JP5456644B2 - 受光素子及び制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子に用いられる受光素子（画素）の技術に関する。
従来、種々の撮像素子が研究開発されている。例えば、互いに独立に駆動制御可能な二つの受光素子を多数配置した撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１で提案されている撮像素子は、以下のような動作をする撮像装置に備えられている。まず、撮像装置は、第１の受光素子及び／又は第２の受光素子の出力に基づいて画像信号を取得する。次に、撮像装置は、取得した画像信号に基づいて被写体のシーンを認識すると共に被写界情報を取得する。次に、撮像装置は、取得した被写体のシーン及び被写界情報に基づいて駆動モードを選択する。そして、撮像装置は、選択した駆動モードで、撮像素子を駆動して画像信号を取得すると共に画像信号から画像データを生成する。
また、画素内のトランジスタやフローティングディフュージョンの共有化を行い、開口率を確保し、画素サイズを小さくすることで解像度を向上させる動作と、複数画素の信号を加算することで画素面積の縮小による光量の減少を抑制する動作を共存させる方法が特許文献２に開示されている。特許文献２では、４つの画素で１つの画素アンプトランジスタ、１つのリセットトランジスタを共有している構成が開示されている。また、画素アンプトランジスタの入力ノードであるフローティングディフュージョン上にて電荷を加算し、信号対ノイズ比を大きし、高いＳ／Ｎを得ることを可能としている。
特開２０１０−７４６３４号公報 特開２００５−１９８００１号公報
しかしながら、用途に応じて電荷の振り分け動作を含む複数種の動作を行う受光素子はこれまで提案されてこなかった。そこで本発明は、電荷の振り分けを行う動作を含む複数種の動作を行う受光素子に関する技術を提供することを目的としている。
請求項１に記載の発明は、受光素子（例えば、実施形態における画素２２１）であって、露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部（例えば、実施形態における微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄ）と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部（例えば、実施形態における電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄ）と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部（例えば、実施形態における電荷転送領域２２１３）と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部（例えば、実施形態における振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ）と、を備え、複数の光電変換部と複数の振り分けゲート部とに接し、前記複数の振り分けゲート部を介して複数の電荷蓄積部に接続し、前記電荷蓄積部及び前記振り分けゲート部は、自身に対応する前記光電変換部が位置する方向に対し凸部（例えば、実施形態における凸部２２００）を有し、前記電荷蓄積部の凸部は、前記振り分けゲート部の凸部を介して前記電荷転送部に接し、第一動作状態（例えば、実施形態における変調光検出モード）の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複しないように開き、第二動作状態（例えば、実施形態における高画素撮像モード）の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複して開く、ことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、受光素子であって、露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、を備え、前記電荷転送部は、複数の光電変換部と複数の振り分けゲート部とに接し、前記複数の振り分けゲート部を介して複数の電荷蓄積部に接続し、前記光電変換部と前記電荷転送部とのいずれか一方又は双方は、当該光電変換部に対応する前記電荷蓄積部側に、当該光電変換部によって生成された前記電荷が移動するような電位ポテンシャルを有し、第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複しないように開き、第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複して開く、ことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、受光素子であって、露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、前記電荷転送部に設けられ、開閉することによって前記光電変換部から当該光電変換部に対応していない前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する分離ゲート（例えば、実施形態における分離ゲートＳａ−ｄ，Ｓｂ−ａ，Ｓｃ−ｂ，Ｓｄ−ｃ）と、を備え、前記分離ゲートによって複数の領域に分離された電荷転送部の各領域は、それぞれ光電変換部と振り分けゲート部とに接し、前記振り分けゲート部を介して電荷蓄積部に接続し、第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複しないように開き、前記分離ゲートは開き、第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複して開き、前記分離ゲートは閉じる、ことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、を備え、前記電荷転送部は、複数の光電変換部と複数の振り分けゲート部とに接し、前記複数の振り分けゲート部を介して複数の電荷蓄積部に接続し、前記電荷蓄積部及び前記振り分けゲート部は、自身に対応する前記光電変換部が位置する方向に対し凸部を有し、前記電荷蓄積部の凸部は、前記振り分けゲート部の凸部を介して前記電荷転送部に接する受光素子の制御方法であって、第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複しないように開くステップと、第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複して開くステップと、を有する。
請求項５に記載の発明は、露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、を備え、前記電荷転送部は、複数の光電変換部と複数の振り分けゲート部とに接し、前記複数の振り分けゲート部を介して複数の電荷蓄積部に接続し、前記光電変換部と前記電荷転送部とのいずれか一方又は双方は、当該光電変換部に対応する前記電荷蓄積部側に、当該光電変換部によって生成された前記電荷が移動するような電位ポテンシャルを有する受光素子の制御方法であって、第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複しないように開くステップと、第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複して開くステップと、を有する。
請求項６に記載の発明は、露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、前記電荷転送部に設けられ、開閉することによって前記光電変換部から当該光電変換部に対応していない前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する分離ゲートと、を備え、前記分離ゲートによって複数の領域に分離された電荷転送部の各領域は、それぞれ光電変換部と振り分けゲート部とに接し、前記振り分けゲート部を介して電荷蓄積部に接続し、第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複しないように開き、前記分離ゲートを開くステップと、第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複して開き、前記分離ゲートは閉じるステップと、を有する。
請求項１に係る発明の受光素子は、少なくとも第一動作状態と第二動作状態の二つの動作を行うことが可能である。第一動作状態の場合は、露光中に振り分けゲートは他の振り分けゲートと重複しないように開く。そのため、光電変換部で生成された電荷は、当該光電変換部に対応する電荷蓄積部であるか否かにかかわらず、開いた振り分けゲートに応じた電荷蓄積部に移動し蓄積される。一方、第二動作状態の場合は、露光中に振り分けゲートは他の振り分けゲートと重複して開く。そのため、光電変換部で生成された電荷は、一見すると複数の電荷蓄積部に分散されるようにも見える。しかしながら、電荷はその生成元の光電変換部の近くに位置する凸部を介して、電荷蓄積部へ移動する。そのため、各光電変換部で生じた電荷は、対応する電荷蓄積部毎に蓄積される。したがって、第二動作状態の場合は、受光素子の数よりも高い画素数の画像を撮像することが可能となる。
請求項２に係る発明の受光素子は、光電変換部と電荷転送部とのいずれか一方又は双方は、当該光電変換部に対応する電荷蓄積部側に、当該光電変換部によって生成された電荷が移動するような電位ポテンシャルを有している。そのため、第二動作状態の場合は、各光電変換部で生じた電荷は、対応する電荷蓄積部毎に蓄積され、受光素子の数よりも高い画素数の画像を撮像することが可能となる。
請求項３に係る発明の受光素子は、電荷転送部に設けられ、開閉することによって光電変換部から当該光電変換部に対応していない電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する分離ゲートを有している。そして、第二動作状態の場合には分離ゲートが閉じる。そのため、各光電変換部で生じた電荷は、対応する電荷蓄積部毎に蓄積され、受光素子の数よりも高い画素数の画像を撮像することが可能となる。
第一実施形態の撮像装置の機能構成を表す概略ブロック図である。 受光部の構成の概略を表す概略図である。 受光部に用いられる画素の構成を表す構成図である。 図３の画素の等価回路を表す図である。 ポテンシャルを表す断面の線を表す図である。 変調光検出モードにおける画素のポテンシャルの高さの変化を表す図である。 変調光検出モードにおいて、振り分けゲートＴＸａのみが開いた場合の電荷の動きを表す図である。 高画素撮像モードにおける画素のポテンシャルの高さの変化を表す図である。 高画素撮像モードにおいて、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いた場合の電荷の動きを表す図である。 変調光検出モードにおける撮像装置の動作を表すタイミングチャートである。 制御部が各画素において撮像された強度変調光の位相の値を算出するための処理の概略を表す概略図である。 高画素撮像モードにおける撮像装置の動作を表すタイミングチャートである。 第二実施形態の撮像装置の受光部に用いられる画素の構成を表す構成図である。 図１３の画素の等価回路を表す図である。 ポテンシャルを表す断面の線を表す図である。 変調光検出モードにおける画素のポテンシャルの高さの変化を表す図である。 差分画像撮像モードにおける画素のポテンシャルの高さの変化を表す図である。 高画素撮像モードにおける画素のポテンシャルの高さの変化を表す図である。 変調光検出モードにおける撮像装置の動作を表すタイミングチャートである。 差分画像撮像モードにおける撮像装置の動作を表すタイミングチャートである。 高画素撮像モードにおける撮像装置の動作を表すタイミングチャートである。
［第一実施形態］
図１は、第一実施形態の撮像装置１０の機能構成を表す概略ブロック図である。撮像装置１０は、レンズ１１、受光部１２、制御部１３を備える。レンズ１１は、撮像の対象となる物体（対象物体）において反射された光束を通過させ、受光部１２に対象物体の像を結像させる。受光部１２は、複数の画素が二次元に配列された構造を有する。受光部１２は、画素によって受光した光に応じた電荷を発生させて蓄積し、蓄積した電荷を所定のタイミングで制御部１３へ出力する。制御部１３は、受光部１２に蓄積された電荷を入力し、対象物体の画像の電子データを生成する。そして、制御部１３は、生成した画像の電子データを出力する。
図２は、受光部１２の構成の概略を表す概略図である。受光部１２は、複数の画素２２１と、垂直走査回路２２２、水平走査回路２２３、読み出し回路２２４を備える。画素２２１は、二次元マトリックス状に配置される。画素２２１は、レンズ１１を通過した光を受けて電荷を生成し蓄積する。各画素２２１に蓄積された電荷に応じた電圧レベルは、垂直走査回路２２２及び水平走査回路２２３による制御に応じて、読み出し回路２２４によって読み出される。そして、読み出し回路２２４によって読み出された電圧レベルは、制御部１３へ出力される。
図３は、受光部１２に用いられる画素２２１の構成を表す構成図である。図３Ａは、画素２２１の全体の構成を表す構成図である。画素２２１は、４つの微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄを備える。各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄは光電変換素子を用いて構成される。また、画素２２１は、４つの電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄと、各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに対応する振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄを備える。４つの微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄは、電荷転送領域２２１３及び振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄを介して、それぞれ電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに接続される。以下、４つの振り分けゲートをまとめて記載する場合には「振り分けゲートＴＸ」と記載する。
電位のポテンシャルは、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄよりも電荷転送領域２２１３の方が低く、電荷転送領域２２１３よりも電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄの方が低い。微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄの光電変換によって生成された電荷は、よりポテンシャルの低い電荷転送領域２２１３へ移動する。振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開かれると、電荷転送領域２２１３から、開かれたゲートＴＸａ〜ＴＸｄに対応する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに電荷が移動する。そして、各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに移動した電荷は、各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄによって所定のタイミングまで蓄積される。そして、蓄積された電荷は、所定のタイミングで読み出し電極２２１４ａ〜２２１４ｄから、読み出し回路２２４を介して制御部１３へ読み出される。
また、画素２２１は、各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに隣接するリセットゲートＲａ〜Ｒｄ（以下、全てのリセットゲートを指す場合には「リセットゲートＲ」と言う。）及びリセット電極２２１５ａ〜２２１５ｄを備える。リセットゲートＲａ〜Ｒｄが開かれると、電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに蓄積されていた電荷がリセット電極２２１５ａ〜２２１５ｄへ流れ、リセット状態となる。このリセット処理は、受光部１２の全画素２２１の全電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに対して同時に行われる。
また、画素２２１は、電荷転送領域２２１３に隣接するドレインゲートＤ及びドレイン電極２２１７を備える。ドレイン電極２２１７は、ドレインゲートＤを介して電荷転送領域２２１３に接続される。ドレインゲートＤが開いた場合、電荷転送領域２２１３に存在する全ての電荷は、ドレインゲートＤを介してドレイン電極２２１７へ流れる。ドレイン電極２２１７へ流れた電荷は廃棄される。ドレイン電極２２１７及びドレインゲートＤは、図３に図示されるように電荷転送領域２２１３の中央部分に設けられても良い。このように構成されることによって、電荷転送領域２２１３に存在する電荷の位置によらず、電荷転送領域２２１３の全体から均等に電荷をドレイン電極２２１７へ移動させることが可能となる。
画素２２１の構成についてさらに詳細に説明する。４つの微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄは、近傍に位置する２つの電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄの略中間に設けられる。例えば、微小変換部ＰＤａは、電荷蓄積領域２２１２ａ及び電荷蓄積領域２２１２ｄの略中間に設けられる。微小変換部ＰＤｂは、電荷蓄積領域２２１２ｂ及び電荷蓄積領域２２１２ａの略中間に設けられる。微小変換部ＰＤｃは、電荷蓄積領域２２１２ｃ及び電荷蓄積領域２２１２ｂの略中間に設けられる。微小変換部ＰＤｄは、電荷蓄積領域２２１２ｄ及び電荷蓄積領域２２１２ｃの略中間に設けられる。ここで言う「中間」とは、例えば電荷蓄積領域２２１２の重心と微小変換部ＰＤの重心とを基準として判断されても良いし、他の基準によって判断されても良い。また、４つの微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄは、全ての電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに対して、１つの電荷転送領域２２１３を介して接続されている。
このように構成されたことの効果について、微小変換部ＰＤａを例にとって説明する。微小変換部ＰＤａが電荷蓄積領域２２１２ａ側に偏って設けられると、微小変換部ＰＤａと電荷蓄積領域２２１２ａとの距離に比べて、微小変換部ＰＤａと電荷蓄積領域２２１２ｄとの距離は長くなる。この状態では、振り分けゲートＴＸａが開いて振り分けゲートＴＸｄが閉じているときに微小変換部ＰＤａから電荷蓄積領域２２１２ａに移動する電荷の量と、振り分けゲートＴＸａが閉じて振り分けゲートＴＸｄが開いているときに微小変換部ＰＤａから電荷蓄積領域２２１２ｄに移動する電荷の量とに、差が生じてしまう。微小変換部ＰＤａが電荷蓄積領域２２１２ａ及び電荷蓄積領域２２１２ｄの略中間に設けられることによって、このような問題を解決できる。
ただし、このような構成では、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄを個別の画素として動作させることができないという問題があった。すなわち、微小変換部ＰＤで生成された電荷は、この微小変換部ＰＤの近傍に位置する複数の電荷蓄積領域２２１２に分散して蓄積されてしまう。各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄを個別の画素として動作させるためには、一つの微小変換部ＰＤにおいて生じた電荷を一つの電荷蓄積領域２２１２で蓄積する必要が生じる。
このような問題を解決すべく、画素２２１は以下のように構成される。各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄに対応する一つの電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに移動しやすいように、画素２２１は構成される。例えば、微小変換部ＰＤａで生じた電荷が、他の電荷蓄積領域２２１２ｂ〜２２１２ｄよりも電荷蓄積領域２２１２ａに移動しやすいように、画素２２１は構成される。
このような構成は、以下のように実現される。各振り分けゲートＴＸａ及び各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄにおいて、凸部２２００が設けられる。各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄの凸部２２００は、各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに対応する微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄが位置する側に設けられる。例えば、電荷蓄積領域２２１２ｄの凸部２２００は、微小変換部ＰＤｄ側に設けられ、微小変換部ＰＤａには設けられない。そのため、電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄ及び振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄは、非対称の形状で構成される。
図３Ｂ及びＣは、凸部２２００の周辺（図３Ａに表される切断線Ｘ−Ｘ’部分）の電位のポテンシャルを表す図である。図３Ｂは、振り分けゲートＴＸｃが閉じている状態における電位のポテンシャルを表す。図３Ｃは、振り分けゲートＴＸｃが開いている状態における電位のポテンシャルを表す。図３Ｂ及びＣは、振り分けゲートＴＸｃの凸部２２００の周辺を代表して図示しているが、他の振り分けゲートＴＸａ、ＴＸｂ、ＴＸｄの凸部２２００の周辺の電位ポテンシャルも同様である。
このように構成された画素２２１では、全ての振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いている状態で以下のように動作する。微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷は、よりポテンシャルが低い電荷転送領域２２１３に移動する。そして、電荷転送領域２２１３に移動した電荷の大部分は、よりポテンシャルが低い各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄのうち、最も近くに位置する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄの凸部２２００に移動する。例えば、微小変換部ＰＤａで発生した電荷は、振り分けゲートＴＸａの凸部２２００を介して、電荷蓄積領域２２１２ａの凸部２２００へ移動する。そのため、微小変換部ＰＤａで発生した電荷の大部分が、電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積される。
図４は、図３の画素２２１の等価回路を表す図である。図４において、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄは、フォトダイオード及びコンデンサＣ０ａ〜Ｃ０ｄの対として表される。振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄにそれぞれ隣接する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄは、コンデンサＣａ〜Ｃｄとして表される。コンデンサＣａ〜Ｃｄは、リセットゲートＲａ〜ＲｄのＦＥＴトランジスタがオンになることによって電圧Ｖで充電される。この動作は、前述したリセット処理である。リセット処理とは、電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄの状態を、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄによって生成される電荷を蓄積する前の状態（初期状態）に戻すための処理である。
ＦＥＴトランジスタＬａ〜Ｌｄは、レベルシフト・トランジスタである。ＦＥＴトランジスタＬａ〜Ｌｄは、読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開かれると、コンデンサＣａ〜Ｃｄにホールドされている電荷に応じた電流を、それぞれ読み出し回路２２４を介して制御部１３へ送り出す。なお、４つの微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄ及び電荷転送領域２２１３は、Ｐ型領域（P-well）に埋め込まれた一体的なＮ型領域によって形成することができる。この一体的なＮ型領域の上方に遮光幕（遮光マスク）が設けられ、画素２２１の各構成のうち微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄだけに光が入るように構成される。
撮像装置１０は、複数の動作パターンを持つ。例えば、変調光検出モード、差分画像撮像モード、高画素撮像モードがある。以下、動作パターン毎に、第一実施形態における画素２２１のポテンシャルの変化及び電荷の移動について説明する。ただし、第一実施形態においては、差分画像撮像モードでの動作はないため、変調光検出モード及び高画素撮像モードについて説明する。図５は、ポテンシャルを表す断面の線を表す図である。図５のＡからＢへ続く破線に沿ったポテンシャルの高さが、図６及び図８に表される。
図６は、変調光検出モードにおける画素２２１のポテンシャルの高さの変化を表す図である。図６Ａは、回路に何らの操作を加えていない状態でのポテンシャルを表す。
図６Ｂは、リセット時のポテンシャルを表す。リセット時には、全てのリセットゲートと、全ての振り分けゲートＴＸと、ドレインゲートＤとが開かれる。電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積されていた電荷がリセットゲートＲａを通過してリセット電極２２１５ａへ流れる。また、微小変換部ＰＤａで生じた電荷や電荷転送領域２２１３に残っていた電荷も、リセット電極２２１５ａ又はドレイン電極２２１７へ流れる。以上の動作により、画素２２１はリセット状態となる。また、図６Ｂに示されるとおり、振り分けゲートＴＸａ及び振り分けゲートＴＸｂがともに開いている状態では、微小変換部ＰＤａから電荷転送領域２２１３までのポテンシャルは、振り分けゲートＴＸａ側の勾配が急になるように形成されている。そのため、微小変換部ＰＤａで生じた電荷は、その大部分が振り分けゲートＴＸａ側（対応している方の振り分けゲートＴＸ側）へ移動する。
図６Ｃは、振り分けゲートＴＸａのみが開いた状態のポテンシャルを表す。図７は、変調光検出モードにおいて、振り分けゲートＴＸａのみが開いた場合の電荷の動きを表す図である。振り分けゲートＴＸａのみが開いた場合、微小変換部ＰＤａで生じた電荷が、振り分けゲートＴＸａを通過して、電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積される。また、図７に図示されるように、微小変換部ＰＤｂ〜ＰＤｄで生じた電荷も、振り分けゲートＴＸａを通過して、電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積される。
図６Ｄは、ドレインゲートＤのみが開いた状態のポテンシャルを表す。この場合、微小変換部ＰＤａで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
図６Ｅは、振り分けゲートＴＸｄのみが開いた状態のポテンシャルを表す。この場合、微小変換部ＰＤａで生じた電荷が、振り分けゲートＴＸｄを通過して、電荷蓄積領域２２１２ｄに蓄積される。なお、上記の説明の通り、微小変換部ＰＤａで生じた電荷は、電荷蓄積領域２２１２ａに移動しやすい。しかしながら、図６Ｅの状態では、振り分けゲートＴＸａが閉じており、振り分けゲートＴＸｄのみが開いている。この状態では、各電荷蓄積領域２２１２ａで生じた電荷も、電荷転送領域２２１３及び振り分けゲートＴＸｄを介して電荷蓄積領域２２１２ｄに移動する。
図８は、高画素撮像モードにおける画素２２１のポテンシャルの高さの変化を表す図である。図８Ａ、図８Ｂに示される状態は、それぞれ図６Ａ、図６Ｂに示される状態と同じである。図８Ｃは、全ての振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いた状態のポテンシャルを表す。図９は、高画素撮像モードにおいて、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いた場合の電荷の動きを表す図である。振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いた場合、微小変換部ＰＤａで生じた電荷の大部分が、振り分けゲートＴＸａを通過して、電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積される。また、不図示の微小変換部ＰＤｄで生じた電荷の大部分が、振り分けゲートＴＸｄを通過して、電荷蓄積領域２２１２ｄに蓄積される。また、図９に図示されるように、微小変換部ＰＤｂで生じた電荷は、振り分けゲートＴＸｂを通過して電荷蓄積領域２２１２ｂに蓄積され、微小変換部ＰＤｃで生じた電荷は、振り分けゲートＴＸｃを通過して電荷蓄積領域２２１２ｃに蓄積される。
次に、動作パターン毎に、第一実施形態における撮像装置１０の動作の流れについて説明する。図１０は、変調光検出モードにおける撮像装置１０の動作を表すタイミングチャートである。まず、撮像開始時に制御部１３がリセット信号を出力すると、画素２２１はリセットゲートＲａ〜Ｒｄ、４つの振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ、ドレインゲートＤを開く（ｔ１）。この動作によって、電荷転送領域２２１３及び電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄがリセット状態となる。
次に制御部１３の制御に応じて、全てのリセットゲートＲａ〜Ｒｄが閉じ、振り分けゲートＴＸｂ〜ＴＸｄが閉じ、振り分けゲートＴＸａが開いた状態となる（ｔ２）。振り分けゲートＴＸａが開いている間、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積される。このとき、上記の説明の通り、微小変換部ＰＤｂ〜ＰＤｄで生じた電荷は、それぞれに対応する電荷蓄積領域２２１２ｂ〜２２１２ｄに移動しやすい。しかしながら、振り分けゲートＴＸｂ〜ＴＸｄは閉じている。そのため、各電荷蓄積領域２２１２ｂ〜２２１２ｄで生じた電荷も、電荷蓄積領域２２１２ａに移動する。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸａが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ３）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
次に、制御部１３の制御に応じて、ドレインゲートＤが閉じ、振り分けゲートＴＸｂが開いた状態となる（ｔ４）。振り分けゲートＴＸｂが開いている間、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｂに蓄積される。微小変換部ＰＤａ、ＰＤｃ及びＰＤｄで生じた電荷も電荷蓄積領域２２１２ｂに移動する理由は、振り分けゲートＴＸａが開いた場合と同じである。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸｂが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ５）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
次に、制御部１３の制御に応じて、ドレインゲートＤが閉じ、振り分けゲートＴＸｃが開いた状態となる（ｔ６）。振り分けゲートＴＸｃが開いている間、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｃに蓄積される。微小変換部ＰＤａ、ＰＤｂ及びＰＤｄで生じた電荷も電荷蓄積領域２２１２ｃに移動する理由は、振り分けゲートＴＸａが開いた場合と同じである。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸｃが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ７）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
次に、制御部１３の制御に応じて、ドレインゲートＤが閉じ、振り分けゲートＴＸｄが開いた状態となる（ｔ８）。振り分けゲートＴＸｄが開いている間、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｄに蓄積される。微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｃで生じた電荷も電荷蓄積領域２２１２ｄに移動する理由は、振り分けゲートＴＸａが開いた場合と同じである。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸｄが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ９）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
以上で１回目の露光が完了する（ｔ１０）。その後、所定の回数（ｎ回）の露光が完了するまで、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ及びドレインゲートＤの開閉処理が繰り返し実行される。所定回数の露光が完了するまでリセットゲートＲは開かれない。所定回数の露光が完了すると（ｔ１１）、制御部１３の制御に応じて、読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開く。レベルシフト・トランジスタＬａ〜ＬｄのゲートにはコンデンサＣａ〜Ｃｄの電圧が加えられている。そのため、読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開かれることに応じて、それぞれのコンデンサの電圧レベルに応じた電流が、読み出し電極２２１４ａ〜読み出し電極２２１４ｄに流れる。読み出し電極２２１４に流れた電流は、読み出し回路２２４を介して制御部１３へ流れる。制御部１３は、読み出された電流を用いて、撮像した強度変調光の位相を検出する。
図１１は、制御部１３が各画素２２１において撮像された強度変調光の位相の値を算出するための処理の概略を表す概略図である。図１１に表される波形は、ある画素２２１に入射した強度変調光の輝度値の時間変化を表した波形である。Ｃ（θ０）、Ｃ（θ１）、Ｃ（θ２）、Ｃ（θ３）は、各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄが電荷を蓄積したタイミングにおける電位の値を表す。すなわち、制御部１３の制御によって、１回の露光の時間は、強度変調光の周期と同じとなる。また、制御部１３の制御によって、各振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ制御部１３が開くタイミングは、強度変調光の周期の１／４の時間ずつずれている。制御部１３は、撮像される強度変調光の周期や、各振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開くタイミングを予め記憶している。制御部１３は、Ｃ（θ０）、Ｃ（θ１）、Ｃ（θ２）、Ｃ（θ３）を数１に代入することによって、各画素２２１における強度変調光の振幅Ｒ及びＢの値を算出する。
Figure 0005456644
次に、制御部１３は、Ｃ（θ０）、Ｃ（θ１）、Ｃ（θ２）、Ｃ（θ３）及び数１で算出されたＲ及びＢの値を数２に代入することによって、各画素２２１における強度変調光の位相θを算出する。
Figure 0005456644
図１２は、高画素撮像モードにおける撮像装置１０の動作を表すタイミングチャートである。まず、撮像開始時に制御部１３がリセット信号を出力すると、画素２２１はリセットゲートＲａ〜Ｒｄ、４つの振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ、ドレインゲートＤを開く（ｔ４１）。この動作によって、電荷転送領域２２１３及び電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄがリセット状態となる。
次に制御部１３の制御に応じて、全てのリセットゲートＲａ〜Ｒｄ及びドレインゲートＤが閉じ、全ての振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いた状態となる（ｔ４２）。上記の説明の通り、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷は、それぞれに対応する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに移動しやすい。そのため、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いている間、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷は、それぞれに対応する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに蓄積される。
所定の露光時間が経過すると、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが閉じ、読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開く（ｔ４７）。読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開かれることに応じて、電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄのコンデンサの電圧レベルに応じた電流が、読み出し電極２２１４ａ〜２２１４ｄに流れる。読み出し電極２２１４に流れた電流は、読み出し回路２２４を介して制御部１３へ流れる。制御部１３は、読み出された電流を用いて高画素画像を生成する。高画素画像とは、画素２２１に含まれる各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄを一つの画素とした画像である。そのため、高画素画像は、画素２２１の数の４倍の画素数の画像が生成される。
このように構成された第一実施形態の撮像装置１０では、画素２２１の微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷を、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄの開閉状態に応じて、適切に電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄへ移動させることが可能となる。例えば、一度に一つの振り分けゲートＴＸしか開かない場合には、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷は開いている振り分けゲートＴＸを介して電荷蓄積領域２２１２へ移動する。このような効果が得られる一つの理由は、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄ及び振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが、共通した一つの電荷転送領域２２１３を介して接続されていることである。また、他の理由は、４つの微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄが、近傍に位置する２つの電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄの略中間に設けられていることである。
また、例えば全ての振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いている場合には、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷は、対応する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄへそれぞれ移動する。そのため、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷を精度良く蓄積することが可能となる。したがって、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄをそれぞれ一つの画素とした高画素の画像を生成することが可能となる。
また、ドレインゲートＤ及びドレイン電極２２１７を備えることによって、以下のような効果がある。ある振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが閉じてから次の振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開くまでの間に生成された電荷は、ドレイン電極２２１７によって破棄される。そのため、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いたときに、前の振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが閉じてから生成された電荷が電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに移動することを防止できる。したがって、各電荷蓄積タイミングにおいて蓄積する電荷の量を正確にすることが可能となる。
＜変形例＞
各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄに対応する一つの電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに移動しやすい構成は、以下のように実現されても良い。例えば、イオンの注入などによって、電荷転送領域２２１３のポテンシャルを調整することによって実現されても良い。例えば、微小変換部ＰＤａの近傍に位置する電荷転送領域２２１３のポテンシャルが、電荷蓄積領域２２１２ａ側に下がるような傾斜となるように調整されても良い。同様に、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄの近傍に位置する電荷転送領域２２１３のポテンシャルは、対応する各電荷蓄積領域２２１２側に下がるような傾斜となるように調整されても良い。
読み出し回路２２４は、読み出し電極２２１４ａに流れた電流と、読み出し電極２２１４ｂに流れた電流との差分をとらず、それぞれの電流を制御部１３へ出力するように構成されても良い。この場合、制御部１３は、それぞれの電流に応じた２つの画像を生成する。また、制御部１３は、２つの画像を生成した後に、２つの画像の差分の画像を生成しても良い。
上述した３つの動作パターンは、例示にすぎない。したがって、他の動作パターンで撮像装置１０が動作するように制御がなされても良い。
振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いている時間は、適宜設定されても良い。この時間は、例えば１００ミリ秒以下であり、好ましくは１ミリ秒以下であり、より好ましくは１００マイクロ秒以下に設定される。
画素２２１は、リセットゲートＲ及びリセット電極２２１５ａ〜２２１５ｄを備えないように構成されても良い。画素２２１は、ドレインゲートＤ及びドレイン電極２２１７を備えないように構成されても良い。画素２２１に備えられる微小変換部ＰＤの数は、４つに限定される必要は無く、２つ又は３つであっても良いし、５つ以上であっても良い。その場合、各微小変換部ＰＤには、対応する電荷蓄積領域２２１２及び振り分けゲートＴＸが設けられる。
上述した変調光検出モードでは、制御部１３は、４つの輝度値に基づいて強度変調光の位相を検出したが、３つの輝度値に基づいて強度変調光の位相を検出しても良い。この場合、制御部１３は、４つの振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄのうち、３つの振り分けゲートＴＸを開閉する。例えば、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｃが開閉されるものとして説明を行う。
以下の説明において、Ｃ（θ０）、Ｃ（θ１）、Ｃ（θ２）は、各電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｃが電荷を蓄積したタイミングにおける電位の値を表す。すなわち、制御部１３の制御によって、１回の露光の時間は、強度変調光の周期と同じとなる。また、制御部１３の制御によって、各振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｃ制御部１３が開くタイミングは、強度変調光の周期の１／３の時間ずつずれている。制御部１３は、撮像される強度変調光の周期や、各振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｃが開くタイミングを予め記憶している。制御部１３は、Ｃ（θ０）、Ｃ（θ１）、Ｃ（θ２）を数３に代入することによって、強度変調光の振幅Ｒ及びＢの値を算出する。
Figure 0005456644
そして、制御部１３は、Ｃ（θ０）、Ｃ（θ１）、Ｃ（θ２）及び数３で算出されたＲ及びＢの値を数４に代入することによって、各画素２２１における強度変調光の位相θを算出する。
Figure 0005456644
［第二実施形態］
図１３は、第二実施形態の撮像装置１０の受光部１２に用いられる画素２２１−２の構成を表す構成図である。なお、第二実施形態の撮像装置１０及び受光部１２の構成は、第一実施形態と同じである。ただし、制御部１３の処理が、第一実施形態と第二実施形態とでは異なる部分がある。そのため、制御部１３については、第一実施形態と異なる部分についてのみ以下で説明する。
画素２２１−２は、分離ゲートＳａ−ｄ、分離ゲートＳｄ−ｃ、分離ゲートＳｃ−ｂ、分離ゲートＳｂ−ａを備える。以下、４つの分離ゲートをまとめて記載する場合には「分離ゲートＳ」と記載する。画素２２１−２は、４つの分離ゲートＳを備えることによって、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄを個別の画素として動作させることを可能とする。具体的には、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成した電荷を全ての電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄへ分散させる場合には、全ての分離ゲートＳが開かれる。一方、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成した電荷を、対応する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに対してのみ蓄積させる場合には、全ての分離ゲートＳが閉じられる。
図１４は、図１３の画素２２１−２の等価回路を表す図である。第二実施形態における画素２２１−２の等価回路と第一実施形態における画素２２１の等価回路との主な違いは、４つの分離ゲートＳを備える点である。
次に、動作パターン毎に、第二実施形態における画素２２１−２のポテンシャルの変化及び電荷の移動について説明する。図１５は、ポテンシャルを表す断面の線を表す図である。図１５のＣからＤへ続く破線に沿ったポテンシャルの高さが、図１６〜図１８に表される。
図１６は、変調光検出モードにおける画素２２１−２のポテンシャルの高さの変化を表す図である。図１６Ａは、回路に何らの操作を加えていない状態でのポテンシャルを表す。図１６Ｂは、リセット時のポテンシャルを表す。リセット時には、全てのリセットゲートと、全ての振り分けゲートＴＸと、ドレインゲートＤとが開かれる。電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積されていた電荷がリセットゲートＲａを通過してリセット電極２２１５ａへ流れる。また、微小変換部ＰＤａで生じた電荷や電荷転送領域２２１３に残っていた電荷も、リセット電極２２１５ａ又はドレイン電極２２１７へ流れる。以上の動作により、画素２２１−２はリセット状態となる。なお、図１６Ｂでは、全ての分離ゲートＳも開かれているが、分離ゲートＳを開くことは必須ではない。
図１６Ｃは、全ての分離ゲートＳ及び振り分けゲートＴＸａが開いた状態のポテンシャルを表す。この場合、微小変換部ＰＤａで生じた電荷が、振り分けゲートＴＸａを通過して、電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積される。
図１６Ｄは、ドレインゲートＤのみが開いた状態のポテンシャルを表す。この場合、微小変換部ＰＤａで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。なお、図１６Ｄでは、全ての分離ゲートＳも開かれているが、分離ゲートＳを開くことは必須ではない。
図１６Ｅは、全ての分離ゲートＳ及び振り分けゲートＴＸｄが開いた状態のポテンシャルを表す。この場合、微小変換部ＰＤａで生じた電荷が、振り分けゲートＴＸｄを通過して、電荷蓄積領域２２１２ｄに蓄積される。
図１７は、差分画像撮像モードにおける画素２２１−２のポテンシャルの高さの変化を表す図である。図１７Ａ〜図１７Ｄに示される状態は、それぞれ図１６Ａ〜図１６Ｄに示される状態と同じである。図１７Ｅは、全ての分離ゲートＳ及び振り分けゲートＴＸｄが開いた状態のポテンシャルを表す。この場合、微小変換部ＰＤａで生じた電荷が、振り分けゲートＴＸｄを通過して、電荷蓄積領域２２１２ｄに蓄積される。
図１８は、高画素撮像モードにおける画素２２１−２のポテンシャルの高さの変化を表す図である。図１８Ａに示される状態は図１６Ａに示される状態と同じである。図１８Ｂは、リセット時のポテンシャルを表す。リセット時には、全ての分離ゲートＳが閉じられ、且つ、他の全てのゲートが開かれる。電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積されていた電荷がリセットゲートＲａを通過してリセット電極２２１５ａへ流れる。また、微小変換部ＰＤａで生じた電荷や電荷転送領域２２１３に残っていた電荷も、リセット電極２２１５ａ又はドレイン電極２２１７へ流れる。以上の動作により、画素２２１−２はリセット状態となる。
図１８Ｃは、全ての分離ゲートＳが閉じ、且つ、全ての振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いた状態のポテンシャルを表す。この場合、微小変換部ＰＤａで生じた電荷は、振り分けゲートＴＸａを通過して、電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積される。このとき、分離ゲートＳａ−ｄが閉じているため、微小変換部ＰＤａで生じた電荷は、振り分けゲートＴＸｂ〜ＴＸｄを通過することはない。また、同様の理由により、微小変換部ＰＤｂ〜ＰＤｄで生じた電荷が振り分けゲートＴＸａを通過することもない。また、不図示の微小変換部ＰＤｄで生じた電荷が、振り分けゲートＴＸｄを通過して、電荷蓄積領域２２１２ｄに蓄積される。
次に、動作パターン毎に、第二実施形態における撮像装置１０の動作の流れについて説明する。図１９は、変調光検出モードにおける撮像装置１０の動作を表すタイミングチャートである。まず、撮像開始時に制御部１３がリセット信号を出力すると、画素２２１−２はリセットゲートＲａ〜Ｒｄ、４つの振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ、ドレインゲートＤ、４つの分離ゲートＳを開く（ｔ５１）。この動作によって、電荷転送領域２２１３及び電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄがリセット状態となる。
次に制御部１３の制御に応じて、全てのリセットゲートＲａ〜Ｒｄが閉じ、全ての分離ゲートＳが開き、振り分けゲートＴＸｂ〜ＴＸｄが閉じ、振り分けゲートＴＸａが開いた状態となる（ｔ５２）。振り分けゲートＴＸａが開いている間、全ての分離ゲートＳも開いているため、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積される。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸａが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ５３）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
次に、制御部１３の制御に応じて、ドレインゲートＤが閉じ、振り分けゲートＴＸｂが開いた状態となる（ｔ５４）。振り分けゲートＴＸｂが開いている間、全ての分離ゲートＳも開いているため、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｂに蓄積される。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸｂが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ５５）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
次に、制御部１３の制御に応じて、ドレインゲートＤが閉じ、振り分けゲートＴＸｃが開いた状態となる（ｔ５６）。振り分けゲートＴＸｃが開いている間、全ての分離ゲートＳも開いているため、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｃに蓄積される。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸｃが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ５７）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
次に、制御部１３の制御に応じて、ドレインゲートＤが閉じ、振り分けゲートＴＸｄが開いた状態となる（ｔ５８）。振り分けゲートＴＸｄが開いている間、全ての分離ゲートＳも開いているため、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｄに蓄積される。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸｄが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ５９）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
以上で１回目の露光が完了する（ｔ６０）。その後、所定の回数（ｎ回）の露光が完了するまで、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ及びドレインゲートＤの開閉処理が繰り返し実行される。所定回数の露光が完了するまでリセットゲートＲは開かれない。所定回数の露光が完了すると（ｔ６１）、制御部１３の制御に応じて、読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開く。レベルシフト・トランジスタＬａ〜ＬｄのゲートにはコンデンサＣａ〜Ｃｄの電圧が加えられている。そのため、読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開かれることに応じて、それぞれのコンデンサの電圧レベルに応じた電流が、読み出し電極２２１４ａ〜読み出し電極２２１４ｄに流れる。読み出し電極２２１４に流れた電流は、読み出し回路２２４を介して制御部１３へ流れる。制御部１３は、読み出された電流を用いて、撮像した強度変調光の位相を検出する。強度変調光の位相の検出処理は、第一実施形態における検出処理と同じである。
図２０は、差分画像撮像モードにおける撮像装置１０の動作を表すタイミングチャートである。まず、撮像開始時に制御部１３がリセット信号を出力すると、画素２２１−２はリセットゲートＲａ〜Ｒｄ、４つの振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ、ドレインゲートＤ、４つの分離ゲートＳを開く（ｔ７１）。この動作によって、電荷転送領域２２１３及び電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄがリセット状態となる。
次に制御部１３の制御に応じて、全てのリセットゲートＲａ〜Ｒｄが閉じ、分離ゲートＳｂ−ａ及びＳｂ−ｃが開き、分離ゲートＳｂ−ｂ及びＳｂ−ｄが閉じ、振り分けゲートＴＸｂ及びＴＸｄが閉じ、振り分けゲートＴＸａ及びＴＸｃが開いた状態となる（ｔ７２）。振り分けゲートＴＸａ及びＴＸｃが開いている間、分離ゲートＳｂ−ｂ及びＳｂ−ｄも開いているため、微小変換部ＰＤａ及びＰＤｂで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ａに蓄積され、微小変換部ＰＤｃ及びＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｃに蓄積される。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸａ及びＴＸｃが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ７３）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
次に、制御部１３の制御に応じて、ドレインゲートＤが閉じ、振り分けゲートＴＸｂ及びＴＸｄが開いた状態となる（ｔ７４）。振り分けゲートＴＸｂ及びＴＸｄが開いている間、分離ゲートＳｂ−ｂ及びＳｂ−ｄも開いているため、微小変換部ＰＤａ及びＰＤｂで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｂに蓄積され、微小変換部ＰＤｃとＰＤｄで生じた電荷が電荷蓄積領域２２１２ｄに蓄積される。
次に、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸｂ及びＴＸｄが閉じ、ドレインゲートＤが開いた状態となる（ｔ７５）。ドレインゲートＤが開くことによって、全ての微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じている電荷及び電荷転送領域２２１３に残っている電荷が、ドレインゲートＤを通過してドレイン電極２２１７へ流れる。
以上で１回目の露光が完了する（ｔ７６）。その後、所定の回数（ｎ回）の露光が完了するまで、振り分けゲートＴＸａ、振り分けゲートＴＸｂ及びドレインゲートＤの開閉処理が繰り返し実行される。所定回数の露光が完了するまでリセットゲートＲは開かれない。所定回数の露光が完了すると（ｔ８１）、制御部１３の制御に応じて、読み出しゲートＴａ及び読み出しゲートＴｂが開く。読み出しゲートＴａ及び読み出しゲートＴｂが開かれることに応じて、電荷蓄積領域２２１２ａ及び電荷蓄積領域２２１２ｂのコンデンサの電圧レベルに応じた電流が、読み出し電極２２１４ａ及び読み出し電極２２１４ｂに流れる。読み出し回路２２４は、読み出し電極２２１４ａに流れた電流と、読み出し電極２２１４ｂに流れた電流との差分をとり、制御部１３へ出力する。制御部１３は、読み出し回路２２４から出力された電流を用いて、差分画像を生成する。
図２１は、高画素撮像モードにおける撮像装置１０の動作を表すタイミングチャートである。まず、撮像開始時に制御部１３がリセット信号を出力すると、画素２２１−２はリセットゲートＲａ〜Ｒｄ、４つの振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄ、ドレインゲートＤ、４つの分離ゲートＳを開く（ｔ９１）。この動作によって、電荷転送領域２２１３及び電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄがリセット状態となる。
次に制御部１３の制御に応じて、全てのリセットゲートＲａ〜Ｒｄ、ドレインゲートＤ、全ての分離ゲートＳが閉じ、全ての振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いた状態となる（ｔ９２）。全ての分離ゲートＳが閉じられているため、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷は、それぞれに対応する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに移動する。そのため、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いている間、微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生じた電荷は、それぞれに対応する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄに蓄積される。
所定の露光時間が経過すると、制御部１３の制御に応じて、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが閉じ、読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開く（ｔ９７）。読み出しゲートＴａ〜Ｔｄが開かれることに応じて、電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄのコンデンサの電圧レベルに応じた電流が、読み出し電極２２１４ａ〜２２１４ｄに流れる。読み出し電極２２１４に流れた電流は、読み出し回路２２４を介して制御部１３へ流れる。制御部１３は、読み出された電流を用いて高画素画像を生成する。
このように構成された第二実施形態の撮像装置１０では、画素２２１−２の微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷を、振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄの開閉状態に応じて、適切に電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄへ移動させることが可能となる。例えば、一度に一つの振り分けゲートＴＸしか開かない場合には、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷は開いている振り分けゲートＴＸを介して電荷蓄積領域２２１２へ移動する。このような効果が得られる一つの理由は、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄ及び振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが、共通した一つの電荷転送領域２２１３を介して接続されていることである。また、他の理由は、４つの微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄが、近傍に位置する２つの電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄの略中間に設けられていることである。
また、例えば全ての振り分けゲートＴＸａ〜ＴＸｄが開いている場合には、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷は、４つの分離ゲートＳの存在により、対応する電荷蓄積領域２２１２ａ〜２２１２ｄへそれぞれ移動する。そのため、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄで生成された電荷を精度良く蓄積することが可能となる。したがって、各微小変換部ＰＤａ〜ＰＤｄをそれぞれ一つの画素とした高画素の画像を生成することが可能となる。
また、ドレインゲートＤ及びドレイン電極２２１７を備えることによって、第一実施形態と同様の効果が得られる。
＜変形例＞
４つの分離ゲートＳの動作は、上述したものに限られない。例えば、隣り合った二つの分離ゲートＳを閉じ、残り二つの分離ゲートＳを開いた状態で電荷の蓄積を行うように構成されても良い。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
１０…撮像装置， １１…レンズ， １２…受光部， １３…制御部， ２２１…画素（受光素子）， ２２２…垂直走査回路， ２２３…水平走査回路， ２２４…読み出し回路， ＰＤａ〜ＰＤｄ…微小変換部（光電変換部）， ２２１２ａ〜２２１２ｄ…電荷蓄積領域（電荷蓄積部）， ２２１３…電荷転送領域（電荷転送部）， ２２１４ａ〜２２１４ｄ…読み出し電極， ２２１５ａ〜２２１５ｄ…リセット電極， ＴＸａ〜ＴＸｄ…振り分けゲート， Ｒａ〜Ｒｄ…リセットゲート， Ｄ…ドレインゲート， ２２１７…ドレイン電極， ２２００…凸部， Ｓａ−ｄ，Ｓｂ−ａ，Ｓｃ−ｂ，Ｓｄ−ｃ…分離ゲート

Claims (6)

  1. 露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、
    前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
    前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、
    前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、
    を備え、
    前記電荷転送部は、複数の光電変換部と複数の振り分けゲート部とに接し、前記複数の振り分けゲート部を介して複数の電荷蓄積部に接続し、
    前記電荷蓄積部及び前記振り分けゲート部は、自身に対応する前記光電変換部が位置する方向に対し凸部を有し、前記電荷蓄積部の凸部は、前記振り分けゲート部の凸部を介して前記電荷転送部に接し、
    第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複しないように開き、
    第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複して開く、
    ことを特徴とする受光素子。
  2. 露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、
    前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
    前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、
    前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、
    を備え、
    前記電荷転送部は、複数の光電変換部と複数の振り分けゲート部とに接し、前記複数の振り分けゲート部を介して複数の電荷蓄積部に接続し、
    前記光電変換部と前記電荷転送部とのいずれか一方又は双方は、当該光電変換部に対応する前記電荷蓄積部側に、当該光電変換部によって生成された前記電荷が移動するような電位ポテンシャルを有し、
    第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複しないように開き、
    第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複して開く、
    ことを特徴とする受光素子。
  3. 露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、
    前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
    前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、
    前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、
    前記電荷転送部に設けられ、開閉することによって前記光電変換部から当該光電変換部に対応していない前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する分離ゲートと、
    を備え、
    前記分離ゲートによって複数の領域に分離された電荷転送部の各領域は、それぞれ光電変換部と振り分けゲート部とに接し、前記振り分けゲート部を介して電荷蓄積部に接続し、
    第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複しないように開き、前記分離ゲートは開き、
    第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部は他の振り分けゲート部と重複して開き、前記分離ゲートは閉じる、
    ことを特徴とする受光素子。
  4. 露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、を備え、前記電荷転送部は、複数の光電変換部と複数の振り分けゲート部とに接し、前記複数の振り分けゲート部を介して複数の電荷蓄積部に接続し、前記電荷蓄積部及び前記振り分けゲート部は、自身に対応する前記光電変換部が位置する方向に対し凸部を有し、前記電荷蓄積部の凸部は、前記振り分けゲート部の凸部を介して前記電荷転送部に接する受光素子の制御方法であって、
    第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複しないように開くステップと、
    第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複して開くステップと、
    を有する制御方法。
  5. 露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、を備え、前記電荷転送部は、複数の光電変換部と複数の振り分けゲート部とに接し、前記複数の振り分けゲート部を介して複数の電荷蓄積部に接続し、前記光電変換部と前記電荷転送部とのいずれか一方又は双方は、当該光電変換部に対応する前記電荷蓄積部側に、当該光電変換部によって生成された前記電荷が移動するような電位ポテンシャルを有する受光素子の制御方法であって、
    第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複しないように開くステップと、
    第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複して開くステップと、
    を有する制御方法。
  6. 露光量に応じた電荷を生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記光電変換部から生成された電荷を前記電荷蓄積部へ転送する電荷転送部と、前記電荷転送部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、開閉することによって前記電荷転送部から前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する複数の振り分けゲート部と、前記電荷転送部に設けられ、開閉することによって前記光電変換部から当該光電変換部に対応していない前記電荷蓄積部へ電荷が入ることを制御する分離ゲートと、を備え、前記分離ゲートによって複数の領域に分離された電荷転送部の各領域は、それぞれ光電変換部と振り分けゲート部とに接し、前記振り分けゲート部を介して電荷蓄積部に接続し、
    第一動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複しないように開き、前記分離ゲートを開くステップと、
    第二動作状態の場合、露光中に前記振り分けゲート部を他の振り分けゲート部と重複して開き、前記分離ゲートは閉じるステップと、
    を有する制御方法。
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