JP6738334B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6738334B2
JP6738334B2 JP2017532369A JP2017532369A JP6738334B2 JP 6738334 B2 JP6738334 B2 JP 6738334B2 JP 2017532369 A JP2017532369 A JP 2017532369A JP 2017532369 A JP2017532369 A JP 2017532369A JP 6738334 B2 JP6738334 B2 JP 6738334B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pixel
imaging device
solid
state imaging
charge storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017532369A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017022218A1 (ja
Inventor
静 鈴木
静 鈴木
山田　徹
徹 山田
靖之 清水
靖之 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nuvoton Technology Corp Japan
Original Assignee
Panasonic Semiconductor Solutions Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Semiconductor Solutions Co Ltd filed Critical Panasonic Semiconductor Solutions Co Ltd
Publication of JPWO2017022218A1 publication Critical patent/JPWO2017022218A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6738334B2 publication Critical patent/JP6738334B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/76—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the image signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14607—Geometry of the photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14623—Optical shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14649—Infrared imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
    • H04N23/11—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths for generating image signals from visible and infrared light wavelengths
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/10—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming different wavelengths into image signals
    • H04N25/11—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics
    • H04N25/13—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements
    • H04N25/131—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements including elements passing infrared wavelengths

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Description

本発明は、測距撮像に用いられる固体撮像装置に関する。
物体を検知する複数の方式の中で、測定対象物まで光が往復する飛行時間を利用して測距を行うＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。
特許文献１には、２つの異なる信号蓄積手段に、光源からの光の断続動作と同期させて互いに異なる位相で電荷転送して信号蓄積を行い、蓄積信号の配分比から対象物までの距離を求め、さらに、第３の信号蓄積手段に背景光のみを信号蓄積することで、背景光除去を行って、背景光の影響を排除する従来技術を開示している。
特開２００４−２９４４２０号公報
一般的なパルスＴＯＦ法では、パルス幅Ｔｐの照射光の立ち上がり時刻から始まる第１露光期間をＴ１、照射光の立ち下がり時刻から始まる第２露光期間をＴ２、照射光をＯＦＦした状態で実行される第３露光期間をＴ３とした場合、露光期間Ｔ１〜Ｔ３は、パルス幅Ｔｐと同じ長さに設定される。また、第１露光期間Ｔ１において撮像部が得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２において撮像部が得られる信号量をＡ１、第３露光期間Ｔ３において撮像部が得られる信号量をＡ２とし、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとすると距離Ｌは、次式で与えられる。
Ｌ＝ｃ×Ｔｐ／２×｛（Ａ１−Ａ２）／（Ａ０−Ａ２＋Ａ１−Ａ２）｝
ここで、Ａ２は照射光をＯＦＦした状態で得られる背景光を反映した信号であり、以下ＢＧとする。
また、このＴＯＦ方式の測距撮像装置に用いられる固体撮像装置は、照射光の１周期について行われるサンプリングを複数回繰り返す。上記ＴＯＦ方式では、測距範囲Ｄは以下のように表される。
Ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２
一方、特許文献１では、大きく３つの方式が開示されているが、何れも光源のパルス幅（Ｔｐ）が大きくなると、測距範囲Ｄが大きくなるが、距離分解能が落ちる。つまり、測距精度は光源のパルス幅（Ｔｐ）に反比例し、測距範囲（限界）Ｄを広げるために光源のパルス幅を大きくすると、逆に測距精度は悪くなるという課題を有している。また、背景光を除去する方法として、（ａ）３つの電荷蓄積ノードを用いる、（ｂ）２つの電荷蓄積ノードを用いて照射光をＯＮした画像と照射光をＯＦＦした画像の２つを読み出し、その差分をとる、（ｃ）積分器と電圧制御パルス遅延回路を利用する、方法が開示されている。しかし、（ａ）は電荷蓄積ノードが３つ必要で、また暗電流を考慮するとＣＣＤメモリが望ましく、この場合開口率が大きく低下する。更にはＴＸ幅で露光期間が決定されているため、光源のパルス幅を短くする場合、ＴＸ幅も短くなり、パルスの配線遅延抑制のため３つのＴＸ配線幅を大きくする必要が生じ、配線による入射光のケラレが発生する等により感度が低下する課題がある。（ｃ）は回路が複雑で、これも十分な開口率が得られない。従って、画素の微細化、つまり同一画素数であれば小型化が、同一光学サイズであれば高解像度化が困難であるという課題を有している。また（ｂ）は２つの画像で背景光が異なるために、測距精度が低下するという課題を有している。
上記課題に鑑み、本発明は、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する測距信号を取得する固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板に行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、対象物からの光を受光して当該光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部から前記電荷の読み出しを行う複数の読み出し部と、前記複数の読み出し部により読み出された前記光電変換部の電荷をそれぞれ蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部の一方に蓄積された電荷を前記複数の電荷蓄積部の他方への転送する制御、または前記電荷の転送を阻止する制御からなる転送制御を行う転送制御部と、を備え、前記転送制御部は、前記複数の電荷蓄積部の間に配置されることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置によれば、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する測距信号を取得することが可能となる。
図１は、実施の形態１に係る測距撮像装置の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、実施の形態１に係る測距撮像装置の画素回路構成を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力タイミングを示すタイミングチャートである。 図５は、２ｉ行および（２ｉ＋１）行における蓄積部、転送制御部、出力部、およびＦＤのポテンシャル図である。 図６は、実施の形態１に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図７は、実施の形態１に係る光電変換部およびその周辺におけるポテンシャルの分布を表す図である。 図８は、実施の形態１の変形例に係る光電変換部およびその周辺におけるポテンシャルの分布を表す図である。 図９は、実施の形態１に係る光電変換部およびその周辺における水平方向のポテンシャルの分布を表す図である。 図１０Ａは、市松配置された画素レイアウトを示す図である。 図１０Ｂは、ストライプ配置された画素レイアウトを示す図である。 図１１Ａは、市松配置された画素レイアウトにおける距離データの重心を示す図である。 図１１Ｂは、ストライプ配置された画素レイアウトにおける距離データの重心を示す図である。 図１２は、市松配置の画素レイアウトにおけるＦＤの共有配置レイアウトを表す図である。 図１３は、実施の形態１に係る露光制御部のゲート配線の構成図である。 図１４Ａは、実施の形態１に係る露光制御パルスの撮像領域端部における遅延を表す図である。 図１４Ｂは、実施の形態１に係る露光制御パルスの撮像領域中央における遅延を表す図である。 図１５は、実施の形態２に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 図１６は、実施の形態２に係る固体撮像装置において画素列ごとに異なる露光制御が実行されることを説明する撮像領域の概略平面図である。 図１７は、実施の形態２の変形例に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 図１８は、実施の形態３に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１９は、実施の形態４に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図２０は、実施の形態４に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２１は、実施の形態４の変形例１に係る測距撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２２Ａは、実施の形態４の変形例２に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図２２Ｂは、実施の形態４の変形例２に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２３は、実施の形態４に係る光電変換部およびその周辺における水平方向のポテンシャルの分布を表す図である。 図２４は、実施の形態４に係る固体撮像装置の画素レイアウトの変形例を示す図である。 図２５は、実施の形態５に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。
以下、本開示の実施の形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定するものではない。
（実施の形態１）
［１−１．測距撮像装置の構成］
図１は、実施の形態１に係る測距撮像装置１０００の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。同図に示すように、測距撮像装置１０００は、固体撮像装置１００と、光源ドライバ２００と、ＴＯＦプロセッサ３００と、光学レンズ４００と、光源部５００とを備える。また、固体撮像装置１００は、撮像部１０１と、ＡＤ変換部１０２と、タイミング生成部１０３と、シャッタドライバ１０４とを備える。
タイミング生成部１０３は、対象物６００への光照射を指示する発光信号を発生し光源ドライバ２００を介して光源部５００を駆動するとともに、対象物６００からの反射光の露光を指示する露光信号を発生する。
撮像部１０１は、対象物６００を含む領域に対して、タイミング生成部１０３で発生する露光信号が示すタイミングに従って複数回の露光を行い、複数回の露光量の総和に対応した信号を得る。
ＴＯＦプロセッサ３００は、固体撮像装置１００から受けた信号に基づいて、対象物６００までの距離を演算する。
図１に示すように、対象物６００に対して、背景光のもと近赤外光が光源部５００から照射される。対象物６００からの反射光は、光学レンズ４００を介して、撮像部１０１に入射される。撮像部１０１に入射された反射光は、結像され、当該結像された画像は電気信号に変換される。光源部５００および固体撮像装置１００の動作は、固体撮像装置１００のタイミング生成部１０３によって制御される。固体撮像装置１００の出力は、ＴＯＦプロセッサ３００によって距離画像に変換され、用途によっては可視画像にも変換される。固体撮像装置１００としては、いわゆる、ＣＭＯＳイメージセンサが例示される。
［１−２．画素回路構成］
図２は、実施の形態１に係る測距撮像装置１０００の画素回路構成を示す図である。同図には、固体撮像装置１００の撮像部１０１の撮像領域に設けられた画素５０Ａおよび画素５０Ｂの回路構成が示されている。撮像部１０１の撮像領域には、画素５０Ａおよび画素５０Ｂの組み合わせが２次元状に複数配列されているが、図２では、撮像領域に配列された複数の画素５０Ａおよび画素５０Ｂのうち、１組の画素５０Ａおよび画素５０Ｂが示されている。画素５０Ａは、第１の画素グループに含まれる第１画素であり、画素５０Ｂは第２の画素グループに含まれる第２画素である。
画素５０Ａは、光電変換部１Ａと、読出し部１２Ａ１および１２Ａ２と、電荷蓄積部２Ａおよび４Ａと、転送制御部９Ａと、出力部１１Ａと、露光制御部６Ａとを備える。また、画素５０Ｂは、光電変換部１Ｂと、読出し部１２Ｂ１および１２Ｂ２と、電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂと、転送制御部９Ｂと、出力部１１Ｂと、露光制御部７Ｂとを備える。また、画素５０Ａおよび５０Ｂに共通して、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１０、増幅トランジスタ１３、ＦＤ１０をリセットするリセットトランジスタ１４、選択トランジスタ１５が配置されている。
本実施の形態では、垂直方向に隣り合う２つの画素５０Ａおよび５０Ｂで、ＦＤ１０および増幅トランジスタ１３を共有している。
［１−３．駆動方法］
次に、図２および図３を参照しながら、本実施の形態に係る固体撮像装置１００の露光時の駆動方法について説明する。
図３は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。
図２の露光制御部６Ａおよび７Ｂのゲートには、それぞれ、駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２が印加される。図２の読出し部１２Ａ１、１２Ａ２、１２Ｂ１および１２Ｂ２のゲートには、それぞれ、駆動パルス信号ＴＧ１、ＴＧ３、ＴＧ２およびＴＧ４が印加される。図２の電荷蓄積部２Ａ、４Ａ、３Ｂおよび５Ｂのゲートには、それぞれ、駆動パルス信号ＶＧ１、ＶＧ３、ＶＧ２およびＶＧ４が印加される。
また、光源部５００からは、一定周期でオン・オフを繰り返す照射光（ＰＴ）が繰り返し照射されている。図３において、Ｔ０は、光源部５００から照射された照射光（ＰＴ）のパルス幅である。対象物６００から反射された反射光（ＰＲ）は、光源からの距離に応じてＴｄの遅延をもって撮像部１０１に到達し、光電変換部１Ａおよび１Ｂにおいて信号電荷に変換される。
図３には、測距レンジ１、測距レンジ２、および測距レンジ３とあるが、各々は反射光（ＰＲ）の遅延時間Ｔｄによって分類されており、Ｔｄが０〜Ｔ０の場合を測距レンジ１、ＴｄがＴ０〜２Ｔ０の場合を測距レンジ２、Ｔｄが２Ｔ０〜３Ｔ０の場合を測距レンジ３としている。また、時刻ｔ１〜ｔ５は、全て同一の時間間隔で並んでおり、その時間間隔は照射パルス幅Ｔ０に等しい。
まず、測距レンジ１の場合について説明する。
初期状態として、駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２はＨｉｇｈ状態であり、画素５０Ａの光電変換部１Ａおよび画素５０Ｂの光電変換部１Ｂで発生した電荷は、それぞれ、オーバーフロードレイン（ＶＤＤ）に排出されている。また、駆動パルス信号ＴＧ１〜ＴＧ４はＬｏｗ状態である。また、駆動パルス信号ＶＧ１〜ＶＧ４はＨｉｇｈ状態である。これにより、電荷蓄積部２Ａおよび４Ａは、光電変換部１Ａと電気的に遮断され、電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂは、光電変換部１Ｂと電気的に遮断されている。この状態において、光電変換部１Ａおよび１Ｂで生成した信号電荷は、それぞれ、露光制御部６Ａおよび７Ｂを介してオーバーフロードレイン（ＶＤＤ）に排出され、光電変換部１Ａおよび１Ｂには蓄積されない。
次に、照射光（ＰＴ）がオンとなる時刻ｔ１に同期して、駆動パルス信号ＯＤＧ１がＬｏｗ状態となり、光電変換部１Ａからオーバーフロードレイン（ＶＤＤ）への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ１は、駆動パルス信号ＯＤＧ１に対して（Ｔ０／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、背景光を含んだ反射光（ＰＲ）の入射によって生成した信号電荷の、読出し部１２Ａ１（第１読み出し部）を介した電荷蓄積部２Ａへの転送が開始される。
次に、時刻ｔ２において、駆動パルス信号ＯＤＧ１がＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１Ａで生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン（ＶＤＤ）に排出される。この動作により、背景光を含んだ反射パルス光の先行成分（Ａ０）が電荷蓄積部２Ａに保持される。同時に、駆動パルス信号ＯＤＧ２がＬｏｗ状態となり、光電変換部１Ｂからオーバーフロードレイン（ＶＤＤ）への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ２は、駆動パルス信号ＯＤＧ２に対して（Ｔ０／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、背景光を含んだ反射光（ＰＲ）の入射によって生成した信号電荷の、読出し部１２Ｂ１（第３読み出し部）を介した電荷蓄積部３Ｂへの転送が開始される。
次に、時刻ｔ３において、駆動パルス信号ＯＤＧ２がＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１Ｂで生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン（ＶＤＤ）に排出される。この動作により、背景光を含んだ反射パルス光の後行成分（Ａ１）が電荷蓄積部３Ｂに保持される。同時に、駆動パルス信号ＯＤＧ１がＬｏｗ状態となり、光電変換部１Ａからオーバーフロードレイン（ＶＤＤ）への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ３は、駆動パルス信号ＯＤＧ１に対して（Ｔ０／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、背景光の入射によって生成した信号電荷の、読出し部１２Ａ２（第２読み出し部）を介した電荷蓄積部４Ａへの転送が開始される。
次に、時刻ｔ４において、駆動パルス信号ＯＤＧ１がＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１Ａで生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン（ＶＤＤ）に排出される。この動作により、背景光成分のみ（Ａ２＝ＢＧ）が電荷蓄積部４Ａに保持される。同時に、駆動パルス信号ＯＤＧ２がＬｏｗ状態となり、光電変換部１Ｂからオーバーフロードレイン（ＶＤＤ）への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ４は、駆動パルス信号ＯＤＧ２に対して（Ｔ０／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、背景光の入射によって生成した信号電荷の、読出し部１２Ｂ２（第４読み出し部）を介した電荷蓄積部５Ｂへの転送が開始される。
最後に、時刻ｔ５において、駆動パルス信号ＯＤＧ２がＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１Ｂで生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン（ＶＤＤ）に排出される。この動作により、背景光成分のみ（Ａ３＝ＢＧ）が電荷蓄積部５Ｂに保持される。
以上の動作により、電荷蓄積部２Ａには背景光を含んだ反射パルス光の先行成分Ａ０が蓄積され、電荷蓄積部４Ａには背景光成分ＢＧが蓄積され、電荷蓄積部３Ｂには背景光を含んだ反射パルス光の後行成分Ａ１が蓄積され、電荷蓄積部５Ｂには背景光成分ＢＧが蓄積されることになる。
これらの信号を基に、反射パルス光の遅延量Ｔｄ（＝Ｔ０×（（Ａ１−ＢＧ）／（Ａ０＋Ａ１−２×ＢＧ）））が求められる。測距レンジ１においては、Ａ０＞Ａ２、Ａ１＞Ａ３であり、対象物６００までの距離Ｌは、下記の式１で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、Ａ２、Ａ３、及び（Ａ２＋Ａ３）／２のいずれであってもよい。
Figure 0006738334
上記のように、信号電荷の蓄積開始および終了を決定するのは、駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２のみである。
なお、一般的なＴＯＦ原理に適用する固体撮像装置においては、電荷読み出し用の駆動パルスＸがＬｏｗからＨｉｇｈレベルに遷移するタイミングと、オーバーフロードレインのゲート駆動パルスＹがＨｉｇｈからＬｏｗレベルに遷移する駆動タイミングは同じである。しかし、例えば、撮像領域の端部では両者の遅延差が少なくても、撮像領域の中央部ではゲート駆動パルスＹで開始位置が決まり、駆動パルスＸで終了位置が決まるといった場合が発生するため、タイミング調整だけでなく設計的な遅延の合わせこみが必要となる。
これに対して、本実施の形態に係る測距撮像装置１０００では、駆動パルス信号ＯＤＧ１および２のみで蓄積開始および終了が決定されるため、遅延時間を高精度に調整することが可能となる。
測距レンジ２および測距レンジ３についても、測距レンジ１と同様の駆動タイミングが用いられる。但し、反射光（ＰＲ）の遅延量が異なるため、各々の電荷蓄積部に保持される信号成分は異なり、具体的には、図３の表に示すとおりとなる。
測距レンジ２においては、Ａ２＞Ａ０、Ａ１＞Ａ３であり、距離Ｌは下記の式２で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、Ａ０、Ａ３及び（Ａ０＋Ａ３）／２のいずれであってもよい。
Figure 0006738334
測距レンジ３においては、Ａ２＞Ａ０、Ａ３＞Ａ１であり、距離Ｌは下記の式３で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、Ａ０、Ａ１及び（Ａ０＋Ａ１）／２のいずれであってもよい。
Figure 0006738334
上記測距レンジ１〜３のいずれの場合においても、適切な信号を選択することにより対象物６００までの距離を算出することができる。
上記測距撮像装置の構成および測距方法によれば、従来の測距撮像装置では、測距レンジがｃ×Ｔ０／２であったのに対して、本実施の形態に係る測距撮像装置では、距離精度を損なうことなく測距レンジを３ｃ×Ｔ０／２へと拡大することが可能となる。
次に、電荷蓄積部に蓄積された測距信号を出力する手順について、図４および図５を用いて説明する。
図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の測距信号出力タイミングを示すタイミングチャートである。図４では、垂直方向に隣接する２画素５０Ａおよび５０ＢでＦＤ１０を共有する構成において、画素５０Ａおよび５０Ｂを含む２行をサフィックス２ｉで示し、当該２行に隣り合う下の２行をサフィックス２（ｉ＋１）で示している。なお、ｉは自然数である。詳細には、サフィックス２ｉで示される画素は、２ｉ行と（２ｉ＋１）行の垂直方向に隣接する２画素を表し、サフィックス２（ｉ＋１）で示される画素は、（２ｉ＋２）行と（２ｉ＋３）行の垂直方向に隣接する２画素を表している。また、図４において、ＲＳはリセットトランジスタ１４のゲートに印加される駆動パルス信号を示しており、ＳＥＬは選択トランジスタ１５のゲートに印加される駆動パルス信号を示している。
また、図５は、２ｉ行および（２ｉ＋１）行における電荷蓄積部、転送制御部、出力部、およびＦＤのポテンシャル図である。ここで、転送制御部９Ａおよび９Ｂのゲートに印加される駆動信号ＶＢ、出力部１１Ａおよび１１Ｂのゲートに印加される駆動信号ＯＧは、それぞれ、適切な直流電位を有する信号であり、Ｈｉｇｈ状態の電荷蓄積部に対してはポテンシャルバリア、Ｌｏｗ状態の電荷蓄積部に対しては転送路となるように設定されている。また、電荷蓄積部には電荷転送を容易にする目的でポテンシャルの段差が設けられている。このポテンシャル段差は、電荷蓄積部の不純物濃度を一部変更することにより形成することができる。
まず、初期状態である時刻ｔ１では、露光動作が終了し電荷蓄積部２Ａ、４Ａ、３Ｂおよび５Ｂに、それぞれ信号電荷が蓄積された状態である。以下、測距レンジ１に対応させて、電荷蓄積部２Ａに（Ａ０＋ＢＧ）が蓄積され、電荷蓄積部３Ｂに（Ａ１＋ＢＧ）が蓄積され、電荷蓄積部４Ａおよび５ＢにＢＧが蓄積された状態を初期状態として説明を行う。
次に、時刻ｔ２において、駆動パルス信号ＶＧ３がＬｏｗ状態に変化する。これにより電荷蓄積部４Ａに保持された信号電荷ＢＧが、駆動信号ＯＧによりＦＤ１０に転送される。ＦＤ１０では信号電荷が電圧に変換され、増幅トランジスタ１３および選択トランジスタ１５で構成されるソースフォロワ回路により外部に読み出される。
次に、時刻ｔ３において、リセットトランジスタ１４にＨｉｇｈレベルの駆動パルス信号ＲＳが入力され、ＦＤ１０は電源電位にリセットされる。
次に、時刻ｔ４において、駆動パルス信号ＶＧ２がＬｏｗ状態に変化する。これにより電荷蓄積部３Ｂに保持された信号電荷（Ａ１＋ＢＧ）が、駆動信号ＯＧによりＦＤ１０に転送される。信号電荷の出力については前述の通りであるため、ここでの説明は省略する。
次に、時刻ｔ５において、駆動パルス信号ＶＧ３およびＶＧ２がＨｉｇｈ状態に変化し、続いて駆動パルス信号ＶＧ１およびＶＧ４がＬｏｗ状態に変化する。これにより、電荷蓄積部２Ａおよび電荷蓄積部５Ｂに保持された信号電荷（Ａ０＋ＢＧ）およびＢＧが、それぞれ、電荷蓄積部４Ａおよび電荷蓄積部３Ｂに転送される（時刻ｔ６）。
さらに、時刻ｔ７において、ＦＤ１０がリセットされた後、時刻ｔ８において、駆動パルス信号ＶＧ３がＬｏｗ状態となることで信号電荷（Ａ０＋ＢＧ）がＦＤ１０に転送され、前述の通り出力される。
次に、時刻ｔ９において、ＦＤ１０がリセットされ、続いて時刻ｔ１０において、駆動パルス信号ＶＧ２がＬｏｗ状態となり信号電荷ＢＧが出力される。
以上の時刻ｔ１〜ｔ１０の動作により、２ｉ行および（２ｉ＋１）行の信号電荷出力を終了し、以降、上記の動作を２行単位で順次行うことで、フレーム出力を完了する。
なお、図４で示されたように、駆動パルス信号ＶＧ１およびＶＧ４は、同一の動作をする。そのため、電荷蓄積部２Ａおよび５Ｂのゲートに駆動パルス信号ＶＧ１およびＶＧ４を伝達するゲート配線は、同一配線とすることが可能である。また、駆動信号ＶＢが印加される転送制御部９Ａおよび９Ｂと駆動信号ＯＧが印加される出力部１１Ａおよび１１Ｂとは、電荷蓄積部に対するバリア形成および転送路形成の観点から同一の役割を持つため、駆動信号ＶＢおよび駆動信号ＯＧを伝達するゲート配線に関しても、同一配線とすることが可能である。
更には、これらのゲート電位を共通のＧＮＤ電位とすることも可能である。この場合、転送制御部および出力部のゲート下電位をＶＧ１、ＶＧ２、ＶＧ３、ＶＧ４がＬｏｗレベルでも転送できるように深くする必要が生じるため、電荷蓄積部に保持できる電子数は上述した駆動方法に比べ減少するが、電荷蓄積部のＨｉｇｈレベルを固体撮像装置内に設けた昇圧回路により上げることで電子数の減少を抑制することが可能である。
これにより、画素内の配線の数を減らすことができ、開口面積の拡大に伴う高感度化を実現し、測距精度を向上させることができる。
［１−４．画素レイアウト構成］
図６は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。撮像部１０１の複数の画素は、半導体基板上の撮像領域に２次元状に配置され、第１の画素グループに含まれる画素５０Ａおよび第２の画素グループに含まれる画素５０Ｂを、測距の最小単位である１つの画素ユニットとしている。図６には、図２に示された回路構成を有する画素５０Ａおよび５０Ｂで構成される１つの画素ユニットのレイアウト構成が表されている。
図６に示すように、画素５０Ａは、光電変換部１Ａと、読出し部１２Ａ１および１２Ａ２と、電荷蓄積部２Ａおよび４Ａと、転送制御部９Ａと、出力部１１Ａと、露光制御部６Ａとを備える。また、画素５０Ｂは、光電変換部１Ｂと、読出し部１２Ｂ１および１２Ｂ２と、電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂと、転送制御部９Ｂと、出力部１１Ｂと、露光制御部７Ｂとを備える。また、画素５０Ａおよび５０Ｂは、ＦＤ１０およびオーバーフロードレイン８を共有している。
光電変換部１Ａおよび１Ｂは、対象物６００からの反射光を受光し、光電変換により生成された信号電荷を蓄積する。
電荷蓄積部２Ａおよび４Ａは、それぞれ、光電変換部１Ａに蓄積された信号電荷を保持する第１の電荷蓄積部および第３の電荷蓄積部である。電荷蓄積部２Ａおよび４Ａは、光電変換部１Ａが形成された領域の外周における同一の辺に設けられている。電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂは、それぞれ、光電変換部１Ｂに蓄積された信号電荷を保持する第２の電荷蓄積部および第４の電荷蓄積部である。電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂは、光電変換部１Ｂが形成された領域の外周における同一の辺に設けられている。
読出し部１２Ａ１および１２Ａ２は、それぞれ、光電変換部１Ａから電荷蓄積部２Ａおよび４Ａに信号電荷を読み出す読出し部である。読出し部１２Ｂ１および１２Ｂ２は、それぞれ、光電変換部１Ｂから電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂに信号電荷を読み出す。
転送制御部９Ａは、電荷蓄積部２Ａと４Ａとの間に設けられている。転送制御部９Ｂは、電荷蓄積部３Ｂと５Ｂとの間に設けられている。
出力部１１Ａは、画素５０Ａ内の２つの電荷蓄積部の一方である電荷蓄積部４Ａに隣接して設けられている。出力部１１Ｂは、画素５０Ｂ内の２つの電荷蓄積部の一方である電荷蓄積部３Ｂに隣接して設けられている。
ＦＤ１０は、電荷蓄積部４Ａと出力部１１Ａを介して隣接し、また、電荷蓄積部３Ｂと出力部１１Ｂを介して隣接し、信号電荷を電圧に変換する。
露光制御部６Ａは、電荷蓄積部２Ａおよび４Ａが設けられた光電変換部１Ａの辺に直交する２辺に設けられている。露光制御部７Ｂは、電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂが設けられた光電変換部１Ｂの辺に直交する２辺に設けられている。
オーバーフロードレイン８は、露光制御部６Ａまたは７Ｂを介して、光電変換部１Ａと隣り合うように設けられ、光電変換部１Ａまたは１Ｂに蓄積された信号電荷を、露光制御部６Ａまたは７Ｂを介して排出する。
また、電荷蓄積部２Ａ、４Ａ、３Ｂおよび５Ｂ、読出し部１２Ａ１、１２Ａ２、１２Ｂ１および１２Ｂ２、転送制御部９Ａおよび９Ｂ、ならびに、出力部１１Ａおよび１１Ｂは、それぞれ、半導体基板の上方にゲート絶縁膜およびゲート電極が積層されることにより形成されている。
なお、オーバーフロードレイン８は、隣り合う画素間で共有することが望ましい。
ＦＤ１０は、ソースフォロワ回路に接続されており、電荷電圧変換された信号は増幅され出力されるが、通常のＭＯＳイメージセンサと同様の構成であるため、ここでは説明を省略する。
第１画素（画素５０Ａ）は、前記２つの読み出し部として、第１読み出し部と第２読み出し部とを有し、前記２つの露光制御部として、前記第１読み出し部および前記第２読み出し部のうち前記第１読み出し部と同じ側に配置された第１露光制御部と、前記第１読み出し部および前記第２読み出し部のうち前記第２読み出し部と同じ側に配置された第２露光制御部とを有し、前記第２画素（画素５０Ｂ）は、前記２つの読み出し部として、第３読み出し部と第４読み出し部とを有し、前記２つの露光制御部として、前記第３読み出し部および前記第４読み出し部のうち前記第３読み出し部と同じ側に配置された第３露光制御部と、前記第３読み出し部および前記第４読み出し部のうち前記第４読み出し部と同じ側に配置された第４露光制御部とを有する。
ここで、読出し部１２Ａ１および１２Ａ２のゲート電極は、線対称に配置され、かつ、光電変換部１Ａの受光領域の外周を構成する同一の辺上に配置されている。より具体的には、本実施の形態では、読出し部１２Ａ１および１２Ａ２のゲート電極は、半導体基板を平面視した場合、光電変換部１Ａの受光領域の中心を通る中心線ＨＡに対して互いに対称に配置され、かつ、当該受光領域の外周を構成する同一の辺上に配置されている。また、露光制御部６Ａの２つのゲート電極は、線対称に配置され、かつ、光電変換部１Ａの受光領域の外周を構成する同一の辺と直交する２辺に配置されている。露光制御部６Ａの一方（第１露光制御部）のゲート電極は、読出し部１２Ａ１（第１読み出し部）および１２Ａ２（第２読み出し部）のうち読出し部１２Ａ１と同じ側に配置され、露光制御部６Ａの他方（第２露光制御部）のゲート電極は、読出し部１２Ａ１および１２Ａ２のうち読出し部１２Ａ２と同じ側に配置されている。より具体的には、本実施の形態では、露光制御部６Ａの２つのゲート電極は、上記平面視において、それぞれ、読出し部１２Ａ１および１２Ａ２と近接し、上記同一の辺と直交する２辺に配置され、かつ、中心線ＨＡに対して互いに対称に配置されている。
また、読出し部１２Ｂ１および１２Ｂ２のゲート電極は、線対称に配置され、かつ、光電変換部１Ｂの受光領域の外周を構成する同一の辺上に配置されている。より具体的には、本実施の形態では、読出し部１２Ｂ１および１２Ｂ２のゲート電極は、上記平面視において、光電変換部１Ｂの受光領域の中心を通る中心線ＨＢに対して互いに対称に配置され、かつ、当該受光領域の外周を構成する同一の辺上に配置されている。また、露光制御部７Ｂの２つのゲート電極は、線対称に配置され、かつ、光電変換部１Ｂの受光領域の外周を構成する同一の辺と直交する２辺に配置されている。露光制御部７Ｂの一方（第３露光制御部）のゲート電極は、読出し部１２Ｂ１（第３読み出し部）および１２Ｂ２（第４読み出し部）のうち読出し部１２Ｂ１と同じ側に配置され、露光制御部７Ｂの他方（第４露光制御部）のゲート電極は、読出し部１２Ｂ１および１２Ｂ２のうち読出し部１２Ｂ２と同じ側に配置されている。より具体的には、本実施の形態では、露光制御部７Ｂの２つのゲート電極は、上記平面視において、それぞれ、読出し部１２Ｂ１および１２Ｂ２と近接し、上記同一の辺と直交する２辺に配置され、かつ、中心線ＨＢに対して互いに対称に配置されている。この理由について、以下説明する。
読み出し部のゲート電極が互いに対称に設けられていない場合には、背景光等により漏れ込み信号が発生した場合に均等に配分されず、異なる比率で読み出されることになる。これは、距離演算において背景光減算後の値に誤差を生じるため、測距精度を低下させる。この現象を抑制するために、読み出し部のゲートは互いに対称に配置し、背景光等による漏れ込み信号量を均等としている。
図７は、実施の形態１に係る光電変換部およびその周辺におけるポテンシャルの分布を表す図である。図７は、図６のＡ−Ｂ断面におけるポテンシャルの分布を示している。本実施の形態では、露光制御部のゲートがＨｉｇｈ状態（図７ではＯＤＧ＝ｏｎ）であるときには、光入射によって生成される信号電荷は、全てオーバーフロードレイン８に排出されることが望ましい。しかしながら、ごく一部の電荷は光電変換領域内に形成されるポテンシャル分布の影響を受けて読出し部のゲート側へと移動する。このとき、読出し部のゲートがＨｉｇｈ状態（図７ではＴＧ＝ｏｎ、ＯＤＧ＝ｏｎ：対策なし）であれば、不要な電荷が電荷蓄積部へ漏れ込み、本来の信号電荷に重畳されてしまい、測距精度を損なうこととなる。
また、背景光によって漏れ込み信号が発生した場合、漏れ込み成分が背景光信号に重畳されるために高輝度の背景光環境下では耐光性が低下することとなる。なお、２つの読出し部１２Ａ１および１２Ａ２を介して異なる電荷蓄積部２Ａおよび４Ａに蓄積される漏れ込み信号に大きな差があっても測距精度を損なうこととなる。また、２つの読出し部１２Ｂ１および１２Ｂ２を介して異なる電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂに蓄積される漏れ込み信号に大きな差がある場合も同様である。
これらの現象を抑制するために、読出し部１２Ａ１および１２Ａ２のゲート電極は、光電変換部１Ａの水平方向の中心線ＨＡに対して対称に設けられており、また、露光制御部６Ａの２つのゲート電極は、それぞれ、読出し部１２Ａ１および１２Ａ２のゲート電極と近接して設けられている。
これにより、図７に示すように、露光制御部および読出し部がともにＨｉｇｈ状態となった場合（図７ではＴＧ＝ｏｎ、ＯＤＧ＝ｏｎ：対策あり）の光電変換部におけるポテンシャルの頂点を、読出し部側に偏在させることが可能となる。よって、読出し部側への電荷の漏れ込み成分を、同一画素内にある２つの読み出し部間で同等にしつつ、不要な電荷が電荷蓄積部へ漏れ込むことを抑制できる。
また、同様の効果を得るために、露光制御部のゲート下ポテンシャル（駆動パルス信号ＯＤＧ）を、読出し部のゲート下ポテンシャル（駆動パルス信号ＴＧ）よりも深く形成してもよい。
図８は、実施の形態１の変形例に係る光電変換部およびその周辺におけるポテンシャルの分布を表す図である。これにより、駆動パルス信号ＴＧおよびＯＤＧが、ともにＨｉｇｈレベルとなった場合の光電変換部におけるポテンシャルの頂点を、読出し部側に偏在させることができ、同様の効果を得ることができる。これを実現するための手段としては、露光制御部の不純物濃度を、読出し部の不純物濃度と異ならせる方法のほか、駆動パルス信号ＯＤＧにＤＣバイアスを重畳させる方法などが挙げられる。
また本実施の形態では、光電変換部の水平方向にポテンシャルの勾配を形成している。
図９は、実施の形態１に係る光電変換部およびその周辺における水平方向のポテンシャルの分布を表す図である。図９は、図６のＣ−Ｄ断面におけるポテンシャルの分布を示しており、実線が本実施の形態におけるポテンシャル分布を表し、点線が従来例におけるポテンシャル分布を表している。図９の（ａ）に示すように、本実施の形態では、駆動パルス信号ＴＧがＬｏｗレベルである場合、光電変換部のポテンシャルは、読出し部のゲート電極近傍に深い部分ができるよう勾配が形成されている。これにより、図９の（ｂ）に示すように、駆動パルス信号ＴＧがＨｉｇｈレベルとなった場合、光電変換部から電荷蓄積部に至る滑らかなポテンシャル傾斜が得られ、光電変換部の電荷を短時間に完全転送することが可能となる。これにより、高速かつ完全に電荷を転送する必要がある測距用固体撮像装置において測距精度の向上を実現できる。
次に、複数の画素の配置レイアウトについて説明する。
図１０Ａは、市松配置された画素レイアウトを示す図であり、図１０Ｂはストライプ配置された画素レイアウトを示す図である。図６で示した画素５０Ａ（第１画素）と画素５０Ｂ（第２画素）とは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、市松配置またはストライプ配置されてもよい。
また、図１１Ａは、市松配置された画素レイアウトにおける距離データの重心を示す図であり、図１１Ｂはストライプ配置された画素レイアウトにおける距離データの重心を示す図である。図１１Ａおよび図１１Ｂでは、撮像領域内の距離データ算出の一例として、画素５０Ａおよび５０Ｂで構成された画素ユニットから出力される距離演算用信号の演算範囲を点線で示し、また、それによって算出される距離データの重心を黒丸で示している。
図１０Ｂに示されたストライプ配置の場合、水平解像度のみ重視されるアプリケーションにおいて有用であるが、水平および垂直両方の解像度が必要な場合は、図１０Ａに示された市松配置が望ましい。また、図１１Ａに示すように、市松配置の場合には、距離演算後の距離データの重心位置が市松状になるため、市松配列の垂直および水平解像度は、画素ごとに距離データが存在する場合と同等となる。
また、画素ごとに距離データを持つ場合であって本実施の形態と同様の距離範囲を確保するためには、従来では、１画素内の電荷蓄積部および読出し部の数は、それぞれ、４つ必要となる。更には４つの読み出し部を高速に駆動する必要があるため配線幅も広くなり、これを、同じ画素サイズで実現した場合には、開口率が低下する課題があり、開口率を維持し高感度を得るためには、画素サイズが大きくなり小型化が困難となる。また、読出し部を高速に駆動する必要があるため配線幅も広くドライバ回路の規模も大きくなる。更に、距離演算用の信号数が倍に増えフレームレートが低下する点を踏まえると、画素５０Ａおよび画素５０Ｂに分けて、４つの距離演算用信号を取得する本実施の形態の構成は、極めて効率的な構成であると言える。
なお、市松配置（図１０Ａ）の場合におけるＦＤ１０の共有方法については、例えば、図１２に示すような共有配置としてもよい。
図１２は、市松配置の画素レイアウトにおけるＦＤの共有配置レイアウトを表す図である。同図に示すように、ＦＤ共有配置を距離演算範囲に合わせることにより、市松状の距離データに使用される距離演算用信号は、同一のＦＤアンプから出力される。このため、センス容量の画素間バラツキおよびアンプのゲインバラツキの影響を受けずに演算できる。よって、異なるＦＤアンプから出力された距離演算用信号によって距離を算出する場合に比べ、高い距離精度を得ることができる。
図１３は、実施の形態１に係る市松配置の場合を例とした露光制御部のゲート配線の構成図である。ここでは、図面の簡略化のために、画素５０Ａおよび５０Ｂの構成を省略している。露光制御部のゲート配線には、駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２が印加されるため、当該ゲート配線上で遅延が生じた場合、演算後の距離が撮像面内で変化し精度が悪化する。また、駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２の立ち下がりおよび立ち上がりが遅いと、信号電荷の読み出しが困難になる。そのため、露光制御部のゲート配線は、撮像領域の短辺と平行となるよう配線されることが望ましく、更にゲート配線の両側から駆動パルス信号が給電されることが望ましい。
また、本実施の形態において、露光時間を制御する露光制御部のゲートに印加される駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２に、ＤＣバイアスを重畳させてもよい。この効果について、以下説明する。
図１４Ａは、実施の形態１に係る駆動パルス信号ＯＤＧの撮像領域端部における遅延を表す図であり、図１４Ｂは、実施の形態１に係る駆動パルス信号ＯＤＧの撮像領域中央における遅延を表す図である。
駆動パルス信号ＯＤＧのリセットレベルは、モバイル用途等では電源電圧が２．８Ｖであることから、低電圧であることが必要であるが、電源電圧近傍になる場合がある。このリセットレベルをＶｔｈとすると、図１４Ａおよび図１４Ｂの左側（ＤＣバイアス無）で示すように、Ｖｔｈが高い場合、露光ＯＮ期間と露光ＯＦＦ期間のＤｕｔｙが異なり、かつ波形鈍りによって撮像領域端部と中央とでＤｕｔｙがずれる。この状態では、２つの駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２で決定される２つの露光ＯＦＦ期間において重なりが生じるため、同一の被写体距離であっても中央と端部とで演算後の算出値が異なる。また、補正するとしても、中央部の重なりを回避するために片方の露光パルスを遅延させた場合、端部では露光ＯＮ期間が離れてしまい、端部での距離演算が出来ない。
これに対して、図１４Ａおよび図１４Ｂの中央（ＤＣバイアス有）で示すように、駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２にＤＣバイアスを与え、Ｖｔｈがパルス幅の振幅中央に配置されるようにする。これにより、撮像領域端部および中央の双方において、Ｄｕｔｙを１：１とすることができ、面内の測距精度を向上することができる。
なお、図１４Ａおよび図１４Ｂの右側（Ｖｔｈ調整）で示すように、露光制御部の不純物濃度を読出し部の不純物濃度と異ならせることで露光制御部のポテンシャルを読出し部のポテンシャルよりも高く設定し、ＤＣバイアスと同じ効果を得ることもできる。その際、Ｖｔｈは駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２振幅の５０％とすることが望ましい。
以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法によれば、測距範囲の拡大、測距精度の高精度化および安定化を実現する測距信号を取得することが可能となる。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
図１５は、実施の形態２に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図１６は、実施の形態２に係る固体撮像装置において画素列ごとに異なる露光制御が実行されることを説明する撮像領域の概略平面図である。
実施の形態１に係る固体撮像装置１００では、露光制御部の駆動パルス信号ＯＤＧが、画素５０Ａ（第１の画素グループ）と画素５０Ｂ（第２の画素グループ）とで異なるのみであった。近赤外光を用いたＴＯＦ方式の測距撮像装置においては、対象物６００の反射率の影響を大きく受ける。反射率の低い対象物６００では反射光が微弱であるため、光源パワーを上げる、あるいは露光期間を長くすることが必要になるが、被写体に反射率の高い対象物６００が同時に存在する場合には、反射率の高い対象物６００の信号を蓄積する電荷蓄積部が飽和してしまい、距離演算用の信号を精度よく算出できない。
これに対して、実施の形態２では、幅広い対象物６００の反射率に対応するために、露光制御部のゲートに印加する駆動パルス信号ＯＤＧの回数を列毎に変化させ、それによって反射率の高い対象物６００においても電荷蓄積部が飽和しないように露光制御を行っている。具体的には、図１５に示すように、２ｊ列および２ｊ＋１列の駆動パルス信号ＯＤＧ１（２ｊ）とＯＤＧ１（２ｊ＋１）との露光回数を異ならせており、また、駆動パルス信号ＯＤＧ２（２ｊ）とＯＤＧ２（２ｊ＋１）との露光回数を異ならせている。図１６では、露光制御部が短辺方向（図では垂直方向）に配線されている場合を示しており、この場合は列毎に露光回数の大小を変えている。
図１７は、実施の形態２の変形例に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図１７のタイミングチャートでは、駆動パルス信号ＯＤＧ１およびＯＤＧ２の露光回数は、撮像領域内で同じであるが、読出し部の駆動パルス信号ＴＧ１〜ＴＧ４の読み出し回数を制御してもよい。なお、実施の形態２では、読出し部のゲート配線を横方向としているため、行毎に実際に電荷蓄積部に読み出される信号量を調整することが可能である。
なお、図１５および図１７に示すように、露光回数が少ない画素行または画素列は、露光期間全体にわたって均等に露光期間の間引きを行った方が、例えば露光開始前半に偏って露光を行う場合に比べて、同時性を維持できるため望ましい。
以上、実施の形態２に係る固体撮像装置によれば、反射率の大きく異なる対象物６００が混在する環境においても、距離画像を高精度に得ることが可能となる。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、実施の形態１および２との相違点を中心に説明する。
図１８は、実施の形態３に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。本実施の形態に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と比較して、撮像領域に遮光膜２０Ａおよび２０Ｂが形成されている点のみが異なる。本実施の形態に係る固体撮像装置は、遮光膜２０Ａが電荷蓄積部２Ａおよび４Ａ、ならびに転送制御部９Ａを覆うように設けられ、遮光膜２０Ｂが電荷蓄積部３Ｂおよび５Ｂ、ならびに転送制御部９Ｂを覆うように設けられている。
通常のＣＭＯＳプロセスのようにメタルの配線層のみでは、上部配線で遮光しても、斜入射光が電荷蓄積部に入り、光電変換されてしまい、耐光性が劣化する、あるいは背景光成分の増大をまねき、精度が落ちる。
これに対応すべく、本実施の形態に係る固体撮像装置では、電荷蓄積部および転送制御部のゲート電極を覆う形で遮光膜２０Ａおよび２０Ｂが配置されている。一方、露光制御部のゲート電極上には遮光膜を選択的に配置していない。これにより、高速駆動が要求される露光制御部の寄生容量が増加するのを抑制できる。
以上、実施の形態３に係る固体撮像装置によれば、電荷蓄積部および転送制御部の遮光性が改善するため、耐光性を向上でき、また背景光成分を抑制することで距離精度を向上できる。
（実施の形態４）
実施の形態４に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、実施の形態１〜３との相違点を中心に説明する。
図１９は、実施の形態４に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図であり、図２０は、実施の形態４に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。
本実施の形態に係る固体撮像装置には、カラーフィルタが設けられ、図１９に示すように、ＲＧＢ−ＩＲ配列を有し、カラー撮像とＩＲ画素を用いた測距との両方を可能としている。本実施の形態に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と異なり、ＩＲ受光用の画素５０ｉｒ（第３画素）の光電変換部１ＩＲの両側の読出し部１２ＩＲ１〜１２ＩＲ４を使用し、４つの距離演算用信号を取得する。図２０に示すように、１照射光（ＰＴ）期間に、駆動パルス信号ＴＧ１〜ＴＧ４を順次Ｈｉｇｈレベルとすることにより、４つの距離演算用信号を取得することが可能であるという利点を有する。また、発光パルス数を削減できるため、消費電力を低減できるという利点をも有する。しかしながら、読出し部１２ＩＲ１〜１２ＩＲ４で露光を制御するため、高速な駆動パルス信号ＴＧ１〜ＴＧ４が４回必要となる。このため、配線幅を広くしなければならないと共に、固体撮像装置内に構成されるドライバの規模も大きくなる。
なお、図２０においてＯＤＧがＨｉｇｈからＬｏｗになるタイミングで撮像面内にてＯＤＧの遅延が大きくなる箇所がある場合、駆動パルス信号ＴＧ１により読み出される信号の露光期間が短くなる懸念があるため、ＯＤＧがＨｉｇｈからＬｏｗになるタイミングをＰＴの発光開始タイミングより前にしても良い。これにより、ＴＧ１からＴＧ４で読み出される信号の露光期間を一致させることが出来るが、遅延が殆どない撮像面内端部ではＴＧ１で読み出される信号のみ背景光成分が大きくなる弊害もあり、本実施例では遅延を抑制した設計が必須となる。
図２１は、実施の形態４の変形例１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。本変形例に係る固体撮像装置の駆動方法は、１照射光（ＰＴ）期間に、駆動パルス信号ＴＧ１およびＴＧ３、または、駆動パルス信号ＴＧ２およびＴＧ４をＨｉｇｈレベルとすることにより、２つの距離演算用信号を取得する駆動方法である。読出し部１２ＩＲ１〜１２ＩＲ４は露光を制御せず、露光制御部７ＩＲの駆動パルス信号ＯＤＧで制御された信号を読み出すのみである。なお、駆動パルス信号ＯＤＧは１つでよいが、露光シーケンスは２つに分かれている。つまり、第１の露光シーケンスでは、駆動パルス信号ＴＧ１およびＴＧ３により距離演算用信号を読み出し、第２の露光シーケンスでは、駆動パルス信号ＯＤＧの露光タイミングを照射光（ＰＴ）のパルス幅分遅延させ、電荷蓄積状態に応じて駆動パルス信号ＴＧ２およびＴＧ４により距離演算用信号を読み出す。照射パルスと同一のパルス幅の駆動パルス信号はＯＤＧのみであり、図１９、２０に示す実施の形態に比べ、ＴＧ１〜ＴＧ４のパルス幅が倍であり、かつＴＧパルスが露光を制御しているわけではないため、許容される遅延量が大きい。従ってＴＧ１〜ＴＧ４の配線幅を細くでき、またドライバの規模も小さくできる利点がある。全画素読み出し時には、読出し部１２ＩＲ１、１２ＩＲ３、１２Ｒ１、１２Ｒ２、１２Ｇ１、１２Ｇ２、１２Ｂ１、および１２Ｂ２を用いて信号を読み出す。本構造では全画素読出しにおいて露光期間が異なる２つの信号を取得するために２つの読出し部を用いた構造としているが、１つの信号しか取得しない場合には、ＲＧＢ画素は読出し部１２Ｒ１、１２Ｇ１、１２Ｂ１のみの構成でもよい。
図２２Ａは、実施の形態４の変形例２に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成を示す概略平面図であり、図２２Ｂは、実施の形態４の変形例２に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。図２２Ａに示すような実施の形態１に係る測距撮像装置の画素のレイアウト構成と同様の構成にて、図２２Ｂに示すように、第１の露光シーケンスにＡ０およびＡ２を取得し、１フレーム読み出した後に、第２の露光シーケンスにてＡ１およびＡ３を取得してもよい。この場合、読出し部が少なくて済む利点があるが、第１および第２の露光シーケンスの間に１フレーム読み出し期間を挟むため、高速で移動する対象物６００では誤差が生じる場合がある。
図２３は、実施の形態４に係る光電変換部およびその周辺における水平方向のポテンシャルの分布を表す図である。ただし、実施の形態４の変形例２は除く。図２３は、図１９のＥ−Ｆ断面におけるポテンシャルの分布を示しており、実線が本実施の形態におけるポテンシャル分布を表し、点線が従来例におけるポテンシャル分布を表している。実施の形態１の図９において説明したものとは異なり、読出し部のゲート電極が光電変換部の両側に配置されるため、双方向への電荷転送が可能となるよう、両側のゲート電極近辺のポテンシャルは平坦となっている。これにより、図２３の（ｂ）に示すように駆動パルス信号ＴＧ１がＨｉｇｈレベルとなった場合、および、図２３の（ｃ）に示すように駆動パルス信号ＴＧ２がＨｉｇｈレベルとなった場合、光電変換部から電荷蓄積部に至る滑らかなポテンシャル傾斜が得られ、光電変換部の電荷を短時間に完全転送することが可能となる。これにより、高速かつ完全に電荷を転送する必要がある測距用固体撮像装置において測距精度の向上を実現できる。
なお、本実施の形態では、ＦＤ１０Ａおよび１０Ｂを、それぞれ、２つの画素５０ｒ（第５画素）および５０ｉｒ（第３画素）、ならびに、２つの画素５０ｇ（第６画素）および５０ｂ（第４画素）で共有しているが、これら４つの画素で１つのＦＤを共有してもよい。この場合、異なる駆動パルス信号が印加される電荷蓄積部の数が２つ増えるが、センス容量のバラツキがないため、測距精度を向上できる。
図２４は、実施の形態４に係る固体撮像装置の画素レイアウトの変形例を示す図である。同図に示すような４×４のＲＧＢ−ＩＲ配列に対して、本実施の形態に係る画素回路の配置構成を適用することも可能である。このような４×４のＲＧＢ−ＩＲ配列とした場合には、ＩＲ画素が市松状に配置されるため、図１９に示すような２×２の配列と比較して水平、垂直方向ともに解像度が２倍になるという利点を有する。
以上、実施の形態４に係る固体撮像装置によれば、ＲＧＢ−ＩＲ配列においても、４つの電荷蓄積部を用いたＴＯＦ動作が可能であるため、測距範囲と測距精度とを両立し、かつＲＧＢ−ＩＲ画像も取得することが可能となる。
（実施の形態５）
実施の形態５に係る固体撮像装置およびその駆動方法について、実施の形態１〜４との相違点を中心に説明する。
図２５は、実施の形態５に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。実施の形態１の図３に示す駆動方法とは異なり、本実施の形態では、図２５に示すように、１回目の露光シーケンス後、一度信号電荷を１フレーム読み出し、その後２回目の露光シーケンスを行った後、１フレーム読み出し、最後に２フレーム分の信号を同一信号どうしで加算する。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置の画素のレイアウト構成は、実施の形態１で示された図６の構成を想定している。
さらに、２回目の露光シーケンスにおいては、１回目の露光シーケンスで読出し部１２ＩＲ１のゲート電極に駆動パルス信号ＴＧ１が印加されていたタイミングで、読出し部１２ＩＲ３のゲート電極に駆動パルス信号ＴＧ３を印加し、１回目の露光シーケンスで駆動パルス信号ＴＧ３が印加されていたタイミングで、駆動パルス信号ＴＧ１を印加する。また、２回目の露光シーケンスにおいては、１回目の露光シーケンスで読出し部１２ＩＲ２のゲート電極に駆動パルス信号ＴＧ２が印加されていたタイミングで、読出し部１２ＩＲ４のゲート電極に駆動パルス信号ＴＧ４を印加し、１回目の露光シーケンスで駆動パルス信号ＴＧ４が印加されていたタイミングで、駆動パルス信号ＴＧ２を印加する。
本実施形態では、電荷蓄積部として、埋め込みチャネル容量結合素子を用いている。しかしながら、温度が高くなると露光期間中に暗電流が発生し、それらが各電荷蓄積部で異なる場合がある。特に暗電流が大きい電荷蓄積部があると、演算結果に影響が出るため、暗電流成分は演算で互いに減算し合うものどうしでは、同じにする必要がある。本駆動方法では、２回目の露光シーケンスで読み出し用の駆動パルス信号ＴＧの印加タイミングを入れ換えることにより、この課題を解決できる。
まず、図２５に示すように、第１の電荷蓄積部の暗電流をＳＤ（Ａ）、第３の電荷蓄積部の暗電流をＳＤ（Ｂ）、第２の電荷蓄積部の暗電流をＳＤ（Ｃ）、および第４の電荷蓄積部の暗電流をＳＤ（Ｄ）とする。このとき、１回目の露光が完了した後に各電荷蓄積部に蓄積され読み出される信号は、それぞれ、Ａ０＋ＳＤ（Ａ）、Ａ２＋ＳＤ（Ｂ）、Ａ１＋ＳＤ（Ｃ）、およびＡ３＋ＳＤ（Ｄ）となる。次に、２回目の露光が完了した後に各電荷蓄積部に蓄積され読み出される信号は、それぞれ、Ａ２＋ＳＤ（Ａ）、Ａ０＋ＳＤ（Ｂ）、Ａ３＋ＳＤ（Ｃ）、Ａ１＋ＳＤ（Ｄ）となる。これらを同じ距離算出用信号どうしで加算すると、以下のようになる。
（１）第１および第３の電荷蓄積部：２Ａ０＋ＳＤ（Ａ）＋ＳＤ（Ｂ）
（２）第３および第１の電荷蓄積部：２Ａ２＋ＳＤ（Ｂ）＋ＳＤ（Ａ）
（３）第２および第４の電荷蓄積部：２Ａ１＋ＳＤ（Ｃ）＋ＳＤ（Ｄ）
（４）第４および第２の電荷蓄積部：２Ａ３＋ＳＤ（Ｄ）＋ＳＤ（Ｃ）
Ａ０およびＡ２は、どちらかが距離情報を持った信号であるが、一方は背景光情報の信号（ＢＧ）であり、同様のことはＡ１とＡ３についても言える。この４信号を用いた距離の演算方法は、実施の形態１に示したとおりである。本実施の形態では、駆動パルス信号ＴＧの印加タイミングを異なるフレームで変更し、加算することで、互いに距離情報をもった信号と、それに対応するＢＧ信号との暗電流が一致するため、画素内の電荷蓄積部の暗電流が異なっても、それをキャンセルすることが可能である。また先行特許文献では２つのフレームを使う場合に、背景光の変化が課題になる場合があるが、本実施例では同一画素における異なる時間の背景光情報の信号、あるいは背景光情報と距離情報を含む信号を２フレームで加算しているため、背景光がフレーム間で異なったとしても加算された背景光情報の結果は、前者と後者で同じになり、減算にてキャンセルできる。
なお、同じ効果を得る方法として、駆動パルス信号ＴＧ１〜ＴＧ４をローレベルに固定した状態で露光期間を変えないまま発光を停止し、ＴＧ１〜ＴＧ４および発光パルス以外の駆動パルスは図３および図４に示すシーケンスと同一とすることで電荷蓄積部の暗電流成分のみを読み出して距離信号との減算を行い、暗電流成分のキャンセルをすることも可能である。この方法は、光源が発光しないため消費電力を低減することができ、かつ、高速で移動する対象物においても測距精度を維持できるという利点を有する。また、２つのフレームを用いるが、先行特許文献で課題になっている背景光成分を減算することはないため、フレーム間で背景が変化しても問題はない。
なお、実施の形態４で示したＲＧＢ−ＩＲ配列でのＴＯＦ動作においても、図１９に示されたように、読出し部１２ＩＲ１と１２ＩＲ３とが光電変換部１ＩＲの同一辺に並んで配置され、読出し部１２ＩＲ２と１２ＩＲ４とが並んで配置された構成であれば、本実施の形態と同様に２フレームの加算により暗電流出力のキャンセルが可能である。
以上、実施の形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法によれば、高温時に電荷蓄積部で発生する暗電流出力に差が生じたとしても、その影響を抑制することができ、高温でも測距精度を向上することができる。
（その他の実施の形態）
以上、本開示の固体撮像装置およびその駆動方法について、上記実施の形態に基づいて説明してきたが、本開示の固体撮像装置およびその駆動方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の固体撮像装置を内蔵した測距撮像装置などの各種機器も本発明に含まれる。
なお、本開示の固体撮像装置では、異なる画素を使用して測距信号を取得する。そのため、（１）オンチップレンズや開口寸法などの製造ばらつきに起因する感度電子数の画素間差、（２）センス容量差などに起因するアンプゲイン差、が測距誤差となる。これに対して、図１１Ａおよび図１２の市松配置に示されるように、ＦＤ共有位置を距離演算範囲内に設ければ、上記（２）は解消できるが、上記（１）は残る。動画であればショットノイズによる測距ばらつきで目立たないが、複数のフレームを用いて平均化することによりショットノイズを抑制する手法を用いた場合は課題となる可能性がある。
この解決手段として、事前に複数フレームを取得し、ショットノイズの影響をなくして感度を平均化し、距離演算範囲内における画素の感度比αを算出し、演算装置側に持たせておく（キャリブレーションを実施）。理想的に、Ａ２＞Ａ０、Ａ３＞Ａ１であれば、距離ＬはＬ∝（Ａ３−Ａ１）／（Ａ２＋Ａ３−Ａ０−Ａ１）であるが、Ａ１およびＡ３画素とＡ０およびＡ２画素との感度比が１：αの場合、Ｌ∝（Ａ３−Ａ１）／（αＡ２＋Ａ３−αＡ０−Ａ１）となり、誤差が発生する。そのため、例えば、αを演算処理側に持たせておき、Ｌの算出前に、１／αをＡ０およびＡ２信号に乗じて補正すればよい。
なお、当然のことながら、上記（１）および（２）ともに、プロセスおよび設計技術に依存するため問題にならない場合もある。
本発明に係る固体撮像装置は、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する３次元測定が実現できるため、例えば、人物、建物などの３次元測定に有用である。
１Ａ、１Ｂ 光電変換部
２Ａ、２Ｇ、２Ｒ、３Ｂ、３ＩＲ、４Ａ、４Ｒ、５Ｂ、５ＩＲ 電荷蓄積部
６Ａ、６Ｇ、６Ｒ、７Ｂ、７ＩＲ 露光制御部
８ オーバーフロードレイン
９Ａ、９Ｂ、９Ｇ、９ＩＲ、９Ｒ 転送制御部
１０、１０Ａ、１０Ｂ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｇ、１１ＩＲ、１１Ｒ 出力部
１２Ａ１、１２Ａ２、１２Ｂ１、１２Ｂ２、１２Ｇ１、１２Ｇ２、１２ＩＲ１、１２ＩＲ２、１２ＩＲ３、１２ＩＲ４、１２Ｒ１、１２Ｒ２ 読出し部
１３ 増幅トランジスタ
１４ リセットトランジスタ
１５ 選択トランジスタ
２０Ａ、２０Ｂ 遮光膜
５０Ａ、５０Ｂ、５０ｂ、５０ｇ、５０ｉｒ、５０ｒ 画素
１００ 固体撮像装置
１０１ 撮像部
１０２ ＡＤ変換部
１０３ タイミング生成部
１０４ シャッタドライバ
２００ 光源ドライバ
３００ ＴＯＦプロセッサ
４００ 光学レンズ
５００ 光源部
６００ 対象物
１０００ 測距撮像装置

Claims (20)

  1. 半導体基板に行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置であって、
    前記複数の画素のそれぞれは、
    対象物からの光を受光して当該光を電荷に変換する光電変換部と、
    前記光電変換部から前記電荷の読み出しを行う２つの読み出し部と、
    前記２つの読み出し部により読み出された前記光電変換部の電荷をそれぞれ蓄積する２つの電荷蓄積部と、
    前記光電変換部から前記電荷が排出されるオーバーフロードレインと、を備え、
    前記２つの読み出し部の一つに与えられる駆動パルスがＨｉｇｈ状態で、前記光電変換部から前記オーバーフロードレインへの前記電荷の排出を制御する露光制御部に与える駆動パルスがＬｏｗ状態になることで、前記光電変換部から前記２つの電荷蓄積部の一つへ前記電荷の読み出しが行われ、
    前記固体撮像装置は、更に、
    前記２つの電荷蓄積部のそれぞれから転送された前記電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
    前記２つの電荷蓄積部の間に配置される転送制御部と、を備え、
    前記複数の画素は、前記フローティングディフュージョンを共有する第１画素および第２画素を少なくとも備え、
    前記第１画素が備える前記２つの読み出し部の一方により読み出される前記電荷による露光量をＡ０とし、
    前記第１画素が備える前記２つの読み出し部の他方により、前記Ａ０が読み出されるタイミングから遅れて読み出される前記電荷による露光量をＡ２とし、
    前記第２画素が備える前記２つの読み出し部の一方により、前記Ａ０が読み出されるタイミングから遅れて、かつ、前記Ａ２が読み出されるタイミングよりも早く読み出される前記電荷による露光量をＡ１とし、
    前記第２画素が備える前記２つの読み出し部の他方により、前記Ａ１が読み出されるタイミングから遅れて読み出される前記電荷による露光量をＡ３とし、
    前記Ａ０、前記Ａ１、前記Ａ２、および前記Ａ３のいずれかであって、背景光成分のみの前記電荷による露光量をＢＧとし、
    Ａ０＞Ａ２、Ａ１＞Ａ３となる測距レンジでは、
    Figure 0006738334
     により、前記対象物までの距離を算出し、
    Ａ２＞Ａ０、Ａ１＞Ａ３となる測距レンジでは、
    Figure 0006738334
     により、前記対象物までの距離を算出し、
    Ａ２＞Ａ０、Ａ３＞Ａ１となる測距レンジでは、
    Figure 0006738334
     により、前記対象物までの距離を算出し、
    前記２つの電荷蓄積部の一方は、前記２つの読み出し部の一方から読み出された前記電荷を蓄積し、前記２つの電荷蓄積部の他方は、前記２つの電荷蓄積部の一方よりも前記フローティングディフュージョンの遠い側に配置され、前記２つの読み出し部の他方から読み出された前記電荷を蓄積し、
    前記転送制御部は、
    前記２つの電荷蓄積部の他方に蓄積された前記電荷が前記フローティングディフージョンへ転送されるときは、転送路となり、
    前記２つの電荷蓄積部の他方に蓄積された前記電荷が前記２つの電荷蓄積部の一方へ転送されるとき、または、前記２つの電荷蓄積部の一方に蓄積された前記電荷が前記フローティングディフージョンへ転送されるときは、ポテンシャルバリアとなり、前記電荷の転送を阻止する
    固体撮像装置。
  2. 前記２つの電荷蓄積部のそれぞれに読み出された前記電荷は、垂直方向に転送され、
    前記光電変換部の前記電荷は、前記垂直方向と異なる方向に読み出される
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記転送制御部が有するゲート電極は、同一の基準電位に設定される
    請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記２つの読み出し部のゲート電極のそれぞれは、前記半導体基板を平面視した場合に、前記光電変換部の受光領域の外周を構成する同一の辺上に配置される
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記光電変換部への前記電荷の蓄積および前記光電変換部からの前記電荷の排出を切り替え複数の露光制御部を備える
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記複数の露光制御部のゲート電極のそれぞれは、前記半導体基板を平面視した場合に、前記光電変換部の受光領域の外周を構成する異なる辺に配置される
    請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記複数の画素のそれぞれは、さらに、
    前記２つの電荷蓄積部が有するゲート電極のそれぞれの少なくとも一部を遮光し、前記露光制御部が有するゲート電極を遮光しない遮光膜を備える
    請求項５または６に記載の固体撮像装置。
  8. 前記複数の露光制御部および前記２つの読み出し部のそれぞれが有するゲート電極に印加される駆動パルス信号を駆動制御する駆動制御部を備える
    請求項５〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記露光制御部のゲート電極に前記駆動パルス信号を伝達するための露光制御ゲート配線を、画素行ごと、または、画素列ごとに複数備え、
    前記複数の露光制御ゲート配線は、前記複数の画素が配置された領域である前記半導体基板上の撮像領域の短辺と平行となるよう配置されている
    請求項８に記載の固体撮像装置。
  10. 前記２つの読み出し部の一つの前記ゲート電極に前記駆動パルス信号を伝達するための読み出しゲート配線を備え、
    前記読み出しゲート配線がハイレベルとなる回数は複数の前記読み出しゲート配線間で異なる
    請求項８または９に記載の固体撮像装置。
  11. 前記駆動制御部から、前記露光制御部の前記ゲート電極に駆動パルス信号を伝達するための露光制御ゲート配線を備え、
    露光制御ゲート配線がローレベルとなる回数は複数の前記露光制御ゲート配線間で異なる
    請求項８〜１０のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  12. 駆動パルス信号は、ＤＣバイアス電圧が重畳される
    請求項８〜１１のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  13. 前記複数の画素は、赤外光を受光する第３画素および第４画素を少なくとも備え、
    前記第３画素及び第４画素は、前記複数の電荷蓄積部の電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンを共有する
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  14. 前記第３画素が有する前記２つの電荷蓄積部のうち前記フローティングディフュージョンから遠い側に配置された電荷蓄積部の駆動パルス信号と、前記第４画素が有する前記２つの電荷蓄積部のうち前記フローティングディフュージョンから遠い側に配置された電荷蓄積部の駆動パルス信号とは、同じタイミングで駆動制御される
    請求項１３に記載の固体撮像装置。
  15. 前記第３画素と前記第４画素とは、前記半導体基板を平面視した場合において市松状に配置されており、
    前記フローティングディフュージョンは、前記平面視において市松配置されている
    請求項１３または１４に記載の固体撮像装置。
  16. 前記第３画素と前記第４画素とは、前記半導体基板を平面視した場合においてストライプ状に配置されており、
    前記フローティングディフュージョンは、前記平面視においてストライプ状に配置されている
    請求項１３または１４に記載の固体撮像装置。
  17. 前記複数の画素は、可視光を受光する第６画素と、赤外光を受光する第５画素と、を備え、
    前記第６画素は、Ｍ個（Ｍは、２以上の自然数）の読み出し部を備え、
    前記第５画素は、Ｎ個（Ｎは、Ｍよりも大きい自然数）の読み出し部を備える
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  18. 前記第６画素に備わる前記電荷蓄積部は、
    前記第５画素から読み出された電荷と、前記第６画素から読み出された電荷とを蓄積する
    請求項１７に記載の固体撮像装置。
  19. 複数の露光制御部および複数の読み出し部のそれぞれが有するゲート電極に印加される駆動パルス信号を駆動制御する駆動制御部を備え、
    前記駆動制御部は、
    前記第６画素を用いて可視画像を取得する画像駆動モードと、前記対象物へ照射されたパルス光により前記対象物からの前記光を前記第５画素の光電変換部を用いて電荷に変換し、前記第５画素および前記第６画素の前記電荷蓄積部を用いて距離演算のための信号を取得する測距駆動モードとを実行する
    請求項１７または１８に記載の固体撮像装置。
  20. 前記第５画素および前記第６画素は、縦４画素×横４画素の画素グループを構成し、前記半導体基板を平面視した場合に、前記第５画素は、前記画素グループの中で市松配置されている
    請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
JP2017532369A 2015-08-04 2016-07-28 固体撮像装置 Active JP6738334B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015154552 2015-08-04
JP2015154552 2015-08-04
PCT/JP2016/003493 WO2017022218A1 (ja) 2015-08-04 2016-07-28 固体撮像装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017022218A1 JPWO2017022218A1 (ja) 2018-05-24
JP6738334B2 true JP6738334B2 (ja) 2020-08-12

Family

ID=57942686

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017532369A Active JP6738334B2 (ja) 2015-08-04 2016-07-28 固体撮像装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10666875B2 (ja)
EP (1) EP3334152B1 (ja)
JP (1) JP6738334B2 (ja)
CN (1) CN107925733B (ja)
WO (1) WO2017022218A1 (ja)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108389870A (zh) 2017-02-03 2018-08-10 松下知识产权经营株式会社 摄像装置
CN110520996B (zh) * 2017-04-06 2023-08-08 新唐科技日本株式会社 摄像装置、以及在其中使用的固体摄像装置
CN111727602B (zh) * 2017-12-26 2023-06-27 罗伯特·博世有限公司 单芯片rgb-d相机
KR102488321B1 (ko) * 2017-12-29 2023-01-13 삼성전자주식회사 3차원 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 3차원 이미지 센서의 구동 방법
US11092678B2 (en) * 2018-06-21 2021-08-17 Analog Devices, Inc. Measuring and removing the corruption of time-of-flight depth images due to internal scattering
KR102615195B1 (ko) * 2018-07-19 2023-12-18 삼성전자주식회사 ToF 기반의 3D 이미지 센서 및 그 이미지 센서를 구비한 전자 장치
EP3839555A4 (en) * 2018-10-16 2022-07-06 Brookman Technology, Inc. DISTANCE MEASURING DEVICE, CAMERA AND METHOD OF ADJUSTING THE DRIVE OF A DISTANCE MEASURING DEVICE
JP7199016B2 (ja) * 2019-03-27 2023-01-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像装置
CN110456380B (zh) * 2019-07-31 2021-12-28 炬佑智能科技(苏州)有限公司 飞行时间传感相机及其深度检测方法
CN110346780A (zh) * 2019-07-31 2019-10-18 炬佑智能科技(苏州)有限公司 飞行时间传感相机及其局部检测精度调整方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4235729B2 (ja) 2003-02-03 2009-03-11 国立大学法人静岡大学 距離画像センサ
JP4524609B2 (ja) * 2004-10-29 2010-08-18 ソニー株式会社 固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法および撮像装置
JP5110535B2 (ja) * 2006-03-31 2012-12-26 国立大学法人静岡大学 半導体測距素子及び固体撮像装置
TWI433307B (zh) * 2008-10-22 2014-04-01 Sony Corp 固態影像感測器、其驅動方法、成像裝置及電子器件
JP2010161183A (ja) * 2009-01-07 2010-07-22 Panasonic Corp 固体撮像装置
JP5404112B2 (ja) 2009-03-12 2014-01-29 キヤノン株式会社 固体撮像素子、その駆動方法及び撮像システム
US8179463B1 (en) * 2009-05-19 2012-05-15 On Semiconductor Trading Ltd. Image sensor with shared node
JP5635938B2 (ja) * 2011-03-31 2014-12-03 本田技研工業株式会社 固体撮像装置
WO2014002415A1 (ja) * 2012-06-28 2014-01-03 パナソニック株式会社 撮像装置
JP6442710B2 (ja) * 2013-07-23 2018-12-26 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像装置、撮像装置及びその駆動方法
CN105452807A (zh) * 2013-08-23 2016-03-30 松下知识产权经营株式会社 测距***、以及信号产生装置

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2017022218A1 (ja) 2018-05-24
US10666875B2 (en) 2020-05-26
EP3334152B1 (en) 2023-10-11
EP3334152A4 (en) 2018-08-22
CN107925733A (zh) 2018-04-17
US20180167562A1 (en) 2018-06-14
WO2017022218A1 (ja) 2017-02-09
CN107925733B (zh) 2020-09-18
EP3334152A1 (en) 2018-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6738334B2 (ja) 固体撮像装置
WO2017022220A1 (ja) 固体撮像装置
US10838066B2 (en) Solid-state imaging device, distance measurement device, and distance measurement method
KR101508410B1 (ko) 거리 화상 센서, 및 촬상 신호를 비행시간법에 의해 생성하는 방법
JP6799538B2 (ja) 固体撮像装置の駆動方法
TWI618233B (zh) 用於附接之三維資訊之堆疊嵌入式矽光子雪崩二極體影像感測器
US20180013972A1 (en) Solid-state imaging device, driving method thereof, and imaging system
JP2021507584A (ja) コンピュータビジョンアプリケーションのためのグロバールシャッタピクセル回路および方法
JP5521854B2 (ja) 撮像装置及び画像入力装置
JP5499789B2 (ja) 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器
US10491842B2 (en) Imaging device, a solid-state imaging device for use in the imaging device
JP2011128024A (ja) ３次元撮像装置
JP6485674B1 (ja) 固体撮像装置、及びそれを備える撮像装置
JP2011257402A (ja) 飛行時間撮像装置
US10048380B2 (en) Distance-measuring imaging device and solid state imaging element
JP2017107132A (ja) 電子機器
JP6651720B2 (ja) 撮像素子および撮像装置
JPWO2020027221A1 (ja) 撮像装置、それに用いられる固体撮像素子及び撮像方法
JP2004104676A (ja) 固体撮像装置及び距離情報入力装置
JP6320132B2 (ja) 撮像システム
JP2012244357A (ja) 撮像方法および撮像装置
JP2015192341A (ja) 撮像システム

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180202

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190513

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200114

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20200217

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200306

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20200520

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200623

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200717

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6738334

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250