JP5122728B2 - 光検出素子、光検出素子の制御方法、空間情報検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光検出素子および光検出素子の制御方法、空間情報検出装置に関するものである。

従来から、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤイメージセンサなど各種の光検出素子が知られており、これらの光検出素子は、対象物の有無を受光光量の変化で検出する光電センサ、光を伝送媒体とする光通信、投受光の時間差または位相差を用いたり三角測量法の原理を用いて光学的に測距する距離センサ、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像素子など各種用途に広く利用されている。

ところで、これらの用途のうち発光源とともに光検出素子を使用する用途であって、自然光のような環境光が入射する環境で用いる場合には（侵入者を監視する光電センサ、光リモコン装置のような光通信、自動焦点カメラやロボットアイに用いる距離センサ、距離画像を得るために発光源とともに用いる撮像素子など）、光検出素子に対して発光源から放射された光のほかに環境光も併せて入射するから、発光源から放射された光のみを受光する場合に比較すると受光光量が増加する。一方、この種の光検出素子では、受光光量に応じた量のキャリア（電子あるいはホール）が素子の内部で生成されるものの、受光光量量に対するキャリアの生成数には限界があり、受光光量が増加すればキャリアの生成数は次第に飽和する。したがって、上述のような用途において目的とする情報を含んだ信号光を環境光とともに光検出素子で受光すると、環境光の光量分だけ光検出素子のダイナミックレンジが低減し、信号光に対して大きな受光出力を得ることができないという問題が生じる。

また、信号光と環境光とが混在していると、環境光に変動がある場合に環境光と信号光とを区別することができない可能性もある。環境光と信号光とを区別する技術としては信号光に用いる特定波長のみを通過させる光学フィルタを用いることが考えられているが、太陽光のように広範囲に亘るスペクトル成分を有した環境光では、光学フィルタを通しても環境光の影響を十分に除去することはできない。

信号光と環境光とを分離する技術としては、光検出素子の受光出力から環境光に対応する成分と信号光に対応する成分とを分離することが考えられている。すなわち、信号光が得られない期間であって発光源から光が放射されていない消灯期間における光検出素子の受光出力を環境光のみに対応する成分とし、信号光が得られる期間であって発光源から光が放射される点灯期間における光検出素子の受光出力を環境光と信号光とを重ね合わせた成分として、点灯期間における光検出素子の受光出力から消灯期間における光検出素子の受光出力を減算することにより、信号光のみに対応した成分を抽出する構成が考えられている（たとえば、特許文献１参照）。

上述した構成によれば、光検出素子の受光出力のうち、信号光に対応する成分と環境光に対応する成分とを含む点灯期間の受光出力から、環境光に対応する成分のみを含む消灯期間の受光出力を減算するので、環境光に対応する成分を抑圧して信号光に対応する成分の割合を大幅に増加させることが可能になる。

特許文献１に記載のものは、信号光の強度を変調信号により変調するとともに、光検出素子の受光出力を異なる変調信号の１８０度ごとの位相でサンプリングし、サンプリングによって得られる２個のサンプリング値の差分を求める動作であると言える。これは、変調信号の波形を矩形波としたことに相当するが、変調信号の波形が矩形波ではない場合でも、同様にして得た２個のサンプリング値の差分を求めれば、環境光に対応する成分が除去される。
特開２００１−３３７１６６号公報（第００２９−００３５段落）

ところで、上述した特許文献１に記載の技術は、光検出素子の受光出力について信号光に対応する成分と環境光に対応する成分とを分離するものであるから、光検出素子が飽和したときには、信号光に対応する成分を抽出することができなくなるという問題がある。すなわち、環境光の存在下では信号光に対する光検出素子のダイナミックレンジが小さくなり、信号光に対して大きな受光出力を得ることができないという問題は特許文献１に記載された技術を用いても依然として解決されない。

さらに詳しく説明する。一般に、光検出素子の検出精度の限界は光電変換に伴うショットノイズで決定されるから、ショットノイズの影響を低減するために、光により生成されるキャリアの個数を増やす必要がある。光検出素子で生成されるキャリアの個数は、光検出素子が飽和しない範囲では、受光する光の強度が大きく受光時間が長いほど多くなるから、発光源からの放射光量を増加させるか、光検出素子の受光時間を長くすることによって、ショットノイズの影響を低減することができる。しかしながら、上述のように環境光の存在下では、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジが低下するから、発光源の放射光量を増加させたり光検出素子の受光時間を長くしても、ＳＮ比を十分に大きくとることはできない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、別途に回路を設けることなく環境光による飽和を生じにくくし、信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制できる光検出素子を提供することにあり、さらにその光検出素子の制御方法と、その光検出素子を用いた空間情報検出装置とを提供することを目的にしている。

請求項１の発明は、光の照射により電子およびホールを生成する固体からなる光電変換部を有し、前記固体の一表面に絶縁層を介して配置され集積電圧が印加されると前記固体にポテンシャル井戸からなる集積領域を形成する集積電極を有し、集積電極に隣接する部位において前記固体の一表面に絶縁層を介して配置され保持電圧が印加されると前記固体にポテンシャル井戸からなる保持領域を形成する保持電極を有し、集積電極と保持電極とに異極性の電圧が印加されて集積領域に電子とホールとの一方が集積される状態と、集積電極と保持電極とに印加する電圧の極性が入れ換えられて集積領域に電子とホールとの他方が集積される状態と、電子とホールとの前記他方が集積領域に集積されている間に前記一方が保持領域に保持される状態とが設けられることにより、光電変換部で異なる時刻に生成された電子とホールとが集積領域と保持領域とに振り分けられ、かつ集積電極と保持電極とに印加する電圧の極性が入れ換えられることにより集積領域と保持領域との間で電子とホールとが移送される期間に電子とホールとが再結合され、再結合後に残留した電子とホールとの少なくとも一方が受光出力として取り出されることを特徴とする。

この構成によれば、１つの光電変換部に集積電極と保持電極とを設けて、光電変換部に集積領域と保持領域との２個のポテンシャル井戸を形成することができ、集積電極と保持電極とに異極性の電圧を印加して集積領域に電子とホールとの一方を集積する状態と、集積電極と保持電極とに印加する電圧の極性を入れ換えて集積領域に電子とホールとの他方を集積する状態と、電子とホールとの前記他方が集積領域に集積されている間に前記一方が保持領域に保持される状態とを設けることにより、光電変換部で異なる時刻に生成された電子とホールとを集積領域と保持領域とに振り分け、かつ集積電極と保持電極とに印加する電圧の極性を入れ換えることにより電子とホールとを再結合させるから、たとえば発光源とともに光検出素子を用いると、信号光と環境光とを受光する期間に集積領域に電子を集積するとともに、環境光のみを受光する期間に集積領域にホールを集積することが可能になり、集積領域に集積した電子とホールとの一方を保持領域に移送して保持し、他方を集積領域に集積した後に、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを再結合させれば、電子とホールとの再結合によって環境光の成分を減殺することが可能になる。このように、光電変換部で生成された電子とホールとを集積してから移送するから、光電変換部により生成された電子とホールとを自然に出会わせて再結合する場合に比較すると、再結合に関与する電子とホールとの密度を高めることができ、再結合確率を高めることが可能となる。また、信号光と環境光とを受光したときの光量に比較すると、受光出力では環境光に対する成分の割合が減少するから、信号光と環境光とを受光したときの受光出力と環境光のみを受光したときの受光出力とをそれぞれ光検出素子から外部に取り出した後に、２つの受光出力の差分を演算する場合に比較すると、光検出素子自体の飽和が生じにくくなり、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制できる。また、信号光の強度を変調している場合に、集積領域に電子とホールとを集積するタイミングを信号光の強度に応じた２期間とすれば、受光出力は２期間に対応する受光光量の差分に相当するから、光検出素子の外部で差分の演算をする必要がなくなり、差分の演算を伴う装置を構成する場合には、外部の処理回路の構成が簡単になる。

ところで、ＣＣＤ撮像素子のような光検出素子では、光の照射により生成される電子とホールとの発生確率（発生数）に起因するショットノイズによって各画素の出力レベルが揺らぐことが知られており、ショットノイズの影響を軽減するためにキャリア（電子またはホール）を積分して受光出力を得ている。しかしながら、積分時間を長くすると、ショットノイズの影響を軽減できるが応答速度が遅くなる。

本発明の光検出素子では、受光出力の大きさが、受光光量（受光した光の強度と受光時間との積）と、単位時間当たりに集積する個数（集積効率）と、電子とホールとの総数うち再結合される割合（再結合確率）とを主なパラメータとして決定される。ここで、再結合確率は、電子とホールとの密度が大きいほど高まるから、光電変換部で生成された電子とホールとを集積した後に再結合させると、受光光量が多いときには再結合確率が高くなり、受光光量が少ないときには再結合確率が小さくなる。つまり、環境光の強度が大きいと再結合確率が高まり受光出力の増加が抑制され、環境光の強度が小さいと再結合確率が低くなり受光出力の減少が抑制される。このように、受光出力では受光光量の変動幅を抑圧ないし圧縮することができ、光検出素子の飽和が生じにくくダイナミックレンジの低下を抑制できる。また、受光光量の変動幅を抑圧するから、積分時間を長くしなくともショットノイズの影響が軽減される。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記光電変換部のうち少なくとも前記保持電極を設けた部位を遮光する遮光膜を備えることを特徴とする。

この構成によれば、保持電極に対応する保持領域が遮光されるから、光電変換部で生成される電子とホールとが保持領域に直接集積されるのを防止することができ、電子とホールとの一方を集積領域に集積した後に保持領域に待避したときに、保持領域に待避しているキャリアに光電変換部からのキャリアが混入して電荷量に誤差が生じるのを防止することができる。すなわち、不要キャリアの混入による受光出力の誤差を抑制することができる。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、前記光電変換部のうち前記集積電極を設けた部位に入射光を収束させるレンズを備えることを特徴とする。

この構成によれば、遮光膜を設けることなく請求項１の発明と同様の効果が期待でき、しかも入射光を収束させるから開口率が大きくなる。すなわち、高感度ながら不要キャリアの混入による受光出力の誤差を抑制できる。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３の発明において、前記光電変換部は、基板にサブストレートを介して主機能層を積層して形成され、基板に印加される基板電圧とサブストレートに印加されるリセット電圧とは基板とサブストレートとが逆バイアスになる関係であって、リセット電圧の極性が制御されることにより光電変換部に残留する電子およびホールがサブストレートと基板との一方を通して廃棄されることを特徴とする。

この構成によれば、光電変換部に残留する電子とホールとの両方を廃棄することができるから、光電変換部に残留する不要キャリアを除去することによって、目的とする期間の受光光量に対して光電変換部から取り出す受光出力の誤差を抑制できる。

請求項５の発明では、請求項１ないし請求項３の発明において、前記光電変換部において前記集積電極と前記保持電極とが並ぶ方向に沿って埋め込まれる廃棄電極を有し、廃棄電極に印加される廃棄電圧が制御されることにより光電変換部に残留する電子およびホールが廃棄電極を通して廃棄されることを特徴とする。

この構成によれば、光電変換部に残留する電子とホールとの両方を廃棄することができるから、光電変換部に残留する不要キャリアを除去することによって、目的とする期間の受光光量に対して光電変換部から取り出す受光出力の誤差を抑制できる。

請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５の発明において、前記集積電極と前記保持電極とが偶数個ずつ設けられ、２個ずつの集積電極および保持電極からなる１グループにおいて２個の保持電極の間に２個の集積電極が配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、集積電極と保持電極とを２個ずつ設けているから、一方の集積領域にホールを集積する間に他方の集積領域に電子を集積することが可能になり、光電変換部で生成される電子とホールとを無駄なく集積することができる。

請求項７の発明では、請求項６の発明において、隣り合う前記集積電極の間の距離は、隣り合う前記集積電極と前記保持電極との距離よりも大きいことを特徴とする。

この構成によれば、集積電極の距離を比較的大きくしているから、光電変換部で生成された電子とホールとを両集積領域に振り分けやすくなる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７記載の発明において、前記集積電極と前記保持電極とを並べた列が前記固体を共用する形で複数列設けられ、固体において各列間の部位には絶縁材料からなり列間を互いに分離する絶縁分離部が埋め込まれていることを特徴とする。

この構成によれば、絶縁分離部が隣接する列間での電子とホールとの混入を抑制するから、列間の分離性が高くなる。

請求項９の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記集積電極と前記保持電極とを並べた列が前記固体を共用する形で複数列設けられ、固体において各列間の部位には導電材料からなり電圧の印加と非印加とにより列間を互いに分離する分離電極が埋め込まれていることを特徴とする。

この構成によれば、分離電極が隣接する列間での電子とホールとの混入を抑制するから、列間の分離性が高くなる。また、分離電極を用いて不要キャリアの廃棄を行うことが可能になる。

請求項１０の発明は、請求項６または請求項７の発明において、前記集積電極と前記保持電極とが前記固体を共用する形で複数グループ設けられ、グループ内で隣り合う集積電極の間と、グループ間で隣り合う保持電極の間とにそれぞれ配置された転送用電極を有し、再結合後に残留した電子とホールとの一方を集積電極と保持電極と転送用電極とを用いて転送することを特徴とする。

この構成によれば、転送用電極を設けていることにより隣接する集積電極の距離を比較的大きくとって光電変換部で生成される電子とホールとの分離性を高めることができる上に、受光出力を取り出すときには転送用電極を用いて光電変換部にポテンシャル井戸を形成することで、受光出力となるキャリア（電子またはホール）の移送が容易になる。

請求項１１の発明は、請求項６または請求項７の発明において、前記集積電極と前記保持電極とが前記固体を共用する形で複数グループ設けられ、グループ内で隣り合う集積電極の間と、グループ間で隣り合う保持電極の間とにそれぞれ配置され電圧が印加されるとポテンシャル井戸からなる待避領域を形成する制御電極を有し、電子とホールとの移送過程において電子とホールとの少なくとも一方を待避領域を介して移送することを特徴とする。

この構成によれば、制御電極により待避領域を形成し、電子とホールとの移送過程において電子とホールとの少なくとも一方を待避領域を介して移送するから、集積領域または保持領域となるポテンシャル井戸に電子またはホールを保持することができない期間が生じても、その期間には電子またはホールを待避領域に待避させておくことによって、電子ないしホールの拡散を防止することができる。

請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光検出素子の制御方法であって、前記集積領域に電子を集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域にホールを保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する第１の状態と、前記集積領域にホールを集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域に電子を保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する第２の状態とを切り換えることにより、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの一方を受光出力として取り出すことを特徴とする。

この方法によれば、たとえば発光源とともに光検出素子を用いることによって、信号光と環境光とを受光する期間に集積領域に電子を集積するとともに、環境光のみを受光する期間に集積領域にホールを集積することができ、集積領域に集積した電子とホールとの一方を保持領域に移送しておき、他方を集積領域に集積した後に、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを互いに他方に移送すれば、電子とホールとの再結合によって環境光の成分を減殺させることが可能になる。つまり、信号光と環境光とを受光したときの光量に比較すると、受光出力では環境光に対する成分の割合が減少するから、信号光と環境光とを受光したときの受光出力と環境光のみを受光したときの受光出力とをそれぞれ光検出素子から外部に取り出した後に、２つの受光出力の差分を演算する場合に比較すると、光検出素子自体の飽和が生じにくくなり、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジが向上する。また、信号光の強度を変調している場合に、集積領域に電子とホールとを集積するタイミングを信号光の強度に応じた２期間とすれば、受光出力は２期間における受光光量の差分に相当するから、光検出素子の外部で差分の演算をする必要がなくなり、差分の演算を伴う装置を構成する場合には、外部の処理回路の構成が簡単になる。

請求項１３の発明は、請求項１１記載の光検出素子の制御方法であって、前記集積領域に電子を集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域にホールを保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する第１の状態と、前記集積領域にホールを集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域に電子を保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する第２の状態とを切り換えるとともに、第１の状態と第２の状態との移行期間として集積領域と保持領域と待避領域との間に一定方向の電位勾配が形成されるように制御電極への印加電圧を制御することにより電子とホールとの少なくとも一方を待避領域に一旦移送する期間を含み、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの一方を受光出力として取り出すことを特徴とする。

この方法によれば、たとえば発光源とともに光検出素子を用いることによって、信号光と環境光とを受光する期間に集積領域に電子を集積するとともに、環境光のみを受光する期間に集積領域にホールを集積することができ、集積領域に集積した電子とホールとの一方を保持領域に移送しておき、他方を集積領域に集積した後に、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを互いに他方に移送すれば、電子とホールとの再結合によって環境光の成分を減殺させることが可能になる。つまり、信号光と環境光とを受光したときの光量に比較すると、受光出力では環境光に対する成分の割合が減少するから、信号光と環境光とを受光したときの受光出力と環境光のみを受光したときの受光出力とをそれぞれ光検出素子から外部に取り出した後に、２つの受光出力の差分を演算する場合に比較すると、光検出素子自体の飽和が生じにくくなり、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジが向上する。また、信号光の強度を変調している場合に、集積領域に電子とホールとを集積するタイミングを信号光の強度に応じた２期間とすれば、受光出力は２期間における受光光量の差分に相当するから、光検出素子の外部で差分の演算をする必要がなくなり、差分の演算を伴う装置を構成する場合には、外部の処理回路の構成が簡単になる。しかも、制御電極により待避領域を形成し、電子とホールとの移送過程において電子とホールとの少なくとも一方を待避領域を介して移送するから、集積領域または保持領域となるポテンシャル井戸に電子またはホールを保持することができない期間が生じても、その期間には電子またはホールを待避領域に待避させておくことによって、電子ないしホールの拡散を防止することができる。

請求項１４の発明では、請求項１２または請求項１３の発明において、前記第１の状態と前記第２の状態との切換を交互に複数回行った後に前記受光出力を取り出すことを特徴とする。

この方法によれば、集積領域に電子とホールとを複数回ずつ集積し、また集積領域と保持領域との間で電子とホールとを交互に複数回移送して複数回再結合させることができるから、再結合に多数個の電子とホールとを関与させることができ、比較的大きい受光出力を取り出すことが可能になる。その結果、受光出力におけるショットノイズの影響が軽減される。また、電子とホールとは１回の移送では出会わずに再結合しないとしても、複数回の移送の間には再結合せずに残留している電子およびホールの個数が増加するから、再結合に関与する電子およびホールの密度が増加することによって再結合する確率が増加する。

請求項１５の発明は、請求項１０記載の光検出素子の制御方法であって、前記光電変換部で生成された電子とホールとの少なくとも一方について、前記集積電極に対応して形成される集積領域に集積する際に前記固体において前記転送用電極に対応する部位にポテンシャル井戸を形成するように転送用電極に電圧を印加することにより、集積領域への集積効率を調節することを特徴とする。

この方法によれば、電子とホールとの少なくとも一方については、集積領域に集積する際に転送用電極を用いて集積効率を調節することができるから、集積領域への電子とホールとの集積個数の差を小さくすることが可能になる。

請求項１６の発明は、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の光検出素子を対象空間からの光の受光に用いる装置であって、対象空間に投光する光の強度が所定の変調周波数の変調信号により変調される発光源と、変調信号と前記集積電極に印加する集積電圧および前記保持電極に印加する保持電圧とを制御するタイミング制御回路と、前記光検出素子の受光出力と変調信号との関係により対象空間の情報を検出する評価部とを備え、タイミング制御回路は、前記集積領域に電子を集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域にホールを保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する状態と、前記集積領域にホールを集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域に電子を保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する状態とを所定のタイミングで切換可能であって、両状態の切換により集積領域と保持領域との間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した目的キャリアを受光出力として取り出すことを特徴とする。

この装置によれば、たとえば、信号光と環境光とを受光する期間に集積領域に電子を集積するとともに、環境光のみを受光する期間に集積領域にホールを集積することが可能になり、集積領域に集積した電子とホールとの一方を保持領域に移送しておき、他方を集積領域に集積した後に、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを互いに他方に移送すれば、電子とホールとの再結合によって環境光の成分を減殺させることが可能になる。つまり、信号光と環境光とを受光したときの光量に比較すると、受光出力では環境光に対する成分の割合が減少するから、信号光と環境光とを受光したときの受光出力と環境光のみを受光したときの受光出力とをそれぞれ光検出素子から外部に取り出した後に、２つの受光出力の差分を演算する場合に比較すると、光検出素子自体の飽和が生じにくくなり、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制できる。また、信号光の強度を変調している場合に、集積領域に電子とホールとを集積するタイミングを信号光の強度の異なる２期間とすれば、受光出力は２期間に対応する受光光量の差分を反映するから、両期間における信号光の変化分に相当する受光出力が得られる。言い換えると、光検出素子の外部で差分の演算をする必要がなくなり、対象空間の情報を得るために評価部において差分を必要とする場合には、評価部の構成が簡単になる。

請求項１７の発明は、請求項６または請求項７記載の光検出素子を対象空間からの光の受光に用いる装置であって、対象空間に投光する光の強度が所定の変調周波数の変調信号により変調される発光源と、変調信号と前記集積電極に印加する集積電圧および前記保持電極に印加する保持電圧とを制御するタイミング制御回路と、光検出素子により受光した光と変調信号との位相差を対象空間に存在する対象物までの距離に換算する距離演算回路とを備え、タイミング制御回路は、前記集積領域に電子を集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域にホールを保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する状態と、前記集積領域にホールを集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域に電子を保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する状態とを変調信号の位相の１８０度ごとに交互に切り換えることにより、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを相互に移送して再結合させ、距離演算回路は、光検出素子において集積領域と保持領域とからなる２個の組のうちの一方で再結合後に保持領域に残留した電子とホールとの一方として取り出した受光出力と他方で再結合後に集積領域に残留した電子とホールとの一方として取り出した受光出力との差分を、変調信号の位相が９０度異なった２期間についてそれぞれ求め、一方の期間について求めた受光出力の差分を他方の期間について求めた受光出力の差分で除算した値を距離に換算することを特徴とする。

この構成によれば、位相が１８０度異なる期間で得られた受光出力の差分を用いるとともに、位相が９０度異なる２つの期間で得られた受光出力の差分の一方で他方を除算した値を距離に換算するから、実施形態において具体的に説明するように、集積領域への電子とホールとの集積効率の相違と、電子とホールとの再結合確率とが消去され、数式演算によって距離を正確に求めることが可能になる。

なお、空間情報には、対象空間に存在する物体までの距離のほか、対象空間に存在する物体の反射率、対象空間における媒質の透過率などがある。

本発明の光検出素子は、１つの光電変換部に集積電極と保持電極とを設けて、光電変換部に集積領域と保持領域との２個のポテンシャル井戸を形成することができ、光電変換部で生成された電子とホールとをそれぞれ集積し、かつ光電変換部で異なる時刻に生成された電子とホールとを再結合させるから、電子を集積する時刻とホールを集積する時刻との受光光量の差分に対応した受光出力を得ることができ、受光出力において環境光に相当する成分を減殺することができる。したがって、環境光による飽和が生じにくくなるという利点がある。また、受光光量が多いときには再結合確率が高くなり、受光光量が少ないときには再結合確率が小さくなるから、環境光の強度が大きいと再結合が多くなり受光出力の増加が抑制され、環境光の強度が小さいと再結合が少なくなり受光出力の減少が抑制されるのであって、受光出力では受光光量の変動幅を抑圧ないし圧縮することができるという効果もある。

本発明の光検出素子および光検出素子の制御方法は、たとえば発光源とともに用い、信号光と環境光とを受光する期間に集積領域に電子を集積するとともに、環境光のみを受光する期間に集積領域にホールを集積することが可能になり、集積領域に集積した電子とホールとの一方を保持領域に移送して保持し、他方を集積領域に集積した後に、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを再結合させれば、電子とホールとの再結合によって環境光の成分を減殺することが可能になる。したがって、信号光と環境光とを受光したときの光量に比較すると、受光出力では環境光に対する成分の割合が減少するから、信号光と環境光とを受光したときの受光出力と環境光のみを受光したときの受光出力とをそれぞれ光検出素子から外部に取り出した後に、２つの受光出力の差分を演算する場合に比較すると、光検出素子自体の飽和が生じにくくなり、光検出素子の信号光に対するダイナミックレンジの低下を抑制できる。また、信号光の強度を変調している場合に、集積領域に電子とホールとを集積するタイミングを信号光の強度に応じた２期間とすれば、受光出力は２期間に対応する受光光量の差分に相当するから、光検出素子の外部で差分の演算をする必要がなくなり、差分の演算を伴う装置を構成する場合には、外部の処理回路の構成が簡単になるという利点がある。

本発明の空間情報検出装置は、電子とホールとの集積効率あるいは電子とホールとの再結合確率に着目し、受光出力から集積効率や再結合確率の影響を除去するから、距離を数式演算により正確に求めることができる。

（動作原理）
まず、本発明の動作原理について説明する。本発明に係る光検出素子における光電変換部１の最小構成は、図１５に示す構成であって、半導体（たとえば、ｎ形シリコン層）の主機能層１１の表面に絶縁層（たとえば、シリコン酸化膜）１４を介して集積電極１２を形成した構成になる。集積電極１２には集積電圧が印加される。主機能層１１の電位を基準電位として（または、主機能層１１が積層されたサブストレート（図１参照）の電位を基準電位として）、集積電極１２には正極性と負極性との集積電圧を印加することが可能になっている。集積電極１２に正極性の集積電圧を印加すると、電子を集積することができるポテンシャル井戸である集積領域１１ｂが主機能層１１に形成され、集積電極１２に負極性の集積電圧を印加すると、ホールを集積することができるポテンシャル井戸である集積領域１１ｂが主機能層１１に形成される。

主機能層１１において集積電極１２の近傍であって光が入射する部位は、光の入射により電子およびホールを生成する感光部１１ａとして機能する。感光部１１ａにおいて生成された電子およびホールは、集積電極１２に印加される集積電圧の極性に応じて、集積領域１１ｂに集積される。つまり、集積電圧が正極性であれば集積領域１１ｂに電子が集積され、集積電圧が負極性であれば集積領域１１ｂにホールが集積される。

動作を説明するために、図示しない発光源により強度を変調した信号光を投光し、光電変換部１では信号光を受光できるものとする。また、信号光の強度は矩形波で変調され、発光源が点灯と消灯とを交互に繰り返す場合を想定する。すなわち、発光源が点灯していると光電変換部１には信号光と環境光とがともに入射し、発光源が消灯していると光電変換部１には環境光のみが入射するから、たとえば、発光源が点灯している期間には集積領域１１ｂに電子を集積し、発光源が消灯している期間には集積領域１１ｂにホールを集積する場合を想定し、種々の条件を無視して単純なモデルで考えれば、信号光と環境光とを合わせた受光光量に対応する個数の電子と、環境光のみの受光光量に対応する個数のホールとを再結合させることになり、再結合後に残留した電子の個数は信号光の受光光量に対応する個数になると言える。ただし、後述するように、実際には再結合後に電子が残留するとは限らず、ホールが残留する場合があり、あるいは電子とホールとがともに残留する場合もあるが、いずれにしても、残留したキャリア（電子およびホール）を受光出力として取り出せば、再結合を行わずに取り出す場合に比較すると、環境光の成分を低減した受光出力を得ることができると言える。

動作をさらに詳しく説明する。図１５では、黒丸が電子を表し白丸がホールを表しており、集積電極１２に正極性の集積電圧を印加して電子を集積した後に、集積電極１２に印加する集積電圧を負極性に切り換えてホールを集積する瞬間を示している。このとき、集積領域１１ｂに集積されていた電子は、集積電圧が負極性になることによって集積領域１１ｂから排出されるが、主機能層１１の表面付近においてダングリングボンドないし界面電位により捕捉されている電子は集積領域１１ｂに留まる。また、光の照射により主機能層１１（光電変換部１）において生成された電子は主機能層１１から排出され、生成されたホールは集積領域１１ｂに集積される。つまり、集積領域１１ｂから排出される電子と集積領域１１ｂに集積されるホールとの一部が再結合して消滅し、また集積領域１１ｂに捕捉されている電子は集積領域１１ｂに集積されたホールと再結合して消滅する。再結合後には、電子とホールとの少なくとも一方が集積領域１１ｂに残留するから、残留しているキャリアを受光出力として取り出す。

動作原理を説明するために、光電変換部１において１つの集積電極１２のみを設けた構成を例示し、光電変換部１において異なる時刻に生成された電子とホールとを再結合させることによって、再結合後に残留するキャリアを受光出力として取り出す動作を説明したが、集積領域１１ｂを１つだけ設けた構成では、集積電圧の極性を切り換えるときに集積領域１１ｂから排出されるキャリアの多くは再結合に関与させることができない。そこで、以下の実施形態では、集積領域１１ｂから排出されるキャリアを保持する保持領域１１ｃ（図１参照）を集積領域１１ｂとは別に設け、集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとの間でキャリアを交換することにより、再結合に関与するキャリアの個数を増加させた構成を説明する。

（実施形態１）
図２は本実施形態の光検出素子６を用いて空間情報検出装置の一種である測距装置を構成した例を示しており、この測距装置は、距離を測定する対象物３を含む対象空間に発光源２からの光を投光し、対象物３による反射光を含む対象空間からの光を光検出素子６で受光するとともに、対象物３による反射光の光量を反映した受光出力を光検出素子６から得るように構成している。この種の構成で対象物３までの距離を計測する技術としては、三角測量法の原理を用いる技術と、発光源２から投光された光が光検出素子６で受光されるまでの光の飛行時間を計測する技術とが主に用いられている。

三角測量法の原理を用いる技術では、発光源２から所定パターンの平行光線を対象空間に投光し、対象物３に形成されたパターンが受光光学系（図示せず）を通して光検出素子６に投影される位置を距離に換算する。一方、光の飛行時間を計測する技術では、発光源２から対象空間に投光する光の強度を適宜の変調波形で変調しておき、光検出素子６で受光した光と発光源２から投光した光との変調波形の時間差または位相差を求めることによって、時間差を飛行時間として用いるか位相差を飛行時間に換算し、飛行時間から距離を求める技術が知られている。以下に説明する実施形態では、強度を変調した光を発光源２から投光して光の飛行時間によって対象物３までの距離を計測する技術を想定するが、三角測量法の原理を用いる場合でも環境光の影響を軽減するために本発明の技術を適用可能であり、また本発明の技術思想の適用範囲は測距の目的に限らず、微粒子（煙、埃、汚れなどのセンサ）による光の拡散あるいは減衰による受光光量の変化を利用して微粒子を検出する微粒子センサなど受光光量を検出する必要がある種々の目的に適用可能である。

本実施形態では、発光源２を光検出素子６とは別に設けたタイミング制御回路４から出力される一定の変調周波数（たとえば、１０ＭＨｚ）である変調信号により駆動し、対象空間に投光する光の強度を変調信号により変調している。本実施形態では説明を簡単にするために変調信号の波形として矩形波を用い、発光源２が点灯と消灯とを繰り返すものとして説明する。ただし、変調信号の波形としては正弦波や鋸歯状波や三角波など他の波形も用いることが可能である。以下では、発光源２が点灯している期間を点灯期間とし、消灯している期間を消灯期間として説明する。発光源２が消灯していれば光検出素子６に入射する光は発光源２から対象空間に投光した光を含まない環境光のみであり、発光源２が点灯していれば光検出素子６に入射する光は発光源２から対象空間に投光した光を含む信号光と環境光との合計になる。したがって、光検出素子６で受光する光は、消灯期間には主として環境光になり、点灯期間には主として環境光と信号光とを併せたものになる。点灯期間と消灯期間との長さが一対一であれば、点灯期間の受光光量から消灯期間の受光光量を減算することにより、理論上では環境光の成分を除去して信号光の成分のみを取り出すことが可能になる。

光検出素子６から出力される受光出力は評価部としての距離演算回路５に与えられ、距離演算回路５では複数のタイミングで光検出素子６から取り出した受光出力を用い、発光源２から照射された光の強度変化の波形と、光検出素子６により受光した光の強度変化の波形との時間差または位相差から光の飛行時間を求め、飛行時間から対象物３までの距離を求める。

光検出素子６は光を電気信号に変換する光電変換部１を備え、光電変換部１を１個だけ単独で用いれば光電変換部１から見て特定の方向に存在する対象物３についてのみ距離を検出する構成になり、図２のように光電変換部１を複数個配列して光検出素子６を構成し、光検出素子６の前方に受光光学系を配置して光検出素子６から受光光学系を通して対象空間を見る方向を各光電変換部１の位置に対応付ければ、各方向における距離を画素値に持つ距離画像を生成することが可能である。本実施形態では、矩形状の単位格子からなる平面格子の格子点上に光電変換部１を配列するとともに光電変換部１からの出力を外部に取り出す電荷取出部７を設けた光検出素子６を構成し、この光検出素子６を用いて距離画像を生成する構成を想定して説明する。すなわち、光検出素子６は距離画像を生成するための撮像素子として機能する。なお、電荷取出部７は後述するようにＣＣＤであり、光電変換部１は電荷取出部７の一部としても機能する。

１個の光電変換部１は、図１に示す構成を有し、ｎ形シリコン層である基板１０にｐ形シリコン層であるサブストレート１６を介してｎ形シリコン層からなる主機能層１１を設けてあり、主機能層１１の一表面（主機能層１１の厚み方向において基板１０とは反対側である主表面）をシリコン酸化膜からなる絶縁層１４により覆っている。基板１０、主機能層１１、サブストレート１６は複数個の光電変換部１で共用される。主機能層１１の主表面には絶縁層１４を介して集積電極１２と保持電極１３とが対向し、保持電極１３の全体と集積電極１２の一部とは遮光膜１５により覆われる。つまり、光電変換部１は、基板１０と主機能層１１と集積電極１２と保持電極１３と絶縁層１４と遮光膜１５とサブストレート１６とにより構成される。なお、集積電極１２および保持電極１３は、集積電圧ないし保持電圧の印加によりそれぞれ主機能層１１にポテンシャル井戸としての集積領域１１ｂないし保持領域１１ｃを形成する。

集積電極１２および絶縁層１４は透光性を有し、遮光膜１５で覆われていない部位に入射する光が集積電極１２を通して主機能層１１に達するように構成してある。すなわち、基板１０、主機能層１１、サブストレート１６のうち遮光膜１５に覆われていない部位が光電変換部１において電子およびホールを生成する感光部１１ａ（図２参照）として機能する。図示例では遮光膜１５の一部が集積電極１２に跨っているが、これは主機能層１１において光励起によって生じた電子あるいはホールが、保持電極１３に対応して主機能層１１に形成される保持領域１１ｃに直接集積されるのを防止するためである。

上述した光電変換部１では、遮光膜１５に覆われていない部位である感光部１１ａに光が入射すると電子およびホールが生成される。また、集積電極１２に集積電圧を印加すると主機能層１１にポテンシャル井戸として集積領域１１ｂが形成され、保持電極１３に保持電圧を印加すると主機能層１１にポテンシャル井戸として保持領域１１ｃが形成される。集積電極１２と保持電極１３との距離および集積電圧と保持電圧との大きさは、ポテンシャル井戸として形成される集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとの間で電子とホールとが移動可能になるように設定される。

感光部１１ａに入射する光量に応じた受光出力を得るための電子およびホールを感光部１１ａで生成する期間には、サブストレート１６を基準電位（接地電位）に保ち、基板１０を基準電位よりも高電位に保つ。つまり、基板１０とサブストレート１６との間では逆バイアスになる。基板１０に印加する基板電圧とサブストレート１６に印加するリセット電圧とは、それぞれ３段階に切換可能としている。すなわち、基板電圧は、２段階の高電位と接地電位とに切換可能とし、リセット電圧は、低電位と接地電位と高電位とに切換可能としてある。基板電圧が接地電位のときリセット電圧を低電位とし、基板電圧が高いほうの高電位のときリセット電圧を高電位とし、基板電圧が低いほうの高電圧のときリセット電圧を接地電位とするように、基板電圧とリセット電圧とが制御される。以下では、基準電位に対して高電位である場合を正極性と言い、低電位である場合を負極性と言う。

図示例では、直流電源Ｅ３，Ｅ４と切換スイッチＳＷ３，ＳＷ４との組合せによって基板電圧およびリセット電圧が切換可能であることを模式化して示している。つまり、直流電源Ｅ３は高低２段階の正極性の電圧と接地電位の電圧との３段階の電圧を出力し、直流電源Ｅ４は正負両極性の電圧と接地電位の電圧との３段階の電圧を出力する。切換スイッチＳＷ３，ＳＷ４はともに３接点スイッチであり、各直流電源Ｅ３，Ｅ４の出力電圧を択一的に選択する。基板電圧およびリセット電圧を切り換えるタイミングは、タイミング制御回路４により制御される。つまり、タイミング制御回路４が基板電圧とリセット電圧とを選択することは、切換スイッチＳＷ３，ＳＷ４を切り換えることに相当する。なお、リセット電圧に対する基板電圧の電位差が一定になるようにＳＷ３，ＳＷ４を連動させ、基板電圧をリセット電圧に合わせて３段階に切り換えているが、基板電圧はリセット電圧に対して高電位であれば基板１０とサブストレート１６とが逆バイアスになるから、リセット電圧にかかわらずリセット電圧よりも高電位になるような一定電圧を基板電圧に用いてもよい。

集積電極１２に印加する集積電圧と保持電極１３に印加する保持電圧とは、いずれも正極性と負極性との２段階に切換可能であり、集積電圧および保持電圧を切り換えるタイミングは、基板電圧およびリセット電圧と同様に、タイミング制御回路４により制御される。図示例では、タイミング制御回路４において集積電圧と保持電圧とを印加する機能を、直流電池Ｅ１，Ｅ２と切換スイッチＳＷ１，ＳＷ２との組合せによって模式化して表している。集積電圧と保持電圧とを印加する直流電源Ｅ１，Ｅ２はそれぞれ正負両極性の電圧を出力可能であり、切換スイッチＳＷ１，ＳＷ２により極性の切換が可能になっている。つまり、タイミング制御回路４が集積電圧と保持電圧とを選択することは、切換スイッチＳＷ１，ＳＷ２を切り換えることに相当する。

集積電圧を正極性にすると集積領域１１ｂに電子を集めることができ、集積電圧を負極性にすると集積領域１１ｂにホールを集めることができる。同様に、保持電圧を正極性にすると保持領域１１ｃに電子を集めることができ、保持電圧を負極性にすると保持領域１１ｃにホールを集めることができる。本実施形態では、感光部１１ａにおいて生成されるキャリアである電子とホールとのうち電子を受光出力として用いる。

次に、光電変換部１の基本動作を説明する。基本動作では、感光部１１ａに入射した光量に応じて感光部１１ａで生成される電子とホールとを異なるタイミングで集積し、集積した電子とホールとを再結合させた後に残留する電子を取り出す。したがって、感光部１１ａに目的とする光が入射する前に電子あるいはホールが感光部１１ａに残留していると、感光部１１ａから取り出す電子に不要成分が含まれ、感光部１１ａから取り出す電子の個数が感光部１１ａでの受光光量に対応しないことになる。

そこで、電子とホールとを集積領域１１ｂに集積する前に、まず光検出素子６に残留している電子およびホールを廃棄する必要がある。光検出素子６に残留している電子およびホールを廃棄する際には、電子とホールとを個別に廃棄する。たとえば、ホールから先に廃棄する場合には、まずホールを集積領域１１ｂおよび保持領域１１ｃから押し出すために、集積電圧と保持電圧とをともに正極性にする。このとき同時にリセット電圧を負極性にする。この状態では、ホールはサブストレート１６に向かって移動するから、ホールの移動度を考慮し、この状態をホールが光検出素子６から消滅する程度の期間継続する。

ホールを廃棄した後には光検出素子６には主として電子が残留するから、次に、電子を廃棄するために、集積電圧および保持電圧を負極性にするとともに、リセット電圧を正極性にし、基板電圧をリセット電圧よりも高くする。光検出素子６に残留する電子はサブストレート１６に向かって移動し、一部の電子はサブストレート１６から廃棄され、サブストレート１６を通過した残りの電子は基板１０から廃棄される。

上述のように光検出素子６からホールおよび電子を廃棄して光検出素子６のリセットを行った後には、光検出素子６に残留する電子およびホールの量は熱平衡状態に応じた量になる。光検出素子６のリセットは、受光出力を光検出素子６から取り出すたびに行われる。

光検出素子６のリセット後には、まず集積領域１１ｂに電子を集積するために、集積電極１２に正極性の集積電圧を印加し、このとき保持領域１１ｃに電子が集積されないように保持電極１１ｂには負極性の保持電圧を印加する。感光部１１ａでは光の入射により電子とホールとが生成されるが、集積電圧が正極性であり保持電圧が負電圧であるから、主機能層１１には集積領域１１ｂから保持領域１１ｃに向かう電位勾配が生じ、またサブストレート１６に印加するリセット電圧を接地電位にすることによって、主機能層１１において光が照射される部位の近傍では集積領域１１ｂからサブストレート１６に向かう電位勾配が生じる。なお、主機能層１１において遮光膜１５で覆われている部位にはサブストレート１６から保持領域１１ｃに向かう電位勾配が生じているが、この部位には光が照射されないから、保持領域１１ｃにはホールはほとんど集積されない。

保持領域１１ｃに電子が集積された後には、リセット電圧を接地電位に保ったままで、集積電圧を負極性とし、保持電圧を正極性とする。このとき、主機能層１１にはサブストレート１６から集積領域１１ｂに向かう電位勾配が生じるとともに、保持領域１１ｃから集積領域１１ｂに向かう電位勾配が生じる。さらに、保持領域１１ｃからサブストレート１６に向かう電位勾配も生じる。したがって、集積領域１１ｂに集積されていた電子は保持領域１１ｃに移動する。また、感光部１１ａで光の照射により生成された電子とホールとのうち電子はサブストレート１６に向かい、ホールは集積領域１１ｂに向かって移動する。このような動作によって感光部１１ａで生成された電子とホールとを集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとに振り分けることができる。

ここで、保持領域１１ｃにホールが存在している場合には、そのホールも集積領域１１ｂに向かって移動することになる。電子は集積領域１１ｂから保持領域１１ｃに向かい、ホールは感光部１１ａまたは保持領域１１ｃから集積領域１１ｂに向かうから、電子とホールとが出会い再結合する。一方、電子の一部は集積領域１１ｂの表面のダングリングボンド（ないし界面電位）により捕捉されており、捕捉されている電子は、集積領域１１ｂに集積されたホールと再結合して消滅する。また同様に、ホールの一部は保持領域１１ｃの表面のダングリングボンド（ないし界面電位）により捕捉されており、捕捉されているホールは、保持領域１１ｃに移送された電子と再結合して消滅する。

その後、集積電圧と保持電圧の極性を入れ換えると（つまり、集積電圧を正極性にし、保持電圧を負極性にすると）保持領域１１ｃの電子が集積領域１１ｂに向かい、集積領域１１ｂのホールが保持領域１１ｃに向かうから、電子とホールとが出会い再結合することによって消滅する。また、感光部１１ａで生成された電子も集積領域１１ｂに集積され、感光部１１ａから集積部１１ｂに集積された電子の一部もホールとの再結合に寄与する。ここで、集積領域１１ｂに存在していたホールの一部は集積領域１１ｂの表面のダングリングボンド（ないし界面電位）により捕捉されているから、集積領域１１ｂに感光部１１ａから集積または保持領域１１ｃから移送された電子と再結合して消滅し、同様にして、保持領域１１ｃに存在していた電子の一部は保持領域１１ｃの表面のダングリングボンド（ないし界面電位）により捕捉されているから、保持領域１１ｃに移送されたホールと再結合して消滅する。

集積電圧と保持電圧との極性をそれぞれ入れ換える動作を多数回繰り返すと、上述の動作で電子とホールとが再結合し、ホールはほぼ完全に消滅し、電子のみが残留することになる。ここに、集積電圧と保持電圧との極性を１回入れ換えるだけでは電子とホールとが出会う確率が低いが、極性を多数回入れ換えることによって、再結合せずに残されていた電子およびホールの個数がしだいに増加する。つまり、集積電圧と保持電圧との極性を多数回入れ換えると、再結合に関与する電子およびホールの密度が増加して再結合確率が高くなる。

本実施形態では、集積電圧および保持電圧を切り換えるタイミングを発光源２の点灯期間および消灯期間に一致させることは必然ではないが、集積電圧および保持電圧を切り換えるタイミングを点灯期間と消灯期間とに一致させると動作の理解が容易であるから、まず、発光源２の点灯期間および消灯期間と集積電圧および保持電圧を切り換えるタイミングとを一致させる場合について説明する。すなわち、図３（ａ）に示すように、発光源２の点灯と消灯とを交互に繰り返し、図３（ｂ）（ｃ）のように、点灯期間Ｐｂには集積電極１２に正の集積電圧を印加するとともに保持電極１３に負の保持電圧を印加し、消灯期間Ｐｄには集積電極１２に負の集積電圧を印加するとともに保持電極１３に正の保持電圧を印加する。

点灯期間Ｐｂと消灯期間Ｐｄとのいずれにおいても感光部１１ａでは電子とホールとが一対一に生成されるが、点灯期間Ｐｂには感光部１１ａで生成される電子が集積領域１１ｂに集積され、消灯期間Ｐｄには感光部１１ａで生成されるホールが集積領域１１ｂに集積されるとともに、集積領域１１ｂに存在していた電子が集積領域１１ｂから保持領域１１ｃに移動しようとする。ただし、集積領域１１ｂと絶縁層１４との界面にはダングリングボンドが存在しているから、点灯期間Ｐｂにおいて集積領域１１ｂに集積された電子の一部は、ダングリングボンド（ないし界面電位）により捕捉されて保持領域１１ｃに移動することができず、消灯期間Ｐｄにおいて集積領域１１ｂに集積されたホールと再結合して消滅する。

点灯期間Ｐｂにおいて集積領域１１ｂに集積された電子の量は発光源２の点灯による信号光と信号光以外の環境光とを併せた光量に対応しており、消灯期間Ｐｄにおいて集積領域１１ｂに集積されたホールの量は環境光のみの光量に対応しているから、消灯期間Ｐｄにおいて集積領域１１ｂで電子がホールと再結合して消滅することは、電子のうち環境光の光量に対応する量の少なくとも一部を消滅させたことになり、保持領域１１ｃに保持される電子の量は、信号光と環境光とを併せた光量に対応する電子の量よりも少なくなる。つまり、保持領域１１ｃに保持された電子の量は、信号光と環境光とを併せた光量に対して環境光の一部光量を減殺した光量に対応する。

次の点灯期間Ｐｂにおいては、保持領域１１ｃに保持された電子が集積領域１１ｂに移動しようとし、また感光部１１ａで生成された電子が集積領域１１ｂに集積される。一方、前の消灯期間Ｐｄにおいて電子と再結合せずに集積領域１１ｂに残留していたホールは、集積領域１１ｂに集積される電子と出会うことによって再結合する。また、再結合せずに残留するホールは、主として保持領域１１ｃに移動する。これは、保持領域１１ｃの周辺では、主機能層１１の深部に向かう電位勾配よりも保持領域１１ｃに向かう電位勾配のほうが大きいからである。

上述の動作により、環境光により生成されたホールは大部分が電子との再結合により消滅するから、点灯期間Ｐｂと消灯期間Ｐｄとを複数回繰り返すことによって、信号光に対応する電子の量に対する環境光に対応する電子の量の割合を低減することができる。したがって、再結合後に保持領域１１ｃに残留する電子を光検出素子６から外部に取り出して受光出力に用いることにより、環境光の成分をある程度除去した受光出力を得ることができる。

ところで、上述の動作によってホールとの再結合後に保持領域１１ｃに残留する電子を光検出素子６から取り出すには、集積電極１２と保持電極１３とに印加する電圧を調節することにより主機能層１１に形成されるポテンシャル井戸を制御し、保持領域１１ｃに保持している電子を転送する。つまり、主機能層１１と集積電極１２と保持電極１３とを用いてＣＣＤとして動作させるのであって、図２の左右の一方向に電子を転送することができる。図２に示す電荷取出部７には主機能層１１のこの機能が含まれる。

上述のように、発光源２の点灯と消灯とを繰り返して電子とホールとを再結合させることにより信号光に対応する量の電子を保持領域１１ｃに残留させる期間と、保持領域１１ｃに残留する電子を光検出素子６から取り出す期間とが必要であって、以下では前者の期間を受光期間と呼び、後者の期間を取出期間と呼ぶ。受光期間においては、集積電極１２に印加する集積電圧と保持電極１３とに印加する保持電圧とは互いに異なる極性であって、しかも交互に極性を切り換えるが、取出期間においては、電子が一方向に転送されるように電圧を印加するタイミングを制御する。また、タイミングと併せて電圧値も制御してもよい。

取出期間において集積電極１２および保持電極１３に印加する電圧の制御はＣＣＤにおける転送ゲートに印加する電圧の制御と同様である。すなわち、本実施形態では、フレームトランスファ方式のＣＣＤイメージセンサと同様に、主機能層１１がキャリアを転送する垂直転送レジスタに兼用される構成になる。光検出素子６では、主機能層１１を垂直転送レジスタとして用い、さらに、垂直転送レジスタからの電子を水平転送レジスタ２１（図１０参照）により転送して各感光部１１ａごとの受光出力を半導体基板の外部に取り出す。また、上述の構成では主機能層１１が転送レジスタに兼用されているが、インターライン方式のＣＣＤイメージセンサと同様の構成を採用し、主機能層１１における保持領域１１ｃに保持されたキャリアを別に設けた垂直転送レジスタに転送し、垂直転送レジスタと水平転送レジスタとを通して半導体基板の外部に取り出すようにしてもよい。

上述した光検出素子６を用いて対象物３までの距離を計測するには、発光源２の変調信号と各光電変換部１（各感光部１１ａ）で受光した光に含まれる変調成分との時間差または位相差を求める必要がある。本実施形態では、変調信号の波形として矩形波を採用しているから時間差を求めることができる。図４（ａ）に発光源２からの光の強度の変化を示し、図４（ｂ）に光電変換部１により受光する光の強度の変化を示す。図４に示す時間差ｔｄを求めるには、発光源２の点灯と消灯とに同期する複数の位相に対応するタイミングで得られる光電変換部１による受光光量を用いる技術と、発光源２の点灯と消灯とには同期しない複数のタイミングで得られる光電変換部１による受光光量を用いる技術とがある。

まず、発光源２の点灯と消灯とに同期するタイミングで得られる受光光量を用いる技術について説明する。ここでは、動作の理解を容易にするために、変調信号の位相の９０度ごとに１８０度の区間を設定し、各区間ごとに受光光量を求めるものとする。つまり、変調信号における０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜９０度の４区間について受光光量を求める。各区間の受光光量は図４（ｃ）〜（ｆ）に示す図形の面積に相当する。いま、各区間の受光光量をそれぞれＡ０〜Ａ３で表し、環境光と信号光とを併せた受光強度がＡｂ、環境光のみに対応する受光強度がＡｄ、変調信号の周期が４Ｔ、時間差がｔｄであるとすれば、受光光量Ａ０〜Ａ３は、以下のように表すことができる。
Ａ０＝Ａｂ×（２Ｔ−ｔｄ）＋Ａｄ×ｔｄ
Ａ１＝Ａｂ×（Ｔ＋ｔｄ）＋Ａｄ×（Ｔ−ｔｄ）
Ａ２＝Ａｂ×ｔｄ＋Ａｄ×（２Ｔ−ｔｄ）
Ａ３＝Ａｂ×（Ｔ−ｔｄ）＋Ａｄ×（Ｔ＋ｔｄ）
これらの関係から（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）を求めると、ｔｄ／（Ｔ−ｔｄ）になるから、ｓ＝（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）と置いて、時間差ｔｄを次式で表すことができる。
ｔｄ＝ｓＴ／（ｓ＋１）
つまり、変調信号の周期４Ｔと上述した４区間の受光光量Ａ０〜Ａ３とを用いることにより時間差ｔｄを求めることができる。なお、受光光量Ａ０〜Ａ３は受光出力に対応するから、距離演算回路５では、光検出素子６から与えられる各光電変換部１ごとの受光出力を受光光量Ａ０〜Ａ３に代えて用いることにより時間差ｔｄを求め、対象物３までの距離に換算することができる。また、上式の演算結果の符号は時間差ｔｄが正になるように適宜に選択される。

ところで、上述したように、図４（ｃ）に示すように受光光量Ａ０を求める区間は変調信号における０〜１８０度の区間であり、図４（ｅ）に示すように受光光量Ａ２を求める区間は変調期間における１８０〜３６０度の区間である。ここで、ひとまず感光部１１ａで生成された電子とホールとが集積領域１１ｂに集積される確率の差を無視することにより電子とホールとが集積領域１１ｂに同じ確率（集積効率）で集積されると仮定し、さらに電子とホールとの再結合の確率（再結合確率）が１であると仮定する。

上述した仮定の下で、集積電極１２に正の集積電圧を印加する期間を変調信号における０〜１８０度の区間に対応させ、集積電極１２に負の集積電圧を印加する期間を変調信号における１８０〜３６０度の区間に対応させると、感光部１１ａで生成され集積領域１１ｂに集積される電子の量（個数）は受光光量Ａ０に相当し、感光部１１ａで生成され集積領域１１ｂに集積されるホールの量（個数）は受光光量Ａ２に相当することになる。すなわち、変調信号における０〜１８０度の区間と１８０〜３６０度の区間とで集積電圧の極性を交互に切り換える動作を行った後に保持領域１１ｃに残留する電子の量は、（Ａ０−Ａ２）に相当すると言える。同様に、変調信号における９０〜２７０度の区間において集積電圧の極性を正とし、変調信号における２７０〜９０度の区間において集積電圧の極性を負とした後に保持領域１１ｃに残留する電子の量は、（Ａ１−Ａ３）に相当する。したがって、変調信号に同期させて集積電極１２に印加する集積電圧および保持電極１３に印加する保持電圧の極性を交互に入れ換えることにより、電子とホールとを再結合させた後に保持領域１１ｃに残留する電子を受光出力として光検出素子６の外部に取り出すだけで、（Ａ０−Ａ２）と（Ａ１−Ａ３）との演算を行ったことになり、距離演算回路５における演算量を低減できる。

上述した構成では動作の理解が容易になるように、発光源２が点灯と消灯とを繰り返す場合を例として説明したが、上述したように、発光源２を駆動する変調信号の波形としては、正弦波や鋸歯状波や三角波など他の波形も用いることが可能である。以下では、図５（ａ）のように、変調信号の波形として正弦波を用いる場合について説明する。

ここでは、光電変換部１に入射する光の強さを位相θの関数とし、ｇ（θ）＝（Ａｂ−Ａｄ）ｓｉｎθ＋（Ａｂ＋Ａｄ）／２とおく（図５（ｂ）参照）。この場合、変調信号における０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜９０度の各区間における受光光量Ａ０〜Ａ３は、図５（ｃ）（ｄ）に斜線で示す面積に相当するから、それぞれ下式のように定積分で表すことができる。ただし、位相θは時間ｔの関数であり、θ＝ωｔ（ω＝２πｆ；ｆは変調周波数）、ψは投受光の位相差（ψの単位をラジアン、対象物３までの距離Ｌ［ｍ］、光速ｃ［ｍ／ｓ］とすれば、Ｌ＝ψ・ｃ／２ω）、Ａｂは光電変換部１が受光した光の強さの極大値、Ａｄは光電変換部１が受光した光の強さの極小値であり、Ａｄは光電変換部１が受光した環境光に対応する光の強さに相当する。また、下式において角括弧内のコンマの両側の値は積分の区間を意味する。
Ａ０＝∫ｇ（θ）ｄθ ［−ψ，１８０°−ψ］
Ａ１＝∫ｇ（θ）ｄθ ［９０°−ψ，２７０°−ψ］
Ａ２＝∫ｇ（θ）ｄθ ［１８０°−ψ，３６０°−ψ］
Ａ３＝∫ｇ（θ）ｄθ ［２７０°−ψ，９０°−ψ］
Ａａ＝Ａｂ−Ａｄ，Ａｃ＝（Ａｂ＋Ａｄ）／２と置けば、受光光量Ａ０〜Ａ３は下式で表される。
Ａ０＝−２Ａａ・ｃｏｓψ＋Ａｃ・π
Ａ１＝−２Ａａ・ｓｉｎψ＋Ａｃ・π
Ａ２＝２Ａａ・ｃｏｓψ＋Ａｃ・π
Ａ３＝２Ａａ・ｓｉｎψ＋Ａｃ・π
これらの関係から（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２）を求めるとｔａｎψになるから、位相差ψは次式で表すことができる。
ψ＝ｔａｎ^−１（Ａ１−Ａ３）／（Ａ０−Ａ２） …（１）
すなわち、変調信号の波形が正弦波である場合でも上式によって位相差ψを求めることができるから、変調信号の波形が矩形波である場合の時間差ｔｄと同様に対象物３までの距離を求めることができる。また、変調信号の波形が正弦波である場合でも矩形波を用いる場合と同様に、光電変換部１から（Ａ０−Ａ２）と（Ａ１−Ａ３）とに相当する受光出力を得ることができる。

（Ａ０−Ａ２）または（Ａ１−Ａ３）に相当する受光出力が得られるというのは電子とホールとの集積領域１１ｂへの集積効率が等しいという仮定と、電子とホールとの再結合確率が１である（つまり、出会った電子とホールとはすべて再結合する）という仮定とに基づいている。実際には、集積効率は等しくなく、また再結合確率は１よりも大幅に小さい（たとえば、０．１）。まず、再結合確率が１であるという仮定はそのままにして、電子とホールとの集積効率が異なることを考慮して（１）式を補正する。

上述した例では、変調信号の位相が０〜１８０度である期間と９０〜２７０度である期間とにおいてそれぞれ集積領域１１ｂに電子を集積するから、受光光量Ａ０、Ａ１に対応する電子が感光部１１ａから集積領域１１ｂに集積され、受光光量Ａ２、Ａ３に対応するホールが感光部１１ａから集積領域１１ｂに集積される。

いま、集積領域１１ｂへの電子の集積効率に対するホールの集積効率をα（０＜α＜１）とする。つまり、ホールの集積効率が電子よりも小さいものとする。集積領域１１ｂに集積される電子およびホールの個数を決定するパラメータとして影響が大きいのは、主機能層１１の厚み寸法、受光する光の波長のほか、受光光量と集積電圧と集積電圧の印加期間とであると考えられ、主機能層１１の厚み寸法と受光する光の波長とは電気的に制御できる要素ではないから固定値としてパラメータから除外し、集積電圧をＶａ、集積電圧Ｖａの印加期間をＰａとすれば、受光光量がＡ０、Ａ１であるときに集積領域１１ｂに集積される電子の個数Ｎ０、Ｎ１は、適宜の関数ｈを用いて、それぞれＮ０＝ｈ（Ａ０，Ｖａ，Ｐａ）、Ｎ１＝ｈ（Ａ１，Ｖａ，Ｐａ）と表すことができる。同様にして、受光光量がＡ２、Ａ３であるときに集積領域１１ｂに集積されるホールの個数Ｎ２、Ｎ３は、それぞれＮ２＝αｈ（Ａ２，Ｖａ，Ｐａ）、Ｎ３＝αｈ（Ａ３，Ｖａ，Ｐａ）と表すことができる。

ここで、集積電圧Ｖａと印加期間Ｐａとを一定として、個数Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３のみの関数として表せば、それぞれＮ０＝ｈ（Ａ０）、Ｎ１＝ｈ（Ａ１）、Ｎ２＝αｈ（Ａ２）、Ｎ３＝αｈ（Ａ３）になる。一方、各光電変換部１に対応する受光出力は、電子とホールとの再結合後に残留する電子の個数に相当するから、実際には、（Ｎ０−Ｎ２）と（Ｎ１−Ｎ３）とに相当する。つまり、（Ｎ０−Ｎ２）および（Ｎ１−Ｎ３）と受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３とは次の関係になる。
Ｎ０−Ｎ２＝ｈ（Ａ０）−αｈ（Ａ２）
Ｎ１−Ｎ３＝ｈ（Ａ１）−αｈ（Ａ３）
また、電子の個数Ｎ０、Ｎ１およびホールの個数Ｎ２、Ｎ３を用いて受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を表すと、Ａ０＝ｈ^−１（Ｎ０）、Ａ１＝ｈ^−１（Ｎ１）、Ａ２＝ｈ^−１（Ｎ２／α）、Ａ３＝ｈ^−１（Ｎ３／α）であるから（ｈ^−１はｈの逆関数）、位相差ψを求める（１）式は次式のように変形できる。
ψ＝ｔａｎ^−１Ｓ
Ｓ＝｛ｈ^−１（Ｎ１）−ｈ^−１（Ｎ３／α）｝／｛ｈ^−１（Ｎ０）−ｈ^−１（Ｎ２／α）｝
関数ｈは、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対して生成される電子やホールの量が飽和しない範囲では、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３をパラメータとする線形関数とみなしてよいから、上式をさらに変形すると次式が得られる。
ψ＝ｔａｎ^−１｛（αＮ１−Ｎ３）／（αＮ０−Ｎ２）｝ …（２）
したがって、距離演算回路５において保持領域１１ｃに残留する電子の量に応じて得られる受光出力を用いて対象物３までの距離を演算式を用いて求める場合には、受光出力が（Ｎ１−Ｎ３）または（Ｎ０−Ｎ２）であって集積効率αに関する補正が必要であることを考慮しなければならない。たとえば、（Ｎ１−Ｎ３）および（Ｎ０−Ｎ２）を用いた（２）式の近似式を作成し、近似式に含まれる集積効率αを距離演算回路５の調節要素に用いる。あるいはまた、距離演算回路５において受光出力と距離とをデータテーブルによって対応付けるようにし、集積効率αをデータテーブルに折り込む。

（２）式は電子およびホールの個数Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３をパラメータとしており、電子およびホールの個数Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３と集積電圧Ｖａと印加期間Ｐａとの関数であるから、各受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３と集積電圧Ｖａと印加期間Ｐａとのうちの少なくとも１要素を調節すれば、（２）式を用いて位相差ψを求めることが可能である。

受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の調節には変調信号の波形を変形することが必要であるから、折れ線近似などの技術による関数発生器を用いて変調信号の波形を調節する。また、上述の例のように、集積領域１１ｂに電子を集積する場合とホールを集積する場合とで集積電圧Ｖａの絶対値を等しく設定するのではなく、ホールを集積する場合の集積電圧Ｖａの絶対値を、電子を集積する場合の集積電圧Ｖａの絶対値よりも大きくすれば、集積効率αを１に近付けることが可能になる。あるいはまた、電子を集積するときの集積電圧Ｖａの印加期間Ｐａよりもホールを集積するときの集積電圧Ｖａの印加期間Ｐａのほうが長くなるようにしても集積効率αを１に近付けることが可能になる。

変調信号が矩形波である場合も同様であって、電子とホールとの集積効率を考慮して補正することにより、時間差ｔｄを正確に求めることができる。また、変調信号として他の波形を用いる場合も同様である。

ところで、上述の例では再結合確率を１と仮定しているが、実際には電子とホールとを再結合させて消滅させる場合の再結合確率は、電子とホールとの密度に依存する。一方、受光光量が少ないときにはできるだけ電子を消滅させず、受光光量が多くなると光検出素子６の飽和を防止するために消滅する電子の量を増やしたい場合がある。このような場合は、受光光量に応じて再結合確率を調節することが必要になる。本実施形態では、感光部１１ｂで生成された電子とホールとを再結合させているから、電子の量に合わせてホールの量が変化する。その結果、受光光量に応じて再結合確率が自動的に調節される。

次に、発光源２の点灯および消灯とは非同期に求めた受光光量を用いて位相差ψを求める技術について簡単に説明する。この技術は、受光光量の変化に対応した信号に変調周波数とは異なる周波数の信号を干渉させると（混合すると）、両者の周波数差に相当する周波数で振幅が変化するビート信号が得られることを利用している。ビート信号の包絡線は位相差ψを内包しており、包絡線に相当する受光光量を包絡線の異なる位相で取り出せば、位相差ψを求めることができる。たとえば、包絡線の位相が０〜１８０度、９０〜２７０度、１８０〜３６０度、２７０〜９０度である４区間について受光光量を積分して求め、各受光光量をＡ０′、Ａ１′、Ａ２′、Ａ３′とすれば、（１）式のＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３をＡ０′、Ａ１′、Ａ２′、Ａ３′に読み替えるだけで、位相差ψを求めることができる。

なお、ビート信号を得る方法には受光光量に比例する受光信号を取り出し、変調信号とは異なる周波数の局発信号をタイミング制御回路４から出力し、受光信号と局発信号とを混合することが考えられるが、混合回路を設けると回路構成が複雑になるから好ましくない。そこで、集積電極１２に集積電圧を印加し保持電極１３に保持電圧を印加するタイミングを局発信号で制御し、混合回路の機能を集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとを用いて実現する。要するに、変調信号の変調周波数とは異なる周波数である局発信号を用いて主機能層１１に集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとを形成することによって、保持領域１１ｃに残留する電子がビート信号の振幅に相当する量になり、混合回路を用いることなくビート信号の振幅に応じた受光出力を距離演算回路５に与えることが可能になる。

（実施形態２）
実施形態１は、１個の光電変換部１に集積電極１２と保持電極１３とを１個ずつ設けていたが、本実施形態では、図６に示すように、１個の光電変換部１に対して、２個ずつの集積電極１２ａ，１２ｂおよび保持電極１３ａ，１３ｂを設けた例を示す。つまり、２個ずつの集積電極１２ａ，１２ｂおよび保持電極１３ａ，１３ｂが１グループ（ないし１画素）を構成する。２個の保持電極１３ａ，１３ｂは離間して配置され、両保持電極１３ａ，１３ｂの間に２個の集積電極１２ａ，１２ｂが配置される。また、集積電極１２ａ，１２ｂの間には各集積電極１２ａ，１２ｂにそれぞれ隣接する保持電極１３ａ，１３ｂとの距離よりも大きい距離のギャップｇが形成される。この構成では各保持電極１３ａ，１３ｂを覆う遮光膜１５の間の開口から感光部１１ａに光が導入される。また、図７に示すように、遮光膜１５は隣接する各一対の光電変換部１における保持電極１３ａ，１３ｂに跨るように設けられる。集積電極１２ａと保持電極１３ａとの組および集積電極１２ｂと保持電極１３ｂとの組はそれぞれ実施形態１における集積電極１２と保持電極１３との関係と同様に機能する。ただし、受光期間において、２個の集積電極１２ａ，１２ｂには互いに逆極性の集積電圧が印加されるとともに、２個の保持電極１３ａ，１３ｂにも互いに逆極性の保持電圧が印加される。

図６においては、集積電極１２ａ，１２ｂ同士または保持電極１３ａ，１３ｂ同士には逆極性の電圧が印加され、かつ隣接する集積電極１２ａ，１２ｂと保持電極１３ａ，１３ｂとには互いに逆極性の電圧が印加されることを示すために、タイミング制御回路４において集積電圧および保持電圧を印加する構成を、集積電圧および保持電圧を印加する２個の直流電源Ｅ１，Ｅ２と、両直流電源Ｅ１，Ｅ２と集積電極１２ａ，１２ｂおよび保持電極１３ａ，１３ｂとの接続関係を切り換える２接点の切換スイッチＳＷ１，ＳＷ２とで模式的に表している。また、集積電圧と保持電圧とは電圧値を等しくしてある。

本実施形態の構成では、変調信号の位相が０〜１８０度であるときに、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂに電子を集積し、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂにホールを集積するが、受光出力としてはいずれも電子を取り出すものとする。つまり、後述する動作によって保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃに保持した電子と、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに残留する電子とが受光出力を決める。

実施形態１において原理を説明した場合と同様に、本実施形態の原理も発光源２を駆動する変調信号を矩形波として説明する。また、本実施形態では、変調信号に同期するタイミングで集積電圧および保持電圧を切り換えるという条件で本実施形態の動作を説明する。この条件以外の動作は実施形態１において説明してあり、また本実施形態において説明する動作以外は実施形態１と同様である。

本実施形態では、発光源２の点灯期間において、集積電極１２ａに印加する集積電圧を正極性とし、集積電極１２ｂに印加する集積電圧を負極性とする。また、点灯期間において、保持電極１３ａに印加する保持電圧を負極性とし、保持電極１３ｂに印加する保持電圧を正極性とする。ただし、実施形態１と同様にして、電子およびホールを集積領域１１ｂに集積する前に、主機能層１１に残留する電子およびホールを廃棄する。

集積電極１２ａ，１２ｂに上述の極性で集積電圧を印加するとともに保持電極１３ａ，１３ｂに上述の極性で保持電圧を印加すると、主機能層１１において集積電極１２ａに対応する部位に形成される集積領域１１ｂには、主機能層１１への光の照射により主機能層１１で生成された電子が集積され、主機能層１１において集積電極１２ｂに対応する部位に形成される集積領域１１ｂには、主機能層１１への光の照射により主機能層１１で生成されたホールが集積される。つまり、主機能層１１で生成された電子とホールとは、各集積電極１２ａ，１２ｂに対応する部位で主機能層１１に形成される２個の集積領域１１ｂに振り分けられてそれぞれ集積される。

次に、環境光のみが存在する消灯期間において集積電極１２ａ，１２ｂに印加する集積電圧および保持電極１３ａ，１３ｂに印加する保持電圧の極性を切り換える。つまり、集積電極１２ａに印加する集積電圧を負極性とし、保持電極１３ａに印加する保持電圧を正極性とするとともに、集積電極１２ｂに印加する集積電圧を正極性とし、保持電極１３ｂに印加する保持電圧を負極性とする。このとき、感光部１１ａで生成された電子およびホールのうち、ホールは集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂに集積され、電子は集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに集積される。

点灯期間において集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂに存在していた電子はダングリングボンドに捕捉された一部を残して保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃに移動し、点灯期間において集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに存在していたホールはダングリングボンドに捕捉された一部を残して保持電極１３ｂに対応する保持領域１１ｃに移動する。つまり、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂに残された電子は集積されたホールと再結合し、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに残されたホールは集積された電子と再結合する。

消灯期間においては、集積電極１２ａに印加される集積電圧が負極性であり、保持電極１３ａに印加される保持電圧と集積電極１２ｂに印加される集積電圧とはともに正極性であるから、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂから保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃだけではなく、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂにも電子が移動しようとするが、ギャップｇを設けていることにより、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂへの電子の移動は抑制される。同様に、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂから保持電極１３ｂに対応する保持領域１１ｃと集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂとにホールが移動しようとするが、ギャップｇの存在により集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂへのホールの移動は抑制される。

消灯期間の次の点灯期間において、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂには、主機能層１１で生成された電子と、保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃに保持されていた電子とが集積され、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂに集積されていたホールはこれらの電子と出会い再結合することにより消滅する。同様にして、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂには、感光部１１ａで生成されたホールと、保持電極１３ｂに対応する保持領域１１ｃに保持されていたホールとが集積され、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに集積されていた電子はこれらのホールと出会い再結合することにより消滅する。

点灯期間において集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに集積されたホールは、引き続く消灯期間において保持電極１３ｂに対応する保持領域１１ｃに移動する際に感光部１１ａあるいは保持領域１１ｃからの電子と出会って再結合する。同様に、消灯期間において集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂに集積されたホールは、引き続く点灯期間において保持電極１３ａに対応する保持領域１１ａに移動する際に感光部１１ａあるいは保持領域１１ｃからの電子と出会って再結合する。

上述した動作を複数回繰り返した後において、保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃに残留する電子は、実施形態１と同様であって、環境光に対応する成分が減殺されていることになる。一方、電子とホールとの集積効率が等しく、電子とホールとの再結合確率が１であれば、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂには電子は残留していないはずであるが、一般に再結合確率は１よりも大幅に小さいから、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに電子が残留する。残留した電子は消灯期間に生成されたものであるが、点灯期間において生成されたホールとの再結合により、一部が消滅しているから点灯期間の情報を持っていることになる。つまり、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに残留する電子も、信号光と環境光とを併せた成分から環境光に対する成分を減殺した成分になる。

上述の動作を踏まえて、光検出素子６における各光電変換部１に対応する受光出力から距離を求める場合の動作を以下に説明する。本実施形態では、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに残留する電子を受光出力に用いる。集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂに電子が残留する原因は、ホールの集積効率αが１より小さく、再結合確率βが１より小さいことにある。そこで、距離演算回路５において受光出力から距離を求めるために、集積領域１１ｂへのホールの集積効率α（０＜α＜１）および電子とホールとの再結合確率β（０＜β＜１）を考慮して（１）式を修正することを考える。なお、集積電圧Ｖａと印加期間Ｐａとについては電子とホールとに関わらず同条件であるものとする。

実施形態１と同様に考えれば、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂでは、受光光量がＡ０、Ａ１であるときに集積領域１１ｂに集積される電子の個数Ｎ０、Ｎ１はそれぞれＮ０＝ｈ（Ａ０）、Ｎ１＝ｈ（Ａ１）であり、受光光量がＡ２、Ａ３であるときに集積領域１１ｂに集積されるホールの個数Ｎ２，Ｎ３はそれぞれＮ２＝αｈ（Ａ２）、Ｎ３＝αｈ（Ａ３）になる。一方、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂにおいては、電子とホールとの関係が逆になるから、Ｎ０、Ｎ１がホールの個数を表すとともにＮ２、Ｎ３が電子の個数を表し、Ｎ０＝αｈ（Ａ０）、Ｎ１＝αｈ（Ａ１）、Ｎ２＝ｈ（Ａ２）、Ｎ３＝ｈ（Ａ３）になる。

また、電子とホールとの再結合により残留する電子の個数は、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂと保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃとに関して言えば（Ｎ０−βＮ２）または（Ｎ１−βＮ３）であり、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂと保持電極１３ｂに対応する保持領域１１ｃとに関して言えば（Ｎ２−βＮ０）または（Ｎ３−βＮ１）である。したがって、集積電極１２ａと保持電極１３ａとの組を用いてホールと再結合された後に残留する電子の個数は次式で表される。
Ｎ０−βＮ２＝ｈ（Ａ０）−αβｈ（Ａ２） …（ａ）
Ｎ１−βＮ３＝ｈ（Ａ１）−αβｈ（Ａ３） …（ｂ）
また、集積電極１２ｂと保持電極１３ｂとの組を用いてホールと再結合された後に残留する電子の個数は次式で表される。
Ｎ２−βＮ０＝ｈ（Ａ２）−αβｈ（Ａ０） …（ｃ）
Ｎ３−βＮ１＝ｈ（Ａ３）−αβｈ（Ａ１） …（ｄ）
つまり、受光出力としては（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に相当する４出力が得られる。そこで、（ａ）−（ｃ）と（ｂ）−（ｄ）とをそれぞれ求めると、次式が得られる。
（Ｎ０−βＮ２）−（Ｎ２−βＮ０）＝（１＋β）（Ｎ０−Ｎ２）
＝｛ｈ（Ａ０）−αβｈ（Ａ２）｝−｛ｈ（Ａ２）−αβｈ（Ａ０）｝
＝（１＋αβ）｛ｈ（Ａ０）−ｈ（Ａ２）｝ …（ｅ）
（Ｎ１−βＮ３）−（Ｎ３−βＮ１）＝（１＋β）（Ｎ１−Ｎ３）
＝｛ｈ（Ａ１）−αβｈ（Ａ３）｝−｛ｈ（Ａ３）−αβｈ（Ａ１）｝
＝（１＋αβ）｛ｈ（Ａ１）−ｈ（Ａ３）｝ …（ｆ）
関数ｈを線形関数とすれば、（ｅ）／（ｆ）＝（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）になる。結局、本実施形態の４出力を用いることにより、（１）式で用いる（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）を補正することなく求めることが可能になる。

上述した手順を簡単にまとめる。まず、変調信号の位相によって区分される４区間のうち１８０度異なる２区間分について電子の集積と保持とを繰り返した後、保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃから受光出力を取り出すと（ａ）（ｃ）に相当する出力が得られるから、距離演算回路５では両者の差分を求める。次に、変調信号の位相によって区分される４区間のうち上述の２区間とは異なる２区間について電子の集積と保持とを繰り返した後、集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂから受光出力を取り出すと（ｂ）（ｄ）に相当する出力が得られるから、距離演算回路５では両者の差分を求める。このようにして求めた２つの差分値を除算すれば、除算結果は（１）式における（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）に相当するから、位相差ψを求めることができる。要するに、本実施形態の構成を採用し、保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃと集積電極１２ｂに対応する集積領域１１ｂとにそれぞれ集積した電子の量の差分を用いると、集積効率αおよび再結合確率βの影響を除去して位相差ψを求めることが可能になる。

本実施形態では、各光電変換部１に設けた２個の保持電極１３ａ，１３ｂに対応する保持領域１１ｃに光が入射しないように遮光膜１５で保持電極１３ａ，１３ｂを覆っているが、図８に示すように、各光電変換部１にそれぞれ対応するレンズ１９ａを備えるレンズアレイ１９を光検出素子６の受光面に配置してもよい。レンズアレイ１９は、合成樹脂成形品によりレンズ１９ａを連続一体に形成するものを想定しているが、独立したレンズ１９ａをレンズ枠により保持したものを用いることもできる。各レンズ１９ａは、光の入射面が凸になった平凸レンズであって、レンズ１９ａ同士の境界が光電変換部１の境界に一致するように配置される。

レンズ１９ａは収束レンズであり、図８に矢印で示すように、光電変換部１の中央部に入射光を収束させる機能があり、この機能により、保持電極１３ａ，１３ｂに光が入射するのを防止している。すなわち、遮光膜１５を設けた場合と同様に、保持電極１３ａ，１３ｂに対応する保持領域１１ｃへの光の入射を防止することができる。しかも、光電変換部１の全面に相当する領域に入射した光が収束されて光電変換部１における感光部１１ａに入射するから、遮光膜１５を設ける場合に比較すると開口率が大きくなり、光の利用効率が高くなる。

（実施形態３）
実施形態２の構成では、集積電極１２ａ，１２ｂの間にギャップｇが存在し、ギャップｇが存在することによって各集積電極１２ａ，１２ｂに対応して形成される集積領域１１ｂにおいて電子とホールとを分離して集積することが可能になっている。ギャップｇは幅を広くするほうが電子とホールとを分離しやすくなる。一方、複数個の光電変換部１を配列することにより光検出素子６を構成し、かつ主機能層１１を垂直転送レジスタとして兼用している場合には、集積電極１２ａ，１２ｂおよび保持電極１３ａ，１３ｂを用いて主機能層１１に形成されるポテンシャル井戸を制御することでキャリア（電子またはホール）を転送するから、ギャップｇの幅を広くするとギャップｇの部位ではキャリアを転送するためのポテンシャル井戸を形成することができなくなる。

本実施形態は、図９（ａ）に示すように、実施形態２の構成における１つの光電変換部１を構成する１グループの集積電極１２ａ，１２ｂの間に転送用電極２２を付加することにより、集積電極１２ａ，１２ｂの距離を広げて電子とホールとを分離しやすくしながらも、保持領域１１ｃに残留する電子およびホールの転送を容易にしたものである。この構成では、保持領域１１ｃに電子およびホールを集積する間には転送用電極２２には転送電圧を印加せずに０Ｖに保つことによって、転送用電極２２の幅以上の幅を有したギャップｇを集積電極１２ａ，１２ｂの間に形成することができる。また、保持領域１１ｃに集積したキャリアを転送する際には、転送用電極２２を集積電極１２ａ，１２ｂおよび保持電極１３ａ，１３ｂと併せて用い、適宜のタイミングで転送電圧を印加することにより、キャリアが移動しやすくなるように主機能層１１にポテンシャル井戸を形成することが可能になる。

また、光検出素子６においては、垂直方向に隣接する光電変換部１の間にも保持領域１１ｃからのキャリアの漏れを抑制するために間隙が形成されているから、この間隙に対応する部位にも転送用電極２３を付加することで、垂直方向において隣接する光電変換部１の間で電子とホールとを分離しながらも、キャリアの転送時にはキャリアが移動しやすいようにポテンシャル井戸を形成することが可能になる。この構成では、１グループ（１画素）当たり６個の電極（集積電極１２ａ，１２ｂ、保持電極１３ａ，１３ｂ、転送用電極２２，２３）を用いることになる。要するに、主機能層１１を共用する集積電極１２ａ，１２ｂと保持電極１３ａ，１３ｂとのグループが複数グループ設けられ、グループ内で隣り合う集積電極１２ａ，１２ｂの間と、グループ間で隣り合う保持電極１３ａ，１３ｂの間とにそれぞれ転送用電極２２，２３が配置されるのである。

ところで、上述した例では、集積領域１１ｂへのホールの集積効率は電子よりも小さいが、実施形態２で考察したように、１つの光電変換部１に集積電極１２ａ，１２ｂと保持電極１３ａ，１３ｂとを２個ずつ設け、この光電変換部１に対応した受光出力を用いると、集積効率αおよび再結合確率βの影響を排除して距離を求めることができる。しかしながら、ホールの集積効率が電子に比べて極端に小さいと、電子とホールとの再結合を利用する効果が十分に得られなくなる。そこで、電子およびホールを集積領域１１ｂに集積する期間において転送用電極２２に適宜の電圧を印加することにより、ホールの集積効率を高めてもよい。

すなわち、集積電極１２ａ（または集積電極１２ｂ）に負極性の集積電圧を印加するとともに、集積電極１２ｂ（または集積電極１２ａ）に正極性の集積電圧を印加しているときに、集積電極１２ａ（または集積電極１２ｂ）に印加する集積電圧よりも絶対値の小さい負極性の電圧を転送用電極２２に印加するのである。転送用電極２２に電圧を印加せずに０Ｖに保つ場合には転送用電極２２はホールの集積に寄与しないが、負極性の適宜大きさの電圧を転送用電極２２に印加することによって、図９（ｂ）のように、感光部１１ａで生成されたホールは集積電極１２ａ（または集積電極１２ｂ）に対応する集積領域１１ｂだけではなく、転送用電極２２に対応して形成されるポテンシャル井戸にも集積される。転送用電極２２に対応して形成されるポテンシャル井戸は、ホールに対して集積領域１１ｂであるポテンシャル井戸よりも浅いから、転送用電極２２に対応して形成されるポテンシャル井戸に集積されるホールは集積領域１１ｂに流れる。その結果、集積電極１２ａ（または集積電極１２ｂ）を単独で用いる場合に比べて多くのホールを集積領域１１ｂに集積することが可能になる。なお、上述の例ではホールの集積効率が電子よりも小さい場合を想定しているが、逆に電子の集積効率がホールよりも小さい場合には、転送用電極２２を電子の集積に用いるために転送用電極２２に正極性の適宜大きさの電圧を印加するようにしてもよい。他の構成および動作は実施形態２と同様である。

（実施形態４）
実施形態１では、基板１０とサブストレート１６との電位を調節することによって光検出素子６に残留する電子およびホールを廃棄する構成例を示したが、本実施形態では、光検出素子６を構成する光電変換部１に隣接するように廃棄電極１７（図１０、図１１参照）を設け、廃棄電極１７に印加する廃棄電圧を制御することにより、光検出素子６に残留する電子およびホールを廃棄する例を示す。

光電変換部１を縦横に複数個ずつ配列している場合には、縦横の一方の方向に沿った廃棄電極１７を他方の方向に隣接する各一対の光電変換部１の間に配置する。たとえば、図１０のように主機能層１１を垂直転送レジスタとして兼用する構成を採用する場合には、集積電極１２ａ，１２ｂと保持電極１３ａ，１３ｂと転送用電極２２，２３とを垂直方向（図１０の縦方向）に配列し、光電変換部１を垂直方向に配列した各列の間に垂直方向に延長された廃棄電極１７を設ける。この構成では、垂直転送レジスタとともに電荷転送部７を構成する水平転送レジスタ２１に対して主機能層１１である垂直転送レジスタの一端からキャリアが引き渡される。なお、図１０では集積電極１２ａ，１２ｂ、保持電極１３ａ，１３ｂ、転送用電極２２，２３を垂直方向の各列ごとに分割しているが、各列間を分割せずに４列分を水平方向に延長された１個の電極で構成してもよい。

廃棄電極１７は、ｎ形の半導体層である主機能層１１に主表面から所定の深さ（２〜３μｍ）までの領域で形成してある。主機能層１１と廃棄電極１７とはオーミックに接合してあり、正極性または負極性の廃棄電圧を廃棄電極１７に印加することにより、主機能層１１に残留する電子とホールとを廃棄電極１７を通して主機能層１１から廃棄することが可能になる。また、廃棄電極１７に電圧を印加せず０Ｖに保つことにより、水平方向に隣接する主機能層１１に形成される集積領域１１ｂ同士あるいは保持領域１１ｃ同士で電子またはホールが混合されるのを防止することができ、廃棄電極１７が光電変換部１の分離性の向上に寄与することになる。つまり、廃棄電極１７は光電変換部１を水平方向において互いに分離する分離電極として機能する。したがって、廃棄電極１７の深さは、主機能層１１に残留するキャリア（とくに、ホール）を確実に廃棄できるように設定されるのはもちろんのこと、光電変換部１の間のキャリアの漏れを防止することも考慮して設定される。なお、廃棄電極１７を設けずに導電材料からなる分離電極を光電変換部１の分離の目的で設け、主機能層１１に残留する電子およびホールは基板１０およびサブストレート１６を通して廃棄するようにしてもよい。

廃棄電極１７を用いて主機能層１１に残留する電子およびホールを廃棄する際には、電子を廃棄するかホールを廃棄するかに応じた極性で廃棄電極１７に廃棄電圧を印加する。たとえば、保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃに電子が残留し、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂにホールが残留しているものとする。実施形態１と同様に、主機能層１１に残留するホールを先に廃棄する必要があるから、まず、ホールを廃棄するために廃棄電極１７に負極性の廃棄電圧を印加した後に、電子を廃棄するために廃棄電極１７に正極性の廃棄電圧を印加する。廃棄電極１７に負極性の廃棄電圧を印加すれば、集積電極１２ａに対応する集積領域１１ｂに残留していたホールが廃棄され、その後、廃棄電極１７に正極性の廃棄電圧を印加すれば、保持電極１３ａに対応する保持領域１１ｃに残留していた電子が廃棄される。この構成は基板１０の導電形がｎ形である場合に用いることができるのはもちろんのこと、基板１０の導電形がｐ形であって基板１０を通してキャリアの廃棄ができない場合であっても、廃棄電極１７を通して主機能層１１の残留キャリアを廃棄することができる。

ところで、水平方向に隣り合う光電変換部１の間の分離性を向上させるために、廃棄電極１７を設ける代わりに、図１２に示すように、隣接する光電変換部１の列間に絶縁分離部１８を形成してもよい。絶縁分離部１８はシリコン酸化層（ＳｉＯ_２）からなる絶縁材料により形成されており、絶縁層１４に連続するように形成される。絶縁分離部１８は水平方向に隣り合う光電変換部１の間のキャリアの漏れを防止する目的であるから、主表面からの深さは保持領域１１ｃの深さによって決まり、たとえば２〜３μｍに設定される。なお、絶縁分離部１８を形成する場合には主機能層１１に残留するキャリアを廃棄するための電極を別途に設ける。たとえば、光検出素子６を形成する半導体基板の周部にＣＣＤイメージセンサと同様のオーバーフロードレインを設け、オーバーフロードレインを通してキャリアを廃棄することが可能である。

なお、図では主機能層１１が垂直転送レジスタを兼用する構成の光検出素子６を例示したが、主機能層１１とは別に垂直転送レジスタを設け、主機能層１１から転送ゲートを介して垂直転送レジスタにキャリアを引き渡すようにしてもよい。この構成を採用する場合には、各主機能層１１において転送ゲートを設ける部位以外を、それぞれ廃棄電極１７あるいは絶縁分離部１８で囲むようにしてもよい。

（実施形態５）
本実施形態は、図１３に示すように、実施形態３において説明した転送用電極２２に代えて２個の制御電極２４ａ，２４ｂを設けるとともに、転送用電極２３に代えて２個の制御電極２５ａ，２５ｂを設けた構成を有する。すなわち、本実施形態では、１個の光電変換部１において２個ずつの集積電極１２ａ，１２ｂ、保持電極１３ａ，１３ｂ、制御電極２４ａ，２４ｂ、制御電極２５ａ，２５ｂを設け、１画素に８個の電極を設けた構成を採用している。また、図示例では、集積電極１２ａ，１２ｂ、保持電極１３ａ，１３ｂ、制御電極２４ａ，２４ｂ、制御電極２５ａ，２５ｂを等間隔に配列してある。制御電極２４ａ，２４ｂは１個の光電変換部１において隣接する集積電極１２ａ，１２ｂの間に配置してあり、したがって制御電極２４ａ，２４ｂには光が透過する。また、制御電極２５ａ，２５ｂは隣り合う２個の光電変換部１に設けた保持電極１３ａ，１３ｂの間に配置してある。したがって、制御電極２５ａ，２５ｂは遮光膜１５に覆われる。

以下では、本実施形態の動作を図１４に基づいて説明する。図１４（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ制御電極２５ａ、保持電極１３ａ、集積電極１２ａ、制御電極２４ａ、制御電極２４ｂ、集積電極１２ｂ、保持電極１３ｂ、制御電極２５ｂに電圧を印加することにより形成されるポテンシャル井戸の深さの変化を示しており、各図の中央の横線はポテンシャル井戸が形成されない状態を表し、中央の横線よりも下側は電子に対するポテンシャル井戸が形成される状態、中央の横線よりも上側はホールに対するポテンシャル井戸が形成される状態をそれぞれ表している。つまり、中央の線を基準電位とすれば、電子に対するポテンシャル井戸が形成される期間は正極性の電圧を印加している期間であり、ホールに対するポテンシャル井戸が形成される期間は負極性の電圧を印加している期間になる。図１４から明らかなように、集積電極１２ａ，１２ｂに印加する集積電圧と保持電極１３ａ，１３ｂに印加する保持電圧とは、それぞれ正負１段階ずつと基準電位との３段階に切り換えられ、制御電極２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂに印加する電圧は、正１段階と負２段階と基準電位との４段階に切り換えられる。図１４では、電子を符号ｅで表し、ホールを符号ｈで表し、電子ｅないしホールｈの移動を矢印で表している。また、丸を付した符号ｅおよび符号ｈは、感光部１１から集積した電子またはホールを含むことを意味している。

ここで、実施形態１と同様に、発光源２が点灯と消灯とを繰り返し、かつ点灯期間Ｐｂと消灯期間Ｐｄとの受光光量の差分に相当する受光出力を得る場合を基本動作とすると、本実施形態では、集積期間Ｔｃ１と移送期間Ｔｍ１とが点灯期間Ｐｂに対応し、集積期間Ｔｃ２と移送期間Ｔｍ２とが消灯期間Ｐｄに対応する。実施形態１〜４では基本動作において、図３のように、点灯期間Ｐｂと消灯期間Ｐｄとの切換時点と集積電圧および保持電圧の切換時点とを一致させるから、図１４に示す集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２のみの動作を行っていることになる。本実施形態の動作は、集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２の間に移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２を設けていることが特徴であり、移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２には集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとの間に電位勾配を形成して電子またはホールの移動方向を規制することにより、電子またはホールが拡散するのを防止している。つまり、移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２には制御電極２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂに対応する部位に適宜の電圧を印加することによって、主機能層１１における制御電極２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂに対応する部位に待避領域を形成し、待避領域に電子またはホールを一旦待避させた後に集積領域１１ｂまたは保持領域１１ｃに移送することによって、集積電圧と保持電圧との極性の反転時における電子またはホールの拡散を防止する。

さらに詳しく説明する。図１４に示す動作では集積電極１２ａ，１２ｂに印加する集積電圧と保持電極１３ａ，１３ｂに印加する保持電圧と制御電極２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂに印加する電圧との組合せに１０個の状態があり、１０状態で１周期になるように各電圧の印加タイミングをタイミング制御回路４により制御する。各状態を区別するために、図１４では１〜１０の符号を付している。各状態における電圧の変化を表１に示す。表１では、電圧を＋２Ｖ、＋Ｖ、０、−Ｖ、−２Ｖの５段階で表している。０は基準電位であり、＋２Ｖ＞＋Ｖ＞０＞−Ｖ＞−２Ｖである。

状態１は集積期間Ｔｃ１、状態６は集積期間Ｔｃ２であって、各集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２には、感光部１１ａで生成された電子またはホールを集積領域１１ｂに集積するとともに、集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２より前に保持領域１１ｃに移送されている電子またはホールを保持領域１１ｃで保持する。集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２の動作は基本的には実施形態１〜４と同様である。

状態２〜５は移送期間Ｔｍ１、状態６〜９は移送期間Ｔｍ２であって、各移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２には、集積電圧および保持電圧の極性を入れ換える。ただし、両極性の間に一旦は基準電位となる状態（状態３，８）を挟む。集積電圧と保持電圧とが基準電位となる状態３，８には、主機能層１１において制御電極２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂに対応する部位に待避領域となるポテンシャル井戸を形成し、集積電極１２ａ，１２ｂに対応する集積領域１１ｂからそれぞれ制御電極２５ｂ，２５ａに対応する待避領域に電子またはホールを移送するとともに、保持電極１３ａ，１３ｂに対応する保持領域１１ｃからそれぞれ制御電極２４ａ，２４ｂに対応する待避領域に電子またはホールを移送することができるように主機能層１１に電位勾配を付与する。集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとには異なる種類のキャリア（一方が電子であれば他方がホール）が存在しているから、待避領域に電子またはホールが移送されることにより、電子とホールとが再結合する。すなわち、電子とホールとの再結合は、他の実施形態では主として集積電圧と保持電圧との極性の切換後に行われるが、本実施形態では集積電圧と保持電圧との極性の切換後だけではなく集積電圧と保持電圧との極性の切換時にも行われる。つまり、待避領域を設けていることにより、集積電圧と保持電圧とが基準電位を通過するときに、電子とホールとが待避領域に移送され、移送の間に電子とホールとが再結合する。図１４において矢印が交差する部位がこの状態を表している。また、他の実施形態と同様に、集積領域１１ｂおよび保持領域１１ｃにおいて主機能層１１の表面に捕捉されている電子またはホールは、集積領域１１ｂおよび保持領域１１ｃに移動してきた電子またはホールと再結合する。

要するに、移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２には、集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとのうち電子を保持していた領域からホールを保持していた領域の反対側に形成される待避領域に向かって電子が移動し、ホールと再結合せずに待避領域に達した電子は、集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとのうち最初に電子を保持していた領域とは異なる領域に移動して、当該領域に残留していたホールと再結合する。また同様にして、集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとのうちホールを保持していた領域から電子を保持していた領域の反対側に形成される待避領域に向かってホールが移動し、電子と再結合せずに待避領域に達したホールは、集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとのうち最初にホールを保持していた領域とは異なる領域に移動して、当該領域に残留していた電子と再結合する。このような動作により、集積電圧と保持電圧との極性の切換時であって集積電圧と保持電圧とが基準電位になるときには、電子およびホールが拡散せずに集積領域１１ｂまたは保持領域１１ｃを通って待避領域に向かって移動するように電位勾配を与え、その後、電子およびホールを先に通過した集積領域１１ｂまたは保持領域１１ｃに引き戻すのである。

移送期間Ｔｍ１，Ｔｍ２において状態２，７は、集積電圧と保持電圧との極性を切り換える前の準備期間であり、状態２，７で待避領域を用意することにより主機能層１１に電位勾配を付与し、電子およびホールの拡散を防止することができる。なお、図１４に示すように、集積領域１１ｂに多くの電子およびホールを集めるために、状態１〜１０のうち集積期間Ｔｃ１，Ｔｃ２に対応する状態１，６は他の状態よりも時間を長くしてある。また、状態１〜５と状態６〜１０とは電子とホールとに関与する状態が入れ代わっているだけで、実質的に同様の動作になる。

上述した動作から明らかなように、本実施形態では、集積電圧および保持電圧がともに基準電位になる期間（状態３，８）には、隣接する集積領域１１ｂおよび保持領域１１ｃを挟む２つの待避領域の間に電位勾配を形成して電子とホールとの拡散を防止しているから、隣接する光電変換部１の間で電子とホールとが混合されることがなく、光電変換部１の分離性が高くなる。また、本実施形態の構成では、再結合後に残留する電子を受光出力として取り出す際の電子の転送用として、集積電極１２ａ，１２ｂおよび保持電極１３ａ，１３ｂとともに制御電極２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを用いることができる。他の構成および動作は他の実施形態と同様である。

図１４に示す動作から明らかなように、１画素を構成する８個の電極のうち、集積電極１２ａ、保持電極１３ａ、制御電極２４ａ、２５ａの４個の電極と、集積電極１２ｂ、保持電極１３ｂ、制御電極２４ｂ、２５ｂの４個の電極とがそれぞれ組になっており、電子およびホールは組になっている電極の間で移動するから、組外に電子またはホールが漏れることがなく、他組の電子またはホールとの混合を防止することができる。なお、上述した電圧の制御例は一例であって、集積電圧と保持電圧との切換時に待避領域に電子とホールとを移送し、その後に待避領域から集積領域１１ｂと保持領域１１ｃとに電子とホールとを移送する動作であれば、上述の例以外の動作を採用してもよい。また、１組の集積電極１２ａ，１２ｂと保持電極１３ａ，１３ｂとに対して、２個ずつの制御電極２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを設けた例で説明したが、１組の集積電極１２ａ，１２ｂと保持電極１３ａ，１３ｂとに対して、制御電極を１個ずつしか設けていない場合（つまり、実施形態３における転送用電極２２，２３を設けた構成と同様の構成）であっても、集積電圧と保持電圧との切換時に待避領域に電子とホールとを移送するように電圧を制御することが可能である。

なお、上述した各実施形態では、主機能層１１をｎ形、サブストレート１６をｐ形、基板１０をｎ形として説明したが、上述した動作が可能な範囲において導電形は適宜に選択可能である。また、受光出力として電子を採用したが、ホールを採用することも可能である。あるいはまた、電子とホールとの両方を受光出力として採用することも可能である。たとえば、図１に示した構成において、実際には、再結合確率が１ではないから、集積電圧と保持電圧とを制御することにより電子とホールとを再結合させた後には、電子とホールとの一方だけが残留するのではなく、電子とホールとがともに残留している。たとえば、点灯期間Ｐｂには集積領域１１ｂに主として電子を集積し、消灯期間Ｐｄには集積領域１１ｂに主としてホールを集積するとすれば、点灯期間Ｐｂの受光光量に対応する個数の電子と、消灯期間Ｐｄの受光光量に対応する個数のホールとは、ともに再結合によって同数ずつ消滅すると考えられる。いま、点灯期間Ｐｂに集積した電子の個数をＮｅ、消灯期間Ｐｄに集積したホールの個数Ｎｈとし、１回の再結合により消滅する電子およびホールの個数をＮｄとすれば、１回の再結合後に残留する電子とホールとの個数はＮｅ−Ｎｄ、Ｎｈ−Ｎｄになる。したがって、電子とホールとのどちらを受光出力に用いても、再結合せずに取り出す場合よりは少なくなり、結果的に光検出素子６の飽和が抑制される。また、電子を集積する期間を図４または図５に示した受光光量Ａ０またはＡ１に対応する期間、ホールを集積する期間を受光光量Ａ２またはＡ３の期間とすれば、再結合後の電子の個数は受光光量Ａ０またはＡ１に対応する個数ＮＥからＮｄに比例する一定数ＮＤを減じた個数になり、再結合後のホールは受光光量Ａ２またはＡ３に対応する個数ＮＨからＮｄに比例する一定数ＮＤを減じた個数になる。つまり、再結合後に残留した電子とホールとをそれぞれ受光出力として取り出した後に減算すれば（ＮＥ−ＮＤ）−（ＮＨ−ＮＤ）であって、（ＮＥ−ＮＤ）−（ＮＨ−ＮＤ）＝ＮＥ−ＮＨであるから、Ａ０−Ａ２またはＡ１−Ａ３を求めることができる。なお、この演算は電子とホールとの集積効率が等しいと仮定して行っているが、集積効率が異なる場合には演算時に適宜の補正が必要になる。また、電子とホールとは極性が異なるから、光検出素子６の出力において電子とホールとに対応する受光出力の極性を反転させるか、あるいはＡ０−Ａ２またはＡ１−Ａ３の演算を行う外部回路（たとえば、距離演算回路５）において光検出素子６から得た２つの受光出力を加算する。

本発明の実施形態１の概略構成図である。 同上を用いた測距装置の構成例を示すブロック図である。 同上における電圧の印加タイミングを示す動作説明図である。 同上における測距の原理を示す動作説明図である。 同上における測距の原理を示す動作説明図である。 本発明の実施形態２の概略構成図である。 同上の要部断面図である。 同上の他の構成例の要部断面図である。 本発明の実施形態３を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は動作説明図である。 本発明の実施形態４を示す正面図である。 図１０のＡ−Ａ線断面図である。 同上の他の構成例の要部断面図である。 本発明の実施形態５を示す概略構成図である。 同上における電圧の印加タイミングを示す動作説明図である。 本発明の動作原理を説明する図である。

符号の説明

１ 光電変換部
２ 発光源
３ 対象物
４ タイミング制御回路
５ 距離演算回路
６ 光検出素子
７ 電荷取出部
１０ 基板
１１ 主機能層
１１ａ 感光部
１１ｂ 集積領域
１１ｃ 保持領域
１１ｄ，１１ｅ ポテンシャル井戸
１２ 集積電極
１２ａ，１２ｂ 集積電極
１３ 保持電極
１３ａ，１３ｂ 保持電極
１４ 絶縁層
１５ 遮光膜
１６ サブストレート
１７ 廃棄電極
１８ 絶縁分離部
１９ レンズアレイ
１９ａ レンズ
２１ 水平転送レジスタ
２２ 転送用電極
２３ 転送用電極
２４ａ，２４ｂ 制御電極
２５ａ，２５ｂ 制御電極

Claims (17)

1. 光の照射により電子およびホールを生成する固体からなる光電変換部を有し、前記固体の一表面に絶縁層を介して配置され集積電圧が印加されると前記固体にポテンシャル井戸からなる集積領域を形成する集積電極を有し、集積電極に隣接する部位において前記固体の一表面に絶縁層を介して配置され保持電圧が印加されると前記固体にポテンシャル井戸からなる保持領域を形成する保持電極を有し、集積電極と保持電極とに異極性の電圧が印加されて集積領域に電子とホールとの一方が集積される状態と、集積電極と保持電極とに印加する電圧の極性が入れ換えられて集積領域に電子とホールとの他方が集積される状態と、電子とホールとの前記他方が集積領域に集積されている間に前記一方が保持領域に保持される状態とが設けられることにより、光電変換部で異なる時刻に生成された電子とホールとが集積領域と保持領域とに振り分けられ、かつ集積電極と保持電極とに印加する電圧の極性が入れ換えられることにより、集積領域と保持領域との間で電子とホールとが移送される期間に電子とホールとが再結合され、再結合後に残留した電子とホールとの少なくとも一方が受光出力として取り出されることを特徴とする光検出素子。
2. 前記光電変換部のうち少なくとも前記保持電極を設けた部位を遮光する遮光膜を備えることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
3. 前記光電変換部のうち前記集積電極を設けた部位に入射光を収束させるレンズを備えることを特徴とする請求項１記載の光検出素子。
4. 前記光電変換部は、基板にサブストレートを介して主機能層を積層して形成され、基板に印加される基板電圧とサブストレートに印加されるリセット電圧とは基板とサブストレートとが逆バイアスになる関係であって、リセット電圧の極性が制御されることにより光電変換部に残留する電子およびホールがサブストレートと基板との一方を通して廃棄されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光検出素子。
5. 前記光電変換部において前記集積電極と前記保持電極とが並ぶ方向に沿って埋め込まれる廃棄電極を有し、廃棄電極に印加される廃棄電圧が制御されることにより光電変換部に残留する電子およびホールが廃棄電極を通して廃棄されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光検出素子。
6. 前記集積電極と前記保持電極とが偶数個ずつ設けられ、２個ずつの集積電極および保持電極からなる１グループにおいて２個の保持電極の間に２個の集積電極が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光検出素子。
7. 隣り合う前記集積電極の間の距離は、隣り合う前記集積電極と前記保持電極との距離よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の光検出素子。
8. 前記集積電極と前記保持電極とを並べた列が前記固体を共用する形で複数列設けられ、固体において各列間の部位には絶縁材料からなり列間を互いに分離する絶縁分離部が埋め込まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の光検出素子。
9. 前記集積電極と前記保持電極とを並べた列が前記固体を共用する形で複数列設けられ、固体において各列間の部位には導電材料からなり電圧の印加と非印加とにより列間を互いに分離する分離電極が埋め込まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の光検出素子。
10. 前記集積電極と前記保持電極とが前記固体を共用する形で複数グループ設けられ、グループ内で隣り合う集積電極の間と、グループ間で隣り合う保持電極の間とにそれぞれ配置された転送用電極を有し、再結合後に残留した電子とホールとの一方を集積電極と保持電極と転送用電極とを用いて転送することを特徴とする請求項６または請求項７記載の光検出素子。
11. 前記集積電極と前記保持電極とが前記固体を共用する形で複数グループ設けられ、グループ内で隣り合う集積電極の間と、グループ間で隣り合う保持電極の間とにそれぞれ配置され電圧が印加されるとポテンシャル井戸からなる待避領域を形成する制御電極を有し、電子とホールとの移送過程において電子とホールとの少なくとも一方を待避領域を介して移送することを特徴とする請求項６または請求項７記載の光検出素子。
12. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光検出素子の制御方法であって、前記集積領域に電子を集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域にホールを保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する第１の状態と、前記集積領域にホールを集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域に電子を保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する第２の状態とを切り換えることにより、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの一方を受光出力として取り出すことを特徴とする光検出素子の制御方法。
13. 請求項１１記載の光検出素子の制御方法であって、前記集積領域に電子を集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域にホールを保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する第１の状態と、前記集積領域にホールを集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域に電子を保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する第２の状態とを切り換えるとともに、第１の状態と第２の状態との移行期間として集積領域と保持領域と待避領域との間に一定方向の電位勾配が形成されるように制御電極への印加電圧を制御することにより電子とホールとの少なくとも一方を待避領域に一旦移送する期間を含み、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを相互に移送し、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの一方を受光出力として取り出すことを特徴とする光検出素子の制御方法。
14. 前記第１の状態と前記第２の状態との切換を交互に複数回行った後に前記受光出力を取り出すことを特徴とする請求項１２または請求項１３記載の光検出素子の制御方法。
15. 請求項１０記載の光検出素子の制御方法であって、前記光電変換部で生成された電子とホールとの少なくとも一方について、前記集積電極に対応して形成される集積領域に集積する際に前記固体において前記転送用電極に対応する部位にポテンシャル井戸を形成するように転送用電極に電圧を印加することにより、集積領域への集積効率を調節することを特徴とする光検出素子の制御方法。
16. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の光検出素子を対象空間からの光の受光に用いる装置であって、対象空間に投光する光の強度が所定の変調周波数の変調信号により変調される発光源と、変調信号と前記集積電極に印加する集積電圧および前記保持電極に印加する保持電圧とを制御するタイミング制御回路と、前記光検出素子の受光出力と変調信号との関係により対象空間の情報を検出する評価部とを備え、タイミング制御回路は、前記集積領域に電子を集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域にホールを保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する状態と、前記集積領域にホールを集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域に電子を保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する状態とを所定のタイミングで切換可能であって、両状態の切換により集積領域と保持領域との間で電子とホールとを相互に移送させ、電子とホールとの移送過程で再結合した後に残留した電子とホールとの一方を受光出力として取り出すことを特徴とする空間情報検出装置。
17. 請求項６または請求項７記載の光検出素子を対象空間からの光の受光に用いる装置であって、対象空間に投光する光の強度が所定の変調周波数の変調信号により変調される発光源と、変調信号と前記集積電極に印加する集積電圧および前記保持電極に印加する保持電圧とを制御するタイミング制御回路と、光検出素子により受光した光と変調信号との位相差を対象空間に存在する対象物までの距離に換算する距離演算回路とを備え、タイミング制御回路は、前記集積領域に電子を集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域にホールを保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する状態と、前記集積領域にホールを集積するように前記集積電極に集積電圧を印加するとともに前記保持領域に電子を保持するように前記保持電極に保持電圧を印加する状態とを変調信号の位相の１８０度ごとに交互に切り換えることにより、集積領域と保持領域との間で電子とホールとを相互に移送して再結合させ、距離演算回路は、光検出素子において集積領域と保持領域とからなる２個の組のうちの一方で再結合後に保持領域に残留した電子とホールとの一方として取り出した受光出力と他方で再結合後に集積領域に残留した電子とホールとの一方として取り出した受光出力との差分を、変調信号の位相が９０度異なった２期間についてそれぞれ求め、一方の期間について求めた受光出力の差分を他方の期間について求めた受光出力の差分で除算した値を距離に換算することを特徴とする空間情報検出装置。

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