DE112021004788T5

DE112021004788T5 - Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung und Entfernungsbild-Erfassungsverfahren

Info

Publication number: DE112021004788T5
Application number: DE112021004788.4T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhito Mase; Jun Hiramitsu; Akihiro Shimada
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2023-08-31
Also published as: WO2022054341A1; JP2022045510A; US20230236296A1; CN116097126A; JP6953595B1; KR20230063358A

Abstract

Eine Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung enthält einen Entfernungsmesssensor, der ein Messlicht detektiert, indem Ladungen, die in einem Ladungserzeugungsbereich als Reaktion auf das Einfallen eines von einer Lichtquelle emittierten und von einem Zielobjekt reflektierten Messlichts erzeugt werden, unter Verwendung einer Transfer-Gate-Elektrode in einen Ladungsakkumulationsbereich transferiert werden. Der Ladungserzeugungsbereich enthält einen Lawinenmultiplikationsbereich, der eine Lawinenmultiplikation veranlasst. Die Steuereinheit unterteilt einen gesamten Entfernungsbereich eines Messziels in die Vielzahl von Abschnitten, steuert den Entfernungsmesssensor so, dass er Messungen über eine Vielzahl von Abschnitten durchführt, während er eine Zeitdifferenz zwischen einem Emissionszeitpunkt des Messlichts durch die Lichtquelle und einem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die Transfer-Gate-Elektrode unter der Vielzahl von Abschnitten variiert, und erzeugt ein Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs auf Grundlage der Ergebnisse der Messungen über die Vielzahl von Abschnitten.

Description

Technisches Gebiet
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung und ein Entfernungsbild-Erfassungsverfahren.
Hintergrund
Als Entfernungsmesssensor zum Erfassen eines Entfernungsbildes eines Zielobjekts unter Verwendung eines indirekten TOF (Time of Flight, dt.: Laufzeit)-Verfahrens ist ein Entfernungsmesssensor bekannt, der eine Halbleiterschicht enthält, die mit einem lichtempfindlichen Bereich und einer Photo-Gate-Elektrode und einer Transfer-Gate-Elektrode versehen ist, die auf der Halbleiterschicht für jeden Pixel vorgesehen sind (siehe zum Beispiel die Patentliteratur 1 und 2). Gemäß einem solchen Entfernungsmesssensor können Ladungen, die in dem lichtempfindlichen Bereich durch einfallendes Licht erzeugt werden, mit hoher Geschwindigkeit transferiert werden.
ZITIERLISTE
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2011-133464
Patentliteratur 2: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2013-206903

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei dem oben beschriebenen Entfernungsmesssensor nimmt die Menge des vom Zielobjekt reflektierten und zum Entfernungsmesssensor zurückkehrenden Lichts mit zunehmender Entfernung zum Zielobjekt ab. Es gibt also eine Grenze für die Erweiterung der Messentfernung. Darüber hinaus muss die Pulsbreite des Messlichts zwar vergrößert werden, um die Entfernung zu vergrößern, aber die Vergrößerung der Pulsbreite verschlechtert die Entfernungsgenauigkeit. Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung und ein Entfernungsbild-Erfassungsverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Messentfernung zu erweitern und eine Entfernungsgenauigkeit zu gewährleisten.
Lösung des Problems
Eine Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Lichtquelle, die ein Messlicht emittiert; einen Entfernungsmesssensor, der einen Ladungserzeugungsbereich, einen Ladungsakkumulationsbereich und eine Transfer-Gate-Elektrode enthält, die in einem Bereich zwischen dem Ladungserzeugungsbereich und dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnet ist, und der das Messlicht detektiert, indem er Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsbereich als Reaktion auf den Einfall des von der Lichtquelle emittierten und von einem Zielobjekt reflektierten Messlichts erzeugt werden, unter Verwendung der Transfer-Gate-Elektrode zu dem Ladungsakkumulationsbereich transferiert; und eine Steuereinheit, die den Entfernungsmesssensor steuert und ein Entfernungsbild des Zielobjekts auf Grundlage eines Detektionsergebnisses des Entfernungsmesssensors erzeugt, wobei der Ladungserzeugungsbereich einen Lawinenmultiplikationsbereich enthält, der eine Lawinenmultiplikation veranlasst, wobei die Steuereinheit einen gesamten Entfernungsbereich eines Messziels in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt, den Entfernungsmesssensor so steuert, dass er Messungen über die Vielzahl von Abschnitten durchführt, während er eine Zeitdifferenz zwischen einem Emissionszeitpunkt des Messlichts durch die Lichtquelle und einem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die Transfer-Gate-Elektrode zwischen der Vielzahl von Abschnitten variiert, und das Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs auf Grundlage der Ergebnisse der Messungen über die Vielzahl von Abschnitten erzeugt.
In dieser Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung enthält der Ladungserzeugungsbereich einen Lawinenmultiplikationsbereich, der eine Lawinenmultiplikation veranlasst. Dementsprechend kann die Empfindlichkeit des Entfernungsmesssensors erhöht und damit die Messentfernung erweitert werden. Andererseits muss, wie oben beschrieben, die Pulsbreite des Messlichts in der Regel verbreitert werden, um die Messentfernung zu erweitern, und eine Verbreiterung der Pulsbreite verschlechtert die Entfernungsgenauigkeit. In dieser Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung wird der gesamte Entfernungsbereich des Messziels in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt, die Messungen über die Vielzahl von Abschnitten werden durchgeführt, während die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt des Messlichts durch die Lichtquelle und dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die Transfer-Gate-Elektrode zwischen der Vielzahl von Abschnitten variiert wird, und ein Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs wird auf der Grundlage der Ergebnisse der Messungen über die Vielzahl von Abschnitten erzeugt. Dementsprechend kann selbst bei einer großen Messentfernung die Verbreiterung der Pulsbreite des Messlichts unterdrückt werden und die Entfernungsgenauigkeit kann gewährleistet werden. Durch einfaches Unterteilen in eine Vielzahl von Abschnitten kann sich die Ladungsakkumulationszeit (Belichtungszeit) verringern und die Ladungsakkumulationsmenge kann unzureichend sein, aber in der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung kann der Mangel an Ladungsakkumulationsmenge unterdrückt werden, da der Ladungserzeugungsbereich den Lawinenmultiplikationsbereich enthält. Aus diesem Grund ist es kaum notwendig, die Ladungsakkumulationszeit zu erhöhen, um den Mangel an Ladungsakkumulationsmenge auszugleichen. Indem die Unterteilung in eine Vielzahl von Abschnitten durchgeführt wird, kann außerdem die Verschlechterung der Messgenauigkeit unterdrückt werden, die durch das Vorhandensein eines transparenten Objekts, eines halbtransparenten Objekts o.ä. zwischen dem Entfernungsmesssensor und dem Zielobjekt veranlasst wird (Multi-Echo). Wie oben beschrieben, kann gemäß dieser Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung eine Messentfernung erweitert und eine Entfernungsgenauigkeit gewährleistet werden.
Die Vielzahl von Abschnitten enthält einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, der weiter von der Lichtquelle entfernt ist als der erste Abschnitt, und die Steuereinheit steuert den Sensor zur Entfernungsmessung so, dass die im Ladungsakkumulationsbereich akkumulierten Ladungen bei der Messung über den ersten Abschnitt mit einer höheren Auslesefrequenz gelesen werden als bei der Messung über den zweiten Abschnitt. In diesem Fall kann die Sättigung des Ladungserzeugungsbereichs während der Messung über den ersten Abschnitt, der näher an der Lichtquelle liegt als der zweite Abschnitt, unterdrückt werden. Die Unterdrückung einer solchen Sättigung ist besonders effektiv, wenn der Ladungserzeugungsbereich den Lawinenmultiplikationsbereich enthält.
Die Vielzahl von Abschnitten enthält einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, der weiter von der Lichtquelle entfernt ist als der erste Abschnitt, und die Steuereinheit kann den Sensor zur Entfernungsmessung so steuern, dass die Ladungen bei der Messung über den ersten Abschnitt mit einer niedrigeren Transferfrequenz in den Ladungsakkumulationsbereich transferiert werden als bei der Messung über den zweiten Abschnitt. In diesem Fall kann die Sättigung des Ladungserzeugungsbereichs während der Messung über den ersten Abschnitt, der näher an der Lichtquelle liegt als der zweite Abschnitt, unterdrückt werden.
Der Ladungsakkumulationsbereich kann ein Paar Ladungsakkumulationsbereiche enthalten, und die Transfer-Gate-Elektrode kann ein Paar Transfer-Gate-Elektroden enthalten, die jeweils in den Bereichen zwischen dem Ladungserzeugungsbereich und dem Paar Ladungsakkumulationsbereiche angeordnet sind. In einer solchen Konfiguration können die Messungen über die Vielzahl von Abschnitten durch Unterteilen des gesamten Entfernungsbereichs des Messziels in die Vielzahl von Abschnitten durchgeführt werden, wobei die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt des Messlichts durch die Lichtquelle und dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die Transfer-Gate-Elektrode zwischen der Vielzahl von Abschnitten variiert wird.
Der Entfernungsmesssensor kann nur einen Ladungsakkumulationsbereich enthalten und kann nur eine Elektrode als Transfer-Gate-Elektrode enthalten. In einer solchen Konfiguration können die Messungen über die Vielzahl von Abschnitten durch Unterteilen des gesamten Entfernungsbereichs des Messziels in die Vielzahl von Abschnitten durchgeführt werden, wobei die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt des Messlichts durch die Lichtquelle und dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die Transfer-Gate-Elektrode zwischen der Vielzahl von Abschnitten variiert wird.
Die Steuereinheit kann die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt zwischen der Vielzahl der Abschnitte variieren, indem sie den Emissionszeitpunkt festlegt und den Transferzeitpunkt gegenüber dem Emissionszeitpunkt verschiebt. In diesem Fall ist es zulässig, die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt in der Vielzahl der Abschnitte zu variieren.
Die Steuereinheit kann die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt in der Vielzahl der Abschnitte variieren, indem sie den Transferzeitpunkt festlegt und den Emissionszeitpunkt gegenüber dem Transferzeitpunkt verschiebt. In diesem Fall kann die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt zwischen der Vielzahl der Abschnitte zulässig variiert werden.
Die Ladungsakkumulationszeiten bei den Messungen über die Vielzahl der Abschnitte können gleich sein. Zum Beispiel kann in diesem Fall das Entfernungsbild mit einer höheren Geschwindigkeit erfasst werden als in dem Fall, in dem die Ladungsakkumulationszeit in der Messung über den Abschnitt, der weit von der Lichtquelle entfernt ist und in dem die Ladungsakkumulationsmenge wahrscheinlich unzureichend ist, erhöht wird.
Ein Entfernungsbild-Erfassungsverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Entfernungsbild-Erfassungsverfahren zum Erfassen eines Entfernungsbildes eines Zielobjekts unter Verwendung einer Lichtquelle, die ein Messlicht emittiert; und eines Entfernungsmesssensors, der einen Ladungserzeugungsbereich, einen Ladungsakkumulationsbereich und eine Transfer-Gate-Elektrode enthält, die in einem Bereich zwischen dem Ladungserzeugungsbereich und dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnet ist, und der das Messlicht detektiert, indem er Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsbereich als Reaktion auf den Einfall des von der Lichtquelle emittierten und von einem Zielobjekt reflektierten Messlichts erzeugt werden, unter Verwendung der Transfer-Gate-Elektrode zu dem Ladungsakkumulationsbereich transferiert, wobei der Ladungserzeugungsbereich einen Lawinenmultiplikationsbereich enthält, der eine Lawinenmultiplikation bewirkt, das Entfernungsbild-Erfassungsverfahren umfasst: das Unterteilen eines gesamten Entfernungsbereichs eines Messziels in eine Vielzahl von Abschnitten; Durchführen von Messungen über die Vielzahl von Abschnitten, während die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt des Messlichts durch die Lichtquelle und dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die Transfer-Gate-Elektrode zwischen der Vielzahl von Abschnitten variiert wird; und Erzeugen des Entfernungsbildes des gesamten Entfernungsbereichs auf Grundlage der Ergebnisse der Messungen über die Vielzahl von Abschnitten.
In diesem Entfernungsbild-Erfassungsverfahren kann aus den oben beschriebenen Gründen eine Messentfernung erweitert und eine Entfernungsgenauigkeit gewährleistet werden.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung und ein Entfernungsbild-Erfassungsverfahren bereitzustellen, die eine Messentfernung erweitern und eine Entfernungsgenauigkeit gewährleisten können.
Figurenliste

1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine Draufsicht auf einen Pixelbereich eines Entfernungsmesssensors.
3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2.
4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 2.
5 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Entfernungsbild-Erfassungsverfahrens der vorliegenden Ausführungsform.
6 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung des Entfernungsbild-Erfassungsverfahrens der vorliegenden Ausführungsform.
7 ist eine Draufsicht auf einen Pixelbereich eines Entfernungsmesssensors des geänderten Beispiels 1.
8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie VIII-VIII in 7.
9 ist ein Zeitdiagramm, das ein Entfernungsbild-Erfassungsverfahren des geänderten Beispiels 1 beschreibt.
10 ist ein Zeitdiagramm, das ein Entfernungsbild-Erfassungsverfahren des geänderten Beispiels 2 beschreibt.
11 ist ein Zeitdiagramm, das ein Entfernungsbild-Erfassungsverfahren des geänderten Beispiels 3 beschreibt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass in jeder Figur die gleichen oder korrespondierende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, und redundante Beschreibungen entfallen.
[Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung]
Wie in 1 dargestellt, umfasst eine Entfernungsbild-Erfassungseinheit 1 eine Lichtquelle 2, einen Entfernungsmesssensor 10, eine Signalverarbeitungseinheit 3, eine Steuereinheit 4 und eine Anzeigevorrichtung 5. Die Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die ein Entfernungsbild eines Zielobjekts OJ mit Hilfe eines indirekten TOF-Verfahrens erfasst. Das Entfernungsbild ist ein Bild, das Informationen über eine Entfernung d zu dem Zielobjekt OJ enthält.
Die Lichtquelle 2 strahlt ein gepulstes Licht (Messlicht) L aus. Die Lichtquelle 2 enthält zum Beispiel Infrarot-LEDs und dergleichen. Das gepulste Licht L ist zum Beispiel ein Nahinfrarot-Licht, und die Frequenz des gepulsten Lichtes L beträgt zum Beispiel 10 kHz oder mehr. Der Entfernungsmesssensor 10 detektiert das von der Lichtquelle 2 emittierte und vom Zielobjekt OJ reflektierte gepulste Licht L. Der Entfernungsmesssensor 10 ist durch monolithische Bildung einer Pixel-Einheit 11 und einer CMOS-Leseschaltung 12 auf einem Halbleitersubstrat (zum Beispiel einem Siliziumsubstrat) konfiguriert. Der Entfernungsmesssensor 10 ist an der Signalverarbeitungseinheit 3 befestigt.
Die Signalverarbeitungseinheit 3 steuert die Pixel-Einheit 11 und die CMOS-Leseschaltungseinheit 12 des Entfernungsmesssensors 10. Die Signalverarbeitungseinheit 3 führt eine vorbestimmte Verarbeitung eines von dem Entfernungsmesssensor 10 ausgegebenen Signals durch, um ein Erkennungssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit 4 steuert die Lichtquelle 2 und die Signalverarbeitungseinheit 3. Die Steuereinheit 4 erzeugt das Entfernungsbild des Zielobjekts OJ auf Grundlage des von der Signalverarbeitungseinheit 3 ausgegebenen Erkennungssignals. Die Anzeigeeinheit 5 zeigt das von der Steuereinheit 4 erzeugte Entfernungsbild des Zielobjekts OJ an.
[Entfernungsmesssensor]
Wie in 2, 3 und 4 illustriert, enthält der Entfernungsmesssensor 10 eine Halbleiterschicht 20 und eine Elektrodenschicht 40 in der Pixel-Einheit 11. Die Halbleiterschicht 20 hat eine erste Oberfläche 20a und eine zweite Oberfläche 20b. Die erste Oberfläche 20a ist eine Oberfläche auf einer Seite der Halbleiterschicht 20 in Richtung der Dicke. Die zweite Oberfläche 20b ist eine Oberfläche auf der anderen Seite in Dickenrichtung der Halbleiterschicht 20. Die Elektrodenschicht 40 ist auf der ersten Oberfläche 20a bereitgestellt.
Die Halbleiterschicht 20 und die Elektrodenschicht 40 bilden eine Vielzahl von Pixeln 11a, die entlang der ersten Oberfläche 20a angeordnet sind. Die Vielzahl der Pixel 11a ist zum Beispiel zweidimensional entlang der ersten Oberfläche 20a angeordnet. Diese Pixel 11a bilden das Entfernungsbild. In dem Entfernungsbild enthält jedes Pixel 11a Informationen über die Entfernung d zum Zielobjekt OJ. Im Folgenden wird die Richtung der Dicke der Halbleiterschicht 20 als Z-Richtung bezeichnet, eine Richtung senkrecht zur Z-Richtung als X-Richtung und die Richtung senkrecht sowohl zur Z-Richtung als auch zur X-Richtung als Y-Richtung. Eine Seite in der Z-Richtung wird als erste Seite bezeichnet und die andere Seite in der Z-Richtung (die der ersten Seite gegenüberliegende Seite) wird als zweite Seite bezeichnet. In 2 wird eine Illustration einer Verdrahtungsschicht 60, die später beschrieben wird, weggelassen.
Jedes Pixel 11a enthält in der Halbleiterschicht 20 einen Halbleiterbereich 21, einen Lawinenmultiplikationsbereich 22, einen Ladungsverteilungsbereich 23, ein Paar Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25, ein Paar Ladungsentladungsbereiche 26 und 27, eine Vielzahl von Ladungssperrbereichen 28, einen Brunnenbereich 31, einen LOCOS-Bereich (Local Oxidation of Silicon, dt.: lokale Oxidation von Silizium) 33, einen Sperrbereich 34 und ein Paar Senkenbereiche 35. Jeder der Bereiche 21 bis 28 und 31 bis 35 wird gebildet, indem auf dem Halbleitersubstrat (zum Beispiel einem Siliziumsubstrat) verschiedene Prozesse (zum Beispiel Ätzen, Filmbildung, Implantation von Verunreinigungen und dergleichen) durchgeführt werden.
Der Halbleiterbereich 21 ist ein Bereich vom p-Typ (erster Leitfähigkeitstyp) und wird entlang der zweiten Oberfläche 20b in der Halbleiterschicht 20 bereitgestellt. Zum Beispiel ist der Halbleiterbereich 21 ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁵ cm^-3 oder weniger und einer Dicke von etwa 10 um.
Der Lawinenmultiplikationsbereich 22 enthält einen ersten Multiplikationsbereich 22a und einen zweiten Multiplikationsbereich 22b. Der erste Multiplikationsbereich 22a ist ein p-Typ-Bereich und wird auf der ersten Seite des Halbleiterbereichs 21 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Zum Beispiel ist der erste Multiplikationsbereich 22a ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁶ cm^-3 oder mehr und einer Dicke von etwa 1 µm. Der zweite Multiplikationsbereich 22b ist ein n-Typ-Bereich (zweiter Leitfähigkeitstyp) und wird auf der ersten Seite des ersten Multiplikationsbereichs 22a in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Zum Beispiel ist der zweite Multiplikationsbereich 22b ein n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁶ cm^-3 oder mehr und einer Dicke von etwa 1 µm. Der erste Multiplikationsbereich 22a und der zweite Multiplikationsbereich 22b bilden einen pn-Übergang.
Der Ladungsverteilungsbereich 23 ist ein Bereich vom Typ n und wird auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsbereichs 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Zum Beispiel ist der Ladungsverteilungsbereich 23 ein n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5×10¹⁵ bis 1×10¹⁶ cm^-3 und einer Dicke von etwa 1 µm. Jeder der Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 ist ein n-Typ Bereich und wird auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsbereichs 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Jeder der Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 ist mit dem Ladungsverteilungsbereich 23 verbunden. Die beiden Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 liegen sich in X-Richtung gegenüber, wobei ein Teil der ersten Seite des Ladungsverteilungsbereichs 23 dazwischen liegt. Zum Beispiel ist jeder der Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 ein n-Typ Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁸ cm^-3 oder mehr und einer Dicke von etwa 0,2 um. Ein Teil der zweiten Seite des Ladungsverteilungsbereichs 23 befindet sich zwischen jedem der Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 und dem zweiten Multiplikationsbereich 22b.
Jedes der Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 ist ein n-Typ Bereich und wird auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsbereichs 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Jeder der Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 ist mit dem Ladungsverteilungsbereich 23 verbunden. Die beiden Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 sind einander in Y-Richtung zugewandt, wobei der erste Seitenbereich des Ladungsverteilungsbereichs 23 dazwischen liegt. Zum Beispiel ist jeder der Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 ein n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁸ cm^-3 oder mehr und einer Dicke von etwa 0,2 um. Ein Teil der zweiten Seite im Ladungsverteilungsbereich 23 befindet sich zwischen jedem der Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 und dem zweiten Multiplikationsbereich 22b.
Jeder Ladungsblockierungsbereich 28 ist ein p-Typ-Bereich und wird in der Halbleiterschicht 20 zwischen jedem der Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 und dem Ladungsverteilungsbereich 23 (Teil der zweiten Seite im Ladungsverteilungsbereich 23) gebildet. Zum Beispiel ist jeder Ladungsblockierungsbereich 28 ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁷ bis 1×10¹⁸ cm^-3 und einer Dicke von etwa 0,2 um.
Der Brunnenbereich 31 ist ein p-Typ-Bereich und wird auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsbereichs 22b in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Der Brunnenbereich 31 umgibt den Ladungsverteilungsbereich 23 von der Z-Richtung aus gesehen. Der LOCOS-Bereich 33 wird auf der ersten Seite des Brunnenbereichs 31 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Der LOCOS-Bereich 33 ist mit dem Brunnenbereich 31 verbunden. Der Brunnenbereich 31 bildet zusammen mit dem LOCOS-Bereich 33 eine Vielzahl von Leseschaltungen (zum Beispiel Source-Follower-Verstärker, Reset-Transistor und dergleichen). Die Vielzahl der Leseschaltungen sind elektrisch mit den Ladungsakkumulationsbereichen 24 bzw. 25 verbunden. Zum Beispiel ist der Brunnenbereich 31 ein p-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁶ bis 5×10¹⁷ cm^-3 und einer Dicke von etwa 1 µm. Als Struktur zur elektrischen Trennung der Pixel-Einheit und der Leseschaltung kann anstelle des LOCOS-Bereichs 33 die STI (Shallow Trench Isolation, dt.: Grabenisolation) oder nur der Brunnenbereich 31 verwendet werden.
Der Barrierebereich 34 ist ein n-Typ Bereich und wird zwischen dem zweiten Multiplikationsbereich 22b und dem Brunnenbereich 31 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Der Barrierebereich 34 enthält den Brunnenbereich 31 von der Z-Richtung aus gesehen. Das heißt, der Brunnenbereich 31 befindet sich aus der Z-Richtung gesehen innerhalb des Barrierebereichs 34. Der Barrierebereich 34 umgibt den Ladungsverteilungsbereich 23. Die n-Typ Verunreinigungskonzentration des Barrierebereichs 34 ist höher als die n-Typ Verunreinigungskonzentration des zweiten Multiplikationsbereichs 22b. Zum Beispiel ist der Barrierebereich 34 ein n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration von der Ladungsträgerkonzentration des zweiten Multiplikationsbereichs 22b bis zu etwa dem Doppelten der Ladungsträgerkonzentration des zweiten Multiplikationsbereichs 22b und hat eine Dicke von etwa 1 µm. Jeder Senkenbereich 35 ist ein n-Typ-Bereich und wird auf der ersten Seite des Barrierebereichs 34 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Ein Endabschnitt jedes Senkenbereichs 35 auf der zweiten Seite ist mit dem Barrierebereich 34 verbunden. Ein Endabschnitt jedes Senkenbereichs 35 auf der ersten Seite ist mit jedem der Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 verbunden. Die n-Typ Verunreinigungskonzentration jedes der Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 ist höher als die n-Typ Verunreinigungskonzentration jedes Senkenbereichs 35, und die n-Typ Verunreinigungskonzentration jedes Senkenbereichs 35 ist höher als die n-Typ Verunreinigungskonzentration des Barrierebereichs 34 und die p-Typ Verunreinigungskonzentration des Brunnenbereichs 31. Zum Beispiel ist jeder Senkenbereich 35 ein n-Typ-Bereich mit einer Ladungsträgerkonzentration oder mehr des Brunnenbereichs 31, und seine Dicke hängt von der Entfernung zwischen jedem der Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 und dem Barrierebereich 34 ab.
Jedes Pixel 11a hat eine Photo-Gate-Elektrode 41, ein Paar erster Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 und ein Paar zweiter Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 in der Elektrodenschicht 40. Jede Gate-Elektrode 41 bis 45 ist auf der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 über einen isolierenden Film 46 gebildet. Der isolierende Film 46 ist zum Beispiel ein Siliziumnitrid-Film, ein Siliziumoxid-Film oder dergleichen.
Die Photo-Gate-Elektrode 41 wird auf der ersten Seite des Ladungsverteilungsbereichs 23 in der Elektrodenschicht 40 gebildet. Die Photo-Gate-Elektrode 41 besteht aus einem leitfähigen und optisch transparenten Material (zum Beispiel Polysilizium). Zum Beispiel hat die Photo-Gate-Elektrode 41 eine rechteckige Form mit zwei Seiten, die sich in X-Richtung gegenüberliegen, und zwei Seiten, die sich in Y-Richtung gegenüberliegen, wenn man sie aus der Z-Richtung betrachtet. Neben dem Halbleiterbereich 21, dem Lawinenmultiplikationsbereich 22 und dem Ladungsverteilungsbereich 23 fungiert ein Bereich unmittelbar unterhalb der Photo-Gate-Elektrode 41 (ein Bereich, der die Photo-Gate-Elektrode 41 aus der Z-Richtung gesehen überlappt) als Ladungserzeugungsbereich (ein Lichtabsorptionsbereich, ein photoelektrischer Umwandlungsbereich) 36, der als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungen erzeugt. Mit anderen Worten: Die Photo-Gate-Elektrode 41 ist auf dem Ladungserzeugungsbereich 36 angeordnet. In dem Ladungserzeugungsbereich 36 werden die in dem Halbleiterbereich 21 erzeugten Ladungen in dem Lawinenmultiplikationsbereich 22 multipliziert und in dem Ladungsverteilungsbereich 23 verteilt.
Die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 ist auf einem Bereich zwischen dem Ladungserzeugungsbereich 36 und dem Ladungsakkumulationsbereich 24 im Ladungsverteilungsbereich 23 angeordnet. Die erste Transfer-Gate-Elektrode 43 ist auf einem Bereich zwischen dem Ladungserzeugungsbereich 36 und dem Ladungsakkumulationsbereich 25 in dem Ladungsverteilungsbereich 23 angeordnet. Jede der ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 ist aus einem leitfähigen und optisch transparenten Material (zum Beispiel Polysilizium) hergestellt. Zum Beispiel hat jede der ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 eine rechteckige Form mit zwei Seiten, die sich in X-Richtung gegenüberliegen, und zwei Seiten, die sich in Y-Richtung gegenüberliegen, wenn man sie aus der Z-Richtung betrachtet.
Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 44 ist in einem Bereich zwischen dem Ladungserzeugungsbereich 36 und dem Ladungsentladungsbereich 26 in dem Ladungsverteilungsbereich 23 angeordnet. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 45 ist auf einem Bereich zwischen dem Ladungserzeugungsbereich 36 und dem Ladungsentladungsbereich 27 im Ladungsverteilungsbereich 23 angeordnet. Jede der zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 ist aus einem leitfähigen und optisch transparenten Material (zum Beispiel Polysilizium) hergestellt. Zum Beispiel hat jede der zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 eine rechteckige Form mit zwei Seiten, die sich in X-Richtung gegenüberliegen, und zwei Seiten, die sich in Y-Richtung gegenüberliegen, wenn man sie aus der Z-Richtung betrachtet.
Der Entfernungsmesssensor 10 enthält außerdem eine Stirnflächenelektrode 50 und die Verdrahtungsschicht 60 in der Pixel-Einheit 11. Die Stirnflächenelektrode 50 ist auf der zweiten Oberfläche 20b der Halbleiterschicht 20 bereitgestellt. Die Stirnflächenelektrode 50 enthält die Vielzahl von Pixeln 11a, wenn man sie aus der Z-Richtung betrachtet. Die Stirnflächenelektrode 50 ist der Elektrodenschicht 40 in Z-Richtung zugewandt. Die Stirnflächenelektrode 50 ist zum Beispiel aus einem Metallmaterial hergestellt. Die Verdrahtungsschicht 60 ist auf der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 bereitgestellt, so dass sie die Elektrodenschicht 40 bedeckt. Die Verdrahtungsschicht 60 ist elektrisch mit jedem Pixel 11a und der CMOS-Leseschaltungseinheit 12 verbunden (siehe 1). In einem Teil der Verdrahtungsschicht 60, der der Photo-Gate-Elektrode 41 jedes Pixels 11a gegenüberliegt, ist eine Öffnung 60a für den Lichteinfall gebildet.
In der Halbleiterschicht 20 wird ein Graben 29 gebildet, um die einzelnen Pixel 11a voneinander zu trennen. Der Graben 29 ist in der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 gebildet. Eine Bodenfläche 29a des Grabens 29 befindet sich auf der zweiten Seite in Bezug auf den Lawinenmultiplikationsbereich 22. Das heißt, die Gräben 29 trennen die Lawinenmultiplikationsbereiche 22 vollständig voneinander. Innerhalb des Grabens 29 ist ein isolierendes Material 47, wie z.B. ein Siliziumoxid, angeordnet. Anstelle des isolierenden Materials 47 kann auch ein metallisches Material wie Wolfram oder Polysilizium in dem Graben 29 angeordnet werden.
In jedem Pixel 11a erreicht der Lawinenmultiplikationsbereich 22 den Graben 29. Der Lawinenmultiplikationsbereich 22 ist ein Bereich, der die Lawinenmultiplikation veranlasst. In jedem Pixel 11a erweitert ein Lawinenmultiplikationsbereich 22, der eine elektrische Feldstärke von 3×10⁵ bis 4×10⁵ V/cm erzeugen kann, wenn eine Sperrvorspannung mit einem vorbestimmten Wert angelegt wird, den gesamten vom Graben 29 umgebenen Bereich.
[Entfernungsbild-Erfassungsverfahren]
Es wird ein Beispiel für die Operation (Entfernungsbild-Erfassungsverfahren) der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 beschrieben. Die folgenden Operationen werden von der Steuereinheit 4 realisiert, die das Fahren jedes Abschnitts steuert. Zunächst wird ein Verfahren zum Detektieren des gepulsten Lichts L durch den Entfernungsmesssensor 10 beschrieben.
In jedem Pixel 11a des Entfernungsmesssensors 10 wird eine negative Spannung (zum Beispiel -50 V) an die Stirnflächenelektrode 50 angelegt, wobei das Potenzial der Photo-Gate-Elektrode 41 als Referenz dient. Das heißt, an den im Lawinenmultiplikationsbereich 22 gebildeten pn-Übergang wird eine Sperrvorspannung angelegt. Dementsprechend wird in dem Lawinenmultiplikationsbereich 22 eine elektrische Feldstärke von 3×10⁵ bis 4×10⁵ V/cm erzeugt. In diesem Zustand, wenn das gepulste Licht L durch die Lichteinfallsöffnung 60a und die Photo-Gate-Elektrode 41 auf die Halbleiterschicht 20 einfällt, werden die durch die Absorption des gepulsten Lichts erzeugten Ladungen (Elektronen) im Lawinenmultiplikationsbereich 22 vervielfacht und bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit zum Ladungsverteilungsbereich 23.
An die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 jedes Pixels 11a werden Pulsspannungssignale (die später beschriebenen Spannungssignale TX1 und TX2) angelegt. Bei den Pulsspannungssignalen, die an die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 angelegt werden, handelt es sich zum Beispiel um Spannungssignale, bei denen eine positive Spannung (Ein) und eine negative Spannung (Aus) abwechselnd mit dem Potential der Photo-Gate-Elektrode 41 als Referenz wiederholt werden. Während der Zeitdauer, in der die positive Spannung an der ersten Transfer-Gate-Elektrode 42 anliegt, werden die Ladungen mit hoher Geschwindigkeit vom Ladungsverteilungsbereich 23 zum Ladungsakkumulationsbereich 24 transferiert, und während der Zeitdauer, in der die positive Spannung an der ersten Transfer-Gate-Elektrode 43 anliegt, werden die Ladungen mit hoher Geschwindigkeit vom Ladungsverteilungsbereich 23 zum Ladungsakkumulationsbereich 25 transferiert.
Die Pulsspannungssignale, die an die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 angelegt werden, sind so eingestellt, dass sie, wie später beschrieben, zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingeschaltet werden. Dementsprechend werden die zum Ladungsverteilungsbereich 23 bewegten Ladungen transferiert und zum Transferzeitpunkt gemäß den Pulsspannungssignalen auf die Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 verteilt. Die in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 durch das Transferieren für eine vorbestimmte Zeitdauer akkumulierten Ladungen werden transferiert, um als Signale an die CMOS-Leseschaltungseinheit 12 (siehe 1) über die durch den Brunnenbereich 31 und dergleichen konfigurierte Leseschaltung und die Verdrahtungsschicht 60 gelesen zu werden. Die in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 akkumulierte Ladungsmenge entspricht einer Lichtmenge (Intensität) des auf den Ladungserzeugungsbereich 36 einfallenden gepulsten L während der Zeitdauer, in der die positive Spannung an die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 angelegt wird. Wie oben beschrieben, kann in dem Entfernungsmesssensor 10 das gepulste Licht L detektiert werden, indem die Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsbereich 36 als Reaktion auf das Einfallen des vom Zielobjekt OJ reflektierten gepulsten L erzeugt werden, mit Hilfe der ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 in die Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 transferiert werden.
Als nächstes wird ein Beispiel für die Operation der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben. Wie in 5 und 6 illustriert, wird bei diesem Entfernungsbild-Erfassungsverfahren ein gesamter Entfernungsbereich 70 eines Messziels in eine Vielzahl von Abschnitten (Einheiten eines Entfernungsbereichs) unterteilt. In diesem Beispiel enthält die Vielzahl der Abschnitte fünf Abschnitte 71A bis 71E. Die Längen der Abschnitte 71A bis 71E sind einander gleich. Zum Beispiel beträgt der gesamte Entfernungsbereich 70 22,5 m, und die Länge jedes der Abschnitte 71A bis 71E beträgt 4,5 m. Die Abschnitte 71A, 71B, 71C, 71D und 71E sind in dieser Reihenfolge näher an der Lichtquelle. Das heißt, der Abschnitt 71A ist im Bereich von 0 m bis 4,5 m von der Lichtquelle 2 entfernt, der Abschnitt 71B ist im Bereich von 4,5 m bis 9 m von der Lichtquelle 2 entfernt, der Abschnitt 71C ist im Bereich von 9 m bis 13,5 m von der Lichtquelle 2 entfernt, der Abschnitt 71D ist im Bereich von 13,5 m bis 18 m von der Lichtquelle 2 entfernt, und der Abschnitt 71E ist im Bereich von 18 m bis 22,5 m von der Lichtquelle 2 entfernt.
In diesem Entfernungsbild-Erfassungsverfahren wird die Messung über jeden der Abschnitte 71A bis 71E durchgeführt. In diesem Beispiel beträgt die Bildrate 30 fps und die Länge eines Datensatzes DT 33,3 ms. Der Datensatz DT enthält fünf Einzelbilder F1 bis F5, die den Abschnitten 71A bis 71E entsprechen. Das heißt, in diesem Entfernungsbild-Erfassungsverfahren wird ein Bild (Datensatz DT), das dem gesamten Entfernungsbereich 70 entspricht, zeitlich in eine Vielzahl von Einzelbildern F1 bis F5 unterteilt. Die Einzelbilder F1 bis F5 sind gleich lang, was in diesem Beispiel 6,6 ms entspricht.
Jedes der Einzelbilder F1 bis F5 enthält eine erste Zeitdauer P1 und eine zweite Zeitdauer P2, die auf die erste Zeitdauer P1 folgt. In der ersten Zeitdauer P1 wird das gepulste Licht L von der Lichtquelle 2 ausgesendet, und das vom Zielobjekt OJ reflektierte gepulste Licht L wird von dem Entfernungsmesssensor 10 detektiert. Während der zweiten Zeitdauer P2 wird das gepulste Licht L nicht von der Lichtquelle 2 ausgestrahlt, und nur das Hintergrundlicht wird vom Entfernungsmesssensor 10 detektiert. Das heißt, während der ersten Zeitdauer P1 werden das Messlicht und das Hintergrundlicht detektiert, während der zweiten Zeitdauer P2 nur das Hintergrundlicht. Beim Erzeugen des Entfernungsbildes des Zielobjekts OJ ist die Differenz zwischen dem in der ersten Zeitdauer P1 erfassten Signal und dem in der zweiten Zeitdauer P2 erfassten Signal das Signallicht. Die Länge der ersten Zeitdauer P1 ist gleich der Länge der zweiten Zeitdauer P2 und beträgt in diesem Beispiel 3,3 ms.
In jedem der Einzelbilder F1 bis F5 werden die Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E durchgeführt, während eine Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts L durch die Lichtquelle 2 und dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 zwischen den Abschnitten 71A bis 71E variiert wird. Nachfolgend werden Einzelheiten der Operation in jedem der Einzelbilder F1 bis F5 beschrieben. 5 und 6 illustrieren das Intensitätssignal SL des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts, das an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegte Spannungssignal TX1 und das an die erste Transfer-Gate-Elektrode 43 angelegte Spannungssignal TX2.
Wie in 5 und 6 illustriert, hat das an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegte Spannungssignal TX1 im Einzelbild F1 die gleiche Zeitdauer, Pulsbreite und Phase wie das Intensitätssignal SL des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts. Das heißt, im Einzelbild F1 gibt es keine Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt (Zeitdifferenz TD ist Null). Das an der ersten Transfer-Gate-Elektrode 43 anliegende Spannungssignal TX2 steigt an und wird unmittelbar nach dem Abschalten des Spannungssignals TX1 der ersten Transfer-Gate-Elektrode 42 eingeschaltet. Das Spannungssignal TX2 hat die gleiche Zeitdauer und Pulsbreite wie das Intensitätssignal SL und das Spannungssignal TX1. Die Pulsbreiten des gepulsten Lichts L und der Spannungssignale TX1 und TX2 betragen zum Beispiel 30 ns. Während der Zeitdauer, in der die beiden Spannungssignale TX1 und TX2 ausgeschaltet sind, wird eine positive Spannung an die zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 angelegt, und die Ladungen werden mit hoher Geschwindigkeit vom Ladungsverteilungsbereich 23 zu den Ladungsentladungsbereichen 26 und 27 transferiert. Die in die Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 transferierten Ladungen werden nach außen abgeleitet.
In 5 bezeichnet das Referenzsymbol R den Zeitpunkt, zu dem die in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 akkumulierten Ladungen gelesen werden. Wie in 5 illustriert, werden im Einzelbild F1 in jeder der ersten Zeitdauer P1 und der zweiten Zeitdauer P2 die Ladungen einmal zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt zusätzlich zum Startpunkt und dem Endpunkt der Zeitdauer gelesen. Das heißt, die Anzahl N der Auslesungen beträgt drei.
Wie in 1 illustriert, ist, wenn das gepulste Licht L von der Lichtquelle 2 emittiert und das vom Zielobjekt OJ reflektierte gepulste Licht L vom Entfernungsmesssensor 10 detektiert wird, die Phase des vom Entfernungsmesssensor 10 detektierten Intensitätssignals des gepulsten Lichts L gegenüber der Phase des Intensitätssignals SL des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts gemäß der Entfernung d zum Zielobjekt OJ verschoben. Daher können die Daten zum Erzeugen des Entfernungsbildes über den Abschnitt 71A erfasst werden, indem die Menge der in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 im Einzelbild F1 für jedes Pixel 11a akkumulierten Ladungen erfasst wird.
Im Einzelbild F2 wird die Phase des an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegten Spannungssignals TX1 gegenüber dem Intensitätssignal SL des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts um eine Zeit TS verschoben. Das heißt, in dem Einzelbild F2 ist die Zeitdifferenz TD die Zeit TS. Die Zeit TS entspricht dem Abschnitt 71B und beträgt zum Beispiel 30 ns. In diesem Beispiel entspricht die Zeit TS der Pulsbreite des gepulsten Lichts L. Die Spannungssignale TX1 und TX2 sind die gleichen wie im Einzelbild F1 für andere Punkte. Wie in 5 illustriert, werden im Einzelbild F2 die Ladungen in der ersten Zeitdauer P1 und der zweiten Zeitdauer P2 jeweils zweimal am Start- und am Endpunkt der Zeitdauer abgelesen, und die Anzahl N der Auslesungen beträgt zwei. Die Daten zum Erzeugen des Entfernungsbildes über den Abschnitt 71B können erfasst werden, indem die Menge der in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 im Einzelbild F2 für jedes Pixel 11a akkumulierten Ladungen erfasst wird.
Im Einzelbild F3 wird die Phase des an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegten Spannungssignals TX1 gegenüber dem Intensitätssignal SL des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts um die doppelte Zeit TS verschoben. Das heißt, in dem Einzelbild F3 ist die Zeitdifferenz TD eine Zeit 2TS. Die Zeit 2TS entspricht dem Abschnitt 71C und beträgt zum Beispiel 60 ns. Die Spannungssignale TX1 und TX2 sind die gleichen wie im Einzelbild F1 für andere Punkte. Die Anzahl N der Auslesungen des Einzelbilds F3 beträgt zwei, ähnlich wie beim Einzelbild F2. Die Daten zum Erzeugen des Entfernungsbildes über den Abschnitt 71C können erfasst werden, indem die Menge der in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 im Einzelbild F3 für jedes Pixel 11a akkumulierten Ladungen erfasst wird.
Im Einzelbild F4 wird die Phase des an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegten Spannungssignals TX1 gegenüber dem Intensitätssignal SL des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts um das Dreifache der Zeit TS verschoben. Das heißt, in dem Einzelbild F4 ist die Zeitdifferenz TD eine Zeit 3TS. Die Zeit 3TS entspricht dem Abschnitt 71D und beträgt zum Beispiel 90 ns. Die Spannungssignale TX1 und TX2 sind die gleichen wie im Einzelbild F1 für andere Punkte. Die Anzahl N der Auslesungen im Einzelbild F4 beträgt zwei, ähnlich wie im Einzelbild F2. Die Daten zur Erzeugung des Entfernungsbildes über den Abschnitt 71D können erfasst werden, indem die Menge der in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 im Teilbild F4 für jedes Pixel 11a akkumulierten Ladungen erfasst wird.
Im Einzelbild F5 wird die Phase des an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegten Spannungssignals TX1 gegenüber dem Intensitätssignal SL des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts um die vierfache Zeit TS verschoben. Das heißt, in dem Einzelbild F5 ist die Zeitdifferenz TD eine Zeit 4TS. Die Zeit 4TS entspricht dem Abschnitt 71E und beträgt zum Beispiel 120 ns. Die Spannungssignale TX1 und TX2 sind die gleichen wie im Einzelbild F1 für andere Punkte. Die Anzahl N der Auslesungen des Einzelbilds F4 beträgt zwei, ähnlich wie beim Einzelbild F2. Die Daten zum Erzeugen des Entfernungsbildes über den Abschnitt 71E können erfasst werden, indem die Menge der in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 im Einzelbild F5 für jedes Pixel 11a akkumulierten Ladungen erfasst wird.
Auf diese Weise werden die Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E durchgeführt, während die Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts L durch die Lichtquelle 2 und dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 zwischen den Abschnitten 71A bis 71E variiert wird. Genauer gesagt wird die Zeitdifferenz TD zwischen den Abschnitten 71A bis 71E variiert, indem der Emissionszeitpunkt festgelegt und der Transferzeitpunkt gegenüber dem Emissionszeitpunkt verschoben wird. Außerdem werden bei der Messung über den Abschnitt 71A (Einzelbild F1) die in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 akkumulierten Ladungen mit einer höheren Auslesefrequenz (eine große Anzahl N) ausgelesen als bei den Messungen über die Abschnitte 71B bis 71E (Einzelbilder F2 bis F5), die weiter von der Lichtquelle 2 entfernt sind als der Abschnitt 71A. Außerdem sind die Längen der ersten Zeitdauer P1 in den Einzelbildern F1 bis F5 gleich 3,3 ms und die Ladungsakkumulationszeiten (Belichtungszeiten) in den Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E gleich lang.
Bei dem Entfernungsbild-Erfassungsverfahren der Ausführungsform wird das Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs 70 auf Grundlage der Messergebnisse über die Abschnitte 71A bis 71E erzeugt. Das heißt, die Daten zur Erzeugung der Entfernungsbilder für die Abschnitte 71A bis 71E können durch die Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E (Einzelbilder F1 bis F5) erfasst werden. Durch die Kombination dieser Daten kann das Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs 70 erzeugt werden.
[Funktion und Effektivität]
Wie oben beschrieben, enthält der Ladungserzeugungsbereich 36 in der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 den Lawinenmultiplikationsbereich 22, der die Lawinenmultiplikation veranlasst. Dementsprechend kann die Empfindlichkeit des Entfernungsmesssensors 10 erhöht werden, wodurch die Messentfernung erweitert werden kann. Andererseits muss, wie oben beschrieben, im Allgemeinen die Pulsbreite des gepulsten Lichts verbreitert werden, um eine Messentfernung zu erweitern, und die Verbreiterung der Pulsbreite verschlechtert die Entfernungsgenauigkeit. In dieser Hinsicht wird in der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 der gesamte Entfernungsbereich 70 des Messziels in eine Vielzahl von Abschnitten 71A bis 71E unterteilt, die Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E werden durchgeführt, während die Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts L durch die Lichtquelle 2 und dem Transferzeitpunkt durch die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 zwischen den Abschnitten 71A bis 71E variiert wird, und das Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs 70 wird auf der Grundlage der Ergebnisse der Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E erzeugt. Dementsprechend kann selbst bei einer großen Messentfernung die Verbreiterung der Pulsbreite des gepulsten Lichts unterdrückt und die Entfernungsgenauigkeit gewährleistet werden.
Zum Beispiel beträgt die Pulsbreite im Gegensatz zur Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1, wenn die Messung über den gesamten Entfernungsbereich 70 ohne die Unterteilung in die Abschnitte 71A bis 71E durchgeführt wird, etwa 150 ns, wie später beschrieben. Das heißt, bei dem indirekten TOF-Verfahren ist die folgende Gleichung (1) erfüllt. $Δ D = cW/ 2$
ΔD ist die Entfernungsgenauigkeit, c ist die Lichtgeschwindigkeit und W ist die Pulsbreite des gepulsten Lichts. Wenn die Entfernungsgenauigkeit ΔD auf 22,5 m und die Lichtgeschwindigkeit c auf 3×10⁸ m/s in Gleichung (1) eingestellt wird, beträgt die Pulsbreite W 150 ns. Im Gegensatz dazu beträgt in der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1, wie oben beschrieben, die Pulsbreite W des gepulsten Lichts L 30 ns, und die Entfernungsgenauigkeit ΔD beträgt 4,5 m. Das heißt, die Entfernungsgenauigkeit ΔD ist auf 1/5 (30 ns/150 ns) verbessert im Vergleich zu dem Fall, in dem die Unterteilung in die Abschnitte 71A bis 71E nicht durchgeführt wird. Auf diese Weise erfasst die Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 die Entfernungsdaten durch zeitliches Unterteilen des Entfernungsmessbereichs, so dass die Entfernungsgenauigkeit verbessert werden kann, während die Entfernung vergrößert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Praxis die rechte Seite der obigen Gleichung (1) mit einem N/S-Verhältnis multipliziert werden kann.
Wenn die Unterteilung in die Abschnitte 71A bis 71E einfach durchgeführt wird, besteht die Sorge, dass die Ladungsakkumulationszeit (Belichtungszeit) abnimmt und die Ladungsakkumulationsmenge unzureichend sein könnte. Da der Ladungserzeugungsbereich 36 in der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 jedoch den Lawinenmultiplikationsbereich 22 enthält, kann der Mangel an Ladungsakkumulationsmenge unterdrückt werden. Aus diesem Grund ist es kaum notwendig, die Ladungsakkumulationszeit zu erhöhen, um den Mangel an Ladungsakkumulationsmenge auszugleichen. Indem die Unterteilung in die Abschnitte 71A bis 71E durchgeführt wird, kann außerdem die Verschlechterung der Messgenauigkeit unterdrückt werden, die durch das Vorhandensein eines transparenten oder durchscheinenden Objekts zwischen dem Entfernungsmesssensor 10 und dem Zielobjekt veranlasst wird (Mehrfachecho). Zum Beispiel besteht bei der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1, wenn die Messung über den gesamten Entfernungsbereich 70 ohne die Unterteilung in die Abschnitte 71A bis 71E durchgeführt wird, die Gefahr, dass eine durchschnittliche Entfernung aus der Entfernung zu dem im Abschnitt 71A befindlichen Objekt und der Entfernung zu dem im Abschnitt 71E befindlichen Objekt ausgegeben wird und die Messgenauigkeit verschlechtert wird. Da die Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 die Unterteilung in die Abschnitte 71A bis 71E durchführt, kann eine solche Verschlechterung der Messgenauigkeit unterdrückt werden. Wie oben beschrieben, kann gemäß der Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung 1 die Messentfernung erweitert und die Entfernungsgenauigkeit gewährleistet werden.
Bei der Messung über den Abschnitt 71A (erster Abschnitt) werden die in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 akkumulierten Ladungen mit einer höheren Auslesefrequenz (einer großen Anzahl N von Auslesungen) ausgelesen als bei den Messungen über die Abschnitte 71B bis 71E (zweiter Abschnitt), die weiter von der Lichtquelle 2 entfernt sind als der Abschnitt 71A. Dementsprechend kann die Signalsättigung, bei der der Ladungserzeugungsbereich 36 während der Messung über den Abschnitt 71A gesättigt ist, unterdrückt werden. Eine solche Unterdrückung der Sättigung ist besonders effektiv, wenn der Ladungserzeugungsbereich 36 den Lawinenmultiplikationsbereich 22 enthält. Der Grund, warum die Signalsättigung bei der Messung über den Abschnitt 71A wahrscheinlich auftritt, ist, dass die Intensität des gepulsten Lichts, das vom Zielobjekt OJ reflektiert wird und zum Entfernungsmesssensor 10 zurückkehrt, umso höher ist, je näher der Abschnitt an der Lichtquelle 2 liegt.
Der Entfernungsmesssensor 10 enthält ein Paar Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 und ein Paar erster Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43, die jeweils in Bereichen zwischen dem Ladungserzeugungsbereich 36 und dem Paar der Ladungsakkumulationsbereiche 24 und 25 angeordnet sind. Auch in einer solchen Konfiguration können die Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E durch Unterteilen des gesamten Entfernungsbereichs 70 des Messziels in die Vielzahl von Abschnitten 71A bis 71E und unter Variation der Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt zwischen den Abschnitten 71A bis 71E durchgeführt werden.
Die Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt kann zwischen den Abschnitten 71A bis 71E variiert werden, indem der Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts festgelegt und der Transferzeitpunkt der Ladungen durch die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 gegenüber dem Emissionszeitpunkt des gepulsten L verschoben wird.
Die Ladungsakkumulationszeiten (Belichtungszeiten) bei den Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E sind einander gleich. Dementsprechend kann das Entfernungsbild beispielsweise mit einer höheren Geschwindigkeit erfasst werden als in dem Fall, in dem die Ladungsakkumulationszeit bei der Messung über den Abschnitt (zum Beispiel des Abschnitts 71E), der weit von der Lichtquelle 2 entfernt ist und in dem die Ladungsakkumulationsmenge wahrscheinlich unzureichend ist, erhöht wird.
[Geändertes Beispiel]
Der Entfernungsmesssensor 10 kann wie im geänderten Beispiel 1 konfiguriert werden, das in 7 und 8 illustriert ist. Der Entfernungsmesssensor 10 des geänderten Beispiels 1 hat einen Ladungsakkumulationsbereich 24, einen Ladungsentladungsbereich 26, eine erste Transfer-Gate-Elektrode 42 und eine zweite Transfer-Gate-Elektrode 44. Mit anderen Worten, der Entfernungsmesssensor 10 verfügt nicht über den Ladungsakkumulationsbereich 25, den Ladungsentladungsbereich 27, die erste Transfer-Gate-Elektrode 43 und die zweite Transfer-Gate-Elektrode 45.
In jedem Pixel 11a des Entfernungsmesssensors 10 des geänderten Beispiels 1 ist der Ladungsakkumulationsbereich 24 im zentralen Bereich des Ladungsverteilungsbereichs 23 angeordnet, wenn man ihn aus der Z-Richtung betrachtet. Der Ladungsentladungsbereich 26 hat zum Beispiel aus der Z-Richtung gesehen eine rechteckige Ringform und ist entlang einer Außenkante des Ladungsverteilungsbereichs 23 angeordnet. Die Photo-Gate-Elektrode 41 hat zum Beispiel aus der Z-Richtung gesehen eine rechteckige Ringform und ist außerhalb des Ladungsakkumulationsbereichs 24 und innerhalb des Ladungsentladungsbereichs 26 angeordnet. Die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 hat zum Beispiel aus der Z-Richtung gesehen eine rechteckige Ringform und ist außerhalb des Ladungsakkumulationsbereichs 24 und innerhalb der Photo-Gate-Elektrode 41 angeordnet. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 44 hat zum Beispiel in Z-Richtung gesehen eine rechteckige Ringform und ist außerhalb der Photo-Gate-Elektrode 41 und innerhalb des Ladungsentladungsbereichs 26 angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass der Ladungsakkumulationsbereich 24, der Ladungsentladungsbereich 26, die Photo-Gate-Elektrode 41, die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 und die zweite Transfer-Gate-Elektrode 44 in jeder beliebigen Form, wie z.B. einem Achteck, gebildet werden können.
Wie in 9 illustriert, können auch bei Verwendung des Entfernungsmesssensors 10 des geänderten Beispiels 1 ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E durchgeführt werden, während die Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts L durch die Lichtquelle 2 und dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 zwischen den Abschnitten 71A bis 71E geändert wird.
In 9 wird ein Datenwert in sechs Einzelbilder G1 bis G6 unterteilt. Im Einzelbild G1 hat das an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegte Spannungssignal TX1 die gleiche Zeitdauer, Pulsbreite und Phase wie das Intensitätssignal SL des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts. Das heißt, im Einzelbild G1 gibt es keine Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt (Zeitdifferenz TD ist Null). Während das Spannungssignal TX1 ausgeschaltet ist, wird eine positive Spannung an die zweite Transfer-Gate-Elektrode 44 angelegt, und die Ladungen werden mit hoher Geschwindigkeit vom Ladungsverteilungsbereich 23 zum Ladungsentladungsbereich 26 transferiert. Die in den Ladungsentladungsbereich 26 transferierten Ladungen werden nach außen entladen.
In den Einzelbildern G2 bis G6 sind die Zeitdifferenzen TD die Zeiten TS, 2TS, 3TS, 4TS bzw. 5TS. Das Spannungssignal TX1 ist ähnlich wie das Einzelbild G1 für andere Punkte. Wie in 9 illustriert, können die Daten, die dem Einzelbild F1 in der obigen Ausführungsform entsprechen, aus den Daten erfasst werden, die in den benachbarten Einzelbildern G1 und G2 erfasst wurden. In ähnlicher Weise können die Daten, die dem Einzelbild F3 entsprechen, aus den Daten erfasst werden, die in den Einzelbildern G2 und G3 erfasst wurden. In ähnlicher Weise können die Daten, die den Einzelbildern F3 bis F5 entsprechen, aus den Daten erfasst werden, die in den Einzelbildern G3 bis G6 erfasst wurden.
Daher kann das Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs 70 auf Grundlage der Messergebnisse zu den Einzelbildern G1 bis G6 erzeugt werden. Gemäß einem solchen geänderten Beispiel 1 kann die Messentfernung ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform erweitert und die Entfernungsgenauigkeit gewährleistet werden.
Das Entfernungsbild kann wie im geänderten Beispiel 2 erfasst werden, das in 10 illustriert ist. In dem geänderten Beispiel 2 wird im Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführungsform die Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt zwischen den Abschnitten 71A bis 71E geändert, indem der Transferzeitpunkt der Ladungen durch die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 festgelegt und der Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts gegenüber dem Transferzeitpunkt verschoben wird.
Konkret wird in dem Beispiel von 10 in den Einzelbildern F2 bis F5 der Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts L durch die Lichtquelle 2 gegenüber dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 um die Zeiten TS, 2TS, 3TS bzw. 4TS verschoben. Auch in diesem Fall kann das Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs 70 durch die Kombination der Messdaten über die Abschnitte 71A bis 71E erzeugt werden. Daher kann auch gemäß dem geänderten Beispiel 2, ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, die Messentfernung erweitert und die Entfernungsgenauigkeit gewährleistet werden.
Wie im geänderten Beispiel 3, das in 11 illustriert ist, kann im geänderten Beispiel 1, ähnlich wie im geänderten Beispiel 2, die Zeitdifferenz TD zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt zwischen den Abschnitten 71A bis 71E variiert werden, indem der Transferzeitpunkt der Ladungen durch die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 festgelegt und der Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts vom Transferzeitpunkt verschoben wird.
Im Beispiel von 11 wird in den Einzelbildern G2 bis G6 der Emissionszeitpunkt des gepulsten Lichts L durch die Lichtquelle 2 um die Zeiten TS, 2TS, 3TS, 4TS bzw. 5TS gegenüber dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 verschoben. Auch in diesem Fall können die Daten, die in der obigen Ausführungsform den Einzelbildern F1 bis F5 entsprechen, aus den in den Einzelbildern G1 bis G6 erfassten Daten erfasst werden, und das Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs 70 kann erzeugt werden. Daher kann auch gemäß dem geänderten Beispiel 3, ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, die Messentfernung erweitert und die Entfernungsgenauigkeit gewährleistet werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen und geänderten Beispiele beschränkt. Zum Beispiel sind das Material und die Form der einzelnen Konfigurationen nicht auf die oben beschriebenen Materialien und Formen beschränkt, und es können verschiedene Materialien und Formen verwendet werden. Im Entfernungsmesssensor 10 kann sich die Bodenfläche 29a des Grabens 29 auf der ersten Seite in Bezug auf den Lawinenmultiplikationsbereich 22 befinden, und der Lawinenmultiplikationsbereich 22 kann über die Vielzahl der Pixel 11a verbunden sein. Alternativ kann der Graben 29 in der Halbleiterschicht 20 nicht gebildet werden, und der Lawinenmultiplikationsbereich 22 kann sich über die Vielzahl der Pixel 11a erweitern. Die Ladungsentladungsbereiche 26 und 27 und die zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 können weggelassen werden. Jeder der Leitfähigkeitstypen vom p-Typ und vom n-Typ kann für die oben beschriebenen Beispiele umgekehrt sein. Die Vielzahl der Pixel 11a kann eindimensional entlang der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 angeordnet sein. Der Entfernungsmesssensor 10 kann nur ein einziges Pixel 11a haben.
Der gesamte Entfernungsbereich 70 kann in eine beliebige Anzahl von Abschnitten, d.h. zwei oder mehr, unterteilt werden. Die Längen der Vielzahl von Abschnitten können sich voneinander unterscheiden. Die Längen der ersten Zeitdauern P1 in den Einzelbildern F1 bis F5 können sich voneinander unterscheiden. Das heißt, die Ladungsakkumulationszeiten bei den Messungen über die Abschnitte 71A bis 71E können voneinander abweichen. Die Anzahl N der Auslesungen im Einzelbild F1 kann am Start- und am Endpunkt der Zeitdauer zweimal, viermal oder mehr betragen. Die Anzahl N der Auslesungen in den Einzelbildern F2 bis F5 kann drei oder mehr betragen.
In der obigen Ausführungsform werden bei der Messung über den Abschnitt 71A (erster Abschnitt) die in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 akkumulierten Ladungen mit einer höheren Auslesefrequenz ausgelesen als bei den Messungen über die Abschnitte 71B bis 71E (zweiter Abschnitt), die weiter von der Lichtquelle 2 entfernt sind als der Abschnitt 71A, und somit wird die Signalsättigung des Ladungserzeugungsbereichs 36 während der Messung über den Abschnitt 71A unterdrückt. Alternativ oder zusätzlich können die in den Ladungsakkumulationsbereichen 24 und 25 akkumulierten Ladungen bei der Messung über den Abschnitt 71A mit einer niedrigeren Transferfrequenz transferiert werden als bei den Messungen über die Abschnitte 71B bis 71E. Zum Beispiel wird im Abschnitt 71A der obigen Ausführungsform ein einmaliger Ladungstransfer für eine einmalige Emission des gepulsten Lichts L durchgeführt, aber ein einmaliger Ladungstransfer kann für eine zwei- oder viermalige Emission des gepulsten Lichts L durchgeführt werden. Auch in diesem Fall kann die Signalsättigung unterdrückt werden. In diesem Fall können die Auslesefrequenzen in den Abschnitten 71A bis 71E die gleichen sein.
Bezugszeichenliste

1: Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung,
2: Lichtquelle,
4: Steuereinheit,
10: Entfernungsmesssensor,
22: Lawinenmultiplikationsbereich,
24, 25: Ladungsakkumulationsbereich,
36: Ladungserzeugungsbereich,
42, 43: erste Transfer-Gate-Elektrode,
70: gesamter Entfernungsbereich,
71A: Abschnitt (erster Abschnitt),
71B: Abschnitt (zweiter Abschnitt),
71C bis 71E: Abschnitte,
L: gepulstes Licht (Messlicht),
OJ: Zielobjekt,
TD: Zeitdifferenz.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011133464 [0002]
JP 2013206903 [0002]

Claims

Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle, die ein Messlicht emittiert; einen Entfernungsmesssensor, der einen Ladungserzeugungsbereich, einen Ladungsakkumulationsbereich und eine Transfer-Gate-Elektrode enthält, die in einem Bereich zwischen dem Ladungserzeugungsbereich und dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnet ist, und der das Messlicht detektiert, indem er Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsbereich als Reaktion auf den Einfall des von der Lichtquelle emittierten und von einem Zielobjekt reflektierten Messlichts erzeugt werden, unter Verwendung der Transfer-Gate-Elektrode zu dem Ladungsakkumulationsbereich transferiert; und eine Steuereinheit, die den Entfernungsmesssensor steuert und ein Entfernungsbild des Zielobjekts auf Grundlage eines Detektionsergebnisses des Entfernungsmesssensors erzeugt, wobei der Ladungserzeugungsbereich einen Lawinenmultiplikationsbereich enthält, der eine Lawinenmultiplikation veranlasst, und wobei die Steuereinheit: einen gesamten Entfernungsbereich eines Messziels in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt; den Entfernungsmesssensor so steuert, dass er Messungen über die Vielzahl von Abschnitten durchführt, während er eine Zeitdifferenz zwischen einem Emissionszeitpunkt des Messlichts durch die Lichtquelle und einem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die Transfer-Gate-Elektrode zwischen der Vielzahl von Abschnitten variiert; und das Entfernungsbild des gesamten Entfernungsbereichs auf Grundlage der Ergebnisse der Messungen über die Vielzahl von Abschnitten erzeugt.
Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Abschnitte einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt enthält, der weiter von der Lichtquelle entfernt ist als der erste Abschnitt, und wobei die Steuereinheit den Entfernungsmesssensor so steuert, dass die in dem Ladungsakkumulationsbereich akkumulierten Ladungen bei der Messung über den ersten Abschnitt mit einer höheren Auslesefrequenz gelesen werden als bei der Messung über den zweiten Abschnitt.
Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl der Abschnitte einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt enthält, der weiter von der Lichtquelle entfernt ist als der erste Abschnitt, und wobei die Steuereinheit den Entfernungsmesssensor so steuert, dass die Ladungen bei der Messung über den ersten Abschnitt mit einer niedrigeren Transferfrequenz in den Ladungsakkumulationsbereich transferiert werden als bei der Messung über den zweiten Abschnitt.
Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ladungsakkumulationsbereich ein Paar von Ladungsakkumulationsbereichen enthält, und wobei die Transfer-Gate-Elektrode ein Paar von Transfer-Gate-Elektroden enthält, die jeweils auf den Bereichen zwischen dem Ladungserzeugungsbereich und dem Paar von Ladungsakkumulationsbereichen angeordnet sind.
Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Entfernungsmesssensor nur einen Bereich als Ladungsakkumulationsbereich enthält und nur eine Elektrode als die Transfer-Gate-Elektrode enthält.
Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt unter der Vielzahl der Abschnitte variiert, indem sie den Emissionszeitpunkt festlegt und den Transferzeitpunkt gegenüber dem Emissionszeitpunkt verschiebt.
Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt und dem Transferzeitpunkt unter der Vielzahl von Abschnitten variiert, indem sie den Transferzeitpunkt fixiert und den Emissionszeitpunkt gegenüber dem Transferzeitpunkt verschiebt.
Entfernungsbild-Erfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ladungsakkumulationszeiten bei den Messungen über die Vielzahl von Abschnitten einander gleich sind.
Entfernungsbild-Erfassungsverfahren zum Erfassen eines Entfernungsbildes eines Zielobjekts, unter Verwendung einer Lichtquelle, die ein Messlicht emittiert; und eines Entfernungsmesssensors, der einen Ladungserzeugungsbereich, einen Ladungsakkumulationsbereich und eine Transfer-Gate-Elektrode enthält, die in einem Bereich zwischen dem Ladungserzeugungsbereich und dem Ladungsakkumulationsbereich angeordnet ist, und der das Messlicht detektiert, indem er Ladungen, die in dem Ladungserzeugungsbereich als Reaktion auf den Einfall des von der Lichtquelle emittierten und von einem Zielobjekt reflektierten Messlichts erzeugt werden, unter Verwendung der Transfer-Gate-Elektrode zu dem Ladungsakkumulationsbereich transferiert, wobei der Ladungserzeugungsbereich einen Lawinenmultiplikationsbereich enthält, der eine Lawinenmultiplikation bewirkt, das Entfernungsbild-Erfassungsverfahren umfasst: das Unterteilen eines gesamten Entfernungsbereichs eines Messziels in eine Vielzahl von Abschnitten; Durchführen von Messungen über die Vielzahl von Abschnitten, während die Zeitdifferenz zwischen dem Emissionszeitpunkt des Messlichts durch die Lichtquelle und dem Transferzeitpunkt der Ladungen durch die Transfer-Gate-Elektrode zwischen der Vielzahl von Abschnitten variiert wird; und Erzeugen des Entfernungsbildes des gesamten Entfernungsbereichs auf Grundlage der Ergebnisse der Messungen über die Vielzahl von Abschnitten.