KR102280089B1 - 측거 장치 및 측거 장치의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

측거 장치(10)에서는, 제어부(CONT)가 프레임 주기 TF 마다, 제1 펄스 전송 신호 S1와 제2 펄스 전송 신호 S2의 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣어, 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2를 출력함과 아울러, 연산부(ART)가 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서의, 위상이 같게 되는 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2에 따라 제1 전하 축적 영역(FD1)과 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 합계 전하량 Q1, Q2에 기초하여 대상물(OJ)까지의 거리 d를 연산한다.

Description

측거 장치 및 측거 장치의 구동 방법{DISTANCE-MEASUREMENT DEVICE AND METHOD FOR POWERING DISTANCE-MEASUREMENT DEVICE}
본 발명은 측거(測距) 장치 및 측거 장치의 구동 방법에 관한 것이다.
TOF(Time-Of-Flight)형 거리 화상 센서를 구비하는 측거 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 특허 문헌 1에 기재된 측거 장치에서는, 복수의 거리 센서가 일차원 방향으로 배치되어 있다. 각 거리 센서는 사각형의 전하 발생 영역과, 한 쌍의 전송 전극과, 한 쌍의 전하 축적 영역을 포함하고 있다. 한 쌍의 전송 전극은 전하 발생 영역의 한 쌍의 대향하는 2변(邊)을 따라서 각각 마련되어 있다. 한 쌍의 전하 축적 영역은 전송 전극에 의해 전송된 신호 전하를 각각 축적한다.
이 측거 장치에서는, 각 전송 전극이 전하 발생 영역에 발생한 전하를 신호 전하로서 위상이 상이한 전송 신호에 따라 각 전하 축적 영역에 배분한다. 배분된 신호 전하는 대응하는 각 전하 축적 영역에 각각 축적된다. 각 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하는, 축적된 전하량에 대응한 출력으로서 판독된다. 이들 출력의 비율에 기초하여, 대상물까지의 거리가 산출된다.
특허 문헌 1: 국제 공개 제2007/026779호 팜플렛
본 발명자 등의 조사 연구의 결과, 상기 특허 문헌 1에 기재된 것 같은 측거 장치에서는, 측정 거리가 동등해야 하는 두 개의 거리 센서에 있어서, 측정 거리가 거리 센서에 따라서 상이한 경우가 있는 것이 밝혀졌다.
본 발명은 측정 거리가 동등해야 하는 두 개의 거리 센서에 있어서의 측정 거리의 상이함을 저감시키는 측거 장치 및 측거 장치의 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자 등은 측정 거리가 동등해야 하는 두 개의 거리 센서에 있어서의 측정 거리의 상이함을 저감시키는 측거 장치 및 측거 장치의 구동 방법에 대해서, 조사 연구를 행했다. 그 결과, 본 발명자 등은 이하의 사실을 발견했다.
상기 특허 문헌 1에 기재된 것 같은 측거 장치에서는, 광이 입사된 거리 센서(이하, 입사 거리 센서라고 칭함) 이외의 다른 거리 센서에서도 신호가 검출되는 경우가 있다. 이것은 입사 거리 센서의 전하 발생 영역에서 생성된 전하가, 다른 거리 센서의 각 전하 축적 영역에 유입되는 크로스톡이 생기기 때문이라고 생각할 수 있다. 다른 거리 센서의 각 전하 축적 영역으로의 크로스톡의 영향은, 당해 각 전하 축적 영역의 배치에 따라서 상이하다. 다른 거리 센서의 각 전하 축적 영역의 배치가 입사 거리 센서측인지 여부에 따라서, 크로스톡의 영향은 상이하다. 즉, 다른 거리 센서에 있어서 광입사 거리 센서측에 배치되는 전하 축적 영역에서는, 크로스톡의 영향이 크다. 광입사 거리 센서측과는 반대측에 배치되는 전하 축적 영역에서는, 크로스톡의 영향이 작다.
전하 배분 방식의 거리 센서에서는, 상기와 같이, 각 전하 축적 영역의 출력의 비율에 기초하여, 대상물까지의 거리가 산출된다. 이 때문에, 주위의 거리 센서로부터 각 전하 축적 영역에 전하의 누설에 의한 유입이 있으면, 거리 센서로 산출되는 거리가 변화한다. 예를 들면, 광이 입사된 두 개의 거리 센서의 각 전하 축적 영역에 있어서, 한쪽의 위상의 전송 신호에 따라서 배분되는 전하량과, 다른 쪽의 위상에 따라서 배분되는 전하량이 같게 되는 경우에도, 크로스톡의 영향이 상이하기 때문에, 측정 거리가 상이한 경우가 있다. 즉, 2개의 광입사 거리 센서에 있어서, 측정 거리가 동등해야 하는 경우에도, 같은 위상의 전송 신호에 따라 신호 전하를 축적하는 각 전하 축적 영역끼리의 배치가, 다른 한쪽의 광입사 거리 센서측인지 여부에서 서로 상이한 경우는, 측정 거리가 거리 센서에 따라서 상이할 수 있다.
본 발명자 등은 스스로 발견한 이와 같은 사실에 주목하여, 측정 거리가 동등해야 하는 두 개의 거리 센서에 있어서의 측정 거리의 상이함을 저감시키는 구성에 대해 더욱 열심히 연구를 행하여, 본 발명을 생각하기에 이르렀다.
본 발명의 일 형태에 따른 측거 장치는 거리 화상 센서와, 제어부와, 연산부를 구비한다. 거리 화상 센서는 복수의 거리 센서가 일차원 방향으로 배치되어 있는 거리 화상 센서이다. 거리 센서는 대상물을 향해서 펄스광을 프레임 주기마다 출사하도록 광원을 구동하는 구동부와, 대상물에서의 펄스광의 반사광의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과, 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 일차원 방향으로 전하 발생 영역을 사이에 두고 배치되어, 전하를 축적하는 제1 및 제2 전하 축적 영역과, 제1 전하 축적 영역과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어 있는 제1 전송 전극과, 제2 전하 축적 영역과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어 있는 제2 전송 전극을 가지고 있다. 구동부는 펄스광의 출사와 동기하도록, 프레임 주기마다, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제1 전하 축적 영역에 유입시키도록, 제1 펄스 전송 신호를 제1 전송 전극에 출력하고, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제2 전하 축적 영역에 유입시키도록, 제1 펄스 전송 신호와 위상이 상이한 제2 펄스 전송 신호를 제2 전송 전극에 출력한다. 연산부는 프레임 주기마다, 제1 및 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하를 각각 판독하고, 판독한 신호 전하에 기초하여 대상물까지의 거리를 연산한다. 제어부는 프레임 주기마다, 제1 펄스 전송 신호와 제2 펄스 전송 신호의 시계열로의 순서를 교호(交互)로 바꿔 넣어, 제1 및 제2 펄스 전송 신호를 출력한다. 연산부는 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기에 있어서의, 위상이 같게 되는 제1 및 제2 펄스 전송 신호에 따라 제1 전하 축적 영역과 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 합계 전하량에 기초하여 대상물까지의 거리를 연산한다.
본 발명의 일 형태에 따른 측거 장치의 구동 방법은 대상물을 향해서 펄스광을 출사하는 광원과, 복수의 거리 센서가 일차원 방향으로 배치되어 있는 거리 화상 센서를 구비하는 측거 장치의 구동 방법이다. 거리 센서는 대상물에서의 펄스광의 반사광의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과, 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 일차원 방향으로 전하 발생 영역을 사이에 두고 배치되어, 전하를 축적하는 제1 및 제2 전하 축적 영역과, 제1 전하 축적 영역과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어 있는 제1 전송 전극과, 제2 전하 축적 영역과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어 있는 제2 전송 전극을 가진다. 본 형태에 따른 측거 장치의 구동 방법에서는, 펄스광을 프레임 주기마다 출사하도록 광원을 구동하고, 펄스광의 출사와 동기하도록, 프레임 주기마다, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제1 전하 축적 영역에 유입시키도록, 제1 펄스 전송 신호를 제1 전송 전극에 출력하고, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제2 전하 축적 영역에 유입시키도록, 제1 펄스 전송 신호와 위상이 상이한 제2 펄스 전송 신호를 제2 전송 전극에 출력하고, 프레임 주기마다, 제1 및 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하를 각각 판독하고, 판독한 신호 전하에 기초하여 대상물까지의 거리를 연산하고, 제1 및 제2 펄스 전송 신호를 출력할 때, 프레임 주기마다, 제1 펄스 전송 신호와 제2 펄스 전송 신호의 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣어, 제1 및 제2 펄스 전송 신호를 출력하고, 대상물까지의 거리를 연산할 때, 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기에 있어서의, 위상이 같게 되는 제1 및 제2 펄스 전송 신호에 따라 제1 전하 축적 영역과 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 합계 전하량에 기초하여 대상물까지의 거리를 연산한다.
본 형태에서는, 프레임 주기마다, 광원으로부터 펄스광이 출사되고, 대상물에서의 펄스광의 반사광이 거리 화상 센서에 입사된다. 거리 화상 센서에서는 전하 발생 영역과, 일차원 방향으로 전하 발생 영역을 사이에 두고 배치되는 제1 및 제2 전하 축적 영역을 가지는 복수의 거리 센서가 일차원 방향으로 배치되어 있다. 반사광이 입사된 거리 센서에서는, 반사광에 따라 전하가 전하 발생 영역에 발생한다. 발생한 전하는 프레임 주기마다, 제1 및 제2 펄스 전송 신호에 따라 제1 및 제2 전하 축적 영역에 신호 전하로서 축적된다. 제1 및 제2 펄스 전송 신호는 위상이 서로 상이하고, 또한 프레임 주기마다 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣어 출력된다. 이 때문에, 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기에 있어서, 한쪽의 프레임 주기에서는, 제1 전하 축적 영역에 신호 전하가 축적된 후에, 제2 전하 축적 영역에 신호 전하가 축적된다. 또, 다른 쪽의 프레임 주기에서는, 제2 전하 축적 영역에 신호 전하가 축적된 후에, 제1 전하 축적 영역에 신호 전하가 축적된다. 대상물까지의 거리는, 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기에 있어서의, 위상이 같게 되는 제1 및 제2 펄스 전송 신호에 따라 제1 전하 축적 영역과 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 합계 전하량에 기초하여 연산된다. 이들의 합계 전하량이 대상물까지의 거리의 연산에 이용되므로, 다른 거리 센서로부터 제1 및 제2 전하 축적 영역에 누설되어 유입되는 전하량이 서로 상이한 경우에도, 전하의 누설에 의한 유입에 의한 영향이 한쪽 위상의 펄스 전송 신호에 따른 합계 전하량과, 다른 쪽 위상의 펄스 전송 신호에 따른 합계 전하량에 밸런스 좋게 분배된다. 이 결과, 일차원 방향에서 서로 이웃하는 거리 센서끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같아진다. 이것에 의해, 측정 거리가 동등해야 하는 두 개의 거리 센서에 있어서, 측정 거리의 상이함을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 측정 거리가 동등해야 하는 두 개의 거리 센서에 있어서의 측정 거리의 상이함을 저감시키는 측거 장치 및 측거 장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 측거 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2는 거리 화상 센서의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 거리 화상 센서의 구성도이다.
도 4는 도 3에 있어서의 IV－IV선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 반도체 기판의 제2 주면(主面) 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 거리 센서에 있어서의 전하의 누설에 의한 유입에 대해 설명하는 도면이다.
도 7은 각종 신호의 타이밍 차트이다.
도 8은 종래의 측거 장치에 있어서의 각종 신호의 타이밍 차트이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 가지는 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 측거 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
측거 장치(10)는 대상물(OJ)까지의 거리 d를 측정하는 장치이다. 측거 장치(10)는 거리 화상 센서(RS)와, 광원(LS)과, 표시기(DSP)와, 제어 유닛을 구비하고 있다. 제어 유닛은 구동부(DRV)와, 제어부(CONT)와, 연산부(ART)를 구비하고 있다. 광원(LS)은 대상물(OJ)을 향해서 펄스광 Lp을 출사한다. 광원(LS)은 예를 들면, 레이저광 조사 장치, LED 등으로 구성된다. 거리 화상 센서(RS)는 TOF형 거리 화상 센서이다. 거리 화상 센서(RS)는 배선 기판(WB)상에 배치되어 있다.
제어 유닛(구동부(DRV), 제어부(CONT) 및 연산부(ART))은 CPU(Central Processing Unit) 등의 연산 회로, RAM(Random Access Memory) 및 ROM(Read Only Memory) 등의 메모리, 전원 회로 및 A/D컨버터를 포함하는 판독 회로 등의 하드웨어에 의해서 구성되어 있다. 이 제어 유닛은 일부 혹은 전체가 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 등의 집적 회로에 의해서 구성되어 있어도 된다.
구동부(DRV)는 제어부(CONT)의 제어에 따라서 광원(LS)에 구동 신호 SD를 인가한다. 이것에 의해, 구동부(DRV)는 대상물(OJ)을 향해서 펄스광 Lp을 프레임 주기마다 출사하도록 광원(LS)을 구동한다. 제어부(CONT)는 구동부(DRV)를 제어함과 아울러, 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2를 거리 화상 센서(RS)에 출력한다. 제어부(CONT)는 추가로, 연산부(ART)의 연산 결과를 표시기(DSP)에 표시시킨다. 연산부(ART)는 거리 화상 센서(RS)로부터 신호 전하의 전하량 q1, q2을 각각 판독하고, 판독한 전하량 q1, q2에 기초하여 거리 d를 연산한다. 연산부(ART)는 연산 결과를 제어부(CONT)에 출력한다. 거리 d의 연산 방법의 상세한 것에 대하여는, 도 7을 참조하여 다음에서 설명한다. 표시기(DSP)는 제어부(CONT)로부터 연산부(ART)의 연산 결과를 입력받아, 당해 연산 결과를 표시하는 디스플레이이다.
측거 장치(10)에서는, 구동 신호 SD가 광원(LS)에 인가됨으로써, 펄스광 Lp이 프레임 주기마다 광원(LS)으로부터 출사된다. 광원(LS)으로부터 출사된 펄스광 Lp이 대상물(OJ)에 입사되면, 반사에 의해 펄스광인 반사광 Lr이 대상물(OJ)로부터 출사된다. 대상물(OJ)로부터 출사된 반사광 Lr은, 거리 화상 센서(RS)의 전하 발생 영역에 입사된다.
거리 화상 센서(RS)로부터는, 화소마다 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2에 동기하여 수집된 전하량 q1, q2이 출력된다. 출력된 전하량 q1, q2은 구동 신호 SD에 동기하여 연산부(ART)에 입력된다. 연산부(ART)에서는, 입력된 전하량 q1, q2에 기초하여, 화소마다 거리 d가 연산된다. 거리 d의 연산 결과는, 제어부(CONT)에 입력된다. 제어부(CONT)에 입력된 연산 결과는 표시기(DSP)에 전송되어 표시된다.
도 2는 거리 화상 센서의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
거리 화상 센서(RS)는 표면 입사형 거리 화상 센서로서, 반도체 기판(1) 및 차광층(LI)을 구비하고 있다. 반도체 기판(1)은 서로 대향하는 제1 및 제2 주면(1a, 1b)을 가지고 있다. 제2 주면(1b)은 광입사면이다. 거리 화상 센서(RS)는 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a)측을 배선 기판(WB)에 대향시킨 상태에서, 접착 영역(FL)을 매개로 하여 배선 기판(WB)에 부착되어 있다. 접착 영역(FL)은 절연성의 접착제나 필러를 가지고 있다. 거리 화상 센서(RS)에는 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)측으로부터 반사광 Lr이 입사된다. 차광층(LI)은 제2 주면(1b)상에 마련되어 있다. 차광층(LI)은 예를 들어, 알루미늄 등의 금속으로 이루어진다.
이어서, 도 3 및 도 4를 참조하면서, 거리 화상 센서(RS)에 대해 상세하게 설명한다. 도 3은 거리 화상 센서의 구성도이다. 도 4는 도 3에 있어서의 IV－IV선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
거리 화상 센서(RS)는 일차원 방향(A)으로 배치된 복수의 거리 센서(P1~PN)(N은 2 이상의 자연수)를 가지는 어레이 구조를 이루는 라인 센서이다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 하나 또는 두 개 이상씩으로 거리 화상 센서(RS)의 한 화소를 구성하고 있다. 본 실시 형태에서는, 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 하나로 거리 화상 센서(RS)의 한 화소를 구성하고 있다. 도 3에서는, 거리 센서(Pn)(n은 N 이하의 자연수)의 구성만이 도시되어 있다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 거리 센서(Pn)와 마찬가지의 구성을 가지고 있다.
상술한 바와 같이, 거리 화상 센서(RS)는 차광층(LI)을 구비하고 있다. 차광층(LI)은 광입사면인 제2 주면(1b)의 전방(前方)에 마련되어 있다. 차광층(LI)에는 복수의 거리 센서(P1~PN)에 대응하는 영역 각각에 있어서, 일차원 방향(A)으로 개구(LIa)가 형성되어 있다. 개구(LIa)는 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 개구(LIa)는 직사각형 모양을 나타내고 있다. 광은 차광층(LI)의 개구(LIa)를 통과하여, 반도체 기판(1)에 입사된다. 따라서 개구(LIa)에 의해, 반도체 기판(1)에는 수광 영역이 규정된다. 또한, 도 3에서는, 차광층(LI)의 도시가 생략되어 있다.
반도체 기판(1)은 p형의 제1 반도체 영역(3)과, p－형의 제2 반도체 영역(5)으로 이루어진다. p형의 제1 반도체 영역(3)은 제1 주면(1a)측에 위치하고 있다. p－형의 제2 반도체 영역(5)은, 제1 반도체 영역(3)보다도 불순물 농도가 낮고 또한제2 주면(1b)측에 위치하고 있다. 반도체 기판(1)은 예를 들면, p형의 반도체 기판상에, 당해 반도체 기판보다도 불순물 농도가 낮은 p－형의 애피택셜(epitaxial)층을 성장시킴으로써 얻을 수 있다. 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)(제2 반도체 영역(5)) 상에는, 절연층(7)이 형성되어 있다.
복수의 거리 센서(P1~PN)는 반도체 기판(1)에 있어서, 일차원 방향(A)으로 배치된다. 즉, 복수의 거리 센서(P1~PN)는 반도체 기판(1)에 있어서, 일차원 방향(A)을 따라서 늘어서도록 배치되어 있다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 포토 게이트 전극(PG)과, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)과, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)과, p형의 웰 영역(W)을 구비하고 있다. 또한, 도 3에서는, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)상에 배치되어 있는 도체(13)(도 4 참조)의 도시가 생략되어 있다.
포토 게이트 전극(PG)은 개구(LIa)에 대응해서 배치되어 있다. 반도체 기판(1)(제2 반도체 영역(5))에 있어서의 포토 게이트 전극(PG)에 대응하는 영역(도 4에 있어서, 포토 게이트 전극(PG)의 하방에 위치하는 영역)은, 대상물(OJ)에서의 펄스광 Lp의 반사광 Lr의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역으로서 기능한다. 포토 게이트 전극(PG)은 개구(LIa)의 형상에도 대응하며, 평면에서 보았을 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 포토 게이트 전극(PG)은 개구(LIa)와 마찬가지로 직사각형 모양을 나타내고 있다. 즉, 포토 게이트 전극(PG)은 평면에서 보았을 때, 일차원 방향(A)과 직교하고 또한 서로 대향하는 제1 및 제2 장변(長邊)(L1, L2)과, 일차원 방향(A)과 평행하고 또한 서로 대향하는 제1 및 제2 단변(短邊)(S1, S2)을 가지고 있다. 포토 게이트 전극(PG)은 일차원 방향(A)의 한쪽 측에 제1 장변(L1), 일차원 방향(A)의 다른 쪽 측에 제2 장변(L2)을 가지고 있다.
제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은 일차원 방향(A)으로 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 배치되어 있다. 제1 전하 축적 영역(FD1)은 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측에 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 제2 전하 축적 영역(FD2)은 포토 게이트 전극(PG)의 제2 장변(L2)측에 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 거리 센서(Pn)와 마찬가지의 구성을 가지고 있기 때문에, 서로 이웃하는 두 개의 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서, 제1 전하 축적 영역(FD1)과 제2 전하 축적 영역(FD2)이 일차원 방향(A)에서 서로 이웃하고 있다.
제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은 제2 반도체 영역(5)에 형성된 불순물 농도가 높은 n형의 반도체 영역으로, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적한다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은 평면에서 보았을 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은 평면에서 보았을 때 정사각형 모양을 나타냄과 아울러, 서로 같은 형상을 이루고 있다.
제1 전송 전극(TX1)은 절연층(7)상으로서, 제1 전하 축적 영역(FD1)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 배치되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)은 제1 전하 축적 영역(FD1)과 포토 게이트 전극(PG)으로부터 각각 떨어져서 배치되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)은 제1 펄스 전송 신호 S1(도 7 참조)에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 유입시킨다.
제2 전송 전극(TX2)은 절연층(7)상으로서, 제2 전하 축적 영역(FD2)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 배치되어 있다. 제2 전송 전극(TX2)은 제2 전하 축적 영역(FD2)과 포토 게이트 전극(PG)으로부터 각각 떨어져서 배치되어 있다. 제2 전송 전극(TX2)은 제1 펄스 전송 신호 S1와 위상이 상이한 제2 펄스 전송 신호 S2(도 7 참조)에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 유입시킨다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 거리 센서(Pn)와 마찬가지의 구성을 가지고 있기 때문에, 서로 이웃하는 두 개의 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서, 제1 전송 전극(TX1)과 제2 전송 전극(TX2)이 일차원 방향(A)에서 서로 이웃하고 있다.
제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은, 평면에서 보았을 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 일차원 방향(A)에 직교하는 방향을 장변으로 하는 직사각형 모양을 나타내고, 서로 같은 형상을 이루고 있다. 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 장변의 길이는, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 길이보다도 짧다.
웰 영역(W)은 제2 반도체 영역(5)에 형성되어 있다. 웰 영역(W)은 제2 주면(1b)에 직교하는 방향에서 보았을 때, 포토 게이트 전극(PG), 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2), 및 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)을 둘러싸고 있다. 웰 영역(W)은 제2 주면(1b)에 직교하는 방향에서 보았을 때, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2) 각각의 일부와 겹쳐 있다. 웰 영역(W)의 바깥 둘레는, 복수의 거리 센서(P1~PN)의 바깥 둘레와 대략 일치하고 있다. 웰 영역(W)은 제2 반도체 영역(5)의 도전형과 동일한 도전형이다. 웰 영역(W)은 제2 반도체 영역(5)의 불순물 농도보다도 높은 불순물 농도를 가진다. 웰 영역(W)은 포토 게이트 전극(PG)으로의 전압의 인가에 의해서 넓어진 공핍층(空乏層)과, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)으로부터 넓어지는 공핍층의 결합을 억제하고 있다. 이것에 의해, 크로스톡이 억제된다.
절연층(7)에는 제2 반도체 영역(5)의 표면을 노출시키기 위한 컨택트홀이 마련되어 있다. 컨택트홀 내에는, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)을 외부에 접속시키기 위한 도체(13)가 배치된다.
본 실시 형태에서는, 「불순물 농도가 높다」란 예를 들면 불순물 농도가 1×1017cm－3 정도 이상인 것을 의미하고, 「＋」를 도전형에 부여하여 나타내진다. 한편, 「불순물 농도가 낮다」란 예를 들면 불순물 농도가 10×1015cm－3 정도 이하인 것을 의미하고, 「－」를 도전형에 부여하여 나타내진다.
각 반도체 영역의 두께/불순물 농도는 이하와 같다.
제1 반도체 영역(3)：두께 10~1000㎛/불순물 농도 1×1012~1019cm－3
제2 반도체 영역(5)：두께 1~50㎛/불순물 농도 1×1012~1015cm－3
제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)：두께 0.1~1㎛/불순물 농도 1×1018~1020cm－3
웰 영역(W)：두께 0.5~5㎛/불순물 농도 1×1016~1018cm－3
반도체 기판(1)(제1 및 제2 반도체 영역(3, 5))에는, 백 게이트 또는 관통 전극 등을 매개로 하여 그라운드 전위 등의 기준 전위가 주어진다.
반도체 기판은 Si로 이루어지고, 절연층(7)은 SiO2로 이루어지고, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 폴리 실리콘으로 이루어지지만, 이들은 다른 재료로 이루어져도 된다.
제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 펄스 전송 신호 S1의 위상과 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 펄스 전송 신호 S2의 위상은, 180도 시프트되어 있다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각에 입사된 광은, 반도체 기판(1)(제2 반도체 영역(5)) 내에 있어서 전하로 변환된다. 이와 같이 하여 발생한 전하 중 일부는, 신호 전하로서, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 인가되는 전압에 의해 형성되는 포텐셜 구배(勾配)에 따라서, 제1 전송 전극(TX1) 또는 제2 전송 전극(TX2)의 방향, 즉 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)에 평행한 방향으로 주행한다.
제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 양전위를 주면, 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2) 아래의 포텐셜이 포토 게이트 전극(PG) 아래 부분의 반도체 기판(1)(제2 반도체 영역(5))의 포텐셜보다 전자에 대해서 내려간다. 이것에 의해, 음의 전하(전자)는, 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 방향으로 끌려 들어가, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. n형의 반도체는, 양으로 이온화된 도너를 포함하고 있고, 양의 포텐셜을 가지고 있기 때문에, 전자를 끌어당긴다. 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에, 상기 양전위보다도 낮은 전위(예를 들어, 그라운드 전위)를 주면, 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 의한 포텐셜 장벽이 생긴다. 이 때문에, 반도체 기판(1)에서 발생한 전하는, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에는 끌려 들어가지 않는다.
도 5는 도 3의 IV－IV선을 따른 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다. 도 5에서는 하향이 포텐셜의 양방향이다. 도 5에는 제1 전송 전극(TX1)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX1, 제2 전송 전극(TX2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX2, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래의 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG, 제1 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 φFD1, 제2 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 φFD2이 도시되어 있다.
포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역(전하 발생 영역)의 포텐셜 φPG은, 무(無)바이어스시에 있어서의 인접하는 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2) 바로 아래 영역의 포텐셜(φTX1, φTX2)을 기준 전위로 하면, 이 기준 전위보다도 높게 설정되어 있다. 이 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG은 포텐셜 φTX1, φTX2보다도 높아져, 포텐셜 분포는 전하 발생 영역에 있어서 도면의 하향으로 오목한 형상이 된다.
도 5를 참조하여, 신호 전하의 축적 동작을 설명한다. 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 펄스 전송 신호 S1의 위상이 0도일 때, 제1 전송 전극(TX1)에는 양의 전위가 주어진다. 제2 전송 전극(TX2)에는 역상(逆相)의 전위, 즉 위상이 180도인 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 포토 게이트 전극(PG)에는 제1 전송 전극(TX1)에 주어지는 전위와, 제2 전송 전극(TX2)에 주어지는 전위 사이의 전위가 주어진다. 이 경우, 도 5 (a)에 도시되는 것처럼, 제1 전송 전극(TX1) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX1이 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG보다도 내려간다. 이것에 의해, 전하 발생 영역에서 발생한 음의 전하 e는, 제1 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내로 유입된다.
한편, 제2 전송 전극(TX2) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX2은 내려가지 않는다. 이 때문에, 제2 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내에는, 전하는 유입되지 않는다. 이것에 의해, 신호 전하가 제1 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에서는, n형의 불순물이 첨가되어 있기 때문에, 양방향으로 포텐셜이 오목해져 있다.
제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 펄스 전송 신호 S2의 위상이 0도일 때, 제2 전송 전극(TX2)에는 양의 전위가 주어지고, 제1 전송 전극(TX1)에는 역상의 전위, 즉 위상이 180도인 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 포토 게이트 전극(PG)에는, 제1 전송 전극(TX1)에 주어지는 전위와, 제2 전송 전극(TX2)에 주어지는 전위 사이의 전위가 주어진다. 이 경우, 도 5 (b)에 도시되는 것처럼, 제2 전송 전극(TX2) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX2이 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG보다도 내려간다. 이것에 의해, 전하 발생 영역에서 발생한 음의 전하 e는, 제2 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내로 유입된다.
한편, 제1 전송 전극(TX1) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX1은 내려가지 않는다. 이 때문에, 제1 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내에는, 전하는 유입되지 않는다. 이것에 의해, 신호 전하가 제2 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다.
이상에 의해, 신호 전하가 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)의 포텐셜 우물에 축적된 신호 전하는, 외부에 판독된다.
도 6은 거리 센서에 있어서의 전하의 누설에 의한 유입에 대해 설명하는 도면이다. 도 6에서는, 특히, 서로 이웃하는 두 개의 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 대해 도시한다.
거리 센서(Pn, Pn ＋1)는 구성이 같고, 각각 포토 게이트 전극(PG)의 일차원 방향(A)의 한쪽 측에 제1 전하 축적 영역(FD1) 및 제1 전송 전극(TX1)을 구비함과 아울러, 다른 쪽 측에 제2 전하 축적 영역(FD2) 및 제2 전송 전극(TX2)을 구비하고 있다. 서로 이웃하는 두 개의 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서, 제1 전하 축적 영역(FD1)과 제2 전하 축적 영역(FD2)이 일차원 방향(A)에서 서로 이웃하고 있다.
거리 화상 센서(RS)에 있어서, 예를 들면, 거리 센서(Pn)에 반사광 Lr이 입사되면, 거리 센서(Pn)에서는 반사광 Lr에 따라 전하가 발생한다. 발생한 전하는 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2에 따라서, 거리 센서(Pn)의 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)으로 배분된다. 이때 전하의 일부가 다른 거리 센서(Pm)(m≠n)의 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)으로 누설되어 유입된다. 누설에 의한 유입량은, 다른 거리 센서(Pm)에 있어서의 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)의 배치가, 거리 센서(Pn)측인지 여부에 따라서 크게 상이하다.
거리 센서(Pn ＋1)에 있어서, 제1 전하 축적 영역(FD1)은 거리 센서(Pn)측에 배치되어 있고, 제2 전하 축적 영역(FD2)은 거리 센서(Pn)와는 반대측에 배치되어 있다. 이 때문에, 거리 센서(Pn)에 광이 입사되고, 거리 센서(Pn)로부터 거리 센서(Pn ＋1)로 전하가 누설되어 유입되는 경우, 제1 전하 축적 영역(FD1)으로의 누설에 의한 유입량 B%는, 제2 전하 축적 영역(FD2)으로의 누설에 의한 유입량 A%보다도 크다. 마찬가지로, 거리 센서(Pn ＋1)에 광이 입사되고, 거리 센서(Pn ＋1)로부터 거리 센서(Pn)로 전하가 누설되어 유입되는 경우, 거리 센서(Pn)에 있어서, 거리 센서(Pn ＋1) 측에는 제2 전하 축적 영역(FD2)이 배치되어 있기 때문에, 제2 전하 축적 영역(FD2)으로의 누설에 의한 유입량 D%는, 제1 전하 축적 영역(FD1)으로의 누설에 의한 유입량 C%보다도 크다.
이와 같이, 서로 이웃하는 두 개의 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서 서로 전하가 누설되어 서로 유입됨으로써, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2) 각각에 축적되는 전하량은, 거리 센서(Pn)와 거리 센서(Pn ＋1)에서 상이한 경우가 있다.
이어서, 도 7을 참조하여, 거리 d의 연산 방법에 대해 설명한다. 도 7은 각종 신호의 타이밍 차트이다. 도 7에서는 복수의 프레임 주기 TF 중, 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 대해 도시한다.
도 7에서는, 광원(LS)의 구동 신호 SD, 대상물(OJ)에서의 펄스광 Lp의 반사광 Lr이 촬상 영역까지 돌아왔을 때의 반사광 Lr의 강도 신호 SLr, 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 펄스 전송 신호 S1, 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 펄스 전송 신호 S2, 및 리셋 신호 reset가 도시되어 있다. 두 개의 프레임 주기 TF 각각은, 신호 전하를 축적하는 기간(축적 기간) Tacc와, 신호 전하를 판독하는 기간(판독 기간) Tro으로 이루어진다. 구동 신호 SD, 강도 신호 SLr, 제1 펄스 전송 신호 S1, 및 제2 펄스 전송 신호 S2는, 모두 펄스폭 Tp의 펄스 신호이다.
축적 기간 Tacc에 있어서, 먼저 거리 측정에 앞서, 리셋 신호 reset가 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 인가된다. 이것에 의해, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)의 내부에 축적된 전하가 외부로 배출된다. 본 예에서는, 리셋 신호 reset가 순간적으로 ON되고, 이어서 OFF된 후, 구동 신호 SD가 광원(LS)에 인가된다. 구동 신호 SD의 인가에 동기하여, 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2가 서로 역위상으로 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 인가된다. 이것에 의해, 전하 전송이 행해져, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 신호 전하가 축적된다. 그 후, 판독 기간 Tro에 있어서, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2) 내에 축적된 신호 전하가 판독된다.
제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2는, 프레임 주기 TF 마다, 제1 펄스 전송 신호 S1와 제2 펄스 전송 신호 S2의 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣어 출력된다. 따라서 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서의 한쪽의 프레임 주기 TF(여기에서는, 시계열로 전(前)인 프레임 주기 TF)에서는, 제1 펄스 전송 신호 S1가 구동 신호 SD에 위상차 0으로 동기하여 출력됨과 아울러, 제2 펄스 전송 신호 S2가 구동 신호 SD에 위상차 180도로 동기하여 출력된다. 다른 쪽의 프레임 주기 TF(여기에서는, 시계열로 후(後)인 프레임 주기 TF)에서는, 제2 펄스 전송 신호 S2가 구동 신호 SD에 위상차 0으로 동기하여 출력됨과 아울러, 제1 펄스 전송 신호 S1가 구동 신호 SD에 위상차 180도로 동기하여 출력된다.
또한, 이러한 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2의 출력 제어는, 제어부(CONT)에 의해 행해진다. 즉, 제어부(CONT)는 펄스광 Lp의 출사와 동기하도록, 제1 펄스 전송 신호 S1를 제1 전송 전극(TX1)에 출력한다. 이것에 의해, 프레임 주기 TF 마다, 전하 발생 영역에서 발생한 전하가 신호 전하로서 제1 전하 축적 영역(FD1)으로 유입된다. 또, 제어부(CONT)는 펄스광 Lp의 출사와 동기하도록, 제1 펄스 전송 신호 S1와 위상이 상이한 제2 펄스 전송 신호 S2를 제2 전송 전극(TX2)에 출력한다. 이것에 의해, 프레임 주기 TF 마다, 전하 발생 영역에서 발생한 전하가 신호 전하로서 제2 전하 축적 영역(FD2)으로 유입된다. 제어부(CONT)는 추가로, 프레임 주기 TF 마다, 제1 펄스 전송 신호 S1와 제2 펄스 전송 신호 S2의 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣어, 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2를 출력한다.
강도 신호 SLr와, 구동 신호 SD에 위상차 0으로 동기하여 출력되는 신호의 서로 겹친 부분에 상당하는 전하량 q1은, 한쪽의 프레임 주기 TF에서는, 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적되고, 다른 쪽의 프레임 주기 TF에서는, 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된다. 반사광 Lr의 강도 신호 SLr와, 구동 신호 SD에 위상차 180으로 동기하여 출력되는 신호의 서로 겹친 부분에 상당하는 전하량 q2은, 한쪽의 프레임 주기 TF에서는 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적되고, 다른 쪽의 프레임 주기 TF에서는 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된다.
강도 신호 SLr와, 구동 신호 SD에 위상차 0으로 동기하여 출력되는 신호의 위상차 Td가, 광의 비행 시간이며, 이것은 거리 화상 센서(RS)로부터 대상물(OJ)까지의 거리 d를 나타내고 있다. 거리 d는 연산부(ART)에 의해, 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서의 전하량 q1의 합계 전하량 Q1, 및 전하량 q2의 합계 전하량 Q2의 비율을 이용하여, 하기 식(1)에 의해 연산된다. 또한, c는 광속(光速)이다.
거리 d=(c/2)×(TP×Q2/(Q1＋Q2)) … (1)
즉, 연산부(ART)는 프레임 주기 TF 마다, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1, q2 각각 판독하고, 판독한 전하량 q1, q2에 기초하여 대상물(OJ)까지의 거리 d를 연산한다. 연산부(ART)는, 이때, 합계 전하량 Q1, Q2에 기초하여 대상물(OJ)까지의 거리 d를 연산한다. 합계 전하량 Q1, Q2은 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서의, 위상이 같게 되는 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2에 따라 제1 전하 축적 영역(FD1)과 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 합계 전하량이다.
보다 구체적으로는, 합계 전하량 Q1은 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서의 한쪽의 프레임 주기 TF에서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1과 다른 쪽의 프레임 주기 TF에서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1의 합계 전하량이다. 또, 합계 전하량 Q2은 한쪽의 프레임 주기 TF에서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량 q2과 다른 쪽의 프레임 주기 TF에서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 신호 전하의 전하량 q2의 합계 전하량이다.
이와 같이, 거리 d의 연산에 이용하는 합계 전하량 Q1, Q2은 모두, 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1, q2과, 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1, q2의 합이다. 따라서 상술한 것처럼, 전하의 누설에 의한 유입에 의해, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2) 각각에 축적되는 전하량이 거리 센서(Pn)와 거리 센서(Pn ＋1)에서 상이한 경우에도, 전하의 누설에 의한 유입에 의한 영향은 합계 전하량 Q1, Q2에 밸런스 좋게 분배된다.
이 결과, 일차원 방향(A)에서 서로 이웃하는 거리 센서(Pn, Pn ＋1)끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같아진다. 따라서 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서, 제1 전송 전극(TX1)에 의해서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 배분되는 전하량과, 제2 전송 전극(TX2)에 의해서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 배분되는 전하량의 비가 같게 되는 경우, 즉, 측정되는 거리가 거리 센서(Pn)와 거리 센서(Pn ＋1)에서 동등해야 하는 경우에 있어서, 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서의 전하의 누설에 의한 유입에 기인한 측정 거리의 상이함을 저감시키는 것이 가능해진다.
거리 d의 연산은 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량에 기초하여 행해진다. 당해 거리 d의 연산의 다음 거리 d의 연산은, 앞의 거리 d의 연산에 이용된 전하량을 얻은 두 개의 프레임 주기 TF의 후에 이어서 또한 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량에 기초하여 행해도 된다. 상기 다음 거리 d의 연산은, 앞의 거리 d의 연산에 이용된 전하량을 얻은 두 개의 프레임 주기 TF 중 후의 프레임 주기 TF와, 당해 프레임 주기 TF에 시계열로 연속하는 하나의 프레임 주기 TF에 있어서 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량에 기초하여 행해도 된다.
도 8은 종래의 측거 장치에 있어서의 각종 신호의 타이밍 차트이다.
종래의 측거 장치는, 제어부(CONT)가 프레임 주기 TF 마다, 제1 펄스 전송 신호 S1와 제2 펄스 전송 신호 S2의 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣는 일 없이, 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2를 출력하는 점, 및 연산부(ART)가 하나의 프레임 주기 TF에서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1과 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량 q2에 기초하여 대상물(OJ)까지의 거리 d를 연산하는 점 이외는, 본 실시 형태에 따른 측거 장치(10)와 마찬가지의 구성을 구비하고 있다. 즉, 종래의 측거 장치에서는, 거리 d는 하나의 프레임 주기 TF에 있어서의 전하량 q1, q2의 비율을 이용하여, 하기 식(2)에 의해 연산된다.
거리 d=(c/2)×(TP×q2/(q1＋q2)) … (2)
종래의 측거 장치에서는, 강도 신호 SLr와, 구동 신호 SD에 위상차 0으로 동기하여 출력되는 신호의 서로 겹친 부분에 상당하는 전하량 q1은, 제1 전하 축적 영역(FD1)에만 축적된 신호 전하량이다. 한편, 강도 신호 SLr와, 구동 신호 SD에 위상차 180도로 동기하여 출력되는 신호의 서로 겹친 부분에 상당하는 전하량 q2은, 제2 전하 축적 영역(FD2)에만 축적된 신호 전하량이다. 따라서 상술한 것처럼, 전하의 누설에 의한 유입에 의해, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2) 각각에 축적되는 전하량이 거리 센서(Pn)와 거리 센서(Pn ＋1)에서 상이한 경우, 전하의 누설에 의한 유입에 의한 영향은 전하량 q1, q2 사이에서 언밸런스가 된다.
이 결과, 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서, 제1 전송 전극(TX1)에 의해서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 배분되는 전하량과, 제2 전송 전극(TX2)에 의해서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 배분되는 전하량의 비가 같게 되고, 측정되는 거리가, 거리 센서(Pn)와 거리 센서(Pn ＋1)에서 동등해야 하는 경우에도, 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서의 전하의 누설에 의한 유입에 기인하여 측정 거리가 상이할 수 있다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 따른 측거 장치(10) 및 측거 장치(10)의 구동 방법에서는, 프레임 주기 TF 마다, 광원(LS)으로부터 펄스광 Lp이 출사되고, 대상물(OJ)에서의 펄스광 Lp의 반사광 Lr이 거리 화상 센서(RS)에 입사된다. 거리 화상 센서(RS)에서는, 전하 발생 영역과, 일차원 방향(A)에서 전하 발생 영역을 사이에 두고 배치되는 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)을 가지는 복수의 거리 센서(P1~PN)가 일차원 방향(A)으로 배치되어 있다. 반사광 Lr이 입사된 거리 센서(Pn)에서는, 반사광 Lr에 따라 전하가 전하 발생 영역에 발생한다. 발생한 전하는 프레임 주기 TF 마다, 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2에 따라 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 신호 전하로서 축적된다. 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2는 위상이 서로 상이하고, 또한 프레임 주기 TF 마다 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣어 출력된다. 이 때문에, 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서, 한쪽의 프레임 주기 TF에서는, 제1 전하 축적 영역(FD1)에 신호 전하가 축적된 후에, 제2 전하 축적 영역(FD2)에 신호 전하가 축적된다. 또, 다른 쪽의 프레임 주기 TF에서는, 제2 전하 축적 영역(FD2)에 신호 전하가 축적된 후에, 제1 전하 축적 영역(FD1)에 신호 전하가 축적된다. 대상물(OJ)까지의 거리 d는, 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서의, 위상이 같게 되는 제1 및 제2 펄스 전송 신호 S1, S2에 따라 제1 전하 축적 영역(FD1)과 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 합계 전하량 Q1, Q2에 기초하여 연산된다. 이들의 합계 전하량 Q1, Q2이 대상물(OJ)까지의 거리 d의 연산에 이용되므로, 다른 거리 센서로부터 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 누설되어 유입되는 전하량이 서로 상이한 경우에도, 전하의 누설에 의한 유입에 의한 영향이 한쪽 위상의 펄스 전송 신호에 따른 합계 전하량 Q1과, 다른 쪽 위상의 펄스 전송 신호에 따른 합계 전하량 Q2에 밸런스 좋게 분배된다. 이 결과, 일차원 방향(A)에서 서로 이웃하는 거리 센서(Pn, Pn ＋1)끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같아진다. 이것에 의해, 측정 거리가 동등해야 하는 두 개의 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서, 측정 거리의 상이함을 저감시킬 수 있다.
구체적으로는, 시계열로 연속하는 두 개의 프레임 주기 TF에 있어서의 한쪽의 프레임 주기 TF에서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1과 다른 쪽의 프레임 주기 TF에서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1의 합계 전하량 Q1, 및 한쪽의 프레임 주기 TF에서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량 q2과 다른 쪽의 프레임 주기 TF에서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 신호 전하의 전하량 q2의 합계 전하량 Q2에 기초하여 대상물(OJ)까지의 거리 d가 연산된다. 합계 전하량 Q1, Q2은 모두, 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1, q2과, 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 신호 전하의 전하량 q1, q2의 합이다. 따라서 전하의 누설에 의한 유입에 의해, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2) 각각에 축적되는 전하량이 거리 센서(Pn)와 거리 센서(Pn ＋1)에서 상이한 경우에도, 전하의 누설에 의한 유입에 의한 영향은 합계 전하량 Q1, Q2에 밸런스 좋게 분배된다. 이 결과, 측정되는 거리가 거리 센서(Pn)와 거리 센서(Pn ＋1)에서 동등해야 하는 경우에 있어서, 거리 센서(Pn, Pn ＋1)에 있어서의 전하의 누설에 의한 유입에 기인한 측정 거리의 상이함을 저감시키는 것이 가능해진다.
본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각에 있어서, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2) 및 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)의 수는 1이지만, 2 이상이어도 된다.
복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 수집하는 불요 전하 수집 영역과, 불요 전하 수집 영역과 전하 발생 영역의 사이에 배치되어, 제1 및 제2 펄스 전송 신호와 위상이 상이한 제3 펄스 전송 신호에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 불요 전하 수집 영역에 유입시키는 제3 전송 전극을 추가로 구비해도 된다. 이 경우, 불요 전하를 외부로 배출할 수 있으므로, 거리의 측정 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 불요 전하 수집 영역 및 제3 전송 전극의 수는 2 이상이어도 좋다.
각 프레임 주기 TF에 있어서, 복수의 구동 신호 SD가 순차 인가되고, 이것에 동기하여 제1 펄스 전송 신호 S1, 및 제2 펄스 전송 신호 S2가 순차 출력되어도 된다. 이 경우, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 신호 전하가 적산(積算)되어 축적된다.
거리 화상 센서(RS)는 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각이 일차원으로 배치된 라인 센서이지만, 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각이 이차원으로 배치되어도 된다. 이 경우, 이차원 화상을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 라인 센서를 회전시키는 것에 의해서, 또는 라인 센서 2개를 이용하여 주사시키는 것에 의해서도 이차원 화상을 얻을 수 있다.
거리 화상 센서(RS)는 표면 입사형 거리 화상 센서로 한정되지 않는다. 거리 화상 센서(RS)는 이면 입사형 거리 화상 센서여도 된다.
입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역을 포토 다이오드(예를 들어, 매립형 포토 다이오드 등)에 의해 구성해도 된다.
본 실시 형태에 따른 거리 화상 센서(RS)에 있어서의 p형 및 n형의 각 도전형은, 상술한 도전형과는 반대가 되도록 바꿔 넣어져 있어도 된다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 TOF형 거리 화상 센서를 구비하는 측거 장치 및 측거 장치의 구동 방법에 이용할 수 있다.
10 … 측거 장치, A … 일차원 방향,
FD1 … 제1 전하 축적 영역, FD2 … 제2 전하 축적 영역,
P1~PN … 거리 센서, PG … 포토 게이트 전극,
RS … 거리 화상 센서, S1 … 제1 펄스 전송 신호,
S2 … 제2 펄스 전송 신호, TX1 … 제1 전송 전극,
TX2 … 제2 전송 전극, LS … 광원,
DRV … 구동부, ART … 연산부,
OJ … 대상물, Lp … 펄스광,
Lr … 반사광, TF … 프레임 주기,
q1, q2 … 전하량, Q1, Q2 … 합계 전하량,
d … 거리.

Claims (4)

  1. 대상물을 향해서 펄스광을 프레임 주기마다 출사하도록 광원을 구동하는 구동부와,
    상기 대상물에서의 펄스광의 반사광의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과, 상기 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 일차원 방향에서 상기 전하 발생 영역을 사이에 두고 배치되어, 전하를 축적하는 제1 및 제2 전하 축적 영역과, 상기 제1 전하 축적 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 배치되어 있는 제1 전송 전극과, 상기 제2 전하 축적 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 배치되어 있는 제2 전송 전극을 가지는 복수의 거리 센서가 상기 일차원 방향으로 배치되어 있는 거리 화상 센서와,
    상기 펄스광의 출사와 동기하도록, 상기 프레임 주기마다, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 상기 제1 전하 축적 영역에 유입시키도록, 제1 펄스 전송 신호를 상기 제1 전송 전극에 출력하고, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 상기 제2 전하 축적 영역에 유입시키도록, 상기 제1 펄스 전송 신호와 위상이 상이한 제2 펄스 전송 신호를 상기 제2 전송 전극에 출력하는 제어부와,
    상기 프레임 주기마다, 상기 제1 및 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량을 각각 판독하고, 판독한 전하량에 기초하여 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 연산부를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 프레임 주기마다, 상기 제1 펄스 전송 신호와 상기 제2 펄스 전송 신호의 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣어, 상기 제1 및 제2 펄스 전송 신호를 출력하고,
    상기 연산부는 시계열로 연속하는 두 개의 상기 프레임 주기에 있어서의, 위상이 같게 되는 상기 제1 및 제2 펄스 전송 신호에 따라 상기 제1 전하 축적 영역과 상기 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 합계 전하량에 기초하여 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 측거 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산부는 시계열로 연속하는 두 개의 상기 프레임 주기에 있어서의 한쪽의 프레임 주기에서 상기 제1 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량과 다른 쪽의 프레임 주기에서 상기 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량의 합계 전하량, 및 상기 한쪽의 프레임 주기에서 상기 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량과 상기 다른 쪽의 프레임 주기에서 상기 제1 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량의 합계 전하량에 기초하여 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 측거 장치.
  3. 대상물을 향해서 펄스광을 출사하는 광원과,
    상기 대상물에서의 펄스광의 반사광의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과, 상기 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 일차원 방향에서 상기 전하 발생 영역을 사이에 두고 배치되어, 전하를 축적하는 제1 및 제2 전하 축적 영역과, 상기 제1 전하 축적 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 배치되어 있는 제1 전송 전극과, 상기 제2 전하 축적 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 배치되어 있는 제2 전송 전극을 가지는 복수의 거리 센서가 상기 일차원 방향으로 배치되어 있는 거리 화상 센서를 구비하는 측거 장치의 구동 방법으로서,
    상기 펄스광을 프레임 주기마다 출사하도록 상기 광원을 구동하고,
    상기 펄스광의 출사와 동기하도록, 상기 프레임 주기마다, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 상기 제1 전하 축적 영역에 유입시키도록, 제1 펄스 전송 신호를 상기 제1 전송 전극에 출력하고, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 상기 제2 전하 축적 영역에 유입시키도록, 제1 펄스 전송 신호와 위상이 상이한 제2 펄스 전송 신호를 상기 제2 전송 전극에 출력하고,
    상기 프레임 주기마다, 상기 제1 및 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량을 각각 판독하고, 판독한 전하량에 기초하여 상기 대상물까지의 거리를 연산하고,
    제1 및 제2 펄스 전송 신호를 출력할 때, 상기 프레임 주기마다, 상기 제1 펄스 전송 신호와 상기 제2 펄스 전송 신호의 시계열로의 순서를 교호로 바꿔 넣어, 상기 제1 및 제2 펄스 전송 신호를 출력하고,
    상기 대상물까지의 거리를 연산할 때, 시계열로 연속하는 두 개의 상기 프레임 주기에 있어서의, 위상이 같게 되는 상기 제1 및 제2 펄스 전송 신호에 따라 상기 제1 전하 축적 영역과 상기 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 합계 전하량에 기초하여 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 측거 장치의 구동 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 대상물까지의 거리를 연산할 때, 시계열로 연속하는 두 개의 상기 프레임 주기에 있어서의 한쪽의 프레임 주기에서 상기 제1 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량과 다른 쪽의 프레임 주기에서 상기 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량의 합계 전하량, 및 상기 한쪽의 프레임 주기에서 상기 제2 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량과 상기 다른 쪽의 프레임 주기에서 상기 제1 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하의 전하량의 합계 전하량에 기초하여 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 측거 장치의 구동 방법.
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