JP2003051988A

JP2003051988A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2003051988A
Application number: JP2001238951A
Authority: JP
Inventors: Michinori Ichikawa; 道教市川
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-02-21

Abstract

(57)【要約】【課題】高い周波数の光強度位相検波を可能にした固体
撮像素子を提供する。【解決手段】強度変調された光を入射し、光電子変換に
より光電子を生成する光電子変換手段と、上記光電子変
換手段によって生成された光電子を蓄積可能な複数の蓄
積手段と、上記強度変調された光と同期した信号に応じ
て、上記蓄積手段のいずれかを選択し、該選択された蓄
積手段に上記光電子変換手段によって生成された光電子
を蓄積するように制御する光電子蓄積制御手段とを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子に関
し、さらに詳細には、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐ
ｌｅｄｄｅｖｉｃｅ）形、ＭＯＳ（ｍｅｔａｌ−ｏｘ
ｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）形、あるいは、
ハイブリッド形式などの各種形式の固体撮像素子として
用いて好適な固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば、ＣＣＤ形の固体撮像
素子においては、フォトダイオードを画素として、フォ
トダイオードに光が入射すると、フォトダイオードで光
電子変換が行われるとともに、光電子変換により生成さ
れた光電子はフォトダイオードの寄生容量でフォトダイ
オードに蓄積される。そして、フォトダイオードに蓄積
された信号電荷をＣＣＤにより転送するようになされて
いる。

【０００３】こうした従来のＣＣＤ形の固体撮像素子に
おいては、１枚の画像を獲得するのにミリ秒以上の時間
を要していた。また、固体撮像素子によって獲得される
画像は、２次元画像である。

【０００４】ここで、こうした固体撮像素子は光を利用
した装置なので、時間遅れを正確に測定することができ
れば、距離の測定が可能になると考えられる。そして、
固体撮像素子によって２次元画像とともに距離情報をも
取得できれば、固体撮像素子を３次元の物体認識に用い
ることができるようになる。

【０００５】しかしながら、従来のＣＣＤ形の固体撮像
素子では、高周波、例えば、１０ＭＨｚ以上の周波数の
位相検出は行えず、非常に時間差の少ない光強度の位相
差を検出することができないという問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、高い周波数の光強度位
相検波を可能にした固体撮像素子を提供しようとするも
のである。

【０００７】また、本発明の目的とするところは、時間
遅れを正確に測定することにより距離測定を可能にし
て、３次元の物体認識に用いることのできる固体撮像素
子を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、光を受光して光電子変換を行う光電子変
換手段において生成された光電子を、光電子変換手段に
は蓄積せずに、光電子蓄積制御手段によって複数の蓄積
手段のいずれかに移動させて、蓄積手段において蓄積す
るようにしたものである。

【０００９】ここで、図１には、本発明による固体撮像
素子の動作原理を解説するための説明図が示されてお
り、図１を参照しながらより詳細に説明する。なお、以
下の説明においては、説明を簡潔にして、本発明による
理解を容易にするために、蓄積手段が２つの場合につい
て説明することとする。

【００１０】即ち、図１に示された本発明による固体撮
像素子１００は、光電子変換を行う光電子変換手段１０
２と、光電子変換により生成された光電子をそれぞれ蓄
積する２つの蓄積手段１０４−１，１０４−２と、光電
子変換手段１０２と蓄積手段１０４−１，１０４−２と
の間で２つの蓄積手段１０４−１，１０４−２のいずれ
の蓄積手段に光電子を移動させるかを切り換える処理を
行う光電子蓄積制御手段１０６とを有して構成されてい
る。

【００１１】このように、固体撮像素子１００の１画素
は、光電子変換手段１０２と２つの蓄積手段１０４−
１，１０４−２と光電子蓄積制御手段１０６とによって
形成されている。

【００１２】そして、光電子変換手段１０２には、強度
が所定の周期で変調された光（以下、「強度変調光」と
称する。）が入射する。より詳細には、能動的か受動的
かに関わらず、強度が一定の周期で変調された光源を用
い、こうした光源からの光、即ち、強度変調光が光電子
変換手段１０２に入射するようにする。なお、本明細書
においては、「強度が一定の周期で変調された光源」
を、「変調光源」と適宜称することとする。

【００１３】能動的な変調光源としては、レーザーや発
光ダイオードを用いたＡＭ（ＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏ
ｄｕｌａｔｉｏｎ：振幅変調）変調光源などを用いるこ
とができる。また、受動的な変調光源の例としては、波
長の異なる光線が干渉を起こした場合などがある。

【００１４】さらに、変調光源における変調の周波数
は、任意に変更することが可能となされているが、１Ｍ
Ｈｚから１ＧＨｚの範囲とすることが実用上は適当であ
る。

【００１５】一方、光電子蓄積制御手段１０６は、光電
子変換手段１０２に入射した強度変調光が変調された所
定の周期に同期した信号、即ち、強度変調光の変調周期
に同期した検波信号に応じて光電子が蓄積される蓄積手
段の切り換えを制御する。

【００１６】光電子蓄積制御手段１０６は、この検波信
号に応じて２つの蓄積手段１０４−１，１０４−２のい
ずれかを選択し、当該選択した蓄積手段に光電子が蓄積
されるように制御する。

【００１７】そして、光電子変換手段１０２に入射する
強度変調光の変調周期に同期した検波信号は、例えば、
強度変調光と全くその周期を同じくした信号でもよい
し、あるいは、強度変調光の変調周期の位相を遅延した
信号や、強度変調光の変調周期の位相を逓倍した信号
や、強度変調光の変調周期を分周した信号としてもよ
い。どのような検波信号を用いるかは、装置の目的に沿
った全体的な設計から決定すればよい。

【００１８】最も基本的な動作を行う場合には、こうし
た構成の固体撮像素子１００において、検波信号として
強度変調信号と全く同じ周期の信号を用いて、検波信号
の振幅の最大値で蓄積手段１０４−１、検波信号の振幅
の最小値で蓄積手段１０４−２を選択するようにする。

【００１９】そして、変調光源を固体撮像素子１００の
画素に密着した状態で、変調光源からの強度変調光を光
電子変換手段１０２に入射する。その結果、一定時間経
過後には、蓄積部手段１０４−１に蓄積された光電子数
は蓄積手段１０４−２に蓄積された光電子数に比べて多
くなる。

【００２０】ここで、変調光源を固体撮像素子１００の
画素から遠ざけると、距離に応じた時間遅れから、蓄積
手段１０４−１に蓄積される光電子数が減少し、蓄積手
段１０４−２に蓄積される光電子数が増加する。

【００２１】例えば、１０ＭＨｚの強度変調光を用いた
場合には、１０ＭＨｚの強度変調光の周期Ｔは１００ｎ
ｓなので、この周期Ｔを光速で割ると、周期Ｔ間の光の
旅程は３０ｍである。

【００２２】従って、１５ｍの旅程の強度変調光が光電
子変換部１０２に入射した場合には、蓄積手段１０４−
１に蓄積される光電子数と蓄積手段１０４−２に蓄積さ
れる光電子数との関係が、変調光源を固体撮像素子１０
０の画素と密着させた場合と逆転する。

【００２３】つまり、強度変調光の旅程が０ｍから１５
ｍに範囲では、その距離に応じて、蓄積手段１０４−１
に蓄積される光電子数と蓄積手段１０４−２に蓄積され
る光電子数との比率が決定される。この際、仮に検出精
度を１％に想定すると、１５ｃｍの分解能で、変調光源
と固体撮像素子１００との間の距離計測が可能になるも
のである。

【００２４】上記したような観点において、本発明のう
ち請求項１に記載の発明は、強度変調された光を入射
し、光電子変換により光電子を生成する光電子変換手段
と、上記光電子変換手段によって生成された光電子を蓄
積可能な複数の蓄積手段と、上記強度変調された光と同
期した信号に応じて、上記蓄積手段のいずれかを選択
し、該選択された蓄積手段に上記光電子変換手段によっ
て生成された光電子を蓄積するように制御する光電子蓄
積制御手段とを有するようにしたものである。

【００２５】従って、本発明のうち請求項１に記載の発
明によれば、強度変調された光と同期した信号に応じた
光電子蓄積制御手段の制御によって、光電子変換手段の
光電子変換によって生成された光電子が複数の蓄積手段
のいずれかに蓄積され、高周波、例えば、１０ＭＨｚ以
上の周波数の位相検出が行えるようになり、非常に時間
差の少ない光強度の位相差を検出することができる。

【００２６】こうして、本発明のうち請求項１に記載の
発明によれば、高い周波数の光強度位相検波を可能にな
るとともに、時間遅れを正確に測定することもできるよ
うになり、距離の測定を可能にして、３次元での物体認
識に用いることができる。

【００２７】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、強度変調された光を入射し、光電子変換により光電
子を生成する光電子変換手段と、上記光電子変換手段に
よって生成された光電子を蓄積可能な複数の蓄積手段
と、上記強度変調された光と同期した信号に応じて、上
記蓄積手段のいずれかを選択し、該選択された蓄積手段
に上記光電子変換手段によって生成された光電子を蓄積
するように制御する光電子蓄積制御手段とからなる画素
が、所定の２次元平面に複数配設されるようにしたもの
である。

【００２８】従って、本発明のうち請求項２に記載の発
明によれば、画素を所定の２次元平面に多数並べて集積
化した場合に、高い周波数の光強度位相検波を可能にな
るとともに、時間遅れを正確に測定することもできるよ
うになり、距離の測定を可能にして、３次元での物体認
識に用いることができる。

【００２９】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
のように、請求項１または請求項２のいずれか１項に記
載の発明において、上記光電子変換手段はフォトダイオ
ードであるようにしてもよい。

【００３０】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
は、請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項
に記載の発明において、さらに、上記蓄積手段は上記光
電子変換手段に隣接して配設されるとともに、上記蓄積
手段と上記光電子変換手段との間には、上記蓄積手段に
蓄積された光電子が上記光電子変換手段に戻るのを防止
する逆流防止手段を有するようにしたものである。

【００３１】従って、本発明のうち請求項４に記載の発
明によれば、逆流防止手段によって、光電子変換手段に
隣接する複数の蓄積手段のそれぞれに蓄積された光電子
が、光電子変換手段に逆流して戻ることを防止できる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明による固体撮像素子の実施の形態の一例を詳
細に説明する。

【００３３】図２（ａ）には、本発明による固体撮像素
子の実施の形態の一例の概念構成説明図（断面図）が示
されており、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ矢視図
の一部を省略して示した説明図が示されている。

【００３４】即ち、固体撮像素子１０は、略直方体形状
の本体部１１と、本体部１１の上面１１ａ側に埋め込ま
れたフォトダイオード１２と、フォトダイオード１２の
両側にそれぞれ位置するようにして本体部１１の上面１
１ａ側に埋め込まれた２つの蓄積部１４−１，１４−２
と、本体部１１の上面１１ａに配設された２つの電極１
８−１，１８−２と、２つの蓄積部１４−１，１４−２
それぞれに設けられた読み出し回路（図示せず）と、２
つの蓄積手段１４−１，１４−２のいずれの蓄積手段に
光電子を移動させるかを切り換える処理を行う光電子蓄
積制御手段としてのスイッチング回路１６とを有して構
成されているものである。

【００３５】この図２に示す固体撮像素子１０は、フォ
トダイオード１２と２つの蓄積部１４−１，１４−２と
スイッチング回路１６とからなる画素を、１画素のみ有
するものである。

【００３６】フォトダイオード１２は、固体撮像素子１
０に入射する光を受光する受光部である。このフォトダ
イオード１２には、変調光源（図示せず）からの強度変
調光が入射するようになされており、この実施の形態に
おいては、強度変調光の変調の周波数は１０ＭＨｚとす
る。

【００３７】そして、フォトダイオード１２は、強度変
調光が入射すると、入射した強度変調光の光量子を光電
子変換して光電子を生成するものである。

【００３８】一方、２つの蓄積部１４−１，１４−２
は、いずれも同一の構成を備えた埋め込みチャネルであ
る。そして、２つの蓄積部１４−１，１４−２はそれぞ
れ、フォトダイオード１２において生成された光電子を
蓄積する。

【００３９】ここで、蓄積部１４−１は、フォトダイオ
ード１２の一方の側に隣接して配設されており、蓄積部
１４−２は、フォトダイオード１２の他方の側に隣接し
て配設されている。そして、蓄積部１４−１とフォトダ
イオード１２との間ならびに蓄積部１４−２とフォトダ
イオード１２との間には、不純物ドープのポテンシャル
バリヤ２２−１，２２−２が設けられている。

【００４０】この不純物ドープのポテンシャルバリヤ２
２−１により、蓄積部１４−１に蓄積された光電子が、
フォトダイオード１２に逆流することが防止されてい
る。また、不純物ドープのポテンシャルバリヤ２２−２
により、蓄積部１４−２に蓄積された光電子が、フォト
ダイオード１２に逆流することが防止されている。

【００４１】電極１８−１は蓄積部１４−１に対向する
位置に配設されており、電極１８−２は蓄積部１４−２
に対向する位置に配設されている。

【００４２】そして、２つの電極１８−１，１８−２は
いずれも、ポテンシャル操作用の電極であり、電極１８
−１に印加される電圧と電極１８−２に印加される電圧
とは逆相となされている。

【００４３】なお、電極１８−１に印加される電圧と電
極１８−２に印加される電圧は、不純物ドープのポテン
シャルバリヤ２２−１，２２−２に応じて比較的小さく
し、例えば５Ｖにするとよい。

【００４４】読み出し回路は、蓄積部１４−１，１４−
２それぞれに蓄積された電荷信号を転送するためのもの
である。

【００４５】具体的には、読み出し回路としては、固体
撮像素子の電荷信号の転送方式として公知の各種方式を
用いることができるので、その詳細な説明は省略するこ
ととする。即ち、読み出し回路は、例えば、電界効果ト
ランジスタを使用した方式でもよいし、あるいは、ＣＣ
Ｄ方式でもよい。

【００４６】そして、スイッチング回路１６は、フォト
ダイオード１２に入射する強度変調光の周期信号に同期
した信号、即ち、強度変調光の変調周期に同期した検波
信号に応じて光電子が蓄積される蓄積手段１４−１，１
４−２の切り換えを制御する。

【００４７】即ち、スイッチング回路１６は、検波信号
に応じて２つの蓄積手段１４−１，１４−２のいずれか
を選択し、当該選択した蓄積手段に光電子が蓄積される
ように制御するものである。

【００４８】この実施の形態においては、検波信号は変
調の周波数が１０ＭＨｚの強度変調光と全くその周期を
同じくした信号とする。

【００４９】以上の構成において、図３（ａ）（ｂ）を
参照しながら、上記した固体撮像素子の動作について説
明を行うものとする。

【００５０】図３（ａ）（ｂ）には、固体撮像素子１０
の画素周辺のポテンシャルを示す説明図が示されてお
り、図３（ａ）は、電極１８−２が正電位印加状態の場
合の固体撮像素子１０の画素周辺のポテンシャルを示す
説明図であり、図３（ｂ）は、電極１８−１が正電位印
加状態の場合の固体撮像素子１０の画素周辺のポテンシ
ャルを示す説明図である。

【００５１】まず、図示しない変調光源から、変調の周
波数が１０ＭＨｚの強度変調光が固体撮像素子１０に入
射される。この強度変調光は、フォトダイオード１２に
よって受光され、入射した強度変調光の光量子がフォト
ダイオード１２によって光電子変換されて光電子が生成
される。

【００５２】こうしてフォトダイオード１２の光電子変
換によって生成された光電子は、検波信号に応じたスイ
ッチング回路１６の制御によって、蓄積部１４−１かま
たは蓄積部１４−２のいずれかに移動される。従って、
フォトダイオード１２の光電子変換によって生成された
光電子は、フォトダイオード１２に蓄積されずに、蓄積
部１４−１か、あるいは、蓄積部１４−２に蓄積され
る。

【００５３】より詳細には、強度変調光と全くその変調
周期を同じくした検波信号の振幅の最大値で、電極１８
−１を正電位印加状態にするようにしてスイッチング回
路１６が切り換わる。こうして検波信号の振幅の最大値
に同期して電極１８−１が正電位印加状態になると、図
３（ｂ）に示すようにして、フォトダイオード１２の光
電子変換によって生成された光電子は、検波信号の振幅
の最大値で蓄積部１４−１に移動して蓄積部１４−１に
蓄積される。

【００５４】一方、強度変調光と全くその変調周期を同
じくした検波信号の振幅の最小値で、電極１８−２を正
電位印加状態にするようにしてスイッチング回路１６が
切り換わる。こうして検波信号の振幅の最小値に同期し
て電極１８−２が正電位印加状態になると、図３（ａ）
に示すようにして、フォトダイオード１２の光電子変換
によって生成された光電子は、検波信号の振幅の最小値
で蓄積部１４−２に移動して蓄積部１４−２に蓄積され
る。

【００５５】そして、変調の周波数が１０ＭＨｚの強度
変調光が固体撮像素子１０に入射しているので、強度変
調光の旅程が０ｍから１５ｍに範囲では、その距離に応
じて蓄積部１４−１に蓄積される光電子数と蓄積部１４
−２に蓄積される光電子数との比率が決まる。

【００５６】即ち、強度変調光の旅程が０ｍから１５ｍ
に範囲において、変調光源と固体撮像素子１０の画素と
の間が短くて密着している場合には、蓄積部１４−１に
蓄積された光電子数は蓄積手段１４−２に蓄積された光
電子数に比べて多くなる。

【００５７】逆に、強度変調光の旅程が０ｍから１５ｍ
に範囲において、変調光源と固体撮像素子１０の画素と
の間が長く、変調光源が固体撮像素子１０の画素から遠
ざかっている場合には、変調光源と固体撮像素子１００
の画素とが密着している場合と逆転する。即ち、距離に
応じた時間遅れから、蓄積部１４−１に蓄積される光電
子数が減少し、蓄積部１４−２に蓄積される光電子数が
増加する。

【００５８】なお、蓄積部１４−１に蓄積された光電子
数と蓄積部１４−２に蓄積された光電子数との総和が輝
度であり、蓄積部１４−１に蓄積された光電子数と蓄積
部１４−２に蓄積された光電子数との差が距離である。

【００５９】そして、蓄積部１４−１に蓄積された電荷
信号と蓄積部１４−２に蓄積された電荷信号とはそれぞ
れ、読み出し回路によって転送される。

【００６０】上記したように、本発明による固体撮像素
子１０においては、フォトダイオード１２と、複数の蓄
積部１４−１，１４−２と、フォトダイオード１２に入
射する強度変調光の変調周期に同期した検波信号に応じ
た制御を行うスイッチング回路１６とを有するようにし
たため、検波信号に応じたスイッチング回路１６の制御
によって、フォトダイオード１２の光電子変換によって
生成された光電子が蓄積部１４−１か、あるいは、蓄積
部１４−２に蓄積され、高周波、例えば、１０ＭＨｚ以
上の周波数の位相検出が行えるようになり、非常に時間
差の少ない光強度の位相差を検出することができる。

【００６１】こうして、本発明による固体撮像素子１０
によれば、高い周波数の光強度位相検波を可能になると
ともに、時間遅れを正確に測定することもできるように
なり、距離の測定を可能にして、３次元での物体認識に
用いることができる。

【００６２】つまり、固体撮像素子１０の画素が担当す
るところが、近くのものであれば一方の蓄積部に、遠く
のものであれば他方の蓄積部に、光電子が高速で振り分
けられて蓄積されるので、蓄積部に蓄積された光電子を
読み出し回路によって読み出すと、２次元画像とともに
距離情報をも取得することができる。

【００６３】また、本発明による固体撮像素子１０によ
れば、読み出し回路としては、固体撮像素子の電荷信号
の転送方式として公知の各種方式を用いることができ
る。つまり、本発明による固体撮像素子１０の画素は、
従来の固体撮像素子との適合性が高く、従来の固体撮像
素子における設計ノウハウなどを利用することができる
ので、量産も可能である。

【００６４】こうした本発明による固体撮像素子１０の
設計に際しては、従来の固体撮像素子における設計ノウ
ハウなどを利用するとともに、１つのフォトダイオード
１２に対して複数の読み出し経路を設けることや、従来
の固体撮像素子に比べて電極１８−１，１８−２にかか
る周波数が高い点などを考慮した構造あるいは駆動方法
を実装するとよい。

【００６５】さらに、本発明により固体撮像素子１０に
は、変調光源からの強度変調光が入射するようにした
が、より詳細には、こうした変調光源で照射される被写
体からの反射光や、あるいは、透過光、蛍光画像などの
撮像も可能になる。例えば、より高速な振り分けを可能
するように配線構造などを変更することにより、蛍光色
素の寿命計測や、光散乱の影響を除外する必要のある撮
影にも本発明による固体撮像素子１０を用いることがで
きる。

【００６６】次に、本発明による固体撮像素子１０にお
ける画素、即ち、フォトダイオード１２と２つの蓄積部
１４−１，１４−２とスイッチング回路１６とからなる
画素を平面に多数並べて集積化する場合について説明す
ることとする。

【００６７】図４には、本発明による固体撮像素子１０
の画素を平面に２次元に多数並べた２次元配列の固体撮
像素子の一例を示す概念構成説明図が示されている。

【００６８】なお、図４乃至図９において、図２と同一
あるいは相当する構成に関しては、図２において用いた
符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な
構成および作用の説明は省略する。

【００６９】この図４に示す固体撮像素子４０には、４
行４列にわたって１６個の画素が２次元に並べられてい
る。

【００７０】ここで、本発明による固体撮像素子１０
（図２参照）と、固体撮像素子４０（図４参照）とを比
較すると、固体撮像素子１０においては、画素は１画素
のみであるとともに、フォトダイオード１２の両側にそ
れぞれ隣接して蓄積部１４−１と蓄積部１４−２とが配
設されているのに対して、固体撮像素子４０において
は、画素は１６画素であって、フォトダイオード１２の
一方の側のみに隣接して蓄積部１４−１と蓄積部１４−
２とが配設されている点において、両者は異なってい
る。

【００７１】そして、蓄積部１４−１，１４−２それぞ
れに設けられる読み出し回路としては、上記した固体撮
像素子１０と同様に、固体撮像素子の電荷信号の転送方
式として公知の各種方式を用いることができる。従っ
て、図４においては、固体撮像素子４０の構成がスイッ
チ形式で示されいるが、このスイッチは電界効果トラン
ジスタスイッチでもよいし、適切な設計のＣＣＤ転送路
であってもよい。

【００７２】ただし、従来の２次元の固体撮像素子にお
いては、固体撮像素子の電荷信号の転送方式として通
常、画素行列の行を選択（あるいは転送）する部分と、
選択された（あるいは転送された）行の信号を順次列方
向に走査する列選択（あるいは列転送、ライン転送と呼
ばれることもある）の部分とからなる。

【００７３】従って、従来の２次元の固体撮像素子にお
いては、画素行列の行方向には行選択のための配線が走
っているが、列方向には選択のための配線がないことが
多い。

【００７４】また、固体撮像素子４０の画素は、上記し
た固体撮像素子１０と同様に、従来の固体撮像素子との
適合性が高く、従来の固体撮像素子における設計ノウハ
ウなどを利用することができる。つまり、２次元配列の
固体撮像素子４０における列方向配線の追加は、行方向
配線の追加に比べて余裕があり容易である。

【００７５】従って、図４に示すように、固体撮像素子
４０においては、検波信号の検波信号線は列方向（図４
における上下方向参照）に配線するとよい。

【００７６】なお、蓄積部の数や切り換えの方法などに
よって配線数は異なるが、この検波信号は基本的に全画
素同一なので、列方向配線だけで配線可能である。ま
た、固体撮像素子の構成によっては、行方向の配線とす
る必要があるなら、行選択のための回路を配置する側と
反対側の側面から配線することもできる。

【００７７】以上の構成の固体撮像素子４０において
も、固体撮像素子１０と同様にして、１６個の画素それ
ぞれが担当するところが、近くのものであれば一方の蓄
積部に、遠くのものであれば他方の蓄積部に、光電子が
高速で振り分けられて蓄積されるので、蓄積部に蓄積さ
れた光電子を読み出し回路によって読み出すと、２次元
画像とともに距離情報をも取得できる。

【００７８】つまり、固体撮像素子４０においても、上
記した固体撮像素子１０と同様に、高い周波数の光強度
位相検波を可能になるとともに、時間遅れを正確に測定
することもできるようになり、距離の測定を可能にし
て、３次元での物体認識に用いることができる。より詳
細には、複数の蓄積部それぞれへの高速な光電子で振り
分けにより、ナノ秒台での時間差の検出が実現され、１
０ｃｍ程度での分解能で距離情報を１枚の固体撮像素子
で獲得することが可能になる。

【００７９】また、量産も可能であり、変調光源で照射
される被写体からの反射光や、あるいは、透過光、蛍光
画像などの撮像も可能となって、蛍光色素の寿命計測
や、光散乱の影響を除外する必要のある撮影にも固体撮
像素子４０を用いることができる。

【００８０】なお、上記した固体撮像素子４０において
は、複数の画素を平面に２次元に多数並べているが、こ
れに限られるものではないことは勿論であり、複数の画
素を平面に１次元に並べてラインセンサーを構成するこ
とも可能である。この際、固体撮像素子４０の場合と同
様に、配線方法などの各種変更を行うようにすればよ
い。

【００８１】次に、本発明による固体撮像素子の実施の
形態の他の例について説明することとする。

【００８２】図５には、本発明による固体撮像素子の実
施の形態の他の例を用いた３次元物体認識システムを示
す説明図が示されており、図６には、図５に示す３次元
物体認識システムに用いられる固体撮像素子の画素を中
心に示した概念構成説明図が示されている。

【００８３】この３次元物体認識システム５２は、光源
を強度変調するための高周波発生器５４と、被写体２０
０に強度変調光を照射する変調光源たる高輝度高速発光
ダイオード５６と、被写体２００からの反射光が入射す
る結像光学系５８と、結像光学系５８からの出射光が入
射する固体撮像素子５０と、固体撮像素子５０からの映
像信号が入力する信号処理装置６０とを有して構成され
ている。

【００８４】そして、この３次元物体認識システム５２
に用いられている固体撮像素子５０は、図６に示すよう
に、複数の画素それぞれが、フォトダイオード１２と４
つの蓄積部１４−１，１４−２，１４−３，１４−４と
スイッチング回路１６（図示せず）とからなるものであ
る。

【００８５】さらに、検波信号の位相角０度、９０度、
１８０度、２７０度の位相の異なる４つの信号を用い
る。これにより、４個の蓄積部１４−１，１４−２，１
４−３，１４−４の電荷の合計はいわゆる輝度であり、
０度と１８０度で選択される蓄積部１４−１，１４−３
の電荷の差が高周波強度変調光の正弦成分であり、９０
度と２７０度で選択される蓄積部１４−２，１４−４の
電荷の差が高周波強度変調光の余弦成分である。

【００８６】従って、高周波で強度変調できる光源（即
ち、変調光源）と通常の光源（例えば、太陽光、白熱
灯、蛍光灯など）の両方で被写体２００が照明される状
況下においても、４個の蓄積部１４−１，１４−２，１
４−３，１４−４により同期した高周波変調成分を容易
に分離できる。従って、高い周波数の光強度位相検波を
より高精度に行うことができる。

【００８７】こうした構成の固体撮像素子５０を用いた
３次元物体認識システム５２においては、例えば、１０
ＭＨｚの高周波を高周波発生器５４から発生して、高輝
度高速発光ダイオード５６を駆動する。この際、高周波
発生器５４は高輝度高速発光ダイオード５６を駆動する
のと同時に、検波信号を固体撮像素子５０に供給する。
そして、高輝度高速発光ダイオード５６からの強度変
調光が被写体２００に照射され、被写体２００からの反
射光が結像光学系５８を介して固体撮像素子５０に入射
する。

【００８８】固体撮像素子５０においては、高輝度高速
発光ダイオード５６で照明された被写体２００からの反
射光を位相検波しながら受光する。

【００８９】そして、適当な周期、例えば、ビデオの走
査周期（６０Ｈｚ）で固体撮像素子５０を走査して、各
画素の各位相成分の電荷を独立に読み出す。この際、情
報量は画素の蓄積部の数×水平画素数×垂直画素数×検
出精度となる。

【００９０】こうして固体撮像素子５０の各画素の各位
相成分の電荷を独立に読み出し、各位相の映像信号が信
号処理装置６０に入力されると、デジタル画像処理手法
などを応用して、各画素毎に位相角を求められ、隣接画
素の関係から、被写体２００の３次元映像の計算がなさ
れる。

【００９１】被写体２００から固体撮像素子５０までの
距離をＤとしたとき、光の旅程は概ね２Ｄとなるので、
被写体２００に照射される周波数１０ＭＨｚの強度変調
光の周期Ｔ、即ち１周期１００ｎｓでの最大検出距離は
約１５ｍとなる。仮に、検出精度が１％とすると、１５
ｃｍの分解能で、被写体２００と固体撮像素子５０との
間の距離計測が可能である。

【００９２】このような３次元物体認識システム５２に
用いられる固体撮像素子５０においても、上記した固体
撮像素子１０，４０と同様に、高い周波数の光強度位相
検波を可能になるとともに、時間遅れを正確に測定する
こともできるようになり、距離の測定を可能にして、３
次元での物体認識に用いることができる。また、量産も
可能であり、変調光源で照射される被写体からの反射光
や、あるいは、透過光、蛍光画像などの撮像も可能とな
って、蛍光色素の寿命計測や、光散乱の影響を除外する
必要のある撮影にも固体撮像素子５０を用いることがで
きる。

【００９３】そして、固体撮像素子５０を用いた３次元
物体認識システム５２は、例えば、自動車に配設して衝
突防止装置として利用することもできるし、ロボットに
配設してロボットの移動制御装置として利用することが
できる。

【００９４】なお、図１０（ａ）には、本発明による固
体撮像素子の画素部分をＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ電界効果
トランジスタ）を用いて構成する場合の回路図が示され
ている。この回路において、Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｓｓ，
Ｖｄｄは適当な電源電圧であり、ＦＥＴ（電界効果トラ
ンジスタ）の定数、極性については下記の動作が行える
ように適宜に設計されているものとする。

【００９５】ｒｓｔＰ（画素リセット）に加えるリセッ
ト信号は検波周期Ｔの２倍の周波数である。Ｑ１はこの
ｒｓｔＰ信号でオンになるＦＥＴであり、受光素子ＰＤ
（フォトダイオード）の寄生容量をリセット電圧まで充
電する。ＰＤで受光し生じた光電荷はＰＤの寄生容量を
放電する。つまり、ｒｓｔＰに加えるリセット信号の間
隔でＰＤには一時的に光電荷が蓄積される。Ｃ１とＣ２
の容量がそれぞれ位相検波に用いる蓄積容量である。ｄ
ｅｔＡ（検波信号Ａ）とｄｅｔＢ（検波信号Ｂ）にはそ
れぞれ周期Ｔのパルスを与えるが、図１０（ｂ）に示し
たように位相が異なり、ｒｓｔＰのリセットの直前に加
える。

【００９６】ｄｅｔＡが１になると、Ｑ３（スイッチＦ
ＥＴ）がアクティブになり、ＰＤの電荷がＱ２で増幅さ
れた電流がＣ１を放電する。ここで、Ｑ２（増幅ＦＥ
Ｔ）を比較的低い値での定電流動作にしておけば、Ｃ１
は１回のパルスでは飽和放電されることはなく、ＰＤの
電圧（Ｑ２のゲート電圧）とパルス幅に応じた電荷が放
電される。

【００９７】同様に、ｄｅｔＢが１になると、Ｑ４（ス
イッチＦＥＴ）がアクティブになり、ＰＤの電荷がＱ２
で増幅された電流がＣ２を放電する。上記と同様に、Ｃ
２は１回のパルスでは飽和放電されることはなく、ＰＤ
の電圧（Ｑ２のゲート電圧）とパルス幅に応じた電荷が
放電される。ここで、Ｑ３とＱ４のＯＮ抵抗、Ｃ１とＣ
２の容量はそれぞれ同じである必要がある。

【００９８】ここまでの動作で、例えば、周期Ｔを１０
０ｎｓｅｃとすれば、通常の画面読み出し時間（ＮＴＳ
Ｃ（ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎＳｙｓ
ｔｅｍＣｏｍｍｉｔｔｅｅ）ならば１６．７ｍｓｅ
ｃ）の間に非常に多数回のスイッチングが行われる。こ
の多数回のパルスによってＣ１，Ｃ２が受光した光電流
を十分なダイナミックレンジを保ちつつ積分されるよう
にＣ１，Ｃ２の容量、Ｑ２の電流及びパルス幅を設定す
る。

【００９９】Ｃ１とＣ２に蓄積した電荷の読み出しはＱ
７（増幅ＦＥＴ）とＱ８（増幅ＦＥＴ）のＦＥＴで増幅
したのち、Ｑ９（スイッチＦＥＴ）とＱ１０（スイッチ
ＦＥＴ）のスイッチングで行う。読み出した直後に、Ｃ
１とＣ２はＱ５（リセットＦＥＴ）とＱ６（リセットＦ
ＥＴ）によってリセットする。それぞれのタイミングは
図１０（ｂ）に示したような波形が適当であろう。ここ
で、ｓｅｌＡとｓｅｌＢ、ｒｓｔＡとｒｓｔＢは１画面
に１回のパルスであり、周期は画面読み出し時間（ＮＴ
ＳＣならば１６．７ｍｓｅｃ）である。このパルスは、
ｄｅｔＡ，ｄｅｔＢに重ならないならば任意に設定する
ことができる。

【０１００】なお、上記した実施の形態は、以下の
（１）乃至（６）に説明するように変形することができ
る。

【０１０１】（１）上記した実施の形態の固体撮像素子
１０，４０においては、検波信号がフォトダイオード１
２に入射する強度変調光の変調周期に同期した信号と
し、この強度変調光の変調の周波数は１０ＭＨｚとした
が、これに限られるものではないことは勿論であり、強
度変調光の変調の周波数は任意に変更することが可能な
ものである。

【０１０２】さらに、検波信号をフォトダイオード１２
に入射する強度変調光の変調周期に同期した信号とする
ためには、この強度変調光の変調周期を正確に示す信号
は欠かせないものである。こうした強度変調光の変調周
期を正確に示す信号は、変調光源から送信されるように
してもよいし、あるいは、他のシステムにより強度変調
光の変調周期が検出されて送信されるようにしてもよ
い。

【０１０３】（２）上記した実施の形態の固体撮像素子
１０，４０，５０においては、フォトダイオード１２で
生成された光電子が、フォトダイオード１２に蓄積され
ることなしに蓄積部１４−１，１４−２に蓄積されるこ
とと、フォトダイオード１２で生成された光電子を高速
で蓄積部１４−１，１４−２に移動させることとから、
フォトダイオード１２は小さくするとよい。

【０１０４】具体的には、従来の固体撮像素子において
通常用いられる５μｍ×５μｍのフォトダイオードを本
発明による固体撮像素子１０に配設してもよいが、例え
ば、３μｍ×３μｍのフォトダイオード、あるいは、２
μｍ×２μｍのフォトダイオードを配設するようにする
とよい。この際、こうした小さいフォトダイオードを配
設した場合には開口率が低下するので、マイクロレンズ
を配設して補完するようにするとよい。

【０１０５】（３）上記した実施の形態の固体撮像素子
１０，４０，５０においては、２つあるいは４つの蓄積
部１４−１，１４−２，１４−３，１４−４を有するよ
うにしたが（図２、図４ならびに図６参照）、これに限
られるものではないことは勿論であり、蓄積部の数は複
数あればよく、３つや５つ以上の蓄積部を有するように
してよい。

【０１０６】さらに、複数の蓄積部の配設位置は、いず
れの蓄積部もフォトダイオード１２に近接して配設すれ
ばよい。例えば、図７に示すように、フォトダイオード
１２の外周側に６つの蓄積部１４−１，１４−２，１４
−３，１４−４，１４−５，１４−６を近接するように
配設してもよく、画素の省スペース化や配線効率などに
応じて各種変更をするとよい。

【０１０７】（４）上記した実施の形態の固体撮像素子
１０，４０，５０においては、単一のフォトダイオード
１２に対応して複数の蓄積部を有するようにしたが（図
２、図４ならびに図６参照）、これに限られるものでは
ないことは勿論であり、複数のフォトダイオード１２に
対応して複数の蓄積部を有するようにしてよい（図８参
照）。

【０１０８】なお、図８に示す場合においては、フォト
ダイオード１２−１によって生成された光電子は、蓄積
部１４−１，１４−２，１４−５，１４−６に蓄積さ
れ、フォトダイオード１２−２によって生成された光電
子は、蓄積部１４−２，１４−３，１４−６，１４−７
に蓄積される。

【０１０９】（５）上記した実施の形態の固体撮像素子
１０，４０，５０においては、不純物ドープのポテンシ
ャルバリヤ２２−１，２２−２を設けるようにしたが、
図９に示すように、ポテンシャル操作用の電極として４
つ電極１８−３，１８−４，１８−５，１８−６を配設
して電極印可電圧を多値制御することにより、ポテンシ
ャルバリヤ２２−１，２２−２（図２参照）を設けるこ
となしに、蓄積部に蓄積された光電子がフォトダイオー
ド１２へ逆流することを防止できる。

【０１１０】（６）上記した実施の形態ならびに上記
（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせる
ようにしてもよい。

【０１１１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、高い周波数の光強度位相検波を可能にした
固体撮像素子を提供することができるという優れた効果
を奏する。

【０１１２】また、本発明は、以上説明したように構成
されているので、時間遅れを正確に測定することにより
距離測定を可能にして、３次元の物体認識に用いること
のできる固体撮像素子を提供することができるという優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像素子の動作原理を解説す
るための説明図である。

【図２】（ａ）は本発明による固体撮像素子の実施の形
態の一例の概念構成説明図（断面図）であり、（ｂ）は
図２（ａ）におけるＡ矢視図の一部を省略して示した説
明図である。

【図３】本発明による固体撮像素子の画素周辺のポテン
シャルを示す説明図であり、（ａ）は電極１８−２が正
電位印加状態の場合の固体撮像素子の画素周辺のポテン
シャルを示す説明図であり、（ｂ）は、電極１８−１が
正電位印加状態の場合の固体撮像素子の画素周辺のポテ
ンシャルを示す説明図である。

【図４】本発明による固体撮像素子の画素を所定の２次
元平面に多数並べた２次元配列の固体撮像素子の一例を
示す概念構成説明図である。

【図５】本発明による固体撮像素子の実施の形態の他の
例を用いた３次元物体認識システムを示す説明図であ
る。

【図６】図５に示す３次元物体認識システムに用いられ
る固体撮像素子の画素を中心に示した概念構成説明図で
ある。

【図７】本発明による固体撮像素子の実施の形態の他の
例を示す説明図である。

【図８】本発明による固体撮像素子の実施の形態の他の
例を示す説明図である。

【図９】本発明による固体撮像素子の実施の形態の他の
例を示す説明図である。

【図１０】（ａ）は本発明による固体撮像素子の画素部
分をＭＯＳＦＥＴを用いて構成する場合の回路図であ
り、（ｂ）は（ａ）に示す回路の各種信号の波形を示す
波形図である。

【符号の説明】

１０，４０，５０，１００固体撮像素子１１本体部１１ａ上面１２，１２−１，１２−２，１２−３フォト
ダイオード１４−１，１４−２，１４−３，１４−４，１４−５，
１４−６，１４−７，１４−８蓄積部１６スイッチング回路１８−１，１８−２，１８−３，１８−４，１８−５、
１８−６電極５２３次元物体認識システム５４高周波発生器５６高輝度高速発光ダイオード５８結像光学系６０信号処理装置１０２光電子変換手段１０４−１，１０４−２蓄積手段１０６光電子蓄積制御手段２００被写体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA10 AB01 AB03 BA10 BA14 CA02 DA03 DB09 DD12 FA03 FA06 FA38 5C024 AX01 CY17 GX03 GZ41 5F049 MA01 NB05 QA20 RA08 RA10 UA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強度変調された光を入射し、光電子変換
により光電子を生成する光電子変換手段と、前記光電子変換手段によって生成された光電子を蓄積可
能な複数の蓄積手段と、前記強度変調された光と同期した信号に応じて、前記蓄
積手段のいずれかを選択し、該選択された蓄積手段に前
記光電子変換手段によって生成された光電子を蓄積する
ように制御する光電子蓄積制御手段とを有する固体撮像
素子。
【請求項２】強度変調された光を入射し、光電子変換
により光電子を生成する光電子変換手段と、前記光電子
変換手段によって生成された光電子を蓄積可能な複数の
蓄積手段と、前記強度変調された光と同期した信号に応
じて、前記蓄積手段のいずれかを選択し、該選択された
蓄積手段に前記光電子変換手段によって生成された光電
子を蓄積するように制御する光電子蓄積制御手段とから
なる画素が、所定の２次元平面に複数配設されたもので
ある固体撮像素子。
【請求項３】請求項１または請求項２のいずれか１項
に記載の固体撮像素子において、前記光電子変換手段はフォトダイオードである固体撮像
素子。
【請求項４】請求項１、請求項２または請求項３のい
ずれか１項に記載の固体撮像素子において、さらに、前記蓄積手段は前記光電子変換手段に隣接して配設され
るとともに、前記蓄積手段と前記光電子変換手段との間
には、前記蓄積手段に蓄積された光電子が前記光電子変
換手段に戻るのを防止する逆流防止手段を有する固体撮
像素子。