KR100682566B1 - 제어 가능한 감도를 가진 수광 장치 및 그러한 수광장치를 이용하는 공간 정보 검출 장치 - Google Patents

제어 가능한 감도를 가진 수광 장치 및 그러한 수광장치를 이용하는 공간 정보 검출 장치 Download PDF

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Abstract

강도변조된 광을 이용하는 공간 정보 검출 장치는, 소정의 변조 신호에 의해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성하는 광전 변환기, 전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 전극에 인가된 전압에 따라 제거하는 전하 제거부, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 저장하는 전하 저장부, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 상기 전하 저장부에 저장된 신호 전하의 비를 변경하기 위해서 상기 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 상기 전극에 인가되는 전압을 제어하는 제어회로, 상기 전하 저장부로부터 신호 전하를 출력시키는 전하 방출기, 및 상기 전하 방출기의 출력으로부터 공간 정보를 결정하는 분석기를 구비한다. 이 장치에 따르면, 처분 가능한 전하는 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 전하 제거부에 의해 미리 제거되기 때문에, S/N비를 향상시켜 공간 정보를 정확하게 결정할 수 있다.
공간 정보 검출 장치, 광전 변환기, 제1 전극, 전하 제거 수단, 전하 저장 수단, 제어 회로, 전하 방출기, 분석기.

Description

제어 가능한 감도를 가진 수광 장치 및 그러한 수광 장치를 이용하는 공간 정보 검출 장치{LIGHT RECEIVING DEVICE WITH CONTROLLABLE SENSITIVITY AND SPATIAL INFORMATION DETECTING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 신규의 감도 제어 방법을 사용하는 수광 장치와, 상기 수광 장치의 기술적 개념에 따른 공간 정보 검출 장치에 관한 것이다.
종래에, 강도변조광을 사용하여 공간 정보를 검출하는 기술이 사용되었다. 즉, 강도변조광은 광원으로부터 공간으로 조사되고, 공간 내의 대상물로부터 반사된 광은 광전 변환기에 의해 수광된다. 공간 정보는 강도변조광과 수광된 광 사이의 관계로부터 결정된다. 본 설명에서, 공간 정보는 대상물로부터의 거리, 대상물 상에서의 반사에 의해 발생된 수광량의 변화 등을 포함한다. 예로서, 거리 정보는 강도변조광과 수광된 광 사이의 위상차로부터 결정될 수 있다. 일반적으로, 이 기술은 “비상 시간(Time-of-Flight)(TOP)" 방법이라고 지칭된다.
예로서, 미국특허 제5,856,667호는 TOF 방법을 사용하는 거리 측정 장치를 기술한다. 이 장치에서, 광원으로부터 방출된 광은 요구되는 변조 주파수(즉, 방출 주파수)를 가진 정현파에 의해 강도변조되고, 광감지부는 변조 주파수의 역수인 주기보다 짧은 주기 내에 복수회 수광된 광의 강도를 검출한다. 수광된 광의 강도의 검출이 한 변조 주기 내에서 4회 반복될 때, 위상차는 수광된 광의 4개의 검출된 강도로부터 결정된다. 예로서, 광원으로부터 대상물로 조사된 광을 20㎒의 무선 주파수 파에 이해 강도변조할 때 , 강도변조광의 파장은 15m이다. 따라서 강도변조광이 장치로부터 7.5m의 거리만큼 이격된 대상물로 가고 또한 되돌아 올때, 한 변조 주기에 대응하는 위상 지연이 발생한다.
광원으로부터 방출된 광이 도 30의 곡선 “W"로 나타내듯이 강도변조되고, 대상물로부터 반사된 변조광이 광 감지부에 의해 수광될 때, 수광된 광의 강도는 예로서 도 30의 곡선 "R"로 나타내듯이 변화된다. 이 경우에, 수광된 광의 4개의 강도(A0, A1, A2, A3)는 4개의 다른 위상(0°, 90°, 180°, 270°)에서 검출될 수 있다. 그러나 현재의 상황에서, 각각의 다른 위상(0°, 90°, 180°, 270°)의 바로 그 순간에 수광된 광의 강도를 검출하는 것은 불가능하다. 실제로, 수광된 광의 각각의 강도는 도 30에 나타내듯이 시간폭(Tw) 내에서 수광된 광의 강도에 대응한다.
위상차 “ψ”가 수광된 광의 강도 (A0, A1, A2, A3)를 샘플링 하는 시간 주기 내에서 변하지 않고, 방출된 광과 수광된 광사이의 감광비(減光比)(light extinction ratio)에 변화가 없다는 가정 하에, 수광된 광의 강도(A0, A1, A2, A3)와 위상차 “ψ”사이의 관계는 다음 식에 의해 표시될 수 있다.
ψ=tan-1{(A3-A1)/(A0-A2)}
그렇게 얻어진 위상차 “ψ”[rad]를 사용하여, 변조 주기 “T"[s], 광속” c"[m/s], 대상물과 장치 사이의 거리 "L"[m]는 다음 식에 의해 계산될 수 있다.
L≒cT(ψ/4π)
상기 기술 개념을 달성하기 위해서, 이 미국 특허는 도 31에 나타낸 영상 센서를 사용할 것을 제안하는데, 그 영상 센서는 각각의 광 감지부(PD)에 제공된 4개의 메모리 셀, 및 각각의 메모리 셀과 광감지부 사이에 배치된 전기 스위치(S0, S1, S2, S3)를 포함한다. 전기 스위치 (S0, S1, S2, S3)는 각각 도 30에 나타낸 바와 같이 짧은 시간폭(Tw) 내에 턴온 되어, 수광된 광의 강도를 메모리 셀(M0, M1, M2, M3) 내에 저장한다. 이러한 절차를 복수의 주기에 대해 반복함으로써, 암전류(暗電流) 노이즈(dark current noise), 쇼트 노이즈(shot noise)(즉, 전자구멍쌍의 발생의 변화에 이해 야기되는 노이즈), 증폭기 회로의 정적 노이즈 등을 감소시키고 S/N비를 개선하는 것이 가능하다. 본 명세서에서, 상기 동작은 “동기화된 통합(synchronized intergration)"이라고 지칭된다.
그러나 전하가 광 감지부에 의해 생성될 때, 그들 중 일부는 전기 스위치를 통해 메모리 셀로 이송되지 않고 잠시 동안 광 감지부 내에 유지될 수 있다. 그러한 잔여 전하는 광 감지부 내의 재조합에 의해 소멸된다. 또는 다른 전기 스위치가 시간폭(Tw) 내에서 턴 온 될 때, 잔여 전하는 전기 스위치를 통해 다른 메모리 셀로 잘못 전달될 수 있다.
예로서, 변조 주파수가 20㎒일 때, 시간폭(Tw)은 50ns의 변조 주기보다 짧은 것이 필요하다. 한편, 잔여 전하가 재조합에 의해 소멸되게 하는데 필요한 시간은 통상적으로 100㎲보다 길다. 따라서 잔여 전하가 다른 메모리 셀로 잘못 전달될 가 능성이 있다. 이것은 잔여 전하가 다른 메모리 셀 내에 저장될 신호 전하 내에 노이즈 성분으로서 혼합되는 것을 뜻한다. 그 결과, 상기 동작에 따라 위상차 “ψ”를 결정할 때, 거리 정보를 검출하는 정확도를 낮게 하는 문제가 있다. 또한, 도 31에 나타내듯이 많은 수의 전기 스위치를 가진 영상 센서를 사용할 때, 거리 측정 장치의 비용/성능을 저하시키는 다른 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 주 목적은, 처분 가능한 전하가 공간 정보를 결정하기 위해 이용된 신호 전하에 노이즈 성분으로서 혼합되는 것을 방지하고, S/N비를 향상시키는 능력을 가진, 강도변조된 광을 이용하는 공간 정보 검출 장치를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 공간 정보 검출 장치는,
소정의 변조 신호에 의해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환기,
제1 전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 제1 전극에 인가된 전압에 따라 제거하는 전하 제거부,
상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 저장하는 전하 저장부,
상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 상기 전하 저장부에 저장된 신호 전하의 비를 변경하기 위해서 상기 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 상기 제1 전극에 인가된 전압을 제어하는 제어회로,
상기 전하 저장부로부터 신호 전하를 출력시키는 전하 방출기, 및
상기 전하 방출기의 출력으로부터 공간 정보를 결정하는 분석기
를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전하 제거부의 제1 전극에 인가된 전압이 변조 신호의 주기에 동기된 타이밍으로 제어되기 때문에, 신호 전하로서 사용되지 않은 잔여 전하, 즉, 광전 변환기에 의해 생성된 전하의 일부가 전하 저장부로 전달되기 전에 처분 가능한 전하로서 확실히 제거될 수 있고, 그 결과 S/N비가 현저히 향상된다는 이점이 있다. 또한, 신호 전하는 광전 변환기에서의 재결합에 의해 잔여 전하가 사라질 수 있게 하는데 필요한 시간의 경과 없이 전하 저장부로 전달될 수 있기 때문에, 고 정확도를 가지고 공간 정보를 효율적으로 결정할 수 있다.
본 발명에서, 상기 전하 저장부는 제2 전극을 구비하고, 상기 제어 회로는 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하 중 필요한 양을 상기 전하 저장 수단에 전달하기 위해 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 일정하게 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 더욱이, 상기 제어 회로는 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하를 상기 전하 저장부로 전달하는 단계와 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하를 상기 제거부로 전달하는 단계 사이에서 교대로 스위칭하기 위해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 인가된 전압을 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분석기는 상기 변조 신호의 주기 내의 상이한 위상에 대해 저장된 신호 전하로부터 거리 정보를 결정하고, 상기 공간 정보 검출 장치는, 상기 변 조 신호의 위상에서 상기 전하 저장부에 신호 전하를 저장하는 동작이 완료될 때마다, 전압이 상기 제1 전극에 인가되는 상기 변조 신호의 위상을 변경하는 위상 스위치를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전하 저장 수단은 신호 전하를 저장하는 영역 근처에 형성된 상기 제2 전극 상에 차광막을 구비하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 이점을 달성할 수 있는, 강도변조된 광을 이용하는 다른 공간 정보 검출 장치를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 공간 정보 검출 장치는,
소정의 변조 신호에 의해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환기,
제1 전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 제1 전극에 인가된 전압에 따라 제거하는 전하 제거부,
제2 전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 상기 제2 전극에 인가된 전압에 따라 저장하는 전하 저장부,
상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 상기 전하 저장부에 저장된 신호 전하의 비를 변경하기 위해서, 상기 제1 전극에 일정한 전압을 인가하는 동안에, 상기 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 상기 제2 전극에 인가된 전압을 제어하는 제어 회로,
상기 전하 저장 부로부터 신호 전하를 출력시키는 전하 방출기, 및
상기 전하 방출기의 출력으로부터 공간 정보를 결정하는 분석기
를 포함한다.
본 발명에 따르면, 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 전하 저장부에 저장될 신호 전하의 비는 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍으로 제2 전극에 인가된 전압을 제어함으로써 변경될 수 있고, 광전 변환기에 의해 생성된 전하의 일부(즉, 잔여 전하)는 제1 전극에 일정한 전압을 인가함으로써 처분 가능한 전하로서 항상 제거된다. 즉, 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 제거하는 동안에, 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 전하 저장부로 전달될 신호 전하의 양을 제어할 수 있다. 따라서 검출 정확도를 저하시키지 않고 공간 정보를 더욱 효율적으로 결정하는 이점이 있다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시예로서, 공간 정보 검출 장치는 복수개의 광전 변환기를 포함하고, 하나의 픽셀을 형성하기 위해 하나의 셋트의 광전 변환기가 상기 광전 변환기로부터 선택된다. 상기 제어 회로는 상기 저장부가 상기 변조 신호의 주기와 동기하여 상이한 위상 중 각각의 위상의 타이밍에서 상기 하나의 셋트의 광전 변환기 각각에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 저장할 수 있게 한다. 상기 전하 방출기는 상기 상이한 위상에 대해 저장된 신호를 동시에 출력한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 동기된 통합과 실질적으로 동일한 동작을 달성하기 위해 변조 신호의 주기와 동기하여 오버플로우 전극에 인가된 제어 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는, 오버플로우 드레인 전극을 구비하는 종래의 CCD 영상 센서를 이용하는 공간 정보 검출 방법을 제공하는 것이다.
즉, 공간 정보 검출 방법은,
상기 CCD 영상 센서가 소정의 변조 신호에 이해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수신할 수 있게 하는 단계,
상기 변조 신호의 주기 내의 상이한 위상 각각에 대해 전하 추출 동작을 복수회 반복함으로써 신호 전하를 저장하는 단계, 및
상기 변조 신호의 상이한 위상에 대해 저장된 신호 전하로부터 공간 정보를 결정하는 단계
를 포함하며,
상기 전하 추출 동작은 상기 CCD 영상 센서의 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 변조 신호의 주기와 동기하여 상기 오버플로우 드레인 전극에 인가된 제어 전압에 따라 제거하는 단계, 및 상기 전하 중 나머지를 상기 CCD 영상 센서의 전하 저장 영역에 신호 전하로서 저장하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 방법에 따르면, 종래의 CCD 영상 센서가 공간 정보를 검출하기 위해 사용될 때에도, 많은 수의 전기 스위치를 사용하는 대신에 변조 신호의 주기에 동기하여 오버플로우 전극에 인가된 제어 전압을 제어함으로써 S/N비를 향상시키고, 공간 정보를 높은 정확도로 효율적으로 얻을 수 있다.
상기 검출 방법에서, 상기 CCD 영상 센서는 적어도 3개의 광전 변환기를 구비하고, 상기 전하 추출 동작은, 상기 적어도 3개의 광전 변환기 중 소정의 광전 변환기에 이해 생성된 전하가 상기 전하 저장 영역에 신호 전하로서 저장되도록, 상기 변조 신호의 주기에 동기하여 상기 오버플로우 드레인 전극에 제어 전압을 인 가하는 단계를 포함하며, 나머지 광전 변환기에 의해 생성된 전하는 처분 가능한 전하로서 제거되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제어 전압은 상기 오버플로우 드레인 전극에 인가되어 상기 소정의 광전 변환기를 상기 나머지 광전 변환기로부터 전기적으로 분리시키는 전위 장벽을 발생시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 공간 정보 검출 장치에 특히 유용한 제어 가능한 감도를 가진 수광 장치를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 수광 소자는,
소정의 변조 신호에 의해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환기,
전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 전극에 인가된 전압에 따라 제거하는 전하 제거부,
상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 저장하는 전하 저장부,
상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 상기 전하 저장부에 저장된 신호 전하의 비를 변경하기 위해서 상기 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 상기 전극에 인가된 전압을 제어하는 감도 제어기, 및
상기 전하 저장부로부터 신호 전하를 출력시키는 전하 방출기
를 포함한다.
본 발명의 이러한 목적과 이점 및 다른 목적과 이점은 첨부된 도면을 참조하 여 아래에 설명된 본 발명을 수행하는 실시예들로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 거리 측정 장치의 블록도이다.
도 2의 A 내지 D는 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정장치의 동작 원리를 설명하는 다이어그램이다.
도 3의 A 내지 D는 본 발명의 제2 실시예에 따른 거리 측정장치의 동작 원리를 설명하는 다이어그램이다.
도 4의 A 내지 D는 본 발명의 제3 실시예에 따른 거리 측정장치의 동작 원리를 설명하는 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 거리 측정장치의 영상 센서의 평면도이다.
도 6은 영상 센서의 해당 부분의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6 또는 도 11의 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 8은 거리 측정 장치의 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 9의 A 내지 C는 거리 측정 장치의 다른 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 거리 측정 장치의 영상 센서의 평면도이다.
도 11은 영상 센서의 해당 부분의 분해 사시도이다.
도 12는 거리 측정 장치의 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 13의 A 내지 C는 거리 측정 장치의 다른 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 14는 본 발명의 제6 실시예에 따른 거리 측정 장치의 영상 센서의 평면도이다.
도 15는 영상 센서의 해당 부분의 사시도이다.
도 16은 거리 측정 장치의 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 17은 거리 측정 장치의 다른 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 18의 A 내지 C는 거리 측정 장치의 또 다른 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 19는 제7 실시예에 따른 거리 측정 장치의 영상 센서의 평면도이다.
도 20은 영상 센서의 해당 부분의 사시도이다.
도 21은 거리 측정 장치의 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 22의 A 내지 C는 거리 측정 장치의 또 다른 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 23의 A 및 B는 본 발명의 제8 실시예에 따른 거리 측정 장치의 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 24의 A 및 B는 본 발명의 제9 실시예에 따른 거리 측정 장치의 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 25의 A 및 B는 각각 전하 저장 단계와 전하 제거 단계에서 게이트 전극 아래에 생성된 전자 전위를 3차원적으로 설명하는 다이어그램이다.
도 26의 A 및 B는 본 발명의 제10 실시예에 따른 거리 측정 장치의 동작을 설명하는 전위 다이어그램이다.
도 27은 본 발명의 제11 실시예에 따른 거리 측정 장치의 사시도이다.
도 28은 본 발명의 제12 실시예에 따른 거리 측정 장치의 영상 센서의 평면도이다.
도 29는 본 발명의 제13 실시예에 따른 거리 측정 장치의 영상 센서의 평면도이다.
도 30은 종래의 거리 측정 장치의 동작 원리를 설명하는 다이어그램이다.
도 31은 종래의 거리 측정 장치에 이용된 영상 센서의 평면도이다.
본 발명의 공간정보 검출장치의 예로서, 대상물에 조사된 강도변조광과 광전 변환기에 의해 수광된 광 사이의 위상차로부터 거리 정보를 결정하는 거리 측정 장치의 바람직한 실시예가 아래에서 상세히 설명된다. 그러나 말할 필요도 없이, 본 발명은 그러한 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명의 기술적 아이디어는 위상차를 이용하는 임의의 장치 또는 디바이스에 이용가능 하다고 이해하여야 한다.
<제1 실시예>
도 1에 나타내듯이, 본 실시예의 거리 측정장치는 광을 요구되는 공간으로 방출하는 광원(2)을 갖는다. 광원(2)으로부터 방출된 광은 제어회로(3)에 의해 소정 변조 주파수로 강도변조 된다. 예로서, 광원(2)으로서, 발광 다이오드(LED)의 어레이 또는 반도체 레이저 및 발산 렌즈의 조합을 사용할 수 있다. 예로서, 제어 회로(3)는 20㎒의 정현파에 의해 광원(2)으로부터 방출된 광을 강도변조한다.
또한, 거리 측정장치는 렌즈(4)와 같은 광 시스템을 통해 공간으로부터 제공된 광을 수광하는 복수의 변환기(11)를 갖는다. 광전 변환기(11)는 각각 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성한다. 예로서, 광다이오드는 광전 변환기(11)로서 사용될 수 있다. 광다이오드의 구조로서 “p-n" 접합구조, ”pin" 구조 및“MIS" 구조가 있다. 이 실시예에서, 100×100 광전 변환기의 행렬 어레이가 영상 센서(1)로 사용된다.
광원(2)의 광이 조사되는 공간의 3차원 정보는 렌즈(4)를 통해 영상 센서(1)의 수광면인 2차원 평면상에 맵핑된다. 예로서, 대상물 “Ob"가 공간에 존재할 때, 대상물의 각각의 점으로부터 반사된 광은 광전 변환기에 의해 수광된다. 광원(2)으로부터 방출된 광과 광전 변환기(11)에 의해 수광된 광 사이의 위상차를 검출함으로써, 장치의 대상물의 각각의 점 사이의 거리가 결정될 수 있다.
광전 변환기(11)에 추가하여, 영상 센서(1)는, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하의 일부를 위상차를 결정하기 위해 사용되는 신호 전하로서 저장하는 전하 저장부(12), 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 신호전하로서 사용되지 않은 처분 가능한 전하를 제거하는 전하 제거부(14), 및 전하 저장부(12)로부터 신호 전하를 영상 센서(1)의 외부로 출력하는 전하 방출기(13)를 구비한다. 전하 저장부(12)는 제1 전극(12a)을 갖는다. 광전 변환기(11)로부터 전하 저장부(12)로 전달된 전하의 양은 제1 전극(12a)에 인가된 전압을 제어함으로써 변화될 수 있다. 또한, 전하 제거부(14)는 제2 전극(14a)을 갖는다. 광전 변환기(11)로부터 전하 제거부 (14)로 전달된 전하의 양은 제2 전극 (14a)에 인가된 전압을 제어함으로써 변경될 수 있다.
전하 저장부(12)는 각각의 광전 변환기(11)에 제공된다. 따라서 전하 저장부(12)의 수는 광전 변환기(11)의 수와 같다. 한편, 전하 제거부(14)는 복수의 광전 변환기의 각각의 세트에 제공될 수 있다. 이 실시예에서, 단일 전하 제거부(14)는 영상 센서(1)의 모든 광전 변환기(11)에 대해 형성된다. 전하 방출기(13)로부터 출력된 신호 전하는 분석기(5)로 보내어진다. 분석기(5)에서, 광원(2)으로부터 조사된 광과 광전 변환기(11)에 의해 수광된 광 사이의 위상차가 결정되고, 장치와 대상물 사이의 거리는 위상차에 따라 결정될 수 있다.
상기와 같이, 대상물 “Ob'로부터의 거리를 결정하기 위해서, 변조신호의 주기와 동기된 타이밍에서 수광된 광의 강도(A0, A1, A2, A3)를 검출하는 것이 요구된다. 변조신호의 특정 위상(예로서 0°, 90°, 180°, 270°)에서 일정한 시간폭 "Tw"(도 30) 내에 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하는 전하 저장부(12)에 신호전하로서 저장된다. 따라서 시간폭“Tw" 내에 생성된 전하의 양을 증가시키고, 대조적으로 시간폭(Tw)이 아닌 나머지 시간 주기에서 생성된 전하의 양을 감소시키며, 이상적으로는 나머지 시간 주기에서 생성된 전하의 양을 제로로 감소시키는 것이 바람직하다. 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하의 양은 광전 변환기(11)에 입사하는 광량에 따라 변하기 때문에, 신호 전하의 증가된 양을 얻기 위해 영상 센서(1)의 감도를 제어하는 것이 요구된다.
영상 센서(1)의 감도를 제어하기 위해, 전하 저장부(12)의 제1 전극(12a)에 인가된 전압의 크기를 적절한 타이밍에서 제어하는 것이 제안될 수 있다. 그러나 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하의 일부, 즉, 신호전하로서 사용되지 않은 잔여 전하는 신호전하 내에 노이즈 성분으로서 혼합될 수 있기 때문에, 제1 전극에 인가된 전압의 크기를 제어하는 것은 충분하지 않다.
본 실시예에서, 각각의 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하의 요구되는 양은 제1 전극(12a)에 인가된 전압의 크기를 일정하기 유지함으로써 대응하는 전하 저장부(1)에 항상 공급된다. 한편, 요구되는 전압은, 신호 전하로서 사용되는 전하가 광전 변환기(11)에 의해 생성되는 신호 전하 생성 주기를 제외하고 전하 제거부(14)의 제2 전극(14a)에 인가되어, 광전 변환기(11)에 의해 신호전하 생성 주기가 아닌 시간 주기에 생성된 전하는 전하 제거부(14)에 처분 가능한 전하로서 보내어진다. 간단히 말해서, 영상 센서(1)의 감도는 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 제2 전극(14a)에 인간된 전압을 변경함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 기본 개념은 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 더욱 상세히 설명된다. 이 설명에서, 광원(2)으로부터 공간으로 조사된 광은 도 2a에 나타낸 변조 신호에 의해 강도변조된다. 예로서, 수광된 광의 강도(예로서, 도 30의 "A0")에 대응하는 전하는 변조 신호의 한 주기 내에서 도 30의 시간폭“Tw"에 대응하는 특정 위상 범위(0 내지 90도)에서 광전 변환기(11)에 의해 생성되고, 전하 저장부(12)에 저장된다. 이 절차는 복수회, 예로서 수만 회 내지 수십만 회(즉, 변조 신호의 수만 주기 내지 수십만 주기) 반복되어, 수광된 광의 강도 ”A0"에 대응하는 신호 전하를 축적한다.
이 경우에, 도 2b에 나타내듯이, 전하 저장부(12)의 제1 전극(12a)에 인가된 전압은 일정하게 유지된다. 한편, 도 2c에 나타내듯이, 요구되는 전압은 신호전하 생성 주기가 아닌 시간주기(90 내지 360도의 위상 범위에 대응한다.) 동안 전하 제거부(14)의 제2 전극(14a)에 인가되어, 시간주기 동안에 광전 변환기에 의해 생성된 전하는 처분 가능한 전하로서 제거된다. 다시 말해서, 전압이 신호전하 생성 주기(0 내지 90도의 위상 범위에 대응한다.) 동안 제2 전극(14a)에 인가되지 않기 때문에, 신호전하 생성 주기 동안에 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하는 전하 저장부(12)에 신호 전하로서 공급된다.
따라서, 이 제어 방법에서, 전하 저장부(12)의 제1 전극(12a)에 전압을 인가하는 단계(도 2b)는 전하 제거부(14)의 제2 전극(14a)에 전압을 인가하는 단계(도 2c)와 부분적으로 중첩된다. 이 전압 제어에 따라, 도 2d에 나타내듯이, 수광된 광의 강도 “A0"에 대응하는 신호전하를 도출하는 것이 가능하다. 이 실시예에서, 데이터 샘플링은 변조 신호의 주기의 매1/4마다 수행된다.
도 2a 내지 도 2d에 나타낸 상기 신호 도출처리는 수광된 광의 강도 "A0"에 대응하는 축적된 신호 전하를 얻기 위해서 수만 회 내지는 수십만 회 반복되고, 다음에는 축적된 신호 전하는 전하 방출기(13)를 통해 분석기(5)로 출력된다. 유사하게, 상기 절차는 수광된 광의 각각의 강도(A0, A1, A2, A3)에 대응하는 축적된 신호전하를 전하 저장부(12)에 저장하도록 수행된다.
따라서, 본 실시예의 영상 센서(1)는 제2 전극(14a)을 가진 전하 제거부(14)를 가지며, 신호 전하로서 사용되지 않은 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하의 일부는 제2 전극(14a)에 인가된 전압을 제어함으로써 처분 가능한 전하로서 확실히 제거되기 때문에, 처분 가능한 전하가 노이즈 성분으로서 신호 전하 내에 혼합되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 신호전하는 변조 신호의 수만 주기 내지 수십만 주기에 걸쳐 축적되기 때문에, 거리 정보를 정확히 결정하는 것이 가능하다. 고감도의 면에서, 예로서, 변조신호가 20㎒로 설정되고, 신호전하가 초당 30 프레임으로 도출될 때, 신호전하를 변조신호의 수십만 주기에 걸쳐 축적하는 것이 가능하다.
상기 설명에서, 일정한 전압은 제2 전극(14a)에 전압을 인가하는 시간주기 동안에 제1전극(12a)에 인가된다. 그러나 제1 및 제2 전극에 인가된 전압들 사이에 크기 관계를 적절히 설정함으로써, 전하를 처분 가능한 전하로서 제거하는 단계 동안에 신호전하가 저장되는 것을 방지할 수 있다.
이 실시예의 수정예로서, 전하 저장부(12)와 전하 제거부(14)의 세트가 매 광전 변환기(11)에 형성될 수 있다. 이 경우에, 변조 신호의 한 주기 내에서 한번에 수광된 광의 4개의 강도(A0, A1, A2, A3)에 대응하는 전하를 얻을 수 있다. 데이터 샘플링의 타이밍에 대해서는, 위상 간격이 미리 설정될 때, 동일하게 이격된 위상 간격을 채택할 필요가 없다.
본 실시예에서, 광원(2)으로부터 방출된 광은 정현파에 의해 강도변조된다. 그러나, 강도변조는 삼각파 또는 톱니파 등 다른 파형을 사용하여 수행될 수도 있다. 또한, 광원(2)으로부터 방출된 광으로서, 가시광이 아닌 적외선 등이 사용될 수 있다. 광전 변환기(11)의 행렬 배열을 가진 영상 센서 대신에, 광전 변환기(11) 의 1차원 배열을 가진 다른 영상 센서가 사용될 수 있다. 또한, 공간에서 한 방향으로만 거리 정보를 측정하거나, 광원(2)으로부터 공간으로 조사된 광 빔을 스캐닝 할 때, 거리 정보를 결정하기 위해 4개의 광전 변환기만 사용하는 영상 센서를 채택할 수 있다. 이 실시예에서, 광전 변환기(11)에는 전하 저장부(12)가 일체로 형성된다. 그러나, 영상 센서(1)의 기능은 분리된 부품을 사용하여 달성될 수 있다.
<제2 실시예>
이 실시예는 도 1에 나타낸 거리 측정 장치의 영상 센서에 대한 다른 감도 제어 방법을 제공한다. 즉, 도 3a 내지 도 3d에 나타내듯이, 제어 방법은 전하 저장부(12)의 제1 전극(12a)에 전압을 인가하는 단계(도 3b)가 전하 제거부(14)의 제2 전극(14a)에 전압을 인가하는 단계(도 3c)와 중첩되지 않는 것을 특징으로 한다.
예로서, 광원(2)으로부터 공간에 조사된 광은 도 3a에 나타낸 변조 신호에 의해 강도변조된다. 도 3b 내지 도 3c는 변조신호의 한 주기 내에서 도 30의 시간폭 "Tw"에 대응하는 특정 위상범위(0 내지 90도)에서 광전 변환기에 이해 생성된 수광된 광의 강도(예로서, 도 30의 “A0")에 대응하는 전하를 검출하는 경우를 설명한다. 도 3b에 나타내듯이, 전압은, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하를 신호 전하로서 전하 저장부(12)로 보내기 위해, 변조 신호의 주기의 매1/4마다, 즉, 변조 신호의 각각의 주기 내의 특정 위상범위(0 내지 90도)에서 제1 전극(12a)에 인가된다.
한편, 도 3c에 나타내듯이, 전압은, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하를 처분 가능한 전하로서 전하 제거부(14)로 보내기 위해, 전압이 제1 전극(12a)에 인 가되는 특정 위상범위(0 내지 90도)가 아닌 나머지 위상 범위(90 내지 360도)에서 제2 전극(14a)에 인가된다. 상기 전압 제어에 따라, 도 3d에 나타내듯이, 수광된 광의 강도“A0"에 대응하는 신호 전하를 도출할 수 있다.
이 실시예에 따라, 이러한 전압들 사이의 크기 관계를 고려하지 않고도 제1 및 제2 전극에 인가된 전극을 개별적으로 고려하지 않고도 제1 및 제2 전극에 인가된 전극을 개별적으로 제어할 수 있고, 따라서, 이러한 전압을 제어하는 것이 쉽게 된다는 이점이 있다. 그 결과, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하에 대한 신호 전하의 비인 감도와, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하에 대한 처분 가능한 전하의 비를 쉽게 제어할 수 있다.
이 실시예에서, 신호 전하를 전하 저장부(12) 내에 저장하는 단계는 제1 전극(12a)에 인가된 전압에 의해 결정되기 때문에, 전압을 제2 전극(14a)에 인가하는 단계를 짧게 할 수 있다. 예로서, 전압은 제1 전극(12a)에 인가되기 직전에 요구되는 시간 주기 동안 제2 전극(14a)에 인가될 수 있다.
<제 3실시예>
이 실시예는 도 1에 나타낸 거리 측정 장치의 영상 센서(1)에 대한 다른 감도 제어 방법을 제공한다. 즉, 도 4a 내지 도 4d에 나타내듯이, 제어 방법은 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하의 일부를 처분 가능한 전하로서 제거하기 위해 일정한 전압이 전하 제거부(14)의 제2 전극(14a)에 항상 인가되고, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하가 전하 저장부(12)의 제1 전극(12a)에 전압을 인가하는 단계에서만 신호 전하로서 전하 저장부(12)에 저장되는 것을 특징으로 한다.
예로서, 광원(2)으로부터 공간으로 조사된 광은 조사된 광은 도 4a에 나타낸 변조 신호에 의해 강도변조 된다. 도 4b 내지 도 4c는 변조신호의 한 주기 내에서 도 30의 시간폭“Tw"에 대응하는 특정 위상범위(0 내지 90도)에서 광전 변환기에 의해 생성된 수광된 광의 강도(예로서, 도 30의 ”A0")에 대응하는 전하를 검출하는 경우를 설명한다. 도 4b에 나타내듯이, 전압은, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하를 신호전하로서 전하 저장부(12)로 보내기 위해, 변조 신호의 주기의 매 1/4마다, 즉, 변조 신호의 각각의 주기 내의 특징 위상 범위(0 내지 90도)에서 제1 전극(12a)에 인가된다.
한편, 도 4c에 나타내듯이, 일정한 DC 전압은, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하를 처분 가능한 전하로서 전하 제거부(14)로 보내기 위해, 항상 제2 전극(14a)에 인가된다. 그러나 상기와 같이, 전압을 제1 전극(12a)에 인가하는 단계에서 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하는 신호전하로서 전하 저장부(12)로 보내어지기 때문에, 도 4d에 나타내듯이 수광된 광의 강도“A0"에 대응하는 신호전하를 도출할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 제1 전극(12a)에 인가된 전압의 유무에 상관없이, 소정 량의 전하가 제2 전극(14a)에 일정 전압을 인가함으로써 전하 제거부(14)로 항상 제거된다. 따라서, 신호 전하로서 사용되지 않은 처분 가능한 전하(잔여 전하)는 전하 제거부(14)에 의해 확실하게 제거될 수 있다.
한편, 광전 변환기(11)에 의해 생성된 전하가 제1 전극(12a)에 전압을 인가함으로써 전하 저장부(12)에 신호 전하로서 저장될 때에도, 소정량의 전하는 전하 제거부(14)로 처분 가능한 전하로서 보내어진다. 따라서, 엄밀한 의미에서 충분한 양의 신호 전하를 전하 저장부(12)에 저장하기 위해서, 제1 및 제2 전극에 인가된 전압 사이의 크기 관계를 고려하는 것이 필요하다. 그러나 실제적 의미에서, 제2 전극에 인가된 전압이 일정하기 때문에, 제1 전극에 인가된 전압만 제어하면 충분하다. 다른 구성 및 동작은 제1 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제 4 실시예>
이 실시예는 도 1의 영상 센서(5)로서, 판매되고 있는, 수직-오버플로우 드레인을 가진 라인간 전달 CCD를 이용하는 경우에 대해 설명한다.
도 5에 도시되듯이, 영상 센서(1)는 3×4 광다이오드(21)의 행렬 배열을 가진 2차원 영상 센서이다. 도면 부호 22는 행렬 배열의 각각의 컬럼의 광다이오드(21)에 인접하여 제공된 수직 전달부를 표시한다. 도면 부호 23은 수직 전달부의 하부측에 제공된 수평 전달 CCD로 구성된 수평 전달부를 나타낸다. 수직 전달부(22) 각각에서, 한 쌍의 게이트 전극(22a, 22b)이 매 광다이오드(21)에 제공된다. 수평 전달부에서, 한 쌍의 게이트 전극(23a, 23b)이 매 수직 전달부(22)에 제공된다.
수직 전달부(22)는 4-상 구동기에 의해 제어되고, 수평 전달부(23)는 2-상 구동기에 의해 제어된다. 즉, 4개의 위상제어 전압(V1 내지 V4)이 수직 전달부(22)의 게이트 전극(22a, 22b)에 인가되고, 2개의 위상제어 전압(VH1, VH2)이 수평 전달부(23)의 게이트 전극(23a, 23b)에 인가된다. 이러한 형태의 구동 기술은 종래의 CCD 분야에서 공지되어 있으므로, 더 이상의 상세 설명은 생략된다.
광다이오드(21), 수직 전달부(22) 및 수평 전달부(23)는 단일 기판(20) 상에 형성된다. 알루미늄 전극인 오버플로우 전극(24)은 도 5에 도시되듯이 광다이오드(21), 수직 전달부(22) 및 수평 전달부(23) 전체를 둘러싸도록 절연막을 통하지 않고 기판(20)상에 직접 형성된다. 양의 전압(Vs)의 요구되는 크기가 오버플로우 전극(24)에 인가될 때, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하(전자)는 오버플로우 전극(24)을 통해 제거된다.
즉, 이 실시예에서, 기판(20)은 오버플로우 드레인의 일부로서 이용된다. 따라서, 오버플로우 드레인이 광전 변환기(11)의 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 제거하기 때문에, 그것은 전하 제거부(14)로서 작용한다. 제거된 처분 가능한 전하의 양은 오버플로우 전극(24)에 인가된 전압에 의해 제거될 수 있다, 따라서, 오버플로우 전극(24)은 제2 전극(14a)으로서 작용한다.
도 6을 참조하여, 영상 센서(1)가 더욱 구체적으로 설명된다. 본 실시예에서, n-형 반도체 기판이 기판(20)으로서 사용된다. p-형 반도체의 p-웰(31)은 수직 전달부(22)의 영역에서의 p-웰의 두께가 광다이오드(21)의 영역에서의 p-웰의 두께보다 크도록 광다이오드(21)와 수직 전달부(22)의 영역 위에 기판(20)의 전체 표면 상에 형성된다. 또한, n+-형 반도체층(32)이 광다이오드(21)의 영역에서 p-웰(31)상에 형성된다. 그 결과, 광다이오드(21)는 n+-형 반도체층(32)과 p-웰(31)에 의해 형성된 p-n 접속으로 구성된다. p+-형 반도체 표면층(33)은 광다이오드(21) 상에 형성된다. 표면층(33)을 형성하는 목적은, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하를 수직 전달부(22)로 보낼 때, n+-형 반도체층(32)의 표면 영역이 전하용 통로로서 작용하는 것을 방지하는 것이다. 이러한 종류의 광다이오드는 매립형 광다이오드로서 공지 되었다.
한편, n-형 반도체의 저장 전달층(34)은 p-웰(31)상의 수직 전달부(22)에 대응하는 영역에 형성된다. 저장 전달층(34)의 상면은 표면층(33)의 상면과 실질적으로 동일 평면이고, 저장 전달층(34)의 두께는 표면층(33)의 두께보다 크다. 저장 전달층(34)의 측면은 표면층(33)과 접촉한다. 표면층(33)과 동일한 불순물 농도를 가진 p+-형 반도체의 분리층(35)은 n+-형 반도체 층(32)과 저장 전달층(34)사이에 형성된다. 게이트 전극(22a, 22b)은 절연막(25)을 통해 저장 전달층(34)상에 형성된다. 게이트 전극(22a)은 절연막(25)에 의해 게이트 전극(22b)으로부터 절연된다. 상기와 같이, 게이트 전극(22a, 22b)은 매 광다이오드(21)에 의해 형성된다. 게이트 전극(22a, 22b) 중 하나는 다른 것보다 넓은 폭을 가진다.
구체적으로는, 도 7에 도시된 바와 같이, 작은 폭을 가진 게이트 전극(22b)은 평면 형상으로 구성되고, 큰 폭을 가진 게이트 전극(22a)은 평면부와, 평면부의 대향 단부로부터 연장되는 한 쌍의 곡선부로 형성된다. 게이트 전극(22a, 22b)은 게이트 전극(22a)의 곡선부가 높이 방향에서 게이트 전극(22b)과 부분적으로 중첩되도록 배치된다. 또한, 게이트 전극(22a)의 평면부의 상면은 게이트 전극(22b)의 상면과 실질적으로 동일 평면이다. 따라서 게이트 전극(22a, 22b)은 수직 전달부(22)의 길이 방향에서 저장 전달층(34)상에 교대로 배치된다. 절연막(25)은 실리콘 산화물로 제조된다. 게이트 전극(22a, 22b)은 폴리 실리콘으로 제조된다. 또한, 광다이오드(21)에 대응하는 영역이 아닌 기판(20)의 표면은 차광막(26)으로 덮인다.
다음에, 상술된 영상 센서(1)를 구동하는 기구가 설명된다. 공간으로부터 제공된 광이 광다이오드(21) 상에 입사할 때, 전하는 광다이오드(21)에 의해 생성된다. 또한, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하에 대한 수직 전달부(22)에 신호 전하로서 공급된 전하의 비는 게이트 전극(22a)에 인가된 전압과 오버플로우 전극(24)에 인가된 전압사이의 관계에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로는, 상술된 비는, 게이트 전극(22a)에 인가된 전압과 게이트 전극(22a)에 전압을 인가하는 시간 주기에 따라 저장 전달층(34)에 형성된 전위 웰의 깊이와, 오버 플로우 전극(24)에 인가된 전압과 오버플로우 전극(24)에 전압을 인가하는 시간 주기에 따라 광다이오드(21)와 기판(20) 사이에 형성된 전위 구배 사이의 관계에 따라 결정된다.
게이트 전극(22a){제1 전극(12a)에 대응한다}과 오버플로우 전극(24){제2 전극(14a)에 대응한다}에 인가된 전극은 제1 내지 제3 실시예에서 설명된 전압 제어 방법 중 하나에 따라 제어될 수 있다. 이 실시예에서, 그러한 전압은 제1 실시예의 방법에 의해 제어되는데, 즉, 게이트 전극(22a)에 전압을 인가하는 도 2A 내지 도 2d에 도시되듯이 오버플로우 전극(24)에 전압을 인가하는 단계와 부분적으로 중첩된다.
광다이오드(21)에 의해 생성된 전하에 대한 수직 전달부(22)에 공급된 전하의 비는 게이트 전극(22a, 22b)에 인가된 전압에 따라 변한다. 즉, 수직 전달부(22)에서, 게이트 전극(22a, 22b)이 절연막(25)을 통해 저장 전달층(34) 상에 형성 되기 때문에, 전위 웰은 게이트 전극(22a, 22b)에 전압을 인가함으로써 게이트 전극(22a, 22b) 각각에 대응하는 영역에서 전장 전달부(34)에 형성된다. 그 결과, 전하는 전위 웰의 깊이 및 폭에 의해 결정되는 용량으로 저장될 수 있다. 따라서 전위 웰은 신호 전하를 저장하는 전하 저장부(12)로서 작용한다.
또한 수직 전달부(22)에 저장된 전하는 게이트 전극(22a, 22b, 23a, 23b)에 인가된 전압의 크기와 각각의 게이트 전극에 전압을 인가하는 타이밍을 제어함으로써 수평 전달부(23)를 통해 분석기(5)로 출력될 수 있다. 따라서, 수직 전달부(22)와 수평 전달부(23)는 전하 방출기(13)로서 작용한다.
예로서, 오버플로우 전극(24)에 인가된 전압을 제어함으로써, 광다이오드(21)에 이해 생성된 전하는, 아래에 기술되는 바와 같이, 수직 전달부(22)로 향해 이동될 수 있다. 즉, 도 8은 도 6의 점선 “L1"을 따른 전자 전위의 변화를 도시하는 개략도이다. 도 8에서 보면 부호 21로 표시되는 영역은 광다이오드에 대응된다. 도 8에서 도면부호 20으로 표시되는 영역은 기판에 대응된다. 도 8에서 도면 부호 22로 표시되는 영역은 수직 전달부에 대응된다. 전압이 오버플로우 전극(24)에 인가되지 않을 때, 전위 장벽 "B1"은 광다이오드(21)와 기판(20) 사이의 p-웰(31)에 의해 형성된다. 또한, 전압이 게이트 전극(22a, 22b)에 인가되지 않을 때, 전위 장벽“B2"는 광디이오드(21)와 수직 전달부(22) 사이의 분리층(35)에 의해 형성된다. 따라서, 전위 장벽 ”B2"의 높이는 오버플로우 전극(24)에 인가된 전압의 크기를 제어함으로써 변화될 수 있다. 도 8에서 “e"는 전자를 표시한다.
도 9a 내지 도 9c는 게이트 전극(22a)과 오버플로우 전극(24)에 인가된 전압 과 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하의 이동 사이의 관계를 도시한다. 도 9a에서, 분리층(35)에 의해 형성된 전위 장벽 “B2"는 게이트 전극(22a)에 비교적 높은 양의 전압(V1)을 인가함으로써 제거되고, 전위 웰(27)은 저장 전달층(34)에 형성된다. 이때에, 비교적 낮은 전압(Vs)은 오버플로우 전극(24)에 인가되어 전위 장벽 "B1"을 형성한다. 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하는 전위 장벽 "B1"의 존재로 인해서 기판(20)으로 향해 이동할 수 없다. 그 결과, 전하는 제거될 수 없고, 따라서 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하는 전위 웰(27)의 용량이 허용하는 만큼 신호 전하로서 수직 전달부(22)로 이동한다.
한편, 도 9b에서, 비교적 높은 양의 전압(V1)은 도 9a에 도시되듯이 게이트 전극(22a)에 인가되고, 비교적 낮은 양의 전압(Vs)은 오버 플로우 전극(24)에 인가된다. 오버플로우 전극(24)에 인가된 전압은 기판(20)의 전위가 수직 전달부(22)의 전위보다 낮도록 결정된다. p-웰(31)에 의해 형성된 전위 장벽 "B1"이 제거되고, 광다이오드(21)에 대한 기판(20)의 전위 구배가 광다이오드(21)에 대한 수직 전달부(22)의 전위 구배보다 크기 때문에, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하의 대부분은 처분 가능한 전하로서 기판(20)으로 이동하고, 다음에는 도 9b의 화살표로 나타내듯이 제거된다.
즉, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하 내의 신호 전하의 비는 도 9a의 경우와 비교하여 현저히 감소된다. 이것은 광전 변환기(11)의 감도의 감소를 뜻한다. 신호 전하와 처분 가능한 전하의 비로서 정의된 감도는 게이트 전극(22a)과 오버플로우 전극(24)에 인가된 전압 사이의 크기 관계에 의해 결정된다. 전하(전자)는 낮 은 전자 전위로 향해 쉽게 이동하기 때문에, 수직 전달부(22)로 공급된 전하는 도 9a에 도시되듯이 광다이오드(21)보다 낮은 전위를 가진 전위 웰(27)에 저장되고, 저장된 전하는 도 9b에 도시되듯이 기판(20)으로 향해 이동될 수 없다.
수직 전달부(22)에 저장된 신호 전하를 판독하기 위해, 인가된 전압(V1)은 게이트 전극(22a)으로부터 제거되어{또는 비교적 작은 전압(Vs)이 게이트 전극(22a)에 인가될 수 있다} 전위 장벽 “B2"을 형성한다. 전위 장벽 "B1"의 형성은 반드시 요구되지는 않는다. 전위 장벽 “B2”를 형성하는 것이 중요하다. 전위 장벽“B2"가 형성되면, 광다이오드(21)로부터 수직 전달부(22)로의 전하의 유입과, 수직 전달부(22)로부터 광다이오드(21)로의 유출이 금지된다. 이러한 상태에서, 수직 전달부(23)내에 저장된 신호 전하는 수평 전달부(23)를 통해 분석기(5)로 보내어진다.
수직 전달부(22)에 저장된 신호 전하는 수광된 광의 하나의 강도(A0～A3)에 대응하는 신호 전하가 검출될 때마다 판독된다. 예로서, 강도“A0"에 대응하는 신호전하가 전위 웰(27)에 저장된 후에, 신호 전하가 판독된다. 다음에, 강도”A1"에 대응하는 신호 전하가 전위 웰(27)에 저장된 후에, 신호 전하가 판독된다. 따라서, 신호전하를 저장 및 판독하는 절차가 반복된다. 수광된 광의 강도(A0～A3)에 대응하는 신호전하를 저장하는 시간 주기가 일정하다는 것은 물론이다. 또한, 수광된 광의 강도(A0～A3)에 대응하는 신호 전하를 판독하는 시퀀스는 상기 경우에 제한되지 않는다. 예로서, 수광된 광의 강도(A0)에 대응하는 신호 전하가 추출된 후에, 수광된 광의 강도(A2)에 대응하는 신호전하가 추출될 수 있다. 다른 구성 및 동작 은 제1 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제5 실시예>
이 실시예는 도 1의 영상 센서(1)로서, 시판되고 있는, 측 방향 - 오버플로우 드레인을 가진 라인간 전달 CCD를 이용하는 경우에 대해 설명한다.
이 실시예의 영상 센서(1)에서, 도 10에 도시되듯이, n-형 반도체의 오버플로우 드레인(41)은 광다이오드(21)의 행렬배열(3×4)의 컬럼 각각에 인접하여 형성된다. 이 경우에, 영상 센서(1)는 3개의 오버플로우 드레인(41)을 갖는다. 오버플로우 드레인(41)은 알루미늄 전극인 오버플로우 전극(24)에 의해 그 상단부에서 서로 접속된다. 수직 전달부(22) 및 수평 전달부(23)는 제4 실시예의 영상 센서(1)의 것과 실질적으로 동일한 기능을 갖는다.
도 11을 참조하여, 영상 센서(1)가 더욱 구체적으로 설명된다. 본 실시예에서, p-형 반도체 기판이 기판(40)으로서 이용된다. n+-형 반도체 층(42)은 광다이오드(21)가 형성된 영역 위에서 기판(40)의 전체 표면에 형성된다. 따라서, 광다이오드(21)는 n+-형 반도체 층(42)과 기판(40)으로 구성된다. 한편, n-형 반도체의 저장 전달층(44)은 수직 전달부(22)가 형성된 영역 위에서 기판(40)의 전체 표면에 형성된다.
p+-형 반도체의 분리층(45a)은 n+-형 반도체 층(42)과 저장 전달층(44) 사이에 형성된다. p+-형 반도체의 분리층(45b)은 n+-형 반도체 층(42)과 오버플로우 드 레인(41) 사이에 형성된다. 도면 부호(43)는 n+-형 반도체 층(42)과 분리층(45a, 45b)상에 형성된 분리층(45a, 45b)과 동일한 불순물 농도를 가진 p+-형 반도체 표면층을 나타낸다. 이 표면층(43)은 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하가 n+-형 반도체 층(42)의 표면을 통해 수직 전달부(22)로 이동하는 것을 방지한다.
저장 전달층(44)의 상면은 표면층(43)과 오버플로우 드레인(41)의 상면과 실질적으로 동일 평면이다. 또한, 오버플로우 드레인(41)의 두께는 n+-형 반도체 층(42)의 두께보다 두껍다. 게이트 전극(22a, 22b)은 절연막(25)을 통해 저장 전달층(44)상에서 매 광다이오드(21)에 형성된다. 게이트 전극(22a,22b) 중 하나는 다른 것보다 폭이 크다. 또한, 광다이오드(21)가 광을 수광할 수 있게 하는 영역이 아닌 영상 센서(1)의 표면은 차광막으로 덮인다. 이것들은 제4 실시예의 영상 센서(1)와 동일하다.
도 11의 점선 “L2"을 따른 전자 전위의 변화를 도시하는 도 12, 도 13a 내지 도 13C, 및 도 8, 도 9 내지 도 9c 사이의 비교로부터 알 수 있듯이, 본 실시예는 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하가 제4 실시예의 기판(20)에 대신하여 오버플로우 드레인(41)에 의해 제거된다는 점에서만 제4 실시예와 상이하다. 또한, 제4 실시예에 따른 수직 오버플로우 드레인을 가진 라인간 전달 CCD의 광다이오드(21)를 구성하는 n+-형 반도체층(32)과 비교할 때, 본 실시예에 따른 측방향-오버플로우 드레인을 가진 라인간 전달 CCD의 광다이오드(21)는 더욱 큰 두께를 가진 n+-형 반도체층(42)에 의해 형성될 수 있다.
즉, 수직 오버플로우 드레인을 형성하는 경우에, 기판(20) 상에 광다이오드(21)를 형성하는 것이 필요하다. 그러나, 측방향-오버플로우 드레인을 형성하는 경우에, 기판(40)이 광다이오드(21)를 구성하는 반도체 층으로 이용되기 때문에, n+-형 반도체 층(42)의 두께를 증가시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 제4 실시예와 비교하여, 적외선에 대한 감도가 향상된다는 이점을 갖는다. 다른 구성 및 성능은 제4 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제6 실시예>
이 실시예는 도 1의 영상 센서(1)로서, 시판되고 있는, 수직 오버플로우 드레인을 가진 프레임 전달 CCD를 이용하는 경우에 대해 설명한다.
도 14에 도시되듯이, 이 실시예의 영상 센서(1)는 광다이오드(21)의 행렬(4×4) 배열을 가진 2차원 영상 센서이다. 이 영상 센서(1)에는 수직 방향으로 정렬된 광다이오드(21)로 각각 구성된 복수의 수직 전달 CCD를 포함하는 영상 픽업부 “D1"와, 영상 픽업부 ”D1"에 인접하여 형성되고 광전 변환 능력을 가지지 않는 수직 전달 CCD의 어레이인 저장부“D2"가 제공된다. 도 14에서, 도면 부호 23는 저장부 "D2"에 인접하여 형성되고, 수평전달 CCD로 구성된 수평 전달부를 표시한다. 수평 전달부는 전하 방출기로서 작용한다.
이 실시예에서, 광다이오드(21)와 수직 전달 CCD는 전하를 저장하고 전하를 수직 방향으로 전달하는 능력을 갖는다. 따라서 영상 픽업부 “D1"와 저장부 ”D2"는 전하 저장부로서 작용한다. 영상 픽업부 “D1"의 컬럼은 각각 4개의 광다이오드(21)를 구비하며, 광다이오드(21)에는 각각 수광면에 수직 방향으로 정렬된 3개의 게이트 전극(21a～21c)이 형성된다. 저장부 ”D2"의 컬럼은 각각 2개의 셋트의 3개의 게이트 전극(28a～28c)을 갖는다. 또한, 수평 전달부(23)에는, 한 쌍의 게이트 전극(23a, 23b)이 제4 실시예의 경우와 같이 저장부 "D2"의 매 컬럼에 형성된다.
게이트 전극(21a～21c)은 6-상 제어 전압 “V1"～"V6"에 의해 구동되고, 게이트 전극(28a～28c)은 3-상 제어 전압 ”VV1"～"VV3"에 의해 구동된다. 게이트 전극(23a, 23b)은 2-상 제어전압 “VH1", "VH2"에 의해 구동된다. 수평 전달부(23)는 신호 전하를 저장부 ”D2"로부터 매 수평 라인마다 출력한다. 이러한 형태의 구동 기술은 CCD의 분야에서 공지되어 있기 때문에, 더 이상의 상세한 설명은 생략된다.
영상 픽업부 “D1", 저장부 "D2" 및 수평 전달부(23)는 단일 기판(50) 상에 형성된다. 알루미늄 전극인 오버플로우 전극(24)은 절연막을 통하지 않고 기판(50)상에 직접 형성된다. 즉, 기판(50)은 오버플로우 드레인으로서 작용한다. 오버플로우 전극(24)은 영상 픽업부 ”D1", 저장부 “D2" 및 수평 전달부(23) 전체를 둘러싸도록 기판 (50)상에 형성된다. 광다이오드(21)에 대응하는 영역이 아닌 기판(50)의 표면은 차광막(도시되지 않음)으로 덮인다.
도 15를 참조하여, 영상 센서(1)가 더욱 구체적으로 설명된다. 본 실시예에서, n-형 반도체 기판이 기판(50)으로서 사용된다. p-형 반도체 층(51)은 광다이오드(21)가 형성되는 영역 위에서 기판(50)의 전체 표면 상에 형성된다. 또한, n-형 반도체의 n-웰(52)은 p-형 반도체층(51)에 형성된다. 3개의 게이트 전극(21a～21c)은 실리콘 2산화물의 절연막(53)을 통해 p-형 반도체 층(51)과 n-웰(52)의 상면에 형성된다. 즉, 이 실시예에서, MIS-형 광다이오드(21)는 n-웰(52), 절연막(53) 및 게이트 전극(21a～21c)에 의해 형성된다. 게이트 전극(21a～21c)은 각각 폴리실리콘으로 제조된다. n-웰(52)은 영상 픽업부“D1"와 저장부”D2"위에 연속적으로 형성된다. 영상 픽업부“D1"의 n-웰(52)에서, 전하가 생성되고, 저장되며 전달되고, 저장부”D2"의 n-웰(52)에서, 전하가 저장되고 전달된다.
다음에, 상기 영상 센서(1)를 구동하는 기구가 설명된다. 공간으로부터 제공된 광이 광다이오드(21)에 입사할 때 , 전하는 광다이오드(21)에 의해 생성된다. 적절한 전압이 게이트 전극(21a～21c)에 인가될 때, 전위 웰이 n-웰(52)에 전하 저장부로서 형성된다. 따라서 생성된 전하는 전위 웰에 저장될 수 있다. 또한, 전위 웰의 깊이는 전하를 전달하기 위해 게이트 전극(21a～21c)에 인가된 전압을 제어함으로서 변화될 수 있다. 한편, 적절한 전압 “Vs"이 오버플로우 전극(24)에 인가될 때, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하는 기판(50)을 통해 제거된다. 따라서 오버 플로우 전극(24)에 인가된 전압과 오버플로우 전극(24)에 전압을 인가하는 시간 주기를 제어함으로써, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하에 대한 n-웰(52)의 전위 웰에 저장된 신호 전하의 비를 변경할 수 있다.
도 15의 점선 “L3"을 따라 전자 전위의 변화를 도시하는 도 16을 참조하여, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하의 이동이 설명된다. 도 16에서 도면 부호 21로 표시된 영역은 광다이오드에 대응한다. 도 16에서 도면 부호(50)로 표시된 영역은 기판에 대응한다. 전압이 오버플로우 전극(24)에 인가되지 않을 때, 전위 장벽 "B3"은 광다이오드(21){n-웰(52)}와 기판(50) 사이에 p-형 반도체 층(51)에 의해 형성된다. 한편, 광다이오드(21)의 반대쪽에, 전위 장벽 "B4"이 p-형 반도체층(51)에 의해 형성되어, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하(전자 "e")가 외부로 유출되는 것을 방지한다. 전위 장벽 "B3"의 높이는 오버플로우 전극(24)에 인다된 전압의 크기를 제어함으로써 변화될 수 있다.
한편, 게이트 전극(21a～21c)에 전압을 인가함으로써 n-웰(52)에 형성된 전위 웰에 저장된 전하의 양은 게이트 전극(21a～21c)에 인가된 전압의 크기를 제어함으로써 변화될 수 있는 전위 웰의 깊이에 따라 결정된다. 즉, 게이트 전극(21b)에 인가된 전압의 크기가 게이트 전극(21a, 21c)에 인가된 전압의 크기보다 높을 때, 전위 웰이 도 17에 도시되듯이 그 중심 영역에 최대 깊이를 갖도록 형성된다.
도 18a 내지 도 18c에 도시되듯이, 기판(50)의 전위가 n-웰(52)의 전위보다 낮도록 적절한 전압을 오버플로우 전극(24)에 인가하고, 전위 방벽“B3"을 제거하기 위해 전압을 게이트 전극(21a, 21c)에 인가하며, 전위 장벽 ”B3"을 형성하기 위해 전압을 게이트 전극(21b)에 인가함으로써, 도 18b에 도시된 전위 웰의 중앙영역에 많은 양의 전하(전자 “e")를 저장하고, 전하를 기판(50)을 통해 도 18a 및 도 18c에 도시된 양 측면 영역에서 제거한다.
한편, 측부 게이트 전극(21a, 21c)에서 발생된 전하의 일부는 전하가 광다이오드(21)에 의해 생성되는 시간 주기 동안에 중앙 게이트 전극(21b)에 대응하는 전위 웰(27)로 노이즈 성분으로서 유입될 수 있다. 또한, 신호 전하는 수광된 광의 하나의 강도(A0, A1, A2, A3)에 대응하는 신호 전하가 검출될 수 있을 때마다 전달되기 때문에, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하는 신호 전하를 전달하는 시간 주기 동안에 노이즈 성분으로서 혼합될 수 있다. 그러나 이러한 노이즈 성분은 적분에 의해 평균화 되고, 위상차“ψ”를 결정하기 위해 수행된 감산에 의해 실질적으로 제거된다. 따라서 이러한 노이즈 성분의 영향은 작게 된다. 그 결과, 프레임 전달 CCD를 이용할 때에도 위상차“ψ”를 정확히 결정할 수 있다.
상기 경우에, 3개의 게이트 전극(21a～21c)은 매 광다이오드(21)에 형성된다. 그러나 하나의 광다이오드에 대응하는 게이트 전극의 수는 이 실시예에 제한되지 않는다. 다른 구성 및 성능은 제4 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제7 실시예>
이 실시예는 도 1의 영상 센서(1)로서, 시판중인, 측방향 오버플로우 드레인을 가진 프레임 전달 CCD를 이용하는 경우에 대해 설명한다.
도 19에 도시되듯이, 이 실시예의 영상 센서(1)는 광다이오드(21)의 행렬(4×4) 배열을 가진 2차원 영상 센서이다, n-형 반도체의 오버플로우 드레인(61)은 광다이오드(21)의 행렬 배열의 컬럼 각각에 대해 형성한다. 이 실시예에서, 영상 센서(1)는 4개의 오버플로우 드레인(61)을 갖는다, 오버플로우 드레인(61)은 알루미늄 전극인 오버플로우 전극(24)에 의해 그 상단부에서 서로 접속된다. 영상 픽업부“D1", 저장부”D2" 및 수평 전달부(23)는 제6 실시예의 영상 센서(1)의 그것들과 동일한 기능을 갖는다.
도 2를 참조하여, 이 실시예의 영상 센서(1)가 더욱 구체적으로 설명된다. 즉, p-형 반도체 기판은 기판(60)으로서 사용된다. p-형 반도체 층(62)은 기판 (60)의 전체 표면에 형성된다. 또한, n-형 반도체의 n-웰(63)은 p-형 반도체 층(62)에 형성된다. 따라서 광다이오드(21)는 p-형 반도체 층(62)과 n-웰(63)로 구성된다. p+-형 반도체의 p+-웰(64)은 p-형 반도체 층(62) 내의 n-웰(63)에 인접하여 형성된다. n-형 반도체의 오버플로우 드레인(61)은 p+-웰(64)의 상면에 형성된다. 따라서, 이 실시예의 영상 센서(1)는 다른 전도형을 가진 기판(60)을 이용하고 오버플로우 드레인(61)을 형성하는 것을 제외하고는 제6 실시예의 영상 센서와 기본적으로 동일한 구조를 갖는다. 제6 실시예와 비교하여, 이 실시예의 영상 센서는 적외선에 대한 더 높은 감도를 갖는다는 이점이 있다.
도 20의 점선 "L4"에 따른 전자 전위의 변화를 도시하는 도 21과 도 16사이의 비교로부터 이해되듯이, 본 실시예는 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하는 제6실시예의 기판(50)에 대신하여 오버플로우 드레인(61)을 통해 제거된다는 점에서 제6 실시예와 다르다. 게이트 전극(21a～21c)에 전압을 인가함으로써 n-웰(63)에 형성된 전위 웰에 저장된 전하의 양은 게이트 전극(21a～21c)에 인가된 전압의 크기를 제어함으로써 변화될 수 있는 전위 웰의 깊이에 의해 결정된다. 즉, 게이트 전극(21b)에 인가된 전압의 크기가 게이트 전극(21a, 21c)에 인가된 전압의 크기보다 높을 때, 중앙 게이트 전극(21b)에 대응하는 전위 웰은 최대 깊이를 갖는다.
적절한 전압이 전위 장벽 “B3"을 낮추도록 오버플로우 전극(24)에 인가 될 때, 전하(전자 ”e")는 도 22b에 도시되듯이 중앙 게이트 전극(21b)에 대응하는 전 위 웰에 저장되고, 측면 게이트 전극(21a. 21c)에 대응하는 영역에서 생성된 전하는 도 22a 및 도 22c에 도시되듯이 오버플로우 드레인(61)에 의해 제거된다. 다른 구성 및 성능은 제6 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제8 실시예>
제6 및 제7 실시예에서 설명되었듯이, 영상 센서(1)로서 프레임 전달 CCD를 이용할 때, 매 광다이오드(21)에 형성된 게이트 전극의 수는 3개로 제한되지 않는다. 이 실시예에서, 4개의 게이트 전극이 매 광다이오드(21)에 형성된다.
도 23a 및 도 23b에서, 도면부호 1～4는 각각 제1, 제2, 제3 및 제4 게이트 전극을 표시한다. 도면부호 1～4의 한 사이클은 하나의 광다이오드(21)에 대응한다. 도 23a는 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하를 저장하는 전하 저장 주기를 도시하고, 도 23은 처분 가능한 전하를 제거하는 전하 제거 주기를 도시한다. 임계치“Th1"는 오버플로우 드레인의 전위를 표시한다.
도 23a에 도시되듯이, 전하 저장 주기에서, 전위 장벽은 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하가 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해서 전하를 제1 게이트 전극(1)에 인가하지 않음으로써, 인접하는 광다이오드(21)사이에 형성된다. 또한, 제2, 제3, 제4 게이트 전극(2～4)에 인가된 전압의 크기가 계단식으로 변할 때 , 깊이가 다른 계단형 전위 웰을 얻을 수 있다, 제3 및 제44 게이트 전극(3, 4)에 대응하는 전위 웰의 영역은 각각 임계치“Th1"보다 높은 전자 전위를 갖는다. 전위 웰은 제2 게이트 전극(2)에 대응하는 영역에서 최대 깊이(최하 전자 전위)를 갖는다. 이 전자 전위는 임계치”Th1"보다 낮기 때문에, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하(전 자“e")는 주로 제2 게이트 전극(2)에 대응하는 영역에 저장된다.
한편, 도 23b에 도시되듯이, 전하 제거 주기에서, 제3 및 제4 게이트 전극(3, 4)에 대응하는 영역의 전자 전위는 전하 저장 주기 내에서 최하 전자전위를 가진 제 2게이트 전극(2)에 대응하는 영역에 저장된 전하의 유출을 방지 하도록 증가된다. 따라서 전하 저장 주기에서 제1, 제3 및 제4 게이트 전극(1, 3, 4)에 대응하는 영역에서 생성된 전하는 오버플로우 드레인과 제 2게이트 전극(2)에 대응하는 영역으로 유입된다. 다시 말해서, 도 23b에 도시된 전하 저장 주기에서, 게이트 전극(1 내지 4)에 인가된 전극은 최하 전자 전위를 가진 제2 게이트 전극(2)에 대응하는 영역을 환경으로부터 전기적으로 차단하기 위해 전위 장벽을 형성하도록 제어된다. 따라서 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하에 대한 제거될 처분 가능한 전하의 비를 전하 제거 주기에 대한 전하 저장 주기의 비를 적절히 제어함으로써 변경할 수 있다. 이것은 감도가 조정 가능한 것을 뜻한다. 다른 구성 및 성능은 제6 또는 제7 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제9 실시예>
이 실시예에서, 6개의 게이트 전극이 매 광다이오드(21)에 형성된다. 도 23a 및 도 24b에서, 도면부호 1 내지 6은 각각 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 게이트 전극을 나타낸다. 도면 부호 1～6의 한 사이클은 하나의 광다이오드(21)에 대응한다. 도 24a는 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하를 저장하는 전하 저장 주기를 도시하고, 도 24b는 처분 가능한 전하를 제거하는 전하 제거 주기를 도시한다. 임계치“Th2"는 오버플로우 드레인의 전위를 표시한다.
도 24a에 도시되듯이, 전하 저장 주기에서, 전위 장벽은 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하가 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해서, 제 1게이트 전극(1)에 전압을 인가하지 않음으로써 인접한 광다이오드(21) 사이에 형성된다. 전위 웰은 제 4게이트 전극(4)에 대응하는 영역에서 최대 깊이를 갖는다. 제2, 제3, 제5, 제6 게이트 전극(2, 3, 5, 6)에 대응하는 영역의 전자 전위는 임계치“TH2"보다 높도록 계단식으로 변한다. 제4 게이트 전극(4)에 대응하는 전우 웰의 영역이 임계치"Th2"보다 낮은 최대 깊이를 갖기 때문에, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하(전자 ”e")는 주로 이 영역에 저장된다.
도 25a는 전하 저장 주기에서 게이트 전극(1 내지 6)에 대응하는 영역의 전자 전위를 3차원적으로 설명하는 도면이다. 이 도면에 표시된 “V1"내지 ”V6"에 대응하고 “LOD"는 오버플로우 드레인(61)에 대응한다. 전압”V2" 및 "V6"이 인가되고 있는 게이트 전극 (2 및 6)에 대응하는 영역에 놓인 전자는 전압 “V3" 및 ”V5"가 인가되고 있는 게이트 전극(3, 5)에 대응하는 영역을 향해 이동한다.
또한, 게이트 전극(3 ,5)에 대응하는 영역에 놓인 전자는 전압“V4"이 인가되고 있는 게이트 전극(4)에 대응하는 영역을 향해 이동한다. 그 결과, 전자는 게이트 전극(4)에 대응하는 전위 웰의 영역에 저장된다.
한편, 도 24b에 도시되듯이, 전자 제거 주기에서, 제2, 제3, 제5, 제6 게이트 전극(2, 3, 5, 6)에 대응하는 영역의 전자 전위는 전하 저장 주기에서 최하 전자 전위를 가진 제 4게이트 전극(4)에 대응하는 영역에 저장된 전하의 유출을 방지 하도록 증가된다. 따라서 전하 저장 주기에서 제1, 제2, 제3, 제5, 제6 게이트 전 극(1, 2, 3, 5, 6)에 대응하는 영역에서 생성된 전하는 오버플로우 드레인과 제 4게이트 전극(4)에 대응하는 영역으로 유입된다.
도 25b는 전하 제거 주기에서 게이트 전극(1 내지 6)에 대응하는 영역의 전자 전위를 3차원적으로 설명하는 도면이다. 전압 "V3" 및 “V5"가 전압 ”V1"과 실질적으로 같수록 감소될 때, 전압 “V4"가 인가되고 있는 게이트 전극(4)에 대응하는 영역은 환경으로부터 전기적으로 차단되어, 영역에 대한 전자의 유입이 금지된다. 또한, 오버플로우 드레인(LOD) 전극의 전자 전위를 전압”V4"가 인가되고 있는 게이트 전극(4)보다 높고, 전압 “V2", "V6"가 인가되고 있는 게이트 전극(2, 6) 보다 낮도록 설정함으로써, 게이트 전극(4)에 대응하는 영역에 저장된 전자를 제거하지 않고도 게이트 전극(2, 6)에 대응하는 영역에서 생성된 전자를 오버플로우 드레인 전극에 버릴 수 있다.
따라서, 제 8실시예의 경우와 같이, 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하에 대한 버려질 처분 가능한 전하의 비를 전하 제거 주기에 대한 저장 주기의 비를 적절히 제어함으로써 변경할 수 있다. 이것은 감도가 조정 가능한 것을 뜻한다. 다른 구성 및 성능은 제6 또는 제7 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제10 실시예>
상기와 같이, 영상 센서(5)로서 프레임 전달 CCD를 이용할 때, 수광된 광의 강도(A0～A3)에 대응하는 신호 전하를 추출하는 시간 주기가 아닌 시간 주기에서 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하는 노이즈 성분으로서 신호 전하에 혼합될 수 있다. 노이즈 성분은 실질적으로 일정하고, 수광된 광의 강도(A0～A3)에 대응하는 신호 전하를 추출하는 시간 주기에 전하를 저장함으로써 평균화된다. 따라서 노이즈 성분을 어느 정도 제거하고, 위상차 “Ψ”를 결정할 수 있다.
그러나 S/N비는 노이즈 성분으로 인해서 감소된다. 예로서, 전하를 저장 또는 전달하는 영역에 더 큰 동적 범위가 필요할 때, 거리 측정 장치의 비용/성능이 저하된다. 본 실시예에서, 도 26a 및 도 26b에 도시되듯이, 차광막(65)은 신호 전하를 저장하는 영역 및 광다이오드(21)의 전하의 생성에 관계없는 영역 상에 형성된다.
도 26a 및 도 26b에서, 제 9실시예의 경우와 같이, 6개의 게이트 전극(1 내지 6)은 매 광다이오드(21)에 형성된다. 구체적으로는, 차광막(65)은 게이트 전극(1, 4)에 대응하는 영역에 형성되어, 전하(전자 “e")는 각각의 광다이오드(21)의 게이트 전극(2, 3, 5, 6)에 대응하는 영역에만 생성된다. 그 결과, 게이트 전극(4)은 전하의 생성에 실질적으로 기여하지 않는다. 다시 말해서, 노이즈 성분은 게이트 전극(4)에 발생하지 않는다. 따라서 차광막(4)을 형성하지 않는 경우와 비교하여, S/N비를 향상시킬 수 있다. 또는, 차광막(65)은 게이트 전극(1, 3, 4, 5)에 대응하는 영역에 형성될 수 있어서, 전하(전자 ”e")는 광다이오드(21)의 게이트 전극(2, 6)에 대응하는 영역에만 생성된다. 다른 구성 및 성능은 제9 실시예와 실질적으로 동일하다.
제4 또는 제10 실시예에서, 제1 및 제2 전극에 전압을 인가하는 타이밍은 제1 실시예에서 설명된 방법에 의해 제어되었다. 또는, 제2 또는 제3 실시예에서 설명된 방법이 이용될 수도 있다.
상기 실시예에서, 전하는 수광된 광의 하나의 강도(A0, A1, A2, A3)에 대응하는 신호 전하가 검출될 때마다 출력된다. 아래에 설명된 영상 센서(1)에 따르면, 수광된 광의 적어도 2개의 강도(A0, A1 A2, A3)에 대응하는 신호 전하를 동시에 검출할 수 있다.
<제11 실시예>
이 실시예에서, 도 19의 오버플로우 드레인을 가진 프레임 전달 CCD의 수정예가 영상 센서(1)로서 이용된다. 즉, 도 27에 도시되듯이, 오버플로우 드레인(61a, 61b)은 교대로 배치되어, 오버플로우 드레인은 각각 매 광다이오드(21)에 형성된다. 따라서 광다이오드(21) 각각에 의해 생성된 전하는 별개로 제거될 수 있다. 광다이오드(21)에 의해 생성된 전하에 대한 전하 저장부의 전위 웰에 공급된 신호 전하의 비는 변조 신호의 주기와 동기하여 오버플로우 드레인(61a, 61b) 각각에 전압을 인가함으로써 변경될 수 있다. 이 실시예에서, 오버플로우 드레인(61a)에 전압을 인가하는 타이밍은 신호 전하를 전달하는 방향에서 인접 오버플로우 드레인(61b)에 전압을 인가하는 타이밍과 180도만큼 상이하다. 따라서 상이한 위상(φ1, φ2)을 가진 2개의 전압을 오버플로우 드레인(61a, 61b)에 인가함으로써, 변조 신호의 서로 180도만큼 상이한 이러한 2개의 위상에 대응하는 신호 전하는 대응 광다이오드(21) 내에 형성된 전위 웰에 각각 저장될 수 있다.
즉, 위상차 “ψ”를 결정하기 위해 필요한 수광된 광의 4개의 강도(A0～A3)중 2개에 대응하는 신호 전하가 동시에 추출될 수 있다. 예로서, 수광된 광의 강도(A0, A3)에 대응하는 신호 전하가 동시에 추출되고, 다음에는 수광된 광의 강도 (A1, A2)에 대응하는 신호 전하가 동시에 추출된다.
이 실시예에서, 신호 전하는 의도된 목적을 가지고 비본질적 전하와 혼합되기 때문에 노이즈 성분이 된다. 그러나 비본질적 전하의 양은 신호 전하보다 훨씬 작기 때문에, 비본질적 전하는 신호 전하와 실질적으로 일정한 비로 혼합된다. 따라서 노이즈 성분은 위상차“ψ”를 결정하는 데에 최소의 영향을 준다. 다른 구성 및 성능은 제7 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제12 실시예>
이 실시예에서, 측방향 오버플로우 드레인을 가진 라인간 전달 CCD의 수정예가 프레임 전달 CCD의 수정예가 프레임 전달 CCD의 수정예 대신에 영상 센서(5)로서 사용된다. 즉, 도 28에 도시되듯이, 오버플로우 드레인(41a, 41b)은 수직 방향으로 정렬된 광다이오드(21)에 인접하여 교대로 배치되어, 오버플로우 드레인은 각각 매 광다이오드(21)에 제공된다. 수직 전달부(22)에서, 3개의 게이트 전극(22a～22c)은 매 광다이오드(21)에 제공된다.
이 영상 센서(1)에서, 전압은 수직 방향으로 인접한 오버플로우 드레인(41a, 41b)에 변조 신호의 상이한 위상에서 인가된다. 또한, 제11 실시예의 경우와 같이, 게이트 전극(22a～22c)은 6개의 위상 제어 전압에 의해 구동된다. 그 결과, 수광된 광의 4개의 강도(A0～A3) 중 2개에 대응하는 신호 전하를 동시에 얻을 수 있다. 다른 구성 및 성능은 제11 실시예와 실질적으로 동일하다.
<제13 실시예>
제 11 및 제12 실시예에서, 3개의 게이트 전극이 매 오버플로우 드레인에 제 공된다. 그러나 매 오버플로우 드레인에 제공된 게이트 전극의 수는 4개 이상일 수도 있다. 또한, 전압이 변조 신호의 위상에 대해 서로 90도 만큼 상이한 4개의 타이밍에서 4개의 상이한 오버플로우 드레인에 인가될 때, 수광된 광의 4개의 광도(A0～A3)에 대응하는 신호 전하를 동시에 얻을 수 있다. 더욱이, 각각의 전압을 인가하는 타이밍은 변조 신호의 주기와 동기된 특정 위상일 수 있다. 전압을 인가하는 타이밍 사이의 간격은 옵션으로서 결정될 수 있다.
상기 실시예에서, 라인간 전달 CCD또는 프레임 전달 CCD가 영상 센서(1)로서 사용되었다. 또한, 도 14의 프레임 전달 CCD의 영상 픽업부“D1"를 도 29에 도시되듯이 광다이오드(21)와 수직 전달부(22)로 대치함으로써 얻어진 프레임 라인간 전달 CCD가 이용될 수 있다. 이 경우에, 프레임 전달 CCD와 비교하여 스미어(smear)(희미함)의 발생을 방지하는 이점이 있다.
상기 실시예에서, 광다이오드의 1차원 배열을 가진 영상 센서가 영상 센서(1) 대신 이용될 수 있다. 또한, 단 하나의 광전 변환기(11)가 제1 실시예에 이용될 수 있다. 상시 실시예에 이용된 분석기는 거리 정보를 제공한다. 그러나 의도된 공간에 관한 정보로서, 위상차“ψ”만 결정 될 수도 있다. 또는, 분석기는 수광된 광의 강도에 따라 의도된 공간에 관한 다른 정보를 결정할 수도 있다.
상기와 같이, 본 발명의 공간 정보 검출 장치에 따르면, 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 전하 제거부의 전극에 인가된 전압을 제어함으로써, 광전 변환기에 의해 생성된 전하 중 신호 전하로서 이용되지 않은 처분 가능한 전하인 잔여 전하를 전하 저장부로 전달되기 전에 확실히 제거하고, 그 결과, S/N비를 현저히 향상시킬 수 있다.
공간 정보 검출 장치를 오버플로우 드레인 전극을 가진 종래의 CCD 영상 센서와 함께 사용하는 경우에, 변조 신호의 주기와 동기하여 오버플로우 전극에 인가된 제어 전압에 따라 CCD영상 센서의 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 제거하고, 나머지 전하를 신호 전하로서 CCD 영상 센서의 전하 저장 영역에 저장함으로써 CCD 영상 센서의 감도를 적절히 제어할 수 있다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 강도변조된 광을 이용하는 공간 정보 검출 장치에 있어서,
    소정의 변조 신호에 의해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환기,
    제1 전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 제1 전극에 인가된 전압에 따라 제거하는 전하 제거 수단,
    상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 저장하는 전하 저장 수단,
    상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 상기 전하 저장 수단에 저장된 신호 전하의 비를 변경하기 위해서, 상기 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 상기 제1 전극에 인가되는 전압을 제어하는 제어 회로,
    상기 전하 저장 수단으로부터 신호 전하를 출력시키는 전하 방출기 및
    상기 전하 방출기의 출력으로부터 공간 정보를 결정하는 분석기
    를 포함하고,
    상기 전하 저장 수단은 제2 전극을 구비하고, 상기 제어 회로는 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하 중 필요한 양을 상기 전하 저장 수단에 전달하기 위해 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 일정하게 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하를 상기 전하 저장 수단으로 전달하는 단계와 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하를 상기 제거 수단으로 전달하는 단계 사이에서 교대로 스위칭하기 위해, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  4. 강도변조된 광을 이용하는 공간 정보 검출 장치에 있어서,
    소정의 변조 신호에 의해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환기,
    제1 전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 제1 전극에 인가된 전압에 따라 제거하는 전하 제거 수단,
    제2 전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 제2 전극에 인가된 전압에 따라 저장하는 전하 저장 수단,
    상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 상기 전하 저장 수단에 저장된 신호 전하의 비를 변경하기 위해서, 상기 제1 전극에 일정한 전압을 인가하는 동안에, 상기 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 상기 제2 전극에 인가되는 전압을 제어하는 제어 회로,
    상기 전하 저장 수단으로부터 신호 전하를 출력시키는 전하 방출기, 및
    상기 전하 방출기의 출력으로부터 공간 정보를 결정하는 분석기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광전 변환기는 복수 개의 광전 변환기이고, 상기 공간 정보 검출 장치는 상기 광전 변환기, 상기 전하 저장 수단 및 상기 전하 방출기를 구비하는 CCD 영상 센서를 포함하며, 상기 CCD 영상 센서는 상기 전하 제거 수단으로서 오버플로우 드레인을 구비하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  6. 강도변조된 광을 이용하는 공간 정보 검출 장치에 있어서,
    소정의 변조 신호에 의해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환기,
    제1 전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 제1 전극에 인가된 전압에 따라 제거하는 전하 제거 수단,
    상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 저장하는 전하 저장 수단,
    상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 상기 전하 저장 수단에 저장된 신호 전하의 비를 변경하기 위해서, 상기 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 상기 제1 전극에 인가되는 전압을 제어하는 제어 회로,
    상기 전하 저장 수단으로부터 신호 전하를 출력시키는 전하 방출기 및
    상기 전하 방출기의 출력으로부터 공간 정보를 결정하는 분석기
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 광전 변환기는 복수개의 광전 변환기이고,
    하나의 픽셀을 형성하기 위해 하나의 셋트의 광전 변환기가 상기 복수개의 광전 변환기로부터 선택되며,
    상기 제어 회로는, 상기 전하 저장 수단으로 하여금 상기 변조 신호의 주기와 동기하여 상이한 위상의 타이밍마다 상기 한 셋트의 광전 변환기 각각에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 저장할 수 있게 하고
    상기 전하 방출기는 상기 상이한 위상에 대해 저장된 신호 전하를 동시에 출력하는
    것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 전하 저장 수단은 신호 전하를 저장하는 영역 근처에 형성된 상기 제2 전극 상에 차광막을 구비하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  8. 제2 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 분석기는, 상기 변조 신호의 상이한 위상에 대해 저장된 신호 전하로부터, 상기 공간에 조사된 광과 상기 광전 변환기에 의해 수광된 광 사이의 위상차를 결정하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 분석기는 상기 위상차를 거리 정보로 변환하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  10. 제2 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 분석기는 상기 변조 신호의 주기 내의 상이한 위상에 대해 저장된 신호 전하로부터 거리 정보를 결정하고, 상기 공간 정보 검출 장치는, 상기 변조 신호의 위상에서 상기 전하 저장 수단에 신호 전하를 저장하는 동작이 완료될 때마다, 전압이 상기 제1 전극에 인가되는 시점인 상기 변조 신호의 위상을 변경하는 위상 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 장치.
  11. 오버플로우 드레인 전극을 구비하는 CCD 영상 센서를 이용하는 공간 정보 검출 방법에 있어서,
    상기 CCD 영상 센서로 하여금 소정의 변조 신호에 의해 강도변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수신하도록 하는 단계,
    상기 변조 신호의 주기 내의 상이한 위상 각각에 대해 전하 추출 동작을 복수회 반복함으로써 신호 전하를 저장하는 단계, 및
    상기 변조 신호의 상이한 위상에 대해 저장된 신호 전하로부터 공간 정보를 결정하는 단계
    를 포함하며,
    상기 전하 추출 동작은, 상기 CCD 영상 센서의 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 변조 신호의 주기와 동기하여 상기 오버플로우 드레인 전극에 인가된 제어 전압에 따라 제거하는 단계, 및 상기 전하 중 나머지를 상기 CCD 영상 센서의 전하 저장 영역에 신호 전하로서 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 CCD 영상 센서는 라인간 전달 CCD 영상 센서(interline transfer CCD image sensor)인 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 방법
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 CCD 영상 센서는 프레임 전달 CCD 영상 센서(frame transfer CCD image sensor)인 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 방법
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 CCD 영상 센서는 적어도 3개의 광전 변환기를 구비하고, 상기 전하 추출 동작은, 상기 적어도 3개의 광전 변환기 중 소정의 광전 변환기에 의해 생성된 전하가 상기 전하 저장 영역에 신호 전하로서 저장되도록, 상기 변조 신호의 주기에 동기하여 상기 오버플로우 드레인 전극에 제어 전압을 인가하는 단계를 포함하며, 나머지 광전 변환기에 의해 생성된 전하는 처분 가능한 전하로서 제거되는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제어 전압은 상기 오버플로우 드레인 전극에 인가되어 상기 소정의 광전 변환기를 상기 나머지 광전 변환기로부터 전기적으로 분리시키는 전위 장벽을 발생시키는 것을 특징으로 하는 공간 정보 검출 방법.
  16. 제어 가능한 감도를 가진 수광 소자에 있어서,
    소정의 변조 신호에 의해 변조된 광이 조사되는 공간으로부터 제공된 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 양의 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환기,
    전극을 구비하며, 상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 처분 가능한 전하를 상기 전극에 인가된 전압에 따라 제거하는 전하 제거 수단,
    상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하로부터 신호 전하를 저장하는 전하 저장 수단,
    상기 광전 변환기에 의해 생성된 전하에 대한 상기 전하 저장 수단에 저장된 신호 전하의 비를 변경하기 위해서 상기 변조 신호의 주기와 동기된 타이밍에서 상기 전극에 인가되는 전압을 제어하는 감도 제어기, 및
    상기 전하 저장 수단으로부터 신호 전하를 출력시키는 전하 방출기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수광소자.
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