DE60319228T2

DE60319228T2 - Lichtempfangsvorrichtung mit regelbarer empfindlichkeit und gerät zur detektion der räumlichen information welche diese verwendet

Info

Publication number: DE60319228T2
Application number: DE60319228T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Kadoma-shi HASHIMOTO; Yuji Kadoma-shi Takada; Fumikazu Kadoma-shi KURIHARA; Satoshi Kadoma-shi FURUKAWA; Motoo Kadoma-shi Ikari
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-07-15
Also published as: TW200405720A; WO2004008175A1; KR20040102182A; KR100682566B1; CN1659447A; HK1074673A1; EP1521981A1; US20050178946A1; EP1521981B1; US7138646B2; AU2003281107A1; TWI221730B; DE60319228D1; CN1312489C

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtempfangsvorrichtung, die ein neues Empfindlichkeitssteuerungsverfahren verwendet, und eine Rauminformationserfassungsvorrichtung gemäß dem technischen Konzept eben dieser Lichtempfangsvorrichtung.
Allgemeiner Stand der Technik
In der Vergangenheit wurde eine Technik zum Erfassen räumlicher Informationen durch Verwendung eines intensitätsmodulierten Lichts eingesetzt. Das heißt, das intensitätsmodulierte Licht wird von einer Lichtquelle in einen Raum hinein abgestrahlt, und ein Licht, das von einem Objekt im Raum reflektiert wird, wird von einem photoelektrischen Wandler empfangen. Die räumlichen Informationen können aus einer Beziehung zwischen dem intensitätsmodulierten Licht und dem empfangenen Licht bestimmt werden. In der vorliegenden Beschreibung enthalten die räumlichen Informationen einen Abstand vom Objekt, eine Veränderung der Lichtempfangsmenge, die durch Reflexionen am Objekt verursacht wird, und so weiter. Zum Beispiel können die Abstandsinformationen aus einer Phasendifferenz zwischen dem intensitätsmodulierten Licht und dem empfangenen Licht bestimmt werden. Gewöhnlich wird diese Technik als "Flugzeit(TOF: Time-of-Flight)"-Verfahren bezeichnet.
Zum Beispiel wird in der US-Patentschrift Nr. 5,856,667 eine Abstandsmeßvorrichtung offenbart, in der das TOF-Verfahren eingesetzt wird. In dieser Vorrichtung wird das von einer Lichtquelle ausgesendete Licht durch eine Sinuswelle, die eine erforderliche Modulationsfrequenz (d. h. Emissionsfrequenz) aufweist, intensitätsmoduliert, und ein lichtempfindliches Teil erfaßt eine Intensität des empfangenen Lichts mehrmals innerhalb einer Zeitperiode, die kürzer als eine Modulationsperiode ist, welche ein Reziprokwert der Modulationsfrequenz ist. Wenn das Erfassen der Intensität des empfangenen Lichts 4 mal innerhalb einer Modulationsperiode wiederholt wird, dann wird die Phasendifferenz aus den erfaßten vier Intensitäten des empfangenen Lichts bestimmt. Wenn zum Beispiel das Intensitätsmodulieren des Lichts, das von der Lichtquelle auf ein Objekt abgestrahlt wird, durch eine Radiofrequenzwelle von 20 MHz erfolgt, dann ist eine Wellenlänge des intensitätsmodulierten Lichts 15 m. Deshalb tritt eine Phasenverzögerung auf, die einer Modulationsperiode entspricht, wenn das intensitätsmodulierte Licht zum Objekt, das einen Abstand von 7,5 m von der Vorrichtung hat, hin und zurück läuft.
Wenn das von der Lichtquelle ausgesendete Licht intensitätsmoduliert ist, wie durch die Kurve "W" in 30 gezeigt ist, und das von einem Objekt reflektierte modulierte Licht vom lichtempfindlichen Teil empfangen wird, dann verändert sich die Intensität des empfangenen Lichts zum Beispiel so, wie durch die Kurve "R" in 30 gezeigt ist. In diesem Fall können vier Intensitäten (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts bei 4 verschiedenen Phasen (0°, 90°, 180°, 270°) erfaßt werden. Unter den vorliegenden Umständen ist es jedoch unmöglich, die Intensität des empfangenen Lichts genau zu dem Moment einer jeden der vier Phasen (0°, 90°, 180°, 270°) zu erfassen. Tatsächlich entspricht jede der Intensitäten des empfangenen Lichts der Intensität des empfangenen Lichts innerhalb einer Zeitbreite (Tw), wie in 30 dargestellt ist.
Unter der Annahme, daß sich die Phasendifferenz "ψ" innerhalb der Zeitperiode der Intensitätsabtastung (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts nicht verändert und daß es keine Veränderung im Lichtextinktionsverhältnis zwischen dem ausgesendeten Licht und dem empfangenen Licht gibt, kann eine Beziehung zwischen der Intensität (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts und der Phasendifferenz "ψ" durch die folgende Gleichung dargestellt werden: ψ = tan–1{(A3 – A1)/(A0 – A2)}.
Unter Verwendung der so erhaltenen Phasendifferenz "ψ" [rad], der Modulationsperiode "T" [s] und der Lichtgeschwindigkeit "c" [m/s] kann ein Abstand "L" [m] zwischen dem Objekt und der Vorrichtung durch die folgende Gleichung berechnet werden: L = cT(ψ/4π).
Um das oben beschriebene technische Konzept zu verwirklichen, wird in dieser US-Patentschrift die Verwendung eines in 31 dargestellten Bildsensors vorgeschlagen, der vier Speicherzellen (M0, M1, M2, M3), die für jedes lichtempfindliche Teil (PD) vorgesehen sind, und einen elektrischen Schalter (S0, S1, S2, S3) umfaßt, der zwischen jeder der Speicherzellen und dem lichtempfindlichen Teil angeordnet ist. Wie in 30 dargestellt ist, sind die elektrischen Schalter (S0, S1, S2, S3) jeweils innerhalb einer kurzen Zeitbreite (Tw) eingeschaltet, um die Intensitäten (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts in den Speicherzellen (M0, M1, M2, M3) zu speichern. Durch Wiederholen dieses Vorgangs bezüglich mehrerer Perioden ist es möglich, die Einflüsse des Dunkelstromrauschens, des Schrotrauschens (d. h. des Rauschens, das durch Schwankungen im Auftreten von Elektron-Loch-Paaren verursacht wird), des statischen Rauschens einer Verstärkerschaltung usw. zu vermindern und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. In der vorliegenden Beschreibung wird der oben beschriebene Vorgang als "synchronisierte Integration" bezeichnet.
Wenn durch das lichtempfindliche Teil elektrische Ladungen erzeugt werden, dann können jedoch Teile von ihnen in dem lichtempfindlichen Teil für einen Moment verbleiben, ohne durch die Schalter hindurch in die Speicherzelle übertragen zu werden. Derartige elektrische Restla dungen verschwinden durch Rekombinationen im lichtempfindlichen Teil. Alternativ können die elektrischen Restladungen dann, wenn ein anderer elektrischer Schalter innerhalb der Zeitbreite (Tw) eingeschaltet wird, zufällig durch den elektrischen Schalter hindurch in eine andere Speicherzelle übertragen werden.
Wenn zum Beispiel die Modulationsfrequenz 20 MHz ist, dann ist erforderlich, daß die Zeitbreite (Tw) kürzer als die Modulationsperiode von 50 ns ist. Andererseits ist die erforderliche Zeit, um ein Verschwinden der elektrischen Restladungen durch die Rekombinationen zu ermöglichen, länger als 100 μs. Deshalb ist es möglich, daß die elektrischen Restladungen zufällig in eine andere Speicherzelle übertragen werden. Das bedeutet, daß die elektrischen Restladungen als Rauschkomponenten den Signalladungen beigemengt werden, die in der Speicherzelle zu speichern sind. Im Ergebnis tritt dann, wenn die Phasendifferenz "ψ" entsprechend dem oben beschriebenen Vorgang bestimmt wird, ein Problem dahingehend auf, daß die Genauigkeit vermindert wird, mit der Abstandsinformationen erfaßt werden. Wenn darüber hinaus der Bildsensor mit einer großen Zahl von elektrischen Schaltern eingesetzt wird, wie in 31 dargestellt ist, dann gibt es ein weiteres Problem der Verschlechterung der Kosten/Leistung der Abstandsmeßvorrichtung.
Kurze Darstellung der Erfindung
Deshalb ist es ein Hauptanliegen der vorliegenden Erfindung, eine intensitätsmoduliertes Licht verwendende Rauminformationserfassungsvorrichtung bereitzustellen, welche in der Lage ist, das Zumischen von überflüssigen elektrischen Ladungen als Rauschkomponenten in die Signalladungen zu verhindern, die zum Bestimmen der räumlichen Informationen verwendet werden, und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Lichtempfangselement mit einer steuerbaren Empfindlichkeit nach Anspruch 1, eine Rauminformationserfassungsvorrichtung mit einem derartigen Lichtempfangselement nach Anspruch 2 und eine Rauminformationserfassungsvorrichtung nach Anspruch 5. Die vorliegende Erfindung wird auch durch ein Raumerfassungsverfahren nach Anspruch 15 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 3 betreffen besonders vorteilhafte Ausführungsformen einer Rauminformationserfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, die Ansprüche 6 bis 14 betreffen besonders vorteilhafte Ausführungsformen einer Rauminformationserfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, und Anspruch 16 betrifft ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des Rauminformationserfassungsverfahrens nach Anspruch 15.
Das heißt, die Rauminformationserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt:
mindestens einen photoelektrischen Wandler zum Empfangen von Licht, das aus einem Raum stammt, in den Licht eingestrahlt wird, das durch ein vorgegebenes Modulationssignal intensitätsmoduliert ist, und zum Erzeugen von elektrischen Ladungsmengen entsprechend einer Intensität des empfangenen Lichts;
einen Ladungsentfernungsteil mit einer ersten Elektrode zum Beseitigen überflüssiger Ladungen aus den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen entsprechend einer an die erste Elektrode angelegten Spannung;
einen Ladungsspeicherteil zum Speichern von Signalladungen aus den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen;
eine Steuerungsschaltung zum Steuern der an die erste Elektrode angelegten Spannung mit einem Zeittakt, der mit einer Periode des Modulationssignals synchronisiert ist, um ein Verhältnis der in der Ladungsspeichervorrichtung gespeicherten Signalladungen zu den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen zu verändern;
einen Ladungsausstoßer für die Ausgabe der Signalladungen aus dem Ladungsspeicherteil, und
einen Analysator zum Bestimmen der räumlichen Informationen aus einer Ausgabe des Ladungsausstoßers.
Da gemäß vorliegender Erfindung die an die erste Elektrode des Ladungsentfernungsteils angelegte Spannung mit dem Zeittakt gesteuert wird, der mit dem Modulationssignal synchronisiert ist, gibt es einen Vorteil dahingehend, daß die elektrischen Restladungen, die nicht als die Signalladungen genutzt werden, d. h. Teile der vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladung, mit Sicherheit als die überflüssigen Ladungen beseitigt werden können, bevor sie in den Ladungsspeicherteil übertragen werden, und als ein Ergebnis wird das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verbessert. Da außerdem die Signalladungen in den Ladungsspeicherteil übertragen werden können ohne die Wartezeit, die benötigt wird, um ein Verschwinden der elektrischen Restladungen durch Rekombinationen in dem photoelektrischen Wandler zu ermöglichen, lassen sich die räumlichen Informationen effizient mit hoher Genauigkeit bestimmen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß der Ladungsspeicherteil eine zweite Elektrode aufweist und daß die Steuerungsschaltung eine an die zweite Elektrode angelegte Spannung konstant regelt, um erforderliche Mengen der elektrischen Ladungen, die durch den photoelektrischen Wandler erzeugt werden, in den Ladungsspeicherteil zu übertragen. Außerdem ist bevorzugt, daß die Steuerungsschaltung die an die erste und zweite Elektrode angelegten Spannungen so steuert, daß sie abwechselnd zwischen einer Stufe, in der die vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen in den Ladungsspeicherteil übertragen werden, und einer Stufe, in der die vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen in den Ladungsentfernungsteil übertragen werden, schalten.
Außerdem ist bevorzugt, daß der Analysator Abstandsinformationen aus den gespeicherten Signalladungen bezüglich der verschiedenen Phasen in einer Periode des Modulationssignals bestimmt und daß die Raumformationserfassungsvorrichtung ferner einen Phasenschalter umfaßt, um jedesmal, wenn die Speicherung der Signalladungen im Ladungsspeicherteil bei dieser Phase abgeschlossen ist, die Phase des Modulationssignals, bei der die Spannung an die erste Elektrode angelegt ist, zu wechseln. Es ist ferner bevorzugt, daß der Ladungsspeicherteil einen Lichtabschirmfilm auf der ersten Elektrode aufweist, die in der Nähe eines Speicherbereichs der Signalladungen ausgebildet ist.
Ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer weiteren intensitätsmoduliertes Licht verwendenden Raumformationserfassungsvorrichtung, welche in der Lage ist, die oben beschrieben Vorteile zu erreichen.
Das heißt, die Raumformationserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt:
mindestens einen photoelektrischen Wandler zum Empfangen von Licht, das aus einem Raum stammt, in den Licht eingestrahlt wird, das durch ein vorgegebenes Modulationssignale intensitätsmoduliert ist, und zum Erzeugen von elektrischen Ladungsmengen entsprechend einer Intensität des empfangenen Lichts;
einen Ladungsentfernungsteil mit einer ersten Elektrode zum Beseitigen überflüssiger Ladungen aus den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen entsprechend einer an die erste Elektrode angelegten Spannung;
einen Ladungsspeicherteil mit einer zweiten Elektrode zum Speichern von Signalladungen aus den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen entsprechend einer an die zweite Elektrode angelegten Spannung
eine Steuerungsschaltung zum Steuern der an die zweite Elektrode angelegten Spannung mit einem Zeittakt, der mit einer Periode des Modulationssignals synchronisiert ist, während eine konstante Spannung an die erste Elektrode angelegt ist, um ein Verhältnis der in der Ladungsspeichervorrichtung gespeicherten Signalladungen zu den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen zu verändern;
einen Ladungsausstoßer für die Ausgabe der Signalladungen aus dem Ladungsspeicherteil, und
einen Analysator zum Bestimmen der räumlichen Informationen aus einer Ausgabe des Ladungsausstoßers.
Gemäß vorliegender Erfindung kann das Verhältnis der im Ladungsspeicherteil zu speichernden Signalladungen zu den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen verändert werden, indem die an die zweite Elektrode angelegte Spannung in dem Zeittakt gesteuert wird, der mit der Periode des Modulationssignals synchronisiert ist, und Teile (d. h. elektrische Restladungen) der vom elektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen immer als die überflüssigen Ladungen entfernt werden, indem die konstante Spannung an die erste Elektrode angelegt wird. Das heißt, es ist möglich, die Signalladungsmengen zu steuern, die von den elektrischen Ladungen, welche vom photoelektrischen Wandler erzeugt werden, in den Ladungsspeicherteil zu übertragen sind, während die überflüssigen Ladungen von den elektrischen Ladungen, welche vom photoelektrischen Wandler erzeugt werden, beseitigt werden. Deshalb gibt es einen Vorteil der effizienteren Bestimmung der räumlichen Informationen, ohne daß die Erfassungsge nauigkeit verschlechtert wird.
Als eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Raumformationserfassungsvorrichtung mehrere photoelektrische Wandler, und aus den mehreren photoelektrischen Wandlern wird ein Satz photoelektrischer Wandler ausgewählt, um ein Bildelement zu definieren. Die Steuerschaltung ermöglicht es dem Ladungsspeicherteil, die Signalladungen aus den elektrischen Ladungen zu speichern, die von jedem photoelektrischen Wandler des Satzes in einem Zeittakt einer jeden der verschiedenen Phasen in Synchronisation mit der Periode des Modulationssignals erzeugt werden. Der Ladungsausstoßer gibt gleichzeitig die mit Bezug auf die verschiedenen Phasen gespeicherten Ladungen aus.
Ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Rauminformationserfassungsverfahrens, das einen herkömmlichen CCD-Bildsensor verwendet, der eine Überlauf-Drain-Elektrode aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine an die Überlaufelektrode angelegte Steuerspannung in Synchronisation mit der Periode des Modulationssignals gesteuert wird, um im wesentlichen den gleichen Vorgang wie die synchronisierte Integration zu vollbringen.
Das heißt, das Rauminformationserfassungsverfahren umfaßt die Schritte:
Ermöglichen, daß der CCD-Bildsensor ein Licht empfängt, das aus einem Raum stammt, in den Licht abgestrahlt wird, das mit einem vorgegebenen Modulationssignal intensitätsmoduliert ist;
Speichern von Signalladungen, indem ein Ladungsextraktionsvorgang mehrmals bezüglich jeder der verschiedenen Phasen des Modulationssignals wiederholt wird; und
Bestimmen der räumlichen Informationen aus den Signalladungen, die bezüglich der verschiedenen Phasen des Modulationssignals gespeichert sind,
wobei der Ladungsextraktionsvorgang die Schritte umfaßt: Beseitigen überflüssiger Ladungen aus den elektrischen Ladungen, die von den photoelektrischen Wandlern des CCD-Bildsensors entsprechend einer Steuerspannung, die an die Überlaufelektrode in Synchronisation mit der Periode des Modulationssignals angelegt wird, erzeugt werden und Speichern des Restes der elektrischen Ladungen als der Signalladungen in einem Ladungsspeicherbereich des CCD-Bildsensors.
Entsprechend dem obigen Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es selbst dann, wenn der herkömmliche CCD-Bildsensor zum Erfassen der räumlichen Informationen verwendet wird, möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und die räumlichen Informationen effizient mit einer hohen Genauigkeit zu erhalten, indem die an die Überlaufelektrode angelegte Steuerspannung in Synchronisation mit der Periode des Modulationssignals zu gesteuert wird, anstatt eine große Anzahl von elektrischen Schaltern zu verwenden.
In dem oben beschriebenen Erfassungsverfahren ist es bevorzugt, daß der CCD-Bildsensor mindestens drei photoelektrische Wandler aufweist und daß der Ladungsextraktionsvorgang den Schritt zum Anlegen der Steuerspannung an die Überlauf-Drainelektrode in Synchronisation mit der Periode des Modulationssignals einschließt, derart daß die elektrischen Ladungen, welche durch einen (die) vorgegebenen der mindestens drei photoelektrischen Wandler als die Signalladungen in dem Ladungsspeicherbereich gespeichert werden, und die elektrischen Ladungen, die durch die(den) übrigen photoelektrischen Wandler erzeugt werden, als die überflüssigen Ladungen entfernt werden. Es ist auch bevorzugt, daß die Steuerspannung an die Überlauf-Drainelektrode angelegt wird, um eine Potentialbarriere zu erzeugen, um die(den) vorgegebenen photoelektrischen Wandler von dem(den) übrigen photoelektrischen Wandler(n) elektrisch zu isolieren.
Noch ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lichtempfangsgerät mit einer steuerbaren Empfindlichkeit bereitzustellen, das insbesondere für die oben beschriebene Rauminformationserfassungsvorrichtung brauchbar ist.
Das heißt, das Lichtempfangsgerät der vorliegenden Erfindung umfaßt:
mindestens einen photoelektrischen Wandler für den Empfang von Licht, das aus einem Raum stammt, in den Licht eingestrahlt wird, das durch ein vorgegebenes Modulationssignal intensitätsmoduliert ist, und für das Erzeugen von elektrischen Ladungsmengen entsprechend einer Intensität des empfangenen Lichts;
einen Ladungsentfernungsteil mit einer Elektrode zum Beseitigen überflüssiger Ladungen aus den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen entsprechend einer an die Elektrode angelegten Spannung;
einen Ladungsspeicherteil zum Speichern von Signalladungen aus den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen;
ein Empfindlichkeitssteuerungsgerät zum Steuern der an die Elektrode angelegten Spannung mit einem Zeittakt, der mit einer Periode des Modulationssignals synchronisiert ist, um ein Verhältnis der in der Ladungsspeichervorrichtung gespeicherten Signalladungen zu den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen zu verändern; und
einen Ladungsausstoßer für die Ausgabe der Signalladungen aus dem Ladungsspeicherteil.
Diese und noch weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus dem nachfolgend erläuterten besten Verfahren zum Ausführen der Erfindung leichter ersichtlich, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
Kurze Erläuterung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm einer Entfernungsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
2A bis 2D sind erklärende Diagramme, die das Arbeitsprinzip der Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
3A bis 3D sind erklärende Diagramme, die das Arbeitsprinzip der Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
4A bis 4D sind erklärende Diagramme, die das Arbeitsprinzip der Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
5 ist eine Grundriß eines Bildsensors einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines maßgeblichen Teils des Bildsensors;
7 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie A-A von 6 oder 11 genommen ist;
8 ist ein Potentialschaubild, das einen Arbeitsvorgang der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulicht;
9A bis 9C sind Potentialschaubilder, die weitere Arbeitsvorgänge der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulichen;
10 ist eine Grundriß eines Bildsensors einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
11 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines maßgeblichen Teils des Bildsensors;
12 ist ein Potentialschaubild, das einen Arbeitsvorgang der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulicht;
13A bis 13C sind Potentialschaubilder, die weitere Arbeitsvorgänge der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulichen;
14 ist eine Grundriß eines Bildsensors einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
15 ist eine perspektivische Ansicht eines maßgeblichen Teils des Bildsensors;
16 ist ein Potentialschaubild, das einen Arbeitsvorgang der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulicht;
17 ist ein Potentialschaubild, das einen weiteren Arbeitsvorgang der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulicht;
18A bis 18C sind Potentialschaubilder, die weitere Arbeitsvorgänge der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulichen;
19 ist eine Grundriß eines Bildsensors einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer siebenten Ausführungsform der Erfindung;
20 ist eine perspektivische Ansicht eines maßgeblichen Teils des Bildsensors;
21 ist ein Potentialschaubild, das einen Arbeitsvorgang der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulicht;
22A bis 22C sind Potentialschaubilder, die weitere Arbeitsvorgänge der Abstandsmeßvorrichtung veranschaulichen;
23A und 23B sind Potentialschaubilder, die Arbeitsvorgänge einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
24A und 24B sind Potentialschaubilder, die Arbeitsvorgänge einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
25A und 25B die erklärende Diagramme, die 3-dimensional die Elektronenpotentiale veranschaulichen, welche in einer Ladungsspeicherstufe bzw. in einer Ladungsentfernungsstu fe unter den Gateelektroden erzeugt werden;
26A und 26B sind Potentialschaubilder, die Arbeitsvorgänge einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
27 ist eine perspektivische Ansicht einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung;
28 ist eine Grundriß eines Bildsensors einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung;
29 ist eine Grundriß eines Bildsensors der Abstandsmeßvorrichtung gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung;
30 ist ein erklärendes Diagramm, welches das Arbeitsprinzip einer herkömmlichen Abstandsmeßvorrichtung veranschaulicht; und
31 ist eine Grundriß eines Bildsensors, der in der herkömmlichen Abstandsmeßvorrichtung verwendet wird.
Bestes Verfahren zum Ausführen der Erfindung
Als ein Beispiel für eine Rauminformationserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen einer Entfernungsmeßvorrichtung zum Bestimmen von Abstandsinformationen aus einer Phasendifferenz zwischen einem intensitätsmodulierten Licht, das zu einem Objekt hin gestrahlt wird, und einem Licht, das von photoelekt rischen Wandlern empfangen wird, ausführlich erläutert. Jedoch ist die vorliegende Erfindung natürlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Sie sollte so ausgelegt werden, daß der technische Grundgedanke der vorliegenden Erfindung für eine beliebige Vorrichtung oder beliebige Geräte verfügbar ist, welche die Phasendifferenz verwenden.
<Erste Ausführungsform>
Wie in 1 dargestellt ist, weist die Entfernungsmeßvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine Lichtquelle 2 für das Aussenden von Licht in einen vorgesehenen Raum auf. Das von der Lichtquelle 2 ausgehende Licht wird durch eine Steuerschaltung 3 bei einer vorgegebenen Modulationsfrequenz intensitätsmoduliert. Als Lichtquelle 2 kann zum Beispiel eine Gruppierung von Licht emittierenden Dioden (LED) oder eine Kombination aus einem Halbleiterlaser und einer Zerstreuungslinse verwendet werden. Als ein Beispiel moduliert die Steuerungsschaltung 3 die Intensität des Lichts, das von der Lichtquelle 2 ausgesendet wird, durch eine Sinuswelle von 20 MHz.
Außerdem weist die Abstandsmeßvorrichtung mehrere photoelektrische Wandler 11 für den Empfang eines aus dem Raum stammenden Lichts durch ein optisches System, wie z. B. die Linse 4, hindurch auf. Jeder der photoelektrischen Wandler 11 erzeugt elektrische Ladungsmengen, die einer Intensität des empfangenen Lichts entsprechen. Als photoelektrischer Wandler 11 kann zum Beispiel eine Photodiode verwendet werden. Als eine Struktur der Photodiode gibt es die "p-n"-Übergangsstruktur, die "pin"-Struktur und die "MIS"-Struktur. In dieser Ausführungsform wird als ein Bildsensor 1 eine Matrixanordnung von 100 × 100 photoelektrischen Wandlern 11 verwendet.
Die 3-dimensionalen Informationen über den Raum, in den das Licht der Lichtquelle 2 abge strahlt wird, werden durch die Linse 4 auf eine 2-dimensionale Oberfläche abgebildet, welche eine Lichtempfangsfläche des Bildsensors 1 ist. Wenn im Raum zum Beispiel ein Objekt "Ob" vorhanden ist, dann wird Licht, das von jedem Punkt des Objekts reflektiert wird, von einem photoelektrischen Wandler empfangen. Durch Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem Licht, das von der Lichtquelle 2 ausgesendet wird, und dem Licht, das vom photoelektrischen Wandler 11 empfangen wird, kann ein Abstand zwischen der Vorrichtung und einem jeden Punkt des Objekts bestimmt werden.
Zusätzlich zum photoelektrischen Wandler 11 umfaßt der Bildsensor 1 einen Ladungsspeicherteil 12 zum Speichern von Teilen der durch den photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen als Signalladungen, die zum Bestimmen der Phasendifferenz verwendet werden, einen Ladungsentfernungsteil 14 zum Beseitigen überflüssiger Ladungen, die nicht als die Signalladungen aus den vom photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen verwendet werden, und einen Ladungsausstoßer 13 zum Ausgeben der Signalladungen aus dem Ladungsspeicherteil 12 in den Außenraum des Bildsensors 1. Der Ladungsspeicherteil 12 weist eine erste Elektrode 12a auf. Elektrische Ladungsmengen, die aus dem photoelektrischen Wandler 11 in den Ladungsspeicherteil 12 übertragen werden, können durch Steuern einer an die erste Elektrode 12a angelegten Spannung verändert werden. Außerdem weist der Ladungsspeicherteil 14 eine zweite Elektrode 14a auf. Elektrische Ladungsmengen, die aus dem photoelektrischen Wandler 11 in den Ladungsentfernungsteil 14 übertragen werden, können durch Steuern einer an die zweite Elektrode 14a angelegten Spannung verändert werden.
Der Ladungsspeicherteil 12 ist an jedem photoelektrischen Wandler 11 vorgesehen. Deshalb ist die Zahl der Ladungsspeicherteile 12 gleich der Zahl der photoelektrischen Wandler 11. Andererseits kann der Ladungsentfernungsteil 14 an jedem Satz aus mehreren photoelektrischen Wandlern 11 vorgesehen sein. In dieser Ausführungsform ist ein einziger Ladungsentfernungsteil 14 für alle photoelektrischen Wandler 11 des Bildsensors 1 vorgesehen. Die Signalladungen, die vom Ladungsausstoßer 13 ausgegeben werden, werden dem Analysator 5 zugeleitet. Im Analysator 5 wird die Phasendifferenz zwischen dem von der Lichtquelle 2 abgestrahlten Licht und dem vom photoelektrischen Wandler 11 empfangenen Licht bestimmt, und entsprechend der Phasendifferenz kann ein Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt bestimmt werden.
Wie oben erläutert wurde, ist es zum Bestimmen des Abstandes vom Objekt "Ob" erforderlich, die Intensität (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts in dem Zeittakt, der mit einer Periode des Modulationssignals synchronisiert ist, zu erfassen. Die elektrischen Ladungen, die vom photoelektrischen Wandler 11 innerhalb einer konstanten Zeitbreite "Tw" (30) bei einer bestimmten Phase (z. B. 0°, 90°, 180°, 270°) des Modulationssignals erzeugt werden, werden als die Signalladungen im Ladungsspeicherteil 12 gespeichert. Deshalb ist es bevorzugt, die elektrischen Ladungsmengen, die innerhalb der Zeitbreite "Tw" erzeugt werden, zu vergrößern und im Gegensatz dazu die elektrischen Ladungsmengen, die in den übrigen Zeitperioden außer der Zeitbreite (Tw) erzeugt werden, zu reduzieren und idealerweise die in den übrigen Zeitperioden erzeugten elektrischen Ladungsmengen auf null herabzusetzen. Da sich die elektrischen Ladungsmengen, die durch den photoelektrischen Wandler 11 erzeugt werden, entsprechend einer Lichtmenge, die auf den photoelektrischen Wandler 11 auftrifft, verändert, ist es erforderlich, die Empfindlichkeit des Bildsensors 1 zu steuern, um vergrößerte Signalladungsmengen zu erhalten.
Zum Steuern der Empfindlichkeit des Bildsensors 1 kann vorgeschlagen werden, eine Größe der an die erste Elektrode 12a des Ladungsspeicherteils 12 angelegten Spannung in einem passenden Zeittakt zu steuern. Da jedoch Teile der elektrischen Ladungen, die durch den photoelektrischen Wandler 11 erzeugt werden, d. h. die elektrischen Restladungen, die nicht als die Signalladungen verwendet werden, als Rauschkomponenten den Signalladungen beigemischt sein können, ist es nicht ausreichend, die Größe der an die erste Elektrode angelegten Spannung zu steuern.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die erforderlichen elektrischen Ladungsmengen, die durch jeden photoelektrischen Wandler 11 erzeugt werden, dem entsprechenden Ladungsspeicherteil 12 zugeführt, indem die Größe der an die erste Elektrode 12a angelegten Spannung konstant gehalten wird. Andererseits wird eine erforderliche Spannung an die zweite Elektrode 14a des Ladungsentfernungsteils 14 angelegt, wobei eine Signalladungserzeugungsperiode ausgenommen ist, in welcher die als Signalladungen verwendeten elektrischen Ladungen vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugt werden, so daß die elektrischen Ladungen, die vom photoelektrischen Wandler 11 in der Zeitperiode außerhalb der Signalladungserzeugungsperiode erzeugt werden, als überflüssige Ladungen dem Ladungsentfernungsteil 14 zugeleitet werden. Kurz gesagt, die Empfindlichkeit des Bildsensors 1 kann gesteuert werden durch Verändern der an die zweite Elektrode 14a angelegten Spannung in einem Zeittakt, der mit der Periode des Modulationssignals synchronisiert ist.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung wird ausführlicher mit Bezugnahme auf die 2A bis 2D erläutert. In dieser Erläuterung ist das Licht, das von der Lichtquelle 2 in den Raum abgestrahlt wird, durch ein in 2A dargestelltes Modulationssignal intensitätsmoduliert. Zum Beispiel werden elektrische Ladungen, die einer Intensität (z. B. A0 von 30) des empfangenen Lichts entsprechen, durch den photoelektrischen Wandler 11 in einem speziellen Phasenbereich (0 bis 90 Grad) entsprechend der Zeitbreite "Tw" von 30 innerhalb einer Periode des Modulationssignals erzeugt und im Ladungsspeicherteil 12 gespeichert. Dieser Vorgang wird mehrere Male, z. B. einige zehntausend Mal bis zu einigen hunderttausend Mal (d. h. einige zehntausend Perioden bis zu einigen hunderttausend Perioden des Modulationssignals), wiederholt, um Signalladungen zu akkumulieren, die der Intensität "A0" des empfangenen Lichts entsprechen.
In diesem Fall wird die an die erste Elektrode 12a des Ladungsspeicherteils 12 angelegte Spannung konstant gehalten, wie in 2B dargestellt ist. Andererseits wird, wie in 2C dargestellt ist, für die Zeitperiode (entsprechend dem Phasenbereich von 90 bis 360 Grad) außerhalb der Signalerzeugungszeitperiode eine erforderliche Spannung an die zweite Elektrode 14a des Ladungsentfernungsteils 14 angelegt, so daß die elektrischen Ladungen, die durch den photoelektrischen Wandler während der Zeitperiode erzeugt werden, als überflüssige Ladungen entfernt werden. Mit anderen Worten, da die Spannung in der Signalerzeugungszeitperiode (entsprechend dem Phasenbereich von 0 bis 90 Grad) nicht an die zweiten Elektrode 14a angelegt wird, werden die elektrischen Ladungen, die vom photoelektrischen Wandler 11 während der Signalerzeugungszeitperiode erzeugt werden, als die Signalladungen dem Ladungsspeicherteil 12 zugeführt.
In diesem Steuerungsverfahren überlappt deshalb die Stufe (2B), in der die Spannung an die erste Elektrode 12a des Ladungsspeicherteils 12 angelegt ist, teilweise mit der Stufe (2C), in der die Spannung an die zweite Elektrode 14a des Ladungsentfernungsteils 14 angelegt ist. Entsprechend dieser Spannungssteuerung ist es möglich, die Signalladungen entsprechend der Intensität "A0" des empfangenen Lichts zu extrahieren, wie in 2D gezeigt ist. In dieser Ausführungsform wird das Datenabtasten zu jedem Viertel der Periode des Modulationssignals ausgeführt.
Das obige Signalextraktionsverfahren, das in 2A bis 2D dargestellt ist, wird einige zehntausend Mal bis zu einigen hunderttausend Mal wiederholt, um akkumulierte Signalladungen zu erhalten, die der Intensität "A0" des empfangenen Lichts entsprechen, und die akkumulierten Signalladungen werden dann durch den Ladungsausstoßer 13 hindurch an den Analysator 5 ausgegeben. Auf die gleiche Weise werde die obigen Abläufe ausgeführt, um die akkumulierten Signalladungen zu speichern, die jeder Intensität (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts im La dungsspeicherteil 12 entsprechen.
Da der Bildsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform den Ladungsentfernungsteil 14 mit der zweiten Elektrode 14a aufweist und Teile der vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen, die nicht als die Signalladungen verwendet werden, durch Steuern der an die zweite Elektrode 14a angelegten Spannung zwangsweise als die überflüssigen Ladungen beseitigt werden, ist es somit möglich, das Zumischen der überflüssigen Ladungen als Rauschkomponenten in die Signalladungen effektiv zu verhindern. Da die Signalladungen über mehrere zehntausende Perioden bis zu mehreren hunderttausenden Perioden des Modulationssignals akkumuliert werden, ist es außerdem möglich, die Abstandsinformationen genau zu bestimmen. Wenn zum Beispiel das Modulationssignal auf 20 MHz festgelegt wird und die Signalladungen mit 30 Datenblöcken pro Sekunde extrahiert werden, dann ist es unter dem Gesichtspunkt einer hohen Empfindlichkeit möglich, Signalladungen über mehrere hunderttausend Perioden des Modulationssignals zu akkumulieren.
In der obigen Erläuterung wird die konstante Spannung an die erste Elektrode 12a während der Zeitperiode angelegt, in der die Spannung an die zweite Elektrode 14a angelegt ist. Durch eine geeignete Festlegung einer Größenbeziehung zwischen den Spannungen, die an die erste und zweite Elektrode angelegt werden, ist es jedoch möglich zu verhindern, daß die Signalladungen während der Stufe gespeichert werden, in der die elektrischen Ladungen als die überflüssigen Ladungen beseitigt werden.
Als eine Abänderung dieser Ausführungsform kann an jedem photoelektrischen Wandler 11 ein Satz aus dem Ladungsspeicherteil 12 und dem Ladungsentfernungsteil 14 ausgebildet sein. In diesem Fall ist es möglich, die elektrischen Ladungen entsprechend den vier Intensitäten (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts zu einem Zeitpunkt innerhalb einer Periode des Modulati onssignals zu erhalten. Wenn die Phasenintervalle zuvor festgelegt sind, ist es hinsichtlich des Zeittakts der Datenabtastung nicht erforderlich, Zeitintervalle mit gleichem Abstand einzuführen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das von der Lichtquelle 2 ausgesendete Licht durch die Sinuswelle intensitätsmoduliert. Die Intensitätsmodulation kann jedoch unter Verwendung einer anderen Wellenform, wie z. B. einer Dreieckwelle oder einer Sägezahnwelle, ausgeführt werden. Außerdem kann als das Licht, das von der Lichtquelle 2 ausgesendet wird, außer dem sichtbaren Licht Infrarotlicht oder dergleichen verwendet werden. Anstelle des Bildsensors 1, der eine Matrixanordnung der photoelektrischen Wandler 11 aufweist, kann ein anderer Bildsensor verwendet werden, der eine eindimensionale Anordnung der photoelektrischen Wandler 11 aufweist. Wird die Abstandsinformationen nur in einer Raumrichtung gemessen oder tastet der von der Lichtquelle 2 in den Raum abgestrahlte Lichtstrahl ab, dann ist es außerdem möglich zu akzeptieren, daß im Bildsensor nur vier photoelektrische Wandler eingesetzt werden, um die Abstandsinformationen zu bestimmen. In dieser Ausführungsform sind die photoelektrischen Wandler 11 mit den Ladungsspeicherteilen 12 ganzheitlich verbunden ausgeführt. Die Funktionen des Bildsensors 1 können jedoch unter Verwendung getrennter Teile ausgeführt werden.
<Zweite Ausführungsform>
Bei dieser Ausführungsform wird ein weiteres Empfindlichkeitssteuerungsverfahren für den in 1 dargestellten Bildsensor der Abstandsmeßvorrichtung vorgestellt. Das heißt, das Steuerungsverfahren ist – wie in 3A bis 3D dargestellt ist – dadurch gekennzeichnet, daß eine Stufe (3B), in der eine Spannung an die erste Elektrode 12a des Ladungsspeicherteils 12 angelegt ist, sich nicht mit der Stufe (3C) überlappt, in der eine Spannung an die zweite Elektrode 14a des Ladungsentfernungsteils 14 angelegt ist.
Zum Beispiel wird das Licht, das von der Lichtquelle 2 in den Raum abgestrahlt wird, durch ein 3A dargestelltes Modulationssignal intensitätsmoduliert. In den 3B bis 3C wird der Fall erläutert, daß die der Intensität (z. B. A0 von 30) des empfangenen Lichts entsprechenden elektrischen Ladungen erfaßt werden, welche durch den photoelektrischen Wandler in einem speziellen Phasenbereich (0 bis 90 Grad) entsprechend der Zeitbreite "Tw" von 30 innerhalb einer Periode des Modulationssignals erzeugt werden. Wie in 3B dargestellt ist, wird die Spannung bei jedem Viertel der Periode des Modulationssignals, d. h. in einem speziellen Phasenbereich (0 bis 90 Grad) innerhalb einer jeden Periode des Modulationssignals, an die erste Elektrode 12a angelegt, um die vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen als die Signalladungen dem Ladungsspeicherteil 12 zuzuleiten.
Wie in 3C dargestellt ist, wird andererseits die Spannung in dem verbleibenden Phasenbereich (90 bis 360 Grad) außerhalb des speziellen Phasenbereichs (0 bis 90 Grad), in dem die Spannung an die erste Elektrode 12a angelegt ist, an die zweite Elektrode 14a angelegt, um die vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen als die überflüssigen Ladungen dem Ladungsentfernungsteil 14 zuzuleiten. Entsprechend der oben beschriebenen Spannungssteuerung ist es möglich, die Signalladungen entsprechend der Intensität "A0" des empfangenen Lichts zu extrahieren, wie in 3D dargestellt ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, die an die erste und zweite Elektrode angelegten Spannungen getrennt zu steuern, ohne die Größenbeziehung zwischen diesen Spannungen zu beachten, und deshalb gibt es den Vorteil, daß es einfach wird, diese Spannungen zu steuern. Im Ergebnis läßt sich die Empfindlichkeit, das heißt ein Verhältnis der Signalladungen zu den vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen und das Verhältnis der überflüssigen Ladungen zu den vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen leicht steuern.
Da in dieser Ausführungsform die Stufe zum Speichern der Signalladungen im Ladungsspeicherteil 12 durch die Spannung bestimmt wird, die an die erste Elektrode 12a angelegt ist, ist es möglich, die Stufe, in der die Spannung an die zweite Elektrode 14a angelegt ist, zu verkürzen. Zum Beispiel kann unmittelbar vor dem Anlegen der Spannung an die erste Elektrode 12a die Spannung für eine erforderliche Zeitperiode an die zweite Elektrode 14a angelegt werden. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
<Dritte Ausführungsform>
Bei dieser Ausführungsform wird ein weiteres Empfindlichkeitssteuerungsverfahren für den Bildsensor 1 der in 1 dargestellten Abstandsmeßvorrichtung dargestellt. Das heißt, das Steuerungsverfahren ist – wie in 4A bis 4D dargestellt – dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante Spannung immer an der zweiten Elektrode 14a eines Ladungsentfernungsteils 14 angelegt ist, um Teile der vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen als überflüssige Ladungen zu entfernen, und die vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen werden nur in einer Stufe als Signalladungen im Ladungsspeicherteil 12 gespeichert, in der eine Spannung an einer ersten Elektrode 12a des Ladungsspeicherteils 12 anliegt.
Zum Beispiel wird das Licht, das von der Lichtquelle 2 in den Raum abgestrahlt wird, durch ein in 4A dargestelltes Modulationssignal intensitätsmoduliert. In den 4B bis 4C wird der Fall erläutert, daß die der Intensität (z. B. A0 von 30) des empfangenen Lichts entsprechenden elektrischen Ladungen erfaßt werden, welche durch den photoelektrischen Wandler in einem speziellen Phasenbereich (0 bis 90 Grad) entsprechend der Zeitbreite "Tw" von 30 innerhalb einer Periode des Modulationssignals erzeugt werden. Wie in 4B dargestellt ist, wird die Spannung bei jedem Viertel der Periode des Modulationssignals, d. h. in einem speziellen Pha senbereich (0 bis 90 Grad) innerhalb einer jeden Periode des Modulationssignals, an die erste Elektrode 12a angelegt, um die vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten Signalladungen dem Ladungsspeicherteil 12 zuzuleiten.
Wie in 4C dargestellt ist, wird andererseits eine konstante Gleichspannung immer an die zweite Elektrode 14a angelegt, um Teile der vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen als die überflüssigen Ladungen dem Ladungsentfernungsteil 14 zuzuleiten. Da jedoch, wie oben beschrieben ist, die vom photoelektrischen Wandler 11 in der Stufe, in der die Spannung an die erste Elektrode 12a angelegt ist, erzeugten elektrischen Ladungen als die Signalladungen dem Ladungsspeicherteil 12 zugeleitet werden, ist es möglich, die Signalladungen entsprechend der Intensität "A0" des empfangenen Lichts zu extrahieren, wie in 4D dargestellt ist.
Gemäß dieser Ausführungsform werden unabhängig von dem Vorhandensein oder Fehlen der an die erste Elektrode 12a angelegten Spannung die vorgegebenen elektrischen Ladungsmengen immer zum Ladungsentfernungsteil 14 hin entfernt, indem die konstante Spannung an die zweite Elektrode 14a angelegt wird. Deshalb werden die überflüssigen Ladungen (elektrische Restladungen), die nicht als die Signalladungen verwendet werden, mit Sicherheit durch den Ladungsentfernungsteil 14 entfernt.
Übrigens werden selbst dann, wenn durch Anlegen der Spannung an die erste Elektrode 12a die vom photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen als die Signalladungen im Ladungsspeicherteil 12 gespeichert werden, die vorgegebenen elektrischen Ladungsmengen als überflüssige Ladungen dem Ladungsentfernungsteil 14 zugeführt. Genaugenommen muß deshalb zum Speichern ausreichender Signalladungsmengen im Ladungsspeicherteil 12 die Größenbeziehung zwischen den an die erste und zweite Elektrode angelegten Spannungen beachtet wer den. Da die an die zweite Elektrode angelegte Spannung konstant ist, ist es praktisch jedoch ausreichend, nur die an die erste Elektrode angelegte Spannung zu steuern. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
<Vierte Ausführungsform>
Diese Ausführungsform erläutert einen Fall, bei dem eine auf dem Markt verfügbare Zwischenzeilenübertragungs-CCD (interline transfer CCD) mit einem Vertikalüberlauf-Drain (vertical-overflow drain) als der Bildsensor 5 von 1 verwendet wird.
Wie in 5 dargestellt ist, ist der Bildsensor 1 ein 2-dimensionaler Bildsensor, der eine Matrixanordnung von 3 × 4 Photodioden 21 aufweist. Die Bezugsziffer 22 bezeichnet einen Vertikalübertragungsteil, der aus einer Vertikalübertragungs-CCD aufgebaut ist, die benachbart zu den Photodioden 21 einer jeden Spalte der Matrixanordnung vorgesehen ist. Die Bezugsziffer 23 bezeichnet einen Horizontalübertragungteil, der aus einer Horizontalübertragungs-CCD aufgebaut ist, die an einer unteren Seite der Vertikalübertragungsteile vorgesehen ist. In jedem Vertikalübertragungsteil 22 ist jeder Photodiode 21 ein Paar Gate-Elektroden (22a, 22b) zugeordnet. Im Horizontalübertragungteil ist jedem Vertikalübertragungsteil 22 ein Paar Gate-Elektroden (23a, 23b) zugeordnet.
Der Vertikalübertragungsteil 22 wird durch eine 4-Phasen-Ansteuerung gesteuert, und der Horizontalübertragungsteil 23 wird durch eine 2-Phasen-Ansteuerung gesteuert. Das heißt, an die Gate-Elektroden (22a, 22b) des Vertikalübertragungsteils 22 werden Vierphasen-Steuerspannungen (V1 bis V4) angelegt, und an die Gate-Elektroden (23a, 23b) des Horizontalübertragungsteils 23 werden Zweiphasen-Steuerspannungen (VH1, VH2) angelegt. Da diese Form der Ansteuerungstechnik aus dem Bereich der herkömmlichen CCD gut bekannt ist, wird eine weitere ausführli che Erläuterung weggelassen.
Die Photodioden 21, die Vertikalübertragungsteile 22 und der Horizontalübertragungsteil 23 sind auf einem einzigen Substrat 20 ausgebildet. Eine Überlaufelektrode 24, die eine Aluminiumelektrode ist, ist auf dem Substrat 20 unmittelbar, nicht durch einen Isolationsfilm hindurch ausgebildet, so daß sie die Gesamtheit aus den Photodioden 21, den Vertikalübertragungsteilen 22 und den Horizontalübertragungsteilen 23 umfaßt, wie in 5 dargestellt ist. Wird eine erforderlicher Größe einer positiven Spannung (Vs) an die Überlaufelektrode 24 angelegt, dann werden die von den Photodioden 21 erzeugten elektrischen Ladungen (Elektronen) durch die Überlaufelektrode 24 hindurch entfernt.
Das heißt, in dieser Ausführungsform wird das Substrat 20 als ein Teil des Überlauf-Drain genutzt. Da der Überlauf-Drain überflüssige Ladungen aus den von den Photodioden 21 der photoelektrischen Wandler 11 erzeugten elektrischen Ladungen beseitigt, erfüllt er die Funktion des Ladungsentfernungsteils 14. Die Mengen der beseitigten überflüssigen Ladungen können über eine Spannung, die an die Überlaufelektrode 24 angelegt wird, gesteuert werden. Somit erfüllt die Überlaufelektrode 24 die Funktion der zweiten Elektrode 14a.
Mit Bezugnahme auf 6 wird der Bildsensor 1 näher erläutert. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird als Substrat 20 ein n-leitendes Halbleitersubstrat verwendet. Auf einer allgemeinen Fläche des Substrats 20 ist über den Bereichen für die Photodiode 21 und den Vertikalübertragungsteil 22 ein p-Topf 31 aus einem p-leitenden Halbleiter derart ausgebildet, daß eine Dicke des p-Topfs am Bereich für den Vertikalübertragungsteil 22 größer ist als die Dicke des p-Topfs am Bereich für die Photodiode 21. Außerdem ist eine n⁺-leitende Halbleiterschicht 32 auf dem p-Topf 31 am Bereich für die Photodiode 21 ausgebildet. Im Ergebnis wird die Photodiode 21 aus einem p-n-Übergang gebildet, der durch die n⁺-leitende Halbleiterschicht 32 und den p-Topf 31 gebildet wird. Auf der Photodiode 21 ist eine p⁺-leitende Halbleiter-Oberflächenschicht 33 ausgebildet. Eine Zielsetzung für die Ausbildung der Oberflächenschicht 33 ist es zu verhindern, daß ein Oberflächenbereich der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 32 als ein Durchlaß für die elektrischen Ladungen wirkt, wenn die von den Photodioden 21 erzeugten elektrischen Ladungen dem Vertikalübertragungsteil 22 zugeleitet werden. Diese Art der Photodiode ist als vergrabene Photodiode bekannt.
Andererseits ist an dem Bereich, welcher dem Vertikalübertragungsteil 22 auf dem p-Topf 31 entspricht, eine Speicherübertragungsschicht 34 aus einem n-leitenden Halbleiter ausgebildet. Die obere Fläche der Speicherübertragungsschicht 34 liegt weitgehend in einer Ebene mit der oberen Fläche der Oberflächenschicht 33, und die Dicke der Speicherübertragungsschicht 34 ist größer als die Dicke der Oberflächenschicht 33. Eine Seite der Speicherübertragungsschicht 34 steht in Kontakt mit der Oberflächenschicht 33. Zwischen der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 32 und der Speicherübertragungsschicht 34 ist eine Trennschicht 35 aus einem p⁺-leitenden Halbleiter ausgebildet, der die gleiche Störstellenkonzentration aufweist wie die Oberflächenschicht 33. Die Gate-Elektroden 22a, 22b sind auf der Speicherübertragungsschicht 34 durch einen Isolationsfilm 25 hindurch ausgebildet. Die Gate-Elektrode 22a ist durch den Isolationsfilm 25 von der Gate-Elektrode 22b isoliert. Wie oben beschrieben ist, sind die Gate-Elektroden 22a, 22b bei jeder Photodiode 21 ausgebildet. Eine der Gate-Elektroden 22a, 22b weist eine größere Breite auf als die andere.
Insbesondere ist, wie in 7 dargestellt ist, die Gate-Elektrode 22b mit der kleineren Breite in einer ebenen Gestalt ausgeführt, und die Gate-Elektrode 22a mit der größeren Breite ist mit einem flachen Teil und einem Paar gekrümmter Teile ausgebildet, die sich von entgegengesetzten Enden des flachen Teils aus erstrecken. Die Gate-Elektroden 22a, 22b sind derart angeordnet, daß sich der gekrümmte Teil der Gate-Elektrode 22a in Höhenrichtung teilweise mit der Gate- Elektrode 22b überlappt. Außerdem liegt die obere Fläche des flachen Teils der Gate-Elektrode 22a weitgehend in einer Ebene mit der oberen Fläche der Gate-Elektrode 22b. Deshalb sind die Gate-Elektroden 22a, 22b in der Längenrichtung des Vertikalübertragungsteils 22 abwechselnd auf der Speicherübertragungsschicht 34 angeordnet. Der Isolationsfilm 25 besteht aus Siliziumdioxid. Die Gate-Elektroden 22a, 22b bestehen aus Polysilicon. Außerdem ist eine Fläche des Substrats 20 außerhalb der Gebiete, die den Photodioden 21 entsprechen, mit einem Lichtabschirmfilm 26 bedeckt.
Als nächstes wird ein Ansteuerungsmechanismus des oben beschriebenen Bildsensors 1 beschrieben. Wenn aus dem Raum stammendes Licht auf die Photodiode 21 einfällt, dann werden von der Photodiode 21 elektrische Ladungen erzeugt. Außerdem kann gemäß einer Beziehung zwischen der an die Gate-Elektrode 22a angelegten Spannung und der an die Überlaufelektrode 24 angelegten Spannung ein Verhältnis aus den elektrischen Ladungen, die als die Signalladungen dem Vertikalübertragungsteil 22 zugeführt werden, zu den elektrischen Ladungen, die durch die Photodioden 21 erzeugt werden, festgelegt werden. Speziell wird dieses oben beschriebene Verhältnis festgelegt gemäß einer Beziehung zwischen einer Tiefe eines Potentialtopfs, der entsprechend der an die Gate-Elektrode 22a angelegten Spannung und einer Zeitperiode, in der die Spannung an die Gate-Elektrode 22a angelegt wird, in der Speicherübertragungsschicht 34 ausgebildet ist, und einem Potentialgradienten, der zwischen der Photodiode 21 und dem Substrat 20 entsprechend der an die Überlaufelektrode 24 angelegten Spannung und einer Zeitperiode, in der die Spannung an die Überlaufelektrode 24a angelegt wird, ausgebildet ist.
Die Spannungen, die an die Gate-Elektrode 22a (die der ersten Elektrode 12a entspricht) und an die Überlaufelektrode 24 (die der zweiten Elektrode 14a entspricht) angelegt werden, können gemäß einem der in der ersten bis dritten Ausführungsform erläuterten Spannungssteuerungsverfahren gesteuert werden. Bei dieser Ausführungsform werden diese Spannungen durch das Ver fahren der ersten Ausführungsform gesteuert, d. h. derart, daß sich die Stufe, in der die Spannung an die Gate-Elektrode 22a angelegt ist, teilweise mit der Stufe überlappt, in der die Spannung an die Überlaufelektrode 24 angelegt ist, wie in 2A bis 2D dargestellt ist.
Ein Verhältnis aus den elektrischen Ladungen, die dem Vertikalübertragungsteil 22 zugeführt werden, zu den elektrischen Ladungen, die von der Photodiode 21 erzeugt werden, verändert sich entsprechend den an die Gate-Elektroden 22a, 22b angelegten Spannungen. Das heißt, da die Gate-Elektroden 22a, 22b auf der Speicherübertragungsschicht 34 durch den Isolationsfilm 25 hindurch ausgebildet sind, wird am Vertikalübertragungsteil 22 im Speicherübertragungsteil 34 an dem jeder Gate-Elektrode 22a, 22b zugeordneten Bereich ein Potentialtopf ausgebildet, indem die Spannungen an die Gate-Elektroden 22a, 22b angelegt werden. Im Ergebnis können die elektrischen Ladungen in einer Kapazität gespeichert werden, die durch die Breite und Tiefe des Potentialtopfs festgelegt ist. Somit dient der Potentialtopf als der Ladungsspeicherteil 12 zum Speichern der Signalladungen.
Darüber hinaus können die im Vertikalübertragungsteil 22 gespeicherten Ladungen durch den Horizontalteil 23 hindurch in den Analysator 5 übertragen werden, indem eine Größe der an die Gate-Elektroden 22a, 22b, 23a, 23b angelegten Spannungen und die Zeitvorgaben zum Anlegen der Spannungen an die jeweiligen Gate-Elektroden gesteuert werden. Deshalb wirken der Vertikalübertragungsteil 22 und der Horizontalübertragungteil 23 als der Ladungsausstoßer 13.
Zum Beispiel wird es den von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen durch Steuern der an die Überlaufelektrode 24 angelegten Spannung ermöglicht, zum Vertikalübertragungsteil 22 hin zu wandern, wie nachfolgend beschrieben wird. Das heißt, 8 ist eine schematische Darstellung, die einen Elektronenpotentialverlauf entlang der gestrichelten Linie "L1" in 6 zeigt. Ein Bereich, der durch die Bezugsziffer 21 in 8 gekennzeichnet ist, entspricht der Pho todiode. Ein Bereich, der durch die Bezugsziffer 20 in 8 gekennzeichnet ist, entspricht dem Substrat. Ein Bereich, der durch die Bezugsziffer 22 in 8 gekennzeichnet ist, entspricht dem Vertikalübertragungsteil. Wenn keine Spannung an der Überlaufelektrode 24 anliegt, dann wird eine Potentialbarriere "B1" durch den p-Topf 31 zwischen der Photodiode 21 und dem Substrat 20 ausgebildet. Außerdem wird dann, wenn keine Spannungen an den Gate-Elektroden 22a, 22b anliegen, eine Potentialbarriere "B2" durch die Trennschicht 35 zwischen der Photodiode 21 und dem Vertikalübertragungsteil 22 ausgebildet. Deshalb kann die Höhe der Potentialbarriere "B2" durch Steuern der Größen der an den Gate-Elektroden 22a, 22b angelegten Spannungen verändert werden, und die Höhe der Potentialbarriere "B1" kann durch Steuern einer Größe der an den Überlaufelektroden 24 angelegten Spannung verändert werden. In 8 bedeutet "e" Elektron.
9A bis 9C zeigen Beziehungen zwischen den Spannungen, die an der Gate-Elektrode 22a und der Überlaufelektrode 24 anliegen, und Bewegungen der von der Photodiode 21 erzeugten Ladungen. In 9A wird die durch die Trennschicht 35 ausgebildete Potentialbarriere "B2" beseitigt, indem eine relativ hohe positive Spannung (V1) an die Gate-Elektrode 22a angelegt wird, und in der Speicherübertragungsschicht 34 wird ein Potentialtopf 27 ausgebildet. Gleichzeitig wird eine relativ kleine Spannung (Vs) an die Überlaufelektrode 24 angelegt, um die Potentialbarriere "B1" auszubilden. Die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen können wegen des Vorhandenseins der Potentialbarriere "B1" nicht zum Substrat 20 hin wandern. Folglich können die elektrischen Ladungen nicht entfernt werden, und deshalb wandern die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen als die Signalladungen zum Vertikalübertragungsteil 22, wie es die Kapazität des Potentialtopfs 27 erlaubt.
Andererseits wird in 9B eine relativ hohe positive Spannung (V1) an die Gate-Elektrode 22a angelegt, wie in 9A gezeigt ist, und auch an die Überlaufelektrode 24 wird eine relativ hohe positive Spannung (Vs) angelegt. Die an die Überlaufelektrode 24 angelegte Spannung wird der art festgelegt, daß ein Potential des Substrats 20 niedriger ist als das Potential des Vertikalübertragungsteils 22. Da die vom p-Topf 31 ausgebildete Potentialbarriere "B1" beseitigt ist und ein Potentialgradient des Substrats 20 gegen die Photodiode 21 größer ist als der Potentialgradient des Vertikalübertragungsteils 22 gegen die Photodiode 21, wandern die meisten der von den Photodioden erzeugten elektrischen Ladungen als überflüssige Ladungen zum Substrat 20 und werden dann entfernt, wie durch den Pfeil in 9B dargestellt ist.
Das heißt, der Anteil der Signalladungen an den von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen nimmt im Vergleich zu dem Fall von 9A beträchtlich ab. Das bedeutet eine Abnahme der Empfindlichkeit des photoelektrischen Wandlers 11. Die Empfindlichkeit, die als ein Verhältnis der Signalladungen zu den überflüssigen Ladungen definiert ist, ist durch das Größenbeziehung zwischen den Spannungen festgelegt, die an die Gate-Elektrode 22a und die Überlauf-Elektrode 24 angelegt sind. Da die elektrischen Ladungen (Elektronen) leicht zu einem niedrigeren Elektronenpotential hin wandern, werden die elektrischen Ladungen, die dem Vertikalübertragungsteil 22 zugeführt werden, in dem Potentialtopf 27 gespeichert, der ein niedrigeres Potential als die Photodiode 21 aufweist, wie in 9A gezeigt ist, und die gespeicherten elektrischen Ladungen können nicht zum Substrat 20 hin wandern, wie in 9B gezeigt ist.
Um die im Vertikalübertragungsteil 22 gespeicherten Signalladungen auszulesen, wird die angelegte Spannung (V1) von der Gate-Elektrode 22a abgeschaltet (oder es kann eine relativ kleine Spannung (V1) an die Gate-Elektrode 22a angelegt werden), um die Potentialbarriere "B2" auszubilden. Außerdem wird eine relativ kleine Spannung (Vs) an die Überlaufelektrode 24 angelegt, um die Potentialbarriere "B1" auszubilden. Dieses Ausbilden der Potentialbarriere "B1" ist nicht notwendigerweise erforderlich. Es ist wichtig, die Potentialbarriere "B2" auszubilden. Das Ausbilden der Potentialbarriere "B2" sperrt einen Zufluß der elektrischen Ladungen aus der Photodiode 21 zum Vertikalübertragungsteil 22 und einen Abfluß der elektrischen Ladungen aus dem Vertikalübertragungsteil 22 zur Photodiode 21. Unter dieser Bedingung werden die im Vertikalübertragungsteil 22 gespeicherten Signalladungen durch den Horizontalübertragungteil 23 hindurch dem Analysator 5 zugeleitet.
Die im Vertikalübertragungsteil 22 gespeicherten elektrischen Ladungen werden jedesmal ausgelesen, wenn die Signalladungen, die einer Intensität (A0~A3) des empfangenen Lichts entsprechen, nachgewiesen werden. Nachdem zum Beispiel die Signalladungen, welche dem Integral "A0" entsprechen, im Potentialtopf 27 gespeichert sind, werden sie ausgelesen. Weiter, nachdem die Signalladungen, welche dem Integral "A1" entsprechen, im Potentialtopf 27 gespeichert sind, werden sie ausgelesen. Somit werden die Vorgänge zum Speichern und Auslesen der Signalladungen wiederholt. Es versteht sich von selbst, daß die Zeitperiode zum Speichern der Signalladungen, die der Intensität (A0~A3) des empfangenen Lichts entsprechen, konstant ist. Darüber hinaus ist die Abfolge beim Auslesen der Signalladungen, die der Intensität (A0~A3) des empfangenen Lichts entsprechen, nicht auf den oben beschriebenen Fall beschränkt. Zum Beispiel können nach dem Extrahieren der Signalladungen, die der Intensität (A0) des empfangenen Lichts entsprechen, die Signalladungen extrahiert werden, die der Intensität (A2) des empfangenen Lichts entsprechen. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
<Fünfte Ausführungsform>
Diese Ausführungsform erläutert einen Fall, in dem eine auf dem Markt verfügbare Zwischenzeilenübertragungs-CCD mit einem Lateralüberlauf-Drain (lateral-overflow drain) als der Bildsensor 1 von 1 verwendet wird.
Wie in 10 dargestellt ist, wird in dem Bildsensor 1 dieser Ausführungsform ein Überlauf- Drain 41 aus einem n-leitenden Halbleiter angrenzend an jede der Spalten einer Matrixanordnung (3×4) der Photodioden 21 ausgebildet. In diesem Fall weist der Bildsensor 1 drei Überlauf-Drains 41 auf. Die Überlauf-Drains 41 sind an ihrem oberen Ende durch eine Überlaufelektrode 24, welche eine Aluminiumelektrode ist, miteinander verbunden. Der Vertikalübertragungsteil 22 und der Horizontalübertragungsteil 23 haben im wesentlichen die gleichen Funktionen wie die des Bildsensors 1 der vierten Ausführungsform.
Mit Bezugnahme auf 11 wird der Bildsensor 1 eingehender erläutert. In der vorliegenden Ausführungsform wird als das Substrat 40 ein p-leitendes Halbleitersubstrat verwendet. Eine n⁺-leitende Halbleiterschicht 42 wird in einer allgemeinen Fläche des Substrats 40 über einem Bereich ausgebildet, an welchem die Ausbildung der Photodiode 21 vorgesehen ist. Somit besteht die Photodiode 21 aus der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 42 und dem Substrat 40. Andererseits wird eine Speicherübertragungsschicht 44 aus einem n-leitenden Halbleiter in der allgemeinen Fläche des Substrats 40 über einem Bereich hergestellt, an welchem die Ausbildung des Vertikalübertragungsteils 22 vorgesehen ist.
Zwischen der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 42 und der Speicherübertragungsschicht 44 ist eine Trennschicht 45a aus einem p⁺-leitenden Halbleiter ausgebildet. Zwischen der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 42 und dem Überlauf-Drain 41 ist eine Trennschicht 45b aus einem p⁺-leitenden Halbleiter ausgebildet. Die Bezugsziffer 43 kennzeichnet eine p⁺-leitende Halbleiteroberflächenschicht mit der gleichen Fehlstellenkonzentration wie die Trennschichten 45a, 45b, die auf der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 42 und den Trennschichten 45a, 45b ausgebildet sind. Diese Oberflächenschicht 43 verhindert, daß die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen durch die Fläche der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 42 hindurch zur Vertikalübertragungsschicht 22 hin wandern.
Eine obere Fläche der Speicherübertragungsschicht 44 liegt im wesentlichen in einer Ebene mit den oberen Flächen der Oberflächenschicht 43 und des Überlauf-Drain 41. Außerdem ist eine Dicke des Überlauf-Drain 41 größer als die Dicke der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 42. An jeder Photodiode 21 sind auf der Speicherübertragungsschicht 44 durch einen Isolationsfilm hindurch 25 Gate-Elektroden 22a, 22b ausgebildet. Eine der Gate-Elektroden 22a, 22b weist eine größere Breite auf als die andere. Außerdem ist die Oberfläche des Bildsensors 1 außerhalb der Gebiete, die den Photodioden 21 den Lichtempfang ermöglichen, mit einem Lichtabschirmfilm 26 abgedeckt. Diese sind die gleichen wie der Bildsensor 1 der vierten Ausführungsform.
Wie aus einem Vergleich zwischen 12, die einen Elektronenpotentialverlauf entlang der gestrichelten Linie "L2" in 11 zeigt, 13A bis 13C und 8, 9A bis 9C ersichtlich wird, unterscheidet sich die vorliegende Ausführungsform von der vierten Ausführungsform nur dahingehend, daß die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen durch den Überlauf-Drain 41 anstelle des Substrats 20 der vierten Ausführungsform entfernt werden. Verglichen mit der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 32, welche die Photodiode 21 der Zwischenzeilenübertragungs-CCD mit dem Vertikalüberlauf-Drain gemäß der vierten Ausführungsform aufbaut, kann darüber hinaus die Photodiode 21 der Zwischenzeilenübertragungs-CCD mit dem Vertikalüberlauf-Drain gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch die n⁺-leitenden Halbleiterschicht 42 ausgebildet werden, die eine größere Dicke aufweist.
Das heißt, in dem Fall, daß ein Vertikalüberlauf-Drain ausgebildet wird, ist es erforderlich, die Photodiode 21 auf dem Substrat 20 auszubilden. In dem Fall jedoch, daß ein Lateralüberlauf-Drain ausgebildet wird, wird es möglich, die Dicke der n⁺-leitenden Halbleiterschicht 42 zu vergrößern, weil das Substrat 40 als die Halbleiterschicht verwendet wird, welche die Photodiode 21 aufbaut. Außerdem gibt es einen Vorteil dahingehend, daß die Infrarot-Empfindlichkeit im Vergleich zur vierten Ausführungsform verbessert ist. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der vierten Ausführungsform.
<Sechste Ausführungsform>
Diese Ausführungsform erklärt einen Fall, in dem eine auf dem Markt verfügbare Datenblockübertragungs-CCD (frame transfer CCD) mit einem Lateralüberlauf-Drain als der Bildsensor 1 von 1 verwendet wird.
Wie in 14 dargestellt ist, ist der Bildsensor 1 dieser Ausführungsform ein 2-dimensionaler Bildsensor mit einer Matrix(4×4)-Anordnung von Photodioden 21. Der Bildsensor 1 ist ausgestattet mit einem Bildaufnahmeteil "D1" einschließlich mehrerer Vertikalübertragungs-CCDs, von denen jede aus den in der Vertikalrichtung ausgerichteten Photodioden 21 besteht, und mit einem angrenzend an den Bildaufnahmeteil "D1" ausgebildeten Speicherteil "D2", der eine Anordnung von Vertikalübertragungs-CCDs ist, die nicht die Fähigkeit zur photoelektrischen Umwandlung aufweisen. Die Bezugsziffer 23 in 14 kennzeichnet einen angrenzend an den Speicherteil "D2" ausgebildeten Horizontalübertragungteil, der durch eine Horizontalübertragungs-CCD gebildet wird. Der Horizontalübertragungsteil arbeitet als ein Ladungsausstoßer.
Bei dieser Ausführungsform weisen die Photodiode 21 und die Vertikalübertragungs-CCD die Fähigkeit zum Speichern elektrischer Ladungen und zum Übertragen der elektrischen Ladungen in der Vertikalrichtung auf. Deshalb übernehmen der Bildaufnahmeteil "D1" und der Speicherteil "D2" die Funktion eines Ladungsspeicherteils. Jede Spalte des Bildaufnahmeteils "D1" weist vier Photodioden 21 auf, von denen jede an der Lichtempfangsfläche mit drei Gate-Elektroden 21a~21c ausgebildet ist, die in der Vertikalrichtung ausgerichtet sind. Jede Spalte des Speicherteils "D2" weist zwei Sätze von drei Gate-Elektroden 28a~28c auf. Wie im Fall der vierten Ausführungsform ist im Horizontalübertragungsteil 23 zusätzlich an jeder Spalte des Speicherteils "D2" ein Paar Gate-Elektroden 23a, 23b ausgebildet.
Die Gate-Elektroden 21a~21c werden durch 6-Phasen-Steuerspannungen "V1"~"V6" angesteuert, und die Gate-Elektroden 28a~28c werden durch 3-Phasen-Steuerspannungen "VV1"~"VV3" angesteuert. Die Gate-Elektroden 23a, 23b werden durch 2-Phasen-Steuerspannungen "VH1", "VH2" angesteuert. Der Horizontalübertragungsteil 23 gibt die Steuerladungen aus dem Speicherteil "D2" einer jeden horizontalen Zeile aus. Da diese Form der Ansteuerungstechnik aus dem Bereich der CCDs gut bekannt ist, wird eine weitere ausführliche Erläuterung weggelassen.
Der Bildaufnahmeteil "D1", der Speicherteil "D2" und der Horizontalübertragungsteil 23 sind auf einem einzigen Substrat 50 ausgebildet. Eine Überlaufelektrode 24, die eine Aluminiumelektrode ist, ist auf dem Substrat 50 unmittelbar, nicht durch einen Isolationsfilm hindurch angeordnet. Das heißt, das Substrat 50 hat die Funktion eines Überlauf-Drain. Die Überlaufelektrode 24 wird auf dem Substrat 50 so ausgebildet, daß sie die Gesamtheit aus dem Bildaufnahmeteil "D1", dem Speicherteil "D2" und dem Horizontalübertragungsteil 23 umfaßt. Eine Fläche des Substrats 50 außerhalb der Gebiete, die den Photodioden 21 entsprechen, ist mit einem (nicht dargestellten) Lichtabschirmfilm abgedeckt.
Mit Bezugnahme auf 15 wird der Bildsensor 1 eingehender erläutert. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein n-leitendes Halbleitersubstrat als das Substrat 50 verwendet. Eine p-leitende Halbleiterschicht 51 ist auf einer allgemeinen Fläche des Substrats 50 über einem Bereich ausgebildet, an dem die Ausbildung der Photodiode 21 vorgesehen ist. Außerdem ist ein n-Topf 52 aus einem n-dotierten Halbleiter in der p-leitenden Halbleiterschicht 51 ausgebildet. Die drei Gate-Elektroden 21a~21c sind auf oberen Flächen der p-leitenden Halbleiterschicht 51 und dem n-Topf 52 durch eine Isolationsfilms 53 aus Siliziumdioxid hindurch ausgebildet. Das heißt, in dieser Ausführungsform wird durch den n-Topf 52, den Isolationsfilm 53 und die Gate- Elektroden 21a bis 21c eine Photodiode 21 vom MIS-Typ ausgebildet. Jede Gate-Elektrode 21a~21c besteht aus Polysilicon. Der n-Topf 52 ist durchgehend über dem Bildaufnahmeteil "D1" und dem Speicherteil "D2" ausgebildet. Im n-Topf 52 des Bildaufnahmeteils "D1" werden die elektrischen Ladungen erzeugt, gespeichert und weitergegeben, und im n-Topf 52 des Speicherteils "D2" werden die elektrischen Ladungen gespeichert und weitergegeben.
Nachfolgend wird ein Mechanismus zum Ansteuern des oben beschriebenen Bildsensors 1 erläutert. Wenn das aus dem Raum stammende Licht auf die Photodiode 21 einfällt, dann werden durch die Photodiode 21 elektrische Ladungen erzeugt. Werden an die Gate-Elektroden 21a~21c geeignete Spannungen angelegt, dann wird ein Potentialtopf als der Ladungsspeicherteil im n-Topf 52 ausgebildet. Deshalb können die erzeugten elektrischen Ladungen im Potentialtopf gespeichert werden. Außerdem kann die Tiefe des Potentialtopfs durch Steuern der an die Gate-Elektroden 21a~21c angelegten Spannungen verändert werden, um die elektrischen Ladungen weiterzugeben. Wenn andererseits eine geeignete Spannung "Vs" an die Überlaufelektrode 24 angelegt wird, dann werden die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen durch das Substrat 50 hindurch entfernt. Folglich ist es möglich, das Verhältnis aus den im Potentialtopf des n-Topfes 52 gespeicherten Ladungen zu den von der Photodiode 21 erzeugten Ladungen zu verändern, indem die an die Überlaufelektrode 24 angelegte Spannung und eine Zeitperiode, in der die Spannung an die Überlaufelektrode 24 angelegt wird, gesteuert werden.
Mit Bezugnahme auf 16, die einen Elektronenpotentialverlauf entlang der gestrichelten Linie "L3" in 15 zeigt, werden die Wanderungsbewegungen der durch die Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen erklärt. Der Bereich, der durch die Bezugsziffer 21 in 16 gekennzeichnet ist, entspricht der Photodiode. Der Bereich, der durch die Bezugsziffer 50 in 16 gekennzeichnet ist, entspricht dem Substrat. Wird keine Spannung an die Überlaufelektrode 24 angelegt, dann wird durch die p-leitende Halbleiterschicht 51 zwischen der Photodiode 21 (n- Topf 52) und dem Substrat 50 eine Potentialbarriere "B3" ausgebildet. Andererseits wird durch die p-leitende Halbleiterschicht 51 auf der gegenüberliegenden Seite der Photodiode 21 eine Potentialbarriere "B4" ausgebildet, um zu verhindern, daß die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen (Elektronen "e") nach außen entweichen. Eine Höhe der Potentialbarriere "B3" kann durch Steuern einer Größe der an die Überlaufelektrode 24 angelegten Spannung verändert werden.
Andererseits sind die elektrischen Ladungsmengen, die im Potentialtopf gespeichert sind, der durch Anlegen der Spannungen an die Gate-Elektroden 21a~21c im n-Topf 52 ausgebildet wird, entsprechend der Tiefe des Potentialtopfes festgelegt, die verändert werden kann, indem die Größen der an die Gate-Elektroden 21a~21c angelegten Spannungen gesteuert werden. Das heißt, wenn die Größe der an die Gate-Elektrode 21b angelegten Spannung über der Größe der an die Gate-Elektroden 21a, 21c angelegten Spannungen liegt, dann wird ein Potentialtopf ausgebildet, der eine maximale Tiefe in seinem mittleren Bereich aufweist, wie in 17 dargestellt ist.
Es ist möglich, größere elektrische Ladungsmengen (Elektronen "e") im mittleren Bereich des in 18B dargestellten Potentialtopfes zu speichern und die elektrischen Ladungen an den beiden Seitenbereichen, die in 18A und 18C dargestellt sind, durch das Substrat 50 hindurch zu entfernen, indem eine geeignete Spannung an die Überlaufelektrode 24 derart angelegt wird, daß das Potential des Substrats 50 tiefer als das Potential des n-Topfes 52 ist, Spannungen an die Gateelektroden 21a, 21c angelegt werden, um die Potentialbarriere "B3" zu beseitigen, und eine Spannung an die Gate-Elektrode 21b angelegt wird, um die Potentialbarriere "B3" auszubilden, wie in den 18A bis 18C dargestellt ist.
Ferner können während einer Zeitperiode, in der die elektrischen Ladungen durch die Photodio de 21 erzeugt werden, Teile der an den Seitengate-Elektroden 21a, 21c erzeugten elektrischen Ladungen als Rauschkomponenten in den Potentialtopf 27 fließen, der der Mittelgate-Elektrode 21b entspricht. Da außerdem die Signalladungen immer dann übertragen werden, wenn die einer Intensität (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts entsprechenden Signalladungen nachgewiesen werden können, können die durch die Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen als die Rauschkomponenten während einer Zeitperiode zur Übertragung der Signalladungen beigemischt werden. Diese Rauschkomponenten werden jedoch durch Integration gemittelt und durch Subtraktion, die zur Bestimmung der Phasendifferenz "ψ" ausgeführt wird, weitgehend beseitigt. Deshalb wird der Einfluß dieser Rauschkomponenten gering. Im Ergebnis ist es möglich, die Phasendifferenz "ψ" selbst dann genau zu bestimmen, wenn die Datenblockübertragungs-CCD verwendet wird.
Im obigen Fall werden die drei Gate-Elektroden 21a~21c an jeder Photodiode 21 ausgebildet. Die Zahl der zu einer Photodiode gehörenden Gate-Elektroden ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der vierten Ausführungsform.
<Siebte Ausführungsform>
Diese Ausführungsform erklärt einen Fall, in dem eine Datenblockübertragungs-CCD mit einem marktüblichen Lateralüberlauf-Drain als Bildsensor 1 von 1 verwendet wird.
Wie in 19 dargestellt ist, ist der Bildsensor 1 dieser Ausführungsform ein 2-dimensionaler Bildsensor mit einer Matrix(4×4)-Anordung von Photodioden 21. Für jede Spalte der Matrixanordnung von Photodioden 21 ist ein Überlauf-Drain 61 aus einem n-leitenden Halbleiter ausgebildet. In dieser Ausführungsform weist der Bildsensor 1 vier Überlauf-Drains 61 auf. Die Über lauf-Drains 61 sind an ihren oberen Enden miteinander durch eine Überlauf-Elektrode 24 verbunden, die eine Aluminiumelektrode ist. Der Bildaufnahmeteil "D1", der Speicherteil "D2" und der Horizontalübertragungsteil 23 haben die gleichen Funktionen wie die des Bildsensors 1 der sechsten Ausführungsform.
Mit Bezugnahme auf 20 wird der Bildsensor 1 dieser Ausführungsform eingehender erläutert. Das heißt, als das Substrat 60 wird ein p-leitendes Halbleitersubstrat verwendet. Eine p-leitende Halbleiterschicht 62 ist auf einer allgemeinen Fläche des Substrats 60 ausgebildet. Außerdem ist ein n-Topf 63 aus einem n-dotierten Halbleiter in der p-leitenden Halbleiterschicht 62 ausgebildet. Die Photodiode 21 wird somit aus der p-leitenden Halbleiterschicht 62 und dem bereitgestellten n-Topf 63 gebildet. Angrenzend an den n-Topf 63 in der p-leitenden Halbleiterschicht 62 ist ein p⁺-Topf 64 aus einem p⁺-leitenden Halbleiter ausgebildet. Der Überlauf-Drain 61 aus einem n-leitenden Halbleiter ist in einer oberen Fläche des p⁺-Topfes 64 ausgebildet. Somit weist der Bildsensor 1 dieser Ausführungsform im Prinzip die gleiche Struktur auf wie der Bildsensor der sechsten Ausführungsform, außer daß das Substrat 60 mit einem anderen Leitfähigkeitstyp verwendet und der Überlauf-Drain 61 ausgebildet wird. Im Vergleich zur sechsten Ausführungsform gibt es einen Vorteil dahingehend, daß der Bildsensor dieser Ausführungsform eine höhere Infrarotempfindlichkeit aufweist.
Wie aus einem Vergleich zwischen der 21, die einen Elektronenpotentialverlauf entlang der gestrichelten Linie "L4" in 20 zeigt, und 16 ersichtlich ist, unterscheidet sich die vorliegende Ausführungsform von der sechsten Ausführungsform dahingehend, daß die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen durch den Überlauf-Drain 61 statt durch das Substrat 50 der sechsten Ausführungsform hindurch entfernt werden. Die in einem Potentialtopf, der im n-Topf 63 durch Anlegen von Spannungen an die Gate-Elektroden 21a~21c ausgebildet wird, gespeicherten elektrischen Ladungsmengen werden festgelegt durch die Tiefe des Potentialtop fes, die durch Steuern der Größen der Spannungen, die an die Gate-Elektroden 21a~21c angelegt werden, verändert werden kann. Das heißt, wenn die Größe der an die Gate-Elektrode 21b angelegten Spannung über den Größen der an die Gate-Elektroden 21a, 21c angelegten Spannungen liegt, darin weist der Potentialtopf, der der Mittelgate-Elektrode 21b entspricht, eine maximale Tiefe auf.
Wird eine geeignete Spannung an die Überlaufelektrode 24 angelegt, um die Potentialbarriere "B3" herabzusetzen, dann werden elektrische Ladungen (Elektronen "e") in dem Potentialtopf gespeichert, der der Mittelgate-Elektrode 21b entspricht, wie in 22B dargestellt ist, und die elektrischen Ladungen, die an den Bereichen erzeugt werden, die den Seitengate-Elektroden 21a, 21c entsprechen, werden durch den Überlauf-Drain 61 entfernt, wie in den 22A und 22C dargestellt ist. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der sechsten Ausführungsform.
<Achte Ausführungsform>
Wie in der sechsten und siebten Ausführungsform erläutert wurde, ist die Anzahl der an einer jeden Photodiode 21 ausgebildeten Gate-Elektroden nicht auf drei beschränkt, wenn die Datenblockübertragungs-CCD als der Bildsensor 1 verwendet wird. In dieser Ausführungsform sind an jeder Photodiode 21 vier Gate-Elektroden ausgebildet.
In den 23A und 23B kennzeichnen die Bezugsziffern 1~4 jeweils erste, zweite, dritte und vierte Gate-Elektroden. Ein Zyklus von Bezugsziffern 1~4 entspricht einer Photodiode 21. 23A zeigt eine Ladungsspeicherungsperiode zum Speichern der von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen, und 23B zeigt eine Ladungsentfernungsperiode zum Entfernen überflüssiger Ladungen. Ein Schwellwert "Th1" kennzeichnet ein Potential des Überlauf-Drain.
Wie in 23A gezeigt ist, wird in der Ladungsspeicherungsperiode eine Potentialbarriere zwischen benachbarten Photodioden 21 ausgebildet, indem keine Spannung an die erste Gate-Elektrode (1) angelegt wird, um zu verhindern, daß die durch die Photodioden 21 erzeugten elektrischen Ladungen miteinander vermischt werden. Wenn außerdem die Größen der an die zweite, dritte und vierte Gate-Elektrode (2)~(4) angelegten Spannungen in einer stufenartigen Weise verändert werden, dann ist es möglich, einen stufenförmigen Potentialtopf zu erhalten, der unterschiedliche Tiefen aufweist. Jeder Bereich des Potentialtopfs, der der dritten und vierten Gateelektrode (3), (4) entspricht, weist ein höheres Elektronenpotential als der Schwellwert "Th1" auf. Der Potentialtopf weist an einem Bereich, der der zweiten Gate-Elektrode (2) entspricht, eine maximale Tiefe (das niedrigste Elektronenpotential) auf. Da dieses Elektronenpotential niedriger ist als der Schwellwert "Th1", werden die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen (Elektronen "e") hauptsächlich in dem Bereich gespeichert, der der zweiten Gate-Elektrode (2) entspricht.
Wie in 23B gezeigt ist, werden andererseits in der Ladungsentfernungsperiode die Elektronenpotentiale in den Bereichen, die der dritten und vierten Gate-Elektrode (3),(4) entsprechen, erhöht, um ein Entweichen von elektrischen Ladungen zu verhindern, die in dem Bereich gespeichert sind, der der zweiten Gate-Elektrode (2) entspricht, welcher in der Ladungsspeicherungsperiode das niedrigste Elektronenpotential aufweist. Dabei fließen in der Ladungsspeicherungsperiode die elektrischen Ladungen, die in den Bereichen erzeugt werden, die der ersten, dritten und vierten Gate-Elektrode (1), (3), (4) entsprechen, in den Überlaufdrain und in den Bereich hinein ab, der der zweiten Gate-Elektrode (2) entspricht. Mit anderen Worten, in der in 23B dargestellten Ladungsspeicherungsperiode werden die an die Gate-Elektroden (1) bis (4) angelegten Spannungen gesteuert, um Potentialbarrieren auszubilden, um den der zweiten Gate-Elektrode (2) entsprechenden Bereich mit dem niedrigsten Elektronenpotential gegenüber den Gegebenhei ten elektrisch zu isolieren. Deshalb ist es möglich, ein Verhältnis der zu entfernenden überflüssigen Ladungen zu den von der Photodiode 21 erzeugten Ladungen zu verändern, indem ein Verhältnis der Ladungsspeicherungsperiode zur Ladungsentfernungsperiode geeignet gesteuert wird. Das bedeutet, daß die Empfindlichkeit einstellbar ist. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der sechsten oder siebenten Ausführungsform.
<Neunte Ausführungsform>
In dieser Ausführungsform sind an jeder Photodiode 21 sechs Gate-Elektroden ausgebildet. In den 24A und 24B kennzeichnen die Bezugsziffern 1~6 jeweils erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Gate-Elektroden. Ein Zyklus von Bezugsziffern 1~4 entspricht einer Photodiode 21. 24A zeigt eine Ladungsspeicherungsperiode zum Speichern der von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen, und 24B zeigt eine Ladungsentfernungsperiode zum Entfernen überflüssiger Ladungen. Ein Schwellwert "Th2" kennzeichnet ein Potential des Überlauf-Drain.
Wie in 24A gezeigt ist, wird in der Ladungsspeicherungsperiode eine Potentialbarriere zwischen benachbarten Photodioden 21 ausgebildet, indem keine Spannung an die erste Gate-Elektrode (1) angelegt wird, um zu verhindern, daß die durch die Photodioden 21 erzeugten elektrischen Ladungen miteinander vermischt werden. Der Potentialtopf weist eine maximale Tiefe an einem Bereich auf, der der vierten Gate-Elektrode (4) entspricht. Elektronenpotentiale von Bereichen, die der zweiten, dritten, fünften und sechsten Gate-Elektrode (2), (3), (5), (6) entsprechen, werden in einer stufenartigen Weise so verändert, daß sie höher als der Schwellwert "Th2" sind. Da der Potentialtopfbereich, der der vierten Gate-Elektrode (4) entspricht, die maximale Tiefe aufweist, die tiefer ist als der Schwellwert "Th2", werden die von der Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen (Elektronen "e") hauptsächlich in diesem Bereich gespeichert.
25A ist eine erläuternde Darstellung, die 3-dimensional die Elektronenpotentiale der Bereiche veranschaulicht, die in der Ladungsspeicherungsperiode den Gate-Elektroden (1) bis (6) entsprechen. Die in dieser Figur dargestellten "V1" bis "V6" entsprechen jeweils den Vertikalübertragungsspannungen "V1" bis "V6", die in 19 dargestellt sind, und "LOD" entspricht den Überlauf-Drains 61. Elektronen, die in Bereichen liegen, die den Gate-Elektroden (2) und (6) entsprechen, an welche die Spannungen "V2" und "V6" angelegt sind, wandern zu den Bereichen hin, die den Gate-Elektroden (3) und (5) entsprechen, an welche die Spannungen "V3" und "V5" angelegt sind. Außerdem wandern die Elektronen, die in Bereichen liegen, die den Gate-Elektroden (3) und (5) entsprechen, zu einem Bereich hin, der der Gate-Elektrode (4) entspricht, an welche die Spannung "V4" angelegt ist. Im Ergebnis werden die Elektronen in dem Bereich des Potentialtopfes gespeichert, der der Gate-Elektrode (4) entspricht.
Wie in 24B gezeigt ist, werden andererseits in der Ladungsentfernungsperiode die Elektronenpotentiale in den Bereichen, die der zweiten, dritten, fünften und sechsten Gate-Elektrode (2), (3), (5) und (6) entsprechen, erhöht, um ein Entweichen von elektrischen Ladungen zu verhindern, die in dem der vierten Gate-Elektrode (4) entsprechenden Bereich gespeichert sind, welcher in der Ladungsspeicherungsperiode das niedrigste Elektronenpotential aufweist. Dabei fließen in der Ladungsspeicherungsperiode die elektrischen Ladungen, die in den Bereichen erzeugt werden, die der ersten, zweiten, dritten, fünften und sechsten Gate-Elektrode (1), (2), (3), (5), (6) entsprechen, in den Überlaufdrain und den der vierten Gate-Elektrode (4) entsprechenden Bereich hinein ab.
25B ist eine erklärende Darstellung, die in der Ladungsentfernungsperiode 3-dimensional die Elektronenpotentiale der Bereiche veranschaulicht, die den Gate-Elektroden (1) bis (6) entsprechen. Werden die Spannungen "V3" und "V5" verringert, so daß sie im wesentlichen gleich der Spannung "V1" werden, dann wird der Bereich, der der Gate-Elektrode (4) entspricht, an welche die Spannung "V4" angelegt ist, elektrisch gegenüber den Gegebenheiten isoliert, so daß ein Einfließen von Elektronen in den Bereich verhindert wird. Dadurch, daß das Elektronenpotential der Überlauf-Drain(LOD)-Elektrode höher eingestellt wird als die Gate-Elektrode (4), an welche die Spannung "V4" angelegt ist, und niedriger als die Gate-Elektroden (2), (6), an welche die Spannungen "V2", „"V6" angelegt sind, wird es außerdem möglich, die in den Bereichen, die den Gate-Elektroden (2), (6) entsprechen, erzeugten Elektronen zur Überlauf-Drainelektrode hin zu entfernen, ohne die Elektronen in dem Bereich zu entfernen, der der Gate-Elektrode (4) entspricht.
Deshalb ist es wie im Fall der achten Ausführungsform möglich, ein Verhältnis der zu entfernenden überflüssigen Ladungen zu den von der Photodiode 21 erzeugten Ladungen zu verändern, indem ein Verhältnis der Ladungsspeicherungsperiode zur Ladungsentfernungsperiode geeignet gesteuert wird. Das bedeutet, daß die Empfindlichkeit einstellbar ist. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der sechsten oder siebenten Ausführungsform.
<Zehnte Ausführungsform>
Wenn die Datenblockübertragungs-CCD als der Bildsensor 5 verwendet wird, dann können die elektrischen Ladungen, die – wie oben beschrieben – von der Photodiode 21 in anderen Zeitperioden erzeugt werden als den Zeitperioden zum Extrahieren der Signalladungen, die den Intensitäten (A0~A3) des empfangenen Lichts entsprechen, den Signalladungen als die Rauschkomponenten hinzugemischt werden. Die Rauschkomponenten sind weitgehend konstant und werden gemittelt, indem die elektrischen Ladungen in den Zeitperioden zum Extrahieren der Signalladungen, die den Intensitäten (A0~A3) des empfangenen Lichts entsprechen gespeichert werden. Deshalb ist es möglich, die Rauschkomponenten bis zu einem gewissen Grade zu beseitigen und die Phasendifferenz "ψ" zu bestimmen.
Jedoch nimmt das Signal-Rausch-Verhältnis wegen der Rauschkomponenten ab. Ist zum Beispiel für das Speichern oder Übertragen der elektrischen Ladungen ein größerer Dynamikbereich erforderlich, dann verschlechtert sich das Preis-Leistungsverhältnis der Abstandsmeßvorrichtung. Wie in 26A und 26B dargestellt ist, werden in der vorliegenden Ausführungsform auf dem Bereich zum Speichern der Signalladungen und dem Bereich, der keine Beziehung zur Erzeugung elektrischer Ladungen durch die Photodioden 21 hat, Lichtabschirmfilme 65 ausgebildet.
In 26A und 26B sind, wie im Fall der neunten Ausführungsform, an jeder Photodiode 21 sechs Gate-Elektroden (1) bis (6) ausgebildet. Insbesondere ist der Lichtabschirmfilm 65 an den Bereichen ausgebildet, die den Gateelektroden (1) und (4) entsprechen, so daß elektrische Ladungen (Elektronen "e") nur an den Bereichen erzeugt werden, die den Gate-Elektroden (2), (3), (5) und (6) der jeweiligen Photodiode 21 entsprechen. Im Ergebnis trägt die Gate-Elektrode (4) nicht wesentlich zur Erzeugung von elektrischen Ladungen bei. Mit anderen Worten, die Rauschkomponenten treten nicht an der Gate-Elektrode (4) auf. Deshalb ist im Vergleich mit dem Fall, in dem kein Lichtabschirmfilm 65 ausgebildet ist, eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses möglich. Alternativ kann der Lichtabschirmfilm 65 an den Bereichen ausgebildet sein, die den Gate-Elektroden (1), (3), (4) und (5) entsprechen, so daß elektrische Ladungen (Elektronen "e") nur an den Bereichen erzeugt werden, die den Gate-Elektroden (2) und (6) der Photodiode 21 entsprechen. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der neunten Ausführungsform.
Bei der vierten oder zehnten Ausführungsform wurden die Zeitvorgaben für das Anlegen der Spannungen an die ersten und zweiten Elektroden durch das in der ersten Ausführungsform erläuterte Verfahren gesteuert. Alternativ kann das in der zweiten oder dritten Ausführungsform erläuterte Verfahren verwendet werden.
Bei den oben erläuterten Ausführungsformen werden die elektrischen Ladungen jedesmal ausgegeben, wenn die einer Intensität (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts entsprechenden Signalladungen nachgewiesen werden. Gemäß einem nachfolgend erläuterten Bildsensor 1 ist es möglich, gleichzeitig die Signalladungen nachzuweisen, die mindestens zwei Intensitäten (A0, A1, A2, A3) des empfangenen Lichts entsprechen.
<Elfte Ausführungsform>
Bei dieser Ausführungsform wird als der Bildsensor 1 eine Abwandlung der Datenblockübertragungs-CCD mit dem Überlaufdrain von 19 verwendet. Das heißt, wie in 27 dargestellt ist, sind die Überlauf-Drains (61a, 61b) abwechselnd derart angeordnet, daß an jeder Photodiode 21 jeder Überlauf-Drain angeordnet ist. Deshalb können die von jeder Photodiode 21 erzeugten elektrischen Ladungen getrennt entfernt werden.
Ein Verhältnis aus den Signalladungen, welche dem Potentialtopf des Ladungsspeicherteils zugeführt werden, zu den elektrischen Ladungen, die von der Photodiode 21 erzeugt werden, kann verändert werden indem die Spannung an jeden der Überlauf-Drains 61a, 61b in Synchronisation mit der Periode des Modulationssignals angelegt wird. In dieser Ausführungsform unterscheidet sich die Zeitvorgabe zum Anlegen der Spannung an den Überlauf-Drain 61a um 180 Grad von der Zeitvorgabe zum Anlegen der Spannung an den benachbarten Überlauf-Drain 61b in einer Übertragungsrichtung der Signalladungen. Durch Anlegen der zwei Spannungen, die unterschiedliche Phasen (Φ1, Φ2) aufweisen, an die Überlauf-Drains 61a, 61b können somit die Signalladungen, die diesen zwei sich voneinander um 180 Grad unterscheidenden Phasen des Modulationssignals entsprechen, jeweils in den Potentialtöpfen gespeichert werden, die in den ent sprechenden Photodioden 21 ausgebildet sind.
Das heißt, die den zwei von vier Intensitäten (A0~A3) des empfangenen Lichts entsprechenden Signalladungen, die zur Bestimmung der Phasendifferenz "ψ" benötigt werden, können gleichzeitig extrahiert werden. Zum Beispiel werden die Signalladungen gleichzeitig extrahiert, die den Intensitäten (A0 und A3) des empfangenen Lichts entsprechen, und dann werden die Signalladungen gleichzeitig extrahiert, die den Intensitäten (A1 und A2) des empfangenen Lichts entsprechen.
Da bei dieser Ausführungsform die Signalladungen absichtlich mit elektrischen Fremdladungen vermischt werden, werden sie zu Rauschkomponenten. Die Mengen der elektrischen Fremdladungen sind jedoch weitaus kleiner als die Signalladungen, und die elektrischen Fremdladungen sind den Signalladungen in einem weitgehend konstanten Verhältnis beigemischt. Deshalb haben die Rauschkomponenten einen minimalen Einfluß auf die Bestimmung der Phasendifferenz "ψ" Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der siebenten Ausführungsform.
<Zwölfte Ausführungsform>
Bei dieser Ausführungsform wird anstelle der Abwandlung der Datenblockübertragungs-CCD eine Abwandlung der Zwischenzeilenübertragungs-CCD mit dem Lateralüberlauf-Drain als der Bildsensor 5 verwendet. Das heißt, wie in 28 dargestellt ist, sind die Überlauf-Drains (41a, 41b) abwechselnd benachbart zu den in Vertikalrichtung ausgerichteten Photodioden 21 derart angeordnet, daß an jeder Photodiode 21 jeder Überlauf-Drain vorgesehen ist. Im Vertikalübertragungsteil 22 sind an jeder Photodiode 21 drei Gate-Elektroden 22a~22c vorgesehen.
In diesem Bildsensor 1 sind bei den verschiedenen Phasen des Modulationssignals Spannungen an den benachbarten Überlauf-Drains 41a, 41b in der Vertikalrichtung angelegt. Außerdem werden die Gateelektroden 22a~22c wie im Fall der elften Ausführungsform durch 6-Phasen-Steuerspannungen angesteuert. Im Ergebnis ist es möglich, die Signalladungen, die zwei Intensitäten von den vier Intensitäten (A0~A3) des empfangenen Lichts entsprechen, gleichzeitig zu erhalten. Eine sonstige Struktur und Betriebsweise ist wesentlichen die gleiche wie in der elften Ausführungsform.
<Dreizehnte Ausführungsform>
Bei der elften und zwölften Ausführungsform sind an jedem Überlauf-Drain drei Gate-Elektroden vorgesehen. Die Anzahl der Gate-Elektroden, die an jedem Überlauf-Drain vorgesehen sind, kann jedoch vier oder mehr sein. Wenn Spannungen an die vier verschiedenen Überlauf-Drains bei vier Zeitvorgaben, die sich voneinander bezüglich der Phase des Modulationssignals um 90 Grad unterscheiden, angelegt werden, dann ist es darüber hinaus möglich, die den vier Intensitäten (A0~A3) des empfangenen Lichts entsprechenden Signalladungen gleichzeitig zu erhalten. Außerdem kann die Zeitvorgabe für das Anlegen einer jeden Spannung eine spezielle Phase sein, die mit der Periode des Modulationssignals synchronisiert ist. Ein Abstand zwischen der Zeitvorgaben zum Anlegen der Spannungen kann wahlweise festgelegt werden.
Bei den obigen Ausführungsformen wurde als der Bildsensor 1 die Zwischenzeilenübertragungs-CCD oder die Datenblockübertragungs-CCD verwendet. Darüber hinaus kann eine Zwischenzeilen-Datenblockübertragungs-CCD verwendet werden, die erhalten wird, indem der Bildaufnahmeteil "D1" der Datenblockübertragungs-CCD von 14 durch die Photodioden 21 und Vertikalübertragungsteile 22 der Zwischenzeilenübertragungs-CCD ersetzt werden, wie in 29 dargestellt ist. In diesem Fall gibt es einen Vorteil, daß im Vergleich zur Datenblockübertra gungs-CCD das Auftreten von Schlieren verhindert wird.
Bei den oben erläuterten Ausführungsformen kann anstelle des Bildsensors 1 ein Bildsensor mit einer eindimensionalen Anordnung von Photodioden verwendet werden. Darüber hinaus kann in der ersten Ausführungsform nur ein photoelektrischer Wandler 11 verwendet werden. Der in den obigen Ausführungsformen verwendete Analysator stellt die Abstandsinformationen bereit. Als Information, die den vorgesehenen Raum betrifft, kann jedoch nur die Phasendifferenz "ψ" bestimmt werden. Alternativ kann der Analysator entsprechend der Intensität des empfangenen Lichts weitere räumliche Informationen bestimmen, die den vorgesehenen Raum betreffen.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben wurde, ist es bezüglich der Rauminformationserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung möglich, elektrische Restladungen, bei denen es sich um nicht als Signalladungen verwendete überflüssigen Ladungen handelt, aus den vom photoelektrischen Wandler erzeugten Ladungen sicher zu entfernen, bevor sie auf den Ladungsspeicherteil übertragen werden, und im Ergebnis das Signal-Rausch-Verhältnis beträchtlich zu verbessern, indem die an die Elektrode des Ladungsentfernungsteils angelegte Spannung mit einer Zeitvorgabe, die mit der Periode des Modulationssignals synchronisiert ist, gesteuert wird.
In dem Fall, daß eine Rauminformationserfassungsvorrichtung mit einem herkömmlichen CCD-Bildsensor eingesetzt wird, der eine Überlauf-Drainelektrode aufweist, ist es möglich, die Empfindlichkeit des CCD-Bildsensors passend zu steuern, indem überflüssige Ladungen aus den von den photoelektrischen Wandlern des CCD-Bildsensors erzeugten elektrischen Ladungen entsprechend einer Steuerspannung beseitigt werden, die synchronisiert mit der Periode des Modulationssignals an die Überlaufelektrode angelegt wird, und den Rest der elektrischen Ladungen als die Signalladungen in einem Ladungsspeicherbereich des CCD-Bildsensors zu speichern.
Die Rauminformationserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in großem Umfange in beliebigen Geräten einsetzbar, in denen die Bestimmung einer Phasendifferenz zwischen dem intensitätsmodulierten Licht und dem empfangenen Licht erforderlich ist, und sie ist insbesondere für die Abstandsmeßvorrichtung geeignet.

Claims

Lichtempfangselement mit steuerbarer Empfindlichkeit mit: – zumindest einem photoelektrischen Wandler (11) zum Empfang von aus einem Raum, in den durch ein vorbestimmtes Modulationssignal intensitätsmoduliertes Licht eingestrahlt wird, zugeführten Lichts und zur Erzeugung von elektrischen Ladungsmengen entsprechend einer Intensität eines empfangenen Lichts; – einer Ladungsentfernungseinrichtung (14) mit einer Elektrode (14) zur Entfernung abgebbarer Ladungen aus durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen gemäß einer an die Elektrode (14a) angelegten Spannung; – einer Ladungsspeichereinrichtung (12) zur Speicherung von Signalladungen aus durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen; – einer Empfindlichkeitssteuereinrichtung zur Steuerung der an die Elektrode (14a) angelegten Spannung mit einer Zeitsteuerung, die mit einer Periode des Modulationssignals synchronisiert ist, um ein Verhältnis der in der Ladungsspeichereinrichtung (12) gespeicherten Signalladungen zu den durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen zu verändern; und – einer Ladungsausstoßeinrichtung (13) zur Ausgabe der Signalladungen aus der Ladungsspeichereinrichtung (12).
Rauminformationserfassungseinrichtung mit einem Lichtempfangselement nach Anspruch 1, wobei die Rauminformationserfassungseinrichtung eine Analyseeinrichtung (5) zur Bestimmung von Rauminformationen aus einer Ausgabe der Ladungsausstoß einrichtung (13) des Lichtempfangselements besitzt und die Empfindlichkeitssteuereinrichtung als eine Steuerschaltung (3) eingerichtet ist.
Rauminformationserfassungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ladungsspeichereinrichtung (12) eine Elektrode (12a) besitzt und die Steuerschaltung eine an die Elektrode (12a) der Ladungsspeichereinrichtung (12) angelegte Spannung konstant steuert, um erforderliche Mengen der durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen zur Ladungsspeichereinrichtung (12) zu übertragen.
Rauminformationserfassungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung (3) die an die Elektrode (14a) der Ladungsentfernungseinrichtung (14) und die Elektrode (12a) der Ladungsspeichereinrichtung (12) angelegten Spannungen steuert, um abwechselnd zwischen einer Stufe eines Übertragens der durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen zur Ladungsspeichereinrichtung (12) und einer Stufe eines Übertragens der durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen zur Ladungsausstoßeinrichtung (14) umzuschalten.
Rauminformationserfassungseinrichtung, die intensitätsmoduliertes Licht verwendet, mit: – zumindest einem photoelektrischen Wandler (11) zum Empfang von aus einem Raum, in den ein durch ein vorbestimmtes Modulationssignal intensitätsmoduliertes Licht eingestrahlt wird, zugeführten Licht und zur Erzeugung von elektrischen Ladungsmengen entsprechend einer Intensität eines empfangenen Lichts; – einer Ladungsspeichereinrichtung (12) mit einer ersten Elektrode (12a) zur Speicherung von Signalladungen aus durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen gemäß einer an die erste Elektrode (12a) angelegten Spannung; – einer Ladungsentfernungseinrichtung (14) mit einer zweiten Elektrode (14a) zur Entfernung abgebbarer Ladungen aus den durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen gemäß einer an die zweite Elektrode (14a) angelegten Spannung; – einer Steuerschaltung (3) zur Steuerung der an die erste Elektrode (12a) angelegten Spannung mit einer mit einer Periode des Modulationssignals synchronisierten Zeitsteuerung, während an die zweite Elektrode (14a) eine konstante Spannung angelegt wird, um ein Verhältnis der in der Ladungsspeichereinrichtung (12) gespeicherten Signalladungen zu den durch den photoelektrischen Wandler (11) erzeugten elektrischen Ladungen zu verändern; – einer Ladungsausstoßeinrichtung (13) zur Ausgabe der Signalladungen von der Ladungsspeichereinrichtung (12); und – einer Analyseeinrichtung (5) zur Bestimmung von Rauminformationen aus einer Ausgabe der Ladungsausstoßeinrichtung (13).
Rauminformationserfassungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei der zumindest eine photoelektrische Wandler (11) eine Mehrzahl von photoelektrischen Wandlern ist und die Rauminformationserfassungseinrichtung einen CCD-Bildsensor mit den photoelektrischen Wandlern, der Ladungsspeichereinrichtung (12) und der Ladungsausstoßeinrichtung (13) enthält und der CCD-Bildsensor eine Überlaufsenke als die Ladungsentfernungseinrichtung besitzt.
Rauminformationserfassungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei – der zumindest eine photoelektrische Wandler (11) eine Mehrzahl photoelektrischer Wandler ist, – ein Satz von photoelektrischen Wandlern aus den photoelektrischen Wandlern ausgewählt ist, um ein Bildelement zu definieren; – die Steuerschaltung der Ladungsspeichereinrichtung (12) erlaubt, die Signalladungen aus den durch jeden der photoelektrischen Wandler (11) des Satzes er zeugten elektrischen Ladungen mit einer Zeitsteuerung von jeder von verschiedenen Phasen synchron mit der Periode des Modulationssignals zu speichern; und – die Ladungsausstoßeinrichtung (13) gleichzeitig die im Hinblick auf die verschiedenen Phasen gespeicherten Signalladungen ausgibt.
Rauminformationserfassungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ladungsspeichereinrichtung (12) eine Lichtabschirmschicht auf der Elektrode der Ladungsspeichereinrichtung aufweist, die in der Nachbarschaft eines Bereichs zur Speicherung der Signalladungen ist.
Rauminformationserfassungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Analyseeinrichtung (3) einen Phasenunterschied zwischen dem in den Raum eingestrahlten Licht und dem durch den photoelektrischen Wandler (11) empfangenen Licht aus den im Hinblick auf verschiedene Phasen des Modulationssignals gespeicherten Signalladungen bestimmt.
Rauminformationserfassungseinrichtung nach Anspruch 9, wobei die Analyseeinrichtung (5) den Phasenunterschied in Abstandsinformationen umwandelt.
Rauminformationserfassungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Analyseeinrichtung (5) Abstandsinformationen aus den im Hinblick auf verschiedene Phasen in einer Periode des Modulationssignals gespeicherten Signalladungen bestimmt und die Rauminformationserfassungseinrichtung weiterhin einen Phasenschalter zur Veränderung der Phase des Modulationssignals aufweist, an das die Spannung der Elektrode (14) jedesmal dann angelegt wird, wenn das Speichern der Signalladungen in der Ladungsspeichereinrichtung (12) in der Phase beendet ist.
Rauminformationserfassungsverfahren, das einen CCD-Bildsensor mit einer Überlaufdrainelektrode verwendet, mit den Schritten: – dem CCD-Sensor Erlauben, ein von einem Raum zugeführtes Licht zu empfangen, in den ein durch ein vorbestimmtes Modulationssignal intensitätsmoduliertes Licht eingestrahlt wird; – Speichern von Signalladungen durch Wiederholung eines Ladungsextraktionsvorgangs mehrfach im Hinblick auf jede von verschiedenen Phasen in einer Periode des Modulationssignals; und – Bestimmen von Rauminformationen aus den im Hinblick auf die verschiedenen Phasen des Modulationssignals gespeicherten Signalladungen; wobei der Ladungsextraktionsvorgang die Schritte eines Entfernens von aus den durch photoelektrische Wandler des CCD-Bildsensors erzeugten elektrischen Ladungen ab-gebbaren Ladungen gemäß einer an die Überlaufelektrode angelegten Steuerspannung synchron mit der Periode des Modulationssignals und eines Speicherns des Gleichgewichts der elektrischen Ladungen als die Signalladungen in einem Ladungsspeicherbereich des CCD-Bildsensors enthält.
Rauminformationserfassungsverfahren nach Anspruch 12, wobei der CCD-Bildsensor ein Zwischenzeilen-Übertragungs-CCD-Bildsensor ist.
Rauminformationserfassungsverfahren nach Anspruch 12, wobei der CCD-Bildsensor ein Datenblock-Übertragungs-CCD-Bildsensor ist.
Rauminformationserfassungsverfahren nach Anspruch 14, wobei der CCD-Bildsensor zumindest drei photoelektrische Wandler besitzt und der Ladungsextraktionsvorgang den Schritt eines Anlegens der Steuerspannung an die Überlaufdrainelektrode synchron mit der Periode des Modulationssignals derart enthält, dass die durch einen bestimmten der zumindest drei photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen als die Signalladungen in dem Ladungsspeicherbereich gespeichert sind und die durch die verbleibenden photoelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Ladungen als die abgebbaren Ladungen ausgestoßen werden.
Rauminformationserfassungsverfahren nach Anspruch 15, wobei die Steuerspannung an die Überlaufdrainelektrode angelegt wird, um eine Potentialbarriere zur elektrischen Isolierung des(r) vorbestimmten photoelektrischen Wandler(s) von dem(n) verbleibenden photoelektrischen Wandler(n) zu erzeugen.