JP5222000B2 - 撮像素子 - Google Patents

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本発明は、増感機能を有した撮像素子に関するものである。
一般に、光照射による電荷を生成し受光光量に応じた受光出力を取り出す撮像素子では、受光光量の多寡に応じて受光出力も変化する。露光時間が長くなれば受光光量が増加するが、受光光量を反映する有効な受光出力の上限および下限は、電荷の生成を行う部位のサイズおよび不純物濃度により制限されている。つまり、露光時間を長くするだけでは、電荷の生成を行う部位が飽和して受光光量を反映した受光出力が得られないから、感度を高めることはできない。
撮像素子では露光時間を調節することが可能であるから、複数段階の露光時間で複数回の撮像を行い、露光が適正であった露光時間の電荷を用いて受光出力を得ることにより、ダイナミックレンジを広げることが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００６−８４４３０号公報
ところで、特許文献１に記載の構成では、露光時間の長さを調節することにより受光光量を調節する構成を採用しているから、受光強度に対するダイナミックレンジが大きくなるものの受光出力として取り出される電荷量が増加するわけではなく、受光出力のダイナミックレンジは大きくならない。
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、受光出力の飽和電荷量を大きくすることにより受光出力のダイナミックレンジを大きくした撮像素子を提供することにある。
請求項１の発明は、光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は点灯期間と消灯期間とを有するように矩形波で変調され、１回の露光の期間は、点灯期間と消灯期間との各区間に対応付けられ、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は、１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成するとともに、規定回数の露光において毎回の露光ごとに異なる区間の電荷を生成し、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、組内の積算要素がそれぞれ撮像画素に一対一に対応付けられており、撮像画素ごとに前記規定回数と同数の複数個ずつ対応付けた積算要素を用い、撮像画素が毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、各組の積算要素でそれぞれ積算し、積算後にいずれかの一組の電荷を転送列に移動させるとともに同じ撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、複数回ずつの露光で積算された各区間の電荷を、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする。
請求項２の発明は、光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は一定周期で変調され、１回の露光の期間は、強度変調光の複数周期を含み、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は、１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成するとともに、規定回数の露光において毎回の露光ごとに異なる区間の電荷を生成し、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、組内の積算要素がそれぞれ撮像画素に一対一に対応付けられており、撮像画素ごとに前記規定回数と同数の複数個ずつ対応付けた積算要素を用い、撮像画素が毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、各組の積算要素でそれぞれ積算し、積算後にいずれかの一組の電荷を転送列に移動させるとともに同じ撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、複数回ずつの露光で積算された各区間の電荷を、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする。
請求項３の発明は、光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は点灯期間と消灯期間とを有するように矩形波で変調され、１回の露光の期間は、点灯期間と消灯期間との各区間に対応付けられ、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成するとともに、隣接する複数個の撮像画素では１回の露光において異なる区間の電荷を生成し、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、組内の積算要素がそれぞれ撮像画素に一対一に対応付けられており、撮像画素が毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、複数回ずつの露光の間に、撮像画素ごとに対応付けられた組内の各積算要素で区間ごとに振り分けてそれぞれ積算し、積算後に前記組内の積算要素のうちいずれかの区間に対応する積算要素の電荷を転送列に移動させるとともに隣接する撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする。
請求項４の発明は、光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は一定周期で変調され、１回の露光の期間は、強度変調光の複数周期を含み、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成するとともに、隣接する複数個の撮像画素では１回の露光において異なる区間の電荷を生成し、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、組内の積算要素がそれぞれ前記撮像画素に一対一に対応付けられており、撮像画素が毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、複数回ずつの露光の間に、撮像画素ごとに対応付けられた組内の各積算要素で区間ごとに振り分けてそれぞれ積算し、積算後に前記組内の積算要素のうちいずれかの区間に対応する積算要素の電荷を転送列に移動させるとともに隣接する撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする。
請求項５の発明は、光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は点灯期間と消灯期間とを有するように矩形波で変調され、１回の露光の期間は、点灯期間と消灯期間との各区間に対応付けられ、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は、１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成し隣接して組となる複数個の撮像画素では、１回の露光においてそれぞれ異なる区間の電荷を生成するとともに、規定回数の露光において毎回の露光ごとに１個の撮像画素で電荷を生成する区間を入れ換え、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、撮像画素が、毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、複数回ずつの露光の間に、組にした撮像画素と同数個の積算要素を用いて組内の各積算要素で区間ごとに振り分けてそれぞれ積算し、積算後に前記組内の積算要素のうちいずれかの区間に対応する積算要素の電荷を転送列に移動させるとともに隣接する撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする。
請求項６の発明は、光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は一定周期で変調され、１回の露光の期間は、強度変調光の複数周期を含み、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は、１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成し、隣接して組となる複数個の撮像画素では、１回の露光においてそれぞれ異なる区間の電荷を生成するとともに、規定回数の露光において毎回の露光ごとに１個の撮像画素で電荷を生成する区間を入れ換え、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、撮像画素が、毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、複数回ずつの露光の間に、組にした撮像画素と同数個の前記積算要素を用いて組内の各積算要素で区間ごとに振り分けてそれぞれ積算し、積算後に前記組内の積算要素のうちいずれかの区間に対応する積算要素の電荷を転送列に移動させるとともに隣接する撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする。
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、前記撮像領域と前記蓄積領域とは、前記半導体上で隣接して異なる領域に形成されていることを特徴とする。
請求項８の発明では、請求項１ないし請求項７のいずれかの発明において、前記撮像画素が並ぶ受光列と前記転送列とが一直線上に配置されるとともに前記半導体上にそれぞれ複数列形成され、前記積算列が転送列に隣接して転送列の側方に配置されていることを特徴とする。
請求項９の発明では、請求項１ないし請求項８のいずれかの発明において、前記撮像画素は、前記半導体の主表面に絶縁層を介して配列した複数個の感度制御電極を備え、電圧を印加する感度制御電極の個数を変化させることにより半導体に形成されるポテンシャル井戸の主表面に沿った開口面積を変化させる構成であって、強度変調光の特定の区間ではポテンシャル井戸の開口面積を大きくして電荷を集積し、他の区間ではポテンシャル井戸の開口面積を小さくして電荷を保持する制御がなされ、各撮像画素において電荷の集積と保持とを複数回ずつ繰り返した後に、前記撮像領域から前記蓄積領域に電荷が転送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、撮像画素とは別に撮像画素で生成された電荷を積算する積算要素を設け、各積算要素の飽和電荷量を各撮像画素の飽和電荷量よりも大きくしているから、撮像画素の飽和電荷量にかかわらずダイナミックレンジの大きい受光出力が得られる。言い換えると感度を高めることができる。電荷を撮像素子の外部に取り出すことなく電荷を積算するから、応答速度（フレームレート）を低下させることなく電荷の積算が可能になる。また、蓄積領域は電荷の転送ないし移動と積算とを行うだけであり、簡単な構造で実現でき不純物濃度の制御も容易であるから、飽和電荷量を大きくするために撮像画素よりも不純物濃度を高くするのが容易である。さらに、蓄積領域において撮像画素からの電荷を受け取る転送要素を積算要素とは別に設け、撮像画素からの電荷を転送要素を介して積算要素に引き渡すから、転送要素から積算要素に電荷を移動させている期間に撮像画素で電荷を生成することができ、撮像画素から積算要素に電荷を移動させる期間以外は撮像画素を電荷の生成に利用して応答速度を高めることができる。
なお、積算要素が撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算することは、撮像画素と積算要素とが必ずしも一対一に対応していることを意味しているのではなく、積算要素は撮像画素の整数倍（２倍または４倍が望ましい）であってもよい。つまり、１個の撮像画素に対して２個または４個の積算要素を対応付けることが可能である。
また、請求項１の発明の構成によれば、強度変調光の点灯期間と消灯期間とをそれぞれ１回の露光に対応付けているから、点灯期間の受光光量と消灯期間の受光光量とを用いて物体の存否や物体の反射率などを検出する装置に用いることができる。
さらに、請求項１の発明の構成によれば、１回の露光では強度変調光の特定の区間の電荷を生成し、複数回の露光において異なる区間の電荷を生成して区間ごとに積算要素に振り分けて積算した後に、各区間に対応する電荷をまとめて受光出力として取り出すから、複数区間の電荷を受光出力として取り出すために受光出力を取り出す操作を複数回行う場合に比較すると撮像素子から受光出力を得るのに要する時間を短縮することができ、応答速度を高めることができる。
とくに、受光出力を取り出す際に転送列と積算列とにそれぞれ保持された異なる区間の電荷が順に並んで取り出されるから、異なる区間の電荷を用いて演算する場合に、受光出力を取り出しながら演算を逐次行うことができ、受光出力を保持するためのバッファなどの構成を簡易化することができる。また、演算結果を迅速に得ることができるから、それだけ応答速度を高めることができる。
請求項２の発明の構成によれば、撮像画素とは別に撮像画素で生成された電荷を積算する積算要素を設け、各積算要素の飽和電荷量を各撮像画素の飽和電荷量よりも大きくしているから、撮像画素の飽和電荷量にかかわらずダイナミックレンジの大きい受光出力が得られる。言い換えると感度を高めることができる。電荷を撮像素子の外部に取り出すことなく電荷を積算するから、応答速度（フレームレート）を低下させることなく電荷の積算が可能になる。また、蓄積領域は電荷の転送ないし移動と積算とを行うだけであり、簡単な構造で実現でき不純物濃度の制御も容易であるから、飽和電荷量を大きくするために撮像画素よりも不純物濃度を高くするのが容易である。さらに、蓄積領域において撮像画素からの電荷を受け取る転送要素を積算要素とは別に設け、撮像画素からの電荷を転送要素を介して積算要素に引き渡すから、転送要素から積算要素に電荷を移動させている期間に撮像画素で電荷を生成することができ、撮像画素から積算要素に電荷を移動させる期間以外は撮像画素を電荷の生成に利用して応答速度を高めることができる。
また、請求項２の発明の構成によれば、１回の露光時間が強度変調光の複数周期を含むから、１周期のうちの特定位相における受光光量を用いて物体までの距離を検出する装置に用いることができる。
さらに、請求項２の発明の構成によれば、１回の露光では強度変調光の特定の区間の電荷を生成し、複数回の露光において異なる区間の電荷を生成して区間ごとに積算要素に振り分けて積算した後に、各区間に対応する電荷をまとめて受光出力として取り出すから、複数区間の電荷を受光出力として取り出すために受光出力を取り出す操作を複数回行う場合に比較すると撮像素子から受光出力を得るのに要する時間を短縮することができ、応答速度を高めることができる。
とくに、受光出力を取り出す際に転送列と積算列とにそれぞれ保持された異なる区間の電荷が順に並んで取り出されるから、異なる区間の電荷を用いて演算する場合に、受光出力を取り出しながら演算を逐次行うことができ、受光出力を保持するためのバッファなどの構成を簡易化することができる。また、演算結果を迅速に得ることができるから、それだけ応答速度を高めることができる。
請求項３の発明の構成によれば、撮像画素とは別に撮像画素で生成された電荷を積算する積算要素を設け、各積算要素の飽和電荷量を各撮像画素の飽和電荷量よりも大きくしているから、撮像画素の飽和電荷量にかかわらずダイナミックレンジの大きい受光出力が得られる。言い換えると感度を高めることができる。電荷を撮像素子の外部に取り出すことなく電荷を積算するから、応答速度（フレームレート）を低下させることなく電荷の積算が可能になる。また、蓄積領域は電荷の転送ないし移動と積算とを行うだけであり、簡単な構造で実現でき不純物濃度の制御も容易であるから、飽和電荷量を大きくするために撮像画素よりも不純物濃度を高くするのが容易である。さらに、蓄積領域において撮像画素からの電荷を受け取る転送要素を積算要素とは別に設け、撮像画素からの電荷を転送要素を介して積算要素に引き渡すから、転送要素から積算要素に電荷を移動させている期間に撮像画素で電荷を生成することができ、撮像画素から積算要素に電荷を移動させる期間以外は撮像画素を電荷の生成に利用して応答速度を高めることができる。
また、請求項３の発明の構成によれば、強度変調光の点灯期間と消灯期間とをそれぞれ１回の露光に対応付けているから、点灯期間の受光光量と消灯期間の受光光量とを用いて物体の存否や物体の反射率などを検出する装置に用いることができる。
さらに、請求項３の発明の構成によれば、複数個の撮像画素を用いることにより１回の露光で複数の区間の電荷を生成し、かつ各区間の電荷を積算要素において個別に積算するから、複数回の露光後に受光出力を取り出すにあたり、１回の露光で１区間の電荷を生成する場合に比較すると、同じ大きさの受光出力を得るための時間を短縮することができる。
とくに、受光出力を取り出す際に転送列と積算列とにそれぞれ保持された異なる区間の電荷が順に並んで取り出されるから、異なる区間の電荷を用いて演算する場合に、受光出力を取り出しながら演算を逐次行うことができ、受光出力を保持するためのバッファなどの構成を簡易化することができる。また、演算結果を迅速に得ることができるから、それだけ応答速度を高めることができる。とくに、１回の露光で複数区間の電荷を生成することとあいまって、露光から演算結果が得られるまでの時間が短くなる。
請求項４の発明の構成によれば、撮像画素とは別に撮像画素で生成された電荷を積算する積算要素を設け、各積算要素の飽和電荷量を各撮像画素の飽和電荷量よりも大きくしているから、撮像画素の飽和電荷量にかかわらずダイナミックレンジの大きい受光出力が得られる。言い換えると感度を高めることができる。電荷を撮像素子の外部に取り出すことなく電荷を積算するから、応答速度（フレームレート）を低下させることなく電荷の積算が可能になる。また、蓄積領域は電荷の転送ないし移動と積算とを行うだけであり、簡単な構造で実現でき不純物濃度の制御も容易であるから、飽和電荷量を大きくするために撮像画素よりも不純物濃度を高くするのが容易である。さらに、蓄積領域において撮像画素からの電荷を受け取る転送要素を積算要素とは別に設け、撮像画素からの電荷を転送要素を介して積算要素に引き渡すから、転送要素から積算要素に電荷を移動させている期間に撮像画素で電荷を生成することができ、撮像画素から積算要素に電荷を移動させる期間以外は撮像画素を電荷の生成に利用して応答速度を高めることができる。
また、請求項４の発明の構成によれば、１回の露光時間が強度変調光の複数周期を含むから、１周期のうちの特定位相における受光光量を用いて物体までの距離を検出する装置に用いることができる。
さらに請求項４の発明の構成によれば、複数個の撮像画素を用いることにより１回の露光で複数の区間の電荷を生成し、かつ各区間の電荷を積算要素において個別に積算するから、複数回の露光後に受光出力を取り出すにあたり、１回の露光で１区間の電荷を生成する場合に比較すると、同じ大きさの受光出力を得るための時間を短縮することができる。
とくに、受光出力を取り出す際に転送列と積算列とにそれぞれ保持された異なる区間の電荷が順に並んで取り出されるから、異なる区間の電荷を用いて演算する場合に、受光出力を取り出しながら演算を逐次行うことができ、受光出力を保持するためのバッファなどの構成を簡易化することができる。また、演算結果を迅速に得ることができるから、それだけ応答速度を高めることができる。とくに、１回の露光で複数区間の電荷を生成することとあいまって、露光から演算結果が得られるまでの時間が短くなる。
請求項５の発明の構成によれば、撮像画素とは別に撮像画素で生成された電荷を積算する積算要素を設け、各積算要素の飽和電荷量を各撮像画素の飽和電荷量よりも大きくしているから、撮像画素の飽和電荷量にかかわらずダイナミックレンジの大きい受光出力が得られる。言い換えると感度を高めることができる。電荷を撮像素子の外部に取り出すことなく電荷を積算するから、応答速度（フレームレート）を低下させることなく電荷の積算が可能になる。また、蓄積領域は電荷の転送ないし移動と積算とを行うだけであり、簡単な構造で実現でき不純物濃度の制御も容易であるから、飽和電荷量を大きくするために撮像画素よりも不純物濃度を高くするのが容易である。さらに、蓄積領域において撮像画素からの電荷を受け取る転送要素を積算要素とは別に設け、撮像画素からの電荷を転送要素を介して積算要素に引き渡すから、転送要素から積算要素に電荷を移動させている期間に撮像画素で電荷を生成することができ、撮像画素から積算要素に電荷を移動させる期間以外は撮像画素を電荷の生成に利用して応答速度を高めることができる。
また、請求項５の発明の構成によれば、強度変調光の点灯期間と消灯期間とをそれぞれ１回の露光に対応付けているから、点灯期間の受光光量と消灯期間の受光光量とを用いて物体の存否や物体の反射率などを検出する装置に用いることができる。
さらに、請求項５の発明の構成によれば、複数個の撮像画素を組にして用いることにより１回の露光で複数の区間の電荷を生成し、かつ規定回数の露光において毎回の露光ごとに異なる区間の電荷を生成し、かつ積算要素では組にした撮像画素で生成された電荷を撮像画素と同数個の積算要素で区間ごとに振り分けて積算するから、複数個の撮像画素で得られた電荷は区間ごとにまとめられて混合されることになる。つまり、各撮像画素で得られた電荷が平均化され、対象空間において各撮像画素に対応付けられた領域の特性が大幅に異なっている場合でも異常値が生じるのを抑制することができる。
とくに、受光出力を取り出す際に転送列と積算列とにそれぞれ保持された異なる区間の電荷が順に並んで取り出されるから、異なる区間の電荷を用いて演算する場合に、受光出力を取り出しながら演算を逐次行うことができ、受光出力を保持するためのバッファなどの構成を簡易化することができる。また、演算結果を迅速に得ることができるから、それだけ応答速度を高めることができる。しかも、複数個の撮像画素で生成された電荷を混合しているから、各撮像画素が対象空間の異なる領域に対応付けられていることによって生じる受光出力の誤差を抑制できる。
請求項６の発明の構成によれば、撮像画素とは別に撮像画素で生成された電荷を積算する積算要素を設け、各積算要素の飽和電荷量を各撮像画素の飽和電荷量よりも大きくしているから、撮像画素の飽和電荷量にかかわらずダイナミックレンジの大きい受光出力が得られる。言い換えると感度を高めることができる。電荷を撮像素子の外部に取り出すことなく電荷を積算するから、応答速度（フレームレート）を低下させることなく電荷の積算が可能になる。また、蓄積領域は電荷の転送ないし移動と積算とを行うだけであり、簡単な構造で実現でき不純物濃度の制御も容易であるから、飽和電荷量を大きくするために撮像画素よりも不純物濃度を高くするのが容易である。さらに、蓄積領域において撮像画素からの電荷を受け取る転送要素を積算要素とは別に設け、撮像画素からの電荷を転送要素を介して積算要素に引き渡すから、転送要素から積算要素に電荷を移動させている期間に撮像画素で電荷を生成することができ、撮像画素から積算要素に電荷を移動させる期間以外は撮像画素を電荷の生成に利用して応答速度を高めることができる。
また、請求項６の発明の構成によれば、１回の露光時間が強度変調光の複数周期を含むから、１周期のうちの特定位相における受光光量を用いて物体までの距離を検出する装置に用いることができる。
さらに、請求項６の発明の構成によれば、複数個の撮像画素を組にして用いることにより１回の露光で複数の区間の電荷を生成し、かつ規定回数の露光において毎回の露光ごとに異なる区間の電荷を生成し、かつ積算要素では組にした撮像画素で生成された電荷を撮像画素と同数個の積算要素で区間ごとに振り分けて積算するから、複数個の撮像画素で得られた電荷は区間ごとにまとめられて混合されることになる。つまり、各撮像画素で得られた電荷が平均化され、対象空間において各撮像画素に対応付けられた領域の特性が大幅に異なっている場合でも異常値が生じるのを抑制することができる。
とくに、受光出力を取り出す際に転送列と積算列とにそれぞれ保持された異なる区間の電荷が順に並んで取り出されるから、異なる区間の電荷を用いて演算する場合に、受光出力を取り出しながら演算を逐次行うことができ、受光出力を保持するためのバッファなどの構成を簡易化することができる。また、演算結果を迅速に得ることができるから、それだけ応答速度を高めることができる。しかも、複数個の撮像画素で生成された電荷を混合しているから、各撮像画素が対象空間の異なる領域に対応付けられていることによって生じる受光出力の誤差を抑制できる。
請求項７の発明の構成によれば、撮像領域と蓄積領域とを半導体上で異なる領域に形成していることにより、撮像画素の暗電流の増加を防止することができる。とくに、蓄積領域の不純物濃度を高くして蓄積領域の飽和電荷量を増加させる場合に、撮像領域と蓄積領域とが同領域に設けられていると、境界部分の電界強度が大きくなって暗電流が生じやすくなるが、撮像画素と蓄積領域とを異なる領域に設けていることにより、暗電流を抑制することができる。
また、撮像領域と蓄積領域とを同領域に設けていると、撮像領域と蓄積領域とのポテンシャル差によって撮像領域から蓄積領域に電荷が流れてしまうが、撮像領域と蓄積領域とを異なる領域に設けていることにより、撮像領域から蓄積領域へ電荷が自然に流出してしまうのを防止することができる。
請求項８の発明の構成によれば、撮像画素と転送要素とを一列に配列し、転送要素の側方に積算要素を配列しているから、フレームトランスファー方式のＣＣＤイメージセンサの構成に類似した構成で実現することができる。すなわち、フレームトランスファー方式のＣＣＤイメージセンサとの構成上の変更点を少なくすることができ、設計に要する手間が少なくなる。
請求項９の発明の構成によれば、撮像画素として複数個の感度制御電極を用いてポテンシャル井戸の開口面積を変化させる構成を採用することにより、電荷の集積と保持とを繰り返すことを可能にし、各撮像画素において電荷の集積と保持とを複数回ずつ繰り返した後に撮像領域から蓄積領域に電荷を移動させるから、撮像画素の感度を高めながらも撮像領域から蓄積領域への電荷の転送回数を低減することができる。また、１回の露光において複数個の撮像画素で強度変調光の異なる区間の電荷を生成する場合には、電荷を生成する期間にポテンシャル井戸の開口面積を大きくして電荷を集積し、他の期間にポテンシャル井戸の開口面積を小さくして電荷を保持すれば、異なる区間の電荷の集積と保持とを複数回繰り返す動作を容易に実現することができる。
以下に説明する実施形態では、撮像素子として、複数個の画素を垂直方向Ｄｖに複数個配列した受光列Ｌ０を形成するとともに、受光列Ｌ０を水平方向Ｄｈに複数列配列することによって、画素をマトリクス状に配列した２次元（エリア）イメージセンサを想定する。また、以下に説明する実施形態では、撮像素子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として対象空間に存在する物体までの距離を求める測距装置を例示する。空間情報の検出装置としては、測距装置のほか、物体の反射率や空間の媒質の透過率を求める装置などにも本発明の技術思想を適用することが可能である。
（基本構造）
以下に説明する実施形態では、図１に示すように、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Ｄ１と兼用された構造の撮像素子１を例示するが、図７に示すように、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Ｄ１に隣接して垂直転送レジスタＲｖを配置した構造の撮像素子１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。
以下では、ＦＴ方式に類似する構造はＦＴ型、ＩＴ方式に類似する構造はＩＴ型、ＦＩＴ方式に類似する構造はＦＩＴ型として説明する。また、ＦＴ型の場合は、光電変換部Ｄ１を備える撮像領域Ｅ１と、撮像領域Ｅ１で生成された電荷を蓄積する蓄積領域Ｅ２とを半導体に備え、蓄積領域Ｅ２は遮光されているものとする。一方、ＩＴ型の場合は、光電変換部Ｄ１を配列した領域を撮像領域Ｅ１とし、光電変換部Ｄ１に隣接して設けた垂直転送レジスタＲｖを蓄積領域Ｅ２とする。したがって、ＦＴ型では撮像領域Ｅ１と蓄積領域Ｅ２とが１個ずつ設けられるが、ＩＴ型では撮像領域Ｅ１と蓄積領域Ｅ２とが複数個ずつ設けられる。
撮像領域Ｅ１には、それぞれ光電変換部Ｄ１を備え電荷を生成する生成要素Ｐｇが多数個配列され、蓄積領域Ｅ２には、撮像領域Ｅ１の各生成要素Ｐｇで生成された電荷を積算する積算要素Ｐｙが多数個配列される。積算要素Ｐｙの個数は生成要素Ｐｇの個数と一致している場合と一致していない場合とがある。生成要素Ｐｇと積算要素Ｐｙとの個数が異なる場合には、積算要素Ｐｙを生成要素Ｐｇに対して複数個ずつ対応付け、積算要素Ｐｙを生成要素Ｐｇの整数倍（２倍または４倍が望ましい）とする。また、図示例のように、１個の生成要素Ｐｇが１個の撮像画素Ｐｘとして動作する場合のほか、１個の生成要素Ｐｇが複数個（例では２個）の撮像画素Ｐｘとして動作する動作についても後に説明する。
蓄積領域Ｅ２には、積算要素Ｐｙのほか転送要素Ｐｚも設けられており、撮像画素Ｐｘで生成された電荷は転送要素Ｐｚが仲介して積算要素Ｐｙに引き渡すようにしてある。蓄積領域Ｅ２は、複数個の積算要素Ｐｙを一直線上に配列した積算列Ｌ１と、複数個の転送要素Ｐｚを一直線上に配列した転送列Ｌ２とが半導体上において複数列ずつ形成される。積算列Ｌ１と転送列Ｌ２とは平行に配置され、積算要素Ｐｙの側方に転送要素Ｐｚが配置される。すなわち、複数個ずつの積算要素Ｐｙと転送要素Ｐｚとが、それぞれ垂直方向Ｄｖの一直線上に配列され、隣接する積算要素Ｐｙと転送要素Ｐｚとは水平方向Ｄｈの一直線上に配置される。積算要素Ｐｙと転送要素Ｐｚとは同数設けている。
後述する電荷秤量部Ｄ５はＦＴ型において設けるのが望ましい構成であるが、ＩＴ型であってもＣＣＤイメージセンサの光電変換部に相当する構造を、後述する生成要素Ｐｇの構造に置き換えることによって、実現することができる。以下では、ＦＴ型についてのみ説明するが、上述の説明を考慮すれば、ＩＴ型やＦＩＴ型への技術の転用も容易に行うことができる。
〔構造〕
図１は撮像素子１を正面から見た全体の概略構造である。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。撮像素子１は１枚の半導体に形成されており、垂直方向Ｄｖにおいて撮像領域Ｅ１と蓄積領域Ｅ２とに２分されている。
撮像領域Ｅ１では光照射により電荷を生成し、蓄積領域Ｅ２では撮像領域Ｅ１で生成された電荷を一時的に蓄積するとともに撮像素子１の外部に電荷を取り出す。撮像領域Ｅ１では、垂直方向Ｄｖの一直線上に多数個の生成要素Ｐｇを配列した受光列Ｌ０を形成し、複数の受光列Ｌ０を水平方向Ｄｈに離間させて平行に並べることにより、生成要素Ｐｇをマトリクス状に配列してある。
図２（ａ）に撮像領域Ｅ１の要部の構成を示し、図２（ｂ）に蓄積領域Ｅ２の要部の構成を示す。また、図３、図４は生成要素Ｐｇの断面図であり、図５は積算要素Ｐｙの断面図を示している。
図２（ａ）（ｂ）を併せた構成が、撮像素子１の基本単位であって、この基本単位を半導体上に複数配列することにより撮像素子１が形成される。基本単位には、生成要素Ｐｇと蓄積要素Ｐｙと転送要素Ｐｚとが複数個ずつ設けられる。
生成要素Ｐｇは、図３、図４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、ウェル１２の主表面に絶縁層（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とを配列した構成を有する。また、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。ただし、接続線の一端部２６に電極を設け、当該電極を保持用ウェル１４に対して絶縁層１３を介して配置してもよい。
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とは図２に示すように、平面視において矩形状ないし短冊状であって同寸法に形成され、幅方向（垂直方向Ｄｖ）における一直線上に配列される。つまり、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とは長手方向に直交する方向（つまり垂直方向Ｄｖ）の一直線上に中心を揃えて配列され、この方向が画素配列の垂直方向Ｄｖになる。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。なお、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とは必ずしも同寸法とする必要はなく、たとえば障壁制御電極２４の長手方向（水平方向Ｄｈ）を分離電極２２および蓄積電極２３よりも大きくしてもよい。
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。また、オーバーフロードレイン１５は、感度制御電極２１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。この理由は後述する。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るが、ドレイン電極を形成している領域にはウェル１２は形成されない。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。
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、生成要素Ｐｇにおいて素子形成層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４参照）を除いて全体が遮光膜３０（図３〜５参照）により覆われる。また、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、また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を配置した領域は電荷分離部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。
障壁制御電極２４は、接続線２６を介して保持用ウェル１４と電気的に接続されている。接続線２６は金属配線であり、障壁制御電極２４は保持用ウェル１４と同電位になる。したがって、保持用ウェル１４に電荷を保持すると、保持用ウェル１４の電荷量に応じた電圧が障壁制御電極２４に印加される（あるいは、障壁制御電極２４が保持用ウェル１４の電荷量に応じて帯電する）。
保持用ウェル１４には電荷が保持されるから、障壁制御電極２４に負電圧を印加することができ、電荷に対するポテンシャル障壁が高くなる。つまり、分離電極２２に対応する電荷分離部Ｄ２や蓄積電極２３に対応する電荷蓄積部Ｄ３よりも電荷に対するポテンシャル障壁が高くなり、電荷分離部Ｄ２と電荷蓄積部Ｄ３との間にポテンシャル障壁が形成されることになる。障壁制御電極２４の直下におけるポテンシャル障壁の高さは保持用ウェル１４の電荷量に応じて変化する。言い換えると、ポテンシャル障壁の高さは電荷保持部Ｄ４に保持される電荷量に応じて変化する。
障壁制御電極２４と保持用ウェル１４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、２本の電源配線２７ａ，２７ｂのいずれかがオーミックに接続される。電源配線２７ａ，２７ｂは金属配線を用いるのが望ましい。また、感度制御電極２１と分離電極２２と蓄積電極２３とについて、電源配線２７ａ，２７ｂを接続しない場合には、絶縁層（たとえば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン）１６を介して電源配線２７ａ，２７ｂとは絶縁する。
ところで、素子形成層１１の主表面には保持用ウェル１４に対して垂直方向Ｄｖに並んでリセットゲート電極２８とリセットドレイン１７とが形成される。平面視においては、リセットゲート電極２８を挟んで保持用ウェル１４とリセットドレイン１７とが配置される。また、リセットゲート電極２８とリセットドレイン１７とは、保持用ウェル１４に対して光電変換部Ｄ１側に配置される。リセットドレイン１７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１７と同じ部位に設けている）が絶縁層１３を介さずに直接接続される。リセット電極には一定のリセット電圧が印加される。
さらに、分離電極２２と保持用ウェル１４との間には転送ゲート電極２９が配置される。転送ゲート電極２９に適宜の電圧を印加すれば、転送ゲート電極２９の直下にチャンネルが形成され、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４への電荷の移動が可能になる。
上述した分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とリセットゲート電極２８と転送ゲート電極２９とリセットドレイン１７と電荷保持部Ｄ４とを配置した領域（図２に一点鎖線で囲んだ領域）は電荷秤量部Ｄ５を構成する。電荷秤量部Ｄ５のうち分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とは受光列Ｌ０に沿う方向（つまり、垂直方向Ｄｖ）において光電変換部Ｄ１と一直線上に配列され、電荷保持部Ｄ４とリセットゲート電極２８と転送ゲート電極２９とリセットドレイン１７とは、光電変換部Ｄ１が配列された一直線上とは異なる部位に配置される。言い換えると、当該一直線に対して水平方向Ｄｈにずれて位置する。
一方、蓄積領域Ｅ２は、各生成要素Ｐｇで生成された有効電荷をそれぞれ個別に積算する積算要素Ｐｙを備える。ここでは、撮像画素Ｐｘと積算要素Ｐｙとを一対一に対応付ける場合を例として説明する。ただし、１個の撮像画素Ｐｘを２個または４個の積算要素Ｐｙに対応付けると、異なるタイミングで受光した受光光量に相当する有効電荷を各積算要素Ｐｘに振り分けて積算することが可能になる。この動作は、後述する空間情報の検出装置において、一定周波数で強度を変調した強度変調光の複数の位相に対応した受光光量に相当する有効電荷を各積算要素Ｐｘに振り分けて蓄積するのに利用できる。
各積算要素Ｐｙは、生成要素Ｐｇから引き渡された有効電荷を積算する積算列Ｌ１と、撮像領域Ｅ１で生成された有効電荷を受け取って積算列Ｌ１に引き渡す転送列Ｌ２とをそれぞれ有している。転送列Ｌ２と光電変換部Ｄ１とは垂直方向Ｄｖの一直線上に配列されている。また、積算列Ｌ１は転送列Ｌ２に隣接して配置され、水平方向Ｄｈにおいて積算列Ｌ１と転送列Ｌ２とが交互に配列される。電荷秤量部Ｄ５のうちの電荷保持部Ｄ４と積算列Ｌ１とは垂直方向Ｄｖの一直線上に配置される。
積算列Ｌ１においてはウェル１２の主表面に絶縁層１３を介して積算制御電極４１が配置され、転送列Ｌ２においてはウェル１２の主表面に絶縁層１３を介して転送制御電極４２が配置される。１つの積算要素Ｐｙを構成する積算制御電極４１と転送制御電極４２との個数にはとくに制限はないが、本実施形態では、説明を簡単にするために積算制御電極４１と転送制御電極４２とを同数個設けているものとする。
また、積算制御電極４１と転送制御電極４２との形状および寸法についてもとくに制限はないが、本実施形態では、積算制御電極４１および転送制御電極４２を感度制御電極２１と同形状かつ同寸法に形成しているものとする。さらに、感度制御電極２１、分離電極２２、蓄積電極２３、障壁制御電極２４と積算制御電極４１および転送制御電極４２との配列ピッチを等しくしてあり、ＦＴ方式のＣＣＤイメージセンサとの形状の相違が少なくなるように構成している。
言い換えると、ＦＴ方式のＣＣＤイメージセンサの撮像領域Ｅ１における２列分のスペースのうちの１列分に光電変換部Ｄ１などを設け他の１列分に電荷保持部Ｄ４を設けており、蓄積領域Ｅ２において光電変換部Ｄ１と同じ列を転送列Ｌ２として利用するだけではなく、光電変換部Ｄ１とは異なる列を積算列Ｌ１として利用することで、ＦＴ方式のＣＣＤイメージセンサとの相違を少なくするとともに、撮像素子１の表面に形成されるスペースを無駄なく有効に利用しているのである。
上述のように、光電変換部Ｄ１と転送列Ｌ２とは垂直方向Ｄｖの一直線上に配置され、分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４も光電変換部Ｄ１と垂直方向Ｄｖの一直線上に配置されており、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と転送制御電極４２とは同形状かつ同寸法に形成されているから、これらの電極に印加する電圧を制御することにより、光電変換部Ｄ１から転送列Ｌ２に有効電荷を転送することができる。
図示例では、１個の積算要素Ｐｙが４個の積算制御電極４１を含むとともに、１個の転送要素Ｐｚが４個の転送制御電極４２を含んでおり、それぞれ４相駆動される。また、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との間にはポテンシャル障壁を形成する分離帯４３が形成される。
分離帯４３を形成するには、積算制御電極４１および転送制御電極４２に適宜の電圧を印加することにより、図５（ａ）に示すように、積算制御電極４１および転送制御電極４２の直下にポテンシャル井戸Ｗ１，Ｗ２を形成する。このように積算列Ｌ１と転送列Ｌ２とにそれぞれポテンシャル井戸Ｗ１，Ｗ２を形成すれば、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との間にポテンシャル障壁Ｂ１が形成されることになり、このポテンシャル障壁Ｂ１を分離帯４３として利用することができる。
また、上述したように、第１導電形（図２の構成例ではｐ形）の素子形成層１１の主表面に、第２導電形（ｎ形）のウェル１２を形成しており、積算制御電極４１および転送制御電極４２はウェル１２に対して絶縁層１３を介して配置しているから、図５（ｂ）のように、積算列Ｌ１および転送列Ｌ２に対応する部位にそれぞれウェル１２を設ける構成を採用すれば、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との間にウェル１２とは導電形の異なる素子形成層１１が介在することになり（上述の例ではｎ形−ｐ形−ｎ形）、素子形成層１１が分離帯４３として機能する。ただし、ウェル１２と分離帯４３との導電形が異なっていると分離帯４３として形成されるポテンシャル障壁が高くなるから、図５（ｃ）のように、分離帯４３の導電形をウェル１２と同じにし不純物濃度をウェル１２に対して低濃度（上述の例ではｎ−形）にすることで、分離帯４３として機能させるようにしてもよい。
上述のように分離帯４３を設けることによって、撮像領域Ｅ１から転送列Ｌ２に有効電荷を転送する際に、転送列Ｌ２の有効電荷と積算列Ｌ１の有効電荷とが混合されるのを防止することができる。また、積算制御電極４１と転送制御電極４２とに印加する電圧の関係を制御することにより、分離帯４３に形成されるポテンシャル障壁Ｂ１を引き下げて転送列Ｌ２の有効電荷を積算列Ｌ１に移動させることができる。
転送列Ｌ２から加算列Ｌ１に電荷を転送する際には、転送列Ｌ２に電荷が残らないようにすることが望ましい。そのため、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との間において積算列Ｌ１および転送列Ｌ２よりも不純物濃度が高濃度（たとえば、ｎ＋形）であるスリット領域（図示せず）を適宜に形成してもよい。スリット領域を設けることにより、図６（ｂ）のように積算列Ｌ１と転送列Ｌ２とに、それぞれ他方に電荷Ｃを流し込むように傾斜した電位勾配を形成することができる。スリット領域は積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との間であって、図６（ｂ）のような電位勾配を制御することができれば、どのような形で設けてもよい。たとえば、分離帯４３と積算要素Ｐｙとの間と、分離帯４３と転送要素Ｐｚとの間との２箇所のうちの少なくとも一方にスリット領域を形成すればよい。
この場合、転送列Ｌ２の電荷Ｃが分離帯４３のポテンシャル障壁Ｂ１を乗り越えるように、積算制御電極４１と転送制御電極４２との印加電圧を制御して転送列Ｌ２のポテンシャル井戸を消滅させると（転送列Ｌ２のポテンシャルをポテンシャル障壁Ｂ１の高さに近付けると）、電荷Ｃが分離帯４３を乗り越えて積算列Ｌ１に流れ込む。上述の動作において、積算列Ｌ１のポテンシャル井戸Ｗ１は残されているから、電荷Ｃが逆流して転送列Ｌ２に流れ込むことはない。
上述のように積算制御電極４１と転送制御電極４２との印加電圧を制御して分離帯４３のポテンシャルに対する積算列Ｌ１および転送列Ｌ２のポテンシャルを制御し、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との間で電荷移動を行う構成に代えて、図６に示すように、分離帯４３に対応する移動制御電極４７を設け、積算制御電極４１および転送制御電極４２に印加する電圧とともに、移動制御電極４７に印加する電圧も調節することにより、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との間の電荷移動を促進するようにしてもよい。
移動制御電極４７は、分離帯４３となる素子形成層１１の表面に絶縁層１３を介して配置される。また、垂直方向Ｄｖに隣接する２個ずつの積算要素Ｐｙおよび転送要素Ｐｚを対にし、対のうちの上側の積算要素Ｐｙと転送要素Ｐｚとの間では４個ずつの積算制御電極４１と転送制御電極４２との間に移動制御電極４７を配置し、対のうちの下側の積算要素Ｐｙと転送要素Ｐｚとの間では上部の２個ずつの積算制御電極４１と転送制御電極４２との間に移動制御電極４７を配置している。また、この構成では下部の２個の積算制御電極４１と転送制御電極４２との間には移動制御電極４７を設けず、垂直方向Ｄｖに並ぶ移動制御電極４７を互いに分離してある。
移動制御電極４７を備える構成では、図６（ｂ）のように転送列Ｌ２に有効電荷Ｃが存在し、転送列Ｌ２と積算列Ｌ１との間にポテンシャル障壁Ｂ１が形成されている状態から、図６（ｃ）のように転送制御電極４２と積算制御電極４１と移動制御電極４７との直下のポテンシャルが等しくなるように、移動制御電極４７に適宜の電圧を印加すれば、転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に一部の有効電荷Ｃが移動する。なお、分離帯４３は各積算制御電極４１と各転送制御電極４２とに対応付けて設けてあり、複数の分離帯４３に跨る部位に形成した移動制御電極４７のポテンシャルを変化させても、垂直方向において隣接している領域の有効電荷Ｃは混合されない。
次に、図６（ｄ）のように、転送列Ｌ２として形成されたポテンシャル井戸Ｗ２を消滅させるように転送制御電極４２の印加電圧を制御すると、有効電荷Ｃは積算制御電極４１と移動制御電極４７との直下に移動し、さらに、移動制御電極４７の直下にポテンシャル障壁Ｂ１が形成されるように移動制御電極４７の印加電圧を制御すると、積算列Ｌ１として形成されたポテンシャル井戸Ｗ１に有効電荷Ｃが移動する。つまり、図６の手順により、転送列Ｌ２から積算列Ｌ１への電荷移動が可能になる。
上述の動作例では転送列Ｌ２から積算列Ｌ１への電荷移動について説明したが、積算制御電極４１、転送制御電極４２、移動制御電極４７に印加する電圧の関係を制御することにより、積算列Ｌ１から転送列Ｌ２への電荷移動も可能である。
積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との近傍には、それぞれ垂直方向Ｄｖのオーバーフロードレイン４５．４６が配置される。各オーバーフロードレイン４５，４６は、撮像領域Ｅ１に形成したオーバーフロードレイン１５と同様に、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４５，４６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４５，４６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。
積算要素Ｐｙは、両オーバーフロードレイン４５，４６の間に形成される。つまり、積算要素Ｐｙの両側にオーバーフロードレイン４５，４６が配設される。ここにおいて、水平方向Ｄｈにおいて隣接する積算要素Ｐｙの間のオーバーフロードレイン４５，４６は１本にまとめてもよい。オーバーフロードレイン４５，４６は、積算列Ｌ１および転送列Ｌ２において溢れた電荷を廃棄する機能を有し、いずれかの積算要素Ｐｙにおいて飽和により溢れ出した電荷が水平方向Ｄｈに隣接する積算要素Ｐｙの電荷に混入されるのを防止し、結果的にスミアの発生を抑制する。
撮像領域Ｅ１に設けたオーバーフロードレイン１５と、蓄積領域Ｅ２に設けたオーバーフロードレイン４５，４６とは電気的には独立しているから、互いの影響が生じないように、電気的に分離することが望ましい。そこで、撮像領域Ｅ１と蓄積領域Ｅ２との間にオーバーフロードレイン１５，４５，４６を設けない緩衝領域Ｅ３（図１参照）を形成する。緩衝領域Ｅ３には積算制御電極４１および転送制御電極４２を設けることが可能であるが、電極を設けずに配線用のスペースとして用いるようにしてもよい。積算制御電極４１および転送制御電極４２を設ける場合には、１０個ずつ程度設けることができる幅に形成する。また、配線用のスペースとして用いる場合には、配線の周囲の電界が撮像領域Ｅ１で生成された電荷に影響しないように、シールドなどの構成を採用するのが望ましい。
なお、撮像領域Ｅ１のオーバーフロードレイン１５は電荷分離部Ｄ２における廃棄電荷の廃棄とともに光電変換部Ｄ１の残留電荷の廃棄にも用いているが、光電変換部Ｄ１の残留電荷の廃棄を行わない場合には省略し、電荷分離部Ｄ２の廃棄電荷の廃棄には電荷保持部Ｄ４と同様の技術を採用してもよい。この場合には、オーバーフロードレイン１５は省略される。
ところで、積算列Ｌ１は撮像領域Ｅ１で生成された電荷を積算するために設けられたものであり、転送列Ｌ２よりも飽和電荷量を大きくする必要がある。また、転送列Ｌ２には光電変換部Ｄ１で生成された電荷が転送され、かつ各積算要素Ｐｙは、各生成要素Ｐｇから引き渡された有効電荷を積算するから、各生成要素Ｐｇよりも飽和電荷量を大きくしてある。飽和電荷量を大きくするには、占有面積（体積）を大きくすることが考えられるが、撮像素子１が大型化し材料コストが増加するという問題が生じる。また、積算列Ｌ１の占有面積が大きくなれば、単位面積当たりの画素数が少なくなる。
そこで、本実施形態では、飽和電荷量を大きくするために、積算列Ｌ１の不純物濃度を転送列Ｌ２よりも高濃度にする技術を採用している。たとえば、転送列Ｌ２がｎ形である場合には、積算列Ｌ１をｎ＋形にする。積算列Ｌ１の不純物濃度が転送列Ｌ２よりも高濃度であることにより、積算列Ｌ１のポテンシャル井戸Ｗ１は転送列Ｌ２のポテンシャル井戸Ｗ２よりも深くなり、電荷飽和量を大きくすることができる。しかも、不純物濃度の調整だけであるから占有面積に影響はなく、撮像素子１の大型化や単位面積当たりの画素数の低下が生じない。なお、不純物はたとえば拡散によりドープされる。
蓄積領域Ｅ２には、積算要素Ｐｙに積算された電荷を撮像素子１の外部に取り出すための電荷取出部としてＣＣＤイメージセンサと同様にＣＣＤにより構成された水平転送レジスタ（転送レジスタ）Ｒｈも設けられる。水平転送レジスタＲｈは、基本的には積算列Ｌ１からの電荷を読み出すために用いるが転送列Ｌ２からの電荷を読み出すこともできる。積算列Ｌ１および転送列Ｌ２と水平転送レジスタＲｈとは電荷の転送方向が直交する。水平転送レジスタＲｈを転送された電荷は、撮像素子１に設けた出力部において電荷量に応じた電圧に変換され、受光出力として撮像素子１の外部に取り出される。水平転送レジスタＲｈおよび出力部の構成はＣＣＤイメージセンサにおいて知られた技術であるから、ここではとくに説明しない。
上述した構成例では、光電変換部Ｄ１を除く部位を遮光膜３０で覆っているが、撮像領域Ｅ１では分離電極２２と蓄積電極２３と障壁制御電極２４とを覆うように遮光膜３０を形成し、電荷保持部Ｄ４を遮光しない構成を採用してもよい。ただし、蓄積領域Ｅ２は全体を遮光膜３０で覆う必要がある。
〔動作〕
以下に、上述した図１の構成の撮像素子１について動作を説明する。いま、ウェル１２の中の電子を空乏化した状態で光を照射するものとする。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および電荷分離部Ｄ２に残留する電子を廃棄し、リセットゲート電極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１７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１７を通して廃棄する。
また、垂直方向Ｄｖにおいて光電変換部Ｄ１から電荷蓄積部Ｄ３に向かう向きにおいて光電変換部Ｄ１を上流側と定義すると、電荷蓄積部Ｄ３の電子は垂直方向Ｄｖに並ぶ下流側の生成要素Ｐｇの光電変換部Ｄ１に隣接して設けたオーバーフロードレイン１５を通して廃棄することができる。
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８の期間Ｔａのように、分離電極２２に電圧を印加して電荷分離部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分離部Ｄ２に移動させる（図８（ａ）参照）。つまり、光電変換部Ｄ１から電荷分離部Ｄ２に電子が移動する。また、電荷分離部Ｄ２に移動させた電子は、転送ゲート電極２９に適宜の電圧を印加し、電荷分離部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（図８（ｂ）参照）。
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分離部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、転送ゲート電極２９に適宜の電圧を印加してチャンネルを形成すると、電荷分離部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（図８（ｄ）参照）。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。また、保持用ウェル１４に集積された電荷の一部は障壁制御電極２４に移動するから、障壁制御電極２４の直下には移動した電荷量に応じた高さのポテンシャル障壁が形成される。
なお、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おく。分離電極２２に電圧を印加した後に転送ゲート電極２９に電圧を印加するか、分離電極２２と転送ゲート電極２９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、期間Ｔｂのように転送ゲート電極２９への電圧印加を停止して電荷保持部Ｄ４に電子を保持させ、さらに、オーバフロードレイン１５を制御して電荷分離部Ｄ２の電子を廃棄する（図８（ｂ）（ｃ）参照）。電子の廃棄の際には、分離電極２２への電圧印加を停止すれば電子の廃棄を迅速に行うことができる。
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の高さが決まった後の動作が実際に受光出力を得る動作になる。
受光出力を求めるための光を受光する前には、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および電荷分離部Ｄ２から電子を除去する（図８（ｃ）参照）。
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、図９（ａ）のように、障壁制御電極２４の直下にはポテンシャル障壁Ｂ２が形成されている。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分離部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から電荷分離部Ｄ２に電子を移動させる（図８（ａ）参照）。つまり、図９（ｂ）のように、電荷分離部Ｄ２に電子が移動する。
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への電圧印加を停止すると、図９（ｃ）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分離部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分離部Ｄ２に残され、電荷分離部Ｄ２からポテンシャル障壁を越えた電荷は電荷蓄積部Ｄ３に流れ込むことになる（図８（ｅ）参照）。ただし、分離電極２２への電圧印加を停止する前に、電荷分離部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分離部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りの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、電荷分離部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、リセットゲート電極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１７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電極２８への電圧印加を停止する（図８（ｃ）（ｆ）参照）。その後、電荷蓄積部Ｄ３に蓄積された電荷は、受光出力として撮像素子の外部に取り出される。
以上説明した一連の動作によって、１フレームの画像に対応した受光出力が得られる。ここに、上述の動作では１フレーム毎に保持用ウェル１４の電子を廃棄することになるが、複数フレーム毎に保持用ウェル１４の電子を廃棄する動作とすることも可能である。ただし、この場合には、障壁制御電極２４の直下においてポテンシャル障壁Ｂ２が形成されているから、ポテンシャル障壁Ｂ２の前後で電子が移動できるように、分離電極２２および蓄積電極２３に印加する電圧を調節する必要がある。
ところで、上述したように、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に電子を移動させる必要がある。オーバーフロードレイン１５には、電荷分離部Ｄ２から不要電荷を廃棄する機能があるから、オーバーフロードレイン１５のポテンシャルは電荷分離部Ｄ２のポテンシャルよりも高く（電子に対しては低く）設定される。つまり、電荷分離部Ｄ２の周辺での電位勾配が電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４に電子を流す向きに傾斜することになり、電荷分離部Ｄ２から電荷保持部Ｄ４への電子の移動効率を高めることができる。
生成要素Ｐｇでは、上述したように、不要電荷を分離して残りの電荷を有効電荷として電荷蓄積部Ｄ３に蓄積する。上述した動作によって、撮像領域Ｅ１の各生成要素Ｐｇにおける電荷蓄積部Ｄ３に有効電荷が蓄積される。有効電荷は蓄積領域Ｅ２に転送される。有効電荷の転送にあたっては、ＦＴ方式のＣＣＤイメージセンサと同様の動作を行う。つまり、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と転送制御電極４２とは同形状かつ同寸法に形成されているから、これらの電極に電圧を印加するタイミングを制御することにより、ＣＣＤイメージセンサと同様に有効電荷を蓄積領域Ｅ２に転送することができる。
撮像領域Ｅ１で生成された有効電荷は、蓄積領域Ｅ２における転送列Ｌ２に転送される。ここでは、撮像領域Ｅ１の各生成要素Ｐｇと蓄積領域Ｅ２の各積算要素Ｐｙとを一対一に対応付けている場合を例示しているから、各生成要素Ｐｇで生成された有効電荷が、当該生成要素Ｐｇに対応付けられた積算要素Ｐｙの転送列Ｌ２に転送されることになる。
構成として説明したように、転送列Ｌ２と積算列Ｌ１との間にはポテンシャル障壁Ｂ１が形成されているから、有効電荷を転送列Ｌ２に転送している際には、有効電荷が積算列Ｌ１に入り込むことはない。次に、転送列Ｌ２に転送された有効電荷を積算列Ｌ１に移動させるために、積算制御電極４１と転送制御電極４２との印加電圧の関係を制御する。また、移動制御電極４７を設けている場合には、移動制御電極４７の印加電圧も併せて制御する。このような電圧制御により、転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に有効電荷を移動させることができる。
ところで、本発明は、撮像領域Ｅ１から蓄積領域Ｅ２に有効電荷を転送するたびに有効電荷を撮像素子１の外部に取り出すのではなく、転送が複数回行われる間の有効電荷を積算し、積算後の電荷を撮像素子１の外部に取り出すために、積算列Ｌ１を設けている。つまり、撮像領域Ｅ１から転送列Ｌ２に転送された有効電荷を転送毎に積算列Ｌ１に移動させ、転送が複数回行われる間は積算列Ｌ１の電荷を保持しておく。
この動作によって、各積算要素Ｐｙの積算列Ｌ１では、撮像領域Ｅ１から蓄積領域Ｅ２に転送された複数回分の有効電荷が積算され、１回で転送される有効電荷の量が少ない場合でも、積算列Ｌ１で有効電荷を積算することにより電荷量を増加させることができる。つまり、実質的に増感したことになる。積算列Ｌ１において積算する回数は適宜に設定されており、設定された回数分の有効電荷を積算した後には、積算列Ｌ１から水平転送レジスタＲｈに電荷が転送され、撮像素子１の外部に取り出される。
通常のＦＴ型の撮像素子１であれば、撮像領域Ｅ１からの電荷を蓄積領域Ｅ２において積算することはできず、積算しようとすれば撮像素子１の外部に取り出した電荷を積算する必要があるから、増感のためには水平方向Ｄｈの１ラインごとの電荷の読出を積算回数分だけ繰り返すことになり、応答速度の低下につながる。一方、上述の構成を採用すれば、撮像素子１からの電荷の読出を行わずに撮像素子１の内部において電荷を積算し、積算後の電荷を読み出すから、水平方向Ｄｈの１ラインごとの電荷の読出を行う回数は１回になり、それだけ応答速度を高めることができる。そして、電荷を蓄積することにより有効電荷に対する雑音（ショットノイズなど）の相対比が低減され、信号対雑音比を向上させることができる。
撮像領域Ｅ１における生成要素Ｐｇと、蓄積領域Ｅ２における加算要素Ｐｙおよび転送要素Ｐｚとの対応の付け方や加算要素Ｐｙにおいて積算した電荷を読み出す際の手順については後述する。
〔空間情報の検出装置〕
以下では、上述した撮像素子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１０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撮像素子１により撮像し、撮像素子１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１と発光源２との動作のタイミングは制御部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１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１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１１（ａ）に示すように、発光源２を点灯させる点灯期間Ｔ１と消灯させる消灯期間Ｔ２とを設け、点灯期間Ｔ１の受光光量と消灯期間Ｔ２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。
撮像素子１には、図１１（ｂ）のように、点灯期間Ｔ１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、消灯期間Ｔ２において撮像素子１に環境光のみが入射する。したがって、点灯期間Ｔ１の受光光量Ｃ０と消灯期間Ｔ２の受光光量Ｃ２との差分（Ｃ０−Ｃ２）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。
物体５までの距離が一定であれば、受光光量の差分（Ｃ０−Ｃ２）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消灯期間Ｔ２と環境光に加えて信号光が存在する点灯期間Ｔ１との受光光量の差分（Ｃ０−Ｃ２）を求めているから、差分（Ｃ０−Ｃ２）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１２（ａ）（ｂ）のように強度変調光を対象空間に投光し（図１２（ａ）は強度変調光と露光との関係を示し、図１２（ｂ）は時間軸を引き延ばした状態を示している）、撮像素子１の１つの生成要素Ｐｇに入射する光の強度が図１２（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撮像素子１（の各生成要素Ｐｇ）への入射光との位相差とみなしてよい。そこで、撮像素子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１２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１１に示すように、強度検出動作では、１回の露光が点灯期間Ｔ１または消灯期間Ｔ２に対応付けられ、図１２に示すように、距離計測動作では、１回の露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、各生成要素Ｐｇ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、各生成要素Ｐｇごとに距離を計測する。つまり、各生成要素Ｐｇ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１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を消灯させる環境計測期間と発光源２から強度変調光を投光する情報検出期間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。環境計測期間においては、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、電荷分離部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、情報検出期間には、環境計測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、環境光が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の情報検出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、電荷分離部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を通して電荷分離部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、リセットゲート電極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１７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、環境光が変動すると考えられるタイミングとすればよいから、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が、情報検出期間から環境計測期間に移行する際にも、電荷分離部Ｄ２において電荷保持部Ｄ４に移動させた後の電子が残留しているから、環境計測期間の前にオーバーフロードレイン１５を通して電荷分離部Ｄ２の電子を廃棄させる。
〔蓄積領域の動作〕
以下に説明する動作例のうち動作例１から動作例５は、強度検出動作と距離計測動作とのどちらにも適用可能であるが、強度検出動作に用いる例を主として説明する。距離計測動作に用いる場合には受光光量Ｃ０，Ｃ２を、受光光量Ａ０（Ａ１），Ａ２（Ａ３）に読み替えればよい。
（動作例１）
上述のように光電変換部Ｄ１や電荷蓄積部Ｄ３において電荷を蓄積すれば信号対雑音比は向上するが、飽和電荷量は増加しない。また、光電変換部Ｄ１や電荷蓄積部Ｄ３において電荷を蓄積する技術は、発光源２から対象空間に強度変調光を投光するアクティブ型の検出装置に採用すれば効果があるが、発光源２を用いないパッシブ型の検出装置では効果がない。面積を増加させることなく飽和電荷量を増加させるには、不純物濃度を高めることが考えられるが、撮像領域Ｅ１には、光電変換部Ｄ１のほかに、電荷分離部Ｄ２、電荷蓄積部Ｄ３、電荷保持部Ｄ４、電荷秤量部Ｄ５が設けられ、構造が複雑であるから、飽和電荷量を増加させるために不純物濃度を高める技術を採用するのは難しい。
一方、本実施形態では、撮像領域Ｅ１に比べて構造が簡単である蓄積領域Ｅ２の不純物濃度を撮像領域Ｅ１の不純物濃度よりも高めてあり、撮像画素Ｐｘから転送要素Ｐｚを介して転送された有効電荷を積算要素Ｐｙにより積算する構成を採用している。つまり、蓄積領域Ｅ２の不純物濃度は撮像領域Ｅ１の不純物濃度よりも高いから、積算要素Ｐｙの飽和電荷量は撮像画素Ｐｘよりも大きくなっている。この構成を採用することにより、アクティブ型かパッシブ型かにかかわらず、飽和電荷量を増加させることができる。
以下では、蓄積領域Ｅ２において有効電荷を積算する動作と、積算後の有効電荷を受光出力として水平転送レジスタＲｈに取り出す動作とについて例示する。
まず、基本的な動作として個々の撮像画素Ｐｘが対象空間の異なる領域に対応付けられている場合について説明する。強度検出動作では、点灯期間Ｔ１と相当期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２の差分を求めるから、撮像領域Ｅ１から蓄積領域Ｅ２に有効電荷を転送する回数を少なくしようとすれば、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とにそれぞれ撮像画素Ｐｘを割り当てておき、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とに対応する有効電荷を１回の動作で蓄積領域Ｅ２に転送することが考えられる。このような動作については後述するが、複数個の撮像画素Ｐｘを用いて対象空間における１領域の情報（反射率や物体の存否）を求めることになるから、１個の撮像画素Ｐｘで対象空間の１領域の情報を求める場合に比較すると、対象空間に対する分解能は低下する。
以下では、図１３に示すように、１個の撮像画素Ｐｘで対象空間の１領域の情報を求める場合を基本動作として説明する。基本動作においては、撮像領域Ｅ１の１回の露光で点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とのいずれかの受光光量に対応する有効電荷を生成する（図では点灯期間Ｔ１に対応する動作を示している）。したがって、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷を得るには、最低でも２回の露光が必要になる。また、基本動作では点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とのそれぞれの受光出力を撮像素子１から取り出すものとする。すなわち、受光出力を２回取り出すことによって、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応した受光出力が得られ、信号処理部３での演算により必要な情報を求めることができる。１回の露光での露光時間は、たとえば１ｍｓとする。また、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とのそれぞれの有効電荷を得るための露光回数は、たとえば５回とする。
なお、電荷保持部Ｄ４には光電変換部Ｄ１で生成した適宜の電荷を保持させ、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とに対応した有効電荷を得る間には電荷保持部Ｄ４の電荷量が変動しないようにして有効電荷を秤量する。
ところで、積算要素Ｐｙは撮像画素Ｐｘで生成した有効電荷を積算するものであり、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との一方の有効電荷について複数回の露光により得られた有効電荷を積算する。撮像領域Ｅ１から蓄積領域Ｅ２への電荷の転送は１回の露光ごとに行われる。これは以下の各動作においても同様である。１回の露光での露光時間は撮像画素Ｐｘにおける飽和が生じないように比較的短い時間に設定されるが、積算要素Ｐｙは撮像画素Ｐｘよりも飽和電荷量が大きいから、複数回の露光で生成された有効電荷を積算することができる。
また、１個の積算要素Ｐｙは４個の積算制御電極４１を備えるから、たとえば、４個の積算制御電極４１のうち２個の積算制御電極４１に対応する領域にポテンシャル井戸を形成して有効電荷の積算に用いれば、有効電荷の積算に用いる部位の面積も大きくとることができることにより、飽和電荷量をより大きくとることが可能になる。なお、積算要素Ｐｙを構成する積算制御電極４１の個数および有効電荷の積算に用いる領域の大きさは適宜に設計することができる。
さらに、撮像画素Ｐｘから有効電荷が転送要素Ｐｚに転送された後に、転送要素Ｐｚの並ぶ転送列Ｌ２とは異なる積算列Ｌ１において有効電荷を積算するから、撮像領域Ｅ１から蓄積領域Ｅ２に有効電荷を転送する動作の影響を受けることなく、蓄積要素Ｐｙの有効電荷を保持することができる。つまり、撮像領域Ｅ１から蓄積領域Ｅ２に有効電荷を転送する際に転送列Ｌ２に電荷が存在していると、その電荷は転送列Ｌ２を移動して水平レジスタＲｈに排出されるから、転送列Ｌ２では有効電荷を積算することができない。これに対して、転送列Ｌ２とは別に積算列Ｌ１を設け、積算列Ｌ１において有効電荷を積算する構成を採用していることにより、有効電荷の積算が可能になるのである。
また、ＦＴ方式のＣＣＤイメージセンサと比較すると、撮像画素Ｐｘにおいて垂直レジスタの２列分の幅を用いているから、本実施形態の転送列Ｌ２に相当する領域のみを利用するとすれば、積算列Ｌ１に相当する領域が無駄になるが、本実施形態では積算列Ｌ１として用いることで撮像素子１を形成する半導体の主表面を無駄なく有効利用することができる。
一方、距離計測動作で言えば、本動作例は、各撮像画素Ｐｘごとに距離を求めることに相当する。距離計測動作では４区間の受光光量Ａ０〜Ａ３を求めるから、４区間に対応した有効電荷を得る間には電荷保持部Ｄ４の電荷量が変動しないように電荷を保持させ、その電荷を用いて４区間における有効電荷を秤量する。距離計測動作では、変調信号の複数周期の時間を１回の露光時間とする。また、環境光のみを受光する短い期間を設けて、この期間に光電変換部Ｄ１で生成した電荷を電荷保持部Ｄ４に保持させる。この電荷を秤量に用いている期間では、環境光のみを受光する期間は設けなくてもよい。
（動作例２）
上述した動作では、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との一方の有効電荷を積算するたびに受光出力を取り出すから、空間情報を求める演算を行うためには受光出力を２回（距離計測動作では４回）取り出すことが必要である。受光出力を取り出すには電荷を垂直方向Ｄｖに転送するのに加えて、水平転送レジスタＲｈにより電荷を水平方向Ｄｈにも転送する必要があるから、空間情報を求める演算を行うのに必要な受光出力が得られるまでに比較的長い時間を要することになる。
本動作例では、図１４に示すように、撮像領域Ｅ１の動作は上述した動作と同様であって、１回の露光に際しては、すべての撮像画素Ｐｘが点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との一方の有効電荷を生成する。動作例１では点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との一方の有効電荷を積算するたびに受光出力を取り出しているが、本動作例では点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との両方の有効電荷を積算した後に受光出力を取り出すようにしている。この動作により、受光出力を２回読み出すだけで空間情報を求める演算を行うのに必要な情報が得られるようになっている。
上述の動作を可能とするために、上下に隣接する２個の積算要素Ｐｙを１組とし、２組４個（この個数は一例であり、連続して並ぶ複数個ずつを組にして２組設け、各組における各積算要素Ｐｙをそれぞれ撮像画素Ｐｘに一対一に対応付けてあればよい）の積算要素Ｐｙを用い、上の組と下の組とでそれぞれ点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との電荷を積算する。
ここでは、２組の積算要素Ｐｙのうちの上の組を点灯期間Ｔ１の受光光量Ｃ０に対応する有効電荷を積算するために用い、下の組を消灯期間Ｔ２の受光光量Ｃ２に対応する有効電荷を積算するために用いる。４個の積算要素Ｐｙを区別するために、各積算要素Ｐｙに（１）〜（４）の符号を付記する。
まず１回目の露光においては、各撮像画素Ｐｘで点灯期間Ｔ１の受光光量Ｃ０に対応する有効電荷を生成した後、垂直方向Ｄｖにおいて隣接する２個の撮像画素Ｐｘで生成された有効電荷を、それぞれ積算要素Ｐｙ（１）（２）に隣接する転送要素Ｐｚまで転送し、転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に電荷を移動させる。この動作により、垂直方向Ｄｖにおいて隣接する２個の撮像画素Ｐｘで生成された受光光量Ｃ０に相当する有効電荷を、垂直方向Ｄｖにおいて隣接して組になっている２個の積算要素Ｐｙ（１）（２）に保持させることができる。
２回目の露光においても１回目の露光の際と同様であるが、点灯期間Ｔ１の受光光量Ｃ０ではなく各撮像画素Ｐｘで消灯期間Ｔ２の受光光量Ｃ２に対応する有効電荷を生成する。その後、垂直方向Ｄｖにおいて隣接する２個の撮像画素Ｐｘで生成された有効電荷を、それぞれ積算要素Ｐｙ（３）（４）に隣接する転送要素Ｐｚまで転送し、転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に電荷を移動させる。この動作により、垂直方向Ｄｖにおいて隣接する２個の撮像画素Ｐｘで生成された受光光量Ｃ２に相当する有効電荷を、垂直方向Ｄｖにおいて隣接して組になっている２個の積算要素Ｐｙ（３）（４）に保持させることができる。
以後も同様にして、奇数回目には１回目と同様の動作を行い、偶数回目には２回目と同様の動作を行って、両動作を交互に複数回（たとえば、５回）ずつ繰り返すと、５回ずつの露光において得られた受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する有効電荷が、積算要素Ｐｙ（１）（２）と積算要素Ｐｙ（３）（４）とに振り分けて積算される。
上述の動作を図１５に示す。奇数回目の露光は点灯期間Ｔ１に対応付けてあり、点灯期間Ｔ１には受光光量Ｃ０に相当する電荷を撮像画素Ｐｘで生成し、点灯期間Ｔ１から消灯期間Ｔ２への移行期に受光光量Ｃ０に相当する電荷を積算要素Ｐｙ（１）（２）に移動させる。また、偶数回目の露光は消灯期間Ｔ２に対応付けてあり、消灯期間Ｔ２には受光光量Ｃ２に相当する電荷を撮像画素Ｐｘで生成し、消灯期間Ｔ２から点灯期間Ｔ１への移行期に受光光量Ｃ２に相当する電荷を別の積算要素Ｐｙ（３）（４）に移動させる。この動作を複数回（たとえば、５回）ずつ繰り返して受光光量Ｃ０と受光光量Ｃ２とに対応する電荷を、積算要素Ｐｙに蓄積する。
５回ずつの露光の終了後には、積算列Ｌ１では受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する有効電荷が垂直方向Ｄｖに並んで保持されているから、積算列Ｌ１に保持された有効電荷を水平転送レジスタＲｈに転送し、撮像素子１から受光出力として読み出せば、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する有効電荷を出力することができる。ただし、転送列Ｌ２には受光出力に用いる電荷が存在しないから、撮像素子１を駆動するクロック信号に同期させて受光出力を取り出すと、有効電荷を取り出す期間と有効電荷が存在しない期間とが交互に生じることになる。また、垂直方向Ｄｖに並ぶ２個ずつの撮像画素Ｐｘで得られた有効電荷が並んでいるから、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応した有効電荷を交互に取り出すことができない。
そこで、積算列Ｌ１に保持された有効電荷を水平転送レジスタＲｈに出力する前に、図１６に示すように、各積算要素Ｐｙ（１）（２）に保持されている有効電荷（積算要素Ｐｙ（３）（４）に保持されている有効電荷でもよい）を転送列Ｌ２に移動させ、さらに積算列Ｌ１において同じ撮像画素Ｐｘから得られた有効電荷を保持している積算要素Ｐｙ（３）（４）と水平方向Ｄｈにおいて同じ位置に並ぶように、転送列Ｌ２の有効電荷を転送する。
この動作によって、同じ撮像画素Ｐｘで点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とに得られた有効電荷が水平方向Ｄｈにおいて並ぶから、順に水平転送レジスタＲｈに送り出して転送することにより、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応した有効電荷が受光出力として交互に取り出される。ここで、同じ撮像画素Ｐｘで点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とに得られた有効電荷を水平方向Ｄｈにおいて並べた状態では、積算列Ｌ１および転送列Ｌ２において、有効電荷を保持する積算要素Ｐｙおよび転送要素Ｐｚが垂直方向に２個ずつ隣接している領域と、有効電荷を保持していない領域とが交互に生じる。したがって、積算列Ｌ１および転送列Ｌ２から水平転送レジスタＲｈに有効電荷を送る際に、有効電荷を保持していない領域からは受光出力を取り出すことができない。
本実施形態では、有効電荷を保持していない領域が水平転送レジスタＲｈに対応している期間には水平転送レジスタＲｈでは電子の転送を行わず、有効電荷を保持している領域から有効電荷が引き渡されたときにのみ電子の転送を行うようにすることにより、受光出力として点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応した有効電荷が交互に取り出されるようにしてある。
さらに詳しく説明すると、水平転送レジスタＲｈは、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２とに対応付けて、それぞれ電子を保持する転送セルＰｕを１個ずつ備え、隣接する２個の転送セルＰｕに、１個の撮像画素Ｐｘから得られる点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応した有効電荷がそれぞれ保持される。したがって、水平レジスタＲｈの全体では水平方向Ｄｈの１ライン分の撮像画素Ｐｘから得られた点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応した有効電荷が交互に保持され、これを水平方向Ｄｈに転送して撮像素子１から読み出すことによって、受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する受光出力が交互に出力されるのである。
撮像素子１から取り出された受光出力を順に減算すれば、空間情報の演算に必要な（Ｃ０−Ｃ２）の演算を行うことができる。つまり、撮像素子１の外部で受光出力を保持しなくとも受光光量Ｃ０，Ｃ２の差を容易に求めることが可能になる。
（動作例３）
上述した動作例では、１回の露光において、すべての撮像画素Ｐｘが点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との一方の有効電荷を生成している。これに対して、本動作例では、図１７に示すように、垂直方向Ｄｖで隣接する２個の撮像画素Ｐｘが、１回の露光において、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷を生成する動作例を説明する。１回の露光時間は変調信号の１周期以上の時間とし、垂直方向Ｄｖにおいて隣接する２個の撮像画素Ｐｘを点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とに対応付け、各撮像画素Ｐｘにおいて点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷をそれぞれ個別に生成することにより、１回の露光において、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷を、それぞれ異なる撮像画素Ｐｘで生成する。
すなわち、受光光量Ｃ０，Ｃ２に相当する有効電荷を垂直方向Ｄｖにおいて隣接する２個の撮像画素Ｐｘにおいて生成する。生成された有効電荷を転送列Ｌ２において垂直方向Ｄｖに転送すると、組になっている２個の転送要素Ｐｚに、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に相当する電荷を保持させることができる。得られた電荷を転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に移動させると、垂直方向Ｄｖにおいて隣接し組になっている２個の転送要素Ｐｚに、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する電子が移動する。この動作を繰り返すことによって、垂直方向Ｄｖにおいて隣接して組になっている２個の転送要素Ｐｚにおいて、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する電子を積算することになる。
上述した動作によって、積算列Ｌ１において垂直方向Ｄｖに並ぶ各積算要素Ｐｙには点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷が交互に保持される。したがって、積算列Ｌ１に保持された有効電荷を水平転送レジスタＲｈに転送して撮像素子１から受光出力として取り出せば、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とに対応する有効電荷を交互に出力することができる。
本動作例は、動作例２と同様に、積算列Ｌ１からのみ有効電荷を読み出すと、有効電荷の存在しない転送セルＰｕと有効電荷の存在する転送セルＰｕとが交互に生じる上に、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との電荷を水平転送レジスタＲｈに転送する際に、有効電荷を転送列Ｌ１から水平転送レジスタＲｈに転送する処理が２回必要である。
そこで、図１８に示すように、動作例２と同様に、組である２個の積算要素Ｐｙのうちの一方の有効電荷を積算列Ｌ１から転送列Ｌ２に移動させるとともに、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２との有効電荷を水平方向Ｄｈにおいて横並びになるように移動させる。この動作により受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する有効電荷が水平方向Ｄｈにおいて横並びになるから、水平転送レジスタＲｈに有効電荷を１回の引き渡すだけで、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷を水平転送レジスタＲｈに引き渡すことができる。しかも、水平転送レジスタＲｈには、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷が交互に並ぶから、動作例２と同様に、撮像素子１から取り出された受光出力を順に減算すれば、空間情報の演算に必要な（Ｃ０−Ｃ２）の演算を行うことができる。つまり、撮像素子１の外部で受光出力を保持しなくとも受光光量Ｃ０，Ｃ２の差を容易に求めることが可能になる。
（動作例４）
動作例３では、垂直方向Ｄｖに並ぶ２個の撮像画素Ｐｘの一方において受光光量Ｃ０に相当する有効電荷を生成し他方において受光光量Ｃ２に相当する有効電荷を生成している。したがって、受光光量Ｃ０と受光光量Ｃ２とは、対象空間において隣接している領域とはいえ異なる領域から求めていることになる。この動作では、たとえば、対象空間において２個の撮像画素Ｐｘに対応する領域の間に段差があると、受光光量Ｃ０，Ｃ２から空間情報を正確に求めることができなくなる。
本動作例では、図１９に示すように、２個の撮像画素Ｐｘで点灯期間Ｔ１の有効電荷を生成するか消灯期間Ｔ２の有効電荷を生成するかを露光毎に交換している。具体的に言えば、奇数回目の露光の際に、２個の撮像画素Ｐｘのうち上の撮像画素Ｐｘで受光光量Ｃ０に相当する有効電荷を生成し、下の撮像画素Ｐｘで受光光量Ｃ２に相当する有効電荷を生成するとすれば、偶数回目の露光の際に、上の撮像画素Ｐｘで受光光量Ｃ２に相当する有効電荷を生成し、下の撮像画素Ｐｘで受光光量Ｃ０に相当する有効電荷を生成するのである。この動作によって、２個の撮像画素Ｐｘのいずれにおいても受光光量Ｃ０，Ｃ２に相当する有効電荷を生成することができる。
この動作の場合には、奇数回目の露光で得られた有効電荷は、２個の撮像画素Ｐｘに対応付けた組の積算要素Ｐｙの位置まで転送してから積算列Ｌ１に移動させる。このとき、組である積算要素Ｐｙのうちの上の積算要素Ｐｙに受光光量Ｃ０に対応する有効電荷が積算され、下の積算要素Ｐｙに受光光量Ｃ２に対応する有効電荷が積算される。一方、偶数回目の露光で得られた有効電荷は、２個の撮像画素Ｐｘのうちの下の撮像画素Ｐｘで受光光量Ｃ０に対応する有効電荷が生成され、上の撮像画素Ｐｘで受光光量Ｃ２に対応する有効電荷が生成される。
したがって、撮像領域Ｅ１で生成された受光光量Ｃ０に対応する有効電荷を、まず積算列Ｌ１において受光光量Ｃ０に対応する有効電荷を保持している積算要素Ｐｙの位置まで転送して、転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に移動させる。その後、撮像領域Ｅ１で生成された受光光量Ｃ２に対応する有効電荷を、積算列Ｌ１において受光光量Ｃ２に対応する有効電荷を保持している積算要素Ｐｙの位置まで転送して、転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に移動させる。
上述のように、奇数回目の露光の際の有効電荷は転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に１回の操作で移動させ、偶数回目の露光の際の有効電荷は２回に分けて転送列Ｌ２から積算列Ｌ１に移動させる。この操作により点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷をそれぞれ組になる積算要素Ｐｙにおいて積算することができる。また、撮像領域Ｅ１において垂直方向Ｄｖに隣接している２個の撮像画素Ｐｘの有効電荷を点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とで個別に積算するから、対象空間において両撮像画素Ｐｘに対応する領域の間に段差が存在していても両撮像画素Ｐｘの有効電荷が積算により平均化され、異常値の発生が防止される。
上述の動作を図２０に示す。本動作では１回の露光に点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とを繰り返し、組になる２個の撮像画素Ｐｘの一方を点灯期間Ｔ１に対応付けて受光光量Ｃ０に相当する電荷を生成し、他方を消灯期間Ｔ２に対応付けて受光光量Ｃ２に相当する電荷を生成する。つまり、１回の露光において、組になる２個の撮像画素Ｐｘで、それぞれ点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との電荷を生成し、かつ各撮像画素Ｐｘにおいて電荷の集積と保持とを複数回ずつ繰り返す。その後、１回の露光から次の露光までの移行期に２個の撮像画素Ｐｘで生成した電荷を２個の積算要素Ｐｙに移動させる。次の露光では２個の撮像画素Ｐｘの前記一方を消灯期間Ｔ２に対応付けて受光光量Ｃ２に相当する電荷を生成し、前記他方を点灯期間Ｔ１に対応付けて受光光量Ｃ０に相当する電荷を生成する。
すなわち、組になる２個の撮像画素Ｐｘを１回の露光では、それぞれ点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とに対応付けて撮像画素Ｐｘで電荷を生成し、露光毎に点灯期間Ｔ１に対応付ける撮像画素Ｐｘと消灯期間Ｔ２に対応付ける撮像画素Ｐｘとを入れ換える。積算要素Ｐｙは撮像画素Ｐｘと同数設けてあり、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とに生成された電荷を振り分けて積算要素Ｐｙに積算する。この動作を複数回（たとえば、５回）ずつ繰り返して受光光量Ｃ０と受光光量Ｃ２とに対応する電荷を、積算要素Ｐｙに蓄積する。
組になる２個の積算要素Ｐｙに点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷をそれぞれ積算した後は、動作例３と同様に、組になる積算要素Ｐｙのうちの上の積算要素Ｐｙで積算された有効電荷を転送列Ｌ２に移動させ、さらに下の積算要素Ｐｙと水平方向Ｄｈにおいて並ぶ位置に移動させ、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷を横並びにして水平転送レジスタＲｈに引き渡す。この操作によって、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とにおける受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する有効電荷を受光出力として交互に取り出すことが可能になる。
（動作例５）
動作例４では、垂直方向Ｄｖに隣接する２個の撮像画素Ｐｘにおいて露光毎に点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷を生成し、積算要素Ｐｙにおいては両撮像画素Ｐｘで生成された有効電荷を点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２とのそれぞれについて積算しているが、本動作例では、図２１に示すように、１個の撮像画素Ｐｘに対して２個ずつの積算要素Ｐｙを設け、組になる２個の撮像画素Ｐｘに対して２組４個の積算要素Ｐｙを用いることにより、両撮像画素Ｐｘで生成された有効電荷を積算要素Ｐｙで積算せずに個々に積算する。つまり、動作例４では偶数回目の露光の際には有効電荷を転送列Ｌ１から積算列Ｌ２に移動させるために２回の操作を必要としているが、本動作例では奇数回目と偶数回目との露光で利用する積算要素Ｐｙの位置は異なっていても転送列Ｌ２から積算列Ｌ１への電荷の移動はそれぞれ１回ずつの操作になる。
本動作例では、図２２に示すように、積算列Ｌ１において垂直方向Ｄｖに並ぶ４個の積算要素ＰｙにＣ０（奇），Ｃ２（奇），Ｃ２（偶），Ｃ０（偶）のような順で有効電荷が保持される（Ｃ０，Ｃ２は点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量に対応する有効電荷を意味し、括弧内の奇、偶の文字は奇数回目と偶数回目との露光を表す。以下、同様である）。そこで、２組のうちの上の組の積算要素Ｐｙの有効電荷を転送列Ｌ２に移動させるとともに、下の列の積算要素Ｐｙと水平方向Ｄｈに並ぶように移動させた後に、積算列Ｌ１および転送列Ｌ２から水平転送レジスタＲｈに引き渡せば、Ｃ２（奇），Ｃ０（偶）の順の受光出力と、Ｃ０（奇），Ｃ２（偶）の順の受光出力とを得ることができる。各受光出力について撮像素子１の外部でＣ０−Ｃ２を求めて加算すれば、動作例４の受光出力からＣ０−Ｃ２を求めた場合と同じ値が得られる。
（動作例６）
動作例３、動作例４、動作例５は、いずれも１回の露光で点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との受光光量Ｃ０，Ｃ２に対応する有効電荷を生成するものであり、点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷を積算した後に受光出力として撮像素子１から取り出している。すなわち、受光出力を１回取り出すと点灯期間Ｔ１と消灯期間Ｔ２との有効電荷が得られる。一方、本動作例は、図２３に示すように、受光出力を１回取り出すと４区間の有効電荷が得られるようにしたものである。動作例１から動作例５はいずれも強度検知動作と距離計測動作とのいずれにも採用することができる技術であるが、本動作例は距離計測動作に採用するものである。
本動作例では、２組４個の積算要素Ｐｙにそれぞれ異なる区間の有効電荷を積算する。また、撮像領域Ｅ１では１回の露光で２区間の有効電荷を生成し、たとえば奇数回目の露光では２個の撮像画素Ｐｘを用いて受光光量Ａ０，Ａ２に対応する有効電荷を生成し、偶数回目の露光では２個の撮像画素Ｐｘを用いて受光光量Ａ１，Ａ３に対応する有効電荷を生成する。
上述の動作により２回の露光により４区間の有効電荷を生成することができるから、４個の転送要素Ｐｚを用いて各区間ごとの有効電荷をそれぞれ積算する。ここで、組にする４個の転送要素Ｐｚについて上から順に受光光量Ａ２，Ａ０，Ａ３，Ａ１に対応する有効電荷を積算しておけば、水平転送レジスタＲｈを通して撮像素子１の受光出力として取り出すときに、図２４に示すように、受光光量Ａ１，Ａ３，Ａ０，Ａ２に対応する有効電荷を順に取り出すことができるから、撮像素子１から受光出力を１回取り出すだけで、Ａ１−Ａ３、Ａ０−Ａ２を求め、（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）を求めることができる。この演算は別の演算回路で行う。なお、どの区間の有効電荷をどの転送要素Ｐｚに対応付けるかは適宜に選択することができるが、位相が１８０度異なる区間の有効電荷を隣接する２個の転送要素Ｐｚに対応付けることが望ましい。
上述の動作例では２回の露光を１サイクルとしているが、４回の露光を１サイクルとして、奇数回目のうち（４ｎ−３）回目と（４ｎ−１）回目とでは区間と撮像画素Ｐｘとの対応関係を入れ替え、偶数回目のうち（４ｎ−２）回目と４ｎ回目とでは区間と撮像画素Ｐｘとの対応関係を入れ替えるようにしてもよい（ｎは正の整数）。
たとえば、１回目の露光時に、垂直方向Ｄｖに隣接する２個の撮像画素Ｐｘのうち上の撮像画素Ｐｘで受光光量Ａ０に相当する有効電荷を生成し、下の撮像画素Ｐｘで受光光量Ａ２に相当する有効電荷を生成するとすれば、３回目の露光時には上の撮像画素Ｐｘで受光光量Ａ２に相当する有効電荷を生成し、下の撮像画素Ｐｘで受光光量Ａ０に相当する有効電荷を生成する。この動作であれば、動作例４と同様に、隣接する２個の撮像画素Ｐｘに対応付けられる対象空間の異なる領域の間に段差が存在していても異常値が発生するのを防止することができる。
この動作を図２５に示す。本動作では変調信号の周波数を１０ＭＨｚ程度として、強度変調光の複数周期（たとえば、１万周期）を１回の露光時間としている。また、４回の露光のうちの１回目では、たとえば、組になる２個の撮像画素Ｐｘの一方で受光光量Ａ０に相当する電荷を生成し、他方で受光光量Ａ２に相当する電荷を生成する。１回の露光においては、上述した各動作例と同様に、各撮像画素Ｐｘにおいて電荷の集積と保持とを複数回ずつ繰り返す。２個の撮像画素Ｐｘで生成した電荷は、各区間に対応付けた４個の積算要素Ｐｙのうちの対応する区間の積算要素Ｐｙに対して、２回目の露光への移行期に移動させる。
２回目の露光では、２個の撮像画素Ｐｘのうち１回目の露光で受光光量Ａ０に相当する電荷を生成した撮像画素Ｐｘにおいて受光光量Ａ１に相当する電荷を生成し、１回目の露光で受光光量Ａ２に相当する電荷を生成した撮像画素Ｐｘにおいて受光光量Ａ３に相当する電荷を生成する。生成された電荷は、１回目とは異なる積算要素Ｐｙに移動させる。
３回目の露光では、２個の撮像画素Ｐｘのうち１回目の露光で受光光量Ａ０に相当する電荷を生成した撮像画素Ｐｘにおいて受光光量Ａ２に相当する電荷を生成し、１回目の露光で受光光量Ａ２に相当する電荷を生成した撮像画素Ｐｘにおいて受光光量Ａ０に相当する電荷を生成する。生成された電荷は、１回目とは異なる積算要素Ｐｙに移動させる。
４回目の露光では、２個の撮像画素Ｐｘのうち２回目の露光で受光光量Ａ１に相当する電荷を生成した撮像画素Ｐｘにおいて受光光量Ａ３に相当する電荷を生成し、２回目の露光で受光光量Ａ３に相当する電荷を生成した撮像画素Ｐｘにおいて受光光量Ａ１に相当する電荷を生成する。生成された電荷は、１回目とは異なる積算要素Ｐｙに移動させる。
要するに、４回の露光のうち１回目と３回目とでは、各撮像画素Ｐｘに受光光量Ａ０，Ａ２に相当する電荷を生成させるとともに、撮像画素Ｐｘに対応付ける区間を入れ換え、同様に２回目と４回目とでは、各撮像画素Ｐｘに受光光量Ａ１，Ａ３に相当する電荷を生成させるとともに、撮像画素Ｐｘに対応付ける区間を入れ換える。
上述の動作を行うために、積算要素Ｐｙの個数は撮像画素Ｐｘの個数の２倍にして各区間ごとの積算要素Ｐｙを設けておき、各撮像画素Ｐｘで生成された電荷を各区間ごとに振り分けて積算要素Ｐｙに積算する。この動作を複数回（たとえば、５回）繰り返して受光光量Ａ０と受光光量Ａ２とに対応する電荷を、積算要素Ｐｙに蓄積する。
上述の動作例では、水平転送レジスタＲｈの各転送セルＰｕを、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２にそれぞれ１個ずつ対応付けて設けているが、図２６に示すように、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２とにそれぞれ２個ずつの転送セルＰｕを対応付けた構成を採用してもよい。どちらの構成を採用する場合でも、４区間の有効電荷を順に取り出すことができるから、４区間の有効電荷を保持するレジスタ（ラインバッファ）を設けるだけで、他に記憶手段を設けることなく受光出力を１回読み出す間に（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）の演算を行うことが可能になる。
ただし、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２とにそれぞれ２個ずつの転送セルＰｕを設けた構成では、４区間の有効電荷を水平転送レジスタＲｈに引き渡し、４区間の有効電荷を水平転送レジスタＲｈで保持することができる。したがって、以後は水平転送レジスタＲｈによる転送の操作を行うだけで４区間の有効電荷を受光出力として順に取り出すことができるのである。
なお、４個の転送セルＰｕの有効電荷を同時に読み出して受光出力とする構成を水平転送レジスタＲｈにおける有効電荷の取出部に設けてもよい。つまり、転送セルＰｕの４個の分の有効電荷を一度に読み出すように水平転送レジスタＲｈを４ビットパラレルで読み出すようにすればよい。
上述した各動作例のうち積算列Ｌ１と転送列Ｌ２とにそれぞれ２個ずつの転送セルＰｕを設けた構成以外は、各区間の有効電荷と撮像画素Ｐｘ、蓄積要素Ｐｙ、転送要素Ｐｚとをどのように対応付けるかという動作が異なるだけで、撮像素子１の構成は同じである。したがって、各区間の有効電荷を生成する動作、有効電荷を撮像領域Ｅ１から蓄積領域Ｅ２に転送する動作、蓄積領域Ｅ２において有効電荷を転送列Ｌ２と積算列Ｌ１との間で移動させる動作、積算列Ｌ１と転送列Ｌ２から水平転送レジスタＲｈに有効電荷を引き渡す動作、水平転送レジスタＲｈから受光出力を取り出す動作については、いずれの動作例においても共通している。
上述した各動作例において、撮像画素Ｐｘと積算要素Ｐｙとを対応付ける個数は１対１または１対２の関係とし、また撮像画素Ｐｘや積算要素Ｐｙを組にする場合に２個１組としているが、これらの個数は一例であって個数は適宜に選択することができる。
また、上述した構成例では、１個の生成要素Ｐｇが１個の撮像画素Ｐｘとして機能する例を示したが、１個の生成要素Ｐｇを複数個の撮像画素Ｐｘとして機能させる構成を採用することもできる。以下では、１個の生成要素Ｐｇを２個の撮像画素Ｐｘとして機能させる例を説明する。上述したように光電変換部Ｄ１には６個の感度制御電極２１を設けているから、図２７に示すように、３個ずつの感度制御電極２１を１個の撮像画素Ｐｘとして用いることが可能である。
感度制御電極２１はウェル１２に絶縁層１３を介して配置されているから（図３等参照）、感度制御電極２１に電圧を印加することによりポテンシャル井戸Ｗａ，Ｗｂを形成することができる。図示例では、ウェル１２の主表面に沿ったポテンシャル井戸Ｗａの開口面積をポテンシャル井戸Ｗｂよりも大きくし、かつポテンシャル井戸Ｗａをポテンシャル井戸Ｗｂよりも深くなるように、感度制御電極２１に電圧を印加している。ポテンシャル井戸Ｗａは開口面積が大きくかつ深いから、ポテンシャル井戸Ｗｂよりも容積が大きく、光照射により生成された電荷（電子ｅ）がポテンシャル井戸Ｗｂよりも多く集積される。一方、ポテンシャル井戸Ｗｂでは、光照射により生成された電荷（電子ｅ）の集積率はポテンシャル井戸Ｗａよりも低く電荷が保持される。図示例では、ポテンシャル井戸Ｗｂをポテンシャル井戸Ｗａよりも浅くしているが、両者が同じ深さ場合でも相対的には電荷の集積と保持とが行われることになる。つまり、ポテンシャル井戸Ｗａ，Ｗｂの開口面積を変化させることにより、電荷の集積と保持とを行うことができる。各撮像画素Ｐｘにおいて電荷の集積と保持とを複数回ずつ繰り返した後に、撮像領域Ｅ１から蓄積領域Ｅ２に電荷を転送する。
ところで、図２７に示す例では、上述したように、１個の生成要素Ｐｇにおいて、３個ずつの感度制御電極２１を備えた２個の撮像画素Ｐｘを形成している。以下の例では、１個の生成要素Ｐｇに設けた２個の撮像画素Ｐｘを組にして用いるものとする。また、各感度制御電極２１を区別するために、各感度制御電極２１に（１）〜（６）の数字を付与して区別する。すなわち、組になる２個の撮像画素Ｐｘのうちの一方は感度制御電極（１）〜（３）を備え、他方は感度制御電極（４）〜（６）を備える。
ポテンシャル井戸Ｗａ，Ｗｂの開口面積を変化させるには、電圧を印加する感度制御電極２１の個数を変化させる。図示例では、１個の撮像画素Ｐｘの３個の感度制御電極２１に電圧を印加することによりポテンシャル井戸Ｗａを形成し、１個の撮像画素Ｐｘのうちの中央の感度制御電極２１に電圧を印加することによりポテンシャル井戸Ｗｂを形成している。また、ポテンシャル井戸Ｗｂを形成する際に感度制御電極２１に印加する電圧は、ポテンシャル井戸Ｗａを形成する際に感度制御電極２１に印加する電圧よりも小さくしている。
したがって、強度変調光の特定の区間において、図２７（ａ）に示すように、感度制御電極（１）〜（３）からなる撮像画素Ｐｘでは３個の感度制御電極（１）〜（３）のすべてに同電圧である制御電圧を印加して電荷を集積するポテンシャル井戸Ｗａを形成し、感度制御電極（４）〜（６）からなる撮像画素Ｐｘでは中央の感度制御電極（５）にのみ電圧を印加して電荷を保持するポテンシャル井戸Ｗｂを形成する。また、別の区間において、図２７（ｂ）に示すように、感度制御電極（１）〜（３）からなる撮像画素Ｐｘでは中央の感度制御電極（２）にのみ電圧を印加して電荷を保持するポテンシャル井戸Ｗｂを形成し、感度制御電極（４）〜（６）からなる撮像画素Ｐｘでは３個の感度制御電極（４）〜（６）のすべてに同電圧である制御電圧を印加して電荷を集積するポテンシャル井戸Ｗａを形成する。
図２７（ａ）と図２７（ｂ）との動作を繰り返すことにより、異なる２区間について電荷の集積と保持とを繰り返すことが可能になる。たとえば、上述した受光光量Ａ０に対応する区間と受光光量Ａ２に対応する区間との２区間に対応付けて、図２７（ａ）と図２７（ｂ）との状態を交互に繰り返すことにより、感度制御電極（１）〜（３）からなる撮像画素Ｐｘで受光光量Ａ０に相当する電荷を生成し、感度制御電極（４）〜（６）からなる撮像画素Ｐｘで受光光量Ａ２に相当する電荷を生成することができる。
上述の動作からわかるように、１２個の感度制御電極２１を用いれば、４区間の電荷の生成も行うことが可能である。要するに、感度制御電極２１を用いてポテンシャル井戸の開口面積を変化させることにより、電荷の生成と電荷の保持とを行うことができる。この動作は、各動作例においても用いている。ここで、ポテンシャル井戸Ｗｂで電荷を保持している期間でも光照射により生成された電荷がポテンシャル井戸Ｗｂに集積されるが、空間情報を検出する際の演算により、この間の電荷の影響は除去される。
本発明の実施形態を示す概略正面図である。 同上に用いる撮像画素の構成を示す正面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 同上における蓄積領域の構成例を示し、（ａ）は動作説明図、（ｂ）（ｃ）は要部断面図である。 同上における蓄積領域の構成例を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）〜（ｄ）は動作説明図である。 他の構成例を示す正面図である。 同上の各部の動作タイミングを示す動作説明図である。 同上におけるポテンシャルの変化を示す動作説明図である。 同上を用いた空間情報の検出装置を示すブロック図である。 図１０の構成例による強度検出動作の動作説明図である。 図１０の構成例による距離計測動作の動作説明図である。 動作例１における積算動作を示す動作説明図である。 動作例２における積算動作を示す動作説明図である。 動作例２における電荷生成と露光とのタイミングを示す動作説明図である。 動作例２における読出動作を示す動作説明図である。 動作例３における積算動作を示す動作説明図である。 動作例３における読出動作を示す動作説明図である。 動作例４における積算動作を示す動作説明図である。 動作例４における電荷生成と露光とのタイミングを示す動作説明図である。 動作例５における積算動作を示す動作説明図である。 動作例５における読出動作を示す動作説明図である。 動作例６における積算動作を示す動作説明図である。 動作例６における読出動作を示す動作説明図である。 動作例６における電荷生成と露光とのタイミングを示す動作説明図である。 動作例６における読出動作の他例を示す動作説明図である。 ポテンシャル井戸を用いて電荷の集積と保持とを行う動作を示す動作説明図である。
符号の説明
１ 撮像素子
１０ サブストレート
１１ 素子形成層
１２ ウェル
１３ 絶縁層
２１ 感度制御電極
２２ 分離電極
２３ 蓄積電極
２４ 障壁制御電極
４１ 積算制御電極
４２ 転送制御電極
Ｂ１ ポテンシャル障壁
Ｄ１ 光電変換部
Ｄ２ 電荷分離部
Ｄ３ 電荷蓄積部
Ｄ４ 電荷保持部
Ｄ５ 電荷秤量部
Ｅ１ 撮像領域
Ｅ２ 蓄積領域
Ｅ３ 緩衝領域
Ｌ０ 受光列
Ｌ１ 積算列
Ｌ２ 転送列
Ｐｘ 撮像画素
Ｐｙ 積算要素
Ｐｚ 転送要素
Ｐｕ 転送セル
Ｒｈ 水平転送レジスタ（転送レジスタ）
Ｗａ，Ｗｂ ポテンシャル井戸

Claims (9)

  1. 光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は点灯期間と消灯期間とを有するように矩形波で変調され、１回の露光の期間は、点灯期間と消灯期間との各区間に対応付けられ、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は、１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成するとともに、規定回数の露光において毎回の露光ごとに異なる区間の電荷を生成し、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、組内の積算要素がそれぞれ撮像画素に一対一に対応付けられており、撮像画素ごとに前記規定回数と同数の複数個ずつ対応付けた積算要素を用い、撮像画素が毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、各組の積算要素でそれぞれ積算し、積算後にいずれかの一組の電荷を転送列に移動させるとともに同じ撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、複数回ずつの露光で積算された各区間の電荷を、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする撮像素子。
  2. 光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は一定周期で変調され、１回の露光の期間は、強度変調光の複数周期を含み、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は、１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成するとともに、規定回数の露光において毎回の露光ごとに異なる区間の電荷を生成し、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、組内の積算要素がそれぞれ撮像画素に一対一に対応付けられており、撮像画素ごとに前記規定回数と同数の複数個ずつ対応付けた積算要素を用い、撮像画素が毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、各組の積算要素でそれぞれ積算し、積算後にいずれかの一組の電荷を転送列に移動させるとともに同じ撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、複数回ずつの露光で積算された各区間の電荷を、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする撮像素子。
  3. 光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は点灯期間と消灯期間とを有するように矩形波で変調され、１回の露光の期間は、点灯期間と消灯期間との各区間に対応付けられ、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成するとともに、隣接する複数個の撮像画素では１回の露光において異なる区間の電荷を生成し、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、組内の積算要素がそれぞれ撮像画素に一対一に対応付けられており、撮像画素が毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、複数回ずつの露光の間に、撮像画素ごとに対応付けられた組内の各積算要素で区間ごとに振り分けてそれぞれ積算し、積算後に前記組内の積算要素のうちいずれかの区間に対応する積算要素の電荷を転送列に移動させるとともに隣接する撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする撮像素子。
  4. 光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は一定周期で変調され、１回の露光の期間は、強度変調光の複数周期を含み、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成するとともに、隣接する複数個の撮像画素では１回の露光において異なる区間の電荷を生成し、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、組内の積算要素がそれぞれ前記撮像画素に一対一に対応付けられており、撮像画素が毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、複数回ずつの露光の間に、撮像画素ごとに対応付けられた組内の各積算要素で区間ごとに振り分けてそれぞれ積算し、積算後に前記組内の積算要素のうちいずれかの区間に対応する積算要素の電荷を転送列に移動させるとともに隣接する撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする撮像素子。
  5. 光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は点灯期間と消灯期間とを有するように矩形波で変調され、１回の露光の期間は、点灯期間と消灯期間との各区間に対応付けられ、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は、１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成し隣接して組となる複数個の撮像画素では、１回の露光においてそれぞれ異なる区間の電荷を生成するとともに、規定回数の露光において毎回の露光ごとに１個の撮像画素で電荷を生成する区間を入れ換え、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、撮像画素が、毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、複数回ずつの露光の間に、組にした撮像画素と同数個の積算要素を用いて組内の各積算要素で区間ごとに振り分けてそれぞれ積算し、積算後に前記組内の積算要素のうちいずれかの区間に対応する積算要素の電荷を転送列に移動させるとともに隣接する撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする撮像素子。
  6. 光照射により電荷を生成する複数個の撮像画素が配列された撮像領域と、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷を受光出力として読み出すまで保持する遮光された蓄積領域とが半導体上の異なる領域に設けられ、強度が時間変化する強度変調光が投光されている対象空間からの光を受光する撮像素子であって、強度変調光は一定周期で変調され、１回の露光の期間は、強度変調光の複数周期を含み、蓄積領域には、撮像領域で生成された撮像画素毎の電荷をそれぞれ積算する複数個の積算要素を一直線上に配列した積算列と、各積算要素にそれぞれ対応付けて配列された複数個の転送要素を一直線上に配列した転送列とが設けられ、転送列と積算列とが半導体上に複数列形成されており、各転送要素は、１回の露光において各撮像画素でそれぞれ生成された電荷を受け取り各撮像画素にあらかじめ対応付けた積算要素に引き渡す機能を有し、各積算要素は、各撮像画素よりも飽和電荷量が大きく、複数回の露光において撮像領域で生成された電荷を転送要素を介して受け取ることにより積算する機能を有し、撮像画素は、１回の露光において強度変調光の特定の区間の電荷を生成し、隣接して組となる複数個の撮像画素では、１回の露光においてそれぞれ異なる区間の電荷を生成するとともに、規定回数の露光において毎回の露光ごとに１個の撮像画素で電荷を生成する区間を入れ換え、積算要素は連続して並ぶ複数個が組になり、撮像画素が、毎回の露光において生成した異なる区間の電荷を、複数回ずつの露光の間に、組にした撮像画素と同数個の前記積算要素を用いて組内の各積算要素で区間ごとに振り分けてそれぞれ積算し、積算後に前記組内の積算要素のうちいずれかの区間に対応する積算要素の電荷を転送列に移動させるとともに隣接する撮像画素で異なる区間に生成された電荷同士が積算列と転送列とで並ぶように電荷を移動させ、積算列と転送列とで並んでいる電荷を対にして受光出力として取り出すことを特徴とする撮像素子。
  7. 前記撮像領域と前記蓄積領域とは、前記半導体上で隣接して異なる領域に形成されてい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項に記載の撮像素子。
  8. 前記撮像画素が並ぶ受光列と前記転送列とが一直線上に配置されるとともに前記半導体上にそれぞれ複数列形成され、前記積算列が転送列に隣接して転送列の側方に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７のいずれか１項に記載の撮像素子。
  9. 前記撮像画素は、前記半導体の主表面に絶縁層を介して配列した複数個の感度制御電極を備え、電圧を印加する感度制御電極の個数を変化させることにより半導体に形成されるポテンシャル井戸の主表面に沿った開口面積を変化させる構成であって、強度変調光の特定の区間ではポテンシャル井戸の開口面積を大きくして電荷を集積し、他の区間ではポテンシャル井戸の開口面積を小さくして電荷を保持する制御がなされ、各撮像画素において電荷の集積と保持とを複数回ずつ繰り返した後に、前記撮像領域から前記蓄積領域に電荷が転送されることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の撮像素子。
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