JP2013223013A - 撮像素子、撮像素子の制御方法、空間情報検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子の寸法当たりの受光出力の最大値を従来構成よりも高める。
【解決手段】撮像素子は、受光光量に応じた電荷を生成する受光要素が複数配列された撮像領域と、受光要素ごとに生成された電荷を蓄積する蓄積要素２１が複数配列された蓄積領域とを備える。蓄積要素２１は、受光要素ごとに生成された電荷を複数回受け取り当該電荷を加算して蓄積するフローティングディフュージョンからなる積算部Ｅ１と、積算部Ｅ１に蓄積された電荷量に相当する電圧値を受光出力として読み出す読出部Ｅ２とを備える。積算部Ｅ１にフローティングディフュージョンを用いて、受光出力が電圧値になるから、電荷の転送が不要になり、積算部のポテンシャル井戸を深くすることで、単位面積で積算可能な電荷量が多くなり、結果的に受光出力の最大値が高まる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換を行う受光要素が半導体基板に複数配列された撮像素子、撮像素子の制御方法、撮像素子を用いた空間情報検出装置に関するものである。

従来から、光電変換を行う受光要素が半導体基板に複数配列された撮像素子が提供されている。この種の撮像素子は、多くの場合、ＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサとのいずれかが採用されている。撮像素子は、受光要素に加えて、受光要素で生成された電荷を保持する機能と、保持された電荷を読み出す機能とが必要であって、この種の機能がＣＣＤあるいはＣＭＯＳにより実現されている。

一般的な撮像素子では、受光要素は受光光量に応じた電荷を生成するように構成されているから、受光出力は受光光量の多寡に応じて変化する。すなわち、撮像素子の受光出力は、受光要素に入射する光の強度と受光要素の露光時間との積に応じて定まる。ただし、受光出力の上限および下限は、電荷の生成、保持、読出を行う部位の寸法と不純物濃度とにより制限される。受光出力の下限は撮像素子の内部で発生するノイズなどで定まり、受光出力の上限は飽和電荷量で定まる。したがって、寸法や不純物濃度を調節することにより、受光出力の下限を下げることは困難であるが、受光出力の上限を高めることは可能である。

上述の知見を踏まえて、受光要素を配列した撮像領域とは別に、撮像領域から引き渡された電荷を蓄積する蓄積要素を備えた蓄積領域を設け、蓄積要素の飽和電荷量を受光要素よりも大きくした撮像素子が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。なお、特許文献１には、受光要素に相当する構成が撮像要素と記載されている。

特許文献１では、受光要素から受け取った電荷が蓄積要素に複数回引き渡されることによって、蓄積要素において電荷が積算される構成が採用されている。すなわち、飽和電荷量を受光要素よりも大きくした蓄積要素を設けることによって受光出力を高めており、結果的に高感度の撮像素子が得られている。また、蓄積要素の飽和電荷量を受光要素よりも大きくしたことにより、受光出力のダイナミックレンジが大きくなっている。

特開２００８−２７７７９７号公報

ところで、特許文献１に記載された蓄積要素は、加算部と転送部とを備え、加算部と転送部とは隣接して配置されている。加算部および転送部は、それぞれ半導体基板に絶縁層（酸化膜）を介して配置した複数個の電極を一直線上に配列した構成を有する。

撮像領域の受光要素で生成された電荷は転送部に引き渡され、転送部から加算部に引き渡されることによって積算される。加算部と転送部とは、ＣＣＤイメージセンサにおける垂直レジスタと同様の構成を有しており、加算部は飽和電荷量を高めるために、転送部よりも不純物濃度を高めてある。また、加算部および転送部に設けた電極に印加する電圧を調節し、電極に対応する部位に形成されるポテンシャル井戸の深さを調節することによって、加算部と転送部との間で電荷を移動させている。

特許文献１に記載された構成において、飽和電荷量をさらに高めるには、加算部の電極の寸法を大きくすることが考えられるが、撮像素子の寸法が大きくなることにより、製造コストが増加する。一方、撮像素子を小型化すると飽和電荷量を維持することができず、感度あるいは受光出力のダイナミックレンジが低下する。

また、飽和電荷量を高めるために、加算部に形成されるポテンシャル井戸を現状よりも深くすることが考えられる。しかしながら、半導体基板の表層部に形成された絶縁層の耐圧、電極に電圧を印加するドライブ回路（図示せず）の性能などの要求から、飽和電荷量を高めるために電極に印加する電圧を高めることは困難である。しかも、特許文献１に記載の構成は、加算部に蓄積した電荷を読み出すために電荷を移動させるから、加算部のポテンシャル井戸を深くすると、電荷の移動が困難になるという問題もある。

要するに、特許文献１に記載された構成では、撮像素子の大型化を避けながらも飽和電荷量をさらに高めることは困難である。

本発明は、撮像素子の寸法当たりの受光出力の最大値を従来構成よりも高めることを可能にした撮像素子を提供することを目的とし、さらに、撮像素子の制御方法、空間情報検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る撮像素子は、受光光量に応じた電荷を生成する受光要素が複数配列された撮像領域と、前記受光要素ごとに生成された電荷を蓄積する蓄積要素が複数配列された蓄積領域とを備え、前記蓄積要素は、前記受光要素ごとに生成された電荷を複数回受け取り当該電荷を加算して蓄積するフローティングディフュージョンからなる積算部と、前記積算部に蓄積された電荷量に相当する電圧値を受光出力として読み出す読出部とを備えることを特徴とする。

この撮像素子において、前記蓄積要素は、前記受光要素ごとに生成された電荷を受け取って一時的に保持する保持部と、前記保持部と前記積算部との間に配置され前記保持部から前記積算部への電荷の移動を制御するゲート部とをさらに備えることが好ましい。

この撮像素子において、前記保持部は、一方向に配列された複数個の転送電極を備え、前記転送電極に印加される電圧に応じて前記転送電極の直下のポテンシャル井戸の深さが制御されることにより、電荷を転送する動作と前記受光要素から転送された電荷を保持する動作とを行うことが好ましい。

この撮像素子において、
前記蓄積要素は、前記転送電極が並ぶ前記一方向とは直交する方向において、前記ゲート部と前記積算部と前記読出部とに占有される幅寸法に対して、前記転送電極に占有される幅寸法が相対的に大きいことが好ましい。

この撮像素子において、前記受光要素は、異なる期間の受光光量に応じた電荷を生成する複数の電荷生成部として機能し、前記積算部は、前記電荷生成部のそれぞれに対して２以上の規定数の個数が設けられていることが好ましい。

この撮像素子において、前記蓄積要素は、前記保持部の１個に対し前記ゲート部と前記積算部と前記読出部とが複数個ずつ設けられ、前記保持部が前記受光要素から異なる期間に受け取った電荷が複数個の前記積算部に振り分けられることが好ましい。

この撮像素子において、前記蓄積要素は、前記積算部の電荷を廃棄する機能を有したリセット部を備え、前記リセット部は、前記積算部の複数個で共用され、前記複数個の前記積算部の電荷を廃棄することが好ましい。

この撮像素子において、前記転送電極は、前記一方向と交差する方向に複数列設けられ、前記リセット部は、前記転送電極の列間に配置され、異なる２列の前記転送電極から電荷を受け取る前記積算部の複数個の電荷を廃棄することが好ましい。

この撮像素子において、前記リセット部は、前記一方向に並ぶ前記積算部の複数個に跨る位置に配置され、前記複数個の前記積算部の電荷を廃棄することが好ましい。

この撮像素子において、前記読出部は、前記一方向に並ぶ前記積算部の複数個から１個ずつの前記積算部を選択して受光出力を読み出す選択素子を備えることが好ましい。

この撮像素子において、前記読出部は、前記保持部の１個に対して設けられた複数個の前記積算部から１個ずつの前記積算部を選択して受光出力を読み出す選択素子を備えることが好ましい。

この撮像素子において、前記転送電極は、前記一方向と交差する方向に複数列設けられ、前記読出部は、異なる列の前記保持部に対して設けられた複数個の前記積算部から１個ずつの前記積算部を選択して受光出力を読み出す選択素子を備えることが好ましい。

本発明に係る撮像素子の制御方法は、受光要素が複数の電荷生成部として機能する撮像素子の制御方法であって、前記積算部の個数は前記電荷生成部の２倍の個数であり、前記受光要素から前記保持部に電荷を１回受け渡すたびに前記電荷生成部ごとの電荷を隣接した複数個の前記保持部に保持させ、かつ前記受光要素から前記保持部への電荷の受け渡しは２回で一巡させ、複数個の前記受光要素から電荷を１回受け渡すたびに、前記受光要素の２倍の個数で隣接して並ぶ前記保持部に電荷を受け渡し、電荷を受け渡す各回ごとに電荷を保持させる前記保持部を異ならせることを特徴とする。

本発明に係る撮像素子の制御方法は、受光要素が複数の電荷生成部として機能する撮像素子の制御方法であって、前記受光要素は２個ずつの前記電荷生成部として機能し、前記積算部の個数は前記電荷生成部の整数倍の個数であり、前記保持部に電荷を受け渡す時間間隔の整数倍の期間で前記受光要素における前記電荷生成部の位置を入れ換え、前記受光要素において前記電荷生成部の位置を入れ換えるたびに、電荷を保持させる前記保持部を異ならせることを特徴とする。

本発明に係る空間情報検出装置は、空間情報の検出対象である対象空間に投光する発光源と、前記対象空間から受光する請求項１〜１３のいずれか１項に記載の撮像素子と、前記発光源および前記撮像素子を制御する制御部と、前記発光源から投光した光と前記撮像素子の受光出力との関係を用いて空間情報を検出する信号処理部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る空間情報検出装置は、空間情報の検出対象である対象空間に投光する発光源と、前記対象空間から受光する請求項１〜１３のいずれか１項に記載の撮像素子と、前記発光源から前記対象空間に投光する光の強度を変調するために前記発光源を駆動する変調信号を出力し、かつ変調信号の複数の位相区間における受光光量に応じた受光出力を得るために前記撮像素子を制御する制御部と、前記変調信号と前記撮像素子の受光出力との関係から前記対象空間に存在する物体までの距離を空間情報として検出する信号処理部とを備えることを特徴とする。

本発明の構成によれば、蓄積要素で積算した電荷量をフローティングディフュージョンを用いて電圧値に変換した受光出力を読み出すから、受光出力を読み出すために電荷を転送する必要がなく、受光出力を読み出す際に電荷の移動を伴う構成と比較すると深いポテンシャル井戸を用いることが可能であって、結果的に撮像素子の寸法当たりの受光出力の最大値を従来構成よりも高めることが可能になるという効果を奏する。

実施形態１を示す要部の正面図である。 同上の全体構成を示す正面図である。 同上に用いる撮像領域の要部を示す正面図である。 同上の動作説明図である。 同上に用いる読出回路を示す回路図である。 同上を用いた空間情報検出装置の構成例を示すブロック図である。 同上を用いた空間情報検出装置の動作例を示す図である。 実施形態２を示す動作説明図である。 同上の利点を示す動作説明図である。 実施形態３を示す要部の正面図である。 実施形態４を示す要部の正面図である。 同上に用いる読出回路の要部を示す回路図である。 同上に用いる読出回路の他の構成例の要部を示す回路図である。 同上に用いる読出回路の別の構成例の要部を示す回路図である。 実施形態５を示す要部の正面図である。 実施形態６を示す要部の正面図である。 同上の他の構成例を示す要部の正面図である。 同上の別の構成例を示す要部の正面図である。

（実施形態１）
以下に説明する撮像素子１は、図２に示すように、光電変換を行う撮像領域１０と、撮像領域１０で生成された電荷の保持および読出を行う遮光された蓄積領域２０とを半導体基板に備える。なお、図２に多数記載された横長長方形は後述する制御電極１２を表す。したがって、撮像素子１の外観は、フレームトランスファ方式（以下、「ＦＴ方式」と略称する）のＣＣＤイメージセンサと類似している。すなわち、撮像領域１０において、光電変換を行って電荷を生成する電荷生成部を備えた受光要素１１が垂直転送レジスタとして兼用された構造を有している。

ただし、インターライントランスファー（以下、「ＩＴ」と略称する」）方式の構成と同様に光電変換を行う受光要素に隣接して垂直転送レジスタを配置した構造の撮像素子１においても以下の実施形態の技術を採用することが可能である。また、ＦＴ方式とＩＴ方式との構造に適用可能であることから、フレームインターライントランスファー（以下、「ＦＩＴ」と略称する）方式の構成に類似した構造であっても以下の実施形態の技術を採用することが可能である。

撮像領域１０は、光電変換を行って受光光量に応じて電荷を生成する受光要素１１が複数配列される。受光要素１１は、半導体基板の一表面に沿って仮想的に設定した二次元格子の格子点上に配置され、二次元マトリクス状に配列されている。すなわち、垂直方向（以下、「Ｙ方向」という）の直線上に一列に並ぶ複数個の受光要素１１が、水平方向（以下、「Ｘ方向」という）に離間して複数列配列されている。図２にＸ軸とＹ軸とを示している。１画素に相当する１セルの受光要素１１は、図３に示すように、Ｙ方向に並ぶ複数個（たとえば、１３個）の制御電極１２と、制御電極１２に対してＸ方向に離れて並設された保持電極１３とを備える。

受光要素１１の具体的な構成および機能は、先行技術文献に記載されているように既知であるので簡単に説明する。受光要素１１は、制御電極１２に印加される電圧が制御されることにより、受光光量に応じた電荷を生成する光電変換部Ｄ１と、光電変換部Ｄ１で生成された電荷の一部を不要電荷として除去する電荷分離部Ｄ２と、電荷分離部Ｄ２で除去されずに残った有効電荷を蓄積する電荷蓄積部Ｄ３とを形成する。

電荷分離部Ｄ２で分離される不要電荷の電荷量は、保持電極１３の直下に形成されるポテンシャル井戸に蓄積された電荷量により調節される。したがって、電荷分離部Ｄ２で分離する電荷量に見合うように、保持電極１３の直下に形成されるポテンシャル井戸に電荷をあらかじめ蓄積しておくことにより、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電荷量の増加が抑制される。ここに、光電変換部Ｄ１で生成された電荷から電荷分離部Ｄ２で電荷を分離しても、電荷蓄積部Ｄ３に残留する電荷量が零でなければ、受光要素１１ごとに生成された電荷量の間の差分は保存される。すなわち、不要電荷として一定量を減殺するだけであるから、受光要素１１ごとに生成された電荷量が持つ時間経過に伴う受光光量の相対的な変化に関する情報は有効電荷においても失われない。

受光要素１１は、制御電極１２に印加する電圧を制御することにより、光電変換部Ｄ１として機能させる部位について半導体基板の一表面に沿った面積を変化させることが可能になっている。また、１セルの受光要素１１は、１個の光電変換部Ｄ１を２個の電荷生成部として機能させることが可能になっている。ただし、１セルの受光要素１１に設けられる２個の電荷生成部は、同時には機能せず、異なる時間帯に光電変換を行う。また、１セルの受光要素１１に設けられた電荷生成部ごとにそれぞれ複数回の光電変換を行うように制御される。各回の光電変換で生成された電荷は電荷分離部で不要電荷が分離された後に有効電荷のみが電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される。したがって、電荷蓄積部Ｄ３は複数回の光電変換（露光）で得られた電荷に含まれる有効電荷を蓄積する。

たとえば、光電変換部Ｄ１が上下方向に配列された６個の制御電極１２で形成されている場合を想定する。この例では、上側３個の制御電極１２に電圧を印加してポテンシャル井戸を形成して電荷生成部として機能させる動作と、下側３個の制御電極１２に電圧を印加してポテンシャル井戸を形成して電荷生成部として機能させる動作とを繰り返すことが可能である。ただし、上下両端の制御電極１２は電荷生成部として機能せず、２個の電荷生成部において一部の制御電極１２が共用される。制御電極１２の間隔および制御電極１２に印加する電圧は、隣接する制御電極１２に電圧が印加されたときに、これらの制御電極１２に跨る領域に電荷生成部として機能するポテンシャル井戸が形成されるように設定される。また、電荷生成部となるポテンシャル井戸を形成していない残りの制御電極１２のうちの１個に電圧を印加してポテンシャル井戸を形成し、このポテンシャル井戸に電荷を保持させる。

撮像領域１０の飽和を抑制するために、不要電荷の除去は、光電変換により電荷が生成されるたびに行うことが好ましい。ただし、複数回の光電変換で生成された電荷を蓄積しても撮像領域１０が飽和しない環境下で使用する場合は、複数回の光電変換を行った後に不要電荷の除去を行う動作をまとめて行うようにしてもよい。

一方、蓄積領域２０は、図１に示すように、受光要素１１に一対一対応する蓄積要素２１を備える。本実施形態では、１セルの蓄積要素２１は４個の個別出力部２２１〜２２４を備える。すなわち、２個の個別出力部２２１〜２２４が受光要素１１の１個の電荷生成部に対応する。言い換えると、１セルの蓄積要素２１は、１セルの受光要素１１に設けた２個１組の電荷生成部で生成された電荷から抽出した有効電荷を２回受け取ることが可能であって、実質的に、４個の電荷生成部から得られる有効電荷を受け取ることが可能になっている。

１個の個別出力部２２１〜２２４は、基本的には、Ｙ方向の一直線上に配列された複数個（図示例は４個）の転送電極２３と、直下のポテンシャル井戸とともにフローティングディフュージョンを構成する読出電極２４と、読出電極２４に接続された読出回路２５とを備える。さらに、個別出力部２２１〜２２４は、転送電極２３と読出電極２４との間に配置されたゲート電極２６と、読出電極２４を挟んでゲート電極２６の反対側に配置されたリセット電極２７およびリセットドレイン２８とを備える。ゲート電極２６と読出電極２４とリセット電極２７とリセットドレイン２８とはＸ方向の一直線上に配置され、読出回路２５はＹ方向において読出電極２４とは異なる位置に配置される。

半導体基板において読出電極２４の直下に対応する領域は、転送電極２３の直下に対応する部位とともに周囲とは異なる導電形であって、転送電極２３の直下に対応する領域よりも不純物濃度を相対的に高くしてある。すなわち、読出電極２４の直下に対応する領域には読出電極２４に電圧を印加することなくポテンシャル井戸が形成され、しかも、図４（ａ）に示すように、転送電極２３の直下に対応する領域よりも深いポテンシャル井戸Ｗ１が形成されるように、導電形および不純物濃度が設定されている。このポテンシャル井戸Ｗ１および読出電極２４は、積算部Ｅ１として機能する。すなわち、読出電極２４の電位はポテンシャル井戸Ｗ１に蓄積された電荷量に応じて変化するから、積算部Ｅ１は、電荷量を電圧に変換する機能を有することになる。図４（ｂ）は、電荷の転送に用いるポテンシャル井戸Ｗ２の深さを比較のために示している。すなわち、電荷を転送する必要がある場合には、比較的浅いポテンシャル井戸Ｗ２を形成しなければならないのに対して、フローティングディフュージョンとして用いるポテンシャル井戸Ｗ１は相対的に深くすることが可能である。図４に示す網掛け部分は電荷を表している。

読出回路２５は、後述するように、ＣＭＯＳイメージセンサと同様の構成であって、読出電極２４ごとにそれぞれ読出回路２５が接続される。したがって、個別出力部２２１〜２２４の位置がＸ方向とＹ方向とについて指定されると、該当する位置の読出回路２５によって、読出電極２４の電位を個別に読み出すことができる。すなわち、読出回路２５は積算部Ｅ１に蓄積された電荷を読み出す読出部Ｅ２として機能する。

本実施形態では、撮像領域１０の受光要素１１から積算部Ｅ１への電荷の受け渡しは、転送電極２３を用いて構成される保持部Ｅ３を介して行われる。転送電極２３は、撮像領域１０の制御電極１２とはＹ方向の一直線上に配列される。また、転送電極２３に印加する電圧が制御されることにより、半導体基板において転送電極２３に対応する部位に形成されるポテンシャル井戸の深さが制御される。したがって、制御電極１２と転送電極２３とに印加する電圧を制御することによって、撮像領域１０から蓄積領域２０に電荷が転送される。

撮像領域１０から蓄積領域２０に電荷を転送する際には、１セルの受光要素１１に設けられる２個の電荷生成部で生成された電荷が、それぞれ異なる個別出力部２２１〜２２４に振り分けられるようにする。また、撮像領域１０から転送された電荷は、個別出力部２２１〜２２４ごとにＹ方向における中央部の２個の転送電極２３に対応する部位に形成されるポテンシャル井戸に保持させる。すなわち、転送電極２３と転送電極２３の直下に形成されるポテンシャル井戸とは、受光要素１１ごとに生成された電荷を受け取って一時的に保持する保持部Ｅ３として機能する。

ところで、ゲート電極２６は、Ｘ方向においては、転送電極２３が配列された領域に隣接するように配置され、Ｙ方向においては、１個の個別出力部２２１〜２２４を構成する転送電極２３のうちの中央部の２個の転送電極２３に跨る範囲に配置される。すなわち、撮像領域１０から保持部Ｅ３が受け取った電荷を保持している転送電極２３の側方にゲート電極２６が配置される。したがって、ゲート電極２６に印加する電圧が制御されると、保持部Ｅ３から積算部Ｅ１に電荷が移動する状態と、保持部Ｅ３と積算部Ｅ１との間にポテンシャル障壁が形成される状態とが選択される。すなわち、ゲート電極２６とゲート電極２６の直下の半導体基板に形成されるポテンシャル井戸とは、保持部Ｅ３から積算部Ｅ１への電荷の移動を制御するゲート部Ｅ４として機能する。

上述のように、保持部Ｅ３からゲート部Ｅ４を介して積算部Ｅ１に転送された電荷は積算部Ｅ１に加算して蓄積され、積算部Ｅ１に蓄積された電荷量に応じた電圧が読出部Ｅ２を通して受光出力として読み出される。読出部Ｅ２は、Ｘ方向とＹ方向との位置により個別に指定することが可能であって、読出部Ｅ２を個別に指定して受光出力を読み出すことが可能になっている。すなわち、Ｘ方向とＹ方向との位置が指定されることにより、個別出力部２２１〜２２４ごとの受光出力が読み出される。

積算部Ｅ１に蓄積された電荷は、リセット電極２７に適宜の電圧を印加することによりリセットドレイン２８を通して廃棄される。つまり、リセット電極２７およびリセットドレイン２８によりリセット部Ｅ５が構成される。リセット部Ｅ５の構成は一般的であるから説明を省略する。

読出回路２５の具体例を図５に示す。１個の読出電極２４に対応する読出回路２５は、３個のＭＯＳＦＥＴを用いて構成されている。すなわち、読出回路２５は、ゲートが読出電極２４に接続された増幅素子２５３と、Ｘ方向の位置を選択する行選択素子２５４と、Ｙ方向の位置を選択する列選択素子２５５とを備える。行選択素子２５４は画素ごとに設けられる。増幅素子２５３と行選択素子２５４と列選択素子２５５とのドレイン−ソースは直列に接続され、列選択素子２５５のドレインは受光出力を読み出すための読出線２５９に接続される。行選択素子２５４のゲートは行選択線２５７に接続され、列選択素子２５５のゲートは列選択線２５８に接続される。増幅素子２５３のドレインは、リセットドレイン２８と共通に接続してもよい。

読出回路２５は、読出電極２４ごとに設けられるから、蓄積領域２０にはＸ方向およびＹ方向にそれぞれ複数個ずつの読出回路２５が設けられる。行選択線２５７はＸ方向に離間して多数本設けられ、列選択線２５８はＹ方向に離間して多数本設けられる。ここで、所望の行選択線２５７と列選択線２５８とに適宜の電圧を印加すると、行選択線２５７と列選択線２５８とが交差する部位の読出回路２５において、行選択素子２５７と列選択素子２５８とがともに導通する。したがって、読出電極２４により増幅素子２５５のゲートに印加された電圧に対応した電圧が、該当する読出回路２５から読出線２５９に印加されることになる。

この構成の読出回路２５を用いることにより、個々の積算部Ｅ１ごとに蓄積された電荷に対応する電圧を受光出力として読み出すことが可能になる。ここにおいて、蓄積領域２０は遮光されているから、積算部Ｅ１の電圧を個々に読み出している読出期間には、撮像領域１０から電荷を転送しなければ積算部Ｅ１の電荷量は変化しない。したがって、シャッタとしてローリングシャッタを用いても画像に歪みが生じることはない。

上述した撮像素子は、発光源と組み合わせて用いると、アクティブ形の空間情報検出装置の構成要素として好適である。以下では、空間情報検出装置として、対象空間に存在する物体までの距離を求める測距装置を例示する。空間情報検出装置としては、測距装置のほか、物体の反射率や空間の媒質の透過率を求める装置などにも上記撮像素子を適用することが可能である。

測距装置としての空間情報検出装置は、図６に示すように、上述した撮像素子１と、撮像素子１の視野（すなわち、対象空間）に投光する発光源２を備える。距離を計測するには、発光源２から投光された光が対象空間に存在する物体５により反射され、反射光が撮像素子１に受光されるまでの時間を求める。投光から受光までの時間を計測するために、発光源２から強度を変調した光（強度変調光）を対象空間に投光し、撮像素子１による受光時点の強度変化の位相と、発光源２からの投光時点の強度変化の位相との位相差を用いて時間を計測する。強度変調光が強度を変化させる周波数が一定である場合、位相差は簡単な計算で距離に換算される。

いま、発光源２から図７（ａ）のように強度が変化する強度変調光を対象空間に投光し、撮像素子１の１つの受光要素１１が受光する光の強度が図７（ｂ）のように変化しているとする。同位相の時間差Δｔは物体５までの距離Ｌを反映しているから、光速をｃ［ｍ／ｓ］として、時間差Δｔ［ｓ］を用いると、物体５までの距離Ｌは、Ｌ＝ｃ・Δｔ／２で表される。光の強度を変調する変調信号の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、位相差をφ［ｒａｄ］とすれば、時間差Δｔは、Δｔ＝φ／２πｆであるから、位相差φを求めることにより距離Ｌが求められる。

位相差φを求めるには、撮像素子１の受光要素１１ごとに、入射光の受光強度を変調信号の複数の異なる位相について求める。実際には、撮像素子１の受光要素１１ごとに、所定の位相幅（時間幅）を有する位相区間ごとの受光光量を検出し、この受光光量に相当する受光出力を位相差φの演算に用いる。位相区間を９０度間隔とすれば、変調信号の１周期について位相間隔が等しい４つの位相区間が周期的に得られる。位相区間ごとの受光光量をＡ０〜Ａ３とすれば、位相差φは、φ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）｝と表される。受光光量Ａ０〜Ａ３を変調信号のどの位相に対応させるかによって、位相差φの符号は変化するが、位相差φは絶対値を用いればよい。

発光源２から強度変調光を投光し、撮像素子１において特定の位相区間ごとの受光光量を検出する必要があるから、制御部４が設けられる。制御部４は、発光源２から強度変調光が投光されるように発光源２に変調信号を与えて発光源２を駆動する。また、制御部４は、変調信号に同期する適宜の位相区間における受光出力が得られるように、撮像素子１の画素ごとの感度を調節する。撮像素子１からは４つの位相区間ごとの受光光量Ａ０〜Ａ３に対応した受光出力が得られ、撮像素子１の受光出力が信号処理部３に入力される。信号処理部３は、受光出力から物体５までの距離を求める演算を行う。信号処理部３には、制御部４から変調信号に同期した基準信号が与えられ、この基準信号に基づいて生成した読出信号を撮像素子１に与えて受光出力を読み出す。

なお、図７に示す例では、位相区間ごとの位相幅を９０度に設定しているが、位相幅は適宜に設定してもよい。また、位相区間は３以下でもよく、位相区間の間隔は９０度でなくてもよい。

撮像素子１は、１セルの受光要素１１では２つの位相区間の受光光量Ａ０〜Ａ３に相当する電荷を生成し、蓄積領域２０における１セルの蓄積要素２１では４つの位相区間の受光光量Ａ０〜Ａ３に相当する電荷を積算する。

１セルの受光要素１１は２個の電荷生成部として機能するから、受光要素１１の制御電極１２に印加する電圧が変調信号に同期するように制御されることにより、受光要素１１において２つの位相区間に対応する電荷が生成される。１セルの受光要素１１は、位相が１８０度異なる２つの位相区間に対応する電荷を生成することが望ましい。すなわち、制御電極１２に印加する電圧を制御することにより、受光光量Ａ０，Ａ２に対応する位相区間に電荷を生成する期間と、受光光量Ａ１，Ａ３に対応する位相区間に電荷を生成する期間とを交互に設けることが望ましい。

一方、蓄積領域２０に設けた蓄積要素２１は、４個の個別出力部２２１〜２２４を備えており、２個ずつの個別出力部（２２１，２２２）（２２３，２２４）がそれぞれ１セルの受光要素１１に設けた２個の電荷生成部に対応付けられる。すなわち、受光光量Ａ０は個別出力部２２１に対応付けられ、受光光量Ａ１は個別出力部２２３に対応付けられ、受光光量Ａ２は個別出力部２２２に対応付けられ、受光光量Ａ３は個別出力部２２４に対応付けられる。したがって、図示例では、個別出力部２２１〜２２４は、上から順に、受光光量Ａ０，Ａ２，Ａ１，Ａ３に対応付けられていることになる。

個別出力部２２１〜２２４は、撮像領域１０から保持部Ｅ３に転送された電荷を積算部Ｅ１に引き渡す動作を複数回繰り返すことにより加算して蓄積する。したがって、受光要素１１で蓄積された電荷が、積算部Ｅ１でさらに積算されることになる。

たとえば、変調信号の周波数を２０ＭＨｚとすれば、計測可能な最大距離は７．５ｍであり、毎秒３０フレームの受光出力を得る場合でも、撮像領域１０の電荷蓄積部Ｄ３と積算部Ｅ１とを併せると変調信号の１００００周期程度の電荷を加算して蓄積することが可能である。また、積算部Ｅ１にフローティングディフュージョンを用いていることにより、電荷の廃棄時以外は、積算部Ｅ１から電荷を転送する必要がないから、積算部Ｅ１に深いポテンシャル井戸を形成することが可能になる。すなわち、積算部Ｅ１に蓄積される電荷密度を高めることが可能であり、受光出力の上限を高めることが可能になる。

すなわち、発光源２から出力する強度変調光の振幅を大きくしても近距離の物体５からの反射光による飽和が生じにくくなり、また、強度変調光ではない環境光が強い環境下であっても撮像素子１の飽和が生じにくくなる。本実施形態の構成では、転送電極２３は一直線上に配列されているから、保持部Ｅ３で電荷が漏れ出した場合にはスミアが発生する可能性があるが、積算部Ｅ１はフローティングディフュージョンであるから電荷の漏れ出しによるスミアの発生が防止される。したがって、保持部Ｅ３において電荷の漏れ出しが生じないように保持部Ｅ３で扱う電荷量を相対的に少なくし、積算部Ｅ１で加算して蓄積する回数を多くすることによって受光出力を確保することにより、スミアの発生が抑制される。また、積算部Ｅ１を設けて電荷を加算して蓄積しているから感度の向上も期待できる。このように、画素の面積当たりの受光出力が大きくなるから、画素のサイズを小さくすることが可能であって、結果的に、撮像素子１とともに用いられる光学レンズの小型化が可能になる。このことは、撮像素子１を用いたセンサの小型化につながり、また、コストの削減にもつながる。

以下の説明では、説明を簡単にするために、４種類の受光光量Ａ０〜Ａ３を用いるが、撮像素子１の用途を測距装置に限定する趣旨ではない。

（実施形態２）
実施形態１は、１セルの蓄積要素２１に４個の個別出力部２２１〜２２４がまとめて設けられている。また、実施形態１では、撮像領域１０から蓄積領域２０に電荷が１回転送されると、受光要素１１で生成された２つの位相区間の電荷が、２個の異なる個別出力部２２１〜２２４の積算部Ｅ１に蓄積される構成が採用されている。ここに、保持部Ｅ３の個数は受光要素１１に設けられた電荷生成部の２倍の個数になっている。したがって、撮像領域１０から蓄積領域２０に電荷が２回転送されることによって、４個の個別出力部２２１〜２２４に電荷が振り分けて蓄積される。このことから、撮像領域１０においてＹ方向に並ぶ受光要素１１ごとに、受光要素１１に対応する蓄積要素２１に電荷を転送するのに要するステップ数（クロック数）が異なることになる。

実施形態１における受光要素１１と蓄積要素２１との関係を図９（ｂ）に模式化して示す。図示例は、１セルの蓄積要素２１に含まれる転送電極２３を２つの保持部Ｅ３１，Ｅ３２に分けて記載している。すなわち、保持部Ｅ３１は個別出力部２２１，２２２に対応し、保持部Ｅ３２は個別出力部２２３，２２４に対応する。１つの保持部Ｅ３１，Ｅ３２には１セルの受光要素１１から電荷が１回転送されるたびに２つの位相区間の電荷が保持される。また、受光要素１１から電荷が１回転送されるたびに、２つの保持部Ｅ３１，Ｅ３２に交互に電荷が保持される。図には受光要素１１から保持部Ｅ３１，Ｅ３２に電荷を転送する動作を矢印で示している。また、受光要素１１から保持部Ｅ３１，Ｅ３２への電荷の転送毎に１セルの受光要素１１から異なる２つの保持部Ｅ３１，Ｅ３２に振り分けて電荷を転送するから、転送毎の受光要素１１を区別するために符号１１１，１１２を用いている。

ここで、図９（ｂ）に示す各受光要素１１１から当該受光要素１１１に対応する蓄積要素２１の保持部Ｅ３１に電荷を転送する場合について考察する。最上段の受光要素１１１から保持部Ｅ３１に転送される電荷は、２個の受光要素１１を通過する。また、中段の受光要素１１１から保持部Ｅ３１に転送される電荷は、１個の受光要素１１と２個の保持部Ｅ３１，Ｅ３２とを通過する。さらに、下段の受光要素１１１から保持部Ｅ３１に転送される電荷は、４個の保持部Ｅ３１，Ｅ３２を通過する。

ここで、電荷を転送するのに要するクロック数が、１セルの受光要素１１１と１つの保持部Ｅ３１，Ｅ３２とで等しいと仮定しておき、このクロック数を１単位とする。上段、中段、下段の受光要素１１１から所要の保持部Ｅ３１に電荷を転送するには、それぞれ３単位、４単位、５単位を要することになる。

上述した事例からわかるように、実施形態１のように１セルの蓄積要素２１に４個の個別出力部２２１〜２２４をまとめて設けると、受光要素１１ごとに電荷を蓄積要素２１に転送するのに要するクロック数が異なることになる。したがって、Ｙ方向の電荷転送を実現するための構成あるいは制御が複雑になる。

そこで、本実施形態は、Ｙ方向の電荷転送を簡略化するために、図８のように、４個の個別出力部２２１〜２２４を備える蓄積要素２１を２分している。すなわち、蓄積要素２１は、個別出力部２２１，２２２を備える蓄積要素２１１と、個別出力部２２３，２２４を備える蓄積要素２１２とに分割される。また、個別出力部２２１，２２２を設けた蓄積要素２１１と、個別出力部２２３，２２４を設けた蓄積要素２１２とがそれぞれまとめて配置される。

言い換えると、実施形態１は、蓄積要素２１１と蓄積要素２１２とがＹ方向において交互に配列されているのに対して、本実施形態は、複数個の蓄積要素２１１がＹ方向に配列された領域と、同数個の蓄積要素２１２がＹ方向に配列された領域とを備えるている。したがって、実施形態１の構成の受光出力は、上から順に、受光光量Ａ０，Ａ２，Ａ１，Ａ３，Ａ０…に対応することになる。これに対して、本実施形態の構成の受光出力は、受光光量Ａ０，Ａ２，Ａ０，Ａ２，Ａ０，…，Ａ１，Ａ３，Ａ１，Ａ３，Ａ１…になる。
ていることになる。

本実施形態の構成を、図９（ｂ）に示した実施形態１の構成と同様に模式化すると図９（ａ）のように表される。すなわち、本実施形態の構成を採用すると、図９（ａ）に示すように、保持部Ｅ３１がまとめて配列された領域と、保持部Ｅ３２がまとめて配列された領域とが形成されることになる。

図示例では、上段、中段、下段の受光要素１１１から所要の保持部Ｅ３１に電荷を転送するために３単位のクロック数を要する。すなわち、受光要素１１１から保持部Ｅ３１に電荷を転送するために要するクロック数は、受光要素１１１の位置にかかわらず等しくなる。同様に、受光要素１１２から保持部Ｅ３２に電荷を転送するために要するクロック数も、受光要素１１２の位置にかかわらず等しくなる。

本実施形態は、受光要素１１から保持部Ｅ３に電荷を１回受け渡すたびに電荷生成部ごとの電荷を隣接した２個の保持部Ｅ３に保持させ、かつ受光要素１１から保持部Ｅ３への電荷の受け渡しを２回で一巡させる構成を採用している。そして、蓄積領域２０は、撮像領域１０の複数個の受光要素１１から電荷が受け渡されるたびに、受光要素１１の２倍の個数で隣接して並ぶ保持部Ｅ３に電荷が受け渡される。しかも、電荷が受け渡される各回ごとに電荷を保持させる保持部Ｅ３が変更されることになる。

以上説明したように、蓄積要素２１を２分割して蓄積要素２１１，２１２を設け、かつ蓄積要素２１１，２１２ごとにまとめて配列することにより、Ｙ方向において電荷を転送する構成ないし制御が実施形態１よりも簡単になる。なお、上述した構成例は、受光要素１１が２個の電荷生成部として機能し、積算Ｅ１は電荷生成部の２倍の個数が設けられているが、１個の電荷生成部として機能する場合でも受光要素１１の２倍の個数の積算部Ｅ１が設けられていれば、上述した構成例の動作が可能である。受光要素１１が３個以上の電荷生成部として機能する場合も同様である。他の構成および動作は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
実施形態１、実施形態２は、１個の保持部Ｅ３に４個の転送電極２３を用い、２個の転動電極２３の直下に形成されるポテンシャル井戸に電荷を保持している。保持部Ｅ３は、隣接する保持部Ｅ３との間にポテンシャル障壁を形成して電荷を保持するために、最小構成では３個の転送電極２３が必要である。ただし、転送電極２３の直下に形成されるポテンシャル井戸は、電荷を転送するためにあまり深くできないから、実施形態１、実施形態２では２個の転送電極２３に対応するポテンシャル井戸を形成して、保持可能な電荷量を増加させている。すなわち、２個の転送電極２３の直下にポテンシャル井戸を形成することにより、ポテンシャル井戸の容量を確保している。一方、この構成を採用すると、保持部Ｅ３ごとに最小構成よりも１個ずつ転送電極２３の個数が多くなるから、撮像素子１のＹ方向における寸法を増大させる要因になる。

ところで、蓄積要素２１において電荷を加算して蓄積する積算部Ｅ１にフローティングディフュージョンを用い、かつ読出部Ｅ２をＹ方向において積算部Ｅ１とは異なる位置に設けている。そのため、積算部Ｅ１および読出部Ｅ２をＣＣＤにより構成する場合に比べると、Ｘ方向における積算部Ｅ１および読出部Ｅ２の占有寸法を小さくすることが可能である。とくに、積算部Ｅ１は、半導体基板の一表面における占有面積を変えることなくポテンシャル井戸を深くすることにより、蓄積する電荷量を増加させることが可能であるから、Ｘ方向における占有寸法の低減が可能である。

本実施形態は、上述した知見に基づいて、図１０に示すように、Ｘ方向における転送電極２３の占有寸法を実施形態１、実施形態２よりも大きくしている。ただし、積算部Ｅ１、読出部Ｅ２、ゲート部Ｅ４、リセット電極２７、リセットドレイン２８の占有寸法は、実施形態１、実施形態２と同程度である。このようにＸ方向における転送電極２３の占有寸法を大きくすると、１個の転送電極２３の直下に形成されるポテンシャル井戸の容積が増加する。すなわち、保持部Ｅ３が保持する電荷量を低減させずに電極数を１個減らすことが可能になる。

撮像素子１においてＸ方向の寸法は、撮像領域１０の構造により定まっているから、上述のように、蓄積領域２０におけるＹ方向の寸法を低減させることにより、撮像素子１の小型化が可能になる。すなわち、保持部Ｅ３が４個の転送電極２３を備える構成から３個の転送電極２３を備える構成に変更されたことにより、蓄積領域２０のＹ方向における寸法がほぼ４分の３になる。他の構成および動作は実施形態１、実施形態２と同様である。図示例は実施形態１に対応する構成を採用しているが、実施形態２に対応する構成でも同様に機能する。

（実施形態４）
上述した各実施形態は、１セルの受光要素１１に独立した４個の保持部Ｅ３を対応付けている。一方、１セルの受光要素１１から蓄積領域２０に同時に転送される電荷は、２個の電荷生成部で生成された電荷であって、４個の保持部Ｅ３のうち２個の保持部Ｅ３しか同時には使用されない。しかしながら、撮像素子１の受光出力を用いて物体５までの距離を求めるために、撮像素子１から受光光量Ａ０〜Ａ３に対応する４種類の受光出力を読み出すから、積算部Ｅ１および読出部Ｅ２は４個必要である。

そこで、本実施形態は、図１１に示すように、１個の保持部Ｅ３を２個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２で共用する構成を採用することによって、保持部Ｅ３の個数を低減させている。基本的な構成は実施形態３と同様に、３個の転送電極２３で保持部Ｅ３を構成し、中央の転送電極２３の直下に形成されるポテンシャル井戸により電荷を保持する構成を採用している。また、実施形態１、実施形態２のように４個の転送電極２３を用い、中央の２個の転送電極２３の直下に形成されるポテンシャル井戸により電荷を保持する構成を採用することも可能である。

保持部Ｅ３を構成する３個の転送電極２３のうちの中央の転送電極２３の側方には２個のゲート部Ｅ４１，Ｅ４２が設けられる。すなわち、１個の転送電極２３の側方に２個のゲート電極２６１，２６２が配置される。さらに、ゲート部Ｅ４１，Ｅ４２ごとに積算部Ｅ１１，Ｅ１２が対応付けられるように、ゲート電極２６１を挟んで転送電極２３の反対側に読出電極２４１が配置され、ゲート電極２６２を挟んで転送電極２３の反対側に読出電極２４２が配置される。さらに、読出電極２４１，２４２ごとにそれぞれ読出回路２５１，２５２が接続される。すなわち、２個ずつのゲート部Ｅ４１，Ｅ４２と積算部Ｅ１１，Ｅ１２と読出部Ｅ２１，Ｅ２２とが、１個の保持部Ｅ３を共用している。

受光要素１１に設けられた２個の電荷生成部で生成された電荷は２個の保持部Ｅ３に振り分けて転送される。たとえば、受光光量Ａ０，Ａ２に対応する電荷が生成されると、一方の受光光量Ａ０に対応する電荷が一方の保持部Ｅ３に転送され、他方の受光光量Ａ２に対応する電荷が他方の保持部Ｅ３に転送される。これらの電荷は、ゲート部Ｅ４１を通して積算部Ｅ１１において加算して蓄積される。一方、受光光量Ａ１，Ａ３に対応する電荷が生成されると、一方の受光光量Ａ１に対応する電荷が一方の保持部Ｅ３に転送され、他方の受光光量Ａ３に対応する電荷が他方の保持部Ｅ３に転送される。これらの電荷は、ゲート部Ｅ４２を通して積算部Ｅ１２において加算して蓄積される。すなわち、一方の保持部Ｅ３は受光光量Ａ０，Ａ１に対応する電荷の保持に用いられ、他方の保持部Ｅ３は受光光量Ａ２，Ａ３に対応する電荷の保持に用いられる。

保持部Ｅ３は２個のみを用いるが、ゲート部Ｅ４１，Ｅ４２と積算部Ｅ１１，Ｅ１２と読出部Ｅ２１，Ｅ２２とが４個ずつ用いられるから、４種類の受光光量Ａ０〜Ａ３に対応する電荷を振り分けて受光出力を読み出すことが可能になっている。すなわち、上述した各実施形態と同様に、４種類の受光出力が得られる。

ところで、本実施形態は、１個の保持部Ｅ３に２個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２が対応しており、保持部Ｅ３から一方の積算部Ｅ１１，Ｅ１２に電荷を移動させている間には、他方の積算部Ｅ１１，Ｅ１２では電荷が保持されている。したがって、積算部Ｅ１１，Ｅ１２から受光出力を読み出す際には、電荷を保持している積算部Ｅ１１，Ｅ１２を選択すればよい。そのため、読出回路２５は、図１２のように、積算部Ｅ１１，Ｅ１２ごとに設けられた読出電極２４１，２４２と増幅素子２５３との間に、それぞれ挿入された選択素子２５６を備えている。２個の選択素子２５６のうちの一方をオンにする制御信号を与えることにより、２個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２の読出電極２４の一方の電圧が増幅素子２５３のゲートに印加され、受光出力として読み出される。図１２の構成を採用すると、１個の増幅素子２５３が２個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２で共用されることになる。

同様にして、図１３のように、Ｘ方向に隣接する２個ずつの積算部Ｅ１１，Ｅ１２で１個の増幅素子２５３を共用することも可能である。すなわち、図１３に示す構成は、４個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２が１個の増幅素子２５３を共用している。あるいはまた、図１４のように、Ｙ方向に隣接する４個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２で１個の増幅素子２５３を共用するように接続してもよい。

図１２、図１３、図１４の構成のように、増幅素子２５３を複数個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２で共用する構成を採用すると、増幅素子２５３の増幅率や雑音量のばらつきによる誤差の発生が抑制される。

本実施形態の構成を採用すれば、転送電極２３の個数が２分の１になるから、撮像素子１の蓄積領域２０についてＹ方向における寸法が他の構成の２分の１以下になる。たとえば、図１１のように、１個の保持部Ｅ３を３個の転送電極２３で構成すると、実施形態１のように１個の保持部Ｅ３を４個の転送電極２３で構成する場合と比べて、Ｙ方向における蓄積領域２０の寸法を３分の１ないし４分の１まで縮小することが可能になる。他の構成および動作は上述した各実施形態と同様である。

（実施形態５）
本実施形態は、図１５に示すように、基本的な構成は実施形態４の構成と類似する。すなわち、１個の保持部Ｅ３を、２個ずつのゲート部Ｅ４１，Ｅ４２と積算部Ｅ１１，Ｅ１２と読出部Ｅ２１，Ｅ２２とで共用している。ただし、実施形態４では１セルの受光要素１１に独立した２個の保持部Ｅ３を対応付けているのに対して、本実施形態では１セルの受光要素１１に独立した４個の保持部Ｅ３を対応付けている。したがって、Ｙ方向における蓄積領域２０の寸法は実施形態４の構成の２倍になる。

ところで、上述した各実施形態は、受光要素１１に設けた２個の電荷生成部において電荷を生成するタイミングが固定的に設定することを前提にしている。たとえば、受光要素１１において受光光量Ａ０，Ａ２に対応する電荷を生成する場合に、一方の電荷生成部は受光光量Ａ０に対応する位相区間の電荷のみを生成し、他方の電荷生成部は受光光量Ａ２に対応する位相区間の電荷のみを生成する。受光要素１１において受光光量Ａ１，Ａ３に対応する電荷を生成する場合も同様である。１つの受光要素１１に設けられた２個の電荷生成部の位置が同一であることが理想であるが、実際には、電荷生成部の位置は異なってしまう。また、２個の電荷生成部において、受光光量に対して生成される電荷量、つまり変換効率にもばらつきがある。受光要素１１における電荷生成部の位置の相違に伴う位置誤差や電荷生成部ごとの変換効率のばらつきは、距離を測定する際に誤差要因になる。

このような原因による測定誤差を抑制するには、受光要素１１に設けた２個の電荷生成部と位相区間との対応関係を入れ換え、得られた電荷量を合算することが考えられる。たとえば、一方の電荷生成部で受光光量Ａ０に対応する電荷を生成する期間と他方の電荷生成部で受光光量Ａ０に対応する電荷を生成する期間とを設け、これらの期間を適宜に入れ換えるとともに、両期間で得られた電荷を合算するのである。この動作を行うことによって、位置誤差や変換効率のばらつきの影響が減殺される。

ここで、上述のようにして受光要素１１で受光光量Ａ０，Ａ２に対応する電荷を生成すると、受光光量Ａ０に対応する電荷が蓄積領域２０に先に転送される場合と、受光光量Ａ２に対応する電荷が蓄積領域２０に先に転送される場合とが生じる。２個の保持部Ｅ３に対応して設けられた読出部Ｅ２１，Ｅ２２は、位相区間に一対一に対応付けられているから、電荷の転送順が異なると正しい受光出力が得られない。

そこで、本実施形態は、１セルの受光要素１１に４個の保持部Ｅ３を対応付けることによって、８個の読出部Ｅ２１，Ｅ２２を用いることを可能にしている。ここで、説明を簡単にするために、図１５に示す上側の２個の保持部Ｅ３を含む蓄積要素２１を第１要素と呼び、下側の２個の保持部Ｅ３を含む蓄積要素２１を第２要素と呼ぶことにする。上述した例のように、受光要素１１で受光光量Ａ０，Ａ２に対応する電荷を生成したとすると、たとえば、受光光量Ａ０に対応する電荷を先に受け取った場合は、該当する受光要素１１で生成された電荷を、第２要素の保持部Ｅ３に電荷を保持させ、受光光量Ａ２に対応する電荷を先に受け取った場合は、第１要素の保持部Ｅ３に電荷を保持させる。

要するに、１個の受光要素１１に２つの電荷生成部を設け、かつ２つの電荷生成部と位相区間との位相関係を入れ換える構成を採用し、入れ換え毎に、受光要素１１で生成された電荷を第１要素と第２要素とに振り分けて転送するのである。この動作により、図１５に示す構成例において、第１要素の４個の読出部Ｅ２１，Ｅ２２が上から受光光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に対応する受光出力を読み出すとすれば、第２要素は上から受光光量Ａ２，Ａ３，Ａ０，Ａ１に対応する受光出力を読み出すことになる。

実施形態４に示した構成は、受光出力が、図１１の上から順に受光光量Ａ０，Ａ２，Ａ１，Ａ３，Ａ０，…に対応するのに対して、本実施形態は、図１５の上から順に受光光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ２，Ａ３，Ａ０，Ａ１，Ａ０，…に対応する。本実施形態では、この構成が採用されているから、電荷生成部と位相区間との対応関係を入れ換える動作を行っても、電荷の転送順序が複雑化することがない。

距離の計測を行う場合は、第１要素と第２要素との同じ受光出力を合算して演算を行えばよい。あるいはまた、第１要素と第２要素のそれぞれの受光出力を用いて距離の演算を行った後に、両方の演算結果の平均値を測定結果として用いるようにしてもよい。

上述した構成例において、受光要素１１は２個ずつの電荷生成部として機能し、４種類の受光出力を必要としているから積算部Ｅ１の個数は電荷生成部の４倍の個数になっている。したがって、受光出力の種類が２種類であれば、積算部Ｅ１の個数は電荷生成部の２倍の個数でもよい。要するに、積算部Ｅ１の個数は受光出力の種類に合わせて電荷生成部の整数倍の個数であればよい。

また、受光要素１１において電荷生成部の位置を入れ換えるタイミングは、受光要素１１から保持部Ｅ３に電荷を受け渡す時間間隔を単位時間として、単位時間の整数倍の期間であればよい。たとえば、電荷を２回受け渡すたびに電荷生成部の位置を入れ換えるなどの動作が可能である。また、必ずしも同数回ずつ入れ換える必要はなく、電荷を２回受け渡した後に電荷生成部の位置を入れ換え、次に電荷を３回受け渡した後に電荷生成部の位置を入れ換えるような動作も可能である。この場合、電荷生成部の位置を入れ換えるたびに電荷を保持させる保持部Ｅ３の位置を異ならせることは言うまでもない。また、受光出力は、各位置の電荷生成部を用いた回数の総和を同回数とするか、荷重平均を用いることによって求められる。他の構成および動作は実施形態４と同様である。また、本実施形態は、他の実施形態と組み合わせることも可能である。

（実施形態６）
本実施形態は、積算部Ｅ１に蓄積した電荷を廃棄するための構成を例示する。上述した各実施形態では、積算部Ｅ１ごとにリセット電極２７とリセットドレイン２８とからなるリセット部Ｅ５を個別に設けている。これに対して、本実施形態は、複数個の積算部Ｅ１でリセット部Ｅ５（リセット電極２７およびリセットドレイン２８）を共有する構成を採用している。

図１６に示す構成では、Ｙ方向において隣接する２個の積算部Ｅ１に跨るサイズのリセット電極２７が配置されるとともに、リセット電極２７に隣接してリセットドレイン２８が設けられている。図１６では、実施形態４、実施形態５のように、１個の保持部Ｅ３に２個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２を対応付けた構成を示している。この構成では、積算部Ｅ１１，Ｅ１２が近接しているので、実施形態４、実施形態５の構成と比較して、リセット電極２７の面積が大幅に増加することはなく、材料コストの増加が抑制される。また、２個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２に対して１個のリセット部Ｅ５（１個ずつのリセット電極２７およびリセットドレイン２８）を設けるから、積算部Ｅ１１，Ｅ１２ごとにリセット部Ｅ５を設ける構成と比べて加工が容易になる。

図１６に示した構成は、Ｙ方向に隣接する２個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２がリセット部Ｅ５を共用している。この構成をさらに拡張して、図１７のように、Ｘ方向において隣接する積算部Ｅ１１，Ｅ１２でもリセット部Ｅ５を共用してもよい。図示例ではリセット電極２７がリセットドレイン２８を囲むようにＹ方向に開放されたコ字状ないしＵ字状に形成され、リセット電極２７に囲まれた領域内にリセットドレイン２８が設けられている。

図１７に示す構成は、リセット電極２７およびリセットドレイン２８が、Ｘ方向において線対称となる形状であって、Ｘ方向に隣接する２個の蓄積要素２１がリセット部Ｅ５（リセット電極２７およびリセットドレイン２８）を共用する構成になっている。また、Ｘ方向に隣接する２個の蓄積要素２１が１個のリセットドレイン２８を共用している。すなわち、Ｘ方向に隣接する２個の蓄積要素２１が１個のリセットドレイン２８を共用する構成を採用したことにより、蓄積要素２１ごとにリセットドレイン２８を設ける構成と比較すると、蓄積領域２０のＸ方向における寸法が低減されることになる。また、このような条件を満たす構成として、Ｘ方向に隣接する２個の蓄積要素２１ごとにリセット電極２７を設け、リセットドレイン２８は共用する構成を採用してもよい。この構成では、リセット部Ｅ５として２個のリセット電極２７と１個のリセットドレイン２８とを設けることになる。

図１６に示した構成をさらに拡張すれば、図１８のように、４個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２に跨るリセット部Ｅ５を設けることも可能である。この構成を採用すると、距離の演算に必要な４種類の位相区間に対応する電荷を蓄積する積算部Ｅ１１，Ｅ１２について、共通のリセット部Ｅ５を用いて電荷の廃棄が行える。したがって、４個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２に残留する電荷量のばらつきが抑制され、結果的に、残留電荷によるオフセットのばらつきが抑制され、受光出力から算出される距離の誤差が抑制される。

ところで、積算部Ｅ１１，Ｅ１２に蓄積された電荷量に応じた受光出力を読み出した後に、リセット部Ｅ５を用いて、積算部Ｅ１１，Ｅ１２の電荷が廃棄される。ここで、リセット部Ｅ５の寸法や動作にばらつきがあると、蓄積部Ｅ１１，Ｅ１２に蓄積された電荷の廃棄量にばらつきが生じる可能性がある。図１８に示す構成は、Ｙ方向に隣り合う４個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２がリセット部Ｅ５を共用している。したがって、リセット部Ｅ５を共用している４個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２は、電荷の廃棄後に残留する電荷量がほぼ等しくなる。

距離の演算に際しては、受光出力の減算および除算を行うから、残留している電荷量が等しければ、演算結果は残留している電荷の影響を受けない。このことから、リセット電極２７を共用する４個の積算部Ｅ１１，Ｅ１２が、距離の演算に必要な１セットの受光光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に対応していれば、積算部Ｅ１１，Ｅ１２に残留する電荷の影響を受けずに距離を精度よく算出されることになる。

本実施形態の構成は、上述した実施形態に適用可能である。したがって、他の構成および動作は上述した実施形態と同様である。上述の構成例では、１セルの受光要素１１を２個の電荷生成部として機能させているが、１セルの受光要素１１を１個の電荷生成部として機能させる構成や、１セルの受光要素１１を４個の電荷生成部として機能させる構成を採用してもよい。

上述した各実施形態は、空間情報として物体５までの距離を検出する装置を例示した。ただし、発光源２から対象空間に投光した光の反射光の強度に基づく画像を空間情報として検出する装置、物体５の反射率や対象空間の透過率を空間情報として検出する装置などに上述した撮像素子１を適用することを妨げない。

１ 撮像素子
２ 発光源
３ 制御部
４ 信号処理部
５ 物体
１０ 撮像領域
１１ 受光要素
２０ 蓄積領域
２１ 蓄積要素
２３ 転送電極
２５６ 選択素子
Ｅ１ 積算部
Ｅ１１，Ｅ１２ 積算部
Ｅ２ 読出部
Ｅ２１，Ｅ２２ 読出部
Ｅ３ 保持部
Ｅ３１，Ｅ３２ 保持部
Ｅ４ ゲート部
Ｅ４１，Ｅ４２ ゲート部
Ｅ５ リセット部

Claims (16)

1. 受光光量に応じた電荷を生成する受光要素が複数配列された撮像領域と、
   前記受光要素ごとに生成された電荷を蓄積する蓄積要素が複数配列された蓄積領域とを備え、
   前記蓄積要素は、
   前記受光要素ごとに生成された電荷を複数回受け取り当該電荷を加算して蓄積するフローティングディフュージョンからなる積算部と、
   前記積算部に蓄積された電荷量に相当する電圧値を受光出力として読み出す読出部と
   を備えることを特徴とする撮像素子。
2. 前記蓄積要素は、
   前記受光要素ごとに生成された電荷を受け取って一時的に保持する保持部と、
   前記保持部と前記積算部との間に配置され前記保持部から前記積算部への電荷の移動を制御するゲート部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
3. 前記保持部は、
   一方向に配列された複数個の転送電極を備え、
   前記転送電極に印加される電圧に応じて前記転送電極の直下のポテンシャル井戸の深さが制御されることにより、電荷を転送する動作と前記受光要素から転送された電荷を保持する動作とを行う
   ことを特徴とする請求項２記載の撮像素子。
4. 前記蓄積要素は、
   前記転送電極が並ぶ前記一方向とは直交する方向において、前記ゲート部と前記積算部と前記読出部とに占有される幅寸法に対して、前記転送電極に占有される幅寸法が相対的に大きい
   ことを特徴とする請求項３記載の撮像素子。
5. 前記受光要素は、異なる期間の受光光量に応じた電荷を生成する複数の電荷生成部として機能し、
   前記積算部は、前記電荷生成部のそれぞれに対して２以上の規定数の個数が設けられている
   ことを特徴とする請求項３又は４記載の撮像素子。
6. 前記蓄積要素は、
   前記保持部の１個に対し前記ゲート部と前記積算部と前記読出部とが複数個ずつ設けられ、
   前記保持部が前記受光要素から異なる期間に受け取った電荷が複数個の前記積算部に振り分けられる
   ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の撮像素子。
7. 前記蓄積要素は、前記積算部の電荷を廃棄する機能を有したリセット部を備え、
   前記リセット部は、前記積算部の複数個で共用され、前記複数個の前記積算部の電荷を廃棄することを特徴とする請求項６記載の撮像素子。
8. 前記転送電極は、前記一方向と交差する方向に複数列設けられ、
   前記リセット部は、前記転送電極の列間に配置され、異なる２列の前記転送電極から電荷を受け取る前記積算部の複数個の電荷を廃棄する
   ことを特徴とする請求項７記載の撮像素子。
9. 前記リセット部は、前記一方向に並ぶ前記積算部の複数個に跨る位置に配置され、前記複数個の前記積算部の電荷を廃棄する
   ことを特徴とする請求項７記載の撮像素子。
10. 前記読出部は、前記一方向に並ぶ前記積算部の複数個から１個ずつの前記積算部を選択して受光出力を読み出す選択素子を備える
    ことを特徴とする請求項６記載の撮像素子。
11. 前記読出部は、前記保持部の１個に対して設けられた複数個の前記積算部から１個ずつの前記積算部を選択して受光出力を読み出す選択素子を備える
    ことを特徴とする請求項６記載の撮像素子。
12. 前記転送電極は、前記一方向と交差する方向に複数列設けられ、
    前記読出部は、異なる列の前記保持部に対して設けられた複数個の前記積算部から１個ずつの前記積算部を選択して受光出力を読み出す選択素子を備える
    ことを特徴とする請求項６記載の撮像素子。
13. 請求項５記載の撮像素子の制御方法であって、
    前記積算部の個数は前記電荷生成部の２倍の個数であり、
    前記受光要素から前記保持部に電荷を１回受け渡すたびに前記電荷生成部ごとの電荷を隣接した複数個の前記保持部に保持させ、かつ前記受光要素から前記保持部への電荷の受け渡しは２回で一巡させ、
    複数個の前記受光要素から電荷を１回受け渡すたびに、前記受光要素の２倍の個数で隣接して並ぶ前記保持部に電荷を受け渡し、電荷を受け渡す各回ごとに電荷を保持させる前記保持部を異ならせる
    ことを特徴とする撮像素子の制御方法。
14. 請求項５記載の撮像素子の制御方法であって、
    前記受光要素は２個ずつの前記電荷生成部として機能し、前記積算部の個数は前記電荷生成部の整数倍の個数であり、
    前記保持部に電荷を受け渡す時間間隔の整数倍の期間で前記受光要素における前記電荷生成部の位置を入れ換え、
    前記受光要素において前記電荷生成部の位置を入れ換えるたびに、電荷を保持させる前記保持部を異ならせる
    ことを特徴とする撮像素子の制御方法。
15. 空間情報の検出対象である対象空間に投光する発光源と、
    前記対象空間から受光する請求項１〜１３のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記発光源および前記撮像素子を制御する制御部と、
    前記発光源から投光した光と前記撮像素子の受光出力との関係を用いて空間情報を検出する信号処理部と
    を備えることを特徴とする空間情報検出装置。
16. 空間情報の検出対象である対象空間に投光する発光源と、
    前記対象空間から受光する請求項１〜１３のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記発光源から前記対象空間に投光する光の強度を変調するために前記発光源を駆動する変調信号を出力し、かつ変調信号の複数の位相区間における受光光量に応じた受光出力を得るために前記撮像素子を制御する制御部と、
    前記変調信号と前記撮像素子の受光出力との関係から前記対象空間に存在する物体までの距離を空間情報として検出する信号処理部と
    を備えることを特徴とする空間情報検出装置。

Images