JP2009008537A

JP2009008537A - 距離画像装置及び撮像装置

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Publication number: JP2009008537A
Application number: JP2007170386A
Authority: JP
Inventors: Yasubumi Takahashi; 保文高橋
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】開口率を大幅に改善し、高精度な距離画像を生成する。
【解決手段】撮像装置を構成するための半導体基板２５内に画素ごとにｐｎ接合フォトダイオード（ＰＤ）１４を設ける。ＰＤ１４のｎ型領域２４の表面に、オーバーフローバリア（ＯＦＢ）１７を設け、ＯＦＢ１８の表層にオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）１８を形成する。ＯＦＢ１７及びＯＦＤ１８は、受光期間の開始時にＰＤ１４内の信号電荷（電子）を破棄するための電荷破棄部である。この電荷破棄部と同じく、ＰＤ１４より半導体基板２５の表層側の領域に、電荷転送チャネル２３ａ，２３ｂにより構成される電荷蓄積部を設ける。電荷蓄積部は、１画素につき複数設けられ、照射光の変調周期に同期した複数のタイミングでＰＤ１４から読み出した信号電荷を蓄積するものである。これにより、半導体基板２５の裏面側全体が受光領域となり、開口率がほぼ１００％となる。
【選択図】図６

Description

本発明は、対象空間内に存在する物体の距離情報を画素値として表した距離画像を生成する距離画像装置、及びその距離画像装置に用いる撮像装置に関し、特に、連続波変調ＴＯＦ方式の距離画像装置、及びその距離画像装置に用いる撮像装置に関する。

距離画像装置は、物の位置や形状を検出するだけでなく、同時に奥行きの情報も検出するものであるため、複雑な背景の中から特定の距離範囲に位置する物体を抽出することができる。この距離画像装置としては、レーザ光によって対象物を２次元的にスキャンしながらその反射光を受光し、三角測量法の原理に基づいて対象物の距離情報を取得するものが以前から知られている。しかし、この三角測量方式の距離画像装置は、レーザ光のスキャンに比較的長い時間が要されることから、対象物が移動する状況には不向きである。

近年、距離画像装置は、高度防犯センサ、車載センサ、ロボットの視覚センサ、モーションキャプチャ用のセンサなど、対象物に移動が伴う様々な用途において要求が高まっている。そこで、対象物の移動に対応することができるように、強度変調した光を対象空間内に一括して照射するとともに、対象空間からの反射光を２次元的な撮像面で受光し、反射光のナノ秒レベルの飛行時間差を撮像面の各画素ごとに検出することによって対象空間の距離画像を短時間に取得可能とした距離画像装置が提案されている。このような距離画像装置は、光の飛行時間を検出するものであるから、ＴＯＦ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）方式と呼ばれている。

このＴＯＦ方式の距離画像装置としては、強度変調した光としてパルス光を用いる「パルス変調ＴＯＦ方式」と、一定周期の連続波で強度変調した連続光を用いる「連続波変調ＴＯＦ方式」とが知られている。パルス変調ＴＯＦ方式の距離画像装置は、一定幅のパルス光を照射するとともに、反射光を特定時間の間のみ受光し、受光量が距離に依存して変化することに基づいて距離画像を生成する。一方の連続波変調ＴＯＦ方式の距離画像装置は、連続光として、例えば、正弦波で強度変調された光を照射するとともに、反射光を変調周期より短い時間間隔で複数回受光（１変調周期内で９０度ずつ位相の異なる４つのタイミングでサンプリング）することにより、反射光の波形を復調し、照射光と反射光との位相差を求めることにより、距離画像を生成する。

連続波変調ＴＯＦ方式の距離画像装置は、反射光の復調処理がやや複雑であるが、パルス変調ＴＯＦ方式の欠点である計測距離の制限がなくかつ物体の反射率補正の必要がないため、広く技術開発が行われている（例えば、非特許文献１，２、及び特許文献１，２参照）。この連続波変調ＴＯＦ方式の距離画像装置で用いられる撮像装置の画素（ピクセル）は、１回の計測動作中に複数のタイミングで受光を行うために、１つの光電変換部と、この光電変換部が生成する信号電荷を各タイミングで個別に蓄積するための複数の電荷蓄積部とによって構成されている。これらの光電変換部及び電荷蓄積部は、一般には、非特許文献２の図５に示されているように、半導体基板の同一面側（表面側）に設けられている。このため、撮像面は、受光領域以外の面積が大きく、受光領域の面積比率（開口率）をある程度以上高くすることができないといった問題がある。
T. Spirig et al.,"The Lock-In CCD-Two-Dimensional Synchronous Detection of Light", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.31, No.9, pp.1705-1708, September 1995 R. Lange et al.,"Demodulation Pixels in CCD and CMOS Technologies for Time-of-Flight Ranging", Proceedings of SPIE, Vol.3965A, pp.177-188, San Jose, January 2000 特許第３７２３２１５号公報特表２００３−５３２１２２号公報

特許文献２では、開口率の向上を図るために、フレーム転送型ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサを基本構造とし、１画素につき２つの光電変換部（０度及び１８０度の位相時に受光を行う第１光電変換部、９０及び２７０度の位相時に受光を行う第２光電変換部）を設け、各光電変換部につき２つの電荷蓄積部を設けてなる撮像装置が提案されている。しかしながら、この構成では、サンプリングのタイミングによって異なる光電変換部で受光が行われるため、光電変換部間での受光特性のばらつきにより、検出される受光光量の変化に誤差が生じ、その誤差が、復調された反射光の位相、つまり距離情報の精度に影響するといった問題がある。

そもそも特許文献２に記載の構成は、２つの光電変換部から択一的に受光を行うものであるため、実質的な開口率は５０％未満である。反射率が低い物体や、反射光の減衰が大きくなる遠方の物体を計測するためには、反射光の光量が低下するため、可能な限り開口率を向上することが望まれている。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、開口率を大幅に改善し、高精度な距離画像を生成することができる距離画像装置、及びその距離画像装置に用いられる撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の距離画像装置は、一定の周期の連続波で強度変調した照射光を対象空間に照射する照射手段と、前記対象空間内の物体からの反射光を２次元アレイ状に配列された複数の画素からなる撮像面で受け、前記周期に同期した複数の時点から所定の受光期間の間それぞれ受光を行う撮像手段と、前記各受光期間での受光光量に基づいて反射光の波形を復調し、前記画素ごとに照射光に対する反射光の位相差を検出することにより、前記物体までの各距離情報を画素値として表した距離画像を生成する距離画像生成手段と、を備えた距離画像装置において、前記撮像手段は、半導体基板内に前記画素ごとに設けられ、裏面側から入射した光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、前記画素ごとに前記光電変換部より前記半導体基板の表面側に設けられ、前記各受光期間の開始時に前記光電変換部に存在する信号電荷を破棄する電荷破棄部と、前記画素ごとに前記光電変換部より前記半導体基板の表面側に設けられ、前記各受光期間の間に前記光電変換部にて生成された信号電荷をそれぞれ蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記各電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記各受光光量に対応した撮像信号として前記画素ごとに出力する出力部と、を備えることを特徴とする。

なお、前記照射手段は、正弦波で強度変調した照射光を発することが好ましい。この場合、前記撮像手段は、照射光の変調周期に対する位相が９０度ずつ異なる４つの時点から所定の受光期間の間それぞれ受光を行い、前記各受光期間に対応した信号電荷を蓄積するために前記電荷蓄積部を４個備えていることが好ましい。

また、前記光電変換部は、ｐｎ接合フォトダイオードであることが好ましい。この場合、前記ｐｎ接合フォトダイオードの空乏層厚は、１０μｍ〜２０μｍであることが好ましい。

また、前記電荷破棄部は、前記ｐｎ接合フォトダイオードの一導電型領域の表面に接合された反対導電型のオーバーフローバリアと、前記オーバーフローバリアの表層に形成され、所定の電圧パルスが印加される一導電型のオーバーフロードレインとからなり、前記オーバーフローバリアの電位障壁は、前記オーバーフロードレインに前記電圧パルスが印加されることにより低下し、前記ｐｎ接合フォトダイオード内の信号電荷を前記オーバーフロードレインに排出することが好ましい。ここで、一導電型とは、ｐ型もしくはｎ型のいずれかの導電型であり、反対導電型とは、一導電型とは反対の導電型（つまり、一導電型がｐ型の場合にはｎ型、一導電型がｎ型の場合にはｐ型）である。

また、前記撮像手段は、前記各光電変換素子から読み出された信号電荷を、前記出力部へ転送する電荷転送手段を備えたインターライン転送型ＣＣＤイメージセンサであり、前記各電荷蓄積部は、前記電荷転送手段により構成されていることが好ましい。

また、前記照射手段は、波長８５０ｎｍ〜１０００ｎｍの照射光を発することが好ましい。

さらに、本発明の撮像装置は、一定の周期の連続波で強度変調した照射光を対象空間に照射し、前記対象空間内の物体からの反射光を２次元アレイ状に配列された複数の画素からなる撮像面で受け、前記周期に同期した複数の時点から所定の受光期間の間それぞれ受光を行い、前記各受光期間での受光光量に基づいて反射光の波形を復調し、前記画素ごとに照射光に対する反射光の位相差を検出することにより、前記物体までの各距離情報を画素値として表した距離画像を生成する距離画像装置に用いる撮像装置において、半導体基板内に前記画素ごとに設けられ、裏面側から入射した光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、前記画素ごとに前記光電変換部より前記半導体基板の表面側に設けられ、前記各受光期間の開始時に前記光電変換部に存在する信号電荷を破棄する電荷破棄部と、前記画素ごとに前記光電変換部より前記半導体基板の表面側に設けられ、前記各受光期間の間に前記光電変換部にて生成された信号電荷をそれぞれ蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記各電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記各受光光量に対応した撮像信号として前記画素ごとに出力する出力部と、を備えることを特徴とする。

本発明は、電荷破棄部及び電荷蓄積部を光電変換部より半導体基板の表面側に形成することにより、半導体基板の裏面側全体を受光領域として作用させ、開口率ほぼ１００％の裏面入射型の撮像装置を構成したものであり、低反射率の物体や遠方の物体を精度よく撮像することができ、高精度な距離画像を生成することができる。また、開口率の向上と同時に近赤外感度の向上を図ることが可能である。さらに、開口率の向上に伴い、受光面積の縮小化、高解像度化などを図ることができる。

図１において、距離画像装置２は、一定の周期の連続波で強度変調した連続光（照射光）を対象空間に照射する光源部３と、対象空間に存在する対象物Ｏｂから反射されてきた光（反射光）を、照射光の変調周期より短い時間間隔で複数回の受光を行う撮像装置４と、撮像装置４から出力された撮像信号に基づいて画素ごとに復調処理を行い、照射光と反射光との位相差（距離情報）を画素ごとに算出することにより、対象物Ｏｂまでの各距離情報を画素値として表した距離画像を生成する距離画像生成部５と、距離画像生成部５によって生成された距離画像を格納する距離画像格納部６と、各部を統括的に制御する制御部７とから構成されている。

具体的には、光源部３は、複数の発光ダイオードを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からなり、近赤外光（波長８５０ｎｍ〜１０００ｎｍ）を変調周波数ｆ_ｍ（例えば、ｆ_ｍ＝２０ＭＨｚ）の正弦波にて強度変調した連続光を対象空間に向けて発する。撮像装置４は、対象物Ｏｂからの反射光を撮影レンズ（図示せず）を介して撮像面に入射させ、変調周期に同期する４つの時点（照射光に対する位相が０度，９０度，１８０度，２７０度の時点）から、各時点間隔に比して十分短い受光期間Δｔの間、受光を行う。

距離画像生成部５は、撮像装置４による上記の各受光期間での受光光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に基づいて、画素ごとに照射光に対する反射光の波形の復調を行い、算出した位相差θを対象物Ｏｂまでの距離Ｄに換算するとともに、画素ごとに求めた距離Ｄを階調値（例えば、０〜２５５）に対応させることにより、グレー階調で表現された距離画像を生成する。距離画像格納部６は、不揮発性半導体メモリなどによって構成されている。

このように、距離画像装置２は、連続波変調ＴＯＦ方式の距離画像装置として構成されている。この連続波変調ＴＯＦ方式における距離計測の原理を以下に説明する。図２に示すように、時刻ｔにおいて光源部３から発せられる照射光の強度Ｉ（ｔ）が「Ｉ（ｔ）＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋σ）＋Ｂ」で表されるものとする。ここで、Ａは振幅、Ｂは直流成分（外光成分と反射光成分との平均値）、ωは角振動数（ω＝２πｆ_ｍ）、σは初期位相である。撮像装置４で受光する反射光の受光光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３は、各受光期間Δｔを変調周期１／ｆ_ｍより十分に短い時間に設定することにより、ほぼ次式により表される。

Ａ０＝Ａ・ｓｉｎ（σ）＋Ｂ
Ａ１＝Ａ・ｓｉｎ（π／２＋σ）＋Ｂ
Ａ２＝Ａ・ｓｉｎ（π＋σ）＋Ｂ
Ａ３＝Ａ・ｓｉｎ（３π／２＋σ）＋Ｂ

ここで、照射光Ｉ（ｔ）と反射光Ｉ’（ｔ）との位相差がθであることから、時刻ｔ＝０のときの初期位相σは−θ、つまり「σ＝−θ」であるため、上記の各式は、「Ａ０＝−Ａ・ｓｉｎ（θ）＋Ｂ」、「Ａ１＝Ａ・ｃｏｓ（θ）＋Ｂ」、「Ａ２＝Ａ・ｓｉｎ（θ）＋Ｂ」、「Ａ３＝−Ａ・ｃｏｓ（θ）＋Ｂ」となる。この結果、位相差θは、受光光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を用いて次式（１）により表される。

θ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ２−Ａ０）／（Ａ１−Ａ３）｝・・・（１）

そして、これにより、対象物Ｏｂまでの距離Ｄは、位相差θを用いて次式（２）により表される。

Ｄ＝ｃθ／（４πｆ_ｍ）・・・（２）

ここで、ｃは光の速度（ｃ≒３０ｃｍ／ｎｍ）である。距離画像生成部５は、式（１），（２）に基づき、撮像装置４によって得られた画素ごとの受光光量Ａ０〜Ａ３を用いて、画素ごとに距離Ｄを算出する。

次に、図３は、撮像装置４の模式的な構成を示す。撮像装置４は、複数の画素１０が２次元アレイ状に配置されてなる受光部１１と、受光部１１内を垂直転送された信号電荷を１水平ライン分ずつ受け取り、水平転送を行う水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）１２と、ＨＣＣＤ１２によって垂直転送された信号電荷を順次に電圧信号に変換し、撮像信号として出力する出力部１３とから構成された、インターライン転送型ＣＣＤイメージセンサである。

画素１０は、フォトダイオード（ＰＤ）１４と、ＰＤ１４に接続された４個のトランスファーゲート（ＴＧ）１５ａ〜１５ｄと、ＴＧ１５ａ〜１５ｄの各々に接続された３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄと、ＰＤ１４に接続するように形成されたオーバーフローバリア（ＯＦＢ）１７及びオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）１８とによって構成されている。

３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄはそれぞれ、信号電荷が転送される電荷転送チャネルと、その電荷転送チャネル内の電位を制御するための３個の転送電極とによって構成されており、転送電極には、３相の駆動パルスＶφ１〜Ｖφ３が印加される。ＴＧ１５ａ〜１５ｄは、転送電極によって区分された各３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄが具備する第１〜第３の転送電極のうち、駆動パルスＶφ２が印加される第２の転送電極に接続されており、この第２の転送電極は、ＴＧ１５ａ〜１５ｄのゲート電極を兼ねるように一体形成されている。なお、ＰＤ１４から信号電荷を読み出す際に、ＴＧ１５ａ〜１５ｄを選択的に駆動可能とするように、ＴＧ１５ａ〜１５ｄに別々の読み出しパルスＶφ２Ａ〜Ｖφ２Ｄを与えるための端子が設けられている。

３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄのうち、３相ＣＣＤ１６ａ，１６ｂは、垂直方向に交互に配置されており、第１の垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）１９ａを構成している。その他の３相ＣＣＤ１６ｃ，１６ｄは、同様に垂直方向に交互に配置されており、第２の垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）１９ｂを構成している。

ＯＦＢ１７及びＯＦＤ１８は、ＰＤ１４に存在する不要な信号電荷を受光期間の開始時に破棄（リセット）するための電荷破棄部として機能する。ＯＦＤ１８には、信号配線が共通に接続されており、この信号配線に所定の電圧パルスＶ_ＯＦＤを印加することにより、ＯＦＢ１７の電位障壁が低下し、ＰＤ１４内の信号電荷がＯＦＤ１８へ掃き出される。

３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄは、ＰＤ１４によって生成された信号電荷を前述の４つの受光期間の直後に読み出し、蓄積するための第１〜第４の電荷蓄積部として機能する。なお、詳しくは、ＰＤ１４から読み出された信号電荷は、各３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄの第２の転送電極下に蓄積される。

なお、電圧パルスＶ_ＯＦＤ及びみ出しパルスＶφ２Ａ〜Ｖφ２Ｄの各印加タイミングを制御することにより、前述の受光光量Ａ０〜Ａ３に対応した電荷量の信号電荷を各３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄに蓄積することができる。

３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄに蓄積された信号電荷は、駆動パルスＶφ１〜Ｖφ３による３相駆動によってＶＣＣＤ１９ａ，１９ｂ内をＨＣＣＤ１２に向けて垂直転送され、１水平ラインごとにＨＣＣＤ１２によって水平転送されるとともに、出力部１３によって撮像信号へと変換されて出力される。この結果、１つの画素１０につき、受光光量Ａ０〜Ａ３に対応した４個の撮像信号の出力が行われ、前述の距離画像生成部５に入力される。

次に、撮像装置４の素子構造について説明する。図４及び図５において、転送電極２０ａ〜２２ａ及び転送電極２０ｂ〜２２ｂは、垂直方向に延在した第１の電荷転送チャネル２３ａの上方に垂直方向に沿って順に配列されている。転送電極２０ａ〜２２ａは３相ＣＣＤ１６ａに具備され、転送電極２０ｂ〜２２ｂは３相ＣＣＤ１６ａに具備されている。同様に、転送電極２０ｃ〜２２ｃ及び転送電極２０ｄ〜２２ｄは、垂直方向に延在した第２の電荷転送チャネル２３ｂの上方に垂直方向に沿って順に配列されている。転送電極２０ｃ〜２２ｃは３相ＣＣＤ１６ｃに具備され、転送電極２０ｄ〜２２ｄは３相ＣＣＤ１６ｄに具備されている。

電荷転送チャネル２３ａ，２３ｂの間には、前述のＯＦＢ１７が形成されている。ＯＦＢ１７の中央部には、前述のＯＦＤ１８が形成されている。そして、ＯＦＢ１７下には、ＯＦＢ１７より大きな面積を占めるように、ＰＤ１４の一部を構成するｎ型領域２４が形成されている。ＰＤ１４は、埋め込み型のｐｎ接合フォトダイオードとして構成されており、画素１０下のほぼ全体を占めるように形成されている。

図６において、撮像装置４は、単結晶シリコンからなる半導体基板２５をベースとして形成されている。半導体基板２５は、低濃度のｐ⁻⁻型となっており、表面側の表層にはｐ型ウェル層２６が形成されており、裏面側の表層には高濃度のｐ^＋＋型層２７が形成されている。電荷転送チャネル２３ａ，２３ｂは、比較的高濃度のｎ^＋型であり、ｐ型ウェル層２６の表層に形成されている。ＯＦＢ１７は、比較的高濃度のｐ^＋型であり、ｐ型ウェル層２６の表層に形成されている。ＯＦＤ１８は、高濃度のｎ^＋＋型であり、ＯＦＢ１７内の表層に形成されている。

ｎ型領域２４は、表面がＯＦＢ１７に接合し、底面がｐ型ウェル層２６より深く、ｐ⁻⁻型領域２５ａ内の所定の深さまで達するように形成されている。このｎ型領域２４とｐ⁻⁻型領域２５ａとの間のｐｎ接合により、破線で示す空乏層が形成されている。ｐ⁻⁻型領域２５ａのほぼ全体が空乏化されており、この空乏層にて入射光の光電変換が行われる。この空乏層は、ＰＤ１４を構成しており、半導体基板２５の裏面側からの入射光を受けて電子−正孔対を生成する。ＰＤ１４により生成された電子は、電位勾配により移動し、信号電荷としてｎ型領域２４の上部に保持される。ＰＤ１４により生成された正孔は、ｐ^＋＋型層２７に吸収される。なお、ＰＤ１４は、ｐ⁻⁻型領域２５ａ内に形成された比較的低濃度のｐ⁻型層２８によって、隣接する画素１０との間で電気的に分離されている。

半導体基板２５の表面側には、酸化シリコンなどによって形成された絶縁膜２９を介して、導電性シリコン（ポリシリコンやアモルファスシリコンなど）からなる転送電極２１ａ，２１ｃが形成されている（他の転送電極も導電性シリコンにより絶縁膜２９を介して形成されている）。これらの転送電極上には、絶縁膜２９を介して、ＢＰＳＧ（Boron Phoshorous Silicate Glass）などからなる平坦化層３０が形成されている。

この平坦化層３０及び絶縁膜２９を貫通し、ＯＦＤ１８の表面に達するように、タングステンなどからなるコンタクトプラグ３１が形成されている。平坦化層３０上には、コンタクトプラグ３１と接続された、アルミニウムなどからなるメタル配線層３２が形成されている。このメタル配線層３２には、前述の電圧Ｖ_ＯＦＤが印加される。電圧Ｖ_ＯＦＤは、ＯＦＤ１８に直接印加され、ＯＦＤ１８の電位変化に応じてＯＦＢ１７の電位障壁が低下する。ＯＦＢ１７の電位障壁が低下すると、ｎ型領域２４中の信号電荷（電子）がＯＦＤ１８に掃き出される。

図示は省略するが、各転送電極２０ａ〜２２ｄには、同様に、コンタクトプラグを介してメタル配線層に接続されており、メタル配線層を介して前述の駆動パルスＶφ１〜Ｖφ３が印加される。また、第２の転送電極２１ａ〜２１ｄには、読み出しパルスＶφ２Ａ〜Ｖφ２Ｄが各々個別に印加されるように、メタル配線層が別途形成されている。

第２の転送電極２１ａ〜２１ｄは、電荷転送チャネル２３ａ，２３ｂの上方からｎ型領域２４の上方に達するように端部が延在しており、ｎ型領域２４に蓄積された信号電荷を電荷転送チャネル２３ａ，２３ｂへ読み出すためのゲート電極としても機能する。電荷転送チャネル２３ａ，２３ｂとｎ型領域２４との離間領域のうち、第２の転送電極２１ａ〜２１ｄが上方に延在している領域が前述のＴＧ１５ａ〜１５ｄとして機能する。つまり、第２の転送電極２１ａ〜２１ｄに読み出しパルスＶφ２Ａ〜Ｖφ２Ｄが印加されると、上記の離間領域にチャネルが形成され、ｎ型領域２４に蓄積された信号電荷は、電荷転送チャネル２３ａ，２３ｂへ転送される。

なお、図示は省略するが、メタル配線層３２の上層には、半導体基板２５の表面側に光が入射しないように、全体に遮光膜が形成されている。

また、半導体基板２５の裏面側には、酸化シリコンなどからなる透明な保護膜３３を介して、樹脂製の反射防止膜３４が形成されている。反射防止膜３４は、半導体基板２５の裏面（撮像面）に入射する光の反射を防止し、入射効率を高める。

このように、撮像装置４は、ＯＦＢ１７及びＯＦＤ１８からなる電荷破棄部を、第１〜第４の電荷蓄積部とともに半導体基板２５の表面側に形成することにより、裏面側全体が受光領域として作用する、開口率がほぼ１００％の裏面入射型ＣＣＤイメージセンサとして構成されている。半導体基板２５の厚さは、通常の表面入射型ＣＣＤイメージセンサの場合より薄く形成され、空乏層の厚さＳは、１０μｍ〜２０μｍとされている。この裏面入射構造の撮像装置４は、近赤外波長帯域の高感度化に優れており、近赤外光を照射光とする距離画像装置用の撮像装置として好適である。

次に、図７のフローチャートに基づいて、制御部７によってなされる距離画像装置２の動作について説明する。まず、光源部３が駆動され、変調周波数ｆ_ｍの正弦波にて強度変調された照射光が対象空間に照射される（ステップＳ１）。次いで、変調周波数ｆ_ｍに同期して撮像装置４が駆動され、まず、照射光に対する位相が０度の時点で電圧Ｖ_ＯＦＤの印加が行われ、ＯＦＢ１７へのｎ型領域２４内の電荷が破棄される（ステップＳ２）。次いで、受光期間Δｔ経過後に読み出しパルスＶφ２Ａの印加が行われ、この受光期間にＰＤ１４により生成された信号電荷が第１の電荷転送チャネル２３ａに読み出される（ステップＳ３）。このとき読み出された信号電荷は、３相ＣＣＤ１６ａ（第１の蓄積部）に蓄積される。

次いで、照射光に対する位相が９０度の時点で電圧Ｖ_ＯＦＤの印加により、同様に電荷破棄が行われ（ステップＳ４）、その時点から受光期間Δｔ経過後に読み出しパルスＶφ２Ｂの印加が行われ、この受光期間にＰＤ１４により生成された信号電荷が第１の電荷転送チャネル２３ａに読み出される（ステップＳ５）。このとき読み出された信号電荷は、３相ＣＣＤ１６ｂ（第２の蓄積部）に蓄積される。次いで、照射光に対する位相が１８０度の時点で電圧Ｖ_ＯＦＤの印加により、同様に電荷破棄が行われ（ステップＳ６）、その時点から受光期間Δｔ経過後に読み出しパルスＶφ２Ｃの印加が行われ、この受光期間にＰＤ１４により生成された信号電荷が第２の電荷転送チャネル２３ｂに読み出される（ステップＳ７）。このとき読み出された信号電荷は、３相ＣＣＤ１６ｃ（第３の蓄積部）に蓄積される。そして、照射光に対する位相が２７０度の時点で電圧Ｖ_ＯＦＤの印加により、同様に電荷破棄が行われ（ステップＳ８）、その時点から受光期間Δｔ経過後に読み出しパルスＶφ２Ｄの印加が行われ、この受光期間にＰＤ１４により生成された信号電荷が第２の電荷転送チャネル２３ｂに読み出される（ステップＳ９）。このとき読み出された信号電荷は、３相ＣＣＤ１６ｄ（第４の蓄積部）に蓄積される。

次いで、駆動パルスＶφ１〜Ｖφ３により各３相ＣＣＤ１６ａ〜１６ｄが駆動され、信号電荷がＶＣＣＤ１９ａ，１９ｂ内を垂直転送されるとともに、ＨＣＣＤ１２により水平転送が行われ、上記各蓄積部の蓄積電荷量（つまり、受光光量Ａ０〜Ａ３）に対応した撮像信号が出力部１３から順次に出力される（ステップＳ１０）。すべての画素１０について撮像信号の出力が行われた後、距離画像生成部５により、上記式（１），（２）に基づいた復調演算処理が行われ、距離画像が生成され（ステップＳ１１）、生成された距離画像が距離画像格納部６に格納される（ステップＳ１２）。

距離画像装置２は、撮像装置４として、開口率がほぼ１００％の裏面入射型ＣＣＤイメージセンサを用いているため、対象空間内の低反射率の物体や遠方の物体を精度よく撮像することができ、高精度な距離画像を生成することができる。

なお、上記実施形態では、照射光を正弦波によって強度変調しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、変調を行う波形は、三角波やノコギリ波などの正弦波以外の波形としてもよい。復調のための受光期間のタイミングや受光回数は、適用する波形に応じて決定すればよい。

また、上記実施形態では、撮像装置４のＶＣＣを３相ＣＣＤによって構成しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、４相ＣＣＤなど、その他の駆動相数のＣＣＤによって構成してもよい。

また、上記実施形態では、撮像装置４において、光電変換によって生成される電子−正孔対のうち電子を信号電荷として扱うように、半導体基板２５内の導電型（ｐ型またはｎ型）を設定しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、電子−正孔対のうち正孔を信号電荷として扱うように、半導体基板２５内の導電型を、上記とは反対の導電型（ｐ型をｎ型、ｎ型をｐ型）に変更してもよい。

また、上記実施形態では、撮像装置４をＣＣＤイメージセンサとして構成しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、撮像装置４をＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサとして構成してもよい。この場合には、第１〜第４の電荷蓄積部をＭＯＳ型コンデンサにより構成する。

距離画像装置の構成を示すブロック図である。照射光及び反射光の波形を示すグラフである。撮像装置の構成を示す模式図である。画素の平面構造を示す概略平面図である。画素の２次元配列を示す概略平面図である。図４のＩ−Ｉ線に沿う概略断面図である。距離画像装置の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

２距離画像装置
３光源部（照射手段）
４撮像装置（撮像手段）
５距離画像生成部（距離画像生成手段）
６距離画像格納部
７制御部
１０画素
１１受光部
１２水平ＣＣＤ
１３出力部
１４フォトダイオード（光電変換部）
１５ａ〜１５ｄトランスファーゲート
１６ａ〜１６ｄ３相ＣＣＤ（第１〜第４の電荷蓄積部）
１７オーバーフローバリア
１８オーバーフロードレイン
１９ａ，１９ｂ垂直ＣＣＤ
２０ａ〜２０ｄ第１の転送電極
２１ａ〜２１ｄ第２の転送電極
２２ａ〜２２ｄ第３の転送電極
２３ａ，２３ｂ電荷転送チャネル
２４ｎ型領域
２５半導体基板
２５ａｐ⁻⁻型領域
２６ｐ型ウェル層
２７ｐ^＋＋型層
２８ｐ⁻型層
３０平坦化層
３１コンタクトプラグ
３２メタル配線層
３４反射防止膜

Claims

一定の周期の連続波で強度変調した照射光を対象空間に照射する照射手段と、前記対象空間内の物体からの反射光を２次元アレイ状に配列された複数の画素からなる撮像面で受け、前記周期に同期した複数の時点から所定の受光期間の間それぞれ受光を行う撮像手段と、前記各受光期間での受光光量に基づいて反射光の波形を復調し、前記画素ごとに照射光に対する反射光の位相差を検出することにより、前記物体までの各距離情報を画素値として表した距離画像を生成する距離画像生成手段と、を備えた距離画像装置において、
前記撮像手段は、半導体基板内に前記画素ごとに設けられ、裏面側から入射した光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、
前記画素ごとに前記光電変換部より前記半導体基板の表面側に設けられ、前記各受光期間の開始時に前記光電変換部に存在する信号電荷を破棄する電荷破棄部と、
前記画素ごとに前記光電変換部より前記半導体基板の表面側に設けられ、前記各受光期間の間に前記光電変換部にて生成された信号電荷をそれぞれ蓄積する複数の電荷蓄積部と、
前記各電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記各受光光量に対応した撮像信号として前記画素ごとに出力する出力部と、
を備えることを特徴とする距離画像装置。
前記照射手段は、正弦波で強度変調した照射光を発することを特徴とする請求項１に記載の距離画像装置。
前記撮像手段は、照射光の変調周期に対する位相が９０度ずつ異なる４つの時点から所定の受光期間の間それぞれ受光を行い、前記各受光期間に対応した信号電荷を蓄積するために前記電荷蓄積部を４個備えていることを特徴とする請求項２に記載の距離画像装置。
前記光電変換部は、ｐｎ接合フォトダイオードであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の距離画像装置。
前記ｐｎ接合フォトダイオードの空乏層厚は、１０μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の距離画像装置。
前記電荷破棄部は、前記ｐｎ接合フォトダイオードの一導電型領域の表面に接合された反対導電型のオーバーフローバリアと、前記オーバーフローバリアの表層に形成され、所定の電圧パルスが印加される一導電型のオーバーフロードレインとからなり、前記オーバーフローバリアの電位障壁は、前記オーバーフロードレインに前記電圧パルスが印加されることにより低下し、前記ｐｎ接合フォトダイオード内の信号電荷を前記オーバーフロードレインに排出することを特徴とする請求項４または５に記載の距離画像装置。
前記撮像手段は、前記各光電変換素子から読み出された信号電荷を、前記出力部へ転送する電荷転送手段を備えたインターライン転送型ＣＣＤイメージセンサであり、前記各電荷蓄積部は、前記電荷転送手段により構成されていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の距離画像装置。
前記照射手段は、波長８５０ｎｍ〜１０００ｎｍの照射光を発することを特徴とする請求項１から７いずれか１項に記載の距離画像装置。
一定の周期の連続波で強度変調した照射光を対象空間に照射し、前記対象空間内の物体からの反射光を２次元アレイ状に配列された複数の画素からなる撮像面で受け、前記周期に同期した複数の時点から所定の受光期間の間それぞれ受光を行い、前記各受光期間での受光光量に基づいて反射光の波形を復調し、前記画素ごとに照射光に対する反射光の位相差を検出することにより、前記物体までの各距離情報を画素値として表した距離画像を生成する距離画像装置に用いる撮像装置において、
半導体基板内に前記画素ごとに設けられ、裏面側から入射した光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、
前記画素ごとに前記光電変換部より前記半導体基板の表面側に設けられ、前記各受光期間の開始時に前記光電変換部に存在する信号電荷を破棄する電荷破棄部と、
前記画素ごとに前記光電変換部より前記半導体基板の表面側に設けられ、前記各受光期間の間に前記光電変換部にて生成された信号電荷をそれぞれ蓄積する複数の電荷蓄積部と、
前記各電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を前記各受光光量に対応した撮像信号として前記画素ごとに出力する出力部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。