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JP2004045304A - Range finder and range-finding method using imaging element - Google Patents

Range finder and range-finding method using imaging element Download PDF

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JP2004045304A JP2002205165A JP2002205165A JP2004045304A JP 2004045304 A JP2004045304 A JP 2004045304A JP 2002205165 A JP2002205165 A JP 2002205165A JP 2002205165 A JP2002205165 A JP 2002205165A JP 2004045304 A JP2004045304 A JP 2004045304A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To contrive a control method for a general CCD imaging element to realize an operation substantially equivalent to synchronous integration, and to realize inexpensive light wave range-finding, which requires an imaging element of specified structure in the prior art, using the general CCD imaging element. <P>SOLUTION: This range finder is constituted to have an imaging element 4 arrayed one-dimensionally or two-dimensionally with a plurality of photo-sensitive parts on a semiconductor substrate, and having structure capable of controlling sensitivity in each of the photo-sensitive parts by impressing a voltage to the semiconductor substrate, and to have a sensitivity control part 5 synchronized with a modulation signal for intensity-modulated light to impress the voltage for modulating the sensitivity of the each photo-sensitive part to the semiconductor substrate of the imaging element 4. The sensitivity of the each photo-sensitive part is able to get variable synchronized with the intensity-modulated irradiation light, and the light wave range-finding is realized thereby. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像素子を用いた測距装置および測距方法に関するものであり、照射光に対する反射光の位相の遅れを撮像素子の各画素ごとに検出して被検出物の立体構造を検出可能とする技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図3は従来のTOF(Time Of Flight)方式の光波測距の原理説明図である。図中、1は光源、2は被検出物、3は結像光学系、4は撮像素子である。光源1は例えばLEDアレイで構成されており、その出力光は高周波で強度変調されている。光源1に複数のLEDを用いているのは、出力光の強度を増大させるためであり、各LEDは同期して発光している。光源1から被検出物2に照射される光が例えば20MHzの高周波で強度変調されている場合、その波長は15mとなるから、光が7.5mの距離を往復すれば1周期の位相の遅れが生じることになる。
【0003】
照射光に対する反射光の位相の遅れについて図4により説明する。図中、Wは照射光、Rは反射光であり、反射光にはΨの位相遅れが生じている。照射光Wの1周期について4回、反射光Rをサンプリングして、照射光の位相が0°、90°、180°、270°であるときの反射光の検出値をそれぞれA0,A1,A2,A3とすると、位相の遅れΨは次式で与えられる。
Ψ=arctan{(A3−A1)/(A0−A2)}
【0004】
被検出物2で反射された光は結像光学系3を介して撮像素子4の受光面に結像される。撮像素子4の受光面には複数の画素(X,Y)が2次元的に配列されており、各画素について上式による位相遅れΨ(X,Y)を求めることにより、被検出物2の立体的な構造を検出できる。
【0005】
このTOF方式の光波測距に用いる撮像素子は、照射光の1周期について複数回のサンプリングができるものでなければならず、従来、特表平10−508736号には図5あるいは図6のような構造が提案されている。図5の撮像素子は、1画素について1つの感光部PDと4つのメモリーセルM0,M1,M2,M3を備え、各メモリーセルM0,M1,M2,M3と感光部PDの間には時分割的にオンされる電気スイッチS0,S1,S2,S3が設けられている。各電気スイッチS0,S1,S2,S3はそれぞれ図4のT0,T1,T2,T3の期間でオンされる。この動作を複数周期にわたり繰り返すことにより、暗電流ノイズやショットノイズ(電子−正孔対の発生ばらつきによるノイズ)、アンプ回路の定常ノイズ等に対するS/N比を向上させることができ、反射光の検出値A0,A1,A2,A3がメモリーセルM0,M1,M2,M3に蓄積される。このような動作を、「同期積分」と呼ぶことにする。図6の撮像素子はデータ読み出し用のシフトレジスタSRを備え、時分割的にオンされる4つの電気スイッチS0,S1,S2,S3を介して1つの感光部PDからシフトレジスタSRの各メモリーセルM0,M1,M2,M3に受光信号が蓄積され、シフトレジスタSRの転送機能により受光信号が読み出される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の図5または図6に示すような特殊な構造を有する撮像素子をわざわざ製作するのでは製造コストが高くなり、測距装置全体のコストが上昇する。そこで、一般的なCCD撮像素子の制御方法を工夫することで、同期積分を実現できないか、種々検討したところ、CCD撮像素子のオーバーフロードレイン電極あるいは垂直転送電極に印加する電圧を巧妙に制御することで実質的に同期積分しているのと同じような動作が実現できることを見出した。
【0007】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、一般的なCCD撮像素子の制御方法を工夫することで、実質的に同期積分をしているのと同じような動作を実現可能とし、従来、特殊な構造の撮像素子を必要としていた光波測距を一般的なCCD撮像素子を用いて安価に実現することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の測距装置は、上記の課題を解決するために、図1に示すように、複数の感光部を半導体基板上に1次元または2次元的に配列され、前記半導体基板への電圧印加により前記各感光部の感度を制御可能な構造を有する撮像素子4と、強度変調された光の変調信号に同期して前記撮像素子4の半導体基板に前記各感光部の感度を変調せしめる電圧を印加する感度制御部5とを有することを特徴とするものである。より具体的には、強度変調された光により照射された被検出物2からの反射光を撮像素子4のセンサ要素が配列された面に結像せしめる結像光学系3と、前記強度変調された光の変調信号に同期して、撮像素子4の感光部の感度を低下させるための制御電圧を撮像素子4の半導体基板に印加する感度制御部5と、前記強度変調の複数の周期にわたって前記撮像素子4の蓄積部に蓄積された電荷を転送部により読み出して測定値として記憶する記憶部6と、前記強度変調の一周期のうち感光部の感度を低下させるための制御電圧が印加される低感度期間の位相を前記記憶部6に測定値が記憶されるたびに切り替える検出位相設定部7と、記憶部6に記憶された低感度期間の位相が異なる複数の測定値に基づいて、撮像素子4の各センサ要素ごとに被検出物2までの距離情報を演算する測距演算部8とを有することを特徴とするものである。
【0009】
ここで、本発明の測距装置に用いる撮像素子4は、図1(b)に示すように、受光量に応じて信号電荷を発生せしめる感光部PDと、感光部PDで発生した信号電荷を蓄積する蓄積部Mと、感光部PDから蓄積部Mへの信号電荷の移送を開閉する電気スイッチSとを備えるセンサ要素を半導体基板上に1次元または2次元的に配列すると共に、各センサ要素の蓄積部Mから蓄積電荷を読み出す転送部Tを前記半導体基板に形成し、前記半導体基板の特定の電極(例えば転送電極)への電圧印加により前記電気スイッチSを高周波で開閉できる構造を有する撮像素子とするか、あるいは、図1(c)に示すように、前記電気スイッチSを高周波では開閉できないが、これをオンにしたままで、前記半導体基板の他の特定の電極(例えばオーバーフロードレーン電極)への電圧印加により感度を高周波で増減させることができる感度可変感光部PD’を有するような撮像素子とする。具体的には、縦型または横型オーバーフロードレイン電極を有するインターライン・トランスファ型CCD撮像素子、あるいは、縦型または横型オーバーフロードレイン電極を有するフレーム・トランスファ型CCD撮像素子、もしくは、これらの複合型であるフレーム・インターライン・トランスファ型CCD撮像素子が利用できる。
【0010】
図2は本発明の動作説明図である。図中、(a)は照射光Wの位相を示しており、(b)〜(e)は検出位相設定部7で設定される同期積分のための検出位相を示している。従来の技術では、1つのセンサ要素ごとに、図5または図6に示すように、1つの感光部PDと複数のスイッチS0〜S3と複数のメモリーセルM0〜M3を設けて、スイッチS0、S1、S2、S3をそれぞれ図2(b)、(c)、(d)、(e)の検出位相で時分割的にオンさせていた。本発明では、図1(b)に示すように、1つのセンサ要素ごとに、受光量に応じて信号電荷を発生せしめる感光部PDと、感光部PDで発生した信号電荷を蓄積する蓄積部Mと、感光部PDから蓄積部Mへの信号電荷の移送を開閉する電気スイッチSとを1つずつ備え、1回目の撮像時には電気スイッチSを図2(b)の検出位相で繰り返しオンすることにより、蓄積部Mに図4のA0に相当する測定値を得て、これを転送部Tにより1画面分、読み出す。2回目、3回目、4回目の撮像時には電気スイッチSをそれぞれ図2(c)、(d)、(e)の検出位相で繰り返しオンすることにより、蓄積部Mに図4のA1、A2、A3に相当する測定値を得て、これを1画面分ずつ、転送部Tにより読み出す。以上の動作を制御回路9により統括制御する。このようにすれば、図5または図6に示す構造の撮像素子を用いる場合に比べて4倍の測定時間を要するものの、被検出物2が高速で移動しなければ、検出位相の異なる4枚の画像を取得することができ、一般的なCCD撮像素子を用いても光波測距が実現できる。なお、測距演算部8は実質的に距離情報を演算できるものであれば良く、マイコン、DSP、演算増幅器等、任意の手段で構成できる。
【0011】
ところで、CCD撮像素子として最も一般的なインターライン・トランスファ型のCCD撮像素子において、図1(b)の電気スイッチSを構成する電極は垂直転送電極と兼用されており、この電極は半導体基板上に絶縁薄膜を介して形成されているので、形状の割りには静電容量が大きく、容量が大きい場合は、数十MHzの高周波で開閉することは極めて困難であることが分かった。このような場合は、一般的なCCD撮像素子を用いて近距離の光波測距を実現する用途には不向きである。
【0012】
そこで、図1(c)に示すように、感光部と蓄積部の間の電気スイッチSはON状態に維持したままで、感光部の感度のみを照射光と同期して周期的に低下させることができる手段が無いか検討した。感光部の感度とは、要するに受光量に対する光電子の発生効率のことであるから、発生した光電子の一部を捨てることができれば、実質的には感度が低下していることになる。
【0013】
このような感光部の光電子を捨てる手段として、CCD撮像素子のなかには、過剰な信号電荷を基板に捨てるためのオーバーフロードレインと呼ばれる構造を有するものがある。このオーバーフロードレインは、もともとは感光部に強過ぎる光が入手したときに、発生した過剰な信号電荷が周囲の感光部に影響を及ぼすのを防ぐために、所定のレベルを越える信号電荷を基板に捨てるために設けられたものであるが、このオーバーフロードレインが信号電荷をオーバーフローさせるレベルを意図的に下げてやれば、感光部の信号電荷が過剰でなくても信号電荷は過剰であるものとして捨てられることになり、実質的に感光部の感度を低下させることができる。しかも、このオーバーフロードレインは基板に直結されているので、形状の割りには静電容量が小さく、数十MHzでのスイッチングも可能である。そこで、光を検出したくない位相ではオーバーフロードレインが信号電荷をオーバーフローさせるレベルを低く設定してやれば、感光部の感度を照射光の周期に合わせて変調することができる。
【0014】
もちろん、このオーバーフロードレイン電極をCCDカメラの電子シャッターに利用するという考え方は従来から存在するが、それは1回切りの露光を意図したものであったので、蓄積部の電荷が初期化された状態から積分を開始するものであった。蓄積部の電荷を初期化せずに、前回までの露光による残像を残したままで複数回の露光をオーバーフロードレイン電極の印加電圧制御により実現するような制御方法は知られていない。
【0015】
以下、発明の実施の形態として、縦型または横型オーバーフロードレイン電極を有するインターライン・トランスファ型CCD撮像素子ならびにフレーム・トランスファ型CCD撮像素子について、同期積分と同じような動作を実現するための具体的な制御方法について詳しく説明する。
【0016】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図7は縦型オーバーフロードレイン(VOD)電極を有するインターライン・トランスファ型CCD(IT−CCD)の構成を示している。n型基板10の表面には、アルミニウム電極よりなる縦型オーバーフロードレイン(VOD)電極11が絶縁膜を介さず基板に直接接触するように形成されている。VOD電極11には制御電圧Vsが印加されている。n型基板10の表面のVOD電極11で囲まれた部分にはp型領域12が形成されている。このp型領域12に複数のフォトダイオードが分離して形成されている。図中、PDと記した部分はフォトダイオードであり、このフォトダイオードPDが形成された部分以外の表面は遮光膜(図示せず)で覆われている。図7では垂直方向に3列、水平方向に4行のフォトダイオードPDを図示しているが、実際にはより多数のフォトダイオードPDが形成されている。各フォトダイオードPDに隣接して形成された電極a,b,c,dならびにa’,b’,c’,d’は垂直転送CCDの電極であり、この電極の下にフォトダイオードPDで発生した信号電荷を蓄積し、蓄積された信号電荷を4相の垂直転送電圧V1,V2,V3,V4により水平転送CCDに転送する。(各列のフォトダイオードPDに隣接して形成された垂直転送CCDの電極は、水平方向に並んだ電極に同じ垂直転送電圧が印加されるように図示しない配線を介して接続されている。)水平転送CCDは2相の水平転送電圧VH1,VH2により電荷を転送するための水平転送電極e,f,e’,f’,e”,f”を備えている。IT−CCDでは、垂直転送は4相クロック、水平転送は2相クロックで行うことが極めて一般的であり、その電荷転送の仕組みについては周知のものであるので、詳しい説明は省略する。
【0017】
図8はフォトダイオードPDと垂直転送電極a,bの部分の断面構造を示している。上述のように、n型基板10の表面には、p型領域12が形成されており、このp型領域12の表面には、複数のフォトダイオードPDが形成されている。各フォトダイオードPDはn+領域13とp型領域12とから構成されている。フォトダイオードPDの表面にはp+層14が形成されている。このp+層14の効果について説明すると、基板表面の結晶構造は結晶性が悪く、エネルギーの安定性が悪い(エネルギーが活性である)ので、熱励起により電子−正孔対が発生し易く、これが暗電流となって信号電荷のS/N比を悪くする一因となる。この影響を防ぐために、信号電荷が表面付近を通らないようにすることが、p+層14の役割であり、この構造を有するフォトダイオードは、埋め込みフォトダイオードなどと呼ばれている。各フォトダイオードPDに隣接して、p型領域12の表面に垂直転送CCDを構成するn層15が形成されている。このn層15の表面には、SiO2 よりなる絶縁薄膜16を介して、ポリシリコンゲート電極よりなる垂直転送電極a,bが形成されている。このポリシリコンゲート電極は絶縁薄膜16を介して形成されているので、形状の割りに静電容量が大きく、静電容量が大きい場合は、数十MHzの高周波でスイッチングすることは困難である。なお、フォトダイオードPDと垂直転送電極c,dの部分の断面構造も図8と同様である。
【0018】
図9は図8のA−A’線について垂直転送CCDの垂直転送電極a,b,c,dの断面構造を示している。第1の垂直転送電極a,cはフォトダイオードPDから垂直転送CCDへの電荷読み出しと垂直転送の役割を果たす。第2の垂直転送電極b,dは垂直転送の役割を果たす。垂直転送電極a,b,c,dの上部には遮光膜17が形成されている。
【0019】
図10は図8の太い破線に沿って電子のポテンシャルを示している。つまり、垂直転送CCDのn層15からp+層14’(厳密には基板表面のp+層14とは別工程で形成されている)、フォトダイオードPDのn+層13、p型領域12、n型基板10に沿って電子のポテンシャルを示したものである。フォトダイオードPDと垂直転送CCDの間のp+層14の電位障壁(図10の右側の破線で示す)は垂直転送電極a,cの印加電圧を高くすることにより崩すことができる。また、フォトダイオードPDとn型基板10の間のp型領域12の電位障壁(図10の左側の破線で示す)はVOD電極11の印加電圧を高くすることにより崩すことができる。図中の白丸に−(マイナス)の記号を付したものは光電子を意味している。また、フォトダイオードPDの部分の光電子で“たてがみ”のような模様を周囲に付したものは、光電変換により発生した光電子を意味している。以下の説明においても同様である。
【0020】
IT−CCDにおいて、VOD電極を設けている本来の理由は、フォトダイオードPDに非常に強い光が入射したときに、過剰な信号電荷をn型基板10に逃がすためであるが、本発明では、信号電荷が過剰でなくても、フォトダイオードPDの感度を下げたいときには、信号電荷が過剰であることにして、基板にオーバーフローさせてしまうことにより、フォトダイオードPDの感度を可変としている。すなわち、フォトダイオードPDの感度を低下させたいときには、VOD電極11に高い+電圧を印加することにより、フォトダイオードPDのn+層13とn型基板10の間のp型領域12の電位障壁を下げてフォトダイオードPDの発生電荷をn型基板10に逃がすようにしている。フォトダイオードPDと垂直転送CCDの間にもp+層14’の電位障壁が存在するが、第1の垂直転送電極aに所定の+電圧を印加しておくことによりp+層14’の電位障壁を下げてフォトダイオードPDに発生した電荷を垂直転送電極aの下に集めることができる。VOD電極11に高い+電圧が印加されている場合には、フォトダイオードPDで発生した電荷は垂直転送CCDにも少しは流れるが、主に比較的電子のポテンシャルが低いn型基板10の方に捨てられることになるので、フォトダイオードPDの感度(光電変換効率)は実質的に低下する。この光電子廃棄期間を同期積分休止期間(非検出位相)とする。また、VOD電極11の印加電圧を低下させて光電子の廃棄をやめると、フォトダイオードPDで発生した電荷は垂直転送CCDに効率良く流れて、垂直転送電極の下に蓄積されることになる。この光電子蓄積期間を同期積分期間(検出位相)とする。
【0021】
VOD型IT−CCDによる光電子の蓄積、廃棄、読み出しの各期間の動作を図11に示し説明する。光電子の蓄積期間では、VOD電極11の印加電圧は低く、また、フォトダイオードPDの隣に形成されている垂直転送電極aには十分高い電圧V1を与えて、図11(a)に示すように、垂直転送電極下のn層15のポテンシャルを下げるとともに、n層15とn+層13との間に形成されているp+層14’による電位障壁を崩す。これは図1(c)の電気スイッチSが閉じていることに相当する。この場合、n+層13で発生した光電子は垂直転送電極下のn層15に蓄積される。
【0022】
光電子の廃棄期間では、n型基板10に接続されたVOD電極11に高い+電圧Vsを印加し、n型基板10のポテンシャルを下げる。印加電圧Vsが十分高い場合、図11(b)に示すように、n型基板10とn+層13の間に形成されたp型領域12による電位障壁が崩れ、n+層13で発生した光電子の多くはn型基板10に廃棄される。このとき、垂直転送電極aには、光電子の蓄積期間と同様、電圧V1を印加したままにしておく。これは図1(c)の電気スイッチSが閉じたままであることに相当する。垂直転送電極下のn層15のポテンシャルよりもn型基板10のポテンシャルの方が低くなるようにVOD電極11の印加電圧Vsを設定すると、n+層13で発生した光電子はポテンシャルの低い方へ引き寄せられるため、大部分は垂直転送電極a側へ行くことなく、VOD電極11(n型基板10)へ廃棄される。また、光電子の蓄積期間中に垂直転送電極下のn層15に蓄積された光電子は、n+層13の電位障壁があるため、VOD電極11(n型基板10)側に廃棄されることはない。
【0023】
光電子の蓄積期間(図11(a))と光電子の廃棄期間(図11(b))とは照射光の一周期内で交番し、例えば図2(b)のように、特定の検出位相(同期積分期間)でのみ光電子の蓄積を行い、残りの非検出位相(積分休止期間)では(蓄積部の光電子は残したまま感光部で発生する)光電子を廃棄する。この動作を照射光の複数の周期にわたり繰り返すことにより、図4のA0に相当する検出値が各画素ごとに得られる。この検出値をひとまず読み出す。
【0024】
蓄積された光電子の読み出し期間では、図11(c)に示すように、垂直転送CCDのn層15とフォトダイオードPDのn+層13との間にp+層14’による電位障壁を発生させるように、垂直転送電極aの電圧V1を低く設定し、転送電圧V1〜V4に4相の転送クロックを与えて、蓄積された信号電荷を読み出す。これは、図1(b)の電気スイッチSが開いた状態に相当する。
【0025】
このようにして、図4のA0に相当する検出値が各画素ごとに得られると、次に、図2(c)のように、検出位相を90度ずらして、光電子の蓄積と廃棄を照射光の複数の周期にわたり繰り返すことにより、図4のA1に相当する検出値が各画素毎に得られる。この検出値を読み出すと、今度は図2(d)、さらには図2(e)のように、検出位相を180度、270度というようにずらして行き、光電子の蓄積と廃棄を照射光の複数の周期にわたり繰り返すことにより、図4のA2、A3に相当する検出値が各画素毎に得られる。なお、各回の同期積分の回数は同じにすることは言うまでも無い。
【0026】
検出位相をずらす順番は上記に限定されるものではない。たとえば、測距演算の計算式:Ψ=arctan{(A3−A1)/(A0−A2)}に合わせて、最初にA3の検出値を求めて第1の画像メモリに蓄積し、次にA1の検出値を求めて(A3−A1)を同じ第1の画像メモリに上書きする。次に、A0の検出値を求めて第2の画像メモリに蓄積し、さらにA2の検出値を求めて(A0−A2)を同じ第2の画像メモリに上書きする。というようにすれば、画像メモリの記憶容量は半分で済むことになる。
【0027】
また、検出位相は必ずしも図2(b)〜(e)のように一周期中の限られた狭い期間とする必要はなく、S/N比を高めるために、検出位相を広くしても構わない。例えば、一周期中の半分を検出位相、残りの半分を非検出位相として測定した第1の画像と、この第1の画像とは検出位相と非検出位相を入れ替えて測定した第2の画像とを比較するだけでも遠近の情報は得ることができる。
【0028】
さらに、強度変調された照射光についても、振幅が正弦波である必要はなく、矩形波や三角波で強度変調されていても構わない。
また、強度変調された照射光は可視光である必要はなく、目に見えない近赤外光とすれば、夜間の監視用途などに利用できる。
【0029】
ところで、縦型オーバーフロードレイン電極を有するCCDは、フォトダイオードPDの受光面積を大きくできる半面、フォトダイオードPDのn+領域を深くまで形成できないので、近赤外光に対する感度が低くなる欠点がある。そこで、この欠点を解消するために、フォトダイオードPDのn+領域を深くまで形成できる横型オーバーフロードレイン(LOD)電極を有するIT−CCDについて次に説明する。
【0030】
(実施の形態2)
図12は横型オーバーフロードレイン(LOD)を有するインターライン・トランスファ型CCD(IT−CCD)の構成を示している。p型基板22の表面には、垂直方向に複数本のn型領域20が形成されており、各n型領域20は、アルミニウム電極よりなるLOD電極21に接続されている。LOD電極21には制御電圧Vsが印加されている。各n型領域20に隣接してp型基板22の表面に複数のフォトダイオードが分離して形成されている。図中、PDと記した部分はフォトダイオードであり、このフォトダイオードPDが形成された部分以外の表面は遮光膜で覆われている。図12では垂直方向に3列、水平方向に4行のフォトダイオードPDを図示しているが、実際にはより多数のフォトダイオードPDが形成されている。各フォトダイオードPDに隣接して形成された電極a,b,c,dならびにa’,b’,c’,d’は垂直転送CCDの電極であり、この電極の下にフォトダイオードPDで発生した信号電荷を蓄積し、蓄積された信号電荷を4相の垂直転送電圧V1,V2,V3,V4により水平転送CCDに転送する。(各列のフォトダイオードPDに隣接して形成された垂直転送CCDの電極は、水平方向に並んだ電極に同じ垂直転送電圧が印加されるように図示しない配線を介して接続されている。)水平転送CCDは2相の水平転送電圧VH1,VH2により電荷を転送するための水平転送電極e,f,e’,f’,e”,f”を備えている。IT−CCDでは、垂直転送は4相クロック、水平転送は2相クロックで行うことが極めて一般的であり、その電荷転送の仕組みについては周知のものであるので、詳しい説明は省略する。
【0031】
図13はフォトダイオードPDと垂直転送電極a,bの周辺の断面構造を示している。上述のように、p型基板22の表面には、LOD電極21に接続されたn型領域20が形成されており、このn型領域20に隣接してフォトダイオードPDが形成されている。各フォトダイオードPDはn+領域23とp型基板22とから構成されている。フォトダイオードPDの表面にはp+層24が形成されている。このp+層24の効果について説明すると、基板表面の結晶構造は結晶性が悪く、エネルギーの安定性が悪い(エネルギーが活性である)ので、熱励起により電子−正孔対が発生し易く、これが暗電流となって信号電荷のS/N比を悪くする一因となる。この影響を防ぐために、信号電荷が表面付近を通らないようにすることが、p+層24の役割であり、この構造を有するフォトダイオードは、埋め込みフォトダイオードなどと呼ばれている。各フォトダイオードPDに隣接して、p型基板22の表面に垂直転送CCDを構成するn層25が形成されている。このn層25の表面には、SiO2 よりなる絶縁薄膜26を介して、ポリシリコンゲート電極よりなる垂直転送電極a,bが形成されている。このポリシリコンゲート電極は絶縁薄膜26を介して形成されているので、形状の割りに静電容量が大きく、静電容量が大きい場合は数十MHzの高周波でスイッチングすることは困難である。なお、フォトダイオードPDと垂直転送電極c,dの周辺の断面構造も図13と同様である。
【0032】
図13のA−A’線についての断面構造は図9と同じである。第1の垂直転送電極a,cはフォトダイオードPDから垂直転送CCDへの電荷読み出しと垂直転送の役割を果たす。第2の垂直転送電極b,dは垂直転送の役割を果たす。垂直転送電極a,b,c,dの上部には遮光膜27が形成されている。また、LOD電極21に接続されたn型領域20の上部にも遮光膜27が形成されている。
【0033】
図14は図13の太い破線に沿って電子のポテンシャルを示している。つまり、垂直転送CCDのn層25からp+層24’(厳密には基板表面のp+層24とは別工程で形成されている)、フォトダイオードPDのn+層23、p+層24’、LOD電極21に接続されたn型領域20に沿って電子のポテンシャルを示したものである。フォトダイオードPDと垂直転送CCDの間のp+層24’の電位障壁(図14の右側の破線で示す)は垂直転送電極a,cの印加電圧を高くすることにより崩すことができる。また、フォトダイオードPDとn型領域20の間のp+層24’の電位障壁(図14の左側の破線で示す)はLOD電極21の印加電圧を高くすることにより崩すことができる。
【0034】
LOD型のIT−CCDにおいて、LOD電極を設けている本来の理由は、フォトダイオードPDに非常に強い光が入射したときに、過剰な信号電荷をフォトダイオードPDに隣接するn型領域20に逃がすためであるが、本発明では、信号電荷が過剰でなくても、フォトダイオードPDの感度を下げたいときには、信号電荷が過剰であることにして、n型領域20にオーバーフローさせてしまうことにより、フォトダイオードPDの感度を可変としている。すなわち、フォトダイオードPDの感度を低下させたいときには、LOD電極21に高い+電圧を印加することにより、フォトダイオードPDのn+層23とn型領域20の間のp+層24’の電位障壁を下げてフォトダイオードPDの発生電荷をn型領域20に逃がすようにしている。フォトダイオードPDと垂直転送CCDの間にもp+層24’の電位障壁が存在するが、第1の垂直転送電極aに所定の+電圧を印加しておくことによりp+層24’の電位障壁を下げてフォトダイオードPDに発生した電荷を垂直転送電極aの下に集めることができる。LOD電極21に高い+電圧が印加されている場合には、フォトダイオードPDで発生した電荷は垂直転送CCDにも少しは流れるが、主にn型領域20の方に捨てられることになるので、フォトダイオードPDの感度(光電変換効率)は実質的に低下する。この光電子廃棄期間を同期積分休止期間(非検出位相)とする。また、LOD電極21の印加電圧を低下させて光電子の廃棄をやめると、フォトダイオードPDで発生した電荷は垂直転送CCDに効率良く流れて、垂直転送電極の下に蓄積されることになる。この光電子蓄積期間を同期積分期間(検出位相)とする。
【0035】
LOD型IT−CCDによる光電子の蓄積、廃棄、読み出しの各期間の動作を図15に示し説明する。光電子の蓄積期間では、LOD電極21の印加電圧は低く、また、フォトダイオードPDの隣に形成されている垂直転送電極aに十分高い電圧V1を与えて、図15(a)に示すように、垂直転送電極下のn層25のポテンシャルを下げるとともに、n層25とn+層23との間に形成されているp+層24’による電位障壁を崩す。これは図1(c)の電気スイッチSが閉じていることに相当する。この場合、n+層23で発生した光電子は垂直転送電極下のn層25に蓄積される。
【0036】
光電子の廃棄期間では、n型領域20に接続されたLOD電極21に高い+電圧Vsを印加し、n型領域20のポテンシャルを下げる。印加電圧Vsが十分高い場合、図15(b)に示すように、n型領域20とn+層23の間に形成されたp+層24’による電位障壁が崩れ、n+層23で発生した光電子の多くはn型領域20に廃棄される。このとき、垂直転送電極aには、光電子の蓄積期間と同様、電圧V1を印加したままにしておく。これは図1(c)の電気スイッチSが閉じたままであることに相当する。垂直転送電極下のn層25のポテンシャルよりもn型領域20のポテンシャルの方が低くなるようにLOD電極21の印加電圧Vsを設定すると、n+層23で発生した光電子はポテンシャルの低い方へ引き寄せられるため、大部分は垂直転送電極a側へ行くことなく、n型領域20を介してLOD電極21へ廃棄される。また、光電子の蓄積期間中に垂直転送電極下のn層25に蓄積された光電子は、n+層23の電位障壁があるため、LOD電極21(n型領域20)側に廃棄されることはない。
【0037】
光電子の蓄積期間(図15(a))と光電子の廃棄期間(図15(b))とは照射光の一周期内で交番し、例えば図2(b)のように、特定の検出位相(同期積分期間)でのみ光電子の蓄積を行い、残りの非検出位相(積分休止期間)では光電子を廃棄する。この動作を照射光の複数の周期にわたり繰り返すことにより、図4のA0に相当する検出値が各画素ごとに得られる。この検出値をひとまず読み出す。
【0038】
蓄積された光電子の読み出し期間では、図15(c)に示すように、垂直転送CCDのn層25とフォトダイオードPDのn+層23との間にp+層24’による電位障壁を発生させるように、垂直転送電極aの電圧V1を低く設定し、転送電圧V1〜V4に4相の転送クロックを与えて、蓄積された信号電荷を読み出す。これは、図1(b)の電気スイッチSが開いた状態に相当する。
【0039】
このようにして、図4のA0に相当する検出値が各画素ごとに得られると、次に、図2(c)のように、検出位相を90度ずらして、光電子の蓄積と廃棄を照射光の複数の周期にわたり繰り返すことにより、図4のA1に相当する検出値が各画素毎に得られる。この検出値を読み出すと、今度は図2(d)、さらには図2(e)のように、検出位相を180度、270度というようにずらして行き、光電子の蓄積と廃棄を照射光の複数の周期にわたり繰り返すことにより、図4のA2、A3に相当する検出値が各画素毎に得られる。なお、各回の同期積分の回数は同じにすることは言うまでも無い。
【0040】
ところで、横型オーバーフロードレイン電極を有するIT−CCDでは、フォトダイオードPDを形成するn+領域23をp型基板22の深くまで形成することができるので、近赤外線に対する検出感度を高めることができる利点がある。その半面、フォトダイオードPDに隣接してLOD電極21に接続されたn型領域20を設ける面積が必要であり、その分、フォトダイオードPDの受光面積が狭くなるので、開口率が減少する欠点がある。また、IT−CCDでは、フォトダイオードPDに隣接して垂直転送CCDを設ける必要があるので、その分、フォトダイオードPDの受光面積は制限される。そこで、フォトダイオードPDそのものに転送機能を持たせて受光面積を広くしたFT−CCDについて次に説明する。
【0041】
(実施の形態3)
図16は縦型オーバーフロードレイン(VOD)電極を有するフレーム・トランスファ型CCD(FT−CCD)の構成を示している。n型基板30の表面には、アルミニウム電極よりなる縦型オーバーフロードレイン(VOD)電極31が絶縁膜を介さず基板に直接接触するように形成されている。VOD電極31には制御電圧Vsが印加されている。n型基板30の表面のVOD電極31で囲まれた部分にはp型領域32が形成されている。このp型領域32には、複数本の垂直方向に長いn型領域35が形成されている。図16の破線で囲まれた部分は1画素分のフォトダイオードPDを構成しており、その断面構造を図17に示す。
【0042】
n型領域35の表面には、SiO2 よりなる絶縁薄膜36を介して、n型領域35の長手方向に沿って複数個のポリシリコンゲート電極a,b,cが形成されている。各ポリシリコンゲート電極a,b,cはn型領域35の長手方向とは垂直方向に伸びるように形成されており、3個のゲート電極a,b,cで一つの画素を構成している。図16では限られた個数の画素しか図示していないが、実際には水平方向および垂直方向の解像度に応じた個数の画素が構成されるものである。
【0043】
ポリシリコンゲート電極a,b,cおよびSiO2 よりなる絶縁薄膜36は光を透過するので、n型領域35には光電子が発生する。ただし、図16の撮像部以外の部分は遮光膜で覆われており、蓄積部や水平転送部には光電子は発生しない。蓄積部は垂直帰線期間中に撮像部の信号電荷を一括して高速転送され、蓄積部に蓄積された信号電荷を次回の垂直帰線期間までの間に水平転送部を介して読み出すものである。蓄積部のゲート電極に印加される電圧φ1〜φ3は撮像部のゲート電極に印加される電圧V1〜V6とは分離されており、蓄積部から水平転送部を介して画像信号を読み出している途中においても撮像部において信号電荷の蓄積が可能である。したがって、フレーム・トランスファ型CCDを用いると、インターライン・トランスファ型CCDを用いる場合に比べて同期積分の蓄積時間を長く取ることが可能となる。この例では、V1〜V6の6相の転送電圧を用いて撮像部から蓄積部に信号電荷を転送可能としている。一方、蓄積部から水平転送部には、φ1〜φ3の3相の転送電圧を用いて信号電荷を転送可能としている。(撮像部および蓄積部の各ゲート電極は、水平方向に並んだ電極に同じ転送電圧V1〜V6、φ1〜φ3が印加されるように図示しない配線を介して接続されている。)水平転送部は上述した水平転送CCDと同じものであるので、詳細な説明は省略するが、ここでもVH1,VH2の2相の転送電圧を用いて信号電荷を転送可能としている。
【0044】
図18は図17の破線に沿って電子のポテンシャルを示している。光電子が発生するn型領域35とn型基板30の間には、図18の破線で示すように、p型領域32による電位障壁が存在するが、n型基板30に接続されたVOD電極31に高い+電圧を印加すると、この電位障壁を崩すことができ、n型領域35からn型基板30に信号電荷(光電子)を捨てることができる。
【0045】
光電子の蓄積期間では、VOD電極31の印加電圧Vsは低くしておき、n型領域35とn型基板30の間に、p型領域32による電位障壁が存在するようにしておく。また、図19(イ)のように、1画素につき3枚のゲート電極a,b,cを使用し、中央のゲート電極bに最も高い+電圧を印加することでゲート電極b下で発生した光電子のみならずゲート電極a、c下で発生した光電子もゲート電極b下のポテンシャル井戸に蓄積する。この様子を図19(ハ)に示す。図19(ハ)は図19(イ)の太い一点鎖線についての電子のポテンシャルを示したものである。また、図19(ニ)は図19(ロ)の太い破線についての電子のポテンシャルを各ゲート電極a,b,cについて示している。
【0046】
光電子の廃棄期間では、VOD電極31に高い+電圧を印加し、図19(ニ)に示すように、n型領域35とn型基板30の間のp型領域32による電位障壁の高さを破線から実線に示すように下げる。このとき、VOD電極31に印加する電圧は、n型基板30のポテンシャルがゲート電極b下のn型領域35のポテンシャルよりも高く、且つゲート電極a、c下のn型領域35のポテンシャルよりも低くなるように設定する。ゲート電極a,b,cに印加される電圧は、光電子の蓄積期間と同様であり、中央のゲート電極bには両側のゲート電極a,cよりも高い+電圧が印加されているので、両側のゲート電極a,cの下ではp型領域32による電位障壁は完全に崩されるが、中央のゲート電極bの下ではp型領域32による電位障壁は高さが低くなるだけで完全には崩されない。このため、両側のゲート電極a,cの下で発生した光電子の多くはn型基板30に廃棄されるが、中央のゲート電極bの下で発生した光電子は廃棄されないし、光電子の蓄積期間において中央のゲート電極bの下に蓄積された光電子も廃棄されない。
【0047】
上述の光電子の蓄積と廃棄を複数回繰り返すと、中央のゲート電極bの下には、光電子の蓄積期間において両側のゲート電極a,bから中央のゲート電極bに蓄積された光電子が余分に蓄積されることになる。中央のゲート電極bは常に光電子を蓄積しているので、この常時積分による平均値が同期積分による検出値に加算されることになるが、それでも両側のゲート電極a,bから同期積分による検出値を得ているので、十分なコントラストを得ることができる。
【0048】
また、例えば照射光の一周期のうち、半分を光電子の蓄積期間とし、残りの半分を光電子の廃棄期間として同期積分した画像を、照射光に対する光電子の蓄積期間の位相をずらしながら複数枚観測することによっても距離情報を算出することはできるので、この例のように光電子の蓄積期間が長い用途では、コントラストが高くなるからFT−CCDを利用できる。
【0049】
さらに、3枚のゲート電極に限らず、5枚、7枚といった多数枚のゲート電極で1画素を構成し、中央の1枚のゲート電極に光電子を集中させるようにすれば、周囲のゲート電極から集めた同期積分による検出値の成分が、中央のゲート電極における常時積分による平均値の成分よりも相対的に大きくなり、コントラストをさらに改善できる。
【0050】
なお、縦型オーバーフロードレイン電極31はp型領域32の周囲のn型基板30にp型領域32を取り囲むようにアルミニウム電極を形成する必要があるので、p型領域32はエピタキシャル成長により形成することはできない。拡散法により形成した場合は、p型領域をあまり深くまで形成できない。したがって、フォトダイオードとなるn型領域35はp型領域32よりもさらに浅く形成されることになり、近赤外線に対する感度は低い。この欠点を解消するために、フォトダイオードPDのn+領域を深くまで形成できる横型オーバーフロードレイン(LOD)電極を有するFT−CCDについて次に説明する。
【0051】
(実施の形態4)
図20は横型オーバーフロードレイン(LOD)電極を有するフレーム・トランスファ型CCD(FT−CCD)の構成を示している。図20の破線で囲まれた部分は1画素分のフォトダイオードPDを構成しており、その断面構造を図21に示す。p型基板42の表面には、フォトダイオードとなるn型領域45を深く形成できるように、エピタキシャル成長によりp型領域42’が形成されている。フォトダイオードとなるn型領域45を深く形成できることにより、近赤外光に対する感度を高くできる特徴がある。フォトダイオードとなるn型領域45に隣接してp+領域44が形成されており、このp+領域44に横型オーバーフロードレインとなるn型領域40が形成されている。フォトダイオードとなるn型領域45と横型オーバーフロードレインとなるn型領域40は、隣接して基板の垂直転送方向に長く延びており、各n型領域40はアルミニウム電極よりなる横型オーバーフロードレイン(LOD)電極41に接続されている。LOD電極41には制御電圧Vsが印加されている。
【0052】
n型領域45の表面には、SiO2 よりなる絶縁薄膜46を介して、n型領域45の長手方向に沿って複数個のポリシリコンゲート電極a,b,cが形成されている。各ポリシリコンゲート電極a,b,cはn型領域45の長手方向とは垂直方向に伸びるように形成されており、3個のゲート電極a,b,cで一つの画素を構成している。図20では限られた個数の画素しか図示していないが、実際には水平方向および垂直方向の解像度に応じた個数の画素が構成されるものである。
【0053】
ポリシリコンゲート電極a,b,cおよびSiO2 よりなる絶縁薄膜46は光を透過するので、n型領域45には光電子が発生する。ただし、図20の撮像部以外の部分は遮光膜で覆われており、蓄積部や水平転送部には光電子は発生しない。蓄積部は垂直帰線期間中に撮像部の信号電荷を一括して高速転送され、蓄積部に蓄積された信号電荷を次回の垂直帰線期間までの間に水平転送部を介して読み出すものである。蓄積部のゲート電極に印加される電圧φ1〜φ3は撮像部のゲート電極に印加される電圧V1〜V6とは分離されており、蓄積部から水平転送部を介して画像信号を読み出している途中においても撮像部において信号電荷の蓄積が可能である。したがって、フレーム・トランスファ型CCDを用いると、インターライン・トランスファ型CCDを用いる場合に比べて同期積分の蓄積時間を長く取ることが可能となる。この例では、V1〜V6の6相の転送電圧を用いて撮像部から蓄積部に信号電荷を転送可能としている。一方、蓄積部から水平転送部には、φ1〜φ3の3相の転送電圧を用いて信号電荷を転送可能としている。(撮像部および蓄積部の各ゲート電極は、水平方向に並んだ電極に同じ転送電圧V1〜V6、φ1〜φ3が印加されるように図示しない配線を介して接続されている。)水平転送部は上述した水平転送CCDと同じものであるので、詳細な説明は省略するが、ここでもVH1,VH2の2相の転送電圧を用いて信号電荷を転送可能としている。
【0054】
図22は図21の破線に沿って電子のポテンシャルを示している。光電子が発生するn型領域45とこれにp+領域44を介して隣接するn型領域40の間には、図22の破線で示すように、p+領域44による電位障壁が存在するが、n型領域40に接続されたLOD電極41に高い+電圧を印加すると、この電位障壁を崩すことができ、n型領域45からn型領域40を経てLOD電極41に信号電荷(光電子)を捨てることができる。
【0055】
光電子の蓄積期間では、LOD電極41の印加電圧Vsは低くしておき、n型領域45とn型領域40の間に、p+領域44による電位障壁が存在するようにしておく。また、図23(イ)のように、1画素につき3枚のゲート電極a,b,cを使用し、中央のゲート電極bに最も高い+電圧を印加することでゲート電極b下で発生した光電子のみならずゲート電極a、c下で発生した光電子もゲート電極b下のポテンシャル井戸に蓄積する。この様子を図23(ハ)に示す。図23(ハ)は図23(イ)の太い一点鎖線についての電子のポテンシャルを示したものである。また、図23(ニ)は図23(ロ)の太い破線についての電子のポテンシャルを各ゲート電極a,b,cについて示している。
【0056】
光電子の廃棄期間では、LOD電極41に高い+電圧を印加し、図23(ニ)に示すように、n型領域45とn型領域40の間のp+領域44による電位障壁の高さを下げる。このとき、LOD電極41に印加する電圧Vsは、n型領域40のポテンシャルがゲート電極b下のn型領域45のポテンシャルよりも高く、且つゲート電極a、c下のn型領域45のポテンシャルよりも低くなるように設定する。ゲート電極a,b,cに印加される電圧は、光電子の蓄積期間と同様であり、中央のゲート電極bには両側のゲート電極a,cよりも高い+電圧が印加されているので、両側のゲート電極a,cの下ではp+領域44による電位障壁は完全に崩されるが、中央のゲート電極bの下ではp+領域44による電位障壁は高さが低くなるだけで完全には崩されない。このため、両側のゲート電極a,cの下で発生した光電子の多くはn型領域40に廃棄されるが、中央のゲート電極bの下で発生した光電子は廃棄されないし、光電子の蓄積期間において中央のゲート電極bの下に蓄積された光電子も廃棄されない。
【0057】
上述の光電子の蓄積と廃棄を複数回繰り返すと、中央のゲート電極bの下には、光電子の蓄積期間において両側のゲート電極a,bから中央のゲート電極bに蓄積された光電子が余分に蓄積されることになる。中央のゲート電極bは常に光電子を蓄積しているので、この常時積分による平均値が同期積分による検出値に加算されることになるが、それでも両側のゲート電極a,bから同期積分による検出値を得ているので、十分なコントラストを得ることができる。
【0058】
図16〜図23に示した実施の形態3,4では、3枚のゲート電極で1画素を構成する場合について説明したが、図24や図25に示すように、4枚以上のゲート電極で1画素を構成する場合には、電荷を廃棄する期間に、光電子を蓄積しているゲート電極に周囲から光電子が流入しないように、電位障壁を形成すると良い。図24は4枚のゲート電極で1画素を構成する場合、図25は6枚のゲート電極で1画素を構成する場合であり、(a)は電荷蓄積期間、(b)は電荷廃棄期間における各ゲート電極下の電子のポテンシャルを示している。図24、図25において灰色で示した部分は光電子であり、(a)の電荷蓄積期間では、電子のポテンシャルが最も低いゲート電極下に周囲のゲート電極下で発生した光電子が流入して蓄積され、(b)の電荷廃棄期間では、電子のポテンシャルが最も低いゲート電極下の光電子が蓄積された部分を周囲から電気的に孤立させるように、隣接するゲート電極下に電位障壁を形成するように制御している。
【0059】
図25に示した6枚のゲート電極で1画素を構成する場合について、電荷蓄積期間と電荷廃棄期間における各ゲート電極下の電子のポテンシャルを3次元的に示すと、図27(a),(b)のようになる。図中のV1〜V6は図20に示した垂直転送電圧に対応しており、LODは横型オーバーフロードレインとなるn型領域40に対応している。図27(a)の電荷蓄積期間では、V2,V6の電圧を印加されたゲート電極下の光電子がV3,V5の電圧を印加されたゲート電極下に移動すると共に、V3,V5の電圧を印加されたゲート電極下の光電子はV4の電圧を印加されたゲート電極下に移動し、このV4の電圧を印加されたゲート電極下に光電子が蓄積される。図27(b)の電荷廃棄期間では、V3,V5の電圧をV1と同程度まで低くすることで、V4の電圧を印加されたゲート電極下の光電子が蓄積された部分は周囲から電気的に孤立し、光電子の流入は阻止される。また、LOD電極の電子のポテンシャルを、V4の電圧を印加されたゲート電極よりも高く、且つV2,V6の電圧を印加されたゲート電極よりも低く設定することにより、V4の電圧を印加されたゲート電極下に蓄積された光電子は廃棄することなく、V2,V6の電圧を印加されたゲート電極下で発生した光電子はLOD電極に廃棄される。
【0060】
ところで、図25の例では、非検知位相の光電子の一部はV4の電圧を印加された蓄積用電極部(電子のポテンシャルが最も深い位置の電極)に流入する。また、蓄積用電極部自身も、非検出位相の光電子を発生し蓄積する。これら非検出位相の光電子は、検出位相の光電子に対してDC成分となり、S/N比を低下させる。そこで、図26に示すように、電荷蓄積用の感光部と電位障壁を形成する感光部の表面に遮光膜47を設ければ、同期積分に対する常時積分の比率を低減でき、同期積分のコントラストを改善できる。図26の例では、V2,V6の電圧を印加されるゲート電極下にのみ光電子が発生するように、V1,V3,V4,V5の電圧を印加されるゲート電極の表面を遮光膜47で覆っている。
【0061】
なお、本発明はIT−CCDやFT−CCDに限らず、これらの複合型であるFIT−CCD(フレーム・インターライン・トランスファ型CCD)でも同様に適用できる。FIT−CCDは、図28に示すように、IT−CCDの水平転送部と撮像部の間に1画面分の蓄積部を追加したものであり、垂直転送電圧が2種類必要となり、動作は複雑になるが、IT−CCDの欠点であるスミアを低減できる利点がある。
【0062】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、強度変調された照射光に同期して感光部の感度を可変としたので、簡単な構成で光波測距を実現できる。
請求項2の発明によれば、強度変調された照射光に同期して感光部の感度を可変としたので、感光部から蓄積部への信号電荷の移送を高周波で開閉できる電気スイッチが必要なく、同期積分以外の用途の撮像素子でも利用可能である利点がある。
請求項3の発明によれば、CCD撮像素子として最も一般的な縦型オーバーフロードレイン電極を有するインターライン・トランスファ型CCD撮像素子を用いて同期積分と同じような動作を実現可能としたので、特殊な撮像素子を用いずに安価に光波測距を実現できる。
【0063】
請求項4または6の発明によれば、近赤外光に対する感度の高い横型オーバーフロードレイン電極を有するCCD撮像素子を用いて同期積分と同じような動作を実現可能としたので、暗視性能の高い測距が可能となる。
請求項5または6の発明によれば、フレーム・トランスファ型CCDを用いているので、インターライン・トランスファ型CCDを用いる場合に比べて同期積分の蓄積時間を長く取ることが可能となる。
【0064】
請求項7の発明によれば、電荷廃棄期間では、電荷蓄積用の感光部を他の感光部から電気的に孤立させる電位障壁を形成するようにしたので、同期積分のコントラストを改善できる。
請求項8の発明によれば、電荷蓄積用の感光部と電位障壁を形成する感光部の表面に遮光部を設けたので、同期積分に対する常時積分の比率を低減でき、同期積分のコントラストを改善できる。
請求項9の発明によれば、感光部から蓄積部への信号電荷の移送を高周波で開閉できる電気スイッチを各センサ要素ごとに設けているので、検出位相の信号電荷のみを選択的に蓄積することができるから、同期積分のコントラストを改善できる。
請求項10の発明によれば、蓄積部を転送部として兼用するために設けられた転送電極を感光部から蓄積部への信号電荷の移送を高周波で開閉するための電気スイッチとしてさらに兼用したので、簡単な構成で同期積分の動作を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成を示す説明図であり、(a)は全体構成を示すブロック図、(b)は撮像素子の一例を示す要部構成図、(c)は撮像素子の他の一例を示す要部構成図である。
【図2】本発明の撮像素子による同期積分のタイミングを示す動作説明図である。
【図3】従来の光波測距に用いる光学系の概略構成図である。
【図4】従来の光波測距の原理説明図である。
【図5】従来の光波測距に用いる撮像素子の一例を示す要部構成図である。
【図6】従来の光波測距に用いる撮像素子の他の一例を示す要部構成図である。
【図7】本発明の実施の形態1の撮像素子の全体構成を示す平面図である。
【図8】本発明の実施の形態1の撮像素子の要部構成を示す斜視図である。
【図9】本発明の実施の形態1の撮像素子の要部構成を示す断面図である。
【図10】本発明の実施の形態1の撮像素子の電子のポテンシャルを示す説明図である。
【図11】本発明の実施の形態1の撮像素子の動作説明図である。
【図12】本発明の実施の形態2の撮像素子の全体構成を示す平面図である。
【図13】本発明の実施の形態2の撮像素子の要部構成を示す斜視図である。
【図14】本発明の実施の形態2の撮像素子の電子のポテンシャルを示す説明図である。
【図15】本発明の実施の形態2の撮像素子の動作説明図である。
【図16】本発明の実施の形態3の撮像素子の全体構成を示す平面図である。
【図17】本発明の実施の形態3の撮像素子の要部構成を示す斜視図である。
【図18】本発明の実施の形態3の撮像素子の電子のポテンシャルを示す説明図である。
【図19】本発明の実施の形態3の撮像素子の動作説明図である。
【図20】本発明の実施の形態4の撮像素子の全体構成を示す平面図である。
【図21】本発明の実施の形態4の撮像素子の要部構成を示す斜視図である。
【図22】本発明の実施の形態4の撮像素子の電子のポテンシャルを示す説明図である。
【図23】本発明の実施の形態4の撮像素子の動作説明図である。
【図24】4相のゲート電圧を用いたFT−CCDの動作を示す説明図である。
【図25】6相のゲート電圧を用いたFT−CCDの動作を示す説明図である。
【図26】6相のゲート電圧を用いたFT−CCDの感光部に遮光膜を付加した場合の動作を示す説明図である。
【図27】6相のゲート電圧を用いたFT−CCDの動作を3次元的に示す説明図である。
【図28】FIT−CCDの全体構成を示す平面図である。
【符号の説明】
1 光源
2 被検出物
3 結像光学系
4 撮像素子
5 感度制御部
6 記憶部
7 検出位相設定部
8 測距演算部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a distance measuring apparatus and a distance measuring method using an image sensor, and detects a delay of a phase of reflected light with respect to irradiation light for each pixel of the image sensor to detect a three-dimensional structure of an object. It is related to the technology to do.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of a conventional TOF (Time Of Flight) type light wave ranging. In the figure, 1 is a light source, 2 is an object to be detected, 3 is an imaging optical system, and 4 is an image sensor. The light source 1 is composed of, for example, an LED array, and its output light is intensity-modulated at a high frequency. The reason why a plurality of LEDs are used for the light source 1 is to increase the intensity of output light, and the LEDs emit light in synchronization. When the light emitted from the light source 1 to the object 2 is intensity-modulated at a high frequency of, for example, 20 MHz, the wavelength is 15 m. Therefore, if the light reciprocates over a distance of 7.5 m, a phase delay of one cycle occurs. Will occur.
[0003]
The delay of the phase of the reflected light with respect to the irradiation light will be described with reference to FIG. In the figure, W is irradiation light, R is reflected light, and the reflected light has a phase delay of Ψ. The reflected light R is sampled four times for one cycle of the irradiation light W, and the detected values of the reflected light when the phase of the irradiation light is 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° are A0, A1, and A2, respectively. , A3, the phase delay Ψ is given by the following equation.
{= Arctan {(A3-A1) / (A0-A2)}
[0004]
The light reflected by the object 2 is imaged on the light receiving surface of the image sensor 4 via the imaging optical system 3. A plurality of pixels (X, Y) are two-dimensionally arranged on the light receiving surface of the imaging element 4, and the phase delay Ψ (X, Y) of each pixel is calculated by the above equation, so that the detection object 2 A three-dimensional structure can be detected.
[0005]
An image sensor used for the TOF lightwave distance measurement must be capable of sampling a plurality of times for one cycle of irradiation light. Conventionally, as shown in FIG. 5 or FIG. Structures have been proposed. The image sensor in FIG. 5 includes one photosensitive unit PD and four memory cells M0, M1, M2, and M3 for one pixel, and time division is performed between each of the memory cells M0, M1, M2, and M3 and the photosensitive unit PD. Electrical switches S0, S1, S2, and S3 that are turned on are provided. Each of the electric switches S0, S1, S2, S3 is turned on during a period of T0, T1, T2, T3 in FIG. By repeating this operation over a plurality of cycles, it is possible to improve the S / N ratio with respect to dark current noise, shot noise (noise due to variation in generation of electron-hole pairs), steady noise of the amplifier circuit, and the like. The detected values A0, A1, A2, A3 are stored in the memory cells M0, M1, M2, M3. Such an operation will be referred to as “synchronous integration”. The image sensor in FIG. 6 includes a shift register SR for reading data, and each memory cell of the shift register SR from one photosensitive unit PD via four electric switches S0, S1, S2, and S3 that are turned on in a time-division manner. Light receiving signals are accumulated in M0, M1, M2, and M3, and the light receiving signals are read out by the transfer function of the shift register SR.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, if an image sensor having a special structure as shown in FIG. 5 or FIG. 6 is separately manufactured, the manufacturing cost increases and the cost of the entire distance measuring apparatus increases. Therefore, various studies were conducted to determine whether synchronous integration could be achieved by devising a general control method for the CCD image sensor. It was found that the voltage applied to the overflow drain electrode or the vertical transfer electrode of the CCD image sensor was carefully controlled. It was found that the same operation as that of the synchronous integration can be realized.
[0007]
The present invention has been made based on such knowledge, and by devising a control method of a general CCD image pickup device, it is possible to realize substantially the same operation as performing synchronous integration. It is an object of the present invention to realize lightwave distance measurement, which conventionally requires an image sensor having a special structure, at low cost by using a general CCD image sensor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a distance measuring apparatus according to the present invention has a plurality of photosensitive units arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate as shown in FIG. 1, and applies a voltage to the semiconductor substrate. And a voltage that modulates the sensitivity of each of the photosensitive units on the semiconductor substrate of the image sensor 4 in synchronization with a modulation signal of the intensity-modulated light. And a sensitivity control unit 5 for applying the voltage. More specifically, an imaging optical system 3 for imaging reflected light from the object 2 irradiated by the intensity-modulated light on a surface of the image sensor 4 on which sensor elements are arranged, and the intensity-modulated optical system 3. A sensitivity control unit 5 for applying a control voltage to the semiconductor substrate of the image sensor 4 to reduce the sensitivity of the photosensitive unit of the image sensor 4 in synchronization with the modulated light signal, and A storage unit 6 that reads out the charge stored in the storage unit of the imaging element 4 by the transfer unit and stores the measured value as a measurement value, and a control voltage for reducing the sensitivity of the photosensitive unit during one cycle of the intensity modulation is applied. A detection phase setting unit 7 that switches the phase of the low-sensitivity period every time a measured value is stored in the storage unit 6, and captures an image based on a plurality of measured values with different phases of the low-sensitivity period stored in the storage unit 6. For each sensor element of element 4 It is characterized in that it has a distance measuring arithmetic unit 8 for calculating the distance information up to the object 2.
[0009]
Here, as shown in FIG. 1B, the image pickup device 4 used in the distance measuring device of the present invention includes a photosensitive section PD for generating signal charges according to the amount of received light, and a signal charge generated in the photosensitive section PD. Sensor elements including a storage section M for storing and an electric switch S for opening and closing the transfer of signal charges from the photosensitive section PD to the storage section M are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate. An image pickup device having a structure in which a transfer portion T for reading out stored charges from the storage portion M is formed on the semiconductor substrate, and the electric switch S can be opened and closed at a high frequency by applying a voltage to a specific electrode (for example, a transfer electrode) of the semiconductor substrate. Although the electric switch S cannot be opened and closed at a high frequency, as shown in FIG. The imaging element having sensitivity variable photosensitive unit PD 'of the sensitivity by applying a voltage to the load lane electrode) can be increased or decreased at a high frequency. Specifically, it is an interline transfer CCD image pickup device having a vertical or horizontal overflow drain electrode, or a frame transfer CCD image pickup device having a vertical or horizontal overflow drain electrode, or a composite type thereof. A frame interline transfer type CCD image sensor can be used.
[0010]
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the present invention. In the figure, (a) shows the phase of the irradiation light W, and (b) to (e) show the detection phase for synchronous integration set by the detection phase setting unit 7. In the related art, as shown in FIG. 5 or FIG. 6, one photosensitive element PD, a plurality of switches S0 to S3, and a plurality of memory cells M0 to M3 are provided for each sensor element, and switches S0 and S1 are provided. , S2, and S3 are turned on in a time-division manner at the detection phases shown in FIGS. 2B, 2C, 2D, and 2E, respectively. In the present invention, as shown in FIG. 1B, for each sensor element, a photosensitive portion PD for generating a signal charge according to the amount of received light, and a storage portion M for storing the signal charge generated in the photosensitive portion PD. And one electric switch S for opening and closing the transfer of the signal charge from the photosensitive unit PD to the storage unit M, and the electric switch S is repeatedly turned on at the detection phase of FIG. As a result, a measured value corresponding to A0 in FIG. 4 is obtained in the storage unit M, and this is read by the transfer unit T for one screen. At the time of the second, third, and fourth imagings, the electric switch S is repeatedly turned on at the detection phases of FIGS. 2C, 2D, and 2E, respectively, so that A1, A2, and A2 of FIG. A measurement value corresponding to A3 is obtained, and this is read out by the transfer unit T for each screen. The above operation is totally controlled by the control circuit 9. In this way, four times the measurement time is required as compared with the case of using the imaging device having the structure shown in FIG. 5 or FIG. Can be obtained, and lightwave distance measurement can be realized using a general CCD image pickup device. The distance calculation unit 8 may be any unit that can substantially calculate distance information, and may be constituted by any means such as a microcomputer, a DSP, and an operational amplifier.
[0011]
By the way, in the most common interline transfer type CCD image pickup device as the CCD image pickup device, the electrode constituting the electric switch S of FIG. 1B is also used as a vertical transfer electrode, and this electrode is formed on a semiconductor substrate. In this case, the capacitance is large in proportion to the shape, and it is extremely difficult to open and close at a high frequency of several tens of MHz when the capacitance is large. In such a case, it is not suitable for use in realizing short-distance lightwave distance measurement using a general CCD image pickup device.
[0012]
Therefore, as shown in FIG. 1C, while only the electric switch S between the photosensitive unit and the storage unit is kept in the ON state, only the sensitivity of the photosensitive unit is periodically reduced in synchronization with the irradiation light. We examined whether there is a means to do it. Since the sensitivity of the photosensitive portion is, in short, the efficiency of generation of photoelectrons with respect to the amount of received light, if a part of the generated photoelectrons can be discarded, the sensitivity is substantially reduced.
[0013]
As a means for discarding photoelectrons in such a photosensitive portion, some CCD image sensors have a structure called an overflow drain for discarding excess signal charges to a substrate. This overflow drain discards signal charges exceeding a predetermined level to the substrate in order to prevent excess signal charges generated from affecting the surrounding photosensitive parts when light that is originally too strong in the photosensitive area is obtained. However, if the overflow drain intentionally lowers the level at which the signal charge overflows, the signal charge is discarded as excessive even if the signal charge in the photosensitive portion is not excessive. As a result, the sensitivity of the photosensitive portion can be substantially reduced. In addition, since the overflow drain is directly connected to the substrate, the capacitance is small depending on the shape, and switching at several tens of MHz is possible. Therefore, if the level at which the overflow drain causes the signal charge to overflow in a phase in which light is not to be detected is set low, the sensitivity of the photosensitive portion can be modulated in accordance with the cycle of the irradiation light.
[0014]
Of course, the concept of using the overflow drain electrode for the electronic shutter of a CCD camera has existed in the past, but since it was intended for one-shot exposure, the charge in the storage unit was initialized. It was to start the integration. There is no known control method for realizing a plurality of exposures by controlling the voltage applied to the overflow drain electrode without initializing the charge in the storage section and leaving the residual image from the previous exposure.
[0015]
Hereinafter, as an embodiment of the present invention, an interline transfer type CCD image pickup device and a frame transfer type CCD image pickup device having a vertical or horizontal overflow drain electrode will be described specifically for realizing the same operation as synchronous integration. A detailed control method will be described in detail.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 7 shows a configuration of an interline transfer type CCD (IT-CCD) having a vertical overflow drain (VOD) electrode. On the surface of the n-type substrate 10, a vertical overflow drain (VOD) electrode 11 made of an aluminum electrode is formed so as to directly contact the substrate without an insulating film. The control voltage Vs is applied to the VOD electrode 11. A p-type region 12 is formed in a portion of the surface of the n-type substrate 10 surrounded by the VOD electrode 11. In the p-type region 12, a plurality of photodiodes are formed separately. In the figure, the portion denoted by PD is a photodiode, and the surface other than the portion where the photodiode PD is formed is covered with a light shielding film (not shown). Although FIG. 7 shows three rows of photodiodes PD in the vertical direction and four rows of photodiodes in the horizontal direction, a larger number of photodiodes PD are actually formed. Electrodes a, b, c, d and a ', b', c ', d' formed adjacent to each photodiode PD are electrodes of a vertical transfer CCD, and are generated by the photodiode PD below these electrodes. The stored signal charges are accumulated, and the accumulated signal charges are transferred to the horizontal transfer CCD by the four-phase vertical transfer voltages V1, V2, V3, and V4. (The electrodes of the vertical transfer CCD formed adjacent to the photodiodes PD in each column are connected via wiring (not shown) so that the same vertical transfer voltage is applied to the electrodes arranged in the horizontal direction.) The horizontal transfer CCD has horizontal transfer electrodes e, f, e ', f', e ", f" for transferring electric charges by two-phase horizontal transfer voltages VH1, VH2. In an IT-CCD, it is very common that vertical transfer is performed by a four-phase clock and horizontal transfer is performed by a two-phase clock. The mechanism of the charge transfer is well known, and a detailed description thereof will be omitted.
[0017]
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the photodiode PD and the vertical transfer electrodes a and b. As described above, the p-type region 12 is formed on the surface of the n-type substrate 10, and a plurality of photodiodes PD are formed on the surface of the p-type region 12. Each photodiode PD includes an n + region 13 and a p-type region 12. A p + layer 14 is formed on the surface of the photodiode PD. Explaining the effect of the p + layer 14, the crystal structure of the substrate surface is poor in crystallinity and energy stability is poor (energy is active), so that electron-hole pairs are easily generated by thermal excitation. This becomes a dark current, which causes the S / N ratio of the signal charge to deteriorate. In order to prevent this effect, the role of the p + layer 14 is to prevent signal charges from passing near the surface, and a photodiode having this structure is called a buried photodiode or the like. An n-layer 15 constituting a vertical transfer CCD is formed on the surface of the p-type region 12 adjacent to each photodiode PD. On the surface of this n-layer 15, SiO 2 Vertical transfer electrodes a and b made of a polysilicon gate electrode are formed via an insulating thin film 16 made of the same. Since the polysilicon gate electrode is formed with the insulating thin film 16 interposed therebetween, the capacitance is large for the shape, and when the capacitance is large, it is difficult to switch at a high frequency of several tens of MHz. The cross-sectional structure of the photodiode PD and the vertical transfer electrodes c and d is the same as that in FIG.
[0018]
FIG. 9 shows a cross-sectional structure of the vertical transfer electrodes a, b, c, and d of the vertical transfer CCD along line AA 'in FIG. The first vertical transfer electrodes a and c play a role of reading out charges from the photodiode PD to the vertical transfer CCD and performing vertical transfer. The second vertical transfer electrodes b and d play a role of vertical transfer. A light shielding film 17 is formed above the vertical transfer electrodes a, b, c, and d.
[0019]
FIG. 10 shows the electron potential along the thick broken line in FIG. That is, the n + layer 13 to the p + layer 14 'of the vertical transfer CCD (strictly formed in a separate process from the p + layer 14 on the substrate surface), the n + layer 13, the p-type region 12, and the n-type 3 shows the potential of electrons along the substrate 10. The potential barrier (shown by a broken line on the right side in FIG. 10) of the p + layer 14 between the photodiode PD and the vertical transfer CCD can be broken by increasing the voltage applied to the vertical transfer electrodes a and c. In addition, the potential barrier of the p-type region 12 between the photodiode PD and the n-type substrate 10 (shown by a broken line on the left side in FIG. 10) can be broken by increasing the voltage applied to the VOD electrode 11. In the figure, a white circle with a minus (-) sign means a photoelectron. Further, a photoelectron in a portion of the photodiode PD with a pattern such as "mane" around the photoelectron means a photoelectron generated by photoelectric conversion. The same applies to the following description.
[0020]
In the IT-CCD, the original reason for providing the VOD electrode is to release excessive signal charges to the n-type substrate 10 when very strong light enters the photodiode PD. If it is desired to lower the sensitivity of the photodiode PD even if the signal charge is not excessive, the sensitivity of the photodiode PD is made variable by making the signal charge excessive and causing overflow to the substrate. That is, when it is desired to lower the sensitivity of the photodiode PD, a high + voltage is applied to the VOD electrode 11 to lower the potential barrier of the p-type region 12 between the n + layer 13 of the photodiode PD and the n-type substrate 10. Thus, the charges generated by the photodiode PD are released to the n-type substrate 10. Although a potential barrier of the p + layer 14 'exists between the photodiode PD and the vertical transfer CCD, the potential barrier of the p + layer 14' is reduced by applying a predetermined + voltage to the first vertical transfer electrode a. The charges generated in the photodiode PD can be collected below the vertical transfer electrode a. When a high + voltage is applied to the VOD electrode 11, the charge generated by the photodiode PD slightly flows into the vertical transfer CCD, but mainly toward the n-type substrate 10 having a relatively low electron potential. Since the photodiode PD is discarded, the sensitivity (photoelectric conversion efficiency) of the photodiode PD is substantially reduced. This photoelectron discard period is defined as a synchronous integration pause period (non-detection phase). When the voltage applied to the VOD electrode 11 is reduced to stop discarding photoelectrons, the charge generated in the photodiode PD efficiently flows to the vertical transfer CCD and is accumulated below the vertical transfer electrode. This photoelectron accumulation period is referred to as a synchronous integration period (detection phase).
[0021]
The operation of the VOD type IT-CCD in each period of accumulation, disposal, and readout of photoelectrons will be described with reference to FIG. During the photoelectron accumulation period, the voltage applied to the VOD electrode 11 is low, and a sufficiently high voltage V1 is applied to the vertical transfer electrode a formed next to the photodiode PD, as shown in FIG. In addition, the potential of the n layer 15 below the vertical transfer electrode is lowered, and the potential barrier by the p + layer 14 'formed between the n layer 15 and the n + layer 13 is broken. This corresponds to that the electric switch S in FIG. 1C is closed. In this case, photoelectrons generated in the n + layer 13 are accumulated in the n layer 15 below the vertical transfer electrode.
[0022]
During the photoelectron discard period, a high + voltage Vs is applied to the VOD electrode 11 connected to the n-type substrate 10 to lower the potential of the n-type substrate 10. When the applied voltage Vs is sufficiently high, as shown in FIG. 11B, the potential barrier by the p-type region 12 formed between the n-type substrate 10 and the n + layer 13 is broken, and the photoelectrons generated in the n + layer 13 Most are discarded on the n-type substrate 10. At this time, the voltage V1 is kept applied to the vertical transfer electrode a, as in the photoelectron accumulation period. This corresponds to the electric switch S in FIG. 1 (c) being kept closed. When the applied voltage Vs of the VOD electrode 11 is set such that the potential of the n-type substrate 10 is lower than the potential of the n-layer 15 below the vertical transfer electrode, photoelectrons generated in the n + layer 13 are attracted to the lower potential. Therefore, most of them are discarded to the VOD electrode 11 (n-type substrate 10) without going to the vertical transfer electrode a side. Further, the photoelectrons accumulated in the n-layer 15 below the vertical transfer electrode during the photoelectron accumulation period are not discarded on the VOD electrode 11 (n-type substrate 10) side because of the potential barrier of the n + layer 13. .
[0023]
The photoelectron accumulation period (FIG. 11 (a)) and the photoelectron discard period (FIG. 11 (b)) alternate within one cycle of the irradiation light, and for example, as shown in FIG. Photoelectrons are accumulated only in the synchronous integration period), and in the remaining non-detection phase (integration pause), the photoelectrons (generated in the photosensitive portion while leaving the photoelectrons in the accumulation portion) are discarded. By repeating this operation over a plurality of cycles of the irradiation light, a detection value corresponding to A0 in FIG. 4 is obtained for each pixel. This detected value is read for the time being.
[0024]
In the readout period of the accumulated photoelectrons, as shown in FIG. 11C, a potential barrier is generated between the n layer 15 of the vertical transfer CCD and the n + layer 13 of the photodiode PD by the p + layer 14 '. The voltage V1 of the vertical transfer electrode a is set low, and four-phase transfer clocks are applied to the transfer voltages V1 to V4 to read out the stored signal charges. This corresponds to the state where the electric switch S in FIG. 1B is open.
[0025]
When a detection value corresponding to A0 in FIG. 4 is obtained for each pixel in this manner, the detection phase is shifted by 90 degrees to irradiate the accumulation and disposal of photoelectrons as shown in FIG. By repeating over a plurality of periods of light, a detection value corresponding to A1 in FIG. 4 is obtained for each pixel. When this detection value is read, the detection phase is shifted by 180 degrees and 270 degrees, as shown in FIG. 2D and FIG. By repeating over a plurality of cycles, detection values corresponding to A2 and A3 in FIG. 4 are obtained for each pixel. Needless to say, the number of times of synchronous integration is the same.
[0026]
The order in which the detection phases are shifted is not limited to the above. For example, a detection value of A3 is first obtained and stored in the first image memory in accordance with a calculation formula of the distance measurement operation: {= arctan {(A3-A1) / (A0-A2)}, and then A1 is obtained. (A3-A1) is overwritten on the same first image memory. Next, the detected value of A0 is obtained and stored in the second image memory, and the detected value of A2 is obtained and (A0-A2) is overwritten on the same second image memory. In this case, the storage capacity of the image memory is reduced to half.
[0027]
Further, the detection phase does not necessarily have to be a limited narrow period in one cycle as shown in FIGS. 2B to 2E, and the detection phase may be widened in order to increase the S / N ratio. Absent. For example, a first image in which a half of one cycle is measured as a detection phase and the other half as a non-detection phase, and a first image in which the detection phase and the non-detection phase are interchanged, Can be obtained by simply comparing.
[0028]
Furthermore, the intensity of the irradiation light is not necessarily a sine wave, and the irradiation light may be intensity-modulated by a rectangular wave or a triangular wave.
Further, the intensity-modulated irradiation light does not need to be visible light, and if it is invisible near-infrared light, it can be used for nighttime monitoring applications.
[0029]
By the way, the CCD having the vertical overflow drain electrode has a disadvantage that the light receiving area of the photodiode PD can be increased, but the n + region of the photodiode PD cannot be formed deep, so that the sensitivity to near infrared light is low. Therefore, in order to solve this drawback, an IT-CCD having a horizontal overflow drain (LOD) electrode capable of forming the n + region of the photodiode PD deep will be described below.
[0030]
(Embodiment 2)
FIG. 12 shows a configuration of an interline transfer type CCD (IT-CCD) having a horizontal overflow drain (LOD). A plurality of n-type regions 20 are formed on the surface of the p-type substrate 22 in the vertical direction, and each n-type region 20 is connected to a LOD electrode 21 made of an aluminum electrode. The control voltage Vs is applied to the LOD electrode 21. A plurality of photodiodes are formed separately on the surface of the p-type substrate 22 adjacent to each n-type region 20. In the drawing, the portion denoted by PD is a photodiode, and the surface other than the portion where the photodiode PD is formed is covered with a light shielding film. In FIG. 12, three columns of photodiodes PD in the vertical direction and four rows of photodiodes PD in the horizontal direction are shown, but actually, a larger number of photodiodes PD are formed. Electrodes a, b, c, d and a ', b', c ', d' formed adjacent to each photodiode PD are electrodes of a vertical transfer CCD, and are generated by the photodiode PD below these electrodes. The stored signal charges are accumulated, and the accumulated signal charges are transferred to the horizontal transfer CCD by the four-phase vertical transfer voltages V1, V2, V3, and V4. (The electrodes of the vertical transfer CCD formed adjacent to the photodiodes PD in each column are connected via wiring (not shown) so that the same vertical transfer voltage is applied to the electrodes arranged in the horizontal direction.) The horizontal transfer CCD has horizontal transfer electrodes e, f, e ', f', e ", f" for transferring electric charges by two-phase horizontal transfer voltages VH1, VH2. In an IT-CCD, it is very common that vertical transfer is performed by a four-phase clock and horizontal transfer is performed by a two-phase clock. The mechanism of the charge transfer is well known, and a detailed description thereof will be omitted.
[0031]
FIG. 13 shows a cross-sectional structure around the photodiode PD and the vertical transfer electrodes a and b. As described above, the n-type region 20 connected to the LOD electrode 21 is formed on the surface of the p-type substrate 22, and the photodiode PD is formed adjacent to the n-type region 20. Each photodiode PD includes an n + region 23 and a p-type substrate 22. A p + layer 24 is formed on the surface of the photodiode PD. Explaining the effect of the p + layer 24, the crystal structure of the substrate surface is poor in crystallinity and energy stability is poor (energy is active), so that electron-hole pairs are easily generated by thermal excitation. This becomes a dark current, which causes the S / N ratio of the signal charge to deteriorate. To prevent this effect, the role of the p + layer 24 is to prevent signal charges from passing near the surface, and a photodiode having this structure is called a buried photodiode or the like. An n-layer 25 constituting the vertical transfer CCD is formed on the surface of the p-type substrate 22 adjacent to each photodiode PD. On the surface of this n-layer 25, SiO 2 Vertical transfer electrodes a and b made of a polysilicon gate electrode are formed with an insulating thin film 26 made of. Since the polysilicon gate electrode is formed with the insulating thin film 26 interposed therebetween, the capacitance is large for the shape, and when the capacitance is large, it is difficult to switch at a high frequency of several tens of MHz. The cross-sectional structure around the photodiode PD and the vertical transfer electrodes c and d is the same as that in FIG.
[0032]
The cross-sectional structure along the line AA ′ in FIG. 13 is the same as that in FIG. The first vertical transfer electrodes a and c play a role of reading out charges from the photodiode PD to the vertical transfer CCD and performing vertical transfer. The second vertical transfer electrodes b and d play a role of vertical transfer. A light shielding film 27 is formed above the vertical transfer electrodes a, b, c, and d. Further, a light-shielding film 27 is also formed above the n-type region 20 connected to the LOD electrode 21.
[0033]
FIG. 14 shows the electron potential along the thick broken line in FIG. That is, the n layer 25 to the p + layer 24 'of the vertical transfer CCD (strictly formed in a separate process from the p + layer 24 on the substrate surface), the n + layer 23, the p + layer 24' of the photodiode PD, and the LOD electrode 2 shows the potential of electrons along an n-type region 20 connected to 21. The potential barrier (shown by a broken line on the right side in FIG. 14) of the p + layer 24 'between the photodiode PD and the vertical transfer CCD can be broken by increasing the voltage applied to the vertical transfer electrodes a and c. Further, the potential barrier (indicated by the broken line on the left side in FIG. 14) of the p + layer 24 ′ between the photodiode PD and the n-type region 20 can be broken by increasing the voltage applied to the LOD electrode 21.
[0034]
The original reason for providing the LOD electrode in the LOD type IT-CCD is that when extremely strong light is incident on the photodiode PD, excess signal charges are released to the n-type region 20 adjacent to the photodiode PD. However, in the present invention, even if the signal charge is not excessive, when it is desired to lower the sensitivity of the photodiode PD, it is determined that the signal charge is excessive and overflows to the n-type region 20. The sensitivity of the photodiode PD is variable. That is, when it is desired to lower the sensitivity of the photodiode PD, a high + voltage is applied to the LOD electrode 21 to lower the potential barrier of the p + layer 24 ′ between the n + layer 23 and the n-type region 20 of the photodiode PD. Thus, the charges generated by the photodiode PD are released to the n-type region 20. Although a potential barrier of the p + layer 24 'exists between the photodiode PD and the vertical transfer CCD, the potential barrier of the p + layer 24' is reduced by applying a predetermined + voltage to the first vertical transfer electrode a. The charges generated in the photodiode PD can be collected below the vertical transfer electrode a. When a high + voltage is applied to the LOD electrode 21, the charge generated in the photodiode PD slightly flows to the vertical transfer CCD, but is mainly discarded toward the n-type region 20. The sensitivity (photoelectric conversion efficiency) of the photodiode PD substantially decreases. This photoelectron discard period is defined as a synchronous integration pause period (non-detection phase). When the voltage applied to the LOD electrode 21 is reduced to stop discarding photoelectrons, the charge generated in the photodiode PD efficiently flows to the vertical transfer CCD and is accumulated below the vertical transfer electrode. This photoelectron accumulation period is referred to as a synchronous integration period (detection phase).
[0035]
The operation of the LOD type IT-CCD in each period of accumulating, discarding, and reading out photoelectrons will be described with reference to FIG. During the photoelectron accumulation period, the voltage applied to the LOD electrode 21 is low, and a sufficiently high voltage V1 is applied to the vertical transfer electrode a formed next to the photodiode PD, as shown in FIG. The potential of the n layer 25 below the vertical transfer electrode is lowered, and the potential barrier by the p + layer 24 'formed between the n layer 25 and the n + layer 23 is broken. This corresponds to that the electric switch S in FIG. 1C is closed. In this case, photoelectrons generated in the n + layer 23 are accumulated in the n layer 25 below the vertical transfer electrode.
[0036]
During the photoelectron discard period, a high + voltage Vs is applied to the LOD electrode 21 connected to the n-type region 20 to lower the potential of the n-type region 20. When the applied voltage Vs is sufficiently high, as shown in FIG. 15B, the potential barrier by the p + layer 24 ′ formed between the n-type region 20 and the n + layer 23 collapses, and the photoelectrons generated in the n + layer 23 are broken. Most are discarded in the n-type region 20. At this time, the voltage V1 is kept applied to the vertical transfer electrode a, as in the photoelectron accumulation period. This corresponds to the electric switch S in FIG. 1 (c) being kept closed. When the voltage Vs applied to the LOD electrode 21 is set such that the potential of the n-type region 20 is lower than the potential of the n-layer 25 below the vertical transfer electrode, photoelectrons generated in the n + layer 23 are attracted to the lower potential. Therefore, most of the data is discarded to the LOD electrode 21 via the n-type region 20 without going to the side of the vertical transfer electrode a. The photoelectrons accumulated in the n-layer 25 below the vertical transfer electrode during the photoelectron accumulation period are not discarded on the LOD electrode 21 (n-type region 20) side because of the potential barrier of the n + layer 23. .
[0037]
The photoelectron accumulation period (FIG. 15A) and the photoelectron discard period (FIG. 15B) alternate within one cycle of the irradiation light, and for example, as shown in FIG. Photoelectrons are accumulated only in the synchronous integration period), and are discarded in the remaining non-detection phase (integration pause). By repeating this operation over a plurality of cycles of the irradiation light, a detection value corresponding to A0 in FIG. 4 is obtained for each pixel. This detected value is read for the time being.
[0038]
In the readout period of the accumulated photoelectrons, as shown in FIG. 15C, a potential barrier is generated between the n layer 25 of the vertical transfer CCD and the n + layer 23 of the photodiode PD by the p + layer 24 '. The voltage V1 of the vertical transfer electrode a is set low, and four-phase transfer clocks are applied to the transfer voltages V1 to V4 to read out the stored signal charges. This corresponds to the state where the electric switch S in FIG. 1B is open.
[0039]
When a detection value corresponding to A0 in FIG. 4 is obtained for each pixel in this manner, the detection phase is shifted by 90 degrees to irradiate the accumulation and disposal of photoelectrons as shown in FIG. By repeating over a plurality of periods of light, a detection value corresponding to A1 in FIG. 4 is obtained for each pixel. When this detection value is read, the detection phase is shifted by 180 degrees and 270 degrees, as shown in FIG. 2D and FIG. By repeating over a plurality of cycles, detection values corresponding to A2 and A3 in FIG. 4 are obtained for each pixel. Needless to say, the number of times of synchronous integration is the same.
[0040]
By the way, in the IT-CCD having the horizontal overflow drain electrode, the n + region 23 for forming the photodiode PD can be formed deep in the p-type substrate 22, so that there is an advantage that the detection sensitivity to near infrared rays can be increased. . On the other hand, there is a need for an area for providing the n-type region 20 connected to the LOD electrode 21 adjacent to the photodiode PD, and the light receiving area of the photodiode PD is reduced by that amount, so that the aperture ratio decreases. is there. In the IT-CCD, it is necessary to provide a vertical transfer CCD adjacent to the photodiode PD, so that the light receiving area of the photodiode PD is limited accordingly. Therefore, an FT-CCD in which the photodiode PD itself has a transfer function to increase the light receiving area will be described below.
[0041]
(Embodiment 3)
FIG. 16 shows a configuration of a frame transfer type CCD (FT-CCD) having a vertical overflow drain (VOD) electrode. On the surface of the n-type substrate 30, a vertical overflow drain (VOD) electrode 31 made of an aluminum electrode is formed so as to directly contact the substrate without interposing an insulating film. The control voltage Vs is applied to the VOD electrode 31. A p-type region 32 is formed in a portion of the surface of the n-type substrate 30 surrounded by the VOD electrode 31. In the p-type region 32, a plurality of vertically long n-type regions 35 are formed. A portion surrounded by a broken line in FIG. 16 constitutes a photodiode PD for one pixel, and a cross-sectional structure thereof is shown in FIG.
[0042]
On the surface of the n-type region 35, SiO 2 A plurality of polysilicon gate electrodes a, b, and c are formed along the longitudinal direction of the n-type region 35 with the insulating thin film 36 formed therebetween. Each of the polysilicon gate electrodes a, b, and c is formed to extend in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the n-type region 35, and one pixel is constituted by three gate electrodes a, b, and c. . Although only a limited number of pixels are shown in FIG. 16, actually, a number of pixels according to the horizontal and vertical resolutions are configured.
[0043]
Polysilicon gate electrodes a, b, c and SiO 2 Since the insulating thin film 36 made of light transmits light, photoelectrons are generated in the n-type region 35. However, portions other than the imaging unit in FIG. 16 are covered with a light shielding film, and no photoelectrons are generated in the accumulation unit and the horizontal transfer unit. The storage unit transfers the signal charges of the imaging unit at a high speed during the vertical blanking period, and reads out the signal charges stored in the storage unit via the horizontal transfer unit until the next vertical blanking period. is there. Voltages φ1 to φ3 applied to the gate electrode of the storage unit are separated from voltages V1 to V6 applied to the gate electrode of the imaging unit, and image signals are being read from the storage unit via the horizontal transfer unit. , Signal charges can be accumulated in the imaging unit. Therefore, when the frame transfer type CCD is used, the accumulation time of the synchronous integration can be made longer than when the interline transfer type CCD is used. In this example, signal charges can be transferred from the imaging unit to the storage unit using six-phase transfer voltages V1 to V6. On the other hand, signal charges can be transferred from the storage unit to the horizontal transfer unit using three-phase transfer voltages φ1 to φ3. (The gate electrodes of the imaging unit and the storage unit are connected via wiring (not shown) so that the same transfer voltages V1 to V6 and φ1 to φ3 are applied to the electrodes arranged in the horizontal direction.) Is the same as the above-mentioned horizontal transfer CCD, and therefore detailed description is omitted, but also here, signal charges can be transferred using two-phase transfer voltages VH1 and VH2.
[0044]
FIG. 18 shows the electron potential along the broken line in FIG. Although a potential barrier due to the p-type region 32 exists between the n-type region 35 where photoelectrons are generated and the n-type substrate 30 as shown by a broken line in FIG. 18, the VOD electrode 31 connected to the n-type substrate 30 When a high + voltage is applied, the potential barrier can be broken, and signal charges (photoelectrons) from the n-type region 35 to the n-type substrate 30 can be discarded.
[0045]
In the photoelectron accumulation period, the voltage Vs applied to the VOD electrode 31 is kept low so that a potential barrier by the p-type region 32 exists between the n-type region 35 and the n-type substrate 30. Further, as shown in FIG. 19 (a), three gate electrodes a, b, and c are used for one pixel, and the highest + voltage is applied to the central gate electrode b. Not only photoelectrons but also photoelectrons generated under the gate electrodes a and c are accumulated in the potential well below the gate electrode b. This situation is shown in FIG. FIG. 19C shows the electron potential with respect to the thick alternate long and short dash line in FIG. FIG. 19D shows the electron potential for the thick broken line in FIG. 19B for each of the gate electrodes a, b, and c.
[0046]
In the photoelectron discard period, a high + voltage is applied to the VOD electrode 31 to reduce the height of the potential barrier by the p-type region 32 between the n-type region 35 and the n-type substrate 30 as shown in FIG. Lower from the broken line to the solid line. At this time, the voltage applied to the VOD electrode 31 is such that the potential of the n-type substrate 30 is higher than the potential of the n-type region 35 below the gate electrode b, and is higher than the potential of the n-type region 35 below the gate electrodes a and c. Set to lower. The voltage applied to the gate electrodes a, b, and c is the same as that during the accumulation period of photoelectrons, and a higher voltage is applied to the central gate electrode b than to the gate electrodes a and c on both sides. Under the gate electrodes a and c, the potential barrier due to the p-type region 32 is completely broken down, but below the central gate electrode b, the potential barrier due to the p-type region 32 is completely broken down only by decreasing the height. Not done. For this reason, most of the photoelectrons generated under the gate electrodes a and c on both sides are discarded to the n-type substrate 30, but the photoelectrons generated under the central gate electrode b are not discarded, and during the photoelectron accumulation period. Photoelectrons accumulated under the central gate electrode b are not discarded.
[0047]
When the above-mentioned accumulation and disposal of photoelectrons are repeated a plurality of times, the photoelectrons accumulated from the gate electrodes a and b on both sides to the central gate electrode b during the photoelectron accumulation period are accumulated under the central gate electrode b. Will be done. Since the central gate electrode b always accumulates photoelectrons, the average value obtained by the constant integration is added to the detection value obtained by the synchronous integration. However, the detection value obtained by the synchronous integration is obtained from the gate electrodes a and b on both sides. , Sufficient contrast can be obtained.
[0048]
Further, for example, in one cycle of the irradiation light, a plurality of images obtained by synchronizing and integrating the photoelectron accumulation period with half as the photoelectron accumulation period and the other half as the photoelectron discard period are observed while shifting the phase of the photoelectron accumulation period with respect to the irradiation light. In this case, the distance information can be calculated. Therefore, in an application in which the accumulation period of photoelectrons is long as in this example, the FT-CCD can be used because the contrast is increased.
[0049]
Furthermore, not only three gate electrodes but also a large number of gate electrodes, such as five or seven, constitute one pixel, and if photoelectrons are concentrated on one central gate electrode, the surrounding gate electrodes can be formed. The component of the detection value obtained by the synchronous integration collected from the above becomes relatively larger than the component of the average value obtained by the continuous integration at the center gate electrode, and the contrast can be further improved.
[0050]
Since the vertical overflow drain electrode 31 needs to form an aluminum electrode on the n-type substrate 30 surrounding the p-type region 32 so as to surround the p-type region 32, the p-type region 32 may not be formed by epitaxial growth. Can not. When formed by the diffusion method, the p-type region cannot be formed too deep. Therefore, the n-type region 35 serving as a photodiode is formed to be shallower than the p-type region 32, and the sensitivity to near infrared rays is low. In order to solve this disadvantage, an FT-CCD having a horizontal overflow drain (LOD) electrode capable of forming the n + region of the photodiode PD deep will be described below.
[0051]
(Embodiment 4)
FIG. 20 shows a configuration of a frame transfer type CCD (FT-CCD) having a horizontal overflow drain (LOD) electrode. A portion surrounded by a broken line in FIG. 20 constitutes a photodiode PD for one pixel, and a cross-sectional structure thereof is shown in FIG. On the surface of the p-type substrate 42, a p-type region 42 'is formed by epitaxial growth so that the n-type region 45 serving as a photodiode can be formed deep. The feature is that the sensitivity to near-infrared light can be increased by forming the n-type region 45 to be a photodiode deep. A p + region 44 is formed adjacent to an n-type region 45 serving as a photodiode, and an n-type region 40 serving as a horizontal overflow drain is formed in the p + region 44. An n-type region 45 serving as a photodiode and an n-type region 40 serving as a horizontal overflow drain extend adjacently in the vertical transfer direction of the substrate, and each n-type region 40 is formed of a horizontal overflow drain (LOD) made of an aluminum electrode. It is connected to the electrode 41. The control voltage Vs is applied to the LOD electrode 41.
[0052]
On the surface of the n-type region 45, SiO 2 A plurality of polysilicon gate electrodes a, b, and c are formed along the longitudinal direction of the n-type region 45 with an insulating thin film 46 formed therebetween. Each of the polysilicon gate electrodes a, b, and c is formed to extend in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the n-type region 45, and one pixel is constituted by three gate electrodes a, b, and c. . Although only a limited number of pixels are shown in FIG. 20, actually, a number of pixels are configured according to the horizontal and vertical resolutions.
[0053]
Polysilicon gate electrodes a, b, c and SiO 2 Since the insulating thin film 46 made of light transmits light, photoelectrons are generated in the n-type region 45. However, portions other than the imaging unit in FIG. 20 are covered with a light-shielding film, and no photoelectrons are generated in the accumulation unit and the horizontal transfer unit. The storage unit transfers the signal charges of the imaging unit at a high speed during the vertical blanking period, and reads out the signal charges stored in the storage unit via the horizontal transfer unit until the next vertical blanking period. is there. Voltages φ1 to φ3 applied to the gate electrode of the storage unit are separated from voltages V1 to V6 applied to the gate electrode of the imaging unit, and image signals are being read from the storage unit via the horizontal transfer unit. , Signal charges can be accumulated in the imaging unit. Therefore, when the frame transfer type CCD is used, the accumulation time of the synchronous integration can be made longer than when the interline transfer type CCD is used. In this example, signal charges can be transferred from the imaging unit to the storage unit using six-phase transfer voltages V1 to V6. On the other hand, signal charges can be transferred from the storage unit to the horizontal transfer unit using three-phase transfer voltages φ1 to φ3. (The gate electrodes of the imaging unit and the storage unit are connected via wiring (not shown) so that the same transfer voltages V1 to V6 and φ1 to φ3 are applied to the electrodes arranged in the horizontal direction.) Is the same as the above-mentioned horizontal transfer CCD, and therefore detailed description is omitted, but also here, signal charges can be transferred using two-phase transfer voltages VH1 and VH2.
[0054]
FIG. 22 shows the potential of the electrons along the broken line in FIG. Although a potential barrier due to the p + region 44 exists between the n-type region 45 where photoelectrons are generated and the n-type region 40 adjacent thereto via the p + region 44 as shown by a broken line in FIG. When a high + voltage is applied to the LOD electrode 41 connected to the region 40, this potential barrier can be broken, and signal charges (photoelectrons) can be discarded from the n-type region 45 to the LOD electrode 41 via the n-type region 40. it can.
[0055]
During the photoelectron accumulation period, the voltage Vs applied to the LOD electrode 41 is kept low, and a potential barrier by the p + region 44 exists between the n-type region 45 and the n-type region 40. Also, as shown in FIG. 23 (a), three gate electrodes a, b, and c are used for one pixel, and the highest + voltage is applied to the central gate electrode b, thereby generating a voltage below the gate electrode b. Not only photoelectrons but also photoelectrons generated under the gate electrodes a and c are accumulated in the potential well below the gate electrode b. This state is shown in FIG. FIG. 23 (c) shows the electron potential for the thick dashed line in FIG. 23 (a). FIG. 23D shows the electron potential for the thick broken line in FIG. 23B for each of the gate electrodes a, b, and c.
[0056]
In the photoelectron discard period, a high + voltage is applied to the LOD electrode 41 to lower the height of the potential barrier by the p + region 44 between the n-type region 45 and the n-type region 40 as shown in FIG. . At this time, the voltage Vs applied to the LOD electrode 41 is such that the potential of the n-type region 40 is higher than the potential of the n-type region 45 under the gate electrode b and the potential of the n-type region 45 under the gate electrodes a and c. Is also set to be low. The voltage applied to the gate electrodes a, b, and c is the same as that during the accumulation period of photoelectrons, and a higher voltage is applied to the central gate electrode b than to the gate electrodes a and c on both sides. Under the gate electrodes a and c, the potential barrier due to the p + region 44 is completely broken, but under the central gate electrode b, the potential barrier due to the p + region 44 is not completely broken, only the height is reduced. Therefore, most of the photoelectrons generated under the gate electrodes a and c on both sides are discarded in the n-type region 40, but the photoelectrons generated under the central gate electrode b are not discarded. Photoelectrons accumulated under the central gate electrode b are not discarded.
[0057]
When the above-mentioned accumulation and disposal of photoelectrons are repeated a plurality of times, the photoelectrons accumulated from the gate electrodes a and b on both sides to the central gate electrode b during the photoelectron accumulation period are accumulated under the central gate electrode b. Will be done. Since the central gate electrode b always accumulates photoelectrons, the average value obtained by the constant integration is added to the detection value obtained by the synchronous integration. However, the detection value obtained by the synchronous integration is obtained from the gate electrodes a and b on both sides. , Sufficient contrast can be obtained.
[0058]
In the third and fourth embodiments shown in FIGS. 16 to 23, the case where one pixel is formed by three gate electrodes has been described. However, as shown in FIGS. 24 and 25, four or more gate electrodes are used. In the case where one pixel is formed, a potential barrier is preferably formed so that photoelectrons do not flow into the gate electrode storing photoelectrons from the surroundings during a period in which electric charges are discarded. 24 shows a case where one pixel is constituted by four gate electrodes, and FIG. 25 shows a case where one pixel is constituted by six gate electrodes. FIG. 24 (a) shows a charge accumulation period, and FIG. The potential of the electron under each gate electrode is shown. 24 and 25, photoelectrons are shown in gray, and in the charge accumulation period of (a), photoelectrons generated under the surrounding gate electrode flow in under the gate electrode having the lowest electron potential and are accumulated. , (B), a potential barrier is formed beneath an adjacent gate electrode so as to electrically isolate a portion where photoelectrons are accumulated under the gate electrode having the lowest electron potential from the surroundings. Controlling.
[0059]
In the case where one pixel is constituted by the six gate electrodes shown in FIG. 25, three-dimensionally showing the potential of electrons under each gate electrode during the charge accumulation period and the charge discard period, FIG. It becomes like b). V1 to V6 in the figure correspond to the vertical transfer voltage shown in FIG. 20, and LOD corresponds to the n-type region 40 which becomes a horizontal overflow drain. In the charge accumulation period of FIG. 27A, the photoelectrons under the gate electrode to which the voltages V2 and V6 are applied move under the gate electrode to which the voltages V3 and V5 are applied, and the voltages V3 and V5 are applied. The photoelectrons under the gate electrode thus moved move under the gate electrode to which the voltage of V4 is applied, and the photoelectrons are accumulated under the gate electrode to which the voltage of V4 is applied. In the charge discarding period in FIG. 27B, by lowering the voltages of V3 and V5 to about the same as V1, the portion where the photoelectrons are accumulated under the gate electrode to which the voltage of V4 is applied is electrically connected from the surroundings. It is isolated and the flow of photoelectrons is stopped. Further, the voltage of V4 was applied by setting the potential of the electrons of the LOD electrode higher than the gate electrode to which the voltage of V4 was applied and lower than the gate electrodes to which the voltages of V2 and V6 were applied. The photoelectrons accumulated under the gate electrode to which the voltages V2 and V6 are applied are discarded by the LOD electrode without discarding the photoelectrons accumulated under the gate electrode.
[0060]
By the way, in the example of FIG. 25, a part of the photoelectrons in the non-detection phase flows into the storage electrode portion (electrode at the position where the electron potential is deepest) to which the voltage of V4 is applied. Also, the storage electrode itself generates and stores photoelectrons in the non-detection phase. These photoelectrons in the non-detection phase become DC components with respect to the photoelectrons in the detection phase, and lower the S / N ratio. Therefore, as shown in FIG. 26, by providing a light-shielding film 47 on the surface of the photosensitive portion for forming a charge and the photosensitive portion forming a potential barrier, the ratio of the constant integration to the synchronous integration can be reduced, and the contrast of the synchronous integration can be reduced. Can be improved. In the example of FIG. 26, the surface of the gate electrode to which the voltages V1, V3, V4, and V5 are applied is covered with the light shielding film 47 so that photoelectrons are generated only under the gate electrode to which the voltages V2 and V6 are applied. ing.
[0061]
The present invention is not limited to the IT-CCD and the FT-CCD, and can be similarly applied to an FIT-CCD (frame-interline-transfer-type CCD) which is a composite of these. As shown in FIG. 28, the FIT-CCD has a storage unit for one screen added between the horizontal transfer unit and the image pickup unit of the IT-CCD, and requires two types of vertical transfer voltages, and the operation is complicated. However, there is an advantage that smear which is a disadvantage of the IT-CCD can be reduced.
[0062]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the sensitivity of the photosensitive section is made variable in synchronization with the intensity-modulated irradiation light, so that light wave ranging can be realized with a simple configuration.
According to the second aspect of the present invention, the sensitivity of the photosensitive portion is made variable in synchronization with the intensity-modulated irradiation light, so that there is no need for an electric switch capable of opening and closing the transfer of signal charges from the photosensitive portion to the storage portion at a high frequency. In addition, there is an advantage that it can be used in an image sensor for applications other than synchronous integration.
According to the third aspect of the present invention, the same operation as synchronous integration can be realized by using an interline transfer type CCD image sensor having a vertical overflow drain electrode which is the most common as a CCD image sensor. Lightwave distance measurement can be realized at low cost without using a simple image sensor.
[0063]
According to the fourth or sixth aspect of the present invention, the same operation as synchronous integration can be realized using a CCD image pickup device having a horizontal overflow drain electrode having high sensitivity to near-infrared light. Distance measurement becomes possible.
According to the fifth or sixth aspect of the present invention, since the frame transfer type CCD is used, it is possible to make the integration time of the synchronous integration longer than in the case of using the interline transfer type CCD.
[0064]
According to the seventh aspect of the present invention, in the charge discarding period, the potential barrier for electrically isolating the photosensitive portion for charge storage from other photosensitive portions is formed, so that the contrast of synchronous integration can be improved.
According to the eighth aspect of the present invention, since the light-shielding portion is provided on the surface of the photosensitive portion for charge accumulation and the photosensitive portion forming the potential barrier, the ratio of the constant integration to the synchronous integration can be reduced, and the contrast of the synchronous integration is improved. it can.
According to the ninth aspect of the present invention, since the electric switch capable of opening and closing the transfer of the signal charge from the photosensitive portion to the storage portion at a high frequency is provided for each sensor element, only the signal charge of the detection phase is selectively stored. Therefore, the contrast of the synchronous integration can be improved.
According to the tenth aspect of the present invention, the transfer electrode provided to serve also as the transfer unit is further used as an electric switch for opening and closing the transfer of the signal charge from the photosensitive unit to the storage unit at a high frequency. The operation of synchronous integration can be realized with a simple configuration.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are explanatory diagrams illustrating a basic configuration of the present invention, in which FIG. 1A is a block diagram illustrating an overall configuration, FIG. 1B is a main configuration diagram illustrating an example of an image sensor, and FIG. FIG. 3 is a configuration diagram of a main part showing an example of FIG.
FIG. 2 is an operation explanatory diagram showing the timing of synchronous integration by the image sensor of the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical system used for conventional lightwave distance measurement.
FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of conventional lightwave distance measurement.
FIG. 5 is a main part configuration diagram showing an example of an imaging element used for conventional lightwave distance measurement.
FIG. 6 is a main part configuration diagram showing another example of an imaging element used for conventional lightwave distance measurement.
FIG. 7 is a plan view showing the overall configuration of the image sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of the image sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a main configuration of the imaging element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the electron potential of the image sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram of the operation of the imaging element according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a plan view illustrating an overall configuration of an image sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 13 is a perspective view illustrating a main configuration of an image sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing electron potentials of the image sensor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory diagram of an operation of the imaging element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a plan view illustrating an overall configuration of an image sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 17 is a perspective view illustrating a main configuration of an image sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 18 is an explanatory diagram showing electron potentials of an image sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 19 is an explanatory diagram of an operation of the imaging element according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a plan view illustrating an overall configuration of an image sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 21 is a perspective view illustrating a main configuration of an image sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 22 is an explanatory diagram showing electron potentials of an image sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 23 is an explanatory diagram illustrating an operation of the imaging element according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is an explanatory diagram showing an operation of the FT-CCD using four-phase gate voltages.
FIG. 25 is an explanatory diagram showing an operation of the FT-CCD using six-phase gate voltages.
FIG. 26 is an explanatory diagram showing an operation when a light-shielding film is added to a photosensitive portion of an FT-CCD using a six-phase gate voltage.
FIG. 27 is an explanatory diagram three-dimensionally illustrating an operation of the FT-CCD using six-phase gate voltages.
FIG. 28 is a plan view showing the overall configuration of a FIT-CCD.
[Explanation of symbols]
1 light source
2 Detected object
3 Imaging optical system
4 Image sensor
5 Sensitivity control section
6 storage unit
7 Detection phase setting section
8 Distance calculation section

Claims (10)

複数の感光部を半導体基板上に1次元または2次元的に配列され、前記半導体基板への電圧印加により前記各感光部の感度を制御可能な構造を有する撮像素子と、強度変調された光の変調信号に同期して前記撮像素子の半導体基板に前記各感光部の感度を変調せしめる電圧を印加する感度制御部とを有することを特徴とする撮像素子を用いた測距装置。An image sensor having a structure in which a plurality of photosensitive units are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate, and having a structure capable of controlling the sensitivity of each photosensitive unit by applying a voltage to the semiconductor substrate; And a sensitivity control unit for applying a voltage for modulating the sensitivity of each of the photosensitive units to a semiconductor substrate of the image sensor in synchronization with a modulation signal. 受光量に応じて信号電荷を発生せしめる感光部と、感光部で発生した信号電荷を蓄積する蓄積部とを備えるセンサ要素を半導体基板上に1次元または2次元的に配列すると共に、各センサ要素の蓄積部から蓄積電荷を読み出す転送部を前記半導体基板に形成し、前記半導体基板への電圧印加により感光部の感度を実質的に低下させることができる構造を有する撮像素子と、
強度変調された光により照射された被検出物からの反射光を前記撮像素子のセンサ要素が配列された面に結像せしめる結像光学系と、
前記強度変調された光の変調信号に同期して、前記感光部の感度を低下させるための制御電圧を前記半導体基板に印加する感度制御部と、
前記強度変調の複数の周期にわたって前記撮像素子の蓄積部に蓄積された電荷を前記転送部により読み出して測定値として記憶する記憶部と、
前記強度変調の一周期のうち前記感光部の感度を低下させるための制御電圧が印加される低感度期間の位相を前記記憶部に測定値が記憶されるたびに切り替える検出位相設定部と、
記憶部に記憶された低感度期間の位相が異なる複数の測定値に基づいて、各センサ要素ごとに被検出物までの距離情報を演算する測距演算部とを有することを特徴とする撮像素子を用いた測距装置。
Sensor elements including a photosensitive portion for generating signal charges according to the amount of received light and a storage portion for storing signal charges generated in the photosensitive portion are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate, and each sensor element An image sensor having a structure in which a transfer unit that reads out accumulated charges from the accumulation unit is formed on the semiconductor substrate, and a sensitivity of the photosensitive unit can be substantially reduced by applying a voltage to the semiconductor substrate;
An imaging optical system for imaging reflected light from the object irradiated by the intensity-modulated light on a surface on which the sensor elements of the imaging element are arranged,
In synchronization with a modulation signal of the intensity-modulated light, a sensitivity control unit that applies a control voltage to reduce the sensitivity of the photosensitive unit to the semiconductor substrate,
A storage unit that reads out the charge accumulated in the accumulation unit of the imaging element over a plurality of cycles of the intensity modulation by the transfer unit and stores the charge as a measurement value,
A detection phase setting unit that switches a phase of a low sensitivity period in which a control voltage for reducing the sensitivity of the photosensitive unit is reduced during one cycle of the intensity modulation every time a measured value is stored in the storage unit.
An image sensor comprising: a distance measurement operation unit that calculates distance information to an object for each sensor element based on a plurality of measurement values having different phases in a low sensitivity period stored in a storage unit. Distance measuring device using.
受光量に応じて信号電荷を発生せしめる感光部と、感光部で発生した信号電荷を蓄積する蓄積部とを備えるセンサ要素を半導体基板上に2次元的に配列すると共に、各センサ要素の蓄積部から蓄積電荷を読み出す転送部を前記半導体基板に形成し、前記半導体基板の表面と垂直な方向に感光部の電位障壁を崩すような高い電圧を印加することにより感光部の信号電荷を前記半導体基板に廃棄するための縦型オーバーフロードレイン電極を有するインターライン・トランスファ型CCD撮像素子を用いた測距方法であって、
強度変調された光により照射された被検出物からの反射光を前記撮像素子のセンサ要素が配列された面に結像せしめた状態で、前記強度変調された光の変調信号に同期して、前記強度変調の一周期のうち所定の期間で前記感光部の信号電荷を前記半導体基板に廃棄させるための制御電圧を前記縦型オーバーフロードレイン電極に印加する動作を前記強度変調の複数の周期にわたって繰り返す第1の段階と、
第1の段階で前記撮像素子の蓄積部に蓄積された電荷を測定値として前記転送部により読み出す第2の段階と、
第2の段階で測定値が読み出されるたびに、第1の段階で前記縦型オーバーフロードレイン電極に前記制御電圧を印加する期間の位相を切り替える第3の段階と、
第1、第2、第3の段階を複数回繰り返した後、前記制御電圧を印加する期間の位相が異なる複数の測定値に基づいて、各センサ要素ごとに被検出物までの距離情報を演算する第4の段階とを有することを特徴とする撮像素子を用いた測距方法。
A sensor element including a photosensitive unit for generating signal charges according to the amount of received light and a storage unit for storing signal charges generated in the photosensitive unit is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate, and a storage unit for each sensor element is provided. A transfer unit for reading out the accumulated charge from the semiconductor substrate is formed on the semiconductor substrate, and a signal charge of the photosensitive unit is applied to the semiconductor substrate by applying a high voltage that breaks a potential barrier of the photosensitive unit in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. A distance measuring method using an interline transfer type CCD imaging device having a vertical overflow drain electrode for discarding,
In a state where the reflected light from the object irradiated by the intensity-modulated light is focused on the surface on which the sensor elements of the image sensor are arranged, in synchronization with a modulation signal of the intensity-modulated light, An operation of applying a control voltage to the vertical overflow drain electrode for discarding the signal charges of the photosensitive portion to the semiconductor substrate in a predetermined period in one cycle of the intensity modulation is repeated over a plurality of cycles of the intensity modulation. The first stage;
A second step in which the charge stored in the storage unit of the image sensor in the first step is read by the transfer unit as a measured value;
A third step of switching the phase of the period in which the control voltage is applied to the vertical overflow drain electrode in the first step each time a measurement value is read in the second step;
After the first, second, and third steps are repeated a plurality of times, distance information to the object is calculated for each sensor element based on a plurality of measurement values having different phases during a period in which the control voltage is applied. A distance measuring method using an image sensor.
受光量に応じて信号電荷を発生せしめる感光部と、感光部で発生した信号電荷を蓄積する蓄積部とを備えるセンサ要素を半導体基板上に2次元的に配列すると共に、各センサ要素の蓄積部から蓄積電荷を読み出す転送部を前記半導体基板に形成し、前記半導体基板の表面と水平な方向に感光部の電位障壁を崩すような高い電圧を印加することにより感光部の信号電荷を前記半導体基板の表面と水平な方向に廃棄するための横型オーバーフロードレイン電極を有するインターライン・トランスファ型CCD撮像素子を用いた測距方法であって、
強度変調された光により照射された被検出物からの反射光を前記撮像素子のセンサ要素が配列された面に結像せしめた状態で、前記強度変調された光の変調信号に同期して、前記強度変調の一周期のうち所定の期間で前記感光部の信号電荷を廃棄させるための制御電圧を前記横型オーバーフロードレイン電極に印加する動作を前記強度変調の複数の周期にわたって繰り返す第1の段階と、
第1の段階で前記撮像素子の蓄積部に蓄積された電荷を測定値として前記転送部により読み出す第2の段階と、
第2の段階で測定値が読み出されるたびに、第1の段階で前記横型オーバーフロードレイン電極に前記制御電圧を印加する期間の位相を切り替える第3の段階と、
第1、第2、第3の段階を複数回繰り返した後、前記制御電圧を印加する期間の位相が異なる複数の測定値に基づいて、各センサ要素ごとに被検出物までの距離情報を演算する第4の段階とを有することを特徴とする撮像素子を用いた測距方法。
A sensor element including a photosensitive unit for generating signal charges according to the amount of received light and a storage unit for storing signal charges generated in the photosensitive unit is two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate, and a storage unit for each sensor element is provided. A transfer unit for reading out the accumulated charge from the semiconductor substrate is formed on the semiconductor substrate, and a signal charge of the photosensitive unit is applied to the semiconductor substrate by applying a high voltage that breaks a potential barrier of the photosensitive unit in a direction parallel to the surface of the semiconductor substrate. A distance measuring method using an interline transfer type CCD imaging device having a horizontal overflow drain electrode for discarding in a direction parallel to the surface of the
In a state where the reflected light from the object irradiated by the intensity-modulated light is focused on the surface on which the sensor elements of the image sensor are arranged, in synchronization with a modulation signal of the intensity-modulated light, A first step of repeating an operation of applying a control voltage to the horizontal overflow drain electrode for discarding the signal charges of the photosensitive section in a predetermined period in one cycle of the intensity modulation over a plurality of cycles of the intensity modulation; and ,
A second step in which the charge stored in the storage unit of the image sensor in the first step is read by the transfer unit as a measured value;
A third step of switching the phase of a period during which the control voltage is applied to the horizontal overflow drain electrode in the first step each time a measured value is read in the second step;
After the first, second, and third steps are repeated a plurality of times, distance information to the object is calculated for each sensor element based on a plurality of measurement values having different phases during a period in which the control voltage is applied. A distance measuring method using an image sensor.
受光量に応じてそれぞれ信号電荷を発生せしめる3つ以上の感光部を備え、両端を除く特定の感光部に他の感光部から信号電荷を集めるような電位を与えることにより前記特定の感光部に信号電荷を蓄積するようにしたセンサ要素を半導体基板上に2次元的に配列して成る撮像部と、撮像部の各センサ要素から蓄積電荷を読み出す転送部を前記半導体基板に形成し、前記半導体基板の表面と垂直な方向に感光部の電位障壁を崩すような高い電圧を印加することにより感光部の信号電荷を前記半導体基板に廃棄するための縦型オーバーフロードレイン電極を有するフレーム・トランスファ型CCD撮像素子を用いた測距方法であって、
強度変調された光により照射された被検出物からの反射光を前記撮像素子のセンサ要素が配列された面に結像せしめた状態で、前記強度変調された光の変調信号に同期して、前記強度変調の一周期のうち所定の期間で前記各センサ要素を構成する3つ以上の感光部のうち前記特定の感光部に蓄積された信号電荷を残したまま他の感光部の信号電荷を前記半導体基板に廃棄させるような制御電圧を前記縦型オーバーフロードレイン電極に印加する動作を前記強度変調の複数の周期にわたって繰り返す第1の段階と、
第1の段階で前記各センサ要素の前記特定の感光部に蓄積された電荷を測定値として前記転送部により読み出す第2の段階と、
第2の段階で測定値が読み出されるたびに、第1の段階で前記縦型オーバーフロードレイン電極に前記制御電圧を印加する期間の位相を切り替える第3の段階と、
第1、第2、第3の段階を複数回繰り返した後、前記制御電圧を印加する期間の位相が異なる複数の測定値に基づいて、各センサ要素ごとに被検出物までの距離情報を演算する第4の段階とを有することを特徴とする撮像素子を用いた測距方法。
Equipped with three or more photosensitive units for generating signal charges in accordance with the amount of received light, and by applying a potential to the specific photosensitive unit excluding both ends to collect signal charges from other photosensitive units, the specific photosensitive unit An imager configured to two-dimensionally arrange sensor elements configured to accumulate signal charges on a semiconductor substrate, and a transfer unit configured to read out accumulated charges from each sensor element of the imager on the semiconductor substrate; A frame transfer type CCD having a vertical overflow drain electrode for discarding signal charges of the photosensitive portion to the semiconductor substrate by applying a high voltage that breaks a potential barrier of the photosensitive portion in a direction perpendicular to the surface of the substrate. A distance measuring method using an image sensor,
In a state where the reflected light from the object irradiated by the intensity-modulated light is focused on the surface on which the sensor elements of the image sensor are arranged, in synchronization with a modulation signal of the intensity-modulated light, The signal charges of the other photosensitive portions are retained while leaving the signal charges accumulated in the specific photosensitive portion among the three or more photosensitive portions constituting each of the sensor elements in a predetermined period in one cycle of the intensity modulation. A first step of repeating an operation of applying a control voltage to the vertical overflow drain electrode to be discarded to the semiconductor substrate over a plurality of cycles of the intensity modulation;
A second step of reading out the electric charge accumulated in the specific photosensitive portion of each of the sensor elements in the first stage as a measurement value by the transfer unit;
A third step of switching the phase of the period in which the control voltage is applied to the vertical overflow drain electrode in the first step each time a measurement value is read in the second step;
After the first, second, and third steps are repeated a plurality of times, distance information to the object is calculated for each sensor element based on a plurality of measurement values having different phases during a period in which the control voltage is applied. A distance measuring method using an image sensor.
受光量に応じてそれぞれ信号電荷を発生せしめる3つ以上の感光部を備え、両端を除く特定の感光部に他の感光部から信号電荷を集めるような電位を与えることにより前記特定の感光部に信号電荷を蓄積するようにしたセンサ要素を半導体基板上に2次元的に配列して成る撮像部と、撮像部の各センサ要素から蓄積電荷を読み出す転送部を前記半導体基板に形成し、前記半導体基板の表面と水平な方向に感光部の電位障壁を崩すような高い電圧を印加することにより感光部の信号電荷を廃棄するための横型オーバーフロードレイン電極を有するフレーム・トランスファ型CCD撮像素子を用いた測距方法であって、
強度変調された光により照射された被検出物からの反射光を前記撮像素子のセンサ要素が配列された面に結像せしめた状態で、前記強度変調された光の変調信号に同期して、前記強度変調の一周期のうち所定の期間で前記各センサ要素を構成する3つ以上の感光部のうち前記特定の感光部に蓄積された信号電荷を残したまま他の感光部の信号電荷を廃棄させるような制御電圧を前記横型オーバーフロードレイン電極に印加する動作を前記強度変調の複数の周期にわたって繰り返す第1の段階と、
第1の段階で前記各センサ要素の前記特定の感光部に蓄積された電荷を測定値として前記転送部により読み出す第2の段階と、
第2の段階で測定値が読み出されるたびに、第1の段階で前記横型オーバーフロードレイン電極に前記制御電圧を印加する期間の位相を切り替える第3の段階と、
第1、第2、第3の段階を複数回繰り返した後、前記制御電圧を印加する期間の位相が異なる複数の測定値に基づいて、各センサ要素ごとに被検出物までの距離情報を演算する第4の段階とを有することを特徴とする撮像素子を用いた測距方法。
Equipped with three or more photosensitive units for generating signal charges in accordance with the amount of received light, and by applying a potential to the specific photosensitive unit excluding both ends to collect signal charges from other photosensitive units, the specific photosensitive unit An imager configured to two-dimensionally arrange sensor elements configured to accumulate signal charges on a semiconductor substrate, and a transfer unit configured to read out accumulated charges from each sensor element of the imager on the semiconductor substrate; A frame transfer type CCD imaging device having a horizontal overflow drain electrode for discarding signal charges of the photosensitive portion by applying a high voltage that breaks a potential barrier of the photosensitive portion in a direction parallel to the surface of the substrate was used. A distance measuring method,
In a state where the reflected light from the object irradiated by the intensity-modulated light is focused on the surface on which the sensor elements of the image sensor are arranged, in synchronization with a modulation signal of the intensity-modulated light, The signal charges of the other photosensitive portions are retained while leaving the signal charges accumulated in the specific photosensitive portion among the three or more photosensitive portions constituting each of the sensor elements in a predetermined period in one cycle of the intensity modulation. A first step of repeating an operation of applying a control voltage to be discarded to the horizontal overflow drain electrode over a plurality of cycles of the intensity modulation;
A second step of reading out the electric charge accumulated in the specific photosensitive portion of each of the sensor elements in the first stage as a measurement value by the transfer unit;
A third step of switching the phase of a period during which the control voltage is applied to the horizontal overflow drain electrode in the first step each time a measured value is read in the second step;
After the first, second, and third steps are repeated a plurality of times, distance information to the object is calculated for each sensor element based on a plurality of measurement values having different phases during a period in which the control voltage is applied. A distance measuring method using an image sensor.
請求項5または6において、前記各センサ要素を構成する感光部は4つ以上で構成されており、前記特定の感光部に蓄積された信号電荷を残したまま他の感光部の信号電荷を廃棄させる期間では、前記特定の感光部に隣接する感光部に前記特定の感光部を他の感光部から電気的に孤立させるような電位障壁を形成する電圧を印加することを特徴とする撮像素子を用いた測距方法。7. The sensor section according to claim 5, wherein the sensor section comprises four or more photosensitive sections, and the signal charges of the other photosensitive sections are discarded while leaving the signal charges accumulated in the specific photosensitive section. In the period, the imaging device is characterized in that a voltage that forms a potential barrier that electrically isolates the specific photosensitive portion from other photosensitive portions is applied to the photosensitive portion adjacent to the specific photosensitive portion. The ranging method used. 請求項7において、前記特定の感光部と前記電位障壁が形成される感光部の表面には遮光部が形成されていることを特徴とする撮像素子を用いた測距方法。8. The method according to claim 7, wherein a light-shielding portion is formed on a surface of the photosensitive portion where the specific photosensitive portion and the potential barrier are formed. 受光量に応じて信号電荷を発生せしめる感光部と、感光部で発生した信号電荷を蓄積する蓄積部と、感光部から蓄積部への信号電荷の移送を開閉する電気スイッチとを備えるセンサ要素を半導体基板上に1次元または2次元的に配列すると共に、各センサ要素の蓄積部から蓄積電荷を読み出す転送部を前記半導体基板に形成し、前記半導体基板の特定の電極への電圧印加により前記電気スイッチを高周波で開閉できる構造を有する撮像素子と、
強度変調された光により照射された被検出物からの反射光を前記撮像素子のセンサ要素が配列された面に結像せしめる結像光学系と、
前記強度変調された光の変調信号に同期して、前記電気スイッチを閉じるための制御電圧を前記半導体基板の前記特定の電極に印加する同期積分制御部と、前記強度変調の複数の周期にわたって前記撮像素子の蓄積部に蓄積された電荷を前記転送部により読み出して測定値として記憶する記憶部と、
前記強度変調の一周期のうち前記電気スイッチを閉じるための制御電圧が印加される同期積分期間の位相を前記記憶部に測定値が記憶されるたびに切り替える検出位相設定部と、
記憶部に記憶された同期積分期間の位相が異なる複数の測定値に基づいて、各センサ要素ごとに被検出物までの距離情報を演算する測距演算部とを有することを特徴とする撮像素子を用いた測距装置。
The sensor element includes a photosensitive unit that generates signal charges according to the amount of received light, a storage unit that stores the signal charges generated in the photosensitive unit, and an electric switch that opens and closes the transfer of the signal charges from the photosensitive unit to the storage unit. A transfer section for one-dimensionally or two-dimensionally arranging the semiconductor elements on the semiconductor substrate and reading out the accumulated charges from the accumulation section of each sensor element is formed on the semiconductor substrate, and the electric power is applied by applying a voltage to a specific electrode of the semiconductor substrate. An image sensor having a structure capable of opening and closing a switch at a high frequency;
An imaging optical system for imaging reflected light from the object irradiated by the intensity-modulated light on a surface on which the sensor elements of the imaging element are arranged,
Synchronous with the modulation signal of the intensity-modulated light, a synchronous integration control unit that applies a control voltage for closing the electric switch to the specific electrode of the semiconductor substrate, and a plurality of cycles of the intensity modulation. A storage unit that reads out the charge stored in the storage unit of the imaging element by the transfer unit and stores the charge as a measured value,
A detection phase setting unit that switches a phase of a synchronous integration period in which a control voltage for closing the electric switch is applied during one cycle of the intensity modulation every time a measured value is stored in the storage unit.
An image sensor comprising: a distance measurement operation unit that calculates distance information to an object for each sensor element based on a plurality of measurement values having different phases of a synchronous integration period stored in a storage unit. Distance measuring device using.
請求項9において、前記蓄積部に蓄積された信号電荷を隣接する蓄積部に順次転送するための転送電極を前記蓄積部の表面に形成することにより前記転送部を構成すると共に、前記転送電極に信号電荷を転送するための電圧が印加されていない期間において、前記転送電極に前記感光部で発生した信号電荷を前記蓄積部に移送させる電圧と前記感光部で発生した信号電荷を前記蓄積部に移送させない電圧とを交互に印加することにより、前記感光部から蓄積部への信号電荷の移送を高周波で開閉する電気スイッチを構成したことを特徴とする撮像素子を用いた測距装置。10. The transfer unit according to claim 9, wherein a transfer electrode for sequentially transferring signal charges stored in the storage unit to an adjacent storage unit is formed on a surface of the storage unit, and the transfer electrode is formed on the transfer electrode. During a period in which a voltage for transferring signal charges is not applied, a voltage for transferring the signal charges generated in the photosensitive section to the transfer electrode to the storage section and a signal charge generated in the photosensitive section are stored in the storage section. A distance measuring device using an image sensor, wherein an electric switch is configured to open and close the transfer of signal charges from the photosensitive section to the storage section at a high frequency by alternately applying a voltage not to be transferred.
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