JP6125828B2 - 動作認識装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光飛行時間（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）方式を適用した３次元距離画像センサを有する動作認識装置に関する。
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
近年、映像やディスプレイの３次元化が進んでおり、３次元情報取得技術の開発が盛んに行われている。リアルタイムで空間の３次元情報を取得できる３次元距離画像センサは、ジェスチャー認識システム、コンピュータビジョンシステムなど、様々な用途での応用が期待されている。非特許文献１には、ＴＯＦ方式を適用して光源から被検出物に対して光照射を行い、距離画像情報を取得する３次元距離画像センサが掲載されている。該センサは、ステレオ方式やレーザースキャン方式等と比べて、小型で低コストのシステムが実現可能である。
また、被検出物の位置変化情報、形状変化情報等を検出し、デジタル的に動作情報を記録する動作認識技術が、スポーツ医療、映画、コンピュータアニメーション等の分野で広く用いられるようになっている。特許文献１では、ユーザーの複雑な動作を容易に検出するためのユーザーインターフェースを含む情報処理装置を提供している。
特許文献２では、複数のカメラによる撮像により取得した複数の２次元画像から３次元距離画像情報を演算し、被検出物の動作を認識するシステムを提案している。また特許文献３では、人体から放射される赤外線を検出して人体の動作を認識する人体動作認識センサを提案している。
特開２０１１−８６０１号公報 特開２００１−２７３５０３号公報 特開平７−２８８８７５号公報
Ｓ．Ｊ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ，"Ａ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ ＣＭＯＳ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ｐｉｎｎｅｄ−Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ"，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖ．２０１０．
特許文献１において、ユーザーは、体の各部位にセンサ等によって構成されるマーカーを身につけている。該マーカーの時間変化（位置の時間変化、形状の時間変化等）を計測することによって、ユーザーの複雑な動作を厳密に記録している。しかしながら、身につけたセンサによって、ユーザーの動作は制限される、マーカーの着脱に多くの時間がかかるという問題がある。
また、特許文献２において、被検出物は、常に多数のカメラに晒されている。被検出物は、カメラの死角に入らないようにするために、予め指定された比較的狭い範囲内で動作を行わなければならない、また、多数のカメラやセンサが必要であるためシステム全体として高価になってしまうという問題がある。
さらに、多数のカメラによって撮像された被検出物の複数の２次元画像（カラー画像）から、該画像のズレを元に、三角測量の原理を利用して、撮像エリア内の被検出物の３次元距離画像情報を推測し、演算している。従って、演算処理に無駄な時間がかかる、被検出物以外の物体を含む画像の中から、被検出物の位置を抽出するため背景処理等を行う必要があるという問題がある。また、多数のカメラの正確な位置合わせ、カメラの自動焦点機構の搭載などを考慮すると、カメラの構造のシンプル化には大きな課題がある。
また、非特許文献１で提案されている方法では、２回の赤外光照射によって、異なる検出信号を取得しているが、各反射赤外光の検出を連続して行うことが困難である。すなわち、最初の撮像が終了してから、次の撮像が開始されるまでの間に時間差が生じる。このため、移動体の位置検出には不向きであるという問題がある。特に、被検出物の移動が高速の場合、位置検出精度の低下は顕著になる。
また、特許文献３のように、人体から放射される赤外線を利用する場合、人体の体温変化等によって生じるノイズを無視できない。
上述した問題に鑑みて、被検出物に対して非接触で、被検出物の動作を認識できる動作認識装置を提供することを課題の一つとする。
また、簡易な構成を有し、被検出物の状態を選ばずに、被検出物の動作を認識できる動作認識装置を提供することを課題の一つとする。
また、高速に移動する被検出物を歪まずに撮像し、容易に被検出物の位置変化情報、形状変化情報を取得することを課題の一つとする。
ＴＯＦ方式を適用した３次元距離画像センサを動作認識装置に用いることで位置変化情報、形状変化情報の検出の簡略化を図る。
また、ＴＯＦ方式を適用した３次元距離画像センサを動作認識装置に用いることで、カラー画像情報を含む位置変化情報及び形状変化情報の検出の簡略化を図る。
本明細書で開示する本発明の一態様は、被検出物の距離画像情報を取得し、且つ、距離画像情報から、撮像データを生成し、該撮像データを出力する撮像装置と、特定物体パターンを格納する第１の記憶部と、特定動作パターンを格納する第２の記憶部と、時間の経過と共に変化する撮像データを格納する画像記憶部と、画像記憶部に格納した撮像データの中から、被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの撮像データを抽出し、且つ、抽出した撮像データと特定物体パターンとを比較して、各時刻での最も一致する物体データを選出する物体データ検出部と、各時刻での物体データを格納する第３の記憶部と、第３の記憶部に格納した被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの物体データと、特定動作パターンとを比較して、動作データを推定する動作データ検出部と、動作データを格納する第４の記憶部と、動作データから出力データを生成し、該出力データを出力する出力制御部とを有する画像処理装置と、出力データに基づいて被検出物の動作を認識し、且つ出力データに基づいて定義された操作を実行する情報処理装置と、を有することを特徴とする動作認識装置である。
上記において、撮像装置は、被検出物の距離画像情報を、光源から照射された光が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光が撮像装置に到着するまでの時間を検出し、時間と光速との関係式により取得することができる。
上記において、撮像装置は、被検出物の距離画像情報を、光源から、被検出物に対して、第１の照射及び第１の照射とタイミングが異なる第２の照射を同一時間行い、第１の照射による被検出物の第１の反射光、及び第２の照射による被検出物の第２の反射光を、フォトダイオードによって検出し、フォトダイオードから出力される光電流を用いて、フローティングディフュージョンノードに蓄積される電荷量を変化させる第１のトランジスタのゲート電極の電位を、第１の撮像を行うために、少なくとも第１の照射による被検出物からの第１の反射光が、フォトダイオードに照射し始める時刻より前から、第１の照射が終了する時刻より後までの間は高電位とし、該高電位期間の第１の反射光を検出することで、第１の検出信号Ｓ１を取得し、且つ第２の撮像を行うために、少なくとも第２の照射が終了する時刻より前から、第２の照射による被検出物からの第２の反射光が、フォトダイオードに照射し終わる時刻より後までの間は高電位とし、該高電位期間の第２の反射光を検出することで、第２の検出信号Ｓ２を取得し、第１の照射期間Ｔ、光速ｃ、第１の検出信号Ｓ１、第２検出信号Ｓ２を用いて、光源から被検出物までの距離ｘを、数式（１）に従って算出することで取得できる。
上記において、特定物体パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。
上記において、特定動作パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。
上記において、撮像装置は、フォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、を含むフォトセンサを複数備えていてもよい。
上記において、第１のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。
上記において、第１のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。
また、本明細書で開示する本発明の一態様は、時間差をおかないで一の照射光により第１の撮像と第２の撮像を行うことで被検出物の距離画像情報を取得し、且つ、距離画像情報から、撮像データを生成し、該撮像データを出力する撮像装置と、特定物体パターンを格納する第１の記憶部と、特定動作パターンを格納する第２の記憶部と、時間の経過と共に変化する撮像データを格納する画像記憶部と、画像記憶部に格納した撮像データの中から、被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの撮像データを抽出し、且つ、抽出した撮像データと特定物体パターンとを比較して、各時刻での最も一致する物体データを選出する物体データ検出部と、各時刻での物体データを格納する第３の記憶部と、第３の記憶部に格納した被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの物体データと、特定動作パターンとを比較して、動作データを推定する動作データ検出部と、動作データを格納する第４の記憶部と、動作データから出力データを生成し、該出力データを出力する出力制御部とを有する画像処理装置と、出力データに基づいて被検出物の動作を認識し、且つ出力データに基づいて定義された操作を実行する情報処理装置と、を有することを特徴とする動作認識装置である。
上記において、撮像装置は、被検出物の距離画像情報を、光源から照射された光が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光が撮像装置に到着するまでの時間を検出し、光照射の終了前後で、連続的に前記反射光を検出し、時間と光速との関係式により取得することができる。
上記において、撮像装置は、被検出物の距離画像情報を、光源から、被検出物に対して光照射を行い、隣接する第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードで、被検出物の同一点からの反射光を吸収し、第１のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第１のノードに蓄積される電荷量を変化させる第１のトランジスタのゲート電極の電位を、反射光の吸収開始以前から、光照射が終了する瞬間までの間は高電位とし、該高電位期間の、第１のフォトダイオードに照射される反射光を検出することで第１の検出信号Ｓ１を取得し、第２のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第２のノードに蓄積される電荷量を変化させる第２のトランジスタのゲート電極の電位を、光照射が終了する瞬間から、反射光の吸収終了以後までの間は高電位とし、該高電位期間の、第２のフォトダイオードに照射される反射光を検出することで第２の検出信号Ｓ２を取得し、第１の検出信号Ｓ１、第２の検出信号Ｓ２、光照射期間Ｔ、光速ｃを用いて、光源から被検出物までの距離ｘを、数式（１）に従って算出することで取得できる。
上記において、特定物体パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。
上記において、特定動作パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。
上記において、撮像装置は、フォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、を含むフォトセンサを複数備え、隣接する第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとは、被検出物の同一点からの反射光を吸収することができる。
上記において、第１のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。ゲート電極が、フローティングディフュージョンノードと、電気的に接続されている第１のトランジスタに移動度の高い半導体層を用いることで、フローティングディフュージョンノードに蓄積された電荷に対する増幅度を高めることができるため、より感度の良い増幅トランジスタを構成することが可能になる。
上記において、第２のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。ソース電極又はドレイン電極の一方が、第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている第２のトランジスタの半導体層にシリコン材料を用いることで、第２のトランジスタのオン電流を高くすることができる。従って、データの読み出し時間を短縮し、フォトセンサの出力を高速で制御することができる。また、移動度の高い半導体層を用いることで、出力制御線のスイッチング速度をより広範囲で制御することが可能になる。
上記において、第３のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。ソース電極又はドレイン電極の一方が、フローティングディフュージョンノードと電気的に接続され、ソース電極又はドレイン電極の他方が、フォトダイオードと電気的に接続されている第３のトランジスタの半導体層に酸化物半導体材料を用いることで、トランジスタのオフ電流を極めて低くすることができる。フローティングディフュージョンノードは、蓄積された電荷を、長時間保持することが可能になるため、動作認識装置に搭載される撮像装置は、光源から照射された光（照射光）が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光（反射光）が撮像装置に到着するまでの時間をより高精度に検出し、信頼性の高い撮像データを取得することが可能になる。
また、上記において、第１のトランジスタ、第２のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を、第３のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いることで、画素の微細化を実現しつつ、高性能且つ高速動作が可能な撮像装置を有する動作認識装置を得ることができる。
また、上記において、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ及び第３のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。被検出物が高速で移動する場合、フォトセンサに用いられる全てのトランジスタの半導体層としてシリコン材料を用いることで、よりフォトセンサを高速で動作させることが可能になる。
また、本明細書で開示する本発明の一態様は、被検出物の２次元画像情報及び３次元距離画像情報を取得し、且つ、画像情報から、撮像データを生成し、撮像データを出力する撮像装置と、特定物体パターンを格納する第１の記憶部と、特定動作パターンを格納する第２の記憶部と、時間の経過と共に変化する撮像データを格納する画像記憶部と、画像記憶部に格納した撮像データの中から、被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの撮像データを抽出し、且つ、抽出した撮像データと特定物体パターンとを比較して、各時刻での最も一致する物体データを選出する物体データ検出部と、各時刻での物体データを格納する第３の記憶部と、第３の記憶部に格納した被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの物体データと、特定動作パターンとを比較して、動作データを推定する動作データ検出部と、動作データを格納する第４の記憶部と、動作データから出力データを生成し、出力データを出力する出力制御部と、を有する画像処理装置と、出力データに基づいて被検出物の動作を認識し、且つ出力データに基づいて定義された操作を実行する情報処理装置と、を有することを特徴とする動作認識装置である。
上記において、撮像装置は、被検出物の３次元距離画像情報を、光源から照射された赤外光が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された赤外光が撮像装置に到着するまでの時間を検出し、時間と光速との関係式により取得することができる。
上記において、撮像装置は、光源から、被検出物に対して、第１の赤外光照射及び第１の赤外光照射とタイミングが異なる第２の赤外光照射を同一時間行い、第１のフォトダイオードによって、可視光を吸収し、第１のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第１のフローティングディフュージョンノードに蓄積される電荷量を変化させる第１のトランジスタのゲート電極の電位を、少なくとも第１の赤外光照射による被検出物からの反射光が、第１のフォトダイオードに照射されるより前から、第２の赤外光照射による被検出物からの反射光が、第１のフォトダイオードに照射された後までの間は高電位とし、該高電位期間の可視光を検出することで被検出物の２次元画像情報を取得し、第２のフォトダイオードによって、第１の赤外光及び第２の赤外光を吸収し、第２のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第２のフローティングディフュージョンノードに蓄積される電荷量を変化させる第２のトランジスタのゲート電極の電位を、第１の赤外光照射期間と第１の赤外光反射期間が重なる間に高電位とし、該高電位期間の第１の赤外光を検出することで、第１の検出信号Ｓ１を取得し、且つ、第２の赤外光照射以後で第２の赤外光照射期間と第２の赤外光反射期間が重ならない間に高電位とし、該高電位期間の第２の赤外光を検出することで、第２の検出信号Ｓ２を取得し、第１の検出信号Ｓ１、第２の検出信号Ｓ２、第１の赤外光照射期間Ｔ、光速ｃを用いて、光源から被検出物までの距離ｘを、数式（１）に従って算出することで、被検出物の３次元距離画像情報を取得できる。
上記において、特定物体パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。
上記において、特定動作パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。
上記において、撮像装置は、可視光を吸収し、赤外光を透過する第１の半導体層を有する第１のフォトダイオードと、赤外光を吸収する第２の半導体層を有する第２のフォトダイオードとをそれぞれ複数備えていることが好ましい。また、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとは重畳して設けられていることが好ましい。
上記において、第１の半導体層として、非晶質シリコン又は多結晶シリコンを用いることができる。
上記において、第２の半導体層として、多結晶シリコン、微結晶シリコン、又は単結晶シリコンを用いることができる。
上記において、第１のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。
上記において、第２のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。
また、上記において、第１のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。
また、上記において、第２のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。
上記構成は、上記課題の少なくとも一つを解決する。
なお、本明細書において、「物体データ」とは、色彩情報、明るさ情報を含む被検出物の形状情報、位置情報、方向情報、形態情報、種類情報、部位情報等を示すものとする。即ち２次元画像情報及び３次元距離画像情報を含めた情報を示すものとする。従って被検出物の部位とは例えば、「手及び手の色（肌色等）」、「足及び足の色（肌色等）」等を示す。
また、本明細書において、「動作データ」とは、「物体データ」の時間変化を示すものとする。被検出物の形状の時間変化情報、位置の時間変化情報、方向の時間変化情報、形態の時間変化情報等を示すものとする。
また、本明細書において、「撮像データ」とは、撮像装置によって撮像された被検出物の３次元距離画像から取得した情報を示すものとする。３次元距離画像とは、ある時刻において、撮像装置内に搭載される各画素と被検出物との距離を測定し、これらの距離情報を集めたものを意味する。
本発明の一態様によれば、ＴＯＦ方式を適用した３次元距離画像センサを動作認識装置に用いることで、簡易な構成で容易にカラー画像情報を含む被検出物の位置変化情報、形状変化情報等を検出することができる。また、被検出物の動作を制限することなく、且つ被検出物の状態を選ばずに、正確な動作認識を行うことができる。また、被検出物が高速に移動しても、被検出物の動作を制限することなく、且つ被検出物の状態を選ばずに、正確な動作認識を行うことができる。
動作認識装置を説明する図。 動作認識装置を説明する図。 実施の形態２に係わるフォトセンサを説明する図。 実施の形態２に係わるフォトセンサのタイミングチャートを説明する図。 実施の形態２に係わるフォトセンサのタイミングチャートを説明する図。 実施の形態３に係わるフォトセンサを説明する図。 実施の形態３に係わるフォトセンサのタイミングチャートを説明する図。 実施の形態３に係わるフォトセンサのタイミングチャートを説明する図。 実施の形態４に係わるフォトセンサを説明する図。 実施の形態４に係わるフォトセンサを説明する図。 実施の形態４に係わるフォトセンサのタイミングチャートを説明する図。 実施の形態４に係わるフォトセンサのタイミングチャートを説明する図。 読み出し回路を説明する図。 動作認識装置の一例を説明する図。 動作認識装置の一例を説明する図。 動作認識装置の一例を説明する図。 マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの回路図。 フォトセンサの上面図と断面図。 フォトセンサの断面図。 フォトセンサの断面図。 マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの回路図。 マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの回路図。 マトリクス状に配置された複数のフォトセンサの回路図。 フォトセンサの上面図。 フォトセンサの断面図。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態１）
本実施の形態では、ＴＯＦ方式を適用した撮像装置を有する動作認識装置について図１及び図２を用いて説明する。
なお、開示する発明の一態様において、動作認識はパターンマッチングに基づいて行われる。パターンマッチングに用いられる撮像データは、撮像装置から取得する。時間の経過と共に変化する被検出物の撮像データと、データベース中の様々な特定物体パターンとを比較し、最も一致する物体データを選出し（パターンマッチング）、さらに、動作開始時刻から動作終了時刻までを特定の時間間隔で区切り、各時刻において選出された物体データと、データベース中の様々な特定動作パターンとを比較し、動作データ（物体データの時間変化）を推定する手法を採用する。動作データから生成された出力データにより、動作認識装置は操作を行うことができる。なお、撮像データには、３次元距離画像情報及びカラー画像情報が含まれるため、該撮像データを用いてパターンマッチングを行うことで、動作認識装置の検出精度を向上させることが可能である。
動作認識装置は、ＴＯＦ方式を適用して、撮像装置から撮像データを取得する。ＴＯＦ方式とは、光源より被検出物に対して光（照射光）を照射し、被検出物で反射された光（反射光）が撮像装置に届く際、該照射光が被検出物に到着し、さらに該反射光が撮像装置に到着するまでの時間を検出して、撮像装置から被検出物までの距離を計算によって取得する方式である。光源から被検出物までの距離ｘは、次式ｘ＝（ｃ×Δｔ）／２で表すことができる。ここで、ｃは光速（３×１０８ｍ／ｓ）、Δｔは遅延時間である。
撮像装置は、表示部内に搭載される各画素と被検出物との距離を測定することで複数の距離情報を取得する。これらの距離情報を集めることで距離画像情報を取得し、撮像データとして取得することができる。
また、撮像装置は、２次元撮像とＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を一度に行うことが可能である。この場合、撮像装置は、可視光を吸収する第１のフォトセンサと、赤外光を吸収する第２のフォトセンサとを備え、これらのセンサは重畳されていることが好ましい。第１のフォトセンサを用いて２次元撮像を行い、第２のフォトセンサを用いて３次元撮像を行うことで、３次元距離画像情報及びカラー画像情報を同時に取得し、これらの３次元距離画像情報及びカラー画像情報を撮像データとして取得することができる。
ＴＯＦ方式を適用するため、動作認識装置は、被検出物に対して非接触で、ある時刻での３次元距離画像情報を取得することができる。
また、動作認識装置は、被検出物に対して非接触で、ある時刻でのカラー画像情報を取得することができる。
また、撮像装置は、簡易な構成を有するため動作認識装置の表示部内に設置することも可能である。
さらに、ＴＯＦ方式を適用するため、熱、温度など被検出物の状態の影響を受けにくく、被検出物の状態を選ばずに動作認識を行うことができる。
なお、光源は撮像装置内に搭載されていることが好ましい。
図１（Ａ）は、開示する発明の一態様における動作認識装置の全体構成を示すブロック図である。動作認識装置１００は、撮像装置１０１、画像処理装置１０２、情報処理装置１０３を有する。撮像データ１０４は、撮像装置１０１から出力され、画像処理装置１０２に入力される。出力データ１０５は、画像処理装置１０２から出力され、情報処理装置１０３に入力される。
画像処理装置１０２は、画像記憶部１１０、第１の記憶部１１１、第２の記憶部１１２、第３の記憶部１１３、第４の記憶部１１４、物体データ検出部１１５、動作データ検出部１１６、及び出力制御部１１７を有する。第１の記憶部１１１には、特定物体パターンが格納され、第２の記憶部１１２には、特定動作パターンが格納されている。基準となる特定物体パターン及び特定動作パターンは予めデータベースに格納されている。
画像記憶部１１０は、撮像装置１０１からの撮像データ１０４を取得し、保存する。画像記憶部１１０には、３次元距離画像情報の記憶部が含まれており、カラー画像情報の記憶部を含むこともできる。例えば、撮像装置１０１の２次元撮像によって得られる２次元情報（被検出物の明るさ、色彩等）はカラー画像情報の記憶部に格納され、３次元撮像によって得られる３次元距離画像情報（光源から被検出物までの距離）は３次元距離画像情報の記憶部に格納される。
第１の記憶部１１１には、様々な特定物体パターンが予め格納されている。特定物体パターンとは、例えば、被検出物として人物の指の動きを検出する場合には、指先の形状パターンに相当する。また、被検出物として人物の手の動きを検出する場合には、各指先や手の平の形状パターンに相当する。
なお、特定物体パターンとしては、３次元距離画像情報の他に、カラー画像情報を含むことも可能である。カラー画像情報を含む場合、例えば、被検出物として人物の指の動きを検出する場合には、指先の形状パターンに加えて、指の色（肌色等）、爪の色（透明等）の情報等も付加される。また、被検出物として人物の手の動きを検出する場合には、各指先や手の平の形状パターンに加えて、手の平の色（肌色等）の情報等も付加される。
第２の記憶部１１２には、様々な特定動作パターンが予め格納されている。特定動作パターンとは、特定の状態を示す領域の移動、若しくは変化を伴う動き、さらに一定の周期で繰り返される繰り返し性を有する動き、ストローク等を意味する。例えば、指先を上から下に移動する、手でグー、チョキ、パーという一連の動作を行う、などに相当する。
なお、特定動作パターンには、カラー画像情報を含んでいても良い。カラー画像情報を含む場合、指先を上から下に移動する、手でグー、チョキ、パーをする、などの位置変化情報、形状変化情報に加えて、指の色（肌色等）、爪の色（透明等）の情報等も付加される。
撮像装置１０１は、被検出物を撮像し、被検出物の３次元距離画像を取得する。また、カラー画像を取得することも可能である。３次元距離画像の取得には、ＴＯＦ方式に基づく距離測定方法を利用する。撮像装置１０１によれば、多数のカメラ等を用いることなく、簡易な構成で３次元距離画像を取得することができる。３次元距離画像及びカラー画像は、撮像データ１０４として撮像装置１０１から画像処理装置１０２に出力される。なお、撮像装置１０１は、動作認識装置１００を操作するユーザーを撮像可能な位置に配置される必要がある。撮像装置１０１は、動作認識装置１００の表示部内に設置されても良いし、動作認識装置１００の外部に設置されても良い。
なお、撮像データ１０４は時間の経過と共に変化するが、撮像装置１０１によれば、特定の時間間隔で各時刻の撮像データ１０４を取得することができる。本明細書では、時刻ｔｎでの、撮像データ１０４を、撮像データ１０４＿ｎと表記する。
画像処理装置１０２は、撮像データ１０４を受け取り、情報処理装置１０３が適切な処理を行うために必要な出力データ１０５を生成する。出力データ１０５は、動作データから生成される。適切な処理とは、被検出物が、動作認識装置１００の操作部や、動作認識装置１００自体に、直接触れることなく、出力データ１０５に対応する操作を、動作認識装置１００が行うことを意味する。
なお、動作認識装置１００の操作（例えば、携帯電話機の発信番号に１を入力する等）と、動作認識装置１００が該操作を行うために必要とする動作データ（例えば、手のひとさし指を立てる等）との対応は予め定められている。所望の操作を行うために必要な出力データ１０５が、画像処理装置１０２から出力された場合、情報処理装置１０３は適切な処理を行うことが可能である。
なお、本明細書における動作認識では、予め準備したデータベースを利用する。該データベースには、被検出物の特定物体パターン及び特定動作パターンの他、動作認識装置１００がある操作を行うために必要とする動作データ、即ちある操作を行うためにはどの動作データを用いればよいか、等も登録されている。また、動作認識装置１００により取得した様々なパターンを用いて生成したデータを、データベースに追加で登録することも可能である。
情報処理装置１０３は、出力データ１０５を受け取り、出力データ１０５に対応する操作が実行されるような処理を動作認識装置１００に対して行う。出力データ１０５に対応する操作とは、被検出物の動作に対応させて、動作認識装置１００を操作することを意味する。動作認識装置１００は様々なアプリケーションへの応用が可能であるため、情報処理装置１０３は、出力データ１０５を利用して各々のアプリケーションに対応した処理を行う必要がある。アプリケーションに対応した処理とは例えば、動作認識装置１００がガスコンロに適用された場合、指先を上から下に移動したらコンロの火がつく、指先を下から上に移動したらコンロの火が消える、等のような操作が実行されるような処理を意味する。
次に画像処理装置１０２で行われる動作認識について詳細に説明する。図２は、開示する発明の一態様における動作認識の流れを示すフローチャートである。
画像記憶部１１０では、ステップ３０１の動作が行われる。ステップ３０１では画像記憶部１１０は、時刻ｔｎ（ｎは自然数）での撮像データ１０４＿ｎを格納する。
物体データ検出部１１５では、ステップ３０２からステップ３０９までの動作が行われる。まず、ステップ３０２では撮像データ１０４＿ｎから特定物体パターンを抽出する。
次に、ステップ３０３では撮像データ１０４＿ｎから抽出した特定物体パターンと、第１の記憶部１１１に格納されている特定物体パターンとの比較を行う。
次に、ステップ３０４では相関係数を算出し、データベース中の様々な特定物体パターンから、該相関係数を基準として、その特徴と最も一致する特定物体パターンを選出する。ステップ３０５のように、相関係数（α）が、ある値（β）以上である場合、ステップ３０６へと進む。ステップ３０６では、第１の記憶部１１１に格納されている様々な特定物体パターンの中に、撮像データ１０４＿ｎから抽出した物体パターンと一致する特定物体パターンが存在すると見なす。また、ステップ３０８のように、相関係数（α）が、ある値（β）より小さい場合、ステップ３０９へと進む。ステップ３０９では、第１の記憶部１１１に格納されている様々な特定物体パターンの中に、撮像データ１０４＿ｎから抽出した物体パターンと一致する特定物体パターンは存在しないと見なす。
ステップ３０６へと進んだ場合、ステップ３０７で物体データ検出部１１５は、時刻ｔｎでの物体データ（第ｎのデータとも記す）を取得する。
第３の記憶部１１３では、ステップ３１０の動作が行われる。ステップ３１０では、第３の記憶部１１３は、時刻ｔｎでの物体データを格納する。なお、物体データは、時間の経過と共に変化するが、その都度取得することが可能である。例えば、時刻ｔ１では、第１の物体データを取得し、時刻ｔ３では、第３の物体データを取得することが可能である。
連続的に物体データを取得するため、ステップ３１０から再びステップ３０１に戻れば良い。例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ１０まで順次、第１の物体データから第１０の物体データを取得する場合、ステップ３０１からステップ３０６までを１０回繰り返せば良い。
動作データ検出部１１６では、ステップ３１１からステップ３１７までの動作が行われる。まず、ステップ３１１では物体データの時間変化と、第２の記憶部１１２に格納されている特定動作パターンとの比較を行う。
次に、ステップ３１２では相関係数を算出し、データベース中の様々な特定動作パターンから、該相関係数を基準として、その特徴と最も一致する特定動作パターンを選出する。ステップ３１３のように、相関係数（γ）が、ある値（δ）以上である場合、ステップ３１４へと進む。ステップ３１４では、第２の記憶部１１２に格納されている様々な特定動作パターンは、物体データの時間変化と等しいと見なす。また、ステップ３１６のように、相関係数（γ）が、ある値（δ）より小さい場合、ステップ３１７へと進む。ステップ３１７では、第２の記憶部１１２に格納されている様々な特定動作パターンは、物体データの時間変化と異なると見なす。即ち、特定動作パターンと物体データの時間変化とを照合し、特定動作パターンが行われたか行われなかったかを判定する。
なお、相関係数の基準値δは、情報処理装置１０３が、その後に行う処理内容によって異なって良い。処理内容を規定する情報処理装置１０３には、物体データの時間変化と、相関係数の基準値δとを対応付けたテーブルを付加データとして含め、情報処理装置１０３を起動する際、適宜読み出すようにすると良い。
ステップ３１５では、第２の記憶部１１２に格納されている様々な特定動作パターンと、物体データの時間変化とが一致する場合、動作データ検出部１１６は、動作データを取得する。
第４の記憶部１１４では、ステップ３１８の動作が行われる。ステップ３１８では、第４の記憶部１１４は、動作データを格納する。
出力制御部１１７では、ステップ３１９の動作が行われる。ステップ３１９では、出力制御部１１７は、第４の記憶部１１４に格納されている動作データから、出力データ１０５を生成し、情報処理装置１０３に出力する。なお、出力制御部１１７は、出力データ１０５を生成するだけでなく、各々のアプリケーションに応じて、情報処理装置１０３に適切なデータを供給してもよい。
上記構成を用いた動作認識装置１００によれば、動作を行う被検出物に対して非接触で、被検出物の動作を認識することができる。また、簡易な構成を有し、被検出物の状態を選ばずに、正確な動作認識を行うことができる。
上記構成を用いた動作認識装置１００によれば、被検出物の位置変化情報、形状変化情報等に加えカラー画像情報も検出することが可能である。この場合には、さらに検出精度を向上させることが可能である。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、ＴＯＦ方式を適用した撮像装置の駆動方法の一例について図３乃至図５、及び図１３を用いて説明する。より具体的には、第１の照射期間及び第２の照射期間（同一の照射時間でタイミングが異なる）に対応させて、第１の撮像及び第２の撮像を行い、第１の反射による第１の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第１の検出信号を取得し、第２の反射による第２の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第２の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する撮像装置の駆動方法の一例について説明する。
本実施の形態における撮像装置が有するフォトセンサは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。図３は、撮像装置が有するフォトセンサ４００の構成を示す回路図の一例である。フォトセンサ４００は、フォトダイオード４０２、トランジスタ４０３、トランジスタ４０４、トランジスタ４０５を有する。
信号線１１は、リセット信号線（ＰＲ）である。信号線１２は、電荷蓄積信号線（ＴＸ）である。信号線１３は、選択信号線（ＳＥ）である。ノード１４は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）ノードである。信号線１５は、フォトセンサ基準信号線である。信号線１６は、フォトセンサ出力信号線である。
フォトセンサ４００において、フォトダイオード４０２の陽極は信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード４０２の陰極は、トランジスタ４０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ４０３のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ４０４のゲート電極と、ノード１４とは、電気的に接続されている。トランジスタ４０４のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１５とは、電気的に接続されている。トランジスタ４０５のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１６とは、電気的に接続されている。トランジスタ４０４のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ４０５のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ４０３のゲート電極と信号線１２とは電気的に接続され、トランジスタ４０５のゲート電極と信号線１３とは電気的に接続されている。
なお、図３では、フォトダイオード４０２の陽極が信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード４０２の陰極がトランジスタ４０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード４０２の陰極が信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード４０２の陽極がトランジスタ４０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。
フォトダイオード４０２は、光が照射されると電流が発生する光電変換素子である。従って、被検出物から反射された光を検出することで、当該フォトダイオード４０２には、光電流が流れる。
トランジスタ４０３は、撮像時間を制御するトランジスタとして機能する。開示する発明の一態様においては、信号線１１の電位を、”Ｌ（Ｌｏｗ）”から”Ｈ（Ｈｉｇｈ）”に切り替え、トランジスタ４０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を、”Ｌ”から”Ｈ”に切り替えると、ノード１４に正の電荷が蓄積されていく。トランジスタ４０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を”Ｈ”に維持したまま、信号線１１の電位を、”Ｈ”から”Ｌ”に切り替えると、撮像開始となり、フォトダイオード４０２に照射される光に応じて、ノード１４に負の電荷が蓄積されていく。また、撮像終了は、トランジスタ４０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を”Ｈ”から”Ｌ”に切り替える時である。
本実施の形態において、第１の撮像では、第１の照射開始と同時に第１の撮像開始とし、第１の照射終了と同時に第１の撮像終了とするように、信号線１１及び信号線１２の電位を制御する。また、第２の撮像では、第２の照射終了と同時に第２の撮像開始とし、第１の撮像と同時間の撮像後に第２の撮像終了とするように、信号線１１及び信号線１２の電位を制御する。
即ち、トランジスタ４０３のゲート電極の電位を、第１の照射期間と第１の反射期間が重なる間に”Ｈ”とし、第２の照射開始以後の第２の照射期間と第２の反射期間が重ならない間に”Ｈ”とし、第１の反射光検出期間及び第２の反射光検出期間に”Ｈ”とするように制御すればよい。
トランジスタ４０４は、ノード１４に蓄積された電荷を増幅するトランジスタとして機能する。トランジスタ４０５は、フォトセンサの出力を制御するトランジスタとして機能する。トランジスタ４０５のゲート電極に入力される信号（信号線１３の電位）が”Ｌ”から”Ｈ”に切り替わる時、信号が読み出される。
上述のように、フォトセンサ４００は、フォトダイオード１個とトランジスタ３個という４素子で構成される。フォトセンサを少ない素子数で構成することが可能であるため、フォトセンサを高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。
なお、トランジスタ４０３に用いる半導体層としては、酸化物半導体層を用いることが好ましい。フォトダイオード４０２に光が照射されることにより生成された電荷を、長時間保持するためには、フォトダイオードと電気的に接続されるトランジスタ４０３を、オフ電流が極めて低いトランジスタで構成する必要がある。酸化物半導体材料を用いたトランジスタはオフ電流が極めて低い。そのため、半導体層として酸化物半導体材料を用いることでフォトセンサ４００の性能を高めることができる。
また、ノード１４から、フォトダイオード４０２に漏れる電荷の流れを抑えることが可能になる。特に、第１の撮像から第２の撮像までの間に生じる時間差が大きい場合、即ちノード１４に電荷が蓄積させるために長時間を要する場合には、漏れ電荷の影響が大きくなるため、酸化物半導体材料を用いることが特に好ましい。半導体層として酸化物半導体材料を用いて、光源から照射された光（照射光）が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光（反射光）が撮像装置に到着するまでの時間をより高精度に検出し、信頼性の高い撮像データを取得することで、フォトセンサ４００全体の性能を高めることも可能になる。
また、フォトダイオード４０２に光が照射されることにより生成された電荷をノード１４に短時間で蓄積することを重視する場合には、トランジスタ４０３に用いられる半導体層としてアモルファスシリコンや微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることもできる。これらの材料を用いることで、移動度の高いトランジスタを構成することが可能になるため、ノード１４に短時間で電荷を蓄積することができる。
トランジスタ４０４に用いる半導体層としては、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることが好ましい。移動度の高い半導体層を用いることで、ノード１４に蓄積された電荷に対する増幅度を高めることができるため、より感度の良い増幅トランジスタを構成することが可能になる。
トランジスタ４０５に用いる半導体層としては、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることが好ましい。これらの材料を用いることで、トランジスタ４０５のオン電流を高くすることができる。従って、データの読み出し時間を短縮し、フォトセンサの出力を高速で制御することができる。また、移動度の高い半導体層を用いることで、信号線１６のスイッチング速度をより広範囲で制御することが可能になる。電位変化の速度の自由度を高めて速度差を明確に抽出することで、より正確なデータの取得が可能になる。
フォトセンサ４００を有する撮像装置の駆動方法の一例について説明する。当該駆動方法を用いることで、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像により、３次元距離画像を測定することが可能である。
具体的な駆動方法について、図４及び図５に示すタイミングチャートを用いながら説明する。まず、図４では、フォトセンサ４００の動作について説明する。次に、図５では、駆動方法の特徴及びＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による３次元距離画像測定方法について説明する。
なお、図４及び図５に示すタイミングチャートにおいて、パルス５０１及びパルス５０２では、”照射”を”Ｈ”で、”非照射”を”Ｌ”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”Ｈ”で、電位の低い状態を、”Ｌ”で表すものとする。
図４は、フォトセンサ４００のタイミングチャートである。時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１５までの間に、光源から被検出物に対して２回の照射（第１の照射及び第２の照射）を行う。なお、第２の照射は、第１の照射とタイミングが異なり、且つ同一時間行われるものとする。また、第１の照射及び第２の照射において、光源と被検出物との距離が変わらないものとし、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３までの時間（遅延時間）及び時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９までの時間（遅延時間）が等しいことは自明である。
時刻Ｔ１において、信号線１１を”Ｈ”とする。さらに、信号線１２を”Ｈ”とする（第１のリセット）。この時、フォトダイオード４０２及びトランジスタ４０３が導通し、ノード１４が”Ｈ”となる。
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して第１の光の照射を開始する。パルス５０１では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第１の照射開始時刻とする。また、信号線１１を”Ｌ”とし、信号線１２を”Ｈ”のまま維持する（第１の撮像開始）。なお、この第１の撮像開始時刻は、第１の照射開始時刻と一致する。
時刻Ｔ３において、光源から発せされた第１の照射光が被検出物で反射し、第１の反射光が撮像装置に入射し始める。パルス５０２では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第１の反射開始時刻とする。
また、時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ３で反射光の検出を開始することができる。
時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４の間（第１の反射光検出、所謂正味の第１の撮像）に、第１の反射光の強度に応じてノード１４の電位は変化する。フォトダイオード４０２のオフ電流に起因して、ノード１４の電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード４０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間に比例する。
ここで、ノード１４の電位変化と、フォトダイオード４０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間との関係について説明する。同一検出期間であれば、反射光強度が大きいほど、ノード１４の電位変化は大きくなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、ノード１４の電位変化は大きくなる。従って、反射光強度が大きく、反射光検出期間が長いほど、フォトダイオード４０２のオフ電流は増大し、ノード１４の電位変化も大きくなる。
時刻Ｔ４において、光源から被検出物に対する第１の光の照射を終了する。パルス５０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第１の照射終了時刻とする。また、信号線１２を”Ｌ”とする。この時、第１の撮像が終了する。なお、この第１の撮像終了時刻は、第１の照射終了時刻と一致する。また、時刻Ｔ４は、第１の反射光検出終了時刻でもある。
このように、第１の照射開始と同時に第１の撮像を開始し、且つ第１の照射終了と同時に第１の撮像を終了するように、信号線１１及び信号線１２の電位を制御する。
なお、ノード１４の電位は、時刻Ｔ４以後は一定となる。時刻Ｔ４でのノード１４の電位（Ｖ１）は、第１の反射光検出の間にフォトダイオード４０２が生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。
また、時刻Ｔ４でのノード１４の電位（Ｖ１）に応じて、第１の検出信号が決定する。第１の反射光検出期間が長いほど、ノード１４の電位変化は大きいため、時刻Ｔ４でのノード１４の電位（Ｖ１）は小さくなる。
なお、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４の間に、フォトダイオード４０２に照射される光とは、全て第１の反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。
時刻Ｔ５において、被検出物で反射した第１の反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス５０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第１の反射終了時刻とする。
なお、信号線１２を”Ｌ”とする際、信号線１２とノード１４との間における寄生容量により、ノード１４の電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第１の撮像において、フォトダイオード４０２で、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、トランジスタ４０３のゲート電極−ソース電極間容量、又はトランジスタ４０３のゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード１４に保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係るフォトセンサ４００では、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード１４の電位変化は無視できるものとしている。
時刻Ｔ６において、信号線１３を”Ｈ”とする（第１の読み出し開始）。この時、トランジスタ４０５が導通する。また、信号線１５及び信号線１６が、トランジスタ４０４、トランジスタ４０５を介して、導通する。すると、信号線１６の電位は低下していく。なお、時刻Ｔ６以前に、信号線１６には、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
信号線１６にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。該読み出し回路は、図１３に示す読み出し回路４０１のように、１個のＰｃｈトランジスタ４０６で構成することも可能である。信号線１７は、プリチャージ信号線である。ノード１８は、高電位供給線である。トランジスタ４０６のゲート電極は、信号線１７と電気的に接続され、トランジスタ４０６のソース電極又はドレイン電極の一方は、信号線１６と電気的に接続され、トランジスタ４０６のソース電極又はドレイン電極の他方は、ノード１８と電気的に接続されている。
時刻Ｔ７において、信号線１３を”Ｌ”とする（第１の読み出し終了）。すると、トランジスタ４０５が遮断され、信号線１６の電位は、一定となる。時刻Ｔ７での信号線１６の電位（ＶＳ１）は、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ７での、信号線１６の電位変化の速度に依存する。
なお、信号線１６の電位変化の速度は、トランジスタ４０４のソース電極−ドレイン電極間の電流に依存する。即ち第１の撮像においてフォトダイオード４０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間に依存する。同一照射時間であれば、反射光強度が大きいほど、信号線１６の電位変化の速度は遅くなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、信号線１６の電位変化の速度は遅くなる。信号線１６の電位変化の速度が遅いほど、時刻Ｔ７での信号線１６の電位（ＶＳ１）は大きくなる。
従って、第１の反射光検出により、時刻Ｔ７における信号線１６の電位（ＶＳ１）を取得することで、第１の撮像期間にフォトダイオード４０２に入射した光（反射光）の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ１を得ることができる。ここで、第１の照射における光の強度を一定とし、第１の反射光のみ入射したとすると、信号線１６の電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例する。
ノード１４の電位と、信号線１６の電位の関係について説明する。フォトダイオード４０２に照射される光（反射光）の強度が大きいと、一定期間内でのノード１４の電位変化は大きくなる（時刻Ｔ４でのノード１４の電位の値は低くなる）。この時、トランジスタ４０４のチャネル抵抗が高くなるため、信号線１６の電位変化の速度は遅くなる。従って、一定期間内での信号線１６の電位変化は小さくなる（時刻Ｔ７での信号線１６の電位の値は高くなる）。
時刻Ｔ８において、光源から被検出物に対して第２の光の照射を開始する。パルス５０１は、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第２の照射開始時刻とする。
時刻Ｔ９において、光源から発せされた第２の照射光が被検出物で反射し、第２の反射光が撮像装置に入射し始める。パルス５０２は、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第２の反射開始時刻とする。
時刻Ｔ１０において、信号線１１を”Ｈ”とし、さらに、信号線１２を”Ｈ”とする（第２のリセット）。この時、フォトダイオード４０２及びトランジスタ４０３が導通し、ノード１４が”Ｈ”となる。
時刻Ｔ１１において、光源から被検出物に対する第２の光の照射を終了する。パルス５０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第２の照射終了時刻とする。信号線１１を”Ｌ”とし、信号線１２を”Ｈ”のまま維持する（第２の撮像開始）。なお、この第２の撮像開始時刻は、第２の照射終了時刻と一致する。また、時刻Ｔ１１は、第２の反射光検出開始時刻でもある。
時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２の間（第２の反射光検出、所謂正味の第２の撮像）に、第２の反射光の強度に応じて、ノード１４の電位は変化する。フォトダイオード４０２のオフ電流に起因して、ノード１４の電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード４０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード１４の電位も変化する。
なお、本実施の形態においては、一例として、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は短い場合を示している。そのため、第１の撮像時のノード１４の電位変化に比べて、第２の撮像時のノード１４の電位変化は小さい。
時刻Ｔ１２において、被検出物で反射した第２の反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス５０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第２の反射終了時刻とする。また、時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出終了時刻でもある。
なお、ノード１４の電位は、時刻Ｔ１２以後は一定となる。時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）は、第２の反射光検出の間にフォトダイオード４０２が、生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。
また、時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）に応じて、第２の検出信号が決定する。第２の反射光検出期間が短いほど、ノード１４の電位変化は小さいため、時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）は大きくなる。
時刻Ｔ１３において、信号線１２を”Ｌ”とする。この時、第２の撮像が終了する。
このように、第２の照射終了と同時に第２の撮像開始とし、第１の撮像と同時間の撮像後に第２の撮像を終了するように、信号線１１及び信号線１２の電位を制御する。
なお、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１３の間に、フォトダイオード４０２に照射される光とは、全て第２の反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物からの反射された光を指すものとする。
時刻Ｔ１４において、信号線１３を”Ｈ”とする（第２の読み出し開始）。この時、トランジスタ４０５が導通する。また、信号線１５及び信号線１６が、トランジスタ４０４、トランジスタ４０５を介して、導通する。すると、信号線１６の電位は低下していく。なお、時刻Ｔ１４以前に、信号線１６には、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
時刻Ｔ１５において、信号線１３を”Ｌ”とする（第２の読み出し終了）。すると、トランジスタ４０５が遮断され、信号線１６の電位は、一定となる。時刻Ｔ１５での信号線１６の電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１５での、信号線１６の電位変化の速度に依存する。
光の強度が同一であれば、反射光検出期間が短いほど、信号線１６の電位変化の速度は速くなる。信号線１６の電位変化の速度が速いほど、時刻Ｔ１５での信号線１６の電位（ＶＳ２）は小さくなる。
従って、第２の反射光検出により、時刻Ｔ１５における信号線１６の電位（ＶＳ２）を取得することで、第２の撮像期間にフォトダイオード４０２に入射した光（反射光）の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ２を得ることができる。ここで、第２の照射における光の強度を一定とし、第２の反射光のみ入射したとすると、信号線１６の電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
なお、本実施の形態においては、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は短いため、時刻Ｔ１５における信号線１６の電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ７における信号線１６の電位（ＶＳ１）に比べて小さい。
図５は、フォトセンサ４００における、パルス５０１、パルス５０２、信号線１２の電位である。まず、図５を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。第１の反射光検出、第２の反射光検出を行うために、信号線１１及び信号線１２の電位を制御し、撮像時間のタイミングを工夫する点が、開示する発明の一態様における駆動方法の主な特徴である。
図５に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、蓄積動作期間、反射光検出期間のように、各期間に分けて説明する。
パルス５０１に示すように、時刻Ｔ２は、第１の照射開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の照射終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４は、第１の照射期間である。時刻Ｔ８は、第２の照射開始時刻、時刻Ｔ１１は、第２の照射終了時刻、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ１１は、第２の照射期間である。開示する発明の一態様において、第１の照射期間及び第２の照射期間は、必ず等しくする必要がある。
パルス５０２に示すように、時刻Ｔ３は、第１の反射開始時刻、時刻Ｔ５は、第１の反射終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５は、第１の反射期間である。時刻Ｔ９は、第２の反射開始時刻、時刻Ｔ１２は、第２の反射終了時刻、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１２は、第２の反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。
即ち、第１の照射期間及び第２の照射期間は等しく、第１の反射期間及び第２の反射期間は等しい。
信号線１２の電位に示すように、時刻Ｔ１は、第１の蓄積動作開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の蓄積動作終了時刻、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４は、第１の蓄積動作期間である。また、時刻Ｔ２は、第１の撮像開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の撮像終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４は、第１の撮像期間である。また、時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４は、第１の反射光検出期間である。
第１の蓄積動作期間は、少なくとも第１の反射期間より前に開始されなければならない。また、第１の蓄積動作期間（第１の撮像）は、第１の照射期間終了と同時に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１及び信号線１２の電位を制御する。
さらに、信号線１２の電位に示すように、時刻Ｔ１０は、第２の蓄積動作開始時刻、時刻Ｔ１３は、第２の蓄積動作終了時刻、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１３は、第２の蓄積動作期間である。また、時刻Ｔ１１は、第２の撮像開始時刻、時刻Ｔ１３は、第２の撮像終了時刻、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１３は、第２の撮像期間である。また、時刻Ｔ１１は、第２の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出期間である。
第２の蓄積動作期間（第２の撮像）は、第２の照射期間終了と同時に開始されなければならない。また、第２の蓄積動作期間は、少なくとも第２の反射期間より後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１及び信号線１２の電位を制御する。
即ち、第１の反射期間に対応させて、第１の撮像期間を決定し、第２の反射期間に対応させて、第２の撮像期間を決定することで、反射光検出を２回に分離する。
なお、第１の反射光検出期間は、第１の照射期間及び第１の反射期間が重なる期間に等しく、正味の第１の撮像期間となる。また、第２の反射光検出期間は、第２の照射期間後の第２の反射期間に等しく、正味の第２の撮像期間となる。そして、第１の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第１の検出信号を取得し、第２の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第２の検出信号を取得する。これより撮像装置から、被検出物までの距離を測定することができる。
次に、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による距離測定方法について説明する。第１の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存する第１の検出信号Ｓ１及び第２の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存した第２の検出信号Ｓ２を用いて、撮像装置から、被検出物までの距離を測定する方法について計算式を用いて示す。
ここで、第１の照射及び第２の照射における光の強度を一定とし、第１の撮像期間及び第２の撮像期間には、フォトダイオード４０２に各々第１の反射光及び第２の反射光のみ入射したとすると、信号線１６の電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例し、信号線１６の電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
即ち、第１の撮像により得られる第１の検出信号Ｓ１は、第１の反射光検出期間に概ね依存し、第２の撮像により得られる第２の検出信号Ｓ２は、第２の反射光検出期間に概ね依存する。
第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２は比例定数α、照射期間Ｔ、遅延時間Δｔを用いてそれぞれ数式（２）（３）で表すことができる。
数式（２）（３）より、比例定数αを消去すると、数式（４）に示すように、遅延時間Δｔが得られる。
さらに、前述の、光源から被検出物までの距離ｘの式（ｘ＝（ｃ×Δｔ）／２）と、数式（４）を利用すると、撮像装置から被検出物までの距離ｘは、数式（１）で表すことができる。
これより、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２が得られれば、撮像装置から、被検出物までの距離ｘを得ることができる。
また、光源から光の照射を行わない期間に、フォトセンサ４００によって第３の撮像を行ってもよい。この場合、第３の撮像により第３の検出信号Ｓ３が得られる。第１の検出信号Ｓ１から第３の検出信号Ｓ３を差し引き、さらに、第２の検出信号Ｓ２から第３の検出信号Ｓ３を差し引き、これらを改めて上記、数式（１）における、検出信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２とすることで、自然光の影響を取り除くことができる。
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した撮像装置において駆動方法を工夫することで、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を実現でき、距離画像測定装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、ＴＯＦ方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、簡易な構成を有する撮像装置の実現が可能になる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、ＴＯＦ方式を適用した撮像装置の駆動方法の一例について図６乃至図８、及び図１３を用いて説明する。当該駆動方法によれば、被検出物が高速に移動しても、高精度な位置検出を行うことが可能である。より具体的には、隣接するフォトセンサにおいて、実質的に、被検出物の同一点における反射光を検出する。一方のフォトセンサでは、第１の撮像を行って、被検出物に対する光照射時の、被検出物からの反射光を検出する。もう一方のフォトセンサでは、第２の撮像を行って、被検出物に対する光照射終了時以後の、被検出物からの反射光を検出する。連続して、第１の撮像と第２の撮像を行うことで、第１の撮像が終了してから、第２の撮像が開始されるまでの間に時間差を生じさせない。当該方法によれば、被検出物が高速に移動しても、検出精度を向上させることができる。
本明細書で開示する発明の一態様における撮像装置が有するフォトセンサは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。図６は、撮像装置が有するフォトセンサ７００＿ｎ及び、フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）の構成を示す回路図の一例である。なお、フォトセンサ７００＿ｎ及び、フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）が、同一の構成を成す例について説明する。
図６に示すように、フォトセンサ７００＿ｎ及び、フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）は隣接して配置されている。フォトセンサ７００＿ｎは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。同様に、フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）は３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。
図６に示すように、フォトセンサ７００＿ｎは、フォトダイオード７０２＿ｎ、トランジスタ７０３＿ｎ、トランジスタ７０４＿ｎ、トランジスタ７０５＿ｎを有する。フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）は、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）、トランジスタ７０３＿（ｎ＋１）、トランジスタ７０４＿（ｎ＋１）、トランジスタ７０５＿（ｎ＋１）を有する。
なお、開示する発明の一態様において、光源から被検出物に対する光の照射は１回のみ行われる。従って、被検出物から、フォトセンサに入射する反射光は、１回の照射に対応する反射光を示す。
ここで、隣接するフォトセンサ７００＿ｎ、及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）においては、実質的に被検出物の同一点からの、反射光がフォトセンサ７００＿ｎ及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）に入射する。
即ち、フォトダイオード７０２＿ｎに入射する反射光、及びフォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）に入射する反射光は、光源から被検出物に対して光が照射された際に、該被検出物の同一点において反射された光である。
図６において、信号線１１＿ｎは、リセット信号線（ＰＲ＿ｎ）である。信号線１２＿ｎは、電荷蓄積信号線（ＴＸ＿ｎ）である。信号線１３＿ｎは、選択信号線（ＳＥ＿ｎ）である。ノード１４＿ｎは、フローティングディフュージョン（ＦＤ）ノードである。信号線１６＿ｎは、フォトセンサ出力信号線（ＯＵＴ＿ｎ）である。
また、図６において、信号線１１＿（ｎ＋１）は、リセット信号線（ＰＲ＿（ｎ＋１））である。信号線１２＿（ｎ＋１）は、電荷蓄積信号線（ＴＸ＿（ｎ＋１））である。信号線１３＿（ｎ＋１）は、選択信号線（ＳＥ＿（ｎ＋１））である。ノード１４＿（ｎ＋１）は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）ノードである。信号線１６＿（ｎ＋１）は、フォトセンサ出力信号線（ＯＵＴ＿（ｎ＋１））である。信号線１５は、フォトセンサ基準信号線であり、フォトセンサ７００＿ｎ及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）で共有することも可能である。
図６に示すようにフォトセンサ７００＿ｎにおいて、フォトダイオード７０２＿ｎの陽極は信号線１１＿ｎと電気的に接続され、フォトダイオード７０２＿ｎの陰極は、トランジスタ７０３＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ７０３＿ｎのソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ７０４＿ｎのゲート電極と、ノード１４＿ｎとは、電気的に接続されている。トランジスタ７０４＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１５とは、電気的に接続されている。トランジスタ７０５＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１６＿ｎとは、電気的に接続されている。トランジスタ７０４＿ｎのソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ７０５＿ｎのソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ７０３＿ｎのゲート電極と信号線１２＿ｎとは電気的に接続され、トランジスタ７０５＿ｎのゲート電極と信号線１３＿ｎとは電気的に接続されている。
また同様にして、図６に示すようにフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）において、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）の陽極は信号線１１＿（ｎ＋１）と電気的に接続され、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）の陰極は、トランジスタ７０３＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ７０３＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ７０４＿（ｎ＋１）のゲート電極と、ノード１４＿（ｎ＋１）とは、電気的に接続されている。トランジスタ７０４＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１５とは、電気的に接続されている。トランジスタ７０５＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１６＿（ｎ＋１）とは、電気的に接続されている。トランジスタ７０４＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ７０５＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ７０３＿（ｎ＋１）のゲート電極と信号線１２＿（ｎ＋１）とは電気的に接続され、トランジスタ７０５＿（ｎ＋１）のゲート電極と信号線１３＿（ｎ＋１）とは電気的に接続されている。
なお、図６では、フォトダイオード７０２＿ｎの陽極が信号線１１＿ｎと電気的に接続され、フォトダイオード７０２＿ｎの陰極がトランジスタ７０３＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード７０２＿ｎの陰極が信号線１１＿ｎと電気的に接続され、フォトダイオード７０２＿ｎの陽極がトランジスタ７０３＿ｎのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。
同様に、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）の陽極が信号線１１＿（ｎ＋１）と電気的に接続され、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）の陰極がトランジスタ７０３＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）の陰極が信号線１１＿（ｎ＋１）と電気的に接続され、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）の陽極がトランジスタ７０３＿（ｎ＋１）のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。
フォトダイオード７０２は、光が照射されると電流が発生する光電変換素子である。従って、被検出物から反射された光を検出することで、当該フォトダイオード７０２には、光電流が流れる。
トランジスタ７０３は、撮像時間を制御するトランジスタとして機能する。開示する発明の一態様において、信号線１１の電位を、”Ｌ”から”Ｈ”に切り替え、トランジスタ７０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を、”Ｌ”から”Ｈ”に切り替えると、ノード１４に正の電荷が蓄積されていく。トランジスタ７０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を”Ｈ”に維持したまま、信号線１１の電位を、”Ｈ”から”Ｌ”に切り替えると、撮像開始となり、フォトダイオード７０２に照射される光に応じて、ノード１４に負の電荷が蓄積されていく。このようにトランジスタ７０３は、該ゲート電極の電位を、”Ｈ”又は”Ｌ”にすることで、ノード１４に蓄積される電荷の量を変化させることができる。また、撮像終了は、トランジスタ７０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を”Ｈ”から”Ｌ”に切り替える時である。
３次元撮像において、信号線１１＿ｎ（ＰＲ＿ｎ）及び信号線１２＿ｎ（ＴＸ＿ｎ）の電位を制御する。また、信号線１１＿（ｎ＋１）（ＰＲ＿（ｎ＋１））及び信号線１２＿（ｎ＋１）（ＴＸ＿（ｎ＋１））の電位を制御する。
具体的には、第１の撮像では、照射開始と同時に第１の撮像開始とし、照射終了と同時に第１の撮像終了とするように、信号線１１＿ｎ（ＰＲ＿ｎ）及び信号線１２＿ｎ（ＴＸ＿ｎ）の電位を制御する。また、第２の撮像では、照射終了と同時に第２の撮像開始とし、第１の撮像と同時間の撮像後に第２の撮像終了とするように、信号線１１＿（ｎ＋１）（ＰＲ＿（ｎ＋１））及び信号線１２＿（ｎ＋１）（ＴＸ＿（ｎ＋１））の電位を制御する。
トランジスタ７０４は、ノード１４に蓄積された電荷を増幅するトランジスタとして機能する。トランジスタ７０５は、フォトセンサの出力を制御するトランジスタとして機能する。トランジスタ７０５のゲート電極に入力される信号（信号線１３の電位）が”Ｌ”から”Ｈ”に切り替わる時、信号が読み出される。
上述のように、フォトセンサ７００＿ｎ及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）は、フォトダイオード１個とトランジスタ３個という４素子で構成される。フォトセンサを少ない素子数で構成することが可能であるため、フォトセンサを高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。
トランジスタ７０３、トランジスタ７０４、及びトランジスタ７０５は、それぞれ、先の実施の形態で説明したトランジスタ４０３、トランジスタ４０４、及びトランジスタ４０５と同様の機能を有する。したがって、用いることが好ましい半導体層についても、先の実施の形態を参照できる。
上述のように、フォトセンサは、フォトダイオード１個とトランジスタ３個という４素子で構成される。フォトセンサを少ない素子数で構成することが可能であるため、フォトセンサを高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。
また、中小型で高速動作を特に重視するフォトセンサを得る場合には、トランジスタ７０３、トランジスタ７０４、トランジスタ７０５の全てのトランジスタを多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料で構成することもできる。
また、低コスト化を重視する場合には、トランジスタ７０３、トランジスタ７０４、トランジスタ７０５の全てのトランジスタを酸化物半導体材料で構成することもできる。
また、低コスト化、且つ大型化を重視する場合には、トランジスタ７０３、トランジスタ７０４、トランジスタ７０５の全てのトランジスタをアモルファスシリコンや微結晶シリコンで構成することもできる。
フォトセンサを隣接して設ける（例えば、フォトセンサ７００＿ｎ及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１））ことで、実質的に被検出物の同一点からの反射光を隣接する２つのフォトセンサで検出することができる。光照射終了時より前に反射した光を隣接するフォトセンサの一方で検出し、光照射終了時より後に反射した光をもう一方で検出するため、被検出物が高速に移動しても、位置検出の精度を高めることができる。
１フレーム毎（例えば１２０Ｈｚ毎）に撮像を行った場合と、時間差をおかないで一の照射光により第１の撮像及び第２の撮像を行った場合とで比較すると、検出精度が明らかに異なる。１フレーム毎（例えば１２０Ｈｚ毎）に撮像を行った場合では、例えば、手が右から左へ１０ｃｍ移動すると、約８ｍｍのずれ（約指半分）が生じるが、上述の方法で撮像を行った場合では、このようなずれが生じないため、歪まずに撮像することができる。この他にも、手が例えば秒速０．１ｍ〜秒速１０ｍの範囲で移動した場合や、ボールが高速で投げられた場合、又、動物等が意図せぬ動きをした場合であっても、検出精度の高い撮像を行うことが可能である。
次に、フォトセンサ７００＿ｎ及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）を有する撮像装置の具体的な駆動方法の一例について図７及び図８に示すタイミングチャートを用いながら説明する。当該駆動方法を用いることで、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像により、撮像装置から被検出物までの距離を測定することが可能である。被検出物が移動体であり、さらに移動速度が高速であっても位置検出精度を著しく低下させることがない。
図７では、フォトセンサ７００＿ｎ及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）の動作の一例について説明する。図８では、駆動方法の特徴及びＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による距離測定方法の一例について説明する。
図７は、フォトセンサ７００＿ｎにおける信号線１１＿ｎ、信号線１２＿ｎ、信号線１３＿ｎ、ノード１４＿ｎ、信号線１６＿ｎのタイミングチャート、またフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）における信号線１１＿（ｎ＋１）、信号線１２＿（ｎ＋１）、信号線１３＿（ｎ＋１）、ノード１４＿（ｎ＋１）、信号線１６＿（ｎ＋１）のタイミングチャートである。時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１０までの間に３次元撮像を行う。
なお、図７及び図８に示すタイミングチャートにおいて、パルス６０１及びパルス６０２では、”照射”を”Ｈ”で、”非照射”を”Ｌ”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”Ｈ”で、電位の低い状態を、”Ｌ”で表すものとする。
開示する発明の一態様における３次元撮像において光源から被検出物に対して光照射を、１回行う。また、光照射において、光源と被検出物との距離が変わっても良い。即ち被検出物は移動体でも良く、さらに該移動体は、高速で移動しても良い。
時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３までの時間は、光源から照射された光（照射光）が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光（反射光）が撮像装置に到着するまでの時間を表す。
時刻Ｔ１において、信号線１１＿ｎを”Ｈ”とする。さらに、信号線１２＿ｎを”Ｈ”とする（第１のリセット）。この時、フォトダイオード７０２＿ｎ及びトランジスタ７０３＿ｎが導通し、ノード１４＿ｎが”Ｈ”となる。
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して光の照射を開始する。パルス６０１では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を照射開始時刻とする。また、信号線１１＿ｎを”Ｌ”とし、信号線１２＿ｎを”Ｈ”のまま維持する（第１の撮像開始）。なお、この第１の撮像開始時刻は、照射開始時刻と一致する。
時刻Ｔ３において、光源から発せられた照射光が被検出物で反射し、反射光が撮像装置に入射し始める。パルス６０２では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を反射開始時刻とする。時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ３で反射光の検出を開始することができる。ノード１４＿ｎの電位が”Ｈ”より低下し始める。
時刻Ｔ４において、信号線１２＿ｎを”Ｈ”のまま維持する。ノード１４＿ｎの電位はさらに低下し続ける。また、時刻Ｔ４において、信号線１１＿（ｎ＋１）を”Ｈ”とし、さらに、信号線１２＿（ｎ＋１）を”Ｈ”とする（第２のリセット）。この時、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）及びトランジスタ７０３＿（ｎ＋１）が導通し、ノード１４＿（ｎ＋１）が”Ｈ”となる。
時刻Ｔ５において、光源から被検出物に対する光の照射を終了する。パルス６０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を照射終了時刻とする。また、信号線１２＿ｎを”Ｌ”とする。この時、第１の撮像が終了する。なお、この第１の撮像終了時刻は、照射終了時刻と一致する。また、時刻Ｔ５は、第１の反射光検出終了時刻でもある。
なお、信号線１２＿ｎを”Ｌ”とする際、信号線１２＿ｎとノード１４＿ｎとの間における寄生容量により、ノード１４＿ｎの電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第１の撮像及び第２の撮像において、フォトダイオード７０２＿ｎで、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、トランジスタ７０３＿ｎのゲート電極−ソース電極間容量、又はトランジスタ７０３＿ｎのゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード１４＿ｎに保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係るフォトセンサ７００＿ｎでは、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード１４＿ｎの電位変化は無視できるものとしている。
なお、本発明の一態様に係るフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）の場合も同様の対策を施してある。
このように、照射開始と同時に第１の撮像を開始し、且つ照射終了と同時に第１の撮像を終了するように、信号線１１＿ｎ及び信号線１２＿ｎの電位を制御する。
時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５の間（第１の反射光検出期間）に、フォトダイオード７０２＿ｎに入射する反射光の強度に応じてノード１４＿ｎの電位は変化する。フォトダイオード７０２＿ｎのオフ電流に起因して、ノード１４＿ｎの電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード７０２＿ｎに照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。
ここで、ノード１４の電位変化と、フォトダイオード７０２に照射される光（反射光）の強度及び照射時間との関係について説明する。同一検出期間であれば、反射光強度が大きいほど、ノード１４の電位変化は大きくなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、ノード１４の電位変化は大きくなる。従って、反射光強度が大きく、反射光検出期間が長いほど、フォトダイオード７０２のオフ電流は増大し、ノード１４の電位変化も大きくなる。
なお、ノード１４＿ｎの電位は、時刻Ｔ５以後は一定となる。時刻Ｔ５でのノード１４＿ｎの電位（Ｖ１）は、第１の反射光検出の間にフォトダイオード７０２＿ｎが生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。
また、時刻Ｔ５でのノード１４＿ｎの電位（Ｖ１）に応じて、第１の検出信号が決定する。第１の反射光検出期間が長いほど、ノード１４＿ｎの電位変化は大きいため、時刻Ｔ５でのノード１４＿ｎの電位（Ｖ１）は小さくなる。
時刻Ｔ１〜時刻Ｔ５の間に、フォトダイオード７０２＿ｎに照射される光とは、全て反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。
また、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ７の間に、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）に照射される光もまた、全て反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。
さらに時刻Ｔ５において、信号線１１＿（ｎ＋１）を”Ｌ”とし、信号線１２＿（ｎ＋１）を”Ｈ”のまま維持する（第２の撮像開始）。なお、この第２の撮像開始時刻は、照射終了時刻と一致する。また、時刻Ｔ５は、第２の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ５で反射光の検出を開始することができる。
時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６の間（第２の反射光検出期間）に、第２の反射光検出期間にフォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）に入射する反射光の強度に応じて、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位は変化する。フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）のオフ電流に起因して、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）に照射される反射光の強度及び時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位も変化する。
なお、本実施の形態においては、一例として、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６）は短い場合を示している。そのため、第１の撮像時のノード１４の電位変化に比べて、第２の撮像時のノード１４の電位変化は小さい。
時刻Ｔ６において、被検出物で反射した反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス６０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を反射終了時刻とする。また、時刻Ｔ６は、第２の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線１２＿（ｎ＋１）は”Ｈ”のまま維持する。
なお、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位は、時刻Ｔ６以後は一定となる。時刻Ｔ６でのノード１４＿（ｎ＋１）の電位（Ｖ２）は、第２の反射光検出の間にフォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）が、生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。
また、時刻Ｔ６でのノード１４＿（ｎ＋１）の電位（Ｖ２）に応じて、第２の検出信号が決定する。第２の反射光検出期間が短いほど、ノード１４＿（ｎ＋１）の電位変化は小さいため、時刻Ｔ６でのノード１４＿（ｎ＋１）の電位（Ｖ２）は大きくなる。
時刻Ｔ７において、信号線１２＿（ｎ＋１）を”Ｌ”とする。この時、第２の撮像が終了する。
このように、照射終了と同時に第２の撮像を開始し、且つ第１の撮像と同時間の撮像後に第２の撮像を終了するように、信号線１１＿（ｎ＋１）及び信号線１２＿（ｎ＋１）の電位を制御する。
時刻Ｔ８において、信号線１３＿ｎを”Ｈ”とする（第１の読み出し開始）。この時、トランジスタ７０５＿ｎが導通する。また、信号線１５及び信号線１６＿ｎが、トランジスタ７０４＿ｎ、トランジスタ７０５＿ｎを介して、導通する。すると、信号線１６＿ｎの電位は低下していく。なお、時刻Ｔ８以前に、信号線１６＿ｎには、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
信号線１６＿ｎにプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。該読み出し回路は、図１３に示す読み出し回路４０１のように、１個のＰｃｈトランジスタ４０６で構成することも可能である。
時刻Ｔ９において、信号線１３＿ｎを”Ｌ”とする（第１の読み出し終了）。すると、トランジスタ７０５＿ｎが遮断され、信号線１６＿ｎの電位は、一定となる。時刻Ｔ９での信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）は、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９での、信号線１６＿ｎの電位変化の速度に依存する。
なお、信号線１６＿ｎの電位変化の速度は、トランジスタ７０４＿ｎのソース電極−ドレイン電極間の電流に依存する。即ち第１の撮像においてフォトダイオード７０２＿ｎに照射される光（反射光）の強度及び照射時間に依存する。同一照射時間であれば、反射光強度が大きいほど、信号線１６＿ｎの電位変化の速度は遅くなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、信号線１６＿ｎの電位変化の速度は遅くなる。信号線１６＿ｎの電位変化の速度が遅いほど、時刻Ｔ９での信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）は大きくなる。
従って、第１の反射光検出により、時刻Ｔ９における信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）を取得することで、第１の撮像期間にフォトダイオード７０２＿ｎに入射した光（反射光）の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ１を得ることができる。ここで、照射する光の強度を一定とし、フォトダイオード７０２＿ｎには、第１の反射光のみ入射したとすると、信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例する。
ノード１４の電位と、信号線１６の電位の関係について説明する。フォトダイオード７０２に照射される光（反射光）の強度が大きいと、一定期間内でのノード１４の電位変化は大きくなる。この時、トランジスタ７０４のチャネル抵抗が高くなるため、信号線１６の電位変化の速度は遅くなる。従って、一定期間内での信号線１６の電位変化は小さくなる。
さらに時刻Ｔ９において、信号線１３＿（ｎ＋１）を”Ｈ”とする（第２の読み出し開始）。この時、トランジスタ７０５＿（ｎ＋１）が導通する。また、信号線１５及び信号線１６＿（ｎ＋１）が、トランジスタ７０４＿（ｎ＋１）、トランジスタ７０５＿（ｎ＋１）を介して、導通する。すると、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位は低下していく。なお、時刻Ｔ９以前に、信号線１６＿（ｎ＋１）には、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
時刻Ｔ１０において、信号線１３＿（ｎ＋１）を”Ｌ”とする（第２の読み出し終了）。すると、トランジスタ７０５＿（ｎ＋１）が遮断され、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位は、一定となる。時刻Ｔ１０での信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１０での、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位変化の速度に依存する。
光の強度が同一であれば、反射光検出期間が短いほど、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位変化の速度は速くなる。信号線１６＿（ｎ＋１）の電位変化の速度が速いほど、時刻Ｔ１０での信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は小さくなる。
従って、第２の反射光検出により、時刻Ｔ１０における信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）を取得することで、第２の撮像期間にフォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）に入射した光（反射光）の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ２を得ることができる。ここで、照射する光の強度を一定とし、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）には、第２の反射光のみ入射したとすると、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
なお、本実施の形態においては、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６）は短いため、時刻Ｔ１０における信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ９における信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）に比べて小さい。
時刻Ｔ１０において、第１の撮像により検出信号Ｓ１を、第２の撮像により検出信号Ｓ２を得ることができるため、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像が可能になる。
また、上述のように第１の反射光検出期間は、照射時の、被検出物からの反射光を検出する期間であり、第２の反射光検出期間は、照射終了時以後の、被検出物からの反射光を検出する期間である。即ち、実質的に被検出物の同一点からの反射光を、隣接するフォトセンサを利用することで、連続して検出することが可能になる。
図８は、フォトセンサ７００＿ｎ、フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）における、パルス６０１、パルス６０２、信号線１２＿ｎのパルス、信号線１２＿（ｎ＋１）のパルスである。まず、図８を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。反射光の検出を、第１の反射光検出期間と、第２の反射光検出期間の２回に分離する。隣接するフォトセンサ７００＿ｎ、フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）を利用して、第１の撮像と第２の撮像とが連続して行われるように、信号線１１＿ｎ、信号線１２＿ｎ、信号線１１＿（ｎ＋１）、信号線１２＿（ｎ＋１）の電位を制御し、撮像時間のタイミングを工夫する点が、開示する発明の一態様における駆動方法の主な特徴である。
図８に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、反射光検出期間のように、各期間に分けて説明する。
パルス６０１に示すように、時刻Ｔ２は、照射開始時刻、時刻Ｔ５は、照射終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ５は、照射期間である。パルス６０２に示すように、時刻Ｔ３は、反射開始時刻、時刻Ｔ６は、反射終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ６は、反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。
信号線１２＿ｎのパルス（ＴＸ＿ｎ）に示すように、時刻Ｔ２は、第１の撮像開始時刻、時刻Ｔ５は、第１の撮像終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ５は、第１の撮像期間である。また、時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ５は、第１の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５は、第１の反射光検出期間である。
第１の撮像は、少なくとも反射期間以前に開始されなければならない。また、第１の撮像は、照射期間終了と同時に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１＿ｎ及び信号線１２＿ｎの電位を制御する。
さらに、信号線１２＿（ｎ＋１）のパルス（ＴＸ＿（ｎ＋１））に示すように、時刻Ｔ５は、第２の撮像開始時刻、時刻Ｔ７は、第２の撮像終了時刻、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ７は、第２の撮像期間である。また、時刻Ｔ５は、第２の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ６は、第２の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６は、第２の反射光検出期間である。
第２の撮像は、照射期間終了と同時に開始されなければならない。また、第２の撮像は、少なくとも反射期間以後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１＿（ｎ＋１）及び信号線１２＿（ｎ＋１）の電位を制御する。
即ち、反射期間にフォトセンサ７００＿ｎ及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）に照射される反射光の検出期間を、２回に分離し、フォトセンサ７００＿ｎによって、第１の撮像期間内の第１の反射光を検出し、フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）によって、第２の撮像期間内の第２の反射光を検出することで、時間的に連続して撮像を行うことが可能になる。
なお、第１の反射光検出期間は、第１の撮像期間内に行われる。また、第２の反射光検出期間は、第２の撮像期間内に行われる。そして、第１の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存する第１の検出信号Ｓ１を取得し、第２の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存する第２の検出信号Ｓ２を取得することで、撮像装置から被検出物までの距離を測定することができる。
次に、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による距離測定方法の一例について説明する。第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２を用いて、撮像装置から被検出物までの距離測定方法の一例について計算式を用いて示す。
ここで、光源から被検出物に対する照射光の強度を一定とし、第１の撮像期間及び第２の撮像期間には、フォトダイオード７０２＿ｎ、フォトダイオード７０２＿（ｎ＋１）の各々に第１の反射光及び第２の反射光のみ入射したとすると、信号線１６＿ｎの電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例し、信号線１６＿（ｎ＋１）の電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
即ち、第１の撮像により得られる第１の検出信号Ｓ１は、第１の反射光検出期間に概ね依存し、第２の撮像により得られる第２の検出信号Ｓ２は、第２の反射光検出期間に概ね依存する。
第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２は比例定数α、照射期間Ｔ、遅延時間Δｔを用いてそれぞれ数式（２）（３）で表すことができる。
数式（２）（３）より、比例定数αを消去すると、数式（４）に示すように、遅延時間Δｔが得られる。
さらに、前述の、光源から被検出物までの距離ｘの式（ｘ＝（ｃ×Δｔ）／２）と、数式（４）を利用すると、撮像装置から被検出物までの距離ｘは、数式（１）で表すことができる。
これより、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２が得られれば、撮像装置から、被検出物までの距離ｘを得ることができる。
また、光源から光の照射を行わない期間に、フォトセンサ７００＿ｎやフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）によって第３の撮像を行ってもよい。この場合、第３の撮像により第３の検出信号Ｓ３が得られる。第１の検出信号Ｓ１から第３の検出信号Ｓ３を差し引き、さらに、第２の検出信号Ｓ２から第３の検出信号Ｓ３を差し引き、これらを改めて上記数式（１）における検出信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２とすることで、自然光の影響を取り除くことができる。
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した撮像装置において駆動方法を工夫することで、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を実現でき、距離測定装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、ＴＯＦ方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、画素の微細化に有利な撮像装置の実現が可能になる。
また、光源から被検出物に対する照射終了時より前に反射した光を隣接するフォトセンサの一方で検出し、照射終了時より後に反射した光をもう一方で検出するため、被検出物が高速に移動しても、位置検出精度を低下させることなく、光源から被検出物（移動体）までの距離を測定することが可能になる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、２次元撮像とＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を一度に行うことが可能な撮像装置の駆動方法の一例について図９乃至図１３を用いて説明する。なお、撮像装置が有するフォトセンサは、可視光を吸収する第１のフォトセンサと、赤外光を吸収する第２のフォトセンサとが重畳する構成を成す。
３次元撮像では、第１の赤外光照射及び第２の赤外光照射（同一の長さでタイミングが異なる）に対応させて、第１の撮像及び第２の撮像を行い、第１の赤外光照射による第１の反射光を検出する第１の赤外反射光検出から、光の遅延時間に依存した第１の検出信号を取得し、第２の赤外光照射による第２の反射光を検出する第２の赤外反射光検出から、光の遅延時間に依存した第２の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する。２次元撮像では、第３の撮像を行い、第３の検出信号を取得することで、被検出物の明るさ、色彩等を取得する。
本明細書で開示する発明の一態様における撮像装置が有するフォトセンサの構成について、図９及び図１０を参照して説明する。フォトセンサ８００は、第１のフォトセンサ８００Ａ及び第２のフォトセンサ８００Ｂを有する。
図９に示すように、第１のフォトセンサ８００Ａ及び第２のフォトセンサ８００Ｂが、同一の構成を成す例について説明する。第１のフォトセンサ８００Ａは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。また、第２のフォトセンサ８００Ｂは３個のトランジスタ及び１個のフォトダイオードから構成されている。図９（Ａ）に示すように、第１のフォトセンサ８００Ａは、第１のフォトダイオード８０２Ａ、第１のトランジスタ８０４Ａ、第２のトランジスタ８０５Ａ、第３のトランジスタ８０３Ａを有する。同様に、図９（Ｂ）に示すように、第２のフォトセンサ８００Ｂは、第２のフォトダイオード８０２Ｂ、第１のトランジスタ８０４Ｂ、第２のトランジスタ８０５Ｂ、第３のトランジスタ８０３Ｂを有する。
図１０（Ａ）は、撮像装置が有するフォトセンサ８００の構成を示す回路図の一例である。図１０（Ａ）に示すように、第１のフォトセンサ８００Ａ及び第２のフォトセンサ８００Ｂは隣接している。具体的には図１０（Ｂ）に示すように、第１のフォトダイオード８０２Ａ及び第２のフォトダイオード８０２Ｂは、重畳し、且つ第１のフォトダイオード８０２Ａは、第２のフォトダイオード８０２Ｂに対して、フォトセンサ８００に照射する光（可視光及び赤外光を含む）が先に入射する位置に配置されている。
なお、本明細書においてフォトセンサ８００に照射する光は、反射光であるとする。本明細書における、第１のフォトダイオード８０２Ａに照射する光とは、光源からの光と自然光の一方又は両方が被検出物に対して照射されて、該被検出物から反射される光を意味する（可視光）。また、第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射する光とは、光源から被検出物に対して光が照射されて、該被検出物から反射される光を意味する（赤外光）。
第１のフォトセンサ８００Ａ、第２のフォトセンサ８００Ｂを重畳して設けることで、各センサを配置する際、面積を共有することができるため、撮像装置に占めるフォトセンサの専有面積を低減することができる。従って画素の微細化を図ることができる。
また、第１のフォトダイオード８０２Ａの半導体層は、主に可視光を吸収し、大部分の赤外光を透過する特性を有する。例えば、第１のフォトダイオード８０２Ａの半導体層として、非晶質シリコン等を用いることができる。
また、第２のフォトダイオード８０２Ｂの半導体層は、赤外光を吸収する特性を有する。例えば、第２のフォトダイオード８０２Ｂの半導体層として、多結晶シリコン、微結晶シリコン、単結晶シリコン等を用いることができる。
従って、可視光を第２のフォトダイオード８０２Ｂに対して、第１のフォトダイオード８０２Ａで先に吸収することで第２のフォトダイオード８０２Ｂに入射する可視光を低減することができる。
即ち第１のフォトセンサ８００Ａでは可視光を利用し、第２のフォトセンサ８００Ｂでは赤外光を利用する。
図９（Ａ）及び図１０（Ａ）において、信号線１１Ａは、リセット信号線（ＰＲ＿２）である。信号線１２Ａは、電荷蓄積信号線（ＴＸ＿２）である。信号線１３Ａは、選択信号線（ＳＥ＿２）である。ノード１４Ａは、フローティングディフュージョン（ＦＤ）ノード（ＦＤ＿２）である。信号線１６Ａは、フォトセンサ出力信号線である。図９（Ｂ）及び図１０（Ａ）において、信号線１１Ｂは、リセット信号線（ＰＲ＿３）である。信号線１２Ｂは、電荷蓄積信号線（ＴＸ＿３）である。信号線１３Ｂは、選択信号線（ＳＥ＿３）である。ノード１４Ｂは、フローティングディフュージョン（ＦＤ）ノード（ＦＤ＿３）である。信号線１６Ｂは、フォトセンサ出力信号線である。信号線１５は、フォトセンサ基準信号線であり、第１のフォトセンサ８００Ａ及び第２のフォトセンサ８００Ｂで共有することも可能である。
図１０（Ａ）に示すようにフォトセンサ８００において、フォトダイオード８０２の陽極は信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード８０２の陰極は、第３のトランジスタ８０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。第３のトランジスタ８０３のソース電極又はドレイン電極の他方と、第１のトランジスタ８０４のゲート電極と、ノード１４とは、電気的に接続されている。第１のトランジスタ８０４のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１５とは、電気的に接続されている。第２のトランジスタ８０５のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１６とは、電気的に接続されている。第１のトランジスタ８０４のソース電極又はドレイン電極の他方と、第２のトランジスタ８０５のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。第３のトランジスタ８０３のゲート電極と信号線１２とは電気的に接続され、第２のトランジスタ８０５のゲート電極と信号線１３とは電気的に接続されている。
なお、図９及び図１０（Ａ）では、フォトダイオード８０２の陽極が信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード８０２の陰極が第３のトランジスタ８０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード８０２の陰極が信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード８０２の陽極が第３のトランジスタ８０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。
フォトダイオード８０２は、光が照射されると電流が発生する光電変換素子である。従って、被検出物から反射された光を検出することで、当該フォトダイオード８０２には、光電流が流れる。
第３のトランジスタ８０３は、撮像時間を制御するトランジスタとして機能する。開示する発明の一態様において、信号線１１の電位を、”Ｌ（Ｌｏｗ）”から”Ｈ（Ｈｉｇｈ）”に切り替え、第３のトランジスタ８０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を、”Ｌ”から”Ｈ”に切り替えると、ノード１４に正の電荷が蓄積されていく。第３のトランジスタ８０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を”Ｈ”に維持したまま、信号線１１の電位を、”Ｈ”から”Ｌ”に切り替えると、撮像開始となり、フォトダイオード８０２に照射される光に応じて、ノード１４に負の電荷が蓄積されていく。このように第３のトランジスタ８０３は、該ゲート電極の電位を、”Ｈ”又は”Ｌ”にすることで、ノード１４に蓄積される電荷の量を変化させることができる。また、撮像終了は、第３のトランジスタ８０３のゲート電極の電位（信号線１２の電位）を”Ｈ”から”Ｌ”に切り替える時である。
３次元撮像では、信号線１１Ｂ（ＰＲ＿３）及び信号線１２Ｂ（ＴＸ＿３）の電位を制御する。具体的には、第１の撮像では、第１の照射開始と同時に第１の撮像開始とし、第１の照射終了と同時に第１の撮像終了とするように、信号線１１Ｂ及び信号線１２Ｂの電位を制御する。また、第２の撮像では、第２の照射終了と同時に第２の撮像開始とし、第１の撮像と同時間の撮像後に第２の撮像終了とするように、信号線１１Ｂ及び信号線１２Ｂの電位を制御する。
２次元撮像では、信号線１１Ａ（ＰＲ＿２）及び信号線１２Ａ（ＴＸ＿２）の電位を制御する。具体的には、第３の撮像では、第１の撮像開始と同時に第３の撮像開始とし、第２の撮像終了後に第３の撮像終了とするように、信号線１１Ａ及び信号線１２Ａの電位を制御する。
第１のトランジスタ８０４は、ノード１４に蓄積された電荷を増幅するトランジスタとして機能する。第２のトランジスタ８０５は、フォトセンサの出力を制御するトランジスタとして機能する。第２のトランジスタ８０５のゲート電極に入力される信号（信号線１３の電位）が”Ｌ”から”Ｈ”に切り替わる時、信号が読み出される。
第３のトランジスタ８０３、第１のトランジスタ８０４、及び第２のトランジスタ８０５は、それぞれ、先の実施の形態で説明したトランジスタ４０３、トランジスタ４０４、及びトランジスタ４０５と同様の機能を有する。したがって、用いることが好ましい半導体層についても、先の実施の形態を参照できる。
フォトセンサ８００を有する撮像装置の駆動方法について説明する。当該駆動方法を用いることで、２次元撮像とＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を一度に行うことが可能である。また、第１のフォトセンサ８００Ａ及び第２のフォトセンサ８００Ｂを重畳しているため、画素の微細化を達成しつつ、可視光を吸収する第１のフォトセンサ８００Ａを用いた２次元撮像と、赤外光を吸収する第２のフォトセンサ８００Ｂを用いた３次元撮像を行うことができる。
具体的な駆動方法について、図１１及び図１２に示すタイミングチャートを用いながら説明する。まず、図１１では、フォトセンサ８００の動作について説明する。図１２では、駆動方法の特徴及び２次元撮像とＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を一度に行う方法について説明する。
図１１は、フォトセンサ８００のタイミングチャートである。時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１８までの間に、２次元撮像及び３次元撮像を行う。
なお、図１１及び図１２に示すタイミングチャートにおいて、パルス９０１及びパルス９０２では、”照射”を”Ｈ”で、”非照射”を”Ｌ”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”Ｈ”で、電位の低い状態を、”Ｌ”で表すものとする。
なお、３次元撮像において光源から被検出物に対して２回の照射（第１の照射及び第２の照射）を行う。なお、第２の照射は、第１の照射とタイミングが異なり、且つ同一時間行われるものとする。また、第１の照射及び第２の照射において、光源と被検出物との距離が変わらないものとし、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３までの時間（遅延時間）及び時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９までの時間（遅延時間）が等しいことは自明である。
時刻Ｔ１において、信号線１１Ｂを”Ｈ”とする。さらに、信号線１２Ｂを”Ｈ”とする（３次元撮像における第１のリセット）。この時、第２のフォトダイオード８０２Ｂ及び第３のトランジスタ８０３Ｂが導通し、ノード１４Ｂが”Ｈ”となる。
同様に信号線１１Ａを”Ｈ”とする。さらに、信号線１２Ａを”Ｈ”とする（２次元撮像における第１のリセット）。この時、第１のフォトダイオード８０２Ａ及び第３のトランジスタ８０３Ａが導通し、ノード１４Ａが”Ｈ”となる。
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して第１の光の照射を開始する。パルス９０１では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第１の照射開始時刻とする。また、信号線１１Ｂを”Ｌ”とし、信号線１２Ｂを”Ｈ”のまま維持する（第１の撮像開始）。なお、この第１の撮像開始時刻は、第１の照射開始時刻と一致する。
同様に、信号線１１Ａを”Ｌ”とし、信号線１２Ａを”Ｈ”のまま維持する（第３の撮像開始）。当該構成によれば、可視光を吸収する第１のフォトダイオード８０２Ａと赤外光を吸収する第２のフォトダイオード８０２Ｂとを重畳して構成しているため、第１の撮像及び第３の撮像を同時に開始することが可能である。
時刻Ｔ３において、光源から発せされた第１の照射光が被検出物で反射し、第１の反射光（赤外光）が撮像装置に入射し始める。パルス９０２では、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第１の反射開始時刻とする。時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ３で反射光の検出を開始することができる。また、信号線１２Ａを”Ｈ”のまま維持する。
時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４の間（第１の反射光検出期間）に、第１の反射光の強度に応じてノード１４Ｂの電位は変化する。第２のフォトダイオード８０２Ｂのオフ電流に起因して、ノード１４Ｂの電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。
同様にノード１４Ａの電位が”Ｈ”より低下し始める。
ここで、ノード１４の電位変化と、フォトダイオード８０２に照射される反射光の強度及び照射時間との関係について説明する。同一検出期間であれば、反射光強度が大きいほど、ノード１４の電位変化は大きくなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、ノード１４の電位変化は大きくなる。従って、反射光強度が大きく、反射光検出期間が長いほど、フォトダイオード８０２のオフ電流は増大し、ノード１４の電位変化も大きくなる。
時刻Ｔ４において、光源から被検出物に対する第１の光の照射を終了する。パルス９０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第１の照射終了時刻とする。また、信号線１２Ｂを”Ｌ”とする。この時、第１の撮像が終了する。なお、この第１の撮像終了時刻は、第１の照射終了時刻と一致する。また、時刻Ｔ４は、第１の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線１２Ａは”Ｈ”のまま維持する。
このように、第１の照射開始と同時に第１の撮像を開始し、且つ第１の照射終了と同時に第１の撮像を終了するように、信号線１１Ｂ及び信号線１２Ｂの電位を制御する。
なお、ノード１４Ｂの電位は、時刻Ｔ４以後は一定となる。時刻Ｔ４でのノード１４Ｂの電位（Ｖ１）は、第１の反射光検出の間にフォトダイオード８０２が生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。一方、ノード１４Ａの電位は低下し続ける。
また、時刻Ｔ４でのノード１４Ｂの電位（Ｖ１）に応じて、第１の検出信号が決定する。第１の反射光検出期間が長いほど、ノード１４Ｂの電位変化は大きいため、時刻Ｔ４でのノード１４Ｂの電位（Ｖ１）は小さくなる。
時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４の間に、第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射される光とは、全て第１の反射による反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、赤外光である。
また、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１６の間に、第１のフォトダイオード８０２Ａに照射される光も、全て反射光を指すものとする。即ち光源からの光と自然光の一方又は両方が被検出物に対して照射され、該被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、可視光である。
時刻Ｔ５において、被検出物で反射した第１の反射による反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス９０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第１の反射終了時刻とする。一方、信号線１２Ａは”Ｈ”のまま維持する。
なお、信号線１２Ｂを”Ｌ”とする際、信号線１２Ｂとノード１４Ｂとの間における寄生容量により、ノード１４Ｂの電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第１の撮像及び第２の撮像において、第２のフォトダイオード８０２Ｂで、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、第３のトランジスタ８０３Ｂのゲート電極−ソース電極間容量、又は第３のトランジスタ８０３Ｂのゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード１４Ｂに保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係る第２のフォトセンサ８００Ｂでは、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード１４Ｂの電位変化は無視できるものとしている。
なお、本発明の一態様に係る第１のフォトセンサ８００Ａの場合も同様の対策を施してある。
時刻Ｔ６において、信号線１３Ｂを”Ｈ”とする（第１の読み出し開始）。この時、第２のトランジスタ８０５Ｂが導通する。また、信号線１５及び信号線１６Ｂが、第１のトランジスタ８０４Ｂ、第２のトランジスタ８０５Ｂを介して、導通する。すると、信号線１６Ｂの電位は低下していく。なお、時刻Ｔ６以前に、信号線１６Ｂには、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
信号線１６にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。該読み出し回路は、図１３に示す読み出し回路４０１のように、１個のＰｃｈトランジスタ４０６で構成することも可能である。
時刻Ｔ７において、信号線１３Ｂを”Ｌ”とする（第１の読み出し終了）。すると、第２のトランジスタ８０５Ｂが遮断され、信号線１６Ｂの電位は、一定となる。時刻Ｔ７での信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）は、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ７での、信号線１６Ｂの電位変化の速度に依存する。
信号線１６の電位変化の速度は、第１のトランジスタ８０４のソース電極−ドレイン電極間の電流に依存する。即ち第１の撮像においては、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４での第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射される反射光（赤外光）の強度及び照射時間に依存する。第２の撮像においては、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２での第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射される反射光（赤外光）の強度及び照射時間に依存する。第３の撮像においては、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ１６での第１のフォトダイオード８０２Ａに照射される反射光（可視光）の強度及び照射時間に依存する。
同一照射時間であれば、反射光強度が大きいほど、信号線１６Ｂの電位変化の速度は遅くなる。また、光の強度が同一であれば、反射光検出期間が長いほど、信号線１６Ｂの電位変化の速度は遅くなる。信号線１６Ｂの電位変化の速度が遅いほど、信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１、ＶＳ２）は大きくなる。
同一照射時間であれば、反射光強度が大きいほど、信号線１６Ａの電位変化の速度は遅くなる。また、光の強度が同一であれば、反射光検出期間が長いほど、信号線１６Ａの電位変化の速度は遅くなる。信号線１６Ａの電位変化の速度が遅いほど、信号線１６Ａの電位（ＶＳ３）は大きくなる。
ノード１４の電位と、信号線１６の電位の関係について説明する。フォトダイオード８０２に照射される光の強度が大きいと、一定期間内でのノード１４の電位変化は大きくなるため、ノード１４の電位の値は低くなる。この時、第１のトランジスタ８０４のチャネル抵抗が高くなるため、信号線１６の電位変化の速度は遅くなる。従って、一定期間内での信号線１６の電位変化は小さくなるため、信号線１６の電位の値は高くなる。
第１の反射光検出により、時刻Ｔ７における信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）を取得することで、第１の撮像期間に第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射された反射光の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ１を得ることができる。ここで、第１の照射における光の強度を一定とし、第１の反射による反射光のみ照射されたとすると、信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例する。
時刻Ｔ８において、光源から被検出物に対して第２の光の照射を開始する。パルス９０１は、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第２の照射開始時刻とする。また信号線１２Ａを”Ｈ”のまま維持する。
時刻Ｔ９において、光源から発せされた第２の照射光が被検出物で反射し、第２の反射光が撮像装置に入射し始める。パルス９０２は、”Ｌ”（非照射）から”Ｈ”（照射）になる。該時刻を第２の反射開始時刻とする。
時刻Ｔ１０において、信号線１１Ｂを”Ｈ”とし、さらに、信号線１２Ｂを”Ｈ”とする（３次元撮像における第２のリセット）。この時、第２のフォトダイオード８０２Ｂ及び第３のトランジスタ８０３Ｂが導通し、ノード１４Ｂが”Ｈ”となる。
時刻Ｔ１１において、光源から被検出物に対する第２の光の照射を終了する。パルス９０１では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第２の照射終了時刻とする。信号線１１Ｂを”Ｌ”とし、信号線１２Ｂを”Ｈ”のまま維持する（第２の撮像開始）。なお、この第２の撮像開始時刻は、第２の照射終了時刻と一致する。また、時刻Ｔ１１は、第２の反射光検出開始時刻でもある。時刻Ｔ１１で反射光の検出を開始することができる。また、信号線１２Ａを”Ｈ”のまま維持する。
時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２の間（第２の反射光検出期間）に、第２の反射光の強度に応じて、ノード１４Ｂの電位は変化する。第２のフォトダイオード８０２Ｂのオフ電流に起因して、ノード１４Ｂの電位が”Ｈ”より低下し始める。オフ電流は、第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード１４Ｂの電位も変化する。
なお、本実施の形態においては、一例として、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は短い場合を示している。そのため、第１の撮像時のノード１４の電位変化に比べて、第２の撮像時のノード１４の電位変化は小さい。
時刻Ｔ１２において、被検出物で反射した第２の反射による反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス９０２では、”Ｈ”（照射）から”Ｌ”（非照射）になる。該時刻を第２の反射終了時刻とする。また、時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線１２Ａは”Ｈ”のまま維持する。
なお、ノード１４Ｂの電位は、時刻Ｔ１２以後は一定となる。時刻Ｔ１２でのノード１４Ｂの電位（Ｖ２）は、第２の反射光検出の間に第２のフォトダイオード８０２Ｂが、生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。一方、ノード１４Ａの電位は低下し続ける。
また、時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）に応じて、第２の検出信号が決定する。第２の反射光検出期間が短いほど、ノード１４の電位変化は小さいため、時刻Ｔ１２でのノード１４の電位（Ｖ２）は大きくなる。
時刻Ｔ１３において、信号線１２Ｂを”Ｌ”とする。この時、第２の撮像が終了する。
このように、第２の照射終了と同時に第２の撮像開始とし、第１の撮像と同時間の撮像後に第２の撮像を終了するように、信号線１１Ｂ及び信号線１２Ｂの電位を制御する。
なお、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１３の間に、第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射される光とは、全て第２の反射による反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、赤外光である。
時刻Ｔ１４において、信号線１３Ｂを”Ｈ”とする（第２の読み出し開始）。この時、第２のトランジスタ８０５Ｂが導通する。また、信号線１５及び信号線１６Ｂが、第１のトランジスタ８０４Ｂ、第２のトランジスタ８０５Ｂを介して、導通する。すると、信号線１６Ｂの電位は低下していく。なお、時刻Ｔ１４以前に、信号線１６Ｂには、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
時刻Ｔ１５において、信号線１３Ｂを”Ｌ”とする（第２の読み出し終了）。すると、第２のトランジスタ８０５Ｂが遮断され、信号線１６Ｂの電位は、一定となる。時刻Ｔ１５での信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１５での、信号線１６Ｂの電位変化の速度に依存する。
従って、第２の反射光検出により、時刻Ｔ１５における信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）を取得することで、第２の撮像期間に第２のフォトダイオード８０２Ｂに照射された反射光の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ２を得ることができる。ここで、第２の照射における光の強度を一定とし、第２の反射による反射光のみ照射されたとすると、信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
なお、本実施の形態においては、第１の反射光検出期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４）に比べて、第２の反射光検出期間（時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２）は短いため、時刻Ｔ１５における信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）は、時刻Ｔ７における信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）に比べて小さい。
時刻Ｔ１５において、第１の撮像により検出信号Ｓ１を、第２の撮像により検出信号Ｓ２を得ることができるため、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像が可能になる。
時刻Ｔ１６において、信号線１２Ａを”Ｌ”とする。この時、第３の撮像が終了する。
時刻Ｔ１７において、信号線１３Ａを”Ｈ”とする（第３の読み出し開始）。この時、第２のトランジスタ８０５Ａが導通する。また、信号線１５及び信号線１６Ａが、第１のトランジスタ８０４Ａ、第２のトランジスタ８０５Ａを介して、導通する。すると、信号線１６Ａの電位は低下していく。なお、時刻Ｔ１７以前に、信号線１６Ａには、予めプリチャージ動作を施し、”Ｈ”としておく。
時刻Ｔ１８において、信号線１３Ａを”Ｌ”とする（第３の読み出し終了）。すると、第２のトランジスタ８０５Ａが遮断され、信号線１６Ａの電位は、一定となる。時刻Ｔ１８での信号線１６Ａの電位（ＶＳ３）は、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ１６での、信号線１６Ａの電位変化の速度に依存する。
第１のフォトダイオード８０２Ａに照射される反射光（可視光）の検出（第３の反射光検出）により、時刻Ｔ１８における信号線１６Ａの電位（ＶＳ３）を取得することで、第３の撮像期間に第１のフォトダイオード８０２Ａに照射された反射光の量（入射した光の強度の時間積）を検出し、検出信号Ｓ３を得ることができる。ここで、光源からの光と自然光の一方又は両方の強度を一定とすると、信号線１６Ａの電位（ＶＳ３）は、第３の反射光検出期間に概ね比例する。
時刻Ｔ１８において、第３の撮像により検出信号Ｓ３を得ることができるため、２次元撮像を行っている間に、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を行うことが可能になる。
図１２は、フォトセンサ８００における、パルス９０１、パルス９０２、信号線１２Ａのパルス、信号線１２Ｂのパルスである。図１２を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。第１の撮像期間内の第１の反射光検出期間に第３のトランジスタ８０３Ｂのゲート電極の電位を”Ｈ”となるように、且つ第２の撮像期間内の第２の反射光検出期間に第３のトランジスタ８０３Ｂのゲート電極の電位を”Ｈ”となるように、且つ、第１の撮像期間及び第２の撮像期間を包括する期間に、第３のトランジスタ８０３Ａのゲート電極の電位を”Ｈ”となるように制御する。これより、２次元撮像中に３次元撮像を行うことが可能である。
図１２に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、反射光検出期間、のように、各期間に分けて説明する。
パルス９０１に示すように、時刻Ｔ２は、第１の照射開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の照射終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４は、第１の照射期間である。時刻Ｔ８は、第２の照射開始時刻、時刻Ｔ１１は、第２の照射終了時刻、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ１１は、第２の照射期間である。開示する発明の一態様において、第１の照射期間及び第２の照射期間は、必ず等しくする必要がある。
パルス９０２に示すように、時刻Ｔ３は、第１の反射開始時刻、時刻Ｔ５は、第１の反射終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５は、第１の反射期間である。時刻Ｔ９は、第２の反射開始時刻、時刻Ｔ１２は、第２の反射終了時刻、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１２は、第２の反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。
即ち、第１の照射期間及び第２の照射期間は等しく、第１の反射期間及び第２の反射期間は等しい。
信号線１２Ｂのパルス（ＴＸ＿３）に示すように、時刻Ｔ２は、第１の撮像開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の撮像終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４は、第１の撮像期間である。また、時刻Ｔ３は、第１の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ４は、第１の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４は、第１の反射光検出期間である。
第１の撮像は、少なくとも第１の反射期間より前に開始されなければならない。また、第１の撮像は、第１の照射期間終了と同時に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１Ｂ及び信号線１２Ｂの電位を制御する。
さらに、信号線１２Ａのパルス（ＴＸ＿２）に示すように、時刻Ｔ１１は、第２の撮像開始時刻、時刻Ｔ１３は、第２の撮像終了時刻、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１３は、第２の撮像期間である。また、時刻Ｔ１１は、第２の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１２は、第２の反射光検出期間である。
第２の撮像は、第２の照射期間終了と同時に開始されなければならない。また、第２の撮像は、少なくとも第２の反射期間より後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１Ｂ及び信号線１２Ｂの電位を制御する。
即ち、第１の反射期間に対応させて、第１の撮像期間を決定し、第２の反射期間に対応させて、第２の撮像期間を決定することで、反射光検出を２回に分離する。
次に、信号線１２Ａのパルス（ＴＸ＿２）に示すように、時刻Ｔ２は、第３の撮像開始時刻、時刻Ｔ１６は、第３の撮像終了時刻、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ１６は、第３の撮像期間である。また、時刻Ｔ３は、第３の反射光検出開始時刻、時刻Ｔ１６は、第３の反射光検出終了時刻、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ１６は、第３の反射光検出期間である。
第３の撮像は、第１の撮像期間と同時、あるいは少なくとも第１の撮像期間より前に開始されなければならない。また、第３の撮像は、第２の撮像期間と同時、あるいは少なくとも第２の撮像期間より後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線１１Ａ及び信号線１２Ａの電位を制御する。
即ち、第１の撮像期間及び第２の撮像期間を包括するように、第３の撮像期間を決定することで、２次元撮像中に３次元撮像を行うことができる。
なお、開示する発明の一態様において第１の反射光検出期間は、第１の照射期間及び第１の反射期間が重なる期間に等しく、正味の第１の撮像期間となる。また、第２の反射光検出期間は、第２の照射期間後の第２の反射期間に等しく、正味の第２の撮像期間となる。第１の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第１の検出信号を取得し、第２の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第２の検出信号を取得する。これより撮像装置から、被検出物までの距離を測定することができる（３次元撮像）。
また、第３の反射光検出期間は、第１の撮像期間及び第２の撮像期間を包括する。第３の反射光検出から、第３の検出信号を取得することで、被検出物の明るさ、色彩等を取得することができる（２次元撮像）。
次に、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像による距離測定方法について説明する。第１の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存する第１の検出信号Ｓ１及び第２の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存した第２の検出信号Ｓ２を用いて、撮像装置から被検出物までの距離を測定する方法について計算式を用いて示す。
ここで、第１の照射及び第２の照射における光の強度を一定とし、第１の撮像期間及び第２の撮像期間には、第２のフォトダイオード８０２Ｂに各々第１の反射光及び第２の反射光のみ入射したとすると、信号線１６Ｂの電位（ＶＳ１）は、第１の反射光検出期間に概ね比例し、信号線１６Ｂの電位（ＶＳ２）は、第２の反射光検出期間に概ね比例する。
即ち、第１の撮像により得られる第１の検出信号Ｓ１は、第１の反射光検出期間に概ね依存し、第２の撮像により得られる第２の検出信号Ｓ２は、第２の反射光検出期間に概ね依存する。
第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２は比例定数α、照射期間Ｔ、遅延時間Δｔを用いてそれぞれ数式（２）（３）で表すことができる。
数式（２）（３）より、比例定数αを消去すると、数式（４）に示すように、遅延時間Δｔが得られる。
さらに、前述の、光源から被検出物までの距離ｘの式（ｘ＝（ｃ×Δｔ）／２）と、数式（４）を利用すると撮像装置から、被検出物までの距離ｘは、数式（１）で表すことができる。
これより、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２が得られれば、撮像装置から、被検出物までの距離ｘを得ることができる。
また、光源から光の照射を行わない期間に、第２のフォトセンサ８００Ｂによって第４の撮像を行ってもよい。この場合、第４の撮像により第４の検出信号Ｓ４が得られる。第１の検出信号Ｓ１から第４の検出信号Ｓ４を差し引き、さらに、第２の検出信号Ｓ２から第４の検出信号Ｓ４を差し引き、これらを改めて上記数式（１）における、検出信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２とすることで、自然光の影響を取り除くことができる。
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した撮像装置において駆動方法を工夫することで、２次元撮像を行っている間にＴＯＦ方式を適用した３次元撮像を実現でき、２次元情報及び３次元情報を同時に取得する撮像装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、ＴＯＦ方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、画素の微細化に有利な撮像装置の実現が可能になる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、ＴＯＦ方式を適用した撮像装置を有する動作認識装置を、携帯電話機に適用した例について図１４を用いて説明する。
図１４は、表示部に撮像装置を搭載した携帯電話機５０００の概略構成図である。表示部に撮像装置を搭載することで、携帯電話機５０００に占める表示部の面積をより大きくし、より高精度な３次元距離画像及びカラー画像を取得することが可能になる。なお、携帯電話機の表示部以外の場所に撮像装置を搭載することも可能であり、携帯電話機の表示部と、表示部以外の両方の場所に撮像装置を搭載することも可能である。いずれの場合においても、開示する発明の一態様によれば、被検出物に光を照射することにより３次元距離画像及びカラー画像を取得することができる。
図１４において、携帯電話機５０００の表示部は、表示情報を表示する機能の他、被検出物の３次元距離画像及びカラー画像を取得する機能を有する。従って、携帯電話機５０００の外部に、カメラを別に設ける必要がないため、簡易な構成を有することができる。
図１４（Ａ）に示すように携帯電話機５０００は、スピーカー５００１、筐体５００２、筐体５００２に組み込まれた表示部５００３、操作ボタン５００４などによって構成されている。
図１４では一例として、操作者のジェスチャー（例えば、ハンドジェスチャー）による携帯電話機５０００の操作を示す。認識範囲５００５で操作者が、携帯電話機５０００に直接触れることなくジェスチャーを行うことによって、携帯電話機５０００を操作することが可能である。なお、認識範囲５００５は表示部５００３の直上とする。
図１４（Ｂ）に示すように、表示部５００３の認識範囲５００５で、例えば操作者が「右手の人差し指を立てる」いう動作を行う場合、携帯電話機に発信番号１が入力される。
図１４（Ｃ）に示すように、表示部５００３の認識範囲５００５で、例えば操作者が「右手の人差し指と中指を立てる」という動作を行う場合、携帯電話機に発信番号２が入力される。
図１４（Ｄ）に示すように、表示部５００３の認識範囲５００５で、例えば操作者が「右手の人差し指と中指と薬指を立てる」という動作を行う場合、携帯電話機に発信番号３が入力される。
操作者は操作ボタン５００４や、表示部５００３に直接、指等で触れることなく、携帯電話機を操作することができる。即ち操作者はジェスチャーのみで、電話を掛ける、或いはメールを打つ、などのあらゆる操作を行うことができる。
携帯電話機５０００に搭載される第１の記憶部には、特定物体パターンが格納され、第２の記憶部には特定動作パターンが格納されている。特定物体パターンとして、具体的には「右手の人差し指を立てる」、「右手の人差し指と中指を立てる」、「右手の人差し指と中指と薬指を立てる」などが挙げられる。なお、第１の記憶部に格納される特定物体パターン、第２の記憶部に格納される特定動作パターンは、操作者が任意に決定してよい。例えば、「両手を縦横に振る」、「両手を左右に回す」、などという操作者が日常的に用いるジェスチャーを特定動作パターンとして格納することで、操作者は、極めて直感的に携帯電話機５０００を操作することが可能になる。
携帯電話機５０００に搭載される情報処理装置では、上述した特定動作パターンに基づいて、確実に操作が実行されるような処理を、携帯電話機に対して行う。
なお、表示部５００３は透光性を有していても良い。
携帯電話機５０００は操作者の手の状態を選ばない。ハンドジェスチャーを行う操作者の手が汚れている、あるいはハンドジェスチャーを行う操作者が手袋をはめているとしても、携帯電話機５０００の操作に不具合が生じることはない。認識範囲５００５で操作者が、ハンドジェスチャーを行うことにより非接触で手軽に携帯電話機５０００を操作できる。さらに、正確には手である必要もなく、棒を手の代わりに使っても問題なくジェスチャーを認識することができる。
なお、携帯電話機５０００はカラー画像情報を認識することもできる。従って、例えば手袋の色によって、操作を変更させることも可能である。
また、操作者の手が高速に移動しても、携帯電話機５０００は、歪みのない３次元距離画像を撮像し、容易に位置変化情報、形状変化情報を取得することができる。
また、操作者に何らかの不具合が生じている場合であっても、携帯電話機５０００を正常に操作することが可能である。例えば、義指、義肢（義手・義足）、等を用いて携帯電話機５０００を操作することも可能である。
また、操作者が表示部５００３に表示されている表示情報等を認識する能力が無い場合、例えば表示されている文字を理解できない、また表示情報自体を見ることができない（視覚障害者等）であってもジェスチャーに対応させて操作者の意図通りに、携帯電話機を操作することができる。
従って、操作者の体に負担をかけず、且つ操作者の動作を制限することのない携帯電話機を提供することができる。また、操作者は、携帯電話機に直接触れることなく、簡単に操作を行える携帯電話機を提供することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、ＴＯＦ方式を適用した撮像装置を有する動作認識装置を、ＩＨクッキングヒーターに適用した例について図１５を、電子レンジに適用した例について図１６を用いて説明する。
図１５は、表示部に撮像装置を搭載したＩＨクッキングヒーター６０００の概略構成図である。ＩＨクッキングヒーターの表示部以外の場所に撮像装置を搭載することも可能であり、ＩＨクッキングヒーターの表示部と、表示部以外の両方の場所に撮像装置を搭載することも可能である。いずれの場合においても、開示する発明の一態様によれば、被検出物に光（赤外光でも良い）を照射することにより３次元距離画像を取得することができる。
図１５において、ＩＨクッキングヒーター６０００の表示部は、表示情報を表示する機能の他、被検出物の３次元距離画像を取得する機能、被検出物のカラー情報を取得する機能等を有する。従って、ＩＨクッキングヒーター６０００の外部に、カメラを別に設ける必要がないため、簡易な構成を有することができる。
図１５に示すようにＩＨクッキングヒーター６０００は、表示部６００１ａ、６００１ｂ、６００１ｃ、３口ＩＨヒーター６００２ａ、６００２ｂ、６００２ｃ、プレート６００３、電源ランプ６００４、操作ボタン６００５、排気口６００６、などによって構成されている。
図１５では一例として、操作者のジェスチャー（例えばハンドジェスチャー）によるＩＨクッキングヒーター６０００の操作を示す。認識範囲６００７ａ、６００７ｂ、６００７ｃで、操作者がＩＨクッキングヒーター６０００に直接触れることなくジェスチャーを行うことによって、ＩＨクッキングヒーター６０００を操作することが可能である。
なお認識範囲６００７ａは表示部６００１ａの直上、認識範囲６００７ｂは表示部６００１ｂの直上、認識範囲６００７ｃは表示部６００１ｃの直上とする。
図１５（Ａ）に示すように、表示部６００１ａの認識範囲６００７ａで、例えば操作者が「右手の親指を立てて、前に押し込む」いう動作を行う場合、ＩＨクッキングヒーター６０００のＩＨヒーター６００２ａに電源が入り、電源ランプ６００４がＯＮに点灯する。
図１５（Ｂ）に示すように、表示部６００１ａの認識範囲６００７ａで、例えば操作者が「右手の人差し指と中指を立てて、前に押し込む」いう動作を行う場合、ＩＨクッキングヒーター６０００のＩＨヒーター６００２ａの電源が切れ、電源ランプ６００４がＯＦＦに点灯する。
操作者は操作ボタン６００５や、表示部６００１に直接、指等で触れることなく、ＩＨクッキングヒーターを操作することができる。即ち、操作者はジェスチャーのみで、ＩＨヒーターの電源のＯＮ／ＯＦＦ、ＩＨヒーターの火力調整、自動電源ＯＦＦのためのタイマーセットなどのあらゆる操作を行うことができる。
ＩＨクッキングヒーター６０００に搭載される第１の記憶部には特定物体パターンが格納され、第２の記憶部には特定動作パターンが格納されている。特定物体パターンとして、具体的には、「右手の親指を立てる」、「右手の人差し指と中指を立てる」などが挙げられる。なお特定物体パターンには、カラー画像情報が含まれていても良い。カラー画像情報が含まれる場合、右手の指の形状パターンに加えて、指の色（肌色等）、爪の色（透明等）の情報等も付加される。また、特定動作パターンとして、具体的には「立てた右手の親指を前に押し込む」という動作、「立てた右手の人差し指と中指を前に押し込む」という動作などが挙げられる。
なお、第１の記憶部に格納される特定物体パターン、第２の記憶部に格納される特定動作パターンは、操作者が任意に決定してよい。例えば、操作者が「右手の中指で右回りに円を描く」という動作を行った場合、「ＩＨクッキングヒーター６０００の電源が入る」、「右手の中指で左回りに円を描く」という動作を行った場合、「ＩＨクッキングヒーター６０００の電源が切れる」という設定をする、操作者が「両手を前に出してから閉じる」という動作を行った場合、「ＩＨクッキングヒーター６０００のグリルで、両面自動焼きを行う」という設定をする、操作者が「片手を拳にして、左から右に移動する」という動作を行った場合、「ＩＨクッキングヒーター６０００の火力が１ステップずつ増加する」という設定をする、等のように各種パターンに対応する操作を、操作者が予め設定することにより、汎用的な制御機能を備えたインターフェース、メディアの制御及び操作をジェスチャーで行うアプリケーションを実現することが可能になる。
また、操作者の手が高速に移動しても、ＩＨクッキングヒーター６０００は、歪みのない３次元距離画像を撮像し、容易に位置変化情報、形状変化情報を取得することができる。
なお、ジェスチャーの種類として、操作者（人間）が行うジェスチャーのみに限られるものではない。物体の形や記号、文字、操作者が予め定めた何らかのオブジェクト等、多種多様な物体を模したジェスチャーを採用しても良い。
ＩＨクッキングヒーター６０００に搭載される情報処理装置では、上述した特定動作パターンに基づいて確実に操作が実行されるような処理を、ＩＨクッキングヒーターに対して行う。
図１６は、表示部に撮像装置を搭載した電子レンジ７０００の概略構成図である。電子レンジの表示部以外の場所に撮像装置を搭載することも可能であり、電子レンジの表示部と、表示部以外の両方の場所に撮像装置を搭載することも可能である。いずれの場合においても、開示する発明の一態様によれば、被検出物に光を照射することにより３次元距離画像を取得することができる。
図１６において、電子レンジ７０００の表示部は、表示情報を表示する機能の他、被検出物の３次元距離画像を取得する機能、被検出物のカラー情報を取得する機能を有する。従って、電子レンジ７０００の外部に、カメラを別に設ける必要がないため、簡易な構成を有することができる。
図１６に示すように電子レンジ７０００は、表示部７００１、操作ボタン７００２、透明覗き窓７００３、開閉扉の取っ手７００４、筐体７００５、開閉扉７００６、電源ランプ７００８、などによって構成されている。
図１６では一例として、操作者のジェスチャー（例えばハンドジェスチャー）による電子レンジ７０００の操作を示す。認識範囲７００７で、操作者が電子レンジ７０００に直接触れることなくジェスチャーを行うことによって、電子レンジ７０００を操作することが可能である。なお認識範囲７００７は表示部７００１の直上とする。
図１６（Ａ）に示すように、表示部７００１の認識範囲７００７で、例えば操作者が「左手を拳にして、上から下に移動する」いう動作を行う場合、電子レンジ７０００に電源が入り、電源ランプ７００８がＯＮに点灯する。
例えば、操作者の手が高速に移動しても、電子レンジ７０００は、歪みのない３次元距離画像を撮像し、容易に位置変化情報、形状変化情報を取得することができる。
図１６（Ｂ）に示すように、表示部７００１の認識範囲７００７で、例えば操作者が「左手を拳にして、下から上に移動する」いう動作を行う場合、電子レンジ７０００の電源が切れ、電源ランプ７００８がＯＦＦに点灯する。
操作者は操作ボタン７００２や、表示部７００１に直接、指等で触れることなく、電子レンジを操作することができる。即ち、操作者はジェスチャーのみで、電子レンジの電源のＯＮ／ＯＦＦ、オーブン機能、スチーム機能などのあらゆる操作を行うことができる。
従って、操作者の状態を選ばず、操作者の体に負担をかけず、且つ操作者の動作を制限することのない電子機器（ＩＨクッキングヒーター、電子レンジ等）を提供することができる。また、操作者は、当該電子機器に直接触れることなく、簡単に操作を行うことができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態２で示したフォトセンサ４００の構成について、より詳細に説明する。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ４００を有する撮像装置の構成の一例について図１７（Ａ）を用いて、図１７（Ａ）とは別の構成の一例について図１７（Ｂ）を用いて説明する。
図１７（Ａ）では、複数のフォトセンサ４００がｍ（ｍは２以上の自然数）行ｎ（ｎは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ４００は、複数の信号線１１（ＰＲ）（１１（ＰＲ）＿１〜１１（ＰＲ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１２（ＴＸ）（１２（ＴＸ）＿１〜１２（ＴＸ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１３（ＳＥ）（１３（ＳＥ）＿１〜１３（ＳＥ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。各列のフォトセンサ４００は、複数のフォトセンサ出力信号線（１６＿１〜１６＿ｎと表記する）のいずれか１つ、複数のフォトセンサ基準信号線（１５＿１〜１５＿ｎと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。
図１７（Ａ）では、各行のフォトセンサにおいて信号線１２（ＴＸ）を共有し、各行のフォトセンサにおいて信号線１１（ＰＲ）を共有し、各行のフォトセンサにおいて信号線１３（ＳＥ）を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。各行に複数本の信号線１２（ＴＸ）を設けて互いに異なるフォトセンサ４００と電気的に接続してもよい。各行に複数本の信号線１１（ＰＲ）を設けて互いに異なるフォトセンサ４００と電気的に接続してもよい。各行に複数本の信号線１３（ＳＥ）を設けて互いに異なるフォトセンサ４００と電気的に接続してもよい。各列に複数本のフォトセンサ出力信号線を設けて互いに異なるフォトセンサ４００と電気的に接続してもよい。各列に複数本のフォトセンサ基準信号線を設けて互いに異なるフォトセンサ４００と電気的に接続してもよい。
また、図１７（Ａ）では、フォトセンサ基準信号線を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。
また、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ４００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサ４００において、信号線１２（ＴＸ）を共有することもできる。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ４００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、信号線１１（ＰＲ）を共有することもできる。
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ４００を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
次いで、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ４００を有する撮像装置の図１７（Ａ）とは別の構成の一例について図１７（Ｂ）を用いて説明する。
図１７（Ｂ）では、複数のフォトセンサ４００がｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ４００は、複数の信号線１３（ＳＥ）（１３（ＳＥ）＿１〜１３（ＳＥ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。各列のフォトセンサ４００は、複数の信号線１１（ＰＲ）（１１（ＰＲ）＿１〜１１（ＰＲ）＿ｎと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１２（ＴＸ）（１２（ＴＸ）＿１〜１２（ＴＸ）＿ｎと表記する）のいずれか１つと、複数のフォトセンサ出力信号線（１６＿１〜１６＿ｎと表記する）のいずれか１つ、複数のフォトセンサ基準信号線（１５＿１〜１５＿ｎと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。
図１７（Ｂ）では、各行のフォトセンサにおいて信号線１３（ＳＥ）を共有し、各列のフォトセンサにおいて信号線１１（ＰＲ）を共有し、各列のフォトセンサにおいて信号線１２（ＴＸ）を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
図１７（Ｂ）では、フォトセンサ基準信号線を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。
また、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ４００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、信号線１２（ＴＸ）を共有することもできる。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ４００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、信号線１１（ＰＲ）を共有することもできる。
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ４００を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
図１８（Ａ）は、フォトセンサ４００の上面図を示し、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）の破線Ａ１−Ａ２における断面図を示す。
フォトセンサ４００は、信号線１１（ＰＲ）として機能する導電膜２１０と、信号線１２（ＴＸ）として機能する導電膜２１１と、信号線１３（ＳＥ）として機能する導電膜２１２と、信号線１５（フォトセンサ基準信号線）として機能する導電膜２１３と、信号線１６（フォトセンサ出力信号線）として機能する導電膜２１４とを有している。
フォトセンサ４００の有するフォトダイオード４０２は、順に積層されたｐ型の半導体膜２１５と、ｉ型の半導体膜２１６と、ｎ型の半導体膜２１７とを有している。導電膜２１０は、フォトダイオード４０２の陽極として機能するｐ型の半導体膜２１５に電気的に接続されている。
フォトセンサ４００の有する導電膜２１８は、トランジスタ４０３のゲート電極として機能しており、さらに、導電膜２１１に電気的に接続されている。フォトセンサ４００の有する導電膜２１９は、トランジスタ４０３のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。フォトセンサ４００の有する導電膜２２０は、トランジスタ４０３のソース電極又はドレイン電極の他方として機能する。フォトセンサ４００の有する導電膜２２１は、ｎ型の半導体膜２１７と、導電膜２１９とに電気的に接続されている。フォトセンサ４００の有する導電膜２２２は、トランジスタ４０４のゲート電極として機能しており、さらに、導電膜２２０に電気的に接続されている。
フォトセンサ４００の有する導電膜２２３は、トランジスタ４０４のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。フォトセンサ４００の有する導電膜２２４は、トランジスタ４０４のソース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ４０５のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。また、導電膜２１４は、トランジスタ４０５のソース電極又はドレイン電極の他方として機能する。導電膜２１２は、トランジスタ４０５のゲート電極としても機能する。フォトセンサ４００の有する導電膜２２５は、導電膜２２３及び導電膜２１３に電気的に接続されている。
なお、図１８では、フォトセンサ４００の有する導電膜２２６は、信号線１１（ＰＲ）として機能する導電膜２１０に電気的に接続されている。また、フォトセンサ４００の有する導電膜２２７は、信号線１２（ＴＸ）として機能する導電膜２１１に電気的に接続されている。
導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導電膜２２７は、絶縁表面上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することができる。導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導電膜２２７上にはゲート絶縁膜２２８が形成されている。さらに、導電膜２１０、導電膜２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２３、導電膜２２４は、ゲート絶縁膜２２８上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することができる。
また、導電膜２１０、導電膜２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２３、導電膜２２４の上には、絶縁膜２８１及び絶縁膜２８２が形成されている。絶縁膜２８１及び絶縁膜２８２の上に、導電膜２２１が形成される。
トランジスタ４０３の半導体層２５０には、酸化物半導体を用いることが好ましい。基板２５１側から光が照射されることにより生成された電荷を、長時間保持するためには、フォトダイオード４０２と電気的に接続されるトランジスタ４０３を、オフ電流が極めて低いトランジスタで構成する必要がある。そのため、半導体層２５０として酸化物半導体材料を用いることでフォトセンサ４００の性能を高めることができる。なお、トランジスタ４０４と、トランジスタ４０５に用いられる半導体層として酸化物半導体を用いることも可能である。
また、トランジスタ４０４と、トランジスタ４０５に用いられる半導体層としてアモルファスシリコンや微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることもできる。これらの材料を用いることで、移動度の高いトランジスタを構成することが可能になる。
なお、トランジスタ４０３がボトムゲート型である場合、図１８（Ｂ）に示すように、ゲート電極として機能する導電膜２１８に半導体層２５０が完全に重なる構成を用いることが望ましい。上記構成を採用することで、基板２５１側から入射した光により半導体層２５０中の酸化物半導体が劣化するのを防ぎ、よって、トランジスタ４０３の閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされるのを防ぐことができる。なお、トランジスタ４０４と、トランジスタ４０５についても、上記構成を採用することで、同様の効果が得られる。
ここで、図１７（Ａ）で示したような信号線１２（ＴＸ）が行方向に延びて配置される構成の場合、同じく行方向に延びて配置され、信号線１２（ＴＸ）と平行な信号線１３（ＳＥ）が存在する。信号線１３（ＳＥ）はトランジスタ４０５のゲート電極と電気的に接続されるため、信号線１３（ＳＥ）の一部をトランジスタ４０５のゲート電極として用いると、信号線１３（ＳＥ）と平行な信号線１２（ＴＸ）もトランジスタ４０５のゲート電極と同じ層に当該ゲート電極と同じ材料によって形成するのが一般的である。しかしながら、トランジスタのゲート電極に用いられる材料はソース電極やドレイン電極に用いられる材料と比べて、一般的に抵抗が高い材料である。そのため、信号線１２（ＴＸ）の抵抗は高くなる傾向がある。
これに対して、図１７（Ｂ）に示した構成では、信号線１２（ＴＸ）が列方向に延びて配置される構成である。そのため、行方向に延びて配置される信号線１３（ＳＥ）とは別の層に形成された導電膜を用いて、信号線１２（ＴＸ）を形成することができる。例えば、図１８に示したように、フォトセンサ４００を構成するトランジスタ（トランジスタ４０３、トランジスタ４０４、トランジスタ４０５等）のゲート電極を構成する導電膜（導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２）とは異なる層に形成された導電膜２１１によって信号線１２（ＴＸ）を形成することができる。導電膜２１１は、導電膜２１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２４等、フォトセンサ４００を構成するトランジスタ（トランジスタ４０３、トランジスタ４０４、トランジスタ４０５等）のソース電極やドレイン電極と同じ層に当該ソース電極や当該ドレイン電極と同じ材料によって形成することができる。そのため、図１７（Ａ）で示した構成に比べて信号線１２（ＴＸ）の抵抗を小さくすることができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態８）
本実施の形態では、単結晶シリコン等の半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタと、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタとを有するフォトセンサの作製方法について説明する。
図１９（Ａ）に示すように、基板７０６０の絶縁表面上に、公知のＣＭＯＳの作製方法を用いて、フォトダイオード７０４０、ｎチャネル型トランジスタ７０５０を形成する。本実施の形態では、単結晶の半導体基板から分離された単結晶半導体膜を用いて、フォトダイオード７０４０、ｎチャネル型トランジスタ７０５０を形成する場合を例に挙げている。単結晶の半導体基板としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。
具体的な単結晶半導体膜の作製方法の一例について、簡単に説明する。まず、単結晶の半導体基板に、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを注入し、半導体基板の表面から一定の深さの領域に、結晶構造が乱されることで局所的に脆弱化された脆化層を形成する。脆化層が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの入射角によって調節することができる。そして、半導体基板と、絶縁膜７０１０が形成された基板７０６０とを、間に当該絶縁膜７０１０が挟まるように貼り合わせる。貼り合わせでは、半導体基板と基板７０６０とを重ね合わせた後、半導体基板と基板７０６０の一部に、１Ｎ／ｃｍ２以上５００Ｎ／ｃｍ２以下、好ましくは１１Ｎ／ｃｍ２以上２０Ｎ／ｃｍ２以下程度の圧力を加える。圧力を加えると、その部分から半導体基板と絶縁膜７０１０とが接合を開始し、最終的には密着した面全体に接合がおよぶ。次いで、加熱処理を行うことで、脆化層に存在する微小ボイドどうしが結合して、微小ボイドの体積が増大する。その結果、脆化層において半導体基板の一部である単結晶半導体膜が、半導体基板から分離する。上記加熱処理の温度は、基板７０６０の歪み点を越えない温度とする。そして、上記単結晶半導体膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、島状の半導体膜７０２０、島状の半導体膜７０３０を形成することができる。
フォトダイオード７０４０は、絶縁膜７０１０上の島状の半導体膜７０２０を用いて形成されており、ｎチャネル型トランジスタ７０５０は、絶縁膜７０１０上の島状の半導体膜７０３０を用いて形成されている。また、フォトダイオード７０４０は、島状の半導体膜７０２０内にｐ型の導電性を有する領域７２７０と、ｉ型の導電性を有する領域７２８０と、ｎ型の導電性を有する領域７２９０とが形成された横型接合タイプである。また、ｎチャネル型トランジスタ７０５０は、ゲート電極７０７０を有している。ｎチャネル型トランジスタ７０５０は、島状の半導体膜７０３０内に、ゲート電極７０７０と重なる領域を挟むように設けられた一対のｎ型の導電性を有する領域を含む。そして、ｎチャネル型トランジスタ７０５０は、島状の半導体膜７０３０とゲート電極７０７０の間に、絶縁膜７０８０を有する。ｎチャネル型トランジスタ７０５０において、絶縁膜７０８０はゲート絶縁膜として機能する。
なお、ｉ型の導電性を有する領域７２８０は、半導体膜のうち、含まれるｐ型若しくはｎ型を付与する不純物が１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が４００倍以上である領域を指す。ｉ型の導電性を有する領域７２８０には、周期表第１３族若しくは第１５族の不純物元素を有するものもその範疇に含む。すなわち、ｉ型の導電性を有する領域７２８０は、価電子制御を目的とした不純物元素を意図的に添加しないときに弱いｎ型の電気伝導性を示すので、ｉ型の導電性を有する領域７２８０は、ｐ型を付与する不純物元素を、成膜時或いは成膜後に、意図的若しくは非意図的に添加されたものをその範疇に含む。
基板７０６０として使用することができる素材に大きな制限はないが、透過型、或いは半透過型の液晶素子を用いる場合、基板７０６０も透光性を有する素材とする。また、基板７０６０として使用することができる素材は、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板７０６０には、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
なお、本実施の形態では、単結晶の半導体膜を用いてフォトダイオード７０４０とｎチャネル型トランジスタ７０５０を形成する例について説明しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、絶縁膜７０１０上に気相成長法を用いて形成された多結晶、微結晶の半導体膜を用いても良いし、上記半導体膜を公知の技術により結晶化しても良い。公知の結晶化方法としては、レーザ光を用いたレーザ結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法がある。或いは、触媒元素を用いる結晶化法とレーザ結晶化法とを組み合わせて用いることもできる。また、石英のような耐熱性に優れている基板を用いる場合、電熱炉を使用した熱結晶化方法、赤外光を用いたランプアニール結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法、９５０℃程度の高温アニール法を組み合わせた結晶化法を用いても良い。
また、図１９（Ａ）に示すように、絶縁膜７０８０上に導電膜を形成した後、上記導電膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、ゲート電極７０７０と共に、配線７１１０を形成する。
次いで、図１９（Ａ）に示すように、フォトダイオード７０４０、ｎチャネル型トランジスタ７０５０、配線７１１０、ゲート電極７０７０を覆うように、絶縁膜７１２０を形成する。なお、本実施の形態では、単層の絶縁膜７１２０を用いる場合を例示しているが、絶縁膜７１２０は単層である必要はなく、２層以上の絶縁膜を積層させて絶縁膜７１２０として用いても良い。
絶縁膜７１２０は、後の作製工程における加熱処理の温度に耐えうる材料を用いる。具体的に、絶縁膜７１２０として、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの材料を用いるのが望ましい。
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質を意味する。
絶縁膜７１２０は、その表面をＣＭＰ法などにより平坦化させても良い。
次いで、図１９（Ａ）に示すように、絶縁膜７１２０上に、ゲート電極７１３０を形成する。
ゲート電極７１３０の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム、銅を用いることもできる。アルミニウム又は銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。
例えば、二層の積層構造を有するゲート電極７１３０として、アルミニウム膜上にモリブデン膜が積層された二層の積層構造、銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、又は、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。３層の積層構造を有するゲート電極７１３０としては、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜又はアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜又はチタン膜を上下層として積層した構造とすることが好ましい。
また、ゲート電極７１３０に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、又は酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることもできる。
ゲート電極７１３０の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは４０ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により１５０ｎｍのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工（パターニング）することで、ゲート電極７１３０を形成する。なお、形成されたゲート電極がテーパー形状であると、上に積層するゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
次いで、図１９（Ｂ）に示すように、ゲート電極７１３０上に、ゲート絶縁膜７１４０を形成した後、ゲート絶縁膜７１４０上においてゲート電極７１３０と重なる位置に、酸化物半導体層７１５０を形成する。
ゲート絶縁膜７１４０は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜又は酸化タンタル膜を単層で又は積層させて形成することができる。ゲート絶縁膜７１４０は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましい。スパッタリング法により酸化珪素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いる。
不純物を除去することによりｉ型化又は実質的にｉ型化された酸化物半導体層（高純度化された酸化物半導体層）は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、高純度化された酸化物半導体層７１５０とゲート絶縁膜７１４０との界面は重要である。酸化物半導体層７１５０に接するゲート絶縁膜７１４０は、高品質化が要求される。
例えば、μ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法は、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。高純度化された酸化物半導体層と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なものとすることができる。
もちろん、ゲート絶縁膜７１４０として良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後の熱処理によって膜質や、酸化物半導体層７１５０との界面特性が改善される絶縁膜であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であることは勿論のこと、ゲート絶縁膜と酸化物半導体層との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い。
バリア性の高い材料を用いた絶縁膜と、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜とを積層させた構造を有するゲート絶縁膜７１４０を形成しても良い。この場合、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜は、バリア性の高い絶縁膜と酸化物半導層の間に形成する。バリア性の高い絶縁膜として、例えば窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などが挙げられる。バリア性の高い材料を用いて絶縁膜を形成することで、水分又は水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板内に含まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体層内、ゲート絶縁膜７１４０内、或いは、酸化物半導体層と他の絶縁膜との界面とその近傍に入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層に接するように窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い絶縁膜が直接酸化物半導体層に接するのを防ぐことができる。
例えば、第１のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化珪素膜（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を形成し、第１のゲート絶縁膜上に第２のゲート絶縁膜として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化珪素膜（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を積層して、膜厚４００ｎｍのゲート絶縁膜７１４０としても良い。ゲート絶縁膜７１４０の膜厚は、トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、３５０ｎｍ乃至４００ｎｍ程度でもよい。
本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚５０ｎｍの窒化珪素膜上に、スパッタ法で形成された膜厚４００ｎｍの酸化珪素膜を積層させた構造を有する、ゲート絶縁膜７１４０を形成する。
なお、ゲート絶縁膜７１４０は後に形成される酸化物半導体層と接する。酸化物半導体は、水素が含有されると特性に悪影響を及ぼすので、ゲート絶縁膜７１４０は水素、水酸基及び水分が含まれないことが望ましい。ゲート絶縁膜７１４０に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするためには、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極７１３０が形成された基板７０６０を予備加熱し、基板７０６０に吸着した水分又は水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、１００℃以上４００℃以下、好ましくは１５０℃以上３００℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。
酸化物半導体層７１５０は、ゲート絶縁膜７１４０上に形成した酸化物半導体膜を所望の形状に加工することで、形成することができる。酸化物半導体膜の膜厚は、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（例えばアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（例えばアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。
なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜７１４０の表面に付着している塵埃を除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどの雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
酸化物半導体膜には、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。
しかし、これらに限られず、必要とする半導体の電気特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体の電気特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。
本実施の形態では、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含むターゲットを用いたスパッタ法により得られる膜厚３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。上記ターゲットとして、例えば、各金属の組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、又はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２であるターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上１００％未満である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
本実施の形態では、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板７０６０上に酸化物半導体膜を成膜する。成膜時に、基板温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて処理室を排気すると、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を４００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
なお、酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート絶縁膜７１４０までが形成された基板７０６０を予備加熱し、基板７０６０に吸着した水分又は水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、１００℃以上４００℃以下、好ましくは１５０℃以上３００℃以下である。また、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。また、この予備加熱は、後に行われる絶縁膜７２２０の成膜前に、導電膜７２００、導電膜７２１０まで形成した基板７０６０にも同様に行ってもよい。
なお、酸化物半導体層７１５０を形成するためのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）など）が好ましい。また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
ウェットエッチングに用いるエッチング液として、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液、クエン酸やシュウ酸などの有機酸を用いることができる。本実施の形態では、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）を用いる。
酸化物半導体層７１５０を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
なお、次工程の導電膜を形成する前に逆スパッタを行い、酸化物半導体層７１５０及びゲート絶縁膜７１４０の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体層中には、不純物としての水分又は水素（水酸基を含む）が多量に含まれていることがある。水分又は水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体層中の水分又は水素などの不純物を低減（脱水化又は脱水素化）するために、酸化物半導体層７１５０に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で、加熱処理を施す。
酸化物半導体層７１５０に加熱処理を施すことで、酸化物半導体層７１５０中の水分又は水素を脱離させることができる。具体的には、２５０℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、５００℃、３分間以上６分間以下程度で行えばよい。加熱処理にＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化又は脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉を用いる。
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導又は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、又は窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
なお、加熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水分又は水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
以上の工程により、酸化物半導体層７１５０中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。それにより酸化物半導体層７１５０の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加熱処理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体層７１５０を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製することができ、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体層７１５０を用いることで、耐圧性が高く、オフ電流の著しく低いトランジスタを作製することができる。上記加熱処理は、酸化物半導体膜の成膜以降であれば、いつでも行うことができる。
なお、酸化物半導体膜を加熱する場合、酸化物半導体膜の材料や加熱条件にもよるが、その表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にｃ軸配向した単結晶体であることが好ましい。また、単結晶体でなくともチャネル形成領域で各結晶のａｂ面が一致するか、ａ軸、或いは、ｂ軸が全てにおいて一致し、かつ、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にｃ軸配向した多結晶体であることが好ましい。なお、酸化物半導体膜の下地表面に凹凸がある場合、板状結晶は多結晶体となる。したがって、下地表面は可能な限り平坦であることが望まれる。
酸化物半導体膜は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）又は非晶質などの状態をとる。
また、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜であることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部及び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状又は六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸及びｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状又は表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、又は成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
次に、絶縁膜７０８０、絶縁膜７１２０、ゲート絶縁膜７１４０を部分的にエッチングすることで、島状の半導体膜７０２０、島状の半導体膜７０３０、配線７１１０に達するコンタクトホールを形成する。
そして、酸化物半導体層７１５０を覆うように、スパッタ法や真空蒸着法で導電膜を形成したあと、エッチング等により該導電膜をパターニングすることで、図１９（Ｃ）に示すように、ソース電極、ドレイン電極、又は配線として機能する導電膜７１６０、導電膜７１７０、導電膜７１８０、導電膜７１９０、導電膜７２００、導電膜７２１０を形成する。
なお、導電膜７１６０及び導電膜７１７０は、島状の半導体膜７０２０に接している。導電膜７１８０及び導電膜７１９０は、島状の半導体膜７０３０に接している。導電膜７２００は、配線７１１０及び酸化物半導体層７１５０に接している。導電膜７２１０は、酸化物半導体層７１５０に接している。
導電膜７１６０、導電膜７１７０、導電膜７１８０、導電膜７１９０、導電膜７２００、導電膜７２１０となる導電膜の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、又は上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側もしくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウム又は銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム、イットリウム等を用いることができる。
また、導電膜７１６０、導電膜７１７０、導電膜７１８０、導電膜７１９０、導電膜７２００、導電膜７２１０は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する２層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を積層する３層構造などが挙げられる。
また、導電膜７１６０、導電膜７１７０、導電膜７１８０、導電膜７１９０、導電膜７２００、導電膜７２１０となる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛又は前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層７１５０がなるべく除去されないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、島状の酸化物半導体層７１５０の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部（凹部）が形成されることもある。
本実施の形態では、導電膜にチタン膜を用いる。そのため、アンモニアと過酸化水素水を含む溶液（アンモニア過水）を用いて、選択的に導電膜をウェットエッチングすることができるが、酸化物半導体層７１５０も一部エッチングされる。アンモニア過水は、具体的には、３１重量％の過酸化水素水と、２８重量％のアンモニア水と水とを、体積比５：２：２で混合した水溶液を用いる。或いは、塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）などを含むガスを用いて、導電膜をドライエッチングしても良い。
なお、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、又はＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層７１５０の表面に付着した水などを除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
なお、プラズマ処理を行った後、図１９（Ｃ）に示すように、導電膜７１６０、導電膜７１７０、導電膜７１８０、導電膜７１９０、導電膜７２００、導電膜７２１０と、酸化物半導体層７１５０とを覆うように、絶縁膜７２２０を形成する。絶縁膜７２２０は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましく、単層の絶縁膜であっても良いし、積層された複数の絶縁膜で構成されていても良い。絶縁膜７２２０に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層へ侵入し、又は水素が酸化物半導体層中の酸素を引き抜き、酸化物半導体層のバックチャネル部が低抵抗化（ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、絶縁膜７２２０はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。絶縁膜７２２０には、バリア性の高い材料を用いるのが望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などを用いることができる。複数の積層された絶縁膜を用いる場合、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を、上記バリア性の高い絶縁膜よりも、酸化物半導体層７１５０に近い側に形成する。そして、窒素の含有比率が低い絶縁膜を間に挟んで、導電膜７１６０、導電膜７１７０、導電膜７１８０、導電膜７１９０、導電膜７２００、導電膜７２１０及び酸化物半導体層７１５０と重なるように、バリア性の高い絶縁膜を形成する。バリア性の高い絶縁膜を用いることで、酸化物半導体層７１５０内、ゲート絶縁膜７１４０内、或いは、酸化物半導体層７１５０と他の絶縁膜の界面とその近傍に、水分又は水素などの不純物が入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層７１５０に接するように窒素の比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁膜が直接酸化物半導体層７１５０に接するのを防ぐことができる。
本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚２００ｎｍの酸化珪素膜上に、スパッタ法で形成された膜厚１００ｎｍの窒化珪素膜を積層させた構造を有する、絶縁膜７２２０を形成する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施の形態では１００℃とする。
なお、絶縁膜７２２０を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は、窒素、超乾燥空気、又は希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下で行う。上記ガスは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下であることが望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行う。或いは、導電膜７１６０、導電膜７１７０、導電膜７１８０、導電膜７１９０、導電膜７２００、導電膜７２１０を形成する前に、水分又は水素を低減させるための酸化物半導体層に対して行った先の加熱処理と同様に、高温短時間のＲＴＡ処理を行っても良い。酸素を含む絶縁膜７２２０が設けられた後に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体層に対して行った先の加熱処理により、酸化物半導体層７１５０に酸素欠損が発生していたとしても、絶縁膜７２２０から酸化物半導体層７１５０に酸素が供与される。そして、酸化物半導体層７１５０に酸素が供与されることで、酸化物半導体層７１５０において、ドナーとなる酸素欠損を低減することが可能である。酸化物半導体層７１５０には、化学量論的組成を超える量の酸素が含まれていることが好ましい。その結果、酸化物半導体層７１５０をｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。この加熱処理を行うタイミングは、絶縁膜７２２０の形成後であれば特に限定されず、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透明導電膜を低抵抗化させるための加熱処理と兼ねることで、工程数を増やすことなく、酸化物半導体層７１５０をｉ型に近づけることができる。
また、酸素雰囲気下で酸化物半導体層７１５０に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加し、酸化物半導体層７１５０中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。加熱処理の温度は、例えば１００℃以上３５０℃未満、好ましくは１５０℃以上２５０℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
或いは、イオン注入法又はイオンドーピング法などを用いて、酸化物半導体層７１５０に酸素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体層７１５０に添加すれば良い。
なお、絶縁膜７２２０上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで、酸化物半導体層７１５０と重なる位置にバックゲート電極を形成しても良い。バックゲート電極を形成した場合は、バックゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するのが望ましい。バックゲート電極は、ゲート電極７１３０、或いは導電膜７１６０、導電膜７１７０、導電膜７１８０、導電膜７１９０、導電膜７２００、導電膜７２１０と同様の材料、構造を用いて形成することが可能である。
バックゲート電極の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。例えば、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜が積層された構造を有する導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ法などによりレジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して、該導電膜を所望の形状に加工（パターニング）することで、バックゲート電極を形成すると良い。
以上の工程により、トランジスタ７２４０が形成される。
トランジスタ７２４０は、ゲート電極７１３０と、ゲート電極７１３０上のゲート絶縁膜７１４０と、ゲート絶縁膜７１４０上においてゲート電極７１３０と重なっている酸化物半導体層７１５０と、酸化物半導体層７１５０上に形成された一対の導電膜（導電膜７２００及び導電膜７２１０）とを有する。さらに、トランジスタ７２４０は、絶縁膜７２２０を、その構成要素に含めても良い。図１９（Ｃ）に示すトランジスタ７２４０は、導電膜７２００と導電膜７２１０の間において、酸化物半導体層７１５０の一部がエッチングされたチャネルエッチ構造である。
なお、トランジスタ７２４０はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。
なお、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜（本実施の形態においては、ゲート絶縁膜７１４０、絶縁膜７２２０が該当する。）は、第１３族元素及び酸素を含む絶縁材料を用いるようにしても良い。酸化物半導体材料には第１３族元素を含むものが多く、第１３族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接する絶縁膜に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。
第１３族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一又は複数の第１３族元素を含むことを意味する。第１３族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの含有量（原子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量（原子％）がアルミニウムの含有量（原子％）以上のものを示す。
また、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜として、酸素を含む無機材料（酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなど）を用いても良い。酸素を含む無機材料を絶縁膜に用いることで、水分又は水素を低減させるための加熱処理により酸化物半導体層中に酸素欠損が発生していたとしても、酸化物半導体層に絶縁膜から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低減することが可能である。
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体層に接して絶縁膜を形成する場合に、絶縁膜に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層と絶縁膜の界面特性を良好に保つことができる。例えば、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減することができる。なお、絶縁膜に酸化物半導体層の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁膜を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水の侵入防止という点においても好ましい。
また、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法又はイオンドーピング法を用いて行ってもよい。
例えば、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜として酸化ガリウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。
また、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をＡｌ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。
また、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜として酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）の組成をＧａＸＡｌ２−ＸＯ３＋α（０＜Ｘ＜２、０＜α＜１）とすることができる。
酸素ドープ処理を行うことにより、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を形成することができる。このような領域を備える絶縁膜と酸化物半導体層が接することにより、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、又は酸化物半導体層と絶縁膜の界面における酸素欠陥を低減し、酸化物半導体層をｉ型化又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。
なお、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜は、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜又は下層に位置する絶縁膜のうち、どちらか一方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜の、上層及び下層に位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体層７１５０を挟む構成とすることで、上記効果をより高めることができる。
また、酸化物半導体層７１５０の上層又は下層に用いる絶縁膜は、上層と下層で同じ構成元素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。例えば、上層と下層とも、組成がＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化ガリウムとしても良いし、上層と下層の一方を組成がＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化ガリウムとし、他方を組成がＡｌ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化アルミニウムとしても良い。
また、酸化物半導体層７１５０に接する絶縁膜は、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。例えば、酸化物半導体層７１５０の上層に組成がＧａ２ＯＸ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）の酸化ガリウムを形成し、その上に組成がＧａＸＡｌ２−ＸＯ３＋α（０＜Ｘ＜２、０＜α＜１）の酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）を形成してもよい。なお、酸化物半導体層７１５０の下層を、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良いし、酸化物半導体層７１５０の上層及び下層の両方を、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。
フォトダイオード７０４０は、図３、図１７等で示したフォトダイオード４０２として用いることができる。ｎチャネル型トランジスタ７０５０は、図３、図１７等で示したトランジスタ４０４、トランジスタ４０５として用いることができる。トランジスタ７２４０は、図３、図１７等で示したトランジスタ４０３として用いることができる。また、トランジスタ７２４０は、図３、図１７等で示したトランジスタ４０４、トランジスタ４０５として用いてもよい。
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態９）
本実施の形態では、実施の形態８とは異なる構造を有する、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタについて説明する。
図２０（Ａ）に示すフォトセンサでは、実施の形態８と同様に、フォトダイオード７０４０と、ｎチャネル型トランジスタ７０５０とを有している。そして、図２０（Ａ）では、フォトダイオード７０４０と、ｎチャネル型トランジスタ７０５０上に、チャネル保護構造のボトムゲート型のトランジスタ７２４０ａが形成されている。
トランジスタ７２４０ａは、絶縁膜７１２０上に形成されたゲート電極７３００と、ゲート電極７３００上のゲート絶縁膜７３１０と、ゲート絶縁膜７３１０上においてゲート電極７３００と重なっている酸化物半導体層７３２０と、ゲート電極７３００と重なる位置において酸化物半導体層７３２０上に形成されたチャネル保護膜７３３０と、酸化物半導体層７３２０上に形成された導電膜７３４０、導電膜７３５０とを有する。さらに、トランジスタ７２４０ａは、導電膜７３４０、導電膜７３５０及びチャネル保護膜７３３０上に形成された絶縁膜７３６０を、その構成要素に含めても良い。
チャネル保護膜７３３０を設けることによって、酸化物半導体層７３２０のチャネル形成領域となる部分に対する、後の工程における、エッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りなどのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタ７２４０ａの信頼性を向上させることができる。
チャネル保護膜７３３０には、酸素を含む無機材料（酸化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、又は酸化窒化アルミニウムなど）を用いることができる。チャネル保護膜７３３０は、プラズマＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法などの気相成長法やスパッタリング法を用いて形成することができる。チャネル保護膜７３３０は成膜後にエッチングにより形状を加工する。ここでは、スパッタ法により酸化珪素膜を形成し、フォトリソグラフィによるマスクを用いてエッチング加工することでチャネル保護膜７３３０を形成する。
酸素を含む無機材料をチャネル保護膜７３３０に用いることで、水分又は水素を低減させるための加熱処理により酸化物半導体層７３２０中に酸素欠損が発生していたとしても、酸化物半導体層７３２０にチャネル保護膜７３３０から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低減することが可能である。よって、チャネル形成領域を、ｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタ７２４０ａの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。
図２０（Ｂ）に示すフォトセンサでは、実施の形態８と同様に、フォトダイオード７０４０と、ｎチャネル型トランジスタ７０５０を有している。そして、図２０（Ｂ）では、フォトダイオード７０４０と、ｎチャネル型トランジスタ７０５０上に、ボトムコンタクト型のトランジスタ７２４０ｂが形成されている。
トランジスタ７２４０ｂは、絶縁膜７１２０上に形成されたゲート電極７４１０と、ゲート電極７４１０上のゲート絶縁膜７４２０と、ゲート絶縁膜７４２０上の導電膜７４３０、導電膜７４４０と、ゲート絶縁膜７４２０を間に挟んでゲート電極７４１０と重なっている酸化物半導体層７４５０と、を有する。さらに、トランジスタ７２４０ｂは、酸化物半導体層７４５０上に形成された絶縁膜７４６０を、その構成要素に含めても良い。
なお、図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）に示したトランジスタ７２４０ａ、７２４０ｂは、バックゲート電極をさらに有していても良い。
図２０（Ｃ）に示すフォトセンサでは、実施の形態８と同様に、フォトダイオード７０４０と、ｎチャネル型トランジスタ７０５０を有している。そして、図２０（Ｃ）では、フォトダイオード７０４０と、ｎチャネル型トランジスタ７０５０上に、トップコンタクト型のトランジスタ７２４０ｃが形成されている。
トランジスタ７２４０ｃは、絶縁膜７１２０上に形成された酸化物半導体層７５５０と、酸化物半導体層７５５０上の導電膜７５３０及び導電膜７５４０と、酸化物半導体層７５５０、導電膜７５３０及び導電膜７５４０上のゲート絶縁膜７５２０と、ゲート絶縁膜７５２０を間に挟んで酸化物半導体層７５５０と重なっているゲート電極７５１０と、を有する。さらに、トランジスタ７２４０ｃは、ゲート電極７５１０上に形成された絶縁膜７５６０を、その構成要素に含めても良い。
図２０（Ｄ）に示すフォトセンサでは、実施の形態８と同様に、フォトダイオード７０４０と、ｎチャネル型トランジスタ７０５０を有している。そして、図２０（Ｄ）では、フォトダイオード７０４０と、ｎチャネル型トランジスタ７０５０上に、トップコンタクト型のトランジスタ７２４０ｄが形成されている。
トランジスタ７２４０ｄは、絶縁膜７１２０上に形成された導電膜７６３０及び導電膜７６４０と、導電膜７６３０及び導電膜７６４０上の酸化物半導体層７６５０と、酸化物半導体層７６５０、導電膜７６３０及び導電膜７６４０上のゲート絶縁膜７６２０と、ゲート絶縁膜７６２０を間に挟んで酸化物半導体層７６５０と重なっているゲート電極７６１０と、を有する。さらに、トランジスタ７２４０ｄは、ゲート電極７６１０上に形成された絶縁膜７６６０を、その構成要素に含めても良い。
フォトダイオード７０４０は、図３、図１７等で示したフォトダイオード４０２として用いることができる。ｎチャネル型トランジスタ７０５０は、図３、図１７等で示したトランジスタ４０４、トランジスタ４０５として用いることができる。トランジスタ７２４０ａ〜ｄは、それぞれ、図３、図１７等で示したトランジスタ４０３として用いることができる。また、トランジスタ７２４０ａ〜ｄは、それぞれ、図３、図１７等で示したトランジスタ４０４、トランジスタ４０５として用いてもよい。
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態１０）
本実施の形態では、実施の形態３で示した隣接するフォトセンサ７００＿ｎ、及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）の構成について、より詳細に説明する。ｍ行ｋ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを有する撮像装置の構成の一例について図２１を用いて、図２１とは別の構成の一例について図２２を用いて説明する。
図２１では、フォトセンサ７００＿ｎ、及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）が隣接列において、被写体の同一点からの反射光を検出する例を示している。図２２では、フォトセンサ７００＿ｎ、及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）が隣接行において、被写体の同一点からの反射光を検出する例を示している。なお、どちらの構成においても、同様の効果を得ることができるため、該構成は限定されない。
図２１では、複数のフォトセンサがｍ（ｍは２以上の自然数）行ｋ（ｋは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置されている。例えば、１行目の隣接するフォトセンサ７００＿ｎ、及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。同様に、ｎ行目の隣接するフォトセンサ７００＿ｎ、及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。
ｎ列目のフォトセンサ７００＿ｎ（１行目のフォトセンサ７００＿ｎ〜ｍ行目のフォトセンサ７００＿ｎ）は、複数の信号線１１＿ｎ（１行目の１１＿ｎ〜ｍ行目の１１＿ｎ）のいずれか１つと、複数の信号線１２＿ｎ（１行目の１２＿ｎ〜ｍ行目の１２＿ｎ）のいずれか１つと、複数の信号線１３＿ｎ（１行目の１３＿ｎ〜ｍ行目の１３＿ｎ）のいずれか１つと電気的に接続されている。
また、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）（１行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）〜ｍ行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１））は、複数の信号線１１＿（ｎ＋１）（１行目の１１＿（ｎ＋１）〜ｍ行目の１１＿（ｎ＋１））のいずれか１つと、複数の信号線１２＿（ｎ＋１）（１行目の１２＿（ｎ＋１）〜ｍ行目の１２＿（ｎ＋１））のいずれか１つと、複数の信号線１３＿（ｎ＋１）（１行目の１３＿（ｎ＋１）〜ｍ行目の１３＿（ｎ＋１））のいずれか１つと電気的に接続されている。
ｎ列目のフォトセンサ７００＿ｎ（１行目のフォトセンサ７００＿ｎ〜ｍ行目のフォトセンサ７００＿ｎ）は、フォトセンサ出力信号線及びフォトセンサ基準信号線を共有している。例えば、ｎ列目のフォトセンサ出力信号線（１６＿ｎと表記する）は、ｎ列目のフォトセンサ７００＿ｎ（１行目のフォトセンサ７００＿ｎ〜ｍ行目のフォトセンサ７００＿ｎ）と電気的に接続され、ｎ列目のフォトセンサ基準信号線（１５＿ｎと表記する）もまた、ｎ列目のフォトセンサ７００＿ｎ（１行目のフォトセンサ７００＿ｎ〜ｍ行目のフォトセンサ７００＿ｎ）と電気的に接続されている。
また、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）（１行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）〜ｍ行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１））は、フォトセンサ出力信号線及びフォトセンサ基準信号線を共有している。例えば、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ出力信号線（１６＿（ｎ＋１）と表記する）は、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）（１行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）〜ｍ行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１））と電気的に接続され、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ基準信号線（１５＿（ｎ＋１）と表記する）もまた、（ｎ＋１）列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）（１行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）〜ｍ行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１））と電気的に接続されている。
図２１では、ｎ列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５＿ｎを共有し、（ｎ＋１）列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５＿（ｎ＋１）を共有している。また、ｎ列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線１６＿ｎを共有し、（ｎ＋１）列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線１６＿（ｎ＋１）を共有している。
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各列に複数本のフォトセンサ基準信号線１５を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。また、各列に複数本のフォトセンサ出力信号線１６を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。
なお、図２１では、フォトセンサ基準信号線１５及びフォトセンサ出力信号線１６を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線１５及びフォトセンサ出力信号線１６は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｋ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを駆動する駆動回路を簡略化することができる。
次いで、ｍ行ｋ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを有する撮像装置の図２１とは別の構成の一例について図２２を用いて説明する。図２２では、複数のフォトセンサがｍ（ｍは２以上の自然数）行ｋ（ｋは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置されている。例えば、１列目の隣接するフォトセンサ７００＿ｎ、及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。同様に、ｎ列目の隣接するフォトセンサ７００＿ｎ、及びフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。
ｎ行目のフォトセンサ７００＿ｎ（１列目のフォトセンサ７００＿ｎ〜ｋ列目のフォトセンサ７００＿ｎ）は、複数の信号線１１＿ｎ（１列目の１１＿ｎ〜ｋ列目の１１＿ｎ）のいずれか１つと、複数の信号線１２＿ｎ（１列目の１２＿ｎ〜ｋ列目の１２＿ｎ）のいずれか１つと、複数のフォトセンサ出力信号線１６＿ｎ（１列目の１６＿ｎ〜ｋ列目の１６＿ｎ）のいずれか１つと電気的に接続されている。
（ｎ＋１）行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）（１列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）〜ｋ列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１））は、複数の信号線１１＿（ｎ＋１）（１列目の１１＿（ｎ＋１）〜ｋ列目の１１＿（ｎ＋１））のいずれか１つと、複数の信号線１２＿（ｎ＋１）（１列目の１２＿（ｎ＋１）〜ｋ列目の１２＿（ｎ＋１））のいずれか１つと、複数のフォトセンサ出力信号線１６＿（ｎ＋１）（１列目の１６＿（ｎ＋１）〜ｋ列目の１６＿（ｎ＋１））のいずれか１つと電気的に接続されている。
ｎ行目のフォトセンサ７００＿ｎ（１列目のフォトセンサ７００＿ｎ〜ｋ列目のフォトセンサ７００＿ｎ）は、信号線１３＿ｎを共有している。また、（ｎ＋１）行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）（１列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）〜ｋ列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１））は、信号線１３＿（ｎ＋１）を共有している。例えば、ｎ行目の信号線１３＿ｎは、ｎ行目のフォトセンサ７００＿ｎ（１列目のフォトセンサ７００＿ｎ〜ｋ列目のフォトセンサ７００＿ｎ）と電気的に接続され、（ｎ＋１）行目の信号線１３＿（ｎ＋１）は、（ｎ＋１）行目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）（１列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１）〜ｋ列目のフォトセンサ７００＿（ｎ＋１））と電気的に接続されている。
また各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５を共有している。例えば、図２２に示すように、１列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５を共有し、２列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５を共有し、ｋ列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線１５を共有している。
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各列に複数本のフォトセンサ基準信号線１５を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。
なお、図２２では、各列のフォトセンサにおいて、フォトセンサ基準信号線１５を共有し、各行のフォトセンサにおいて信号線１３を共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線１５を各行のフォトセンサにおいて共有しても良いし、信号線１３を各列のフォトセンサにおいて共有しても良い。
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｋ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを駆動する駆動回路を簡略化することができる。
なお、フォトセンサ７００＿ｎ、フォトセンサ７００＿（ｎ＋１）の構成は、先に示したフォトセンサ４００の構成と同様であるため、これらのフォトセンサの上面図及び断面図としては図１８（Ａ）（Ｂ）を参照できる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態１１）
本実施の形態では、撮像装置が有するフォトセンサをマトリクス状に複数配置する構成の一例について、図２３を用いて説明する。なお、フォトセンサの構成や駆動方法は、実施の形態４を参照できる。
図２３（Ａ）では、複数のフォトセンサ８００がｍ（ｍは２以上の自然数）行ｎ（ｎは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ８００は、複数の信号線１１Ａ（リセット信号線）（１１Ａ＿１〜１１Ａ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１２Ａ（電荷蓄積信号線）（１２Ａ＿１〜１２Ａ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１３Ａ（選択信号線）（１３Ａ＿１〜１３Ａ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１１Ｂ（リセット信号線）（１１Ｂ＿１〜１１Ｂ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１２Ｂ（電荷蓄積信号線）（１２Ｂ＿１〜１２Ｂ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１３Ｂ（選択信号線）（１３Ｂ＿１〜１３Ｂ＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１５（フォトセンサ基準信号線）（１５＿１〜１５＿ｎと表記する）のいずれか１つと、電気的に接続されている例を示している。各列のフォトセンサ８００は、複数の信号線１６Ａ（フォトセンサ出力信号線）（１６Ａ＿１〜１６Ａ＿ｎと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１６Ｂ（フォトセンサ出力信号線）（１６Ｂ＿１〜１６Ｂ＿ｎと表記する）のいずれか１つと、電気的に接続されている例を示している。
図２３では、各行のフォトセンサ８００において信号線１１Ａ（リセット信号線）、信号線１２Ａ（電荷蓄積信号線）、信号線１３Ａ（選択信号線）、信号線１１Ｂ（リセット信号線）、信号線１２Ｂ（電荷蓄積信号線）、信号線１３Ｂ（選択信号線）、信号線１５（フォトセンサ基準信号線）を共有している。また、各行のフォトセンサ８００において信号線１６Ｂ（フォトセンサ出力信号線）、信号線１６Ａ（フォトセンサ出力信号線）を共有している。
なお、信号線の接続は上述の構成に限定されない。
また、図２３では、信号線１５（フォトセンサ基準信号線）を各行のフォトセンサ８００において共有する構成を示したがこれに限定されない。信号線１５（フォトセンサ基準信号線）を各列のフォトセンサ８００において共有しても良い。
また、図２３（Ｂ）では、第１のフォトセンサ８００Ａにおける第１のフォトダイオード８０２Ａ（８０２Ａ＿１〜８０２Ａ＿ｎ）と、第２のフォトセンサ８００Ｂにおける第２のフォトダイオード８０２Ｂ（８０２Ｂ＿１〜８０２Ｂ＿ｎ）と、の配置を示す。ここで、被検出物から反射された光は、第１のフォトダイオード８０２Ａ（８０２Ａ＿１〜８０２Ａ＿ｎ）に先に入射する。従って、該被検出物から反射された光には、光源からの光と自然光の一方又は両方が被検出物に対して照射されて、該被検出物から反射されて、第１のフォトダイオード８０２Ａに入射する可視光と、光源から被検出物に対して光が照射されて、該被検出物から反射されて、第２のフォトダイオード８０２Ｂに入射する赤外光とが含まれる。
可視光センサである第１のフォトダイオード８０２Ａの半導体層である非晶質シリコンが外部より入射される可視光を吸収し、外部より入射される赤外光を透過する特性を有する。上記構成とすることで、第１のフォトダイオード８０２Ａ（８０２Ａ＿１〜８０２Ａ＿ｎ）で主に可視光を吸収し、第２のフォトダイオード８０２Ｂ（８０２Ｂ＿１〜８０２Ｂ＿ｎ）で主に赤外光を吸収することが可能になる。また、赤外光センサである第２のフォトダイオードへの可視光の入射を低減することができる。したがって、第１のフォトセンサ８００Ａを可視光による２次元の撮像に用い、第２のフォトセンサ８００Ｂを赤外光による３次元の撮像に用いることができ、フォトセンサの占有面積を縮小することができる。
以上説明したように本実施の形態の構成では、可視光センサである第１のフォトセンサ８００Ａ及び赤外光センサである第２のフォトセンサ８００Ｂを重畳して設けているため、撮像装置において、フォトセンサ８００の専有面積を低減することができる。その結果、画素の微細化を達成しつつ２次元撮像と、ＴＯＦ方式を適用した３次元撮像の一度の撮像が可能になる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態１２）
本実施の形態では、図２４に図３及び図４で示すフォトセンサの上面図を示す。また、図２４の一点鎖線Ａ１―Ａ２、Ａ３−Ａ４に対応する断面図を、図２５（Ａ）に、図２４の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２に対応する断面図を、図２５（Ｂ）に示す。
図２５（Ａ）について説明する。図２５（Ａ）では、透光性基板８８０上に、遮光層８３１と、下地膜８３２とが設けられている。遮光層８３１上には、下地膜８３２を介して、第２のフォトダイオード８０２Ｂにおけるｐ型半導体領域８８３及びｉ型半導体領域８８４が設けられる。第２のフォトダイオード８０２Ｂにおけるｐ型半導体領域８８３及びｉ型半導体領域８８４を構成する半導体層と同じ層には、第１のトランジスタ８０４Ｂの半導体層を構成するｎ型半導体領域８８５及びｉ型半導体領域８８６が設けられる。同様に第２のフォトダイオード８０２Ｂにおけるｐ型半導体領域８８３及びｉ型半導体領域８８４を構成する半導体層と同じ層には、第２のトランジスタ８０５Ｂの半導体層を構成するｎ型半導体領域８８７及びｉ型半導体領域８８８が設けられる。同様に第２のフォトダイオード８０２Ｂにおけるｐ型半導体領域８８３及びｉ型半導体領域８８４を構成する半導体層と同じ層には、第３のトランジスタ８０３Ａの半導体層を構成するｎ型半導体領域８８９が設けられる。
なお透光性基板８８０は、可視光及び赤外光に対する透光性を有する材質の基板であることが好ましい。例えば可視光及び赤外光に対する透光性を有するプラスチック基板、可視光及び赤外光に対する透光性を有するガラス基板を用いることができる。
なお遮光層８３１は、バックライトからの赤外光及び可視光が第１のフォトダイオード８０２Ａ及び第２のフォトダイオード８０２Ｂに入射されるのを防止するためのものである。遮光層８３１は赤外光及び可視光が遮光可能なアルミニウム又はクロム等の金属材料を用いて、スパッタリング法、ＣＶＤ法又は塗布法により形成され、次いでフォトリソグラフィ法、エッチング法を用いて加工して形成される。なお遮光層８３１は、第２のフォトダイオード８０２Ｂと積層する領域のみならず、トランジスタ８０３、トランジスタ８０４、トランジスタ８０５を構成する各トランジスタの半導体層と積層する領域にも設けることが望ましい。遮光膜により各トランジスタの半導体層が遮光されることで、バックライトからの赤外光及び可視光の入射によりトランジスタの閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされることを防ぐことができる。なおバックライトの構成としては、透光性基板８８０側より赤外光と可視光を発光することのできる光源を用いる構成であればよい。具体的にバックライトの構成は、赤外光を発光する発光ダイオード及び可視光を発光する発光ダイオードを並べて配置する構成とすればよい。
ここでバックライトは、光を検出するための可視光及び赤外光を第１のフォトダイオード８０２Ａ及び第２のフォトダイオード８０２Ｂに入射するために透光性基板８８０側に設けられるものである。なお赤外光を発光する発光ダイオードは別途対向基板側に設けられる構成としてもよい。
なお下地膜８３２は、透光性基板８８０に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が第２のフォトダイオード８０２Ｂに拡散し、特性に悪影響を及ぼすのを防ぐ。下地膜８３２は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等の透光性及び絶縁性を有する材料を単層又は積層して形成する。なお下地膜８３２の表面は、平坦性が高いことが好ましい。第２のフォトダイオード８０２Ｂの半導体層を形成する際の形成不良を防止するためである。
なお第２のフォトダイオード８０２Ｂの半導体層は、多結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いることができる。結晶性シリコンを有する半導体層で構成される第２のフォトダイオード８０２Ｂは、ｐ型半導体領域８８３、ｉ型半導体領域８８４及びｎ型半導体領域（図示せず）が透光性基板８８０に水平方向に設けられる。またトランジスタ８０３、トランジスタ８０４、トランジスタ８０５を構成する各トランジスタの半導体層も多結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いてｎ型半導体領域、ｉ型半導体領域及びｎ型半導体領域が設けられる。第２のフォトダイオード８０２Ｂ及び各トランジスタの半導体層は、成膜された結晶性シリコンをフォトリソグラフィ法、エッチング法を用いて加工し、次いでｐ型又はｎ型の不純物領域をフォトリソグラフィ法によるマスクを形成した上でイオン注入法又はイオンドーピング法により形成する。
なお第２のフォトダイオード８０２Ｂの半導体層は接合、剥離方法により単結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いることができる。まずシリコンウエハなどの半導体ウエハ中に、水素イオン（Ｈ＋、Ｈ２ ＋、Ｈ３ ＋など）又は水素イオン及びヘリウムイオンを添加して、該半導体ウエハ中に脆化層を形成する。該半導体ウエハを下地膜８３２上に接合させ、加熱処理により脆化層で剥離して、下地膜８３２上に半導体層を形成する。半導体ウエハの表面から脆化層までの深さが半導体層の厚さに相当するので、水素イオン等の添加条件を制御して、半導体層の厚さを調整できる。
また図２４、図２５（Ａ）において第２のフォトダイオード８０２Ｂにおける半導体層、第１のトランジスタ８０４Ｂの半導体層、第２のトランジスタ８０５Ｂの半導体層及び第３のトランジスタ８０３Ａの半導体層上には、絶縁層８１０が設けられる。ｉ型半導体領域８８６上には、絶縁層８１０を介して、転送制御線８０７及び電源線８０８と同層に形成されるゲート電極８１１が設けられる。ｉ型半導体領域８８８上には、絶縁層８１０を介して、転送制御線８０７及び電源線８０８と同層に形成されるゲート電極８１２が設けられる。絶縁層８１０上には、転送制御線８０７と同層に形成される、電源線８０８が設けられる。
なお絶縁層８１０は、外部よりＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が第２のフォトダイオード８０２Ｂ中に拡散し、特性に悪影響を及ぼすのを防ぐ。絶縁層８１０は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を単層又は積層して形成する。
なおゲート電極８１１及びゲート電極８１２と同層に形成される各種配線は、導電性を有する金属材料を用いて形成すればよい。導電性を有する金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層又は積層で形成する。スパッタリング法又は真空蒸着法を用いて形成する。
また図２４、図２５（Ａ）において絶縁層８１０、ゲート電極８１１、ゲート電極８１２及び電源線８０８上には、絶縁層８１３が設けられる。ｎ型半導体領域８８５及びｎ型半導体領域８８７との間には、絶縁層８１０及び絶縁層８１３を介して、第１の出力信号線８４０Ａ、第２の出力信号線８４０Ｂと同層に形成される導電層８１４が設けられる。ｎ型半導体領域８８７上には、絶縁層８１０及び絶縁層８１３を介して、第２の出力信号線８４０Ｂが設けられる。ｎ型半導体領域８８５及び電源線８０８との間には、絶縁層８１０及び絶縁層８１３を介して、第１の出力信号線８４０Ａ、第２の出力信号線８４０Ｂと同層に形成される導電層８１５が設けられる。ｐ型半導体領域８８３上には、絶縁層８１０及び絶縁層８１３を介して、第１の出力信号線８４０Ａ、第２の出力信号線８４０Ｂと同層に形成される導電層８１６が設けられる。ｎ型半導体領域８８９上には、絶縁層８１０及び絶縁層８１３を介して、第１の出力信号線８４０Ａ、第２の出力信号線８４０Ｂと同層に形成される導電層８１７が設けられる。
なお絶縁層８１３は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を単層又は積層して形成する。
なお導電層８１４乃至導電層８１７は、スパッタリング法又は真空蒸着法を用いて、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、イットリウムなどの金属、これらを主成分とする合金材料、又は酸化インジウム等の導電性を有する金属酸化物等の材料を単層又は積層で形成する。
また図２５（Ａ）において絶縁層８１３及び導電層８１６上には、第１のフォトダイオード８０２Ａにおけるｐ型半導体領域８１８、ｉ型半導体領域８１９及びｎ型半導体領域８２０が設けられる。なお第１のフォトダイオード８０２Ａにおけるｐ型半導体領域８１８は、導電層８１６と端部が乗り上げるように積層して設けられる。
なお第１のフォトダイオード８０２Ａの半導体層は、非晶質シリコンを用いることができる。非晶質シリコンを有する半導体層で構成される第１のフォトダイオード８０２Ａは、ｐ型半導体領域８１８、ｉ型半導体領域８１９及びｎ型半導体領域８２０が透光性基板８８０に垂直方向に積層して設けられる。
ｐ型半導体領域８１８はｐ型を付与する不純物元素を含む非晶質シリコンにより形成される。ｐ型半導体領域８１８の形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。又は、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。ｐ型半導体領域８１８の膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
ｉ型半導体領域８１９は、非晶質シリコンにより形成される。ｉ型半導体領域８１９の形成には半導体材料ガスを用いて、非晶質シリコンをプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。又は、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。ｉ型半導体領域８１９の膜厚は８８０ｎｍ以上８０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
ｎ型半導体領域８２０は、ｎ型を付与する不純物元素を含む非晶質シリコンにより形成する。ｎ型半導体領域８２０の形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。又は、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。ｎ型半導体領域８２０の膜厚は２０ｎｍ以上８８０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
また図２５（Ａ）において第１のフォトダイオード８０２Ａ、第２の出力信号線８４０Ｂ、導電層８１４、導電層８１５、導電層８１６及び導電層８１７上には、絶縁層８２１が設けられる。ｎ型半導体領域８２０及び導電層８１７との間には、絶縁層８２１を介して、画素電極となる導電層と同層に形成される導電層８２２が設けられる。
なお絶縁層８２１は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を単層又は積層して形成する。なお絶縁層８２１は、表面に平坦性を有する絶縁層とすることが好ましい。
なお導電層８２２は、透光性を有する導電層であればよく、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ、Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの材料を用いて形成する。
次いで図２５（Ｂ）について説明する。図２５（Ｂ）に示す断面図において透光性基板８８０上に、遮光層８３１と、下地膜８３２とが設けられる。遮光層８３１上には、下地膜８３２を介して、第２のフォトダイオード８０２Ｂにおけるｐ型半導体領域８８３、ｉ型半導体領域８８４及びｎ型半導体領域８２３が設けられる。
また図２５（Ｂ）において第２のフォトダイオード８０２Ｂにおける半導体層上には、絶縁層８１０が設けられる。絶縁層８１０上には、転送制御線８０７と同層に形成される、電源線８０８が設けられる。
また図２４、図２５（Ｂ）において絶縁層８１０及び電源線８０８上には、絶縁層８１３が設けられる。ｐ型半導体領域８８３上には、絶縁層８１０及び絶縁層８１３を介して、第１の出力信号線８４０Ａ、第２の出力信号線８４０Ｂと同層に形成される導電層８１６が設けられる。ｎ型半導体領域８２３上には、絶縁層８１０及び絶縁層８１３を介して、第１の出力信号線８４０Ａ、第２の出力信号線８４０Ｂと同層に形成される導電層８２４が設けられる。
また図２５（Ｂ）において絶縁層８１３及び導電層８１６上には、第１のフォトダイオード８０２Ａにおけるｐ型半導体領域８１８、ｉ型半導体領域８１９及びｎ型半導体領域８２０が設けられる。なお第１のフォトダイオード８０２Ａにおけるｐ型半導体領域８１８は、導電層８１６と端部が乗り上げるように積層して設けられる。
また図２５（Ｂ）に示す断面図において第１のフォトダイオード８０２Ａ、導電層８１６、導電層８２４上には、絶縁層８２１が設けられる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
１ 発信番号
２ 発信番号
３ 発信番号
１１ 信号線
１２ 信号線
１３ 信号線
１４ ノード
１５ 信号線
１６ 信号線
１７ 信号線
１８ ノード
１００ 動作認識装置
１０１ 撮像装置
１０２ 画像処理装置
１０３ 情報処理装置
１０４ 撮像データ
１０５ 出力データ
１１０ 画像記憶部
１１１ 記憶部
１１２ 記憶部
１１３ 記憶部
１１４ 記憶部
１１５ 物体データ検出部
１１６ 動作データ検出部
１１７ 出力制御部
２１０ 導電膜
２１１ 導電膜
２１２ 導電膜
２１３ 導電膜
２１４ 導電膜
２１５ 半導体膜
２１６ 半導体膜
２１７ 半導体膜
２１８ 導電膜
２１９ 導電膜
２２０ 導電膜
２２１ 導電膜
２２２ 導電膜
２２３ 導電膜
２２４ 導電膜
２２５ 導電膜
２２６ 導電膜
２２７ 導電膜
２２８ ゲート絶縁膜
２５０ 半導体層
２５１ 基板
２８１ 絶縁膜
２８２ 絶縁膜
４００ フォトセンサ
４０１ 回路
４０２ フォトダイオード
４０３ トランジスタ
４０４ トランジスタ
４０５ トランジスタ
４０６ トランジスタ
５０１ パルス
５０２ パルス
６０１ パルス
６０２ パルス
７００ フォトセンサ
７０２ フォトダイオード
７０３ トランジスタ
７０４ トランジスタ
７０５ トランジスタ
８００ フォトセンサ
８００Ａ フォトセンサ
８００Ｂ フォトセンサ
８０２ フォトダイオード
８０２Ａ フォトダイオード
８０２Ｂ フォトダイオード
８０３ トランジスタ
８０３Ａ トランジスタ
８０３Ｂ トランジスタ
８０４ トランジスタ
８０４Ａ トランジスタ
８０４Ｂ トランジスタ
８０５ トランジスタ
８０５Ａ トランジスタ
８０５Ｂ トランジスタ
８０７ 転送制御線
８０８ 電源線
８１０ 絶縁層
８１１ ゲート電極
８１２ ゲート電極
８１３ 絶縁層
８１４ 導電層
８１５ 導電層
８１６ 導電層
８１７ 導電層
８１８ ｐ型半導体領域
８１９ ｉ型半導体領域
８２０ ｎ型半導体領域
８２１ 絶縁層
８２２ 導電層
８２３ ｎ型半導体領域
８２４ 導電層
８３１ 遮光層
８３２ 下地膜
８４０Ａ 出力信号線
８４０Ｂ 出力信号線
８８０ 透光性基板
８８３ ｐ型半導体領域
８８４ ｉ型半導体領域
８８５ ｎ型半導体領域
８８６ ｉ型半導体領域
８８７ ｎ型半導体領域
８８８ ｉ型半導体領域
８８９ ｎ型半導体領域
９０１ パルス
９０２ パルス
５０００ 携帯電話機
５００１ スピーカー
５００２ 筐体
５００３ 表示部
５００４ 操作ボタン
５００５ 認識範囲
６０００ ＩＨクッキングヒーター
６００１ 表示部
６００１ａ 表示部
６００１ｂ 表示部
６００１ｃ 表示部
６００２ａ ＩＨヒーター
６００２ｂ ＩＨヒーター
６００２ｃ ＩＨヒーター
６００３ プレート
６００４ 電源ランプ
６００５ 操作ボタン
６００６ 排気口
６００７ａ 認識範囲
６００７ｂ 認識範囲
６００７ｃ 認識範囲
７０００ 電子レンジ
７００１ 表示部
７００２ 操作ボタン
７００３ 窓
７００４ 開閉扉の取っ手
７００５ 筐体
７００６ 開閉扉
７００７ 認識範囲
７００８ 電源ランプ
７０１０ 絶縁膜
７０２０ 半導体膜
７０３０ 半導体膜
７０４０ フォトダイオード
７０５０ ｎチャネル型トランジスタ
７０６０ 基板
７０７０ ゲート電極
７０８０ 絶縁膜
７１１０ 配線
７１２０ 絶縁膜
７１３０ ゲート電極
７１４０ ゲート絶縁膜
７１５０ 酸化物半導体層
７１６０ 導電膜
７１７０ 導電膜
７１８０ 導電膜
７１９０ 導電膜
７２００ 導電膜
７２１０ 導電膜
７２２０ 絶縁膜
７２４０ トランジスタ
７２４０ａ トランジスタ
７２４０ｂ トランジスタ
７２４０ｃ トランジスタ
７２４０ｄ トランジスタ
７２７０ 領域
７２８０ 領域
７２９０ 領域
７３００ ゲート電極
７３１０ ゲート絶縁膜
７３２０ 酸化物半導体層
７３３０ チャネル保護膜
７３４０ 導電膜
７３５０ 導電膜
７３６０ 絶縁膜
７４１０ ゲート電極
７４２０ ゲート絶縁膜
７４３０ 導電膜
７４４０ 導電膜
７４５０ 酸化物半導体層
７４６０ 絶縁膜
７５１０ ゲート電極
７５２０ ゲート絶縁膜
７５３０ 導電膜
７５４０ 導電膜
７５５０ 酸化物半導体層
７５６０ 絶縁膜
７６１０ ゲート電極
７６２０ ゲート絶縁膜
７６３０ 導電膜
７６４０ 導電膜
７６５０ 酸化物半導体層
７６６０ 絶縁膜

Claims (2)

  1. 撮像装置と、画像処理装置と、情報処理装置と、を有し、
    前記撮像装置は、被検出物の距離画像情報を取得し、且つ、前記距離画像情報から、撮像データを生成し、前記撮像データを出力し、
    前記画像処理装置は、
    特定物体パターンを格納する第１の記憶部と、
    特定動作パターンを格納する第２の記憶部と、
    時間の経過と共に変化する前記撮像データを格納する画像記憶部と、
    前記画像記憶部に格納した前記撮像データの中から、前記被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの前記撮像データを抽出し、且つ、抽出した前記撮像データと前記特定物体パターンとを比較して、各時刻での最も一致する物体データを選出する物体データ検出部と、
    前記各時刻での前記物体データを格納する第３の記憶部と、
    前記第３の記憶部に格納した前記被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの前記物体データと、前記特定動作パターンとを比較して、動作データを推定する動作データ検出部と、前記動作データを格納する第４の記憶部と、
    前記動作データから出力データを生成し、前記出力データを出力する出力制御部と、
    を有し、
    前記情報処理装置は、前記出力データに基づいて前記被検出物の動作を認識し、且つ前記出力データに基づいて定義された操作を実行し、
    前記撮像装置は、
    光源から前記被検出物に対して第１の光の照射を開始し、
    前記第１の光が前記被検出物に反射した第１の反射光が前記撮像装置に入射し始め、
    前記光源から前記被検出物に対する前記第１の光の照射を終了し、
    前記第１の反射光の前記撮像装置への入射が終了し、
    第１の検出信号を取得し、
    前記光源から前記被検出物に対して第２の光の照射を開始し、
    前記第２の光が前記被検出物に反射した第２の反射光が前記撮像装置に入射し始め、
    前記光源から前記被検出物に対する前記第２の光の照射を終了し、
    前記第２の反射光の前記撮像装置への入射が終了し、
    第２の検出信号を取得することを順に行い、
    前記第１の検出信号は、前記第１の反射光が前記撮像装置に入射し始めてから前記光源から前記被検出物に対する前記第１の光の照射を終了するまでの期間において、フォトダイオードに入射した前記第１の反射光の量に応じており、
    前記第２の検出信号は、前記光源から前記被検出物に対する前記第２の光の照射を終了してから前記第２の反射光の前記撮像装置への入射が終了するまでの期間において、前記フォトダイオードに入射した前記第２の反射光の量に応じており、
    前記光源から前記被検出物までの距離は、前記第１の検出信号及び前記第２の検出信号を用いて算出されることを特徴とする動作認識装置。
  2. 請求項１において、
    前記フォトダイオードは、チャネル形成領域が酸化物半導体を有するトランジスタと電気的に接続されていることを特徴とする動作認識装置。
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