JP5139727B2 - 受光装置および空間情報の検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換部で生成された生成電荷から一部を不要電荷として分離した残留電荷を用いる受光装置、この受光装置を用いた空間情報の検出装置に関するものである。

一般に、半導体を用いた受光素子では、受光光量に応じた量の電荷を生成し、受光光量に応じた受光出力が得られる。しかしながら、受光出力が受光光量に応じて単調に変換する範囲は限られており、受光光量が過剰になれば受光出力は飽和する。受光出力が飽和すると受光光量の変化を検出することができないから、受光出力の飽和を防止する技術として、絞りやシャッタを設けることにより受光素子に入射する受光光量を制限したり、受光素子において電荷を蓄積する時間を制限することにより飽和を防止したりする技術が広く採用されている。

一方、強度変調した信号光を対象空間に投光し、対象空間に存在する物体からの反射光を受光素子で受光するとともに、投光時と受光時との信号光の位相差を求めることにより物体までの距離を求めたり、信号光の投光時と非投光時との受光強度の差を求めることにより物体の反射率や対象空間に存在する媒質の透過率を求める技術が知られている。

この種の技術では、周囲に存在している環境光の影響を除去して信号光に含まれる情報を抽出しやすくすれば、距離や反射率や透過率といった所望の情報の抽出精度を高めることができる。つまり、受光出力のうち信号光に対応する成分の占める割合を大きくすることが要求される。しかしながら、受光素子において飽和を防止する上述の技術では、いずれの技術を採用したとしても、環境光と信号光との受光光量の比率が受光出力の比率として保たれており、受光素子への入射光に占める信号光の割合に対して、受光出力に占める信号光の成分の割合を増加させることはできない。

これに対して、電荷を転送するにあたり、一定量の電荷を蓄積する第１のストレージ領域と第１のストレージ領域から溢れた電荷を蓄積する第２のストレージ領域とを設け、一定量の電荷を秤量した残りの電荷を転送することによって、ダイナミックレンジを拡大させる技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この技術を採用すれば、秤量した一定量の電荷を不要電荷として除去することができるから、不要電荷の量を環境光の受光光量に対応付けておけば、受光出力に占める信号光の成分の割合を増加させることが可能と考えられる。
特開平７−２２４３６号公報

ところで、特許文献１には、不要電荷の量を環境光の受光光量に応じて変化させることについては記載されておらず、環境光の受光光量に応じて不要電荷の量を適正に制御することは特許文献１では考慮されていない。もっとも、特許文献１に記載の技術において、第１のストレージとなるポテンシャル井戸の深さを調節したり、第１のストレージと第２のストレージとの間のポテンシャル障壁の高さを調節すれば、秤量する不要電荷の量が調節可能である。

したがって、環境光の受光光量を検出し検出量に基づいてポテンシャル井戸の深さやポテンシャル障壁の高さを調節すれば、環境光の成分を低減させることが可能であると考えられる。つまり、信号光の投光期間には受光素子において信号光と環境光とを受光し、信号光の非投光期間には受光素子において環境光のみを受光するから、信号光の投光期間において環境光の受光光量に相当する電荷量を不要電荷として除去できれば、信号光のダイナミックレンジが最大になると言える。

このような動作を可能にするには、不要電荷を秤量する期間において、ポテンシャル障壁の高さを制御するための電荷を適宜の領域で保持しておく必要がある。つまり、信号光の非投光期間の受光光量に対応する量の電荷を保持し、この電荷量に対応する電圧によりポテンシャル障壁の高さを制御することができるように、フローティングディフュージョン構造およびフローティングゲート構造を採用して、電荷量を電圧に変換することが考えられる。

ところが、この種の構成を採用したときには、図１８に示すように、ポテンシャル障壁の高さを決めるために保持する電荷量（横軸）と、秤量される不要電荷の電荷量（縦軸）との関係は、保持した電荷量が少ないと電荷量の変化に対して秤量される電荷量の変化率は小さく、保持した電荷量の増加に伴って秤量される電荷量の変化率が増加するという傾向を示す。

このような現象が生じるのは、電荷を秤量する領域に形成されるポテンシャル井戸の形状が直方体状ではなくすり鉢状になることに起因していると考えられる。したがって、ポテンシャル障壁の高さが増加すると、秤量される電荷量の増加率が大きくなる。

このように保持する電荷量が少ないと秤量する不要電荷の電荷量が過小になり、保持する電荷量が過剰になると、秤量される電荷量が過剰になる。つまり、信号光の投光期間において環境光に相当する電荷量に比較して不要電荷として分離される電荷量が過小または過大になりやすく、結果的にダイナミックレンジが低下することになる。

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、分離する不要電荷の電荷量を着目する受光光量に精度よく対応付けることを可能にし、もって信号光の投光期間と非投光期間とを有する検出装置に用いて環境光の影響を低減する際に、環境光に相当する不要電荷を過不足なく秤量して信号光に対するダイナミックレンジをほぼ最大化することができる受光装置を提供することにあり、さらにこの受光装置を用いた空間情報の検出装置を提供することにある。

請求項１の発明は、受光強度に応じた量の電荷を生成する光電変換部と、障壁制御電極を半導体表面に備える障壁形成領域および光電変換部で生成された生成電荷の一部を障壁形成領域に形成するポテンシャル障壁の高さに応じて不要電荷として秤量する電荷分離領域を備える電荷秤量部と、生成電荷のうち電荷秤量部で秤量された不要電荷を除く残留電荷が取り出される電荷蓄積部と、保持している電荷量に応じて決まる電圧を障壁制御電極に印加し電荷秤量部で秤量する不要電荷の量を決定する電荷保持部と、電荷蓄積部から電荷保持部への電荷移動を許可する導通状態と電荷移動を禁止する遮断状態とを選択する転送ゲートと、光電変換部の受光期間と感度とを制御するとともに転送ゲートの導通状態と遮断状態とを切り換える駆動制御回路とを有し、駆動制御回路は、計測期間において、転送ゲートを遮断状態に保ち電荷秤量部で生成電荷から不要電荷を秤量した後の残留電荷を受光光量に相当する信号電荷として利用させ、調整期間において、電荷保持部に電荷を投入しさらに電荷秤量部で秤量した後の残留電荷を電荷保持部に投入し、かつ光電変換部での受光と電荷秤量部による不要電荷の秤量と電荷保持部への残留電荷の引き渡しとを複数回繰り返すことを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記駆動制御回路は、調整期間において、前記光電変換部で生成した生成電荷をそのまま残留電荷として前記電荷保持部に引き渡す単純投入期間の後に、単純投入期間において電荷保持部に引き渡した電荷量に応じたポテンシャル障壁を電荷秤量部に形成した状態で生成電荷から不要電荷を除いた残留電荷を電荷保持部に投入する分離投入期間を設けていることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記駆動制御回路は、単純投入期間において、前記光電変換部の受光を複数回行い、受光毎に生成電荷をそのまま前記電荷保持部に引き渡すことを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項２の発明において、前記駆動制御回路は、単純投入期間における前記光電変換部の１回の受光時間を分離投入期間における１回の受光時間よりも長く設定していることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記駆動制御回路は、調整期間において、前記電荷秤量部にポテンシャル障壁を形成した後、当該ポテンシャル障壁を用いて不要電荷の秤量を複数回繰り返し、生成電荷から複数回分の秤量による不要電荷を除いた残留電荷を前記電荷保持部に引き渡すことを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明において、前記電荷分離領域は複数の分離電極を有し、前記駆動制御回路は、各分離電極に印加する電圧を制御することにより、調整期間における電荷分離領域の面積を計測期間における面積よりも大きくすることを特徴とする。

請求項７の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明において、前記駆動制御回路は、計測期間において前記電荷秤量部で秤量する電荷量は、調整期間において設定した不要電荷の電荷量ずつ複数回で秤量されることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかの発明において、前記駆動制御回路は、調整期間における前記光電変換部の面積を計測期間における面積よりも大きくすることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の受光装置と、光電装置の視野である対象空間に信号光を投光する投光期間と信号光を投光しない非投光期間とを有するように制御される発光源とを有し、発光源から投光した信号光と光電装置の受光出力により検出される信号光の受光光量との関係に基づいて対象空間の空間情報を検出する装置であって、発光源の非投光期間を調整期間に一致させるとともに発光源の投光期間を計測期間に一致させ、計測期間において前記電荷秤量部を用いて秤量される電荷量が計測期間における環境光の受光光量に相当する電荷量に一致するように、調整期間において前記電荷保持部に保持させる電荷量が調節されることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、調整期間ではあらかじめ電荷保持部に電荷が投入されている状態で秤量後の残留電荷を電荷保持部に引き渡すから、電荷保持部に電荷が保持されている状態で電荷保持部に追加して電荷を投入して、電荷保持部に保持させる電荷量を増加させることができ、結果的にポテンシャル障壁の高さを十分に高くすることができる。

つまり、電荷保持部に電荷を複数回投入することによって、電荷保持部が保持する電荷量を着目する受光光量に相当する電荷量に一致させることが可能になり、信号光の投受光により空間情報を検出する装置に採用するにあたり、信号光の非投光期間（つまり、調整期間）において環境光の受光光量に相当する電荷量を電荷保持部に過不足なく保持させ、信号光の投光期間において電荷秤量部に形成するポテンシャル障壁の高さを環境光の受光光量と線形な関係とすることができる。それゆえ、信号光の投光期間（つまり、計測期間）において光電変換部で生成した生成電荷から環境光の成分に相当する電荷量を不要電荷として過不足なく秤量することになり、信号光の成分に相当する電荷量の電荷のみを取り出して、信号光に対するダイナミックレンジをほぼ最大化することができる。

その上、ポテンシャル障壁の形成後に電荷保持部への残留電荷の投入を複数回行うから、残留電荷の投入毎にポテンシャル障壁の高さが次第に増加して、秤量する電荷量が徐々に増加するのに伴って電荷保持部に投入する電荷量が徐々に減少する。不要電荷の秤量毎の生成電荷の電荷量が一定であれば、不要電荷の電荷量が生成電荷の電荷量にほぼ一致すると残留電荷が生じなくなり、ポテンシャル障壁の高さの増加が停止する。つまり、生成電荷の電荷量に不要電荷の電荷量が一致するようにポテンシャル障壁の高さを設定することが可能になる。その結果、空間情報を検出する装置に採用すると、調整期間において環境光の受光光量に相応する高さのポテンシャル障壁を形成することができ、計測期間には生成電荷のうち環境光に相当する電荷量を不要電荷として過不足なく秤量することが可能になる。

請求項２の発明の構成によれば、生成電荷をそのまま電荷保持部に引き渡す単純投入期間の後に、電荷秤量部で得られた残留電荷を電荷保持部に投入する分離投入期間を持つから、単純投入期間に電荷保持部に投入された電荷量によって決まる電荷秤量部の不要電荷の電荷量は生成電荷の電荷量に近くなる。すなわち、分離投入期間において電荷保持部に投入すべき電荷量は少なく、目的とする高さのポテンシャル障壁を形成するのが容易になる。また、残留電荷を電荷保持部に複数回投入する際に、投入回数の低減が期待できる。

請求項３の発明の構成によれば、請求項２の発明における単純投入期間において、光電変換部を複数回受光させ、受光毎に生成電荷を電荷保持部に投入するから、単純投入期間において電荷保持部に投入する電荷量を増加させ、分離投入期間において電荷保持部に投入すべき電荷量を低減させることができる。ただし、この構成は単純投入期間の全体で電荷保持部に保持される電荷量により決まる不要電荷の電荷量が、光電変換部の１回の受光により生成される生成電荷の電荷量よりも少ないことが要求される。

請求項４の発明の構成によれば、請求項２の発明における単純投入期間において、光電変換部の受光時間を分離投入期間よりも長くしているから、単純投入期間において電荷保持部に投入する電荷量を増加させ、分離投入期間において電荷保持部に投入すべき電荷量を低減させることができる。ただし、この構成は単純投入期間の全体で電荷保持部に保持される電荷量が、分離投入期間において光電変換部の１回の受光により生成される生成電荷の電荷量よりも少ないことが要求される。

請求項５の発明の構成によれば、生成電荷から複数回分の秤量による不要電荷を除いた残留電荷を電荷保持部に引き渡すから、ある程度の高さのポテンシャル障壁が形成された後には、電荷保持部に１回に引き渡す電荷量を低減することによって、ポテンシャル障壁が高くなりすぎるのを防止することができる。

すなわち、電荷保持部に保持された電荷量と電荷秤量部において秤量される不要電荷の電荷量とは非線形の関係であり、電荷保持部の電荷量が増加するほど電荷秤量部で秤量される不要電荷の変化率が大きくなるから、生成電荷の電荷量が変化しなくとも秤量される不要電荷が過剰になる可能性がある。これに対して、請求項５の発明の構成を採用することにより、電荷保持部に１回に引き渡す電荷量が低減されるから、ポテンシャル障壁の高さが急激に変化することがなく、不要電荷の電荷量が過剰になりにくくなる。つまり、着目する受光光量に相応する電荷量を不要電荷として分離することが可能になる。

請求項６の発明の構成によれば、調整期間における電荷分離領域の面積を計測期間における面積よりも大きくしているから、調整期間において電荷秤量部で１回秤量する不要電荷の電荷量を計測期間において電荷秤量部で１回秤量する不要電荷の電荷量よりも多くすることができる。言い換えると、調整期間に得られる残留電荷の電荷量を低減して電荷保持部に投入する電荷量の微調整を可能にする。このことは、請求項５の発明の効果と同様の効果をもたらし、不要電荷として分離される電荷量が過剰になりにくくなる。

請求項７の発明の構成によれば、計測期間において不要電荷として分離する電荷量を、調整期間に設定した不要電荷の電荷量ずつ秤量し、複数回で秤量するから、計測期間において１ないし複数回の秤量により不要電荷を分離することになる。計測期間の秤量を複数回の秤量で満足させるようにすれば、電荷保持部に保持させる電荷量が少なくなり、調整期間を短くすることが可能になるから応答性が向上する。なお、ポテンシャル障壁を成長させるのに要する時間は、不要電荷を秤量する時間よりも相当に長いから、複数回の秤量を行っても全体の所要時間は、計測期間において複数回の秤量を行うほうが短縮できる。

請求項８の発明の構成によれば、光電変換部の感度を調整期間において計測期間よりも高くしているから、電荷保持部に保持させる所要の電荷量の電荷を比較的短時間で蓄積することができる。

請求項９の構成によれば、計測期間において電荷秤量部を用いて秤量される電荷量が計測期間における環境光の受光光量に相当する電荷量に一致するように、調整期間において電荷保持部に保持させる電荷量を調節しているから、計測期間において環境光の成分に相当する量の不要電荷を除去し、信号光のダイナミックレンジをほぼ最大化し、信号光を用いた空間情報の検出精度を高めることができる。

（構成）
以下に説明する受光装置は、光を受光し電気出力が受光出力として得られる受光素子と、受光素子を制御する駆動制御回路とにより構成される。また、複数個の受光素子が配列されることにより撮像素子を構成しているものとする。つまり、図１（ａ）に示す構造の受光素子１が垂直方向Ｄｖに複数個配列され、複数個の受光素子１からなる列が水平方向において複数列配列された構造を有している。複数個の受光素子１を２次元正方格子の格子点上にマトリクス状に配列した２次元イメージセンサを構成する。

また、イメージセンサとしては、ＣＣＤイメージセンサにおけるフレームトランスファー（以下、「ＦＴ」と略称する）方式の構成と同様に垂直転送レジスタが光電変換部と兼用された構造の撮像素子を想定するが、インターライントランスファー（以下、「ＩＴ」と略称する」）方式の構成と同様に光電変換部に隣接して垂直転送レジスタを配置した構造の撮像素子においても以下の実施形態の技術を採用することが可能である。また、ＦＴ方式とＩＴ方式との構造に適用可能であることから、フレームインターライントランスファー（以下、「ＦＩＴ」と略称する）方式の構成に類似した構造であっても以下の実施形態の技術を採用することが可能である。

さらに、以下に説明する実施形態では、受光装置を発光源と組み合わせて構成したアクティブ形の空間情報の検出装置を例示する。空間情報の検出装置としては、対象空間に存在する物体までの距離を求める距離計測動作を行う検出装置と、物体の反射率や媒質の透過率を求める強度検出動作を行う検出装置とを例示する。

図１（ａ）は１個の受光素子１を正面から見た概略構成である。図１における縦方向を画像における垂直方向Ｄｖ、横方向を画像における水平方向Ｄｈとする。受光素子１は半導体に形成されており、ＦＴ方式のイメージセンサと同様に、半導体は垂直方向Ｄｖにおいて撮像領域と蓄積領域とに２分される。ただし、蓄積領域の構成については要旨ではないから説明を省略し、撮像領域に配列された受光素子１について説明する。

受光素子１は、図２、図３に示すように、第１導電形（図示例ではｐ形）の半導体（図示例ではシリコンを想定している）からなる素子形成層１１の主表面側に、第２導電形（図示例ではｎ形）の半導体からなるウェル１２を形成してある。素子形成層１１は、第２導電形のサブストレート１０の上に形成される。ウェル１２の主表面には、絶縁層（たとえば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン）１３を介して感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とが配列される。

素子形成層１１においてウェル１２の範囲内には、第２導電形であって不純物濃度がウェル１２よりも高濃度（つまり、ｎ^＋＋形）である保持用ウェル１４が形成される。保持用ウェル１４には金属配線からなる接続線２６の一端部２５がオーミックに接続され、接続線２６の他端部には障壁制御電極２４が接続される。つまり、障壁制御電極２４に印加される電圧は、保持用ウェル１４に保持された電荷量により決定される。

感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは、平面視において矩形状ないし短冊状に形成される。図示例では、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは、幅方向（垂直方向Ｄｖ）において同寸法であり、長手方向（水平方向Ｄｈ）においては障壁制御電極２４の寸法のみが他よりも短く形成されている。また、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは、一端縁を垂直方向Ｄｖの一直線上に揃えた形で等間隔に配置される。

障壁制御電極２４は１個であるが、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３とは複数個（図示例では、感度制御電極２１が６個、分離電極２２と蓄積電極２３とがそれぞれ３個）設けられる。

保持用ウェル１４は、３個の分離電極２２のうちの中央の分離電極２２に対して画素配列の水平方向Ｄｈの一側に隣接して配置される。また、素子形成層１１には感度制御電極２１および分離電極２２に隣接してオーバーフロードレイン１５が形成され、オーバーフロードレイン１５には絶縁層１３を介さずにドレイン電極（オーバーフロードレイン１５と同じ部位に設けている）が直接接続される。オーバーフロードレイン１５は、たとえば、ウェル１２と同じ導電形で不純物濃度がウェル１２よりも高濃度である領域として形成される。

さらに、オーバーフロードレイン１５は、感度制御電極２１および蓄積電極２３の長手方向（画素配列の水平方向Ｄｈ）の両側のうち保持用ウェル１４と同じ側に形成される。素子形成層１１において保持用ウェル１４が形成される領域にはウェル１２が張り出した形で形成されており、オーバーフロードレイン１５は、この部位では、垂直方向Ｄｖにおいて分断され、水平方向Ｄｈにおいてウェル１２の張出部分に沿う形に形成される。

感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とのうち少なくとも感度制御電極２１は透光性を有している。分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは、透光性を有していないことが望ましいが、感度制御電極２１と同時に形成されるから透光性を有している。したがって、素子形成層１１の主表面は、感度制御電極２１に対応する領域に形成した開口窓３１（図３参照）を除いて全体が遮光膜３０（図２、図３参照）により覆われる。以下の説明では、光照射により生成される電荷のうち電子を利用する例について説明するが、電荷としてホールを利用する場合には、半導体の導電形を入れ換え、後述する電圧の極性を入れ換えることになる。

素子形成層１１およびウェル１２において感度制御電極２１を配置した領域は、開口窓３１を通して光が照射されることにより電荷を生成する光電変換部Ｄ１として機能する。また、ウェル１２において、分離電極２２および障壁制御電極２４を配置した領域は電荷秤量部Ｄ２として機能し、蓄積電極２３を配置した領域は電荷蓄積部Ｄ３として機能する。ウェル１２において保持用ウェル１４を配置した領域は電荷保持部Ｄ４として機能する。電荷秤量部Ｄ２のうち、分離電極２２の直下は電荷分離領域Ｄａになり、障壁制御電極２４の直下は障壁形成領域Ｄｂになる。

保持用ウェル１４には電荷として電子が保持されるから、障壁制御電極２４に電圧を印加することができ、障壁制御電極２４の直下に形成される電子に対するポテンシャル障壁が保持用ウェル１４に蓄積された電子の多寡に応じて増減される。

電荷分離領域Ｄａにポテンシャル井戸を形成し、障壁形成領域Ｄｂに形成するポテンシャル障壁の高さを適宜に調節すれば、電荷分離領域Ｄａにおいてポテンシャル障壁の高さに応じた量の不要電荷を秤量することができる。電荷蓄積部Ｄ３にポテンシャル井戸を形成しておくことにより、ポテンシャル障壁を乗り越えた電荷を電荷蓄積部Ｄ３で受け取ることができる。

障壁制御電極２４との電位は電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量で決まるが、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３とに印加する電圧は、別途に制御する必要がある。たとえば、正負２種類の電圧（＋１０Ｖ、−５Ｖ）を適宜のタイミングで印加する。そのため、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３とには、金属配線である電源配線（図示せず）がオーミックに接続される。

ところで、素子形成層１１の主表面には、分離電極２２と保持用ウェル１４との間に転送ゲート２７が形成され、さらに保持用ウェル１４を挟んで転送ゲート２７の反対側にはリセットゲート２８とリセットドレイン２９とが形成される。つまり、分離電極２２と転送ゲート２７と保持用ウェル１４とリセットゲート２８とリセットドレイン２９とが、水平方向Ｄｈに並んで配置される。

この構成は一例であって、リセットゲート２８およびリセットドレイン２９が保持用ウェル１４に対して垂直方向Ｄｖに並ぶ配置であってもよい。リセットドレイン２９は、たとえば不純物濃度が高濃度である第２導電形（つまり、ｎ^＋＋形）の領域として形成され、リセット電極（リセットドレイン２９に重ねて設けられる）がオーミックに接続される。

さらに、転送ゲート２７は、ゲート電極（転送ゲート２７に重ねて設けられる）に印加する電圧に応じて、電荷分離領域Ｄａから保持用ウェル１４への電荷移動を許可する導通状態と、電荷移動を禁止する遮断状態とを選択する。つまり、ゲート電極に適宜の電圧を印加して許可状態とすれば、ゲート電極の直下にチャンネルが形成され、電荷分離領域Ｄａから電荷保持部Ｄ４への電荷の移動が可能になる。

（基本動作）
図１（ａ）に示した受光素子１の基本的な動作について説明する。受光素子１の動作は、光電変換部Ｄ１で生成した生成電荷を用いて保持用ウェル１４に電荷を保持させる調整期間と、光電変換部Ｄ１で生成した生成電荷から電荷秤量部Ｄ２で秤量した不要電荷を分離し電荷蓄積部Ｄ３で受け取った残留電荷を受光出力のために利用する計測期間とを備える動作を基本動作にしている。図４に示す期間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｆは調整期間に含まれ、期間Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅは計測期間に含まれる。また、調整期間と計測期間とにおける各電極に印加する電圧の制御は受光素子１とは別に設けた駆動制御回路（図示せず）が行う。駆動制御回路は、受光素子１と同じ半導体上に集積回路として形成することが可能である。

調整期間では、まず、ウェル１２の中の電子を空乏化した後に受光素子１に光を照射する。ウェル１２の中の電子を空乏化するには、オーバーフロードレイン１５を通して光電変換部Ｄ１と電荷秤量部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３とに残留する電子を廃棄し、リセットゲート２８にリセット電圧を印加して保持用ウェル１４とリセットドレイン２９との間にチャンネルを形成し、電荷保持部Ｄ４に残留する電子をリセットドレイン２９を通して廃棄する。

ウェル１２の中の電荷を空乏化した後に、光電変換部Ｄ１の感度制御電極２１に適宜の電圧を印加して光電変換部Ｄ１に電子に対するポテンシャル井戸を形成した状態で光を照射すると、ウェル１２を含む素子形成層１１において生成された電子とホールとのうち電子がポテンシャル井戸に集積され、ホールはサブストレート１０を通して廃棄される。つまり、受光光量に応じた量の電子がポテンシャル井戸に集積される。感度制御電極２１に印加する電圧の制御の具体例は後述する。

光電変換部Ｄ１において受光光量に応じた量の電子（以下、電子は斜線部で示す）を集積させた後、まず図４の期間Ｔａのように、分離電極２２に電圧を印加して電荷秤量部Ｄ２にポテンシャル井戸を形成し、光電変換部Ｄ１に集積された電子を電荷秤量部Ｄ２に移動させる（図５（ａ）参照）。つまり、光電変換部Ｄ１から電荷秤量部Ｄ２に電子が移動する。また、電荷秤量部Ｄ２に移動させた電子は、転送ゲート２７に対応するゲート電極に適宜の電圧を印加し、電荷秤量部Ｄ２と保持用ウェル１４との間にチャンネルを形成して、電荷保持部Ｄ４に移動させる。

ｎ形のウェル１２に囲まれたｎ^＋＋形である保持用ウェル１４では、ポテンシャルがウェル１２よりも高く（電子に対するポテンシャルが低く）、ポテンシャルは電荷秤量部Ｄ２よりも電荷保持部Ｄ４のほうが高くなっている。したがって、転送ゲート２７に適宜の電圧を印加してチャンネルを形成すると、電荷秤量部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に向かって電子が移動し、保持用ウェル１４に電子が流れ込む。

保持用ウェル１４に電子が流れ込むに従って保持用ウェル１４の電位が低下し、保持用ウェル１４に電気的に接続された障壁制御電極２４の電位が低下する。つまり、障壁制御電極２４の直下にポテンシャル障壁が形成される。

なお、図示例では期間Ｔａにおいて蓄積電極２３には電圧を印加せず、電荷蓄積部Ｄ３には電子が集積されないようにしているが、蓄積電極２３には電子を集積する電圧を印加していてもよい。分離電極２２に電圧を印加した後に転送ゲート２７に電圧を印加するか、分離電極２２と転送ゲート２７とに同時に電圧を印加するかは適宜に選択することができる。

電荷保持部Ｄ４に電子が移動すると、図５（ｂ）のように、電荷秤量部Ｄ２の電子がなくなるから、期間Ｔｂのように分離電極２２に印加する電圧を規定の基準電圧に戻す。

上述した動作において光電変換部Ｄ１で受光した光は、受光光量に応じた受光出力を得るためではなく、障壁制御電極２４の直下におけるポテンシャル障壁ＢＰの高さを決めるために入射させている。上述の動作でポテンシャル障壁ＢＰの高さが決まると、計測期間に移行する。

計測期間では、光を受光する前に、期間Ｔｃのように、まずオーバーフロードレイン１５を通して、ウェル１２のうち電荷保持部Ｄ４を除く部位の電子を空乏化し、光電変換部Ｄ１および電荷秤量部Ｄ２から電子を除去する。

計測期間では、保持用ウェル１４に電荷が蓄積されているから、光電変換部Ｄ１において受光光量に応じた電子を集積する際に、障壁制御電極２４の直下にはポテンシャル障壁が形成された状態になっている。光電変換部Ｄ１で受光光量に応じた電子を集積した後、期間Ｔｄのように、分離電極２２に適宜の電圧を印加して電荷秤量部Ｄ２に電子に対するポテンシャル井戸を形成するとともに、感度制御電極２１への印加電圧を制御することにより、光電変換部Ｄ１から電荷秤量部Ｄ２に電子を移動させる（図５（ｃ）参照）。

その後、期間Ｔｅのように、蓄積電極２３に適宜の電圧を印加して電荷蓄積部Ｄ３にポテンシャル井戸を形成した状態で、分離電極２２に基準電圧を印加すると、図５（ｄ）のように、障壁制御電極２４の直下に形成されているポテンシャル障壁の高さと電荷秤量部Ｄ２の大きさとにより決まる一定量の電子が不要電荷として電荷秤量部Ｄ２に残され、電荷秤量部Ｄ２からポテンシャル障壁を超えた電荷は電荷蓄積部Ｄ３に流れ込む。ただし、分離電極２２に基準電圧を印加する前に、電荷秤量部Ｄ２と光電変換部Ｄ１との間には障壁制御電極２４の直下のポテンシャル障壁よりも高いポテンシャル障壁を形成するように感度制御電極２１および分離電極２２への印加電圧を制御しておく。

上述の動作によって、光電変換部Ｄ１での受光光量に応じて集積された電子から電荷秤量部Ｄ２で一定量の電子が不要電荷として分離され、不要電荷を分離した残留電荷が有効電荷として電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される。

有効電荷を電荷蓄積部Ｄ３に蓄積した後には、期間Ｔｆのように、電荷秤量部Ｄ２に残っている不要電荷をオーバーフロードレイン１５から廃棄し、さらに電荷保持部Ｄ４に保持されている電荷を廃棄するために、リセットゲート２８に適宜の電圧を印加して保持用ウェル１４とリセットドレイン２９との間にチャンネルを形成し、保持用ウェル１４の電子を廃棄した後にリセットゲート２８への電圧印加を停止する。その後、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された有効電荷は利用に供される。

（空間情報の検出装置）
以下では、上述した受光素子１を利用する応用例として、撮像空間（つまり、対象空間）における物体の存否や物体の反射率を検出する検出装置と、撮像空間に存在する物体までの距離を計測する検出装置とに、上述した受光素子１を配列した撮像素子を用いる例を示す。以下に説明する空間情報の検出装置は、図６に示すように、対象空間に投光する発光源２を用いたアクティブ型の検出装置であり、対象空間を上述した受光素子１を配列した撮像素子により撮像し、撮像素子の受光出力を信号処理部３に与えて後述する演算を行うことにより、物体による反射光の光量を求めるか、対象空間に存在する物体５までの距離を求める。また、撮像素子と発光源２との動作のタイミングは駆動制御回路と兼用された制御部４が制御する。制御部４は信号処理部３にも演算のタイミングを指示する。

発光源２は複数個の赤外線発光ダイオードを並設して構成し、撮像素子へは赤外線透過フィルタを通して対象空間からの光を入射させる。つまり、距離の計測に用いる光として赤外線を用いることにより、撮像素子に可視光領域の光が入射するのを抑制している。信号処理部３および制御部４は、適宜のプログラムを実行するマイクロコンピュータによって構成する。

物体５の存否や反射率を求めるには（強度検出動作）、図７（ａ）に示すように、発光源２を点灯させる投光期間Ｔｘと消灯させる非投光期間Ｔｙとを設け、投光期間Ｔｘの受光光量と非投光期間Ｔｙの受光光量との差分を求める。発光源２からの強度変調光は矩形波で変調されていることになる。この矩形波のデューティ比を５０％とすれば、１８０度間隔で投光期間Ｔｘと非投光期間Ｔｙとを繰り返し、投光期間Ｔｘは０〜１８０度の区間に相当し、非投光期間Ｔｙは１８０度〜３６０度の区間に相当する。

撮像素子の各受光素子１には、図７（ｂ）のように、投光期間Ｔｘにおいて発光源２から投光され物体５で反射された信号光と対象空間に存在している環境光とが入射し、非投光期間Ｔｙにおいて撮像素子の各受光素子１に環境光のみが入射する。したがって、投光期間Ｔｘと非投光期間Ｔｙとの受光光量の差分を求めると、環境光の影響を除去して物体５での光の反射の程度を評価することができる。後述するように、距離の計測において０度から始まる区間の受光光量をＡ０とし、１８０度から始まる区間の受光光量をＡ２としているから、この符号を用いるとすれば、投光期間Ｔｘと非投光期間Ｔｙとの受光光量の差分を求めることは、Ａ０−Ａ２を求めることに相当する。

物体５までの距離が一定であれば、受光光量の差分によって投光した光の波長に対する物体５の反射率を求めることができる。反射率は投光した光の波長に依存性があるから、発光源２から対象空間に投光する光の波長を可変にすれば、波長に対する反射率の特性を求めることも可能である。また、環境光のみが存在する非投光期間Ｔｙと環境光に加えて信号光が存在する投光期間Ｔｘとの受光光量の差分を求めているから、差分が規定した閾値以上の領域には光を反射する物体５が存在すると判断することも可能である。

一方、距離の計測には（距離計測動作）、発光源２から強度を変調した光（強度変調光）を対象空間に投光し、対象空間に存在する物体５で反射され撮像素子の各受光素子１に入射した光の強度変化の位相と発光源２からの光の強度変化の位相との位相差を求め、この位相差を距離に換算する技術を用いている。つまり、発光源２から図８（ａ）（ｂ）のように強度変調光を対象空間に投光し（図８（ａ）は強度変調光と受光との関係を示し、図８（ｂ）は時間軸を引き延ばした状態を示している）、撮像素子を構成する各受光素子１に入射する光の強度が図８（ｃ）のように変化しているとすると、同位相の時間差Δｔは物体５までの距離Ｌを反映しているから、光速をｃ［ｍ／ｓ］として、時間差Δｔ［ｓ］を用いると、物体５までの距離Ｌは、Ｌ＝ｃ・Δｔ／２で表される。光の強度を変調する変調信号の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、位相差をφ［ｒａｄ］とすれば、時間差Δｔは、Δｔ＝φ／２πｆであるから、位相差φを求めることにより距離Ｌを求めることができる。

この位相差φは、発光源２を駆動する変調信号と受光素子１への入射光との位相差とみなしてよい。そこで、撮像素子の各受光素子１への入射光の受光強度を変調信号の複数の異なる位相について求め、求めた位相の関係と受光強度とから入射光と変調信号との位相差φを求めることが考えられている。実際には、撮像素子の各受光素子１において所定の位相幅（時間幅）を有する区間（位相区間）ごとの受光光量を検出し、この受光光量に相当する受光出力を位相差φの演算に用いる。各区間を９０度間隔とすれば、変調信号の１周期について等位相間隔の４つの区間が周期的に得られ、各区間の受光光量Ａ０〜Ａ３を用いることによって、位相差φは、φ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）｝と表すことができる。

なお、受光光量Ａ０〜Ａ３を変調信号のどの位相に対応させるかによって、位相差φの符号は変化する。また、図８に示す例では、各区間を９０度の位相幅に設定しているが、位相幅は適宜に設定することができる。さらに、必ずしも４区間の受光光量Ａ０〜Ａ３を用いなくとも位相差φを求めることが可能であり、３区間あるいは５区間以上の受光光量を用いて位相差φを求めてもよい。

ところで、図７に示すように、強度検出動作では、１回の受光が投光期間Ｔｘまたは非投光期間Ｔｙに対応付けられ、図８に示すように、距離計測動作では、１回の受光が変調信号の複数周期（数万周期）に設定してある。

上述の演算を行うには、変調信号の各区間ごとの受光光量に応じた電子を光電変換部Ｄ１で生成する必要がある。各区間ごとの受光光量を求めるには、感度制御電極２１に印加する電圧を変調信号に同期させて制御する。

この動作について説明する。制御部４は、各感度制御電極２１に対してそれぞれ電圧の印加の有無を制御することができ、電圧を印加された感度制御電極２１では直下にポテンシャル井戸が形成される。つまり、連続して隣り合う感度制御電極Ｄ１に電圧を印加することにより、電圧を印加した感度制御電極２１の個数分に相当する開口面積（素子形成層１１の主表面に沿った開口面積）を有したポテンシャル井戸が形成される。

光電変換部Ｄ１で生成された電子はポテンシャル井戸に集積されるから、ポテンシャル井戸の開口面積（つまり、ポテンシャル井戸の体積）が大きいほど、電子を集積する効率が高くなる。逆に、１個の感度制御電極２１にのみ電圧を印加しているときには、電子を集積する効率が低くなり、すでにポテンシャル井戸に集積されている電子を保持することができる。もちろん、１個の感度制御電極２１にのみ電圧を印加して電子を保持している状態であっても、ポテンシャル井戸に電子は集積されるが、複数個の感度制御電極２１に電圧を印加する場合よりも電子の集積効率が低下するから、集積された電子の量は複数個の感度制御電極２１に電圧を印加している期間の受光光量を反映していることになる。なお、電子を保持するためのポテンシャル井戸を形成する感度制御電極２１を遮光すれば、電荷を保持している期間における電子の集積を抑制することができる。

上述の動作から明らかなように、光電変換部Ｄ１において、変調信号の特定の区間における受光光量に相当する電子を集積するには、当該区間において電圧を印加する感度制御電極２１の個数を多くし、他の区間には１個の感度制御電極２１にのみ電圧を印加することで電子を保持すればよい。制御部４は、感度制御電極２１への電圧の印加パターンを時間経過に伴って変化させる。たとえば、変調信号の各周期の同じ区間ごとに複数個の感度制御電極２１に電圧を印加することにより、当該区間に生成される電子を複数周期に亘って累積させる動作が可能である。この動作では、変調信号の１周期の区間で得られる受光光量が少ない場合であっても、光電変換部Ｄ１において電子を累積させて電子の量を増加させることができる。もっとも、受光強度が高い場合には電子を累積させると飽和しやすくなるから、電子を累積させるか否かは使用環境に応じて適宜に定める。

信号処理部３では、各受光素子１ごとに各区間に対応する受光出力を用い、上述した演算により位相差を求め、各受光素子１ごとに距離を計測する。つまり、各受光素子１の画素値を距離とした距離画像を生成する。

ところで、上述した原理で距離を計測するには、発光源２から対象空間に投光した信号光のみを撮像素子の各受光素子１で検出すればよく、信号光の受光光量が多いほど距離の計測精度を高めることができると考えられる。しかし、撮像素子の各受光素子１に入射する光は信号光のみではなく、周囲に存在する環境光がつねに入射する。また、撮像素子の各受光素子１において生成される電子の量が受光光量に応じて変化する範囲には上限があり、受光光量が多くなると生成される電子の量が飽和し、受光出力が受光光量を反映しなくなる。したがって、撮像素子の各受光素子１の飽和を抑制しつつ信号光に相当する電子の量を増加させる必要がある。

上述した撮像素子では、電荷保持部Ｄ４に保持した電子の量に応じた量の不要電荷を秤量して廃棄する機能を有しているから、秤量する不要電荷の量を環境光の受光光量に対応付ければ、受光光量に含まれる信号光の成分の割合に対して、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電子に含まれる信号光に相当する電子の量の割合を増加させることができる。しかも、光電変換部Ｄ１で生成された電子のうちの一部を不要電荷として廃棄するから、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電子が飽和する可能性を低減することができる。

このような知見に基づいて、発光源２を消灯させる非投光期間（受光素子１の調整期間に対応付ける）と発光源２から強度変調光を投光する投光期間（受光素子１の計測期間に対応付ける）とを設けて対象空間に間欠的に投光する構成を採用している。非投光期間においては、光電変換部Ｄ１で生成された電子を電荷保持部Ｄ４に保持させることにより、環境光の強度を反映した量の電子を電荷保持部Ｄ４に保持させ、電荷秤量部Ｄ２で秤量する不要電荷の量を環境光の強度に対応付ける。

一方、投光期間には、非投光期間の受光光量に応じたポテンシャル障壁が障壁制御電極２４の直下に形成されているから、光電変換部Ｄ１において生成した電子のうち環境光の受光光量を反映した量の不要電荷を秤量して廃棄した残りの電子を電荷蓄積部Ｄ３に蓄積することができる。ここに、不要電荷として秤量される電荷量は、環境光の受光光量に比例しているとは限らないが、環境光の受光光量に応じて変化するから、環境光の増減に応じて秤量する不要電荷の量も変化する。したがって、受光光量が微小変動しても電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電荷において信号光に相当する成分の割合を高い状態に保つことができる。すなわち、発光源２の投光期間において光電変換部Ｄ１で生成された電荷から不要電荷を分離することによって、信号光成分の情報を残しながらも信号対雑音比を増加させることができる。

上述したように、変調信号の１周期において光電変換部Ｄ１で生成される電子の量が少ない場合に、変調信号の複数周期に亘って光電変換部Ｄ１で電子を集積することによって電子を累積させることが可能であるが、光電変換部Ｄ１において電子が飽和する可能性もある。そこで、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積した電荷をただちに受光出力として読み出す代わりに、電荷秤量部Ｄ２において不要電荷を秤量する動作を複数回行う間、電荷蓄積部Ｄ３に電子を蓄積することによって、電子を累積させる技術を採用することもできる。

電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される電子は、光電変換部Ｄ１で生成された電子から不要電荷が除去されているから、光電変換部Ｄ１において電子を集積する場合のように受光した環境光成分の電子を累積させる場合に比較すると、電子の量が少なく飽和が生じにくくなる。しかも上述のように、全電荷量に占める信号光成分の割合が多いから、信号光成分の変化に対する電荷量の変化率が大きくなり、それだけ距離の計測精度が高くなる。

制御部４では、電荷蓄積部Ｄ３に電子を流入させた後、オーバーフロードレイン１５を通して電荷秤量部Ｄ２から不要電荷を廃棄させる。この動作は、電荷蓄積部Ｄ３に電子を流入させるたびに行う。電荷保持部Ｄ４に保持させる電子の量を更新する場合には、リセットゲート２８に電圧を印加し、保持用ウェル１４に保持された電子をリセットドレイン２９から廃棄する。電荷保持部Ｄ４の電子を廃棄するタイミングは、使用環境に応じて適宜に設定すればよいが、たとえば、受光出力の読出毎とすることができる。つまり、距離画像の１フレームごとにポテンシャル障壁の高さを調整すればよい。また、不要電荷は電荷蓄積部Ｄ３に電子を流入させるたびに廃棄する。

（動作１）
基本動作において説明したように、調整期間では電荷保持部Ｄ４に電荷を投入することにより電荷秤量部Ｄ２におけるポテンシャル障壁の高さを決定し、計測期間では調整期間において決定した高さのポテンシャル障壁を用いて不要電荷を秤量し、光電変換部Ｄ１で生成された生成電荷のうち不要電荷を除いた残留電荷を有効電荷として受光出力に利用している。

また、発光源２から対象空間に投光し、受光素子１により対象空間からの光を受光することにより対象空間の空間情報を検出する装置では、発光源２の非投光期間を調整期間に対応付けるとともに、発光源２の投光期間を計測期間に対応付けることによって、調整期間において環境光の受光光量に相当する電荷量の電荷を電荷保持部Ｄ４に保持させる。そして、計測期間には環境光の受光光量に相当する電荷量を不要電荷として生成電荷から除去することにより、信号光の受光光量に相当する電荷量を残留電荷として取り出すことが可能になっている。

すなわち、図９に示すように、調整期間Ｔ１のうち数ｍｓ程度の受光期間Ｐ１において光電変換部Ｄ１で生成した生成電荷を、転送期間Ｐｔにおいて電荷保持部Ｄ４に引き渡し、次に計測期間Ｔ２のうち数ｍｓ程度の受光期間Ｐ２（受光期間Ｐ１と同時間）において光電変換部Ｄ１で生成した生成電荷を電荷秤量部Ｄ２で秤量している。電荷秤量部Ｄ２で秤量する秤量期間Ｐｍは数μｓ程度の期間になる。

この動作では、調整期間Ｔ１において電荷保持部Ｄ４に引き渡した電荷量で決定される不要電荷の電荷量が、環境光の受光光量に相当する電荷量に一致していることが理想であるが、電荷保持部Ｄ４に受け渡し元から与えた電荷量と、電荷秤量部Ｄ２で秤量される分離電荷の電荷量とは線形関係ではない。そこで、制御部４では調整期間Ｔ１において以下に説明する制御を行う。

本動作では、以下の各動作の基本となる動作について説明する。以下の各動作の共通点は、図１０に示すように、調整期間Ｔ１において、複数回の受光期間Ｐｉ（ｉ＝１，２，……）を設けるとともに、受光期間Ｐｉごとに電荷保持部Ｄ４に電荷を投入し、さらに調整期間Ｔ１のうち少なくとも最後の１回の受光期間Ｐｎ（図示例ではｎ＝２）に生成した生成電荷は電荷秤量部Ｄ２で不要電荷を分離した後の残留電荷とする点にある。

図１０に示す例では、調整期間Ｔ１における１回目の受光期間Ｐ１に生成された生成電荷を転送期間Ｐｔにおいて電荷保持部Ｄ４に転送する。電荷保持部Ｄ４に電荷を転送する前には電荷保持部Ｄ４の電荷は廃棄されているから、電荷保持部Ｄ４に電荷が投入されることにより電荷秤量部Ｄ２にはポテンシャル障壁ＢＰが形成される（図１１参照）。

調整期間Ｔ１を継続して、２回目の受光期間Ｐ２に生成された生成電荷を電荷秤量部Ｄ２に転送すると、電荷秤量部Ｄ２では電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量に応じて規定された電荷量の不要電荷を秤量する。つまり、秤量期間Ｐｍにおいて生成電荷から不要電荷が分離され、ポテンシャル障壁ＢＰを乗り越えた残留電荷が電荷蓄積部Ｄ３に蓄積される。

この残留電荷を転送期間Ｐｔにおいて電荷保持部Ｄ４に投入する。電荷保持部Ｄ４では、１回目に投入された電荷と２回目に投入された電荷とが加算されるから、ポテンシャル障壁ＢＰの高さが増加し、それだけ不要電荷として秤量される電荷量が増加する。

電荷秤量部Ｄ２における電荷分離領域Ｄａと電荷保持部Ｄ４とは、転送ゲート２７を介して隣接しているから、電荷分離領域Ｄａから電荷保持部Ｄ４への電荷の転送は容易であるが、電荷蓄積部Ｄ３と電荷保持部Ｄ４とは隣接していないから、電荷蓄積部Ｄ３から電荷保持部Ｄ４に電荷を転送するには、電荷分離領域Ｄａの不要電荷を廃棄した後に電荷蓄積部Ｄ３として形成されているポテンシャル井戸を浅くして電荷蓄積部Ｄ３から電荷分離領域Ｄａに残留電荷を移動させ、その後、電荷分離領域Ｄａから電荷保持部Ｄ４に電荷を転送することになる。

電荷蓄積部Ｄ３から電荷保持部Ｄ４に電荷を転送するに際して、電荷分離領域Ｄａを通過させる代わりに、電荷保持部Ｄ４および転送ゲート２７を設ける位置を、電荷秤量部Ｄ２の側方ではなく、電荷蓄積部Ｄ３の側方に変更した構成を採用することもできる。この構成を採用する場合には、１回目の受光期間Ｐ１において、電荷蓄積部Ｄ３となるポテンシャル井戸を電荷分離領域Ｄａとなるポテンシャル井戸よりも深くしておくことにより、光電変換部Ｄ１で生成された生成電荷を電荷蓄積部Ｄ３に蓄積することができる。

本動作では、１回目の受光期間Ｐ１に生成された生成電荷は、図１１（ａ）に示すように、電荷秤量部Ｄ２にポテンシャル障壁ＢＰが形成されていない状態において電荷蓄積部Ｄ３に転送される（図の斜線部は電荷を示す）。このとき電荷蓄積部Ｄ３に転送された電荷の電荷量は、生成電荷の電荷量に一致するとみなしてよい。

次に、転送期間Ｐｔにおいて電荷蓄積部Ｄ３から電荷保持部Ｄ４に電荷を移動させると、図１１（ｂ）のように、電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量に見合う高さのポテンシャル障壁ＢＰが電荷秤量部Ｄ２に形成される。１回目の受光期間Ｐ１の後の転送期間Ｐｔにおいて電荷保持部Ｄ４に電荷が投入される際の受け渡し元の電荷量は、理想的には光電変換部Ｄ１で生成された生成電荷の電荷量であるから、図１１（ｂ）の状態において秤量することのできる不要電荷の電荷量は、光電変換部Ｄ１で生成された生成電荷の電荷量に一致すると考えられる。

しかしながら、電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量に対してポテンシャル障壁ＢＰの高さが決まり、形成されたポテンシャル障壁ＢＰの高さに対して不要電荷の電荷量が決まるから、電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量と不要電荷の電荷量とは必ずしも一致しない。

たとえば、１回の受光期間Ｐ１において得られた受光光量に相当する電荷量をＱ_ＤＣとし、この電荷量Ｑ_ＤＣに対して２回目の受光期間Ｐ２において電荷秤量部Ｄ２で秤量される不要電荷の電荷量をＱ_ＵＮとすれば、Ｑ_ＤＣ＞Ｑ_ＵＮであり、２回目の受光期間Ｐ２における受光光量に相当する電荷量もＱ_ＤＣであるから、秤量期間Ｐｍにおいて秤量すると、図１１（ｃ）のように電荷蓄積部Ｄ３には、Ｑ_ＤＣ−Ｑ_ＵＮの残留電荷が蓄積されることになる。

この残留電荷（Ｑ_ＤＣ−Ｑ_ＵＮ）を転送期間Ｐｔにおいて電荷保持部Ｄ４に転送すると、電荷保持部Ｄ４に保持される電荷量が増加し、その結果として、図１１（ｄ）のように、ポテンシャル障壁Ｂの高さが増加し、受光期間Ｐ１，Ｐ２において得られた受光光量に相当する電荷量Ｑ_ＤＣと不要電荷の電荷量Ｑ_ＵＮとの差分が小さくなる。

ここで、電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量とポテンシャル障壁ＢＰの形成により秤量できる不要電荷の電荷量との関係は単調増加の関係ではあるが線形関係ではないから、不要電荷の電荷量Ｑ_ＵＮを電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量Ｑの単調増加関数ｆ（Ｑ）として表す（すなわち、Ｑ_ＵＮ＝ｆ（Ｑ））。受光期間Ｐ１，Ｐ２ごとの生成電荷の電荷量Ｑ_ＤＣを用いると、１回目の受光期間Ｐ１の後に形成されるポテンシャル障壁ＢＰにより秤量される不要電荷の量はｆ（Ｑ_ＤＣ）であり、２回目の受光期間Ｐ２の後に形成されるポテンシャル障壁ＢＰにより秤量される不要電荷の量は、ｆ（２Ｑ_ＤＣ−ｆ（Ｑ_ＤＣ））になって秤量される不要電荷の量が増加する。

なお、関数ｆ（Ｑ）は、電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量からポテンシャル障壁ＢＰの高さへの変換率α（Ｑ）と、ポテンシャル障壁ＢＰの高さＨから電荷秤量部Ｄ２で秤量する不要電荷の電荷量への変換率β（Ｈ）とを含む。つまり、ｆ（Ｑ）＝α（Ｑ）・β（Ｈ）と近似することができる。ここに、変換率α（Ｑ）は電荷量Ｑにかかわらずほぼ一定であり、変換率β（Ｈ）はポテンシャル障壁ＢＰの高さＨに対して非線形に変化する。

図１０では電荷秤量部Ｄ２において秤量した後の残留電荷を電荷保持部Ｄ４に転送する回数を１回だけ示しているが、この回数にはとくに制限がなく、図１２のように、電荷秤量部Ｄ２において電荷を秤量する秤量期間Ｐｍと、秤量後の電荷を電荷保持部Ｄ４に転送する転送期間Ｐｔと複数回ずつ設けるようにしてもよい。

秤量期間Ｐｍと転送期間Ｐｔとを複数回ずつ設けると、秤量期間Ｐｍ毎に残留電荷が徐々に減少する。光電変換部Ｄ１で生成される生成電荷の電荷量が各受光期間Ｐｉにおいて変化しないものとすれば、残留電荷は零に収束する。つまり、理論的には、秤量期間Ｐｍと転送期間Ｐｔとの繰り返し回数が無限大になると、生成電荷の電荷量と不要電荷の電荷量とが一致する。

もっとも、実際には複数回の繰り返しで実質的に一致するようになる。したがって、生成電荷の電荷量と不要電荷の電荷量とがほぼ一致するとみなせるようになる回数をあらかじめ実測しておき、その回数よりもやや多い回数だけ繰り返すことによって、電荷秤量部Ｄ２において秤量する不要電荷の電荷量を環境光の受光光量に相当する電荷量に一致させることが可能になる。

このような動作により、電荷秤量部Ｄ２において秤量する不要電荷の電荷量を過不足なく設定することが可能になる。発光源２とともに用いて空間情報の検出装置を構成している場合には、発光源２からの信号光の非投光期間において、環境光の成分に相当する電荷量を不要電荷として過不足なく秤量できるようにポテンシャル障壁ＢＰを設定することができるから、信号光の投光期間には、受光光量に相当する量の電荷のうち環境光の受光光量に相当する量の電荷を過不足なく不要電荷として除去することが可能になり、結果的に信号光に対するダイナミックレンジをほぼ最大化することが可能になる。

本動作では、１回目の受光期間Ｐ１に得られた生成電荷を電荷保持部Ｄ４にそのまま投入し、２回目以降の受光期間Ｐ２，Ｐ３，……では電荷秤量部Ｄ２において不要電荷を除去する秤量期間Ｐｍを設け、秤量期間Ｐｍで得られた残留電荷を電荷保持部Ｄ４に投入している。以下では、受光期間Ｐｉと転送期間Ｐｔとのみを持つ期間を単純投入期間と呼び、受光期間Ｐｉと秤量期間Ｐｍと転送期間Ｐｔとを持つ期間を分離投入期間と呼ぶ。

単純投入期間には、ポテンシャル障壁ＢＰを形成しない状態で電荷蓄積部Ｄ３に一旦投入した電荷を、電荷蓄積部Ｄ３から電荷分離領域Ｄａに戻した後（電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルを浅くするとともに電荷分離領域Ｄａにポテンシャル井戸を形成する）、電荷分離領域Ｄａから電荷保持部Ｄ４に電荷を移動させる。あるいはまた、電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルを電荷分離領域Ｄａおよびポテンシャル障壁ＢＰよりも浅くし、電荷分離領域Ｄａから電荷保持部Ｄ４に電荷を直接投入できるようにする。

図１（ａ）の構成では、電荷秤量部Ｄ２を介して電荷保持部Ｄ４に電荷を投入しているが、図１（ｂ）のように、電荷保持部Ｄ４を光電変換部Ｄ１に隣接させて設け、光電変換部Ｄ１から電荷保持部Ｄ４に電荷を投入する構成を採用してもよい。

（動作２）
動作１では、単純投入期間と分離投入期間とにおける受光期間Ｐｉを同じ長さにしているが、電荷蓄積部Ｄ３から電荷保持部Ｄ４に引き渡す電荷量に対して電荷秤量部Ｄ２で秤量される不要電荷の電荷量の増加率が小さい場合には、単純投入期間において光電変換部Ｄ１で生成された生成電荷に相当する量の電荷を電荷保持部Ｄ４に引き渡しただけでは、ポテンシャル障壁ＢＰの高さを大きく増加させることができない。したがって、所望高さのポテンシャル障壁ＢＰが形成されるまでに要する分離投入期間の回数が多くなり、調整期間が長くなるという問題が生じる。

この場合には、単純投入期間において電荷保持部Ｄ４に引き渡す電荷量を、分離投入期間の受光期間と同時間で環境光を受光した場合に得られる電荷量よりも多くする。

図１３（ａ）では、単純投入期間（受光期間Ｐｉと転送期間Ｐｔのみ）を複数回（図示例では２回）設けた後に、分離投入期間（受光期間Ｐｉと秤量期間Ｐｍと転送期間Ｐｔとを備える）を設けることによって、単純投入期間において電荷保持部Ｄ４に投入する電荷量を増加させている。

この構成では、単純投入期間を繰り返している間には、電荷蓄積部Ｄ３のポテンシャルをポテンシャル障壁ＢＰよりも浅くし、光電変換部Ｄ１で生成された生成電荷を電荷分離領域Ｄａと転送ゲート２７とを通してそのまま電荷保持部Ｄ４に転送する。

また、図１３（ｂ）のように、単純投入期間を分離投入期間よりも長くしてもよい。要するに、光電変換部Ｄ１での受光光量を増加させ、電荷保持部Ｄ４に投入される電荷量を増加させるのである。この構成を採用することによっても、調整期間を短縮することができる。

本動作を選択する場合には、計測期間Ｔ２に除去する不要電荷の電荷量が環境光に相当する電荷量を超えることがないように、単純投入期間において電荷保持部Ｄ４に投入する電荷量を設定することが必要である。他の動作は動作１と同様である。

（動作３）
動作１において説明したように、分離投入期間において電荷保持部Ｄ４に電荷を１回投入するとポテンシャル障壁ＢＰの高さが増加して不要電荷の電荷量が増加し、理想的には、不要電荷の電荷量の最大値は、光電変換部Ｄ１で生成される生成電荷の電荷量により制限される。しかしながら、調整期間において複数回の受光期間Ｐｉを設けているから、電荷秤量部Ｄ２で秤量される不要電荷の電荷量が、期待した電荷量を上回る可能性がある。

本動作では、分離投入期間におけるポテンシャル障壁ＢＰの高さ変化を緩和することにより、不要電荷の電荷量が過大になる可能性を低減する。具体的には、図１４に示すように、電荷秤量部Ｄ２で秤量した結果の残留電荷を電荷秤量部Ｄ２で再度秤量する。

生成電荷の電荷量が１００で不要電荷の電荷量が２０であるとすれば、残留電荷は８０になるから、この残留電荷を電荷秤量部Ｄ２に再投入して秤量することにより、残留電荷の電荷量を６０にすることができる。

残留電荷を電荷秤量部Ｄ２に再投入する回数は不要電荷の電荷量に応じて適宜に設定する。たとえば、残留電荷の電荷量を監視し、残留電荷が規定した範囲内の電荷量になったときに、電荷保持部Ｄ４に投入する構成を採用すればよい。

上述の動作では、電荷秤量部Ｄ２で秤量した後の残留電荷を電荷秤量部Ｄ２に再投入することにより、電荷保持部Ｄ４に投入する残留電荷の電荷量を低減させる技術を採用しているが、電荷保持部Ｄ４に投入する残留電荷を低減するには、電荷秤量部Ｄ２で１回に秤量する不要電荷の電荷量を増加させる技術を採用してもよい。

たとえば、計測期間Ｔ２において電荷秤量部Ｄ２で１回に秤量する電荷量を、図１５（ｂ）のように２０とすれば、分離投入期間において電荷秤量部Ｄ２で１回に秤量する電荷量を図１５（ａ）のように２０×２＝４０になるように、電荷秤量部Ｄ２における電荷分離領域Ｄａの面積を２倍にする。この動作は、電荷秤量領域Ｄａに複数個の分離電極２２を設けておき、電圧を印加する分離電極２２の個数を制御して、電荷分離領域Ｄａとして機能するポテンシャル井戸の開口面積を変化させることにより実現することができる。

この技術を採用すれば、残留電荷を電荷秤量部Ｄ２に再投入することによって電荷を２回秤量した場合と同様の電荷量を不要電荷として分離することが可能になる。

ただし、残留電荷を電荷秤量部Ｄ２に再投入する構成のほうが、電荷秤量部Ｄ２の専有面積を小さくすることができる上に、残留電荷を電荷秤量部Ｄ２に再投入する回数を変えることにより電荷保持部Ｄ４に投入する電荷量を調整することができるから、構成上の変化を伴うことなく電荷保持部Ｄ４に投入する電荷量を調節できる。他の動作は動作１と同様である。

（動作４）
ここまで詳述しなかったが、計測期間Ｔ２において光電変換部Ｄ１で生成された生成電荷から環境光に相当する電荷量を不要電荷として電荷秤量部Ｄ２で秤量するには、調整期間Ｔ１において設定する不要電荷の電荷量は、計測期間Ｔ２の不要電荷の電荷量と等しいかそれ以下の関係になっている必要がある。この点について、計測期間Ｔ２の動作に鑑みて考察する。

計測期間Ｔ２の動作としては、図１６に示すように、動作３で説明した調整期間Ｔ１の動作と同様に、電荷秤量部Ｄ２で複数回の秤量を行う動作があり、また、電荷秤量部Ｄ２における電荷分離領域Ｄａの面積を変化させる動作が考えられる。

計測期間Ｔ２では電荷秤量部Ｄ２において１回の秤量により分離される不要電荷の電荷量は、調整期間Ｔ１において電荷保持部Ｄ４に保持された電荷量に対応するポテンシャル障壁ＢＰの高さにより決まるから、計測期間Ｔ２において分離する不要電荷の総量は、計測期間Ｔ２における電荷秤量部Ｄ２で不要電荷を秤量する回数と電荷秤量部Ｄ２で不要電荷を秤量する際の電荷分離領域Ｄａの開口面積との積で決まる。

したがって、調整期間Ｔ１と計測期間Ｔ２とにおいて環境光の受光強度に実質的な変化が生じないという条件下では、計測期間Ｔ２において電荷秤量部Ｄ２で秤量する回数あるいは電荷分離領域Ｄａの面積は、調整期間Ｔ１における受光期間Ｐｉと計測期間Ｔ２における受光期間Ｐｉとの比率により決まる。

すなわち、調整期間Ｔ１において設定した不要電荷の電荷量をＶ１とすれば、計測期間Ｔ２において１回の秤量で分離される不要電荷の電荷量もＶ１であるから、調整期間Ｔ１と計測期間Ｔ２とにおける受光期間Ｐｉの長さが等しければ、計測期間Ｔ２での秤量は１回になる。また、計測期間Ｔ２における受光期間Ｐｉが調整期間Ｔ１における受光期間Ｐｉに対してｎ倍（ｎは２以上の整数）であるときには、計測期間Ｔ２における電荷秤量部Ｄ２での秤量の回数をｎ回にする。

調整期間Ｔ１においてポテンシャル障壁ＢＰを成長させるのに要する時間は、計測期間Ｔ２において不要電荷を秤量する時間に比較して１００倍程度の差があるから、計測期間Ｔ２において複数回の秤量を行っても、調整期間Ｔ１におけるポテンシャル障壁ＢＰの成長時間を短縮することで、全体の所要時間を短縮できる。つまり、計測期間の秤量を複数回の秤量で満足させることにより、電荷保持部に保持させる電荷量が少なく、調整期間を短くすることが可能になるから応答性が向上する。

ところで、光電変換部Ｄ１の開口面積（電荷を集積するためのポテンシャル井戸を形成するための電圧を印加する感度制御電極２１の個数）を、調整期間Ｔ１と計測期間Ｔ２とで異ならせる場合がある。この場合も上述の動作と同様に、調整期間Ｔ１において設定した不要電荷の電荷量は、計測期間Ｔ２の１回の受光期間Ｐｉにおける環境光の受光光量に相当する電荷量に一致しない。

たとえば、空間情報の検出装置を構成する場合であって、とくに物体までの距離を求める測距装置を構成する場合には、上述したように、強度変調光の位相の特定区間における受光光量Ａ０〜Ａ３を求めるから、光電変換部Ｄ１において、２区間ずつ受光光量（たとえば、Ａ０，Ａ２）を変調信号の複数周期に亘って蓄積した後に、光電変換部Ｄ１から電荷秤量部Ｄ２に転送して不要電荷を分離する場合にこのような状態が生じる。

この動作では、図１７（ａ）（ｂ）のように、変調信号の各区間に同期させて感度制御電極２１に印加する電圧を変化させることによりポテンシャル井戸を形成する領域を変化させる。ポテンシャル井戸の開口面積が大きい領域のほうが電荷の集積効率が高く実質的に感度が高くなり、開口面積の小さい領域は電荷の集積効率が低くもっぱら電荷の保持を行う。

したがって、図１７（ａ）の状態では、主として受光光量Ａ０に相当する電荷を保持するとともに受光光量Ａ２に相当する電荷を集積し、図１７（ｂ）の状態では、主として受光光量Ａ０に相当する電荷を集積するとともに受光光量Ａ２に相当する電荷を保持する。

このように、調整期間Ｔ１と計測期間Ｔ２との各受光期間Ｐｉにおいて環境光に対する受光光量が明らかに異なるときには、上述のようにして、計測期間Ｔ２における秤量の回数や電荷分離領域Ｄａの開口面積を変化させるほかに、調整期間Ｔ１において光電変換部Ｄ１に形成するポテンシャル井戸の形状を計測期間Ｔ２のポテンシャル井戸の形状とは異ならせる技術を採用することができる。

たとえば、図１７に示す動作では、計測期間Ｔ２において、８個の感度制御電極２１のうち各１個を受光光量Ａ０，Ａ２に対応する電荷量の保持に用いており、環境光と信号光とを併せて受光する領域は６個の感度制御電極２１に対応する領域になっている。これは、異なる２区間の電荷の集積と保持とを行うからであり、８個の感度制御電極２１に対応する領域においていわば２種類の電荷を扱っていることになる。

これに対して、調整期間Ｔ１には８個の感度制御電極２１に対応する領域で環境光の受光光量に対応する１種類の電荷のみを扱えばよいから、８個の感度制御電極２１に対応する領域の全体を受光領域に用いることができる。また、調整期間Ｔ１において感度制御電極２１に印加する電圧は、計測期間Ｔ２において感度制御電極２１に印加する電圧とは異ならせることが可能であり、調整期間Ｔ１におけるポテンシャル井戸の深さを計測期間Ｔ２とは異ならせることができる。要するに、調整期間Ｔ１において計測期間Ｔ２とは光電変換部Ｄ１の感度を調節することができる。

このように、調整期間Ｔ１において計測期間Ｔ２に比較して実質的に光電変換部Ｄ１の受光面積を拡大した状態で電荷を集積することにより、環境光の受光光量に相当する電荷量を比較的短時間で電荷保持部Ｄ４に保持させることが可能になる。したがって、計測期間Ｔ２と調整期間Ｔ１とにおいて光電変換部Ｄ１の受光面積を実質的に等しくしている場合に比較すると、調整期間Ｔ１を短縮することが可能になる。

なお、この動作では、計測期間Ｔ２において除去すべき不要電荷の電荷量が、調整期間Ｔ１に設定された不要電荷の電荷量に比例するように、計測期間Ｔ２の長さ、秤量の回数などを調節することが必要である。また、上述の例では、受光面積あるいは感度制御電極２１に印加する電圧を変化させているが、受光期間Ｐｉの長さを調節することによっても調整期間Ｔ１において設定する不要電荷の電荷量の調節が可能である。他の動作は動作１と同様である。

（ａ）（ｂ）はそれぞれ実施形態を示す要部正面図である。 同上の横断面図である。 同上の縦断面図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上を用いた検出装置のブロック図である。 図６に示した検出装置の動作例を示す説明図である。 図７に示した検出装置の他の動作例を示す動作説明図である。 同上の基本動作を示す動作説明図である。 同上の動作１の動作説明図である。 同上の動作１の動作説明図である。 同上の動作１の他例を示す動作説明図である。 同上の動作２の動作説明図である。 同上の動作３の動作説明図である。 同上の動作３の動作説明図である。 同上の動作４の動作説明図である。 同上の動作４の動作説明図である。 従来技術の問題点を説明する図である。

符号の説明

１ 受光素子
２ 発光源
３ 信号処理部
４ 制御部（駆動制御回路）
５ 物体
２４ 障壁制御電極
２７ 転送ゲート
Ｂ ポテンシャル障壁
Ｄ１ 光電変換部
Ｄ２ 電荷秤量部
Ｄ３ 電荷蓄積部
Ｄ４ 電荷保持部
Ｄａ 電荷分離領域
Ｄｂ 障壁形成領域
Ｐ１，Ｐ２，…… 受光期間
Ｐｍ 秤量期間
Ｐｔ 転送期間
Ｔ２ 計測期間
Ｔ１ 調整期間
Ｔｘ 投光期間
Ｔｙ 非投光期間

Claims (9)

1. 受光強度に応じた量の電荷を生成する光電変換部と、障壁制御電極を半導体表面に備える障壁形成領域および光電変換部で生成された生成電荷の一部を障壁形成領域に形成するポテンシャル障壁の高さに応じて不要電荷として秤量する電荷分離領域を備える電荷秤量部と、生成電荷のうち電荷秤量部で秤量された不要電荷を除く残留電荷が取り出される電荷蓄積部と、保持している電荷量に応じて決まる電圧を障壁制御電極に印加し電荷秤量部で秤量する不要電荷の量を決定する電荷保持部と、電荷蓄積部から電荷保持部への電荷移動を許可する導通状態と電荷移動を禁止する遮断状態とを選択する転送ゲートと、光電変換部の受光期間と感度とを制御するとともに転送ゲートの導通状態と遮断状態とを切り換える駆動制御回路とを有し、駆動制御回路は、計測期間において、転送ゲートを遮断状態に保ち電荷秤量部で生成電荷から不要電荷を秤量した後の残留電荷を受光光量に相当する信号電荷として利用させ、調整期間において、電荷保持部に電荷を投入しさらに電荷秤量部で秤量した後の残留電荷を電荷保持部に投入し、かつ光電変換部での受光と電荷秤量部による不要電荷の秤量と電荷保持部への残留電荷の引き渡しとを複数回繰り返すことを特徴とする受光装置。
2. 前記駆動制御回路は、調整期間において、前記光電変換部で生成した生成電荷をそのまま残留電荷として前記電荷保持部に引き渡す単純投入期間の後に、単純投入期間において電荷保持部に引き渡した電荷量に応じたポテンシャル障壁を電荷秤量部に形成した状態で生成電荷から不要電荷を除いた残留電荷を電荷保持部に投入する分離投入期間を設けていることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
3. 前記駆動制御回路は、単純投入期間において、前記光電変換部の受光を複数回行い、受光毎に生成電荷をそのまま前記電荷保持部に引き渡すことを特徴とする請求項２記載の受光装置。
4. 前記駆動制御回路は、単純投入期間における前記光電変換部の１回の受光時間を分離投入期間における１回の受光時間よりも長く設定していることを特徴とする請求項２記載の受光装置。
5. 前記駆動制御回路は、調整期間において、前記電荷秤量部にポテンシャル障壁を形成した後、当該ポテンシャル障壁を用いて不要電荷の秤量を複数回繰り返し、生成電荷から複数回分の秤量による不要電荷を除いた残留電荷を前記電荷保持部に引き渡すことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の受光装置。
6. 前記電荷分離領域は複数の分離電極を有し、前記駆動制御回路は、各分離電極に印加する電圧を制御することにより、調整期間における電荷分離領域の面積を計測期間における面積よりも大きくすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の受光装置。
7. 前記駆動制御回路は、計測期間において前記電荷秤量部で秤量する電荷量は、調整期間において設定した不要電荷の電荷量ずつ複数回で秤量されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の受光装置。
8. 前記駆動制御回路は、調整期間における前記光電変換部の面積を計測期間における面積よりも大きくす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項に記載の受光装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の受光装置と、光電装置の視野である対象空間に信号光を投光する投光期間と信号光を投光しない非投光期間とを有するように制御される発光源とを有し、発光源から投光した信号光と光電装置の受光出力により検出される信号光の受光光量との関係に基づいて対象空間の空間情報を検出する装置であって、発光源の非投光期間を調整期間に一致させるとともに発光源の投光期間を計測期間に一致させ、計測期間において前記電荷秤量部を用いて秤量される電荷量が計測期間における環境光の受光光量に相当する電荷量に一致するように、調整期間において前記電荷保持部に保持させる電荷量が調節されることを特徴とする空間情報の検出装置。

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