JP2005530171A - 画像検知デバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

好ましくは、紫外、可視、又は赤外スペクトルレンジの二次元時間変調電磁波動場を、１つ又は複数の検知素子によって局所的に検出及び復調可能である。それぞれの検知素子は、その表面が電気的に空乏状態に維持される半導体基板上に製造された絶縁レイヤ（Ｏ）上の抵抗性の透明な電極（Ｅ）から構成されている。電極（Ｅ）は、複数の接点（Ｃ１、Ｃ２）により、変調波動場の周波数と同期して動作するいくつかのクロック電圧に接続されている。電極内及び半導体基板内において、半導体内で光励起電荷ペアを分離し接点（Ｃ１、Ｃ２）近傍の個別の拡散領域（Ｄ１、Ｄ２）に搬送する横方向の電界を生成する。そして、拡散領域（Ｄ１、Ｄ２）内に光電荷を反復して保存及び蓄積することにより、電気信号を生成し、次いで、この電気信号を読み出して、変調波動場の局所位相シフト、振幅、及びオフセットを判定する。

Description

本発明は、画像センサ素子に関するものである。本発明は、更に、変調波動場を検出及び復調するデバイス及び方法に関するものである。更には、本発明は、反射によって物体の三次元形状を判定する方法にも関するものである。

本発明は、好ましくは、紫外、可視、又は赤外スペクトルレンジの時間的に変調された電磁波動場の高感度な局所検出及び復調を必要とするあらゆる検知及び計測技法に適用可能である。この機能は、特に、光学位相シフト干渉法又は飛行時間測距に基づいた非接触距離計測技法に有用である。本発明は、特に、復調ピクセルの高密度一次元又は二次元アレイを必要とするあらゆる検知及び計測技法に適用可能である。

独国特許第４４４０６１３Ｃ１号明細書（ＤＥ４４４０６１３Ｃ１）は、入射光子を比例した数の電荷ペアに変換する１つの感光部、これらの光励起電荷を保存及び蓄積する１つ又は複数の記憶素子、及び感光部とそれぞれの記憶素子間に位置する同数のスイッチという３つの部分から構成される検知素子による強度変調波動場の検出及び復調について開示している。これらのスイッチは、変調周波数と同期して動作する。好適な実施例は、Ａ．Ｊ．Ｐ．Ｔｈｅｕｗｉｓｓｅｎによる「Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ」（Ｋｌｕｗｅｒ、Ｄｏｒｄ−ｒｅｃｈｔ、１９９５年）に記述されている電荷結合素子（ＣＣＤ）技法に基づいており、感光サイト及びスイッチは、光励起電荷を横方向に搬送するＣＣＤゲートとして実現され、動作する。この方法の欠点としては、特に大きな感光サイト及びＣＣＤゲートを採用した場合にＣＣＤによって得られる復調速度が制限されること、ＣＣＤ構造の製造に特殊な半導体プロセスが必要であること、及びＣＣＤゲートで高電荷転送効率を得るために、特殊な形状の立ち上がり及び立ち下がりエッジを有するクロック波形が必要とされることが挙げられる。

このスイッチの代替実施例においては、業界標準のＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセスによって得られる電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が採用されている。このタイプのスイッチは、簡単に動作し、製造も容易である。但し、ＦＥＴスイッチの欠点は、不完全な電荷転送に起因する電荷の増大と電圧雑音特性、電荷注入効果、及びゲート電圧の変動によって発生するチャネル電流雑音である。

独国特許出願第１９８２１９７４Ａ１号明細書（ＤＥ１９８２１９７４Ａ１）は、この単一の大きな光ゲートを、櫛状構造の互いにかみ合わせたフィンガ電極光ゲートによって置換することにより、大きな感光素子に伴う速度制限の克服について開示している。この結果、光励起電荷キャリアが迅速に収集されると共に、複数の記憶素子上で迅速に転送可能である。但し、この発明の場合にも、スイッチング素子に基づいて、光電荷を適切な記憶素子に転送している。ＦＥＴのＣＣＤゲートとして実装されたこれらのスイッチング素子の欠点は、独国特許第４４４０６１３Ｃ１号明細書（ＤＥ４４４０６１３Ｃ１）について前述したものと同一である。

欧州特許第００１０９７２１号明細書（ＥＰ００１０９７２１）は、強度変調波動場を検出及び復調するための代替検知素子について開示している。この場合には、検知素子ごとに２つの光検知部を採用しており、このそれぞれが、２つの記憶サイト及び関連するスイッチング素子を有している。このデバイスを、到来する波動場の強度を２つの光サイト上に均等に分散させる検知素子上に位置する拡散光学素子と共に使用することにより、長い積分時間が可能となり、クロック波形に対するタイミング制限が緩和される。但し、記憶サイトの数が４つに制限されているため、変調波形の周期ごとに、４つを上回る数のサンプルを取得する必要がある場合には、このデバイスは有効ではない。又、この発明の場合にも、スイッチに基づいて、光サイトから記憶素子に光電荷を転送しているため、前述の２つの発明に関連して説明したものと同一の欠点を有している。

スイス特許第３１７６／９６号明細書（ＣＨ３１７６／９６）は、電荷キャリアを光励起して１つの横方向に沿って改善された速度で搬送する手段として、固定した電圧差を２つの端部に有する抵抗性の長い電極を使用する方法について開示している。これは、半導体／絶縁体インターフェイスの面に平行に生成された固定した横方向の電界によって実現されている。同一サイズの電極を具備してはいるが、この発明に開示されている横方向の電界を利用してはいない従来のＣＣＤ構造と比較し、この横方向の電界によれば、光電荷は、格段に高速で移動することになる。但し、光電荷が移動できるのは、１つの固定された方向のみであるため、このようなデバイスによって入射変調波動場を復調処理することはできない。

米国特許第５，５２８，６４３号明細書（ＵＳ５，５２８，６４３）は、電圧差を印加可能な接点をそれぞれが両端に具備する一連のＣＣＤゲートを採用することによる光励起電荷キャリアの更に高速の横方向搬送について開示している。この結果、それぞれのＣＣＤ電極により、半導体／絶縁体インターフェイスにおいて横方向のドリフト電界が生成される。この米国特許第５，５２８，６４３号明細書（ＵＳ５，５２８，６４３）に開示されている発明の目的は、列及び読み出しライン方向における改善された光電荷搬送速度を有する二次元のＣＣＤ画像センサアーキテクチャである。但し、光電荷が移動できるのは、１つの固定した方向のみであるため、このデバイスによって入射変調波動場を復調処理することはできない。

本発明の１つの目的は、好ましくは、電磁スペクトルの紫外、可視、及び近赤外部分における変調電磁波動場を局所復調する新しい光電子検知デバイスを提供することにある。

本発明の更なる目的は、復調ライン及び画像センサを実現するべく、一次元又は二次元で検知装置を幾何学的に配列するためのアーキテクチャを提供することにある。

第１の態様においては、本発明は、半導体基板、半導体基板上に形成された放射透明絶縁レイヤ、絶縁レイヤ上に透明な抵抗性材料のレイヤとして形成された電極、抵抗性レイヤの一端に隣接する第１接点、第１接点に隣接して配置され、第１接点の電位よりも高い電位にバイアスされた半導体基板とは反対の導電性を有する半導体基板内の第１拡散領域、第２接点に隣接して配置され、第２接点の電位よりも高い電位にバイアスされた半導体基板とは反対の導電性を有する半導体基板内の第２拡散領域、第１及び第２接点間に電位を印加する手段、及び第１及び／又は第２拡散領域上の電荷を読み出す手段を有する画像センサ素子を提供する。

この画像センサ素子の更なる好ましく且つ有利な別の特徴については、従属請求項２〜１４において開示並びにその権利請求が行われており、以下、これらを参照する。

即ち、その表面が電気的に空乏状態に維持される半導体基板上に製造された絶縁レイヤ上の抵抗性の透明な電極から構成される画像センサ素子を提供する。電極に対して、変調波動場の周波数に同期して動作するいくつかのクロック電圧に接続可能な複数の接点を提供する。電極内及び半導体基板内において、半導体内で光励起電荷ペアを分離して接点近傍の個々の拡散領域に搬送する横方向の電界を形成する。これらの拡散領域内に光電荷を反復して保存及び蓄積することにより、変調波動場の局所位相シフト、振幅、及びオフセットを判定するべく後から読み出されることになる電気信号を生成可能である。

本発明の第２の態様においては、本発明は、それぞれの画像センサ素子が本発明による画像センサ素子である画像センサ素子の一次元又は二次元アレイから構成された画像センサ；入射波動場の変調周波数と同期して画像センサ素子のそれぞれの電極上の接点に時間に依存した電圧パターンを供給し、光電荷を蓄積する対応する拡散領域に向かって光電荷を横方向に搬送する信号ジェネレータ；及び入射変調波動場の変調パラメータの算出に使用するべく拡散領域の電荷を読み出す手段を有する変調波動場を検出及び復調するデバイスを提供する。

変調波動場を検出及び復調するデバイスの更に好ましく有利であり、且つ／又は別の特徴については、従属請求項１６〜１８において開示並びにその権利請求が行われており、次に、これらを参照する。

本発明による復調デバイスは、いくつかの点において従来技術によるデバイスの欠点を緩和するものであり、これによれば、横方向の電界を明示的に使用して光励起電荷キャリアを記憶サイトに高速で搬送することにより、変調及び復調周波数を上げることができる。このデバイスは、接続された抵抗性の透明な電極と電荷記憶サイトという２つの素子のみから構成されており、電子スイッチが不要になっている。従って、ＣＣＤとは対照的に、タイミング及び電圧成形上の制限に留意する必要がないことから、デバイスの動作が簡単である。例えば、その最も単純な実装においては、１つのクロック信号だけで、十分に正しく動作する。又、このデバイスは、特定のＣＣＤとは対照的に、オーバーラップしたポリシリコン電極や埋め込みチャネルが不要であるため、標準的なＣＭＯＳプロセス技術を使用して容易に製造可能である。

第３の態様においては、本発明は、変調波動場を検出及び復調する方法を提供し、この方法は、（ａ）変調波動場によって、本発明による変調波動場を検出及び復調するデバイスの画像検知素子のアレイを照射する段階と、（ｂ）変調周波数のそれぞれの周期をいくつかのインターバルに分割する段階と、（ｃ）それぞれの時間インターバルごとに、別個の接点及び対応する拡散領域を提供する段階と、（ｄ）それぞれの時間インターバルにおいて、光励起電荷を、対応する拡散領域に搬送し、それらをそこに保存する段階と、（ｅ）拡散領域から、保存されている電荷を読み出す段階と、（ｆ）拡散領域から読み出した電荷から復調パラメータを算出する段階と、を有している。

第４の態様においては、本発明は、反射によって物体の三次元形状を判定する方法を提供し、この方法は、（ａ）変調源によって物体を照射する段階と、（ｂ）変調波動場を検出及び復調するデバイスの画像センサ素子のアレイ上に、物体から反射された光を結像して、二次元の強度変調波動場（この局所位相は、物体から検出デバイスへの局所距離を表している）を形成する段階と、（ｃ）変調周波数のそれぞれの周期をいくつかの時間インターバルに分割する段階と、（ｄ）それぞれの時間インターバルごとに、別個の接点及び対応する拡散領域を提供する段階と、（ｅ）それぞれの時間インターバルにおいて、光励起電荷を対応する拡散領域に搬送し、それらをそこに保存する段階と、（ｆ）拡散領域から、保存されている電荷を読み出す段階と、（ｇ）アレイ上に入射した変調波動場の局所位相を算出する段階と、（ｈ）この局所位相情報を使用して、物体の三次元形状を判定する段階と、を有している。

本発明の以上の及びその他の特徴及び利点については、添付の図面との関連で、本発明の実施例に関する以下の説明を一例として参照することにより、明らかとなろう。

本発明においては、シリコンなどの半導体材料を利用して、入射光子を電子／正孔ペアに変換している。以下においては、一般性を失うことなく、この半導体材料がｐドーピングされたものであり、この半導体材料内においては、少数電荷キャリアとして電子を検出することが望ましいものと仮定しているが、適切な変更を加えることにより、以下のすべての説明は、ｎドーピングされた半導体材料内において少数キャリアとして光励起正孔を検出するケースにも適用することが可能である。

この半導体材料は、業界標準のＣＭＯＳプロセスによって得られる（好ましくは、酸化物である）透明な絶縁レイヤによって覆われている。この絶縁体の厚さは、好ましくは、１ｎｍ〜１μｍである。この絶縁体が薄いほど、半導体内に延長する表面電界の部分が大きくなるが、この酸化物の厚さが薄いほど、製造も困難になる。この絶縁体上に、１０Ω／ｓｑ．を上回る電気面抵抗を有する抵抗性の透明な材料から電極面を形成する。この電極の実装に好ましい材料は、多結晶シリコンである。この電極の幾何学的な形状は、任意であるが、実際には、矩形形状が好ましい。

この電極は、その周囲において、固定した及びスイッチング可能な電圧源に接続される複数の接点と接続されている。半導体材料を接地電位に維持し、接点電圧が正の場合には、シリコン／絶縁体インターフェイスは、極性反転状態に維持され、この結果、光励起電子を収集し搬送することができる。

この抵抗性電極の接点に異なる電圧を印加すれば、Ｊ．Ｄ．Ｊａｃｋｓｏｎによる「Ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ（２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ）」（Ｊ．Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９７５年）に記述されているように、静電学の法則に従って算出可能な電流の二次元分布及び関連する二次元の電位分布が生成される。そして、この不均一な電位分布は、絶縁体を横断して作用し、対応する不均一な電位分布を半導体／絶縁体インターフェイスに生成する。図１は、単純な一次元のケースにおいて、これを示しており、インターフェイスに、三角形の電位分布が生成されている。このような不均一な電位分布は、電位の負の傾き（即ち、一次元における導関数）によって与えられる半導体／絶縁体インターフェイスに平行な電界の存在と関連するものであり、電極周囲のそれぞれの接点近傍に、シリコン材料とは反対の導電性タイプを有する拡散領域が生成される。これらの拡散領域は、光電荷を収集して蓄積するタスクを具備しているため、これらは、対応する電極接点よりも高い電位にバイアスしなければならない。図１は、透明な絶縁体（通常は、酸化物である）Ｏ上の抵抗性の透明な電極Ｅに対する２つの電極接点Ｃ１及びＣ２を有する復調デバイスの断面を示している。Ｃ１及びＣ２間の電圧差により、結果的に、電荷収集拡散領域Ｄ１及びＤ２間の半導体／絶縁体インターフェイスに、横方向の三角形の形状の電位分布（ｘ）が生成される。Ｃ１における電圧が、Ｃ２における電圧よりも高い場合には、光励起電子は、この三角形の表面電位によって拡散領域Ｄ１に搬送される。ｐタイプの半導体は、基板接点Ｓにより、接地電位に保持されている。表面近傍の半導体は、図１のＤＺによって示されている空乏領域の端部まで空乏状態となる。

この拡散領域の光電荷は、図２ａに示されている電荷積分回路などの既知の電子回路によって読み出すことができる。図２ａに示されている電荷積分回路は、容量性のフィードバックＣを有する演算増幅器に基づくものであり、この正の入力端子は、基準電位Ｖ_1、2に保持されている。光電流Ｉが、感光デバイスの拡散領域から生じ、この結果、出力電圧Ｖが生成される。スイッチＳＣを閉じることにより、積分プロセスをリセットし、開始することができる。図２ｂは、アクティブピクセルセンサ回路の形態の代替例を示している。入力端子Ｕ_Eは、感光デバイスの記憶拡散領域の中の１つに接続されている。この記憶拡散領域の容量の光電荷によって生成される電圧が、ソースフォロアトランジスタＴのベースに対して作用する。リセットトランジスタＴ_RSにより、電荷積分プロセスを基準電圧Ｕ_DCにリセットすることができる。そして、ドレインが電源電圧Ｖ_DCに接続されると共に、ソースが負荷抵抗器Ｒに接続されているソースフォロアトランジスタＴにより、出力電圧Ｕ_Aが生成される。

入射光は、透明な電極と透明な絶縁体を通じて半導体材料内に透過し、半導体／絶縁体表面の近傍に電子／正孔ペアが生成される。電子は、表面近傍の空乏領域の電界を感知するまで、半導体材料内を拡散し、この電界により、半導体／絶縁体インターフェイスに向かって移動する。そして、このインターフェイスにおいて、電子は、上部に延在する抵抗性の電極によって生成される強い横方向の電界により、電極接点の電位が最高の方向に掃引される。近傍の拡散領域が更に高い電位を具備しているため、電子は、この拡散領域に吸引され、そこで保存及び蓄積される。この結果、電極下方のすべての光電子が、この拡散領域に向かって迅速にドリフトし、そこですべて収集及び保存されることになる。

入射光は、周期Ｔ＝１／ｆを有する所与の周波数ｆによって時間的に変調されている。本発明による復調デバイスの動作の際には、この周期Ｔを複数の時間インターバルに分割する。そして、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を採用した好適な電子タイミング回路により、それぞれの時間インターバルごとに、電極接点において別の電圧構成を生成する。それぞれの電圧構成は、別の電極接点が最高電位を具備するという特性を具備している。この時間インターバルにおいて、光励起電子は、対応する記憶拡散領域に移動し、そこで保存及び蓄積される。

以上の動作シーケンスは、拡散領域内に蓄積された光電荷が電子的に読み出されるまで、長い合計露光時間にわたり、多数の周期にかけて反復可能である。この結果、拡散内の検出光電子数を増やすと共に、対応する信号対雑音比を向上させることができる。

以上の動作の結果、それぞれの合計露光時間の終了時点において、複数（それぞれの記憶拡散領域ごとに、１つずつ）の電気信号値が得られる。

次いで、これらの信号値を使用して、変調パラメータを算出する（即ち、所望の復調を実行する）。

一例として、変調周期の半分だけ異なる時点において変調波動場からサンプリングした２つの信号値Ｓ１及びＳ２により、Ｐ＝ａｒｃ ｓｉｎ（（Ｓ１−Ｓ２）／（Ｓ１＋Ｓ２））という式から、正弦波変調されたオフセットのない入射波動場の位相Ｐを算出することができる。

別の例として、変調周期の１／４だけ異なる時点において、変調波動場からサンプリングした４つの信号値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４により、Ｐ＝ａｒｃ ｔａｎ（（Ｓ４−Ｓ２）／（Ｓ１−Ｓ３））という式から、正弦波変調された入射波動場の位相Ｐを算出することができる。

本発明による複数の検出及び復調デバイスを一次元又は二次元で配列することにより、結果的に、復調ラインセンサ又は復調画像センサを生成可能である。この検出及び復調デバイスのそれぞれに対しては、少なくとも次の電気的な接続の組を提供しなければならない。

・電源電圧及び接地
・変調周波数と同期してスイッチングするそれぞれの電極接点ごとに１つの入力電圧ライン
・信号が読み出され、新しい露光及び電荷蓄積周期が始まった後に、電子的な電荷検出回路をリセットするための１つのリセット信号
・リセット動作の際に、電荷記憶及び蓄積拡散領域を放電する目標電位値を提供する１つのリセット基準電圧ライン
・信号の読み出し及び／又はリセットを要するピクセルの選択を可能にする１つのピクセル選択ライン
・対応する電荷記憶拡散領域と接続されたそれぞれの電荷検出回路ごとの１つの出力信号。ピクセルセレクトラインは、出力信号を、いくつかのピクセルに、典型的には、列全体に共通の１つ又は複数のバスに接続する。或いは、この代わりに、拡散信号よりも少ない数のバスラインを提供することも可能であり、この場合には、デマルチプレクシング回路により、これらの信号を、利用可能なバスに分配することになる。尚、この場合には、それぞれのピクセルに対して、デマルチプレクシング回路を制御するための適切なラインを提供する必要がある。

光電子が個々の電荷記憶及び蓄積拡散領域に向かって横方向に搬送される搬送領域の位置を、半導体／絶縁体インターフェイスから半導体のバルク内に移動させることも可能である。この方法は、埋め込みチャネルＣＣＤにおいて周知であり、これは、Ａ．Ｊ．Ｐ．Ｔｈｅｕｗｉｓｓｅｎによる「Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ」（Ｋｌｕｗｅｒ、Ｄｏｒｄ−ｒｅｃｈｔ、１９９５年）に記述されている。これは、表面に半導体とは反対のドーピングタイプの領域を製造し、適切な電圧によってこの領域を完全に空乏状態にすることにより、実現可能である。この結果、搬送される電荷キャリアは、多数電荷キャリアであるが、これらは、完全な空乏状態にある半導体のバルク内を移動するため、非常に効率的な搬送特性と無視可能な損失という利益を享受することができる。尚、この埋め込み搬送チャネルの深さの値は、通常、１０〜１０００ｎｍである。

又、半導体のバンドギャップに近いエネルギーを有する光子によって構成された波動場に関して、本発明による検出及び復調デバイスの感度を向上させることも可能である。このような長い波長（シリコンの場合には、近赤外領域）を有する光子は、通常は電界が到達しない深さまで、半導体内に深く浸透することをが知られている。このために、光励起電荷は、高速ドリフト搬送用の電界が提供されている表面に到達するのに、熱拡散メカニズムに依存しなければならない。熱拡散メカニズムは、搬送時間が平均で伝播距離の二乗に依存するため、低速である。このため、長い波長の光子を有するアプリケーションに適したものになるように、本発明による復調デバイスを適合することが望ましい。これは、表面に半導体とは反対のドーピングタイプの領域を製造し、適切な電圧によってこの領域を完全に空乏状態にすることにより、実現可能である。この結果、搬送される電荷キャリアは、多数電荷キャリアであるが、これらは、完全に空乏状態にある半導体のバルク内を移動するため、前述のように、埋め込みチャネルＣＣＤにおいて周知の原理に従い、非常に効率のよい搬送特性及び無視可能な損失という利益を享受することになる。又、ピクセル信号を制御し読み出すための回路も、この反対のドーピングタイプの領域内にすべて製造する。これらの領域は、すべて接地電位に電気的に接続される。ｐタイプ基板の場合には、半導体基板を数十ボルトの大きな負電圧にバイアスする。この結果、半導体基板内の空乏領域は、数十マイクロメートルの深さまで、半導体バルク内に深く延長することになる。この「深い空乏（Ｄｅｅｐ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）」と呼ばれるモードにおいては、垂直の電界が半導体内に深く延長し、長い波長の入射光子の光励起電荷の高速且つ効率的なドリフト搬送がもたらされる。

正弦波変調波動場が、一定の値の信号とオーバーレイされていない場合には（即ち、波動場がオフセットを有していない場合には）、変調振幅と位相遅延の抽出には、復調デバイスごとに２つの信号を計測するだけで十分である。このような復調ピクセルは、好ましくは、電極の反対側の側部又はコーナー上に２つの接点及び２つの対応する電荷記憶及び蓄積拡散領域を有する矩形電極として実現可能である。図１には、このような２タップデバイスの断面が示されている。

このデバイスは、１つ又は２つのクロック信号によって動作可能である。図３ａには、このデバイスを１つのクロック信号のみによって動作させる簡単な方法が示されている。例えばＣ１などの１つの接点を、一定の中間電圧レベルに維持する一方で、もう１つの接点Ｃ２を、高電圧と低電圧レベル間でスイッチングするクロック信号に接続する。クロック周期の最初の半分Ｔ１において、光電子は、左の電荷記憶及び蓄積拡散領域Ｄ１に移動し、クロック周期の第２の半分Ｔ２においては、光電子は、右の電荷記憶及び蓄積拡散領域Ｄ２に移動する。

又、このデバイスは、図２ｂに示されているように、２つの逆位相のクロック信号によっても動作可能である。即ち、接点Ｃ１及びＣ２を、高電圧及び低電圧レベル間でスイッチングする２つの別個のクロック信号に接続する。デバイス内に必要な横方向の電界を提供するには、１つのクロック信号が高電圧レベルにある際に、もう１つのクロック信号が低電圧レベルにあるように、クロック信号を選択しなければならない。この逆位相の２つのクロック信号により、１つのクロック信号のみの場合の２倍の大きさの電界が生成され、この結果、電荷キャリアは、二倍の速度で、それぞれの電荷記憶及び蓄積拡散領域Ｄ１及びＤ２に移動することになる。

一般的なケースにおいては、正弦波変調波動場は、それぞれの位置において、変調振幅、位相遅延、及びオフセット値という３つの値によって特徴付けられている。このため、このような一般的な変調波動場用の検出及び復調ピクセルには、電極上の少なくとも３つの接点、３つの対応する電荷記憶及び蓄積拡散領域、及び変調周波数の周期ごとに３回変化する３つのクロック信号が必要である。尚、３つの代わりに４つの信号を採用すると、復調の数式が、特に単純なものになるため、本発明による４タップデバイスは、好適な実施例を代表するものである。図４には、このような４タップデバイスの３つの例が示されており、接点を最小サイズの正方形又は細長い構造として製造し、矩形電極の４つの側部上に拡散領域を生成するか、矩形電極のコーナーに拡散領域を生成するか、或いは、電極の同一側部上にいくつかの拡散領域を生成する可能性が示されている。尚、電極の形状は、任意のものであってよいが、実際的な理由から、半導体技術においては、矩形形状が好ましい。図４は、電極Ｅ上の４つの電極接点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４と、これらに対応する記憶拡散領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４を有する復調デバイスの好適な実施例を示している（平面図）。図４ａは、矩形電極Ｅの４つの側部に位置する記憶拡散領域を示しており、図４ｂは、矩形電極Ｅのコーナーに位置する記憶拡散領域を示し、図４ｃは、矩形電極の２つの側部上に、それぞれ２つずつ位置する記憶拡散領域を示している。

次の表には、４タップ復調ピクセル内に横方向のドリフト電界を生成するための電圧信号の好適な実装が示されている。

それぞれが、１つの電荷収集及び蓄積シーケンスの合計周期Ｔの１／４だけ継続する４つの時間Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３内において、異なる電圧パターンＶ１、Ｖ２、Ｖ３、及びＶ４を４つの接点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４に印加する。尚、表中において、Ｈは、高電圧レベルを表し、Ｌは、低電圧レベルを表し、Ｉは、Ｈ及びＬの間の中間電圧レベルを表している。対応する拡散領域により、特定の時間において電子を収集するべき接点には、最高の電圧を印加する。この収集接点の反対側の接点には、最低の電圧を印加する。そして、その他の２つの接点には、通常、これら高電圧及び低電圧の中間に位置する中間電圧を印加する。この結果、最大の横方向電界が電極の下方に生成されることになる。接点に印加されるこれらの電圧信号は、変調周波数と同一の周期を具備しており、それぞれの電圧信号は、マスタ信号の位相遅延した複写になっている。尚、これらの信号がステップ関数である必要はなく、又、すべての接点信号が、それぞれの接点間において周期の１／４の位相遅延を有する正弦波であってもよい。

本発明による一般的な検出及び復調デバイスは、それぞれが複数の接点及び同数の対応する拡散領域を有する１つ又は複数の電極から構成されている。ｎ個の接点及びｎ個の対応する拡散領域を有する１つの電極の場合には（ｎタップ復調ピクセル）、変調波形がｎ個のパラメータによって表される入射変調波動場を検出及び復調することができる。このような復調の例は、それぞれが適切な振幅を有するｎ／２個のサイン信号と、それぞれが適切な振幅を有するｎ／２個のコサイン信号の線形の組み合わせになっている波形である。ｎタップ復調ピクセルは、例えば、Ｄ．Ｗ．Ｋａｍｍｌｅｒによる「Ａ Ｆｉｒｓｔ Ｃｏｕｒｓｅ ｉｎ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ」（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ、Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ、２０００年）に記述されている離散フーリエ変換によって数学的に実行可能な復調処理に必要なすべての信号を収集する。

図５には、完全な４タップ復調画像センサの好適な実施例が示されている。この図５には、基本画素（ピクセル）が示されている。検知素子のそれぞれの記憶拡散領域Ｄ１〜Ｄ４が、ソースフォロアトランジスタＳ１〜Ｓ４のゲートに接続されており、このドレインは、電源電圧ＶＳに維持されている。リセット信号ラインＶＲを採用したリセットトランジスタＲ１〜Ｒ４により、拡散を基準電位ＶＤにリセットすることができる。ソースフォロアトランジスタは、行セレクトトランジスタＴ１〜Ｔ４により、列内のすべてのピクセルに共通となっているバスラインＶ１〜Ｖ４に接続されている。これらの行セレクトトランジスタは、行セレクト信号ラインＲＳの制御下において、ソースフォロアトランジスタからバスラインに信号を伝達する。それぞれのピクセルに適切な接地電位を供給するべく、すべてのピクセルに共通の接地ラインＧが採用されている。

図６は、完全な復調画像センサのアクティブ画像検知部ＩＳ内に、これらの基本ピクセルＰを二次元で配列する方法を示している。ピクセルのそれぞれの行ごとに、行セレクト信号を行セレクトアドレスジェネレータによって供給する。すべてのピクセル用のリセット電圧ＶＲをリセット信号ジェネレータによって供給する。それぞれのピクセルの４つの電極接点は、垂直の接点信号ラインＣ１〜Ｃ４からそれぞれの信号を取得し、これらのラインは、電極接点電圧パターンジェネレータによって駆動されている。アドレスが行セレクトアドレスジェネレータによって選択されている行内のすべてのピクセルが、その拡散領域ソースフォロアの出力信号を垂直信号ラインＶ１〜Ｖ４に供給する。それぞれの垂直信号ラインＶ１〜Ｖ４は、能動負荷トランジスタＢ１〜Ｂ４によって終端されており、これらのゲートは、共通バイアス電圧ＶＢに維持されている。垂直信号ラインＶ１〜Ｖ４の電圧信号は、列増幅器Ａ１〜Ａ４によって増幅される。そして、これらの増幅器は、それぞれの信号を、マルチプレクシングトランジスタＭ１〜Ｍ４を通じて、共通多重化読み出しラインＭＸに供給する。マルチプレクシングトランジスタＭ１〜Ｍ４は、列セレクトアドレスジェネレータによってスイッチオン／オフされている。そして、ラインＭＸ上の信号は、増幅器ＡＡによって増幅され、出力ラインＯに供給される。

本発明は、例えば、Ｒ．Ｌａｎｇｅ及びＰ．Ｓｅｉｔｚによる「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ Ｒａｎｇｅ Ｃａｍｅｒａ」（ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、第３７巻（３）、３９０〜３９７頁、２００１年３月１日）に記述されているように（この内容は、本引用により、本明細書に包含される）、飛行時間測距法による物体の三次元形状の光学計測にも使用可能である。物体を変調光源によって照射し、反射した光を、光学結像レンズによって、本発明による二次元検出及び復調デバイス上に結像させる。この反射光により、二次元の強度変調波動場が形成されるが、光は、空気中において、約ｃ＝３１０⁸ｍ／ｓの有限な速度で伝播することから、この波動場の局所位相遅延は、物体から検出及び復調デバイスへの局所距離に関する情報を有している。本発明によれば、この入射変調波動場のすべての変調パラメータ（特に、局所位相遅延ｔ）を計測可能である。この計測により、式Ｌ＝ｃｔ／２に従って、物体への局所距離Ｌと、これにより、その三次元の形状を判定することができる。

以下、番号を付加した段落において、本発明の様々な実施例の特徴について説明する。

（１）変調波動場を検出及び復調するデバイスであり、次の特性を有している。

・画像センサは、検知素子の一次元又は二次元配列によって構成されている。

・それぞれの検知素子は、波動場の到来光子を電荷キャリアに変換する１つ又は複数の感光部から構成されている。それぞれの感光部には、光電荷を横方向に搬送するべく横方向の電界を生成する１つ又は複数の接点が提供された抵抗性の電極オーバーレイレイヤが提供されている。それぞれの接点の近傍には、記憶素子が配置されており、この記憶素子は、入射波動場から保護されており、光電荷を収集、蓄積、及び保存する。

・それぞれの記憶素子には、保存されている光電荷信号に対してアクセスし、それを読み出し可能な電子的な読み出し回路が提供されている。

・それぞれの素子には、記憶素子の電圧を基準電圧にリセット可能なリセットスイッチが提供されている。尚、仮想基準電圧に記憶素子を維持しつつ、光電流を計測する読み出し回路の場合には、このようなリセットスイッチは不要である。

・電子的なジェネレータにより、入射波動場の変調周波数と同期して、時間に依存した電圧パターンを接点に供給する。この結果、生成された光電荷が、対応する記憶素子に向かって横方向に搬送され、この光電荷が、変調周波数の１つ又はいくつかの周期にわたって収集及び蓄積される。次いで、これらの蓄積された光電荷信号を読み出し、入射変調波動場の変調パラメータの算出に使用する。

・電子的なジェネレータによって信号を検知素子に供給し、読み出し回路によって光電荷信号をシーケンシャルに読み出す。

（２）段落１に記載されている装置において、感光部は、電流が１つの接点から別の接点に伝達できるように、異なる場所に電気接点が製造された透明な抵抗性電極が上部に配置されている透明な絶縁レイヤによって覆われた半導体材料片して実装可能である。そして、この半導体材料内において、電気接点の場所の近傍に、半導体材料とは反対の導電性タイプの高度にドーピングされた領域として実装された拡散領域を製造する。

（３）段落１及び／又は段落２に記載されている装置において、感光部を、表面に位置し、半導体基板材料とは反対の導電性タイプからなる半導体レイヤによって実装可能であり、この表面レイヤは、完全に空乏状態となるように電圧によってバイアスされている。

（４）段落３に記載されている装置において、感光部及びすべての電子回路を表面半導体レイヤ内に実装可能であり、これらの半導体レイヤは、すべて接地電位に接続されており、半導体基板は、半導体基板内に所謂深い空乏レイヤを形成する電圧に接続されている。ｐタイプの半導体基板の場合には、この基板電圧は、大きな負電圧でなければならず、ｎタイプの半導体基板の場合には、この基板電圧は、大きな正電圧なければならない。

（５）段落１〜段落４の中のいずれかに記載されている装置において、読み出し電子回路は、ＡＰＳ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ）画像センサにおいて周知のように、ピクセルセレクトトランジスタを有するソースフォロアとして実装可能である。

（６）或いは、この代わりに、段落１〜段落４の中のいずれかに記載されている装置において、読み出し電子回路は、ピクセルセレクトトランジスタを有するリセット可能な電荷増幅器として、又は記憶素子の光電流を計測するピクセルセレクトトランジスタを有するトランスコンダクタンス増幅器として実装可能である。

（７）段落１〜段落６の中のいずれかに記載されているデバイスを使用して変調波動場を検出及び復調する方法において、

・波動場は、直接的に（又は、光学素子を通じて）検出及び復調素子上に入射する。

・波動場は、検出及び復調素子の感光部内に光電荷を生成し、それらの数は、波動場の時間的に変化する強度に依存している。

・変調周波数のそれぞれの周期を複数の時間インターバルに分離し、それらのそれぞれごとに、別個の接点及びストレージ拡散領域を提供する。それぞれの時間インターバルにおいて、光励起電荷が、対応する記憶素子に搬送され、そこで、収集、蓄積、及び保存される。この光電荷の搬送は、接点における電圧によって提供される横方向の電界の影響下において行われ、この結果、抵抗性電極レイヤ内に電流が生成される。尚、これらの電圧は、変調周波数と同期して動作する電圧ジェネレータによって生成可能である。これらの電圧は、対応する記憶素子内に光電荷を搬送する必要のある電極に対して、すべての電極の中で最も吸引力のある電圧が供給されるように生成され、この電圧は、光励起電子の場合には、正であり、光励起正孔の場合には、負である。光電荷は、定期的なリセットとバイアス動作を実行するリセットスイッチを通じて提供可能な更に吸引力のあるバイアス電圧によって記憶素子をバイアスすることにより、電極から近傍の記憶素子に搬送される。

・第１フェーズにおいて、入射波動場の変調周波数の１つ又は複数の周期にわたって、光電荷を反復的に収集し、対応する記憶素子内に保存する。

・第２フェーズにおいて、記憶素子に提供されている電子的な読み出し回路を使用することにより、保存されている光電荷をシーケンシャルに読み出す。この読み出された保存電荷は、入射変調波動場の変調パラメータを評価ユニットによって算出可能な信号を表している。

（８）段落７に記載されている方法を使用し、反射によって物体の三次元形状を判定可能である。物体を変調光源によって照射し、反射した光を光学結像レンズにより、段落１〜段落６に記載されている二次元の検出及び復調デバイス上に結像する。この反射光により、二次元の強度変調波動場が形成され、この局所位相は、検出及び復調デバイスへの物体の局所距離に関する情報を有している。この方法により、入射変調波動場のすべての変調パラメータ（特に、局所位相）を計測可能である。そして、このパラメータにより、物体への局所距離と、その三次元の形状を判定することができる。

本発明による画像センサ素子の第１実施例を示している。 センサ素子から電荷を読み取るための電荷積分回路の２つの実施例を示している。 １つのクロック信号を供給した場合及び２つの逆位相のクロック信号を供給した場合の図１の画像センサ素子の動作を示している。 異なる電極接点の配列によって図１に示されている素子を変更した本発明による画像センサ素子の第２実施例を示している。 本発明による４タップ復調画像センサの実施例を示している。 変調波動場を検出及び復調する本発明によるデバイスの画像検知部を示している。

Claims (22)

1. 半導体基板と、前記半導体基板上に形成された放射透明絶縁レイヤと、前記絶縁レイヤ上に透明な抵抗性材料のレイヤとして形成された電極と、前記抵抗性レイヤの一端に隣接する第１接点と、前記第１接点に隣接して配置され、前記第１接点の電位よりも高い電位にバイアスされている前記半導体基板とは反対の導電性の前記半導体基板内の第１拡散領域と、前記第２接点に隣接して配置され、前記第２接点の電位よりも高い電位にバイアスされている前記半導体基板とは反対の導電性の前記半導体基板内の第２拡散領域と、前記第１及び第２接点間に電位を印加する手段と、前記第１及び／又は第２拡散領域の前記電荷を読み出す手段と、を有する画像センサ素子。
2. 前記抵抗性レイヤは、矩形である請求項１記載の画像センサ素子。
3. ４つの接点を有し、これらのそれぞれが、隣接する拡散領域を具備している請求項２記載の画像センサ素子。
4. 前記接点は、それぞれの側部に１つずつ配置されている請求項３記載の画像センサ素子。
5. 前記接点は、それぞれのコーナーに１つずつ配置されている請求項３記載の画像センサ素子。
6. ２つの接点が、反対側に位置する２つの側部のそれぞれに配置されている請求項３記載の画像センサ素子。
7. 前記抵抗性レイヤは、正方形である請求項２から６のいずれか一項記載の画像センサ素子。
8. 前記絶縁レイヤの厚さは、１ｎｍ〜１μｍである請求項１から７のいずれか一項記載の画像センサ素子。
9. 前記電極は、１０Ω／ｓｑ．を上回る面抵抗を具備している請求項１から８のいずれか一項記載の画像センサ素子。
10. 前記素子の前記感光部は、前記基板の表面における半導体レイヤとして実装され、前記表面半導体レイヤは、前記基板とは反対の導電性を有しており、前記素子は、前記表面半導体レイヤが完全に空乏状態になるように、前記表面半導体レイヤをバイアスする手段を更に有している請求項１から９のいずれか一項記載の画像センサ素子。
11. 前記読み出し手段は、ピクセルセレクトトランジスタを有するソースフォロアとして実装される請求項１から１０のいずれか一項記載の画像センサ素子。
12. 前記読み出し手段は、ピクセルセレクトトランジスタを有するリセット可能な電荷増幅器として実装される請求項１から１０のいずれか一項記載の画像センサ素子。
13. 前記読み出し手段は、ピクセルセレクトトランジスタを有する、前記第１又は第２拡散領域における光電流を計測するトランスコンダクタンス増幅器として実装される請求項１から１０のいずれか一項記載の画像センサ素子。
14. 前記読み出し手段は、前記表面半導体レイヤ内において実装され、前記表面半導体レイヤは、接地電位に接続するべく構成されており、前記半導体基板は、前記半導体基板内に深い空乏レイヤを生成するための電位に接続するべく構成されている請求項１０から１３のいずれか一項記載の画像センサ素子。
15. それぞれの画像センサ素子が請求項１から１４のいずれか一項記載の画像センサ素子である画像センサ素子の一次元又は二次元のアレイからなる画像センサと、
    前記入射波動場の変調周波数と同期して、それぞれの前記画像センサ素子電極上の前記接点に時間に依存した電圧パターンを供給し、光電荷を蓄積する前記対応する拡散領域に向かって光電荷を横方向に搬送する信号ジェネレータと、
    前記入射変調波動場の変調パラメータの算出に使用するべく、前記拡散領域における前記電荷を読み出す手段と、
    を有する変調波動場を検出及び復調するデバイス。
16. 光電荷は、前記入射波動場の前記変調周波数の複数の周期にわたって蓄積される請求項１５記載のデバイス。
17. 前記変調周波数のそれぞれの周期は、いくつかの時間インターバルに分割され、それぞれの時間インターバルごとに、別個の接点及び拡散領域が、それぞれの画像センサ素子内において提供される請求項１５又は１６記載のデバイス。
18. 前記拡散領域から読み出された前記電荷から前記波動場の前記変調パラメータを算出する評価ユニット有する請求項１５から１７のいずれか一項記載のデバイス。
19. 変調波動場を検出及び復調する方法であって、
    （ａ）請求項１７から２０のいずれか一項記載のデバイスの画像検知素子のアレイを前記変調波動場によって照射する段階と、
    （ｂ）前記変調周波数のそれぞれの周期をいくつかのインターバルに分割する段階と、
    （ｃ）それぞれの時間インターバルごとに、別個の接点及び対応する拡散領域を提供する段階と、
    （ｄ）それぞれの時間インターバルにおいて、光励起電荷を対応する拡散領域に搬送し、それらをそこに保存する段階と、
    （ｅ）前記拡散領域から前記保存されている電荷を読み出す段階と、
    （ｆ）前記拡散領域から読み出された前記電荷から復調パラメータを算出する段階と、
    を有する方法。
20. 電荷が前記変調周波数の複数の周期にわたって前記拡散領域内に蓄積される請求項１９記載の方法。
21. 前記波動場は、光学素子によって前記アレイ上に案内される請求項１９又は２０記載の方法。
22. 反射によって物体の三次元形状を判定する方法であって、
    （ａ）前記物体を変調光源によって照射する段階と、
    （ｂ）前記物体から反射された光を、請求項１７から２０のいずれか一項記載のデバイスの画像センサ素子のアレイ上に結像させ、局所位相が前記物体から前記検出装置への局所距離を表している二次元の強度変調波動場を形成する段階と、
    （ｃ）前記変調周波数のそれぞれの周期をいくつかの時間インターバルに分割する段階と、
    （ｄ）それぞれの時間インターバルごとに、別個の接点及び対応する拡散領域を提供する段階と、
    （ｅ）それぞれの時間インターバルにおいて、光励起電荷を前記対応する拡散領域に搬送し、それらをそこに保存する段階と、
    （ｆ）前記拡散領域から前記保存されている電荷を読み出す段階と、
    （ｇ）前記アレイ上に入射する前記変調波動場の前記局所位相を算出する段階と、
    （ｈ）前記局所位相情報を使用して前記物体の三次元形状を判定する段階と、
    を有する方法。

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