WO2019054100A1 - 固体撮像装置、及びそれを備える撮像装置 - Google Patents

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純一 松尾
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Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device for acquiring a distance image of a subject.
  • motion blur may occur when acquiring a distance image of a moving subject.
  • this invention aims at providing a solid-state imaging device which can suppress generation
  • the solid-state imaging device is a solid-state imaging device including a plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, wherein each of the plurality of pixels converts received light into a signal charge Photoelectric conversion unit, at least one read gate for reading out the signal charge from the photoelectric conversion unit, a plurality of charge storage units for storing the signal charge read out by the at least one read gate, and the plurality of charge storages Charge holding for receiving and holding the transfer of the signal charge stored in the charge storage unit from one of the units and transferring the signal charge to be held to one of the plurality of charge storage units And each of the plurality of charge storage units overlaps a portion of the transfer channel for transferring the signal charge and the portion in plan view of the semiconductor substrate And a portion of the feed electrode, the transfer channel is a plurality of per pixel.
  • An imaging device includes: the solid-state imaging device; a light source unit that emits infrared light in a pulse shape at a plurality of timings for each exposure period in one frame period; And a processor for generating a distance image based on the signal.
  • the occurrence of motion blur can be suppressed as compared to the prior art when acquiring a distance image of a subject.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing an example of a schematic configuration of a ranging imaging device (imaging device) according to the first aspect.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing a layout configuration of pixels provided in the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 3B is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a drive timing chart showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing the layout configuration of pixels provided in the solid-state imaging device according to the basic form 2.
  • FIG. 8A is a drive timing chart showing the arrangement and operation of each signal at the time of exposure in the solid-state imaging device according to Basic Mode 2.
  • FIG. 8B is a drive timing chart showing the arrangement and operation of each signal at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Basic Mode 2.
  • FIG. 9 is a schematic plan view showing the layout configuration of the pixels provided in the solid-state imaging device according to Basic Mode 3. As shown in FIG.
  • FIG. 10A is a schematic plan view showing the layout configuration of pixels provided in the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 10B is a schematic plan view showing the layout configuration of pixels provided in the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 10C is a schematic plan view showing the layout configuration of pixels provided in the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • 11A is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 11B is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 12 is a schematic plan view showing the operation of signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 13A is a timing chart showing correspondence between distance measurement signal outputs and distance measurement ranges of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 13B is a timing chart showing correspondence between distance measurement signal outputs and distance measurement ranges of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 13C is a timing chart showing correspondence between distance measurement signal outputs and distance measurement ranges of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 13D is a correspondence table according to Embodiment 1, showing correspondence relationships between distance measurement ranges and A0, A1, A2, and A3 signals stored in each charge storage unit.
  • FIG. 14A is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure before and after signal replacement of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 14A is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure before and after signal replacement of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 14A is a drive timing chart showing an operation at the time of
  • FIG. 14B is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure before and after signal replacement of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 14C is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure before and after signal replacement of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 14D is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure before and after signal replacement of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 15 is a schematic plan view showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 16A is a timing chart showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 16B is a timing chart showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 17 is a plan view showing the arrangement and operation of each signal at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 18 is a plan view showing the arrangement and operation of each signal at the time of signal readout of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 19 is a schematic plan view showing a layout configuration of pixels provided in the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 20 is a plan view showing the arrangement and operation of each signal at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 21 is a plan view showing the arrangement and operation of each signal at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 22A is a timing chart showing a switching operation of A0 and A2 signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 22B is a timing chart showing a switching operation of A0 and A2 signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 23 is a schematic plan view showing the switching operation of A0 and A2 signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 24 is a plan view showing the arrangement and operation of each signal at the time of signal readout of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 25A is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3.
  • FIG. 25B is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3.
  • FIG. 25C is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3.
  • FIG. 25D is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3.
  • FIG. 26A is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3.
  • FIG. 26B is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3.
  • FIG. 26C is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3.
  • FIG. 26D is a drive timing chart showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3.
  • FIG. 27 is a plan view of a pixel in a conventional distance measuring device.
  • FIG. 28 is a timing chart of various signals in the conventional distance measuring apparatus.
  • a TOF method is known in which distance measurement is performed using flight time in which light travels back and forth to a measurement object.
  • FIGS. 27 and 28 show the distance measuring apparatus of the prior art disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 27 shows the distance measuring apparatus of the prior art disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 27 is a plan view of a pixel according to the prior art, in which FD1 and FD2 indicate first and second charge storage regions, TX1 and TX2 indicate first and second transfer electrodes, and PG indicates a photogate electrode.
  • FIG. 28 is a timing chart of various signals of the prior art distance measuring device, among the plurality of frame period T F, are shown for the two frame periods T F consecutive in time series, the S D the first pulse signal S1 driving signal of the light source, the intensity signal of the reflected light when the reflected light of the pulsed light in the S Lr is the object has returned to the imaging area, S1 is applied to the first transfer electrode TX1, S2 Is a second pulse signal S2 applied to the second transfer electrode TX2, reset is a reset signal, T acc is an accumulation period, and T ro is a readout period.
  • the inventor has made a solid-state imaging device that achieves high ranging accuracy without occurrence of motion blur and a significant decrease in frame rate.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing an example of a schematic configuration of a ranging imaging device 1000 according to a first embodiment (first embodiment) which is a basis of the present invention.
  • the ranging imaging device 1000 includes a solid-state imaging device 100, a light source driver 200, a processor 300, an optical lens 400, and a light source unit 500.
  • the solid-state imaging device 100 further includes an imaging unit 101, an AD conversion unit 102, a timing generation unit 103, and a shutter driver 104.
  • the timing generation unit 103 generates a light emission signal instructing light irradiation (here, irradiation of near infrared light is exemplified) to the object 600, and drives the light source unit 500 via the light source driver 200.
  • An exposure signal that instructs the imaging unit 101 to expose the reflected light from the object 600 is generated.
  • the imaging unit 101 includes a plurality of pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and for a region including the target 600, according to the timing indicated by the exposure signal generated by the timing generation unit 103, within one frame period. A plurality of exposures are performed to obtain a signal corresponding to the sum of the plurality of exposures.
  • the processor 300 calculates the distance to the object 600 based on the signal received from the solid-state imaging device 100.
  • near-infrared light as well as background light is emitted from the light source unit 500 to the object 600.
  • Reflected light from the object 600 is incident on the imaging unit 101 via the optical lens 400.
  • the reflected light incident on the imaging unit 101 is imaged, and the imaged image is converted into an electrical signal.
  • the operations of the light source unit 500 and the solid-state imaging device 100 are controlled by the timing generation unit 103 of the solid-state imaging device 100.
  • the output of the solid-state imaging device 100 is converted by the processor 300 into a distance image and, in some applications, also into a visible image.
  • the processor 300 does not necessarily have to be provided outside the solid-state imaging device 100, and part or all of the function of calculating the distance may be incorporated in the solid-state imaging device 100.
  • CMOS image sensor As the solid-state imaging device 100, a so-called CMOS image sensor is exemplified.
  • the first exposure period starting from the rise time of the irradiation light of pulse width Tp is T1
  • the second exposure period starting from the fall time of the irradiation light is T2
  • the exposure periods T1 and T2 are , And is set to the same length as the pulse width Tp.
  • the signal amount that the imaging unit 101 can obtain in the first exposure period T1 is A0
  • the signal amount that the camera can obtain in the second exposure period T2 is A1
  • the light speed (299, 792, 458 m / s) is c
  • the distance d Is given by the following equation.
  • a solid-state imaging device used for a TOF system distance measuring camera repeats sampling performed for one cycle of irradiation light a plurality of times.
  • the first exposure period starts from the rise time of the irradiation light of the pulse width Tp of the light emission pulse in consideration of background light components and dark current components.
  • T1 the second exposure period starting from the fall time of the irradiation light T2
  • the signal amount that the camera can obtain in the first exposure period T1 A0 the signal amount that the camera can obtain in the second exposure period T2 A1
  • light speed Let c be 299, 792, 458 m / s).
  • a floating diffusion layer floating diffusion
  • CCD memory charge coupled device memory
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing the layout configuration of the pixels 20 provided in the solid-state imaging device 100 according to the first embodiment.
  • the plurality of pixels 20 are arranged in a matrix in the pixel area of the semiconductor substrate.
  • Each pixel 20 includes a photoelectric conversion unit 1, a plurality of charge storage units 2 (for example, a first charge storage unit 2a and a second charge storage unit 2b), and a plurality of readout gates 6 (for example, a first Readout gate 6a and second readout gate 6b), output control gate 13, floating diffusion layer 14, reset gate 15, reset drain 16, readout circuit 17, and a plurality of exposure control gates 8 (as an example An exposure control gate 8a and an exposure control gate 8b), a plurality of overflow drains 9 (as an example, the overflow drain 9a and the overflow drain 9b), and a charge holding portion 10 are provided.
  • the photoelectric conversion unit 1 converts the received light into a signal charge.
  • the read gate 6 reads the signal charge from the photoelectric conversion unit 1.
  • the charge storage unit 2 stores the signal charge read from the read gate 6.
  • the charge storage unit 2 includes a transfer channel (CCD channel) 4 for transferring signal charge under the gate insulating film, and a transfer electrode 5 (for example, transfer electrode 5a, transfer electrode 5b, transfer electrode on the gate insulating film). 5c, transfer electrode 5d, or transfer electrode 5e). That is, as shown in FIG. 2, charge storage portion 2 includes a part of transfer channel 4 and a part of transfer electrode 5 overlapping with a part of transfer channel 4 in plan view of the semiconductor substrate. Also, as shown in FIG. 2, there is one transfer channel 4 per pixel.
  • VG1, VG2, VG3, VG4, and VG5 are denoted by VG1, VG2, VG3, VG4, and VG5, respectively.
  • the first charge storage unit 2a and the second charge storage unit 2b perform five-phase driving.
  • the first charge storage unit 2a and the second charge storage unit 2b are adjacent to the first read gate 6a and the second read gate 6b, respectively, and are VG1 and High which become High voltage at the time of exposure. It is formed under the transfer electrode 5 to which VG3 is applied (here, under the transfer electrode 5a and under the transfer electrode 5c).
  • the overflow drain 9 discharges at least a part of the signal charge from the photoelectric conversion unit 1.
  • the exposure control gate 8 controls the discharge to the overflow drain 9.
  • the charge holding unit 10 is a signal charge stored in the charge storage unit 2 from one of the plurality of charge storage units 2 (here, the first charge storage unit 2a and the second charge storage unit 2b). The signal charge held and held is transferred to one of the plurality of charge storage units 2 (here, the first charge storage unit 2a and the second charge storage unit 2b). As illustrated in FIG. 2, the charge holding unit 10 includes a charge holding gate 11 and a transfer control gate 12 that performs transfer control of the charge holding unit 10.
  • the floating diffusion layer 14 is a signal charge stored in the charge storage unit 2 from one of the plurality of charge storage units 2 (here, the first charge storage unit 2 a and the second charge storage unit 2 b). Receive and hold the transfer.
  • the output control gate 13 controls transfer to the floating diffusion layer 14.
  • the readout circuit 17 converts the signal charge held in the floating diffusion layer 14 into a voltage and reads the voltage out of the pixel 20.
  • the readout circuit 17 includes a source follower transistor whose gate is connected to the floating diffusion layer 14 and a selection transistor connected in series to the source follower transistor. For example, when the read out circuit 17 is selected by the selection transistor, the signal charge held in the floating diffusion layer 14 is read out to the AD conversion unit 102 by the read out circuit 17.
  • the first readout gate 6a and the second readout gate 6b are the vertical direction of the photoelectric conversion unit 1 (the column direction of the plurality of pixels 20 arranged in a matrix, that is, the vertical direction in FIG. 2). It is provided symmetrically above and below the center line to be divided. Then, as shown in FIG. 2, in the plurality of pixels 20, the row direction in the matrix arrangement of the plurality of pixels 20 from the photoelectric conversion unit 1 by the first readout gate 6a and the second readout gate 6b. Signal charges are read out in the same direction (ie, leftward in FIG. 2).
  • both the exposure control gate 8a and the exposure control gate 8b are along the center line that divides the vertical direction of the photoelectric conversion unit 1 (the column direction of the plurality of pixels 20 arranged in a matrix, that is, the vertical direction in FIG. 2). It is provided symmetrically with respect to the upper and lower sides.
  • the positional relationship between the first readout gate 6a and the second readout gate 6b in the upper and lower symmetry, and the positional relationship between the exposure control gate 8a and the exposure control gate 8b in the upper and lower symmetry are the readout gate 6 and the exposure control gate.
  • the purpose is to match in design the characteristics of readout performed using two sets of 8.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are drive timing charts showing the operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • the drive pulse ODG is applied to the exposure control gates 8a and 8b, and the drive pulses TG1 and TG2 are applied to the first read gate 6a and the second read gate 6b, respectively.
  • drive pulses VG1 to VG5 are applied to the transfer electrodes 5a to 5e, respectively.
  • a high voltage is applied to VG1 and VG3 and a low voltage is applied to the others.
  • the charge can be accumulated under the transfer electrode 5 to which the High voltage is applied.
  • the charge storage portion 2 (here, the first charge storage portion 2a) is formed by the transfer electrode 5 (here, the transfer electrode 5a and the transfer electrode 5c) to which the High voltage is applied and the transfer channel 4 overlapping thereunder.
  • the second charge storage portion 2b) is formed.
  • near-infrared pulse light repeating ON / OFF in a constant cycle is repeatedly irradiated.
  • Tp is a pulse width of the irradiation pulse light.
  • the near-infrared pulse light reflected from the target object reaches the imaging unit 101 with a delay of Td according to the distance from the light source unit 500, and is converted into signal charge in the photoelectric conversion unit 1.
  • ODG In the initial state, ODG is in the high state, and the photoelectric conversion unit 1 is in the reset state. Further, the first charge storage portion 2a and the second charge storage portion in which the first read gate 6a and the second read gate 6b are in the low state, and the transfer electrode 5a and the transfer electrode 5c are held in the high state. 2 b and the photoelectric conversion unit 1 are electrically disconnected. In this state, the signal charge generated by the photoelectric conversion unit 1 is discharged to the overflow drain 9 through the exposure control gate 8 and is not accumulated in the photoelectric conversion unit 1.
  • the ODG becomes low, and the charge discharging from the photoelectric conversion unit 1 to the overflow drain 9 is stopped.
  • the first read gate 6a has transitioned from the low state to the high state, and the signal charge generated by the incidence of the reflected pulse light is transmitted to the first charge storage portion 2a via the first read gate 6a Transfer is started, and the leading component (A0) of the reflected pulse light is held in the first charge storage portion 2a.
  • the second read gate 6b transitions from the low state to the high state, and the transfer of the signal charge generated by the incidence of the reflected pulse light to the second charge storage portion 2b via the second read gate 6b is The subsequent component (A1) of the reflected pulse light is held in the second charge storage portion 2b.
  • the first read gate 6 a and the second read gate 6 b have the first signal charge (the leading component of the reflected pulse light (the reflected pulse light) with the first phase difference in the exposure period in one frame period).
  • the readout of A0) and the readout of the second signal charge (following component (A1) of the reflected pulse light) are performed.
  • the pulse timings of TG1 and TG2 are switched for each frame, but in basic mode 1, the distance holding signal 10 at the time of exposure is obtained by having the charge holding unit 10 in the pixel 20.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a drive timing chart showing the signal switching operation of the solid-state imaging device 100 according to the first embodiment.
  • drive pulses of VG1 to VG5 are applied to the transfer electrodes 5 to transfer signal charges to desired locations.
  • a driving pulse of VS is applied to the charge holding gate 11 and a driving pulse of VB is applied to the transfer control gate 12.
  • a driving pulse of VB is applied to the transfer control gate 12.
  • the drive pulses VG1 to VG5 applied to the transfer electrodes 5a to 5e, the drive pulse VS applied to the charge holding gate 11, and the drive pulse VB applied to the transfer control gate 12 are output from the timing generation unit 103. Ru.
  • Tt1 is the timing when the exposure shown in FIG. 3A is completed (that is, t3), and A0 and A1 signals are accumulated under the transfer electrodes 5 to which VG1 and VG3 which have become High voltage are applied, respectively. Thereafter, charges are transferred in the upper direction in FIG. 4 by five-phase driving.
  • VG2 and VG5 become High voltage at tt2, and signal charge is accumulated under the transfer electrode 5 to which VG2 and VG5 are applied.
  • FIG. 5 by setting VS to a high voltage and subsequently setting VB to a high voltage, charge is generated between charge storage portion 2 of transfer electrode 5 to which VG5 is applied and charge holding portion 10.
  • Low voltage is sequentially applied to the transfer electrode 5 to which VG5 and VB are applied and the transfer control gate 12, and the A0 signal is transferred below the charge holding gate 11 (tt3 in FIG. 4 and FIG. 5).
  • the timing generation unit 103 outputs, from one of the plurality of charge storage units 2, a first signal that causes the charge holding unit 10 to transfer the signal charge stored in the charge storage unit 2.
  • the A1 signal located under the A0 signal under the charge retention gate 11 at tt3 is transferred to the upper side by five-phase driving, and the charge retention gate 11 is crossed and VG3 is applied under the transfer electrode 5 It accumulates in (tt4).
  • VG5 and VB are again set to High voltage, and a transfer path is formed between charge storage unit 10 and charge storage unit 2 of transfer electrode 5 to which VG5 is applied, and then Low voltage is applied in order of VS and VB.
  • the voltage is applied, and the signal A0 is transferred under the transfer electrode 5 to which the voltage VG5 having the high voltage is applied (tt5).
  • the timing generation unit 103 outputs, from the charge holding unit 10, a second signal that causes the signal charge to be held to be transferred to one of the plurality of charge storage units 2.
  • the timing generation unit 103 the first signal charge (A0) is read by the first read gate 6a, and the second signal charge (A1) is read by the second read gate 6b.
  • the position of the first charge storage portion 2a for storing the first signal charge (A0) and the position of the second charge storage portion 2b for storing the second signal charge (A1) It is replaced by outputting a plurality of signals including the signal and the second signal.
  • the A1 signal is disposed at the side of the first readout gate 6 a to which TG1 is applied, and the A0 signal is disposed at the side of the second readout gate 6 b to which TG2 is applied. Therefore, as shown in FIG. 3B, the pulse timings applied to TG1 and TG2 can be switched, and exposure can be started again. That is, the first read gate 6a and the second read gate 6b perform the first operation with the second phase difference different from the first phase difference by 180 degrees after the replacement operation is performed in the exposure period. It becomes possible to read out the signal charge to the second charge storage portion 2b by the read gate 6a and to read out the charge to the first charge storage portion 2a by the second read gate 6b.
  • A0 A0 (TG1)
  • A1 A1 (TG2)
  • the descriptions of (TG1) and (TG2) indicate that TG1 and TG2 are respectively read by the first read gate 6a and the second read gate 6b to which the TG2 is applied.
  • A0 and A1 both evenly include the components read by the first read gate 6a and the second read gate 6b to which TG1 and TG2 are applied, and the charge storage positions are equally divided, 2 Even if one read gate 6 and charge storage unit 2 are provided, it is possible to cancel the signal difference due to the difference between the location read in the exposure period in one frame and the charge storage position.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing the layout configuration of the pixels 20 a included in the solid-state imaging device according to Basic Mode 2.
  • the solid-state imaging device according to basic mode 2 differs from the basic mode 1 in that seven transfer electrodes 5 are arranged. Therefore, the number of charge storage units 2 can be three, as compared with the above basic mode 1.
  • the pixel 20a includes a third charge storage unit 2c in addition to the first charge storage unit 2a and the second charge storage unit 2b.
  • the solid-state imaging device 100 according to the above-described basic form 1 has two charge storage units 2.
  • one charge storage unit 2 is added to independently obtain a signal not including distance information such as background light and dark current generated in the charge storage unit 2 and parasitic sensitivity component, and As in the basic form 1, generated in the background light component (hereinafter referred to as BG) and the charge storage portion 2 while suppressing the characteristic difference between the distance measurement signals (signal charges) obtained via two readout gates in one frame.
  • a ranging error is reduced by removing the dark current component (hereinafter referred to as DS) and the parasitic sensitivity component (hereinafter referred to as Sm) at the time of distance calculation. Therefore, as shown in FIG. 7, by providing seven electrodes (transfer electrodes 5a to 5g) constituting the charge coupled device and performing seven-phase driving, the storable signal charges are increased to three. There is no problem with the eight-phase drive.
  • the operation of switching pulse timings applied to TG1 and TG2 after the replacement operation at the time of exposure is the same as in the above basic mode 1 to suppress the readout characteristic difference, but dark in the plurality of charge storage portions 2
  • the dark current component and parasitic sensitivity of the first charge storage unit 2a are DS1, Sm1, and the dark current component and parasitic sensitivity of the second charge storage unit 2b.
  • the dark current component and the parasitic sensitivity of DS2, Sm2, and the third charge storage portion 2c are considered separately as DS3, Sm3.
  • FIGS. 8A and 8B are drive timing charts showing the arrangement and operation of each signal at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the basic form 2.
  • FIG. FIG. 8A shows an exposure and replacement operation sequence
  • FIG. 8B shows exposure timing.
  • the transfer electrode 5 is omitted, and only the first charge storage unit 2a, the second charge storage unit 2b, the third charge storage unit 2c, and the signals stored in the charge storage units 2a to 2c are described. doing.
  • the difference between the read characteristics and the dark current of the charge storage unit 2, the parasitic sensitivity difference, and the dark current and parasitic sensitivity of the charge holding unit 10 mixed in each signal in the replacement operation are equally distributed to each signal. Therefore, as shown in FIG. 8A, exposure periods are configured by exposures (1) to (6) and replacement operations (1) to (6).
  • the exposure time is the same in exposures (1) to (6). Although it is necessary to transfer one of the two signals to the charge holding unit 10 in order to perform the switching operation of the two signals, which signal is transferred to the charge holding unit 10 in the switching operations (1) to (6). Because they are different, they are also described in FIG. 8A.
  • the A0, A1 and A2 components are represented by the following equations.
  • the descriptions of (TG1) and (TG2) are read by the first read gate 6a to which TG1 is applied and the second read gate 6b to which TG2 is applied, respectively, as in the above basic mode 1 Indicates that.
  • A0 A0 (TG2) + DS2 + Sm2 + DSX + SmX
  • A1 A1 (TG1) + DS1 + Sm1
  • A2 DS3 + Sm3 Since the A2 signal is transferred to the charge holding unit 10 during the switching operation (2) between the switching operation (2) and the exposure (3), the dark current DSX and the parasitic sensitivity SmX of the charge holding unit 10 become A2.
  • A0 DS2 + Sm2 + DSX + SmX
  • A1 DS3 + Sm3
  • A2 DS1 + Sm1 Since the A2 signal is transferred to the charge storage unit 10 during the replacement operation (5) between the replacement operation (5) and the exposure (6), the dark current DSX and the parasitic sensitivity SmX of the charge storage unit are added to A2. In addition, in the exposure (6), the light source unit 500 does not emit light and no read pulse is applied.
  • the dark current DSX of the charge storage unit and the parasitic sensitivity SmX are added to A1, and exposure is not performed.
  • A0 A0 (TG1) + A0 (TG2) + 2 x DS 1 + 2 x Sm 1 + 2 x DS 2 + 2 x Sm 2 + 2 x DS 3 + 2 x Sm 3 + 2 ⁇ DSX + 2 ⁇ SmX
  • A1 A1 (TG1) + A1 (TG2) + 2 x DS 1 + 2 x Sm 1 + 2 x DS 2 + 2 x Sm 2 + 2 x DS 3 + 2 x Sm 3 + 2 ⁇ DSX + 2 ⁇ SmX
  • A2 BG (TG1) + BG (TG2) + 2 x DS 1 + 2 x Sm 1 + 2 x DS 2 + 2 x Sm 2 + 2 x DS 3 + 2 x Sm 3 + 2 ⁇ DSX + 2 ⁇ SmX Since the signals A0, A1 and BG read by two different read gates 6 are included in A0, A1 and A2,
  • charge holding portion 10 includes at least a portion of charge holding channel 11 (not shown) and at least a portion of charge holding gate 11 overlapping at least a portion of the charge holding channel in plan view of the semiconductor substrate.
  • Charge holding gate 11 is applied with a negative voltage so that the interface between the charge holding channel and the charge holding gate 11 is pinned for at least a part of a period except the period in which the charge holding unit 10 holds the signal charge. It is desirable to be done.
  • a light shielding film via an insulating film so as to cover a part or all of the periphery of the charge holding gate 11 and the transfer control gate 12. That is, it is desirable that at least a part of the charge holding unit 10 be covered with a light shielding film.
  • W tungsten
  • the charge holding unit 10 is provided in one pixel, but by sharing the charge holding unit 10 with a plurality of pixels, the parasitic sensitivity and the dark current mixed in the signal charge during the replacement operation are not shared As compared with the above, “1 / number of shared pixels” can be formed, so it is possible to suppress the increase in shot noise generated at the time of the difference between A0 and A2 and A1 and A2, and to reduce the ranging variation.
  • FIGS. 8A and 8B handle only the exposure period, the respective signals are stored in different charge storage portions even during the signal readout period after the exposure period in one frame period, so that during this period. Dark current difference and parasitic sensitivity difference also occur.
  • the read pulses shown in TG1 and TG2 in FIG. 8B are unnecessary because only signals are read, and TG1 and TG2 may be always in the low state, and ODG may be always in the high state.
  • the basic form 2 suppresses the characteristic difference due to the position of the read gate 6 without using a plurality of frames, and suppresses the inter-signal difference between background light, dark current, and parasitic sensitivity. Since subtraction is possible, it is possible to provide a solid-state imaging device for ranging having excellent ranging accuracy.
  • FIG. 9 is a schematic plan view showing the layout configuration of the pixel 20b provided in the solid-state imaging device according to the third embodiment (the third embodiment) which is the basis of the present invention.
  • the pixel 20 b includes a charge holding unit reset gate 18 and a charge holding unit reset drain 19.
  • the solid-state imaging device according to the basic mode 3 differs from the basic mode 2 in that the charge holding unit reset gate 18 and the charge holding unit reset drain 19 are added.
  • the charge holding unit reset gate 18 and the charge holding unit reset drain 19 will be mainly described.
  • the handling charge amount of the charge holding unit 10 is desirable to set the handling charge amount of the charge holding unit 10 larger than the handling charge amount of the charge storage unit 2 in both of the above basic mode 1 and the above basic mode 2 in order to avoid overflow.
  • the charge holding unit reset gate 18 and the charge holding unit reset gate 18 that control charge accumulation and discharge to the drain of the charge holding unit 10 adjacent to the charge holding unit 10
  • the charge holding unit reset gate 18 is turned on before the switching operation, thereby discharging the DSX and SmX components accumulated during the exposure period and the signal reading period to the charge holding unit reset drain 19. Since mixing of DSX and SmX components into signals such as A0, A1 and BG transferred to the charge holding unit 10 at the time of operation can be reduced, an increase in shot noise generated at the time of subtraction processing can be suppressed, and distance variation can be reduced.
  • the channel potential when applying the low voltage to the transfer control gate 12 is made a certain amount deeper than the channel potential when applying the low voltage to the transfer electrode 5 on the transfer channel 4.
  • Embodiment 1 10A, 10B, and 10C are schematic plan views showing the layout configuration of the pixel 20c provided in the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a plurality of transfer channels 4 (CCD channels) per pixel are compared with the basic mode 2 described above.
  • the transfer channel 4a and the transfer channel 4b) are provided, and the output control gate 13, the floating diffusion layer 14, the reset gate 15, the reset drain 16, the charge holding unit 10, and the read out circuit 17 are shared by two pixels in the vertical direction.
  • the difference is that four charge storage units 2 of a first charge storage unit 2a, a second charge storage unit 2b, a third charge storage unit 2c, and a fourth charge storage unit 2d are provided.
  • each component is the same, the description will be omitted as it has already been described.
  • a high concentration of impurities are implanted to form a channel stop region 21 or STI separation is used.
  • the rectangular transfer electrode 5 shown in FIG. 10B can be considered.
  • the transfer electrode 5 having a rectangular shape there are many portions where the channel stop region 21 and the semiconductor substrate overlap in plan view, and dark current due to a high electric field may be easily generated.
  • the channel stop region 21 and the transfer electrode 5 it is desirable to reduce the overlap between the channel stop region 21 and the transfer electrode 5. For example, it is desirable to use a layout in which the electrode length on the channel stop region 21 is shorter than the transfer electrode length on the transfer channel 4 or the like. As an example for realizing this layout, a transfer electrode 5 having a so-called dumbbell shape shown in FIG. 10C may be adopted.
  • the solid-state imaging device in the above basic mode 2 can handle three signals, one of which is from the distance signals A0, A1, background light (BG), dark current (DS), parasitic sensitivity (Sm) Is a signal for subtracting.
  • the present embodiment by providing a plurality of transfer channels 4 (two as an example) and five-phase driving, four ranging signals can be handled per pixel. . Therefore, the distance measurement range can be tripled while the pulse width is narrow. Furthermore, although the parasitic sensitivity and the dark current component of the charge holding portion 10 are divided into three signals and mixed in the above basic mode 2, they are mixed and separated in four signals in the present embodiment. Therefore, there is an advantage that the impact can be reduced.
  • FIG. 11A and 11B are drive timing charts showing an operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 11A As the exposure timing, there are two types of different timings.
  • the exposure timing shown in FIG. 11A is referred to as a first sequence
  • the exposure timing shown in FIG. 11B is referred to as a second sequence.
  • the A0 and A2 signals are acquired in the first sequence
  • the A1 and A3 signals are acquired in the second sequence. Details will be described later.
  • FIG. 12 is a schematic plan view showing the operation of signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • the first sequence is performed to accumulate four signals, signals A0 and A2 for one pixel are transferred downward in FIG.
  • the second sequence is performed, and the A1 and A3 signals are accumulated through the read gates 6a and 6b.
  • the replacement operation is not performed, after the second sequence is performed, the image is transferred upward by one pixel and the first sequence is performed again. These are repeated a plurality of times so that an extreme time difference does not occur between the exposure periods of A0 and A2 and between A1 and A3.
  • the drive pulse signal ODG applied to the exposure control gates 8a and 8b is in the high state, and the signal charges generated by the photoelectric conversion unit 1 are overflow drains 9a and 9a via the exposure control gates 8a and 8b, respectively. It is discharged to 9 b and is not accumulated in the photoelectric conversion unit 1.
  • the drive pulse signals TG1 and TG2 are in the low state, and although not shown in FIG. 11, the drive pulse signals VG1 and VG4 applied to the transfer electrodes 5 adjacent to the read gates 6a and 6b are in the high state. Form two.
  • the charge storage unit 2 is electrically disconnected from the photoelectric conversion unit 1.
  • the drive pulse signal ODG in synchronization with time t1 when the irradiation pulse light is turned on, the drive pulse signal ODG is in the low state, and the charge discharge from the photoelectric conversion unit 1 to the overflow drain 9 is stopped.
  • the drive pulse signal TG1 transits from the Low state to the High state ahead by (Tp / 2) with respect to the drive pulse signal ODG, and TG1 of the signal charge generated by the incidence of light is applied.
  • the transfer to the charge storage unit 2 is started via the read gate 6a.
  • the drive pulse signal ODG becomes high again, and the signal charge generated by the photoelectric conversion unit 1 is discharged to the overflow drain 9.
  • the A0 signal shown in FIG. 11 is held in the charge storage unit 2 by this series of operations.
  • the drive pulse signal ODG is in the low state, and the charge discharging from the photoelectric conversion unit 1 to the overflow drain 9 is stopped.
  • the drive pulse signal TG2 is transited from the low state to the high state ahead of the drive pulse signal ODG by (Tp / 2), and TG2 of the signal charge generated by the incidence of light is applied.
  • the transfer to the charge storage unit 2 via the read gate 6b is started.
  • the drive pulse signal ODG is in a high state, and the signal charge generated by the photoelectric conversion unit 1 is discharged to the overflow drain 9.
  • the drive pulse signal ODG is in the low state, and the charge discharging from the photoelectric conversion unit 1 to the overflow drain 9 is stopped.
  • the drive pulse signal TG1 transits from the Low state to the High state ahead by (Tp / 2) with respect to the drive pulse signal ODG, and TG1 of the signal charge generated by the incidence of light is applied.
  • the transfer to the charge storage unit 2 is started via the read gate 6a.
  • the drive pulse signal ODG is in the high state, and the signal charge generated by the photoelectric conversion unit 1 is discharged to the overflow drain 9.
  • the drive pulse signal ODG is in the low state, and the charge discharging from the photoelectric conversion unit 1 to the overflow drain 9 is stopped.
  • the drive pulse signal TG2 is transited from the low state to the high state ahead of the drive pulse signal ODG by (Tp / 2), and TG2 of the signal charge generated by the incidence of light is applied.
  • the transfer to the charge storage unit 2 via the read gate 6b is started.
  • the drive pulse signal ODG is in the high state, and the signal charge generated by the photoelectric conversion unit 1 is discharged to the overflow drain 9.
  • the signals A0, A1, A2, and A3 are stored in the first charge storage unit 2a to the fourth charge storage unit 2d shown in FIG. 10A.
  • FIG. 13A to 13C are timing charts showing correspondences between distance measurement signal outputs and distance measurement ranges of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • 13A shows distance measurement range 1
  • FIG. 13B shows distance measurement range 2
  • FIG. 13C shows distance measurement range 3 but each is classified by the delay time Td of the reflected pulse light, and Td is Td.
  • the range from 0 to Tp is distance range 1
  • the range from Td to Tp to 2 Tp is range 2
  • the range from Td 2 to 3 Tp is range 3.
  • the times t1 to t5 are all aligned at the same time interval, and the time interval is equal to the irradiation pulse width Tp.
  • FIG. 13D is a correspondence table showing correspondence between each distance measurement range and the A0, A1, A2, and A3 signals stored in each charge storage unit 2. As shown in FIG.
  • the leading component A0 of the reflected pulse light including the background light is read at the High voltage of TG1 in the first sequence, and the background light component BG is read at the High voltage of TG2 in the first sequence.
  • the trailing component A1 of the reflected pulse light including the background light is read at the High voltage of TG1 in the second sequence, and the background light component BG is read at the High voltage of TG2 in the second sequence.
  • the delay amount Td of the reflected pulse light Tp ⁇ ((A1 ⁇ BG) / (A0 + A1 ⁇ 2 ⁇ BG)) is determined, and the distance to the object is calculated.
  • BG which is the exposure of background light
  • A3 for the molecular part
  • A3 for A1 the dark current and parasitic sensitivity between A0 and A2 and between A1 and A3 are combined.
  • the delay amount of the reflected pulse light is different, it is as shown in the table of FIG. 13D where the signal having each distance information and the signal of only the background light are positioned in A0 to A4.
  • the distance to the object can be calculated by selecting an appropriate signal, and the distance measurement range is 3c ⁇ 3 ⁇ from c ⁇ T0 / 2 of the conventional example without loss of distance accuracy. It is possible to extend to T0 / 2.
  • FIG. 14A to 14D are drive timing charts showing the operation at the time of exposure before and after signal replacement of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. The positional relationship between the storage locations in the pixels A0, A1, A2 and A3 and the readout gate 6 to which TG1 and TG2 are applied before and after the signal interchange is also shown.
  • FIG. 15 is a schematic plan view showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • 16A and 16B are timing charts showing an operation of signal exchange of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 15 the signal exchange operation
  • FIG. 15 and FIGS. 16A and 16B an operation from the beginning to the exchange of A0 and A2 signals is drive A, and an operation from the end of replacement to the return of the signal to the initial exposure position is drive B.
  • Drive B is a normal five-phase drive.
  • the solid-state imaging device includes two types of transfer electrodes to which VG4A and VG4B are applied as the transfer electrode 5d to which VG4 is applied for control of driving at the time of replacement operation.
  • 5 d here, transfer electrode 5 dA, transfer electrode 5 dB
  • the solid-state imaging device includes two types of transfer electrodes 5e to which VG5A and VG5B are applied (here, transfer electrode 5eA, A transfer electrode 5eB) is provided.
  • V5B is applied to the transfer electrode 5eB adjacent to the transfer control gate 12, and V4B is applied to the transfer electrode 5dB located above the transfer electrode 5eB to which V5B is applied.
  • drive pulses of VG1, VG2, VG3, VG4A, VG4B, VG5A, and VG5B are applied to the transfer electrodes 5 to transfer signal charges to desired locations.
  • the signals to be considered are four signals A0, A1, A2 and A3, and the signals read from the lowermost readout gates 6a and 6b in FIG. 15 are A0, A1, A2, A3 and the two pixels above
  • the signals read from the read gates 6a and 6b are A0 ', A1', A2 'and A3'.
  • the signals of other adjacent pixels are omitted for simplicity.
  • tt1 is a state in which the exposure shown in FIGS.
  • a high voltage is applied to the charge holding gate 11 to which VS is applied, and then the transfer control gate 12 to which VB is applied is set to the High voltage, and a high voltage of VG5B is applied to the transfer electrode 5 Of the charge storage unit 2 and the charge holding unit 10, the Low voltage is sequentially applied to the transfer electrode 5 to which VG5B and VB are applied and the transfer control gate 12, and the A2 signal is charged.
  • the data is transferred under the holding gate 11 (FIG. 15, tt3 in FIG. 16A).
  • the A0 signal located under the A2 signal under the charge retention gate 11 is transferred to the upper part at tt3 and accumulated under the transfer electrode 5 to which VG3 is applied over the charge retention gate 11 (tt4) .
  • VG5B and VB are again set to High voltage, and a transfer path is formed between the charge holding portion 10 and the charge storage portion 2 of the transfer electrode 5 to which VG5B is applied, and then Low voltage in the order of VS and VB.
  • the A0 signal is applied to the side of the read gate 6b to which TG2 is applied, and the A2 signal is disposed to the side of the read gate 6a to which TG1 is applied.
  • the pulse timings applied to TG1 and TG2 can be switched, and exposure can be started again.
  • FIG. 17 is a plan view showing the arrangement and operation of each signal at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • the transfer electrode 5 is omitted, and the first charge storage unit 2a, the second charge storage unit 2b, the third charge storage unit 2c, the fourth charge storage unit 2d, and the respective charge storage units 2 are described. It describes the signal charge to be accumulated.
  • the difference between the read characteristics and the dark current between the charge storage unit 2 and the parasitic sensitivity difference, and the dark current and the parasitic sensitivity of the charge holding unit 10 mixed in each signal in the replacement operation are equally distributed to each signal.
  • exposure periods are configured by exposures (1) to (8) and replacement operations (1) to (4).
  • the exposure time is the same in exposures (1) to (8).
  • a read pulse is applied to the read gate 6a to which TG1 is applied in the first sequence to accumulate A0, and a read pulse is applied to the read gate 6b to which TG2 is applied to signal A2 accumulate.
  • A0 read by TG1 is A0 (TG1)
  • A2 read by TG2 is A2 (TG2).
  • charge transfer is performed downward by one pixel, and a readout pulse is applied to TG1 to accumulate A1 (TG1), and a readout pulse is applied to TG2 to obtain A3 (TG2).
  • the charge is transferred upward by one pixel and returned to the original exposure position.
  • the A0, A1, A2 and A3 signals are expressed by the following equations.
  • the dark current DSX and the parasitic sensitivity SmX of the charge holding unit 10 are added to A2.
  • A0 DSD2 +
  • the dark current and the parasitic sensitivity are equally included in A0 and A2, respectively. The same applies to A1 and A3.
  • A0-A2 (or A2-A0) and A1-A3 (or A3-A1) are calculated in each range, the background light component can be subtracted, and the dark current and parasitic sensitivity difference due to different charge storage portions 2 It is possible to cancel Thereby, the error after the difference can be eliminated, and the ranging error can be reduced.
  • each signal is stored in charge storage portion 2 also during the signal readout period, and therefore the dark current difference and the parasitic sensitivity difference also in this period. Will occur. Therefore, it is necessary to perform an operation of exchanging signal charges between the charge storage portions 2 also in the signal readout period.
  • FIG. 18 is a plan view showing the arrangement and operation of each signal at the time of signal readout of the solid-state imaging device according to Embodiment 1.
  • the transfer electrode 5 is omitted, and the first charge storage unit 2a, the second charge storage unit 2b, the third charge storage unit 2c, the fourth charge storage unit 2d, and so on. Only the signal accumulated in the charge accumulation unit 2 is described.
  • the dark current difference and the parasitic sensitivity difference generated in different charge storage portions 2 during this period are also equal between A0 and A2 and between A1 and A3, respectively. It is possible to It is desirable to perform the replacement operations (1) to (4) at least four times during the signal readout period.
  • the charge holding unit reset gate 18 and the charge holding unit reset drain 19 may be provided next to the charge holding unit 10 as in the above basic mode 3.
  • the configuration in which the readout gate 6 for reading out the signal charge from the photoelectric conversion unit 1 is plural is exemplified.
  • the readout gate 6 is necessarily plural. It is not necessary to be limited to the example of a structure.
  • a solid-state imaging device according to Embodiment 1 there may be an example of a configuration in which the number of readout gates for reading out signal charges from the photoelectric conversion unit 1 is one.
  • the distance measurement range is larger than that of the above-described basic mode 2, and the influence of the parasitic sensitivity of the charge holding portion 10 and the dark current can be reduced. It becomes possible to provide a solid-state imaging device for ranging which is excellent in accuracy.
  • FIG. 19 is a schematic plan view showing the layout configuration of the pixels 20 d and 20 e provided in the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the solid-state imaging device has the output control gate 13, the floating diffusion layer 14, the reset gate 15, the reset drain 16, the readout circuit 17, and the charge holding unit 10 in the vertical direction.
  • the difference is that the pixels are shared. However, since each component is the same, the description is omitted as it has already been described.
  • the charge holding unit 10 is shared with the output section (output control gate 13, floating diffusion layer 14, reset gate 15, reset drain 16, read circuit 17) of four pixels in the vertical direction Therefore, in the separation direction between the photoelectric conversion units 1 adjacent to each other in the column direction of the plurality of pixels 20 arranged in a matrix, that is, in the vertical direction in FIG.
  • Layout of the charge holding unit 10, and the layout of the charge holding unit 10 can be realized relatively easily, and the handling charge amount of the charge holding unit 10 is increased.
  • the parasitic sensitivity of the charge holding portion 10 and the dark current are divided into eight signals and mixed, the influence of the parasitic sensitivity and the dark current generated in the charge holding portion 10 can be reduced.
  • the solid-state imaging device includes two types of the first pixel 20 d including the charge holding unit 10 and the second pixel 20 e including the output unit including the floating diffusion layer 14 and the readout circuit 17.
  • the pixel 20 is provided.
  • the first pixel 20 e shares the floating diffusion layer 14 with at least one of the second pixels 20 d aligned in the column direction in the matrix arrangement of the plurality of pixels 20, and the second pixel 20 d is in the column direction
  • the charge holding unit 10 is shared with at least one of the first pixels 20 e aligned in
  • the operation at the time of exposure is the same as that of the first embodiment, and as shown in FIGS. 11 and 12, after the first sequence is repeated a plurality of times to obtain A0 and A2 signals, signal charges are transferred for one pixel, A1 and A3 signals are obtained by two sequences.
  • FIG. 20 and 21 are plan views showing the arrangement and operation of each signal at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. For the sake of simplicity, the transfer electrode 5 is omitted, and the first charge storage unit 2a, the second charge storage unit 2b, the third charge storage unit 2c, the fourth charge storage unit 2d, and the respective charge storage units 2 are described. It describes the signals to be accumulated.
  • the difference between the read characteristics and the dark current between the charge storage unit 2 and the parasitic sensitivity difference, and the dark current and the parasitic sensitivity of the charge holding unit 10 mixed in each signal in the replacement operation are equally distributed to each signal.
  • exposure periods (1) to (16) and replacement operations (1) to (8) constitute an exposure period.
  • the exposure time is the same in exposures (1) to (16).
  • the charge holding unit 10 and the output unit are shared by four pixels in the vertical direction, it is necessary to consider eight signals.
  • the signal obtained by exposure (1) from the lower pixel 20 having the readout gate 6 to the upper part is A0, A2, A1, A3, A0 ', A2', A1 ', A3. 'And.
  • the switching operation at the time of exposure is described in, for example, the switching operation (1) in FIG.
  • the A0 ′ and A2 ′ signals of other pixels need to be interchanged.
  • the switching operation is (1) to (8) as shown in FIGS. It is desirable to do at least 8 sets of Although details are omitted, as in the first embodiment, in A0 and A2, A1 and A3, A0 ′ and A2 ′, and A1 ′ and A3 ′, components read out by two different read gates 6 are equal to one another. , And they are added, so that the read characteristic difference is eliminated.
  • the dark current and parasitic sensitivity are equally included among A0 and A2, A1 and A3, A0 'and A2', and A1 'and A3', respectively.
  • A0 and A2 read out from the photoelectric conversion unit 1 only the background light component that does not contain distance information, and A1, A3, and A0 '.
  • A2 ', A1 and A3' so in each ranging range, A0-A2 (or A2-A0), A1-A3 (or A3-A1), A0'-A2 '(or A2'-).
  • A0 ′ and A1′ ⁇ A3 ′ or A3′ ⁇ A1 ′
  • the background light component can be subtracted, and it becomes possible to cancel the dark current / parasitic sensitivity difference due to the different charge storage portions 2. Thereby, the error after the difference can be eliminated, and the ranging error can be reduced.
  • FIG. 22A and 22B are timing charts showing the switching operation of A0 and A2 signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 22A and 22B are timing charts showing the switching operation of A0 and A2 signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 23 is a schematic plan view showing the switching operation of A0 and A2 signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIG. 23 is a schematic plan view showing the switching operation of A0 and A2 signals at the time of exposure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • FIGS. 22A, 22B, and 23 correspond to the switching operation of A0 and A2 signals in the switching operation (1) in FIG.
  • the operation from the beginning to the exchange of the A0 and A2 signals is drive A, and the operation from the end of the exchange to the return of the signal to the initial exposure position is drive B.
  • Drive B is a normal five-phase drive.
  • the solid-state imaging device according to the second embodiment is applied with VG4A and VG4B for controlling the drive at the time of the switching operation, although five-phase driving is based.
  • Two types of transfer electrodes 5d (here, transfer electrodes 5dA, 5dB) are provided, and two types of transfer electrodes 5e (here, transfer electrodes 5eA, 5eB) to which VG5A and VG5B are applied are provided. ing.
  • transfer electrodes 5e here, transfer electrodes 5eC to which VG5C is applied are provided.
  • VG5C Since timings different from VG5A and VG5B are applied only when transferring signal charges to the output control gate 13, VG5C has the same timing as VG5A in up and down transfer using the switching operation and normal five-phase drive.
  • the exchange operation of other signals can be performed similarly by the upper and lower transfer and the transfer of signal charges to and from the charge storage unit 10.
  • FIG. 24 is a plan view showing the arrangement and operation of each signal at the time of signal readout of the solid-state imaging device according to Embodiment 2.
  • the transfer electrode 5 is omitted, and the first charge storage unit 2a, the second charge storage unit 2b, the third charge storage unit 2c, the fourth charge storage unit 2d, and the respective charges are omitted. Only the signal accumulated in the accumulation unit 2 is described.
  • the replacement operation is performed eight times of (1) to (8).
  • the signals held in the charge holding unit 10 are mixed with the dark current and parasitic sensitivity of the charge holding unit 10, but the eight signals A0 to A3 and A0 'to A3' are each one time for a total of eight times.
  • the dark current and the parasitic sensitivity of the charge holding unit 10 are divided into eight and mixed into each signal equally in order to carry out the switching operation.
  • the dark current difference and the parasitic sensitivity difference between different charge storage units 2 in this period are also A0 and A2, A1 and A3, A0 'and It becomes possible to equalize A2 ', A1' and A3 'respectively.
  • the charge holding unit reset gate 18 and the charge holding unit reset drain 19 may be provided next to the charge holding unit 10 as in the above basic mode 3. Compared to the first embodiment, by increasing the number of pixels 20 shared in the column direction of the plurality of pixels 20 arranged in a matrix, that is, in the vertical direction in FIG. The charge holding unit reset gate 18 and the charge holding unit reset drain 19 can be easily disposed.
  • the present embodiment can reduce the influence of the parasitic sensitivity of the charge holding portion and the dark current compared to the first embodiment, and the handling charge amount of the charge holding portion 10 can be increased. It becomes possible to provide a solid-state imaging device for ranging which is excellent in ranging accuracy.
  • Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the embodiments.
  • FIGS. 26A to 26D are drive timing charts showing the operation at the time of exposure of the solid-state imaging device according to the third embodiment.
  • 25A to 25D and FIGS. 26A to 26D the signals from which the TG pulse widths are different (in other words, the pulse width of the TG pulse is larger than the pulse width Tp of the irradiation light) are similar.
  • the layout configuration of the pixels included in the solid-state imaging device according to the third embodiment can be applied to either of the first embodiment and the second embodiment, so the description will be omitted. Further, the basic concept of the signal replacement operation is also the same, and the description will be omitted.
  • the operation timing at the time of exposure is different while using the same pixel layout configuration.
  • the number of times of light emission of the light source is 1/2, and the photoelectric conversion unit 1 is used.
  • the signals including distance information are obtained from A0 and A1 only, and A2 and A3 obtain background light components.
  • FIGS. 25A to 25D and FIGS. 26A to 26D in the first sequence (see FIG. 25A and FIG. 26A), A0 and A1 signals including distance information are acquired by application pulses of TG1 and TG2 and a second sequence (FIG. 25C (see FIG. 26C), A2 and A3 signals which are background light components not including distance information are acquired.
  • the exposure timing after signal replacement in the first sequence, the first sequence after A0-A1 signal replacement (see FIGS. 25B and 26B) is applied, and in the second sequence, after A2-A3 signal replacement
  • the second sequence see FIG. 25D, FIG. 26D
  • the distance measurement range is 1/3 compared to the first embodiment and the second embodiment, the number of light emissions can be halved compared to the exposure timing shown in FIGS. 11A and 11B. This is useful exposure timing for applications requiring power. Being able to cope with a plurality of applications by changing the exposure timing with the same pixel layout configuration is very useful for a distance-measuring imaging device with various required specifications.
  • the present embodiment since the number of times of light emission can be halved by the present embodiment compared to the first embodiment and the second embodiment, it is suitable for applications requiring low power consumption in a short distance. It becomes possible to provide a solid-state imaging device for ranging.
  • the present invention can be widely used for a solid-state imaging device that acquires a distance image of a subject, and an imaging device.

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Abstract

半導体基板に、行列状に配置される複数の画素（２０）を備える固体撮像装置（１００）であって、複数の画素（２０）のそれぞれは、受光した光を信号電荷に変換する光電変換部（１）と、光電変換部（１）から信号電荷を読み出す少なくとも１つの読み出しゲート（６）と、少なくとも１つの読み出しゲート（６）により読み出される信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部（２）と、複数の電荷蓄積部（２）のうちの１つから、その電荷蓄積部（２）に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持し、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部（２）のうちの１つに転送する電荷保持部（１０）と、を備え、複数の電荷蓄積部（２）のそれぞれは、転送チャネル（４）の一部と、半導体基板の平面視においてその一部に重なる転送電極（５）の一部とを含み、転送チャネル（４）は、１画素当たり複数本である。

Description

固体撮像装置、及びそれを備える撮像装置
　本発明は、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置に関する。
　従来、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　Ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）方式を利用して、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５－２１５１８１号公報
　従来の固体撮像装置では、動いている被写体の距離画像を取得する際に、モーションブラーが発生してしまうことがある。
　そこで、本発明は、被写体の距離画像を取得する際におけるモーションブラーの発生を従来よりも抑制し得る固体撮像装置、及びそれを備える撮像装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板に、行列状に配置される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、受光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す少なくとも１つの読み出しゲートと、前記少なくとも１つの読み出しゲートにより読み出される前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持し、保持する前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つに転送する電荷保持部と、を備え、前記複数の電荷蓄積部のそれぞれは、前記信号電荷を転送するための転送チャネルの一部と、前記半導体基板の平面視において当該一部に重なる転送電極の一部とを含み、前記転送チャネルは、１画素当たり複数本である。
　本発明の一態様に係る撮像装置は、上記固体撮像装置と、１フレーム期間内における露光期間毎に、複数のタイミングで赤外光をパルス状に発光する光源部と、前記固体撮像装置の出力信号に基づいて、距離画像を生成するプロセッサとを備える。
　上記構成の固体撮像装置、及び撮像装置によると、被写体の距離画像を取得する際におけるモーションブラーの発生を従来よりも抑制し得る。
図１は、基本の形態１に係る測距撮像装置（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、基本の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図３Ａは、基本の形態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３Ｂは、基本の形態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、基本の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。 図５は、基本の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す駆動タイミングチャートである。 図６は、基本の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。 図７は、基本の形態２に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図８Ａは、基本の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。 図８Ｂは、基本の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。 図９は、基本の形態３に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１０Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１０Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１０Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１１Ａ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１１Ｂ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１２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の信号の動作を示す概略平面図である。 図１３Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力と測距レンジの対応を示すタイミングチャートである。 図１３Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力と測距レンジの対応を示すタイミングチャートである。 図１３Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力と測距レンジの対応を示すタイミングチャートである。 図１３Ｄは、実施の形態１に係る、各測距レンジと、各電荷蓄積部に蓄積されるＡ０、Ａ１，Ａ２、Ａ３信号との対応関係を示す対応表である。 図１４Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後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１４Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後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１４Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後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１４Ｄは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後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１５は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。 図１６Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示すタイミングチャートである。 図１６Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示すタイミングチャートである。 図１７は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図１８は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号読み出し時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図１９は、実施の形態２に係る固体撮像装置の備える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２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図２１は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図２２Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示すタイミングチャートである。 図２２Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示すタイミングチャートである。 図２３は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示す概略平面図である。 図２４は、実施の形態２に係る固体撮像装置の信号読み出し時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図２５Ａは、実施の形態３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２５Ｂは、実施の形態３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２５Ｃは、実施の形態３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２５Ｄは、実施の形態３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２６Ａは、実施の形態３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２６Ｂは、実施の形態３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２６Ｃは、実施の形態３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２６Ｄは、実施の形態３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２７は、従来の測距装置における画素の平面図である。 図２８は、従来の測距装置における各種信号のタイミングチャートである。
　（本発明の一態様を得るに至った経緯）
　物体までの距離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方式が知られている。
　図２７、図２８は、特許文献１に開示された従来技術の測距装置である。
　図２７は、従来技術の画素平面図であり、ＦＤ１、ＦＤ２は第一及び第二電荷蓄積領域、ＴＸ１、ＴＸ２は第一及び第二転送電極、ＰＧはフォトゲート電極である。
　また、図２８は、従来技術の測距装置の各種信号のタイミングチャートであり、複数のフレーム周期ＴＦのうち、時系列で連続する二つのフレーム周期ＴＦについて示されており、ＳＤが光源の駆動信号、ＳＬｒが対象物でのパルス光の反射光が撮像領域まで戻ってきたときの反射光の強度信号、Ｓ１が第一転送電極ＴＸ１に印加される第一パルス信号Ｓ１、Ｓ２が第二転送電極ＴＸ２に印加される第二パルス信号Ｓ２、ｒｅｓｅｔがリセット信号、Ｔａｃｃが蓄積期間、Ｔｒｏが読み出し期間である。
　特許文献１で示された従来技術は、図２８に示すように、フレーム間で読み出しゲートに印加するパルスのタイミングを入れ替え、２フレーム分の信号を加算した２つの信号Ｑ１、Ｑ２を距離演算に用いることで、図２７（ｂ）に示すような周りの画素からの電荷の漏れ込み量（クロストーク）の異なりを抑制する技術を開示している。
　しかしながら、従来技術では、フレーム間で読み出しタイミングの変更を行っているため、フレーム間の露光期間に時間差がある。このため、モーションブラーが発生しやすく、加算された距離信号を得るのに２フレーム読み出すことが必要になり、実効的なフレームレートが低下する、また外部にフレームメモリが必要になるという課題を有している。
　更に、従来技術は、背景光成分や暗電流成分を考慮していないため、このような距離情報を含まない信号が無視できない環境での測距誤差は非常に大きくなる。
　発明者は、上記課題に鑑み、検討を重ねた結果、モーションブラーの発生とフレームレートの大幅な低下のない高い測距精度を実現する固体撮像装置に想到した。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、添付の図面を用いて説明を行うが、これらは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。図面において実質的に同一の構成、動作及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。
　始めに、本発明の基本となる形態について、説明する。
　（本発明の基本の形態１）
　図１は、本発明の基本となる形態１（基本の形態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、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（ここでは、近赤外光の照射を例示する。）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、撮像部１０１に対して、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。
　撮像部１０１は、半導体基板に、行列状に配置される複数の画素を含み、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、１フレーム期間内に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。
　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及び固体撮像装置１００の動作は、固体撮像装置１００のタイミング生成部１０３によって制御される。固体撮像装置１００の出力は、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。なお、必ずしもプロセッサ３００は固体撮像装置１００の外部に設ける必要はなく、距離を演算する機能などの一部または全てを固体撮像装置１００に内蔵してもよい。
　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。
　また、一般的なパルスＴＯＦ方式では、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とし、露光期間Ｔ１、Ｔ２は、パルス幅Ｔｐと同じ長さに設定される。第１露光期間Ｔ１において撮像部１０１が得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２においてカメラが得られる信号量をＡ１として、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとすると、距離ｄは、次式で与えられる。
　　ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２×Ａ１／（Ａ０＋Ａ１）
　ＴＯＦ方式の測距カメラに用いる固体撮像素子は、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。
　測距範囲をＤとすると、Ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２となる。
　一方、基本の形態２で用いるＴＯＦ方式（パルスＴＯＦ方式、測距方式）では、背景光成分や暗電流成分を考慮し、発光パルスのパルス幅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、第１露光期間Ｔ１においてカメラが得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２においてカメラが得られる信号量をＡ１、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとする。そして、照射光以外の光源（例えば太陽）からの背景光成分や電荷蓄積部の暗電流成分が信号には含まれる環境においては、近赤外光源をＯＦＦした第３露光期間をＴ３とし、露光期間Ｔ３をパルス幅Ｔｐと同じ長さに設定し、第３露光期間Ｔ３において得られる信号量をＡ２として求める。そして、距離ｄを算出するに際しては、Ａ０、Ａ１のそれぞれから距離情報のみを抽出するために、Ａ２を差分し、
　　ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２×｛（Ａ１－Ａ２）／（Ａ０－Ａ２＋Ａ１－Ａ２）｝
　とすることが出来る。
　また、固体撮像装置１００の画素構成としては、複数の読み出しゲートにより、光電変換部で発生する信号電荷を電荷蓄積部に振り分ける方法がある。
　電荷蓄積部としては浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン）や電荷結合素子メモリ（ＣＣＤメモリ）が用いられる。複数の読み出しゲートを用いる構造の場合、製造工程でのバラツキや集光される光が特定の読み出しゲート側に偏る等により、読み出し特性に差が生じる。また画素間のクロストークが生じ、測距誤差の原因となる場合がある。
　次に、図２は基本の形態１に係る固体撮像装置１００の備える画素２０のレイアウト構成を示す概略平面図である。
　複数の画素２０は、半導体基板の画素領域に行列上に配置される。各画素２０は、光電変換部１と、複数の電荷蓄積部２（一例として、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）と、複数の読み出しゲート６（一例として、第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂ）と、出力制御ゲート１３と、浮遊拡散層１４と、リセットゲート１５と、リセットドレイン１６と、読み出し回路１７と、複数の露光制御ゲート８（一例として、露光制御ゲート８ａ、露光制御ゲート８ｂ）と、複数のオーバーフロードレイン９（一例として、オーバーフロードレイン９ａ、オーバーフロードレイン９ｂ）と、電荷保持部１０とを備える。
　光電変換部１は、受光した光を信号電荷に変換する。
　読み出しゲート６は、光電変換部１から信号電荷を読み出す。
　電荷蓄積部２は、読み出しゲート６から読み出される信号電荷を蓄積する。電荷蓄積部２は、ゲート絶縁膜下の、信号電荷を転送するための転送チャネル（ＣＣＤチャネル）４と、ゲート絶縁膜上の転送電極５（一例として、転送電極５ａ、転送電極５ｂ、転送電極５ｃ、転送電極５ｄ、転送電極５ｅのいずれか）とで構成される。すなわち、電荷蓄積部２は、図２に示されるように、転送チャネル４の一部と、半導体基板の平面視において転送チャネル４の一部に重なる、転送電極５の一部とを含む。また、図２に示されるように、転送チャネル４は、１画素当たり１本である。
　ここでは、転送電極５ａ、転送電極５ｂ、転送電極５ｃ、転送電極５ｄ、転送電極５ｅに印加される電圧を、それぞれ、ＶＧ１、ＶＧ２、ＶＧ３、ＶＧ４、ＶＧ５とする。
　第１の電荷蓄積部２ａと第２の電荷蓄積部２ｂとは、５相駆動を行う。一例として、第１の電荷蓄積部２ａと第２の電荷蓄積部２ｂとは、それぞれ、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとに隣接して、露光時にＨｉｇｈ電圧となるＶＧ１とＶＧ３が印加される転送電極５の下（ここでは、転送電極５ａの下と転送電極５ｃの下と）に形成される。
　オーバーフロードレイン９は、光電変換部１から、信号電荷の少なくとも一部を排出する。
　露光制御ゲート８は、オーバーフロードレイン９への上記排出を制御する。
　電荷保持部１０は、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持し、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つに転送する。電荷保持部１０は、図２に示されるように、電荷保持ゲート１１と、電荷保持部１０の転送制御を行う転送制御ゲート１２とを備える。
　浮遊拡散層１４は、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持する。
　出力制御ゲート１３は、浮遊拡散層１４への転送制御を行う。
　読み出し回路１７は、浮遊拡散層１４に保持される信号電荷を電圧に変換して、画素２０の外部に読み出す。例えば、読み出し回路１７は、浮遊拡散層１４にゲートが接続されるソースフォロアトランジスタと、ソースフォロアトランジスタに直列接続される選択トランジスタとを含んで構成される。例えば、選択トランジスタによって読み出し回路１７が選択されることで、浮遊拡散層１４に保持される信号電荷は、その読み出し回路１７により、ＡＤ変換部１０２に読み出される。
　ここで、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、光電変換部１の垂直方向（行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図２における上下方向）を分割する中心線に対して上下対称に設けられている。そして、図２に示されるように、複数の画素２０は、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとによって、光電変換部１から、複数の画素２０の行列状の配置における行方向において同じ向き（すなわち、図２における左向き）に信号電荷が読み出される。
　同様に、露光制御ゲート８ａと露光制御ゲート８ｂとも、光電変換部１の垂直方向（行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図２における上下方向）を分割する中心線に対して上下対称に設けられている。
　第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとにおける上記上下対称の位置関係、及び、露光制御ゲート８ａと露光制御ゲート８ｂとにおける上記上下対称の位置関係は、読み出しゲート６と露光制御ゲート８との２組を用いて行う読み出しの特性を設計上合わせることを目的としている。
　図３Ａ、図３Ｂは、基本の形態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。
　以下、図３Ａを参照しながら露光時の動作について説明する。
　露光制御ゲート８ａ及び８ｂにはそれぞれ駆動パルスＯＤＧが、第１の読み出しゲート６ａ及び第２の読み出しゲート６ｂにはそれぞれ駆動パルスＴＧ１、ＴＧ２が印加される。図３Ａには示されていないが、転送電極５ａ～５ｅにはそれぞれ駆動パルスＶＧ１～ＶＧ５が印加される。そして、露光時にはＶＧ１とＶＧ３にＨｉｇｈ電圧、他はＬｏｗ電圧が印加される。Ｈｉｇｈ電圧を印加した転送電極５下に電荷蓄積が可能となる。すなわち、Ｈｉｇｈ電圧が印加された転送電極５（ここでは、転送電極５ａ、転送電極５ｃ）と、その下に重なる転送チャネル４とによって、電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）が形成される。また光源部５００からは、一定周期でオン・オフを繰り返す近赤外パルス光が繰り返し照射されている。Ｔｐは照射パルス光のパルス幅である。対象物体から反射された近赤外パルス光は、光源部５００からの距離に応じてＴｄの遅延をもって撮像部１０１に到達し、光電変換部１において信号電荷に変換される。
　初期状態として、ＯＤＧはＨｉｇｈ状態であり、光電変換部１はリセット状態にある。また、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂはＬｏｗ状態であり、転送電極５ａ及び転送電極５ｃがＨｉｇｈ状態に保持されている第１の電荷蓄積部２ａ及び第２の電荷蓄積部２ｂと、光電変換部１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１で生成した信号電荷は露光制御ゲート８を介してオーバーフロードレイン９に排出され、光電変換部１には蓄積されない。
　次に、照射パルス光がオンとなる時刻ｔ１に同期してＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、第１の読み出しゲート６ａはＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、反射パルス光の入射によって生成した信号電荷の第１の読み出しゲート６ａを介した第１の電荷蓄積部２ａへの転送が開始され、反射パルス光の先行成分（Ａ０）が第１の電荷蓄積部２ａに保持される。
　次に、第２の読み出しゲート６ｂがＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移し、反射パルス光の入射によって生成した信号電荷の第２の読み出しゲート６ｂを介した第２の電荷蓄積部２ｂへの転送が開始され、反射パルス光の後行成分（Ａ１）が第２の電荷蓄積部２ｂに保持される。
　このように、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、１フレーム期間における露光期間に、それぞれ、第１の位相差で、第１の信号電荷（反射パルス光の先行成分（Ａ０））の読み出しと、第２の信号電荷（反射パルス光の後行成分（Ａ１））の読み出しとを行う。
　なお、上述した従来技術では、フレーム毎にＴＧ１とＴＧ２のパルスタイミングを入れ替えていたが、基本の形態１では、画素２０内に電荷保持部１０を持つことにより、露光時の測距信号Ａ０、Ａ１の位置を入れ替え、入れ替えた後にＴＧ１とＴＧ２のパルスを入れ替えることで、１フレーム内で、読み出し位置、電荷蓄積部２の位置による特性差を抑制することが出来る。
　以下、その動作について説明する。
　図４は基本の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。
　図５は基本の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替え動作を示す駆動タイミングである。
　図４において、各転送電極５にはＶＧ１～ＶＧ５までの駆動パルスが印加され、信号電荷を所望の場所に転送する。電荷保持ゲート１１にはＶＳ、転送制御ゲート１２にはＶＢの駆動パルスが印加される。信号の位置を明確にするため各行の中央の画素２０で生成されたＡ０、Ａ１信号のみ文字の背景をドットで塗りつぶしている。
　ここで、転送電極５ａ～５ｅに印加される駆動パルスＶＧ１～ＶＧ５、電荷保持ゲート１１に印加される駆動パルスＶＳ、転送制御ゲート１２に印加される駆動パルスＶＢは、タイミング生成部１０３から出力される。
　ｔｔ１は図３Ａで示す露光が完了したタイミング（すなわち、ｔ３）であり、Ｈｉｇｈ電圧となったＶＧ１、ＶＧ３が印加される転送電極５下にそれぞれＡ０、Ａ１信号が蓄積されている。その後、図４において上方向に５相駆動にて電荷を転送する。
　次に、ｔｔ２にてＶＧ２、ＶＧ５がＨｉｇｈ電圧となり、ＶＧ２、ＶＧ５が印加される転送電極５下に信号電荷が蓄積される。次に図５に示すように、ＶＳをＨｉｇｈ電圧とし、続いてＶＢがＨｉｇｈ電圧とすることで、ＶＧ５が印加されている転送電極５の電荷蓄積部２と電荷保持部１０との間に電荷転送の経路を作った後、ＶＧ５とＶＢが印加される転送電極５と転送制御ゲート１２にＬｏｗ電圧を順次印加し、Ａ０信号を電荷保持ゲート１１下に転送する（図４、図５におけるｔｔ３）。このように、タイミング生成部１０３は、複数の電荷蓄積部２のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷を、電荷保持部１０に転送させる第１信号を出力する。
　次に、ｔｔ３にて電荷保持ゲート１１下のＡ０信号の下に位置していたＡ１信号を５相駆動にて上部に転送し、電荷保持ゲート１１を越えてＶＧ３が印加される転送電極５下に蓄積する（ｔｔ４）。
　その後、ＶＧ５、ＶＢを再びＨｉｇｈ電圧とし、電荷保持部１０とＶＧ５が印加されている転送電極５の電荷蓄積部２との間に転送経路を作った後、ＶＳ、ＶＢの順でＬｏｗ電圧を印加していき、Ａ０信号をＨｉｇｈ電圧となっているＶＧ５が印加されている転送電極５下に転送する（ｔｔ５）。このように、タイミング生成部１０３は、電荷保持部１０から、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部２のうちの１つに転送させる第２信号を出力する。
　次に下方向に５相駆動にて転送を行い、Ａ０とＡ１の縦方向の位置が入れ替わった状態を作る（ｔｔ６）。以降この一連の動作を入れ替え動作と呼ぶ。このように、タイミング生成部１０３は、第１の読み出しゲート６ａによって第１の信号電荷（Ａ０）が読み出され、第２の読み出しゲート６ｂによって第２の信号電荷（Ａ１）が読み出された場合における、第１の信号電荷（Ａ０）を蓄積する第１の電荷蓄積部２ａの位置と、第２の信号電荷（Ａ１）を蓄積する第２の電荷蓄積部２ｂの位置とを、第１信号と第２信号とを含む複数の信号を出力することで入れ替える。
　この入れ替え動作を実施した後は、図４に示すようにＴＧ１が印加される第１の読み出しゲート６ａ横にＡ１信号、ＴＧ２が印加される第２の読み出しゲート６ｂ横にＡ０信号が配置されるため、図３Ｂに示すようにＴＧ１とＴＧ２に印加するパルスタイミングを入れ替え、再び露光を開始することが可能となる。すなわち、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、露光期間において、上記入れ替え動作を実施した後に、第１の位相差と１８０度位相の異なる第２の位相差で、第１の読み出しゲート６ａによる第２の電荷蓄積部２ｂへの信号電荷の読み出しと、第２の読み出しゲート６ｂによる第１の電荷蓄積部２ａへの電荷の読み出しとを行うことが可能となる。ここでは、図３Ａにおける、ＴＧ１に印加される駆動パルスとＴＧ２に印加される駆動パルスとの位相関係と、図３Ｂにおける、ＴＧ１に印加される駆動パルスとＴＧ２に印加される駆動パルスとの位相関係とが、逆位相のタイミングになっていることを、１８０度位相が異なると呼んでいる。
　入れ替え前の露光においては、
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）
　であり、ここで（ＴＧ１）（ＴＧ２）の記載は、それぞれＴＧ１、ＴＧ２が印加される第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂで読み出されたことを示す。
　一方、入れ替え後の露光においては、
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）
　となる。
　Ａ０、Ａ１同士を加算すれば、
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）
　となり、Ａ０、Ａ１共にＴＧ１、ＴＧ２が印加される第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂで読み出された成分を均等に含み、また電荷蓄積位置についても均等に分けられおり、２つの読み出しゲート６、電荷蓄積部２を備えていても、１フレーム内の露光期間で読み出された場所及び電荷蓄積位置の差による信号の差をキャンセルすることが出来る。
　図６は基本の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。
　図４に示す入れ替え動作後の露光後に、再度図６に示す入れ替え動作を行えば図４の初期状態（ｔｔ１）に戻すことが可能であり、図３Ａの露光、図４の入れ替え動作、図３Ｂの露光、図６の入れ替え動作を複数回繰り返し、時間軸での信号の偏りを低減することが望ましい。
　以上詳細に説明したように、基本の形態１により複数のフレームを使うことなく、読み出しゲート６と電荷蓄積部２の位置による特性差を抑制することができるため、測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。
　（本発明の基本の形態２）
　本発明の基本となる形態２（基本の形態２）に係る固体撮像装置及びその駆動方法について、上記の基本の形態１との相違点を中心に説明する。
　図７は、基本の形態２に係る固体撮像装置の備える画素２０ａのレイアウト構成を示す概略平面図である。基本の形態２に係る固体撮像装置は、上記の基本の形態１と比較して、転送電極５が７つ配置される点が異なる。そのため、上記の基本の形態１に対して、電荷蓄積部２を３つとすることが出来る。図７に示されるように、画素２０ａは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂに加えて、第３の電荷蓄積部２ｃを備える。
　上記の基本の形態１における固体撮像装置１００は、電荷蓄積部２が２つであった。
　これに対して基本の形態２では、背景光及び電荷蓄積部２で生じる暗電流と寄生感度成分といった距離情報を含まない信号を独立に得るための電荷蓄積部２を１つ追加し、上記の基本の形態１と同様に１フレーム内で２つの読み出しゲートを介して得られる測距信号（信号電荷）の特性差を抑制しつつ、かつ背景光成分（以降ＢＧ）及び電荷蓄積部２で生じる暗電流成分（以降ＤＳ）及び寄生感度成分（以降Ｓｍ）を距離算出時に除去することで測距誤差を低減している。そのため、図７に示すように電荷結合素子を構成する電極を７つ（転送電極５ａ～５ｇ）設け、７相駆動とすることで、蓄積可能な信号電荷を３つに増やしている。なお８相駆動でも問題はない。
　以下、その動作について説明する。
　露光時に入れ替え動作を行った後、ＴＧ１とＴＧ２に印加されるパルスタイミングを入れ替えて読み出し特性差を抑制するのは、上記の基本の形態１と同じであるが、複数の電荷蓄積部２における暗電流成分ＤＳや寄生感度Ｓｍも電荷蓄積部２毎に異なるため、第１の電荷蓄積部２ａの暗電流成分と寄生感度をＤＳ１、Ｓｍ１、第２の電荷蓄積部２ｂの暗電流成分と寄生感度をＤＳ２、Ｓｍ２、第３の電荷蓄積部２ｃの暗電流成分と寄生感度をＤＳ３、Ｓｍ３と分けて考える。
　また、電荷保持部１０についても電荷蓄積部２と同様に暗電流や寄生感度による信号電荷が生じるため、これらをＤＳＸ、ＳｍＸとする。信号電荷の入れ替え動作においては、最初に電荷保持部１０に転送される信号電荷に前記暗電流ＤＳＸや寄生感度ＳｍＸによる電荷が混入するため、Ａ０、Ａ１、Ａ２と３つの信号がある場合には、最初に電荷保持部１０に転送される回数を前述の３つの信号で均等にする必要がある。
　さらに３つの電荷蓄積部２においても、Ａ０、Ａ１、Ａ２が各々の電荷蓄積部２にとどまる時間を等しくする必要が生じる。
　図８Ａ、図８Ｂは基本の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。図８Ａに露光と入れ替え動作シーケンス、図８Ｂに露光タイミングを示している。簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃと、各電荷蓄積部２ａ～２ｃに蓄積される信号のみ記載している。
　基本の形態２では読み出し特性差と電荷蓄積部２の暗電流差、寄生感度差、更には入れ替え動作で各信号に混入する電荷保持部１０の暗電流と寄生感度を均等に各信号に分散するために、図８Ａに示すように露光（１）～（６）、入れ替え動作（１）～（６）で露光期間が構成される。露光（１）～（６）において露光時間は同じである。２つの信号の入れ替え動作を行うには、どちらか一方の信号を電荷保持部１０に転送する必要があるが、入れ替え動作（１）～（６）において、どの信号を電荷保持部１０に転送するかが異なるため、それについても図８Ａに記載している。
　まず、最初の露光（１）において、Ａ０、Ａ１、Ａ２成分は以下の式で表される。
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
　　Ａ２＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
　ここで（ＴＧ１）（ＴＧ２）の記載は、上記の基本の形態１と同様、それぞれＴＧ１が印加される第１の読み出しゲート６ａ、ＴＧ２が印加される第２の読み出しゲート６ｂで読み出されたことを示す。
　入れ替え動作（１）と露光（２）の間においては、入れ替え動作（１）時に、Ａ０信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ０に加わり、
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ２＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
　入れ替え動作（２）と露光（３）の間においては、入れ替え動作（２）時に、Ａ２信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ２に加わり、また露光（３）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスはＴＧ２のみであり背景光成分（ＢＧ）が読み出されるため、
　　Ａ０＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
　　Ａ１＝ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　入れ替え動作（３）と露光（４）の間においては、入れ替え動作（３）時に、Ａ１信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ１に加わり、また露光（４）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスはＴＧ１のみであり背景光成分（ＢＧ）が読み出されるため、
　　Ａ０＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
　　Ａ１＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　入れ替え動作（４）と露光（５）の間においては、入れ替え動作（４）時に、Ａ０信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ０に加わり、また露光（５）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスは印加しないため、
　　Ａ０＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ１＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
　　Ａ２＝ＤＳ１＋Ｓｍ１
　入れ替え動作（５）と露光（６）の間においては、入れ替え動作（５）時に、Ａ２信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ２に加わり、また露光（６）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスは印加しないため、
　　Ａ０＝ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ１＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
　　Ａ２＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　入れ替え動作（６）後では、入れ替え動作（６）時に、Ａ１信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ１に加わり、また露光は行わないため、その他の寄生感度と暗電流は殆ど無視でき０とすると、
　　Ａ０＝０
　　Ａ１＝ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ２＝０
　がＡ０、Ａ１、Ａ２に蓄積される。
　以上をＡ０、Ａ１、Ａ２毎に加算すると、
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）
　　　　＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
　　　　＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）
　　　　＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
　　　　＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
　　Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ１）＋ＢＧ（ＴＧ２）
　　　　＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
　　　　＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
　となり、Ａ０、Ａ１、Ａ２にはそれぞれ、異なる二つの読み出しゲート６で読み出されたＡ０、Ａ１、ＢＧ信号が加算された状態で含まれるため、読み出し特性の差はキャンセルされる。
　またＤＳ１、Ｓｍ１、ＤＳ２、Ｓｍ２、ＤＳ３、Ｓｍ３、ＤＳＸ、ＳｍＸといった３つの電荷蓄積部２と電荷保持部１０とについての暗電流と寄生感度とも、Ａ０、Ａ１、Ａ２に均等に含まれるため、Ａ０－Ａ２、Ａ１－Ａ２の差分後の値にはこれら距離情報と関係のない信号は含まれない。また各露光時間は等しく設定しているため、Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）、Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）に含まれる背景光成分は、ＢＧ（ＴＧ１）＋ＢＧ（ＴＧ２）と等しく、差分後は距離情報のみが得られ、測距誤差を抑制できる。
　電荷保持部１０の暗電流を低減するために、電荷保持部１０を形成する電荷保持ゲート１１と転送制御ゲート１２には、入れ替え動作で信号電荷を転送、蓄積する場合を除き、転送チャネルの界面がピンニングするように負電圧を印加し暗電流を低減することが望ましい。すなわち、電荷保持部１０は、電荷保持チャネル（図示されず）の少なくとも一部と、半導体基板の平面視において電荷保持チャネルの少なくとも一部に重なる、電荷保持ゲート１１の少なくとも一部を含んで構成され、電荷保持ゲート１１は、電荷保持部１０が信号電荷を保持する期間を除く期間の少なくとも一部の期間、電荷保持チャネルと電荷保持ゲート１１との界面がピンニングされるように負電圧が印加されることが望ましい。
　また寄生感度を低減するために、電荷保持ゲート１１と転送制御ゲート１２周辺の一部または全てを覆うように絶縁膜を介して遮光膜を設けることが望ましい。すなわち、電荷保持部１０の少なくとも一部が遮光膜で覆われていることが望ましい。ＭＯＳプロセスでは配線がゲート電極から高い位置に設けられるため、配線とは別に低い位置にＷ（タングステン）等で遮光することで寄生感度を低減できる。
　更に図７では１画素内に電荷保持部１０を設けているが、電荷保持部１０を複数の画素で共有することで、入れ替え動作時に信号電荷に混入する寄生感度と暗電流を、共有しない場合に比べて「１／共有画素数」に出来るため、Ａ０－Ａ２、Ａ１－Ａ２の差分時に生じるショットノイズ増を抑制し測距バラツキを低減できる。
　なお、図８Ａ、図８Ｂは露光期間のみを取り扱っているが、１フレーム期間における上記露光期間の後の信号読み出し期間中も各信号は異なる電荷蓄積部に蓄積されているため、この期間中においても暗電流差や寄生感度差が生じる。
　露光期間中の場合と同様に、入れ替え動作（１）～（６）を信号読み出し期間中にも行うことで、この期間中の異なる電荷蓄積部で発生する暗電流や寄生感度差も等しくすることが可能となる。
　この場合、信号を読み出すだけであるため、図８ＢのＴＧ１、ＴＧ２に示す読み出しパルスは不要であり、ＴＧ１とＴＧ２は常にＬｏｗ状態、またＯＤＧは常にＨｉｇｈ状態でよい。
　以上詳細に説明したように、基本の形態２により複数のフレームを使うことなく、読み出しゲート６の位置による特性差を抑制し、かつ背景光、暗電流、寄生感度の各信号間差を抑制し減算することが可能となるため、測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。
　（本発明の基本の形態３）
　図９は、本発明の基本となる形態３（基本の形態３）に係る固体撮像装置の備える画素２０ｂのレイアウト構成を示す概略平面図である。図９に示されるように、画素２０ｂは、電荷保持部リセットゲート１８と、電荷保持部リセットドレイン１９とを備える。基本の形態３に係る固体撮像装置は、上記の基本の形態２と比較して、電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９を追加した点が異なるため、他の説明は説明済みであるとして省略し、電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９とを中心に説明する。
　上記の基本の形態１、上記の基本の形態２共に電荷保持部１０の取り扱い電荷量はオーバーフローを避けるため、電荷蓄積部２の取り扱い電荷量よりも大きく設定することが望ましいが、電荷保持部１０での寄生感度（ＳｍＸ）や暗電流（ＤＳＸ）が大きくなる場合などは電荷保持部１０に隣接して電荷保持部１０の電荷蓄積とドレインへの排出を制御する電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９、すなわち、電荷保持部１０から信号電荷の少なくとも一部を排出する電荷保持部リセットドレイン１９と、電荷保持部リセットドレイン１９への上記排出を制御する電荷保持部リセットゲート１８とを追加し電荷保持部１０のオーバーフローを抑制することが望ましい。
　また、入れ替え動作前に、電荷保持部リセットゲート１８をＯＮし、これにより、露光期間中や信号読み出し期間中に蓄積されるＤＳＸ、ＳｍＸ成分を電荷保持部リセットドレイン１９に排出することで、入れ替え動作時に電荷保持部１０に転送されるＡ０、Ａ１、ＢＧといった信号にＤＳＸ、ＳｍＸ成分が混入することを低減できるため、減算処理時に生じるショットノイズの増加を抑制でき、測距バラツキを低減できる。
　更には、転送制御ゲート１２にＬｏｗ電圧を印加した際のチャネル電位を転送チャネル４上の転送電極５にＬｏｗ電圧を印加した際のチャネル電位よりも一定量深くしておき、電荷保持部１０と電荷保持部リセットゲート１８とをＨｉｇｈ電圧としておけば、電荷結合素子で構成される電荷蓄積部２のオーバーフローも低減することができる。
　以上詳細に説明したように、上記の基本の形態２の効果に加えて、電荷保持部１０の暗電流と寄生感度が距離演算に必要な信号に混入することを抑制できるため、より測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。
　（実施の形態１）
　図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃは、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素２０ｃのレイアウト構成を示す概略平面図である。
　図１０Ａに示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、上記の基本の形態２と比較して、転送チャネル４（ＣＣＤチャネル）が１画素あたり複数本（一例として、２本、ここでは、転送チャネル４ａ、転送チャネル４ｂ）となり、出力制御ゲート１３、浮遊拡散層１４、リセットゲート１５、リセットドレイン１６、電荷保持部１０、読み出し回路１７が縦方向２画素で共有され、１画素あたり、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄの４つの電荷蓄積部２を備えている点が異なる。しかしながら、各構成要素は同様であるため説明済みであるとして説明を省略する。
　なお、図１０Ｂ、図１０Ｃに示すように、転送チャネル４ａと転送チャネル４ｂを分離するために、不純物を高濃度に注入しチャネルストップ領域２１が形成される、あるいはＳＴＩ分離が用いられる。前者の構造では、転送電極５にＨｉｇｈ電圧が印加された場合に図１０Ｂに示す矩形形状の転送電極５が考えらえる。但し、矩形形状の転送電極５では、チャネルストップ領域２１と、半導体基板の平面視において重なる部分が多く、高電界に起因する暗電流が発生しやすい場合がある。
　そのため、チャネルストップ領域２１と転送電極５の重なりは小さくすることが望ましい。例えば、転送チャネル４上の転送電極長に比べチャネルストップ領域２１上の電極長を短くレイアウトする等を用いることが望ましい。このレイアウトを実現する一例として、図１０Ｃに示す、所謂、ダンベル形状を有する転送電極５を採用してもよい。
　上記の基本の形態２における固体撮像装置は、３つの信号を取り扱うことができ、そのうちの１つは距離信号Ａ０、Ａ１から、背景光（ＢＧ）、暗電流（ＤＳ）、寄生感度（Ｓｍ）を減算するための信号である。
　これに対して本実施の形態では、転送チャネル４を複数本（一例として、２本）設け、５相駆動とすることで、１画素あたり４つの測距用信号を取り扱うことが出来る構成としている。そのためパルス幅が狭いままで測距レンジを３倍に伸ばすことが出来る。更には電荷保持部１０の寄生感度や暗電流成分が、上記の基本の形態２であれば３つの信号に分けて混入することになるが、本実施の形態では４つの信号に分けて混入するため、影響を小さくできる利点がある。
　以下、その動作について説明する。
　図１１Ａ、１１Ｂ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。露光タイミングとしては、タイミングの異なる２種類があり、以下、図１１Ａで示される露光タイミングを第１シーケンス、図１１Ｂで示される露光タイミングを第２シーケンスとする。第１シーケンスでＡ０、Ａ２信号を取得し、第２シーケンスでＡ１、Ａ３信号を取得する。詳細は後ほど説明する。
　図１２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の信号の動作を示す概略平面図である。４つの信号を蓄積するために、第１シーケンスを実施した後、１画素分Ａ０とＡ２信号を図１２における下方に転送する。その後に第２シーケンスを実施し、Ａ１とＡ３信号を読み出しゲート６ａ、６ｂを介して蓄積する。入れ替え動作を行わない場合は、第２シーケンスを実施した後、１画素分上方に転送し、再び第１シーケンスを実施する。これらを複数回繰り返し、Ａ０とＡ２、Ａ１とＡ３の露光期間に極端な時間差が生じないようにする。
　次に図１１Ａ、１１Ｂを参照しながら露光動作の詳細について説明する。
　初期状態として、露光制御ゲート８ａ及び８ｂに印加される駆動パルス信号ＯＤＧはＨｉｇｈ状態であり、光電変換部１で生成した信号電荷は、それぞれ、露光制御ゲート８ａ及び８ｂを介してオーバーフロードレイン９ａ及び９ｂに排出され、光電変換部１には蓄積されない。駆動パルス信号ＴＧ１、ＴＧ２はＬｏｗ状態であり、また図１１には示していないが読み出しゲート６ａ、６ｂに隣接する転送電極５に印加される駆動パルス信号ＶＧ１、ＶＧ４はＨｉｇｈ状態であり電荷蓄積部２を形成している。これら電荷蓄積部２は光電変換部１と電気的に遮断されている。
　第１シーケンスでは、照射パルス光がオンとなる時刻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１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ１は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔｐ／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、光の入射によって生成した信号電荷の、ＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａを介した電荷蓄積部２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が再びＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１で生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン９に排出される。この一連の動作により、図１１で示すＡ０信号が電荷蓄積部２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１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ２は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔｐ／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、光の入射によって生成した信号電荷の、ＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂを介した電荷蓄積部２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１で生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン９に排出される。この動作により、図１１に示すＡ２信号が電荷蓄積部２に保持される。
　第２シーケンスでは、時刻ｔ２において、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ１は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔｐ／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、光の入射によって生成した信号電荷の、ＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａを介した電荷蓄積部２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１で生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン９に排出される。この動作により、図１１に示すＡ１信号が電荷蓄積部２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１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ２は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔｐ／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、光の入射によって生成した信号電荷の、ＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂを介した電荷蓄積部２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１で生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン９に排出される。この動作により、図１１に示すＡ３信号が電荷蓄積部２に保持される。
　以上の動作により、図１０Ａで示す第１の電荷蓄積部２ａ～第４の電荷蓄積部２ｄに、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３信号が蓄積されることになる。
　図１３Ａ～１３Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力と測距レンジの対応を示すタイミングチャートである。図１３Ａ中には測距レンジ１、図１３Ｂ中には測距レンジ２、図１３Ｃ中には測距レンジ３とあるが、各々は反射パルス光の遅延時間Ｔｄによって分類されており、Ｔｄが０～Ｔｐの場合を測距レンジ１、ＴｄがＴｐ～２Ｔｐの場合を測距レンジ２、Ｔｄが２Ｔｐ～３Ｔｐの場合を測距レンジ３としている。また時刻ｔ１乃至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Ｔｐに等しい。また、図１３Ｄは、各測距レンジと、各電荷蓄積部２に蓄積されるＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３信号との対応関係を示す対応表である。
　まず図１３Ａの測距レンジ１の場合について説明する。
　背景光を含んだ反射パルス光の先行成分Ａ０は第１シーケンスにおいて、ＴＧ１のＨｉｇｈ電圧で読み出され、ＴＧ２のＨｉｇｈ電圧で読み出されるのは背景光成分ＢＧである。一方、背景光を含んだ反射パルス光の後行成分Ａ１は第２シーケンスにおいてＴＧ１のＨｉｇｈ電圧で読み出され、ＴＧ２のＨｉｇｈ電圧で読み出されるのは背景光成分ＢＧである。
　これらの信号を基に反射パルス光の遅延量Ｔｄ＝Ｔｐ×（（Ａ１－ＢＧ）／（Ａ０＋Ａ１－２×ＢＧ））を求め、対象物までの距離が算出される。
　測距レンジ１においてはＡ０＞Ａ２、Ａ１＞Ａ３であり、距離ｄ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、分子部分についてはＡ３、分母部分についてはＡ０に対してはＡ２を、Ａ１に対してはＡ３を用いることが望ましい。後述するが、本実施の形態においては、Ａ０とＡ２、Ａ１とＡ３間の暗電流や寄生感度を合わせこむためである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　…（式１）
　反射パルス光の遅延量が異なるため、各々の距離情報を持つ信号と背景光のみの信号がＡ０～Ａ４のどこに位置づけられるかは図１３Ｄ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。
　測距レンジ２においては、Ａ２＞Ａ０、Ａ１＞Ａ３であり、距離ｄ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、分子部分についてはＡ０、分母部分についてはＡ１に対してはＡ３を、Ａ２に対してはＡ０を用いることが望ましい。理由については測距レンジ１の説明で述べたとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　…（式２）
　測距レンジ３においては、Ａ２＞Ａ０、Ａ３＞Ａ１であり、距離ｄは下記の式３で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、分子部分についてはＡ１、分母部分についてはＡ２に対してはＡ０を、Ａ３に対してはＡ１を用いることが望ましい。理由については測距レンジ１の説明で述べたとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　…（式３）
　次に信号入れ替え動作について、図１４Ａ～１４Ｄ、図１５、図１６Ａ、１６Ｂを参照しながら説明する。
　図１４Ａ～１４Ｄは実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。信号入れ替え前後でのＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の画素における蓄積場所とＴＧ１、ＴＧ２が印加される読み出しゲート６との位置関係も示している。
　図１５は実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。
　図１６Ａ、１６Ｂは実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示すタイミングチャートである。
　図１５、図１６Ａ、１６Ｂでは簡単のため、Ａ０信号とＡ２信号、Ａ０’信号とＡ２’信号の信号入れ替え動作を示している。
　図１５、図１６Ａ、１６Ｂにおいて、初期からＡ０とＡ２信号の入れ替えが行われるまでの動作を駆動Ａ、入れ替えが終わってから初期の露光位置に信号が戻るまでの動作を駆動Ｂとしている。駆動Ｂは通常の５相駆動である。
　図１０Ａ、図１５において、実施の形態１に係る固体撮像装置は、ＶＧ４が印加される転送電極５ｄとして、入れ替え動作時の駆動の制御のため、ＶＧ４ＡとＶＧ４Ｂが印加される２種類の転送電極５ｄ（ここでは、転送電極５ｄＡ、転送電極５ｄＢ）を備えている。そして、これはＶＧ５が印加される転送電極５ｅについても同様であり、実施の形態１に係る固体撮像装置は、ＶＧ５ＡとＶＧ５Ｂが印加される２種類の転送電極５ｅ（ここでは、転送電極５ｅＡ、転送電極５ｅＢ）を備える。Ｖ５Ｂは転送制御ゲート１２に隣接する転送電極５ｅＢに印加され、Ｖ４ＢはＶ５Ｂが印加される転送電極５ｅＢの上側に位置する転送電極５ｄＢに印加される。
　図１５において、各転送電極５にはＶＧ１、ＶＧ２、ＶＧ３、ＶＧ４Ａ、ＶＧ４Ｂ、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂの駆動パルスが印加され、信号電荷を所望の場所に転送する。考慮すべき信号はＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の４つの信号で、図１５中の最下方の読み出しゲート６ａ、６ｂから読み出された信号をＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３、その２画素上の読み出しゲート６ａ、６ｂから読み出された信号をＡ０’、Ａ１’、Ａ２’、Ａ３’とする。簡単のため、その他の隣接画素の信号は省略している。まず駆動Ａの動作について説明する。ｔｔ１は図１４Ａ、１４Ｂで示す露光が完了した状態であり、Ｈｉｇｈ電圧であるＶＧ１、ＶＧ４Ａ、ＶＧ４Ｂが印加される転送電極５下に８つの信号が蓄積されており、Ａ０信号はＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａ横に、Ａ２信号はＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂ横に位置している。その後、図１５において上方向に５相駆動にて信号電荷を転送し、ｔｔ２にてＶＧ３、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５ＢがＨｉｇｈ電圧となり、ＶＧ３、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂが印加される転送電極５下に信号電荷が蓄積される。次に図１６Ａに示すように、ＶＳが印加される電荷保持ゲート１１にＨｉｇｈ電圧、続いてＶＢが印加される転送制御ゲート１２をＨｉｇｈ電圧とし、ＶＧ５ＢのＨｉｇｈ電圧が印加されている転送電極５の電荷蓄積部２と電荷保持部１０との間に電荷転送の経路を作った後、ＶＧ５ＢとＶＢが印加される転送電極５と転送制御ゲート１２にＬｏｗ電圧を順次印加し、Ａ２信号を電荷保持ゲート１１下に転送する（図１５、図１６Ａにおけるｔｔ３）。
　次にｔｔ３にて電荷保持ゲート１１下のＡ２信号の下に位置していたＡ０信号を上部に転送し、電荷保持ゲート１１を越えてＶＧ３が印加される転送電極５下に蓄積する（ｔｔ４）。
　その後、ＶＧ５Ｂ、ＶＢを再びＨｉｇｈ電圧とし、電荷保持部１０と、ＶＧ５Ｂが印加されている転送電極５の電荷蓄積部２との間に転送経路を作った後、ＶＳ、ＶＢの順でＬｏｗ電圧を印加していき、Ａ２信号をＶＧ５ＢのＨｉｇｈ電圧が印加されている転送電極５下に転送する（ｔｔ５）。
　次に下方向に駆動Ｂに示す５相駆動にて転送を行い、Ａ０とＡ２の縦方向の位置が入れ替わった状態を作る（ｔｔ６）。
　この入れ替え動作を実施した後は、図１５に示すようにＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂ横にＡ０信号、ＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａ横にＡ２信号が配置されるため、図１４ＣのＡ０－Ａ２信号入れ替え後の第１シーケンスに示すようにＴＧ１とＴＧ２に印加するパルスタイミングを入れ替え、再び露光を開始することが可能となる。
　図１７は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄと、各電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷とを記載している。
　本実施の形態では読み出し特性差と電荷蓄積部２の暗電流差、寄生感度差、更には入れ替え動作で各信号に混入する電荷保持部１０の暗電流と寄生感度を均等に各信号に分散するために図１７に示すように露光（１）～（８）、入れ替え動作（１）～（４）で露光期間が構成される。露光（１）～（８）において露光時間は同じである。２つの信号の入れ替え動作を行うには、どちらかを電荷保持部１０に転送する必要があるが、入れ替え動作（１）～（４）において、どの信号を電荷保持部１０に転送するかも記載している。
　図１２に示したように、第１シーケンスでＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａに読み出しパルスを印加してＡ０を蓄積し、ＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂに読み出しパルスを印加してＡ２信号を蓄積する。上記の基本の形態２と同様に、ＴＧ１で読み出したＡ０をＡ０（ＴＧ１）、ＴＧ２で読み出したＡ２をＡ２（ＴＧ２）とする。その後、１画素分下に電荷転送し、ＴＧ１に読み出しパルスを印加してＡ１（ＴＧ１）を蓄積し、ＴＧ２に読み出しパルスを印加してＡ３（ＴＧ２）を得る。その後、１画素分上に電荷転送し、元の露光位置に戻す。図１７に示すように露光される信号が存在する画素の上下に１画素分転送を行うので、信号は４つであるが、考慮すべき電荷蓄積部２は６箇所あり、ＴＧ２、ＴＧ１が印加される読み出しゲート６ｂ、６ａ横の電荷蓄積部２の暗電流をそれぞれＤＳ１、ＤＳ２、漏れ込み及び寄生感度をＳｍ１、Ｓｍ２とし、露光が行われる画素の上部に存在する画素における電荷蓄積部２の暗電流を上からＤＳＵ１、ＤＳＵ２、寄生感度をＳｍＵ１、ＳｍＵ２とし、下側の画素の電荷蓄積部２の暗電流をＤＳＤ１、ＤＳＤ２、寄生感度をＳｍＤ１、ＳｍＤ２とし、上記の基本の形態２と同様に電荷保持部１０の暗電流をＤＸ、寄生感度をＳｍＸとする。
　まず、最初の露光（１）において、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３信号は以下の式で表される。
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
　　Ａ２＝Ａ２（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ１＝ＤＳＵ２＋ＳｍＵ２
　　Ａ３＝ＤＳＵ１＋ＳｍＵ１
　露光（２）において、同様に
　　Ａ０＝ＤＳＤ２＋ＳｍＤ２
　　Ａ２＝ＤＳＤ１＋ＳｍＤ１
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
　　Ａ３＝Ａ３（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　入れ替え動作（１）後の露光（３）では、入れ替え動作（１）時に、Ａ２信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ２に加わり、
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ２＝Ａ２（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ１＝ＤＳＵ２＋ＳｍＵ２
　　Ａ３＝ＤＳＵ１＋ＳｍＵ１
　露光（４）では、
　　Ａ０＝ＤＳＤ１＋ＳｍＤ１
　　Ａ２＝ＤＳＤ２＋ＳｍＤ２
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
　　Ａ３＝Ａ３（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　入れ替え動作（２）後の露光（５）では、入れ替え動作（２）時に、Ａ３信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ３に加わり、
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ２＝Ａ２（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
　　Ａ１＝ＤＳＵ１＋ＳｍＵ１
　　Ａ３＝ＤＳＵ２＋ＳｍＵ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　露光（６）では、
　　Ａ０＝ＤＳＤ１＋ＳｍＤ１
　　Ａ２＝ＤＳＤ２＋ＳｍＤ２
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ３＝Ａ３（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
　入れ替え動作（３）後の露光（７）では、入れ替え動作（３）時に、Ａ０信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ０に加わり、
　　Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ２＝Ａ２（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ１＝ＤＳＵ１＋ＳｍＵ１
　　Ａ３＝ＤＳＵ２＋ＳｍＵ２
　露光（８）では、
　　Ａ０＝ＤＳＤ２＋ＳｍＤ２
　　Ａ２＝ＤＳＤ１＋ＳｍＤ１
　　Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
　　Ａ３＝Ａ３（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
　入れ替え動作（４）後では、Ａ１信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ１に加わり、その後は露光がないため、その他の寄生感度と暗電流は殆ど無視でき０とすると、
　　Ａ０＝０
　　Ａ２＝０
　　Ａ１＝ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ３＝０
　以上をＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３毎に加算すると、
　　Ａ０＝２×Ａ０（ＴＧ１）＋２×Ａ０（ＴＧ２）
　　　　＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２
　　　　＋２×ＤＳＤ１＋２×ＳｍＤ１＋２×ＤＳＤ２＋２×ＳｍＤ２
　　　　＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ２＝２×Ａ２（ＴＧ１）＋２×Ａ２（ＴＧ２）
　　　　＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２
　　　　＋２×ＤＳＤ１＋２×ＳｍＤ１＋２×ＤＳＤ２＋２×ＳｍＤ２
　　　　＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ１＝２×Ａ１（ＴＧ１）＋２×Ａ１（ＴＧ２）
　　　　＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２
　　　　＋２×ＤＳＵ１＋２×ＳｍＵ１＋２×ＤＳＵ２＋２×ＳｍＵ２
　　　　＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　　Ａ３＝２×Ａ３（ＴＧ１）＋２×Ａ３（ＴＧ２）
　　　　＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２
　　　　＋２×ＤＳＵ１＋２×ＳｍＵ１＋２×ＤＳＵ２＋２×ＳｍＵ２
　　　　＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
　となり、Ａ０、Ａ２成分の各々において２つの異なる読み出しゲート６でＡ０またはＡ２を読み出しそれを加算することで読み出し特性差が解消されることが分かる。また暗電流、寄生感度についてはＡ０、Ａ２それぞれ均等に含まれることになる。Ａ１とＡ３についても同様である。本実施の形態の露光方式においては、図１３Ｄで示したように、Ａ０とＡ２は一方が距離情報を含まない背景光成分のみを光電変換部１から読み出しており、Ａ１とＡ３についても同様であるため、各レンジにおいて、Ａ０－Ａ２（またはＡ２－Ａ０）、Ａ１―Ａ３（またはＡ３－Ａ１）を算出すれば、背景光成分を減算でき、異なる電荷蓄積部２による暗電流・寄生感度差をキャンセルすることが可能となる。これにより、差分後の誤差が解消でき、測距誤差を低減できる。
　本実施の形態においても、上記の基本の形態２で述べたように、信号読み出し期間中も各信号は電荷蓄積部２に蓄積されているため、この期間中においても暗電流差や寄生感度差が生じる。そのため信号読み出し期間においても電荷蓄積部２間において信号電荷の入れ替え動作を行う必要がある。
　図１８は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号読み出し時の各信号の配置と動作を示す平面図である。図１７と同様に、簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄと各電荷蓄積部２に蓄積される信号のみ記載している。
　入れ替え動作（１）～（４）を信号読み出し期間中にも行うことで、この期間中に異なる電荷蓄積部２で生じる暗電流差や寄生感度差もＡ０とＡ２、Ａ１とＡ３間でそれぞれ等しくすることが可能となる。信号読み出し期間中に、入れ替え動作（１）～（４）を少なくとも４回行うことが望ましい。
　なお、図１０Ａには図示していないが、上記の基本の形態３と同様に電荷保持部１０の隣に電荷保持部リセットゲート１８、電荷保持部リセットドレイン１９を設けてもよい。
　なお、実施の形態１では、実施の形態１に係る固体撮像装置として、光電変換部１から信号電荷を読み出す読み出しゲート６が複数である構成を例示したが、必ずしも、読み出しゲート６が複数である構成の例に限定される必要はない。一例として、実施の形態１に係る固体撮像装置として、光電変換部１から信号電荷を読み出す読み出しゲートが１つである構成の例もあり得る。
　以上詳細に説明したように、本実施の形態により上記の基本の形態２に比べて、測距レンジが大きい、そして、電荷保持部１０の寄生感度や暗電流の影響を低減できるため、測距精度にも優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。
　（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置について、図面を用いて、上述した基本の形態、及び実施の形態との相違点を中心に説明する。
　図１９は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の備える画素２０ｄ、２０ｅ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と比較して、出力制御ゲート１３、浮遊拡散層１４、リセットゲート１５、リセットドレイン１６、読み出し回路１７、電荷保持部１０が縦方向４画素で共有される点が異なる。但し、各構成要素は同様であるため説明済みであるとして説明を省略する。
　実施の形態１に比べ、本実施の形態では縦方向４画素の出力部（出力制御ゲート１３、浮遊拡散層１４、リセットゲート１５、リセットドレイン１６、読み出し回路１７）と電荷保持部１０とを共有しているため、行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図１９における上下方向に隣接する光電変換部１間の分離領域に、電荷保持部１０または出力部のいずれか１つを配置するレイアウトとなるため、電荷保持部１０の面積を拡大すること、及び電荷保持部１０のレイアウトを比較的容易に実現することが可能で、電荷保持部１０の取り扱い電荷量を増やすことが可能となる利点がある。更には後述するが電荷保持部１０の寄生感度や暗電流が８つの信号に分けて混入することになるため、電荷保持部１０で発生する寄生感度と暗電流の影響を低減できる。
　このように、実施の形態２に係る固体撮像装置は、電荷保持部１０を備える第１画素２０ｄと、浮遊拡散層１４と読み出し回路１７とを含む出力部を備える第２画素２０ｅとの２種類の画素２０を備える。そして、第１画素２０ｅは、複数の画素２０の行列状の配置における列方向に並ぶ第２画素２０ｄのうちの少なくとも１つと、浮遊拡散層１４を共用し、第２画素２０ｄは、上記列方向に並ぶ第１画素２０ｅのうちの少なくとも１つと、電荷保持部１０を共用する。
　以下、実施の形態２に係る固体撮像装置の動作について説明する。
　露光時の動作は実施の形態１と同様であり、図１１、１２に示される通り、第１シーケンスを複数回繰り返しＡ０、Ａ２信号を得た後で、信号電荷を１画素分転送し、第２シーケンスによりＡ１、Ａ３信号を得る。
　図２０、図２１は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄと、各電荷蓄積部２に蓄積される信号とを記載している。
　本実施の形態では読み出し特性差と電荷蓄積部２の暗電流差、寄生感度差、更には入れ替え動作で各信号に混入する電荷保持部１０の暗電流と寄生感度を均等に各信号に分散するために図２０、２１に示すように露光（１）～（１６）、入れ替え動作（１）～（８）で露光期間が構成される。露光（１）～（１６）において露光時間は同じである。２つの信号の入れ替え動作を行うには、どちらかを電荷保持部１０に転送する必要があるが、入れ替え動作（１）～（８）において、どの信号を電荷保持部１０に転送するかも記載している。
　以下、図２０と図２１を参照しながら動作の詳細を説明する。
　本実施の形態では、縦方向４画素で電荷保持部１０と出力部とを共有しているため、８つの信号について考慮する必要がある。図２０、２１に示すように、読み出しゲート６を持つ下部の画素２０から上部に向けて露光（１）で得られる信号をＡ０、Ａ２、Ａ１、Ａ３、Ａ０’、Ａ２’、Ａ１’、Ａ３’とする。本実施の形態では４画素で１つの電荷保持部１０を共有しているため、実施の形態１と異なり、露光時の入れ替え動作は、例えば図２０の入れ替え動作（１）に記載しているように、Ａ０とＡ２信号の入れ替え動作を行った後に他画素のＡ０’、Ａ２’信号の入れ替え動作を行う必要がある。これを１セットとし、入れ替え動作時に最初に電荷保持部１０に転送される信号を各信号同一回数実施する必要があるため、図２０、２１に示すように入れ替え動作は（１）～（８）の最低８セット行うのが望ましい。詳細は省略するが、実施の形態１と同様に、Ａ０とＡ２、Ａ１とＡ３、Ａ０’とＡ２’、Ａ１’とＡ３’において、各信号が２つの異なる読み出しゲート６で読み出した成分を均等に含み、それらが加算されるため、読み出し特性差が解消される。また暗電流、寄生感度についてもＡ０とＡ２、Ａ１とＡ３、Ａ０’とＡ２’、Ａ１’とＡ３’間でそれぞれ均等に含まれる。本実施の形態の露光方式においては、図１３Ｄで示したように、Ａ０とＡ２は一方が距離情報を含まない背景光成分のみを光電変換部１から読み出しており、Ａ１とＡ３、Ａ０’とＡ２’、Ａ１とＡ３’についても同様であるため、各測距レンジにおいて、Ａ０－Ａ２（またはＡ２－Ａ０）、Ａ１―Ａ３（またはＡ３－Ａ１）、Ａ０’－Ａ２’（またはＡ２’－Ａ０’）、Ａ１’―Ａ３’（またはＡ３’－Ａ１’）を算出すれば、背景光成分を減算でき、異なる電荷蓄積部２による暗電流・寄生感度差をキャンセルすることが可能となる。これにより、差分後の誤差が解消でき、測距誤差を低減できる。
　図２２Ａ、２２Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示すタイミングチャートである。
　図２３は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示す概略平面図である。
　図２２Ａ、２２Ｂ、図２３に示す動作は、図２０における入れ替え動作（１）のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作に相当する。初期からＡ０とＡ２信号の入れ替えが行われるまでの動作を駆動Ａ、入れ替えが終わってから初期の露光位置に信号が戻るまでの動作を駆動Ｂとしている。駆動Ｂは通常の５相駆動である。
　図２２Ａ、２２Ｂ、図２３において、各転送電極５にはＶＧ１、ＶＧ２、ＶＧ３、ＶＧ４Ａ、ＶＧ４Ｂ、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂ、ＶＧ５Ｃの駆動パルスが印加され、信号電荷を所望の場所に転送する。５相駆動を基本とするが、実施の形態２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と同様に、入れ替え動作時の駆動の制御のため、ＶＧ４ＡとＶＧ４Ｂが印加される２種類の転送電極５ｄ（ここでは、転送電極５ｄＡ、転送電極５ｄＢ）を備えており、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂが印加される２種類の転送電極５ｅ（ここでは、転送電極５ｅＡ、転送電極５ｅＢ）を備えている。加えて出力制御ゲート１３に隣接する転送電極５を独立にする必要があるため、ＶＧ５Ｃが印加される転送電極５ｅ（ここでは、転送電極５ｅＣ）を備えている。
　ＶＧ５Ｃは信号電荷を出力制御ゲート１３に転送する場合のみＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂと異なるタイミングが印加されるため、入れ替え動作や通常の５相駆動を用いた上下転送においてはＶＧ５Ａと同じタイミングとなる。
　図２３に示すように、この場合の動作では、Ａ２信号を電荷保持部１０に転送、一度保持し、Ａ０信号が電荷保持部１０の上部に転送された後に、ＶＧ５Ｂが印加される転送電極５下に戻すことでＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を実現している（駆動Ａ）。この後、通常の５相駆動により、露光を行う画素まで転送を行う（駆動Ｂ）。図２３の信号の配置と図２２Ａ、２２Ｂのタイミングチャートにおける時間軸での対応をｔｔ１～ｔｔ７で示す。
　他の信号の入れ替え動作も上下の転送と電荷保持部１０への信号電荷の出し入れにより同様に実施することができる。
　なお、本実施の形態においても、信号読み出し期間中も各信号は異なる電荷蓄積部２に蓄積されているため、この期間中においても暗電流差や寄生感度差が生じる。そのため信号読み出し期間においても電荷蓄積部２間において信号電荷の入れ替え動作を行う必要がある。
　図２４は、実施の形態２に係る固体撮像装置の信号読み出し時の各信号の配置と動作を示す平面図である。図２０、図２１と同様に、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄと各電荷蓄積部２に蓄積される信号のみ記載している。入れ替え動作は（１）～（８）の８回実施する。電荷保持部１０に保持される信号は電荷保持部１０の暗電流と寄生感度が混入するが、Ａ０～Ａ３、Ａ０’～Ａ３’の８つの信号がそれぞれ１回ずつ合計８回電荷保持部１０に保持され入れ替え動作を実施するため、電荷保持部１０の暗電流と寄生感度は８分割され均等に各信号に混入する。入れ替え動作（１）～（８）を信号読み出し期間中にも行うことで、この期間中の異なる電荷蓄積部２間の暗電流差や寄生感度差もＡ０とＡ２、Ａ１とＡ３、Ａ０’とＡ２’、Ａ１’とＡ３’間でそれぞれ等しくすることが可能となる。
　なお、図１９に図示していないが、上記の基本の形態３と同様に電荷保持部１０の隣に電荷保持部リセットゲート１８、電荷保持部リセットドレイン１９を設けてもよい。実施の形態１に比べ、行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図１９における縦方向に共有する画素２０を増やすことで、電荷保持部１０の配置領域に余裕ができるため、電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９を配置しやすくなっている。
　以上詳細に説明したように、本実施の形態により実施の形態１に比べて、電荷保持部の寄生感度や暗電流の影響を低減でき、電荷保持部１０の取り扱い電荷量も大きくとれるため、測距精度にも優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。
　（実施の形態３）
　本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置について、図面を用いて実施の形態との相違点を中心に説明する。
　図２５Ａ～２５Ｄ、と図２６Ａ～２６Ｄとは、実施の形態３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２５Ａ～２５Ｄ、と図２６Ａ～２６ＤとではＴＧパルス幅が異なる（言い換えると、ＴＧパルスのパルス幅は、照射光のパルス幅Ｔｐよりも大きい）が取得される信号は同様である。
　実施の形態３に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成は、実施の形態１と実施の形態２のどちらであっても適用できるため、説明を省略する。また信号入れ替えの動作についても基本的な考え方は同じであり、説明を省略する。
　実施の形態１、実施の形態２に比べ、本実施の形態では、同じ画素レイアウト構成を用いながら、露光時の動作タイミングが異なる。具体的には、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の４つの信号を用いる点は実施の形態１及び実施の形態２と同じであるが、光源の発光回数が１／２であり、光電変換部１から距離情報を含む信号を得るのはＡ０とＡ１のみであり、Ａ２、Ａ３は背景光成分を得る。
　以下、実施の形態３に係る固体撮像装置の動作について説明する。
　図２５Ａ～２５Ｄ、図２６Ａ～２６Ｄに示すように、第１シーケンス（図２５Ａ、図２６Ａ参照）においてＴＧ１、ＴＧ２の印加パルスにより距離情報を含むＡ０、Ａ１信号を取得し、第２シーケンス（図２５Ｃ、図２６Ｃ参照）において、距離情報を含まない背景光成分であるＡ２、Ａ３信号を取得する。信号を入れ替えた後の露光タイミングについては、第１シーケンスにおいては、Ａ０－Ａ１信号入れ替え後第１シーケンス（図２５Ｂ、図２６Ｂ参照）を適用し、第２シーケンスにおいては、Ａ２－Ａ３信号入れ替え後第２シーケンス（図２５Ｄ、図２６Ｄ参照）を適用する。これにより、実施の形態１及び実施の形態２と同様に、読み出し特性差、電荷蓄積部２の暗電流差と寄生感度差をキャンセルすることが可能となり、また背景光成分の減算も可能となる。
　測距レンジは実施の形態１、実施の形態２に比べ１／３となるが、発光回数は図１１Ａ、図１１Ｂに示す露光タイミングと比較して１／２に出来るため、近距離で低消費電力が要求されるアプリケーションに対して有用な露光タイミングである。同一の画素レイアウト構成にて、露光タイミングの変更で複数のアプリケーションに対応できることは、要求スペックが多様な測距撮像装置にとって非常に有用である。
　以上詳細に説明したように、本実施の形態により実施の形態１と実施の形態２に比べて、発光回数を１／２に出来るため、近距離で低消費電力が要求されるアプリケーションに適した測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。
　本発明は、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置、及び撮像装置に広く利用可能である。
１　光電変換部
２　電荷蓄積部
２ａ　第１の電荷蓄積部
２ｂ　第２の電荷蓄積部
２ｃ　第３の電荷蓄積部
２ｄ　第４の電荷蓄積部
４、４ａ、４ｂ　転送チャネル
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｄＡ、５ｄＢ、５ｅ、５ｅＡ、５ｅＢ、５ｅＣ、５ｆ、５ｇ　転送電極
６　読み出しゲート
６ａ　第１の読み出しゲート
６ｂ　第２の読み出しゲート
８、８ａ、８ｂ　露光制御ゲート
９、９ａ、９ｂ　オーバーフロードレイン
１０　電荷保持部
１１　電荷保持ゲート
１２　転送制御ゲート
１３　出力制御ゲート
１４　浮遊拡散層
１５　リセットゲート
１６　リセットドレイン
１８　電荷保持部リセットゲート
１９　電荷保持部リセットドレイン
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ　画素
２０ｄ　第１画素
２０ｅ　第２画素
２１　チャネルストップ領域
１００　固体撮像装置
１０３　タイミング生成部

Claims (19)

  1. 　半導体基板に画素を備える固体撮像装置であって、
    　前記画素は、
    　受光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    　前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す少なくとも１つの読み出しゲートと、
    　前記少なくとも１つの読み出しゲートにより読み出される前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
    　前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持し、保持される前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つに転送する電荷保持部と、を備え、
    　前記複数の電荷蓄積部のそれぞれは、前記信号電荷を転送するための転送チャネルの一部と、前記半導体基板の平面視において当該一部に重なる転送電極の一部とを含み、
    　前記転送チャネルは、１画素当たり複数本である
    　固体撮像装置。
  2. 　前記固体撮像装置は、行列状に配置される複数の前記画素を備え、
    　前記複数の画素は、前記光電変換部から、一行毎に、前記複数の画素の配置における行方向において互いに逆向きに前記信号電荷が読み出される
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 　前記固体撮像装置は、前記少なくとも１つの読み出しゲートによって、第１の信号電荷と第２の信号電荷とが読み出された場合における、当該第１の信号電荷が蓄積される場所と、当該第２の信号電荷が蓄積される場所との入れ替えを行うタイミング生成部を備える
    　請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 　前記少なくとも１つの読み出しゲートは、第１の読み出しゲートと第２の読み出しゲートとを含む複数であり、
    　前記第１の読み出しゲート及び前記第２の読み出しゲートは、それぞれ、第１の位相差で、前記第１の信号電荷の読み出しと、前記第２の信号電荷の読み出しとを行う
    　請求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 　前記複数の電荷蓄積部は、第１の電荷蓄積部と第２の電荷蓄積部とを含み、
    　前記タイミング生成部は、前記第１の位相差で行われる、前記第１の読み出しゲートによる前記第１の電荷蓄積部への前記第１の信号電荷の読み出しと、前記第２の読み出しゲートによる前記第２の電荷蓄積部への前記第２の信号電荷の読み出しとの後に、前記入れ替えを行う
    　請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 　前記第１の読み出しゲート及び前記第２の読み出しゲートは、それぞれ、前記第１の位相差と１８０度位相の異なる第２の位相差で、前記第１の読み出しゲートによる前記第２の電荷蓄積部への前記信号電荷の読み出しと、前記第２の読み出しゲートによる前記第１の電荷蓄積部への前記信号電荷の読み出しとを行う
    　請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 　前記タイミング生成部は、信号読み出し期間に、前記入れ替えを行う
    　請求項３～６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  8. 　前記タイミング生成部は、前記第１の信号電荷が前記電荷保持部に転送される回数と、前記第２の信号電荷が前記電荷保持部に転送される回数とが等しくなるように、前記入れ替えを複数回行う
    　請求項３～７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 　前記電荷保持部は、電荷保持チャネルと、電荷保持ゲートとを含み、
    　前記電荷保持ゲートは、前記電荷保持部が前記信号電荷を保持する期間を除く期間のうちの少なくとも一部の期間、前記電荷保持チャネルと前記電荷保持ゲートとの界面がピニングされるように、負電圧が印加される
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 　前記電荷保持部の少なくとも一部が遮光膜で覆われている
    　請求項１～９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  11. 　前記画素は、更に、
    　前記電荷保持部から、前記信号電荷の少なくとも一部を排出する電荷保持部リセットドレインと、
    　前記電荷保持部リセットドレインへの前記排出を制御する電荷保持部リセットゲートと、を備える
    　請求項１～１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  12. 　前記画素は、更に、
    　前記光電変換部から、前記信号電荷の少なくとも一部を排出するオーバーフロードレインと、
    　前記オーバーフロードレインへの前記排出を制御する露光制御ゲートと、を備える
    　請求項１～１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  13. 　前記転送電極は、矩形形状である
    　請求項１～１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  14. 　前記固体撮像装置は、複数本の前記転送チャネルを分離するチャネルストップ領域を備え、
    　前記チャネルストップ領域上の転送電極長は、前記転送チャネル上の転送電極長よりも短い
    　請求項１～１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  15. 　前記少なくとも１つの読み出しゲートを駆動する駆動パルスのパルス幅は、照射光のパルス幅Ｔｐよりも大きい
    　請求項１～１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  16. 　画素を備える固体撮像装置であって、
    　前記画素は、
    　受光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    　前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す少なくとも１つの読み出しゲートと、
    　前記少なくとも１つの読み出しゲートにより読み出される前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、を備え、
    　前記複数の電荷蓄積部のそれぞれは、１画素当たり複数本の転送チャネルと、転送電極と、を含み、
    　行列状に配置される複数の前記画素は、複数の第１画素と複数の第２画素とを含み、
    　前記複数の第１画素のそれぞれは、更に、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持し、保持する前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つに転送する電荷保持部を備え、
    　前記複数の第２画素のそれぞれは、更に、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持する浮遊拡散層を備える
    　固体撮像装置。
  17. 　前記複数の第１画素のそれぞれは、列方向に並ぶ前記第２画素のうちの少なくとも１つと、前記浮遊拡散層を共用する
    　請求項１６に記載の固体撮像装置。
  18. 　前記複数の第２画素のそれぞれは、列方向に並ぶ前記第１画素のうちの少なくとも１つと、前記電荷保持部を共用する
    　請求項１６または１７に記載の固体撮像装置。
  19. 　請求項１～１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    　複数のタイミングで赤外光をパルス状に発光する光源部と、
    　前記固体撮像装置の出力信号に基づいて、距離画像を生成するプロセッサとを備える
    　撮像装置。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023224077A1 (ja) * 2022-05-18 2023-11-23 株式会社小糸製作所 ＴｏＦカメラ、車両用センシングシステム、および車両用灯具

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009008537A (ja) * 2007-06-28 2009-01-15 Fujifilm Corp 距離画像装置及び撮像装置
JP2015215181A (ja) 2014-05-08 2015-12-03 浜松ホトニクス株式会社 測距装置及び測距装置の駆動方法
WO2017022220A1 (ja) * 2015-08-04 2017-02-09 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像装置
WO2017126232A1 (ja) * 2016-01-21 2017-07-27 ソニー株式会社 固体撮像素子および撮像装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4395150B2 (ja) * 2006-06-28 2010-01-06 富士フイルム株式会社 距離画像センサ
CN103703759B (zh) * 2011-08-08 2017-03-29 松下知识产权经营株式会社 固体摄像装置及固体摄像装置的驱动方法
JP6145826B2 (ja) * 2013-02-07 2017-06-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置及びその駆動方法
JP6755799B2 (ja) * 2014-08-29 2020-09-16 パナソニックセミコンダクターソリューションズ株式会社 撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像装置
US9749565B2 (en) * 2015-05-18 2017-08-29 Analog Devices, Inc. Interline charge-coupled devices
JP6734649B2 (ja) * 2015-12-28 2020-08-05 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、及び、撮像装置の制御方法
JP7073260B2 (ja) * 2016-08-08 2022-05-23 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 撮像装置、電子機器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009008537A (ja) * 2007-06-28 2009-01-15 Fujifilm Corp 距離画像装置及び撮像装置
JP2015215181A (ja) 2014-05-08 2015-12-03 浜松ホトニクス株式会社 測距装置及び測距装置の駆動方法
WO2017022220A1 (ja) * 2015-08-04 2017-02-09 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像装置
WO2017126232A1 (ja) * 2016-01-21 2017-07-27 ソニー株式会社 固体撮像素子および撮像装置

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