JP2021131285A - Sensor device, distance measuring device, sensing method - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は測距のためのセンサ装置、測距装置、及びセンサ装置のセンシング方法に関する。 The present technology relates to a sensor device for distance measurement, a distance measuring device, and a sensing method of the sensor device.
対象物体までの距離を測定するための各種の測距技術が知られており、近年では、例えばToF(Time of Flight:光飛行時間)方式による測距技術が注目されている。
ToF方式による測距技術は例えば特許文献1に開示されている。
Various distance measuring techniques for measuring the distance to a target object are known, and in recent years, for example, a distance measuring technique based on the ToF (Time of Flight) method has attracted attention.
A distance measuring technique based on the ToF method is disclosed in, for example,
ToF方式により測距対象物(反射体となる物体。以下、単に「対象物」ともいう)までの距離を測定するための半導体検出素子では、光源から照射された光が対象物にあたって反射された反射光がフォトダイオードで光電変換される。光電変換により生成された信号電荷は、交互に駆動される対の転送ゲート素子によって2つのフローティングディフュージョン(電荷蓄積部)に振り分けられる。
このような対の転送ゲート素子構造を用いた半導体検出素子において、転送ゲート駆動波形の鈍りなどによる転送ゲート素子間のタイミングずれによって、オンさせた一方の転送ゲートをオフさせる前に他方の転送ゲートがオンしてしまうことがある。つまり両方の転送ゲートが同時に開いてしまう。これにより光電変換により生成された信号電荷が2つのフローティングディフュージョンの両方に転送される期間が生じ、測距誤差が増大するという問題がある。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、一対の転送ゲートの両方が開くことによる測距精度の悪化を防止できるようにすることを目的とする。
In a semiconductor detection element for measuring the distance to a distance measuring object (an object that becomes a reflector; hereinafter, also simply referred to as an "object") by the ToF method, the light emitted from the light source is reflected by the object. The reflected light is photoelectrically converted by a photodiode. The signal charge generated by the photoelectric conversion is distributed to two floating diffusions (charge storage units) by a pair of transfer gate elements driven alternately.
In a semiconductor detection element using such a pair of transfer gate element structures, due to a timing shift between transfer gate elements due to blunting of the transfer gate drive waveform or the like, the other transfer gate is turned on before the other transfer gate is turned off. May turn on. That is, both transfer gates open at the same time. This causes a period in which the signal charge generated by the photoelectric conversion is transferred to both of the two floating diffusions, which causes a problem that the distance measurement error increases.
The present technology has been made in view of such a situation, and an object thereof is to prevent deterioration of distance measurement accuracy due to opening of both pair of transfer gates.
本技術に係るセンサ装置は、光電変換素子と、前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第1電荷蓄積部に蓄積させる第1転送ゲート素子と、前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第2電荷蓄積部に蓄積させる第2転送ゲート素子と、前記光電変換素子が受光する光の照射が、発光期間と非発光期間を一変調期間として繰り返す蓄積期間に、前記一変調期間内で前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が共に電荷の転送を行わない非転送期間が生ずるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する転送ゲート駆動部と、を備える。
間接ToF(インダイレクトToF)方式による測距は、対象物に対する照射光と、照射光が対象物で反射されて得られる反射光との位相差に基づいて対象物までの距離を算出する。具体的にはセンサ装置側は、第1電荷蓄積部と第2電荷蓄積部に振り分けられた電荷量の比から、対象物までの距離を算出する。この場合に、発光周期内で、第1電荷蓄積部と第2電荷蓄積部のいずれにも転送されない期間を設定する。
The sensor device according to the present technology includes a photoelectric conversion element, a first transfer gate element that transfers charges obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores them in a first charge storage unit, and the photoelectric conversion element. The second transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing the photoelectric conversion in the above and stores it in the second charge storage unit, and the irradiation of the light received by the photoelectric conversion element monomodulates the light emitting period and the non-light emitting period. The first transfer gate element and the said A transfer gate drive unit for driving the second transfer gate element is provided.
In the distance measurement by the indirect ToF (indirect ToF) method, the distance to the object is calculated based on the phase difference between the irradiation light for the object and the reflected light obtained by reflecting the irradiation light by the object. Specifically, the sensor device side calculates the distance to the object from the ratio of the amount of charge distributed to the first charge storage unit and the second charge storage unit. In this case, within the light emission cycle, a period during which the charge is not transferred to either the first charge storage unit or the second charge storage unit is set.
上記した本技術に係るセンサ装置においては、前記蓄積期間において、前記非転送期間、前記第1転送ゲート素子が転送状態とされる期間、前記非転送期間、前記第2転送ゲート素子が転送状態とされる期間、という順のサイクルが生ずるように前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が駆動されるようにすることが考えられる。
即ち第1転送ゲート素子が転送状態とされる期間と第2転送ゲート素子が転送状態とされる期間とが切り替わるときに常に非転送期間が生ずるようにする。
In the sensor device according to the present technology described above, in the storage period, the non-transfer period, the period in which the first transfer gate element is in the transfer state, the non-transfer period, and the second transfer gate element in the transfer state. It is conceivable to drive the first transfer gate element and the second transfer gate element so that a cycle in the order of the period to be performed occurs.
That is, a non-transfer period is always generated when the period in which the first transfer gate element is in the transfer state and the period in which the second transfer gate element is in the transfer state are switched.
上記した本技術に係るセンサ装置においては、前記転送ゲート駆動部は、前記発光期間内に前記第1転送ゲート素子を転送状態に制御する第1転送駆動信号と、前記非発光期間内に前記第2転送ゲート素子を転送状態に制御する第2転送駆動信号とを出力するとともに、前記第1転送駆動信号と前記第2転送駆動信号のパルスデューティによって、前記第1転送ゲート素子の転送期間が前記発光期間よりも短く、また前記第2転送ゲート素子の転送期間が前記非発光期間よりも短くすることで、前記非転送期間が生ずるようにすることが考えられる。
例えば転送ゲート駆動部は第1転送駆動信号と第2転送駆動信号とのパルスデューティの設定により、第1転送ゲート素子の転送期間が発光期間よりも短く、第2転送ゲート素子の転送期間が非発光期間よりも短くなるようにする。
In the sensor device according to the present technology described above, the transfer gate drive unit includes a first transfer drive signal that controls the first transfer gate element to a transfer state within the light emission period, and the first transfer gate drive signal during the non-light emission period. 2 The transfer period of the first transfer gate element is set by the pulse duty of the first transfer drive signal and the second transfer drive signal while outputting the second transfer drive signal that controls the transfer gate element to the transfer state. It is conceivable that the non-transfer period occurs by making the transfer period of the second transfer gate element shorter than the light emitting period and shorter than the non-light emitting period.
For example, in the transfer gate drive unit, the transfer period of the first transfer gate element is shorter than the light emission period due to the setting of the pulse duty of the first transfer drive signal and the second transfer drive signal, and the transfer period of the second transfer gate element is not. Make it shorter than the light emission period.
上記した本技術に係るセンサ装置においては、前記発光期間と前記非発光期間が同一期間長である場合に、前記発光期間内に前記第1転送ゲート素子を転送状態に制御する第1転送駆動信号のパルスデューティを50%未満とし、前記非発光期間内に前記第2転送ゲート素子を転送状態に制御する第2転送駆動信号のパルスデューティを50%未満とすることで、前記非転送期間が生ずるようにすることが考えられる。
光の照射側で発光期間長と非発光期間長が同じである場合、通常は、第1転送駆動信号と第2転送駆動信号はそれぞれ50%のパルスデューティとすることで、発光期間に対応して第1転送ゲート素子が転送状態になり、非発光期間に対応して第2転送ゲート素子が転送状態になるようにする。これらのパルスデューティを50%未満とすることで、第1,第2転送ゲート素子がいずれも非転送となる期間を設ける。
In the sensor device according to the present technology described above, when the light emitting period and the non-light emitting period have the same period length, the first transfer drive signal for controlling the first transfer gate element to the transfer state within the light emitting period. The non-transfer period is generated by setting the pulse duty of It is conceivable to do so.
When the light emission period length and the non-light emission period length are the same on the light irradiation side, normally, the first transfer drive signal and the second transfer drive signal each have a pulse duty of 50% to correspond to the light emission period. The first transfer gate element is put into the transfer state, and the second transfer gate element is put into the transfer state corresponding to the non-light emitting period. By setting these pulse duties to less than 50%, a period during which the first and second transfer gate elements are not transferred is provided.
上記した本技術に係るセンサ装置においては、前記第1転送駆動信号のパルスデューティと、前記第2転送駆動信号のパルスデューティを可変設定することが考えられる。
例えばキャリブレーションを行って転送効率が最大となるようにパルスデューティを求め、そのパルスデューティに設定する。
In the sensor device according to the present technology described above, it is conceivable to variably set the pulse duty of the first transfer drive signal and the pulse duty of the second transfer drive signal.
For example, calibration is performed to obtain a pulse duty so as to maximize the transfer efficiency, and the pulse duty is set to that pulse duty.
上記した本技術に係るセンサ装置においては、転送ゲート駆動周波数に応じて、前記第1転送駆動信号のパルスデューティと、前記第2転送駆動信号のパルスデューティを可変設定することが考えられる。
転送ゲート駆動周波数によっては、転送ゲート駆動信号の波形鈍りの影響の度合いは異なる。そこで転送ゲート駆動周波数に応じてパルスデューティを可変設定する。
In the sensor device according to the present technology described above, it is conceivable to variably set the pulse duty of the first transfer drive signal and the pulse duty of the second transfer drive signal according to the transfer gate drive frequency.
Depending on the transfer gate drive frequency, the degree of influence of the waveform blunting of the transfer gate drive signal differs. Therefore, the pulse duty is variably set according to the transfer gate drive frequency.
上記した本技術に係るセンサ装置においては、前記発光期間の終了タイミングと前記第1転送ゲート素子の転送状態の終了タイミングを一致させ、前記非発光期間の終了タイミングと前記第2転送ゲート素子の転送状態の終了タイミングを一致させるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動することが考えられる。
即ち非転送期間は発光期間の先頭側と非発光期間の先頭側に設ける。
In the sensor device according to the present technology described above, the end timing of the light emitting period and the end timing of the transfer state of the first transfer gate element are matched, and the end timing of the non-light emitting period and the transfer of the second transfer gate element are matched. It is conceivable to drive the first transfer gate element and the second transfer gate element so that the end timings of the states are matched.
That is, the non-transfer period is provided at the beginning side of the light emitting period and the beginning side of the non-light emitting period.
上記した本技術に係るセンサ装置においては、前記第1転送ゲート素子の閾値電圧と、前記第2転送ゲート素子の閾値電圧の設定により、前記転送ゲート駆動部によって前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が駆動されたときに前記非転送期間が生ずるようにすることが考えられる。
即ち第1転送ゲート素子と第2転送ゲート素子の閾値電圧を通常よりも高めるように設計する。
In the sensor device according to the present technology described above, the first transfer gate element and the first transfer gate element and the first transfer gate element are set by the transfer gate drive unit by setting the threshold voltage of the first transfer gate element and the threshold voltage of the second transfer gate element. 2 It is conceivable that the non-transfer period occurs when the transfer gate element is driven.
That is, the threshold voltage of the first transfer gate element and the second transfer gate element is designed to be higher than usual.
本技術に係る測距装置は、発光期間と非発光期間を一変調期間として繰り返すように光の照射を行う発光部と、上述の光電変換素子、第1転送ゲート素子、第2転送ゲート素子、転送ゲート駆動部を有するセンサ装置を備える。
本技術に係るセンサ装置のセンシング方法は、光電変換素子が受光する光の照射が、発光期間と非発光期間を一変調期間として繰り返す蓄積期間に、前記一変調期間内で前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が共に電荷の転送を行わない非転送期間が生ずるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動するものである。これにより第1転送ゲート素子と第2転送ゲート素子が同時にオンとなる期間が生じないようにする。
The ranging device according to the present technology includes a light emitting unit that irradiates light so as to repeat a light emitting period and a non-light emitting period as one modulation period, and the above-mentioned photoelectric conversion element, first transfer gate element, and second transfer gate element. A sensor device having a transfer gate drive unit is provided.
In the sensing method of the sensor device according to the present technology, the first transfer gate element within the one modulation period during the accumulation period in which the irradiation of the light received by the photoelectric conversion element repeats the light emission period and the non-light emission period as one modulation period. The first transfer gate element and the second transfer gate element are driven so that a non-transfer period occurs in which both the second transfer gate element and the second transfer gate element do not transfer charges. This prevents a period in which the first transfer gate element and the second transfer gate element are turned on at the same time.
以下、添付図面を参照し、本技術に係る実施の形態を次の順序で説明する。
<1.測距装置の構成>
<2.センサ部の回路構成>
<3.画素アレイ部の回路構成>
<4.センサ部の構造>
<5.第1の実施の形態>
<6.第2の実施の形態>
<7.まとめ及び変形例>
Hereinafter, embodiments according to the present technology will be described in the following order with reference to the accompanying drawings.
<1. Distance measuring device configuration>
<2. Circuit configuration of sensor section>
<3. Circuit configuration of pixel array section>
<4. Sensor unit structure>
<5. First Embodiment>
<6. Second Embodiment>
<7. Summary and modification>
<1.測距装置の構成>
図1は、本技術に係る実施の形態としての測距装置10の構成例を説明するためのブロック図である。
測距装置10は、センサ部1、発光部2、制御部3、距離画像処理部4、及びメモリ5を備えている。測距装置10は、ToF(Time of Flight:光飛行時間)方式による測距を行う装置とされる。具体的に本例の測距装置10は、間接ToF(インダイレクトToF)方式による測距を行う。間接ToF方式は、対象物Obに対する照射光Liと、照射光Liが対象物Obで反射されて得られる反射光Lrとの位相差に基づいて対象物Obまでの距離を算出する測距方式である。
<1. Distance measuring device configuration>
FIG. 1 is a block diagram for explaining a configuration example of the ranging device 10 as an embodiment according to the present technology.
The distance measuring device 10 includes a
発光部2は、光源として一又は複数の発光素子を有し、対象物Obに対する照射光Liを発する。本例において、発光部2は、照射光Liとして例えば波長が780nmから1000nmの範囲の赤外光を発光する。 The light emitting unit 2 has one or more light emitting elements as a light source, and emits irradiation light Li for the object Ob. In this example, the light emitting unit 2 emits infrared light having a wavelength in the range of, for example, 780 nm to 1000 nm as the irradiation light Li.
制御部3は、発光部2による図2に示すように照射光Liの発光動作を制御する。間接ToF方式の場合、照射光Liとしては所定の周期で強度が変化するように強度変調された光が用いられる。具体的に、本例では、照射光Liとして、パルス光として所定周期で発光期間と非発光期間が繰り返すように発光する。
以下、このようなパルス光の発光周期のことを「発光周期Cl」と表記する。
また、発光周期Clによりパルス光が繰り返し発光される際におけるパルス光の発光開始タイミング間の期間、つまり1つの発光期間と1つの非発光期間からなる期間のことを「一変調期間Pm」或いは単に「変調期間Pm」と表記する。
制御部3は、変調期間Pmごとに所定の発光期間のみ照射光Liを発するように発光部2の発光動作を制御する。
ここで、間接ToF方式において、発光周期Clは、例えば数十MHzから数百MHz程度と比較的高速とされる。
The
Hereinafter, the light emission cycle of such pulsed light will be referred to as "light emission cycle Cl".
Further, the period between the emission start timings of the pulsed light when the pulsed light is repeatedly emitted by the emission cycle Cl, that is, the period consisting of one emission period and one non-emission period is defined as "one modulation period Pm" or simply. Notated as "modulation period Pm".
The
Here, in the indirect ToF method, the light emission period Cl is relatively high, for example, about several tens of MHz to several hundreds of MHz.
図1のセンサ部1は、反射光Lrを受光し、反射光Lrと照射光Liの位相差に基づいて間接ToF方式による測距情報を出力する。
後述もするが、本例のセンサ部1は、光電変換素子(フォトダイオードPD)と、光電変換素子の蓄積電荷を転送するための第1転送ゲート素子(転送トランジスタTG−A)と第2転送ゲート素子(転送トランジスタTG−B)とを含んで構成された画素Pxが二次元に複数配列された画素アレイ部11を有しており、画素Pxごとに間接ToF方式による測距情報を得る。
なお以下、このように画素Pxごとに測距情報(距離情報)を表した情報のことを「距離画像」と表記する。
The
As will be described later, the
Hereinafter, the information representing the distance measurement information (distance information) for each pixel Px in this way is referred to as a “distance image”.
ここで、公知のように間接ToF方式では、画素Pxにおける光電変換素子に蓄積された信号電荷が、交互にオンされる第1転送ゲート素子、第2転送ゲート素子によって二つのフローティングディフュージョン(FD)に振り分けられる。この際、第1転送ゲート素子と第2転送ゲート素子を交互にオンする周期は発光部2の発光周期Clと同周期とされる。
すなわち、第1転送ゲート素子、第2転送ゲート素子は、それぞれ変調期間Pmごとに1度オンとされるものであり、上記のような信号電荷の二つのフローティングディフュージョンへの振り分けは、変調期間Pmごとに繰り返し行われる。
例えば図2のように、第1転送ゲート素子としての転送トランジスタTG−Aは、変調期間Pmにおける照射光Liの発光期間においてオンとされる(期間T1)。また第2転送ゲート素子としての転送トランジスタTG−Bは、変調期間Pmにおける照射光Liの非発光期間においてオンとされる(期間T2)。
なお、転送ゲート素子である転送トランジスタの「オン」とは転送状態、「オフ」とは非転送状態を表すものとする。
但し後述するが、本実施の形態では、転送トランジスタTG−A、TG−Bがオンとなる期間T1,T2は、図2のように発光期間、非発光期間と一致するというものではない。
Here, as is known, in the indirect ToF method, the signal charges accumulated in the photoelectric conversion element in the pixel Px are alternately turned on by the first transfer gate element and the second transfer gate element, resulting in two floating diffusions (FD). It is distributed to. At this time, the cycle in which the first transfer gate element and the second transfer gate element are alternately turned on is the same as the light emission cycle Cl of the light emitting unit 2.
That is, the first transfer gate element and the second transfer gate element are turned on once for each modulation period Pm, and the above-mentioned distribution of the signal charge to the two floating diffusions is performed during the modulation period Pm. It is repeated every time.
For example, as shown in FIG. 2, the transfer transistor TG-A as the first transfer gate element is turned on during the light emission period of the irradiation light Li in the modulation period Pm (period T1). Further, the transfer transistor TG-B as the second transfer gate element is turned on during the non-emission period of the irradiation light Li in the modulation period Pm (period T2).
In addition, "on" of the transfer transistor which is a transfer gate element means a transfer state, and "off" means a non-transfer state.
However, as will be described later, in the present embodiment, the periods T1 and T2 in which the transfer transistors TG-A and TG-B are turned on do not coincide with the light emitting period and the non-light emitting period as shown in FIG.
前述のように、発光周期Clは比較的高速とされるため、上記のような第1、第2転送ゲート素子を用いた1回の振り分けにより各フローティングディフュージョンに蓄積される信号電荷は比較的微量なものとなる。このため間接ToF方式では、1回の測距につき(つまり1枚分の距離画像を得るにあたり)、照射光Liの発光を数千回から数万回程度繰り返し、センサ部1では、このように照射光Liが繰り返し発光される間、上記のような第1、第2転送ゲート素子を用いた各フローティングディフュージョンへの信号電荷の振り分けを繰り返し行う。
図3には、照射光Liと、転送トランジスタTG−A、TG−Bのオンタイミングとして、照射光Liが繰り返し発光される蓄積期間Prの様子を模式的に示している。上述の図2は、この図3の蓄積期間Prにおける一部の変調期間Pmを拡大したものである。
As described above, since the light emission cycle Cl is relatively high, the signal charge accumulated in each floating diffusion by one distribution using the first and second transfer gate elements as described above is relatively small. It will be something like that. For this reason, in the indirect ToF method, the emission of the irradiation light Li is repeated thousands to tens of thousands of times for each distance measurement (that is, for obtaining a distance image for one image), and the
FIG. 3 schematically shows the state of the accumulation period Pr in which the irradiation light Li is repeatedly emitted as the on-timing of the irradiation light Li and the transfer transistors TG-A and TG-B. FIG. 2 above is an enlargement of a part of the modulation period Pm in the accumulation period Pr of FIG.
上記説明から理解されるように、センサ部1においては、画素Pxごとに第1転送ゲート素子、第2転送ゲート素子を照射光Liの発光周期に応じたタイミングで駆動することになる。このためセンサ部1に対しては、制御部3より発光周期Clのタイミングを示す同期信号Ssが入力され、各画素Pxにおける第1、第2転送ゲート素子の駆動に用いられる。
As can be understood from the above description, in the
距離画像処理部4は、センサ部1で得られた距離画像を入力し、例えば圧縮符号化等の所定の信号処理を施してメモリ5に出力する。
メモリ5は、例えばフラッシュメモリやSSD(Solid State Drive)、HDD(Hard Disk Drive)などの記憶装置であり、距離画像処理部4で処理された距離画像を記憶する。
The distance
The
周波数設定部6は発光周期Cl及び第1,第2転送ゲート素子(トランジスタTG−A、TG−B)のオン/オフの周期としての周波数を設定する。
例えば周波数設定部6は、ユーザ操作、測距装置を使用する装置(例えば撮像装置等)からの制御、測距装置を用いるアプリケーションによる制御等に応じて周波数を設定する。制御部3は、周波数設定部6で設定される周波数に応じた同期信号Ssを生成することになる。
The
For example, the
<2.センサ部の回路構成>
図4は、センサ部1の内部回路構成の例示したブロック図である。
図示のようにセンサ部1は、画素アレイ部11、転送ゲート駆動部12、垂直駆動部13、システム制御部14、カラム処理部15、水平駆動部16、信号処理部17、及びデータ格納部18を備えている。
<2. Circuit configuration of sensor section>
FIG. 4 is a block diagram illustrating an internal circuit configuration of the
As shown in the figure, the
画素アレイ部11は、複数の画素Pxが行方向及び列方向の行列状に2次元に配列された構成となっている。各画素Pxは、光電変換素子として後述するフォトダイオードPDを有する。なお、画素Pxの詳細については図5により改めて説明する。
ここで、行方向とは、水平方向の画素Pxの配列方向を言い、列方向とは、垂直方向の画素Pxの配列方向を言う。図中では、行方向を横方向、列方向を縦方向としている。
The
Here, the row direction means the arrangement direction of the pixels Px in the horizontal direction, and the column direction means the arrangement direction of the pixels Px in the vertical direction. In the figure, the row direction is the horizontal direction and the column direction is the vertical direction.
画素アレイ部11においては、行列状の画素配列に対して、画素行ごとに画素駆動線20が行方向に沿って配線されるとともに、各画素列に二つのゲート駆動線21、二つの垂直信号線22がそれぞれ列方向に沿って配線されている。例えば、画素駆動線20は、画素Pxから信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。
なお、図4では、画素駆動線20について1本の配線として示しているが、1本に限られるものではない。画素駆動線20の一端は、垂直駆動部13の各行に対応した出力端に接続されている。
In the
In FIG. 4, the
システム制御部14は、同期信号Ssに基づいて各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に、転送ゲート駆動部12、垂直駆動部13、カラム処理部15、及び水平駆動部16などの駆動制御を行う。
The
転送ゲート駆動部12は、システム制御部14の制御に基づき、上記のように各画素列に二つ設けられるゲート駆動線21を通じて、画素Pxごとに二つ設けられた転送ゲート素子を駆動する。
前述のように、二つの転送ゲート素子は変調期間Pmごとに交互にオンするものとされる。このため、システム制御部14は、図1で説明した同期信号Ssに基づいて、転送ゲート駆動部12による二つの転送ゲート素子のオン/オフタイミングを制御する。
Based on the control of the
As described above, the two transfer gate elements are assumed to be turned on alternately every modulation period Pm. Therefore, the
垂直駆動部13は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部11の画素Pxの全画素同時或いは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動部13は、垂直駆動部13を制御するシステム制御部14とともに、画素アレイ部11の各画素Pxの動作を制御する駆動部を構成している。
The
垂直駆動部13による駆動制御に応じて画素行の各画素Pxから出力される(読み出される)検出信号、具体的には、画素Pxごとに二つ設けられたフローティングディフュージョンそれぞれに蓄積された信号電荷に応じた信号は、対応する垂直信号線22を通してカラム処理部15に入力される。カラム処理部15は、各画素Pxから垂直信号線22を通して読み出された検出信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の検出信号を一時的に保持する。具体的には、カラム処理部15は、信号処理としてノイズ除去処理やA/D(Analog to Digital)変換処理などを行う。
The detection signal output (read) from each pixel Px in the pixel row according to the drive control by the
ここで、各画素Pxからの二つの検出信号(フローティングディフュージョンごとの検出信号)の読み出しは、照射光Liの所定回数分の繰り返し発光ごと(前述した数千から数万回の繰り返し発光ごと)に行われる。
従って、システム制御部14は、各画素Pxからの検出信号の読み出しタイミングについても、同期信号Ssに基づいた垂直駆動部13の制御を行う。
Here, the two detection signals (detection signals for each floating diffusion) are read out from each pixel Px for each repeated emission of the irradiation light Li for a predetermined number of times (every thousands to tens of thousands of repeated emissions described above). Will be done.
Therefore, the
水平駆動部16は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部15の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部16による選択走査により、カラム処理部15において単位回路ごとに信号処理された検出信号が順番に出力される。
The
信号処理部17は、少なくとも演算処理機能を有し、カラム処理部15から出力される検出信号に基づいて、間接ToF方式に対応した距離の算出処理等の種々の信号処理を行う。なお、画素Pxごとに二種の検出信号(フローティングディフュージョンごとの検出信号)に基づいて間接ToF方式による距離情報を算出する手法については公知の手法を用いることができ、ここでの説明は省略する。
The signal processing unit 17 has at least an arithmetic processing function, and performs various signal processing such as distance calculation processing corresponding to the indirect ToF method based on the detection signal output from the
データ格納部18は、信号処理部17での信号処理にあたって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
The
以上のように構成されるセンサ部1は、画素Pxごとに対象物Obまでの距離を表す距離画像を出力する。このようなセンサ部1を有する測距装置10は、例えば、車両に搭載されて、車外にある対象物Obまでの距離を測定する車載用のシステムや、ユーザの手等の対象物までの距離を測定し、その測定結果に基づいてユーザのジェスチャを認識するジェスチャ認識用の装置などに適用することが可能である。
The
<3.画素アレイ部の回路構成>
図5は、画素アレイ部11に2次元配置された画素Pxの等価回路を示している。
画素Pxは、光電変換素子としてのフォトダイオードPDとOF(オーバーフロー)ゲートトランジスタOFGとをそれぞれ1個ずつ有する。
また、画素Pxは、転送ゲート素子としての転送トランジスタTG、フローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び選択トランジスタSELをそれぞれ2個ずつ有する。
<3. Circuit configuration of pixel array section>
FIG. 5 shows an equivalent circuit of pixels Px two-dimensionally arranged in the
The pixel Px has one photodiode PD and one OF (overflow) gate transistor OFG as photoelectric conversion elements.
Further, the pixel Px has two transfer transistors TG, two floating diffusion FDs, a reset transistor RST, an amplification transistor AMP, and two selection transistors SEL as transfer gate elements.
ここで、画素Pxにおいて2個ずつ設けられる転送トランジスタTG、フローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び選択トランジスタSELのそれぞれを区別する場合、図5に示されるように、転送トランジスタTG−A及びTG−B、フローティングディフュージョンFD−A及びFD−B、リセットトランジスタRST−A及びRST−B、増幅トランジスタAMP−A及びRST−B、選択トランジスタSEL−A及びSEL−Bと表記する。
OFゲートトランジスタOFG、転送トランジスタTG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び選択トランジスタSELは、例えば、N型のMOSトランジスタで構成される。
Here, when distinguishing each of the transfer transistor TG, the floating diffusion FD, the reset transistor RST, the amplification transistor AMP, and the selection transistor SEL provided in the pixel Px, as shown in FIG. 5, the transfer transistor TG- It is referred to as A and TG-B, floating diffusion FD-A and FD-B, reset transistors RST-A and RST-B, amplification transistors AMP-A and RST-B, and selection transistors SEL-A and SEL-B.
The OF gate transistor OFG, the transfer transistor TG, the reset transistor RST, the amplification transistor AMP, and the selection transistor SEL are composed of, for example, an N-type MOS transistor.
OFゲートトランジスタOFGは、ゲートに供給されるOFゲート信号SOFGがオンされると導通状態となる。
フォトダイオードPDは、OFゲートトランジスタOFGが導通状態となると、所定の基準電位VDDにクランプされて蓄積電荷がリセットされる。
なお、OFゲート信号SOFGは、例えば垂直駆動部13より供給される。
The OF gate transistor OFG becomes conductive when the OF gate signal SOFG supplied to the gate is turned on.
When the OF gate transistor OFG becomes conductive, the photodiode PD is clamped to a predetermined reference potential VDD and the accumulated charge is reset.
The OF gate signal SOFG is supplied from, for example, the
転送トランジスタTG−Aは、ゲートに供給される転送駆動信号STG−Aがオンされると導通状態となり、フォトダイオードPDに蓄積されている信号電荷をフローティングディフュージョンFD−Aに転送する。
転送トランジスタTG−Bは、ゲートに供給される転送駆動信号STG−Bがオンされると導通状態となり、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷をフローティングディフュージョンFD−Bに転送する。
転送駆動信号STG−A、STG−Bは、それぞれが図4に示したゲート駆動線21の一つとして設けられたゲート駆動線21−A、21−Bを通じて転送ゲート駆動部12より供給される。
The transfer transistor TG-A becomes conductive when the transfer drive signal STG-A supplied to the gate is turned on, and transfers the signal charge stored in the photodiode PD to the floating diffusion FD-A.
The transfer transistor TG-B becomes conductive when the transfer drive signal STG-B supplied to the gate is turned on, and transfers the electric charge stored in the photodiode PD to the floating diffusion FD-B.
The transfer drive signals STG-A and STG-B are each supplied from the transfer
フローティングディフュージョンFD−A、FD−Bは、フォトダイオードPDから転送された電荷を一時保持する電荷保持部である。 The floating diffusion FD-A and FD-B are charge holding units that temporarily hold the charge transferred from the photodiode PD.
リセットトランジスタRST−Aは、ゲートに供給されるリセット信号SRSTがオンとされると導通状態となり、フローティングディフュージョンFD−Aの電位を基準電位VDDにリセットする。
同様に、リセットトランジスタRST−Bはゲートに供給されるリセット信号SRSTがオンされることで導通状態となり、フローティングディフュージョンFD−Bの電位を基準電位VDDにリセットする。
なお、リセット信号SRSTは、例えば垂直駆動部13より供給される。
The reset transistor RST-A becomes conductive when the reset signal SRST supplied to the gate is turned on, and resets the potential of the floating diffusion FD-A to the reference potential VDD.
Similarly, the reset transistor RST-B becomes conductive when the reset signal SRST supplied to the gate is turned on, and resets the potential of the floating diffusion FD-B to the reference potential VDD.
The reset signal SRST is supplied from, for example, the
増幅トランジスタAMP−Aは、ソースが選択トランジスタSEL−Aを介して垂直信号線22−Aに接続され、ドレインが基準電位VDD(定電流源)に接続されて、ソースフォロワ回路を構成する。
増幅トランジスタAMP−Bは、ソースが選択トランジスタSEL−Bを介して垂直信号線22−Bに接続され、ドレインが基準電位VDD(定電流源)に接続されてソースフォロワ回路を構成する。
ここで、垂直信号線22−A、22−Bは、それぞれ図4に示した垂直信号線22の一つとして設けられたものである。
In the amplification transistor AMP-A, the source is connected to the vertical signal line 22-A via the selection transistor SEL-A, and the drain is connected to the reference potential VDD (constant current source) to form a source follower circuit.
In the amplification transistor AMP-B, the source is connected to the vertical signal line 22-B via the selection transistor SEL-B, and the drain is connected to the reference potential VDD (constant current source) to form a source follower circuit.
Here, the vertical signal lines 22-A and 22-B are provided as one of the
選択トランジスタSEL−Aは、増幅トランジスタAMP−Aのソースと垂直信号線22−Aとの間に接続され、ゲートに供給される選択信号SSELがオンとされると導通状態となり、フローティングディフュージョンFD−Aに保持された電荷を増幅トランジスタAMP−Aを介して垂直信号線22−Aに出力する。
選択トランジスタSEL−Bは、増幅トランジスタAMP−Bのソースと垂直信号線22−Bとの間に接続され、ゲートに供給される選択信号SSELがオンとされると導通状態となり、フローティングディフュージョンFD−Bに保持された電荷を増幅トランジスタAMP−Aを介して垂直信号線22−Bに出力する。
なお、選択信号SSELは、画素駆動線20を介して垂直駆動部13より供給される。
The selection transistor SEL-A is connected between the source of the amplification transistor AMP-A and the vertical signal line 22-A, and becomes conductive when the selection signal SSEL supplied to the gate is turned on, and the floating diffusion FD- The electric charge held in A is output to the vertical signal line 22-A via the amplification transistor AMP-A.
The selection transistor SEL-B is connected between the source of the amplification transistor AMP-B and the vertical signal line 22-B, and becomes conductive when the selection signal SSEL supplied to the gate is turned on, and the floating diffusion FD- The charge held in B is output to the vertical signal line 22-B via the amplification transistor AMP-A.
The selection signal SSEL is supplied from the
画素Pxの動作について簡単に説明する。
先ず、受光を開始する前に、画素Pxの電荷をリセットするリセット動作が全画素で行われる(図3のリセット期間)。すなわち、例えばOFゲートトランジスタOFG、各リセットトランジスタRST、及び各転送トランジスタTGがオン(導通状態)とされ、フォトダイオードPD、各フローティングディフュージョンFDの蓄積電荷がリセットされる。
The operation of the pixel Px will be briefly described.
First, before starting light reception, a reset operation for resetting the charge of the pixel Px is performed on all pixels (reset period in FIG. 3). That is, for example, the OF gate transistor OFG, each reset transistor RST, and each transfer transistor TG are turned on (conducting state), and the accumulated charges of the photodiode PD and each floating diffusion FD are reset.
蓄積電荷のリセット後、全画素で測距のための受光動作が開始される。ここで言う受光動作とは、1回の測距のために行われる受光動作を意味する。すなわち、受光動作中では、転送トランジスタTG−AとTG−Bを交互にオンする動作が所定回数(本例では数千回から数万回程度)繰り返される。このような1回の測距のために行われる、受光による電荷蓄積動作の期間を図3のように「蓄積期間Pr」と表記している。 After resetting the accumulated charge, the light receiving operation for distance measurement is started for all pixels. The light receiving operation referred to here means a light receiving operation performed for one distance measurement. That is, during the light receiving operation, the operation of alternately turning on the transfer transistors TG-A and TG-B is repeated a predetermined number of times (in this example, about several thousand to tens of thousands of times). The period of the charge accumulation operation by receiving light received for such one distance measurement is described as "accumulation period Pr" as shown in FIG.
蓄積期間Prにおいて、発光部2の1変調期間Pm内では、例えば転送トランジスタTG−Aがオンの期間T1(つまり転送トランジスタTG−Bがオフの期間)が照射光Liの発光期間にわたって継続された後、残りの期間、つまり照射光Liの非発光期間は、転送トランジスタTG−Bがオンの期間T2(つまり転送トランジスタTG−Aがオフの期間)とされる。すなわち、蓄積期間Prにおいては、1変調期間Pm内にフォトダイオードPDの電荷をフローティングディフュージョンFD−AとフローティングディフュージョンFD−Bに振り分ける動作が所定回数繰り返される。 In the storage period Pr, within one modulation period Pm of the light emitting unit 2, for example, a period T1 in which the transfer transistor TG-A is on (that is, a period in which the transfer transistor TG-B is off) is continued for the light emission period of the irradiation light Li. After that, the remaining period, that is, the non-emission period of the irradiation light Li is set to the period T2 in which the transfer transistor TG-B is on (that is, the period in which the transfer transistor TG-A is off). That is, in the accumulation period Pr, the operation of distributing the electric charge of the photodiode PD to the floating diffusion FD-A and the floating diffusion FD-B within one modulation period Pm is repeated a predetermined number of times.
そして、蓄積期間Prが終了すると、画素アレイ部11の各画素Pxが、線順次に選択される。選択された画素Pxでは、選択トランジスタSEL−A及びSEL−Bがオンされる。これにより、フローティングディフュージョンFD−Aに蓄積された電荷が垂直信号線22−Aを介してカラム処理部15に出力される。また、フローティングディフュージョンFD−Bに蓄積された電荷は垂直信号線22−Bを介してカラム処理部15に出力される(図3の読み出し期間)。
Then, when the accumulation period Pr ends, each pixel Px of the
以上で、1回の受光動作が終了し、リセット動作から始まる次の受光動作が実行される。 With the above, one light receiving operation is completed, and the next light receiving operation starting from the reset operation is executed.
ここで、画素Pxが受光する反射光は、発光部2が照射光Liを発したタイミングから、対象物Obまでの距離に応じて遅延されている。対象物Obまでの距離に応じた遅延時間によって、二つのフローティングディフュージョンFD−A、FD−Bに蓄積される電荷の配分比が変化するため、これら二つのフローティングディフュージョンFD−1、FD−Bに蓄積される電荷の配分比から、対象物Obまでの距離を求めることができる。
Here, the reflected light received by the pixel Px is delayed according to the distance from the timing when the light emitting unit 2 emits the irradiation light Li to the object Ob. Since the distribution ratio of the electric charge accumulated in the two floating diffusion FD-A and FD-B changes depending on the delay time according to the distance to the object Ob, these two floating diffusion FD-1 and FD-B are used. The distance to the object Ob can be obtained from the distribution ratio of the accumulated charges.
<4.センサ部の構造>
次にセンサ部1の構造について説明する。
図6及び図7は画素Pxの概略構造、具体的には半導体基板における一つの画素Pxの領域に形成されたフォトダイオードPD、OFゲートトランジスタOFG、転送トランジスタTG−A、TG−B、フローティングディフュージョンFD−A、FD−Bの位置関係を例示した図であり、図6は上面図、図7は図6に示すX−X’の位置で切断した断面図である。なお、これら図6、図7では、リセットトランジスタRSTや増幅トランジスタAMP等の画素トランジスタについての図示は省略している。
<4. Sensor unit structure>
Next, the structure of the
6 and 7 show a schematic structure of a pixel Px, specifically, a photodiode PD formed in a region of one pixel Px on a semiconductor substrate, an OF gate transistor OFG, transfer transistors TG-A, TG-B, and floating diffusion. It is a figure exemplifying the positional relationship of FD-A and FD-B, FIG. 6 is a top view, and FIG. 7 is a cross-sectional view cut at the position of XX'shown in FIG. Note that in FIGS. 6 and 7, the illustration of pixel transistors such as the reset transistor RST and the amplification transistor AMP is omitted.
フォトダイオードPDは、半導体基板の内部に形成されており、上面視で略矩形の形状を有し、画素Pxの面内における略中央に形成されている。ここで、面内とは、前述した水平方向(行方向)と垂直方向(列方向)に平行な面内を意味する。なお、水平方向は、図6及び図7では紙面の横方向に相当する。垂直方向は、図6の紙面縦方向に相当する。 The photodiode PD is formed inside the semiconductor substrate, has a substantially rectangular shape when viewed from above, and is formed substantially at the center in the plane of the pixel Px. Here, the in-plane means the in-plane parallel to the horizontal direction (row direction) and the vertical direction (column direction) described above. The horizontal direction corresponds to the horizontal direction of the paper in FIGS. 6 and 7. The vertical direction corresponds to the vertical direction of the paper surface of FIG.
転送トランジスタTG−A、TG−Bは、半導体基板上に形成されており、上面視で略矩形の形状を有している。転送トランジスタTG−A、TG−Bの面内における位置は、フォトダイオードPDの水平方向又は垂直方向における両端辺のうち対応する一方の端辺部近傍とされる。具体的に、本例において転送トランジスタTG−A、TG−Bは、それぞれ面内における位置が、フォトダイオードPDの水平方向(紙面における横方向)における両端辺のうち対応する一方の端辺部に対して一部が重なる位置とされている。転送トランジスタTG−A、TG−Bの垂直方向における位置は略一致している。 The transfer transistors TG-A and TG-B are formed on a semiconductor substrate and have a substantially rectangular shape when viewed from above. The positions of the transfer transistors TG-A and TG-B in the plane are set to be near the corresponding end of both ends of the photodiode PD in the horizontal or vertical direction. Specifically, in this example, the transfer transistors TG-A and TG-B are positioned in the plane at one of the corresponding ends of the photodiode PD in the horizontal direction (horizontal direction on the paper surface). On the other hand, it is said that a part of it overlaps. The positions of the transfer transistors TG-A and TG-B in the vertical direction are substantially the same.
フローティングディフュージョンFD−A、FD−Bは、半導体基板の内部に形成され、上面視で略矩形の形状を有している。フローティングディフュージョンFD−Aの面内における位置は、転送トランジスタTG−Aの外側の端辺部、すなわち上述のようにフォトダイオードPDと重なる端辺部とは逆側の端辺部に対して一部が重なる位置とされている。また、フローティングディフュージョンFD−Bの面内における位置は、転送トランジスタTG−Bの外側の端辺部(フォトダイオードPDと重なる端辺部とは逆側の端辺部)に対して一部が重なる位置とされている。フローティングディフュージョンFD−A、FD−Bの垂直方向における位置は略一致している。 The floating diffusion FD-A and FD-B are formed inside the semiconductor substrate and have a substantially rectangular shape when viewed from above. The in-plane position of the floating diffusion FD-A is partly relative to the outer edge of the transfer transistor TG-A, that is, the edge opposite to the edge that overlaps the photodiode PD as described above. Is the overlapping position. Further, the position of the floating diffusion FD-B in the plane partially overlaps with the outer edge portion of the transfer transistor TG-B (the end edge portion opposite to the end edge portion overlapping with the photodiode PD). It is said to be a position. The positions of the floating diffusion FD-A and FD-B in the vertical direction are substantially the same.
OFゲートトランジスタOFGは、半導体基板上に形成され、上面視で略矩形の形状を有しており、面内における位置は、フォトダイオードPDが有する四つの端辺部のうち、転送トランジスタTG−A、TG−Bが重複していない端辺部に一部が重なる位置とされる。つまり本例では、フォトダイオードPDの垂直方向における両端辺部のうち一方の端辺部に一部が重なる位置とされる。
The OF gate transistor OFG is formed on a semiconductor substrate and has a substantially rectangular shape when viewed from above, and the position in the plane is the transfer transistor TG-A among the four end portions of the photodiode PD. , TG-B is set to a position where a part of the TG-B overlaps with the non-overlapping edge portion. That is, in this example, the position is set so that a part of the photodiode PD overlaps one end of both ends in the vertical direction.
<5.第1の実施の形態>
以下第1の実施の形態を説明するが、まず本技術に至った過程について説明しておく。
先に図2、図3に動作タイミングを示したが、そのうちの蓄積期間Prにおける1つの変調期間Pmに着目して説明する。
図2には転送トランジスタTG−Aがオン(転送状態)となる期間T1と、転送トランジスタTG−Bがオンとなる期間T2を示した。
<5. First Embodiment>
Hereinafter, the first embodiment will be described, but first, the process leading to the present technology will be described.
The operation timings are shown in FIGS. 2 and 3 above, and the description will be given focusing on one modulation period Pm in the accumulation period Pr.
FIG. 2 shows a period T1 in which the transfer transistor TG-A is on (transfer state) and a period T2 in which the transfer transistor TG-B is on.
この図2の場合、期間T1は照射光Liの発光期間と一致し、期間T2は非発光期間と一致している。即ち転送トランジスタTG−Aは発光期間に同期してオンとなり、転送トランジスタTG−Bは非発光期間にオンとなる。
この期間T1、T2の電子のポテンシャルエネルギーを図8に模式的に示している。縦方向でポテンシャルエネルギーの高低を示し、横方向にフローティングディフュージョンFD−A、転送トランジスタTG−A、フォトダイオードPD、転送トランジスタTG−B、フローティングディフュージョンFD−Bの各部を示している。
期間T1は転送トランジスタTG−Aがオンとなり、フォトダイオードPDに生じた光電子はフローティングディフュージョンFD−Aに転送される。
期間T2は転送トランジスタTG−Bがオンとなり、フォトダイオードPDに生じた光電子はフローティングディフュージョンFD−Bに転送される。
このようにフローティングディフュージョンFD−A、FD−Bに振り分けられた信号量の比から、対象物までの距離が算出できる。
In the case of FIG. 2, the period T1 coincides with the light emitting period of the irradiation light Li, and the period T2 coincides with the non-light emitting period. That is, the transfer transistor TG-A is turned on in synchronization with the light emitting period, and the transfer transistor TG-B is turned on during the non-light emitting period.
The potential energies of the electrons of T1 and T2 during this period are schematically shown in FIG. The high and low potential energies are shown in the vertical direction, and each part of the floating diffusion FD-A, the transfer transistor TG-A, the photodiode PD, the transfer transistor TG-B, and the floating diffusion FD-B is shown in the horizontal direction.
During the period T1, the transfer transistor TG-A is turned on, and the photoelectrons generated in the photodiode PD are transferred to the floating diffusion FD-A.
During the period T2, the transfer transistor TG-B is turned on, and the photoelectrons generated in the photodiode PD are transferred to the floating diffusion FD-B.
The distance to the object can be calculated from the ratio of the signal amounts distributed to the floating diffusion FD-A and FD-B in this way.
ここで図2の転送トランジスタTG−Aのオン期間は変調期間Pmの50%の期間で、転送トランジスタTG−Bのオン期間も変調期間Pmの50%の期間である。
従って転送ゲート駆動部12が出力する転送駆動信号STG−A、STG−Bは、理想的には、図2に転送トランジスタTG−A、TG−Bのオン期間として示すようなパルスとなればよい。つまり転送駆動信号STG−A、STG−Bは、変調期間Pmに対して、それぞれデューティ50%のパルスとされる。
Here, the ON period of the transfer transistor TG-A in FIG. 2 is a period of 50% of the modulation period Pm, and the ON period of the transfer transistor TG-B is also a period of 50% of the modulation period Pm.
Therefore, the transfer drive signals STG-A and STG-B output by the transfer
これが通常想定される転送トランジスタTG−A、TG−Bの駆動方式となるが、実際の転送駆動信号STG−A、STG−Bのパルス波形は、ゲート駆動線21−A,21−Bの容量と抵抗によって、例えば図9に示すように、波形の立ち上がりと立下りが鈍る。
波形が鈍ると、転送トランジスタTG−A、TG−Bがオンとなる(即ちゲートが開く)タイミングとオフとなる(即ちゲートが閉じる)タイミングが遅れる。
また転送トランジスタTG−A、TG−Bの閾値電圧Vth1、Vth2は、製造ばらつきによって変動するが、これも影響して転送トランジスタTG−A、TG−Bがオンとなるタイミングが変動する。
This is the drive method for the transfer transistors TG-A and TG-B that are usually assumed, but the actual pulse waveforms of the transfer drive signals STG-A and STG-B are the capacitances of the gate drive lines 21-A and 21-B. And resistance slows the rise and fall of the waveform, for example, as shown in FIG.
When the waveform becomes dull, the timing at which the transfer transistors TG-A and TG-B are turned on (that is, the gate is opened) and the timing at which the transfer transistors TG-A and TG-B are turned off (that is, the gate is closed) are delayed.
Further, the threshold voltages Vth1 and Vth2 of the transfer transistors TG-A and TG-B fluctuate due to manufacturing variations, but this also affects the timing at which the transfer transistors TG-A and TG-B are turned on.
これらの原因によるタイミング変動によって、転送トランジスタTG−A、TG−Bが同時に開いてしまう期間が生じ得る。例えば図9において斜線を付した期間T3である。
なお、転送トランジスタTG−A、TG−Bが同時に開いている期間T3は、転送駆動信号STG−A、STG−Bの間のパルスタイミングずれによっても生じ得る。
Due to the timing fluctuation caused by these causes, there may be a period in which the transfer transistors TG-A and TG-B are opened at the same time. For example, the shaded period T3 in FIG.
The period T3 in which the transfer transistors TG-A and TG-B are open at the same time may also occur due to a pulse timing shift between the transfer drive signals STG-A and STG-B.
図10には、図9に示した期間T2、期間T3、期間T1におけるポテンシャルエネルギーの変化を示している。
期間T1,T2は上述の図8と同様であるが、期間T3のように転送トランジスタTG−A、TG−Bが同時に開いているときには、フォトダイオードPDに存在する電子は、フローティングディフュージョンFD−AとFD−Bのいずれにも転送される。このため、転送効率(Cmod)が低下してしまう。
転送効率(Cmod)が低下すると、測距信号のS/Nが低下し測距誤差が増加することとなってしまう。
FIG. 10 shows changes in potential energy during the period T2, the period T3, and the period T1 shown in FIG.
The periods T1 and T2 are the same as those in FIG. 8 described above, but when the transfer transistors TG-A and TG-B are open at the same time as in the period T3, the electrons existing in the photodiode PD are floating diffusion FD-A. And FD-B. Therefore, the transfer efficiency (Cmod) is lowered.
When the transfer efficiency (Cmod) is lowered, the S / N of the distance measuring signal is lowered and the distance measuring error is increased.
このように通常の駆動を行うと、転送駆動信号STG−A、STG−Bの鈍りや、転送トランジスタTG−A、TG−B間のタイミングずれによって、転送トランジスタTG−A、TG−Bが同時にオンとなってしまう期間が生じ、測距誤差が増大する場合がある。
そこで実施の形態では、フローティングディフュージョンFD−Aへの転送期間(期間T1)と、フローティングディフュージョンFD−Bへの転送期間(期間T2)の間に、転送トランジスタTG−A、TG−Bが両方オフとなっている期間を設ける構成とする。
When normal driving is performed in this way, the transfer transistors TG-A and TG-B are simultaneously driven due to the blunting of the transfer drive signals STG-A and STG-B and the timing deviation between the transfer transistors TG-A and TG-B. There is a period when it is turned on, and the distance measurement error may increase.
Therefore, in the embodiment, both the transfer transistors TG-A and TG-B are turned off during the transfer period to the floating diffusion FD-A (period T1) and the transfer period to the floating diffusion FD-B (period T2). It is configured to provide a period of.
図11に第1の実施の形態としての転送駆動信号STG−A、STG−Bを示している。ここでは上述の理由により波形が鈍った状態で示しているが、転送ゲート駆動部12が出力する転送駆動信号STG−A、STG−Bは、いずれもオン制御のパルスデューティを40%とした矩形パルスであるとする。
閾値Vth1,Vth2は、転送トランジスタTG−A、TG−Bの閾値電圧である。
転送ゲート駆動部12が、パルスデューティを40%とした転送駆動信号STG−A、STG−Bをそれぞれ出力し、結果的に図示のように波形が鈍ったとする。
この場合、転送駆動信号STG−Aの電圧が転送トランジスタTG−Aの閾値Vth1を越えている期間T1において転送トランジスタTG−Aがオンとされる。
また転送駆動信号STG−Bの電圧が転送トランジスタTG−Bの閾値Vth2を越えている期間T2において転送トランジスタTG−Aがオンとされる。
FIG. 11 shows the transfer drive signals STG-A and STG-B as the first embodiment. Here, the waveform is shown in a dull state due to the above-mentioned reason, but the transfer drive signals STG-A and STG-B output by the transfer
The threshold values Vth1 and Vth2 are the threshold voltages of the transfer transistors TG-A and TG-B.
It is assumed that the transfer
In this case, the transfer transistor TG-A is turned on during the period T1 in which the voltage of the transfer drive signal STG-A exceeds the threshold value Vth1 of the transfer transistor TG-A.
Further, the transfer transistor TG-A is turned on during the period T2 in which the voltage of the transfer drive signal STG-B exceeds the threshold value Vth2 of the transfer transistor TG-B.
この場合に、転送トランジスタTG−Aのオンから転送トランジスタTG−Bのオンに切り替わる過程、及び転送トランジスタTG−Bのオンから転送トランジスタTG−Aのオンに切り替わる過程で、図示のように斜線を付した期間(非転送期間T4)が生ずる。つまり転送トランジスタTG−A、TG−Bの両方がオフとなっている期間である。
図12は、図11に示した期間T2、非転送期間T4、期間T1におけるポテンシャルエネルギーの変化を示している。
この非転送期間T4は、フォトダイオードPDの電子が、フローティングディフュージョンFD−A、FD−Bのいずれにも転送されず、フォトダイオードPDに蓄積される。
In this case, in the process of switching from the transfer transistor TG-A on to the transfer transistor TG-B on, and in the process of switching the transfer transistor TG-B from on to the transfer transistor TG-A on, diagonal lines are shown as shown in the figure. The attached period (non-transfer period T4) occurs. That is, it is a period in which both the transfer transistors TG-A and TG-B are off.
FIG. 12 shows changes in potential energy during the period T2, the non-transfer period T4, and the period T1 shown in FIG.
During this non-transfer period T4, the electrons of the photodiode PD are not transferred to either the floating diffusion FD-A or FD-B and are accumulated in the photodiode PD.
即ち第1の実施の形態では、転送ゲート駆動部12がパルスデューティを50%未満とした転送駆動信号STG−A、STG−Bを出力することで、非転送期間T4が生じるようにし、これによってフォトダイオードPDの電荷が同時にフローティングディフュージョンFD−A、FD−Bに転送されてしまうことを回避している。これにより転送効率(Cmod)の劣化が起きないことになる。
That is, in the first embodiment, the transfer
なお転送駆動信号STG−A、STG−Bのデューティ比は、図4のシステム制御部14で制御され、転送ゲート駆動部12で生成されるゲート駆動信号に反映される。
The duty ratios of the transfer drive signals STG-A and STG-B are controlled by the
ところで、転送駆動信号STG−A、STG−Bのパルスデューティは、50%未満とすることで非転送期間T4を生じさせるとしたが、実際に適切なパルスデューティは、センサ部1(測距装置10)毎にキャリブレーションを行って決めることが適切である。個体毎の製造バラツキがあるためである。
即ちパルスデューティを変化させながら、転送効率(Cmod)が最大となるデューティ比を探索し、その結果に応じてパルスデューティを決めることができる。
これにより非転送期間T4を形成するための適切なパルスデューティを設定できる。
By the way, it is said that the pulse duty of the transfer drive signals STG-A and STG-B is less than 50% to cause the non-transfer period T4, but the actually appropriate pulse duty is the sensor unit 1 (distance measuring device). 10) It is appropriate to calibrate each time to determine. This is because there are individual manufacturing variations.
That is, it is possible to search for the duty ratio that maximizes the transfer efficiency (Cmod) while changing the pulse duty, and determine the pulse duty according to the result.
Thereby, an appropriate pulse duty for forming the non-transfer period T4 can be set.
このキャリブレーションは、センサ部1又は測距装置10の製造工程で行ってもよいし、測距装置10を搭載したカメラやスマートフォンなどにおいて行ってもよい。カメラやスマートフォンで行うキャリブレーションは、カメラやスマートフォンの製造工程で行ってもよいし、ユーザがカメラやスマートフォンの実使用時毎に行ってもよい。
This calibration may be performed in the manufacturing process of the
また転送駆動信号STG−A、STG−Bのパルスデューティは、転送ゲート駆動周波数(fmod)に応じて変化させることができる。
転送ゲート駆動周波数fmodは、転送トランジスタTG−A、TG−Bのオン/オフの周期を決める周波数であり、即ち変調期間Pmの周期を決める周波数に相当する。さらに言えば、図2のような照射光Liのパルス発光の周波数に相当することになり、図1の周波数設定部6による入力に基づいて制御部3が設定する。
Further, the pulse dutys of the transfer drive signals STG-A and STG-B can be changed according to the transfer gate drive frequency (fmod).
The transfer gate drive frequency fmod is a frequency that determines the on / off period of the transfer transistors TG-A and TG-B, that is, corresponds to a frequency that determines the period of the modulation period Pm. Furthermore, it corresponds to the frequency of the pulse emission of the irradiation light Li as shown in FIG. 2, and is set by the
例えば、転送ゲート駆動周波数fmodが10MHzのときはデューティ比を49%とし、100MHzのときは40%とする。もちろん一例であり、デューティ比は50%未満の範囲で実際に応じて設定されればよい。
これにより、波形鈍りの転送効率(Cmod)への影響の小さい10MHzでは、信号電子のPDからのオーバーフローが回避され、波形鈍りの転送効率(Cmod)への影響が増加する100MHzでは前述の作用効果により、Cmodの低下を回避することができる。
For example, when the transfer gate drive frequency fmod is 10 MHz, the duty ratio is 49%, and when it is 100 MHz, it is 40%. Of course, this is just an example, and the duty ratio may be set according to the actual situation in the range of less than 50%.
As a result, at 10 MHz, which has a small effect on the transfer efficiency (Cmod) of the waveform bluntness, overflow of the signal electrons from the PD is avoided, and at 100 MHz, where the influence on the transfer efficiency (Cmod) of the waveform bluntness increases, the above-mentioned effects and effects are described. Therefore, it is possible to avoid a decrease in Cmod.
場合によっては、転送ゲート駆動周波数fmodが低い場合は、転送駆動信号STG−A、STG−Bのパルスデューティを50%としたままとし、転送ゲート駆動周波数fmodが高くされたときに、パルスデューティを50%未満に変更するようにしてもよい。 In some cases, when the transfer gate drive frequency fmod is low, the pulse duty of the transfer drive signals STG-A and STG-B is left at 50%, and when the transfer gate drive frequency fmod is increased, the pulse duty is increased. It may be changed to less than 50%.
また転送ゲート駆動周波数fmod毎にキャリブレーションを行って、周波数に応じたパルスデューティを設定しておくこともできる。
例えば、キャリブレーション時に、種々の転送ゲート駆動周波数fmodでデューティ比を変化させながら転送効率(Cmod)を測定し、転送効率(Cmod)が最適になるデューティ比を、転送ゲート駆動周波数fmodごとに決めることができる。
このキャリブレーションも、上記同様に、センサ部1又は測距装置10の製造工程で行ってもよいし、測距装置10を搭載したカメラやスマートフォンなどにおいて製造工程や実使用時毎に行ってもよい。
It is also possible to calibrate each transfer gate drive frequency fmod and set the pulse duty according to the frequency.
For example, at the time of calibration, the transfer efficiency (Cmod) is measured while changing the duty ratio at various transfer gate drive frequencies fmod, and the duty ratio at which the transfer efficiency (Cmod) is optimized is determined for each transfer gate drive frequency fmod. be able to.
Similar to the above, this calibration may be performed in the manufacturing process of the
また、転送ゲート駆動部12は、照射光Liの発光期間の終了タイミングと転送トランジスタTG−Aの転送状態(オン期間)の終了タイミングを一致させ、さらに照射光Liの非発光期間の終了タイミングと転送トランジスタTG−Bの転送状態(オン期間)の終了タイミングを一致させるように、転送トランジスタTG−A、TG−Bを駆動するとよい。
Further, the transfer
図13に、変調期間Pmにおける照射光Liの発光期間と非発光期間に対する転送トランジスタTG−Aのオン期間(期間T1)と、転送トランジスタTG−Bのオン期間(期間T2)を示している。
この図では、発光期間の終了タイミングである時点tD1において期間T1が終了される。また非発光期間の終了タイミングである時点tD2において期間T2が終了される。
即ち非転送期間T4が発光期間の先頭側と非発光期間の先頭側に設けられるようにする。
FIG. 13 shows an on period (period T1) of the transfer transistor TG-A and an on period (period T2) of the transfer transistor TG-B with respect to the light emission period and the non-light emission period of the irradiation light Li in the modulation period Pm.
In this figure, the period T1 ends at the time point tD1, which is the end timing of the light emission period. Further, the period T2 ends at the time point tD2, which is the end timing of the non-light emitting period.
That is, the non-transfer period T4 is provided on the head side of the light emitting period and the head side of the non-light emitting period.
このようにすると、発光期間に相当する期間内での受光によりフォトダイオードPDに蓄積された電荷を、残り無くフローティングディフュージョンFD−A側に転送し、また非発光期間に相当する期間内での受光によりフォトダイオードPDに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFD−B側に転送できる。従って、発光期間内にセンサ部1に到達した光と非発光期間に到達した光を適切にフローティングディフュージョンFD−A、FD−Bに振り分けることができ、転送効率(Cmod)の向上とそれによる測距精度の向上という点で適切となる。
In this way, the charge accumulated in the photodiode PD due to the light reception within the period corresponding to the light emission period is transferred to the floating diffusion FD-A side without any residue, and the light is received within the period corresponding to the non-light emission period. The electric charge accumulated in the photodiode PD can be transferred to the floating diffusion FD-B side. Therefore, the light that has reached the
<6.第2の実施の形態>
第2の実施の形態では、転送駆動信号STG−A、STG−Bの鈍りを利用し、転送トランジスタTG−A、TG−Bの閾値電圧Vth1,Vth2を高めることによって、デューティ比が50%以上の転送駆動信号STG−A、STG−Bによっても、転送トランジスタTG−A、TG−Bが両方オフとなっている非転送期間T4が設けられるようにする。
<6. Second Embodiment>
In the second embodiment, the duty ratio is 50% or more by increasing the threshold voltages Vth1 and Vth2 of the transfer transistors TG-A and TG-B by utilizing the bluntness of the transfer drive signals STG-A and STG-B. The transfer drive signals STG-A and STG-B of the above also provide a non-transfer period T4 in which both the transfer transistors TG-A and TG-B are off.
つまりこの場合、転送駆動信号STG−A、STG−Bは、図2で説明したようにデューティ比50%のパルス信号であるとする。
図14のように閾値電圧Vth1,Vth2が高くされることで、斜線を付した非転送期間T4が生ずるようにされる。この図14では実効的なデューティ=30%の例として示している。
That is, in this case, it is assumed that the transfer drive signals STG-A and STG-B are pulse signals having a duty ratio of 50% as described with reference to FIG.
By increasing the threshold voltages Vth1 and Vth2 as shown in FIG. 14, the shaded non-transfer period T4 is generated. FIG. 14 shows an example of effective duty = 30%.
即ち閾値Vth1、Vth2が高くされると、転送駆動信号STG−A、STG−Bの波形が鈍っていることで、転送トランジスタTG−A、TG−Bがオンとなるタイミングがそれぞれ大きく遅れる。転送トランジスタTG−A、TG−Bがオフとタイミングも若干遅れるが、そのオンとなるときの遅れとオフとなるときの遅れの遅れ量の差により非転送期間T4が生ずることになる。
これによって第1の実施の形態と同様に、転送効率(Cmod)の劣化を防止し、測距精度を向上させることができる。
That is, when the threshold values Vth1 and Vth2 are increased, the waveforms of the transfer drive signals STG-A and STG-B are blunted, so that the timing at which the transfer transistors TG-A and TG-B are turned on is significantly delayed. The timing of the transfer transistors TG-A and TG-B is slightly delayed when they are turned off, but the non-transfer period T4 occurs due to the difference between the delay when the transfer transistors TG-A and TG-B are turned on and the delay amount when the transfer transistors TG-B are turned off.
As a result, it is possible to prevent deterioration of the transfer efficiency (Cmod) and improve the distance measurement accuracy as in the first embodiment.
転送トランジスタTG−A、TG−Bの閾値電圧Vth1,Vth2は、センサ部1の製造工程で、公知の方法により、転送トランジスタ直下のSi基板中不純物濃度やゲート酸化膜厚等を適切に調整することによって制御することができる。
The threshold voltages Vth1 and Vth2 of the transfer transistors TG-A and TG-B are used in the manufacturing process of the
<7.まとめ及び変形例>
以上の実施の形態では次のような効果を得ることができる。
第1,第2の実施の形態のセンサ部1(センサ装置)は、フォトダイオードPD(光電変換素子)と、フォトダイオードPDで光電変換を行うことにより得た電荷を転送してフローティングディフュージョンFD−A(第1電荷蓄積部)に蓄積させる転送トランジスタTG−A(第1転送ゲート素子)と、フォトダイオードPDで光電変換を行うことにより得た電荷を転送してフローティングディフュージョンFD−B(第2電荷蓄積部)に蓄積させる転送トランジスタTG−B(第2転送ゲート素子)と、転送ゲート駆動部12を備える。
転送ゲート駆動部12は、フォトダイオードPDが受光する照射光Liが、発光期間と非発光期間を一変調期間Pmとして繰り返す蓄積期間Prに、一変調期間Pm内で転送トランジスタTG−A、TG−Bが共に電荷の転送を行わない非転送期間T4が生ずるように、転送トランジスタTG−A、TG−Bを駆動する。
これにより、転送トランジスタTG−1,TG−2の閾値電圧Vth1,Vth2のばらつきや転送駆動信号STG−A、STG−Bの波形の鈍りなどの要因で、転送トランジスタTG−1,TG−2のいずれもがオンとなって、フローティングディフュージョンFD−A,FD−Bの両方に転送が行われてしまう期間をなくすことができる。
従って転送効率(Cmod)が改善され、測距精度を向上させることができる。
また転送トランジスタTG−1,TG−2の閾値電圧差によるフローティングディフュージョンFD−A側,FD−B側のゲインミスマッチが減少し、測距誤差(固定パターンノイズ)を減少させることができる。
<7. Summary and modification>
The following effects can be obtained in the above embodiments.
The sensor unit 1 (sensor device) of the first and second embodiments transfers the electric charge obtained by performing the photoelectric conversion with the photodiode PD (photoelectric conversion element) and the photodiode PD, and the floating diffusion FD-. Floating diffusion FD-B (second) by transferring the charge obtained by performing photoelectric conversion with the transfer transistor TG-A (first transfer gate element) to be stored in A (first charge storage unit) and the photodiode PD. A transfer transistor TG-B (second transfer gate element) to be stored in the charge storage unit) and a transfer
In the transfer
As a result, due to factors such as variations in the threshold voltages Vth1 and Vth2 of the transfer transistors TG-1 and TG-2 and blunting of the waveforms of the transfer drive signals STG-A and STG-B, the transfer transistors TG-1 and TG-2 It is possible to eliminate the period in which both are turned on and the transfer is performed to both the floating diffusion FD-A and FD-B.
Therefore, the transfer efficiency (Cmod) is improved, and the distance measurement accuracy can be improved.
Further, the gain mismatch on the floating diffusion FD-A side and the FD-B side due to the threshold voltage difference between the transfer transistors TG-1 and TG-2 is reduced, and the ranging error (fixed pattern noise) can be reduced.
第1,第2の実施の形態では、転送ゲート駆動部12は、蓄積期間Prにおいて、非転送期間T4、転送トランジスタTG−Aが転送状態とされる期間T1、非転送期間T4、転送トランジスタTG−Bが転送状態とされる期間T2、という順のサイクルが生ずるように転送トランジスタTG−A、TG−Bが駆動されるようにしている。
これにより、転送トランジスタTG−1がオンのまま転送トランジスタTG−2がオンになってしまうことと、転送トランジスタTG−2がオンのまま転送トランジスタTG−1がオンになってしまうことの両方が解消される。
従って、上述の転送効率改善による測距精度の向上効果を適切に発揮させることができる。
なお、少なくとも転送トランジスタTG−1がオフとなったときに非転送期間を介して転送トランジスタTG−2がオンになるようにしてもよく、この場合もCmod改善効果は得られる。
In the first and second embodiments, the transfer
As a result, both the transfer transistor TG-2 is turned on while the transfer transistor TG-1 is on and the transfer transistor TG-1 is turned on while the transfer transistor TG-2 is on. It will be resolved.
Therefore, the effect of improving the distance measurement accuracy by improving the transfer efficiency described above can be appropriately exerted.
At least when the transfer transistor TG-1 is turned off, the transfer transistor TG-2 may be turned on through the non-transfer period, and in this case as well, the Cmod improvement effect can be obtained.
第1の実施の形態では、転送駆動信号STG−A(第1転送駆動信号)、転送駆動信号STG−B(第2転送駆動信号)のパルスデューティ設定により、転送トランジスタTG−Aの転送期間が発光期間よりも短くなり、また転送トランジスタTG−Bの転送期間が非発光期間よりも短くなることで、非転送期間T4が生ずるようにしている。
転送駆動信号STG−A、STG−Bのパルスデューティ設定により転送トランジスタTG−1,TG−2のオン期間を短くすることとで、非転送期間T4が生じるようにすることができる。これにより上述の転送効率(Cmod)改善を容易に実現できるようになる。
In the first embodiment, the transfer period of the transfer transistor TG-A is set by setting the pulse duty of the transfer drive signal STG-A (first transfer drive signal) and the transfer drive signal STG-B (second transfer drive signal). The non-transfer period T4 is caused by shortening the light emission period and shortening the transfer period of the transfer transistor TG-B to the non-light emission period.
By shortening the on-period of the transfer transistors TG-1 and TG-2 by setting the pulse duty of the transfer drive signals STG-A and STG-B, the non-transfer period T4 can be generated. This makes it possible to easily realize the above-mentioned improvement in transfer efficiency (Cmod).
第1の実施の形態では、発光期間と非発光期間が同一期間長である場合に、発光期間内に転送トランジスタTG−Aを転送状態に制御する転送駆動信号STG−Aのパルスデューティを50%未満とし、非発光期間内に転送トランジスタTG−Bを転送状態に制御する転送駆動信号STG−Bのパルスデューティを50%未満とすることで非転送期間T4が生ずるようにした。
発光期間と非発光期間が同一期間長である場合、転送駆動信号STG−A,STG−Bのパルスデューティを50%未満とすれば、転送トランジスタTG−1,TG−2のオン期間がそれぞれ発光期間や非発光期間より短くなり、非転送期間T4が生じるようにすることができる。これにより上述の転送効率の改善を容易に実現できるようになる。
In the first embodiment, when the light emitting period and the non-light emitting period have the same period length, the pulse duty of the transfer drive signal STG-A that controls the transfer transistor TG-A to the transfer state within the light emitting period is set to 50%. The non-transfer period T4 is set to be less than 50% by setting the pulse duty of the transfer drive signal STG-B that controls the transfer transistor TG-B to the transfer state within the non-emission period to less than 50%.
When the light emitting period and the non-light emitting period have the same period length, if the pulse duty of the transfer drive signals STG-A and STG-B is less than 50%, the on periods of the transfer transistors TG-1 and TG-2 emit light, respectively. It can be made shorter than the period or the non-light emitting period so that the non-transfer period T4 occurs. As a result, the above-mentioned improvement in transfer efficiency can be easily realized.
第1の実施の形態では、転送駆動信号STG−Aのパルスデューティと、転送駆動信号STG−Bのパルスデューティを可変設定することを述べた。
例えばキャリブレーションを行って転送効率が最大となるようにパルスデューティを求め、そのパルスデューティに設定する。
これにより、例えば転送効率が最大となるようなパルスデューティの設定が可能になる。従ってセンサ部1は、自身のトランジスタ特性などに応じて適切なゲート動作を実行できるようになる。
In the first embodiment, it has been described that the pulse duty of the transfer drive signal STG-A and the pulse duty of the transfer drive signal STG-B are variably set.
For example, calibration is performed to obtain a pulse duty so as to maximize the transfer efficiency, and the pulse duty is set to that pulse duty.
This makes it possible to set the pulse duty so as to maximize the transfer efficiency, for example. Therefore, the
第1の実施の形態では、転送ゲート駆動周波数に応じて、転送駆動信号STG−Aのパルスデューティと、転送駆動信号STG−Bのパルスデューティを可変設定することを述べた。
これにより、波形鈍りによる転送効率への悪影響が小さい、比較的低い周波数の場合、信号電子のフォトダイオードPDからのオーバーフローが回避され、波形鈍りの転送効率の影響が増加する、比較的高い周波数の場合は、前述の効果により、転送効率の低下を回避することができる。
In the first embodiment, it has been described that the pulse duty of the transfer drive signal STG-A and the pulse duty of the transfer drive signal STG-B are variably set according to the transfer gate drive frequency.
As a result, in the case of a relatively low frequency in which the adverse effect of the waveform blunting on the transfer efficiency is small, overflow of the signal electron from the photodiode PD is avoided, and the influence of the waveform blunting transfer efficiency is increased. In that case, it is possible to avoid a decrease in transfer efficiency due to the above-mentioned effect.
第1の実施の形態では、発光期間の終了タイミングと転送トランジスタTG−Aの転送状態の終了タイミングを一致させ、非発光期間の終了タイミングと転送トランジスタTG−Bの転送状態の終了タイミングを一致させるように、転送トランジスタTG−A、TG−Bを駆動することを述べた。
これにより、発光期間内にセンサ部1に達した光による電荷、及び非発光期間にセンサ部1に達した光による電荷が、それぞれ無駄にならずにフローティングディフュージョンFD−A、FD−Bに転送される。従って測距精度を向上させることができる。
In the first embodiment, the end timing of the light emitting period and the end timing of the transfer state of the transfer transistor TG-A are matched, and the end timing of the non-light emission period and the end timing of the transfer state of the transfer transistor TG-B are matched. As described above, it is described that the transfer transistors TG-A and TG-B are driven.
As a result, the electric charge of the light reaching the
第2の実施の形態では、転送トランジスタTG−Aの閾値電圧Vth1と、転送トランジスタTG−Bの閾値電圧Vth2の設定により、転送ゲート駆動部12によって転送トランジスタTG−A、TG−Bが駆動されたときに非転送期間T4が生ずるようにする例を述べた。
これによっても、転送トランジスタTG−1,TG−2のいずれもがオンとなって、フローティングディフュージョンFD−A,FD−Bの両方に転送が行われてしまう期間をなくすことができ、転送効率改善による測距精度向上を実現できる。
In the second embodiment, the transfer transistors TG-A and TG-B are driven by the transfer
This also eliminates the period in which both the transfer transistors TG-1 and TG-2 are turned on and the transfer is performed to both the floating diffusion FD-A and FD-B, improving the transfer efficiency. It is possible to improve the distance measurement accuracy by.
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。 It should be noted that the effects described in the present specification are merely examples and are not limited, and other effects may be obtained.
なお本技術は以下のような構成も採ることができる。
(1)
光電変換素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第1電荷蓄積部に蓄積させる第1転送ゲート素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第2電荷蓄積部に蓄積させる第2転送ゲート素子と、
前記光電変換素子が受光する光の照射が、発光期間と非発光期間を一変調期間として繰り返す蓄積期間に、前記一変調期間内で前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が共に電荷の転送を行わない非転送期間が生ずるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する転送ゲート駆動部と、を備えた
センサ装置。
(2)
前記蓄積期間において、
前記非転送期間、前記第1転送ゲート素子が転送状態とされる期間、前記非転送期間、前記第2転送ゲート素子が転送状態とされる期間、という順のサイクルが生ずるように前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が駆動される
上記(1)に記載のセンサ装置。
(3)
前記転送ゲート駆動部は、前記発光期間内に前記第1転送ゲート素子を転送状態に制御する第1転送駆動信号と、前記非発光期間内に前記第2転送ゲート素子を転送状態に制御する第2転送駆動信号とを出力するとともに、
前記第1転送駆動信号と前記第2転送駆動信号のパルスデューティによって、前記第1転送ゲート素子の転送期間が前記発光期間よりも短く、また前記第2転送ゲート素子の転送期間が前記非発光期間よりも短くすることで、前記非転送期間が生ずるようにする
上記(1)又は(2)に記載のセンサ装置。
(4)
前記発光期間と前記非発光期間が同一期間長である場合に、
前記発光期間内に前記第1転送ゲート素子を転送状態に制御する第1転送駆動信号のパルスデューティを50%未満とし、
前記非発光期間内に前記第2転送ゲート素子を転送状態に制御する第2転送駆動信号のパルスデューティを50%未満とすることで、
前記非転送期間が生ずるようにする
上記(1)から(3)のいずれかに記載のセンサ装置。
(5)
前記第1転送駆動信号のパルスデューティと、前記第2転送駆動信号のパルスデューティを可変設定する
上記(4)に記載のセンサ装置。
(6)
転送ゲート駆動周波数に応じて、前記第1転送駆動信号のパルスデューティと、前記第2転送駆動信号のパルスデューティを可変設定する
上記(4)又は(5)に記載のセンサ装置。
(7)
前記発光期間の終了タイミングと前記第1転送ゲート素子の転送状態の終了タイミングを一致させ、
前記非発光期間の終了タイミングと前記第2転送ゲート素子の転送状態の終了タイミングを一致させるように、
前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する
上記(1)から(5)のいずれかに記載のセンサ装置。
(8)
前記第1転送ゲート素子の閾値電圧と、前記第2転送ゲート素子の閾値電圧の設定により、前記転送ゲート駆動部によって前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が駆動されたときに前記非転送期間が生ずるようにした
上記(1)に記載のセンサ装置。
(9)
発光期間と非発光期間を一変調期間として繰り返すように光の照射を行う発光部と、
前記発光部からの光の、測距対象物による反射光を受光する光電変換素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第1電荷蓄積部に蓄積させる第1転送ゲート素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第2電荷蓄積部に蓄積させる第2転送ゲート素子と、
前記発光期間と前記非発光期間が一変調期間として繰り返される蓄積期間に、前記一変調期間内で前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が共に電荷の転送を行わない非転送期間が生ずるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する転送ゲート駆動部と、を備えた
測距装置。
(10)
光電変換素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第1電荷蓄積部に蓄積させる第1転送ゲート素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第2電荷蓄積部に蓄積させる第2転送ゲート素子と、
を備えたセンサ装置のセンシング方法として、
前記光電変換素子が受光する光の照射が、発光期間と非発光期間を一変調期間として繰り返す蓄積期間に、前記一変調期間内で前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が共に電荷の転送を行わない非転送期間が生ずるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する
センシング方法。
The present technology can also adopt the following configurations.
(1)
Photoelectric conversion element and
A first transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the first charge storage unit.
A second transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the second charge storage unit.
During the accumulation period in which the irradiation of light received by the photoelectric conversion element repeats the light emitting period and the non-light emitting period as one modulation period, both the first transfer gate element and the second transfer gate element are charged within the one modulation period. A sensor device including the first transfer gate element and a transfer gate drive unit for driving the second transfer gate element so that a non-transfer period in which the transfer is not performed occurs.
(2)
During the accumulation period
The first transfer so that a cycle of the non-transfer period, the period in which the first transfer gate element is in the transfer state, the non-transfer period, and the period in which the second transfer gate element is in the transfer state occurs. The sensor device according to (1) above, wherein the gate element and the second transfer gate element are driven.
(3)
The transfer gate drive unit controls the first transfer drive signal that controls the first transfer gate element to the transfer state during the light emission period, and the second transfer gate element that controls the second transfer gate element to the transfer state during the non-light emission period. 2 While outputting a transfer drive signal,
Due to the pulse duty of the first transfer drive signal and the second transfer drive signal, the transfer period of the first transfer gate element is shorter than the light emission period, and the transfer period of the second transfer gate element is the non-light emission period. The sensor device according to (1) or (2) above, wherein the non-transfer period occurs by making it shorter than.
(4)
When the light emitting period and the non-light emitting period have the same period length,
The pulse duty of the first transfer drive signal that controls the first transfer gate element to the transfer state within the light emission period is set to less than 50%.
By setting the pulse duty of the second transfer drive signal that controls the second transfer gate element to the transfer state within the non-emission period to less than 50%,
The sensor device according to any one of (1) to (3) above, which causes the non-transfer period to occur.
(5)
The sensor device according to (4) above, wherein the pulse duty of the first transfer drive signal and the pulse duty of the second transfer drive signal are variably set.
(6)
The sensor device according to (4) or (5) above, wherein the pulse duty of the first transfer drive signal and the pulse duty of the second transfer drive signal are variably set according to the transfer gate drive frequency.
(7)
The end timing of the light emitting period and the end timing of the transfer state of the first transfer gate element are matched.
The end timing of the non-light emitting period and the end timing of the transfer state of the second transfer gate element are matched.
The sensor device according to any one of (1) to (5) above, which drives the first transfer gate element and the second transfer gate element.
(8)
When the first transfer gate element and the second transfer gate element are driven by the transfer gate driving unit by setting the threshold voltage of the first transfer gate element and the threshold voltage of the second transfer gate element, the transfer gate element is driven. The sensor device according to (1) above, wherein a non-transfer period occurs.
(9)
A light emitting unit that irradiates light so that the light emitting period and the non-light emitting period are repeated as one modulation period,
A photoelectric conversion element that receives the reflected light of the light from the light emitting unit by the distance measuring object, and
A first transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the first charge storage unit.
A second transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the second charge storage unit.
During the accumulation period in which the light emitting period and the non-light emitting period are repeated as one modulation period, there is a non-transfer period in which both the first transfer gate element and the second transfer gate element do not transfer charges within the one modulation period. A distance measuring device including the first transfer gate element and the transfer gate driving unit for driving the second transfer gate element so as to occur.
(10)
Photoelectric conversion element and
A first transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the first charge storage unit.
A second transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the second charge storage unit.
As a sensing method of the sensor device equipped with
During the accumulation period in which the irradiation of light received by the photoelectric conversion element repeats the light emitting period and the non-light emitting period as one modulation period, both the first transfer gate element and the second transfer gate element are charged within the one modulation period. A sensing method for driving the first transfer gate element and the second transfer gate element so that a non-transfer period in which the transfer is not performed occurs.
1 センサ部
2 発光部
3 制御部
4 距離画像処理部
5 メモリ
6 周波数設定部
10 測距装置
11 画素アレイ部
12 転送ゲート駆動部
13 垂直駆動部
14 システム制御部
15 カラム処理部
16 水平駆動部
17 信号処理部
18 データ格納部
20 画素駆動線
21,21−A,21−B ゲート駆動線
22,22−A,22−B 垂直信号線
TG,TG−A,TG−B 転送トランジスタ
Px 画素
FD,FD−A,FD−B フローティングディフュージョン
PD フォトダイオード
STG−A,STG−B 転送駆動信号
Pm 変調期間
Pr 蓄積期間
Cl 発光周期
Li 照射光
Lr 反射光
1 Sensor unit 2
Claims (10)
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第1電荷蓄積部に蓄積させる第1転送ゲート素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第2電荷蓄積部に蓄積させる第2転送ゲート素子と、
前記光電変換素子が受光する光の照射が、発光期間と非発光期間を一変調期間として繰り返す蓄積期間に、前記一変調期間内で前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が共に電荷の転送を行わない非転送期間が生ずるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する転送ゲート駆動部と、を備えた
センサ装置。 Photoelectric conversion element and
A first transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the first charge storage unit.
A second transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the second charge storage unit.
During the accumulation period in which the irradiation of light received by the photoelectric conversion element repeats the light emitting period and the non-light emitting period as one modulation period, both the first transfer gate element and the second transfer gate element are charged within the one modulation period. A sensor device including the first transfer gate element and a transfer gate drive unit for driving the second transfer gate element so that a non-transfer period in which the transfer is not performed occurs.
前記非転送期間、前記第1転送ゲート素子が転送状態とされる期間、前記非転送期間、前記第2転送ゲート素子が転送状態とされる期間、という順のサイクルが生ずるように前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が駆動される
請求項1に記載のセンサ装置。 During the accumulation period
The first transfer so that a cycle of the non-transfer period, the period in which the first transfer gate element is in the transfer state, the non-transfer period, and the period in which the second transfer gate element is in the transfer state occurs. The sensor device according to claim 1, wherein the gate element and the second transfer gate element are driven.
前記第1転送駆動信号と前記第2転送駆動信号のパルスデューティによって、前記第1転送ゲート素子の転送期間が前記発光期間よりも短く、また前記第2転送ゲート素子の転送期間が前記非発光期間よりも短くすることで、前記非転送期間が生ずるようにする
請求項1に記載のセンサ装置。 The transfer gate drive unit controls the first transfer drive signal that controls the first transfer gate element to the transfer state during the light emission period, and the second transfer gate element that controls the second transfer gate element to the transfer state during the non-light emission period. 2 While outputting a transfer drive signal,
Due to the pulse duty of the first transfer drive signal and the second transfer drive signal, the transfer period of the first transfer gate element is shorter than the light emission period, and the transfer period of the second transfer gate element is the non-light emission period. The sensor device according to claim 1, wherein the non-transfer period occurs by making the sensor device shorter than the above.
前記発光期間内に前記第1転送ゲート素子を転送状態に制御する第1転送駆動信号のパルスデューティを50%未満とし、
前記非発光期間内に前記第2転送ゲート素子を転送状態に制御する第2転送駆動信号のパルスデューティを50%未満とすることで、
前記非転送期間が生ずるようにする
請求項1に記載のセンサ装置。 When the light emitting period and the non-light emitting period have the same period length,
The pulse duty of the first transfer drive signal that controls the first transfer gate element to the transfer state within the light emission period is set to less than 50%.
By setting the pulse duty of the second transfer drive signal that controls the second transfer gate element to the transfer state within the non-emission period to less than 50%,
The sensor device according to claim 1, wherein the non-transfer period occurs.
請求項4に記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 4, wherein the pulse duty of the first transfer drive signal and the pulse duty of the second transfer drive signal are variably set.
請求項4に記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 4, wherein the pulse duty of the first transfer drive signal and the pulse duty of the second transfer drive signal are variably set according to the transfer gate drive frequency.
前記非発光期間の終了タイミングと前記第2転送ゲート素子の転送状態の終了タイミングを一致させるように、
前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する
請求項1に記載のセンサ装置。 The end timing of the light emitting period and the end timing of the transfer state of the first transfer gate element are matched.
The end timing of the non-light emitting period and the end timing of the transfer state of the second transfer gate element are matched.
The sensor device according to claim 1, wherein the first transfer gate element and the second transfer gate element are driven.
請求項1に記載のセンサ装置。 When the first transfer gate element and the second transfer gate element are driven by the transfer gate driving unit by setting the threshold voltage of the first transfer gate element and the threshold voltage of the second transfer gate element, the transfer gate element is driven. The sensor device according to claim 1, wherein a non-transfer period occurs.
前記発光部からの光の、測距対象物による反射光を受光する光電変換素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第1電荷蓄積部に蓄積させる第1転送ゲート素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第2電荷蓄積部に蓄積させる第2転送ゲート素子と、
前記発光期間と前記非発光期間が一変調期間として繰り返される蓄積期間に、前記一変調期間内で前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が共に電荷の転送を行わない非転送期間が生ずるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する転送ゲート駆動部と、を備えた
測距装置。 A light emitting unit that irradiates light so that the light emitting period and the non-light emitting period are repeated as one modulation period,
A photoelectric conversion element that receives the reflected light of the light from the light emitting unit by the distance measuring object, and
A first transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the first charge storage unit.
A second transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the second charge storage unit.
During the accumulation period in which the light emitting period and the non-light emitting period are repeated as one modulation period, there is a non-transfer period in which both the first transfer gate element and the second transfer gate element do not transfer charges within the one modulation period. A distance measuring device including the first transfer gate element and the transfer gate driving unit for driving the second transfer gate element so as to occur.
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第1電荷蓄積部に蓄積させる第1転送ゲート素子と、
前記光電変換素子で光電変換を行うことにより得た電荷を転送して第2電荷蓄積部に蓄積させる第2転送ゲート素子と、
を備えたセンサ装置のセンシング方法として、
前記光電変換素子が受光する光の照射が、発光期間と非発光期間を一変調期間として繰り返す蓄積期間に、前記一変調期間内で前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子が共に電荷の転送を行わない非転送期間が生ずるように、前記第1転送ゲート素子と前記第2転送ゲート素子を駆動する
センシング方法。 Photoelectric conversion element and
A first transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the first charge storage unit.
A second transfer gate element that transfers the electric charge obtained by performing photoelectric conversion with the photoelectric conversion element and stores it in the second charge storage unit.
As a sensing method of the sensor device equipped with
During the accumulation period in which the irradiation of light received by the photoelectric conversion element repeats the light emitting period and the non-light emitting period as one modulation period, both the first transfer gate element and the second transfer gate element are charged within the one modulation period. A sensing method for driving the first transfer gate element and the second transfer gate element so that a non-transfer period in which the transfer is not performed occurs.
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