JP2007093620A - 受光素子の感度制御方法、強度変調光を用いた空間情報の検出装置 - Google Patents
受光素子の感度制御方法、強度変調光を用いた空間情報の検出装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】不純物を添加した半導体層11の主表面に絶縁膜12を介して複数個の制御電極13が配置される。半導体層11に光が入射すると半導体層11に電荷が生成され、制御電極13に制御電圧を印加しておけば、制御電極13に対応して形成されるポテンシャル井戸14に電荷が集積される。制御電圧を変化させると、ポテンシャル井戸14が受光面に占める面積が変化する。ポテンシャル井戸14に集積された電荷は信号電荷として外部に取り出されるから、制御電圧を印加する制御電極13の個数を変化させることにより、受光素子1の感度を実質的に変化させたことになる。
【選択図】図1
Description
ψ=tan−1{(A3−A1)/(A0−A2)}
上述のように変調周期に合わせて特定の位相の受光強度を求めようとすれば、受光素子の感度を制御することが必要であって、特許文献1に記載の技術では、受光素子で集積された電荷を記憶領域に移送する経路にスイッチ領域を設け、受光素子で集積された電荷のうち受光強度A0,A1,A2,A3を求めるのに必要な電荷を記憶領域に蓄積するようにスイッチ領域を制御する構成を採用している。
本実施形態では、図1に示す構成の受光素子1を用いる。この受光素子1は、不純物を添加した半導体層11を備えるとともに、半導体層11の主表面が酸化膜からなる絶縁膜12により覆われ、半導体層11に絶縁膜12を介して制御電極13を設けた構成を有する。この受光素子1はMIS素子として知られた構造であるが、1個の受光素子1として機能する領域に複数個(図示例では5個)の制御電極13を備える点が通常のMIS素子とは異なる。絶縁膜12および制御電極13は光が透過するように材料が選択され、絶縁膜12を通して半導体層11に光が入射すると、半導体層11の内部に電荷が生成される。図示例の半導体層11の導電形はn形であり、光の照射により生成される電荷としては電子eを利用する。
ψ=tan−1{(A3−A1)/(A0−A2)}
つまり、感度制御部1bにおいて上述した受光強度A0,A1,A2,A3を求めるタイミングで時間幅Twだけ高感度に設定すれば、各タイミングにおいて受光強度A0,A1,A2,A3に相当する信号電荷が電荷集積部1cに集積されることになる。このようにして得られる4個の信号電荷を信号電荷が得られるたびに電荷取出部1dを通して評価部3に取り出すか、あるいは4個の信号電荷を各別の感光部1aに対応付けておき4個の信号電荷が得られてから電荷取出部1dを通して評価部3に取り出すようにすれば、上式から位相差ψを求めることができ、変調周波数と位相差ψとを用いることによって位相差ψを物体5までの距離に換算することができる。
上述した第1実施形態では、変調信号の周期に同期させて信号電荷を抽出しているから、たとえば、変調周波数が20MHzの場合、変調信号の1周期に対する信号電荷の蓄積時間は数十ns程度と短い。この場合、制御電極13に印加する制御電圧の波形歪が位相差ψの検出精度に直接影響する。また、発光源2から放射される光の波形歪も位相差ψの検出精度に直接影響する。
Y1=b1+a1・cos(ω1・t+ψ)
また、局発信号の角周波数をω2とすれば、局発信号の信号強度Y2は次式で表される。ただし、a2,b2は定数であって、a2は局発信号の振幅に相当し、b2は直流バイアスに相当する。
Y2=b2+a2・cos(ω2・t)
ここで、受光信号と局発信号とを混合した信号は(Y1・Y2)になるから、変調周波数と局発信号の周波数との周波数差に相当する包絡線成分を持つビート信号が得られ、かつ包絡線成分の位相には位相差ψがそのまま反映されることになる。つまり、位相差ψを求めるための信号電荷は、ビート信号の周期に同期するように取り出せばよい。ただし、ビート信号には変調信号による光量の変動成分が含まれているから、信号電荷を取り出すにはビート信号の包絡線成分を取り出すことが必要である。本実施形態では、ビート信号の周期に同期させて図4に示す時間幅Tiにおいて生じた電荷を電荷集積部1cに集積する構成を採用している(つまり、時間幅Tiに相当する期間は感度制御部1bの感度を局発信号で制御し、他の期間は感度制御部1bの感度を低感度にする)。したがって、電荷集積部1cでは時間幅Tiにおけるビート信号を積分したことになり、変調信号による変動成分が除去され、ビート信号の包絡線成分に比例した量の信号電荷が電荷集積部1cに集積されることになる。言い換えれば、電荷集積部1cはビート信号を包絡線検波したことになる。
ψ=tan−1{(A3′−A1′)/(A0′−A2′)}
本実施形態では、ビート信号の周期に同期させて求めた4個の積分値を用いて位相差ψを求めるから、変調周波数および局発周波数を周波数誤差が生じないように管理すれば、発光源2から放射した光と同期させることなく局発信号を生成しても位相差ψを求めることができる。
第2実施形態では、位相差ψを求めるための4個の積分値A0′,A1′,A2′,A3′を異なるタイミングで取り出しているが、本実施形態は複数個の積分値A0′,A1′,A2′,A3′を同時に取り出すことを可能としたものである。本実施形態では、ビート信号において互いに位相が180度異なる(つまり、逆位相)の2個ずつの積分値A0′,A1′,A2′,A3′を同時に求める例を示す。
第3実施形態では、各3個の制御電極(1)〜(3)または(4)〜(6)に同時に印加する制御電圧と、1個の制御電極(2)または(5)のみに印加する制御電圧とを略等しく設定していたから、ポテンシャル井戸14の面積には変化が生じるものの、大面積のポテンシャル井戸14と小面積のポテンシャル井戸14とのいずれについても深さは略等しくなっている。
本実施形態は、図7に示すように、第4実施形態の構成に加えて、各感光部1aに対応する各3個の制御電極(1)〜(3)または(4)〜(6)のうちの中央の制御電極(2)または(5)に遮光膜15を重ねたものである。つまり、感光部1aにおいて遮光膜15に覆われる部位では電荷(電子e)がほとんど生成されないから、電荷を保持するための小面積のポテンシャル井戸14に対応する部位では感光部1aでの電荷がほとんど発生せず、信号電荷の保持中に雑音成分となる電荷が混入する可能性を大幅に低減することができる。さらに、本実施形態では、電荷を生成している大面積のポテンシャル井戸14に対応する部位では各3個の制御電極(1)〜(3)または(4)〜(6)のうち中央の制御電極(2)または(5)に印加する電圧を両側の制御電極(1)(3)または(4)(6)に印加する電圧よりも高くしてある。制御電極(1)〜(6)に印加する電圧をこのような関係とすることによって、感光部1aのうち制御電極(1)(3)(4)(6)に対応する部位で生成された電荷が制御電極(2)(5)に対応する部位に流れ込んで蓄積されることになる。
1a 感光部
1b 感度制御部
1c 電荷集積部
1d 電荷取出部
2 発光源
3 評価部
4 制御回路部
11 半導体層
12 絶縁膜
13 制御電極
14 ポテンシャル井戸
Claims (13)
- 受光強度に対応する量の電荷を発生する感光部と、感光部に設けた制御電極への制御電圧の印加により感光部に形成され感光部で発生した電荷の少なくとも一部を集積する電荷集積部と、電荷集積部に集積した電荷を受光出力として外部に取り出す電荷取出部とを備える受光素子において受光感度を制御する方法であって、感光部の受光面に沿った面内での電荷集積部の面積が変化するように制御電極への制御電圧を変化させ、電荷集積部の面積を大きくする生成期間と、電荷集積部の面積を小さくすることにより生成期間において生成された電荷を保持する保持期間との間で、電荷集積部の面積の大きさを切り換えることを特徴とする受光素子の感度制御方法。
- 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発生する感光部と、感光部に設けた制御電極への制御電圧の印加により感光部に形成され感光部で発生した電荷の少なくとも一部を集積する電荷集積部と、電荷集積部に集積した電荷を受光出力として外部に取り出す電荷取出部と、感光部の受光面に沿った面内での電荷集積部の面積が時間経過に伴って変化するように時間経過に伴って変化する制御電圧を出力する制御回路部と、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、制御回路部は、電荷集積部の面積を大きくする生成期間と、電荷集積部の面積を小さくすることにより生成期間において生成された電荷を保持する保持期間との間で、電荷集積部の面積の大きさを切り換えることを特徴とする強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記制御回路部は、前記変調信号の周期に同期するタイミングで前記制御電圧を変化させることを特徴とする請求項2記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記制御回路部は、前記変調周波数とは異なる規定の局発周波数で前記制御電圧を変化させ、前記電荷取出部は、前記電荷集積部に集積した電荷を変調周波数と局発周波数との周波数差のビート信号の周期に同期させて取り出すことを特徴とする請求項2記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記感光部は複数個設けられ、前記制御回路部は、組になる複数個の感光部にそれぞれ設けた制御電極に前記変調信号の周期に同期するとともに互いに異なる位相の制御電圧を印加し、前記電荷取出部は、組になる複数個の感光部から得られた異なる位相に対応する信号電荷を一度に取り出すことを特徴とする請求項2記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記感光部は複数個設けられ、前記制御回路部は、組になる複数個の感光部にそれぞれ設けた制御電極に前記変調周波数とは異なる規定の局発周波数であって互いに異なる位相の制御電圧を印加し、前記電荷取出部は、組になる複数個の感光部から得られた異なる位相に対応する信号電荷を一度に取り出すことを特徴とする請求項4記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記感光部は、不純物を添加した半導体層と、半導体層の主表面に配置された前記制御電極と、半導体層と制御電極との間に介装された絶縁膜とからなり、前記電荷集積部は、制御電極に制御電圧を印加することにより半導体層に形成されるポテンシャル井戸からなることを特徴とする請求項2ないし請求項6のいずれか1項に記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記制御電極は前記半導体層の主表面に複数個配列され、制御電圧を印加する制御電極の個数を時間経過に伴って変化させることを特徴とする請求項7記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 複数個の制御電極を組にし、組にした制御電極について制御電圧を印加する制御電極の個数を複数段階に切り換え、組にした制御電極のうちで制御電圧を印加する制御電極の個数が最小となる保持期間に形成するポテンシャル井戸を電荷の保持に用いるとともに、当該ポテンシャル井戸が他の期間である生成期間に形成され電荷の生成に用いるポテンシャル井戸よりも浅くなるように制御電圧を設定することを特徴とする請求項8記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記生成期間においては、組にした複数個の前記制御電極のうち前記保持期間において制御電圧を印加する制御電極に対応する部位にもっとも深いポテンシャル井戸が形成されるように制御電圧を設定するとともに、当該制御電極に隣接する制御電極に対応する部位には浅いポテンシャル井戸が形成されるように制御電圧を設定することを特徴とする請求項9記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記電荷集積部として用いる前記ポテンシャル井戸を形成する前記制御電極を遮光膜により覆うことを特徴とする請求項9または請求項10記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 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求めることを特徴とする請求項2ないし請求項11のいずれか1項に記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
- 前記評価部は前記位相差を距離に換算する機能を有することを特徴とする請求項12記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
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