JPWO2017022220A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

固体撮像装置（１００）が有する複数の画素（５０Ａ）は、対象物からの光を受光して当該光を電荷に変換する光電変換部（１Ａ）と、光電変換部（１Ａ）への電荷の蓄積および光電変換部（１Ａ）からの電荷の排出を切り替える露光制御部（６Ａ）と、光電変換部（１Ａ）から電荷の読み出しを行う２つの読み出し部（９Ａ１および９Ａ２）と、光電変換部（１Ａ）の電荷を蓄積する２つの電荷蓄積部（２Ａ２および３Ａ１）と、光電変換部（１Ａ）から電荷を２つの電荷蓄積部（２Ａ２および３Ａ１）のいずれかに振り分ける振り分け部（７Ａ１および７Ａ２）と、を備える。

Description

本発明は、測距撮像に用いられる固体撮像装置に関する。

物体を検知する複数の方式の中で、測定対象物まで光が往復する飛行時間を利用して測距を行うＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。

特許文献１には、２つの異なる信号蓄積手段に、光源からの光の断続動作と同期させて互いに異なる位相で電荷転送して信号蓄積を行い、蓄積信号の配分比から対象物までの距離を求め、さらに、第３の信号蓄積手段に背景光のみを信号蓄積することで、背景光除去を行って、背景光の影響を排除する従来技術を開示している。

特開２００４−２９４４２０号公報

一般的なパルスＴＯＦ法では、パルス幅Ｔｐの照射光の立ち上がり時刻から始まる第１露光期間をＴ１、照射光の立ち下がり時刻から始まる第２露光期間をＴ２、照射光をＯＦＦした状態で実行される第３露光期間をＴ３とした場合、露光期間Ｔ１〜Ｔ３は、パルス幅Ｔｐと同じ長さに設定される。また、第１露光期間Ｔ１において撮像部が得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２において撮像部が得られる信号量をＡ１、第３露光期間Ｔ３において撮像部が得られる信号量をＡ２とし、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとすると距離Ｌは、次式で与えられる。

Ｌ＝ｃ×Ｔｐ／２×｛（Ａ１−Ａ２）／（Ａ０−Ａ２＋Ａ１−Ａ２）｝
ここで、Ａ２は照射光をＯＦＦした状態で得られる背景光を反映した信号であり、以下ＢＧとする。

また、このＴＯＦ方式の測距撮像装置に用いられる固体撮像装置は、照射光の１周期について行われるサンプリングを複数回繰り返す。上記ＴＯＦ方式では、測距範囲Ｄは以下のように表される。

Ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２

一方、特許文献１では、大きく３つの方式が開示されているが、何れも光源のパルス幅（Ｔｐ）が大きくなると、測距範囲Ｄが大きくなるが、距離分解能が落ちる。つまり、測距精度は光源のパルス幅（Ｔｐ）に反比例し、測距範囲（限界）Ｄを広げるために光源のパルス幅を大きくすると、逆に測距精度は悪くなるという課題を有している。また、背景光を除去する方法として、（ａ）３つの電荷蓄積ノードを用いる、（ｂ）２つの電荷蓄積ノードを用いて照射光をＯＮした画像と照射光をＯＦＦした画像の２つを読み出し、その差分をとる、（ｃ）積分器と電圧制御パルス遅延回路を利用する、方法が開示されている。しかし、（ａ）は電荷蓄積ノードが３つ必要で、また暗電流を考慮するとＣＣＤメモリが望ましく、この場合開口率が大きく低下する課題がある。更にはＴＸ幅で露光期間が決定されているため、光源のパルス幅を短くする場合、ＴＸ幅も短くなり、パルスの配線遅延抑制のため３つのＴＸ配線幅を大きくする必要が生じ、配線による入射光のケラレが発生する等により感度が低下する課題がある。（ｃ）は回路が複雑で、これも十分な開口率が得られない。従って、画素の微細化、つまり同一画素数であれば小型化が、同一光学サイズであれば高解像度化が困難であるという課題を有している。また（ｂ）は２つの画像で背景光が異なる課題があり、測距精度が低下する。

上記課題に鑑み、本発明は、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する測距信号を取得する固体撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る測距撮像装置は、半導体基板に行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、対象物からの光を受光して当該光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の電荷を排出する電荷排出部と、前記光電変換部への前記電荷の蓄積および前記光電変換部からの前記電荷の排出を切り替える露光制御部と、前記光電変換部から前記電荷の読み出しを行う複数の読み出し部と、前記光電変換部の電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部とを備え、前記固体撮像装置は、さらに、前記電荷を前記複数の電荷蓄積部のいずれかに振り分ける振り分け部、および、前記複数の電荷蓄積部の間における前記電荷の転送または当該転送の阻止を制御する転送制御部、のいずれかを備えることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像装置によれば、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する測距信号を取得することが可能となる。

図１は、実施の形態１に係る測距撮像装置の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の画素回路構成を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置の駆動方法における露光シーケンスの構成の一例を表すタイミングチャートである。 図５は、実施の形態１に係る露光シーケンスと比較例に係る露光シーケンスとを比較した図である。 図６は、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力タイミングを示すタイミングチャートである。 図７は、２ｉ行および（２ｉ＋１）行における電荷蓄積部、バリア部、出力部、およびＦＤのポテンシャル図である。 図８は、実施の形態１に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図９は、実施の形態１に係る光電変換部およびその周辺におけるポテンシャルの分布を表す図である。 図１０は、実施の形態１の変形例に係る光電変換部およびその周辺におけるポテンシャルの分布を表す図である。 図１１は、実施の形態１に係る光電変換部およびその周辺における水平方向のポテンシャルの分布を表す図である。 図１２は、実施の形態１の変形例に係る画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１３は、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の駆動方法における露光シーケンスの構成例を表すタイミングチャートである。 図１４Ａは、市松配置された画素レイアウトを示す図である。 図１４Ｂは、ストライプ配置された画素レイアウトを示す図である。 図１５は、市松配置された画素レイアウトにおける距離データの重心を示す図である。 図１６は、市松配置の画素レイアウトにおけるＦＤの共有配置レイアウトを表す図である。 図１７は、実施の形態１に係る露光制御部のゲート配線の構成図である。 図１８Ａは、実施の形態１に係る露光制御パルスの撮像領域端部における遅延を表す図である。 図１８Ｂは、実施の形態１に係る露光制御パルスの撮像領域中央における遅延を表す図である。 図１９は、実施の形態２に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図２０は、実施の形態３に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 図２１は、実施の形態３に係る固体撮像装置において画素行ごとに異なる読み出し制御が実行されることを説明する撮像領域の概略平面図である。 図２２は、実施の形態４に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図２３は、実施の形態５に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図２４は、実施の形態５に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２５は、実施の形態５に係る固体撮像装置の画素配列の変形例を示す図である。 図２６は、実施の形態５に係る固体撮像装置の画素レイアウトの変形例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定するものではない。

（実施の形態１）
［１−１．測距撮像装置の構成］
図１は、実施の形態１に係る測距撮像装置１０００の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。同図に示すように、測距撮像装置１０００は、固体撮像装置１００と、光源ドライバ２００と、ＴＯＦプロセッサ３００と、光学レンズ４００と、光源部５００とを備える。また、固体撮像装置１００は、撮像部１０１と、ＡＤ変換部１０２と、タイミング生成部１０３と、シャッタドライバ１０４とを備える。

タイミング生成部１０３は、対象物６００への光照射を指示する発光信号を発生し光源ドライバ２００を介して光源部５００を駆動するとともに、対象物６００からの反射光の露光を指示する露光信号を発生する駆動制御部である。

撮像部１０１は、対象物６００を含む領域に対して、タイミング生成部１０３で発生する露光信号が示すタイミングに従って複数回の露光を行い、複数回の露光量の総和に対応した信号を得る。

ＴＯＦプロセッサ３００は、固体撮像装置１００から受けた信号に基づいて、対象物６００までの距離を演算する。

図１に示すように、対象物６００に対して、背景光のもと近赤外光が光源部５００から照射される。対象物６００からの反射光は、光学レンズ４００を介して、撮像部１０１に入射される。撮像部１０１に入射された反射光は、結像され、当該結像された画像は電気信号に変換される。光源部５００および固体撮像装置１００の動作は、タイミング生成部１０３によって制御される。固体撮像装置１００の出力は、ＴＯＦプロセッサ３００によって距離画像に変換され、用途によっては可視画像にも変換される。固体撮像装置１００としては、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサが例示される。

［１−２．画素回路構成］
図２は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の画素回路構成を示す図である。同図には、撮像部１０１の撮像領域に設けられた画素５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃおよび５０Ｄの回路構成が示されている。撮像部１０１の撮像領域には、画素５０Ａ〜画素５０Ｄの組み合わせが、２次元状に複数配列されているが、図２では、撮像領域に配列された複数の画素５０Ａ〜５０Ｄのうち、１組の画素５０Ａ〜５０Ｄを示している。

画素５０Ａ（第１画素）は、光電変換部１Ａと、読出し部９Ａ１および９Ａ２と、電荷蓄積部３Ａ１および２Ａ２と、振り分け部７Ａ１および７Ａ２と、出力部１１Ａと、露光制御部６Ａとを備える。

画素５０Ｂ（第２画素）は、光電変換部１Ｂと、読出し部９Ｂ１および９Ｂ２と、電荷蓄積部４Ｂ１および５Ｂ２と、振り分け部７Ｂ１および７Ｂ２と、出力部１１Ｂと、露光制御部６Ｂとを備える。

また、画素５０Ａおよび５０Ｂに共通して、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１０が配置されている。

画素５０Ｃ（第３画素）は、光電変換部１Ｃと、読出し部９Ｃ１および９Ｃ２と、電荷蓄積部５Ｃ１および４Ｃ２と、振り分け部７Ｃ１および７Ｃ２と、出力部１１Ｃと、露光制御部６Ｃとを備える。

画素５０Ｄ（第４画素）は、光電変換部１Ｄと、読出し部９Ｄ１および９Ｄ２と、電荷蓄積部２Ｄ１および３Ｄ２と、振り分け部７Ｄ１および７Ｄ２と、出力部１１Ｄと、露光制御部６Ｄとを備える。

また、画素５０Ａ〜５０Ｄに共通して、増幅トランジスタ１３、リセットトランジスタ１４、および選択トランジスタ１５が配置されている。

なお、１つの画素に２つ設けられた読出し部にはそれぞれ異なるタイミングで駆動パルスが印加されるが、同一の駆動パルスが印加される読出し部の配置の違いによって２種の画素に分類する。すなわち、第１の単位画素を画素５０Ａおよび画素５０Ｄとし、第２の単位画素を画素５０Ｂおよび画素５０Ｃとする。

［１−３．測距方法］
以下、図２および図３を参照しながら、本実施の形態に係る測距撮像装置１０００の露光時の動作について説明する。

図３は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。

光源部５００からは、一定周期でオン・オフを繰り返す赤外パルス光（照射光（ＰＴ））が繰り返し照射されている。図３において、Ｔ０は照射光（ＰＴ）のパルス幅である。対象物６００から反射された赤外パルス光（反射光（ＰＲ））は、光源からの距離に応じて遅延時間Ｔｄをもって固体撮像装置１００に到達し、光電変換部において信号電荷に変換される。

露光期間においては、電荷振り分け部（例えば、図２における７Ａ１および７Ａ２）の両側に設けられる読み出し部（例えば、図２における９Ａ２および９Ｃ１）のゲートに同じタイミングで読み出しパルスが印加されることにより、両側に存在する光電変換部（例えば、図２における１Ａおよび１Ｃ）の信号電荷が電荷振り分け部で加算される。電荷振り分け部の上部には、振り分け制御ゲートがあり、制御信号ＧＡ１、ＧＡ２によって、電荷蓄積部２Ａ２（第１の電荷蓄積部）、電荷蓄積部３Ａ１（第３の電荷蓄積部）への電荷の振り分けを制御している。

本実施の形態では、図３に示すように、２つの露光シーケンスを有しており、第１の露光シーケンスおよび第２の露光シーケンスでは、露光制御部に印加される駆動パルス信号ＯＤＧのタイミングが異なる。詳細は後述するが、発光パルス周期において、露光制御タイミングは２回の電荷蓄積期間を持ち、この電荷蓄積期間のタイミングは図３に示すように第１の露光シーケンスおよび第２の露光シーケンスで発光パルス幅分遅延させる。

図３に示すように、第１の露光シーケンスでは、制御信号ＧＡ１がＬｏｗレベル、ＧＡ２がＨｉｇｈレベルとなり、振り分け部７Ａ１、７Ｂ２、７Ｃ１および７Ｄ２のゲートがポテンシャルバリアとなることで、電荷が電荷蓄積部２Ａ２、２Ｄ１、４Ｂ１および４Ｃ２にのみ転送されるように制御する。露光制御部に印加されるパルスは、１発光周期内に、光電変換部で２回電荷を蓄積する状態を作りだしている（駆動パルス信号ＯＤＧが２回Ｌｏｗレベルとなる）。より具体的には、１回目の電荷蓄積状態（１回目の駆動パルス信号ＯＤＧがＬレベルとなる期間）で、ＴＧ１をＯＮ（Ｈｉｇｈレベル）し、２画素分加算された信号は電荷蓄積部４Ｂ１および４Ｃ２へ転送される。また、２回目の電荷蓄積状態（２回目の駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗレベルとなる期間）でＴＧ２をＯＮ（Ｈｉｇｈレベル）し、２画素分加算された信号は電荷蓄積部２Ａ２および２Ｄ１へ転送される。

次に、第２の露光シーケンスでは、制御信号ＧＡ１がＨｉｇｈレベル、ＧＡ２がＬｏｗレベルとなり、振り分け部７Ａ２、７Ｂ１、７Ｃ２および７Ｄ１のゲートがポテンシャルバリアとなることで、電荷が電荷蓄積部３Ａ１、３Ｄ２、５Ｂ２および５Ｃ１にのみ転送されるように制御する。露光シーケンス１と同様に、露光制御部に印加されるパルスは、１発光周期内に、光電変換部で２回電荷を蓄積する状態を作りだしている（駆動パルス信号ＯＤＧが２回Ｌｏｗレベルとなる）。より具体的には、１回目の電荷蓄積状態（１回目の駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗレベルとなる期間）で、ＴＧ１をＯＮ（Ｈｉｇｈレベル）し、２画素分加算された信号は電荷蓄積部５Ｂ２および５Ｃ１へ転送される。また、２回目の電荷蓄積状態（２回目の駆動パルス信号ＯＤＧがＬレベルとなる期間）でＴＧ２をＯＮ（Ｈｉｇｈレベル）し、２画素分加算された信号は電荷蓄積部３Ａ１および３Ｄ２へ転送される。

以上の２つの露光シーケンスにより、２発光パルス周期で２画素加算された４つの距離信号が、第１および第２の単位画素に存在する４つの電荷蓄積部に保持される。

次に、図３を用いて、露光時に各電荷蓄積部に読み出だされて蓄積される信号と測定距離との関係について詳細に説明する。なお、図中には、測距レンジ１、測距レンジ２、および測距レンジ３とあるが、各々は反射光（ＰＲ）の遅延時間Ｔｄによって分類されており、Ｔｄが０〜Ｔ０の場合を測距レンジ１、ＴｄがＴ０〜２Ｔ０の場合を測距レンジ２、Ｔｄが２Ｔ０〜３Ｔ０の場合を測距レンジ３としている。また、時刻ｔ１〜ｔ５は全て同一の時間間隔で並んでおり、その時間間隔は照射パルス幅Ｔ０に等しい。

まず、測距レンジ１の場合について説明する。以後、第１の露光シーケンス、第２の露光シーケンスの順で説明するが、図に示すように時刻表示として同じｔ１〜ｔ５を付与して説明することに注意されたい。第１の露光シーケンスが実行された後、第２の露光シーケンスが実行される。また、電荷蓄積部のゲート電位は図示していないが、露光期間の間はＨｉｇｈ状態である。

第１の露光シーケンスについて説明する。

初期状態として、駆動パルス信号ＯＤＧ（露光制御パルス信号）はＨｉｇｈ状態であり、画素５０Ａ〜５０Ｄの光電変換部１Ａ〜１Ｄの信号電荷は、それぞれ、オーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）に排出されている。また、読み出し部９Ａ１、９Ａ２、９Ｂ１、９Ｂ２、９Ｃ１、９Ｃ２、９Ｄ１、および９Ｄ２のゲートに印加される駆動パルス信号ＴＧ１およびＴＧ２はＬｏｗ状態であり、Ｈｉｇｈ状態に保持されている電荷蓄積部２Ａ２、２Ｄ１、４Ｂ１、４Ｃ２、３Ａ１、３Ｄ２、５Ｂ２および５Ｃ１と光電変換部１Ａ〜１Ｄとは電気的に遮断されている。この状態において、光電変換部１Ａ〜１Ｄで生成した信号電荷は、それぞれ、露光制御部６Ａ〜６Ｄを介してオーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）に排出され、光電変換部１Ａ〜１Ｄには蓄積されない。

次に、照射光（ＰＴ）がオンとなる時刻ｔ１に同期して、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１Ａ〜１Ｄからオーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ１（第１読み出しパルス信号）は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔ０／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、背景光を含んだ反射光（ＰＲ）の入射によって生成した信号電荷の、読出し部９Ａ１、９Ｂ２、９Ｃ２および９Ｄ１、ならびに、振り分け部７Ａ２および７Ｄ１を介した電荷蓄積部２Ａ２および２Ｄ１への転送が開始される。

次に、時刻ｔ２において、駆動パルス信号ＯＤＧがＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１Ａ〜１Ｄで生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）に排出される。この動作により、読み出し部９Ａ１および９Ｃ２を挟んで隣接した２つの光電変換部１Ａおよび１Ｃ、ならびに、読み出し部９Ｂ２および９Ｄ１を挟んで隣接した２つの光電変換部１Ｂおよび１Ｄで生成した背景光を含んだ反射パルス光の先行成分（Ａ０）が混合されて電荷蓄積部２Ａ２および２Ｄ１に保持される。

次に、時刻ｔ３において、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１Ａ〜１Ｄからオーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ２（第３読み出しパルス信号）は、駆動パルス信号ＯＤＧに（Ｔ０／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、背景光の入射によって生成した信号電荷の、読出し部９Ａ２、９Ｂ１、９Ｃ１および９Ｄ２、ならびに、振り分け部７Ｂ１および７Ｃ２を介した電荷蓄積部４Ｂ１および２Ｃ２への転送が開始される。

次に、時刻ｔ４において、駆動パルス信号ＯＤＧがＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１Ａ〜１Ｄで生成した信号電荷はオーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）に排出される。この動作により、読み出し部９Ａ２および９Ｃ１を挟んで隣接した２つの光電変換部１Ａおよび１Ｃ、ならびに、読み出し部９Ｂ１および９Ｄ２を挟んで隣接した２つの光電変換部１Ｂおよび１Ｄで生成した背景光成分のみ（Ａ２＝ＢＧ）が混合されて電荷蓄積部４Ｂ１および４Ｃ２に保持される。

上記時刻ｔ１〜ｔ４の動作を１またはそれ以上の回数繰り返した後、第２の露光シーケンスに移行する。

以下、第２の露光シーケンスについて説明する。

初期状態として、駆動パルス信号ＯＤＧはＨｉｇｈ状態であり、画素５０Ａ〜５０Ｄの光電変換部１Ａ〜１Ｄの信号電荷は、それぞれ、オーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）に排出されている。また、読み出し部９Ａ１、９Ａ２、９Ｂ１、９Ｂ２、９Ｃ１、９Ｃ２、９Ｄ１、および９Ｄ２のゲートに印加される駆動パルス信号ＴＧ１およびＴＧ２はＬｏｗ状態であり、Ｈｉｇｈ状態に保持されている電荷蓄積部２Ａ２、２Ｄ１、４Ｂ１、４Ｃ２、３Ａ１、３Ｄ２、５Ｂ２および５Ｃ１と光電変換部１Ａ〜１Ｄとは電気的に遮断されている。この状態において、光電変換部１Ａ〜１Ｄで生成した信号電荷は、それぞれ、露光制御部６Ａ〜６Ｄを介してオーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）に排出され、光電変換部１Ａ〜１Ｄには蓄積されない。

次に、照射光（ＰＴ）がオンからオフとなる時刻ｔ２に同期して、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１Ａ〜１Ｄからオーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ１（第３読み出しパルス信号）は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔ０／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、背景光を含んだ反射光（ＰＲ）の入射によって生成した信号電荷の、読出し部９Ａ１、９Ｂ２、９Ｃ２および９Ｄ１、ならびに、振り分け部７Ａ１および７Ｄ２を介した電荷蓄積部３Ａ１および３Ｄ２への転送が開始される。

次に、時刻ｔ３において、駆動パルス信号ＯＤＧがＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１Ａ〜１Ｄで生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）に排出される。この動作により、読み出し部９Ａ１および９Ｃ２を挟んで隣接した２つの光電変換部１Ａおよび１Ｃ、ならびに、読み出し部９Ｂ２および９Ｄ１を挟んで隣接した２つの光電変換部１Ｂおよび１Ｄで生成した背景光を含んだ反射パルス光の後行成分（Ａ１）が混合されて電荷蓄積部３Ａ１および３Ｄ２に保持される。

次に、時刻ｔ４において、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１Ａ〜１Ｄからオーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ２（第４読み出しパルス信号）は、駆動パルス信号ＯＤＧに（Ｔ０／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、背景光の入射によって生成した信号電荷の、読出し部９Ａ２、９Ｂ１、９Ｃ１および９Ｄ２、ならびに、振り分け部９Ｃ１および７Ｂ２を介した電荷蓄積部５Ｃ１および５Ｂ２への転送が開始される。

次に、時刻ｔ５において、駆動パルス信号ＯＤＧがＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１Ａ〜１Ｄで生成した信号電荷はオーバーフロードレイン部（ＶＤＤ）に排出される。この動作により、読み出し部９Ａ２および９Ｃ１を挟んで隣接した２つの光電変換部１Ａおよび１Ｃ、ならびに、読み出し部９Ｂ１および９Ｄ２を挟んで隣接した２つの光電変換部１Ｂおよび１Ｄで生成した背景光成分のみ（Ａ３＝ＢＧ）が混合されて電荷蓄積部５Ｃ１および５Ｂ２に保持される。

以上の動作により、電荷蓄積部２Ａ２および２Ｄ１には背景光を含んだ反射パルス光の先行成分Ａ０、電荷蓄積部４Ｃ２および４Ｂ１には背景光成分ＢＧ＝Ａ２、電荷蓄積部３Ａ１および３Ｄ２には背景光を含んだ反射パルス光の後行成分Ａ１、電荷蓄積部５Ｂ２および５Ｃ１には背景光成分ＢＧ＝Ａ３が蓄積されることになる。

これらの信号を基に反射パルス光の遅延量Ｔｄ（＝Ｔ０×（（Ａ０−ＢＧ）／（Ａ０＋Ａ１―２×ＢＧ）））が求められる。測距レンジ１においては、Ａ０＞Ａ２、Ａ１＞Ａ３であり、対象物６００までの距離Ｌは、下記の式１で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、Ａ２、Ａ３、及び（Ａ２＋Ａ３）／２のいずれであってもよい。

上記のように、信号電荷の蓄積開始および終了を決定するのは、駆動パルス信号ＯＤＧのみである。

なお、一般的なＴＯＦ原理に適用する固体撮像装置においては、電荷読み出し用の駆動パルスＸがＬｏｗからＨｉｇｈレベルに遷移するタイミングと、オーバーフロードレインのゲート駆動パルスＹがＨｉｇｈからＬｏｗレベルに遷移する駆動タイミングは同じである。しかし、例えば、撮像領域の端部では両者の遅延差が少なくても、撮像領域の中央部ではゲート駆動パルスＹで開始位置が決まり、駆動パルスＸで終了位置が決まるといった場合が発生するため、タイミング調整だけでなく設計的な遅延の合わせこみが必要となる。

これに対して、本実施の形態に係る測距撮像装置１０００では、駆動パルス信号ＯＤＧのみで蓄積開始および終了が決定されるため、遅延時間を高精度に調整することが可能となる。

測距レンジ２および測距レンジ３についても、測距レンジ１と同様の駆動タイミングが用いられる。但し、反射光（ＰＲ）の遅延量が異なるため、各々の電荷蓄積部に保持される信号成分は異なり、具体的には、図３の表に示すとおりとなる。いずれの場合においても、適切な信号を選択することにより対象物６００までの距離を算出することができ、距離精度を損なうことなく測距レンジを従来例のｃ×Ｔ０／２から３倍の３ｃ×Ｔ０／２に延ばすことが可能となる。また、測距に必要な４つの信号を取得するために必要な画素を２つに削減することができるため、従来の場合よりも小型化を実現することが可能となる。

測距レンジ２においては、Ａ２＞Ａ０、Ａ１＞Ａ３であり、距離Ｌは下記の式２で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、Ａ０、Ａ３及び（Ａ０＋Ａ３）／２のいずれであってもよい。

測距レンジ３においては、Ａ２＞Ａ０、Ａ３＞Ａ１であり、距離Ｌは下記の式３で算出される。この場合、背景光の露光量であるＢＧは、Ａ０、Ａ１及び（Ａ０＋Ａ１）／２のいずれであってもよい。

なお、第１の露光シーケンスと第２の露光シーケンスとは、発光パルス毎に入れ替える必要はない。

図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の駆動方法における露光シーケンスの構成の一例を表すタイミングチャートである。図４に示すように、対象物６００が非常に高速で移動しない限り、第１の露光シーケンスをｎ回（ｎ≧１）行った後に、第２の露光シーケンスをｎ回行う動作を、複数回繰り返すことで十分である場合が大半である。また、露光シーケンスの切り替え回数が不十分なため移動する対象物６００の被写体ボケ（モーションブラー）が生じる場合には、対象物６００の動作速度に合わせてｎを減らし、繰り返し回数を増やせばよく、対象物６００に応じて調整すればよい。

また、本実施の形態と異なり、２つの単位画素の各々に対して、２つの読み出し部、２つの電荷蓄積部及び露光制御部を有し、異なるタイミングの露光制御パルスがそれぞれの単位画素内の露光制御部に印加できる構造の場合、１発光パルス周期で４つの距離信号を、第１と第２の画素に存在する４つの電荷蓄積部に保持されることも可能である。すなわち、図４における第一の露光シーケンスにおけるＯＤＧ、ＴＧ１、ＴＧ２の駆動パルスを一方の単位画素内のゲートに印加し、第二の露光シーケンスにおけるＯＤＧ、ＴＧ１、ＴＧ２の駆動パルスを他方の単位画素内のゲートに印加する構造である。しかしこの場合、露光制御部のゲートに高速で（数十ｎｓ周期以下）印加される駆動パルス信号ＯＤＧが２つ必要であり、また読み出し部のゲートに印加される駆動パルスＴＧも４つ必要であり、これらについてもＯＤＧに次ぐ高速駆動が要求されるため、配線幅を細くできない。そのため、配線膜厚を厚くする、微細配線プロセスを導入するといった事が開口率を確保するため必要になる。

これに対して、本実施の形態に係る測距撮像装置１０００は、２つの画素で、高速駆動を要求されるパルスとして、ＯＤＧが１つ、ＴＧ１とＴＧ２が２つと少ないため、配線数の少ない構造であるため、開口率を高くできるという利点がある。

図５は、実施の形態１に係る露光シーケンスと比較例に係る露光シーケンスとを比較した図である。図５に示すように、本実施の形態では、露光シーケンスが２つに分かれており、１発光パルス周期で２つの距離信号しか得られない。しかしながら、２つの距離信号の各々は、２画素加算されているため、同一の感度を得るために必要な発光パルス回数は、１発光で４信号を得る比較例の場合と変わらない。

次に、電荷蓄積部に蓄積された測距信号を出力する手順について、図６および図７を用いて説明する。

図６は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の測距信号出力タイミングを示すタイミングチャートである。図６では、垂直方向に隣接する２画素５０Ａおよび５０ＢでＦＤ１０を共有する構成において、画素５０Ａおよび５０Ｂを含む２行をサフィックス２ｉで示し、当該２行に隣り合う下の２行をサフィックス２（ｉ＋１）で示している。なお、ｉは自然数である。詳細には、サフィックス２ｉで示される画素は、２ｉ行と（２ｉ＋１）行の垂直方向に隣接する２画素を表し、サフィックス２（ｉ＋１）で示される画素は、（２ｉ＋２）行と（２ｉ＋３）行の垂直方向に隣接する２画素を表している。また、図６において、ＲＳはリセットトランジスタ１４のゲートに印加される駆動パルス信号を示しており、ＳＥＬは選択トランジスタ１５のゲートに印加される駆動パルス信号を示している。

一方、図７は、２ｉ行および（２ｉ＋１）行における電荷蓄積部、振り分け部、出力部、およびＦＤのポテンシャル図である。ここで、電荷蓄積部には電荷転送を容易にする目的でポテンシャルの段差が設けられている。このポテンシャル段差は、電荷蓄積部の不純物濃度を一部変更することにより形成することができる。

まず、初期状態である時刻ｔ１では、露光動作が終了し、電荷蓄積部２Ａ２、４Ｂ１、３Ａ１および５Ｂ２に、それぞれ信号電荷が蓄積された状態である。以下、測距レンジ１に対応させて、電荷蓄積部２Ａ２にＡ０、電荷蓄積部３Ａ１にＡ１、電荷蓄積部４Ｂ１にＡ２（＝ＢＧ）、電荷蓄積部５Ｂ２にＡ３（＝ＢＧ）の信号が蓄積された状態を初期状態として説明を行う。

次に、時刻ｔ２において、電荷蓄積部２Ａ２のゲート電圧ＶＧ１がＬｏｗ状態に変化する。これにより、電荷蓄積部２Ａ２に保持された信号電荷Ａ０が出力部１１Ａを介してＦＤ１０に転送される。ＦＤ１０では信号電荷が電圧に変換される。

次に、時刻ｔ３において、出力部１１Ａのゲート電圧ＶＯＧ１がＬｏｗとなった後に、信号電荷Ａ０に対応した信号電圧は、増幅トランジスタ１３および選択トランジスタ１５で構成されたソースフォロワ回路により外部に読み出される。

次に、時刻ｔ４において、リセットトランジスタ１４に、駆動パルス信号ＲＳが入力され、ＦＤ１０は電源電位にリセットされる。

次に、時刻ｔ５において、電荷蓄積部４Ｂ１のゲート電圧ＶＧ２がＬｏｗ状態に変化する。これにより、電荷蓄積部４Ｂ１に保持された信号電荷Ａ２が出力部１１Ｂを介してＦＤ１０に転送される。

なお、時刻ｔ６における、信号電荷Ａ２に対応した信号電圧の出力については上述と同じである。

次に、時刻ｔ７において、電荷蓄積部２Ａ２のゲート電圧ＶＧ１、電荷蓄積部４Ｂ１のゲート電圧ＶＧ２、振り分け部７Ａ１および７Ｂ２のゲート電圧ＧＡ１、ならびに、振り分け部７Ａ２および７Ｂ１のゲート電圧ＧＡ２がＨｉｇｈ状態に変化する。

続いて、時刻ｔ８〜時刻ｔ１０において、電荷蓄積部３Ａ１のゲート電圧ＶＧ３、電荷蓄積部５Ｂ２のゲート電圧ＶＧ４、振り分け部７Ａ１および７Ｂ２のゲート電圧ＧＡ１、ならびに、振り分け部７Ａ２および７Ｂ１のゲート電圧ＧＡ２が、順次Ｌｏｗ状態に変化する。これにより、電荷蓄積部５Ｂ２および３Ａ１に保持された信号電荷Ａ３およびＡ２が、それぞれ、電荷蓄積部４Ｂ１および２Ａ２に転送される。

さらに、時刻ｔ１１において、ＦＤ１０がリセットされた後、時刻ｔ１２において、電荷蓄積部２Ａ２のゲート電圧ＶＧ１がＬｏｗ状態となることで信号電荷Ａ１がＦＤ１０に転送され、前述の通り出力される（時刻ｔ１３）。

次に、時刻ｔ１４において、ＦＤ１０がリセットされ、続いて、時刻ｔ１５において、電荷蓄積部４Ｂ１のゲート電圧ＶＧ２がＬｏｗ状態となり信号電荷Ａ３が出力される（時刻ｔ１６）。

以上の時刻ｔ１〜ｔ１６の動作により、２ｉ行および（２ｉ＋１）行の信号電荷出力を終了し、以降、上記の動作を２行毎に順次行うことで、フレーム出力を完了する。

なお、出力部のゲートは、前述の説明では、ＶＯＧ１、ＶＯＧ２によりパルス駆動されていたが、例えばＧＮＤに接続することが可能である。この場合、出力部のゲート下の電位をＶＧ１、ＶＧ２がＬｏｗレベルでも転送できるよう深くする必要が生じるため、電荷蓄積部に保持できる電子数は、上述した駆動方法に比べ減少するが、電荷蓄積部のＨｉｇｈレベルを固体撮像装置内に設けた昇圧回路により上げることで電子数の減少を抑制することが可能である。これにより、画素内の配線の数を減らすことができ、開口面積の拡大に伴う高感度化を実現し、測距精度を向上させることができる。

［１−４．画素レイアウト構成］
図８は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。撮像部１０１の複数の画素は、半導体基板上の撮像領域に２次元状に配置され、２つの第１の単位画素である画素５０Ａおよび５０Ｄと、２つの第２の単位画素である画素５０Ｂおよび５０Ｃとが、市松状に配列されたものを１つの画素ユニットとしている。図８には、図２に示された回路構成を有する画素５０Ａ〜５０Ｄで構成される１つの画素ユニットのレイアウト構成が表されている。

図８に示すように、画素５０Ａは、光電変換部１Ａと、電荷蓄積部２Ａ２および３Ａ１と、露光制御部６Ａと、振り分け部７Ａ１および７Ａ２と、オーバーフロードレイン８と、読出し部９Ａ１および９Ａ２と、出力部１１Ａとを備える。また、画素５０Ｂは、光電変換部１Ｂと、電荷蓄積部４Ｂ１および５Ｂ２と、露光制御部６Ｂと、振り分け部７Ｂ１および７Ｂ２と、オーバーフロードレイン８と、読出し部９Ｂ１および９Ｂ２と、出力部１１Ｂとを備える。また、画素５０Ａおよび５０Ｂは、ＦＤ１０を共有している。画素５０Ｃは、光電変換部１Ｃと、電荷蓄積部４Ｃ２および５Ｃ１と、露光制御部６Ｃと、振り分け部７Ｃ１および７Ｃ２と、オーバーフロードレイン８と、読出し部９Ｃ１および９Ｃ２と、出力部１１Ｃとを備える。また、画素５０Ｄは、光電変換部１Ｄと、電荷蓄積部２Ｄ１および３Ｄ２と、露光制御部６Ｄと、振り分け部７Ｄ１および７Ｄ２と、オーバーフロードレイン８と、読出し部９Ｄ１および９Ｄ２と、出力部１１Ｄとを備える。また、画素５０Ｃおよび５０Ｄは、ＦＤ１０を共有している。

光電変換部１Ａ〜１Ｄは、対象物６００からの反射光を受光し、光電変換により生成された信号電荷を蓄積する。

電荷蓄積部２Ａ２および３Ａ１は、それぞれ、光電変換部１Ａと、図示していないが画素５０Ａの左側に隣接する画素５０Ｃの光電変換部１Ｃに蓄積された信号電荷を混合して保持する第１の電荷蓄積部および第３の電荷蓄積部である。電荷蓄積部４Ｂ１および５Ｂ２は、それぞれ、光電変換部１Ｂと、図示していないが画素５０Ｂの左側に隣接する画素５０Ｄの光電変換部１Ｄに蓄積された信号電荷を混合して保持する第２の電荷蓄積部および第４の電荷蓄積部である。電荷蓄積部４Ｃ２および５Ｃ１は、それぞれ、光電変換部１Ｃと、画素５０Ｃの左側に隣接する画素５０Ａの光電変換部１Ａに蓄積された信号電荷を混合して保持する第２の電荷蓄積部および第４の電荷蓄積部である。電荷蓄積部２Ｄ１および３Ｄ２は、それぞれ、光電変換部１Ｄと、画素５０Ｄの左側に隣接する画素５０Ｂの光電変換部１Ｂに蓄積された信号電荷を混合して保持する第１の電荷蓄積部および第３の電荷蓄積部である。

露光制御部６Ａ〜６Ｄは、光電変換部１Ａ〜１Ｄの信号電荷蓄積を同時に制御する。

オーバーフロードレイン８は、電荷排出部であり、露光制御部６Ａ〜６Ｄを介して、光電変換部１Ａ〜１Ｄと隣り合うように設けられ、光電変換部１Ａ〜１Ｄに蓄積された信号電荷を、露光制御部６Ａ〜６Ｄを介して排出する。

振り分け部は、第１の電荷蓄積部と第３の電荷蓄積部との間、ならびに、第２の電荷蓄積部と第４の電荷蓄積部との間に設けられる。より具体的には、振り分け部７Ａ１および７Ａ２は、電荷蓄積部２Ａ２と３Ａ１との間に設けられる。振り分け部７Ｂ１および７Ｂ２は、電荷蓄積部４Ｂ１と５Ｂ２との間に設けられる。振り分け部７Ｃ１および７Ｃ２は、電荷蓄積部４Ｃ２と５Ｃ１との間に設けられる。振り分け部７Ｄ１および７Ｄ２は、電荷蓄積部２Ｄ１と３Ｄ２との間に設けられる。

出力部１１Ａ〜１１Ｄは、画素内に配置された２つの電荷蓄積部のうちの一方に隣接して設けられている。より具体的には、出力部１１Ａは、２つの電荷蓄積部の一方である電荷蓄積部２Ａ２に隣接して設けられている。出力部１１Ｂは、２つの電荷蓄積部の一方である電荷蓄積部４Ｂ１に隣接して設けられている。出力部１１Ｃは、２つの電荷蓄積部の一方である電荷蓄積部４Ｃ２に隣接して設けられている。出力部１１Ｄは、２つの電荷蓄積部の一方である電荷蓄積部２Ｄ１に隣接して設けられている。

読み出し部は、光電変換部から信号電荷を読み出し、振り分け部を介して第１の電荷蓄積部、第３の電荷蓄積部、第２の電荷蓄積部、および第４の電荷蓄積部に信号電荷が蓄積することが可能である。より具体的には、読み出し部９Ａ１から読み出された信号電荷は、振り分け部７Ａ１を介して電荷蓄積部３Ａ１に蓄積され、また、振り分け部７Ａ２を介して電荷蓄積部２Ａ２に蓄積される。読み出し部９Ａ２から読み出された信号電荷は、振り分け部７Ｃ１を介して電荷蓄積部５Ｃ１に蓄積され、また、振り分け部７Ｃ２を介して電荷蓄積部４Ｃ２に蓄積される。以下、読み出し部９Ｂ１、９Ｂ２、９Ｃ１、９Ｃ２、９Ｄ１および９Ｄ２についても、同様の構成であるので、説明を省略する。

ＦＤ１０は、出力部を挟んで画素内の２つの電荷蓄積部の一方と隣り合うように配置され、信号電荷を電圧に変換する。

また、上記電荷蓄積部、上記読出し部、上記振り分け部、上記出力部、および上記露光制御部のそれぞれは、半導体基板の上方にゲート絶縁膜およびゲート電極が積層されることにより形成されている。

上記４つの画素５０Ａ〜５０Ｄから構成される画素ユニットは、水平方向に隣接する２つの画素間で電荷蓄積部を共有し、更に垂直方向に隣接する２つの画素間でＦＤを共有している。なお、オーバーフロードレイン８は、垂直方向に隣り合う隣接画素ユニット間で共有することが望ましい。

なお、ＦＤ１０は、ソースフォロワ回路に接続されており、電荷電圧変換された信号は増幅され出力されるが、通常のＭＯＳイメージセンサと同様の構成であるため、ここでは説明を省略し、図８では、ソースフォロワの増幅トランジスタ１３および選択トランジスタ１５は図示していない。

ここで、画素５０Ａ〜５０Ｄのそれぞれが有する２つ読み出し部のゲート電極は、光電変換部に対して左右対称に設けられており、光電変換部の受光領域の外周を構成する平行な２辺上に対向して配置されている。読出し部のゲートは、露光制御部のゲートと近接して設けられている。また、露光制御部は、上記２つの読み出し部のゲート電極が配置された上記平行な２辺に挟まれ、当該２辺と直交する受光領域の辺上に配置され、かつ、受光領域の中心を通り上記２辺に平行な中心線に対して対称に配置されている。

これを、画素５０Ａについて例示すれば、読み出し部９Ａ１および９Ａ２のゲートは、光電変換部１Ａに対して左右対称に設けられており、露光制御部６Ａのゲートと近接して設けられている。より具体的には、読み出し部９Ａ１および９Ａ２のゲートは、それぞれ、光電変換部１Ａの外周の対向する辺に設けられており、露光制御部６Ａのゲートは、上記対向する辺と直交し当該対抗する辺に挟まれた辺に設けられている。画素５０Ｂ〜５０Ｄの読み出し部のゲートについても同様の配置構成である。この理由について、以下説明する。

読み出し部のゲート電極が左右対称に設けられていない場合には、背景光等により漏れ込み信号が発生した場合に均等に配分されず、異なる比率で読み出されることになる。これは、距離演算において背景光減算後の値に誤差を生じるため、測距精度を低下させる。この現象を抑制するために、読み出し部のゲートは左右対称に配置し、背景光等による漏れ込み信号量を均等としている。

図９は、実施の形態１に係る光電変換部およびその周辺におけるポテンシャルの分布を表す図である。図９は、図８のＡ−Ｂ断面におけるポテンシャルの分布を示している。本実施の形態では、露光制御部のゲートがＨｉｇｈ状態（図９ではＯＤＧ＝ｏｎ）であるときには、光入射によって生成される信号電荷は、全てオーバーフロードレイン８に排出されることが望ましい。しかしながら、ごく一部の電荷は光電変換領域内に形成されるポテンシャル分布の影響を受けて読出し部のゲート側へと移動する。このとき、読出し部のゲートがＨｉｇｈ状態（図９ではＴＧ＝ｏｎ、ＯＤＧ＝ｏｎ：対策なし）であれば、不要な電荷が電荷蓄積部へ漏れ込み、本来の信号電荷に重畳されてしまい、測距精度を損なうこととなる。

また、背景光によって漏れ込み信号が発生した場合、漏れ込み成分が背景光信号に重畳されるために高輝度の背景光環境下では耐光性が低下することとなる。

これらの現象を抑制するために、露光制御部のゲートは、読出し部のゲートと近接して設けられている。

これにより、図９に示すように、露光制御部のゲートおよび読出し部のゲートがともにＨｉｇｈ状態となった場合（図９ではＴＧ＝ｏｎ、ＯＤＧ＝ｏｎ：対策あり）の光電変換部におけるポテンシャルの頂点を、読出し部側に偏在させることが可能となる。よって、読出し部側への電荷の漏れ込み成分を抑制することができる。

また、同様の効果を得るために、露光制御部のゲート下ポテンシャル（駆動パルス信号ＯＤＧ）を、読出し部のゲート下ポテンシャル（駆動パルス信号ＴＧ）よりも深く形成してもよい。

図１０は、実施の形態１の変形例に係る光電変換部およびその周辺におけるポテンシャルの分布を表す図である。これにより、駆動パルス信号ＴＧおよびＯＤＧが、ともにＨｉｇｈレベルとなった場合の光電変換部におけるポテンシャルの頂点を、読出し部側に偏在させることができ、同様の効果を得ることができる。これを実現するための手段としては、露光制御部の不純物濃度を、読出し部の不純物濃度と異ならせる方法のほか、駆動パルス信号ＯＤＧにＤＣバイアスを重畳させる方法などが挙げられる。

図１１は、実施の形態１に係る光電変換部およびその周辺における水平方向のポテンシャルの分布を表す図である。図１１は、図８のＣ−Ｄ断面におけるポテンシャルの分布を示しており、実線が本実施の形態におけるポテンシャル分布を表し、点線が従来例におけるポテンシャル分布を表している。読出し部のゲートが光電変換部の両側に配置されるため、双方向への電荷転送が可能となるよう、両側のゲート近辺のポテンシャルは平坦となっている。これにより、図１１の（ｂ）に示すように駆動パルス信号ＴＧ１がＨｉｇｈレベルとなった場合、および、図１１の（ｃ）に示すように駆動パルス信号ＴＧ２がＨｉｇｈレベルとなった場合、光電変換部から電荷蓄積部に至る滑らかなポテンシャル傾斜が得られ、光電変換部の電荷を短時間に完全転送することが可能となる。これにより、高速かつ完全に電荷を転送する必要がある測距用固体撮像装置において測距精度の向上を実現できる。

なお、共有されるＦＤから遠い側にある電荷蓄積部である電荷蓄積部３Ａ１と５Ｂ２のゲート電極、および、電荷蓄積部３Ｄ２と５Ｃ１のゲート電極には、同相の駆動パルス信号が印加されるため、ゲートを分離する必要はなく、３Ａ１と５Ｂ２、３Ｄ２と５Ｃ１は同じゲート電極でもよい。これにより、画素内の配線数を減らすことができ、開口面積を拡大できる。また、共通化したゲート電極下の電荷蓄積部の分離については、ＳＴＩで分離しても良いし、注入によって分離してもよい。分離部の幅は図８のＸを２倍した２Ｘであるが、後者の方が分離幅を狭くできるため、電荷蓄積部のゲート長を長くして蓄積部の面積を増やせるため、蓄積電荷量を増やすことができる。

［１−５．変形例］
次に、本発明の実施の形態１の変形例について、図面を参照しながら説明する。

図１２は、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置１００の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。撮像部１０１の複数の画素は、半導体基板上の撮像領域に２次元状に配置され、２つの第１の単位画素である画素６０Ａおよび６０Ｄと、２つの第２の単位画素である画素６０Ｂ及び６０Ｃとが市松状に配置されたものを１つの画素ユニットとしている。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図１２に示すように、本変形例においても、光電変換部、電荷蓄積部、露光制御部、オーバーフロードレイン、読み出し部、および出力部を備えるが、図８で示す振り分け部が存在せず、２つの電荷蓄積部間には、電荷の転送及び阻止を制御する転送制御部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、および１２Ｄが設けられる。

光電変換部の受光領域は、半導体基板を平面視した場合に矩形形状となっている。各単位画素が有する４つの読み出し部の一方の２つのゲート電極は線対称に配置され、かつ、当該４つの読み出し部の他方の２つのゲート電極は線対称に配置されている。さらに、上記一方の２つのゲート電極と上記他方の２つのゲート電極とは、受光領域の外周を構成する平行な２辺上に対向して配置されている。言い換えると、読み出し部は、第１の単位画素、第２の単位画素ともに、各々４つ設けられ、４つの読み出し部のゲート電極は、光電変換部の受光領域の外周を構成する平行な２辺上に、１辺あたり２つ配置され、それら２つのゲート電極は光電変換部に対して互いに対向して配置されている。さらに、読み出し部のゲート電極は、半導体基板を平面視した場合、光電変換部の受光領域の中心を通る中心線Ｈ_Ａ、Ｖ_Ａに対して対称に配置されている。また、露光制御部については、読み出しゲートが配置される辺と直交する２辺に、各々１つ配置され、上記平面視において、それぞれ読み出し部と近接し、かつ中心線Ｈ_Ａに対して互いに対称に配置されている。以下、その動作を説明する。

実施の形態１においては、図３および図４に示すように、第１の露光シーケンスと第２の露光シーケンスで、振り分け部を構成する振り分け制御ゲートに印加する制御信号ＧＡ１、ＧＡ２のＨｉｇｈおよびＬｏｗレベルを、露光シーケンスで変える必要があった。これに対して、本変形例では図１３に示すように、露光期間中は転送制御部に印加されるＶＣ信号がＬｏｗレベルであり、電荷蓄積部間の電荷の転送を阻止する。

図１３は、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の駆動方法における露光シーケンスの構成例を表すタイミングチャートである。

本変形例では、第１の露光シーケンスにおいて、読み出しゲート９Ａ１、９Ｂ２、９Ｃ２、および９Ｄ１に印加される読み出しパルス信号ＴＧ１、読み出しゲート９Ａ３、９Ｂ４、９Ｃ４、および９Ｄ３に印加される読み出しパルス信号ＴＧ３がＨｉｇｈレベルとなり、隣接する光電変換部の電荷を読み出して、振り分け部を介することなく、直接電荷蓄積部に転送し混合する。

第２の露光シーケンスでは、読み出しゲート９Ａ２、９Ｂ１、９Ｃ１、および９Ｄ２に印加される読み出しパルス信号ＴＧ２、読み出しゲート９Ａ４、９Ｂ３、９Ｃ３、および９Ｄ４に印加されるＴＧ４がＨｉｇｈレベルとなり、第１の露光シーケンスと同様に直接電荷蓄積部に光電変換部の電荷を転送し混合する。

本変形例では、振り分け部により電荷蓄積部への電荷の蓄積方向を制御しないため、第１の露光シーケンスから第２の露光シーケンスへの移行時に、振り分け部に印加する制御信号を変更する必要がないため、移行に時間がかからない。さらに、実施の形態１では振り分け回数が多くなると、振り分け制御ゲートに印加する制御信号による消費電力が大きくなるが、本実施例では、第１の露光シーケンスと第２の露光シーケンスとの切り替えが、読み出しゲートに印加する駆動パルス信号で切り替えるのみで可能であるため、消費電力がシーケンスの切り替え回数によらず一定であり、実施の形態１よりも低くできる。そのため、第１の露光シーケンスを１回行った後、第２の露光シーケンスを１回行い、その１セットを繰り返す駆動を常に行う駆動が、モーションブラーを抑制する観点から望ましい。

更に、実施の形態１では振り分け制御ゲートが２つあったのに対して、本変形例では転送制御ゲート１つになるため、電荷蓄積部の面積を増やすことが可能となり、蓄積電荷量を向上できる。

配線については、読み出しゲートに接続される配線がＴＧ１〜ＴＧ４の４つになり、２つ増加するが、振り分け制御ゲートの配線が２つ減少し、転送制御ゲートの配線が１つ増加するため、トータルでは１つの増加に抑制される。

しかしながら、転送制御部と出力部については、電荷蓄積部のゲートがＬｏｗレベルでも転送できるように注入により電位を深くしておくことで、ゲートに基準電位（例えばＧＮＤ）を印加することが可能であり、この場合は配線の増加はなくなる。

また、本変形例では、（式１）（式２）（式３）の説明で述べたように、信号の大小関係によって、背景光成分か当該背景光成分を含む距離演算用信号を含む信号かの判別対象となるＡ０とＡ２、あるいはＡ１とＡ３信号の各組を、同一の光電変換部から取得することができる。このため、各組で背景光成分が同じであり、また光電変換部に欠陥等による暗電流出力があったとしてもそれを差分によりキャンセルすることが可能である利点がある。この利点を生かす場合には、測距レンジ１においては、（式１）を以下の式４とすればよい。

測距レンジ２においては、（式２）を以下の式５とすればよい。

測距レンジ３においては、（式３）を以下の式６とすればよい。

［１−６．複数の画素の配置レイアウト］
次に、複数の画素の配置レイアウトについて説明する。

図１４Ａは、市松配置された画素レイアウトを示す図であり、図１４Ｂはストライプ配置された画素レイアウトを示す図である。図８で示した第１の単位画素（画素５０Ａおよび５０Ｄ）、ならびに、第２の単位画素（画素５０Ｂおよび５０Ｃ）は、それぞれ、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、市松配置、または、ストライプ配置されてもよい。

また、図１５は、市松配置された画素レイアウトにおける距離データの重心を示す図である。図１５では、撮像領域内の距離データ算出の一例として、単位画素から出力される距離演算用信号の演算範囲を点線で示し、それによって算出される距離データの重心を黒丸で示している。

ストライプ配置の場合、水平解像度のみ重視されるアプリケーションにおいて有用であるが、水平および垂直両方の解像度が必要な場合は、図１５に示された市松配置が望ましい。また、図１５に示すように、市松配置の場合には、距離演算後の距離データの重心位置が市松状になるため、市松配列の垂直および水平解像度は、画素ごとに距離データが存在する場合と同等となる。

また、画素ごとに距離データを持つ場合であって本実施の形態と同様の距離範囲を確保するためには、従来では、１画素内の電荷蓄積部および読み出し部の数は、それぞれ、４つ必要となる。更には４つの読み出し部を高速に駆動する必要があるため配線幅も広くなり、これを同じ画素サイズで実現した場合には、開口率が低下する課題があると共に、ドライバ回路の規模も大きくなるという課題がある。更に距離演算用の信号数が倍に増えフレームレートが低下する点を踏まえると、第１の単位画素および第２の単位画素に分けて市松配置し、４つの距離演算用信号を取得する本実施の形態の構成は、特に効率的な構成であると言える。

なお、市松配置の場合におけるＦＤ１０の共有方法については、例えば、図１６に示すような共有配置としてもよい。

図１６は、市松配置の画素レイアウトにおけるＦＤの共有配置レイアウトを表す図である。同図に示すように、ＦＤ共有配置を距離演算範囲に合わせることにより、市松状の距離データに使用される距離演算用信号は、同一のＦＤアンプから出力される。このため、センス容量の画素間バラツキおよびアンプのゲインバラツキの影響を受けずに演算できる。よって、異なるＦＤアンプから出力された距離演算用信号によって距離を算出する場合に比べ、高い距離精度を得ることができる。

図１７は、実施の形態１に係る露光制御部のゲート配線図である。露光制御部のゲート配線（露光制御ゲート配線）には、駆動パルス信号ＯＤＧが印加されるため、撮像領域内の配線容量、ゲート容量および配線抵抗により遅延が生じた場合、演算後の距離が撮像面内で変化し測距精度が悪化する。また、駆動パルス信号ＯＤＧの立ち下がりおよび立ち上がりが遅いと、信号電荷の読み出しが困難になる。そのため、露光制御部のゲート配線は撮像領域の短辺と平行となるよう配線されることが望ましく、更にゲート配線の両側から駆動パルス信号が給電されることが望ましい。

また、本実施の形態において、露光時間を制御する露光制御部のゲートに印加される駆動パルス信号ＯＤＧに、ＤＣバイアスを重畳させてもよい。この効果について、以下説明する。

図１８Ａは、実施の形態１に係る駆動パルス信号ＯＤＧの撮像領域端部における遅延を表す図であり、図１８Ｂは、実施の形態１に係る駆動パルス信号ＯＤＧの撮像領域中央における遅延を表す図である。

駆動パルス信号ＯＤＧのリセットレベルは、モバイル用途等では電源電圧が２．８Ｖであることから、低電圧であることが必要であるが、電源電圧近傍になる場合がある。このリセットレベルをＶｔｈとすると、図１８Ａおよび図１８Ｂの左側（ＤＣバイアス無）で示すように、Ｖｔｈが高い場合、露光ＯＮ期間と露光ＯＦＦ期間のＤｕｔｙが異なり、かつ波形鈍りによって撮像領域端部と中央とでＤｕｔｙがずれる。この状態では、２つの露光ＯＦＦ期間において重なりが生じるため、同一の被写体距離であっても中央と端部とで演算後の算出値が異なる。また、補正するとしても、中央部の重なりを回避するために片方の露光パルスを遅延させた場合、端部では露光ＯＮ期間が離れてしまい、端部での距離演算が出来ない。

これに対して、図１８Ａおよび図１８Ｂの中央（ＤＣバイアス有）で示すように、駆動パルス信号ＯＤＧにＤＣバイアスを与え、Ｖｔｈがパルス幅の振幅中央に配置されるようにする。これにより、撮像領域端部および中央の双方において、Ｄｕｔｙを１：１とすることができる。また、Ｈｉｇｈレベルが読み出しパルスよりも高くなるため、漏れ込みも抑制可能である。

なお、図１８Ａおよび図１８Ｂの右側（Ｖｔｈ調整）で示すように、露光制御部の不純物濃度を読出し部の不純物濃度と異ならせることで露光制御部のポテンシャルを読出し部のポテンシャルよりも高く設定し、ＤＣバイアスと同じ効果を得ることもできる。その際、Ｖｔｈは駆動パルス信号ＯＤＧ振幅の５０％とすることが望ましい。

以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法によれば、測距範囲の拡大と共に測距精度の向上を、小型の固体撮像装置を用いて実現できる。つまり、露光制御パルスの面内遅延を抑制し、独自の露光シーケンスと配線数の低減により、電荷蓄積部を増やしても高い開口率を維持できる。このため、測距精度を落とすことなく距離範囲を向上することが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図１９は、実施の形態２に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。同図に示すように、本実施の形態に係る測距撮像装置は、実施の形態１に係る測距撮像装置１０００と比較して、露光制御部およびオーバーフロードレインが削除されている点が異なる。

実施の形態１で説明したように、２つの露光シーケンスを用いることで、露光制御部を１種類の駆動パルス信号ＯＤＧで制御できるため、実施の形態１のように、オーバーフロードレインおよび露光制御部のゲートで制御する構成に加え、容量結合素子で用いられる垂直オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造を用いた基板シャッターにより露光を制御することも可能である。

従って、ＶＯＤを用いて露光制御を行う場合、図１９に示すように、オーバーフロードレインおよび露光制御部を配置する必要がないため、光電変換部の面積を拡大できる。また、露光制御部およびその配線も削除できることにより、開口率を高めることも可能である。更に、基板シャッターを使用する場合、負荷容量が大きくかつ微細配線を用いる露光制御部のゲートで制御する方式に比べ、負荷容量が少なく、低抵抗基板および低抵抗エピ層を用いることが可能となるため、撮像領域内の露光制御パルスの遅延差を改善できる。また、基板シャッターパルスを発生するドライバ回路を外部に設ける場合は基板裏面からシャッターパルスを印加することも可能であり、その場合露光パルスの面内遅延は殆ど生じない。

実施の形態１の変形例についても、露光制御部を１種類の駆動パルス信号で制御できるため、ＶＯＤ構造を用いた基板シャッターによる露光制御は可能である。図には示していないが、その場合にも図１９と同様に、オーバーフロードレインおよび露光制御部を配置する必要がないため、光電変換部の面積を拡大できる。

以上、実施の形態に係る固体撮像装置によれば、垂直オーバーフロードレインを用いた基板シャッターにより、開口率が高く、面内の距離精度に優れた測距用固体撮像装置を提供することが可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図２０は、実施の形態３に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図２１は、実施の形態３に係る固体撮像装置において画素行ごとに異なる読み出し制御が実行されることを説明する撮像領域の概略平面図である。なお、図２１では、図面の簡略化のために、垂直方向に４画素分、水平方向に４画素分のみを示している。

近赤外光を用いたＴＯＦ方式の測距装置においては、対象物６００の反射率の影響を考慮する必要がある。しかし、反射率の低い対象物６００では反射光が微弱であるため、光源パワーを上げる、あるいは露光期間を長くすることが必要になるが、被写体に反射率の高い対象物６００が同時に存在する場合には、反射率の高い対象物６００の信号を蓄積する電荷蓄積部が飽和してしまい、距離演算用の信号を精度よく算出できない。

これに対して、実施の形態３では、幅広い対象物６００の反射率に対応するために、読み出し部のゲートに印加する駆動パルス信号ＴＧの回数を行毎に変化させ、それによって反射率の高い対象物６００においても電荷蓄積部が飽和しないように読み出し制御を行っている。具体的には、図２０に示すように、２ｊ行の駆動パルス信号ＴＧ１と２ｊ＋１行のＴＧ１との露光回数を異ならせており、また、２ｊ行の駆動パルス信号ＴＧ２と２ｊ＋１行の駆動パルス信号ＴＧ２との露光回数を異ならせている。図２１は、読み出し部のゲート配線（読み出しゲート配線）を横方向としている場合を示しており、行毎に電荷蓄積部に読み出される信号量を調整することが可能である。

なお、図２０に示すように、露光回数が少ない行は、露光期間全体にわたって均等に読み出し回数の間引きを行った方が、例えば露光開始前半に偏って読み出しを行う場合に比べて、同時性を維持できるため望ましい。

以上、実施の形態３に係る固体撮像装置によれば、反射率の大きく異なる対象物６００が混在する環境においても、距離画像を高精度に得ることが可能となる。

（実施の形態４）
実施の形態４に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図２２は、実施の形態４に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。本実施の形態に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と比較して、撮像領域に遮光膜２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃおよび２０Ｄが追加されている点のみが異なる。本実施の形態に係る固体撮像装置は、遮光膜２０Ａが電荷蓄積部２Ａ２および３Ａ１、ならびに振り分け部７Ａ１および７Ａ２を覆うように設けられている。また、遮光膜２０Ｂが電荷蓄積部４Ｂ１および５Ｂ２、ならびに振り分け部７Ｂ１および７Ｂ２を覆うように設けられている。また、遮光膜２０Ｃが電荷蓄積部４Ｃ２および５Ｃ１、ならびに振り分け部７Ｃ１および７Ｃ２を覆うように設けられている。また、遮光膜２０Ｄが電荷蓄積部２Ｄ１および３Ｄ２、ならびに振り分け部７Ｃ１および７Ｃ２を覆うように設けられている。

通常のＭＯＳプロセスのようにメタルの配線層のみでは、上部配線で遮光しても、斜入射光が電荷蓄積部に入り、光電変換されてしまい、耐光性が劣化する、あるいは背景光成分の増大をまねき、距離精度が落ちる。

これに対応すべく、本実施の形態に係る固体撮像装置では、電荷蓄積部および振り分け部を覆う形で遮光膜２０Ａ〜２０Ｄを設け、ＭＯＳプロセスの配線層より低い位置に配置している。一方、露光制御部のゲート上には遮光膜を選択的に配置していない。これにより、高速駆動が要求される露光制御部の寄生容量が増加するのを抑制できる。

以上、実施の形態４に係る固体撮像装置によれば、電荷蓄積部および振り分け部の遮光性が改善するため、耐光性を向上でき、また背景光成分を抑制することで距離精度を向上できる。

（実施の形態５）
実施の形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、実施の形態１〜４との相違点を中心に説明する。

図２３は、実施の形態５に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図であり、図２４は、実施の形態５に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。

本実施の形態に係る測距撮像装置が有する固体撮像装置には、カラーフィルタが設けられ、図２３に示すように、ＲＧＢ−ＩＲ配列を有し、カラー撮像とＩＲ画素を用いた測距との両方を可能としている。本実施の形態に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と異なり、Ｒ、Ｇ、Ｂを隣接画素と加算させることなく独立に読み出すために、読み出し部９Ｒ、９Ｇ、９Ｂを追加している。ＲＧＢ−ＩＲ画素を独立に読み出す場合は、読み出し部９Ｒ、９Ｇ、９Ｂおよび９ＩＲ１のゲートをＯＮにする。画素５０ｉｒ（第１画素）には、実施の形態１と同様に、２つの読み出し部９ＩＲ１および９ＩＲ２を設け、ＴＯＦ動作時には、読み出し部９ＩＲ１および９ＩＲ２に読み出し用の駆動パルス信号ＴＧ１およびＴＧ２を印加し４つの距離演算用信号を取得する。一方、画素５０ｉｒの隣接画素はＩＲ用画素ではないため信号電荷の加算はせず、また画素５０ｉｒの光電変換部１ＩＲから読み出した距離演算用信号は、光電変換部１ＩＲの両側に配置された合計４つの電荷蓄積部３ＩＲ、５ＩＲ、３Ｂおよび５Ｂに蓄積する。また、ＴＯＦ動作時は、ＲＧＢ画素の読み出し部のゲート９Ｒ、９Ｂ、９ＧはＯＦＦとしているため、図２３の画素配列であれば、ＲＧＢ−ＩＲ画素を独立に読み出す際に、Ｂ画素（第３画素）の電荷蓄積部３Ｂおよび５ＢをＴＯＦ動作時に利用する。

図２４に示すように、本実施の形態の駆動方法では、実施の形態１と同様に、露光制御駆動パルス信号ＯＤＧは１種類でよい。また、露光シーケンスは２つに分かれており、第１の露光シーケンスにおいて駆動パルス信号ＴＧ１およびＴＧ２がＨｉｇｈレベルの期間に２つの距離演算用信号を読み出し、読み出された信号はそれぞれ電荷蓄積部５ＩＲ、電荷蓄積部５Ｂに蓄積される。第２の露光シーケンスにおいて、露光制御駆動パルス信号ＯＤＧによる露光タイミングを照射光（ＰＴ）のパルス幅分遅延させ、駆動パルス信号ＯＤＧに対応して駆動パルス信号ＴＧ１およびＴＧ２がＨｉｇｈレベルの期間に２つの信号を読み出し、それぞれ電荷蓄積部３ＩＲ、３Ｂに蓄積される。全画素読み出し時には、読み出し部９Ｒ、９Ｇ、９Ｂおよび９ＩＲ１を用いるが、本構造では１画素に電荷蓄積部が２つあるため、露光期間が異なる２つの信号を取得するダブルシャッター動作を行うことも可能である。

なお、本実施の形態では２つの画素でＦＤ１０を共有しているが、４つの画素で１つのＦＤを共有してもよい。異なる電荷蓄積部のゲートからは共有されたＦＤに個別に信号電荷を転送する必要があるため、２画素のＦＤを共有する場合に比べて、電荷蓄積部のゲートの種類が２つ増えるが、ＴＯＦ動作時の４つの距離演算用信号に対してセンス容量が同一になるため、測距精度が向上できる。

図２５は、実施の形態５に係る固体撮像装置の画素配列の変形例を示す図である。また、図２６は、実施の形態５に係る固体撮像装置の画素レイアウトの変形例を示す図である。図２５に示すような４×４を１単位とするＲＧＢ−ＩＲ配列に対して、図２６に示すように、本実施の形態に係る画素回路の配置構成を適用することも可能である。なお、本変形例の画素配列は一例であり、ＩＲ画素が４×４画素の一単位の中で市松に配置され、全画素数の半数を占めるのが特徴である。この場合も、ＴＯＦ動作時は駆動パルス信号ＴＧ３をＬｏｗにするため、ＲＧＢ−ＩＲ読み出し時に、ＲＧＢ画素で用いていた電荷蓄積部をＩＲ画素の電荷蓄積部に用いることができる。本変形例では、ＩＲ画素数が図２３の場合に比べて倍であるため、ＴＯＦ動作時の解像度が高くできる。更には信号を加算することで距離精度を向上することも可能である。

以上、実施の形態５に係る固体撮像装置によれば、ＲＧＢ−ＩＲ配列においても、４つの電荷蓄積部を用いたＴＯＦ動作が可能であるため、測距範囲と測距精度とを両立し、かつＲＧＢ−ＩＲ画像も取得することが可能となる。

（その他の実施の形態）
以上、本開示の固体撮像装置およびその駆動方法について、上記実施の形態に基づいて説明してきたが、本開示の固体撮像装置およびその駆動方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の固体撮像装置を内蔵した測距撮像装置などの各種機器も本発明に含まれる。

なお、本開示の固体撮像装置では、異なる画素を使用して測距信号を取得する。そのため、（１）オンチップレンズや開口寸法などの製造ばらつきに起因する感度電子数の画素間差、（２）センス容量差などに起因するアンプゲイン差、が測距誤差となる。これに対して、図１４Ａ、図１５および図１６の市松配置に示されるように、ＦＤ共有位置を距離演算範囲内に設ければ、上記（２）は解消できるが、上記（１）は残る。動画であればショットノイズによる測距ばらつきで目立たないが、複数のフレームを用いて平均化することによりショットノイズを抑制する手法を用いた場合は課題となる可能性がある。

この解決手段として、事前に複数フレームを取得し、ショットノイズの影響をなくして感度を平均化し、距離演算範囲内における画素の感度比αを算出し、演算装置側の持たせておく（キャリブレーションを実施）。理想的に、Ａ２＞Ａ０、Ａ３＞Ａ１であれば、距離ＬはＬ∝（Ａ３−Ａ１）／（Ａ２＋Ａ３−Ａ０−Ａ１）であるが、実施の形態１の変形例に示すような構造にて、Ａ１とＡ３の信号を取得する画素と、Ａ０とＡ２の信号を取得する画素との感度比が１：αの場合、理想的な場合に比べ、Ｌ∝（Ａ３−Ａ１）／（αＡ２＋Ａ３−αＡ０−Ａ１）となり、誤差が発生する。そのため、例えば、αを演算処理側に持たせておき、Ｌの算出前に、１／αをＡ０およびＡ２信号に乗じて補正すればよい。

なお、当然のことながら、上記（１）および（２）ともに、プロセスおよび設計技術に依存するため問題にならない場合もある。

本発明に係る測距撮像装置は、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する３次元測定が実現できるため、例えば、人物、建物などの３次元測定に有用である。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｇ、１ＩＲ、１ＩＲａ、１ＩＲｂ、１Ｒ 光電変換部
２Ａ２、２Ｄ１、２Ｇ、２Ｒ、３Ａ１、３Ｂ、３Ｄ２、３ＩＲ、４Ｂ１、４Ｃ２、４Ｇ、４Ｒ、５Ｂ、５Ｂ２、５Ｃ１、５ＩＲ 電荷蓄積部
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｇ、６ＩＲ、６Ｒ 露光制御部
７Ａ１、７Ａ２、７Ｂ１、７Ｂ２、７Ｃ１、７Ｃ２、７Ｄ１、７Ｄ２、７Ｇ１、７Ｇ２、７ＩＲ１、７ＩＲ２、７Ｒ１、７Ｒ２ 振り分け部
８ オーバーフロードレイン
９Ａ１、９Ａ２、９Ａ３、９Ａ４、９Ｂ１、９Ｂ２、９Ｂ３、９Ｂ４、９Ｃ１、９Ｃ２、９Ｃ３、９Ｃ４、９Ｄ１、９Ｄ２、９Ｄ３、９Ｄ４、９Ｇ、９ＩＲ１、９ＩＲ２、９ＩＲａ１、９ＩＲａ２、９ＩＲｂ１、９ＩＲｂ２、９Ｒ 読出し部
１０ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｇ、１１ＩＲ、１１Ｒ 出力部
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ 転送制御部
１３ 増幅トランジスタ
１４ リセットトランジスタ
１５ 選択トランジスタ
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 遮光膜
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０ｂ、５０ｇ、５０ｉｒ、５０ｉｒａ、５０ｉｒｂ、５０ｒ、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ 画素
１００ 固体撮像装置
１０１ 撮像部
１０２ ＡＤ変換部
１０３ タイミング生成部
１０４ シャッタドライバ
２００ 光源ドライバ
３００ ＴＯＦプロセッサ
４００ 光学レンズ
５００ 光源部
６００ 対象物
１０００ 測距撮像装置

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る測距撮像装置は、半導体基板に行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、対象物からの光を受光して当該光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部から前記電荷の読み出しを行う複数の読み出し部と、前記光電変換部の電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記電荷を転送する制御、または前記電荷の転送を阻止する制御からなる転送制御を行う転送制御部と、を備え、前記光電変換部の電荷は、前記読み出し部により前記電荷蓄積部へ読み出され、前記複数の画素は、第１画素と、第２画素とを少なくとも備え、前記転送制御部は、前記第１画素および前記第２画素から読み出されるそれぞれの前記電荷が加算されるように前記転送制御を行うことを特徴とする。

Claims (20)

1. 半導体基板に行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置であって、
   前記複数の画素のそれぞれは、
   対象物からの光を受光して当該光を電荷に変換する光電変換部と、
   前記光電変換部の電荷を排出する電荷排出部と、
   前記光電変換部への前記電荷の蓄積および前記光電変換部からの前記電荷の排出を切り替える露光制御部と、
   前記光電変換部から前記電荷の読み出しを行う複数の読み出し部と、
   前記光電変換部の電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部とを備え、
   前記固体撮像装置は、さらに、
   前記電荷を前記複数の電荷蓄積部のいずれかに振り分ける振り分け部、および、前記複数の電荷蓄積部の間における前記電荷の転送または当該転送の阻止を制御する転送制御部、のいずれかを備える
   固体撮像装置。
2. 前記複数の読み出し部は、２つの読み出し部であり、
   前記複数の電荷蓄積部は、２つの電荷蓄積部であり、
   前記２つの電荷蓄積部は、前記２つの読み出し部の一方により読み出された前記光電変換部の電荷を蓄積し、
   前記振り分け部は、前記２つの読み出し部の一方に隣り合うように、かつ、前記２つの電荷蓄積部の間に配置され、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記２つの電荷蓄積部のいずれかに振り分ける
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記２つの読み出し部、前記振り分け部のそれぞれは、前記半導体基板上に形成されたゲート電極を有し、
   一の画素が有する前記２つの読み出し部の一方の前記ゲート電極は、当該一の画素に隣り合う第１隣接画素が有する２つの読み出し部の一方の前記ゲート電極と前記振り分け部の前記ゲート電極を挟んで配置され、
   前記一の画素が有する前記２つの読み出し部の他方の前記ゲート電極は、当該一の画素と前記第１隣接画素の反対側で隣り合う第２隣接画素が有する２つの読み出し部の一方の前記ゲート電極と、前記第２隣接画素が有する振り分け部の前記ゲート電極を挟んで配置され、
   前記一の画素と前記第１隣接画素とは、前記一の画素の前記振り分け部および前記２つの電荷蓄積部を共用し、
   前記一の画素と前記第２隣接画素とは、前記第２隣接画素の前記振り分け部および前記２つの電荷蓄積部を共用し、
   前記光電変換部の受光領域は、前記半導体基板を平面視した場合に矩形形状となっており、
   前記２つの読み出し部の前記ゲート電極は、前記受光領域の外周を構成する平行な２辺上に対向して配置されている
   請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の読み出し部は、４つの読み出し部であり、
   前記複数の電荷蓄積部は、２つの電荷蓄積部であり、
   前記２つの電荷蓄積部は、前記４つの読み出し部のうち、２つの読み出し部に読み出された前記光電変換部の電荷を蓄積し、
   前記転送制御部は、前記２つの電荷蓄積部の間に配置され、前記２つの電荷蓄積部の一方に蓄積された電荷を前記２つの電荷蓄積部の他方に転送する、または転送を阻止する
   請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記４つの読み出し部、前記転送制御部のそれぞれは、前記半導体基板上に形成されたゲート電極を有し、
   一の画素が有する前記４つの読み出し部の一方の２つの前記ゲート電極は、当該一の画素に隣り合う第１隣接画素が有する４つの読み出し部のうち２つの前記ゲート電極と前記電荷蓄積部の前記ゲート電極を挟んで配置され、
   前記一の画素が有する前記４つの読み出し部の他方の２つの前記ゲート電極は、当該一の画素と前記第１隣接画素の反対側で隣り合う第２隣接画素が有する４つの読み出し部の一方の２つの前記ゲート電極と、前記第２隣接画素が有する前記電荷蓄積部の前記ゲート電極を挟んで配置され、
   前記一の画素と前記第１隣接画素とは、前記一の画素の前記２つの電荷蓄積部を共用し、
   前記一の画素と前記第２隣接画素とは、前記第２隣接画素の前記２つの電荷蓄積部を共用し、
   前記光電変換部の受光領域は、前記半導体基板を平面視した場合に矩形形状となっており、
   前記一の画素が有する前記４つの読み出し部の前記一方の２つの前記ゲート電極は線対称に配置され、かつ、前記一の画素が有する前記４つの読み出し部の前記他方の２つの前記ゲート電極は線対称に配置され、かつ、前記一方の２つの前記ゲート電極と前記他方の２つの前記ゲート電極とは、前記受光領域の外周を構成する平行な２辺上に対向して配置されている
   請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記電荷排出部は、水平オーバーフロードレインで構成され、
   前記露光制御部は、前記半導体基板上に形成された水平オーバーフロードレインゲートで構成され、
   前記水平オーバーフロードレインゲートは、前記複数の読み出し部の前記ゲート電極が配置された前記受光領域の外周を構成する平行な２辺に挟まれ当該２辺と直交する前記受光領域の辺上に配置され、かつ、前記光電変換部の前記受光領域の中心を通り前記２辺に平行な中心線に対して対称に配置されている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. さらに、
   前記２つの電荷蓄積部のいずれかに隣り合って配置され、前記２つの電荷蓄積部で蓄積された電荷を出力するための出力部を備え、
   前記複数の画素のうち隣り合う２つの画素は、さらに、当該２つの画素の前記出力部に隣り合って配置され、前記出力部により出力された前記２つの電荷蓄積部の電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンを共有し、
   前記固体撮像装置は、さらに、
   前記２つの読み出し部および前記振り分け部のそれぞれが有するゲート電極と、前記露光制御部を構成する水平オーバーフロードレインゲートあるいはＶＯＤ構造の基板とに印加される駆動パルス信号を駆動制御する駆動制御部を備え、
   前記複数の画素は、前記振り分け部および前記２つの電荷蓄積部を共用する第１画素および第３画素と、前記振り分け部および前記２つの電荷蓄積部を共用する第２画素および第４画素とを含み、
   前記半導体基板上の撮像領域には、前記第１画素〜前記第４画素で構成された２行２列の画素グループが繰り返し配置されており、
   前記第１画素および前記第２画素は、第１の前記フローティングディフュージョンを共有し、
   前記第３画素および前記第４画素は、第２の前記フローティングディフュージョンを共有し、
   前記第１画素〜前記第４画素のそれぞれは、前記２つの読み出し部として、左側読み出し部と右側読み出し部とを有し、
   前記振り分け部は、前記２つの電荷蓄積部のいずれかに前記光電変換部の電荷を振り分けるための２つの前記ゲート電極を有する
   請求項２に記載の固体撮像装置。
8. さらに、
   前記２つの電荷蓄積部のいずれかに隣り合って配置され、前記２つの電荷蓄積部で蓄積された電荷を出力するための出力部を備え、
   前記複数の画素のうち隣り合う２つの画素は、さらに、当該２つの画素の前記出力部に隣り合って配置され、前記出力部により出力された前記２つの電荷蓄積部の電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンを共有し、
   前記固体撮像装置は、さらに、
   前記４つの読み出し部および前記転送制御部のそれぞれが有するゲート電極と、前記露光制御部を構成する水平オーバーフロードレインゲートあるいはＶＯＤ構造の基板とに印加される駆動パルス信号を駆動制御する駆動制御部を備え、
   前記複数の画素は、前記２つの電荷蓄積部を共用する第１画素および第３画素と、前記２つの電荷蓄積部を共用する第２画素および第４画素とを含み、
   前記半導体基板上の撮像領域には、前記第１画素〜前記第４画素で構成された２行２列の画素グループが繰り返し配置されており、
   前記第１画素および前記第２画素は、第１の前記フローティングディフュージョンを共有し、
   前記第３画素および前記第４画素は、第２の前記フローティングディフュージョンを共有し、
   前記第１画素〜前記第４画素のそれぞれは、前記４つの読み出し部として、２つの左側読み出し部と２つの右側読み出し部とを有し、
   前記転送制御部は、前記２つの電荷蓄積部間の電荷転送を行う、あるいは阻止するための１つの前記ゲート電極を有する
   請求項４に記載の固体撮像装置。
9. 前記露光制御部の露光制御パルス信号には、ＤＣバイアス電圧が重畳されている
   請求項７または８に記載の固体撮像装置。
10. さらに、
    前記駆動制御部から前記露光制御部に露光制御パルス信号を伝達するための露光制御ゲート配線を、画素行ごと、または、画素列ごとに複数備え、
    前記複数の露光制御ゲート配線は、前記複数の画素が配置された領域である前記半導体基板上の撮像領域の短辺と平行となるよう配置されている
    請求項７〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. さらに、
    前記駆動制御部から、前記読み出し部の前記ゲート電極に前記駆動パルス信号を伝達するための読み出しゲート配線を、画素行ごと、または、画素列ごとに複数備え、
    前記読み出しゲート配線がハイレベルとなる回数は、複数の前記読み出しゲート配線間で異なる
    請求項７〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 前記駆動制御部は、さらに、前記第１画素が有する前記２つの電荷蓄積部のうち前記第１のフローティングディフュージョンから遠い側に配置された電荷蓄積部の駆動パルス信号と、前記第２画素が有する前記２つの電荷蓄積部のうち前記第１のフローティングディフュージョンから遠い側に配置された電荷蓄積部の駆動パルス信号とを、同じタイミングで駆動制御する
    請求項７〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
13. 前記第１画素および前記第２画素が有する４つの前記電荷蓄積部を構成するゲート電極のうち、前記第１のフローティングディフュージョンから遠い側の２つの電荷蓄積部を構成する２つのゲート電極が共有され、前記２つの電荷蓄積部のチャネル領域が、注入によるチャネルストップにて分離されている
    請求項７〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
14. 前記第１画素と前記第２画素とは、前記平面視において市松配置されており、
    前記第１のフローティングディフュージョンは、前記平面視において市松配置されている
    請求項７〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
15. 前記第１画素と前記第２画素とは、前記平面視においてストライプ状に配置されており、
    前記第１のフローティングディフュージョンは、前記平面視においてストライプ状に配置されている
    請求項７〜１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
16. 前記駆動制御部は、前記対象物の動作に応じて、第１の露光シーケンスと第２の露光シーケンスそれぞれを連続して繰り返す回数を可変し、
    前記第１の露光シーケンスにおいて、前記第１画素の前記左側読み出し部には第１読み出しパルス信号が印加され、前記第１画素の前記右側読み出し部には第３読み出しパルス信号が印加され、
    前記第２露光シーケンスにおいて、前記第１画素の前記左側読み出し部には第２読み出しパルス信号が印加され、前記第１画素の前記右側読み出し部には前記第４読み出しパルス信号が印加される
    請求項７〜１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
17. 前記複数の画素のそれぞれは、さらに、
    前記２つの電荷蓄積部および前記振り分け部または前記転送制御部が有するゲート電極のそれぞれの少なくとも一部を遮光し、前記露光制御部を遮光しない遮光膜を備える
    請求項１〜１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
18. 前記複数の画素は、前記半導体基板上の撮像領域に、第１画素〜第４画素で構成された２行２列の画素グループが繰り返し配置されて構成され、
    前記第１画素は、赤外光を選択的に受光する画素であり、前記第２画素、前記第３画素および前記第４画素のそれぞれは、赤色光、緑色光および青色光のいずれか１つを選択的に受光する画素である
    請求項２に記載の固体撮像装置。
19. 前記２つの読み出し部は、左側読み出し部および右側読み出し部の少なくとも一方を有し、
    前記第１画素〜前記第４画素は、前記光電変換部から前記２つの電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷の読み出しを行う前記左側読み出し部を備え、
    前記第１画素は、さらに、
    前記光電変換部から前記第３画素の２つの電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷の読み出しを行う前記右側読み出し部を備える
    請求項１８に記載の固体撮像装置。
20. 前記第１画素の光電変換部に対して、前記第１画素および前記第３画素の前記振り分け部ならびに前記２つの電荷蓄積部を共用し、
    前記固体撮像装置は、さらに、
    前記露光制御部、前記読み出し部、および前記振り分け部のそれぞれが有するゲート電極に印加される駆動パルス信号を駆動制御する駆動制御部を備える
    請求項１９に記載の固体撮像装置。

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