JP2004356594A

JP2004356594A - Detector of spatial information using intensity modulating light

Info

Publication number: JP2004356594A
Application number: JP2003155712A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Hashimoto; 裕介橋本; Yuji Takada; 裕司高田; Fumikazu Kurihara; 史和栗原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: JP3906824B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detector of spatial information which detects the spatial information at a higher signal-to-noise ratio by discarding a residual charge not used as a signal charge among charges generated at a sensitization portion. <P>SOLUTION: A light-emitting source 2 radiates to space light modulated in intensity by a modulated signal of a predetermined modulation frequency. The sensitization portion 11 provided at an image sensor 1 receives the light modulated in intensity and generates a charge of a quantity corresponding to the intensity of the light received. In a state where a control voltage is applied to a control electrode 12a and the charge is movable to a charge storage portion 12 from the sensitization portion 11, only required charge of the charges generated at the sensitization portion 11 is moved to the charge storage portion 12 by discarding the charge through application of a discarded voltage to a discarded electrode 14a at timing that synchronizes with a cycle of the modulated signal. A signal charge stored in the charge storage portion 12 is delivered to an evaluating portion 5 through a charge takeoff portion 13, and a distance to an object Ob is obtained at the evaluating portion 5. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強度変調された光が照射されている空間からの光を受光することにより空間に関する各種情報を検出する強度変調光を用いた空間情報の検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、強度変調した光を発光源から空間に照射するとともに、この空間に存在する物体により反射された反射光を感光部で受光し、発光源から照射した光と感光部で受光した光との関係に基づいて空間に関する各種情報を検出する技術が知られている。空間に関する情報とは、空間に存在する物体までの距離や空間に存在する物体の反射による受光量の変化などを意味する。
【０００３】
強度変調した光を用いて物体までの距離を求めるには、変調周波数の逆数である変調周期に同期した特定の異なる位相で受光強度を複数回検出し、受光強度を検出した位相と受光強度との関係によって、発光源から照射した光と感光部で受光した光との位相差を求める。たとえば、発光源から照射される光の強度を正弦波で変調し、変調時の特定の異なる位相に対する感光部での受光強度を３回以上（望ましくは４回以上）検出すれば、位相差を求めることができる。
【０００４】
いま、発光源から照射する光が図２９の曲線イのように強度変調され、感光部での受光強度が図２９の曲線ロのように変化したとする。ここで、曲線イの位相が０度、９０度、１８０度、２７０度である４点において受光強度をサンプリングしたときの各受光強度に相当する検出値をそれぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とする。ただし、各位相における検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３は、各位相における瞬間の時刻の入射光に対応するのではなく、たとえば図に集積時間Ｔｗとして示す期間における入射光に対応する。ここで、検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３をサンプリングする期間内では位相差ψが変化せず、かつ発光から受光までの光の減衰率（図では減衰を無視している）にも変化がないものとすれば、検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を９０度毎に求めていることから、各検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３と位相差ψとの関係は、次式で表すことができる。
ψ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝
上述のようにして複数個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３から位相差ψを求めると、変調周期Ｔ〔ｓ〕と位相差ψ〔ｒａｄ〕と光の速度ｃ〔ｍ／ｓ〕とを用いて、物体までの距離Ｌ〔ｍ〕を次式のように求めることができる。
Ｌ≒ｃＴ（ψ／４π）
上述の技術思想を実現する装置としては、１画素について１個の感光部と４個のメモリセルとを設け、１画素内の各メモリセルと感光部との間にそれぞれ設けた電気スイッチを、上述した集積時間Ｔｗに相当する期間にそれぞれオンにすることによって、各メモリセルに各検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を振り分けて蓄積するものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特表平１０−５０８７３６号公報（第７−９頁、図１、図４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に記載された装置では、感光部とメモリセルとの間に設けたスイッチのオンオフのみによって、メモリセルに検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を蓄積するものであるから、感光部において生成した電荷のうちメモリセルに転送されなかった電荷は感光部に暫時残留する。このような残留電荷は、感光部の内部で再結合によって消滅するか、あるいはスイッチが次にオンになったときにメモリセルに転送されることになる。
【０００７】
ここで、測定可能な最大距離がたとえば７．５ｍになる装置を想定する。この場合、変調周波数は２０ＭＨｚになるから、集積時間Ｔｗは変調周期である５０ｎｓよりも短くしなければならない。一方、残留電荷が再結合によって消滅するのに要する時間は通常は１００μｓよりも長いから、メモリセルには集積期間Ｔｗに受光によって生成された電荷だけでなく残留電荷も転送される。つまり、メモリセルに蓄積される電荷には、検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に相当する信号電荷に加えて、残留電荷による雑音成分が混入することになる。感光部で受光する光は強度変調されているから、検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に応じて雑音成分も変化することになり、上述した演算によって位相差ψを求めようとすれば雑音成分による誤差を生じる可能性がある。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、感光部で生成された電荷のうち信号電荷として使用されない残留電荷を廃棄することにより、信号電荷への雑音成分の混入を抑制し、空間情報を高ＳＮ比で検出することを可能とした強度変調光を用いた空間情報の検出装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、所定の変調周波数の変調信号で強度変調された光が照射されている空間からの光を受光し受光強度に対応する量の電荷を生成する感光部と、感光部で生成した電荷のうち信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、廃棄電極を備え感光部で生成した電荷のうち不要電荷として廃棄する電荷の割合が廃棄電極に印加する廃棄電圧に応じて増減する電荷廃棄部と、電荷蓄積部に蓄積した信号電荷を外部に取り出す電荷取出部と、廃棄電極に印加する廃棄電圧を変調信号の周期に同期するタイミングで変化させる制御回路部と、電荷取出部により取り出した電荷を用いて前記空間に関する情報を評価する評価部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記電荷蓄積部が、感光部で生成した電荷のうち電荷蓄積部に移動する電荷の割合を印加される制御電圧に応じて増減させる制御電極を備え、前記制御回路部が、制御電極に印加する制御電圧を一定電圧に保つことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記電荷蓄積部が、感光部で生成した電荷のうち電荷蓄積部に移動する電荷の割合を印加される制御電圧に応じて増減させる制御電極を備え、前記制御回路部が、感光部で生成した電荷を電荷蓄積部に移動させる期間と電荷廃棄部に移動させる期間とが交互に生じるように制御電極への制御電圧と廃棄電極への廃棄電圧とを制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、所定の変調周波数の変調信号で強度変調された光が照射されている空間からの光を受光し受光強度に対応する量の電荷を生成する感光部と、制御電極を備え感光部で生成した電荷のうち信号電荷として蓄積する電荷の割合が制御電極に印加する制御電圧に応じて増減する電荷蓄積部と、廃棄電極を備え感光部で生成した電荷のうち不要電荷として廃棄する電荷の割合が廃棄電極に印加する廃棄電圧に応じて増減する電荷廃棄部と、電荷蓄積部に蓄積した信号電荷を外部に取り出す電荷取出部と、廃棄電極に印加する廃棄電圧を一定電圧に保って電荷の廃棄を行う間に制御電極に印加する制御電圧を変調信号の周期に同期するタイミングで変化させることにより感光部で生成した電荷のうち電荷蓄積部に蓄積する信号電荷の割合を変化させる制御回路部と、電荷取出部により取り出した電荷を用いて前記空間に関する情報を評価する評価部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４の発明において、半導体基板の主表面に前記感光部が複数個配列されるとともにＣＣＤからなる前記電荷蓄積部および前記電荷取出部が前記半導体基板に設けられたＣＣＤイメージセンサを用い、前記電荷廃棄部がＣＣＤイメージセンサに設けたオーバーフロードレインであることを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５の発明において、前記感光部のうち隣接する規定の複数個ずつの感光部を組にし、前記制御回路部は、組である複数個の感光部においてそれぞれ生成された電荷を前記変調信号の周期に同期する異なる位相のタイミングで各別に電荷蓄積部に蓄積させ、前記電荷取出部は組である複数個の感光部に対応して得られた異なる位相に対応する各信号電荷を一度に取り出すことを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明では、請求項１ないし請求項６の発明において、前記電荷蓄積部において信号電荷を蓄積する領域付近に設けた前記制御電極に遮光膜を設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項８の発明では、請求項１ないし請求項７の発明において、前記評価部は前記空間に発光源から照射された光と前記感光部で受光した光との位相差を前記変調信号の異なる位相に対応する複数の信号電荷から求めることを特徴とする。
【００１７】
請求項９の発明では、請求項８の発明において、前記評価部は前記位相差を距離に換算することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下の各実施形態では、強度変調された発光源からの光と感光部において受光した光との位相差を用いて距離を計測する測距装置に本発明の技術を用いる例を説明するが、本発明の技術思想は、距離の測定に限らず、強度変調された光の元の位相と感光部で受光した光の位相差を求める装置や、物体での反射光の変化を求める装置などにも適用可能である。
【００１９】
（第１実施形態）
本実施形態では、図１に示すように、空間に光を照射する発光源２を設けてあり、発光源２から照射される光は制御回路部３によって一定の変調周波数で強度変調される。発光源２には、たとえば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものや半導体レーザと発散レンズとを組み合わせたものなどを用いる。制御回路部３は、たとえば２０ＭＨｚの正弦波で発光源２から照射する光を強度変調する。
【００２０】
一方、前記空間からの光は受光レンズ４を通してイメージセンサ１の感光部１１に入射する。感光部１１は受光強度に応じた量の電荷を生成するものであり、ここではフォトダイオードを想定している。ただし、感光部１１を構成するフォトダイオードの構造としてはｐｎ接合を有する構造のほか、ｐｉｎ構造、ＭＩＳ構造など種々構成を採用することが可能である。本実施形態では、複数個（たとえば、１００×１００個）の感光部１１を２次元平面にマトリクス状に配列したイメージセンサ１を想定しており、イメージセンサ１の受光面である２次元平面には発光源２から光を照射した３次元空間が受光レンズ４を通してマッピングされる。つまり、イメージセンサ１が受光レンズ４を通して見る視野内に存在する物体Ｏｂは感光部１１にマッピングされるから、発光源２から照射された光と各感光部１１で受光した光との位相差を検出すれば、各感光部１１にそれぞれ対応している物体Ｏｂの各部位までの距離を求めることができる。
【００２１】
イメージセンサ１には、感光部１１のほかに、感光部１１で生成された電荷のうち位相差を求めるための信号電荷を蓄積する電荷蓄積部１２と、電荷蓄積部１２に蓄積した信号電荷をイメージセンサ１の外部に取り出す電荷取出部１３と、感光部１１で生成された電荷のうち信号電荷として用いない不要電荷を廃棄する電荷廃棄部１４とが設けられる。電荷蓄積部１２は制御電極１２ａを備え、制御電極１２ａに印加する制御電圧を変化させると感光部１１から電荷蓄積部１２への電荷の移動が制御される。また、電荷廃棄部１４は廃棄電極１４ａを備え、廃棄電極１４ａに印加する廃棄電圧を変化させると感光部１１から電荷廃棄部１４への電荷の移動が制御される。ここにおいて、電荷蓄積部１２は感光部１１ごとに一対一に対応するように設けられ、電荷廃棄部１４は複数個の感光部１１に共通させて一対多に対応するように設けられる。本実施形態では、イメージセンサ１のすべての感光部１１に対して１個の電荷廃棄部１４を設けているものとする。電荷取出部１３を通してイメージセンサ１の出力として取り出される信号電荷は評価部５に入力され、評価部５は、発光源２から照射された光と各感光部１１で受光した光との位相差を求め、さらに位相差に基づいて物体Ｏｂまでの距離を求めて出力する。
【００２２】
従来構成において説明したように、物体Ｏｂまでの距離を求めるには、変調信号の周期に同期したタイミングで検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求める必要があり、感光部１１で生成される電荷のうち変調信号の特定位相（たとえば、０度、９０度、１８０度、２７０度の４位相）に対応する一定の時間幅Ｔｗ（図２９参照）に対応した電荷を信号電荷として電荷蓄積部１２に蓄積することが必要である。つまり、感光部１１に入射する光の強度に対して電荷蓄積部１２に蓄積する信号電荷の割合を、上述した時間幅Ｔｗに相当する期間には多くし、他の期間には少なくする（理想的には０にする）ことが必要である。感光部１１への入射光量に対して信号電荷を生成する割合は感度に相当するから、イメージセンサ１を用いて物体Ｏｂまでの距離を求めるには、イメージセンサ１の感度を制御することが必要であると言える。
【００２３】
上述した構成のイメージセンサ１において感度を制御するためには、制御電極１２ａに印加する制御電圧の大きさを適宜タイミングで制御することが考えられるが、従来構成として説明したように、制御電圧の大きさを制御するだけでは、感光部１１で生成された電荷のうち不要である残留電荷が雑音成分として信号電荷に混入することになる。そこで、本実施形態では、制御電極１２ａに印加する制御電圧は一定電圧に保つことによって、各感光部１１で生成された電荷を各感光部１１に対応してそれぞれ設けた電荷蓄積部１２に常時取り込むようにし、一方、廃棄電極１４ａについては、受光部１１で生成された電荷のうち信号電荷として扱う電荷が生成される期間を除く期間に、受光部１１から電荷廃棄部１４に電荷が移動するように廃棄電圧を印加する。要するに、廃棄電圧を変調信号の周期に同期するタイミングで変化させることによってイメージセンサ１の感度を制御し、電荷蓄積部１２に信号電荷を蓄積するのである。
【００２４】
いま、図２（ａ）のような変調信号によって発光源２から空間に照射される光の強度が変調されているものとする。電荷蓄積部１２には変調信号の複数周期（数万〜数十万周期）において１種類の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を蓄積し、各検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３の蓄積毎に蓄積した信号電荷を取り出して次の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を蓄積する。たとえば、検出値Ａ０を変調信号の数万周期について蓄積すると、この検出値Ａ０に相当する信号電荷を一旦外部に取り出し、その後、検出値Ａ１を変調信号の数万周期について蓄積するというように動作する。図２は検出値Ａ０に相当する信号電荷を蓄積している状態を示しており、図２（ｂ）に示すように制御電極１２ａに印加する制御電圧は一定電圧に保っている。また、検出値Ａ０としては、変調信号の位相が０〜９０度の期間（図２９に示した従来構成における時間幅Ｔｗに相当する）において感光部１１で生成された電荷を採用している。つまり、廃棄電極１４ａには、図２（ｃ）のように変調信号の位相が９０〜３６０度の期間において、感光部１１で生成される電荷を不要電荷とするように廃棄電圧を印加する。要するに、感光部１１から電荷蓄積部１２に電荷が移動している期間のうち信号電荷を蓄積する期間（０〜９０度の期間）に対応する期間以外において廃棄電圧を印加し、所望の検出値Ａ０を得るための信号電荷を蓄積する期間以外では感光部１１で生成した電荷を不要電荷として電荷廃棄部１４に廃棄する。このような制御によって、図２（ｄ）のように所望の検出値Ａ０に対応した信号電荷を取り出すことが可能になる。図２に示す処理は変調信号の数万〜数十万周期について行われ、この期間に電荷蓄積部１２に得られた信号電荷は検出値Ａ０として電荷取出部１３により評価部５に取り出され、評価部５では信号電荷に基づいて空間情報（本実施形態では物体Ｏｂまでの距離）を検出する。
【００２５】
なお、上述の制御では、廃棄電極１４ａに廃棄電圧を印加している期間において制御電極１２ａにも一定電圧である制御電圧を印加しているが、廃棄電圧と制御電圧との大小関係を適宜に設定することによって、不要電荷を廃棄している期間には信号電荷の蓄積がほとんど行われないようにすることができる。また、変調信号の数万〜数十万周期について電荷を蓄積しているのは、蓄積する電荷量を多くすることによって高感度化するためであり、本実施形態では変調信号をたとえば２０ＭＨｚと設定することによって、３０フレーム／秒で信号電荷を取り出すとしても、数十万周期以上の蓄積が可能になる。
【００２６】
上述したように、本実施形態では廃棄電極１４ａを備えた電荷廃棄部１４を設け、感光部１１に生じた電荷のうち信号電荷として利用しない不要電荷を電荷廃棄部１４に積極的に廃棄しているから、感光部１１において電荷蓄積部１２に信号電荷を与えていない期間に感光部１１で生成される電荷はほとんどが不要電荷として廃棄されることになり、信号電荷への雑音成分の混入が大幅に抑制されることになる。
【００２７】
上述した例では検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３をサンプリングする期間を変調信号の１／４周期とし、変調信号の数万〜数十万周期において１種類の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３の信号電荷を蓄積しているが、感光部１１ごとに電荷蓄積部１２と電荷廃棄部１４とを設けている場合には、感光部１１ごとに各検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を振り分けて検出することが可能であるから、変調信号の１周期内で４個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めることも可能である。また検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３のサンプリングのタイミングについても位相の間隔が既知であれば等間隔である必要はない。さらに、発光源２から照射される光の強度を正弦波で変調した例を示したが、三角波あるいは鋸歯状波などの他の波形で強度を変調してもよい。また発光源２から照射する光は可視光線に限らず赤外線などを用いることも可能である。本実施形態では各画素を物体Ｏｂまでの距離に対応付けた距離画像を得るためにイメージセンサ１としてＣＣＤイメージセンサあるいはＣＭＯＳイメージセンサなどであって感光部１１を２次元に配列したものを想定しているが、感光部１１を１次元に配列した構成であってもよい。また、空間において一方向だけの距離を測定する場合や発光源２から光ビームを空間に照射するとともに光ビームを走査するような場合であれば、感光部１１を４個だけ設けた構成を採用することも可能であり、感光部１１を電荷蓄積部１２などと一体に設けたイメージセンサ１ではなく、イメージセンサ１の機能を個別部品により実現してもよい。
【００２８】
（第２実施形態）
第１実施形態では、図２に示すように、制御電極１２ａに一定電圧である制御電圧を印加している期間に廃棄電極１４ａに廃棄電圧を印加することによって、廃棄電圧が印加されていない期間において感光部１１に生成された電荷を信号電荷として用いる例を示したが、本実施形態では、図３に示すように、制御電極１２ａに制御電圧を印加する期間と廃棄電極１４ａに廃棄電圧を印加する期間とが重複しないように制御する例を示す。
【００２９】
ここでは、第１実施形態と同様に、検出値Ａ０に対応する信号電荷を蓄積する場合を例として説明する。いま、図３（ａ）のような変調信号によって発光源２から空間に照射される光の強度が変調されている場合を想定する。図３に示す例では検出値Ａ０を抽出するから、図３（ｂ）のように、検出値Ａ０に対応するタイミングにおいて制御電極１２ａに制御電圧を印加する。制御電極１２ａに制御電圧を印加する期間は、変調信号の位相における０度から一定期間（図示例では０〜９０度）に設定され、この期間において感光部１１から電荷蓄積部１２への電荷の移動が可能になる。一方、廃棄電極１４ａには、図３（ｃ）のように、電荷蓄積部１２に検出値Ａ０に相当する信号電荷を蓄積する期間以外において廃棄電圧を印加し、信号電荷を蓄積する期間以外では感光部１１で生成した電荷を不要電荷として電荷廃棄部１４に廃棄する。このような制御によって、図３（ｄ）のように検出値Ａ０に相当する信号電荷を取り出すことが可能になる。
【００３０】
本実施形態の制御では、制御電極１２ａに制御電圧を印加している期間と廃棄電極１４ａに廃棄電圧を印加している期間とを分離しているから、第１実施形態のように制御電圧と廃棄電圧との大小関係を考慮しなくとも制御電圧と廃棄電圧との大きさを独立して制御することができ、結果的に制御電圧および廃棄電圧の制御が容易になり、感光部１１で受光した光量に対して信号電荷を取り込む割合である感度の制御が容易になるとともに、感光部１１で生成された電荷のうち不要電荷として廃棄する割合の制御が容易になる。
【００３１】
なお、本実施形態では電荷蓄積部１２に信号電荷を蓄積する期間は制御電極１２ａに印加する制御電圧により規定されるから、廃棄電極１４ａに廃棄電圧を印加する期間を短縮することが可能であり、たとえば、制御電極１２ａに制御電圧を印加する直前の所定期間にのみ廃棄電極１４ａに廃棄電圧を印加するようにしてもよい。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態では廃棄電極１４ａを備えた電荷廃棄部１４を設け、感光部１１に生じた電荷のうち信号電荷として利用しない不要電荷を電荷廃棄部１４に積極的に廃棄しているから、感光部１１で生成した電荷を電荷蓄積部１２に信号電荷として蓄積していない期間において感光部１１で生成される電荷を不要電荷として廃棄することができ、信号電荷への雑音成分の混入が大幅に抑制されることになる。他の構成および動作は第１実施形態と同様であるから説明を省略する。
【００３３】
（第３実施形態）
第１実施形態では、図２に示すように、制御電極１２ａに制御電圧を印加している期間に重複させて廃棄電極１４ａに廃棄電圧を印加することによって、廃棄電圧が印加されていない期間において感光部１１に生成された電荷を信号電荷として用いる例を示したが、本実施形態では、図４に示すように、廃棄電極１４ａに印加する廃棄電圧を一定電圧に保って感光部１１で生成された電荷の廃棄をつねに行うようにし、この間において制御電極１２ａに制御電圧を印加する期間が電荷蓄積部１２に信号電荷を蓄積する期間となる例を示す。すなわち、従来構成に対しては、電荷廃棄部１４を設けるとともに、感光部１１から電荷廃棄部１４に対してつねに電荷を廃棄している点が相違する。
【００３４】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、検出値Ａ０に相当する信号電荷を蓄積する場合を例として説明する。いま、図４（ａ）のような変調信号によって発光源２から空間に照射される光の強度が変調されている場合を想定する。本実施形態では、感光部１１において生成された電荷を検出値Ａ０に相当する信号電荷として電荷蓄積部１２に蓄積するために、電荷蓄積部１２に設けた制御電極１２ａに対して、図４（ｂ）のように、検出値Ａ０に対応する期間で制御電圧を印加する。つまり、制御電極１２ａに制御電圧を印加する期間は、変調信号の位相における０度から一定期間（図示例では０〜９０度）に設定され、この期間において感光部１１から電荷蓄積部１２への電荷の移動が可能になる。一方、廃棄電極１４ａには、図４（ｃ）のように、直流電圧である一定電圧の廃棄電圧がつねに印加され、感光部１１で生成された電荷の一部をつねに不要電荷として電荷廃棄部１４に廃棄する。上述の制御では、信号電荷を電荷蓄積部１２に蓄積する期間にのみ制御電極１２ａに制御電圧を印加しているから、図４（ｄ）のように検出値Ａ０に相当する信号電荷を取り出すことが可能になる。
【００３５】
本実施形態の制御では、制御電極１２ａに制御電圧を印加しているか否かにかかわらず廃棄電極１４ａに一定電圧の廃棄電圧を印加しているから、感光部１１において生成された電荷のうち電荷蓄積部１２に信号電荷として蓄積されなかった不要電荷は、廃棄電荷として電荷廃棄部１４に廃棄されることになる。ここに、感光部１１で生成された電荷の一部を信号電荷として電荷蓄積部１２に蓄積する期間においても感光部１１から電荷廃棄部１４への電荷の廃棄が継続しているから、信号電荷を電荷蓄積部１２に適正に蓄積するために、制御電圧と廃棄電圧との大小関係を考慮する必要がある。ただし、廃棄電圧は一定電圧であって廃棄電極１４ａにつねに印加しているだけであるから、実際には制御電圧のみを制御すればよく、制御自体は容易である。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態では廃棄電極１４ａを備えた電荷廃棄部１４を設け、感光部１１に生じた電荷のうち信号電荷として利用しない不要電荷を電荷廃棄部１４に積極的に廃棄しているから、信号電荷への雑音成分の混入が大幅に抑制される。他の構成および動作は第１実施形態と同様であるから説明を省略する。
【００３７】
（第４実施形態）
以下に説明する実施形態では、上述した第１実施形態ないし第３実施形態において説明したイメージセンサ１としてオーバーフロードレインを備えるＣＣＤイメージセンサを用いる例を説明する。
【００３８】
本実施形態では、イメージセンサ１として縦型オーバーフロードレインを備えるインターライン転送型ＣＣＤイメージセンサを用いる。この種のイメージセンサ１としては市場に供されているものを用いることができる。
【００３９】
イメージセンサ１は、図５に示すように、感光部１１となるフォトダイオード２１を水平方向と垂直方向とに複数個ずつ（図示例では３×４個）配列した２次元イメージセンサであって、垂直方向に配列したフォトダイオード２１の各列の右側方に垂直転送ＣＣＤからなる垂直転送部２２を備え、フォトダイオード２１および垂直転送部２２が配列された領域の下方に水平転送ＣＣＤからなる水平転送部２３を備える。垂直転送部２２は各フォトダイオード２１ごとに２個ずつの制御電極２２ａ，２２ｂを備え、水平転送部２３は各垂直転送部２２ごとに２個ずつの制御電極２３ａ，２３ｂを備える。本実施形態では、垂直転送部２２を４相駆動で制御し、水平転送部２３を２相駆動で制御する。つまり、垂直転送部２２の制御電極２２ａ，２２ｂには４相の制御電圧Ｖ１〜Ｖ４を印加し、水平転送部２３の制御電極２３ａ，２３ｂには２相の制御電圧ＶＨ１，ＶＨ２を印加する。この種の駆動技術はＣＣＤの分野において周知であるから、ここでは詳しく説明しない。
【００４０】
フォトダイオード２１と垂直転送部２２と水平転送部２３とは１枚の基板２０上に形成され、基板２０の主表面には、フォトダイオード２１と垂直転送部２２と水平転送部２３との全体を囲む形でアルミニウム電極であるオーバーフロー電極２４が、基板２０の全周に亘って絶縁膜を介さずに基板２０に直接接触するように設けられる。オーバーフロー電極２４に適宜大きさの正電圧Ｖｓを印加すればフォトダイオード２１で生成された電子（電荷）はオーバフロー電極２４を通して廃棄される。つまり、本実施形態ではオーバーフロードレインの一部として基板２０を用いている。オーバーフロードレインは、感光部１１であるフォトダイオード２１において生成した電荷のうち不要電荷を廃棄するから電荷廃棄部１４として機能し、オーバーフロードレインに廃棄する電荷の量はオーバーフロー電極２４に印加する電圧（廃棄電圧）により制御されるからオーバーフロー電極２４は廃棄電極１４ａとして機能する。基板２０の表面はフォトダイオード２１に対応する部位を除いて遮光膜２６（図６参照）により覆われる。
【００４１】
イメージセンサ１について、さらに具体的に説明するために、１個のフォトダイオード２１に関連する部分を切り出して図６に示す。本実施形態では、基板２０にはｎ形半導体を用い、基板２０の主表面にはフォトダイオード２１と垂直転送部２２とに跨る領域にｐ形半導体からなるｐウェル３１を形成している。ｐウェル３１は、フォトダイオード２１に対応する領域よりも垂直転送部２２に対応する領域の厚み寸法を大きく形成してある。ｐウェル３１のうちフォトダイオード２１に対応する領域にはｎ＋形半導体層３２を重ねて設けてあり、ｐウェル３１とｎ＋形半導体層３２とのｐｎ接合によってフォトダイオード２１が形成される。フォトダイオード２１の表面にはｐ＋形半導体からなる表面層３３を積層してある。表面層３３はフォトダイオード２１で生成された電荷を垂直転送部２２に移動させる際に、ｎ＋形半導体層３２の表面付近が電荷の通過経路にならないように制御する目的で設けてある。このような構造は、埋込フォトダイオードとして知られている。
【００４２】
ｐウェル３１のうち垂直転送部２２に対応する領域にはｎ形半導体からなる蓄積転送層３４を重ねて設けてある。蓄積転送層３４の表面と表面層３３の表面とは略同一平面であって、蓄積転送層３４の厚み寸法は表面層３３の厚み寸法よりも大きくしてある。蓄積転送層３４は、表面層３３とは接触しているが、ｎ＋形半導体層３２との間には、表面層３３と不純物濃度が等しいｐ＋形半導体からなる分離層３５が介在する。蓄積転送層３４の表面には、絶縁膜２５を介して制御電極２２ａ，２２ｂが配置される。制御電極２２ａ，２２ｂは１個のフォトダイオード２１に対して２個ずつ設けられ、垂直方向において２個の制御電極２２ａ，２２ｂのうちの一方は他方よりも広幅に形成される。具体的には、図７のように、１個のフォトダイオード２１に対応する２個の制御電極２２ａ，２２ｂのうち狭幅の制御電極２２ｂは平板状に形成されており、広幅の制御電極２２ａは、幅狭の制御電極２２ｂと同一平面上に配列され一対の制御電極２２ｂの間に配置される平板状の部分と、平板状の部分の垂直方向（図７の左右方向）における両端部からそれぞれ延長され制御電極２２ｂの上に重複する湾曲した部分とを備える。ここに、絶縁膜２５はＳｉＯ_２により形成され、また制御電極２２ａ，２２ｂはポリシリコンにより形成され、各制御電極２２ａ，２２ｂは絶縁膜２５を介して互いに絶縁されている。さらに、フォトダイオード２１に光を入射させる部位を除いてイメージセンサ１の表面は遮光膜２６により覆われる。ｐウェル３１において垂直転送部２２に対応する領域および蓄積転送層３４は垂直転送部２２の全長に亘って形成され、したがって、蓄積転送層３４には広幅の制御電極２２ａと狭幅の制御電極２２ｂとが交互に配列されることになる。
【００４３】
次に、上述したイメージセンサ１を駆動する技術について説明する。上述したイメージセンサ１では、フォトダイオード２１に光が入射すれば感光部１１であるフォトダイオード２１において電荷が生成される。また、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち垂直転送部２２に信号電荷として引き渡される電荷の割合は、制御電極２２ａに印加する制御電圧と廃棄電極１４ａであるオーバーフロー電極２４に印加する廃棄電圧との関係によって決めることができる。具体的には、制御電極２２ａに印加する制御電圧に応じて蓄積転送層３４に形成されるポテンシャル井戸の深さおよび制御電圧を印加する時間と、オーバーフロー電極２４に印加する廃棄電圧に応じて廃棄電極１４ａに応じて形成されるフォトダイオード２１と基板２０との間の電位勾配および廃棄電圧を印加する時間との関係によって、垂直転送部２２に引き渡される電荷の割合が決まる。制御電圧と廃棄電圧との制御は第１実施形態〜第３実施形態に記載したいずれかの技術を用いる。ただし、本実施形態では、第１実施形態と同様に、制御電極２２ａに制御電圧を印加する期間の一部が廃棄電極１４ａに廃棄電圧を印加する期間に重複するように制御する場合を想定する。
【００４４】
垂直転送部２２は、個々の制御電極２２ａ，２２ｂに印加する制御電圧を制御することによってフォトダイオード２１で生成された電荷が引き渡されるだけではなく、制御電圧に応じて各制御電極２２ａ，２２ｂに対応する部位にポテンシャル井戸を形成する。つまり、垂直転送部２２は蓄積転送層３４に絶縁膜２５を介して制御電極２２ａ，２２ｂを配置しているから、制御電極２２ａ，２２ｂに制御電圧を印加することによって蓄積転送部３４にポテンシャル井戸を形成するのであって、ポテンシャル井戸の深さおよび幅で決まる容量の範囲内で信号電荷の蓄積が可能になる。このように、ポテンシャル井戸は信号電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能する。また、垂直転送部２２では、制御電圧の大きさおよびタイミングを変化させることによって、蓄積された信号電荷を水平転送部２３に送り出すことができる。垂直転送部２２から水平転送部２３に送り出された信号電荷は、水平転送部２３を転送されて外部に評価部５（図１参照）に取り出される。つまり、垂直転送部２２および水平転送部２３は電荷取出部として機能する。
【００４５】
いま、フォトダイオード２１で生成された電荷がどのように移動するかを説明するために、図６中の破線Ｌ１に沿った電子のポテンシャルを図８に示す。すなわち、図８における中央部はフォトダイオード２１に相当する領域、左部は基板２０（オーバーフロードレイン）に相当する領域、右部は垂直転送部２２に相当する領域をそれぞれ示す。また、オーバーフロー電極２４に電圧を印加していない状態では、フォトダイオード２１と基板２０との間にはｐウェル３１によるポテンシャル障壁Ｂ１が形成され、フォトダイオード２１と垂直転送部２２との間には分離層３５によるポテンシャル障壁Ｂ２が形成される。ポテンシャル障壁Ｂ１，Ｂ２を破線で示しているのは、これらのポテンシャル障壁Ｂ１，Ｂ２の高さが可変であるからである。つまり、制御電極２２ａ，２２ｂへの印加電圧によってポテンシャル障壁Ｂ２の高さを制御することができ、オーバーフロー電極２４への印加電圧によってポテンシャル障壁Ｂ１の高さを制御することができる。
【００４６】
制御電極２２ａへの制御電圧Ｖ１とオーバーフロー電極２４への廃棄電圧Ｖｓとの印加状態と、フォトダイオード２１で生成された電荷の移動との関係を図９に示す。図９（ａ）は制御電極２２ａに比較的高い正電圧の制御電圧Ｖ１を印加することにより分離層３５によるポテンシャル障壁Ｂ２を取り除き、蓄積転送部３４にポテンシャル井戸２７を形成した状態である。この期間には、ポテンシャル障壁Ｂ１が形成されるように、オーバーフロー電極２４に比較的低い廃棄電圧Ｖｓを印加する。つまり、ポテンシャル障壁Ｂ１が存在することによって、フォトダイオード２１で生成された電荷（電子ｅ）は基板２０に移動できない状態であって、この期間には、フォトダイオード２１で生成された電荷は、ポテンシャル井戸２７の容量が許す限り信号電荷として垂直転送部２２に移動する。
【００４７】
一方、図９（ｂ）は図９（ａ）のように制御電極２２ａに比較的高い正電圧の制御電圧Ｖ１を印加した状態で、オーバーフロー電極２４にも比較的高い正電圧の廃棄電圧Ｖｓを印加した状態であって、基板２０のポテンシャルを垂直転送部２２のポテンシャルよりも低くなるようにオーバーフロー電極２４に印加する廃棄電圧Ｖｓを設定してある。この状態では、ｐウェル３１によるポテンシャル障壁Ｂ１がほぼ除去され、フォトダイオード２１に対する基板２０の電位勾配が、フォトダイオード２１に対する垂直転送部２２の電位勾配よりも大きくなるから、フォトダイオード２１で生成された電荷の多くは、図９（ｂ）に矢印で示すように、不要電荷として基板２０に移動し廃棄されることになる。つまり、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち信号電荷となる割合が図９（ａ）の状態よりも大幅に低減するから、感光部１１の感度が実質的に低下したことになる。ここに、信号電荷と不要電荷との割合つまり感度は、制御電極２２ａとオーバーフロー電極２４とに印加する電圧の大小関係によって決まるのであって、電子のポテンシャルのより低いほうにより多くの電荷（電子）が移動することになる。なお、図９（ａ）の状態で垂直転送部２２に移動した電荷はフォトダイオード２１よりもポテンシャルの低いポテンシャル井戸２７に蓄積されているから、図９（ｂ）の状態において基板２０には移動しない。
【００４８】
垂直転送部２２に蓄積された信号電荷を読み出すには、図９（ｃ）のように、ポテンシャル障壁Ｂ２が生じるように、制御電極２２ａへの制御電圧Ｖ１の印加を遮断する（比較的低い制御電圧Ｖ１を印加してもよい）。また、図示例ではこの期間においてポテンシャル障壁Ｂ１が形成されるように、オーバーフロー電極２４に比較的低い廃棄電圧Ｖｓを印加している。ただし、ポテンシャル障壁Ｂ１は必須ではなく、ポテンシャル障壁Ｂ２が形成されていればよい。ポテンシャル障壁Ｂ２を形成することによって、フォトダイオード２１から垂直転送部２２への電荷の流入を禁止し、かつ垂直転送部２２からフォトダイオード２１への電荷の流出を禁止する。この状態で、垂直転送部２２に蓄積された信号電荷を水平転送部２３を通して評価部５に読み出す。
【００４９】
垂直転送部２２に蓄積された信号電荷は、上述した４個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３のうちの各１個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３が求められるたびに読み出される。たとえば、検出値Ａ０に相当する信号電荷が各フォトダイオード２１に対応して形成されるポテンシャル井戸２７に蓄積されると信号電荷を読み出し、次に検出値Ａ１に相当する信号電荷がポテンシャル井戸２７に蓄積されると再び信号電荷を読み出すという動作を繰り返す。なお、各検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を蓄積する期間は等しく設定しておくのはもちろんのことである。また、各検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を読み出す順序は上述の例に限定されるものではなく、検出値Ａ０の次に検出値Ａ２を求めるなどとしてもよい。他の構成および動作は第１実施形態と同様である。
【００５０】
（第５実施形態）
本実施形態では、市場に供されている横型オーバーフロードレインを備えるインターライン転送型ＣＣＤをイメージセンサ１に用いる例を示す。
【００５１】
本実施形態に用いるイメージセンサ１は、図１０に示すように、垂直方向に配列したフォトダイオード２１の各列の左側方にｎ形半導体からなる電荷廃棄部１４としてのオーバーフロードレイン４１を設けてある。図示例ではフォトダイオード２１を水平方向に３個並べるとともに垂直方向に４個並べているから、オーバーフロードレイン４１は３列であり、各オーバーフロードレイン４１の上端同士は、左右方向に配置したアルミニウム電極であるオーバーフロー電極２４を介して接続してある。垂直転送部２２および水平転送部２３は第４実施形態において用いたイメージセンサ１と同様の機能を有する。
【００５２】
１個のフォトダイオード２１に関連する部分を切り出した図１１を用いてイメージセンサ１の構造を説明する。本実施形態ではｐ形半導体の基板４０を用いており、基板４０の主表面においてフォトダイオード２１に対応する領域には、基板４０とともにフォトダイオード２１を形成するｎ＋形半導体層４２が重ねて形成され、基板４０の主表面において垂直転送部２２に対応する領域にはｎ形半導体からなる蓄積転送層４４が重ねて形成されている。ｎ＋形半導体層４２と蓄積転送層４４との間にはｐ＋形半導体からなる分離層４５ａが形成され、ｎ＋形半導体層４２に対して蓄積転送層４４とは反対側にはｐ＋形半導体からなる分離層４５ｂを介してオーバーフロードレイン４１が設けられる。ｎ＋形半導体層４２と両分離層４５ａ，４５ｂとに跨る部位の表面には、フォトダイオード２１で生成された電荷を垂直転送部２２に移動させる際に、ｎ＋形半導体層４２の表面付近を電荷が通らないように制御する目的で、不純物濃度が分離層４５ａ，４５ｂと等しいｐ＋形半導体からなる表面層４３を積層してある。蓄積転送層４４の表面と表面層４３の表面とオーバフロードレイン４１の表面とは略同一平面になっている。また、オーバーフロードレイン４１はｎ＋形半導体層４２よりも深い位置まで基板４０内に入り込んでいる。
【００５３】
蓄積転送層４４の表面には、絶縁膜２５を介して制御電極２２ａ，２２ｂが配置される。制御電極２２ａ，２２ｂは１個のフォトダイオード２１に対して２個ずつ設けられ、垂直方向において２個の制御電極２２ａ，２２ｂのうちの一方は他方よりも広幅に形成される。さらに、フォトダイオード２１に光を入射させる部位を除いてイメージセンサ１の表面は遮光膜２６により覆われる。これらの構造については第４実施形態に用いたイメージセンサ１と同様である。
【００５４】
本実施形態の動作は基本的には第４実施形態と同様であって、図１１の破線Ｌ２に沿った電子のポテンシャルを示している図１２および図１３を図８および図９と比較すればわかるように、フォトダイオード２１において生成された廃棄電荷が、第４実施形態では基板２０を通っていたのに対して本実施形態では基板２０を通らずにオーバーフロードレイン４１を通る点で相違する。
【００５５】
本実施形態においてイメージセンサ１として用いた横型オーバーフロードレインを備えるインターライン転送型ＣＣＤのフォトダイオード２１に用いるｎ＋形半導体層４２は、第４実施形態において用いた縦型オーバーフロードレインを備えるインターライン転送型ＣＣＤのフォトダイオード２１を構成するｎ＋形半導体層３２に比較すると深さ寸法を大きくとることが可能になる。つまり、縦型オーバーフロードレインを設ける場合にはフォトダイオード２１を基板２０の上に形成する必要があったのに対して、横型オーバーフロードレインを設ける場合には基板４０がフォトダイオード２１を形成する一方の半導体層になるから、全体の厚み寸法に対して深さ方向におけるｎ＋形半導体層４２の割合を大きくとることが可能になるのである。このように、フォトダイオード２１を形成するｎ＋形半導体層４２の深さ寸法を大きくとることができるから、オーバーフロードレイン４１がフォトダイオード２１に並設されることによって受光面積が第４実施形態よりも減少するものの、第４実施形態に比較すると近赤外線に対する感度が比較的高くなるという利点が生じる。他の構成および機能は第４実施形態と同様である。
【００５６】
（第６実施形態）
本実施形態は、イメージセンサ１として、市場に供されている縦型オーバーフロードレインを備えるフレーム転送型ＣＣＤを用いるものである。
【００５７】
イメージセンサ１は、図１４に示すように、感光部１１であるフォトダイオード２１を水平方向と垂直方向とに複数個ずつ（図示例では４×４個）配列した２次元イメージセンサであって、垂直方向に配列したフォトダイオード２１を垂直転送ＣＣＤとして機能させる撮像部Ｄ１を備え、さらに光電変換機能を持たない垂直転送ＣＣＤをフォトダイオード２１の各列に垂直方向において連続して形成した蓄積部Ｄ２を備える。また、蓄積部Ｄ２における垂直転送ＣＣＤの各列の下端に電荷取出部となる水平転送ＣＣＤからなる水平転送部２３を設けてある。本実施形態では、フォトダイオード２１と垂直転送ＣＣＤとがともに電荷を蓄積しかつ電荷を垂直方向に転送する機能を有するのであって、撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２とが電荷蓄積部１２および電荷取出部１３として機能する。
【００５８】
各フォトダイオード２１はそれぞれ垂直方向に配列された３個ずつの制御電極２１ａ〜２１ｃを受光面に備え、蓄積部Ｄ２における垂直転送ＣＣＤの各列は各フォトダイオード２１に設けた３個の制御電極２１ａ〜２１ｃと同様の配列を有する３個の制御電極２８ａ〜２８ｃを組にして備える。図示例では撮像部Ｄ１において垂直方向の１列について４個ずつのフォトダイオード２１を設け、蓄積部Ｄ２おいて２組６個の制御電極２８ａ〜２８ｃを設けてある。また、水平転送部２３は、第４実施形態と同様に、各列ごとに２個ずつの制御電極２３ａ，２３ｂを備える。フォトダイオード２１に設けた制御電極２１ａ〜２１ｃは６相の制御電圧Ｖ１〜Ｖ６により６相で駆動され、制御電極２８ａ〜２８ｅは３相の制御電圧ＶＶ１〜ＶＶ３により３相で駆動され、制御電極２３ａ，２３ｂは２相の制御電圧ＶＨ１，ＶＨ２により２相で駆動される。水平転送部２３では蓄積部Ｄ２から１水平ラインごとの信号電荷を取り出し、１水平ラインごとの信号電荷を外部に出力する。この種の駆動技術はＣＣＤの分野において周知であるから、ここでは詳しく説明しない。
【００５９】
撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２と水平転送部２３とは１枚の基板５０上に形成され、基板５０にはアルミニウム電極であるオーバーフロー電極２４が絶縁膜を介さずに直接接触するように設けられる。つまり、基板５０はオーバーフロードレインとして機能する。オーバーフロー電極２４は、基板５０の表面において撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２と水平転送部２３との全体を囲むように形成される。基板５０の表面はフォトダイオード２１に対応する部位を除いて遮光膜（図示せず）により覆われる。
【００６０】
図１５に基づいて１個のフォトダイオード２１に関連する部分の構造を説明する。本実施形態では、基板５０としてｎ形半導体を用いており、基板５０の主表面にはｐ形半導体層５１が形成され、ｐ形半導体層５１の主表面にはｎ形半導体からなるｎウェル５２が形成される。さらに、ｐ形半導体層５１とｎウェル５２とに跨る部位の表面にはＳｉＯ_２からなる絶縁膜５３を介して３個の制御電極２１ａ〜２１ｃが重ねられる。つまり、本実施形態では、ｎウェル５２と絶縁膜５３と制御電極２１ａ〜２１ｃとによりＭＩＳ形のフォトダイオード２１を形成している。制御電極２１ａ〜２１ｃはポリシリコンにより形成される。ｎウェル５２は撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２とに連続して形成されており、ｎウェル５２において電荷の蓄積と転送とを行うようにしている。つまり、撮像部Ｄ１ではｎウェル５２において電荷の生成と蓄積と転送とを行い、蓄積部Ｄ２ではｎウェル５２において電荷の蓄積と転送とを行う。
【００６１】
次に、上述したイメージセンサ１を駆動する技術について説明する。上述したイメージセンサ１では、フォトダイオード２１に光が入射すればフォトダイオード２１において電荷が生成される。ここで、制御電極２１ａ〜２１ｃに適宜の電圧を印加しておけば、ｎウェル５２に電荷蓄積部としてのポテンシャル井戸が形成され、生成された電荷をポテンシャル井戸に蓄積することができる。また、制御電極２１ａ〜２１ｃに印加する電圧を制御することによって、ポテンシャル井戸の深さを変化させて電荷を転送することができる。一方、オーバーフロー電極２４に適宜の廃棄電圧Ｖｓを印加すれば、フォトダイオード２１で生成された電荷は基板５０を通して廃棄されるから、オーバーフロー電極２４への印加電圧および電圧を印加する時間を制御することによって、フォトダイオード２１で生成された電荷のうちｎウェル５２のポテンシャル井戸に蓄積される信号電荷の割合を変化させることができる。
【００６２】
フォトダイオード２１で生成された電荷がどのように移動するかを説明するために、図１５中の破線Ｌ３に沿った電子のポテンシャルを図１６に示す。図１６における右部はフォトダイオード２１に相当する領域、左部は基板５０に相当する領域をそれぞれ示す。また、オーバーフロー電極２４に電圧を印加していない状態では、フォトダイオード２１（ｎウェル５２）と基板５０との間にはｐ形半導体層５１によるポテンシャル障壁Ｂ３が形成される。フォトダイオード２１（ｎウェル５２）において基板５０と対向していない部位にはｐ形半導体層５１によるポテンシャル障壁Ｂ４が形成され、フォトダイオード２１により形成された電荷（電子ｅ）が外部に漏れ出さないようになっている。ポテンシャル障壁Ｂ３はオーバーフロー電極２４への印加電圧に応じて高さを制御することができる。
【００６３】
一方、制御電極２１ａ〜２１ｃに電圧を印加することによりｎウェル５２に形成されるポテンシャル井戸に蓄積される電荷の量は、制御電極２１ａ〜２１ｃへの印加電圧によって決まるポテンシャル井戸の深さによって決まる。つまり、３個の制御電極２１ａ〜２１ｃのうち中央の制御電極２１ｂに印加する電圧を両側の制御電極２１ａ，２１ｃに印加する電圧よりも高くすると、図１７（ａ）のように中央部がもっとも深くなったポテンシャル井戸２７が形成される。ここで、オーバーフロー電極２４に適宜の電圧を印加することにより、基板５０のポテンシャルをｎウェル５２よりも引き下げ、さらに、図１８（ａ）〜（ｃ）のように、中央の制御電極２１ｂはポテンシャル障壁Ｂ３が残るように電圧を印加し、両側の制御電極２１ａ，２１ｃはポテンシャル障壁Ｂ３が取り除かれるように電圧を印加すれば、各制御電極２１ａ〜２１ｃに対応する領域のうち図１８（ｂ）に示す中央部で電子ｅがもっとも多く蓄積され、図１８（ａ）（ｃ）に示す両側部では電荷が基板５０を通して廃棄されることになる。
【００６４】
ここで、中央の制御電極２１ｂに対応するポテンシャル井戸２７には、フォトダイオード２１が電荷を生成している期間において、両側の制御電極２１ａ，２１ｃで生成された電荷の一部が流れ込むから、制御電極２１ａ，２１ｃで生成された一部の電荷が雑音成分として混ざり込むことになる。また、４個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３のうちの１個が得られるたびに信号電荷を転送するから、信号電荷の転送中にフォトダイオード２１で生成される電荷が検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に雑音成分として混入することになる。ただし、これらの雑音成分は積分によって平均化され、位相差ψを求める際の減算によってほぼ除去されるから、雑音成分の影響は小さくなる。つまり、フレーム転送型ＣＣＤを用いながらも精度よく位相差ψを求めることが可能になる。
【００６５】
なお、上述の例では１個のフォトダイオード２１に対して３個の制御電極２１ａ〜２１ｃを対応させているが、１個のフォトダイオード２１に対応させる制御電極の個数にはとくに制限はない。他の構成および動作は第４実施形態と同様である。
【００６６】
（第７実施形態）
本実施形態は、第６実施形態と同様にフレーム転送型ＣＣＤを用いるものであるが、縦型オーバーフロードレインではなく横型オーバーフロードレインを設けている。
【００６７】
本実施形態に用いるイメージセンサ１は、図１９に示すように、垂直方向に配列したフォトダイオード２１の各列の右側方にｎ形半導体からなるオーバーフロードレイン６１を設けてある。図示例ではフォトダイオード２１を水平方向に４個並べるとともに垂直方向に４個並べているから、オーバーフロードレイン６１は４列であり、各オーバーフロードレイン６１の上端同士は、左右方向に配置したアルミニウム電極であるオーバーフロー電極２４を介して接続してある。撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２と水平転送部２３とは第６実施形態において用いたイメージセンサ１と同様の機能を有する。
【００６８】
１個のフォトダイオード２１に関連する部分を切り出した図２０を用いてイメージセンサ１の構造を説明する。本実施形態ではｐ形半導体の基板６０を用いており、基板６０の主表面にはｐ形半導体層６２が形成され、このｐ形半導体層６２にｎ形半導体からなるｎウェル６３が形成され、ｐ形半導体層６２とｎウェル６３とによりフォトダイオード２１が形成される。ｐ形半導体層６２においてｎウェル６３に隣接する部位にはｐ＋半導体からなるｐ＋ウェル６４が形成され、ｐ＋ウェル６４の表面側にｎ形半導体からなるオーバーフロードレイン６１が形成される。このように基板６０の導電形が異なる点、オーバーフロードレイン６１を設けている点を除けば、イメージセンサ１の基本的な構造は第６実施形態と同様である。
【００６９】
本実施形態の動作は第６実施形態と同様であって、図２０の破線Ｌ４に沿った電子のポテンシャルを示している図２１を図１６と比較すればわかるように、フォトダイオード２１において生成された電荷を廃棄する電荷廃棄部が、第６実施形態では基板５０であったのに対して本実施形態ではオーバーフロードレイン６１である点のみ相違する。制御電極２１ａ〜２１ｃに電圧を印加することによりｎウェル６３に形成されるポテンシャル井戸に蓄積される電荷の量は、制御電極２１ａ〜２１ｃへの印加電圧によって決まるポテンシャル井戸の深さによって決まる。つまり、３個の制御電極２１ａ〜２１ｃのうち中央の制御電極２１ｂに印加する電圧を両側の制御電極２１ａ，２１ｃに印加する電圧よりも高くすると、中央の制御電極２１ｂに対応するポテンシャル井戸がもっとも深くなる。ここで、オーバーフロー電極２４に適宜の電圧が印加されてポテンシャル障壁Ｂ３が引き下げられているとすれば、図１８（ａ）〜（ｃ）のように、中央の制御電極２１ｂに対応するポテンシャル井戸に電荷を残し、両側の制御電極２１ａ，２１ｃに対応する領域で生成された電荷はオーバーフロードレイン６１に廃棄することが可能になる。他の構成および動作は第６実施形態と同様である。
【００７０】
（第８実施形態）
第６実施形態および第７実施形態において説明したフレーム転送型ＣＣＤをイメージセンサ１に用いる構成において、各フォトダイオード２１には３個の制御電極２１ａ〜２１ｃを設ける例を示したが、上述のように１個のフォトダイオード２１に設ける制御電極の個数は３個に制限されるものではない。
【００７１】
本実施形態では、１個のフォトダイオード２１に対して４個の制御電極を設ける場合について説明する。図２３において１〜４の数字は各制御電極に対応しており、繰り返して表記している１〜４の数字の１回の繰り返し周期が１個のフォトダイオード２１の領域に対応する。図２３（ａ）はフォトダイオード２１で生成した電荷を蓄積する期間、図２３（ｂ）は不要な電荷を廃棄する期間を示している。さらに、閾値Ｔｈ１はオーバーフロードレインのポテンシャルを示している。
【００７２】
図２３（ａ）に示すように、電荷を蓄積する期間においては、各フォトダイオード２１で生成された電荷が混合されないように、制御電極（１）には電圧を印加せずに隣合うフォトダイオード２１の間にポテンシャル障壁を形成する。また、制御電極（２）〜（４）に印加する電圧を段階的に低くし、階段状のポテンシャル井戸２７を形成する。ここで、制御電極（３）（４）に対応する部位のポテンシャルは閾値Ｔｈ１よりも高くしておく。制御電極（２）に対応する部位ではポテンシャル井戸２７がもっとも深くなり、ポテンシャルが閾値Ｔｈ１よりも低くなるから、フォトダイオード２１への光の照射により生成された電荷（電子ｅ）は、主として制御電極（２）に対応する部位に蓄積される。
【００７３】
図２３（ｂ）に示すように、電荷を廃棄する廃棄期間においては、蓄積期間においてポテンシャルがもっとも低い制御電極（２）に対応する部位に蓄積された電荷が外部に漏出しないように、制御電極（３）（４）に対応する部位のポテンシャルを引き上げる。この動作によって、蓄積期間において制御電極（１）（３）（４）に対応して生成された電荷は制御電極（２）に対応する部位とオーバーフロードレインとに分かれて流れる。したがって、電荷の蓄積期間と廃棄期間との比率を適宜に調節することにより、フォトダイオード２１で生成される電荷のうち不要電荷となる電荷の量を調節することができ、結果的に感度を調節することができる。他の構成および動作は第６実施形態または第７実施形態と同様である。
【００７４】
（第９実施形態）
本実施形態は、図２４に示すように、１個のフォトダイオード２１に対して６個の制御電極（１）〜（６）を設けた例である。図２４において１〜６の数字は各制御電極に対応している。図２３に示した例と同様に、図２４（ａ）は電荷を蓄積する期間、図２４（ｂ）は電荷を廃棄する期間を示している。
【００７５】
図２４（ａ）に示すように、電荷を蓄積する期間においては、各フォトダイオード２１で生成された電荷が混合されないように、制御電極（１）には電圧を印加せずに隣合うフォトダイオード２１の間にポテンシャル障壁を形成する。また、制御電極（２）〜（６）のうち制御電極（４）に対応する部位のポテンシャルをもっとも低くし、残りの制御電極（２）（３）（５）（６）に対応する部位のポテンシャルは段階的に高くする。さらに、制御電極（２）（３）（５）（６）に対応する部位のポテンシャルはオーバーフロードレインのポテンシャルである閾値Ｔｈ２よりも高くしておく。制御電極（４）に対応する部位ではポテンシャルがもっとも低くなり、このポテンシャルは閾値Ｔｈ２よりも低いから、フォトダイオード２１への光の照射により生成された電荷（電子ｅ）は、主として制御電極（４）に対応する部位に蓄積される。
【００７６】
図２４（ｂ）に示すように、電荷を廃棄する期間においては、蓄積期間においてポテンシャルがもっとも低い制御電極（４）に対応する部位に蓄積された電荷が外部に漏出しないように、制御電極（２）（３）（５）（６）に対応する部位のポテンシャルを引き上げる。この動作によって、蓄積期間において制御電極（１）（２）（３）（５）（６）に対応して生成された電荷は制御電極（４）に対応する部位とオーバーフロードレインとに分かれて流れる。したがって、本実施形態でも第８実施形態と同様に、電荷の蓄積期間と廃棄期間との比率を適宜に調節することにより、フォトダイオード２１で生成される電荷のうち不要電荷となる電荷の量を調節することができ、結果的に感度を調節することができる。他の構成および動作は第６実施形態または第７実施形態と同様である。
【００７７】
（第１０実施形態）
上述したように、フレーム転送型ＣＣＤを用いると、検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求める期間以外にフォトダイオード２１で生成された電荷が雑音成分として信号電荷に混入する。このような雑音成分は略一定であり、かつ検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求める期間において電荷を蓄積することによって平均化されるから、位相差を求めることができる程度には雑音成分を除去することが可能である。しかしながら、雑音成分があるとＳＮ比が低下するから、電荷の蓄積や転送に関連する部位ではダイナミックレンジを大きくとることが要求され、結果的に高コストになる。
【００７８】
そこで、本実施形態では、図２５に示すように、フォトダイオード２１のうち信号電荷を蓄積する領域付近と電荷の生成に関与しない領域とに遮光膜６５を設けている。図示例は第９実施形態のように１個のフォトダイオード２１に対して６個の制御電極を設けた場合の構成例であって、具体的には、制御電極（１）（４）に対応する部位に遮光膜６５を設けることによって、フォトダイオード２１のうち制御電極（２）（３）（５）（６）に対応する部位で電荷（電子ｅ）を生成するようにしている。この構成によって、主として制御電極（２）（３）（５）（６）に対応する部位で電荷の生成が行われ、制御電極（４）が電荷の生成にはほとんど寄与しなくなる。つまり、制御電極（４）において雑音成分が生成されず、遮光膜６５を形成していない場合に比較するとＳＮ比を向上させることが可能になる。他の構成および機能は第９実施形態と同様である。
【００７９】
なお、第４実施形態ないし第１０実施形態において、制御電圧と廃棄電圧との制御タイミングとして第１実施形態の技術を適用する例について説明したが、第２実施形態、第３実施形態の技術を適用してもよいのはもちろんのことである。
【００８０】
上述した各実施形態では、４個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３のうちの１個を求めるたびに電荷を取り出す構成を採用していたが、以下に説明するイメージセンサ１では、複数個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めてから一括して取り出すことを可能にしたものである。
【００８１】
（第１１実施形態）
本実施形態は、図１９に示した横型オーバーフロードレインを備えるフレーム転送型ＣＣＤの一部構成を変更したイメージセンサ１を用いる。すなわち、図２６に示すように、各フォトダイオード２１ごとにオーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂを設けた構成を採用し、各フォトダイオード２１で生成した電荷を個別に廃棄することを可能としている。この構成では、各オーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂに変調信号の周期に同期した廃棄電圧を印加することによって、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち電荷蓄積部であるポテンシャル井戸に移動する信号電荷の割合を調節する。ただし、本実施形態では、各オーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂのうち、信号電荷を転送する方向において隣接する各一対のオーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂに廃棄電圧φ１，φ２を印加するタイミングは、変調信号において位相が１８０度異なるタイミングとする。２個の感光部１１に対して位相が１８０度異なるタイミングで廃棄電圧φ１，φ２を印加することによって、変調信号において位相が１８０度異なるタイミングに対応した信号電荷を各感光部１１に対応して形成されるポテンシャル井戸に蓄積することができる。つまり、隣接した２個の感光部１１にそれぞれ形成されるポテンシャル井戸に変調信号における異なる位相に対応した信号電荷を蓄積することができ、位相差ψを求めるのに必要な４個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３のうちの２個を一括して取り出すことが可能になる。このようにして、検出値Ａ０と検出値Ａ２とを一括して取り出し、検出値Ａ１と検出値Ａ３とを一括して取り出すことが可能になる。
【００８２】
本実施形態の構成では、信号電荷に対して目的外の電荷が混在するから雑音成分が生じるものの、雑音成分は信号電荷の量に比較すると少なく、また信号電荷に対して略一定の割合で混在するから、位相差ψを求める際には雑音成分の影響は低減される。他の構成および動作は第７実施形態と同様である。
【００８３】
（第１２実施形態）
第１１実施形態では、フレーム転送型ＣＣＤを用いているが、図２７に示すように、横型オーバーフロードレインを用いたインターライン転送型ＣＣＤを用いることによっても同様の動作が可能である。つまり、図１０に示した第５実施形態の構成において、各フォトダイオード２１ごとにオーバーフロードレイン４１ａ，４１ｂを分割して設けた構成のイメージセンサ１を用い、さらに垂直転送部２２においては、各フォトダイオード２１ごとに３個ずつの制御電極２２ａ〜２２ｃを設ければよい。この構成のイメージセンサ１において、垂直方向に隣接するオーバフロードレイン４１ａ，４１ｂに対して変調信号における異なる位相の廃棄電圧を与え、また各制御電極２２ａ〜２２ｂについては、第１１実施形態における制御電極（１）〜（６）と同様に６相の制御電圧で駆動すれば、検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を２個ずつ求めることが可能になる。他の構成および動作は第１１実施形態と同様である。
【００８４】
第１１実施形態ではオーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂごとに３個ずつの制御電極２１ａ〜２１ｃを対応付け、第１２実施形態ではオーバフロードレイン４１ａ，４１ｂごとに３個ずつの制御電極２２ａ〜２２ｃを対応付けているが、それぞれ４個以上設けるようにしてもよい。また、変調信号の位相において１８０度異なるタイミングの廃棄電圧φ１，φ２を異なるオーバフロードレインに与える構成を採用しているが、たとえば変調信号において９０度ずつ位相の異なるタイミングで廃棄電圧を互いに異なるオーバフロードレインに与える構成とすれば、４個の検出値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を一括して取り出すことも可能である。さらに、廃棄電圧を印加するタイミングは、変調信号の周期に同期した特定の位相であればよく、間隔は適宜に設定可能である。
【００８５】
上述した各実施形態では、インターライン転送型ＣＣＤあるいはフレーム転送型ＣＣＤを用いる例を示したが、図２８に示すように、図１４に示したフレーム転送型ＣＣＤの撮像部Ｄ１をインターライン転送型ＣＣＤのフォトダイオード２１と垂直転送部２２とに置換した構成のフレームインターライン転送ＣＣＤを用いることも可能である。この構成のイメージセンサ１は、フレーム転送型ＣＣＤに比較するとスミアの発生を抑制することができる。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１の発明の構成によれば、廃棄電極を備え感光部で生成した電荷のうち不要電荷として廃棄する電荷の割合が廃棄電極に印加する廃棄電圧に応じて増減する電荷廃棄部を備え、かつ廃棄電極に印加する廃棄電圧を変調信号の周期に同期するタイミングで変化させるから、感光部で生成された電荷のうち信号電荷として使用しない残留電荷は不要電荷として廃棄され、信号電荷への雑音成分の混入が抑制されるという利点がある。とくに、廃棄電圧を変調信号の周期に同期するタイミングで変化させるから、信号電荷への混入を防止したい不要電荷を的確に廃棄することができ、ＳＮ比の向上につながる。また、不要電荷となる残留電荷を迅速に除去しているから、残留電荷の再結合による自然消滅を待つまでもなく比較的短い時間間隔で信号電荷を取り出すことが可能になる。
【００８７】
請求項２の発明の構成によれば、制御電圧を一定電圧に保っているから、制御が容易である。
【００８８】
請求項３の発明の構成によれば、感光部で生成した電荷のうち電荷蓄積部に蓄積する信号電荷の割合を、制御電極に印加する制御電圧と廃棄電極に印加する廃棄電圧との両方により制御するから、感光部で生成された電荷のうち信号電荷として必要な電荷を電荷蓄積部に転送しながらも、感光部で生成された電荷のうち信号電荷として使用しない残留電荷は不要電荷として廃棄することができ、信号電荷への雑音成分の混入が抑制されるという利点がある。
【００８９】
請求項４の発明の構成によれば、感光部で生成した電荷のうち電荷蓄積部に蓄積する信号電荷の割合を制御電極に印加する制御電圧により制御するから、感光部で生成された電荷のうち信号電荷として必要な電荷を電荷蓄積部に転送することができ、しかも廃棄電極に印加する廃棄電圧は一定電圧に保っているから、感光部で生成された電荷のうち信号電荷として使用しない残留電荷は不要電荷として廃棄することができ、結果的に信号電荷への雑音成分の混入が抑制されるという利点がある。また、残留電荷を迅速に除去しているから、残留電荷の再結合による自然消滅を待つまでもなく比較的短い時間間隔で信号電荷を取り出すことが可能になる。
【００９０】
請求項５の発明の構成によれば、オーバーフロードレインを有した既製のＣＣＤイメージセンサを用いて実現することができる。
【００９１】
請求項６の発明の構成によれば、複数の位相に対応した信号電荷を１個の感光部を共用して検出する場合のように各位相の信号電荷を得るたびに電荷集積部に信号電荷を取り出す必要がなく、必要な個数の信号電荷が得られた後に電荷集積部に一括して信号電荷を取り出すことができる。つまり、感光部から電荷集積部への信号電荷の取出頻度を低減することができる。
【００９２】
請求項７の発明の構成によれば、電荷蓄積部の近傍では光の入射に伴う電荷の生成が少なく、信号電荷への雑音成分の混入が少ないという利点がある。
【００９３】
請求項８の発明の構成によれば、発光源から照射した光と感光部で受光した光との位相差を求めるから、空間情報として位相差によって表される情報、たとえば物体までの距離を求めることが可能になる。
【００９４】
請求項９の発明の構成によれば、上述した各請求項の効果を持つ測距装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】第２実施形態を示す動作説明図である。
【図４】第３実施形態を示す動作説明図である。
【図５】第４実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図６】同上の要部分解斜視図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線断面図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】同上の動作説明図である。
【図１０】第５実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図１１】同上の要部分解斜視図である。
【図１２】同上の動作説明図である。
【図１３】同上の動作説明図である。
【図１４】第６実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図１５】同上の要部斜視図である。
【図１６】同上の動作説明図である。
【図１７】同上の動作説明図である。
【図１８】同上の動作説明図である。
【図１９】第７実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図２０】同上の要部斜視図である。
【図２１】同上の動作説明図である。
【図２２】同上の動作説明図である。
【図２３】第８実施形態を示す動作説明図である。
【図２４】第９実施形態を示す動作説明図である。
【図２５】第１０実施形態を示す動作説明図である。
【図２６】第１１実施形態を示す要部斜視図である。
【図２７】第１２実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図２８】本発明の他の構成例に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図２９】従来例を示す動作説明図である。
【符号の説明】
１イメージセンタ
２発光源
３制御回路部
４受光レンズ
５評価部
１１感光部
１２電荷蓄積部
１２ａ制御電極
１３電荷取出部
１４電荷廃棄部
１４ａ廃棄電極
２１フォトダイオード
２１ａ〜２１ｃ制御電極
２２垂直転送部
２２ａ〜２２ｃ制御電極
２３水平転送部
２４オーバーフロー電極
４０基板
４１オーバーフロードレイン
５０基板
６０基板
６１オーバーフロードレイン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for detecting spatial information using intensity-modulated light that detects various types of information about a space by receiving light from a space to which the intensity-modulated light is applied.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the light whose intensity has been modulated is emitted from the light emitting source to the space, and the reflected light reflected by the object existing in this space is received by the photosensitive unit, and the light emitted from the light emitting source and the light received by the photosensitive unit are received. There is known a technique for detecting various kinds of information about a space based on the relationship of. The information on the space means a distance to an object existing in the space, a change in the amount of received light due to reflection of the object existing in the space, and the like.
[0003]
In order to determine the distance to the object using the intensity-modulated light, the received light intensity is detected multiple times at specific different phases synchronized with the modulation cycle, which is the reciprocal of the modulation frequency. The phase difference between the light emitted from the light emitting source and the light received by the photosensitive unit is obtained from the relationship. For example, if the intensity of the light emitted from the light emitting source is modulated by a sine wave, and the light receiving intensity at the photosensitive portion for a specific different phase at the time of the modulation is detected three times or more (preferably four times or more), the phase difference is detected. You can ask.
[0004]
Now, it is assumed that the light emitted from the light emitting source is intensity-modulated as shown by a curve A in FIG. 29, and the received light intensity at the photosensitive unit changes as shown by a curve B in FIG. Here, the detected values corresponding to the respective received light intensities when the received light intensity is sampled at four points where the phase of the curve A is 0 degree, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees are A0, A1, A2, and A3, respectively. . However, the detection values A0, A1, A2, and A3 in each phase do not correspond to the incident light at the instant of time in each phase, but correspond to, for example, the incident light in a period shown as an integration time Tw in the figure. Here, the phase difference ψ does not change during the sampling period of the detection values A0, A1, A2, and A3, and the change in the light attenuation rate from light emission to light reception (attenuation is ignored in the figure). If not, the detection values A0, A1, A2, and A3 are obtained at every 90 degrees. Therefore, the relationship between each detection value A0, A1, A2, and A3 and the phase difference こと is expressed by the following equation. Can be.
ψ = tan ^-1 {(A3-A1) / (A0-A2)}
When the phase difference 求める is obtained from the plurality of detection values A0, A1, A2, and A3 as described above, the modulation period T [s], the phase difference ψ [rad], and the light speed c [m / s] are obtained. The distance L [m] to the object can be obtained using the following equation.
L ≒ cT (ψ / 4π)
As an apparatus for realizing the above technical idea, an electric switch provided with one photosensitive unit and four memory cells for one pixel and provided between each memory cell and the photosensitive unit in one pixel, It has been proposed that each detection value A0, A1, A2, A3 be sorted and accumulated in each memory cell by being turned on during a period corresponding to the integration time Tw described above (for example, see Patent Document 1). .
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 10-508736 (pages 7-9, FIGS. 1 and 4)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the device described in Patent Document 1, the detection values A0, A1, A2, and A3 are stored in the memory cell only by turning on and off a switch provided between the photosensitive unit and the memory cell. Charges not transferred to the memory cells among the charges generated in the portion remain in the photosensitive portion for a while. Such a residual charge disappears by recombination inside the photosensitive portion, or is transferred to the memory cell when the switch is turned on next time.
[0007]
Here, it is assumed that the maximum distance that can be measured is, for example, 7.5 m. In this case, since the modulation frequency is 20 MHz, the integration time Tw must be shorter than the modulation period of 50 ns. On the other hand, since the time required for the residual charge to disappear by recombination is usually longer than 100 μs, not only the charge generated by light reception during the integration period Tw but also the residual charge is transferred to the memory cell. In other words, noise components due to residual charges are mixed into the charges stored in the memory cells in addition to signal charges corresponding to the detected values A0, A1, A2, and A3. Since the light received by the photosensitive unit is intensity-modulated, the noise component also changes in accordance with the detected values A0, A1, A2, and A3. Error may occur.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to dispose of a noise component into a signal charge by discarding a residual charge that is not used as a signal charge among charges generated in a photosensitive unit. It is an object of the present invention to provide a spatial information detection device using intensity modulated light that suppresses spatial information and enables detection of spatial information with a high SN ratio.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided a photosensitive unit that receives light from a space irradiated with light intensity-modulated by a modulation signal of a predetermined modulation frequency and generates an amount of electric charge corresponding to the received light intensity; A charge storage unit for storing signal charges among generated charges, and a ratio of charges to be discarded as unnecessary charges among charges generated by the photosensitive unit, the charge discarding increasing or decreasing according to a discard voltage applied to the waste electrode. Unit, a charge extracting unit for extracting signal charges accumulated in the charge accumulating unit to the outside, a control circuit unit for changing a waste voltage applied to the waste electrode at a timing synchronized with a cycle of the modulation signal, and a charge extracting unit. An evaluation unit that evaluates information about the space using electric charges.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the charge storage unit increases or decreases a ratio of charges transferred to the charge storage unit among charges generated in the photosensitive unit according to a control voltage applied. Wherein the control circuit maintains the control voltage applied to the control electrode at a constant voltage.
[0011]
A third aspect of the present invention is the control electrode according to the first aspect, wherein the charge storage unit increases or decreases the ratio of the charge transferred to the charge storage unit among the charges generated in the photosensitive unit in accordance with the control voltage applied. The control circuit unit controls the control voltage to the control electrode and the waste to the waste electrode so that a period for moving the charge generated in the photosensitive unit to the charge storage unit and a period for moving the charge to the charge disposal unit alternately occur. And controlling the voltage.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a photosensitive unit that receives light from a space irradiated with light intensity-modulated by a modulation signal of a predetermined modulation frequency and generates an amount of electric charge corresponding to the received light intensity; The charge accumulating section, in which the proportion of electric charges accumulated as signal charges among the electric charges generated in the photosensitive section increases and decreases according to the control voltage applied to the control electrode, and the waste electric charge as an unnecessary charge in the electric charges generated in the photosensitive section A charge discarding unit in which the proportion of discarded charges increases or decreases according to the discard voltage applied to the discard electrode, a charge extraction unit that extracts the signal charges stored in the charge storage unit to the outside, and a fixed voltage that applies the discard voltage applied to the discard electrodes By changing the control voltage applied to the control electrode at the timing synchronized with the cycle of the modulation signal while disposing of the charge while keeping the charge, the signal charge stored in the charge storage portion of the charge generated in the photosensitive portion is changed. A control circuit unit for changing the focus, characterized in that it comprises an evaluation unit for evaluating the information related to the space using a charge removed by a charge take-out portion.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, a plurality of the photosensitive portions are arranged on a main surface of the semiconductor substrate, and the charge accumulating portion and the charge extracting portion formed of a CCD are provided on the semiconductor substrate. The charge discarding section is an overflow drain provided in the CCD image sensor.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, a plurality of adjacent predetermined photosensitive units among the photosensitive units are grouped, and the control circuit unit includes a plurality of photosensitive groups. The charges respectively generated in the sections are separately stored in the charge storage sections at different phase timings synchronized with the cycle of the modulation signal, and the charge extraction sections are obtained corresponding to the plurality of photosensitive sections which are a set. Each signal charge corresponding to a different phase is extracted at a time.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, in the first to sixth aspects, a light-shielding film is provided on the control electrode provided in the vicinity of a region for storing signal charges in the charge storage section.
[0016]
According to an eighth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects of the present invention, the evaluation unit determines a phase difference between the light emitted from the light emitting source to the space and the light received by the photosensitive unit when the modulation signal is different. It is characterized by being obtained from a plurality of signal charges corresponding to the phase.
[0017]
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention of the eighth aspect, the evaluation unit converts the phase difference into a distance.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In each of the following embodiments, an example will be described in which the technology of the present invention is used for a distance measuring device that measures a distance using a phase difference between light from a light emitting source whose intensity is modulated and light received by a photosensitive unit. The technical idea of the present invention is not limited to the measurement of the distance, but may be applied to an apparatus for calculating a phase difference between an original phase of intensity-modulated light and light received by a photosensitive unit, an apparatus for determining a change in reflected light from an object, and the like. Is also applicable.
[0019]
(1st Embodiment)
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a light emitting source 2 for irradiating light to a space is provided, and the light emitted from the light emitting source 2 is intensity-modulated by a control circuit unit 3 at a constant modulation frequency. As the light emitting source 2, for example, a light emitting diode in which a number of light emitting diodes are arranged on one plane, a light emitting diode in which a semiconductor laser and a diverging lens are combined, and the like are used. The control circuit unit 3 modulates the intensity of light emitted from the light emitting source 2 with a sine wave of, for example, 20 MHz.
[0020]
On the other hand, light from the space enters the photosensitive section 11 of the image sensor 1 through the light receiving lens 4. The photosensitive unit 11 generates an amount of electric charge according to the intensity of received light, and here, a photodiode is assumed. However, various structures such as a pin structure and a MIS structure can be adopted as a structure of the photodiode constituting the photosensitive portion 11 in addition to a structure having a pn junction. In the present embodiment, the image sensor 1 in which a plurality of (for example, 100 × 100) photosensitive units 11 are arranged in a two-dimensional matrix in a matrix is assumed. The three-dimensional space irradiated with light from the light emitting source 2 is mapped through the light receiving lens 4. That is, since the object Ob existing in the field of view of the image sensor 1 viewed through the light receiving lens 4 is mapped to the photosensitive unit 11, the phase difference between the light emitted from the light emitting source 2 and the light received by each photosensitive unit 11 is calculated. If detected, the distance to each part of the object Ob corresponding to each photosensitive unit 11 can be obtained.
[0021]
The image sensor 1 includes, in addition to the photosensitive unit 11, a charge storage unit 12 that stores a signal charge for calculating a phase difference among charges generated by the photosensitive unit 11, and a signal charge stored in the charge storage unit 12. There are provided a charge extracting unit 13 to be taken out of the image sensor 1 and a charge discarding unit 14 for discarding unnecessary charges not used as signal charges among charges generated in the photosensitive unit 11. The charge storage unit 12 includes a control electrode 12a, and when the control voltage applied to the control electrode 12a is changed, the movement of the charge from the photosensitive unit 11 to the charge storage unit 12 is controlled. The charge discarding unit 14 includes a discard electrode 14a, and when the discard voltage applied to the discard electrode 14a is changed, the movement of the charge from the photosensitive unit 11 to the charge discarding unit 14 is controlled. Here, the charge accumulating units 12 are provided so as to correspond one-to-one to the respective photosensitive units 11, and the charge discarding units 14 are provided so as to be common to the plurality of photosensitive units 11 and correspond to the one-to-many correspondence. In the present embodiment, it is assumed that one charge disposal unit 14 is provided for all the photosensitive units 11 of the image sensor 1. The signal charge extracted as an output of the image sensor 1 through the charge extracting unit 13 is input to the evaluation unit 5, and the evaluation unit 5 calculates a phase difference between the light emitted from the light emitting source 2 and the light received by each photosensitive unit 11. Then, the distance to the object Ob is obtained and output based on the phase difference.
[0022]
As described in the conventional configuration, in order to obtain the distance to the object Ob, it is necessary to obtain the detection values A0, A1, A2, and A3 at timings synchronized with the cycle of the modulation signal. Of the modulated signal, a charge corresponding to a certain time width Tw (see FIG. 29) corresponding to a specific phase (for example, four phases of 0, 90, 180, and 270 degrees) of the modulation signal is set as the signal charge, It is necessary to accumulate it. That is, the ratio of the signal charge stored in the charge storage unit 12 to the intensity of light incident on the photosensitive unit 11 is increased in the period corresponding to the above-described time width Tw, and reduced in other periods (ideal). To 0). Since the ratio of signal charge generation to the amount of light incident on the photosensitive unit 11 corresponds to sensitivity, in order to obtain the distance to the object Ob using the image sensor 1, it is necessary to control the sensitivity of the image sensor 1. It can be said that
[0023]
In order to control the sensitivity in the image sensor 1 having the above-described configuration, it is conceivable to control the magnitude of the control voltage applied to the control electrode 12a at appropriate timing. However, as described in the conventional configuration, the control voltage is not controlled. By simply controlling the magnitude, unnecessary residual charges among the charges generated in the photosensitive portion 11 are mixed into the signal charges as noise components. Therefore, in the present embodiment, the control voltage applied to the control electrode 12a is maintained at a constant voltage so that the charge generated in each photosensitive unit 11 is constantly stored in the charge storage unit 12 provided for each photosensitive unit 11. On the other hand, with respect to the waste electrode 14a, the charge moves from the light receiving unit 11 to the charge discarding unit 14 during a period excluding a period during which a charge to be treated as a signal charge among charges generated by the light receiving unit 11 is generated. As described above. In short, the sensitivity of the image sensor 1 is controlled by changing the waste voltage at a timing synchronized with the cycle of the modulation signal, and the signal charge is stored in the charge storage unit 12.
[0024]
Now, it is assumed that the intensity of light emitted from the light emitting source 2 to the space is modulated by a modulation signal as shown in FIG. The charge accumulation unit 12 accumulates one type of detected values A0, A1, A2, and A3 in a plurality of periods (tens of thousands to hundreds of thousands of periods) of the modulation signal, and stores the detected values A0, A1, A2, and A3 each time. , And the next detection values A0, A1, A2, and A3 are stored. For example, when the detection value A0 is accumulated for tens of thousands of cycles of the modulation signal, a signal charge corresponding to the detection value A0 is once taken out, and then the detection value A1 is accumulated for tens of thousands of cycles of the modulation signal. I do. FIG. 2 shows a state in which signal charges corresponding to the detected value A0 are accumulated, and the control voltage applied to the control electrode 12a is maintained at a constant voltage as shown in FIG. As the detection value A0, the charge generated by the photosensitive unit 11 during a period when the phase of the modulation signal is 0 to 90 degrees (corresponding to the time width Tw in the conventional configuration shown in FIG. 29) is employed. That is, a waste voltage is applied to the waste electrode 14a so that the charge generated in the photosensitive portion 11 is made unnecessary during the period in which the phase of the modulation signal is 90 to 360 degrees as shown in FIG. In short, a waste voltage is applied in a period other than the period corresponding to the signal charge accumulation period (the period of 0 to 90 degrees) in the period in which the charge moves from the photosensitive unit 11 to the charge accumulation unit 12, and the desired detection value is obtained. In periods other than the period for accumulating signal charges for obtaining A0, the charges generated in the photosensitive unit 11 are discarded as unnecessary charges in the charge discarding unit 14. By such control, it becomes possible to extract a signal charge corresponding to a desired detection value A0 as shown in FIG. The process shown in FIG. 2 is performed for tens of thousands to hundreds of thousands of cycles of the modulation signal, and the signal charge obtained in the charge storage unit 12 during this period is taken out to the evaluation unit 5 by the charge extraction unit 13 as the detection value A0. The evaluation unit 5 detects spatial information (the distance to the object Ob in the present embodiment) based on the signal charge.
[0025]
In the above-described control, the control voltage that is a constant voltage is applied to the control electrode 12a during the period in which the waste voltage is applied to the waste electrode 14a. However, the magnitude relationship between the waste voltage and the control voltage is appropriately determined. By setting, the signal charges can be hardly accumulated during the period in which the unnecessary charges are discarded. The reason why the electric charge is accumulated for tens of thousands to hundreds of thousands of cycles of the modulation signal is to increase the amount of accumulated electric charge to increase the sensitivity. In the present embodiment, the modulation signal is set to, for example, 20 MHz. By doing so, even if signal charges are taken out at 30 frames / second, accumulation for several hundred thousand cycles or more is possible.
[0026]
As described above, in the present embodiment, the charge discarding unit 14 including the discard electrode 14a is provided, and unnecessary charges not used as signal charges among charges generated in the photosensitive unit 11 are positively discarded by the charge discarding unit 14. Therefore, most of the charges generated in the photosensitive section 11 during the period when the signal charges are not given to the charge accumulation section 12 in the photosensitive section 11 are discarded as unnecessary charges, and noise components are mixed into the signal charges. It will be greatly suppressed.
[0027]
In the above-described example, the period during which the detection values A0, A1, A2, and A3 are sampled is set to 1/4 cycle of the modulation signal, and one type of detection value A0, A1, A2, and A3 is used in the tens of thousands to hundreds of thousands cycles of the modulation signal. However, when the charge storage unit 12 and the charge discarding unit 14 are provided for each photosensitive unit 11, the detection values A0, A1, A2, and A3 are distributed to each photosensitive unit 11. Therefore, four detection values A0, A1, A2, and A3 can be obtained within one cycle of the modulation signal. The sampling timings of the detection values A0, A1, A2, and A3 do not need to be equal if the phase intervals are known. Furthermore, although the example in which the intensity of the light emitted from the light emitting source 2 is modulated by a sine wave has been described, the intensity may be modulated by another waveform such as a triangular wave or a sawtooth wave. The light emitted from the light emitting source 2 is not limited to visible light, but may be infrared light or the like. In the present embodiment, in order to obtain a distance image in which each pixel is associated with the distance to the object Ob, it is assumed that the image sensor 1 is a CCD image sensor or a CMOS image sensor, in which the photosensitive units 11 are two-dimensionally arranged. However, a configuration in which the photosensitive units 11 are arranged one-dimensionally may be used. In the case of measuring a distance in only one direction in a space or the case where a light beam is emitted from the light emitting source 2 to the space and the light beam is scanned, a configuration in which only four photosensitive units 11 are provided is adopted. The function of the image sensor 1 may be realized by individual components instead of the image sensor 1 in which the photosensitive unit 11 is provided integrally with the charge storage unit 12 and the like.
[0028]
(2nd Embodiment)
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, by applying a waste voltage to the waste electrode 14a during a period in which the control voltage that is a constant voltage is applied to the control electrode 12a, a period in which the waste voltage is not applied is provided. Although an example in which the charge generated in the photosensitive unit 11 is used as the signal charge in the above-described embodiment, as shown in FIG. 3, in this embodiment, the period in which the control voltage is applied to the control electrode 12a and the waste voltage is applied to the waste electrode 14a. An example in which control is performed so that the application period does not overlap will be described.
[0029]
Here, as in the first embodiment, a case where signal charges corresponding to the detection value A0 are accumulated will be described as an example. Now, it is assumed that the intensity of light emitted from the light emitting source 2 to the space is modulated by a modulation signal as shown in FIG. In the example shown in FIG. 3, since the detection value A0 is extracted, a control voltage is applied to the control electrode 12a at a timing corresponding to the detection value A0 as shown in FIG. The period during which the control voltage is applied to the control electrode 12a is set from 0 degree in the phase of the modulation signal to a certain period (0 to 90 degrees in the illustrated example), and during this period, the charge from the photosensitive unit 11 to the charge storage unit 12 is transferred. Movement becomes possible. On the other hand, as shown in FIG. 3C, a waste voltage is applied to the waste electrode 14a in a period other than the period in which the signal charge corresponding to the detected value A0 is stored in the charge storage unit 12, and in a period other than the period in which the signal charge is stored. The charge generated by the photosensitive unit 11 is discarded as unnecessary charge in the charge discarding unit 14. By such control, it becomes possible to extract a signal charge corresponding to the detection value A0 as shown in FIG.
[0030]
In the control of the present embodiment, the period in which the control voltage is applied to the control electrode 12a is separated from the period in which the waste voltage is applied to the waste electrode 14a. The magnitudes of the control voltage and the waste voltage can be controlled independently without considering the magnitude relationship with the waste voltage. As a result, the control voltage and the waste voltage can be easily controlled. It is easy to control the sensitivity, which is the ratio of taking in the signal charge with respect to the amount of light, and to control the ratio of the charge generated by the photosensitive unit 11 to be discarded as unnecessary charge.
[0031]
In the present embodiment, the period for accumulating the signal charges in the charge accumulating unit 12 is defined by the control voltage applied to the control electrode 12a. Therefore, the period for applying the waste voltage to the waste electrode 14a can be shortened. For example, the waste voltage may be applied to the waste electrode 14a only during a predetermined period immediately before the application of the control voltage to the control electrode 12a.
[0032]
As described above, in the present embodiment, the charge discarding unit 14 including the discard electrode 14a is provided, and unnecessary charges that are not used as signal charges among charges generated in the photosensitive unit 11 are positively discarded in the charge discarding unit 14. Therefore, during a period in which the charges generated in the photosensitive unit 11 are not stored as signal charges in the charge storage unit 12, the charges generated in the photosensitive unit 11 can be discarded as unnecessary charges, and a noise component to the signal charges can be discarded. Is greatly suppressed. The other configurations and operations are the same as those of the first embodiment, and thus the description is omitted.
[0033]
(Third embodiment)
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, by applying the waste voltage to the waste electrode 14a while overlapping the period in which the control voltage is applied to the control electrode 12a, the period in which the waste voltage is not applied is obtained. Although the example in which the charge generated in the photosensitive unit 11 is used as the signal charge has been described, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the waste voltage applied to the waste electrode 14a is maintained at a constant voltage and the photosensitive unit 11 generates the waste voltage. An example is shown in which a period in which a control voltage is applied to the control electrode 12a during this period is a period in which signal charges are stored in the charge storage unit 12. That is, the difference from the conventional configuration is that the charge discarding unit 14 is provided and the charge is always discarded from the photosensitive unit 11 to the charge discarding unit 14.
[0034]
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, a case where signal charges corresponding to the detection value A0 are accumulated will be described as an example. Now, it is assumed that the intensity of light emitted from the light emitting source 2 to the space is modulated by a modulation signal as shown in FIG. In the present embodiment, in order to accumulate the charges generated in the photosensitive section 11 as signal charges corresponding to the detection value A0 in the charge accumulation section 12, a control electrode 12a provided in the charge accumulation section 12 is shown in FIG. As shown in b), a control voltage is applied in a period corresponding to the detection value A0. In other words, the period during which the control voltage is applied to the control electrode 12a is set to a fixed period (0 to 90 degrees in the illustrated example) in the phase of the modulation signal. Charge transfer becomes possible. On the other hand, as shown in FIG. 4C, a constant voltage, which is a DC voltage, is always applied to the waste electrode 14a, and a part of the electric charge generated in the photosensitive unit 11 is always converted to unnecessary electric charge as an unnecessary electric charge. Discard at 14. In the above-described control, since the control voltage is applied to the control electrode 12a only during the period in which the signal charge is stored in the charge storage unit 12, the signal charge corresponding to the detection value A0 is extracted as shown in FIG. Becomes possible.
[0035]
In the control of the present embodiment, a fixed voltage is applied to the waste electrode 14a regardless of whether or not the control voltage is applied to the control electrode 12a. Unnecessary charges that have not been accumulated as signal charges in the accumulation unit 12 are discarded by the charge disposal unit 14 as waste charges. Here, even during a period in which a part of the charge generated in the photosensitive unit 11 is stored in the charge storage unit 12 as a signal charge, the charge is discarded from the photosensitive unit 11 to the charge disposal unit 14. It is necessary to consider the magnitude relationship between the control voltage and the waste voltage in order to properly accumulate the charge in the charge accumulation unit 12. However, since the waste voltage is a constant voltage and is always applied to the waste electrode 14a, in practice, only the control voltage needs to be controlled, and the control itself is easy.
[0036]
As described above, in the present embodiment, the charge discarding unit 14 including the discard electrode 14a is provided, and unnecessary charges that are not used as signal charges among charges generated in the photosensitive unit 11 are positively discarded in the charge discarding unit 14. Therefore, the incorporation of noise components into the signal charge is greatly suppressed. The other configurations and operations are the same as those of the first embodiment, and thus the description is omitted.
[0037]
(Fourth embodiment)
In the embodiment described below, an example in which a CCD image sensor having an overflow drain is used as the image sensor 1 described in the above-described first to third embodiments will be described.
[0038]
In the present embodiment, an interline transfer type CCD image sensor having a vertical overflow drain is used as the image sensor 1. As this type of image sensor 1, a commercially available image sensor can be used.
[0039]
As shown in FIG. 5, the image sensor 1 is a two-dimensional image sensor in which a plurality of photodiodes 21 serving as the photosensitive units 11 are arranged in a horizontal direction and a vertical direction (3 × 4 in the illustrated example). A vertical transfer unit 22 including a vertical transfer CCD is provided on the right side of each column of the photodiodes 21 arranged in the vertical direction, and a horizontal transfer unit including a horizontal transfer CCD is provided below a region where the photodiodes 21 and the vertical transfer units 22 are arranged. A unit 23 is provided. The vertical transfer unit 22 includes two control electrodes 22a and 22b for each photodiode 21, and the horizontal transfer unit 23 includes two control electrodes 23a and 23b for each vertical transfer unit 22. In the present embodiment, the vertical transfer unit 22 is controlled by four-phase drive, and the horizontal transfer unit 23 is controlled by two-phase drive. That is, four-phase control voltages V1 to V4 are applied to the control electrodes 22a and 22b of the vertical transfer unit 22, and two-phase control voltages VH1 and VH2 are applied to the control electrodes 23a and 23b of the horizontal transfer unit 23. This type of driving technique is well known in the field of CCDs and will not be described in detail here.
[0040]
The photodiode 21, the vertical transfer unit 22, and the horizontal transfer unit 23 are formed on a single substrate 20, and the entire surface of the photodiode 21, the vertical transfer unit 22, and the horizontal transfer unit 23 is formed on the main surface of the substrate 20. An overflow electrode 24, which is an aluminum electrode, is provided so as to be in direct contact with the substrate 20 over the entire periphery of the substrate 20 without interposing an insulating film. When a positive voltage Vs of an appropriate magnitude is applied to the overflow electrode 24, electrons (charges) generated by the photodiode 21 are discarded through the overflow electrode 24. That is, in the present embodiment, the substrate 20 is used as a part of the overflow drain. The overflow drain functions as a charge discarding unit 14 because it discards unnecessary charges among charges generated in the photodiode 21 that is the photosensitive unit 11, and the amount of charges discarded to the overflow drain is determined by a voltage applied to the overflow electrode 24 (discarding). Voltage), the overflow electrode 24 functions as the waste electrode 14a. The surface of the substrate 20 is covered with a light shielding film 26 (see FIG. 6) except for a portion corresponding to the photodiode 21.
[0041]
In order to describe the image sensor 1 more specifically, a portion related to one photodiode 21 is cut out and shown in FIG. In the present embodiment, an n-type semiconductor is used for the substrate 20, and a p-well 31 made of a p-type semiconductor is formed on a main surface of the substrate 20 in a region straddling the photodiode 21 and the vertical transfer unit 22. The p-well 31 is formed so that the thickness of the region corresponding to the vertical transfer unit 22 is larger than the region corresponding to the photodiode 21. In the region of the p-well 31 corresponding to the photodiode 21, an n + -type semiconductor layer 32 is provided so as to overlap, and the photodiode 21 is formed by a pn junction between the p-well 31 and the n + -type semiconductor layer 32. On the surface of the photodiode 21, a surface layer 33 made of a p + type semiconductor is laminated. The surface layer 33 is provided for the purpose of controlling the vicinity of the surface of the n + -type semiconductor layer 32 so that the charge generated by the photodiode 21 is transferred to the vertical transfer unit 22 so that the vicinity of the surface does not become a charge passage. Such a structure is known as a buried photodiode.
[0042]
In a region of the p-well 31 corresponding to the vertical transfer section 22, an accumulation transfer layer made of an n-type semiconductor is provided so as to overlap. The surface of the storage transfer layer 34 and the surface of the surface layer 33 are substantially flush with each other, and the thickness dimension of the storage transfer layer 34 is larger than the thickness dimension of the surface layer 33. Although the accumulation transfer layer 34 is in contact with the surface layer 33, an isolation layer 35 made of a p + type semiconductor having the same impurity concentration as the surface layer 33 is interposed between the storage layer 34 and the n + type semiconductor layer 32. On the surface of the accumulation transfer layer 34, the control electrodes 22a and 22b are arranged via the insulating film 25. Two control electrodes 22a and 22b are provided for one photodiode 21, and one of the two control electrodes 22a and 22b is formed wider in the vertical direction than the other. Specifically, as shown in FIG. 7, the narrow control electrode 22b among the two control electrodes 22a and 22b corresponding to one photodiode 21 is formed in a plate shape, and the wide control electrode 22a is formed. Are formed from a flat plate portion arranged on the same plane as the narrow control electrode 22b and disposed between the pair of control electrodes 22b, and both ends of the flat plate portion in the vertical direction (the left-right direction in FIG. 7). And a curved portion that is extended and overlaps the control electrode 22b. Here, the insulating film 25 is made of SiO ₂ The control electrodes 22a and 22b are formed of polysilicon, and the control electrodes 22a and 22b are insulated from each other via an insulating film 25. Further, the surface of the image sensor 1 is covered with a light shielding film 26 except for a part where light is incident on the photodiode 21. The region corresponding to the vertical transfer section 22 in the p-well 31 and the storage transfer layer 34 are formed over the entire length of the vertical transfer section 22. Therefore, the storage transfer layer 34 has a wide control electrode 22a and a narrow control electrode 22b. And are alternately arranged.
[0043]
Next, a technique for driving the above-described image sensor 1 will be described. In the above-described image sensor 1, when light is incident on the photodiode 21, charges are generated in the photodiode 21 as the photosensitive unit 11. Further, the ratio of the charge transferred to the vertical transfer unit 22 as the signal charge among the charges generated by the photodiode 21 depends on the control voltage applied to the control electrode 22a and the waste voltage applied to the overflow electrode 24 as the waste electrode 14a. Can be determined by the relationship. Specifically, depending on the control voltage applied to the control electrode 22a, the depth of the potential well formed in the accumulation transfer layer 34, the time for applying the control voltage, and the waste voltage depending on the waste voltage applied to the overflow electrode 24 The ratio of the charge transferred to the vertical transfer unit 22 is determined by the relationship between the potential gradient between the photodiode 21 formed according to the electrode 14a and the substrate 20 and the time for applying the waste voltage. The control of the control voltage and the waste voltage uses any of the techniques described in the first to third embodiments. However, in the present embodiment, as in the first embodiment, it is assumed that the control is performed such that a part of the period in which the control voltage is applied to the control electrode 22a overlaps with the period in which the waste voltage is applied to the waste electrode 14a. .
[0044]
The vertical transfer unit 22 not only transfers the charge generated by the photodiode 21 by controlling the control voltage applied to the individual control electrodes 22a and 22b, but also controls the control electrodes 22a and 22b according to the control voltage. A potential well is formed at a corresponding site. That is, since the vertical transfer unit 22 has the control electrodes 22a and 22b disposed on the storage transfer layer 34 with the insulating film 25 interposed therebetween, by applying a control voltage to the control electrodes 22a and 22b, the potential transfer is applied to the storage transfer unit 34. Is formed, and signal charges can be accumulated within a capacity range determined by the depth and width of the potential well. As described above, the potential well functions as a charge storage unit that stores signal charges. The vertical transfer unit 22 can send out the stored signal charges to the horizontal transfer unit 23 by changing the magnitude and timing of the control voltage. The signal charges sent from the vertical transfer unit 22 to the horizontal transfer unit 23 are transferred through the horizontal transfer unit 23 and taken out to the evaluation unit 5 (see FIG. 1). That is, the vertical transfer unit 22 and the horizontal transfer unit 23 function as a charge extracting unit.
[0045]
Now, in order to explain how the charges generated by the photodiode 21 move, FIG. 8 shows the electron potential along the broken line L1 in FIG. That is, the center part in FIG. 8 shows a region corresponding to the photodiode 21, the left part shows a region corresponding to the substrate 20 (overflow drain), and the right part shows a region corresponding to the vertical transfer unit 22. When no voltage is applied to the overflow electrode 24, a potential barrier B 1 formed by the p-well 31 is formed between the photodiode 21 and the substrate 20, and between the photodiode 21 and the vertical transfer unit 22. A potential barrier B2 is formed by the separation layer 35. The potential barriers B1, B2 are indicated by broken lines because the heights of these potential barriers B1, B2 are variable. That is, the height of the potential barrier B2 can be controlled by the voltage applied to the control electrodes 22a and 22b, and the height of the potential barrier B1 can be controlled by the voltage applied to the overflow electrode 24.
[0046]
FIG. 9 shows the relationship between the state of application of the control voltage V1 to the control electrode 22a and the state of application of the waste voltage Vs to the overflow electrode 24, and the movement of the charge generated by the photodiode 21. FIG. 9A shows a state in which the potential barrier B2 due to the separation layer 35 is removed by applying a relatively high positive control voltage V1 to the control electrode 22a, and the potential well 27 is formed in the accumulation transfer section 34. During this period, a relatively low waste voltage Vs is applied to the overflow electrode 24 so that the potential barrier B1 is formed. That is, the charge (electrons e) generated by the photodiode 21 cannot move to the substrate 20 due to the existence of the potential barrier B1, and during this period, the charge generated by the photodiode 21 is As long as the capacity of the well 27 permits, the charge moves to the vertical transfer unit 22 as signal charges.
[0047]
On the other hand, FIG. 9B shows a state in which a relatively high positive voltage control voltage V1 is applied to the control electrode 22a as shown in FIG. 9A, and a relatively high positive voltage waste voltage Vs is also applied to the overflow electrode 24. In this state, the waste voltage Vs applied to the overflow electrode 24 is set so that the potential of the substrate 20 is lower than the potential of the vertical transfer unit 22. In this state, the potential barrier B1 due to the p-well 31 is almost removed, and the potential gradient of the substrate 20 with respect to the photodiode 21 becomes larger than the potential gradient of the vertical transfer unit 22 with respect to the photodiode 21. Most of the accumulated charges move to the substrate 20 as unnecessary charges and are discarded, as indicated by arrows in FIG. 9B. That is, since the ratio of the charge generated by the photodiode 21 to the signal charge is significantly reduced as compared with the state shown in FIG. 9A, the sensitivity of the photosensitive unit 11 is substantially reduced. Here, the ratio between the signal charge and the unnecessary charge, that is, the sensitivity, is determined by the magnitude relation of the voltage applied to the control electrode 22a and the overflow electrode 24, and the larger the electron potential, the more charge (electrons). Will move. Since the electric charge that has moved to the vertical transfer unit 22 in the state of FIG. 9A is accumulated in the potential well 27 having a lower potential than the photodiode 21, the electric charge moves to the substrate 20 in the state of FIG. do not do.
[0048]
To read out the signal charges stored in the vertical transfer unit 22, the application of the control voltage V1 to the control electrode 22a is cut off so that a potential barrier B2 is generated as shown in FIG. Voltage V1 may be applied). In the illustrated example, a relatively low waste voltage Vs is applied to the overflow electrode 24 so that the potential barrier B1 is formed during this period. However, the potential barrier B1 is not essential, and it is sufficient that the potential barrier B2 is formed. By forming the potential barrier B2, the inflow of charges from the photodiode 21 to the vertical transfer unit 22 is prohibited, and the outflow of charges from the vertical transfer unit 22 to the photodiode 21 is prohibited. In this state, the signal charges stored in the vertical transfer unit 22 are read out to the evaluation unit 5 through the horizontal transfer unit 23.
[0049]
The signal charges stored in the vertical transfer unit 22 are read out each time one of the four detection values A0, A1, A2, and A3 is obtained. For example, when signal charges corresponding to the detection value A0 are accumulated in the potential wells 27 formed corresponding to the respective photodiodes 21, the signal charges are read out, and then signal charges corresponding to the detection values A1 are stored in the potential wells 27. The operation of reading out the signal charges once accumulated is repeated. It is needless to say that the periods in which the detection values A0, A1, A2, and A3 are accumulated are set to be equal. The order in which the detection values A0, A1, A2, and A3 are read is not limited to the above example, and the detection value A2 may be obtained next to the detection value A0. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.
[0050]
(Fifth embodiment)
In this embodiment, an example in which an interline transfer type CCD having a horizontal overflow drain provided on the market is used for the image sensor 1 will be described.
[0051]
As shown in FIG. 10, the image sensor 1 used in the present embodiment is provided with an overflow drain 41 as a charge disposal unit 14 made of an n-type semiconductor on the left side of each column of photodiodes 21 arranged in a vertical direction. . In the illustrated example, since three photodiodes 21 are arranged in the horizontal direction and four photodiodes 21 are arranged in the vertical direction, the overflow drains 41 are three rows, and the upper ends of the overflow drains 41 are aluminum electrodes arranged in the left-right direction. The connection is made via an overflow electrode 24. The vertical transfer unit 22 and the horizontal transfer unit 23 have the same function as the image sensor 1 used in the fourth embodiment.
[0052]
The structure of the image sensor 1 will be described with reference to FIG. 11 in which a portion related to one photodiode 21 is cut out. In the present embodiment, a p-type semiconductor substrate 40 is used, and in a region corresponding to the photodiode 21 on the main surface of the substrate 40, an n + type semiconductor layer 42 forming the photodiode 21 together with the substrate 40 is formed so as to overlap. An accumulation transfer layer 44 made of an n-type semiconductor is formed in a region corresponding to the vertical transfer portion 22 on the main surface of the substrate 40 so as to overlap. An isolation layer 45a made of a p + type semiconductor is formed between the n + type semiconductor layer 42 and the storage transfer layer 44, and a p + type semiconductor is formed on the opposite side of the n + type semiconductor layer 42 from the storage transfer layer 44. The overflow drain 41 is provided via the separation layer 45b. When the charges generated by the photodiode 21 are transferred to the vertical transfer unit 22, the vicinity of the surface of the n + -type semiconductor layer 42 is charged on the surface of a portion straddling the n + -type semiconductor layer 42 and both the separation layers 45 a and 45 b. The surface layer 43 made of ap + -type semiconductor having the same impurity concentration as the isolation layers 45a and 45b is laminated for the purpose of controlling so that the light does not pass through. The surface of the accumulation transfer layer 44, the surface of the surface layer 43, and the surface of the overflow drain 41 are substantially flush with each other. The overflow drain 41 has penetrated into the substrate 40 to a position deeper than the n + type semiconductor layer 42.
[0053]
The control electrodes 22 a and 22 b are arranged on the surface of the accumulation transfer layer 44 via the insulating film 25. Two control electrodes 22a and 22b are provided for one photodiode 21, and one of the two control electrodes 22a and 22b is formed wider in the vertical direction than the other. Further, the surface of the image sensor 1 is covered with a light shielding film 26 except for a part where light is incident on the photodiode 21. These structures are the same as those of the image sensor 1 used in the fourth embodiment.
[0054]
The operation of this embodiment is basically the same as that of the fourth embodiment. FIG. 12 and FIG. 13 showing the potential of the electrons along the broken line L2 in FIG. 11 can be compared with FIG. 8 and FIG. As can be seen, the difference is that the waste charge generated in the photodiode 21 passes through the substrate 20 in the fourth embodiment, but passes through the overflow drain 41 without passing through the substrate 20 in the present embodiment.
[0055]
The n + type semiconductor layer 42 used for the photodiode 21 of the interline transfer type CCD having the horizontal overflow drain used as the image sensor 1 in the present embodiment is the interline transfer type having the vertical overflow drain used in the fourth embodiment. Compared with the n + type semiconductor layer 32 constituting the photodiode 21 of the CCD, the depth dimension can be made larger. That is, when the vertical overflow drain is provided, the photodiode 21 has to be formed on the substrate 20, whereas when the horizontal overflow drain is provided, the substrate 40 is formed on one side of the photodiode 21. Since the semiconductor layer becomes a semiconductor layer, the ratio of the n + type semiconductor layer 42 in the depth direction with respect to the entire thickness dimension can be increased. As described above, since the depth dimension of the n + type semiconductor layer 42 forming the photodiode 21 can be increased, the light receiving area can be reduced as compared with the fourth embodiment by providing the overflow drain 41 in parallel with the photodiode 21. Although reduced, there is an advantage that the sensitivity to near-infrared rays is relatively high compared to the fourth embodiment. Other configurations and functions are the same as those of the fourth embodiment.
[0056]
(Sixth embodiment)
In this embodiment, a frame transfer type CCD having a vertical overflow drain provided on the market is used as the image sensor 1.
[0057]
As shown in FIG. 14, the image sensor 1 is a two-dimensional image sensor in which a plurality of photodiodes 21 (4 × 4 in the illustrated example) are arranged in a horizontal direction and a vertical direction, as shown in FIG. A storage unit D2 including an image pickup unit D1 for causing the photodiodes 21 arranged in the vertical direction to function as a vertical transfer CCD, and a vertical transfer CCD having no photoelectric conversion function formed continuously in each column of the photodiodes 21 in the vertical direction. Is provided. At the lower end of each column of the vertical transfer CCD in the storage section D2, a horizontal transfer section 23 composed of a horizontal transfer CCD serving as a charge extracting section is provided. In the present embodiment, both the photodiode 21 and the vertical transfer CCD have a function of accumulating charge and transferring the charge in the vertical direction, and the imaging unit D1 and the accumulation unit D2 are connected to the charge accumulation unit 12 and the charge extraction unit. It functions as the unit 13.
[0058]
Each photodiode 21 has three control electrodes 21 a to 21 c arranged in the vertical direction on the light receiving surface, and each column of the vertical transfer CCD in the storage section D 2 has three control electrodes provided for each photodiode 21. Three control electrodes 28a to 28c having the same arrangement as 21a to 21c are provided as a set. In the illustrated example, four photodiodes 21 are provided for one column in the vertical direction in the imaging unit D1, and two sets of six control electrodes 28a to 28c are provided in the storage unit D2. The horizontal transfer unit 23 includes two control electrodes 23a and 23b for each column, as in the fourth embodiment. The control electrodes 21a to 21c provided on the photodiode 21 are driven in six phases by six control voltages V1 to V6, and the control electrodes 28a to 28e are driven in three phases by three control voltages VV1 to VV3. 23a and 23b are driven in two phases by two-phase control voltages VH1 and VH2. The horizontal transfer unit 23 extracts the signal charge for each horizontal line from the storage unit D2 and outputs the signal charge for each horizontal line to the outside. This type of driving technique is well known in the field of CCDs and will not be described in detail here.
[0059]
The imaging unit D1, the storage unit D2, and the horizontal transfer unit 23 are formed on a single substrate 50, and an overflow electrode 24, which is an aluminum electrode, is provided on the substrate 50 so as to be in direct contact without interposing an insulating film. That is, the substrate 50 functions as an overflow drain. The overflow electrode 24 is formed on the surface of the substrate 50 so as to surround the entire imaging unit D1, the storage unit D2, and the horizontal transfer unit 23. The surface of the substrate 50 is covered with a light shielding film (not shown) except for a portion corresponding to the photodiode 21.
[0060]
The structure of a portion related to one photodiode 21 will be described with reference to FIG. In this embodiment, an n-type semiconductor is used as the substrate 50, a p-type semiconductor layer 51 is formed on the main surface of the substrate 50, and an n-well 52 made of an n-type semiconductor is formed on the main surface of the p-type semiconductor layer 51. Is formed. Further, the surface of a portion straddling the p-type semiconductor layer 51 and the n-well 52 has SiO 2 ₂ The three control electrodes 21a to 21c are stacked via an insulating film 53 made of. That is, in the present embodiment, the n-well 52, the insulating film 53, and the control electrodes 21a to 21c form the MIS photodiode 21. The control electrodes 21a to 21c are formed of polysilicon. The n-well 52 is formed continuously with the imaging unit D1 and the accumulation unit D2, and charges are accumulated and transferred in the n-well 52. That is, the imaging unit D1 generates, accumulates, and transfers electric charges in the n-well 52, and the accumulation unit D2 performs electric charge accumulation and transfer in the n-well 52.
[0061]
Next, a technique for driving the above-described image sensor 1 will be described. In the above-described image sensor 1, when light enters the photodiode 21, charges are generated in the photodiode 21. Here, if an appropriate voltage is applied to the control electrodes 21a to 21c, a potential well as a charge storage portion is formed in the n-well 52, and the generated charge can be stored in the potential well. Further, by controlling the voltage applied to the control electrodes 21a to 21c, the charge can be transferred by changing the depth of the potential well. On the other hand, if an appropriate waste voltage Vs is applied to the overflow electrode 24, the electric charge generated by the photodiode 21 is discarded through the substrate 50. Therefore, it is necessary to control the voltage applied to the overflow electrode 24 and the time for applying the voltage. Thereby, the ratio of the signal charge stored in the potential well of the n-well 52 among the charges generated by the photodiode 21 can be changed.
[0062]
FIG. 16 shows the potential of the electrons along the broken line L3 in FIG. 15 in order to explain how the charges generated by the photodiode 21 move. The right part in FIG. 16 shows a region corresponding to the photodiode 21, and the left part shows a region corresponding to the substrate 50. Further, when no voltage is applied to the overflow electrode 24, a potential barrier B3 of the p-type semiconductor layer 51 is formed between the photodiode 21 (n-well 52) and the substrate 50. In the portion of the photodiode 21 (n-well 52) not facing the substrate 50, a potential barrier B4 is formed by the p-type semiconductor layer 51, and the charge (electrons e) formed by the photodiode 21 does not leak out. It has become. The height of the potential barrier B3 can be controlled according to the voltage applied to the overflow electrode 24.
[0063]
On the other hand, the amount of charge accumulated in the potential well formed in the n-well 52 by applying a voltage to the control electrodes 21a to 21c is determined by the depth of the potential well determined by the voltage applied to the control electrodes 21a to 21c. . In other words, when the voltage applied to the central control electrode 21b of the three control electrodes 21a to 21c is higher than the voltage applied to the control electrodes 21a and 21c on both sides, the central part is most likely as shown in FIG. A deep potential well 27 is formed. Here, by applying an appropriate voltage to the overflow electrode 24, the potential of the substrate 50 is made lower than that of the n-well 52. Further, as shown in FIGS. When a voltage is applied so that the barrier B3 remains, and a voltage is applied to the control electrodes 21a and 21c on both sides so that the potential barrier B3 is removed, FIG. 18 (b) of the region corresponding to each of the control electrodes 21a to 21c is obtained. 18 (a) and 18 (c), electric charges are discarded through the substrate 50 on both sides shown in FIGS.
[0064]
Here, a part of the charges generated by the control electrodes 21a and 21c on both sides flows into the potential well 27 corresponding to the central control electrode 21b during the period when the photodiode 21 is generating charges. Some of the charges generated by the electrodes 21a and 21c are mixed as noise components. Since the signal charge is transferred each time one of the four detection values A0, A1, A2, and A3 is obtained, the charge generated by the photodiode 21 during the transfer of the signal charge becomes the detection value A0, A1, A2, and A3 are mixed as noise components. However, these noise components are averaged by integration, and are substantially removed by subtraction when obtaining the phase difference ψ, so that the influence of the noise components is reduced. That is, it is possible to accurately determine the phase difference ψ while using the frame transfer type CCD.
[0065]
In the above-described example, three control electrodes 21a to 21c correspond to one photodiode 21. However, the number of control electrodes corresponding to one photodiode 21 is not particularly limited. Other configurations and operations are the same as those of the fourth embodiment.
[0066]
(Seventh embodiment)
The present embodiment uses a frame transfer type CCD similarly to the sixth embodiment, but has a horizontal overflow drain instead of a vertical overflow drain.
[0067]
As shown in FIG. 19, the image sensor 1 used in the present embodiment is provided with an overflow drain 61 made of an n-type semiconductor on the right side of each column of the photodiodes 21 arranged in the vertical direction. In the illustrated example, since four photodiodes 21 are arranged in the horizontal direction and four photodiodes are arranged in the vertical direction, the overflow drains 61 are in four rows, and the upper ends of the overflow drains 61 are aluminum electrodes arranged in the left-right direction. The connection is made via an overflow electrode 24. The imaging unit D1, the storage unit D2, and the horizontal transfer unit 23 have the same functions as the image sensor 1 used in the sixth embodiment.
[0068]
The structure of the image sensor 1 will be described with reference to FIG. 20 in which a portion related to one photodiode 21 is cut out. In the present embodiment, a p-type semiconductor substrate 60 is used, a p-type semiconductor layer 62 is formed on the main surface of the substrate 60, and an n-well 63 made of an n-type semiconductor is formed in the p-type semiconductor layer 62. The photodiode 21 is formed by the p-type semiconductor layer 62 and the n-well 63. A p + well 64 made of a p + semiconductor is formed in a portion of the p-type semiconductor layer 62 adjacent to the n-well 63, and an overflow drain 61 made of the n-type semiconductor is formed on the surface of the p + well 64. The basic structure of the image sensor 1 is the same as that of the sixth embodiment except that the conductivity type of the substrate 60 is different and the overflow drain 61 is provided.
[0069]
The operation of this embodiment is the same as that of the sixth embodiment. As can be seen by comparing FIG. 21 showing the electron potential along the broken line L4 in FIG. The only difference is that the charge discarding unit for discarding the accumulated charges is the overflow drain 61 in the present embodiment, while the charge discarding unit is the substrate 50 in the sixth embodiment. The amount of charge accumulated in the potential well formed in the n-well 63 by applying a voltage to the control electrodes 21a to 21c is determined by the depth of the potential well determined by the voltage applied to the control electrodes 21a to 21c. That is, when the voltage applied to the central control electrode 21b among the three control electrodes 21a to 21c is higher than the voltage applied to the control electrodes 21a and 21c on both sides, the potential well corresponding to the central control electrode 21b is most likely to be used. Get deeper. Here, assuming that an appropriate voltage is applied to the overflow electrode 24 and the potential barrier B3 is lowered, as shown in FIGS. 18A to 18C, the potential barrier B3 is applied to the potential well corresponding to the central control electrode 21b. The electric charges are left, and the electric charges generated in the regions corresponding to the control electrodes 21a and 21c on both sides can be discarded to the overflow drain 61. Other configurations and operations are the same as in the sixth embodiment.
[0070]
(Eighth embodiment)
In the configuration in which the frame transfer type CCD described in the sixth embodiment and the seventh embodiment is used for the image sensor 1, an example is shown in which each photodiode 21 is provided with three control electrodes 21a to 21c. However, the number of control electrodes provided on one photodiode 21 is not limited to three.
[0071]
In the present embodiment, a case in which four control electrodes are provided for one photodiode 21 will be described. In FIG. 23, the numerals 1 to 4 correspond to the respective control electrodes, and one repetition cycle of the numerals 1 to 4 repeatedly described corresponds to the region of one photodiode 21. FIG. 23A shows a period in which the charges generated by the photodiode 21 are accumulated, and FIG. 23B shows a period in which unnecessary charges are discarded. Further, the threshold value Th1 indicates the potential of the overflow drain.
[0072]
As shown in FIG. 23 (a), during the period of accumulating electric charges, no voltage is applied to the control electrode (1) so that the electric charges generated by the respective photodiodes 21 are not mixed, and the adjacent photodiodes are not applied. 21 form a potential barrier. Further, the voltage applied to the control electrodes (2) to (4) is reduced stepwise to form a step-like potential well 27. Here, the potential of the portions corresponding to the control electrodes (3) and (4) is set higher than the threshold value Th1. At the portion corresponding to the control electrode (2), the potential well 27 becomes the deepest, and the potential becomes lower than the threshold value Th1, so that the charges (electrons e) generated by irradiating the photodiode 21 with light mainly emit the control electrode. It is accumulated at the site corresponding to (2).
[0073]
As shown in FIG. 23 (b), in the discarding period in which the electric charge is discarded, the control electrode is controlled so that the electric charge accumulated in the portion corresponding to the control electrode (2) having the lowest potential during the accumulation period does not leak outside. (3) The potential of the portion corresponding to (4) is raised. Due to this operation, the charge generated corresponding to the control electrodes (1), (3), and (4) during the accumulation period flows separately to the portion corresponding to the control electrode (2) and the overflow drain. Therefore, by appropriately adjusting the ratio between the charge accumulation period and the discard period, the amount of unnecessary charges among the charges generated by the photodiode 21 can be adjusted, and as a result, the sensitivity is adjusted. can do. Other configurations and operations are the same as in the sixth embodiment or the seventh embodiment.
[0074]
(Ninth embodiment)
This embodiment is an example in which six control electrodes (1) to (6) are provided for one photodiode 21 as shown in FIG. In FIG. 24, numerals 1 to 6 correspond to the respective control electrodes. As in the example shown in FIG. 23, FIG. 24 (a) shows a period for accumulating charges, and FIG. 24 (b) shows a period for discarding charges.
[0075]
As shown in FIG. 24A, during the period of accumulating electric charges, adjacent photodiodes are applied without applying a voltage to the control electrode (1) so that the electric charges generated by the respective photodiodes 21 are not mixed. 21 form a potential barrier. Further, among the control electrodes (2) to (6), the potential of the portion corresponding to the control electrode (4) is made lowest, and the potentials of the portions corresponding to the remaining control electrodes (2), (3), (5) and (6) are reduced. The potential is increased gradually. Further, the potential of the portions corresponding to the control electrodes (2), (3), (5) and (6) is set higher than the threshold value Th2 which is the potential of the overflow drain. At the portion corresponding to the control electrode (4), the potential is the lowest, and this potential is lower than the threshold value Th2. Therefore, the electric charge (electrons e) generated by irradiating the photodiode 21 with light mainly emits the control electrode (4). ) Is accumulated at the site corresponding to ()).
[0076]
As shown in FIG. 24 (b), during the period of discarding the electric charge, the control electrode () is set so that the electric charge accumulated in the portion corresponding to the control electrode (4) having the lowest potential during the accumulation period does not leak outside. 2) The potential of the portion corresponding to (3), (5) and (6) is raised. By this operation, in the accumulation period, the charges generated corresponding to the control electrodes (1), (2), (3), (5), and (6) flow separately to the portion corresponding to the control electrode (4) and the overflow drain. . Therefore, in the present embodiment, similarly to the eighth embodiment, by appropriately adjusting the ratio between the charge accumulation period and the discard period, the amount of unnecessary electric charges among the electric charges generated by the photodiode 21 can be reduced. Can be adjusted and consequently the sensitivity can be adjusted. Other configurations and operations are the same as in the sixth embodiment or the seventh embodiment.
[0077]
(Tenth embodiment)
As described above, when the frame transfer type CCD is used, the charge generated by the photodiode 21 is mixed into the signal charge as a noise component in a period other than the period for obtaining the detection values A0, A1, A2, and A3. Such a noise component is substantially constant, and is averaged by accumulating charges during a period for obtaining the detection values A0, A1, A2, and A3. Therefore, the noise component is reduced to such an extent that a phase difference can be obtained. It is possible to remove it. However, since the S / N ratio decreases when noise components are present, it is necessary to increase the dynamic range in a portion related to charge accumulation and transfer, resulting in high cost.
[0078]
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 25, the light-shielding film 65 is provided in the vicinity of a region of the photodiode 21 where signal charges are accumulated and in a region not involved in generation of charges. The illustrated example is a configuration example in which six control electrodes are provided for one photodiode 21 as in the ninth embodiment, and specifically corresponds to the control electrodes (1) and (4). By providing the light-shielding film 65 at the portion where the light is emitted, charges (electrons e) are generated at portions of the photodiode 21 corresponding to the control electrodes (2), (3), (5), and (6). With this configuration, electric charges are generated mainly at portions corresponding to the control electrodes (2), (3), (5), and (6), and the control electrode (4) hardly contributes to the generation of electric charges. That is, no noise component is generated in the control electrode (4), and the SN ratio can be improved as compared with the case where the light shielding film 65 is not formed. Other configurations and functions are the same as in the ninth embodiment.
[0079]
In the fourth to tenth embodiments, the example in which the technology of the first embodiment is applied as the control timing of the control voltage and the waste voltage has been described. However, the technology of the second embodiment and the third embodiment is not described. Of course, it may be applied.
[0080]
In each of the above-described embodiments, the configuration is adopted in which the charge is taken out each time one of the four detection values A0, A1, A2, and A3 is obtained. The detection values A0, A1, A2, and A3 are obtained and then taken out at once.
[0081]
(Eleventh embodiment)
This embodiment uses the image sensor 1 in which a partial configuration of the frame transfer type CCD having the horizontal overflow drain shown in FIG. 19 is modified. That is, as shown in FIG. 26, the configuration in which the overflow drains 61a and 61b are provided for each photodiode 21 is adopted, and the charges generated by each photodiode 21 can be individually discarded. In this configuration, by applying a waste voltage in synchronization with the cycle of the modulation signal to each of the overflow drains 61a and 61b, the proportion of the signal charge that moves to the potential well, which is the charge storage portion, of the charge generated by the photodiode 21 Adjust However, in the present embodiment, of the overflow drains 61a and 61b, the timing at which the waste voltages φ1 and φ2 are applied to the pair of overflow drains 61a and 61b adjacent to each other in the direction in which the signal charge is transferred has a phase in the modulation signal. The timing differs by 180 degrees. By applying the waste voltages φ1 and φ2 to the two photosensitive units 11 at timings different in phase by 180 degrees, signal charges corresponding to timings different in phase by 180 degrees in the modulation signal are applied to the respective photosensitive units 11. It can accumulate in the formed potential well. That is, signal charges corresponding to different phases in the modulation signal can be accumulated in the potential wells formed in the two adjacent photosensitive portions 11, respectively, and the four detection values A0 required to obtain the phase difference ψ are obtained. , A1, A2, and A3 can be collectively taken out. In this way, it is possible to collectively extract the detection value A0 and the detection value A2 and collectively extract the detection value A1 and the detection value A3.
[0082]
In the configuration of the present embodiment, although noise components are generated because unintended charges are mixed with signal charges, the noise components are small compared to the amount of signal charges and mixed at a substantially constant ratio with respect to signal charges. Therefore, when determining the phase difference ψ, the influence of noise components is reduced. Other configurations and operations are the same as in the seventh embodiment.
[0083]
(Twelfth embodiment)
In the eleventh embodiment, a frame transfer type CCD is used, but the same operation can be performed by using an interline transfer type CCD using a horizontal overflow drain as shown in FIG. That is, in the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 10, the image sensor 1 having a configuration in which the overflow drains 41a and 41b are provided separately for each photodiode 21 is used. It suffices to provide three control electrodes 22 a to 22 c for each diode 21. In the image sensor 1 having this configuration, discard voltages of different phases in the modulation signal are applied to the overflow drains 41a and 41b adjacent in the vertical direction, and the control electrodes (22a to 22b) in the eleventh embodiment are different from each other. Driving with six-phase control voltages in the same manner as in 1) to (6) makes it possible to obtain two detection values A0, A1, A2, and A3. Other configurations and operations are the same as those of the eleventh embodiment.
[0084]
In the eleventh embodiment, three control electrodes 21a to 21c are associated with each of the overflow drains 61a and 61b, and in the twelfth embodiment, three control electrodes 22a to 22c are associated with each of the overflow drains 41a and 41b. However, four or more may be provided for each. Also, a configuration is adopted in which discard voltages φ1 and φ2 at timings different by 180 degrees in the phase of the modulation signal are applied to different overflow drains. , The four detection values A0, A1, A2, and A3 can be taken out collectively. Furthermore, the timing for applying the discard voltage may be a specific phase synchronized with the cycle of the modulation signal, and the interval can be set as appropriate.
[0085]
In each of the embodiments described above, an example in which an interline transfer CCD or a frame transfer CCD is used has been described. However, as shown in FIG. 28, the imaging unit D1 of the frame transfer CCD shown in FIG. It is also possible to use a frame interline transfer CCD having a configuration in which the photodiode 21 of the CCD and the vertical transfer unit 22 are replaced. The image sensor 1 having this configuration can suppress the occurrence of smear as compared with the frame transfer type CCD.
[0086]
【The invention's effect】
According to the configuration of the first aspect of the present invention, a charge discarding unit is provided, which includes a discard electrode and a ratio of charges discarded as unnecessary charges among charges generated in the photosensitive unit increases or decreases according to a discard voltage applied to the discard electrode. In addition, since the waste voltage applied to the waste electrode is changed at a timing synchronized with the cycle of the modulation signal, of the charges generated in the photosensitive portion, the remaining charges not used as signal charges are discarded as unnecessary charges, and noise to the signal charges is discarded. There is an advantage that mixing of components is suppressed. In particular, since the discard voltage is changed at a timing synchronized with the cycle of the modulation signal, unnecessary charges to be prevented from being mixed into the signal charges can be discarded accurately, leading to an improvement in the SN ratio. In addition, since the residual charges, which become unnecessary charges, are quickly removed, the signal charges can be taken out at a relatively short time interval without waiting for spontaneous disappearance due to recombination of the residual charges.
[0087]
According to the configuration of the second aspect of the present invention, since the control voltage is maintained at a constant voltage, control is easy.
[0088]
According to the configuration of the third aspect of the present invention, the ratio of the signal charge stored in the charge storage unit to the charge generated in the photosensitive unit is determined by both the control voltage applied to the control electrode and the waste voltage applied to the waste electrode. Because of the control, of the charges generated in the photosensitive section, the charges required as signal charges are transferred to the charge storage section, while the remaining charges not used as signal charges among the charges generated in the photosensitive section are discarded as unnecessary charges. Therefore, there is an advantage that the noise component is prevented from being mixed into the signal charge.
[0089]
According to the configuration of the fourth aspect of the present invention, the ratio of the signal charge stored in the charge storage unit to the charge generated in the photosensitive unit is controlled by the control voltage applied to the control electrode. The charge required as signal charge can be transferred to the charge storage unit, and the waste voltage applied to the waste electrode is kept at a constant voltage. The electric charge can be discarded as unnecessary electric charge, and as a result, there is an advantage that the noise component is prevented from being mixed into the signal electric charge. Further, since the residual charges are quickly removed, the signal charges can be taken out at a relatively short time interval without waiting for spontaneous disappearance due to recombination of the residual charges.
[0090]
According to the configuration of the fifth aspect of the present invention, it can be realized using a ready-made CCD image sensor having an overflow drain.
[0091]
According to the configuration of the sixth aspect of the present invention, each time the signal charge of each phase is obtained as in the case of detecting the signal charge corresponding to a plurality of phases by sharing one photosensitive unit, the signal charge is stored in the charge accumulation unit. It is not necessary to take out the signal charges, and after the required number of signal charges have been obtained, the signal charges can be taken out at once in the charge accumulation section. That is, the frequency of taking out signal charges from the photosensitive section to the charge accumulation section can be reduced.
[0092]
According to the configuration of the seventh aspect of the present invention, there is an advantage that the generation of electric charge due to the incidence of light is small in the vicinity of the electric charge accumulating portion, and the noise component is less mixed into the signal electric charge.
[0093]
According to the configuration of the invention of claim 8, since the phase difference between the light emitted from the light emitting source and the light received by the photosensitive unit is obtained, information represented by the phase difference as the spatial information, for example, the distance to the object is obtained. It becomes possible.
[0094]
According to the configuration of the ninth aspect, it is possible to provide a distance measuring apparatus having the effects of the above-described claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment.
FIG. 2 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 3 is an operation explanatory view showing a second embodiment.
FIG. 4 is an operation explanatory view showing a third embodiment.
FIG. 5 is a plan view showing an image sensor used in a fourth embodiment.
FIG. 6 is an exploded perspective view of a main part of the above.
FIG. 7 is a sectional view taken along line AA of FIG. 6;
FIG. 8 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 9 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 10 is a plan view illustrating an image sensor used in a fifth embodiment.
FIG. 11 is an exploded perspective view of a main part of the above.
FIG. 12 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 13 is an operation explanatory diagram of the above.
FIG. 14 is a plan view illustrating an image sensor used in a sixth embodiment.
FIG. 15 is a perspective view of a main part of the above.
FIG. 16 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 17 is an operation explanatory view of the above.
FIG. 18 is an explanatory diagram of the above operation.
FIG. 19 is a plan view showing an image sensor used in the seventh embodiment.
FIG. 20 is a perspective view of a main part of the above.
FIG. 21 is an explanatory diagram of the operation of the above.
FIG. 22 is an explanatory diagram of the operation of the above.
FIG. 23 is an operation explanatory view showing the eighth embodiment.
FIG. 24 is an operation explanatory view showing the ninth embodiment.
FIG. 25 is an operation explanatory view showing the tenth embodiment.
FIG. 26 is a perspective view of a principal part showing an eleventh embodiment.
FIG. 27 is a plan view showing an image sensor used in the twelfth embodiment.
FIG. 28 is a plan view showing an image sensor used in another configuration example of the present invention.
FIG. 29 is an operation explanatory view showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 Image Center
2 Light source
3 Control circuit section
4 Receiving lens
5 Evaluation section
11 Photosensitive unit
12 Charge storage unit
12a Control electrode
13 Charge extraction unit
14 Charge Disposal Department
14a Waste electrode
21 Photodiode
21a-21c Control electrode
22 Vertical transfer unit
22a-22c control electrode
23 Horizontal transfer unit
24 overflow electrode
40 substrate
41 Overflow drain
50 substrates
60 substrate
61 Overflow drain

Claims

A photosensitive portion that receives light from a space irradiated with light intensity-modulated by a modulation signal of a predetermined modulation frequency and generates an amount of charge corresponding to the received light intensity; and a signal charge of the charge generated by the photosensitive portion A charge accumulating unit that accumulates electric charges, a charge discarding unit that includes a discard electrode, and a proportion of charges discarded as unnecessary charges among charges generated in the photosensitive unit increases or decreases according to a discard voltage applied to the discard electrode. A charge extracting unit for extracting the accumulated signal charges to the outside, a control circuit unit for changing a waste voltage applied to a waste electrode at a timing synchronized with a cycle of the modulation signal, and a space related to the space using the charges extracted by the charge extracting unit. An apparatus for detecting spatial information using intensity-modulated light, comprising: an evaluation unit for evaluating information.

The charge storage unit includes a control electrode configured to increase or decrease a ratio of charge transferred to the charge storage unit among charges generated in the photosensitive unit according to a control voltage applied, and the control circuit unit applies the control electrode to the control electrode. 2. The spatial information detecting apparatus according to claim 1, wherein the control voltage is maintained at a constant voltage.

The charge accumulation unit includes a control electrode that increases / decreases a ratio of charge moving to the charge accumulation unit among charges generated in the photosensitive unit according to a control voltage applied, and the control circuit unit generates the charge in the photosensitive unit. The control voltage to the control electrode and the waste voltage to the waste electrode are controlled so that a period in which the charge is moved to the charge storage part and a period in which the charge is moved to the charge waste part are alternately generated. Of spatial information using intensity-modulated light.

A photosensitive portion that receives light from a space irradiated with light intensity-modulated by a modulation signal of a predetermined modulation frequency and generates an amount of charge corresponding to the received light intensity; and a charge generated by the photosensitive portion including a control electrode. The charge storage section, in which the ratio of charge stored as signal charge increases or decreases according to the control voltage applied to the control electrode, and the ratio of charge to be disposed of as unnecessary charge in the charge generated in the photosensitive section with a waste electrode is disposed A charge disposal unit that increases or decreases according to the waste voltage applied to the electrode, a charge extraction unit that extracts the signal charge stored in the charge storage unit to the outside, and a waste voltage that is applied to the waste electrode at a constant voltage to keep the charge During the operation, the control voltage applied to the control electrode is changed at a timing synchronized with the cycle of the modulation signal, thereby changing the ratio of the signal charge stored in the charge storage portion to the charge generated in the photosensitive portion. Detector spatial information using the circuit unit, the intensity-modulated light, characterized in that it comprises an evaluation unit for evaluating the information related to the space using a charge removed by a charge take-out portion.

A plurality of the photosensitive sections are arranged on a main surface of a semiconductor substrate, and the charge storage section and the charge extraction section each comprising a CCD are provided by a CCD image sensor provided on the semiconductor substrate; and the charge disposal section is a CCD image sensor. 5. The spatial information detecting device using intensity modulated light according to claim 1, wherein the overflow drain is provided in the device.

The control circuit unit forms a set of a plurality of photosensitive units adjacent to each other among the photosensitive units, and the control circuit unit converts the charges generated in the plurality of photosensitive units in the set into different phases synchronized with the cycle of the modulation signal. The charge is separately stored in the charge storage unit at the timing of (a), and the charge extraction unit extracts the signal charges corresponding to different phases obtained corresponding to the plurality of photosensitive units as a set at a time. An apparatus for detecting spatial information using the intensity-modulated light according to any one of claims 1 to 5.

7. The intensity-modulated light according to claim 1, wherein a light-shielding film is provided on the control electrode provided near a region where signal charges are stored in the charge storage unit. A device for detecting spatial information.

2. The evaluation unit according to claim 1, wherein a phase difference between light emitted from a light emitting source to the space and light received by the photosensitive unit is obtained from a plurality of signal charges corresponding to different phases of the modulation signal. 3. An apparatus for detecting spatial information using the intensity-modulated light according to claim 7.

9. The apparatus according to claim 8, wherein the evaluation unit converts the phase difference into a distance.