JP5657516B2 - 画素駆動装置及び画素駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換素子と、該光電変換素子が変換した光電子を保持する光電子保持部とを有する単位画素を駆動する画素駆動装置及び画素駆動方法であって、光電子保持部に発生する暗電流を抑制する画素駆動装置及び画素駆動方法に関する。

ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤ等のイメージセンサでは、ＭＯＳキャパシタのゲートに適切な電圧を加えることで、基板表面に形成されるポテンシャルの井戸に電荷を保持する構造を備えるイメージセンサがある。この電荷を保持している状態では、長い時間で見れば熱平衡状態に至るまでの過渡的な状態（非熱平衡状態）でもある。そのため長時間に亙って保持し続けることはできない。光による光電変換以外にも熱的な励起により発生する電子正孔対があり、これを暗電流と呼ぶ。長時間放置すると暗電流が熱平衡状態に至らしめる。

イメージセンサは、情報の保持ではなく撮像を目的とするために、例えば、１／６０秒等の短時間で電荷信号を出力するので、電荷を保持することが可能である。しかし、暗電流は、イメージセンサのノイズの一つであり、ノイズを減らすためには、光電変換で得られた電荷をできるだけ短時間で読み出す工夫が必要である。

行毎に異なるタイミングで露光を行い、露光終了と同時に（数１０μｓ以内で）即読み出すローリングシャッタ方式では、少なくとも露光終了から読み出すまでの間の暗電流の影響を低減することができる。しかしながら、行毎に露光タイミングが異なるため、同時性を問題にする場合には使用することができない。

したがって、一括露光（グローバルシャッタ）方式を採用すれば、同時性を保つことができる。しかし、一括露光（グローバルシャッタ）方式では、露光後に全ての画素を読み出す必要があるため、ローリングシャッタ方式に比べて電荷を保持する時間が長くなる。したがって、信号電荷を読み出すまでに、一定期間信号電荷を保持する構造が必要となる。下記特許文献１には、一括露光を採用した技術が記載されており、電荷を保持する構造を備えるとともに、ｋＴＣノイズを軽減させるため、画素内に浮遊拡散層とは別つに光電子保持部を設けることが記載されている。

特開２００９−２６８０８３号公報

上記特許文献１に記載の技術では、電荷保持部が光電子を保持するが、長時間電荷保持部が電荷を保持する場合には、電荷保持部に暗電流が発生する。

そこで本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、電荷（光電子）保持部に発生する暗電流を抑制する画素駆動装置及び画素駆動方法を提供することを目的とする。

本発明は、受光期間中に入射した光量に応じた光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動装置であって、前記単位画素は、前記光電変換素子が発生した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、前記光電子振分部は、前記光電変換素子が変換した光電子を転送させるための第１転送部と、前記第１転送部から転送された光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、前記受光期間は複数あり、前記複数の光電子振分部の前記第１転送部及び前記光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加させて、前記受光期間毎に、前記光電変換素子が発生した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送させていくことで、各前記光電子保持部に複数回の前記受光期間で発生した光電子を加算させて保持させ、光電子を前記光電子保持部に転送させる場合は、光電子が転送される該光電子保持部のゲートに、基準電圧値より高い第１電圧値のゲート駆動信号電圧を印加し、光電子を前記光電子保持部に転送させずに該光電子保持部に光電子を保持させる場合は、該光電子保持部のゲートに、前記第１電圧値より低く、前記基準電圧値より高い第２電圧値のゲート駆動信号電圧を印加することを特徴とする。

前記受光期間毎に、前記光電変換素子が発生した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送させる度に、光電子が転送される前記光電子保持部に印加する前記ゲート駆動信号電圧の前記第２電圧値を高くする。

前記単位画素は、前記光電変換素子が発生した光電子を排出する光電子排出部を備え、前記光電子振分部は、前記光電子保持部が保持した光電子を転送する第２転送部と、前記第２転送部により転送された光電子に応じた電圧信号を読み出すための浮遊拡散層とを有し、前記浮遊拡散層には、該浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットするためのリセット用トランジスタが接続され、前記光電子排出部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加することで、前記受光期間以外の期間に前記光電変換素子が発生した光電子を排出させ、前記第２転送部が前記光電子保持部に保持されている光電子を前記浮遊拡散層に転送する前に、リセット用トランジスタのゲートにリセット信号を印加して、前記浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットする。

前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、前記第１転送部、前記光電子保持部、及び前記第２転送部は、ＭＯＳダイオード構造により形成されている。

受光期間中に入射した光量に応じた光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動方法であって、前記単位画素は、前記光電変換素子が発生した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、前記光電子振分部は、前記光電変換素子が変換した光電子を転送させるための第１転送部と、前記第１転送部から転送された光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、前記受光期間は複数あり、前記複数の光電子振分部の前記第１転送部及び前記光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加させて、前記受光期間毎に、前記光電変換素子が発生した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送させていくことで、各前記光電子保持部に複数回の前記受光期間で発生した光電子を加算させて保持させ、光電子を前記光電子保持部に転送させる場合は、光電子が転送される該光電子保持部のゲートに、基準電圧値より高い第１電圧値のゲート駆動信号電圧を印加し、光電子を前記光電子保持部に転送させずに該光電子保持部に光電子を保持させる場合は、該光電子保持部のゲートに、前記第１電圧値より低く、前記基準電圧値より高い第２電圧値のゲート駆動信号電圧を印加することを特徴とする。

本願発明によれば、光電子を光電子保持部に転送させる場合は、光電子保持部のゲート下に形成されるポテンシャルを大きくすることができるので、光電変換素子と光電子保持部の電界を大きくすることが可能で、高速に光電変換素子が発生した光電子を光電子保持部に転送させることができる。また、光電子が光電子保持部に転送されずに光電子保持部が光電子を保持する場合は、光電子保持部のゲート下に形成される空乏層幅を小さくするので、空乏層内における電子の発生や、空乏層以外の基板内で発生した電子の拡散による空乏層への侵入を低減でき、暗電流の発生を抑制することができる。

実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。 図１の固体撮像装置の構成を示す図である。 図２に示す固体撮像装置を構成する単位画素の一部を示す一部平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面構成図である。 ＴＯＦ法によって、測距対象までの距離を求める手法の説明図である。 単位画素の受光期間を示すタイムチャートである。 光電子の転送時において、光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部に供給される基本的な各種ゲート駆動信号電圧のタイミングチャートの一例を示す図である。 図８Ａは、図７のタイミングａ及びｇ時におけるポテンシャル図、図８Ｂは、図７のタイミングｂ及びｈ時におけるポテンシャル図、図８Ｃは、図７のタイミングｃ時におけるポテンシャル図、図８Ｄは、図７のタイミングｄ時におけるポテンシャル図、図８Ｅは、図７のタイミングｅ時におけるポテンシャル図であり、図８Ｆは、図７のタイミングｆ時におけるポテンシャル図である。 図６の１サイクルにおける照射装置が照射する照射光の照射タイミングと、図６の１サイクルにおける、単位画素の光電変換素子、第３転送ゲート、及び各光電子振分部の第１転送ゲートに供給されるゲート駆動信号電圧のタイミングとの一例を示すタイムチャートである。 単位画素の回路構成の一例を示す図である。 暗電流の発生を抑制させるために保持ゲートに印加するゲート駆動信号電圧のタイミングチャートの一例を示す図である。 図１２Ａは、受光転送期間の一部である受光期間で発生した光電子が転送される光電子保持部のポテンシャル図の一例を示し、図１２Ｂは、受光転送期間以外の期間における光電子保持部のポテンシャル図の一例を示す。

本発明に係る画素駆動方法、及び、該画素駆動方法を実現する画素駆動装置について、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１は、実施の形態にかかる測距システム１０の概略構成を示す図である。図１に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。

電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図１においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。

照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部（光源）２４を有する。発光部２４は、コンデンサと発光素子を有し、コンデンサが保持した電荷が発光ダイオードに供給されることで光を発光する。

発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４は、パルス光Ｌｐを１００ナノ秒（ｎｓ）の出力時間（パルス幅）で出力可能である。

なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。

この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。

撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有し、グローバルシャッタ方式で光を受光する。演算部１６は、固体撮像装置２８が受光期間Ｐで取り込んだ光電子数Ｑの情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離Ｚを算出する。制御部１８は、照射装置１２、固体撮像装置２８、及び演算部１６を制御する。なお、制御部１８、および演算部１６は、撮像部１４内に設けられていてもよいし、固体撮像装置２８に設けられていてもよい。

図２は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（画素駆動装置）３４と、出力バッファ３６と、Ａ／Ｄ変換器３８とを有する。

電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４２、垂直選択回路４４、サンプルホールド回路４６、及び、水平選択回路４８を有し、ゲート駆動回路４２は、各種ゲート駆動信号を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の発生（蓄積）、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４４は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子数Ｑに対応する電圧信号（光電子情報）ＱＶを出力させる。水平選択回路４８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路４６に一端保持された後、Ａ／Ｄ変換器３８を介して出力される。そして、出力バッファ３６及びＡ／Ｄ変換器３８を介して演算部１６に出力される。ゲート駆動回路４２、垂直選択回路４４、サンプルホールド回路４６、及びＡ／Ｄ変換器３８等は、制御部１８の制御に従って駆動する。

図３は、図２に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す一部平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面構成図である。なお、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの構成は、光電子振分部１０６ａと同一であり、光電子排出部１０８ｂの構成は、光電子排出部１０８ａの構成と同一であるので、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ及び光電子排出部１０８ｂの断面構成図は省略する。

単位画素３０は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ（総称して、光電子振分部１０６と呼ぶ場合もある）と、２つの光電子排出部１０８ａ、１０８ｂ（以下、総称して、光電子排出部１０８と呼ぶ場合もある）とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲートと呼ぶ）１１０を有するフォトゲート構造を有している（図４参照）。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓａがゲート駆動回路４２から印加される。

各光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８をそれぞれ有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４が発生した光電子を振り分けて光電子保持部１１４に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、第１転送ゲートと呼ぶ）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４２から第１転送部１１２を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｂが入力される。

光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転送部１１２を挟んで配置され、光電変換素子１０４が発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、保持ゲートと呼ぶ）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４２から光電子保持部１１４を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｃが入力される。

第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して、光電子保持部１１４を挟んで配置され、光電子保持部１１４で集積された光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、第２転送ゲートと呼ぶ）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４２から第２転送部１１６を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｄが印加される。

浮遊拡散層（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を電圧に変換させるために一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。

図３に示すように、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向（左右方向）に対称に２つずつ設けられている。

図４に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ（リセット部）１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、リセット用トランジスタ１２６のゲート（リセット用ゲート）１２７には、ゲート駆動回路４２からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用ゲート１２７に供給されると、リセット用トランジスタ１２６がオンとなり、浮遊拡散層１１８に存在する光電子は排出され、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。

また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８が保持した光電子数Ｑに応じた電圧信号ＱＶを読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号ＱＶを信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、信号読出用トランジスタ１３０のゲート（信号読出用ゲート）１３１は、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４のゲート（選択用ゲート）１３５に垂直選択回路４４からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタ１３４がオンになり、浮遊拡散層１１８が保持した光電子数Ｑに対応する電圧信号ＱＶが信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースには、信号読出線１３２が接続されている。

光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。

拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転送部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４２から第３転送ゲート１４４にゲート駆動信号電圧Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。図３に示すように、２つの光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４を挟んで垂直方向（上下方向）に対称的に１つずつ設けられている。

次に、図５を用いて、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）法によって、測距対象Ｗまでの距離Ｚを求める手法の一例について説明する。単位画素３０は、受光期間Ｐ中に単位画素３０に入射した光に応じた光電子を発生して累積蓄積する。受光期間Ｐは、第１受光期間Ｐ１、第２受光期間Ｐ２、第３受光期間Ｐ３、及び第４受光期間Ｐ４とを有する。第３受光期間Ｐ３及び第４受光期間Ｐ４は、照射装置１２が測距対象Ｗに対して照射光Ｌｅを照射しない状態で、環境光Ｌｓのみに応じた光電子を一定時間（Ｔ_{ｓｅｎｓｅ}）累積蓄積する期間である。第１受光期間Ｐ１は、単位画素３０が、照射装置１２によって照射された照射光Ｌｅの反射光Ｌｒを常に受光することで、反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓに応じた光電子を前記一定時間（Ｔ_{ｓｅｎｓｅ}）累積蓄積する期間である。第２受光期間Ｐ２は、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒに応じた光電子を累積蓄積する期間と、環境光Ｌｓのみに応じた光電子を累積蓄積する期間とを有する。

各単位画素３０の光電変換素子１０４は、受光期間Ｐ中に入射した光に応じて光電子を生成し、各単位画素３０が有する複数の光電子保持部１１４は、受光期間Ｐに発生した光電子を取り込んで保持する。第３受光期間Ｐ３に光電変換素子１０４が発生した光電子数ＱをＱ_ｃｂとし、第４受光期間Ｐ４に光電変換素子１０４が発生した光電子数ＱをＱ_ｃａとする。また、第１受光期間Ｐ１に光電変換素子１０４が発生した光電子数ＱをＱ_ｂとし、第２受光期間Ｐ２に光電変換素子１０４が発生した光電子数ＱをＱ_ａとする。図５のＩ_{ｌａｓｅｒ}は、前記照射された光の反射光Ｌｒの強度を示し、Ｉ_ｂａｃｋは、環境光Ｌｓの強度を示す。

したがって、Ｑ_ａ−Ｑ_ｃａ∝Ｉ_{ｌａｓｅｒ}×Ｔ_{ｄｅｌａｙ}，Ｑ_ｂ−Ｑ_ｃｂ∝Ｉ_{ｌａｓｅｒ}×Ｔ_{ｓｅｎｓｅ}，の関係式が成り立つ。Ｔ_{ｄｅｌａｙ}は、照射した光が測距対象Ｗに反射して戻ってくるまでの時間である。

上述した式から、
Ｔ_{ｄｅｌａｙ}＝Ｔ_{ｓｅｎｓｅ}×（Ｑ_ａ−Ｑ_ｃａ）／（Ｑ_ｂ−Ｑ_ｃｂ）・・（１）
の関係式が導き出せ、測距対象Ｗまでの距離Ｚは、
Ｚ＝ｃ×Ｔ_{ｄｅｌａｙ}／２＝ｃ×Ｔ_{ｓｅｎｓｅ}×（Ｑ_ａ−Ｑ_ｃａ）／２（Ｑ_ｂ−Ｑ_ｃｂ）・・（２）
の関係式によって求めることができる。なお、ｃは光速を示す。

なお、測距対象Ｗまでの距離Ｚを求めるＴＯＦ法は、種々の手法があり、上述した手法以外の手法によって測距対象Ｗまでの距離Ｚを求めてもよい。

図６は、単位画素３０の受光期間Ｐを示すタイムチャートである。制御部１８は、１フレームの露光期間中、所定の周期で照射装置１２が照射光Ｌｅを照射するように発光信号を照射装置１２に出力し、該照射装置１２は、該送られてきた発光信号に従って所定の周期で照射光Ｌｅを照射する。単位画素３０は、制御部１８による制御のもと、各照射光Ｌｅの照射タイミングに応じて予め決められた受光期間Ｐ（第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４）で光を受光する。

１回の照射光Ｌｅの照射タイミングに応じて４つの受光期間Ｐ（第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４）が定められており、これを１サイクルとし、１フレームの露光期間中にこのサイクルが所定回数（例えば、１０００回）繰り返される。第１受光期間Ｐ１で発生した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に蓄積され、第２受光期間Ｐ２で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に蓄積され、第３受光期間Ｐ３で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に蓄積され、第４受光期間Ｐ４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に蓄積される。

この１サイクル毎に各受光期間Ｐ（第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４）で発生した光電子は、各光電子振分部１０６に振り分けられるので、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４は、各サイクルの受光期間Ｐで発生した光電子を加算して保持することになる。つまり、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４は、各サイクルの第１受光期間Ｐ１で発生した光電子を加算して保持し、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４は、各サイクルの第２受光期間Ｐ２で発生した光電子を加算して保持する。また、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４は、各サイクルの第３受光期間Ｐ３で発生した光電子を加算して保持し、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４は、各サイクルの第４受光期間Ｐ４で発生した光電子を加算して保持する。

そして、１フレームの露光期間が終了して読出し期間に突入すると、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４が保持している光電子数Ｑに応じた電圧信号ＱＶが読み出される。ここで、１フレームの露光期間終了後の光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子数ＱをＱ_Ｂとし、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子数ＱをＱ_Ａとし、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子数ＱをＱ_ＣＢとし、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子数ＱをＱ_ＣＡとする。

図７は、光電子の転送時において、光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、及び光電子排出部１０８ａに供給される基本的な各種ゲート駆動信号電圧のタイミングチャートの一例を示す図であり、図８Ａ〜図８Ｆは、図７のタイミングチャートに示すタイミングａ〜タイミングｈにおける光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、及び光電子排出部１０８ａのポテンシャル図である。

図８Ａは、タイミングａ及びｇ時におけるポテンシャル図、図８Ｂは、タイミングｂ及びｈ時におけるポテンシャル図、図８Ｃは、タイミングｃ時におけるポテンシャル図、図８Ｄは、タイミングｄ時におけるポテンシャル図、図８Ｅは、タイミングｅ時におけるポテンシャル図、図８Ｆは、タイミングｆ時におけるポテンシャル図である。なお、以下、ローのゲート駆動信号電圧は、基準電圧値（例えば、グランドの電圧値、つまり零）のゲート駆動信号電圧であり、ハイのゲート駆動信号電圧は、基準電圧値より高い電圧値のゲート駆動振動電圧である。

１フレームの露光期間に突入し、光電変換素子１０４が発生した光電子を累積蓄積する最初の第１受光期間Ｐ１前のタイミングａにおいては、フォトゲート１１０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａが、光電子排出部１０８ａの第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｅが、光電子振分部１０６ａの第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号電圧Ｓｂが、光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが、光電子振分部１０６ａの第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｄがそれぞれ印加された状態となる。これにより、タイミングａでは、図８Ａに示すように、第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するので、光電変換素子１０４の光電子を拡散層１４２から排出することができ、光電変換素子１０４には光電子が蓄積されない。また、タイミングａでは、図８Ａに示すように、第２転送部１１６は、光電子保持部１１４に存在する光電子を浮遊拡散層１１８に転送するので、リセット用ゲート１２７にハイのリセット信号Ｒを印加することで、光電子保持部１１４及び浮遊拡散層１１８に存在する光電子を、リセット用トランジスタ１２６を介して排出することができる。

その後、タイミングｂにおいては、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃがローになるので、図８Ｂに示すように、光電子保持部１１４に存在する光電子が全て浮遊拡散層１１８に転送される。このときも、リセット用ゲート１２７にハイのリセット信号Ｒを印加することで、光電子保持部１１４及び浮遊拡散層１１８に残存している光電子を全て排出することができる。なお、タイミングｂにおいても、フォトゲート１１０及び第３転送ゲート１４４には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓａ、Ｓｅが印加され続けているので、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出され続ける。

光電子保持部１１４及び浮遊拡散層１１８に残存している光電子を全て排出した後の第１受光期間Ｐ１直前のタイミングｃでは、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃがハイになり、第２転送ゲート１２４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｄがローになる。また、第１受光期間Ｐ１の直前のタイミングｃでは、フォトゲート１１０に印加されるゲート駆動信号電圧Ｓａは、ローになるので、図８Ｃに示すように、光電変換素子１０４に残存している全ての光電子は、拡散層１４２から排出される。

その後、第１受光期間Ｐ１内のタイミングｄでは、第３転送ゲート１４４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｅがローになり、第１転送ゲート１２０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｂがハイになる。これにより、タイミングｄでは、図８Ｄに示すように、第１転送部１１２は、光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するので、第１受光期間Ｐ１においては、光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４が発生した光電子を累積蓄積して保持することができる。なお、タイミングｄ時においても、保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが印加され続けているので、光電子保持部１１４のポテンシャルは低く保たれている。

第１受光期間Ｐ１の残存光電子転送期間内のタイミングｅでは、フォトゲート１１０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、タイミングｅでは、図８Ｅに示すように、光電変換素子１０４に残存している光電子を、全て光電子保持部１１４に転送することができる。

そして、第１受光期間Ｐ１終了後（特に、残存光電子転送期間終了後）のタイミングｆでは、フォトゲート１１０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、第３転送ゲート１４４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｅがハイになり、第１転送ゲート１２０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｂがローになる。これにより、タイミングｆでは、図８Ｆに示すように、フォトゲート１１０及び第３転送ゲート１４４には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓａ、Ｓｅが印加されるので、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出される。また、タイミングｆ時においても、保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが印加され続けているので、光電子保持部１１４は、第１受光期間Ｐ１中に光電変換素子１０４が発生した光電子を保持している。

１フレームの露光期間には、上述したように、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送される光電子を発生するための複数の第１受光期間Ｐ１が存在し、図８Ｃ〜図８Ｅに示すような、動作が複数回繰り返される。従って、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４は、複数の第１受光期間Ｐ１で光電変換素子１０４が発生した光電子を加算して保持することになる。このことは、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄついても同様であり、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄは、複数の第２受光期間Ｐ２、第３受光期間Ｐ３、第４受光期間Ｐ４で発生した光電子を加算してそれぞれ保持する。

その後、読出し期間のタイミングｇでは、フォトゲート１１０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａが、第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｅが、第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号電圧Ｓｂが、保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが、第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｄがそれぞれ印加された状態となる。これにより、タイミングｇでは、図８Ａに示すように、第２転送部１１６は、光電子保持部１１４に存在する光電子を浮遊拡散層１１８に転送することができる。このときは、リセット用ゲート１２７にはローのリセット信号Ｒが印加されているので、転送された光電子は排出されることなく、浮遊拡散層１１８に存在する。

その後、タイミングｈでは、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃがローになるので、図８Ｂに示すように、光電子保持部１１４に存在する光電子が全て浮遊拡散層１１８に転送される。このときも、リセット用ゲート１２７にローのリセット信号Ｒが印加されているので、転送された光電子は排出されることなく、浮遊拡散層１１８に存在する。なお、タイミングｇ及びタイミングｈでは、光電変換素子１０４が発生した光電子は拡散層１４２から排出される。

光電子保持部１１４が保持していた光電子を全て浮遊拡散層１１８に転送した後、選択用トランジスタ１３４の選択用ゲート１３５にハイの選択信号Ｓｓが印加されると、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑａに対応する電圧信号ＱＶａが信号読出線１３２から読み出される。

光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子の転送方法に関しては、光電子振分部１０６ａと同様であり、光電子排出部１０８ｂの光電子の排出方法に関しては、光電子排出部１０８ａと同様であるので、説明を省略する。

図９は、図６の１サイクルにおける照射装置１２が照射する照射光Ｌｅの照射タイミングと、図６の１サイクルにおける、単位画素３０の光電変換素子１０４、第３転送ゲート１４４、及び光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧のタイミングとの一例を示すタイムチャートである。

単位画素３０は、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４で、光電変換素子１０４に入射した反射光Ｌｒに応じた光電子を累積蓄積し、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４以外の期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を排出する（捨てる）。

詳しくは、第３受光期間Ｐ３前は、光電変換素子１０４のフォトゲート１１０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａが供給されるとともに、第３転送部１４０の第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｅが供給される。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出される。そして、第３受光期間Ｐ３の直前にフォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになり、光電変換素子１０４に残存する光電子が全て拡散層１４２から排出される。

なお、このときは、光電子振分部１０６ａの第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ（以下、Ｓｂ１という）、光電子振分部１０６ｂの第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ（以下、Ｓｂ２という）、光電子振分部１０６ｃの第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ（以下、Ｓｂ３という）、光電子振分部１０６ｄの第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ（以下、Ｓｂ４という）は、ローの状態ある。

そして、第３受光期間Ｐ３が到来すると、第３転送ゲート１４４に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｅはローになるとともに、光電子振分部１０６ｃの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ３はハイになる。これにより、第３受光期間Ｐ３で光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に累積蓄積される。第３受光期間Ｐ３の残存光電子転送期間に入ると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に全て転送される。なお、光電子振分部１０６ｃの保持ゲート１２２のポテンシャルは、転送される光電子を保持できるように低く保たれていることは言うまでもない。

第４受光期間Ｐ４が到来すると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、光電子振分部１０６ｃの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ３はロー、光電子振分部１０６ｄの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ４はハイになる。これにより、第４受光期間Ｐ４で光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に累積蓄積される。第４受光期間Ｐ４の残存光電子転送期間に入ると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に全て転送される。なお、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４のポテンシャルは、転送される光電子を保持できるように低く保たれていることは言うまでもない。

第４受光期間Ｐ４が終了すると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、第３転送ゲート１４４に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｅがハイ、光電子振分部１０６ｄの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ４がローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出される。そして、第１受光期間Ｐ１の直前にフォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになり、光電変換素子１０４に残存する光電子が全て拡散層１４２から排出される。

第１受光期間Ｐ１が到来すると、第３転送ゲート１４４に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｅはローになるとともに、光電子振分部１０６ａの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ１はハイになる。これにより、第１受光期間Ｐ１で光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に累積蓄積される。第１受光期間Ｐ１の残存光電子転送期間に入ると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ１がローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に全て転送される。なお、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４のポテンシャルは、転送される光電子を保持できるように低く保たれていることは言うまでもない。

第２受光期間Ｐ２が到来すると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、光電子振分部１０６ａの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ１はロー、光電子振分部１０６ｂの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ２はハイになる。これにより、第２受光期間Ｐ２で光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に累積蓄積される。第２受光期間Ｐ２の残存光電子転送期間に入ると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に全て転送される。なお、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４のポテンシャルは、転送される光電子を保持できるように低く保たれていることは言うまでもない。

第２受光期間Ｐ２が終了すると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、第３転送ゲート１４４に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｅがハイ、光電子振分部１０６ｂの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ２がローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出される。

図１０は、単位画素３０の回路構成の一例を示す図である。光電変換素子１０４が発生した光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、図３で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用ゲート１３１が接続される。なお、図１０では、光電子排出部１０８の図示を省略している。

各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧信号（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送され、各浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑが順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）ＱＶに変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。

詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑ_Ｂに応じた信号レベルＱＶ_Ｂが信号読出線１３２から読み出される。演算部１６は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑ_Ｂに対応する信号レベルＱＶ_Ｂから黒レベルを減算することで、リセットノイズを除去する。このリセットノイズが除去された信号レベルＱＶ_Ｂを電圧信号ＱＶ´_Ｂと呼ぶ。

次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑ_Ａに応じた信号レベルＱＶ_Ａが信号読出線１３２から読み出される。演算部１６は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑ_Ａに対応する信号レベルＱＶ_Ａから黒レベルを減算することで、リセットノイズを除去する。このリセットノイズが除去された信号レベルＱＶ_Ａを電圧信号ＱＶ´_Ａと呼ぶ。

そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑ_ＣＢに応じた信号レベルＱＶ_ＣＢが信号読出線１３２から読み出される。演算部１６は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑ_ＣＢに対応する信号レベルＱＶ_ＣＢから黒レベルを減算することでリセットノイズを除去する。このリセットノイズが除去された信号レベルＱＶ_ＣＢを電圧信号ＱＶ´_ＣＢと呼ぶ。

最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑ_ＣＡに応じた信号レベルＱＶ_ＣＡが信号読出線１３２から読み出される。演算部１６は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑ_ＣＡに対応する信号レベルＱＶ_ＣＡから黒レベルを減算することで、リセットノイズを除去する。このリセットノイズが除去された信号レベルＱＶ_ＣＡを電圧信号ＱＶ´_ＣＡと呼ぶ。

そして、演算部１６は、電圧信号ＱＶ´_Ｂ、ＱＶ´_Ａ、ＱＶ´_ＣＢ、ＱＶ´_ＣＡを用いて、測距対象Ｗまでの距離Ｚを算出する。測距対象Ｗまでの距離Ｚは、上記した関係式（２）の光電子数Ｑ_ｂ、Ｑ_ａ、Ｑ_ｃｂ、Ｑ_ｃａを、それぞれ電圧信号ＱＶ´_Ｂ、ＱＶ´_Ａ、ＱＶ´_ＣＢ、ＱＶ´_ＣＡに置き換えることで、求めることができる。

ここで、図７、図８に示すように、光電子保持部１１４は、光電子数Ｑに対応する信号レベルＱＶを読み出すまで、受光期間Ｐで発生した光電子を保持しなければならないので、信号レベルＱＶを読み出すまで、光電子保持部１１４にはハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが供給され続ける。しかしながら、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが保持ゲート１２２に印加されると、保持ゲート１２２の下で形成される空乏層幅が大きくなる。空乏層内における電子の発生や、空乏層以外の基板内で発生した電子の拡散による空乏層への侵入が暗電流の発生原因となるため、空乏層幅が大きいと暗電流が発生し易くなる。

以下、暗電流の発生を抑制させるための光電子保持部１１４の駆動方法について説明する。図１１は、暗電流の発生を抑制させるために、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４の保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃのタイミングチャートの一例を示す図である。

図１１に示すように、第３受光期間Ｐ３にときには（光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に転送する状態のときには）、光電子振分部１０６ｃの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃ３をハイ（第１電圧値）にし、第３受光期間Ｐ３以外のときには（光電子が転送されずに単に光電子振分部１０６ｃが光電子を保持している状態のときには）、光電子振分部１０６ｃの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃ３を中間値（第２電圧値）にする。第２電圧値は、ローの電圧値（基準電圧値）より大きく、第１電圧値より低い電圧値である。

第４受光期間Ｐ４のときには（光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に転送する状態のときには）、光電子振分部１０６ｄの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃ４をハイ（第１電圧値）にし、第４受光期間Ｐ４以外のときには（光電子が転送されずに単に光電子振分部１０６ｄが光電子を保持している状態のときには）、光電子振分部１０６ｄの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃ４を中間値（第２電圧値）にする。

第１受光期間Ｐ１のときには（光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送する状態のときには）、光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃ１をハイ（第１電圧値）にし、第１受光期間Ｐ１以外のときには（光電子が転送されずに単に光電子振分部１０６ａが光電子を保持している状態のときには）、光電子振分部１０６ａの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃ１を中間値（第２電圧値）にする。

第２受光期間Ｐ２のときには（光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送する状態のときには）、光電子振分部１０６ｂの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃ２をハイ（第１電圧値）にし、第２受光期間Ｐ２以外のときには（光電子が転送されずに単に光電子振分部１０６ｂが光電子を保持している状態のときには）、光電子振分部１０６ｂの保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃ２を中間値（第２電圧値）にする。

図１２Ａは、受光期間Ｐ（詳しくは、第１受光期間Ｐ１のうち、残存光電子転送期間以外の期間）における光電子保持部１１４のポテンシャル図の一例を示し、図１２Ｂは、受光期間Ｐ以外の期間における光電子保持部１１４のポテンシャル図の一例を示す。

図１２Ａ、Ｂに示すように、受光期間Ｐのときは、光電子保持部１１４の保持ゲート１２２の下に形成されるポテンシャル井戸の深さは深くなり、受光期間Ｐ以外の期間における光電子保持部１１４の保持ゲート１２２の下に形成される空乏層幅は小さくなる。このように、受光期間Ｐにおいては、光電子保持部１１４の保持ゲート１２２の下に形成されるポテンシャル井戸の深さは深くなるので、光電変換素子と光電子保持部の電界を大きくすることが可能で、高速に光電子を光電変換素子１０４から光電子保持部１１４に転送することができるとともに、受光期間Ｐ以外の期間においては、光電子保持部１１４の保持ゲート１２２の下に形成される空乏層幅が小さくなるので、暗電流の発生を抑制することができる。

なお、第２電圧値は、光電子保持部１１４が保持する光電子が溢れ出さないような電圧値であればよい。また、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４には、各サイクルの受光期間Ｐで発生した光電子が転送されていくので、この１サイクルが繰り返される度に、光電子保持部１１４が保持する光電子数は多くなってくる。従って、最初は第２電圧値を小さくしておき、１サイクルの繰り返し回数が大きくなるにつれて、第２電圧値を徐々に大きくしていってもよい。これにより、飽和電荷量の拡大と暗電流の発生を抑制することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０…測距システム １２…照射装置
１４…撮像部 １６…演算部
１８…制御部 ２０…電源
２８…固体撮像装置 ３０…単位画素
３２…画素アレイ ３４…画素駆動回路
４２…ゲート駆動回路 １０２…ｐ型半導体基板
１０４…光電変換素子
１０６、１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ…光電子振分部
１０８、１０８ａ、１０８ｂ…光電子排出部
１１０…フォトゲート １１２…第１転送部
１１４…光電子保持部 １１６…第２転送部
１１８…浮遊拡散層 １２０…第１転送ゲート
１２２…保持ゲート １２４…第２転送ゲート
１２６…リセット用トランジスタ １２７…リセット用ゲート
１３０…信号読出用トランジスタ １３１…信号読出用ゲート
１３２…信号読出線 １３４…選択用トランジスタ
１３５…選択用ゲート １４０…第３転送部
１４２…拡散層 １４４…第３転送ゲート
１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄ…転送経路

Claims (4)

1. 受光期間中に入射した光量に応じた光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動装置であって、
   前記単位画素は、前記光電変換素子が発生した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、
   前記光電子振分部は、前記光電変換素子が変換した光電子を転送させるための第１転送部と、前記第１転送部から転送された光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、
   前記受光期間は複数あり、前記複数の光電子振分部の前記第１転送部及び前記光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加させて、前記受光期間毎に、前記光電変換素子が発生した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送させていくことで、各前記光電子保持部に複数回の前記受光期間で発生した光電子を加算させて保持させるものであって、前記光電子保持部が光電子を保持しない期間は、少なくとも該光電子保持部のゲートに所定の電圧値のゲート駆動信号電圧を印加し、光電子を前記光電子保持部に転送させる場合は、光電子が転送される該光電子保持部のゲートに、前記所定の電圧値より高い第１電圧値のゲート駆動信号電圧を印加して前記光電子保持部に転送される前記光電子を保持させ、光電子を前記光電子保持部に転送させずに該光電子保持部に光電子を保持させる場合は、該光電子保持部のゲートに、前記第１電圧値より低く、前記所定の電圧値より高い第２電圧値のゲート駆動信号電圧を印加するとともに、前記受光期間毎に、前記光電変換素子が発生した光電子を各前記光電子保持部に振り分けて転送させる度に、光電子が転送される前記光電子保持部のゲートに印加する前記ゲート駆動信号電圧の前記第２電圧値を徐々に高くする
   ことを特徴とする画素駆動装置。
2. 請求項１に記載の画素駆動装置であって、
   前記単位画素は、前記光電変換素子が発生した光電子を排出する光電子排出部を備え、
   前記光電子振分部は、前記光電子保持部が保持した光電子を転送する第２転送部と、前記第２転送部により転送された光電子に応じた電圧信号を読み出すための浮遊拡散層とを有し、
   前記浮遊拡散層には、該浮遊拡散層の電位を、浮遊拡散層に存在する光電子を排出するための基準電位にリセットするためのリセット用トランジスタが接続され、
   前記光電子排出部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加することで、前記受光期間以外の期間に前記光電変換素子が発生した光電子を排出させ、
   前記第２転送部が前記光電子保持部に保持されている光電子を前記浮遊拡散層に転送する前に、リセット用トランジスタのゲートにリセット信号を印加して、前記浮遊拡散層の電位を前記基準電位にリセットする
   ことを特徴とする画素駆動装置。
3. 請求項２に記載の画素駆動装置であって、
   前記光電変換素子は、フォトゲート構造により形成され、
   前記第１転送部、前記光電子保持部、及び前記第２転送部は、ＭＯＳダイオード構造により形成されている
   ことを特徴とする画素駆動装置。
4. 受光期間中に入射した光量に応じた光電子を発生する光電変換素子を有する単位画素を駆動する画素駆動方法であって、
   前記単位画素は、前記光電変換素子が発生した光電子を振り分ける複数の光電子振分部を備え、
   前記光電子振分部は、前記光電変換素子が変換した光電子を転送させるための第１転送部と、前記第１転送部から転送された光電子を一時的に保持する光電子保持部とを有し、
   前記受光期間は複数あり、前記複数の光電子振分部の前記第１転送部及び前記光電子保持部のゲートにゲート駆動信号電圧を印加させて、前記受光期間毎に、前記光電変換素子が発生した光電子を、各前記光電子保持部に振り分けて転送させていくことで、各前記光電子保持部に複数回の前記受光期間で発生した光電子を加算させて保持させるものであって、前記光電子保持部が光電子を保持しない期間は、少なくとも該光電子保持部のゲートに所定の電圧値のゲート駆動信号電圧を印加し、光電子を前記光電子保持部に転送させる場合は、光電子が転送される該光電子保持部のゲートに、前記所定の電圧値より高い第１電圧値のゲート駆動信号電圧を印加して前記光電子保持部に転送される前記光電子を保持させ、光電子を前記光電子保持部に転送させずに該光電子保持部に光電子を保持させる場合は、該光電子保持部のゲートに、前記第１電圧値より低く、前記所定の電圧値より高い第２電圧値のゲート駆動信号電圧を印加するとともに、前記受光期間毎に、前記光電変換素子が発生した光電子を各前記光電子保持部に振り分けて転送させる度に、光電子が転送される前記光電子保持部のゲートに印加する前記ゲート駆動信号電圧の前記第２電圧値を徐々に高くする
   ことを特徴とする画素駆動方法。

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