JP3710656B2 - 固体撮像装置および距離測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＦカメラなどのオートフォーカス装置に好適な固体撮像装置および距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクティブタイプのオートフォーカス装置においては、例えば、赤外線の光をＬＥＤなどにより投光し、測定対象物からの反射光を受光してその測定対象物までの距離を検出する距離測定装置を備えた構成のものがある。これによって検出した距離に対応してレンズ等の光学系の焦点位置を自動的に調整することができる。
【０００３】
このような距離測定装置では、単純な三角法の原理を用いて距離を測定するものが一般的であり、測定対象物までの距離に応じて受光レンズを介して入射する光の角度が異なることを利用し、その受光位置を検出する受光素子を用いる。受光位置を検出する受光素子として、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ；Charge Coupled Devices) を用いたものがある。
【０００４】
この場合、一般に、受光素子まで到達する反射光は、測定対象までの距離が長くなったりあるいは周囲の光の影響などを受けることでその光量は非常に小さくなる。そこで、比較判断を可能とする程度の電気信号を得るために、上述の動作を複数回繰り返すことにより検出位置における受光量を増大させる方式が採用されている。
【０００５】
このような方式に用いられる構成として、図６および図７に示すものがある。図６はいわゆるリングＣＣＤと呼ばれるＣＣＤで、反射光を複数回に渡って加算して信号レベルを高めるようにした構成となっている。受光部１は、ＬＥＤから出射した光に対する反射光を受光すると共にＬＥＤの非点灯時の周囲の光をそれぞれのタイミングで受光して光電変換を行ない、受光量に応じた電荷を発生させる。
【０００６】
電荷転送部２は、受光部１で発生された点灯時および非点灯時の各電荷を内部に取り込んで電荷蓄積部に蓄積する。そして、電荷転送部２では、受光部１におけるＬＥＤの点灯時および非点灯時における各電荷を蓄積して所定のタイミングで直線ＣＣＤ３に転送する。直線ＣＣＤ３に転送された電荷は、順次循環ＣＣＤ４に転送される。このとき、循環ＣＣＤ４では、転送された電荷が循環してスキム部５を通過するときに一定電荷量をドレインに排出し、一巡した後に次のサイクルで直線ＣＣＤ３から転送された各電荷同士が加算される。このようにして繰り返し循環ＣＣＤ４を循環するうちに受光部１の受光位置に対応した部分の電荷量が他の部分の電荷量に対して大きく差が得られるようになると、出力部６で出力される。出力後に蓄積されている電荷はクリア部７でクリアされる。
【０００７】
直線ＣＣＤ３および循環ＣＣＤ４においては、図７（ａ）に示すように、２相クロック形の転送電極８ａ，８ｂが形成されており、隣接する転送電極８ａ，８ｂが交互に異なるクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２が与えられると、同図（ｂ）に示す電位ポテンシャルの移動により電荷転送方向に順次電荷を転送する構成となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来構成のものにおいては、次のような不具合がある。すなわち、電荷を加算増幅するための構成として循環ＣＣＤ４を設けているので、この部分がチップ全体の中で占める面積が大きくなると共に、電荷の転送を環状に形成した部分で行なうことから電荷の物理的な転送方向を曲げることになり、構造的な特性上で電荷の転送効率が低下する不具合がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、循環ＣＣＤを用いない構成としてチップ面積の省スペース化を図ると共に、電荷転送効率の低下も防止することができるようにした固体撮像装置および自動焦点測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置および距離測定装置は上記目的を達成するために、次のように構成したところに特徴を有する。
すなわち、請求項１に記載の固体撮像装置は、
複数個の光電変換素子が直線上に配列され測定対象からの受光位置に応じた入射光を対応する光電変換素子により受光しその入射光強度に対応した電荷を発生させる光電変換手段と、
この光電変換手段の各光電変換素子に発生した電荷を蓄積しこれを指定された方向に順次転送可能な第１の直線転送手段と、
この第１の直線転送手段に蓄積されている電荷に前記光電変換手段の電荷を加算するように移動させる電荷移動手段と、
前記第１の直線転送手段の電荷転送方向に配置され前記転送される電荷を順次指定された方向に転送可能な第２の直線転送手段と、
前記第１の直線転送手段の蓄積電荷を前記第２の直線転送手段に直線的に転送する順方向転送制御および第２の直線転送手段に転送された電荷を再び前記第１の直線転送手段に直線的に転送する逆方向転送制御を交互に実行する転送制御手段とを設けて構成したところに特徴を有する。
【００１１】
上記構成とすることにより、光電変換手段により測定対象からの光が光電変換素子に入射され、その入射強度に対応した電荷を発生させると、電荷移動手段は、第１の直線転送手段に対して光電変換手段の電荷を加算するように移動させるようになり、転送制御手段は、第１の直線転送手段に蓄積されている電荷を第２の直線転送手段に向けて転送させ、再び第１の直線転送手段に向けて順次転送するように制御する。このとき、第１の直線転送手段に電荷が転送されると、再び、電荷移動手段により光電変換手段からの電荷を第１の直線転送手段に転送するが、先に蓄積されている電荷に加算するように転送する。以下、上記の転送の動作を繰り返し行なうことにより、複数回に渡り光電変換手段に蓄積された電荷を第１の直線転送手段に加算させることができ、大きな出力信号として取り出すことができるようになる。
【００１２】
そして、第１および第２の直線転送手段を設ける構成を採用しているから、従来構成のように環状の転送手段を設ける場合に比べて、電荷転送部を曲げる構成とする必要がなくなり、省スペース化を図ることができると共に、電荷転送時に物理的に移動方向が曲げられることがなくなるため転送効率を向上させることができるようになる。
【００１３】
また、請求項２に記載の固体撮像装置は、上記構成において、第１および第２の直線転送手段の間に、転送制御手段により順方向あるいは逆方向に電荷を転送するときに転送する電荷をスキム動作処理するスキム手段を設けたところに特徴を有する。この構成とすることにより、第１の直線転送手段から第２の直線転送手段への電荷転送を繰り返すうちに、電荷がオーバフローする場合には、スキム動作処理をすることによりそのオーバフローした電荷を除去して常に適性な電荷量を保持した状態とすることができるようになる。
【００１４】
そして、請求項３に記載の固体撮像装置は、上記各構成において、前記第１および第２の直線転送手段は、２相クロック型の直線ＣＣＤで構成され、それぞれに形成された２種類の電極に対して、隣接する電極間でそれぞれ順方向用スイッチング手段および逆方向用スイッチング手段で接続した状態に構成され、
前記転送制御手段は、前記順方向用スイッチング手段を導通状態として順方向への電荷転送を制御し、前記逆方向用スイッチング手段を導通状態として逆方向への電荷転送を制御するように構成したところに特徴を有する。
【００１５】
この構成によれば、第１および第２の直線転送手段の電荷を順方向あるいは逆方向に転送する場合に、転送制御手段は、転送方向をスイッチング手段の切り替え制御を行なうことにより順方向あるいは逆方向のいずれかに設定することができ、簡単な構成でチップ面積を大きく占有させることなく順方向および逆方向への電荷転送制御を行なう構成を得ることができるようになる。
【００１６】
また、請求項４に記載の距離測定装置は、
繰り返しパルス点灯される発光素子と、
この発光素子の光を測定対象が存在する前方に向けて導く投光レンズと、
この投光レンズと所定間隔だけ存した位置に前記測定対象からの反射光を受光するように設けられる受光レンズと、
この受光レンズを介して入射される光の受光位置を検出するように設けられた請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像装置とを備え、
前記発光素子から投光レンズを介して投光された光が前記測定対象で反射して固体撮像装置にて受光したときに発生する電荷を繰り返し蓄積し、その受光位置を検出することにより前記測定対象までの距離を検出するように構成したところに特徴を有する。
【００１７】
上記構成によれば、発光素子がパルス点灯されたときに測定対象で反射される光を受光し、固体撮像装置において繰り返し受光した反射光による電荷を蓄積してその出力に基づいて測定対象までの距離を求めるので、コンパクトな構成としながら、測定対象までの距離を精度良く検出することができるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＡＦカメラの自動焦点装置のＣＣＤに適用した場合の一実施形態について、図１ないし図５を参照しながら説明する。
図４は距離測定装置としての自動焦点装置１１の全体構成を原理的に示すもので、カメラ本体側には、投光用の発光素子であるＬＥＤ１２および投光レンズ１３が設けられており、ＬＥＤ１２の発光出力は投光レンズ１３を介して絞られた状態で前方に向けて投光される。受光部側には、投光レンズ１３と並ぶようにして受光レンズ１４が設けられその後方位置に位置検出用の固体撮像装置である受光素子１５が配設されている。
【００１９】
ここで、測定対象である被写体Ｐまでの距離をＡとし、投光レンズ１３と受光レンズ１４との距離（レンズの中心間の距離）を基線長Ｂとし、受光レンズ１４と受光素子１５との間隔をＣ（受光レンズ１４の焦点距離）としたときに、受光素子１５により受光位置Ｄを検出することで、被写体Ｐまでの距離Ａを次式（１）により求めることができる。すなわち、投受光レンズの各中心と被写体Ｐとの間を結んで得られる直角三角形は、受光素子１５の基準位置と受光位置Ｄと受光レンズ１４の中心点とを結んで得られる直角三角形と相似形になる。基線長Ｂおよび間隔Ｃの値は既知の値であり、受光位置Ｄは測定により得ることができるから、次式（１）から被写体Ｐの距離Ａを求めることができる。
Ａ＝Ｂ×Ｃ／Ｄ …（１）
【００２０】
固体撮像装置としての受光素子１５は、受光位置Ｄを検出するためのもので、次のように構成される。すなわち、図１は、受光素子１５のブロック構成を示すもので、光電変換手段としてのフォトダイオード１６は、ｎ個の有効画素Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｎ−１，Ｓｎを直線上に並べた構成のもので、受光レンズ１４を介して入射する光は、被写体Ｐまでの距離Ａに対応した受光位置Ｄに入射するようになり、有効画素Ｓ１〜Ｓｎのうちの受光位置Ｄに対応しているものに入射するようになる。光が入射した有効画素は、その入射光強度に応じた電荷を発生するようになる。
【００２１】
電荷移動手段としての転送ゲート部１７は、ＳＴＧ（蓄積ゲート）１７ａ，ＩＣＧ（電子シャッター）１７ｂ，ＳＴ０ゲート１７ｃ，ＳＴ１ゲート１７ｄ，ＳＴ２ゲート１７ｅ，ＳＨゲート１７ｆを備え、各ゲートを通過した電荷は次のゲートが開かれるまでその領域に蓄積されるようになっている。図３（ａ）は転送ゲート部１７を中心とした断面構造を模式的に示すものである。
【００２２】
ＳＴＧ１７ａは、フォトダイオード１６の各有効画素Ｓ１〜Ｓｎで発生した信号電荷を積分部に取り込むためのもので、ＩＣＧ１７ｂは、いわゆる電子シャッタであり、ＩＣＧ信号により積分部から一定量の電荷を抜き取って積分部でオーバフローするのを防止すると共に、積分部から電荷を全て抜き取って初期化する機能を備えたものである。
【００２３】
ＳＴ０ゲート１７ｃ，ＳＴ１ゲート１７ｄ，ＳＴ２ゲート１７ｅは積分部の電荷をＳＴ信号のタイミングで蓄積部に転送して蓄積させるもので、ＬＥＤ１２により投光したタイミングで得られる電荷をＳＴ１ゲート１７ｄを通過させてその蓄積部に蓄積させ、ＬＥＤ１２が非投光のタイミングで得られる電荷をＳＴ２ゲート１７ｅを通過させてその蓄積部に蓄積させる。これにより、各有効画素Ｓ１〜ＳｎにてＬＥＤ１２の投光時および非投光時の各電荷を交互に取得して蓄積させるようになる。
【００２４】
ＳＨゲート１７ｆは、各蓄積部に蓄積された電荷を転送する機能を有するもので、シフト信号のタイミングで第１の直線ＣＣＤ１８の各蓄積領域に転送する。このとき、後述するように、第１の直線ＣＣＤ１８の各蓄積領域に既に電荷が蓄積されている場合には、それらの電荷に加算するように転送ゲート部１７から電荷を転送する。
【００２５】
第１の直線転送手段としての第１の直線ＣＤＤ１８は、上述した各有効画素Ｓ１〜ＳｎでＬＥＤ１２の投光および非投光のそれぞれにおける蓄積電荷を個別に蓄積する領域を備えたもので、各電荷蓄積領域は、２相クロック形の転送用電極１９ａ，１９ｂおよび２０ａ，２０ｂを備えている。図２は転送用電極１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂを中心とした構成を模式図で示すもので、第１層電極としての転送用電極１９ａ，１９ｂは基板の表面に近い側に位置し交互に配置されており、第２層電極としての転送用電極２０ａ，２０ｂは絶縁膜を介した分だけ基板表面から離れた状態に形成され、転送用電極１９ａ，１９ｂの間にそれぞれ交互に配置されている。
【００２６】
第１層電極である転送用電極１９ａ，１９ｂのうち、転送用電極１９ａはクロック信号ＣＫ１が与えられ、転送用電極１９ｂはクロック信号ＣＫ２が与えられるように構成されている。また、第２層電極である転送用電極２０ａ，２０ｂは、それぞれ隣接する転送用電極１９ａ，１９ｂとの間をＭＯＳＦＥＴ２１ａおよびＭＯＳＦＥＴ２１ｂにより接続される構成となっている。そして、各ＭＯＳＦＥＴ２１ａは、ゲート端子に順方向転送信号ＣＣＤＬが与えられるように構成され、各ＭＯＳＦＥＴ２１ｂは、ゲート端子に逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられるように構成されている。
【００２７】
これにより、順方向転送信号ＣＣＤＬが与えられたときには、ＭＯＳＦＥＴ２１ａがオンし、これによって転送用電極２０ａは転送用電極１９ａと同電位となり、クロック信号ＣＫ１が与えられるようになり、転送用電極２０ｂは転送用電極１９ｂと同電位となり、クロック信号ＣＫ２が与えられるようになる。この状態で、クロック信号ＣＫ１，ＣＫ２が交互に与えられると、同図（ｂ）に示すような電位ポテンシャルが交互に上下することで各蓄積領域に蓄積された電荷が順方向に転送されるようになる。また、逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられたときには、同図（ｃ）に示すように、各転送用電極２０ａ，２０ｂはそれぞれ転送用電極１９ｂ，１９ａと同電位になることで、上述とは反対の転送方向に転送されるようになる。
【００２８】
第１の直線ＣＣＤ１８には、その順方向に隣接する位置にスキム手段としてのスキム部２２および出力ゲート２３を介して第２の直線転送手段としての第２の直線ＣＣＤ２４が設けられている。この第２の直線ＣＣＤ２４の順方向に隣接する位置にはクリア部２５が設けられている。スキム部２２，出力ゲート２３および第２の直線ＣＣＤ２４はそれぞれ第１の直線ＣＣＤ１８と同様の転送用電極１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが設けられており、順方向転送信号ＣＣＤＬあるいは逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられると、各蓄積領域の電荷は順方向あるいは逆方向に転送されるようになっている。
【００２９】
スキム部２２は、ここを電荷が転送されるときにスキム処理動作を行なうもので、転送する電荷が飽和してしまうことを防止している。出力ゲート２３は、ここを転送される各蓄積電荷の量に対応して、これに相当する電圧信号を出力信号として外部に取り出すためのものである。また、クリア部２５は、第２の直線ＣＣＤ２４の各蓄積領域の電荷が順方向転送信号ＣＣＤＬにより順次転送されてくるとその電荷を放出してクリアする。
【００３０】
第２の直線ＣＣＤ２４は、第１の直線ＣＣＤ１８とほぼ同じ構成となっており、第１の直線ＣＣＤ１８からスキム部２２を介して順方向転送された電荷を蓄積すると共に、逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられると、再び第１の直線ＣＣＤ１８側に蓄積しているスキム処理を施した電荷を転送するようになる。第１の直線ＣＣＤ１８においては、転送ゲート部１７から新たに有効画素Ｓ１〜Ｓｎで発生した電荷が転送されると、第２の直線ＣＣＤ２４から転送された電荷に加算した電荷を蓄積することになる。
【００３１】
次に、本実施形態の作用について図５も参照して説明する。投光手段としてのＬＥＤ１２は、投光パルスに基づいて点灯動作を行なう。これにより、投光レンズ１３を介して前方に位置する測定対象である被写体Ｐに対してパルス光が照射されるようになる。被写体Ｐからの反射光は受光レンズ１４を介して受光素子１５に入射するようになるが、その受光位置Ｄは、被写体Ｐまでの距離Ａによって異なる。この受光位置Ｄを求めるために、受光素子１５は、次のようにして検出動作を行なう。
【００３２】
受光素子１５に入射する光は、フォトダイオード１６を構成する有効画素Ｓ１〜Ｓｎのうちの受光位置Ｄに対応したものに強い入射光として入光する。これにより、受光量に応じた電荷を発生して蓄積するようになる。転送ゲート部１７は、各有効画素Ｓ１〜Ｓｎのぞれぞれに蓄積した電荷を投光時および非投光時のそれぞれの電荷に分けて第１の直線ＣＣＤ１８に転送する（第５図（ｅ）参照）。図示しない制御部から順方向転送信号ＣＣＤＬが与えられ（同図（ａ）参照）、この状態でクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２が交互に与えられると（同図（ｃ），（ｄ）参照）、第１の直線ＣＣＤ１８においては、取り込んだ電荷を順次第２の直線ＣＣＤ２４側に転送するようになる。このとき、転送される電荷は、スキム部２２を通過する際にオーバフローすることのないように過剰な電荷成分が排出されるようになる。
【００３３】
このようにして各有効画素Ｓ１〜Ｓｎに対応した電荷が第２の直線ＣＣＤ２４に転送されると、続いて、制御部から逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられるようになる（同図（ｂ）参照）。これにより、第２の直線ＣＣＤ２４の各蓄積領域に蓄積されている電荷が順次第１の直線ＣＣＤ１８側に転送されるようになる。この後、第１の直線ＣＣＤ１８に電荷が転送されると、この状態で、次のサイクルで投光されたＬＥＤ１２の光により発生した電荷がフォトダイオード１６から転送ゲート部１７により転送される。第１の直線ＣＣＤ１８においては、前回のサイクルで転送された電荷に加えて今回のサイクルで発生した電荷が加算されることになる（同図（ｆ）参照）。
【００３４】
以下、同様にして、再び、第１の直線ＣＣＤ１８の各電荷が第２の直線ＣＣＤ２４に転送され、その過程でスキム部２２を通過するときにスキム処理が行なわれ、再び第１の直線ＣＣＤ１８側に戻るという転送サイクルを繰り返すことになり、これにより、有効画素Ｓ１〜Ｓｎのうちの反射光を受光しているものとそうでないものとの格差を大きくして正確な検出動作を行なうようにしている。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態においては、第１および第２の直線ＣＣＤ１８，２４を用いる構成として、電荷転送方向を正方向転送信号ＣＣＤＬおよび逆方向転送信号ＣＣＤＲを交互に与えて直線的に電荷を往復転送させる構成としているので、従来構成の循環ＣＣＤのような転送方向を曲げる部分が存在しないため、電荷転送の効率を高めることができると共に、チップ内に占める面積に無駄な領域がなくなり全体を小形化することができ、カメラ内にコンパクトに収容することができるようになる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置および距離測定装置によれば、次のような効果を得ることができる。
請求項１の固体撮像装置によれば、第１および第２の直線転送手段を設け、これらの間を転送制御手段により順方向および逆方向に交互に転送しながら、光電変換手段において発生した電荷を加算していく構成としたので、電荷を曲げて転送する構成を不要とし、これによって転送効率を向上させることができると共に、占有面積も小形化を図ることができるようになる。
【００３７】
請求項２の固体撮像装置によれば、スキム手段を設けているので、電荷がオーバフローするのを防止して常に適性な電荷量を保持した状態とすることができるようになる。
【００３８】
請求項３の固体撮像装置によれば、第１および第２の直線転送手段を２相クロック形の直線ＣＣＤで構成し、順方向用スイッチング手段および逆方向用スイッチング手段を制御することにより順方向転送および逆方向転送を切り換え制御して電荷の転送制御を行なうことができ、簡単な構成でチップ面積を大きく占有させることなく順方向および逆方向への電荷転送制御を行なう構成を得ることができるようになる。
【００３９】
請求項４の距離測定装置によれば、上記構成の固体撮像装置を用いて距離測定装置を構成しているので、コンパクトな構成としながら精度良く測定対象までの距離測定を行なうことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す固体撮像装置のブロック構成図
【図２】直線ＣＣＤの転送電極の模式的断面と電位ポテンシャルの説明図
【図３】転送ゲート部の模式的断面と電位ポテンシャルの説明図
【図４】距離測定装置の原理説明図
【図５】各部の信号の状態を示すタイムチャート
【図６】従来例を示す図１相当図
【図７】図２相当図
【符号の説明】
１１は自動焦点装置（距離測定装置）、１２はＬＥＤ（発光素子）、１３は投光レンズ、１４は受光レンズ、１５は受光素子（固体撮像装置）、１６はフォトダイオード、Ｓ１〜Ｓｎは有効画素、１７は転送ゲート部、１８は第１の直線ＣＣＤ（第１の直線転送手段）、２２はスキム部（スキム手段）、２３は出力部、２４は第２の直線ＣＣＤ（第２の直線転送手段）である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＦカメラなどのオートフォーカス装置に好適な固体撮像装置および距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アクティブタイプのオートフォーカス装置においては、例えば、赤外線の光をＬＥＤなどにより投光し、測定対象物からの反射光を受光してその測定対象物までの距離を検出する距離測定装置を備えた構成のものがある。これによって検出した距離に対応してレンズ等の光学系の焦点位置を自動的に調整することができる。
【０００３】
このような距離測定装置では、単純な三角法の原理を用いて距離を測定するものが一般的であり、測定対象物までの距離に応じて受光レンズを介して入射する光の角度が異なることを利用し、その受光位置を検出する受光素子を用いる。受光位置を検出する受光素子として、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ；Charge Coupled Devices) を用いたものがある。
【０００４】
この場合、一般に、受光素子まで到達する反射光は、測定対象までの距離が長くなったりあるいは周囲の光の影響などを受けることでその光量は非常に小さくなる。そこで、比較判断を可能とする程度の電気信号を得るために、上述の動作を複数回繰り返すことにより検出位置における受光量を増大させる方式が採用されている。
【０００５】
このような方式に用いられる構成として、図６および図７に示すものがある。図６はいわゆるリングＣＣＤと呼ばれるＣＣＤで、反射光を複数回に渡って加算して信号レベルを高めるようにした構成となっている。受光部１は、ＬＥＤから出射した光に対する反射光を受光すると共にＬＥＤの非点灯時の周囲の光をそれぞれのタイミングで受光して光電変換を行ない、受光量に応じた電荷を発生させる。
【０００６】
電荷転送部２は、受光部１で発生された点灯時および非点灯時の各電荷を内部に取り込んで電荷蓄積部に蓄積する。そして、電荷転送部２では、受光部１におけるＬＥＤの点灯時および非点灯時における各電荷を蓄積して所定のタイミングで直線ＣＣＤ３に転送する。直線ＣＣＤ３に転送された電荷は、順次循環ＣＣＤ４に転送される。このとき、循環ＣＣＤ４では、転送された電荷が循環してスキム部５を通過するときに一定電荷量をドレインに排出し、一巡した後に次のサイクルで直線ＣＣＤ３から転送された各電荷同士が加算される。このようにして繰り返し循環ＣＣＤ４を循環するうちに受光部１の受光位置に対応した部分の電荷量が他の部分の電荷量に対して大きく差が得られるようになると、出力部６で出力される。出力後に蓄積されている電荷はクリア部７でクリアされる。
【０００７】
直線ＣＣＤ３および循環ＣＣＤ４においては、図７（ａ）に示すように、２相クロック形の転送電極８ａ，８ｂが形成されており、隣接する転送電極８ａ，８ｂが交互に異なるクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２が与えられると、同図（ｂ）に示す電位ポテンシャルの移動により電荷転送方向に順次電荷を転送する構成となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来構成のものにおいては、次のような不具合がある。すなわち、電荷を加算増幅するための構成として循環ＣＣＤ４を設けているので、この部分がチップ全体の中で占める面積が大きくなると共に、電荷の転送を環状に形成した部分で行なうことから電荷の物理的な転送方向を曲げることになり、構造的な特性上で電荷の転送効率が低下する不具合がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、循環ＣＣＤを用いない構成としてチップ面積の省スペース化を図ると共に、電荷転送効率の低下も防止することができるようにした固体撮像装置および自動焦点測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置および距離測定装置は上記目的を達成するために、次のように構成したところに特徴を有する。
すなわち、請求項１に記載の固体撮像装置は、
複数個の光電変換素子が直線上に配列され測定対象からの受光位置に応じた入射光を対応する光電変換素子により受光しその入射光強度に対応した電荷を発生させる光電変換手段と、
この光電変換手段の各光電変換素子に発生した電荷を蓄積しこれを指定された方向に順次転送可能な第１の直線転送手段と、
この第１の直線転送手段に蓄積されている電荷に前記光電変換手段の電荷を加算するように移動させる電荷移動手段と、
前記第１の直線転送手段の電荷転送方向に配置され前記転送される電荷を順次指定された方向に転送可能な第２の直線転送手段と、
前記第１の直線転送手段の蓄積電荷を前記第２の直線転送手段に直線的に転送する順方向転送制御および第２の直線転送手段に転送された電荷を再び前記第１の直線転送手段に直線的に転送する逆方向転送制御を交互に実行する転送制御手段とを設けて構成したところに特徴を有する。
【００１１】
上記構成とすることにより、光電変換手段により測定対象からの光が光電変換素子に入射され、その入射強度に対応した電荷を発生させると、電荷移動手段は、第１の直線転送手段に対して光電変換手段の電荷を加算するように移動させるようになり、転送制御手段は、第１の直線転送手段に蓄積されている電荷を第２の直線転送手段に向けて転送させ、再び第１の直線転送手段に向けて順次転送するように制御する。このとき、第１の直線転送手段に電荷が転送されると、再び、電荷移動手段により光電変換手段からの電荷を第１の直線転送手段に転送するが、先に蓄積されている電荷に加算するように転送する。以下、上記の転送の動作を繰り返し行なうことにより、複数回に渡り光電変換手段に蓄積された電荷を第１の直線転送手段に加算させることができ、大きな出力信号として取り出すことができるようになる。
【００１２】
そして、第１および第２の直線転送手段を設ける構成を採用しているから、従来構成のように環状の転送手段を設ける場合に比べて、電荷転送部を曲げる構成とする必要がなくなり、省スペース化を図ることができると共に、電荷転送時に物理的に移動方向が曲げられることがなくなるため転送効率を向上させることができるようになる。
【００１３】
また、請求項２に記載の固体撮像装置は、上記構成において、第１および第２の直線転送手段の間に、転送制御手段により順方向あるいは逆方向に電荷を転送するときに転送する電荷をスキム動作処理するスキム手段を設けたところに特徴を有する。この構成とすることにより、第１の直線転送手段から第２の直線転送手段への電荷転送を繰り返すうちに、電荷がオーバフローする場合には、スキム動作処理をすることによりそのオーバフローした電荷を除去して常に適性な電荷量を保持した状態とすることができるようになる。
【００１４】
そして、請求項３に記載の固体撮像装置は、上記各構成において、前記第１および第２の直線転送手段は、２相クロック型の直線ＣＣＤで構成され、それぞれに形成された２種類の電極に対して、隣接する電極間でそれぞれ順方向用スイッチング手段および逆方向用スイッチング手段で接続した状態に構成され、
前記転送制御手段は、前記順方向用スイッチング手段を導通状態として順方向への電荷転送を制御し、前記逆方向用スイッチング手段を導通状態として逆方向への電荷転送を制御するように構成したところに特徴を有する。
【００１５】
この構成によれば、第１および第２の直線転送手段の電荷を順方向あるいは逆方向に転送する場合に、転送制御手段は、転送方向をスイッチング手段の切り替え制御を行なうことにより順方向あるいは逆方向のいずれかに設定することができ、簡単な構成でチップ面積を大きく占有させることなく順方向および逆方向への電荷転送制御を行なう構成を得ることができるようになる。
【００１６】
また、請求項４に記載の距離測定装置は、
繰り返しパルス点灯される発光素子と、
この発光素子の光を測定対象が存在する前方に向けて導く投光レンズと、
この投光レンズと所定間隔だけ存した位置に前記測定対象からの反射光を受光するように設けられる受光レンズと、
この受光レンズを介して入射される光の受光位置を検出するように設けられた請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像装置とを備え、
前記発光素子から投光レンズを介して投光された光が前記測定対象で反射して固体撮像装置にて受光したときに発生する電荷を繰り返し蓄積し、その受光位置を検出することにより前記測定対象までの距離を検出するように構成したところに特徴を有する。
【００１７】
上記構成によれば、発光素子がパルス点灯されたときに測定対象で反射される光を受光し、固体撮像装置において繰り返し受光した反射光による電荷を蓄積してその出力に基づいて測定対象までの距離を求めるので、コンパクトな構成としながら、測定対象までの距離を精度良く検出することができるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＡＦカメラの自動焦点装置のＣＣＤに適用した場合の一実施形態について、図１ないし図５を参照しながら説明する。
図４は距離測定装置としての自動焦点装置１１の全体構成を原理的に示すもので、カメラ本体側には、投光用の発光素子であるＬＥＤ１２および投光レンズ１３が設けられており、ＬＥＤ１２の発光出力は投光レンズ１３を介して絞られた状態で前方に向けて投光される。受光部側には、投光レンズ１３と並ぶようにして受光レンズ１４が設けられその後方位置に位置検出用の固体撮像装置である受光素子１５が配設されている。
【００１９】
ここで、測定対象である被写体Ｐまでの距離をＡとし、投光レンズ１３と受光レンズ１４との距離（レンズの中心間の距離）を基線長Ｂとし、受光レンズ１４と受光素子１５との間隔をＣ（受光レンズ１４の焦点距離）としたときに、受光素子１５により受光位置Ｄを検出することで、被写体Ｐまでの距離Ａを次式（１）により求めることができる。すなわち、投受光レンズの各中心と被写体Ｐとの間を結んで得られる直角三角形は、受光素子１５の基準位置と受光位置Ｄと受光レンズ１４の中心点とを結んで得られる直角三角形と相似形になる。基線長Ｂおよび間隔Ｃの値は既知の値であり、受光位置Ｄは測定により得ることができるから、次式（１）から被写体Ｐの距離Ａを求めることができる。
Ａ＝Ｂ×Ｃ／Ｄ …（１）
【００２０】
固体撮像装置としての受光素子１５は、受光位置Ｄを検出するためのもので、次のように構成される。すなわち、図１は、受光素子１５のブロック構成を示すもので、光電変換手段としてのフォトダイオード１６は、ｎ個の有効画素Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｎ−１，Ｓｎを直線上に並べた構成のもので、受光レンズ１４を介して入射する光は、被写体Ｐまでの距離Ａに対応した受光位置Ｄに入射するようになり、有効画素Ｓ１〜Ｓｎのうちの受光位置Ｄに対応しているものに入射するようになる。光が入射した有効画素は、その入射光強度に応じた電荷を発生するようになる。
【００２１】
電荷移動手段としての転送ゲート部１７は、ＳＴＧ（蓄積ゲート）１７ａ，ＩＣＧ（電子シャッター）１７ｂ，ＳＴ０ゲート１７ｃ，ＳＴ１ゲート１７ｄ，ＳＴ２ゲート１７ｅ，ＳＨゲート１７ｆを備え、各ゲートを通過した電荷は次のゲートが開かれるまでその領域に蓄積されるようになっている。図３（ａ）は転送ゲート部１７を中心とした断面構造を模式的に示すものである。
【００２２】
ＳＴＧ１７ａは、フォトダイオード１６の各有効画素Ｓ１〜Ｓｎで発生した信号電荷を積分部に取り込むためのもので、ＩＣＧ１７ｂは、いわゆる電子シャッタであり、ＩＣＧ信号により積分部から一定量の電荷を抜き取って積分部でオーバフローするのを防止すると共に、積分部から電荷を全て抜き取って初期化する機能を備えたものである。
【００２３】
ＳＴ０ゲート１７ｃ，ＳＴ１ゲート１７ｄ，ＳＴ２ゲート１７ｅは積分部の電荷をＳＴ信号のタイミングで蓄積部に転送して蓄積させるもので、ＬＥＤ１２により投光したタイミングで得られる電荷をＳＴ１ゲート１７ｄを通過させてその蓄積部に蓄積させ、ＬＥＤ１２が非投光のタイミングで得られる電荷をＳＴ２ゲート１７ｅを通過させてその蓄積部に蓄積させる。これにより、各有効画素Ｓ１〜ＳｎにてＬＥＤ１２の投光時および非投光時の各電荷を交互に取得して蓄積させるようになる。
【００２４】
ＳＨゲート１７ｆは、各蓄積部に蓄積された電荷を転送する機能を有するもので、シフト信号のタイミングで第１の直線ＣＣＤ１８の各蓄積領域に転送する。このとき、後述するように、第１の直線ＣＣＤ１８の各蓄積領域に既に電荷が蓄積されている場合には、それらの電荷に加算するように転送ゲート部１７から電荷を転送する。
【００２５】
第１の直線転送手段としての第１の直線ＣＤＤ１８は、上述した各有効画素Ｓ１〜ＳｎでＬＥＤ１２の投光および非投光のそれぞれにおける蓄積電荷を個別に蓄積する領域を備えたもので、各電荷蓄積領域は、２相クロック形の転送用電極１９ａ，１９ｂおよび２０ａ，２０ｂを備えている。図２は転送用電極１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂを中心とした構成を模式図で示すもので、第１層電極としての転送用電極１９ａ，１９ｂは基板の表面に近い側に位置し交互に配置されており、第２層電極としての転送用電極２０ａ，２０ｂは絶縁膜を介した分だけ基板表面から離れた状態に形成され、転送用電極１９ａ，１９ｂの間にそれぞれ交互に配置されている。
【００２６】
第１層電極である転送用電極１９ａ，１９ｂのうち、転送用電極１９ａはクロック信号ＣＫ１が与えられ、転送用電極１９ｂはクロック信号ＣＫ２が与えられるように構成されている。また、第２層電極である転送用電極２０ａ，２０ｂは、それぞれ隣接する転送用電極１９ａ，１９ｂとの間をＭＯＳＦＥＴ２１ａおよびＭＯＳＦＥＴ２１ｂにより接続される構成となっている。そして、各ＭＯＳＦＥＴ２１ａは、ゲート端子に順方向転送信号ＣＣＤＬが与えられるように構成され、各ＭＯＳＦＥＴ２１ｂは、ゲート端子に逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられるように構成されている。
【００２７】
これにより、順方向転送信号ＣＣＤＬが与えられたときには、ＭＯＳＦＥＴ２１ａがオンし、これによって転送用電極２０ａは転送用電極１９ａと同電位となり、クロック信号ＣＫ１が与えられるようになり、転送用電極２０ｂは転送用電極１９ｂと同電位となり、クロック信号ＣＫ２が与えられるようになる。この状態で、クロック信号ＣＫ１，ＣＫ２が交互に与えられると、同図（ｂ）に示すような電位ポテンシャルが交互に上下することで各蓄積領域に蓄積された電荷が順方向に転送されるようになる。また、逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられたときには、同図（ｃ）に示すように、各転送用電極２０ａ，２０ｂはそれぞれ転送用電極１９ｂ，１９ａと同電位になることで、上述とは反対の転送方向に転送されるようになる。
【００２８】
第１の直線ＣＣＤ１８には、その順方向に隣接する位置にスキム手段としてのスキム部２２および出力ゲート２３を介して第２の直線転送手段としての第２の直線ＣＣＤ２４が設けられている。この第２の直線ＣＣＤ２４の順方向に隣接する位置にはクリア部２５が設けられている。スキム部２２，出力ゲート２３および第２の直線ＣＣＤ２４はそれぞれ第１の直線ＣＣＤ１８と同様の転送用電極１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが設けられており、順方向転送信号ＣＣＤＬあるいは逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられると、各蓄積領域の電荷は順方向あるいは逆方向に転送されるようになっている。
【００２９】
スキム部２２は、ここを電荷が転送されるときにスキム処理動作を行なうもので、転送する電荷が飽和してしまうことを防止している。出力ゲート２３は、ここを転送される各蓄積電荷の量に対応して、これに相当する電圧信号を出力信号として外部に取り出すためのものである。また、クリア部２５は、第２の直線ＣＣＤ２４の各蓄積領域の電荷が順方向転送信号ＣＣＤＬにより順次転送されてくるとその電荷を放出してクリアする。
【００３０】
第２の直線ＣＣＤ２４は、第１の直線ＣＣＤ１８とほぼ同じ構成となっており、第１の直線ＣＣＤ１８からスキム部２２を介して順方向転送された電荷を蓄積すると共に、逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられると、再び第１の直線ＣＣＤ１８側に蓄積しているスキム処理を施した電荷を転送するようになる。第１の直線ＣＣＤ１８においては、転送ゲート部１７から新たに有効画素Ｓ１〜Ｓｎで発生した電荷が転送されると、第２の直線ＣＣＤ２４から転送された電荷に加算した電荷を蓄積することになる。
【００３１】
次に、本実施形態の作用について図５も参照して説明する。投光手段としてのＬＥＤ１２は、投光パルスに基づいて点灯動作を行なう。これにより、投光レンズ１３を介して前方に位置する測定対象である被写体Ｐに対してパルス光が照射されるようになる。被写体Ｐからの反射光は受光レンズ１４を介して受光素子１５に入射するようになるが、その受光位置Ｄは、被写体Ｐまでの距離Ａによって異なる。この受光位置Ｄを求めるために、受光素子１５は、次のようにして検出動作を行なう。
【００３２】
受光素子１５に入射する光は、フォトダイオード１６を構成する有効画素Ｓ１〜Ｓｎのうちの受光位置Ｄに対応したものに強い入射光として入光する。これにより、受光量に応じた電荷を発生して蓄積するようになる。転送ゲート部１７は、各有効画素Ｓ１〜Ｓｎのぞれぞれに蓄積した電荷を投光時および非投光時のそれぞれの電荷に分けて第１の直線ＣＣＤ１８に転送する（第５図（ｅ）参照）。図示しない制御部から順方向転送信号ＣＣＤＬが与えられ（同図（ａ）参照）、この状態でクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２が交互に与えられると（同図（ｃ），（ｄ）参照）、第１の直線ＣＣＤ１８においては、取り込んだ電荷を順次第２の直線ＣＣＤ２４側に転送するようになる。このとき、転送される電荷は、スキム部２２を通過する際にオーバフローすることのないように過剰な電荷成分が排出されるようになる。
【００３３】
このようにして各有効画素Ｓ１〜Ｓｎに対応した電荷が第２の直線ＣＣＤ２４に転送されると、続いて、制御部から逆方向転送信号ＣＣＤＲが与えられるようになる（同図（ｂ）参照）。これにより、第２の直線ＣＣＤ２４の各蓄積領域に蓄積されている電荷が順次第１の直線ＣＣＤ１８側に転送されるようになる。この後、第１の直線ＣＣＤ１８に電荷が転送されると、この状態で、次のサイクルで投光されたＬＥＤ１２の光により発生した電荷がフォトダイオード１６から転送ゲート部１７により転送される。第１の直線ＣＣＤ１８においては、前回のサイクルで転送された電荷に加えて今回のサイクルで発生した電荷が加算されることになる（同図（ｆ）参照）。
【００３４】
以下、同様にして、再び、第１の直線ＣＣＤ１８の各電荷が第２の直線ＣＣＤ２４に転送され、その過程でスキム部２２を通過するときにスキム処理が行なわれ、再び第１の直線ＣＣＤ１８側に戻るという転送サイクルを繰り返すことになり、これにより、有効画素Ｓ１〜Ｓｎのうちの反射光を受光しているものとそうでないものとの格差を大きくして正確な検出動作を行なうようにしている。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態においては、第１および第２の直線ＣＣＤ１８，２４を用いる構成として、電荷転送方向を正方向転送信号ＣＣＤＬおよび逆方向転送信号ＣＣＤＲを交互に与えて直線的に電荷を往復転送させる構成としているので、従来構成の循環ＣＣＤのような転送方向を曲げる部分が存在しないため、電荷転送の効率を高めることができると共に、チップ内に占める面積に無駄な領域がなくなり全体を小形化することができ、カメラ内にコンパクトに収容することができるようになる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置および距離測定装置によれば、次のような効果を得ることができる。
請求項１の固体撮像装置によれば、第１および第２の直線転送手段を設け、これらの間を転送制御手段により順方向および逆方向に交互に転送しながら、光電変換手段において発生した電荷を加算していく構成としたので、電荷を曲げて転送する構成を不要とし、これによって転送効率を向上させることができると共に、占有面積も小形化を図ることができるようになる。
【００３７】
請求項２の固体撮像装置によれば、スキム手段を設けているので、電荷がオーバフローするのを防止して常に適性な電荷量を保持した状態とすることができるようになる。
【００３８】
請求項３の固体撮像装置によれば、第１および第２の直線転送手段を２相クロック形の直線ＣＣＤで構成し、順方向用スイッチング手段および逆方向用スイッチング手段を制御することにより順方向転送および逆方向転送を切り換え制御して電荷の転送制御を行なうことができ、簡単な構成でチップ面積を大きく占有させることなく順方向および逆方向への電荷転送制御を行なう構成を得ることができるようになる。
【００３９】
請求項４の距離測定装置によれば、上記構成の固体撮像装置を用いて距離測定装置を構成しているので、コンパクトな構成としながら精度良く測定対象までの距離測定を行なうことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す固体撮像装置のブロック構成図
【図２】直線ＣＣＤの転送電極の模式的断面と電位ポテンシャルの説明図
【図３】転送ゲート部の模式的断面と電位ポテンシャルの説明図
【図４】距離測定装置の原理説明図
【図５】各部の信号の状態を示すタイムチャート
【図６】従来例を示す図１相当図
【図７】図２相当図
【符号の説明】
１１は自動焦点装置（距離測定装置）、１２はＬＥＤ（発光素子）、１３は投光レンズ、１４は受光レンズ、１５は受光素子（固体撮像装置）、１６はフォトダイオード、Ｓ１〜Ｓｎは有効画素、１７は転送ゲート部、１８は第１の直線ＣＣＤ（第１の直線転送手段）、２２はスキム部（スキム手段）、２３は出力部、２４は第２の直線ＣＣＤ（第２の直線転送手段）である。
Claims (4)
- 複数個の光電変換素子が直線上に配列され測定対象からの受光位置に応じた入射光を対応する光電変換素子により受光しその入射光強度に対応した電荷を発生させる光電変換手段と、
この光電変換手段部の各光電変換素子に発生した電荷を蓄積しこれを指定された方向に順次転送可能な第１の直線転送手段と、
この第１の直線転送手段に蓄積されている電荷に前記光電変換手段の電荷を加算するように移動させる電荷移動手段と、
前記第１の直線転送手段の電荷転送方向に配置され前記転送される電荷を順次指定された方向に転送可能な第２の直線転送手段と、
前記第１の直線転送手段の蓄積電荷を前記第２の直線転送手段に直線的に転送する順方向転送制御および第２の直線転送手段に転送された電荷を再び前記第１の直線転送手段に直線的に転送する逆方向転送制御を交互に実行する転送制御手段とを有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第１および第２の直線転送手段の間に設けられ、前記転送制御手段により順方向あるいは逆方向に電荷を転送するときに転送する電荷をスキム動作処理するスキム手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記第１および第２の直線転送手段は、２相クロック型の直線ＣＣＤで構成され、それぞれに形成された２種類の電極に対して、隣接する電極間でそれぞれ順方向用スイッチング手段および逆方向用スイッチング手段で接続した状態に構成され、
前記転送制御手段は、前記順方向用スイッチング手段を導通状態として順方向への電荷転送を制御し、前記逆方向用スイッチング手段を導通状態として逆方向への電荷転送を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。 - 繰り返しパルス点灯される発光素子と、
この発光素子の光を測定対象が存在する前方に向けて導く投光レンズと、
この投光レンズと所定間隔だけ存した位置に前記測定対象からの反射光を受光するように設けられる受光レンズと、
この受光レンズを介して入射される光の受光位置を検出するように設けられた請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像装置とを備え、
前記発光素子から投光レンズを介して投光された光が前記測定対象で反射して固体撮像装置にて受光したときに発生する電荷を繰り返し蓄積し、その受光位置を検出することにより前記測定対象までの距離を検出することを特徴とする距離測定装置。
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