JP2019075826A - 固体撮像装置、及びそれを備える撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の距離画像を取得する際におけるモーションブラーの発生を従来よりも抑制し得る固体撮像装置を提供する。【解決手段】半導体基板に、行列状に配置される複数の画素２０を備える固体撮像装置１００であって、複数の画素２０のそれぞれは、受光した光を信号電荷に変換する光電変換部１と、光電変換部１から信号電荷を読み出す複数の読み出しゲート６と、複数の読み出しゲート６により読み出される信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部２と、複数の電荷蓄積部２のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持し、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部２のうちの１つに転送する電荷保持部１０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置に関する。

従来、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式を利用して、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−２１５１８１号公報

従来の固体撮像装置では、動いている被写体の距離画像を取得する際に、モーションブラーが発生してしまうことがある。

そこで、本発明は、被写体の距離画像を取得する際におけるモーションブラーの発生を従来よりも抑制し得る固体撮像装置、およびそれを備える撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板に、行列状に配置される複数の画素を備える固体撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、受光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す複数の読み出しゲートと、前記複数の読み出しゲートにより読み出される前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持し、保持する前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つに転送する電荷保持部と、を備える。

本発明の一態様に係る撮像装置は、上記固体撮像装置と、１フレーム期間内における露光期間毎に、複数のタイミングで赤外光をパルス状に発光する光源部と、前記固体撮像装置の出力信号に基づいて、距離画像を生成するプロセッサとを備える。

上記構成の固体撮像装置、及び撮像装置によると、被写体の距離画像を取得する際におけるモーションブラーの発生を従来よりも抑制し得る。

図１は、実施の形態１に係る測距撮像装置（撮像装置）の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図３Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図３Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。 図５は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す駆動タイミングチャートである。 図６は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。 図７は、実施の形態２に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図８Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。 図８Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。 図９は、実施の形態３に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１０は、従来の測距装置における画素の平面図である。 図１１は、従来の測距装置における各種信号のタイミングチャートである。

（本発明の一態様を得るに至った経緯）
物体までの距離を検知する複数の方式の中で、測定対象物まで光が往復する飛行時間を利用して測距を行うＴＯＦ方式が知られている。

図１０、図１１は、特許文献１に開示された従来技術の測距装置である。

図１０は、従来技術の画素平面図であり、ＦＤ１、ＦＤ２は第一及び第二電荷蓄積領域、ＴＸ１、ＴＸ２は第一及び第二転送電極、ＰＧはフォトゲート電極である。

また、図１１は、従来技術の測距装置の各種信号のタイミングチャートであり、複数のフレーム周期Ｔ_Ｆのうち、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆについて示されており、Ｓ_Ｄが光源の駆動信号、Ｓ_Ｌｒが対象物でのパルス光の反射光が撮像領域まで戻ってきたときの反射光の強度信号、Ｓ１が第一転送電極ＴＸ１に印加される第一パルス信号Ｓ１、Ｓ２が第二転送電極ＴＸ２に印加される第二パルス信号Ｓ２、ｒｅｓｅｔがリセット信号、Ｔ_ａｃｃが蓄積期間、Ｔ_ｒｏが読み出し期間である。

特許文献１で示された従来技術は、図１１に示すように、フレーム間で読み出しゲートに印加するパルスのタイミングを入れ替え、２フレーム分の信号を加算した２つの信号Ｑ１、Ｑ２を距離演算に用いることで、図１０（ｂ）に示すような周りの画素からの電荷の漏れ込み量（クロストーク）の異なりを抑制する技術を開示している。

しかしながら、従来技術では、フレーム間で読み出しタイミングの変更を行っているため、フレーム間の露光期間に時間差がある。このため、モーションブラーが発生しやすく、加算された距離信号を得るのに２フレーム読み出すことが必要になり、実効的なフレームレートが低下する、また外部にフレームメモリが必要になるという課題を有している。

更に、従来技術は、背景光成分や暗電流成分を考慮していないため、このような距離情報を含まない信号が無視できない環境での測距誤差は非常に大きくなる。

発明者は、上記課題に鑑み、検討を重ねた結果、モーションブラーの発生とフレームレートの大幅な低下のない高い測距精度を実現する固体撮像装置に想到した。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、添付の図面を用いて説明を行うが、これらは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。図面において実質的に同一の構成、動作及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る測距撮像装置１０００の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。同図に示すように、測距撮像装置１０００は、固体撮像装置１００と、光源ドライバ２００と、プロセッサ３００と、光学レンズ４００と、光源部５００とを備える。また、固体撮像装置１００は、撮像部１０１と、ＡＤ変換部１０２と、タイミング生成部１０３と、シャッタドライバ１０４とを備える。

タイミング生成部１０３は、対象物６００への光照射（ここでは、近赤外光の照射を例示する。）を指示する発光信号を発生し光源ドライバ２００を介して光源部５００を駆動するとともに、撮像部１０１に対して、対象物６００からの反射光の露光を指示する露光信号を発生する。

撮像部１０１は、半導体基板に、行列状に配置される複数の画素を含み、対象物６００を含む領域に対して、タイミング生成部１０３で発生する露光信号が示すタイミングに従って、１フレーム期間内に複数回の露光を行い、複数回の露光量の総和に対応した信号を得る。

プロセッサ３００は、固体撮像装置１００から受けた信号に基づいて、対象物６００までの距離を演算する。

図１に示すように、対象物６００に対して、背景光のもと近赤外光が光源部５００から照射される。対象物６００からの反射光は、光学レンズ４００を介して、撮像部１０１に入射される。撮像部１０１に入射された反射光は、結像され、当該結像された画像は電気信号に変換される。光源部５００及び固体撮像装置１００の動作は、固体撮像装置１００のタイミング生成部１０３によって制御される。固体撮像装置１００の出力は、プロセッサ３００によって距離画像に変換され、用途によっては可視画像にも変換される。なお、必ずしもプロセッサ３００は固体撮像装置１００の外部に設ける必要はなく、距離を演算する機能などの一部または全てを固体撮像装置１００に内蔵してもよい。

固体撮像装置１００としては、いわゆる、ＣＭＯＳイメージセンサが例示される。

また、一般的なパルスＴＯＦ方式では、パルス幅Ｔｐの照射光の立ち上がり時刻から始まる第１露光期間をＴ１、照射光の立ち下がり時刻から始まる第２露光期間をＴ２とし、露光期間Ｔ１、Ｔ２は、パルス幅Ｔｐと同じ長さに設定される。第１露光期間Ｔ１において撮像部１０１が得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２においてカメラが得られる信号量をＡ１として、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとすると、距離ｄは、次式で与えられる。

ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２×Ａ１／（Ａ０＋Ａ１）

ＴＯＦ方式の測距カメラに用いる固体撮像素子は、照射光の１周期について行われるサンプリングを複数回繰り返す。

測距範囲をＤとすると、Ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２となる。

一方、実施の形態２で用いるＴＯＦ方式（パルスＴＯＦ方式、測距方式）では、背景光成分や暗電流成分を考慮し、発光パルスのパルス幅Ｔｐの照射光の立ち上がり時刻から始まる第１露光期間をＴ１、照射光の立ち下がり時刻から始まる第２露光期間をＴ２、第１露光期間Ｔ１においてカメラが得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２においてカメラが得られる信号量をＡ１、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとする。そして、照射光以外の光源（例えば太陽）からの背景光成分や電荷蓄積部の暗電流成分が信号に含まれる環境においては、近赤外光源をＯＦＦした第３露光期間をＴ３とし、露光期間Ｔ３をパルス幅Ｔ_ｐと同じ長さに設定し、第３露光期間Ｔ３において得られる信号量をＡ２として求める。そして、距離ｄを算出するに際しては、Ａ０、Ａ１のそれぞれから距離情報のみを抽出するために、Ａ２を差分し、
ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２×｛（Ａ１−Ａ２）／（Ａ０−Ａ２＋Ａ１−Ａ２）｝
とすることが出来る。

また、固体撮像装置１００の画素構成としては、複数の読み出しゲートにより、光電変換部で発生する信号電荷を電荷蓄積部に振り分ける方法がある。

電荷蓄積部としては浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン）や電荷結合素子メモリ（ＣＣＤメモリ）が用いられる。複数の読み出しゲートを用いる構造の場合、製造工程でのバラツキや集光される光が特定の読み出しゲート側に偏る等により、読み出し特性に差が生じる。また画素間のクロストークが生じ、測距誤差の原因となる場合がある。

次に、図２は実施の形態１に係る固体撮像装置１００の備える画素２０のレイアウト構成を示す概略平面図である。

複数の画素２０は、半導体基板の画素領域に行列上に配置される。各画素２０は、光電変換部１と、複数の電荷蓄積部２（一例として、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）と、複数の読み出しゲート６（一例として、第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂ）と、出力制御ゲート１３と、浮遊拡散層１４と、リセットゲート１５と、リセットドレイン１６と、読み出し回路１７と、複数の露光制御ゲート８（一例として、露光制御ゲート８ａ、露光制御ゲート８ｂ）と、複数のオーバーフロードレイン９（一例として、オーバーフロードレイン９ａ、オーバーフロードレイン９ｂ）と、電荷保持部１０とを備える。

光電変換部１は、受光した光を信号電荷に変換する。

読み出しゲート６は、光電変換部１から信号電荷を読み出す。

電荷蓄積部２は、読み出しゲート６から読み出される信号電荷を蓄積する。電荷蓄積部２は、ゲート絶縁膜下の、信号電荷を転送するための転送チャネル（ＣＣＤチャネル）４と、ゲート絶縁膜上の転送電極５（一例として、転送電極５ａ、転送電極５ｂ、転送電極５ｃ、転送電極５ｄ、転送電極５ｅのいずれか）とで構成される。すなわち、電荷蓄積部２は、図２に示されるように、転送チャネル４の一部と、半導体基板の平面視において転送チャネル４の一部に重なる、転送電極５の一部とを含む。また、図２に示されるように、転送チャネル４は、１画素当たり１本である。

ここでは、転送電極５ａ、転送電極５ｂ、転送電極５ｃ、転送電極５ｄ、転送電極５ｅに印加される電圧を、それぞれ、ＶＧ１、ＶＧ２、ＶＧ３、ＶＧ４、ＶＧ５とする。

第１の電荷蓄積部２ａと第２の電荷蓄積部２ｂとは、５相駆動を行う。一例として、第１の電荷蓄積部２ａと第２の電荷蓄積部２ｂとは、それぞれ、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとに隣接して、露光時にＨｉｇｈ電圧となるＶＧ１とＶＧ３が印加される転送電極５の下（ここでは、転送電極５ａの下と転送電極５ｃの下と）に形成される。

オーバーフロードレイン９は、光電変換部１から、信号電荷の少なくとも一部を排出する。

露光制御ゲート８は、オーバーフロードレイン９への上記排出を制御する。

電荷保持部１０は、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持し、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つに転送する。電荷保持部１０は、図２に示されるように、電荷保持ゲート１１と、電荷保持部１０の転送制御を行う転送制御ゲート１２とを備える。

浮遊拡散層１４は、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持する。

出力制御ゲート１３は、浮遊拡散層１４への転送制御を行う。

読み出し回路１７は、浮遊拡散層１４に保持される信号電荷を電圧に変換して、画素２０の外部に読み出す。例えば、読み出し回路１７は、浮遊拡散層１４にゲートが接続されるソースフォロアトランジスタと、ソースフォロアトランジスタに直列接続される選択トランジスタとを含んで構成される。例えば、選択トランジスタによって読み出し回路１７が選択されることで、浮遊拡散層１４に保持される信号電荷は、その読み出し回路１７により、ＡＤ変換部１０２に読み出される。

ここで、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、光電変換部１の垂直方向（行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図２における上下方向）を分割する中心線に対して上下対称に設けられている。そして、図２に示されるように、複数の画素２０は、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとによって、光電変換部１から、複数の画素２０の行列状の配置における行方向において同じ向き（すなわち、図２における左向き）に信号電荷が読み出される。

同様に、露光制御ゲート８ａと露光制御ゲート８ｂとも、光電変換部１の垂直方向（行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図２における上下方向）を分割する中心線に対して上下対称に設けられている。

第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとにおける上記上下対称の位置関係、及び、露光制御ゲート８ａと露光制御ゲート８ｂとにおける上記上下対称の位置関係は、読み出しゲート６と露光制御ゲート８との２組を用いて行う読み出しの特性を設計上合わせることを目的としている。

図３Ａ、図３Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。

以下、図３Ａを参照しながら露光時の動作について説明する。

露光制御ゲート８ａ及び８ｂにはそれぞれ駆動パルスＯＤＧが、第１の読み出しゲート６ａ及び第２の読み出しゲート６ｂにはそれぞれ駆動パルスＴＧ１、ＴＧ２が印加される。図３Ａには示されていないが、転送電極５ａ〜５ｅにはそれぞれ駆動パルスＶＧ１〜ＶＧ５が印加される。そして、露光時にはＶＧ１とＶＧ３にＨｉｇｈ電圧、他はＬｏｗ電圧が印加される。Ｈｉｇｈ電圧を印加した転送電極５下に電荷蓄積が可能となる。すなわち、Ｈｉｇｈ電圧が印加された転送電極５（ここでは、転送電極５ａ、転送電極５ｃ）と、その下に重なる転送チャネル４とによって、電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）が形成される。また光源部５００からは、一定周期でオン・オフを繰り返す近赤外パルス光が繰り返し照射されている。Ｔｐは照射パルス光のパルス幅である。対象物体から反射された近赤外パルス光は、光源部５００からの距離に応じてＴｄの遅延をもって撮像部１０１に到達し、光電変換部１において信号電荷に変換される。

初期状態として、ＯＤＧはＨｉｇｈ状態であり、光電変換部１はリセット状態にある。また、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂはＬｏｗ状態であり、転送電極５ａ及び転送電極５ｃがＨｉｇｈ状態に保持されている第１の電荷蓄積部２ａ及び第２の電荷蓄積部２ｂと、光電変換部１とは電気的に遮断されている。この状態において光電変換部１で生成した信号電荷は露光制御ゲート８を介してオーバーフロードレイン９に排出され、光電変換部１には蓄積されない。

次に、照射パルス光がオンとなる時刻ｔ１に同期してＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、第１の読み出しゲート６ａはＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、反射パルス光の入射によって生成した信号電荷の第１の読み出しゲート６ａを介した第１の電荷蓄積部２ａへの転送が開始され、反射パルス光の先行成分（Ａ０）が第１の電荷蓄積部２ａに保持される。

次に、第２の読み出しゲート６ｂがＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移し、反射パルス光の入射によって生成した信号電荷の第２の読み出しゲート６ｂを介した第２の電荷蓄積部２ｂへの転送が開始され、反射パルス光の後行成分（Ａ１）が第２の電荷蓄積部２ｂに保持される。

このように、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、１フレーム期間における露光期間に、それぞれ、第１の位相差で、第１の信号電荷（反射パルス光の先行成分（Ａ０））の読み出しと、第２の信号電荷（反射パルス光の後行成分（Ａ１））の読み出しとを行う。

なお、上述した従来技術では、フレーム毎にＴＧ１とＴＧ２のパルスタイミングを入れ替えていたが、実施の形態１では、画素２０内に電荷保持部１０を持つことにより、露光時の測距信号Ａ０、Ａ１の位置を入れ替え、入れ替えた後にＴＧ１とＴＧ２のパルスを入れ替えることで、１フレーム内で、読み出し位置、電荷蓄積部２の位置による特性差を抑制することが出来る。

以下、その動作について説明する。

図４は実施の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。

図５は実施の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替え動作を示す駆動タイミングである。

図４において、各転送電極５にはＶＧ１〜ＶＧ５までの駆動パルスが印加され、信号電荷を所望の場所に転送する。電荷保持ゲート１１にはＶＳ、転送制御ゲート１２にはＶＢの駆動パルスが印加される。信号の位置を明確にするため各行の中央の画素２０で生成されたＡ０、Ａ１信号のみ文字の背景をドットで塗りつぶしている。

ここで、転送電極５ａ〜５ｅに印加される駆動パルスＶＧ１〜ＶＧ５、電荷保持ゲート１１に印加される駆動パルスＶＳ、転送制御ゲート１２に印加される駆動パルスＶＢは、タイミング生成部１０３から出力される。

ｔｔ１は図３Ａで示す露光が完了したタイミング（すなわち、ｔ３）であり、Ｈｉｇｈ電圧となったＶＧ１、ＶＧ３が印加される転送電極５下にそれぞれＡ０、Ａ１信号が蓄積されている。その後、図４において上方向に５相駆動にて電荷を転送する。

次に、ｔｔ２にてＶＧ２、ＶＧ５がＨｉｇｈ電圧となり、ＶＧ２、ＶＧ５が印加される転送電極５下に信号電荷が蓄積される。次に図５に示すように、ＶＳをＨｉｇｈ電圧とし、続いてＶＢがＨｉｇｈ電圧とすることで、ＶＧ５が印加されている転送電極５の電荷蓄積部２と電荷保持部１０との間に電荷転送の経路を作った後、ＶＧ５とＶＢが印加される転送電極５と転送制御ゲート１２にＬｏｗ電圧を順次印加し、Ａ０信号を電荷保持ゲート１１下に転送する（図４、図５におけるｔｔ３）。このように、タイミング生成部１０３は、複数の電荷蓄積部２のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷を、電荷保持部１０に転送させる第１信号を出力する。

次に、ｔｔ３にて電荷保持ゲート１１下のＡ０信号の下に位置していたＡ１信号を５相駆動にて上部に転送し、電荷保持ゲート１１を越えてＶＧ３が印加される転送電極５下に蓄積する（ｔｔ４）。

その後、ＶＧ５、ＶＢを再びＨｉｇｈ電圧とし、電荷保持部１０とＶＧ５が印加されている転送電極５の電荷蓄積部２との間に転送経路を作った後、ＶＳ、ＶＢの順でＬｏｗ電圧を印加していき、Ａ０信号をＨｉｇｈ電圧となっているＶＧ５が印加されている転送電極５下に転送する（ｔｔ５）。このように、タイミング生成部１０３は、電荷保持部１０から、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部２のうちの１つに転送させる第２信号を出力する。

次に下方向に５相駆動にて転送を行い、Ａ０とＡ１の縦方向の位置が入れ替わった状態を作る（ｔｔ６）。以降この一連の動作を入れ替え動作と呼ぶ。このように、タイミング生成部１０３は、第１の読み出しゲート６ａによって第１の信号電荷（Ａ０）が読み出され、第２の読み出しゲート６ｂによって第２の信号電荷（Ａ１）が読み出された場合における、第１の信号電荷（Ａ０）を蓄積する第１の電荷蓄積部２ａの位置と、第２の信号電荷（Ａ１）を蓄積する第２の電荷蓄積部２ｂの位置とを、第１信号と第２信号とを含む複数の信号を出力することで入れ替える。

この入れ替え動作を実施した後は、図４に示すようにＴＧ１が印加される第１の読み出しゲート６ａ横にＡ１信号、ＴＧ２が印加される第２の読み出しゲート６ｂ横にＡ０信号が配置されるため、図３Ｂに示すようにＴＧ１とＴＧ２に印加するパルスタイミングを入れ替え、再び露光を開始することが可能となる。すなわち、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、露光期間において、上記入れ替え動作を実施した後に、第１の位相差と１８０度位相の異なる第２の位相差で、第１の読み出しゲート６ａによる第２の電荷蓄積部２ｂへの信号電荷の読み出しと、第２の読み出しゲート６ｂによる第１の電荷蓄積部２ａへの電荷の読み出しとを行うことが可能となる。ここでは、図３Ａにおける、ＴＧ１に印加される駆動パルスとＴＧ２に印加される駆動パルスとの位相関係と、図３Ｂにおける、ＴＧ１に印加される駆動パルスとＴＧ２に印加される駆動パルスとの位相関係とが、逆位相のタイミングになっていることを、１８０度位相が異なると呼んでいる。

入れ替え前の露光においては、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）
であり、ここで（ＴＧ１）（ＴＧ２）の記載は、それぞれＴＧ１、ＴＧ２が印加される第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂで読み出されたことを示す。

一方、入れ替え後の露光においては、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）
となる。

Ａ０、Ａ１同士を加算すれば、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）
となり、Ａ０、Ａ１共にＴＧ１、ＴＧ２が印加される第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂで読み出された成分を均等に含み、また電荷蓄積位置についても均等に分けられおり、２つの読み出しゲート６、電荷蓄積部２を備えていても、１フレーム内の露光期間で読み出された場所及び電荷蓄積位置の差による信号の差をキャンセルすることが出来る。

図６は実施の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。

図４に示す入れ替え動作後の露光後に、再度図６に示す入れ替え動作を行えば図４の初期状態（ｔｔ１）に戻すことが可能であり、図３Ａの露光、図４の入れ替え動作、図３Ｂの露光、図６の入れ替え動作を複数回繰り返し、時間軸での信号の偏りを低減することが望ましい。

以上詳細に説明したように、実施の形態１により複数のフレームを使うことなく、読み出しゲート６と電荷蓄積部２の位置による特性差を抑制することができるため、測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置及びその駆動方法について、上記の実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図７は、実施の形態２に係る固体撮像装置の備える画素２０ａのレイアウト構成を示す概略平面図である。実施の形態２に係る固体撮像装置は、上記の実施の形態１と比較して、転送電極５が７つ配置される点が異なる。そのため、上記の実施の形態１に対して、電荷蓄積部２を３つとすることが出来る。図７に示されるように、画素２０ａは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂに加えて、第３の電荷蓄積部２ｃを備える。

上記の実施の形態１における固体撮像装置１００は、電荷蓄積部２が２つであった。

これに対して実施の形態２では、背景光及び電荷蓄積部２で生じる暗電流と寄生感度成分といった距離情報を含まない信号を独立に得るための電荷蓄積部２を１つ追加し、上記の実施の形態１と同様に１フレーム内で２つの読み出しゲートを介して得られる測距信号（信号電荷）の特性差を抑制しつつ、かつ背景光成分（以降ＢＧ）及び電荷蓄積部２で生じる暗電流成分（以降ＤＳ）及び寄生感度成分（以降Ｓｍ）を距離算出時に除去することで測距誤差を低減している。そのため、図７に示すように電荷結合素子を構成する電極を７つ（転送電極５ａ〜５ｇ）設け、７相駆動とすることで、蓄積可能な信号電荷を３つに増やしている。なお８相駆動でも問題はない。

以下、その動作について説明する。

露光時に入れ替え動作を行った後、ＴＧ１とＴＧ２に印加されるパルスタイミングを入れ替えて読み出し特性差を抑制するのは、上記の実施の形態１と同じであるが、複数の電荷蓄積部２における暗電流成分ＤＳや寄生感度Ｓｍも電荷蓄積部２毎に異なるため、第１の電荷蓄積部２ａの暗電流成分と寄生感度をＤＳ１、Ｓｍ１、第２の電荷蓄積部２ｂの暗電流成分と寄生感度をＤＳ２、Ｓｍ２、第３の電荷蓄積部２ｃの暗電流成分と寄生感度をＤＳ３、Ｓｍ３と分けて考える。

また、電荷保持部１０についても電荷蓄積部２と同様に暗電流や寄生感度による信号電荷が生じるため、これらをＤＳＸ、ＳｍＸとする。信号電荷の入れ替え動作においては、最初に電荷保持部１０に転送される信号電荷に前記暗電流ＤＳＸや寄生感度ＳｍＸによる電荷が混入するため、Ａ０、Ａ１、Ａ２と３つの信号がある場合には、最初に電荷保持部１０に転送される回数を前述の３つの信号で均等にする必要がある。

さらに３つの電荷蓄積部２においても、Ａ０、Ａ１、Ａ２が各々の電荷蓄積部２にとどまる時間を等しくする必要が生じる。

図８Ａ、図８Ｂは実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。図８Ａに露光と入れ替え動作シーケンス、図８Ｂに露光タイミングを示している。簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃと、各電荷蓄積部２ａ〜２ｃに蓄積される信号のみ記載している。

実施の形態２では読み出し特性差と電荷蓄積部２の暗電流差、寄生感度差、更には入れ替え動作で各信号に混入する電荷保持部１０の暗電流と寄生感度を均等に各信号に分散するために、図８Ａに示すように露光（１）〜（６）、入れ替え動作（１）〜（６）で露光期間が構成される。露光（１）〜（６）において露光時間は同じである。２つの信号の入れ替え動作を行うには、どちらか一方の信号を電荷保持部１０に転送する必要があるが、入れ替え動作（１）〜（６）において、どの信号を電荷保持部１０に転送するかが異なるため、それについても図８Ａに記載している。

まず、最初の露光（１）において、Ａ０、Ａ１、Ａ２成分は以下の式で表される。

Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
Ａ２＝ＤＳ３＋Ｓｍ３

ここで（ＴＧ１）（ＴＧ２）の記載は、上記の実施の形態１と同様、それぞれＴＧ１が印加される第１の読み出しゲート６ａ、ＴＧ２が印加される第２の読み出しゲート６ｂで読み出されたことを示す。

入れ替え動作（１）と露光（２）の間においては、入れ替え動作（１）時に、Ａ０信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ０に加わり、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ２＝ＤＳ３＋Ｓｍ３

入れ替え動作（２）と露光（３）の間においては、入れ替え動作（２）時に、Ａ２信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ２に加わり、また露光（３）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスはＴＧ２のみであり背景光成分（ＢＧ）が読み出されるため、
Ａ０＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
Ａ１＝ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ

入れ替え動作（３）と露光（４）の間においては、入れ替え動作（３）時に、Ａ１信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ１に加わり、また露光（４）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスはＴＧ１のみであり背景光成分（ＢＧ）が読み出されるため、
Ａ０＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
Ａ１＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１

入れ替え動作（４）と露光（５）の間においては、入れ替え動作（４）時に、Ａ０信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ０に加わり、また露光（５）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスは印加しないため、
Ａ０＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ１＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
Ａ２＝ＤＳ１＋Ｓｍ１

入れ替え動作（５）と露光（６）の間においては、入れ替え動作（５）時に、Ａ２信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ２に加わり、また露光（６）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスは印加しないため、
Ａ０＝ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ１＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
Ａ２＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ

入れ替え動作（６）後では、入れ替え動作（６）時に、Ａ１信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ１に加わり、また露光は行わないため、その他の寄生感度と暗電流は殆ど無視でき０とすると、
Ａ０＝０
Ａ１＝ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ２＝０
がＡ０、Ａ１、Ａ２に蓄積される。

以上をＡ０、Ａ１、Ａ２毎に加算すると、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ１）＋ＢＧ（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
となり、Ａ０、Ａ１、Ａ２にはそれぞれ、異なる二つの読み出しゲート６で読み出されたＡ０、Ａ１、ＢＧ信号が加算された状態で含まれるため、読み出し特性の差はキャンセルされる。

またＤＳ１、Ｓｍ１、ＤＳ２、Ｓｍ２、ＤＳ３、Ｓｍ３、ＤＳＸ、ＳｍＸといった３つの電荷蓄積部２と電荷保持部１０とについての暗電流と寄生感度とも、Ａ０、Ａ１、Ａ２に均等に含まれるため、Ａ０−Ａ２、Ａ１−Ａ２の差分後の値にはこれら距離情報と関係のない信号は含まれない。また各露光時間は等しく設定しているため、Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）、Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）に含まれる背景光成分は、ＢＧ（ＴＧ１）＋ＢＧ（ＴＧ２）と等しく、差分後は距離情報のみが得られ、測距誤差を抑制できる。

電荷保持部１０の暗電流を低減するために、電荷保持部１０を形成する電荷保持ゲート１１と転送制御ゲート１２には、入れ替え動作で信号電荷を転送、蓄積する場合を除き、転送チャネルの界面がピンニングするように負電圧を印加し暗電流を低減することが望ましい。すなわち、電荷保持部１０は、電荷保持チャネル（図示されず）の少なくとも一部と、半導体基板の平面視において電荷保持チャネルの少なくとも一部に重なる、電荷保持ゲート１１の少なくとも一部を含んで構成され、電荷保持ゲート１１は、電荷保持部１０が信号電荷を保持する期間を除く期間の少なくとも一部の期間、電荷保持チャネルと電荷保持ゲート１１との界面がピンニングされるように負電圧が印加されることが望ましい。

また寄生感度を低減するために、電荷保持ゲート１１と転送制御ゲート１２周辺の一部または全てを覆うように絶縁膜を介して遮光膜を設けることが望ましい。すなわち、電荷保持部１０の少なくとも一部が遮光膜で覆われていることが望ましい。ＭＯＳプロセスでは配線がゲート電極から高い位置に設けられるため、配線とは別に低い位置にＷ（タングステン）等で遮光することで寄生感度を低減できる。

更に図７では１画素内に電荷保持部１０を設けているが、電荷保持部１０を複数の画素で共有することで、入れ替え動作時に信号電荷に混入する寄生感度と暗電流を、共有しない場合に比べて「１／共有画素数」に出来るため、Ａ０−Ａ２、Ａ１−Ａ２の差分時に生じるショットノイズ増を抑制し測距バラツキを低減できる。

なお、図８Ａ、図８Ｂは露光期間のみを取り扱っているが、１フレーム期間における上記露光期間の後の信号読み出し期間中も各信号は異なる電荷蓄積部に蓄積されているため、この期間中においても暗電流差や寄生感度差が生じる。

露光期間中の場合と同様に、入れ替え動作（１）〜（６）を信号読み出し期間中にも行うことで、この期間中の異なる電荷蓄積部で発生する暗電流や寄生感度差も等しくすることが可能となる。

この場合、信号を読み出すだけであるため、図８ＢのＴＧ１、ＴＧ２に示す読み出しパルスは不要であり、ＴＧ１とＴＧ２は常にＬｏｗ状態、またＯＤＧは常にＨｉｇｈ状態でよい。

以上詳細に説明したように、実施の形態２により複数のフレームを使うことなく、読み出しゲート６の位置による特性差を抑制し、かつ背景光、暗電流、寄生感度の各信号間差を抑制し減算することが可能となるため、測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の備える画素２０ｂのレイアウト構成を示す概略平面図である。図９に示されるように、画素２０ｂは、電荷保持部リセットゲート１８と、電荷保持部リセットドレイン１９とを備える。実施の形態３に係る固体撮像装置は、上記の実施の形態２と比較して、電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９を追加した点が異なるため、他の説明は説明済みであるとして省略し、電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９とを中心に説明する。

上記の実施の形態１、上記の実施の形態２共に電荷保持部１０の取り扱い電荷量はオーバーフローを避けるため、電荷蓄積部２の取り扱い電荷量よりも大きく設定することが望ましいが、電荷保持部１０での寄生感度（ＳｍＸ）や暗電流（ＤＳＸ）が大きくなる場合などは電荷保持部１０に隣接して電荷保持部１０の電荷蓄積とドレインへの排出を制御する電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９、すなわち、電荷保持部１０から信号電荷の少なくとも一部を排出する電荷保持部リセットドレイン１９と、電荷保持部リセットドレイン１９への上記排出を制御する電荷保持部リセットゲート１８とを追加し電荷保持部１０のオーバーフローを抑制することが望ましい。

また、入れ替え動作前に、電荷保持部リセットゲート１８をＯＮし、これにより、露光期間中や信号読み出し期間中に蓄積されるＤＳＸ、ＳｍＸ成分を電荷保持部リセットドレイン１９に排出することで、入れ替え動作時に電荷保持部１０に転送されるＡ０、Ａ１、ＢＧといった信号にＤＳＸ、ＳｍＸ成分が混入することを低減できるため、減算処理時に生じるショットノイズの増加を抑制でき、測距バラツキを低減できる。

更には、転送制御ゲート１２にＬｏｗ電圧を印加した際のチャネル電位を転送チャネル４上の転送電極５にＬｏｗ電圧を印加した際のチャネル電位よりも一定量深くしておき、電荷保持部１０と電荷保持部リセットゲート１８とをＨｉｇｈ電圧としておけば、電荷結合素子で構成される電荷蓄積部２のオーバーフローも低減することができる。

以上詳細に説明したように、上記の実施の形態２の効果に加えて、電荷保持部１０の暗電流と寄生感度が距離演算に必要な信号に混入することを抑制できるため、より測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

本発明は、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置に広く利用可能である。

１ 光電変換部
２ 電荷蓄積部
２ａ 第１の電荷蓄積部
２ｂ 第２の電荷蓄積部
４ 転送チャネル
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ 転送電極
６ 読み出しゲート
６ａ 第１の読み出しゲート
６ｂ 第２の読み出しゲート
８、８ａ、８ｂ 露光制御ゲート
９、９ａ、９ｂ オーバーフロードレイン
１０ 電荷保持部
１１ 電荷保持ゲート
１２ 転送制御ゲート
１３ 出力制御ゲート
１４ 浮遊拡散層
１５ リセットゲート
１６ リセットドレイン
１８ 電荷保持部リセットゲート
１９ 電荷保持部リセットドレイン
２０、２０ａ、２０ｂ 画素
１００ 固体撮像装置
１０３ タイミング生成部

Claims (1)

1. 半導体基板に画素を備える固体撮像装置であって、
   前記画素は、
   前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートと、を備え、
   前記第１の読み出しゲートは、対象物からの反射光の先行成分を読み出し、
   前記第２の読み出しゲートは、前記反射光の後行成分を読み出す
   固体撮像装置。

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