (wandern).
Auf diese Weise können im ersten fotoelektrischen Wandlerelement Fotoelektronen 30, die durch fotoelektrische Umwandlung erfasst werden, hocheffizient und mit hohen Geschwindigkeiten überführt und in der Ladungssammeleinheit 26 akkumuliert werden.
[Zweites fotoelektrisches Wandlerelement 10B]
Als nächstes wird ein fotoelektrisches Wandlerelement (nachfolgend als zweites fotoelektrisches Wandlerelement 10 bezeichnet) gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die 6 bis 9 beschrieben.
Wie in 6 gezeigt, enthält das zweite fotoelektrische Wandlerelement 10B annähernd die gleiche Struktur wie das vorgenannte erste fotoelektrische Wandlerelement 10A, jedoch enthält das zweite fotoelektrische Wandlerelement 10B eine erste MOS-Diode 18A mit einer ersten Elektrode 16A, die auf dem Halbleitersubstrat 12 (siehe 7) mit einem dazwischen angeordneten Isolator 14 ausgebildet ist, und die Mehrzahl von zweiten MOS-Diode 18B, mit zweiten Elektroden 16B, die auf dem Substrat 12 mit dem dazwischen angeordneten Isolator 14 ausgebildet sind. Die erste MOS-Diode 18A ist genauso aufgebaut wie die MOS-Diode 18 des vorgenannten ersten fotoelektrischen Wandlerelements 10A. Insbesondere ist, wie zum Beispiel in 7 gezeigt, das Halbleitersubstrat 12 durch einen p-Typ-Verunreinigungsdiffusionsbereich gebildet. Zusätzlich sind die vorgenannte erste MOS-Diode 18a und die zweiten MOS-Diode 18b aufgebaut durch Bildung der ersten Elektrode 16a und der zweiten Elektroden 16b aus Polysilizium oder einem metallischen Leiter oder dergleichen auf dem Halbleitersubstrat 12 über die Isolationsschicht (Isolator 14), die aus SiO₂ oder dergleichen hergestellt ist. Ferner sind die eingebetteten Fotodioden BPD jeweils aufgebaut durch Ausbildung eines hochdotierten p-Typ-Verunreinigungsdiffusionsbereichs auf der Oberfläche eines n-Typ-Verunreinigungsdiffusionsbereichs, der selbst auf einem p-Typ-Verunreinigungsdiffusionsbereich ausgebildet ist, zwischen der vorgenannten ersten MOS-Diode 18a und den zweiten MOS-Diode 18b.
Bei Betrachtung von der Oberseite hat die Elektrode 16a der ersten MOS-Diode 18a eine kammartige Gestalt, in der eine Mehrzahl von Zweigabschnitten 22 jeweils von einem Elektrodenabschnitt 20 abzweigt, und jede der zweiten Elektroden 16b der zweiten MOS-Diode 18b, bei Betrachtung von der Oberseite von der ersten Elektrode 16a getrennt sind, und darüber hinaus so angeordnet sind, dass die jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten 22 der ersten Elektrode 16a eingebettet sind. Die Zweigabschnitte 22 der Elektrode 16a in der ersten MOS-Diode 18a und die zweiten Elektroden 16b der zweiten MOS-Diode 18b sind jeweils rechtwinklig ausgestaltet.
Ferner sind erste Stromversorgungsanschlüsse 28a der Zweigabschnitte 22 der ersten Elektrode 16a in der ersten MOS-Diode 18a, zusammen mit den zweiten Stromversorgungsanschlüssen 28b der zweiten Elektroden 16b in den zweiten MOS-Diode 18b an Positionen ausgebildet, die, bei Betrachtung von der Oberseite her, von der Ladungssammeleinheit 26 maximal getrennt sind.
Darüber hinaus sind nicht dargestellte Metalldrähte vorgesehen, um eine erste Spannung V1 an die ersten Stromversorgungsanschlüsse 28a anzulegen, und um unabhängig jeweilige zweite Spannungen V2 an die zweiten Stromversorgungsanschlüsse 28b anzulegen.
Die erste Spannung V1 wechselt über eine Niedrigpegelspannung V1L zu einer Hochpegelspannung V1H, während die zweite Spannung V2 über eine Niedrigpegelspannung V2L zu einer Hochpegelspannung V2H wechselt. Die Größenbeziehung der Pegel ist derart, dass zumindest V1H größer ist als V2H. Die Beziehung zwischen V1L und V2L kann so sein, dass sie gleich sind, oder V1L > V2L. Ferner können V1L und V2L auch eine Nullpegelspannung 0V haben, oder eine negative Spannung.
Operationen des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B werden nun in Bezug auf das Zeitdiagramm von 8 und die Potentialdiagramme der 9A bis 9C erläutert.
Zuerst wird am Punkt t0 in 8, aufgrund der Tatsache, dass die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2 auf die niedrigen Pegel V1L und V2L gesetzt sind, wie in 9 gezeigt, keine Potentialbarriere in Bezug auf Fotoelektronen zwischen der ersten MOS-Diode 18a und der zweiten MOS-Diode 18b ausgebildet, und es werden Potentialorte 32c gebildet, die niedriger sind als die Potentialorte 32b unterhalb der zweiten Elektrode 16b, und höher als die Potentialorte 32a unterhalb der Elektrode 16a.
Wenn danach zur Zeit t1 (Anfangsbelichtungsstufe), wie in 9B gezeigt, die erste Spannung V1 einen hohen Pegel V1H einnimmt und die zweite Spannung V2 einen hohen Pegel V2H einnimmt, werden die Potentialorte 32a unterhalb der ersten Elektrode 16a und die Potentialorte 32b unterhalb der Elektrode 16b niedrig, und aus der Tatsache, dass V1H > V2H, werden die Potentialorte 32a unterhalb der ersten Elektrode 16a niedriger als die Potentialorte 32b unterhalb der zweiten Elektroden 16b. Anders ausgedrückt, es wird ein Potentialgefälle 34 ausgebildet, das von den Potentialorten unterhalb der zweiten Elektrode 16b zu jenen unterhalb der ersten Elektrode 16a niedriger wird. Aus diesem Grund werden Fotoelektronen 30, die unter den zweiten Elektroden 16b erzeugt werden, durch das Potentialgefälle 34 zu Bereichen unterhalb der ersten Elektrode 16a hin bewegt, und insbesondere zu Bereichen unterhalb der Mehrzahl von Zweigbereichen 22 davon.
Wenn danach zur Zeit t2 nur die zweite Spannung V2 den niedrigen Pegel V2L einnimmt, wie in 9C gezeigt, aufgrund der Tatsache, dass nur die Potentialorte 32b unterhalb der zweiten Elektroden 16b höher werden, wodurch der Potentialgradient 34 steil ansteigt, wandern die Fotoelektronen 30 unterhalb der zweiten Elektroden 16b mit hohen Geschwindigkeiten zu Orten unterhalb der mehreren Zweigabschnitte 22 der ersten Elektrode 16a.
Wenn danach zur Zeit t3 (Belichtungsendstufe) die erste Spannung V1 die Niedrigpegelspannung V1L einnimmt, ähnlich wie dem in 5 gezeigten Fall, steigen die Potentialorte 32a der Abschnitte direkt unterhalb der ersten Stromversorgungsanschlüsse 28a steil an, wohingegen Potentialorte 32a, die der Ladungssammeleinheit 26 näher sind, allmählich ansteigen. Aufgrund des Anstiegs der Potentialorte 32a unterhalb der ersten Elektrode 16a wird ein elektrisches Feld erzeugt, wodurch sich die Fotoelektronen unterhalb der ersten Elektrode 16a mit hohen Geschwindigkeiten bewegen (wandern) können. Im Ergebnis können die Fotoelektronen 30 unterhalb der ersten Elektrode 16a, zum Beispiel unterhalb der näheren Zweigabschnitte 22 mit hohen Geschwindigkeiten zu der Ladungssammeleinheit 26 wandern.
[Erste Lichtempfangsvorrichtung 100A]
Nun wird eine Lichtempfangsvorrichtung (nachfolgend als erste Lichtempfangsvorrichtung 100A bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführung in Bezug auf die 10 und 11 erläutert.
Wie in 10 gezeigt, enthält die erste Lichtempfangsvorrichtung 100A eine Linse 102 und eine Lichtempfangsvorrichtung 104A. Einfallendes Licht La, das durch die Linse 102 fällt, wird auf die erste Lichtempfangseinheit 104Afokussiert. Die Linse 102 kann auch eine Mehrzahl von Linsen aufweisen, die in einer Linie oder Matrix angeordnet sind.
Wie in 11 gezeigt, umfasst die erste Lichtempfangseinheit 104A ein fotoelektrisches Wandlerelement 10, eine Ladungssammeleinheit 26 zum Sammeln von Fotoelektronen, die durch das fotoelektrische Wandlerelement 10 erzeugt werden, einen Kondensator Ca zum Speichern von Fotoelektronen in einer festen Zeitdauer, eine Ladungs-Entladeeinheit 108, die Fotoelektronen entlädt, ein erstes Schaltelement SW1, das zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und dem Kondensator Ca angeordnet ist, um zu veranlassen, dass in der Ladungssammeleinheit 26 akkumulierte Fotoelektronen zum Kondensator Ca wandern, sowie ein zweites Schaltelement SW2, das zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und der Ladungs-Entladeeinheit 108 angeordnet ist, um das Entladen der Fotoelektroden von der Ladungssammeleinheit 26 zu der Ladungs-Entladeeinheit 108 zu steuern. Die Ladungs-Entladeeinheit 108 ist so angeordnet, dass sie dem Kondensator Ca gegenüberliegt, während die Ladungssammeleinheit 26 dazwischen aufgenommen ist. Mit dieser Ausführung sind insbesondere der Kondensator Ca und die Ladungs-Entladeeinehit 100A an symmetrischen Positionen in Bezug auf die Mitte der Ladungssammeleinheit 26 angeordnet. Der Kondensator Ca ist durch einen MIM-Kondensator, einen MOS-Kondensator und eine eingebettete Fotodiodenstruktur aufgebaut, oder eine parasitische pn-Übergangskapazität.
Das vorgenannte erste fotoelektrische Wandlerelement 10A und das zweite fotoelektrische Wandlerelement 10B werden in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 verwendet. In 11 ist ein Beispiel gezeigt, worin das erste fotoelektrische Wandlerelement 10A als das fotoelektrische Wandlerelement 10 verwendet wird. In diesem Fall kann die Ladungssammeleinheit 26 des ersten fotoelektrischen Wandlerelements 10A oder die Ladungssammeleinheit 26 des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B als die Ladungssammeleinheit 26 verwendet werden.
Das erste Schaltelement SW1 enthält eine Gate- oder Gatterelektrode, die zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und dem Kondensator Ca angeordnet ist, einen Isolatorkörper unterhalb der Gateelektrode sowie eine MOS-Struktur, die in dem Halbleitersubstrat 12 unterhalb des Isolatorkörpers aufgebaut ist. Das zweite Schaltelement SW2 enthält eine Gateelektrode, die zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und der Ladungs-Entladeeinheit 108 angeordnet ist, einen Isolatorkörper unterhalb der Gatterelektrode sowie eine MOS-Struktur, die in dem Halbleitersubstrat 12 unterhalb des Isolatorkörpers aufgebaut ist. Dementsprechend werden das erste Schaltelement SW1 und das zweite Schaltelement SW2 eingeschaltet, indem Hochpegelspannungen an die Gateelektroden angelegt werden, und werden ausgeschaltet, indem Niedrigpegelspannungen (die eine Nullpegelspannung 0V oder eine negative Spannung sein können) an die Gateelektroden angelegt werden.
Zumindest die Ladungssammeleinheit 26, der Kondensator Ca, das erste Schaltelement SW1 und das zweite Schaltelement SW2 sind in einem lichtabgeschirmten Bereich Z ausgebildet.
Wenn die erste Lichtempfangsvorrichtung 100A verwendet wird, wird zunächst Licht, das innerhalb einer Zeitdauer (nachfolgend als „gültige Periode“ bezeichnet), während der erwünscht ist, Luminanzinformation von spezifischem einfallenden Licht La zu erfassen, in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 in Fotoelektronen umgewandelt, und die Fotoelektronen werden mit hohen Geschwindigkeiten überführt und in der Ladungssammeleinheit 26 akkumuliert, gemäß der obigen Operation. Danach werden, durch Einschalten des ersten Schaltelements SW1 die Fotoelektronen der Ladungssammeleinheit 26 zum Kondensator Ca überführt, und Luminanzinformation des einfallenden Lichts La wird basierend auf der Menge (Ladungsmenge) von zum Kondensator überführten Fotoelektronen erfasst. Dann wird, nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, das erste Schaltelement SW1 ausgeschaltet.
Andererseits wird auch unnötiges Licht, das außerhalb des der gültigen Periode einfällt, am fotoelektrischen Wandlerelement 10 in Fotoelektronen umgewandelt, und die Fotoelektronen werden mit hohen Geschwindigkeiten übertragen und in der Ladungssammeleinheit 26 gemäß den obigen Operationen akkumuliert. Danach werden, durch Einschalten des zweiten Schaltelements SW2 die unnötigen Fotoelektronen der Ladungssammeleinheit 26 zur Ladungs-Entladeeinheit 108 überführt und entladen. Dann wird nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer das zweite Schaltelement SW2 ausgeschaltet.
Übrigens gibt es, als Verfahren zur Verbesserung des Signalrauschverhältnisses der Luminanzinformation, ein Verfahren, worin innerhalb einer gegebenen Zeitdauer mehrere gültige Perioden gesetzt werden und Fotoelektronen gesammelt werden, die innerhalb dieser gültigen Periode erfasst werden. Insbesondere wird, indem man die gültige Periode kurz einstellt, daran gedacht, dass der Einfluss von Umgebungslicht eliminiert werden kann. Zum Beispiel werden mehrere Perioden oder Zyklen innerhalb der gegebenen Zeitdauer gesetzt, wobei jeder eines solchen Zyklus kürzer als 100 µsec ist, und ferner werden gültige Perioden jeweils innerhalb jedes der Zyklen gesetzt, worin das Tastverhältnis von jeder der gültigen Perioden kurz gemacht wird.
Wenn man dieses Verfahren anwendet, müssen die Fotolelektronen, die in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 fotoelektrisch umgewandelt wurden, mit hohen Geschwindigkeiten zu einem Knoten übertragen werden (d.h. einem Bereich, wo die Fotoelektronen in elektrische Signale umgewandelt werden). Um insbesondere ein hohes Signalrauschverhältnis zu erhalten, ist ein fotoelektrisches Wandlerelement mit einer großen Lichtempfangsfläche erforderlich. Jedoch ist im Falle der Verwendung eines fotoelektrischen Wandlerelements, das eine große Lichtempfangsfläche aufweist, der Abstand zum Knoten lang, daher ist es schwierig, Fotoelektronen mit hohen Geschwindigkeiten zum Knoten zu übertragen. Wenn zum Beispiel ein Fall in Betracht gezogen und erläutert wird, worin ein normales fotoelektrisches Wandlerelement (ein konventionelles fotoelektrisches Wandlerelement) vorgesehen wird und in der ersten Lichtempfangsvorrichtung 100A verwendet wird, in dem Fall, dass die Zeit, während der das erste Schaltelement SW1 eingeschaltet wird, in der Größenordnung von einigen hundert Nano-Sekungen liegt, dann wird das erste Schaltelement SW1 ausgeschaltet, bevor die Fotoelektronen, die in dem fotoelektrischen Wandlerelement fotoelektrisch gewandelt und erhalten wurden, an dem ersten Schaltelement SW1 ankommen, und daher können die Fotoelektronen nicht durch den Kondensator durch das erste Schaltelement SW1 übertragen werden. Demzufolge werden die Fotoelektronen zu der Ladlungs-Entladeeinheit durch das zweite Schaltelement SW2 übertragen und von dort entladen.
Ferner ist in der herkömmlichen Technik eine Struktur vorgesehen (siehe das oben erwähnte Dokument 1), worin Fotoelektronen von einem fotoelektrischen Wandlerelement durch separate Wege jeweils zwei Knoten zugewiesen werden. In diesem Fall tritt aufgrund der Tatsache, dass die Positionen und Längen der Elektroden (Gateelektroden) zu jedem der Knoten voneinander unterschiedlich sind, eine Differenz in der Übertragungseffizienz zu jedem der Knoten auf, was in einem verringerten Signalrauschverhältnis resultiert, verursacht durch das Vorhandensein einer Verteilung in der Ebene liegenden Umwandlungseffizienz des fotoelektrischen Wandlerelements, oder Differenz in den Übertragungswegen der Fotoelektronen.
Somit wird in der ersten Lichtempfangsvorrichtung 100A das vorgenannte erste fotoelektrische Wandlerelement 10A oder das zweite fotoelektrische Wandlerelement 10B als das fotoelektrische Wandlerelement 10 verwendet. Weil in diesem Fall Potentialgradienten 34 in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 gebildet werden, lassen sich die Fotoelektronen mit hohen Geschwindigkeiten durch elektrische Felder übertragen, wodurch Fotoelektronen in der gültigen Periode zu dem Kondensator Ca durch das erste Schaltelement SW1 überführt werden können. Natürlich können die Fotoelektronen auch mit hoher Geschwindigkeit mittels des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B als dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 übertragen werden.
Demzufolge kann die erste Lichtempfangsvorrichtung 100A auf Anwendungen angewendet werden, worin es erforderlich ist, ein hohes Signalrauschverhältnis zu erhalten, und ist zum Beispiel für Fälle geeignet, worin die Lichtempfangsfläche groß ist oder der Abstand zu Knoten von dort, wo die Fotoelektronen ausgegeben werden, lang ist. Weil darüber hinaus Ladungen in einer Ladungssammeleinheit 26 gesammelt werden, und der Kondensator Ca und die Ladungs-Entladeeinehit 108 an symmetrischen Positionen in Bezug auf die Mitte der Ladungssammeleinheit 26 angeordnet sind, sind auch in dem Fall, dass Fotoelektronen zu zwei oder mehr Knoten zugewiesen werden, die Übertragungswege der Fotoelektronen gleich, und daher treten keine Unterschiede in der Übertragungseffizienz zu jedem der Knoten auf.
[Zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B]
Nun wird eine Lichtempfangsvorrichtung (nachfolgend als zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B bezeichnet) gemäß der zweiten Ausführung in Bezug auf die 10 und 12 erläutert.
Wie in 10 gezeigt, umfasst die Lichtempfangsvorrichtung 100B, ähnlich der vorgenannten ersten Lichtempfangsvorrichtung 100A, eine Linse 102 und eine zweite Lichtempfangseinheit 104B.
Die zweite Lichtempfangseinheit 104B hat angenähert die gleiche Struktur wie jene der vorgenannten ersten Lichtempfangseinheit 104A der ersten Lichtempfangsvorrichtung 100A. Jedoch unterscheidet sich, wie in 12 gezeigt, die zweite Lichtempfangseinheit 104B davon darin, dass ein erster Kondensator Ca1 und ein zweiter Kondensator Ca2 enthalten sind, um jeweils Fotoelektronen in vorbestimmten Zeitdauern oder -perioden zu speichern.
Insbesondere ist die Ladungs-Entladeeinehit 108 so angeordnet, dass sie dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 gegenüberliegt, während die Ladungssammeleinheit 26 dazwischen aufgenommen ist, wohingegen der erste Kondensator Ca1 und der zweite Kondensator Ca2 so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen, während die Ladungssammeleinheit 26 dazwischen aufgenommen wird. In der vorliegenden Ausführung sind insbesondere der erste Kondensator Ca1 und der zweite Kondensator Ca2 an symmetrischen Positionen in Bezug auf die Mitte der Ladungssammeleinheit 26 angeordnet.
Ferner vorgesehen sind ein erstes Schaltelement SW1, das zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und dem ersten Kondensator Ca1 angeordnet ist, um zu bewirken, dass in der Ladungssammeleinheit 26 akkumulierte Fotoelektronen zu dem ersten Kondensator Ca1 wandert, ein zweites Schaltelement SW2, das zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und dem zweiten Kondensator Ca2 angeordnet ist, um zu bewirken, dass in der Ladungssammeleinheit 26 akkumulierte Fotoelektronen zum zweiten Kondensator Ca2 wandern, sowie ein drittes Schaltelement SW3, das zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und der Ladungs-Entladeeinheit 108 angeordnet ist, um die Entladung von Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit 26 zu der Ladungs-Entladeeinheit 108 zu steuern.
Der erste Kondensator Ca1 und der zweite Kondensator Ca2 sind durch einen MIM-Kondensator, einen MOS-Kondensator, eine eingebettete Fotodiodenstruktur oder eine parasitische pn-Übergangskapazität aufgebaut.
Das erste Schaltelement SW1 enthält eine MOS-Struktur, aufgebaut durch eine Gate-Elektrode, die zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und dem ersten Kondensator Ca1 angeordnet ist, einem Isolatorkörper unter der Gate-Elektrode und dem Halbleitersubstrat 12 unter dem Isolatorkörper. Das zweite Schaltelement SW2 enthält eine MOS-Struktur, aufgebaut durch eine Gate-Elektrode, die zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und dem zweiten Kondensator Ca2 angeordnet ist, einem Isolatorkörper unter der Gate-Elektrode und dem Halbleitersubstrat 12 unter dem Isolatorkörper. Das dritte Schaltelement SW3 enthält eine MOS-Struktur, aufgebaut durch eine Gate-Elektrode, die zwischen der Ladungssammeleinheit 26 und der Ladungs-Entladeeinheit 108 angeordnet ist, einem Isolatorkörper unter der Gate-Elektrode und dem Halbleitersubstrat 12 unter dem Isolatorkörper Dementsprechend werden die ersten bis dritten Schaltelemente SW1 bis SW3 eingeschaltet, indem eine Hochpegelspannung an deren Gate-Elektroden angelegt werden, und werden ausgeschaltet, indem eine Niedrigpegelspannung (die eine Nullpegelspannung 0V oder eine negative Spannung sein kann) an deren Gate-Elektroden angelegt wird.
Zumindest die Ladungs-Entladeeinheit 26, der erste Kondensator Ca1, der zweite Kondensator Ca2 und die ersten bis dritten Schaltelemente SW1 bis SW3 sind in einem lichtabgeschirmten Bereich Z ausgebildet.
Die zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B ist vorteilhaft darin, dass, unter Tatsache, dass der erste Kondensator Ca1 und der zweite Kondensator Ca2 darin enthalten sind, Rauschen von Umgebungslicht aus der enthaltenen Luminanzinformation entfernt werden kann.
Insbesondere wird Licht, das innerhalb einer Dauer einfällt (nachfolgend als die erste gültige Periode bezeichnet), während der es erwünscht ist, als Rauschinformation Luminanzinformation von Umgebungslicht zu erfassen, in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 in Fotoelektronen umgewandelt, und diese Fotoelektronen werden mit hohen Geschwindigkeiten überführt und in der Ladungssammeleinheit 26 gemäß den obigen Operationen akkumuliert. Indem danach das erste Schaltelement SW1 eingeschaltet wird, werden die Fotoelektronen in der Ladungssammeleinheit 26 zu dem ersten Kondensator Ca1 überführt, und Luminanzinformation von Umgebungslicht erhält man basierend auf der Menge (Ladungsmenge) der Fotoelektronen, die zum ersten Kondensator Ca1 überführt worden sind. Dann wird, nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, das erste Schaltelement SW1 ausgeschaltet.
Dann wird Licht, das innerhalb einer Dauer (nachfolgend als die „zweite gültige Periode“ bezeichnet), während der es erwünscht ist, Luminanzinformation von spezifischem einfallendem Licht La zu erfassen, in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 in Fotoelektronen umgewandelt, und diese Fotoelektronen werden mit hohen Geschwindigkeiten überführt und in der Ladungssammeleinheit 26 gemäß den obigen Operationen akkumuliert. Danach werden durch Einschalten des zweiten Schaltelements SW2 die Fotoelektronen in der Ladungssammeleinheit 26 zum zweiten Kondensator SW2 überführt, und Luminanzinformation von spezifischem einfallenden Licht La erhält man basierend auf der Menge (Ladungsmenge) der Fotoelektronen, die zum zweiten Kondensator Ca2 überführt worden sind. Dann wird das zweite Schaltelement SW2 nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer ausgeschaltet. Weil Rauschinformation aufgrund des Umgebungslicht innerhalb der erhaltenen Luminanzinformation des spezifischen einfallenden Lichts enthalten ist, kann man Luminanzinformation enthalten, aus dem durch Umgebungslicht verursachtes Rauschen entfernt worden ist, indem man davon die Luminanzinformation des Umgebungslichts, die durch den ersten Kondensator Ca1 erhalten wurde, subtrahiert.
Andererseits wird auch Licht, das außerhalb der ersten gültigen Periode und der zweiten gültigen Periode einfällt, in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 in Fotoelektronen umgewandelt, und diese Fotoelektronen werden mit hohen Geschwindigkeiten überführt und in der Ladungssammeleinheit 26 gemäß den obigen Operationen akkumuliert. Durch Einschalten des dritten Schaltelements SW3 werden daher die Fotoelektronen in der Ladungssammeleinheit 26 zu der Ladungs-Entladeeinheit 108 überführt und davon entladen.
Da auch das erste fotoelektrische Wandlerelement 10A oder auch das zweite fotoelektrische Wandlerelement 10B als das fotoelektrische Wandlerelement 10 in der zweiten Lichtempfangsvorrichtung 100B verwendet werden kann, können in der ersten gültigen Periode erhaltene Fotoelektronen mit hohen Geschwindigkeiten zu dem ersten Kondensator Ca1 durch das erste Schaltelement SW1 übertragen werden, und in der zweiten gültigen Periode erhaltene Fotoelektronen können mit hohen Geschwindigkeiten zum zweiten Kondensator Ca2 durch das zweite Schaltelement SW2 übertragen werden. Darüber hinaus sind der erste Kondensator Ca1 und der zweite Kondensator Ca2 an symmetrischen Positionen in Bezug zur Mitte der Ladungssammeleinheit 26 angeordnet.
Dementsprechend bietet auch die zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B die gleichen Effekte wie jene der ersten Lichtempfangsvorrichtung 100A. Da ferner Rauschkomponenten aufgrund von Umgebungslicht entfernt werden können, kann Luminanzinformation des spezifischen einfallenden Lichts La hochgenau erfasst, und kann das Signalrauschverhältnis verbessert werden.
[Erstes Lichtempfangssystem 200A]
Nun wird ein Lichtempfangssystem (nachfolgend als erstes Lichtempfangssystem 200A bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführung in Bezug auf die 13 bis 15 beschrieben. In den 14 und 15 bezeichnet eine Spannung V1 in dem Fall des ersten fotoelektrischen Wandlerelements 10A oder eine erste Spannung in dem Fall des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B, und V2 bezeichnet eine zweite Spannung in dem Fall des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B.
Wie in 13 gezeigt, enthält das erste Lichtempfangssystem 200A eine Lichtabgabevorrichtung 202, die vorgenannte erste Lichtempfangsvorrichtung 100A, einen Controller 204, einen Arithmetik-Prozessor 206 und eine erste Stromversorgung 208A und eine zweite Stromversorgung 208B zum Zuführen von vorbestimmten Stromquellenspannungen zu der Lichtabgabevorrichtung 202, der ersten Lichtempfangssystem 100A, den Controller 204 und dem Arithmetik-Prozessor 206. Der Einfachheit wegen sind in 13 die Darstellung von Stromquellenleitungen zu jeder der Vorrichtungen von der ersten Stromversorgung 208A und der zweiten Stromversorgung 208B weggelassen worden.
In dem ersten Lichtempfangssystem 200A wird gepulstes Licht Lp, das von der Lichtabgabevorrichtung 202 emittiert wird, von einem Objekt W reflektiert und fällt auf die erste Lichtempfangsvorrichtung 100A. Um die Erläuterungen zu erleichtern, wird gepulstes Licht Lp von der Lichtabgabevorrichtung 202 zu dem Objekt W als Strahlungslicht Le bezeichnet, und das gepulste Licht von dem Objekt W bis zu der ersten Lichtempfangsvorrichtung 100A wird als reflektiertes Licht Lr bezeichnet.
Der Controller 204 führt eine Steuerung/Regelung aus, um Komponenten des vom Objekt W reflektierten Lichts Lr aus dem Licht zu erfassen, das von der Lichtempfangsvorrichtung 100A empfangen wird.
[Lichtabgabevorrichtung 202]
Die Lichtabgabevorrichtung 202 enthält einen Lichtemitter 210, der basierend auf einem Befehl von dem Controller 204 gepulstes Licht ausgibt. In dem ersten Lichtempfangssystem 200A umfasst der Lichtemitter 210 der Lichtabgabevorrichtung 202 gestapelte (seriell verbundene) Halbleiterlaserstäbe aufgebaut aus Lichtemissionspunkten (Emittern), die in linearer Form angeordnet sind und darauf eine Oberflächenlichtemission ermöglichen.
Der Lichtemitter 210 ist in der Lage, Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 870 Nanometern [nm] mit einer Ausgangsleistung von 100 W [W] abzustrahlen. Ferner wird innerhalb jedes Zyklus Cm (Perioden, in denen Messwerte bestimmt werden) ein Belichtungsprozess (ein elektrischer Ladungsakkumulationsprozess) mehrere Male ausgeführt (siehe 24). Wenn man annimmt, dass die Dauer des Belichtungsprozesses (siehe die zweite Akkumulationsdauer Tca2 in 24) 100 Mikrosekunden beträgt, gibt der Lichtemitter 210 gepulstes Licht Lp über eine Ausgangszeit (Pulsweite) von 100 Nanosekunden aus. Anders ausgedrückt, der Lichtemitter 210 wird mit einem 0,1 % Tastverhältnis betrieben.
Der Lichtemitter 210 kann ein lineares Array von Lichtemissionspunkten enthalten oder kann eine Mehrzahl von Lichtemissionspunkten enthalten, die in einer Matrixform aufgereiht sind. Als das Lichtemissionselement kann auch eine Laserdiode, eine lichtemittierende Diode (LED), etc. oder andere Typen von Lichtabgabeelementen verwendet werden. Ferner kann das gepulste Licht Lp, das von dem Lichtemitter 210 abgestrahlt wird, auch eine andere Wellenlänge haben, zum Beispiel eine Wellenlänge, die länger ist als 700 nm und kürzer als oder gleich 1050 nm. Ferner kann die Ausgabe des Lichtemitters 210 einen anderen Wert haben als oben beschrieben, zum Beispiel einen Wert größer als 20 W und kleiner als oder gleich 10 kW. Noch weiter kann die Pulsbreite des gepulsten Lichts Lp eine andere Länge haben, zum Beispiel eine Länge größer als oder gleich 10 Nanosekunden und weniger als oder gleich einer Millisekunde. Zusätzlich kann das Tastverhältnis, mit dem der Lichtemitter 210 betrieben wird, einen anderen Wert einnehmen, zum Beispiel einen Wert größer als oder gleich 0,01 % oder weniger als oder gleich 1 %.
[Erste Lichtempfangsvorrichtung 100A]
Da die erste Lichtempfangsvorrichtung 100A oben bereits beschrieben worden ist, werden Mehrfachbeschreibungen davon weggelassen, wobei die erste Lichtempfangsvorrichtung 100A und insbesondere die erste Lichtempfangsvorrichtung 104A nun in Bezug auf 14, im Hinblick auf deren Schaltstruktur, erläutert werden.
Insbesondere umfasst, wie in 14 gezeigt, die erste Lichtempfangsvorrichtung 104A das vorgenannte fotoelektrische Wandlerelement 10, die Ladungssammeleinheit 26, den Kondensator Ca, die Ladungs-Entladeeinheit 108, das erste Schaltelement SW1 und das zweite Schaltelement SW2, während sie zusätzlich einen Rücksetzschalter SR und einen Verstärker AP enthält.
[Erstes Schaltelement SW1, Kondensator Ca]
Das erste Schaltelement SW1 ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, dessen Source mit der Ladungssammeleinheit 26 verbunden ist, dessen Drain mit dem Kondensator Ca verbunden ist und dessen Gate mit einer nicht dargestellten Gatetreiberschaltung verbunden ist. Dementsprechend werden durch selektives Steuern von Ein-/Auszuständen des ersten Schaltelements entsprechend einem Gatetreibersignal (Auslesesignal Sg) von der Gatetreiberschaltung, das in Bezug auf das Gate angelegt wird, die in der Ladungssammeleinheit 26 liegenden Fotoelektronen zu dem Kondensator Ca überführt.
[Zweites Schaltelement SW2, Ladungs-Entladeeinheit 108]
Das zweite Schaltelement SW2 ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, dessen Source mit der Ladungssammeleinheit 26 verbunden ist, dessen Drain mit der Ladungs-Entladeeinheit 108 verbunden ist, und wobei eine positive Stromquellenspannung Vdd von der ersten Stromquelle 208A der Ladungs-Entladeeinheit 108 zugeführt wird. Ferner ist eine nicht dargestellte Gatetreiberschaltung mit dem Gate verbunden. Dementsprechend wird, durch Zuführen eines Gatetreibersignals (Ladungs-Entladesignal Se) von der Gatetreiberschaltung zu dem Gate (d.h. indem man die dem Gate zugeführte Spannung zu einem hohen Pegel macht) das Gate eingeschaltet, wodurch in der Ladungssammeleinheit 26 befindliche Fotoelektronen durch die Ladungs-Entladeeinheit 108A entladen werden, ohne dass sie zum Kondensator Ca überführt werden.
[RücksetzschaJter SR]
Der Rücksetzschalter SR ist durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, wobei ein Kontaktpunkt zwischen dem ersten Schaltelement SW1 und dem Kondensator Ca mit der Source verbunden ist, und eine Rücksetzspannung Vr von der zweiten Stromquelle 208B dem Drain zugeführt wird. Ferner ist mit dem Gate eine nicht dargestellte Gatetreiberschaltung verbunden. Dementsprechend kann durch Einschalten des Rücksetzschalters SR in Folge davon, dass die Gatetreiberschaltung dem Gate ein Treibersignal zuführt (Rücksetzsignal Sr) das Potential des Kondensators Ca auf ein konstantes Rücksetzpotential gesetzt werden. In anderen Worten, der Kondensator Ca kann zurückgesetzt werden.
[Verstärker AP]
Der Verstärker AP enthält ein Ausgangselement TR, das zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, und einen Ausgangsschalter SEL, der zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut ist, der zwischen der Source des Ausgangselements TR und der Ausgangsleitung 212 angeschlossen ist. Ein Kontaktpunkt a1 zwischen dem ersten Schaltelement SW1 und dem Kondensator Ca ist mit dem Gate des Ausgangselements TR verbunden, eine Stromquellenspannung Vdd von der ersten Stromquelle 208A ist mit dem Drain verbunden, und ein Drain des Ausgangsschalters SEL ist mit der Source des Ausgangselements TR verbunden. Eine nicht dargestellte Gatetreiberschaltung ist mit dem Gate des Ausgangsschalters SEL verbunden, und die Ausgangsleitung 212 ist mit der Source des Ausgangsschalters SEL verbunden.
Dementsprechend wird durch Einschalten des Ausgangsschalters SEL durch Zuführen eines Gatetreibersignals (Ausgangswählsignals Ss) der Gatetreiberschaltung in Bezug auf das Gate des Ausgangsschalters SEL eine Spannung entsprechend den Fotoelektronen (Ladungsmenge Q), die in dem Kondensator Ca gespeichert ist, in dem Ausgangselement TR verstärkt und als Ausgangsspannung Vout abgefragt.
[Operationen des ersten Lichtempfangssystems 200A]
Nun werden Operationen des ersten Lichtempfangssystems 200A in Bezug auf 15 erläutert. In 15 ist V1 als zweite Spannung gezeigt, die an die zweite Elektrode 16b angelegt wird, in der gleichen Weise wie die ersten Spannungen V1, V2, die an die erste Elektrode 16a des fotoelektrischen Wandlerelements 10 angelegt werden (das erste fotoelektrische Wandlerelement 10A und das zweite fotoelektrische Wandlerelement 10B). Die Lichtemissionszeit des gepulsten Lichts Lp von der Lichtabgabevorrichtung 202 ist mit WL bezeichnet, während Zeitdauern, während jenen das erste Schaltelement SW1 und das zweite Schaltelement SW2 eingeschaltet sind, jeweils mit WD1, WD2 bezeichnet sind.
Zunächst betreibt der Controller 204 des ersten Lichtempfangssystems 200A die Lichtabgabevorrichtung 202 mit jeder von festen Perioden (Zyklen), das innerhalb jeden Zyklus das gepulste Licht Lp über eine Lichtemissionszeit WL abgestrahlt wird. Gepulstes Licht Lp (Strahlungslicht Le), das von der Lichtabgabevorrichtung abgestrahlt wird, wird vom Objekt W reflektiert und fällt als reflektiertes Licht Lr auf die erste Lichtempfangsvorrichtung 100A. Das auf die erste Lichtempfangsvorrichtung 100A fallende Licht wird durch das fotoelektrische Wandlerelement 10 in Fotoelektronen umgewandelt, die mit hohen Geschwindigkeiten zur Ladungssammeieinheit 26 übertragen werden.
Das erste Schaltelement SW1 überträgt die Fotoelektronen, die zu der Ladungssammeleinheit 26 überführt wurden, zum Kondensator Ca. Insbesondere sind die zum Kondensator Ca überführten Fotoelektronen solche Fotoelektronen (Ladungsmenge Q), die durch fotoelektrische Wandlung des reflektierten Licht Lr erhalten wurden. Dementsprechend kann Information in Bezug auf die Intensität des reflektierten Lichts mittels der Ladungsmenge Q erhalten werden.
Ferner werden in dem Fall, dass das erste Schaltelement SW1 nicht eingeschaltet ist, die fotoelektrisch gewandelten Fotoelektronen als unnötige Fotoelektronen betrachtet, und daher werden diese unnötigen Fotoelektronen, durch Einschalten des zweiten Schaltelements, zur Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen.
Detaillierte Betriebszeitgebungen des ersten Lichtempfangssystem 200A werden in Bezug auf 15 erläutert.
Zuerst werden Anfangseinstellungen des ersten Lichtempfangssystems 200A durchgeführt, das zweite Schaltelement SW2 und der Rücksetzschalter SR werden beide eingeschaltet, und das erste Schaltelement SW1 und der Ausgangsschalter SEL werden beide ausgeschaltet. Aufgrund dessen werden unnötige Fotoelektronen, die in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 gespeichert sind, entladen, zusammen mit dem Setzen des Potentials des Kondensators Ca auf das Rücksetzpotential Vr. Danach wird der Rücksetzschalter Vr ausgeschaltet.
Nachdem die Anfangseinstellungen abgeschlossen sind, wird der Zyklus noch einmal durchgeführt, oder wird alternativ mehrere Male wiederholt, um die reflektierte Lichtintensität zu erfassen.
Wie in 15 gezeigt, wird in jedem Zyklus zu einer Anfangszeit t1 ein Lichtpuls Lp von der Lichtabgabevorrichtung 202 gemäß dem Betrieb der Lichtabgabevorrichtung 202 durch den Controller 204 abgestrahlt. Somit wird zur Zeit t1 das zweite Schaltelement SW2 ausgeschaltet, während das erste Schaltelement SW1 eingeschaltet wird (während das zweite Schaltelement SW2 aus bleibt), von der Zeit t1 und durch die Auslesezeitdauer WD1. Ferner werden ab der Zeit t1 die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2, die der ersten Elektrode 16a und der zweiten Elektrode 16b des fotoelektrischen Wandlerelements 10 zugeführt werden, jeweils auf hohe Pegel VH1 und VH2 gesetzt. Aufgrund dessen werden die Fotoelektronen, die durch fotoelektrische Umwandlung durch das fotoelektrische Wandlerelement 10 erhalten wurden, unterhalb der ersten Elektrode 16a und der zweiten Elektrode 16b akkumuliert, und ein Teil der Fotoelektronen wandert zur Ladungssammeleinheit 26, und wird ferner durch das erste Schaltelement SW1 zum Kondensator Ca überführt. Nachdem die Abstrahlungszeitperiode WL des gepulsten Lichts Lp abgelaufen ist, zur Zeit t2, nimmt die zweite Spannung einen niedrigen Pegel V2L ein, so dass gemäß dem hierdurch gebildeten Potentialgradienten 34 die Fotoelektronen unterhalb der zweiten Elektrode 16b mit hohen Geschwindigkeiten zu Orten unterhalb der ersten Elektrode 16a überführt werden, und danach zur Zeit t3, wenn die erste Spannung V1 einen niedrigen Pegel V1L einnimmt, werden die Fotoelektronen unterhalb der ersten Elektrode 16a mit hohen Geschwindigkeiten zur Ladungssammeleinheit 26 überführt und werden dann durch das erste Schaltelement SW1 zum Kondensator Ca überführt.
Danach wird zur Zeit t4 das erste Schaltelement SW1 ausgeschaltet, und ab der Zeit t4 und über eine Zeitdauer (Ladungs-Entladeperiode WD2) bis zur Einleitung des nächsten Zyklus wird das zweite Schaltelement SW2 eingeschaltet (während das erste Schaltelement SW1 ausgeschaltet bleibt). Aufgrund dessen werden unnötige Fotoelektronen, die in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 während der Ladungs-Entladeperiode WD2 erzeugt wurden durch das zweite Schaltelement SW2 und die Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen. Auch in der Ladungs-Entladeperiode WD2 werden die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2, die der ersten Elektrode 16a und der zweiten Elektrode 16b des fotoelektrischen Wandlerelements 10 zugeführt werden, so ähnlich gesteuert wie während der Periode WD1, wodurch die durch das fotoelektrischen Wandlerelement 10 erzeugten Fotoelektronen einschließlich der ersten Elektrode 16a und der zweiten Elektrode 16b durch die Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen werden, so dass keine Ladungen in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 verbleiben.
In einer Stufe nach Abschluss einer vorbestimmten Anzahl von Zyklen wird durch Einschalten des Ausgangsschalters SEL in der Ausgangsleitung 212 eine Spannung entsprechend den in dem Kondensator Ca gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge) in dem Ausgangselement TR verstärkt und als Ausgangsspannung Vout ausgegeben. Die Ausgangsspannung Vout wird in einem nicht dargestellten A/D-Wandler digital umgewandelt und dann dem Arithmetik-Prozessor 206 zugeführt.
[Zweites Lichtempfangssystem 200B]
Nun wird ein Lichtempfangssystem (nachfolgend als zweites Lichtempfangssystem 200B bezeichnet) gemäß einer zweiten Ausführung in Bezug auf die 13 und 16 bis 20 beschrieben. In den 19 und 20 bezeichnet V1 eine Spannung V1 in dem Fall eines ersten fotoelektrischen Wandlerelements 10A, oder eine erste Spannung in dem Fall des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B, und V2 bezeichnet eine zweite Spannung in dem Fall des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B.
Das zweite Lichtempfangssystem 200B hat im Wesentlichen die gleiche Struktur wie das vorgenannte erste Lichtempfangssystem 200A, wobei sich aber, wie in 13 gezeigt, das zweite Lichtempfangssystem 200B davon darin unterscheidet, dass die zweite Lichtempfangssystem 200B verwendet werden, so dass eine Steuerung von dem Controller 204 ausgeführt wird, um Komponenten von Umgebungslicht Ls, das von der zweiten Lichtempfangsvorrichtung 100B empfangen wird, zu beseitigen und um Komponenten des von dem Objekt W reflektierten Lichts Lr zu erfassen, wodurch Information der reflektierten Lichtintensität, die vom Umgebungslicht Ls unabhängig ist, erhalten werden kann.
[Grundprinzipien zum Reduzieren des Einflusses von Umgebungslicht Ls]
Nachfolgend werden Grundprinzipien zum Reduzieren des Einflusses von Umgebungslicht Ls, und insbesondere Grundprinzipien in dem Fall der Verwendung von kontinuierlichem Licht nachfolgend in Bezug auf die 16 bis 18B beschrieben.
Zuerst werden, wie in 16 gezeigt, innerhalb einer anfänglichen ersten Frameperiode F1 Fotoelektronen in einer Zeit aufgenommen, in der kein kontinuierliches Licht auf das Objekt W gestrahlt wird, und ein Luminanzwert von den Fotoelektronen während einer Lichtbestrahlungszeit erfasst wird. In den nächsten zweiten Frameperioden F2 werden Fotoelektronen in einer Zeit aufgenommen, in der kontinuierliches Licht auf das Objekt W gestrahlt wird, und ein Luminanzwert von den Fotoelektronen während einer Bestrahlungszeit erfasst wird. Indem man dann eine Differenz in den Luminanzwerten davon erhält, kann der Einfluss von Umgebungslicht (hauptsächlich Lichtkomponenten von Sonnenlicht) reduziert werden. In dem Fall, dass ein Zyklus durch Kombinieren der ersten Frameperiode F1 und der zweiten Frameperiode F2 aufgebaut ist, ist das Tastverhältnis von kontinuierlichem Licht in Bezug auf den einen Zyklus 50%. Ferner wird als eine Frameperiode 1/60 Sekunden verwendet, was der Bildaufnahmedauer durch eine Bildgebungsvorrichtung entspricht.
Zusätzlich wird in der anfänglichen ersten Frameperiode F1 Licht ohne Bestrahlung von kontinuierlichem Licht empfangen, wohingegen in der folgenden zweiten Frameperiode F2 aufgrund der Tatsache, dass Licht empfangen wird, während kontinuierliches Licht über die zweite Frameperiode F2 hinweg gestrahlt wird, durch Umgebungslicht hervorgehobene Rauschkomponenten auch während der ersten Frameperiode F1 und der zweiten Frameperiode F2 aufgenommen werden.
Dementsprechend wird, wie in 17A gezeigt, der Luminanzwert (Sonnenlichtkomponente) der ersten Frameperiode F1 von dem Luminanzwert (Signalkomponente + Sonnenlichtkomponente) der zweiten Frameperiode F2 subtrahiert, um hierdurch auf ideale Weise den Einfluss der Sonnenlichtkomponente zu eliminieren und um nur die Signalkomponente zu erfassen.
Jedoch gibt es auch in einer Umgebung, in der intensives Umgebungslicht wie Sonnenlicht vorhanden ist, einen Effekt von Photonenschussrauschen, und zusätzlich aufgrund der Tatsache, dass dieses Photonenschussrauschen eine zufällige Eigenschaft hat, kann der Einfluss von Umgebungslicht nicht ausreichend beseitigt werden, indem man lediglich die Differenz in den vorgenannten Luminanzwerten berechnet. Insbesondere, wie in 17B gezeigt, in dem Fall, dass eine Photonenschussrauschkomponente, die in der ersten Frameperiode F1 erzeugt wird, sich von der Photonenschussrauschkomponente unterscheidet, die in der zweiten Frameperiode F2 erzeugt wurde, wird die Differenz dazwischen auf die Signalkomponente aufgelagert.
Ferner tritt in einer Umgebung, in der intensives Umgebungslicht wie das Sonnenlicht existiert, wie zum Beispiel in 17A gezeigt, aufgrund der Tatsache, dass die Sonnenlichtkomponente größer als die Signalkomponente ist (d.h. Das Signalrauschverhältnis der Signalkomponente niedrig ist) ein Problem darin auf, dass der Eingangsdynamikbereich der Signalkomponente klein ist. In einem allgemeinen Bildgebungselement ist der gültige Bereich (Dynamikbereich) von Ausgangssignalen in Bezug auf die einfallende Lichtmenge beschränkt, so dass dann, wenn Sonnenlicht strahlt oder einfällt, erkannt wird, dass nachteilige Effekte hervorgerufen werden, das etwa der Signalausgang gesättigt wird. Dementsprechend wird, wie zum Beispiel in 18A gezeigt, ein Zyklus (d.h. Belichtungsoperationen während der ersten Frameperiode F1 und der zweiten Frameperiode F2), und Subtraktion des Luminanzwerts (Sonnenlichtkomponente) der ersten Frameperiode F1 von dem Luminanzwert (Signalkomponente + Sonnenlichtkomponente) der zweiten Frameperiode F2 mehrere Male wiederholt, und es werden Signalkomponenten akkumuliert, wobei daran gedacht wird, dass das Signalrauschverhältnis der Signalkomponente verbessert werden kann. Jedoch wird, wie oben angemerkt (siehe 17B) in jeder der Frameperioden Zufalls-Photonenschussrauschen eingeführt, und darüber hinaus verbleibt, auch bei der Differenzberechnung dieses Zufalls-Photonenschussrauschen teilweise übrig. Daher tritt, wie in 18B gezeigt, ein Problem darin auf, dass Signalkomponenten akkumuliert werden und zusammen damit Restrauschkomponenten auch akkumuliert werden, so dass nach der Differenzberechnung das Signalrauschverhältnis nachteilig verringert ist.
Um das Signalrauschverhältnis der Signalkomponente zu verbessern, kann man daran denken, die Leistung des kontinuierlichen Lichts zu erhöhen. Jedoch resultiert aufgrund der Tatsache, dass kontinuierliches Licht über eine Frameperiode hinweg gestrahlt wird, ein neues Problem auf, dass Erzeugung von Wärme und Stromverbrauch tendenziell zunehmen. Obwohl in Hinblick auf die Wärmeerzeugung in Antwort hierauf zum Beispiel ein Kühlmechanismus separat vorgesehen werden könnte, treten zusätzliche Probleme auf, da, dass die Herstellungskosten und Laufkosten für das Lichtempfangssystem höher werden, und die Abmessung des Lichtempfangssystems groß wird. Dementsprechend gibt es eine Grenze, um wie viel die Leistung des kontinuierlichen Lichts erhöht werden kann.
Weil andererseits mit der vorgenannten Lichtabgabevorrichtung 202 gepulstes Licht Lp mit kurzer Pulsbreite und hoher Ausgangsleistung von dem Lichtemitter 210 abgestrahlt wird, können in dem zweiten Lichtempfangssystem 200B, worin die Lichtabgabevorrichtung 202 verwendet wird, die oben erwähnten verschiedenen Probleme, die durch kontinuierliches Licht hervor gerufen werden, gelöst werden.
[Details des zweiten Lichtempfangssystems 200B]
[Lichtabgabevorrichtung 202]
Die Lichtabgabevorrichtung 202 hat im Wesentlichen die gleiche Struktur wie die Lichtabgabevorrichtung 202 des ersten Lichtempfangssystems 200A, und daher werden Erläuterungen davon weg gelassen.
[Zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B]
Da die zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B oben bereits diskutiert worden ist (siehe 12), werden wiederholte Erläuterungen davon weg gelassen. Jedoch wird anhand von 19 die zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B in Hinblick auf deren Schaltungsstruktur erläutert.
Wie insbesondere in 19 gezeigt, umfasst die zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B das vorgenannte fotoelektrische Wandlerelement 10, die Ladungssammeleinheit 26, den ersten Kondensator Ca1, den zweiten Kondensator Ca2, die Ladungs-Entladeeinheit 108, die ersten bis dritten Schaltelemente SW1 bis SW3 und enthält einen ersten Rücksetzschalter SR1, einen zweiten Rücksetzschalter SR2, einen ersten Verstärker AP1 und einen zweiten Verstärker AP2.
[Erstes Schaltelement SW1, erster Kondensator Ca1]
Das erste Schaltelement SW1 ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, wobei die Ladungssammeleinheit 26 mit der Source verbunden ist, der Drain mit dem ersten Kondensator C1 verbunden ist und das Gate mit einer nicht dargestellten Gatetreiberschaltung verbunden ist. Dementsprechend erfolgt eine Steuerung zum selektiven Ein- und Ausschalten des ersten Schaltelement SW1 entsprechend einem Gatetreibersignal (ersten Auslesesignal Sg1) von der Gatetreiberschaltung in Bezug auf das Gate, wodurch Fotoelektronen, die sich in der Ladungssammeleinheit 26 befinden, zum ersten Kondensator Ca1 übertragen werden.
[Zweites Schaltelement SW2, zweiter Kondensator Ca2]
Das zweite Schaltelement SW2 ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, dessen Source mit der Ladungssammeleinheit 26 verbunden ist, dessen Drain mit dem ersten Kondensator C1 verbunden ist und dessen Gate mit einer nicht dargestellten Gatetreiberschaltung verbunden ist. Dementsprechend werden durch selektive Ein- und Aussteuerung des zweiten Schaltelements SW2 entsprechend einem Gatetreibersignal (zweiten Auslesesignal Sg2) von der Gatetreiberschaltung in Bezug auf das Gate, Fotoelektronen, die sich in der Ladungssammeleinheit 26 befinden, zum zweiten Kondensator Ca2 übertragen.
[Drittes Schaltelement SW3, Ladungs-Entladeeinheit 108]
Das dritte Schaltelement SW3 ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, dessen Source mit der Ladungssammeleinheit 26 verbunden ist, dessen Drain mit der Ladungs-Entladeeinheit 108 verbunden ist und eine positive Stromquellenspannung Vdd von der ersten Stromversorgung 208A der Ladungs-Entladeeinheit 108 zugeführt wird. Ferner ist eine nicht dargestellte Gatetreiberschaltung verbunden. Somit ein Gatetreibersignal (Ladungs-Entladesignat Se) dem Gate von der Gatetreiberschaltung zugeführt wird, wird das Gate eingeschaltet, und Fotoelektronen, die sich in der Ladungssammeleinheit 26 befinden, werden durch die Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen, ohne dass sie zum ersten Kondensator Ca1 und dem zweiten Kondensator Ca2 überführt werden.
[Erster Rücksetzschafter SR1, zweiter Rücksetzschalter SR2]
Der erste Rücksetzschalter SR1 und der zweite Rücksetzschalter SR2 sind zum Beispiel durch n-Kanal-MOS-Transistoren aufgebaut. Ein Kontaktpunkt a1 zwischen dem ersten Schaltelement SW1 und dem ersten Kondensator C1 ist mit der Source des ersten Rücksetzschalters SR1 verbunden, und ein Kontaktpunkt a2 zwischen dem zweiten Schaltelement SW2 und dem zweiten Kondensator C2 ist mit der Source des zweiten Rücksetzschalters SR2 verbunden. Eine Rücksetzspannung Vr von der zweiten Stromquelle 208B wird jedem der Drains zugeführt, und eine nicht dargestellte Gatetreiberschaltung ist mit jedem der Gates verbunden. Somit werden gemäß den Gatetreibersignalen (erstes Rücksetzsignal Sr1 und zweites Rücksetzsignal Sr2) von der Gatetreiberschaltung in Bezug auf jeden der Gates, der erste Rücksetzschalter SR1 und der zweite Rücksetzschalter SR2 selektiv oder gleichzeitig eingeschaltet, wodurch Potentiale des ersten Kondensators Ca1 und des zweiten Kondensators Ca2 auf feste Rücksetzpotentiale gesetzt werden können. Insbesondere können der erste Kondensator Ca1 und der zweite Kondensator CA2 rückgesetzt werden.
[Erster Verstärker AP]
Der erste Verstärker AP1 enthält ein erstes Ausgangselement TR1, das zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut ist, und einen ersten Ausgangsschalter SEL1, der zum Beispiel aus einem n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut ist, der zwischen einer ersten Source des Ausgangselements TR1 und einer ersten Ausgangsleitung 212a angeschlossen ist. Ein Kontaktpunkt a1 zwischen dem ersten Schaltelement SW1 und dem ersten Kondensator Ca1 ist mit dem Gate des ersten Ausgangselements TR1 verbunden, eine positive Stromquellenspannung Vdd von der ersten Stromquelle 208A ist mit dem Drain verbunden, und ein Drain des ersten Ausgangsschalters SEL1 ist mit der Source verbunden. Eine nicht dargestellte Gatetreiberschaltung ist mit dem Gate verbunden, und die erste Ausgangsleitung 212a ist mit der Source des ersten Ausgangsschalters SEL1 verbunden. Dementsprechend wird durch Einschalten des ersten Ausgangsschalters SEL1 durch Anlegen eines Gatetreibersignals (erstes Ausgangswählsignal Ss1) in Bezug auf den ersten Ausgangsschalter SEL1 eine Spannung entsprechend den Fotoelektronen (Ladungsmenge Q1), die in dem ersten Kondensator Ca1 gespeichert sind, in dem ersten Ausgangselement TR1 verstärkt und wird als erste Ausgangsspannung Vout1 abgefragt.
[Zweiter Verstärker AP2]
Der zweite Verstärker AP2 enthält ein zweites Ausgangselement TR2, das zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor dargestellt ist und einen zweiten Ausgangsschalter SEL2, der zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut ist, der zwischen einer Source des zweiten Ausgangselements TR2 und einer zweiten Ausgangsleitung 212B angeschlossen ist. Ein Kontaktpunkt a2 zwischen dem zweiten Schaltelement SW2 und dem zweiten Kondensator Ca2 ist mit dem Gate des zweiten Ausgangselements TR2 verbunden, einen positive Stromquellenspannung Vdd von der ersten Stromquelle 208A wird dem Drain zugeführt, und ein Drain des zweiten Ausgangsschalters SEL2 ist mit der Source verbunden. Eine nicht dargestellte Gatetreiberschaltung ist mit dem Gate verbunden, und die zweite Ausgangsleitung 212b ist mit der Source des zweiten Ausgangsschalters SEL2 verbunden. Indem der zweite Ausgangsschalter SEL2 eingeschaltet wird, durch Zufuhr eines Gatetreibersignals (zweiten Ausgangswählsignals Ss2) in Bezug auf das Gate des zweiten Ausgangsschalters SEL2, wird dementsprechend eine Spannung, die den in dem zweiten Kondensator Ca2 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q2) entspricht, in dem zweiten Ausgangselement TR2 verstärkt und als zweite Ausgangsspannung Vout2 abgefragt.
[Operationen des zweiten Lichtempfangssystems 200B]
Nun werden Operationen des zweiten Lichtempfangssystems 200B in Bezug auf 20 erläutert. In 20 sind Perioden, während denen die ersten bis dritten Schaltelemente SW1 bis SW3 eingeschaltet sind, jeweils mit WD1 bis WD3 bezeichnet.
Zuerst betreibt der Controller 204 des zweiten Lichtempfangssystems 200B die Lichtabgabevorrichtung 202 zu jeweils festen Perioden (Zyklen) an, so dass innerhalb einer festen Periode WS das gepulste Licht Lp über eine Lichtemissionszeit WL in jedem Zyklus abgestrahlt wird. Die feste Periode WS ist eine Dauer, während der Luminanzinformation von Umgebungslicht Ls ausgelesen wird, und in der festen Periode WS davon wird das Licht, das auf die zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B fällt, durch das fotoelektrische Wandlerelement 10 in Fotoelektronen umgewandelt, und die Fotoelektronen werden mit hohen Geschwindigkeiten zu der Ladungssammeleinheit 26 überführt.
Das erste Schaltelement SW1 überführt die Fotoelektronen, die zur Ladungssammeleinheit 26 überführt wurden, zum ersten Kondensator Ca1. Insbesondere sind die zum ersten Kondensator Ca1 überführten Fotoelektronen jene Fotoelektronen (Ladungsmenge Q1), die durch fotoelektrische Umwandlung des einfallenden Umgebungslichts Ls erhalten wurden. Dementsprechend kann Information in Bezug auf die Intensität von Umgebungslicht mittels der Ladungsmenge Q1 erfasst werden.
Nach Ablauf der festen Periode WS wird gepulstes Licht Lp (Strahlungslicht Le), das von der Lichtabgabevorrichtung 202 abgestrahlt wird, vom Objekt W reflektiert und fällt als reflektiertes Licht Lr auf die zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B. Das auf die zweite Lichtempfangsvorrichtung 100B einfallende Licht wird durch das fotoelektrische Wandlerelement 10 in Fotoelektronen umgewandelt, und die Fotoelektronen werden mit hohen Geschwindigkeiten zur Ladungssammeleinheit 26 überführt.
Das zweite Schaltelement SW2 überführt die Fotoelektronen, die zur Ladungssammeleinheit 26 überführt wurden, zum zweiten Kondensator Ca2. Insbesondere sind die zum zweiten Kondensator Ca2 überführten Fotoelektronen jede Fotoelektronen (Ladungsmenge Q2), die durch fotoelektrische Umwandlung des einfallenden Umgebungslichts Ls und des reflektierten Lichts Lr erhalten wurden (d.h. reflektiertes Licht, das aus gepulstem Licht Lp, welches vom Objekt W reflektiert wird).
Demzufolge kann, wie in der folgenden Gleichung (F1) gezeigt, Information der reflektierten Lichtintensität erhalten werden, die nicht vom Umgebungslicht abhängig ist, indem man die Differenz der Ladungsmenge Q1 und der Ladungsmenge Q2 nimmt. $Refleklierte Lichtintensität = Q 1 - Q 2$
Falls das erste Schaltelement SW1 und das zweite Schaltelement SW2 beide nicht eingeschaltet sind (beide aus sind) sind durch fotoelektrische Wandlung umgewandelte Fotoelektronen unnötige Fotoelektronen, und daher werden diese unnötigen Fotoelektronen, durch Einschalten des dritten Schaltelements SW3, zur Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen.
Detaillierte Betriebszeiten des zweiten Lichtempfangssystems 200B werden in Bezug auf 20 erläutert.
Zu Anfang werden, ähnlich dem vorgenannten ersten Lichtempfangssystem 200A, Anfangseinstellungen für das zweite Lichtempfangssystem 200B durchgeführt, wobei das dritte Schaltelement SW3, der erste Rücksetzschalter SR1 und der zweite Rücksetzschalter SR2 alle eingeschaltet werden, und das erste Schaltelement SW1, das zweite Schaltelement SW2, der erste Ausgangsschalter SEL1 und der zweite Ausgangsschalter SEL2 alle ausgeschaltet werden. Aus diesem Grund werden unnötige Fotoelektronen, die in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 gespeichert sind, entladen, zusammen mit der Einstellung jeweiliger Potentiale des ersten Kondensators Ca1 und des zweiten Kondensators Ca2 auf das Rücksetzpotential. Danach werden der erste Rücksetzschalter SR1 und der zweite Rücksetzschalter SR2 ausgeschaltet. Ferner werden gleichzeitig die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2, die der ersten Elektrode 16a und den zweiten Elektroden 16b des fotoelektrischen Wandlerelements 10 zugeführt werden, mit den dargestellten Zeitgebungen angesteuert, und durch ähnliche Operationen während der Periode WD3 von 20, wodurch Fotoelektronen, die vom fotoelektrischen Wandlerelement 10 einschließlich der ersten Elektrode 16a und der zweiten Elektroden 16b erzeugt wurden, durch die Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen, so dass keine Ladungen in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 verbleiben, und das fotoelektrische Wandlerelement 10 initialisiert wird.
Nach Abschluss der Anfangseinstellung wird der Zyklus nur einmal ausgeführt oder alternativ mehrere Male wiederholt, um die reflektierte Lichtintensität zu erfassen.
Wie in 20 gezeigt, wird, im Unterschied zum Fall des ersten Lichtempfangssystems 200A, in jedem der Zyklen eine feste Periode WS ab der Anfangszeit t1 gesetzt, und weil der Controller 204 die Lichtabgabevorrichtung 202 betreibt, wird eine Einheit von gepulstem Licht Lp von der Lichtabgabevorrichtung 202 abgestrahlt. Dementsprechend dient die feste Periode WS als Zeitdauer, während der Umgebungslicht Ls aufgenommen wird.
Zusätzlich wird zur Zeit t1 das dritte Schaltelement ausgeschaltet, während ab der Zeit t1 und über die erste Leseperiode WD1 hinweg das erste Schaltelement SW1 eingeschaltet wird (während das zweite Schaltelement SW2 und das dritte Schaltelement SW3 ausgeschaltet bleiben). Ferner werden, ähnlich dem vorgenannten ersten Lichtempfangssystem 200A, ab der Zeit t1 die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2, die der ersten Elektrode 16a und den zweiten Elektroden 16b des fotoelektrischen Wandlerelements 10 zugeführt werden, auf hohe Pegel VH1 und VH2 gesetzt, und danach wird zur Zeit t2 die zweite Spannung V2 auf den niedrigen Pegel V2L gesetzt, und danach wird zur Zeit t3 die erste Spannung V1 auf den niedrigen Pegel V1L gesetzt. Gemäß einer solchen seriellen Spannungsänderung bewegen sich die Fotoelektronen unterhalb der zweiten Elektroden 16b mit hohen Geschwindigkeiten zu Orten unter der ersten Elektrode 16a, dann werden die Fotoelektronen unterhalb der ersten Elektrode 16a mit hohen Geschwindigkeiten zur Ladungssammeleinheit 26 überführt, und dann werden die Fotoelektronen durch das erste Schaltelement SW1 zum ersten Kondensator Ca1 überführt.
Danach wird zur Zeit t4 das erste Schaltelement SW1 ausgeschaltet, zusammen mit einer Einheit von gepulstem Licht Lp, das von der Lichtabgabevorrichtung 202 abgestrahlt wird. Ferner wird ab der Zeit t4 und über die zweite Leseperiode WD2 hinweg das zweite Schaltelement SW2 eingeschaltet (während das erste Schaltelement SW1 und das dritte Schaltelement SW3 ausgeschaltet bleiben). Ferner werden ab der Zeit t4 die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2, die der ersten Elektrode 16a und den zweiten Elektroden 16b des fotoelektrischen Wandlerelements 10 zugeführt werden, jeweils auf hohe Pegel VH1 und VH2, gesetzt, und danach wird zur Zeit t5 die zweite Spannung V2 auf den niedrigen Pegel V2L gesetzt, und danach wird zur Zeit t6 die erste Spannung V1 auf den niedrigen Pegel V1L gesetzt. Gemäß einer solchen seriellen Spannungsänderung bewegen sich die Fotoelektronen unterhalb der zweiten Elektroden 16b mit hohen Geschwindigkeiten zu Orten unter der ersten Elektrode 16a, dann werden die Fotoelektronen unterhalb der ersten Elektrode 16a mit hohen Geschwindigkeiten zur Ladungssammeleinheit 26 überführt, und dann werden die Fotoelektronen durch das zweite Schaltelement SW2 zum zweiten Kondensator Ca2 überführt.
Danach wird zur Zeit t7 das zweite Schaltelement SW2 ausgeschaltet, und ab einer Dauer (Ladungs-Entladeperiode) WD3 ab der Zeit t7 bis zum Start des nächsten Zyklus wird das dritte Schaltelement SW3 eingeschaltet (während das erste Schaltelement SW1 und das zweite Schaltelement SW2 beide ausgeschaltet bleiben). Demgemäß werden in der Ladungs-Entladeperiode WD3 unnötige Fotoelektronen, die in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 erzeugt werden, über das dritte Schaltelement SW3 und die Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen.
In einer Stufe nach dem Abschluss einer vorbestimmten Anzahl von Zyklen wird durch Einschalten des ersten Ausgangsschalters SEL1 in der ersten Ausgangsleitung 212A eine Spannung entsprechend den in dem ersten Kondensator Ca1 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q1) in dem ersten Ausgangselement TR1 verstärkt und wird als erste Ausgangsspannung Vout1 ausgegeben. Danach wird, durch Einschalten des zweiten Ausgangsschalters SW2 zur zweiten Ausgangsleitung 212b eine Spannung entsprechend den in dem zweiten Kondensator Ca2 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q2), in dem zweiten Ausgangselement TR2 verstärkt, als zweite Ausgangsspannung Vout2 ausgegeben.
Die erste Ausgangsspannung Vout1 und die zweite Ausgangsspannung Vout2, die von der ersten Ausgangsleitung 212a und der zweiten Ausgangsleitung 212b ausgegeben werden, werden jeweils durch einen nicht dargestellten A/D-Wandler in erste numerische Daten D1 und zweite numerische Daten D2 umgewandelt, und die numerischen Daten werden dem Arithmetik-Prozessor 206 zugeführt.
In dem Arithmetik-Prozessor 206 erhält man reflektierte Lichtintensitätsdaten Dr durch Ausführung einer Berechnung gemäß der folgenden Gleichung (F2) basierend auf den zugeführten ersten numerischen Daten D1 und den zweiten numerischen Daten D2. $Dr = D 2 - D 1$
Weil die Pulsbreite des gepulsten Lichts Lp länger als 1 Nanosekunde und weniger als 0,25 Sekunden ist, ist die vorgenannte Lichtabgabevorrichtung 202 in der Lage, die Pulsbreite des gepulsten Lichts Lp auf eine Länge zu setzen, die zeitlich gleich oder weniger als 1 %, zum Beispiel gleich oder weniger als 0,1 % von einem Frame ist. In anderen Worten, aus der Tatsache, dass die Pulsbreiten ziemlich kurz gesetzt werden, kann die Leistung der einen Einheit von gepulstem Licht höher gemacht werden, wodurch sich das Signalrauschverhältnis der reflektierten Lichtkomponente in Bezug auf die Umgebungslichtkomponente stark verbessern lässt. Die zweite Leseperiode WD2 kann auch kurz eingestellt werden, einhergehend mit der Pulsbreite des gepulsten Lichts Lp, während zusätzlich die erste Leseperiode WD1, in der nur Umgebungslicht Ls gelesen wird, auf die gleiche zeitliche Länge wie die vorgenannte zweite Leseperiode WD2 gesetzt werden, und weil daher die Lesezeit kurz gemacht wird, kann die Menge des einfallenden Umgebungslichts Ls verringert werden, und es können auch die Photonenschussrauschkomponenten, die durch solches Umgebungslicht Ls verursacht werden, reduziert werden.
Ferner kann die Zeitdauer zwischen der ersten Leseperiode WD1 und der zweiten Leseperiode WD2 im Wesentlichen zu Null gemacht werden, und daher kann das Umschalten zwischen dem Auslesen von Fotoelektronen während der Periode (ersten Leseperiode WD1), in der auf das Objekt kein gepulstes Licht Lp gestrahlt wird (d.h. Erfassung von Luminanzwerten während Lichtbestrahlung), und dem Lesen von Fotoelektronen während der Periode (zweiten Leseperiode WD2), während gepulstes Licht abgestrahlt wird (d.h. Erfassung von Luminanzwerten während Lichtbestrahlung) in kurzer Zeit ausgeführt werden, wodurch die Simultanizitätin Bezug auf die Erfassung der Luminanzwerte während Nicht-Bestrahlung und Luminanzwerte während Bestrahlung signifikant verbessert werden kann.
Falls ferner der vorgenannte Zyklus mehrere Male wiederholt wird, kann die Menge der in dem ersten Kondensator Ca1 und dem zweiten Kondensator Ca2 gespeicherten Fotoelektronen erhöht werden. Auch in diesem Fall kann aufgrund der Tatsache, dass das Tastverhältnis des gepulsten Lichts Lp in Bezug auf die Pulsdauer des gepulsten Lichtstrangs auf 1 % oder weniger (z. B. 0,1 % oder weniger) gesetzt wird, die Leistung von jeder der Einheiten von gepulstem Licht Lp, die innerhalb des gepulsten Lichtstrangs enthalten sind, höher gemacht werden, als jene von kontinuierlichem Licht, und das Signalrauschverhältnis von reflektiertem Licht Lr (Signallichtkomponente) in Bezug auf das Umgebungslicht (Rauschkomponente) in jeder Pulsbreite kann signifikant verbessert werden. Indem man auf diese Weise das Tastverhältnis des gepulsten Lichts Lp klein macht, erhält man günstige Wärmeabstrahlungscharakteristiken, auch wenn gepulstes Licht mit einer großen Leistung verwendet wird, weil die Wärme abgegeben werden kann, während die Lichtabgabe ruht. Darüber hinaus kann, aufgrund der Tatsache, dass die Fotoelektronen jeweils in dem ersten Kondensator Ca1 und dem zweiten Kondensator Ca2 über mehrere Zyklen hinweg gespeichert werden, die Signallichtkomponente vergrößert werden und daher kann die Genauigkeit der sich anschließenden Signalverarbeitung davon verbessert werden. Weil ferner innerhalb jedes Zyklus das Umschalten zwischen dem Lesen von Fotoelektronen in der ersten Leseperiode WD1 und dem Lesen von Fotoelektronen in der zweiten Leseperiode WD2 in kurzer Zeit durchgeführt werden kann, kann die Simultanizität in Bezug auf die Erfassung von Luminanzwerten während Nicht-Bestrahlung und Luminanzwerten während der Bestrahlung signifikant verbessert werden.
[Erste Abstandsmessvorrichtung 300A]
Nun wird eine Abstandsmessvorrichtung 300A (nachfolgend als erste Abstandsmessvorrichtung 300A) gemäß einer ersten Ausführung in Bezug auf die 21 bis 26 beschrieben. In 23 bezeichnet V1 eine Spannung V1 im Falle des ersten fotoelektrischen Wandlerelements 10A, oder eine erste Spannung im Falle des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B, und V2 bezeichnet eine Spannung im Falle des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B.
Die erste Abstandsmessvorrichtung 300A dient zum Erfassen eines dreidimensionalen Bilds, in dem eine gemessene Distanz verwendet wird, basierend auf Ausgaben von jeweiligen Pixeln 304 eines später beschriebenen Bildsensors 302, und enthält eine dritte Lichtempfangsvorrichtung 100C, zusätzlich zur vorgenannten Lichtabgabevorrichtung 202, den Controller, den Arithmetik-Prozessor 206, die erste Stromquelle 208A und die zweite Stromquelle 208B.
Mit der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A wird gepulstes Licht Lp, das von dem Lichtemitter 210 der ersten Lichtabgabevorrichtung 202 in Antwort auf einen Befehl von dem Controller 204 abgestrahlt wird, von einem Objekt W reflektiert und fällt auf die dritte Lichtempfangsvorrichtung 300C. Umgebungslicht Ls von Sonnenlicht oder dergleichen fällt ebenfalls auf die dritte Lichtempfangsvorrichtung 100C. Die dritte Lichtempfangsvorrichtung 100C gibt ein Signal an den Arithmetik-Prozessor 206 aus, das eine Ladung anzeigt, die einer empfangenen Lichtmenge entspricht, basierend auf einem Befehl von dem Controller 204. Der Arithmetik-Prozessor 206 berechnet eine Zeitdauer (Umlaufzeitdauer ΔP) [s], die das gepulste Licht Lp braucht, um von der Lichtabgabevorrichtung 202 an der dritten Lichtempfangsvorrichtung 100C anzukommen, und berechnet basierend auf der Umlaufzeitdauer ΔP einen Abstand D [m] zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W. Das Berechnungsergebnis des Arithmetik-Prozessors 206 wird an eine nicht dargestellte Anzeigevorrichtung ausgegeben.
[Dritte Lichtempfangsvorrichtung 100C]
Die dritte Lichtempfangsvorrichtung 100C enthält eine Linse 102 und eine dritte Lichtempfangseinheit 104C. Reflektiertes Licht Lr, das durch die Linse 102 hindurch tritt, und Umgebungslicht Ls werden auf die dritte Lichtempfangseinheit 104C fokussiert. Die Linse 102 kann auch eine Mehrzahl von Linsen aufweisen, die in einer Linie oder in einer Matrix aufgereiht sind.
Wie in 22 gezeigt, enthält die dritte Lichtempfangseinheit 104C einen Bildsensor 302, worin Pixel 304 in einer Matrixform angeordnet werden, eine Gatetreiberschaltung 306, eine vertikale Wählschaltung 308, eine Sample-and-Hold-Schaltung 310, eine horizontale Wählschaltung 312, einen Ausgangspuffer 314 sowie einen A/D-Wandler 316.
Der Bildsensor 302 gibt akkumulierte Ladungssignale Sc1, Sc2 aus, die jeweils der von jedem der Pixel 304 empfangenen Lichtmenge entsprechen. Die erste Stromquelle 208A liefert eine positive Stromquellenspannung Vdd in Bezug auf den Bildsensor 302, und die zweite Stromquelle 208B liefert eine Rücksetzspannung Vr in Bezug auf den Bildsensor 302.
Die Gatetreiberschaltung 306 steuert Ein-/Auszustände der ersten bis fünften Schaltelemente SW1 bis SW5 (siehe 23), und von ersten bis vierten Rücksetzschalter SR1 bis SR4 des Bildsensors 302, um verschiedene Typen von Gatetreibersignalen auszugeben.
Die vertikale Wähleinheit 308 enthält einen Multiplexer (nicht gezeigt), gibt selektiv erste bis vierte Ausgangswählsignale Ss1 bis Ss4 in Bezug auf Reihen, zu denen zu lesende Pixel 304 gehören, aus, und gibt ferner akkumulierte Ladungssignale Sc1, Sc2 von den Pixeln 304 aus. Die horizontale Wähleinheit 312 enthält einen anderen Multiplexer (nicht gezeigt) zum Wählen von Balken, zu denen zu lesende Pixel 304 gehören.
Wie in 23 gezeigt, werden die von den Pixeln 304 ausgelesenen akkumulierten Ladungssignale Sc1, Sc2 durch eine erste Feststromschaltung 58a in erste und zweite Ausgangsspannungen Vout1, Vout2 umgewandelt, und durch eine zweite Feststromschaltung 58b in dritte und vierte Ausgangsspannungen Vout3, Vout4, nachdem sie in der Sample-and-Hold-Schaltung 310 einmal akkumuliert worden sind, werden sie ausgegeben. Darüber hinaus werden die akkumulierten Ladungssignale Sc1, Sc2 durch den Ausgangspuffer 314 und den A/D-Wandler 316 zum Arithmetik-Prozessor 206 übertragen. Der Arithmetik-Prozessor 206, der die akkumulierten Ladungssignale Sc1, Sc2 empfangen hat, bestimmt eine Lichtmenge (Lichtmenge Ar) des reflektierten Lichts Lr, aus den akkumulierten Ladungssignalen Sc1, Sc2 und berechnet den Abstand D zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W (wird später im Detail beschrieben).
[Pixel 304]
In 23 ist ein Schaltplan von einem Pixel 304 gezeigt. Wie in 23 gezeigt, ist der Pixel 304 mit dem vorgenannten fotoelektrischen Wandlerelement 10, der Ladungssammeleinheit 26, ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4, der Ladungs-Entladeeinheit 108 und ersten bis fünften Schaltelementen SW1 bis SW5 ausgestattet, und enthält ferner erste bis vierte Rücksetzschalter SR1 bis SR4 und erste bis vierte Verstärker AP1 bis AP4. In 23 ist die Ladungssammeleinheit 26 durch zwei Kontaktpunkte gezeigt, so dass der Schaltplan leichter ersichtlich wird, wobei aber in Wirklichkeit die Kontaktpunkte zusammen in einer Ladungssammeleinheit 26 dargestellt sind. Ferner sind der erste Kondensator Ca1 und der dritte Kondensator Ca3 an symmetrischen Positionen in Bezug auf die Mitte der Ladungssammeleinheit 26 angeordnet, und der zweite Kondensator Ca2 und der vierte Kondensator Ca4 sind auch an symmetrischen Positionen in Bezug auf die Mitte der Ladungssammeleinheit 26 angeordnet. Ähnlich sind der erste Kondensator Ca1 und der zweite Kondensator Ca2 an symmetrischen Positionen in Bezug auf die Mitte der Ladungssammeleinheit 26 angeordnet, und der dritte Kondensator Ca3 und der vierte Kondensator Ca4 sind ebenfalls an symmetrischen Positionen in Bezug auf die Mitte der Ladungssammeleinheit 26 angeordnet.
[Erstes Schaltelement SW1, erster Kondensator Ca1]
Das erste Schaltelement SW1 und der erste Kondensator Ca1 haben die gleiche Struktur wie jene der vorgenannten zweiten Lichtempfangsvorrichtung 100B, und daher werden Erläuterungen dieser Merkmale weggelassen.
[Zweites Schaltelement SW2, zweiter Kondensator Ca2]
Das zweite Schaltelement SW2 und der zweite Kondensator Ca2 haben die gleiche Struktur wie jene der vorgenannten zweiten Lichtempfangsvorrichtung 100B, und daher werden Erläuterungen dieser Merkmale weggelassen.
[Drittes Schaltelement SW3, dritter Kondensator Ca3]
Das dritte Schaltelement ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, wobei die Source mit der Ladungssammeleinheit 26 verbunden ist, der Drain mit dem dritten Kondensator Ca3 verbunden ist und das Gate mit der Gatetreiberschaltung 306 verbunden ist. Dementsprechend werden die Ein-/Auszustände des dritten Schaltelements SW3 selektiv entsprechend einem Gatetreibersignal (drittem Auslesesignal Sg3) von der Gatetreiberschaltung 306 in Bezug auf das Gate gesteuert, wodurch Fotoelektronen, die sich in der Ladungssammeleinheit 26 befinden, zum dritten Kondensator Ca3 überführt werden.
[Viertes Schaltelement SW4, vierter Kondensator Ca4]
Das vierte Schaltelement SW4 ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, wobei die Source mit der Ladungssammeleinheit 26 verbunden ist, der Drain mit dem vierten Kondensator Ca4 verbunden ist und das Gate mit der Gatetreiberschaltung 306 verbunden ist. Dementsprechend werden die Ein-/Auszustände des vierten Schaltelements SW4 selektiv entsprechend einem Gatetreibersignal (viertem Auslesesignal Sg4) von der Gatetreiberschaltung 306 in Bezug auf das Gate gesteuert, wodurch Fotoelektronen, die sich in der Ladungssammeleinheit 26 befinden, zum vierten Kondensator Ca4 überführt werden.
[Fünftes Schaltelement SW5, Ladungs-Entladeeinheit 108]
Das fünfte Schaltelement SW5 ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, wobei die Ladungssammeleinheit 26 mit der Source verbunden ist, die Ladungs-Entladeeinheit 108 mit dem Drain verbunden ist und eine positive Stromquellenspannung Vdd von der ersten Stromquelle 208A der Ladungs-Entladeeinheit 108 zugeführt wird. Ferner wird ein Ladungs-Entladesignal Se von der Gatetreiberschaltung 306 dem Gate zugeführt.
Dementsprechend wird, durch Zuführen des Ladungs-Entladesignals Se zu dem Gate (d.h. indem man der dem Gate zugeführten Spannung einen hohen Pegel gibt), das Gate eingeschaltet, und unnötige Fotoelektronen, die sich in der Ladungs-Entladeeinheit 26 befinden, werden durch die Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen, ohne dass sie zu den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 überführt werden.
Insbesondere wenn alle der ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW 4 ausgeschaltet sind (d.h. wenn die vom fotoelektrischen Wandlerelement 10 erzeugten Fotoelektronen den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 nicht zugewiesen werden), wird, durch Übertragung des Ladungssignals Se von der Gatetreiberschaltung 306 zu dem fünften Schaltelement SW5 (d.h. Indem man der dem Gate zugeführten Spannung einen hohen Pegel gibt) das fünfte Schaltelement SW5 eingeschaltet, und unnötige Fotoelektronen, die vom fotoelektrischen Wandlerelement 10 erzeugt werden, können durch die Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen werden, ohne dass sie den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 zugewiesen werden. Aufgrund dessen wird es möglich, dass nur solche Fotoelektronen, die vom fotoelektrischen Wandlerelement 10 erzeugt werden, während Perioden zugewiesen werden, wenn die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 eingeschaltet sind. Infolge dessen kann durch ein später beschriebenes Verfahren der Abstand D zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W gemessen werden.
[Erste bis vierte Rücksetzschalter SR1 bis SR4]
Die ersten bis vierten Rücksetzschalter SR1 bis SR4 sind zum Beispiel durch n-Kanal-MOS-Transistoren aufgebaut. Ein Konaktpunkt A1 zwischen dem ersten Schaltelement SW1 und dem ersten Kondensator Ca1 ist mit der Source des ersten Rücksetzschalters Sr1 verbunden, und ein Kontaktpunkt a2 zwischen dem zweiten Schaltelement SW2 und dem zweiten Kondensator Ca2 ist mit der Source des zweiten Rücksetzschalters SR2 verbunden. Ähnlich ist ein Kontaktpunkt a3 zwischen dem dritten Schaltelement SW3 und dem dritten Kondensator Ca3 mit der Source des dritten Rücksetzschalters SR3 verbunden, und ist ein Kontaktpunkt a4 zwischen dem vierten Schaltelement SW4 und dem vierten Kondensator Ca4 mit der Source des vierten Rücksetzschalters SR4 verbunden. Eine Rücksetzspannung Vr von der zweiten Stromversorgung 208B wird jedem der Drains zugeführt, und die Gatetreiberschaltung 206 ist mit jedem der Gates verbunden.
Dementsprechend werden, indem die Gatetreibersignale (ersten bis vierten Rücksetzsignale Sr1 bis Sr4) von der Gatetreiberschaltung 306 in Bezug auf jedes der Gates zugeführt werden, die ersten bis vierten Rücksetzschalter Sr1 bis Sr4 selektiv oder gleichzeitig eingeschaltet, wodurch Potentiale der ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 jeweils auf feste Rücksetzpotentiale gesetzt werden können. Anders ausgedrückt, die ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 können rückgesetzt werden.
[Erster Verstärker AP1, zweiter Verstärker AP2]
Der erste Verstärker AP1 und der zweite Verstärker AP2 haben die gleiche Struktur wie jede des ersten Verstärkers AP1 und des zweiten Verstärkers AP2 der oben beschriebenen zweiten Lichtempfangsvorrichtung 200B, und daher werden detaillierte Beschreibungen davon weggelassen. Jedoch ist die Source des ersten Ausgangsschalters SEL1 des ersten Verstärkers AP1 mit der ersten Ausgangsleitung 212a verbunden, und das erste Ausgangswählsignal Ss1 wird von der vertikalen Wählschaltung 308 dem Gate des selben zugeführt. Ähnlich ist die Source des zweiten Ausgangsschalters SEL2 des zweiten Verstärkers AP2 mit der ersten Ausgangsleitung 212a verbunden, und das zweiten Ausgangswählsignal Ss2 wird von der vertikalen Wählschaltung 308 dem Gate derselben zugeführt.
Dementsprechend wird durch Einschalten des ersten Ausgangsschalters SEL1 gemäß dem ersten Ausgangswählsignal Ss1, das in Bezug auf das Gate des ersten Ausgangsschalters SEL1 zugeführt wird, eine Spannung, die den in dem ersten Kondensator Ca1 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q1) entspricht, in dem ersten Ausgangselement TR1 verstärkt und wird als erste Ausgangsspannung Vout1 über die erste Ausgangsleitung 212a extrahiert. Ähnlich wird durch Einschalten des zweiten Ausgangsschalters SEL2 entsprechend dem zweiten Ausgangswählsignal Ss2, das in Bezug auf das Gate des zweiten Ausgangsschalters SEL2 zugeführt wird, eine Spannung, die den in dem zweiten Kondensator Ca2 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q2) entspricht, in dem zweiten Ausgangselement TR2 verstärkt und als zweite Ausgangsspannung Vout2 über die erste Ausgangsleitung 212a extrahiert.
[Dritter Verstärker AP3]
Der dritte Verstärker AP3 enthält ein drittes Ausgangselement TR3, das zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut ist, und einen dritten Ausgangsschalter SEL3, der zum Beispiel aus einem n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut ist, der zwischen einer Source des dritten Ausgangselements TR3 und der zweiten Ausgangsleitung 212b angeschlossen ist. Ein Kontaktpunkt a3 zwischen dem dritten Schaltelement SW3 und dem dritten Kondensator Ca3 ist mit dem Gate des dritten Ausgangselements TR3 verbunden, eine positive Stromquellenspannung Vdd von der ersten Stromquelle 208A wird dem Drain zugeführt, und ein Drain des dritten Ausgangsschalters SEL3 ist mit der Source verbunden. Der dritte Ausgangsschalter SEL3 ist derart angeordnet, dass die zweite Ausgangsleitung 212b mit der Source verbunden ist, und ein drittes Ausgangswählsignal Ss3 von der vertikalen Wählschaltung 300A dem Gate zugeführt wird.
Dementsprechend wird durch Einschalten des dritten Ausgangsschalters SEL3 gemäß dem dritten Ausgangswählsignal Ss3, das dem Gate in Bezug auf den dritten Ausgangsschalter SEL3 zugeführt wird, eine Spannung, die den in dem dritten Kondensator Ca3 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q3) entspricht, in dem dritten Ausgangselement TR3 verstärkt und wird als dritte Ausgangsspannung Vout3 über die zweite Ausgangleitung 212b extrahiert.
[Vierter Verstärker AP4]
Der vierte Verstärker AP4 enthält ein viertes Ausgangselement TR4, das zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut ist, und einen vierten Ausgangsschalter SEL4, der zum Beispiel aus einem n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut ist, der zwischen einer Source des vierten Ausgangselements TR4 und der zweiten Ausgangsleitung 212b angeschlossen ist. Ein Kontaktpunkt a4 zwischen dem vierten Schaltelement SW4 und dem vierten Kondensator Ca4 ist mit dem Gate des vierten Ausgangselements TR4 verbunden, eine positive Stromquellenspannung Vdd von der ersten Stromquelle 208A ist mit dem Drain verbunden, und ein Drain des vierten Ausgangsschalters SEL4 ist mit der Source verbunden. Der vierte Ausgangsschalter SEL4 ist derart angeordnet, dass die zweite Ausgangsleitung 212b mit der Source verbunden ist, und ein viertes Ausgangswählsignal Ss4 von der vertikalen Wählschaltung 308 dem Gate zugeführt wird.
Dementsprechend wird durch Einschalten des vierten Ausgangsschalters SEL4 gemäß dem vierten Ausgangswählsignal Ss4, das dem Gate in Bezug auf den vierten Ausgangsschalter SEL4 zugeführt wird, eine Spannung, die den in dem vierten Kondensator Ca4 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q3) entspricht, in dem vierten Ausgangselement TR4 verstärkt und wird als vierte Ausgangsspannung Vout4 über die zweite Ausgangsleitung 212b extrahiert.
[Verfahren zum Messen des Abstands D zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W]
Nun wird ein Verfahren zum Messen des Abstands D zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W erläutert.
Zyklus Cm
Wie in 24 gezeigt, ist der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A jeder Zyklus (Dauer, in der ein Messwert bestimmt wird) [Anzahl/Sekunde] aufgebaut aus einer ersten Akkumulationsperiode Tca1 während der Ladung während der ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 kumulativ akkumuliert werden, und einer Ausleseperiode Tr, während der die Ladungen, die kumulativ in den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 gespeichert sind, ausgelesen werden. Ferner sind in der ersten Akkumulationsperiode Tca1 eine Mehrzahl von zweiten Akkumulationsperioden Tca2 enthalten, während denen gepulstes Licht den Pixeln 304 ausgesetzt wird und eine Bearbeitung (Ladungsakkumulationsprozess) einmal durchgeführt wird, um Ladungen in den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 zu akkumulieren. In der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A betragen die ersten Akkumulationsperiode Tca1 und die Ausleseperiode Tr1 zehn Millisekunden. Ferner beträgt die Ausgabezeit (Pulsbreite) des gepulsten Lichts Lp in jeder der zweiten Akkumulatonsperioden Tca2 100 Nanosekunden. Dementsprechend beträgt das Tastverhältnis, mit dem der Lichtemitter 210 betrieben wird, 0,1 % in jeder der zweiten Akkumulationsperioden Tca2.
Weil, wie oben erwähnt, die erste Abstandsmessvorrichtung 300A in der Lage ist, das Messergebnis als dreidimensionales Bild auszugeben, kann jeder der Zyklen Cm als eine Framerate (Frames/Sekunde), des dreidimensionalen Bilds definiert werden.
In der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A folgt der Ladungsakkumulationsprozess 100 Mal in der ersten Akkumulationsperiode Tca1, zusammen damit werden die Umlaufzeitdauer ΔP und der Abstand D basierend auf den Ladungen Q1 bis Q4 gemessen, die in den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 gespeichert sind.
Umriss des Messverfahrens (für eine Ladungsakkumulationsperiode Tca2)
Obwohl in der vorstehenden Weise bei der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A die Umlaufzeitdauer ΔP und der Abstand D basierend auf den in den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 gespeicherten Ladungen Q1 bis Q4 über die Gesamtheit der ersten Akkumulationsperiode Tca1 gemessen werden, wird nachfolgend, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, zuerst ein Fall erläutert, worin die Umlaufzeitdauer ΔP und der Abstand D basierend auf den in den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 gespeicherten Ladungen Q1 bis Q4 über eine der zweiten Akkumulationsperioden Tca2 bestimmt werden.
In 25 ist ein Zeitdiagramm für Strahlungslicht Le und reflektiertes Licht Lr gezeigt, zusammen mit Ein/Aus-Zuständen der ersten bis fünften Schaltelemente SW1 bis SW5.
Obwohl Details davon später beschrieben werden, wird mit der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A unter der Annahme, dass die Intensität Ir [W] des reflektierten Lichts Lr konstant ist, der Abstand D anhand einer proportionalen Beziehung zwischen der Dauer (reflektiertes Licht-Einfallszeitdauer Pri) [s], während der reflektiertes Licht Lr auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, und der kumulativen Lichtmenge (gemessenen reflektierten Lichtmenge Amr) [J] des reflektierten Lichts Lr in der reflektierten Lichteinfallszeitdauer Pri gemessen.
Insbesondere wird in der Zeitperiode P1 als erster Standardperiode eine kumulative Lichtmenge (Standardumgebungslichtmenge Ars) [J] (Ladungsmenge Q1 des ersten Kondensators Ca1) zu einer Zeit, wenn nur Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, bestimmt, und in der Zeitperiode P3 (=P1) als zweiter Standardperiode wird eine kumulative Lichtmenge (Standard-Kompositlichtmenge Ari) [J] (Ladungsmenge Q3 des dritten Kondensators Ca3) zu einer Zeit, wenn Umgebungslicht Ls und reflektiertes Licht Lr beide auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fallen, bestimmt. Ferner wird in der Zeitperiode P2 als erster Messperiode eine kumulative Lichtmenge (gemessene Umgebungslichtmenge Ams) [J] (Ladungsmenge Q2 des zweiten Kondensators Ca2) zu einer Zeit, wenn nur Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, bestimmt, und wird in einer Zeitperiode P4 (=P2) als zweiter Messperiode eine kumulative Lichtmenge (gemessene Kompositlichtmenge Ami) [J] (Ladungsmenge Q4 des vierten Kondensators Ca4) zu einer Zeit, wenn Umgebungslicht Ls und reflektiertes Licht Lr beide auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fallen, bestimmt. Eine Dauer (Zeitperiode Psr) [s], in der sowohl Umgebungslicht Ls als auch reflektiertes Licht Lr einfallen, und eine Dauer (Zeitperiode Ps) [s], in der nur Umgebungslicht Ls einfällt, befinden sich innerhalb der Zeitperiode P4. Die Zeitperiode Psr ist proportional zum Abstand D zum Objekt W.
Das Verhältnis (Ari -Ars : Ami -Ams) der Differenz (reflektierte Standardlichtmenge Arr) [J] zwischen der Standard-Kompositlichtmenge Ari und der Standardumgebungslichtmenge Ars, und der Differenz (gemessene reflektierte Lichtmenge Amr) [J] zwischen der gemessenen Kompositlichtmenge Ami und der gemessenen Umgebungslichtmenge Ams ist gleich dem Verhältnis (P3 : Pri) der Zeitperiode P3 (=P1) und der reflektierten Lichteinfallszeitdauer Pri. Anhand dieser Tatsache wird die Zeitdauer (Umlaufzeitdauer ΔP) bestimmt, über die gepulstes Licht Lp, das von der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A abgestrahlt wird, auf das Objekt W fällt, und bis das gepulste Licht Lp zu der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A zurückkehrt. Basierend auf dieser Umlaufzeitdauer ΔP wird der Abstand D zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W gemessen.
Details des Messverfahrens (für eine zweite Akkumulationsperiode Tca2)
Beschreibung des Zeitdiagramms
In 25 bezeichnet die Zeit Teu eine Bestrahlungsstartzeit der Strahlungslichtzeit Le, Ted bezeichnet eine Bestrahlungsendzeit des Strahlungslichts Le, und die Zeitdauer Pe bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Teu zur Zeit Ted. Die Zeit Tru bezeichnet eine Anfangsstartzeit des reflektierten Lichts Lr in Bezug auf das fotoelektrische Wandlerelement 10, die Zeit Trd bezeichnet eine Einfallsendzeit des reflektierten Lichts Lr in Bezug auf das fotoelektrische Wandlerelement 10, und die Zeitdauer Pr bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Tru bis zur Zeit Trd.
Die Zeiten Tg1u, Tg2u, Tg3u, Tg4u bezeichnen Zeiten, zu denen die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 eingeschaltet sind, die Zeiten Tg1d, Tg2d, Tg3d, Tg4d bezeichnen nachfolgend Zeiten, zu denen die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 ausgeschaltet sind, die Zeitperiode P1 bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Tg1u bis zur Zeit Tg1d, die Zeitdauer P2 bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Tg2u bis zur Zeit Tg2d, die Zeitperiode P3 bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Tg3u bis zur Zeit Tg3d und die Zeitperiode P4 bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Tg4u bis zur Zeit Tg4d. Die Zeitdauer Psr bezeichnet einen Zeitdauer der Zeit Tg4u bis zur Zeit Trd, und die Zeitdauer Ps bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Trd bis zur Zeit Tg4d.
Die Zeiten Td1u, Td2u, bezeichnen Zeiten, zu denen das fünfte Schaltelement SW5 eingeschaltet ist, die Zeiten Td1d, Td2d bezeichnen Zeiten, zu denen das fünfte Schaltelement SW5 ausgeschaltet ist, die Zeitperiode P5 bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Td1u bis zur Zeit Td1d, die Zeitperiode P6 bezeichnet eine Zeitdauer ab der Zeit Td2u bis zur Zeit Td2d.
Während der Zeitdauer Pr, während der reflektiertes Licht auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, eine Verzögerung (Umlaufzeitdauer ΔP) von der Zeit Teu bis zur Zeit Tru oder von der Zeit Ted bis zur Zeit Trd erzeugt, ist die Zeitdauer Pr gleich der Zeitdauer Pe (Pe = Pr) und kann zum Beispiel zwischen 10 Nanosekunden oder größer und 1 Mikrosekunde oder kürzer gesetzt werden, und in der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A ist sie auf 100 Nanosekunden gesetzt. Ferner sind in dem Controller 204 die Zeitperiode P1 und die Zeitperiode P3 sowie die Zeitperiode P2 und die Zeitperiode P4 jeweils einander gleich gesetzt (P1 = P3 und P2 = P4). Die Zeitperioden P1 und P3 können zum Beispiel zwischen 10 Nanosekunden oder größer und 90 Nanosekunden oder kürzer gesetzt werden, und in der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A sind sie auf 30 Nanosekunden gesetzt. Die Zeitperiode P2 kann zum Beispiel zwischen 10 Nanosekunden oder größer und 90 Nanosekunden oder kürzer gesetzt werden, und in der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A sind sie auf 70 Nanosekunden gesetzt. Ferner kann die Zeitperiode P5 zum Beispiel zwischen 0 Nanosekunden oder größer und 90 Nanosekunden oder kürzer gesetzt werden, und in der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A ist sie auf 70 Nanosekunden gesetzt. Die Zeitperiode P6 kann zum Beispiel zwischen 10 Nanosekunden oder größer und 1 Millisekunden oder kürzer gesetzt werden, und in der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A ist sie auf 100 Mikrosekunden gesetzt. Daher ist unter den Zeitperioden P1 bis P6 die Zeitperiode P6 ziemlich lang.
Wie aus 25 verständlich, wird mit der zweiten Akkumulationsperiode Tca2 der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A zuerst das erste Schaltelement SW1 eingeschaltet (Zeitperiode P1), und gleichzeitig mit dem Ausschalten des ersten Schaltelements SW1 wir das zweite Schaltelement SW2 eingeschaltet (Zeitperiode P2). Dann wird, gleichzeitig mit dem Ausschalten des zweiten Schaltelements SW2 Strahlungslicht Le in Bezug auf das Objekt W abgestrahlt, und das fünfte Schaltelement SW5 wird eingeschaltet (Zeitperiode P5). Während der Ausgabe des Strahlungslichts Le (Zeitperiode Pe) startet der Einfall des reflektierten Lichts Lr in Bezug auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 (zur Zeit Tru), Nach Ablauf der Zeitperiode P5 ab der Bestrahlungsstartzeit des Strahlungslichts Le (Zeit Teu) wird das fünfte Schaltelement SW5 ausgeschaltet, und zusammen damit wird das dritte Schaltelement SW3 eingeschaltet (Zeitperiode P3). Dann wird nach Ablauf der Zeitperiode Pe die Abgabe des Strahlungslichts Le gestoppt, und zusammen damit wird das dritte Schaltelement SW3 ausgeschaltet und wird das vierte Schaltelement SW4 eingeschaltet (Zeitperiode P4). Zu einer Zeit, während der das vierte Schaltelement SW4 eingeschaltet ist (Zeitperiode P4), wird der Einfall des reflektierten Lichts in Bezug auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 gestoppt (Zeit Trd). Anders ausgedrückt, die Zeitperiode P4 definiert den Messbereich (Bereich von Abständen, für die eine Messung möglich ist) [m] der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A. Gleichzeitig mit dem Ausschalten des vierten Schaltelements SW4 wird das fünfte Schaltelement SW5 eingeschaltet (Zeitperiode P6). Beim Ablauf der Zeitperiode P6 wird das fünfte Schaltelement SW5 ausgeschaltet, und ein Zyklus der zweiten Akkumulationsperiode Tca2 gelangt zu einem Ende (Zeit Td2d). Gleichzeitig damit wird eine nächste zweite Akkumulationsperiode Tca2 gestartet, und das erste Schaltelement SW1 wird eingeschaltet (Zeit Tg1u). Steuerungen für die dritte Lichtempfangsvorrichtung 300C als auch die Lichtabgabevorrichtung 202 werden in dem Controller 204 ausgeführt. Ferner wird in dem Fall, dass der Controller 204 durch einen Halbleiterprozess hergestellt wird, aus dem Blickpunkt der Temperaturkompensation etc., bevorzugt der Controller 204 zusammen mit der dritten Lichtempfangseinheit 104C auf dem gleichen Siliziumsubstrat mittels eines CMOS-Prozesses hergestellt.
Beschreibung der Messprinzipien
Berechnung der reflektierten Standardlichtmenge Arr
Wenn man annimmt, dass die erste Abstandsmessvorrichtung 300A und das Objekt W an jeweiligen Positionen fest sind, kann das reflektierte Licht Lr, das von dem Objekt W reflektiert wird und zu der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A zurückkehrt, eine konstante Intensität haben (Lichtmenge/Zeiteinheit). Weil ferner die Zeitperiode P1 auf eine Zeitperiode gesetzt ist, während der nur Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, werden Fotoelektronen, die nur auf das Umgebungslicht Ls zurückgehen, in dem ersten Kondensator Ca1 gespeichert. Weil andererseits die Zeitperiode P3 auf eine Zeitperiode gesetzt ist, während der sowohl Umgebungslicht Ls, als auch reflektiertes Licht Lr auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 einfallen, werden Fotoelektronen, die sowohl auf das Umgebungslicht Ls, als auch reflektiertes Licht Lr zurückgehen, in dem dritten Kondensator Ca3 gespeichert. Darüber hinaus haben die Zeitperiode P1 und die Zeitperiode P3 die gleiche Länge.
Aufgrund dessen bezeichnet die Differenz zwischen der im dritten Kondensator Ca3 gespeicherten Ladungsmenge Q3 und der im ersten Kondensator Ca1 gespeicherten Ladungsmenge Q1 eine in der Zeitperiode P3 (=Zeitperiode P1) akkumulierte Lichtmenge (reflektierte Standardlichtmenge Arr) von reflektiertem Licht Lr.
(ii) Berechnung der gemessenen reflektierten Lichtmenge Amr und der Umlaufzeitdauer ΔP
Wenn man annimmt, dass die erste Abstandsmessvorrichtung 300A und das Objekt W in den jeweiligen Positionen fest sind, kann reflektiertes Licht Lr, das von dem Objekt W reflektiert wird und zur ersten Abstandsmessvorrichtung 300A zurückkehrt, eine konstante Intensität haben. Weil ferner die Zeitperiode P2 auf eine Zeitdauer gesetzt ist, während der nur Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, werden Fotoelektronen, die nur auf Umgebungslicht Ls beruhen, in dem zweiten Kondensator Ca2 gespeichert. Weil andererseits die Zeitperiode P4 auf eine Zeitdauer gesetzt ist, die eine Zeitdauer Psr einschließt, während der sowohl Umgebungslicht Ls, als auch reflektiertes Licht Lr auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 einfallen, und eine Zeitperiode Ps, während der nur Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 einfällt, werden Fotoelektronen, die sowohl auf Umgebungslicht Ls, als auch reflektiertem Licht Lr beruhen, in dem vierten Kondensator Ca4 gespeichert. Darüber hinaus haben die Zeitperiode P2 und die Zeitperiode P4 die gleiche Länge.
Aufgrund dessen bezeichnet die Differenz zwischen der im vierten Kondensator Ca4 gespeicherten Ladungsmenge Q4 und der im zweiten Kondensator Ca2 gespeicherten Ladungsmenge Q2 eine in der Zeitperiode P4 (=Zeitperiode P2) akkumulierte Lichtmenge (gemessene reflektierte Lichtmenge Amr) von reflektiertem Licht Lr. In der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A startet die Zeitperiode P4 gleichzeitig mit der Zeit Ted, bei der die Bestrahlung des Strahlungslichts Le gestoppt wird. Im Ergebnis fällt, während der Zeitperiode P4, reflektiertes Licht Lr entsprechend dem Pulsumlauf ΔP auf das fotoelektrische Wandlerelement 10, und die Fotoelektronen werden in dem vierten Kondensator C4 gespeichert. Demgemäß entspricht die in dem vierten Kondensator Ca4 gespeicherte Ladungsmenge Q4 der Summe (gemessenen Kompositlichtmenge Ami) der akkumulierten Lichtmenge des Umgebungslichts Ls (gemessene Umgebungslichtmenge Ams) und der akkumulierten Lichtmenge von reflektiertem Licht Lr (gemessene reflektierte Lichtmenge Amr) über die gesamte Zeitperiode P4. Aufgrund dessen bezeichnet die Differenz zwischen der Ladungsmenge Q4 und der Ladungsmenge Q2 eine Ladungsmenge entsprechend der gemessenen reflektierten Lichtmenge Amr. Die Umlaufzeitdauer ΔP ist von dem Abstand D von der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W abhängig. Daher ist das Verhältnis zwischen der gemessenen reflektierten Lichtmenge Amr (die Differenz zwischen der Ladungsmenge Q4 und der Ladungsmenge Q2 entspricht) und der standardreflektierten Lichtmenge Arr (die Differenz zwischen der Ladungsmenge Q3 und der Ladungsmenge Q1 entspricht), gleich dem Verhältnis zwischen der Umlaufzeitdauer ΔP und der Zeitperiode P3 (= Zeitperiode P1) (Amr: Arr = Q4 - Q2 : Q3 - Q1 = ΔP: P3). Dementsprechend lässt sich die Umlaufzeitdauer ΔP durch die folgende Gleichung (F3) berechnen: $Δ P = {(Q 4 - Q 2) / (Q 3 - Q 1)} \times P 3$
(iii) Berechnung des Abstands D
Wenn die Umlaufzeitdauer ΔP bekannt ist, kann der Abstand D zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W durch die folgende Gleichung (F4) berechnet werden. In der Gleichung (F4) ist c eine Konstante, die Lichtgeschwindigkeit (angenähert 300.000 km pro Sekunde) angibt. Ferner beruht der Grund, dass das Produkt c × ΔP durch Zwei dividiert wird, auf der Tatsache, dass das Intervall zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W von dem gepulsten Licht Lp als Umlauf in der ersten Umlaufzeitdauer ΔP durchquert wird, und somit ein Abstand abgedeckt wird, der das Zweifache des Abstands D ist. $D = (c \times Δ P) /2$
(iv) Andere Merkmale
Als Anfangseinstellungen (Rücksetzoperationen) für den Pixel 304 können jene Prozesse ausgeführt werden, wie sie unten beschrieben sind. Insbesondere werden zuerst die ersten vier Rücksetzschalter SR1 bis SR4 gleichzeitig eingeschaltet, entsprechend der Übertragung der ersten bis vierten Rücksetzsignale SR1 bis SR4 in Bezug auf die ersten bis vierten Rücksetzschalter SR1 bis SR4 (d.h. die Spannungen, die den jeweiligen Gates der ersten bis vierten Rücksetzschalter SR 1 bis SR4 zugeführt werden, werden auf hohen Pegel gebracht). Gleichzeitig wird das fünfte Schaltelement SW5 eingeschaltet durch Übertragung des Ladungs-Entladesignal SED zu dem ersten Schaltelement SW5 (d.h. die dem fünften Schaltelement SW5 zugeführte Spannung wird auf hohen Pegel gebracht). Hierbei werden, durch Steuern des fünften Schaltelements SW5 und der ersten Spannung V1 und der zweiten Spannung V2, die der ersten Elektrode 16a und der zweiten Elektroden 16b des fotoelektrischen Wandlerelements 10 zugeführt werden, mit der gleichen Zeitgebung und den gleichen Operationen wie oben in der Zeitperiode WD3 von 20 gezeigt, Fotoelektronen, die vom fotoelektrischen Wandlerelement 10 einschließlich der ersten Elektrode 16a und den zweiten Elektroden 16b erzeugt werden, über die Ladungs-Entladeeinheit 108 entladen, so dass in dem fotoelektrischen Wandlerelement 10 keine Ladungen verbleiben, wodurch das fotoelektrischen Wandlerelement 10 initialisiert wird (Merke jedoch, dass SW3 in 20 SW5 in dem Pixel 304 entspricht).
Ferner werden die Gatetreibersignale Sg1 bis Sg4 nicht in Bezug auf die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 geschickt (d.h. die Spannungen, die den jeweiligen Gates der ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 zugeführt werden, werden auf niedrigen Pegel gebracht), wodurch die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 ausgeschaltet werden. Als Ergebnis dieses Prozesses werden die ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 auf das Rücksetzpotential gesetzt. Nachdem dann die Übertragung der ersten bis vierten Rücksetzsignale SR1 bis SR4 in Bezug auf die ersten bis vierten Rücksetzschalter SR1 bis SR4 gestoppt ist (d.h. die Spannungen, die den jeweiligen Gates der ersten bis vierten Rücksetzschalter SR1 bis SR4 zugeführt werden, werden auf niedrigen Pegel gebracht), werden die vorgenannten Prozesse zu den in 25 gezeigten Zeitgebung ausgeführt.
Details des Messverfahrens (für erste Akkumulationsperiode Tca1)
In den oben erwähnten Abschnitten (2) und (3) ist ein Fall für eine zweite Akkumulationsperiode Tca2 beschrieben worden. Jedoch wird, mit der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A, die Umlaufzeitdauer ΔP in der gleichen Weise wie oben beschrieben berechnet, unter Verwendung der Ladungen Q1 bis Q4, die in den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 gespeichert sind (nachfolgend als „Ladungsmengen sQ1 bis sQ4“ bezeichnet), aber über einhundert Ereignisse der zweiten Akkumulationsperiode Tca2 genommen (d.h. in der ersten Akkumulationsperiode Tca1).
Die Ladungsmenge sQ1 ist die Gesamtsumme der Ladungsmengen Q1, die in dem ersten Kondensator Ca1 über jeweilige erste bis hundertste Ereignisse der zweiten Akkumulationsperiode Tca2 gespeichert werden. Ähnlich sind die Ladungsmengen sQ2 bis sQ4 die Gesamtsummen der Ladungsmengen Q2 bis Q4, die in den zweiten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 über jeweilige erste bis hundertste Ereignisse der zweiten Akkumulationsperiode Tca2 gespeichert werden.
In diesem Fall kann die Umlaufzeitdauer ΔP durch die folgende Gleichung (F5) gemäß der vorherigen Gleichung (F3) berechnet werden. $Δ P = {(sQ 4 - sQ 2) / (sQ 3 - sQ 1)} \times P 3$
Basierend auf der durch Gleichung (F5) bestimmten Umlaufzeitdauer ΔP kann der Abstand D zwischen der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A und dem Objekt W mittels der vorstehenden Gleichung (F4) bestimmt werden. Lösungen für solche Berechnungen können in dem Arithmetik-Prozessor 206 bestimmt werden.
Wenn auf diese Weise der Abstand durch die Ladungsmengen sQ1 bis sQ5 bestimmt wird, der in den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 in einhundert Ereignissen der zweiten Akkumulationsperiode Tca2 gespeichert werden, kann die Signallichtkomponente erhöht werden, und danach kann die Signalverarbeitungsgenauigkeit (Abstandsberechnungsgenauigkeit) erhöht werden.
Mit der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A wird der Abstand D unter Verwendung von Ladungsmengen Q1 bis Q4 (Ladungsinformation) in einer Mehrzahl von jeweiligen Pixeln 304 gemessen. Indem die Abstandsinformation in jedem der Pixel 304 miteinander kombiniert wird, kann im Ergebnis ein dreidimensionales Bild erhalten werden.
[Effekte der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A]
Mit der oben beschriebenen Abstandsmessvorrichtung 300A kann der Dynamikbereich der Abstandsmessung verbessert werden, zum Beispiel mit der Fähigkeit, den Einfluss von Umgebungslicht Ls zu reduzieren oder zu beseitigen.
Insbesondere werden in der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A eine Ladungsmenge Q1, die in einer Zeitperiode P1 akkumuliert wird, während der nur Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, und eine Ladungsmenge Q3, die in einer Zeitperiode P3 akkumuliert wird, während der sowohl Umgebungslicht Ls als auch reflektiertes Licht Lr auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fallen, bestimmt. Indem die Zeitperioden P1 und P3 auf die gleiche Dauer gesetzt werden, kann eine Ladungsmenge entsprechend reflektiertem Licht Lr in einer Zeitperiode P3 (d.h. die reflektierte Standardlichtmenge Arr von reflektiertem Licht Lr in der Zeitperiode P3) aus der Differenz zwischen der Ladungsmenge Q3 und der Ladungsmenge Q1 (Q3 - Q1) bestimmt werden.
Ferner werden eine Ladungsmenge Q2, die in einer Zeitperiode P2 akkumuliert wird, während der nur Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, und eine Ladungsmenge Q4, die der in einer Zeitperiode P4 akkumuliert wird, bestimmt. In der Zeitperiode P4 sind enthalten eine Dauer (Zeitdperiode Psr), während der sowohl Umgebungslicht Ls als auch reflektiertes Licht Lr auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 einfallen, als auch eine Dauer (Zeitperiode Ps) während der nur Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt. Aufgrund der Tatsache, dass die Zeitperiode P2 und die Zeitperiode P4 auf die gleiche Dauer gesetzt sind, kann eine Ladungsmenge entsprechend der Zeitperiode Psr innerhalb der Zeitperiode P4 (die dem reflektierten Licht Lr in der Zeitperiode Psr entspricht) aus der Differenz zwischen der Ladungsmenge Q4 und der Ladungsmenge Q2 (Q4 - Q2) bestimmt werden.
Wenn das Intervall, während dem reflektiertes Licht auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 fällt, und die Intensität Ir des reflektierten Lichts konstant ist, dann ist das Verhältnis zur Differenz zwischen den Ladungsmengen Q4 und Q2 und der Differenz zwischen den Ladungsmengen Q3 und Q1 (Q4 - Q2 : Q3 - Q1) gleich dem Verhältnis der Zeitperiode Psr und der Zeitperiode P3 (Psr : P3). Aufgrund dessen kann die Zeitperiode Psr durch die folgende Gleichung (F6) bestimmt werden. $Psr = {(Q 4 - Q 2) / (Q 3 - Q 1)} \times P 3$
Da die Zeit Ted und die Zeit Tg4u gleich sind, ist die Zeitperiode Psr gleich der Umlaufzeitdauer ΔP. Dementsprechend kann die Umlaufzeitdauer ΔP aus der obigen Gleichung (F6) berechnet werden, und im Ergebnis kann der Abstand D basierend auf der Umlaufzeitdauer ΔP und der Lichtgeschwindigkeit berechnet werden.
Weil auf diese Weise mit der Abstandsmessvorrichtung 300A die Ladungsmenge Q2, die wegen des Umgebungslichts Ls auftritt, beseitigt werden kann, kann der Einfluss von Umgebungslicht Ls beseitigt oder verringert werden.
Wenn ferner der Abstand D kürzer wird, wird die Einfallsdauer des reflektierten Lichts (d.h. die Zeitperiode Psr) kürzer, wohingegen, wenn der Abstand D länger wird, die Zeitperiode Psr länger wird. Allgemein, wird, wenn das gleiche Objekt W verwendet wird und der Abstand D kürzer wird, die Intensität Ir des reflektierten Lichts Lr größer, wohingegen, wenn der Abstand D länger wird, die Intensität Ir des reflektierten Lichts Lr geringer wird. Daher fällt im Falle eines kurzen Abstands D reflektiertes Licht Lr, das eine große Intensität Ir hat, für eine kurze Zeitdauer ein, während im Falle eines langen Abstands D reflektiertes Licht Lr, das eine geringe Intensität Ir hat, für eine lange Zeitdauer einfällt. Infolge dessen wird im Vergleich im Änderungsbetrag des Abstands D der Änderungsbetrag in der Lichtmenge Ar des reflektierten Lichts Lr, das in der Zeitperiode Psr einfällt, klein. Diese Praxis führt zu einer Verbesserung im Dynamikbereich der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A.
Mit der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A wird in jedem Zyklus Cm gepulstes Licht Lp einhundert Mal abgestrahlt, und nachdem die Fotoelektronen jeweils einhundert Mal in den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 akkumuliert worden sind, sind die Umlaufzeitdauer ΔP mittels der Ladungsmengen Q1 bis Q4 berechnet. Allgemein ändert sich die Intensität des Umgebungslichts Ls (z.B. des Sonnenlichts) immer. Indem somit das gepulste Licht Lp einhundert Mal in jedem Zyklus Cm abgestrahlt wird und indem die Umlaufzeitdauer ΔP unter Verwendung der Ladungsmengen Q1 bis Q4 berechnet wird, nachdem die Fotoelektronen mit einer dementsprechenden Häufigkeit akkumuliert worden sind, kann die Intensität des Umgebungslichts Ls aufgemittelt werden. Im Ergebnis kann die Präzision beim Entfernen von Ladungsmengen, die aufgrund von Umgebungslicht Ls auftreten, erhöht werden, und kann die Messgenauigkeit verbessert werden.
Mit der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A beträgt die Pulsbreite (Ausgangszeitdauer) des gepulsten Lichts Lp 10 Mikrosekunden (= 100 Nanosekunden x 100 Mal), was 0,05 % jedes Zyklus Cm (20 Millisekunden) ist. Einhergehend damit werden die Zeitperioden P1 bis P4, während denen die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW2 eingeschaltet werden, kurz eingestellt. Aus diesem Grund ist, auch in dem Fall, dass eine andere Abstandsmessvorrichtung, die gepulstes Licht der gleichen Frequenz verwendet, in der Nähe der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A vorhanden ist, die Möglichkeit, dass die Zeitgebung, mit der die andere Abstandsmessvorrichtung gepulstes Licht ausgibt, sich mit der Zeitgebung, mit der die erste Abstandsmessvorrichtung 300A gepulstes Licht Lp ausgibt, niedrig. Infolge dessen kann die Möglichkeit für eine Störung mit einer anderen Abstandsmessvorrichtung (d.h., dass gepulstes Licht von der anderen Abstandsmessvorrichtung fehlerhaft als gepulstes Licht Lp von der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A erkannt wird) reduziert werden.
Weil darüber hinaus die Zeitperioden P1 bis P4, während denen die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 eingeschaltet sind, auch kurz eingestellt sind, kann die Zeitdauer, während der Umgebungslicht Ls auf das fotoelektrische Wandlerelement 10 in den Zeitperioden P1 bis P4 einfällt, kurz gemacht werden. Dies macht es möglich, den Einfluss des Umgebungslichts Ls als Rauschkomponente klein zu machen, und verbessert das Signalrausch(S/N)-Verhältnis. Insbesondere in dem Fall, dass dieses Umgebungslicht Ls Sonnenlicht ist, kann Schussrauschen von Sonnenlicht verringert werden.
Mit der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A sind Zeitperioden P1 bis P4, während denen die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 in jedem Zyklus eingeschaltet werden, extrem kurz. Aus diesem Grund kann die Möglichkeit verringert werden, dass ein Phänomen (sogenanntes „Aliasing“) auftritt, worin gepulstes Licht Lp, das im frühestletzten Zyklus Cm abgestrahlt wurde, im gegenwärtigen Zyklus Cm erfasst wird. Weil insbesondere jede der Akkumulationsperioden Tca2 der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A 100 Mikrosekunden beträgt, und die Zeitperiode Pe, während der gepulstes Licht Lp abgestrahlt wird, kurz ist, wird dieses gepulste Licht Lp mit Intervallen von etwa 100 Mikrosekunden abgestrahlt. Da die Lichtgeschwindigkeit c etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde beträgt, existiert die Möglichkeit, dass Aliasing nur auftritt, wenn die aktuelle Position des Objekts W 15 Kilometer (= 100 µs × 30 [Mm/s]/2) weiter entfernt ist als der Abstand D, der von der ersten Abstandsmessvorrichtung 300A ausgegeben wird. Weil jedoch die Intensität des gepulsten Lichts Lp, das vom Lichtemitter 210 auf das Objekt W abgestrahlt wird, proportional zum Quadrat des Abstands D reduziert ist, ist die Intensität Ir des reflektierten Lichts Lr in einer Position, die 15 Kilometer weiter entfernt ist als der Abstand D, klein im Vergleich zur Intensität Ir von reflektiertem Licht Lr von dem Objekt W am Abstand D, wodurch es angenähert möglich gemacht wird, dass das fotoelektrische Wandlerelement 10 dieses reflektierte Licht Lr detektiert. Dementsprechend ist die erste Abstandsmessvorrichtung 300A in der Lage, das Auftreten von Aliasing zu verhindern.
[Andere Zeitdiagramme]
In den oben angegebenen Beispielen werden die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 gemäß dem Zeitdiagramm von 25 angesteuert, wobei aber die Erfindung nicht auf dieses Merkmal beschränkt ist. Zum Beispiel können die Zeitperioden P3, P4 von 25 vor den Zeitperioden P2, P1 angeordnet werden. Ferner treten die Zeit Tg1d und die Zeit Tg2u gleichzeitig auf, wobei aber die Zeit Tg2u auch später als oder nach der Zeit Tg1d auftreten kann. Die Beziehung zwischen der Zeit Tg2d und der Zeit Teu ist auch gleich der Beziehung zwischen der Zeit Tg3d und der Zeit Tg3u. Ferner braucht die Zeit Tg4u nicht notwendiger Weise gleichzeitig mit der Zeit Ted auftreten, solange eine Korrelationsbeziehung zwischen der Zeit Tg4u und der Zeit Ted bekannt ist.
In 26 ist ein Zeitdiagramm gezeigt, worin die Zeit Ted nach der Zeit Tg4u auftritt. In diesem Fall kann die Umlaufzeitdauer ΔP mittels der folgenden Gleichung (F7) berechnet werden. $Δ P = [(Q 4 - Q 2) / (Q 3 - Q 1)] \times P 3 - (Ted - Tg4u)$
Alternativ kann die Zeit Ted vor der Zeit Tg4u auftreten. In diesem Fall kann die Umlaufzeitdauer ΔP mittels der folgenden Gleichung (F8) berechnet werden. $Δ P = [(Q 4 - Q 2) / (Q 3 - Q 1)] \times P 3 - (Tg4u - Ted)$
Obwohl in den obigen Beispielen die Zeitperioden P1 und P2 vorgesehen wurden, um den Einfluss von Umgebungslicht Ls zu eliminieren oder zu verringern, kann in dem Fall eines Orts, in dem kein Umgebungslicht Ls vorhanden ist, wie etwa in einem dunklen Raum oder dergleichen, oder wenn die Menge von Umgebungslicht Ls in Bezug auf das reflektierte Licht Lr gering ist und somit der Einfluss des Umgebungslichts Ls klein ist, die Umlaufzeitdauer ΔP nur aus Zeiten P3 und P4 bestimmt werden. Insbesondere kann die Umlaufzeitdauer ΔP mittels der folgenden Gleichung (F9) berechnet werden. $Δ P = (Q 4 /Q 3)] \times P 3$
[Zweite Abstandsmessvorrichtung 300B]
Nun wird eine Abstandsmessvorrichtung (nachfolgend als zweite Abstandsmessvorrichtung 300B bezeichnet) gemäß einer zweiten Ausführung in Bezug auf die 21 und 27 beschrieben. In 27 bezeichnet V1 eine Spannung V1 in dem Falle des ersten fotoelektrischen Wandlerelements 10A oder eine erste Spannung in dem Fall des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B, und V2 bezeichnet eine zweite Spannung im Falle des zweiten fotoelektrischen Wandlerelements 10B.
Wie in 21 gezeigt, enthält die zweite Abstandsmessvorrichtung 300B angenähert die gleiche Struktur wie die vorgenannte erste Abstandsmessvorrichtung 300B, unterscheidet sich aber von dieser darin, dass anstelle der dritten Lichtempfangsvorrichtung 100C eine vierte Lichtempfangsvorrichtung 100D mit einer vierten Lichtempfangseinheit 104D (siehe 27) verwendet wird.
[Umriss der vierten Lichtempfangsvorrichtung 100D]
Die vierte Lichtempfangsvorrichtung 100D führt eine geeignete Signalausgabe durch, wenn das Rücksetzrauschen beseitigt werden soll. Insbesondere werden bei der vorgenannten dritten Lichtempfangsvorrichtung 100C, nachdem die ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 alle rückgesetzt worden sind, die ersten bis vierten Schaltelemente SW1 bis SW4 jeweils eingeschaltet, wodurch in der Ladungssammeleinheit 26 befindliche Fotoelektronen den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 zugewiesen werden. Ferner wird, um die Signalquantität zu vergrößern, nachdem solche Operationen mehrere Male ausgeführt worden sind, die Signalquantität spannungsgewandelt und von einer externen Schaltung ausgelesen. Weil jedoch beim Rücksetzen jedes Zyklus (zwischen Frames), aufgrund von Rauschen von der Schaltungskonfiguration, die Rücksetzspannung nicht konstant ist, werden zwischen Frames unterschiedliche Pegel von Rücksetzrauschkomponenten in die ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 addiert.
Somit werden mit der vierten Lichtempfangsvorrichtung 100D Potentiale, die dem Rücksetzen der ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 unmittelbar folgen, ausgelesen (Rücksetzspannung auslesen), und dann werden anschließend die Spannungsausgänge ausgelesen (Signal auslesen) gemäß den in den Kondensatoren Ca1 bis Ca4 gespeicherten Signalladungen, so dass durch jeweilige Differenzialoperationen Rücksetzrauschkomponenten entfernt werden können.
[Details der vierten Lichtempfangsvorrichtung 100D]
Wie in 27 gezeigt, hat eine vierte Lichtempfangseinheit 104D der vierten Lichtempfangsvorrichtung 100D grundlegend die gleiche Struktur wie die vorgenannte dritte Lichtempfangsvorrichtung 100C, unterscheidet sich davon aber darin, dass erste bis vierte Ladungshalteeinheiten Cb1 bis Cb4 und erste bis vierte Ladungstransfereinheiten St1 bis ST4 darin enthalten sind.
[Erste bis vierte Ladungshalteeinheiten Cb1 bis Cb4 / erste bis vierte Ladungstransfereinheiten ST1 bis ST4]
Die erste Ladungshalteeinheit Cb1 ist zum Beispiel durch einen Kondensator mit MOS-Typ Struktur aufgebaut, der mit dem Drain des ersten Schaltelements SW1 verbunden ist und der so angeordnet ist, dass Gatetreibersignale (erstes Akkumulationssignal Sa1 (hoher Pegel) / erstes Entladesignal Sb1 (niedriger Pegel)) dessen Gate von der Gatetreiberschaltung 306 zugeführt werden.
Die erste Ladungstransfereinheit ST1 ist zum Beispiel durch einen n-Kanal-MOS-Transistor aufgebaut, wobei die Source mit der ersten Ladungshalteeinheit Cb1 verbunden ist, das Drain mit dem ersten Kondensator Ca1 verbunden ist und ein Gatetreibersignal (erstes Transfersignal ST1) dessen Gate zugeführt wird.
Dementsprechend wird, gemäß der Zufuhr des ersten Akkumulationssignals Sa1 von der Gatetreiberschaltung 306 in Bezug auf das Gate der ersten Ladungsentladeeinheit Cb1, ein Potentialort unterhalb des Gates der ersten Ladungshalteeinheit Cb1 abgesenkt, und Fotoelektronen, die durch das erste Schaltelement SW1 überführt werden, werden zeitweilig akkumuliert. Danach werden gemäß der Zufuhr des ersten Entladesignals Sb1 in Bezug auf das Gate der ersten Cb1, zusammen mit der Zufuhr des ersten Transfersignals Sb1 (hoher Pegel) in Bezug auf das Gate der ersten Ladungstransfereinheit ST1, die in der ersten Ladungshalteeinheit Cb1 gespeicherten Fotoelektronen zum ersten Kondensator Ca1 überführt. Weil das Gate der ersten Ladungshalteeinheit Cb1 und das Gate der ersten Ladungstransfereinheit ST1 jeweils unabhängig voneinander angesteuert werden können, können Ladungen zu dem ersten Kondensator Ca1 überführt werden, ohne zu bewirken, dass Restladungen in der ersten Ladungshalteeinheit Cb1 verbleiben.
Die zweiten bis vierten Ladungshalteeinheiten Cb2 bis Cb4 und die zweiten bis vierten Ladungstransfereinheiten ST2 bis ST4 sind die gleichen wie oben beschrieben, wobei Gatetreibersignale (zweite bis vierte Akkumulationssignale Sa2 bis Sa4 (hoher Pegel) /zweite bis vierte Entladungssignale Sb2 bis Sb4 (niedriger Pegel)) von der Treiberschaltung 306 jedem der Gates der zweiten bis vierten Ladungshalteeinheiten Cb2 bis Cb4 zugeführt werden, und Gatetreibersingale (zweite bis vierte Transfersignale St2 bis St4) von der Treiberschaltung 306 jedem der Gates der zweiten bis vierten Ladungstransfereinheiten ST2 bis ST4 zugeführt werden.
Die ersten bis vierten Ladungshalteeinheiten Cb1 bis Cb4 können auch durch eingebettete Fotodioden oder parasitische Kapazitäten dargestellt werden.
[Operationen der zweiten Abstandsmessvorrichtung 300B]
Die Operationen der zweiten Abstandsmessvorrichtung 300B sind im Wesentlichen die gleichen wie der vorgenannten ersten Abstandsmessvorrichtung 300A. Wie zum Beispiel in den 24 und 25 gezeigt, werden, in der ersten Akkumulationsperiode Tca1 jedes Zyklus Cm, erste bis vierte Akkumulationssignale Sa1 bis Sa4 jedem der Gates der ersten bis vierten Ladungshalteeinheiten Cb1 bis Cb4 zugeführt, wodurch Fotoelektronen, die durch das erste Schaltelement SW1 in der Zeitperiode P1 jeder zweiten Akkumulationsperiode Tca2 überführt werden, in der ersten Ladungshalteeinheit Cb1 gespeichert werden, Fotoelektronen, die durch das zweite Schaltelement SW2 in der Zeitperiode P2 überführt werden, in der zweiten Ladungshalteeinheit Cb2 gespeichert werden, Fotoelektronen, die durch das dritte Schaltelement SW4 in der Zeitperiode P3 überführt werden, in der dritten Ladungshalteeinheit Cb3 gespeichert werden, und Fotoelektronen, die durch das vierte Schaltelement SW4 in der Zeitperiode P4 überführt werden, in der vierten Ladungshalteeinheit Cb4 gespeichert werden.
Auf diese Weise werden die ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 rückgesetzt, nachdem Signalladungen in den ersten bis vierten Ladungshalteeinheiten Cb1 bis Cb4, als Anfangssetzmittel für die Ausleseperiode Pr in jedem Zyklus Cm gespeichert worden sind. Insbesondere werden, entsprechend der ersten bis vierten Rücksetzsignalen Sr1 bis Sr4, die in Bezug auf die ersten bis vierten Rücksetzschalter SR1 bis SR4 geschickt werden (d.h. Spannungen, die jeweiligen Gates der ersten bis vierten Rücksetzschalter SR1 bis SR4 zugeführt werden, werden auf hohen Pegel gebracht), die ersten bis vierten Rücksetzschalter gleichzeitig eingeschaltet, und darin werden vorbestimmte Rücksetzspannungen Vr gesetzt. Danach werden, durch sequenzielles Einschalten der ersten bis vierten Ausgangsschalter SEL1 bis SEL4 die Rücksetzspannungen der ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 an eine externe Schaltung als erste bis vierte Ausgangsspannungen Vout1 bis Vout4 ausgegeben (Rücksetzspannung auslesen).
Zusätzlich werden dann, unmittelbar nach dem Auslesen der Rücksetzspannung, Signale von den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 ausgelesen. Insbesondere werden erste bis vierte Entladungssignale Sb1 bis Sb4 jedem der Gates der ersten bis vierten Ladungshalteeinheiten Cb1 bis Cb4 zugeführt, zusammen mit ersten bis vierten Transfersignalen St1 bis St4, die jedem der Gates der ersten bis vierten Ladungstransfereinheiten ST1 bis ST4 zugeführt werden, wodurch die in den ersten bis vierten Ladungshalteeinheiten Cb1 bis Cb4 gespeicherten Fotoelektronen jeweils zu den ersten bis vierten Kondensatoren Ca1 bis Ca4 überführt werden. Zusätzlich wird, durch sequenzielles Einschalten der ersten bis vierten Ausgangsschalter SEL1 bis SEL4, eine Spannung, die den in dem ersten Kondensator Ca1 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q1) entspricht, und eine Spannung, die den in dem zweiten Kondensator Ca2 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q2) entspricht, jeweils durch das erste Ausgangselement TR1 und das zweite Ausgangselement TR2 verstärkt, und diese Spannungen werden als die erste Ausgangsspannung Vout1 und die zweite Ausgangsspannung Vout2 ausgegeben, und ferner werden eine Spannung, die den in dem dritten Kondensator Ca3 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q3) entspricht, und eine Spannung, die den in dem vierten Kondensator Ca4 gespeicherten Fotoelektronen (Ladungsmenge Q4) entspricht, jeweils durch das dritte Ausgangselement TR3 und das vierte Ausgangselement TR4 verstärkt, und diese Spannungen werden als die dritte Ausgangsspannung Vout3 und die vierte Ausgangsspannung Vout 4 ausgegeben (Signal auslesen).
Durch Bestimmen der Differenz zwischen den im Rücksetzspannungsausleseschritt ausgelesenen Rücktrittsspannungen und den im Signalausleseschritt ausgelesenen Signalspannungen können Signale ausgelesen werden, ohne dass irgendein Einfluss der Rücktrittsspannungswerte auftritt. Als Verfahren zur Bestimmung der Differenz können Berechnungen davon realisiert werden, zum Beispiel durch eine korrelierte Doppelsampling (CDS)-Schaltung.
Das fotoelektrische Wandlerelement, die Lichtempfangsvorrichtung, das Lichtempfangssystem und die Abstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die obigen Ausführungen beschränkt, und es ist selbstverständlich, dass verschiedene zusätzliche oder modifizierte Strukturen darin angewendet werden könnte, ohne vom Wesen und Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Nachfolgend werden einige modifizierte Beispiele beschrieben.
[Modifiziertes Beispiel des fotoelektrischen Wandlerelements 10]
Zum Beispiel kann, wie in 28 gezeigt, eine eingebettete MOS-Diode verwendet werden, worin ein n-Typ-Verunreinigungs-Diffusionsbereich auf der Oberfläche eines p-Typ-Verunreinigungs-Diffusionsbereichs ausgebildet ist.
[Drittes fotoelektrisches Wandlerelement 10C]
Wie in 29 gezeigt, hat ein fotoelektrisches Wandlerelement (nachfolgend als drittes fotoelektrisches Wandlerelement 10C bezeichnet) gemäß einer dritten Ausführung im Wesentlichen die gleiche Struktur wie das vorgenannte fotoelektrische Wandlerelement 10B, außer, dass die Formen der ersten Elektrode 16a und der zweiten Elektroden 16b unterschiedlich sind, insbesondere bei Betrachtung von deren Oberseite her.
Insbesondere hat jeder der Zweigabschnitte 22 der ersten Elektrode 16a eine derartige Gestalt, dass sich, bei Betrachtung von der Oberseite her, deren Elektrodenbreite zu dem einen Elektrodenabschnitt hin allmählich erweitert, und jede der zweiten Elektroden hat eine derartige Gestalt, dass sich, bei Betrachtung von der Oberseite her, in deren Elektrodenbreite zu dem einen Elektrodenabschnitt hin allmählich verengt.
In dem Fall, dass ein Potentialort 32a unterhalb der einen Elektrode 16a anfokussiert und betrachtet wird, wie in den 30A und 30B gezeigt, erhält der Abschnitt davon, wo die Elektrodenbreite eng ist, einen Einfluss von dem Oberflächenpotential des Halbleitersubstrats 12 (Siliziumsubstrat), und der Potentialort 32a1 an diesem Abschnitt ist hoch, wohingegen der Potentialort 32a2 des Abschnitts, wo die Breite weit ist, niedrig ist. Dementsprechend werden, wie in 31 gezeigt, die Potentialorte 32a der Zweigabschnitte 22 der ersten Elektrode 16a niedriger, wenn die Breite weiter wächst, und fallen zu dem einen Abschnitt 20 hin allmächlich nach unten schräg ab.
Aufgrund dessen wandern, zur Zeit t3 in 8, die Fotoelektronen 30 rascher zu der Ladungssammeleinheit 26, wenn hierbei, wie in 32 gezeigt, die erste Spannung V1 die Niedrigpegelspannung V1L einnimmt, obwohl, wie oben erwähnt, die Potentialorte 32a an Abschnitten direkt unterhalb der ersten Stromversorgungsanschlüsse 28a rasch ansteigen und die Potentialorte 32a näher der Ladungssammeleinheit 26 allmählich ansteigen, da die Potentialorte 32a zu dem einen Elektrodenabschnitt 20 hin schräg nach unten abfallen.
In dem obigen dritten fotoelektrischen Wandlerelement 10C ist ein Beispiel angegeben worden, wo die zweiten Elektroden16b vorgesehen sind, wobei abgesehen von diesem Beispiel, ähnlich dem ersten fotoelektrischen Wandlerelement 10A Strukturen vorgesehen werden können, worin die zweiten Elektroden 16b nicht enthalten sind oder worin eingebettete Fotoelektronen BPDs zwischen den ersten MOS-Dioden 18a ausgebildet sind.
[Viertes fotoelektrisches Wandlerelement 10D]
Nun hat, wie in den 33 und 34 gezeigt, ein fotoelektrisches Wandlerelement (nachfolgend als viertes fotoelektrisches Wandlerelement 10D bezeichnet) im Wesentlichen die gleiche Struktur wie das vorgenannte zweite fotoelektrische Wandlerelement 10B, unterscheidet sich aber darin, dass die erste Elektrode 16a darin nicht existiert, und stattdessen eine eingebettete Fotodiode BPD ausgebildet ist. Bei Betrachtung von der Oberseite her hat die eingebettete Fotodiode BPD eine kammartige Gestalt, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten 22 von einem Abschnitt 20 abgezweigt sind, und zweite Elektroden 16b, die zweite MOS-Fotodioden 18b aufweisen, sind jeweils eingebettet zwischen den mehreren Zweigabschnitten 22 in der eingebetteten Fotodiode BPD angeordnet.
Ferner ist eine Ladungssammeleinheit 26 zum Akkumulieren von Fotoelektronen, die durch das vierte fotoelektrische Wandlerelement 10D erzeugt werden, durch die gleiche eingebettete Fotodiode BPD in einem Basisabschnitt 24 (Mittelteil in der Längsrichtung) des einen Abschnitts 20 in der eingebetteten Fotodiode BPD ausgebildet. Die Ladungssammeleinheit 26 ist so ausgebildet, dass sie sich an dem Basisabschnitt 24 des einen Abschnitts 20 in einer von den Zweigabschnitten 22 entgegengesetzten Richtung erstreckt.
Nun werden Operationen des vierten fotoelektrischen Wandlerelements 10D in Bezug auf das Zeitdiagramm von 35, und die Potentialdiagramme der 36A und 36B erläutert.
Zuerst werden zur Zeit t11 in 35 (Belichtungseinleitungsstufe), wenn die zweite Spannung V2 die hohe Spannung V2H einnimmt, wie in 36A gezeigt, die Potentialorte 32b unterhalb der zweiten Elektroden 16b niedrig, und durch Belichtung erzeugte Fotoelektronen 30 werden unter den zweiten Elektroden 16b akkumuliert, und bewegen sich dann in die eingebettete Fotodiode BPD an Orten, die den zweiten Elektroden 16b benachbart sind.
Wenn danach zur Zeit t12 (Belichtungsendstufe) die zweite Spannung V2 zur niedrigen Spannung V2L wird, wie in 36B gezeigt, werden die Potentialorte 32b unterhalb der zweiten Elektroden 16b hoch, und es bildet sich ein Potentialgradient, worin der Potentialort unterhalb der zweiten Elektroden 16b zu der eingebettetes Fotodiode BPD hin niederiger wird. Infolge dessen wandern die Fotoelektronen 30, die unterhalb der zweiten Elektroden 16b akkumuliert sind, durch den Potentialgradient 34 in die eingebettete Fotodiode BPD, und insbesondere zu Orten unterhalb der mehreren Zweigabschnitte 22, und ferner bewegen sich die Fotoelektronen 30 zu der Ladungssammeleinheit 26 hin. Obwohl darüber hinaus, zu Zeit t11 in 35, die zweite Spannung auf den hohen Pegel V2H gesetzt wird, und obwohl die Hochpegelspannung V2H bevorzugt so gesetzt wird, dass sie ein Potential bildet, das höher ist als das Potential der eingebetteten Fotodiode BPD an Orten benachbart den zweiten Elektroden 16b, ist die Erfindung nicht durch dieses Merkmal beschränkt, und es kann auch ein Potential ausgebildet werden, das niedriger ist als das Potential der eingebetteten Fotodiode BPD an Orten, die den zweiten Elektroden 16b benachbart sind.
[Fünftes fotoelektrisches Wandlerelement 10E]
Nun hat, wie in 37 gezeigt, ein fotoelektrisches Wandlerelement gemäß einer fünften Ausführung (nachfolgend als fünftes fotoelektrisches Wandlerelement 10E bezeichnet) im Wesentlichen die gleiche Struktur wie das vorgenannte vierte fotoelektrische Wandlerelement 10D, unterscheidet sich aber in den Formen der eingebetteten Fotodioden BPD und der zweiten Elektroden 16b bei Betrachtung von der Oberseite her.
Insbesondere haben die Zweigabschnitte 22 der eingebetteten Fotodiode BPD Formen, die, bei Betrachtung von der Oberseite her, zu dem einen Abschnitt 20 hin allmählich weiter werden, wohingegen jede der zweiten Elektroden 16b Formen hat, das bei Betrachtung von der Oberseite her, deren Elektrodenbreiten zu dem einen Abschnitt 20 hin allmählich kleiner oder schmaler werden.
In dem Fall, dass Potentialorte 32c1 der eingebetteten Fotodiode BPD auf die schmalen Abschnitte fokussiert und beobachtet werden, wie in den 38A und 38B gezeigt, wird, als Ergebnis davon, dass ein Einfluss von dem Oberflächenpotential des Halbleitersubstrats 12 (Siliziumsubstrat) erhalten wird, der Potentialort 32c1 dieser Abschnitte hoch, wohingegen der Potentialort 32c2 der breiten Abschnitte niedrig wird. Dementsprechend werden, wie in 39 gezeigt, die Potentialorte 32c2 der Zweigabschnitte 22 der eingebetteten Fotodiode BPD niedriger, wenn die Breite der Zweigabschnitte 22 breiter wird, was darin resultiert, dass die Potentialorte 32c zu dem einen Abschnitt 20 hin schräg nach unten abfallen. Infolge dessen bewegen sich die Fotoelektronen 30 mit hohen Geschwindigkeiten zu der Ladungssammeleinheit 26 hin.
[Sechstes fotoelektrisches Wandlerelement 10F]
Nun hat, wie in 40 gezeigt, ein fotoelektrisches Wandlerelement gemäß einer sechsten Ausführung (nachfolgend als sechstes fotoelektrisches Wandlerelement 10F bezeichnet) im Wesentlichen die gleiche Struktur wie das vorgenannte fünfte fotoelektrische Wandlerelement 10E, unterscheidet sich aber davon darin, dass die Breite von einem Bereich 20 in der eingebetteten Fotodiode BPD so ausgebildet ist, dass von beiden Enden zu einem zentralen Basisabschnitt 24 allmählich breiter wird. Insbesondere ist der Basisabschnitt 24 so ausgebildet, dass dessen Breite, die zu der Ladungssammeleinheit 26 führt, am größten ist.
In dem Fall, dass auf den Potentialort 32c in dem einen Bereich 20 der eingebetteten Fotodiode BPD fokussiert und beobachtet wird, wie in 41 gezeigt, werden Potentialorte 32c1 der schmalen Abschnitte hoch, wohingegen der Potentialort 32c2 des breiten Abschnitts niedrig wird. Dementsprechend nimmt der Potentialort 32c des einen Bereichs 20 in der eingebetteten Fotodiode BPD allmählich ab, und fällt insbesondere von beiden Enden zu dem Basisabschnitt 24 hin schräg nach unten ab. Aufgrund der Tatsache, dass ein nach unten abgeschrägter Potentialgradient von beiden Enden des einen Bereichs 20 in der eingebetteten Fotodiode BPD zu dem Basisabschnitt 24 hin ausgebildet wird (d.h. der Ladungssammeleinheit 26 hin), wandern auf diese Weise Fotoelektronen 30 mit höheren Geschwindigkeiten zu der Ladungssammeleinheit 26 hin.

Claims

Fotoelektrisches Wandlerelement zum Erfassen von Licht und Umwandeln des Lichts in Fotoelektronen, umfassend: eine MOS-Diode (18), die eine Elektrode (16) aufweist, die auf einem Halbleitergrundkörper (12) mit einem Isolator (14) dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), die in dem Halbleitergrundkörper (12) ausgebildet sind, worin die Elektrode (16) der MOS-Diode (18), bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) von einem Elektrodenabschnitt (20) abzweigen, und die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen die Zweigabschnitte (22) der Elektrode (16) eingebettet sind.
Das fotoelektrische Wandlerelement nach Anspruch 1, worin das Potential unter der Elektrode (16) der MOS-Diode (18) derart gesteuert/geregelt wird, dass die durch fotoelektrische Umwandlung an den eingebetteten Fotodioden (BPD) erzeugten Fotoelektronen zu der MOS-Diode (18) hin wandern.
Das fotoelektrische Wandlerelement nach Anspruch 1, worin innerhalb der MOS-Diode (18) ein Abschnitt, der einer Basis (24) des einen Elektrodenabschnitts (20) der Elektrode (16) entspricht, als Ladungssammeleinheit (26) aufgebaut ist.
Das fotoelektrische Wandlerelement nach Anspruch 1, worin die Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der Elektrode (16) in der MOS-Diode (18) jeweils rechtwinklig geformt sind.
Das fotoelektrische Wandlerelement nach Anspruch 1, worin jeder der Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der Elektrode (16) in der MOS-Diode (18) so ausgestaltet ist, dass er, bei Betrachtung von deren Oberseite, in der Breite zu dem einen Elektrodenabschnitt (20) hin allmählich größer wird.
Das fotoelektrische Wandlerelement nach Anspruch 1, worin Stromversorgungsanschlüsse (28) von jedem der Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der Elektrode (16) in der MOS-Diode (18) an Positionen ausgebildet sind, die, bei Betrachtung von deren Oberseite, von der Ladungssammeleinheit (26) maximal getrennt sind.
Das fotoelektrische Wandlerelement nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine erste MOS-Diode (18a), die eine erste Elektrode (16a) aufweist, die auf dem Halbleitergrundkörper (12) mit dem Isolator (14) dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von zweiten MOS-Dioden (18b), die jeweilige zweite Elektroden (16b) aufweisen, die auf dem Halbleitergrundkörper (12) mit dem Isolator (14) dazwischen ausgebildet sind, worin die zweiten Elektroden (16b) der Mehrzahl von zweiten MOS-Dioden (18b) jeweils von der ersten Elektrode (16a) getrennt sind, und, bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der ersten Elektrode (16) eingebettet sind, und die eingebetteten Fotodioden (BPD) zwischen der ersten MOS-Diode (18a) und den zweiten MOS-Dioden (18b) ausgebildet sind.
Lichtempfangsvorrichtung, die Luminanzinformation von einfallendem Licht (La) erfasst, umfassend: ein fotoelektrisches Wandlerelement (10), das einfallendes Licht (La) erfasst und in Fotoelektronen umwandelt; eine Ladungssammeleinheit (26) zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlerelement (10) erzeugten Fotoelektronen; einen Kondensator (Ca), der die Fotoelektronen mit einer festen Zeitdauer speichert; eine Ladungs-Entladeeinehit (18a), die die Fotoelektronen entlädt; ein erstes MOS-Typ-Schaltelement (SW1), das zwischen der Ladungssammeleinheit (26) und dem Kondensator (Ca) angeordnet ist, um zu bewirken, dass die in der Ladungssammeleinheit (26) gesammelten Fotoelektronen zu dem Kondensator (Ca) hin wandern; ein zweites MOS-Typ-Schaltelement (SW2), das zwischen der Ladungssammeleinheit (26a) und der Ladungs-Entladeeinehit (108) angeordnet ist, um das Entladen von Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit (26) zu der Ladungs-Entladeeinehit (108) zu steuern, worin das fotoelektrische Wandlerelement (10) umfasst: eine MOS-Diode (18), die eine Elektrode (16) aufweist, die auf einem Halbleitergrundkörper (12) mit einem Isolator (14) dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), die in dem Halbleitergrundkörper (12) ausgebildet sind, worin die Elektrode (16) der MOS-Diode (18), bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) von einem Elektrodenabschnitt (20) abzweigen, wobei die Mehrzahl von eingebetteten Fotoelektroden (BPD), bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der Elektrode (16) eingebettet sind, und die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement (10) zu dem Kondensator (Ca) durch selektives Steuern zum Öffnen/Schließen des ersten Schaltelements (SW1) und des zweiten Schaltelements (SW2) überführt werden, wodurch Luminanzinformation des einfallenden Lichts (La) basierend auf einer Menge (Ladungsmenge) der zum Kondensator (Ca) überführten Fotoelektronen erfasst wird.
Die Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 8, worin: die Ladungssammeleinheit (26) mit dem fotoelektrischen Wandlerelement (10) verbunden ist; und die Ladungs-Entladeeinheit (108) gegenüber dem Kondensator (Ca) angeordnet ist, während die Ladungs-/Sammeleinheit (26) dazwischen aufgenommen ist.
Die Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 8, worin der Kondensator (Ca) einen MIM-Kondensator, einen MOS-Kondensator, eine eingebettete Fotodiodenstruktur oder eine parasitische pn-Übergangskapazität aufweist.
Die Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 8, worin zumindest die Ladungssammeleinheit (26), das erste Schaltelement (SW1), das zweite Schaltelement (SW2) und der Kondensator (Ca) in einem lichtabgeschirmten Bereich (Z) ausgebildet sind.
Lichtempfangsvorrichtung, die Luminanzinformation von einfallendem Licht (La) erfasst, umfassend: ein fotoelektrisches Wandlerelement (10), das das einfallende Licht (La) erfasst und in Fotoelektronen umwandelt; eine Ladungssammeleinheit (26) zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlerelement (10) erzeugten Fotoelektronen; eine ersten Kondensator (Ca1) und einen zweiten Kondensator (Ca2), die die Fotoelektronen mit einer festen Zeitdauer speichern; eine Ladungs-Entladeeinheit (108), die die Fotoelektronen entlädt; ein erstes MOS-Typ Schaltelement (SW1), das zwischen der Ladungssammeleinheit (26) und dem ersten Kondensator (Ca1) angeordnet ist, um die in der Ladungssammeleinheit (26) gesammelten Fotoelektronen selektiv dem ersten Kondensator (Ca1) zuzuweisen; und ein zweites MOS-Typ Schaltelement (SW2), das zwischen der Ladungssammeleinheit (26) und dem zweiten Kondensator (SW2) angeordnet ist, um die in der Ladungssammeleinheit (26) gesammelten Fotoelektronen selektiv dem zweiten Kondensator (Ca2) zuzuweisen; und ein drittes MOS-Typ Schaltelement (SW3) zum Steuern des Entladens von Fotoelektronen von der Sammeleinheit (26) zu der Ladungs-Entladeeinheit (108), worin das fotoelektrische Wandlerelement (10) umfasst: eine MOS-Diode (18), die eine Elektrode (16) aufweist, die auf einem Halbleitergrundkörper (12) mit einem Isolator (14) dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), die in dem Halbleitergrundkörper (12) ausgebildet sind, worin die Elektrode (16) der MOS-Diode (18), bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) von einem Elektrodenabschnitt (20) abzweigen, die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der Elektrode (16) eingebettet sind, und die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement (10) zu dem ersten Kondensator (Ca1) und dem zweiten Kondensator (Ca2) durch selektives Steuern von Ein/Aus-Zuständen der ersten bis dritten Schaltelemente (SW1 bis SW3) überführt werden, wodurch Luminanzinformation von einfallendem Licht (La) basierend auf einer Menge (Ladungsmenge) der zu dem ersten Kondensator (Ca1) und dem zweiten Kondensator (Ca2) überführten Fotoelektronen erfasst wird.
Die Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 12, worin: die Ladungssammeleinheit (26) mit dem fotoelektrischen Wandlerelement (10) verbunden ist; die Ladungs-Entladeeinheit gegenüber dem fotoelektrischen Wandlerelement (10) angeordnet ist, während die Ladungssammeleinheit (26) dazwischen aufgenommen ist; und der erste Kondensator (Ca1) und der zweite Kondensator (Ca2) einander gegenüberliegend angeordnet sind, während die Ladungssammeleinheit (26) dazwischen aufgenommen ist.
Die Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 12, worin der erste Kondensator (Ca1) und der zweite Kondensator (Ca2) einen MIM-Kondensator, einen MOS-Kondensator, eine eingebettete Fotodiodenstruktur oder eine parasitische pn-Übergangskapazität aufweisen.
Die Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 12, worin zumindest die Ladungssammeleinheit (26), die ersten bis dritten Schaltelemente (SW1 bis SW3), der erste Kondensator (Ca1) und der zweite Kondensator (Ca2) in einem lichtabgeschirmten Bereich (Z) ausgebildet sind.
Lichtempfangssystem, umfassend: eine Lichtabgabevorrichtung (202), die gepulstes Licht (Lp) in Bezug auf ein Objekt (W) abstrahlt; eine Lichtempfangsvorrichtung (100B), die reflektiertes Licht (Lr) des gepulsten Lichts (Lp) empfängt und in Antwort auf eine empfangene Lichtmenge eine Ausgabe ausführt; und einen Controller (204), der die Lichtabgabevorrichtung (202) und die Lichtempfangsvorrichtung (100b) steuert/regelt, worin die Lichtempfangsvorrichtung (100B) umfasst: ein fotoelektrisches Wandlerelement (10), das das reflektierte Licht (Lr) erfasst und in Fotoelektronen umwandelt; eine Ladungssammeleinheit (26) zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlungselement (10) erzeugten Fotoelektronen; ein Paar von Kondensatoren (Ca1, Ca2), die die Fotoelektronen mit einer festen Zeitdauer speichern; eine Ladungs-Entladeeinheit (108), die die Fotoelektronen entlädt; ein Paar von MOS-Typ-Schaltelementen (SW1, SW2), die zwischen der Ladungssammeleinheit (26) und dem Paar von Kondensatoren (Ca1, Ca2) angeordnet sind, um die in der Ladungssammeleinheit (26) gesammelten Fotoelektronen synchron mit dem Betrieb der Lichtabgabevorrichtung (202) selektiv dem Paar von Kondensatoren (Ca1, Ca2) zuzuweisen; und ein drittes MOS-Typ-Schaltelement (SW3) zum Steuern des Entladens der Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit (26) zu der Ladungs-Entladeeinheit (108) synchron mit dem Betrieb der Lichtabgabevorrichtung (202), worin das fotoelektrische Wandlerelement (10) unfasst: eine MOS-Diode (18), die eine Elektrode (16) aufweist, die auf einem Halbleitergrundkörper (12) mit einem Isolator (14) dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), die in dem Halbleitergrundkörper (12) ausgebildet sind, worin die Elektrode (16) der MOS-Diode (18), bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) von einem Elektrodenabschnitt (20) abzweigen, die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen einer Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der Elektrode (16) eingebettet sind, und der Controller (204): ein erstes Schaltelement (SW1) unter dem Paar von Schaltelementen (SW1, SW2) einschaltet und die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement (10) zu einem ersten Kondensator (Ca1) unter dem Paar von Kondensatoren (Ca1, Ca2) in einer ersten Dauer (WD1) überführt, die innerhalb einer Dauer liegt, in der das gepulste Licht (Lp) von der Lichtabgabevorrichtung (202) nicht abgestrahlt wird, ein zweites Schaltelement (SW2) unter dem Paar von Schaltelementen (SW1, SW2) einschaltet und die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement (10) zu einem zweiten Kondensator (Ca2) unter dem Paar von Kondensatoren (Ca1, Ca2) in einer zweiten Dauer (WD2) überführt, die innerhalb einer Dauer liegt, in der das gepulste Licht (Lp) von der Lichtabgabevorrichtung (202) abgestrahlt wird, das dritte Schaltelement (SW3) einschaltet und die Ladungs-Entladeeinheit (108) ansteuert, um die Fotoelektronen von dem fotoelektrischen Wandlerelement (10) innerhalb einer Dauer (WD3) außerhalb der ersten Dauer (WD1) und der zweiten Dauer (WD2) zu entladen, und Luminanzinformation des reflektierten Lichts (Lr) basierend auf einer zum ersten Kondensator (Ca1) überführten Menge (Ladungsmenge) der Fotoelektronen und einer zum zweiten Kondensator (Ca2) überführten Menge (Ladungsmenge) der Fotoelektronen erfasst.
Das Lichtempfangssystem nach Anspruch 16, das ferner eine Stromquelle (208B) und einen ersten MOS-Typ Rücksetzschalter (SR1) und einen zweiten MOS-Typ Rücksetzschalter (SR2), um die Potentiale des ersten Kondensators (Ca1) und des zweiten Kondensators (Ca2) auf Anfangspotentiale zu setzen, aufweist.
Das Lichtempfangssystem nach Anspruch 16, das ferner einen ersten Verstärker (Ap1) und einen zweiten Verstärker (Ap2) aufweist zum jeweiligen Umwandeln in elektrische Signale eines Pegels, der Potentialen entspricht, basierend auf der Menge von in dem ersten Kondensator (Ca1) und dem zweiten Kondensator (Ca2) gespeicherten Fotoelektronen.
Das Lichtempfangssystem nach Anspruch 16, ferner umfassend: eine erste Ladungshalteeinheit (Cb1) und eine zweite Ladungshalteeinheit (Cb2), die durch einen MOS-Kondensator oder eine eingebettete parasitische fotodiodenstrukturierte Kapazität aufgebaut sind, um die von dem ersten Schaltelement (SW1) und dem zweiten Schaltelement (SW2) überführten Fotoelektronen vorübergehend zu speichern; und eine erste Ladungstransfereinheit (ST1) und eine zweite Ladungstransfereinheit (ST2), die durch MOS-Typ-Schaltelemente aufgebaut sind, um die Fotoelektronen, die jeweils in der ersten Ladungshalteeinheit (Cb1) und der zweiten Ladungshalteeinheite (Cb2) vorübergehend gespeichert sind, zu dem ersten Kondensator (Ca1) und dem zweiten Kondensator (Ca2) zu übertragen.
Lichtempfangssystem, umfassend: eine Lichtabgabevorrichtung, die gepulstes Licht in Bezug auf ein Objekt abstrahlt; eine Lichtempfangsvorrichtung (100C), die reflektiertes Licht (Lr) des gepulsten Lichts (Lp) empfängt und in Antwort auf eine empfangene Lichtmenge eine Ausgabe ausführt; und einen Controller (204), der die Lichtabgabevorrichtung (202) und die Lichtempfangsvorrichtung (100C) steuert/regelt, worin die Lichtempfangsvorrichtung (100C) umfasst: ein fotoelektrisches Wandlerelement (10), das das reflektierte Licht (Lr) erfasst und in Fotoelektronen umwandelt; eine Ladungssammeleinheit (26) zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlerelement (10) erzeugten Fotoelektronen; erste bis vierte Kondensatoren (Ca1 bis Ca4), die die Fotoelektronen mit einer festen Dauer speichern; eine Ladungs-Entladeeinheit (108), die die Fotoelektronen entlädt; erste bis vierte MOS-Typ-Schaltelemente (SW1 bis SW4), die zwischen der Ladungssammeleinheit (26) und den ersten bis vierten Kondensatoren (Ca1 bis Ca4) angeordnet sind, um die Fotoelektronen den ersten bis vierten Kondensatoren (Ca1 bis Ca4) synchron mit der Abstrahlung des gepulsten Lichts (Lp) zuzuweisen; und ein fünftes MOS-Typ-Schaltelement (SW5), das zwischen der Ladungssammeleinheit (26) und der Ladungs-Entladeeinheit (108) angeordnet ist, zum Steuern der Zufuhr der Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit (26) zu der Ladungs-Entladeeinheit (108), worin das fotoelektrische Wandlerelement (10) umfasst: eine MOS-Diode (18), die eine Elektrode (16) aufweist, die auf einem Halbleitergrundkörper (12) mit einem Isolator (14) dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), die in dem Halbleitergrundkörper (12) ausgebildet sind, worin die Elektrode (16) der MOS-Diode (18), bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) von einem Elektrodenabschnitt (20) abzweigen, wobei die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der Elektrode (16) eingebettet sind, und der Controller (204): Strahlung des gepulsten Lichts (Lp) durch die Lichtabgabevorrichtung (202) steuert/regelt und die ersten bis vierten Schaltelemente (SW1 bis (SW4) ein-/ausschaltet, das fünfte Schaltelement (SW5) einschaltet und die Fotoelektronen zu der Ladungs-Entladeeinheit (108) dann entlädt, wenn alle der ersten bis vierten Schaltelemente (SW1 bis SW4) ausgeschaltet sind, und Luminanzinformation des reflektierten Lichts (Lr) basierend auf einer zu den ersten bis vierten Schaltelementen (SW1 bis Sw4) überführten Menge (Ladungsmenge) der Fotoelektronen erfasst.
Das Lichtempfangssystem nach Anspruch 20, das ferner eine Stromquelle (208B) und erste bis vierte MOS-Typ-Rücksetzschalter (SR1 bis SR4) aufweist, um Potentiale der ersten bis vierten Kondensatoren (Ca1 bis Ca 4) auf Anfangspotentiale zu setzen.
Das Lichtempfangssystem nach Anspruch 20, das ferner erste bis vierte Verstärker (Ap1 bis Ap4) aufweist, zum jeweiligen Umwandeln in elektrische Signale von Pegeln, die Potentialen entsprechen, basierend auf der Menge der in den ersten bis vierten Kondensatoren (Ca1 bis Ca4) gespeicherten Fotoelektronen.
Das Lichtempfangssystem nach Anspruch 20, ferner umfassend: erste bis vierte Ladungshalteeinheiten (Cb1 bis Cb4), die durch einen MOS-Kondensator oder eine eingebettete parasitische fotodiodenstrukturierte Kapazität aufgebaut sind, um die durch die ersten bis vierten Schaltelemente (SW1 bis SW4) übertragenen Fotoelektronen vorübergehend zu speichern, und erste bis vierte Ladungstransfereinheiten (ST1 bis ST4), die durch MOS-Typ-Schaltelemente aufgebaut sind, um die Fotoelektronen, die jeweils in den ersten bis vierten Ladungshalteeinheiten (Cb1 bis Cb4) vorübergehend gespeichert sind, jeweils zu den ersten bis vierten Kondensatoren (Ca1 bis Ca4) zu übertragen.
Das Lichtempfangssystem nach Anspruch 16, worin ein Strukturelement der Lichtempfangsvorrichtung (100C) durch ein Strukturelement eines Pixelabschnitts eines Liniensensorarrays oder eines zweidimensionalen Bildsensorarrays, in dem eine Mehrzahl von Pixel vorgesehen sind, aufgebaut ist.
Abstandsmessvorrichtung, umfassend: eine Lichtabgabevorrichtung (202), die gepulstes Licht (Lp) in Bezug auf ein Objekt (W) abstrahlt; eine Lichtempfangsvorrichtung (100C), die reflektiertes Licht (Lr) des gepulsten Lichts (Lp) empfängt und in Antwort auf eine empfangene Lichtmenge eine Ausgabe ausführt; einen Controller (204), der die Lichtabgabevorrichtung (202) und die Lichtempfangsvorrichtung (110C) steuert/regelt; und einen Arithmetik-Prozessor (206) zum Berechnen eines Abstands zu dem Objekt (W) durch eine Flugzeitmethode unter Verwendung der Ausgabe der Lichtempfangsvorrichtung (100C), worin die Lichtempfangsvorrichtung (100C) umfasst: ein fotoelektrisches Wandlerelement (10), das das reflektierte Licht (Lr) erfasst und in Fotoelektronen umwandelt; eine Ladungssammeleinheit (26) zum Sammeln von vom fotoelektrischen Wandlerelement (10) erzeugten Fotoelektronen; erste bis vierte Kondensatoren (Ca1 bis Ca4), die die Fotoelektronen mit einer festen Dauer speichern; eine Ladungs-Entladeeinheit (108), die die Fotoelektronen entlädt; erste bis vierte MOS-Typ-Schaltelemente (SW1 bis SW4), die zwischen der Ladungssammeleinheit (26) und den ersten bis vierten Kondensatoren (Ca1 bis Ca4) angeordnet sind, um die Fotoelektronen den ersten bis vierten Kondensatoren (Ca1 bis Ca4) synchron mit der Abstrahlung des gepulsten Lichts (Lp) zuzuweisen; und ein fünftes MOS-Typ-Schaltelement (SW5), das zwischen der Ladungssammeleinheit (26) und der Ladungs-Entladeeinheit (108) angeordnet ist, zum Steuern der Zufuhr der Fotoelektronen von der Ladungssammeleinheit (26) zu der Ladungs-Entladeeinheit (108), worin das fotoelektrische Wandlerelement (10) umfasst: eine MOS-Diode (18), die eine Elektrode (16) aufweist, die auf einem Halbleitergrundkörper (12) mit einem Isolator (14) dazwischen ausgebildet ist; und eine Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), die in dem Halbleitergrundkörper (12) ausgebildet sind, worin die Elektrode (16) der MOS-Diode (18), bei Betrachtung von deren Oberseite, eine kammartige Gestalt hat, worin eine Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) von einem Elektrodenabschnitt (20) abzweigen, wobei die Mehrzahl von eingebetteten Fotodioden (BPD), bei Betrachtung von deren Oberseite, jeweils zwischen der Mehrzahl von Zweigabschnitten (22) der Elektrode (16) eingebettet sind, und worin angenommen wird, dass: eine Bestrahlungsstartzeit des gepulsten Lichts (Lp) als Zeit Teu genommen wird, eine Bestrahlungsendzeit des gepulsten Lichts (Lp) als Zeit Ted genommen wird, eine Einfallsendzeit des reflektierten Lichts (Lr) in Bezug auf das fotoelektrische Wandlerelement (10) als Zeit Trd genommen wird, Ein-Schaltzeiten der ersten bis vierten Schaltelemente (SW 1 bis SW4) als Zeiten Tg1u, Tg2u, Tg3u, Tg4u genommen werden, Aus-Schaltzeiten der ersten bis vierten Schaltelemente (SW 1 bis SW4) als Zeiten Tg1d, Tg2d, Tg3d, Tg4d genommen werden, eine Zeitperiode von der Zeit Tg1u zur Zeit Tg1d als P1 genommen wird, eine Zeitperiode von der Zeit Tg2u zur Zeit Tg2d als P2 genommen wird, eine Zeitperiode von der Zeit Tg3u zur Zeit Tg3d als P3 genommen wird, eine Zeitperiode von der Zeit Tg4u zur Zeit Tg4d als P4 genommen wird, eine Zeitperiode von der Zeit Tg4u zur Zeit Trd als Psr genommen wird, eine Menge der Fotoelektronen, die innerhalb der Zeitperiode P1 in dem ersten Kondensator (Ca1) gespeichert wird, als Ladungsmenge Q1 genommen wird, eine Menge der Fotoelektronen, die innerhalb der Zeitperiode P2 in dem zweiten Kondensator (Ca2) gespeichert wird, als Ladungsmenge Q2 genommen wird, eine Menge der Fotoelektronen, die innerhalb der Zeitperiode P3 in dem dritten Kondensator (Ca3) gespeichert wird, als Ladungsmenge Q3 genommen wird, eine Menge der Fotoelektronen, die innerhalb der Zeitperiode P4 in dem vierten Kondensator (Ca4) gespeichert wird, als Ladungsmenge Q4 genommen wird, eine Zeitdauer von der Bestrahlung des gepulsten Lichts (Lp) zur Reflektion des gepulsten Lichts durch das Objekt (W) und bis das reflektierte Licht (Lr) zurückkehrt, als Umlaufzeitdauer ΔP genommen wird, und der Abstand zwischen dem Objekt (W) und der Lichtabgabevorrichtung (202) und der Lichtempfangsvorrichtung (100C) als Abstand D genommen wird, dann der Controller (204): die Strahlung des gepulsten Lichts (Lp) von der Lichtabgabevorrichtung (202) steuert/regelt und die ersten bis vierten Schaltelemente (Sw1 bis SW4) ein-/ausschaltet, derart, dass: (1) P1 = P3 (2) P2 = P4, und (3) Tg1u < Tg1d ≤ Tg2u < Tg2d ≤ Teu < Tg3u < Tg3d ≤ Tg4u ≤ Ted < Tg4d, oder Teu < Tg3u < Tg3d ≤ Tg4u ≤ Ted < Tg4d < Tg1u < Tg1d ≤ Tg2u < Tg2d, und das fünfte Schaltelement (SW5) einschaltet und die Fotoelektronen zu der Ladungs-Entladeeinheit dann entlädt, wenn alle der ersten bis vierten Schaltelemente (SW1 bis SW4) ausgeschaltet sind, und der Arithmetik-Prozessor (206): Luminanzinformation des reflektierten Lichts (Lr) in der Zeitperiode P3 basierend auf einer Differenz zwischen der Ladungsmenge Q3, die in dem dritten Kondensator (Ca3) gespeichert ist und die Umgebungslicht (Ls) dem reflektierten Licht (Lr) entspricht, und der Ladungsmenge Q1, die in dem ersten Kondensator (Ca1) gespeichert ist und die dem Umgebungslicht (Ls) entspricht, erfasst, Luminanzinformation des reflektierten Lichts (Lr) in der Zeitdauer Psr basierend auf einer Differenz zwischen der Ladungsmenge Q4, die in dem vierten Kondensator (Ca4) gespeichert ist und die dem Umgebungslicht (Ls) und dem reflektierten Licht (Lr) entspricht, und der Ladungsmenge Q2, die in dem zweiten Kondensator (Ca2) gespeichert ist und die dem Umgebungslicht (Ls) entspricht, erfasst, ein Verhältnis zwischen der Luminanzinformation des reflektierten Lichts (Lr) in der Zeitperiode P3 und der Luminanzinformation des reflektierten Lichts (Lr) der Zeitdauer Psr bestimmt und die Umlaufzeitdauer ΔP basierend auf dem Verhältnis zwischen der Zeitperiode P3 und der Zeitdauer Psr berechnet und den Abstand D basierend auf der Umlaufzeitdauer ΔP misst.
Die Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 25, worin die Umlaufzeitdauer ΔP basierend auf der folgenden Gleichung (1) berechnet wird, wenn die Zeit Ted und die Zeit Tg4u gleich sind, $Δ P = {(Q 4 - Q 2) / (Q 3 - Q 1)} \times P 3$
und die Umlaufzeitdauer ΔP basierend auf der folgenden Gleichung (2) berechnet wird, wenn die Zeit Ted später als die Zeit Tg4u ist, $Δ P = [(Q 4 - Q 2) / (Q 3 - Q 1)] \times P 3 - (Ted - Tg4u)$
Die Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 25, worin: der Controller (204) das gepulste Licht (Lp) mehrere Male zu der Lichtabgabevorrichtung (202) in jedem von jeweiligen Messzyklen strahlt, und der Arithmetik-Prozessor (206) die Umlaufzeitdauer ΔP unter Verwendung der Ladungsmengen Q1 bis Q4 berechnet, nachdem die Fotoelektronen mehrere Male jeweils in den ersten bis vierten Kondensatoren (Ca1 bis Ca4) gespeichert worden sind.