JP2017201244A - 距離センサ - Google Patents

Abstract

【課題】各電荷収集領域に注入される電流量の差を低減できる距離センサを提供する。【解決手段】距離センサ１Ａは、電源電位線３４と基準電位線ＧＮＤとの間に接続され、電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量のうち大きい方に応じた制御電圧ＶＣ1，ＶＣ2を生成する電圧生成回路２１と、制御電圧ＶＣ1，ＶＣ2をそれぞれの制御端子に受け、一方の電流端子が電源電位線３４に接続されたトランジスタ２２ａ，２２ｂと、一方の電流端子がトランジスタ２２ａの他方の電流端子に接続され、他方の電流端子が電荷収集領域１５の蓄積ノード２６ａに接続され、定電圧Ｖ3を制御端子に受けるトランジスタ２３ａと、一方の電流端子がトランジスタ２２ｂの他方の電流端子に接続され、他方の電流端子が電荷収集領域１６の蓄積ノード２６ｂに接続され、定電圧Ｖ4を制御端子に受けるトランジスタ２３ｂとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、距離センサに関するものである。

光源からパルス光を放出したタイミングと、対象物からの反射光が到達したタイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を測定する飛行時間（ＴＯＦ：Time-of-Flight）法が知られている。例えば、下記の特許文献１には、ＴＯＦ法に基づく距離センサが記載されている。この特許文献１に記載された距離センサは、電荷振分け型の構成を備えており、光照射後の第１の期間に発生する電荷と、第１の期間後の第２の期間に発生する電荷とを、それぞれ異なる電荷収集領域の蓄積ノードに蓄積する。そして、これらの蓄積ノードに蓄積された電荷量の比に基づいて、対象物までの距離を算出する。さらに、特許文献１に記載された距離センサは、外乱光成分による飽和を防ぐ為に、同量の電流を各蓄積ノードに注入する手段を備えている。

独国特許出願公開第１０２００５０５６７７４号明細書

電荷振分け型の構成を備える距離センサには、外乱光成分による飽和を防ぐため、各電荷収集領域の蓄積ノードに同量の電流を注入するものがある（特許文献１参照）。このような方式では、各電荷収集領域の蓄積ノードに注入する電流量を均等な大きさに精度良く制御することが望まれる。各電荷収集領域の蓄積ノードに注入される電流量にばらつきが生じると、対象物までの距離の算出結果に誤差が生じるからである。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、各電荷収集領域の蓄積ノードに注入される電流量の差を低減できる距離センサを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による距離センサは、対象物に光を照射し、その反射光を検出することにより対象物までの距離を計測する距離センサであって、反射光を受けて光量に応じた電荷を発生する光感応領域、及び光感応領域と並んで配置され光感応領域からの電荷を収集する第１及び第２の電荷収集領域を有する半導体基板と、光感応領域と第１の電荷収集領域との間の領域上に配置され、光照射後の第１の期間にオン電位とされ、その後の第２の期間にオフ電位とされる第１の転送電極と、光感応領域と第２の電荷収集領域との間の領域上に配置され、第１の期間にオフ電位とされ、第２の期間にオン電位とされる第２の転送電極と、第１の定電位線と第１の定電位線よりも低電位の第２の定電位線との間に接続され、第１及び第２の電荷収集領域の蓄積ノードに蓄積された電荷量のうち大きい方に応じた制御電圧を生成する電圧生成回路と、制御電圧を制御端子に受け、一方の電流端子が第１の定電位線に接続された第１及び第２のトランジスタと、一方の電流端子が第１のトランジスタの他方の電流端子に接続され、他方の電流端子が第１の電荷収集領域の蓄積ノードに接続され、定電圧を制御端子に受ける第３のトランジスタと、一方の電流端子が第２のトランジスタの他方の電流端子に接続され、他方の電流端子が第２の電荷収集領域の蓄積ノードに接続され、定電圧を制御端子に受ける第４のトランジスタと、を備える。

各電荷収集領域の蓄積ノードの電位は、蓄積された電荷量に応じて変動する。そのため、蓄積された電荷量の差に応じて、各蓄積ノードの電位にも差が生じる。従って、第１及び第２のトランジスタが各電荷収集領域の蓄積ノードに直接接続されている場合には、第１及び第２のトランジスタの電流端子間電圧に差が生じることとなる。故に、第１及び第２のトランジスタのチャネル長変調効果により、第１の電荷収集領域に注入される電荷量と、第２の電荷収集領域に注入される電荷量とが互いに等しくならず、僅かな差が生じてしまう。これにより、計測距離に誤差が生じてしまう。

このような問題に対し、上記の距離センサでは、第１のトランジスタと第１の電荷収集領域の蓄積ノードとの間に第３のトランジスタが接続され、第２のトランジスタと第２の電荷収集領域の蓄積ノードとの間に第４のトランジスタが接続されている。これにより、第１及び第２のトランジスタと各電荷収集領域の蓄積ノードとの間で電位が分離されるので、各蓄積ノードに電位差があったとしても、第１及び第２のトランジスタの電流端子間電圧への影響を抑えることができる。従って、第１及び第２のトランジスタから各蓄積ノードへ注入される電流量の差を低減することができる。

また、上記の距離センサにおいて、第３及び第４のトランジスタはＭＯＳＦＥＴであってもよい。これにより、第１及び第２のトランジスタと各電荷収集領域の蓄積ノードとの間で電位を好適に分離することができる。

本発明による距離センサによれば、各電荷収集領域の蓄積ノードに注入する電流量の差を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る距離センサの構成を示す平面図である。 図１に示された距離センサの各画素の受光部の平面図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 図２のIV−IV線に沿った断面図である。 （ａ）或る画素に入射する反射光強度の時間変化の例を示すグラフである。（ｂ）転送電極に印加される電圧の時間変化を示すグラフである。（ｃ）転送電極に印加される電圧の時間変化を示すグラフである。 センサ駆動回路による撮像領域の駆動方式を示す図である。 （ａ）第１フレームの蓄積フレームにおける転送電極の動作を示すタイミングチャートである。（ｂ）第２フレームの蓄積フレームにおける転送電極の動作を示すタイミングチャートである。 第１フレーム及び第２フレームの１回の駆動クロックに対するタイミングチャートを重ねて示す図である。 図８に示されたタイミングチャートにおいて、反射光の受光パルス波形のチャートを更に示す図である。 図８に示されたタイミングチャートにおいて、反射光の受光パルス波形のチャートを更に示す図である。 一実施形態に係る電流注入回路の構成を示す回路図である。 比較例に係る電流注入回路の構成を示す回路図である。 （ａ）比較例に係る電流注入回路における各蓄積ノードの電圧値（電位）の時間変化の例を示すグラフである。（ｂ）比較例に係る電流注入回路における各蓄積ノードへの注入電流量の時間変化の例を示すグラフである。 （ａ）一実施形態に係る電流注入回路における各蓄積ノードの電圧値（電位）の時間変化の例を示すグラフである。（ｂ）一実施形態に係る電流注入回路における各蓄積ノードへの注入電流量の時間変化の例を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）第１変形例に係る駆動方法のタイミングチャートを示す図である。 （ａ）〜（ｃ）第１変形例における距離算出方法を説明するための図である。 第２変形例に係る受光部を示す平面図である。 図１７のXVIII−XVIII線に沿った断面図である。 第２変形例におけるセンサ駆動回路の駆動方式を示す図である。 蓄積フレームにおける転送電極の動作を示すタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明による距離センサの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において、トランジスタがＦＥＴである場合、制御端子はゲートを意味し、電流端子はソースまたはドレインを意味する。トランジスタがバイポーラトランジスタである場合、制御端子はベースを意味し、電流端子はコレクタまたはエミッタを意味する。

図１は、本発明の一実施形態に係る距離センサ１Ａの構成を示す平面図である。この距離センサ１Ａは、対象物に光を照射し、その反射光を検出することにより対象物までの距離を計測するものである。図１に示されるように、この距離センサ１Ａは、半導体基板１０上に形成された撮像領域１１と、撮像領域１１を駆動するセンサ駆動回路１２と、撮像領域１１の出力を処理する処理回路１３とを備えている。撮像領域１１は、半導体基板１０上に一次元または二次元状に配列された複数の画素Ｐを備えている。同図では、第ｍ行第ｎ列の画素Ｐ（ｍ，ｎ）が示されている（ｍ，ｎは自然数）。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、受光部９と、電流注入回路２０とを含む。撮像領域１１は、対象物からの反射光を画素Ｐごとに検出する。そして、光が照射されてから反射光が到達するまでの時間を画素Ｐごとに求めることにより、対象物の画像の画素Ｐごとの距離が求められる。この距離センサ１Ａは、電荷振分け型の距離センサであって、光が照射されてから反射光が到達するまでの時間を、各画素Ｐ内で２カ所に振り分けられた電荷量の比率に応じて求める。

図２は、図１に示された距離センサ１Ａの各画素Ｐ（ｍ，ｎ）の受光部９の平面図である。図３及び図４は、それぞれ図２のIII−III線及びIV−IV線に沿った断面図であって、受光部９の断面構成を示す図である。なお、図３には、光源ユニット３０が併せて示されている。光源ユニット３０は、対象物に光Ｌ１を照射するための構成要素であって、レーザ素子または発光ダイオードといった半導体発光素子を含む光源３１と、光源３１を高周波駆動する光源駆動回路３２と、光源駆動回路３２の駆動クロックを出力する制御回路３３とを備えている。光源３１からは、方形波または正弦波の強度変調が行われたパルス光が周期的に出射される。

光源３１からの照射光Ｌ１は、対象物Ｂの表面にて反射し、反射光Ｌ２として距離センサ１Ａの撮像領域１１内の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）に半導体基板１０の裏面１０ｂ側から入射する。なお、半導体基板１０の裏面１０ｂと対向して、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）に対応する複数の結像レンズが配置されてもよい。

図２に示されるように、受光部９は、転送電極１７（第１の転送電極）と、転送電極１８（第２の転送電極）と、転送電極４４と、フォトゲート電極１９と、信号取出電極４２，４３と、電荷排出用電極４５とを有する。なお、図では転送電極１７，１８及び信号取出電極４２，４３がそれぞれ２個ずつ設けられているが、これらはそれぞれ１個ずつ設けられてもよい。また、図では転送電極４４及び電荷排出用電極４５が２個ずつ設けられているが、これらは１個ずつ設けられてもよい。

図３に示されるように、受光部９は、光感応領域１４と、電荷収集領域１５（第１の電荷収集領域）と、電荷収集領域１６（第２の電荷収集領域）とを更に有する。光感応領域１４は、反射光Ｌ２を受けて光量に応じた電荷を発生する。電荷収集領域１５，１６は、光感応領域１４と並んで配置され、光感応領域１４からの電荷を収集し、それぞれの蓄積ノードに蓄積する。なお、図３では、電荷収集領域１５，１６の間に光感応領域１４が配置されているが、電荷収集領域１５，１６は、光感応領域１４と隣り合ってさえいれば互いの位置関係に制約は無い。

具体的には、半導体基板１０は高濃度のｐ型（第２導電型）半導体からなり、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、半導体基板１０の表面１０ａ側に設けられた低濃度のｐ型（第２導電型）の表面領域１０ｃを有する。また、半導体基板１０の表面１０ａ上には絶縁層４１が形成されており、電荷収集領域１５，１６間の表面領域１０ｃ上にはフォトゲート電極１９が絶縁層４１を介して形成されている。フォトゲート電極１９の直下に位置する表面領域１０ｃ内の領域が、光感応領域１４となる。光感応領域１４のポテンシャルは、フォトゲート電極１９への印加電圧によって制御される。フォトゲート電極１９には、必要に応じてわずかな正の直流電圧が印加される。これにより、光感応領域１４への反射光Ｌ２の入射に応じて正孔電子対が発生する。

電荷収集領域１５，１６は、半導体基板１０の表面領域１０ｃ側に形成された高濃度のｎ型（第１導電型）領域である。電荷収集領域１５，１６は、フローティングディフュージョン領域あるいは電荷蓄積領域とも呼ばれる。ｎ型半導体は、電気的に中性の状態で電子をキャリアとして有しており、キャリアが抜けた場合には、正にイオン化する。すなわち、高濃度のｎ型の電荷収集領域１５，１６のバンド構造は、大きく下向きに凹む形となり、ポテンシャル井戸を構成する。電荷収集領域１５上には信号取出電極４２が形成されており、電荷収集領域１６上には信号取出電極４３が形成されている。信号取出電極４２，４３は、絶縁層４１に形成された開口を介して、各電荷収集領域１５，１６に接触している。

転送電極１７は、光感応領域１４と電荷収集領域１５との間の領域上に配置される。転送電極１８は、光感応領域１４と電荷収集領域１６との間の領域上に配置される。転送電極１７に正電位（オン電位）が与えられると、転送電極１７の直下の領域のポテンシャルが、光感応領域１４のポテンシャルと電荷収集領域１５のポテンシャルとの中間の大きさとなる。従って、光感応領域１４から電荷収集領域１５へのポテンシャルの階段が形成され、電荷収集領域１５のポテンシャル井戸内に電子が落ちて蓄積される。同様に、転送電極１８に正電位（オン電位）が与えられると、転送電極１８の直下の領域のポテンシャルが、光感応領域１４のポテンシャルと電荷収集領域１６のポテンシャルとの中間の大きさとなる。従って、光感応領域１４から電荷収集領域１６へのポテンシャルの階段が形成され、電荷収集領域１６のポテンシャル井戸内に電子が落ちて蓄積される。

なお本実施形態では、電荷収集領域１５，１６上に信号取出電極４２，４３を設けて信号を取り出す構造を採用しているが、電荷収集領域１５，１６の隣に信号取り出し用の高濃度領域を別途設け、この高濃度領域と電荷収集領域１５，１６との間の領域上に別の転送電極を配置し、高濃度領域上に信号取出電極を設けて信号を取り出すことも可能である。

図４に示されるように、受光部９は、２つの電荷収集領域４６を更に有する。電荷収集領域４６は、半導体基板１０の表面領域１０ｃに形成されており、光感応領域１４と並んで配置されている。そして、電荷排出用電極４５はこの電荷収集領域４６上に形成されている。電荷排出用電極４５は、絶縁層４１に形成された開口を介して、電荷収集領域４６に接触している。転送電極４４は、光感応領域１４と電荷収集領域４６との間の領域上に配置される。転送電極４４に正電位（オン電位）が与えられると、光感応領域１４から電荷収集領域４６へ電荷が移動し、電荷収集領域４６のポテンシャル井戸内に電荷が蓄積される。なお、電荷収集領域４６の具体的な構成は、電荷収集領域１５，１６と同様である。

図５（ａ）は、或る画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射する反射光強度の時間変化の例を示すグラフである。図５（ｂ）は、転送電極１７に印加される電圧の時間変化を示すグラフである。図５（ｃ）は、転送電極１８に印加される電圧の時間変化を示すグラフである。図５（ａ）に示されるように、反射光Ｌ２は、光照射タイミングＴ₁から対象物Ｂまでの距離に応じた時間Ｔ₂だけ遅延して画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射する。

図５（ｂ）に示されるように、転送電極１７は、光照射後の第１の期間Ｈ₁にオン電位とされ、その後の第２の期間Ｈ₂にオフ電位とされる。また、図５（ｃ）に示されるように、転送電極１８は、第１の期間Ｈ₁にオフ電位とされ、第２の期間Ｈ₂にオン電位とされる。そして、反射光Ｌ２の一部（図中のグラフの領域Ａ₁）は、第１の期間Ｈ₁内に画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射する。このとき、転送電極１７がオン電位であり、転送電極１８がオフ電位なので、光感応領域１４において発生した電荷は、電荷収集領域１５に移動し、蓄積される。反射光Ｌ２の残部（図中のグラフの領域Ａ₂）は、第２の期間Ｈ₂内に画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射する。このとき、転送電極１８がオン電位であり、転送電極１７がオフ電位なので、光感応領域１４において発生した電荷は、電荷収集領域１６に移動し、蓄積される。従って、電荷収集領域１５に蓄積された電荷量と、電荷収集領域１６に蓄積された電荷量との比率を求めることによって、遅延時間Ｔ₂すなわち対象物Ｂまでの距離を知ることができる。

ここで、本実施形態の処理回路１３は、電荷収集領域１５に蓄積された電荷と、電荷収集領域１６に蓄積された電荷とを互いに相殺することによって、これらの電荷量の差を出力するものであってもよい。そのような場合であっても、電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量の合計を知ることができれば、電荷収集領域１５に蓄積された電荷量と、電荷収集領域１６に蓄積された電荷量との比率を知ることができる。以下、電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量の合計を知るための撮像領域１１の駆動方式について説明する。

本実施形態のセンサ駆動回路１２は、時分割された複数のフレームを順に実施することにより転送電極１７，１８を駆動する。図６は、センサ駆動回路１２による撮像領域１１の駆動方式を示す図である。図６に示されるように、本実施形態の駆動方式では、第１フレームＦ１及び第２フレームＦ２を交互に繰り返しながら、各フレームＦ１，Ｆ２内の処理を行う。図には、各フレームＦ１，Ｆ２内の処理内容が併せて示されている。各フレームＦ１，Ｆ２内では、電荷収集領域１５，１６への電荷の蓄積を行う蓄積フレームＦ３と、電荷収集領域１５，１６からの電荷の読出しを行う読出フレームＦ４とを交互に繰り返す。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、蓄積フレームＦ３における転送電極１７，１８，４４の動作を示すタイミングチャートである。図７（ａ）は、第１フレームＦ１におけるタイミングチャートを示し、図７（ｂ）は、第２フレームＦ２におけるタイミングチャートを示す。これらの図には、制御回路３３から出力される光源駆動回路３２の駆動クロックＣＬ（すなわち光源３１から出力されるパルス光強度の時間変化）と、転送電極１７に印加される駆動電圧Ｖｔｘ₁と、転送電極１８に印加される駆動電圧Ｖｔｘ₂と、転送電極４４に印加される駆動電圧Ｖｔｘｒとが示されている。

蓄積フレームＦ３では、駆動クロックＣＬが一回立ち上がる毎に、或る周期Ｔでもって駆動電圧Ｖｔｘ₁及びＶｔｘ₂がオン電位とオフ電位とを２回ずつ繰り返す。周期Ｔは、駆動クロックＣＬのオン時間ｔ_Lの２倍（すなわちＴ＝２ｔ_L）に設定される。また、各周期における駆動電圧Ｖｔｘ₁及びＶｔｘ₂のオン時間は駆動クロックＣＬのオン時間ｔ_Lと等しい。

具体的には、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、第１フレームＦ１及び第２フレームＦ２それぞれの蓄積フレームＦ３において、等間隔の時刻ｔ₀、ｔ₁、・・・、ｔ₉を定義する。これらの間隔は、照射光Ｌ１の一回の照射時間ｔ_Lの半分である。このとき、光源ユニット３０は、照射光Ｌ１を時刻ｔ₁〜ｔ₃の間照射する。そして、図７（ａ）に示されるように、センサ駆動回路１２は、第１フレームＦ１において、駆動電圧Ｖｔｘ₁を時刻ｔ₀〜ｔ₂及びｔ₄〜ｔ₆の間オン電位とし、駆動電圧Ｖｔｘ₂を時刻ｔ₂〜ｔ₄及びｔ₆〜ｔ₈の間オン電位とする。また、図７（ｂ）に示されるように、センサ駆動回路１２は、第２フレームＦ２において、駆動電圧Ｖｔｘ₁を時刻ｔ₁〜ｔ₃及びｔ₅〜ｔ₇の間オン電位とし、駆動電圧Ｖｔｘ₂を時刻ｔ₃〜ｔ₅及びｔ₇〜ｔ₉の間オン電位とする。

なお、転送電極４４に印加される駆動電圧Ｖｔｘｒは、他の駆動電圧Ｖｔｘ₁，Ｖｔｘ₂が最初にオン電位とされてから最後にオフ電位とされるまでの期間を除いてオン電位とされる。すなわち、駆動電圧Ｖｔｘｒは、第１フレームＦ１においては時刻ｔ₀〜ｔ₈の間オフ電位とされ、第２フレームＦ２においては時刻ｔ₁〜ｔ₉の間オフ電位とされ、その他の期間においてオン電位とされる。

上記の動作を言い換えると、次のようになる。第１フレームＦ１では、駆動電圧Ｖｔｘ₁が、駆動クロックＣＬの立ち上がりタイミングに対して（ｔ_L／２）だけ早いタイミングで立ち上がる。以下の説明において、この第１フレームＦ１での駆動電圧Ｖｔｘ₁の位相を０°とする。また、同じ第１フレームＦ１において、駆動電圧Ｖｔｘ₂は、駆動電圧Ｖｔｘ₁の立ち上がりタイミングに対してｔ_Lだけ遅いタイミングで立ち上がる。言い換えれば、第１フレームＦ１での駆動電圧Ｖｔｘ₂の位相は１８０°である。第２フレームＦ２では、駆動電圧Ｖｔｘ₁が、駆動クロックＣＬの立ち上がりタイミングと同じタイミングで立ち上がる。言い換えれば、第２フレームＦ２での駆動電圧Ｖｔｘ₁の位相は９０°である。また、同じ第２フレームＦ２において、駆動電圧Ｖｔｘ₂は、駆動電圧Ｖｔｘ₁の立ち上がりタイミングに対してｔ_Lだけ遅いタイミングで立ち上がる。言い換えれば、第２フレームＦ２での駆動電圧Ｖｔｘ₂の位相は２７０°である。なお、図８は、理解の容易のため、図７（ａ）、図７（ｂ）に示された第１フレームＦ１と第２フレームＦ２の１回の駆動クロックＣＬに対するタイミングチャートとを重ねて示す。駆動電圧Ｖｔｘ₁（１）、駆動電圧Ｖｔｘ₂（１）はそれぞれ第１フレームＦ１での駆動電圧Ｖｔｘ₁，Ｖｔｘ₂を示し、駆動電圧Ｖｔｘ₁（２）、駆動電圧Ｖｔｘ₂（２）はそれぞれ第２フレームＦ２での駆動電圧Ｖｔｘ₁，Ｖｔｘ₂を示す。

図９及び図１０は、図８に示されたタイミングチャートにおいて、反射光Ｌ２の受光パルス波形のチャートを更に示す。いま、図９に示されるように、対象物に光Ｌ１を照射してから時間（ｔ_L／３）後に反射光Ｌ２が当該画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射したとする。このとき、第１フレームＦ１では、図中の領域Ａ₃の面積に相当する電荷が電荷収集領域１５に蓄えられ、領域Ａ₄の面積に相当する電荷が電荷収集領域１６に蓄えられる。反射光Ｌ２により生じる総電荷量をＱとすると、電荷収集領域１５に蓄えられる電荷量はＱ／６であり、電荷収集領域１６に蓄えられる電荷量は（５×Ｑ／６）である。また、第２フレームＦ２では、図中の領域Ａ₅の面積に相当する電荷が電荷収集領域１５に蓄えられ、領域Ａ₆の面積に相当する電荷が電荷収集領域１６に蓄えられる。このとき電荷収集領域１５に蓄えられる電荷量は（２×Ｑ／３）であり、電荷収集領域１６に蓄えられる電荷量はＱ／３である。そして、第１フレームＦ１での電荷収集領域１６の電荷量（５×Ｑ／６）から第１フレームＦ１での電荷収集領域１５の電荷量Ｑ／６を差し引くと、（２×Ｑ／３）という値が得られる。同様に、第２フレームＦ２での電荷収集領域１６の電荷量Ｑ／３から第２フレームＦ２での電荷収集領域１５の電荷量（２×Ｑ／３）を差し引くと、−Ｑ／３という値が得られる。そして、これらの絶対値を加算すると、反射光Ｌ２により生じる総電荷量Ｑが得られる。

次に、図１０に示されるように、対象物に光Ｌ１を照射してから時間（３×ｔ_L／４）後に反射光Ｌ２が当該画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射したとする。このとき、第１フレームＦ１では、図中の領域Ａ₇の面積に相当する電荷が電荷収集領域１５に蓄えられ、領域Ａ₈の面積に相当する電荷が電荷収集領域１６に蓄えられる。このとき電荷収集領域１５に蓄えられる電荷量はＱ／４であり、電荷収集領域１６に蓄えられる電荷量は（３×Ｑ／４）である。また、第２フレームＦ２では、図中の領域Ａ₉の面積に相当する電荷が電荷収集領域１５に蓄えられ、領域Ａ₁₀の面積に相当する電荷が電荷収集領域１６に蓄えられる。このとき電荷収集領域１５に蓄えられる電荷量はＱ／４であり、電荷収集領域１６に蓄えられる電荷量は（３×Ｑ／４）である。そして、第１フレームＦ１での電荷収集領域１６の電荷量（３×Ｑ／４）から第１フレームＦ１での電荷収集領域１５の電荷量Ｑ／４を差し引くと、（Ｑ／２）という値が得られる。同様に、第２フレームＦ２での電荷収集領域１６の電荷量（３×Ｑ／４）から第２フレームＦ２での電荷収集領域１５の電荷量Ｑ／４を差し引くと、（Ｑ／２）という値が得られる。そして、これらの絶対値を加算すると、反射光Ｌ２により生じる総電荷量Ｑが得られる。

上記の例から明らかなように、位相１８０°すなわち時刻ｔ₂〜ｔ₄、ｔ₆〜ｔ₈において収集された電荷量から、位相０°すなわち時刻ｔ₀〜ｔ₂、ｔ₄〜ｔ₆において収集された電荷量を差し引いた値の絶対値と、位相２７０°すなわち時刻ｔ₃〜ｔ₅、ｔ₇〜ｔ₉において収集された電荷量から、位相９０°すなわち時刻ｔ₁〜ｔ₃、ｔ₅〜ｔ₇において収集された電荷量を差し引いた値の絶対値とを加算することにより、反射光Ｌ２により生じる総電荷量Ｑを得ることができる。従って、このようにして得られる総電荷量Ｑと、処理回路１３から得られる電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量の差とに基づいて、電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量の比率を求め、遅延時間Ｔ₂すなわち対象物Ｂまでの距離を知ることができる。

以上に説明した本実施形態の距離センサ１Ａによれば、上述したように、電荷収集領域１５，１６の各蓄積ノードに蓄積された電荷量の差分に基づいて、時間Ｔ₂すなわち対象物Ｂまでの距離を求めることができる。従って、各蓄積ノードに等量の電流を注入するといった使用方法が可能となり、それによって各蓄積ノードの飽和を回避することができる。以下、各蓄積ノードに等量の電流を注入するための回路構成例について詳細に説明する。

図１１は、図１に示された電流注入回路２０の構成を示す回路図である。図１１に示されるように、本実施形態の電流注入回路２０は、電圧生成回路２１と、トランジスタ２２ａ（第１のトランジスタ）と、トランジスタ２２ｂ（第２のトランジスタ）と、トランジスタ２３ａ（第３のトランジスタ）と、トランジスタ２３ｂ（第４のトランジスタ）とを備えている。トランジスタ２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは、例えばｐチャネルＭＯＳＦＥＴといった電界効果トランジスタである。

電圧生成回路２１は、電源電位線３４（第１の定電位線）と、電源電位線３４よりも低電位の基準電位線ＧＮＤ（第２の定電位線）との間に接続されている。電圧生成回路２１は、電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量のうち大きい方に応じた制御電圧ＶＣ₁，ＶＣ₂を生成する。具体的には、電圧生成回路２１は、電源電位線３４と基準電位線ＧＮＤとの間に直列に接続されたトランジスタ対２４及び電流源２５を有する。更に、電圧生成回路２１は、バッファ回路２７，２８を有する。

トランジスタ対２４は、トランジスタ２４ａ（第５のトランジスタ）及びトランジスタ２４ｂ（第６のトランジスタ）を含む。トランジスタ２４ａ，２４ｂは、例えばｐチャネルＭＯＳＦＥＴといった電界効果トランジスタである。トランジスタ２４ａ，２４ｂの各一方の電流端子は、互いに短絡されており、電流源２５を介して電源電位線３４に電気的に接続されている。これらのトランジスタ２４ａ，２４ｂの各他方の電流端子は、互いに短絡されており、基準電位線ＧＮＤに電気的に接続されている。一方のトランジスタ２４ａの制御端子は、蓄積ノード２６ａを介して、電荷収集領域１５上の信号取出電極４２と電気的に接続されている。他方のトランジスタ２４ｂの制御端子は、蓄積ノード２６ｂを介して、電荷収集領域１６上の信号取出電極４３と電気的に接続されている。蓄積ノード２６ａは電荷収集領域１５に収集された電荷を蓄積し、蓄積ノード２６ｂは電荷収集領域１６に収集された電荷を蓄積する。

電流源２５は、トランジスタ２５ａを含んで構成されている。トランジスタ２５ａは、例えばｐチャネルＭＯＳＦＥＴといった電界効果トランジスタである。トランジスタ２５ａの一方の電流端子は、電源電位線３４と電気的に接続されている。トランジスタ２５ａの他方の電流端子は、トランジスタ２４ａ，２４ｂの各一方の電流端子と電気的に接続されている。トランジスタ２５ａの制御端子には、所定のバイアス電圧（定電圧）Ｖ₁が印加される。なお、電流源は、トランジスタ２５ａと並列に接続された別のトランジスタを更に有してもよい。

トランジスタ２２ａは、外乱光成分を除去して蓄積ノード２６ａの飽和を回避するための電流を、蓄積ノード２６ａに供給する。トランジスタ２２ａの一方の電流端子は電源電位線３４に接続されており、他方の電流端子はトランジスタ２３ａを介して蓄積ノード２６ａに接続されている。トランジスタ２２ａの制御端子は、バッファ回路２７を介して、トランジスタ対２４と電流源２５との間のノードＮ₁に電気的に接続されている。

トランジスタ２２ｂは、外乱光成分を除去するための電荷を蓄積ノード２６ｂに供給する。トランジスタ２２ｂの一方の電流端子は電源電位線３４に接続されており、他方の電流端子はトランジスタ２３ｂを介して蓄積ノード２６ｂに接続されている。トランジスタ２２ｂの制御端子は、バッファ回路２８を介してノードＮ₁に接続されている。

トランジスタ２３ａは、トランジスタ２２ａに対してカスコード接続され、蓄積ノード２６ａの電位の変動がトランジスタ２２ａの動作に影響を及ぼすことを抑制する。具体的には、トランジスタ２３ａの一方の電流端子はトランジスタ２２ａの他方の電流端子に接続されており、トランジスタ２３ａの他方の電流端子は蓄積ノード２６ａに接続されている。トランジスタ２３ａの制御端子には、所定のバイアス電圧（定電圧）Ｖ₃が印加される。

トランジスタ２３ｂは、トランジスタ２２ｂに対してカスコード接続され、蓄積ノード２６ｂの電位の変動がトランジスタ２２ｂの動作に影響を及ぼすことを抑制する。具体的には、トランジスタ２３ｂの一方の電流端子はトランジスタ２２ｂの他方の電流端子に接続されており、トランジスタ２３ｂの他方の電流端子は蓄積ノード２６ｂに接続されている。トランジスタ２３ｂの制御端子には、所定のバイアス電圧（定電圧）Ｖ₄が印加される。なお一実施例では、バイアス電圧Ｖ₃とバイアス電圧Ｖ₄とは互いに等しい。

バッファ回路２７は、ノードＮ₁の電位をシフトして制御電圧ＶＣ₁を生成し、トランジスタ２２ａの制御端子に提供する。バッファ回路２７は、例えばソースフォロワ回路を含んで構成される。具体的には、バッファ回路２７は、互いに直列に接続されたトランジスタ２７ａ，２７ｂを有する。トランジスタ２７ａの一方の電流端子は電源電位線３４に接続され、他方の電流端子はトランジスタ２７ｂの一方の電流端子に接続されている。トランジスタ２７ｂの他方の電流端子は基準電位線ＧＮＤに接続されている。トランジスタ２７ａの制御端子には所定のバイアス電圧（定電圧）Ｖ₅が印加される。トランジスタ２７ｂの制御端子にはノードＮ₁の電位が入力される。バッファ回路２７は、トランジスタ２７ａ，２７ｂの間のノードから、ノードＮ₁の電位に応じた大きさの制御電圧ＶＣ₁を出力する。

バッファ回路２８は、ノードＮ₁の電位をシフトして制御電圧ＶＣ₂を生成し、トランジスタ２２ｂの制御端子に提供する。バッファ回路２８は、例えばソースフォロワ回路を含んで構成される。具体的には、バッファ回路２８は、互いに直列に接続されたトランジスタ２８ａ，２８ｂを有する。トランジスタ２８ａの一方の電流端子は電源電位線３４に接続され、他方の電流端子はトランジスタ２８ｂの一方の電流端子に接続されている。トランジスタ２８ｂの他方の電流端子は基準電位線ＧＮＤに接続されている。トランジスタ２８ａの制御端子には所定のバイアス電圧（定電圧）Ｖ₆が印加される。トランジスタ２８ｂの制御端子にはノードＮ₁の電位が入力される。バッファ回路２８は、トランジスタ２８ａ，２８ｂの間のノードから、ノードＮ₁の電位に応じた大きさの制御電圧ＶＣ₂を出力する。バイアス電圧Ｖ₅，Ｖ₆の大きさは、トランジスタ２２ａから蓄積ノード２６ａへ供給される電流量と、トランジスタ２２ｂから蓄積ノード２６ｂへ供給される電流量とが互いに等しくなるように設定され、一例ではＶ₅＝Ｖ₆である。

なお、バッファ回路２７，２８は省かれてもよい。その場合、トランジスタ２２ａ，２２ｂの各制御端子がノードＮ₁に直接接続され、ノードＮ₁の電位が制御電圧ＶＣ₁，ＶＣ₂としてこれらの制御端子に提供される。

電流注入回路２０は、リセット回路３５，３６を更に有する。リセット回路３５はトランジスタ３５ａを有し、リセット回路３６はトランジスタ３６ａを有する。トランジスタ３５ａ，３６ａの一方の電流端子にはリセット電位Ｖｒが入力される。トランジスタ３５ａの他方の電流端子は蓄積ノード２６ａに接続され、トランジスタ３６ａの他方の電流端子は蓄積ノード２６ｂに接続されている。トランジスタ３５ａ，３６ａの制御端子にはリセット信号Ｓｒが入力され、トランジスタ３５ａ，３６ａがオン状態となることにより、蓄積ノード２６ａ，２６ｂの電荷が排出される。

以上の構成を備える電流注入回路２０の動作について説明する。反射光Ｌ２が当該画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射すると、対象物Ｂまでの距離に応じた比率で電荷収集領域１５，１６に電荷が流れ込む（図５を参照）。また、電荷収集領域１５，１６には、当該画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射した外乱光の大きさに相当する電荷も流れ込む。但し、転送電極１７に印加される駆動電圧のオン時間と、転送電極１８に印加される駆動電圧のオン時間とが互いに等しい場合、外乱光によって電荷収集領域１５，１６に流れ込む電荷量は互いに等しい。

これにより、蓄積ノード２６ａ，２６ｂの電位は、それぞれ電荷収集領域１５，１６に流入した電荷量に応じた大きさとなる。そして、電荷収集領域１５，１６への電荷の流入が続き、蓄積ノード２６ａ，２６ｂの電位のうち一方の蓄積ノードがターンオン電圧を超えると、トランジスタ２４ａ，２４ｂのうち一方が、該一方の蓄積ノードの電位に応じた電流を流し始める。従って、ノードＮ₁の電位は、電荷収集領域１５，１６（蓄積ノード２６ａ，２６ｂ）に蓄積された電荷量のうち大きい方の量に応じた大きさとなる。このノードＮ₁の電位に対応する大きさの制御電圧ＶＣ₁，ＶＣ₂が、トランジスタ２２ａ，２２ｂの各制御端子に出力される。

トランジスタ２２ａ，２２ｂは、上述した制御電圧ＶＣ₁，ＶＣ₂を制御端子に受け、制御電圧ＶＣ₁，ＶＣ₂の大きさに対応する電流を流す。ここで、トランジスタ２３ａ，２３ｂの制御端子には所定のバイアス電圧Ｖ₃，Ｖ₄が常に印加されているので、これらの電流は、蓄積ノード２６ａ，２６ｂにそれぞれ注入される。これにより、蓄積ノード２６ａ，２６ｂにおいて同じ量の電荷が打ち消され、外乱光による蓄積ノード２６ａ，２６ｂ（電荷収集領域１５，１６）の飽和が回避される。

以上に説明した本実施形態の距離センサ１Ａによって得られる効果を説明する。図１２は、比較例に係る電流注入回路１００の構成を示す回路図である。この電流注入回路１００は、トランジスタ２３ａ，２３ｂ、バッファ回路２７，２８を備えていない点を除き、本実施形態の電流注入回路２０と同様の構成を備える。なお、リセット回路３５，３６については図示を省略している。

図１２に示される電流注入回路１００では、トランジスタ２２ａ，２２ｂが、蓄積ノード２６ａ，２６ｂに直接接続されているが、蓄積ノード２６ａ，２６ｂの電位は、電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量に応じて変動する。従って、電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量の差に応じて、蓄積ノード２６ａ，２６ｂの電位にも差が生じる。すなわち、トランジスタ２２ａ，２２ｂのドレイン−ソース間電圧に差が生じる。このため、トランジスタ２２ａ，２２ｂの特性（チャネル長変調効果）により、蓄積ノード２６ａに注入される電荷量と、蓄積ノード２６ｂに注入される電荷量とが互いに等しくならず僅かな差が生じてしまう。従って、処理回路１３において電荷収集領域１５，１６に蓄積された電荷量の差を出力する際に誤差が生じ、これにより計測距離に誤差が生じてしまう。

このような問題に対し、本実施形態の距離センサ１Ａでは、トランジスタ２２ａ，２２ｂと蓄積ノード２６ａ，２６ｂとの間に、トランジスタ２３ａ，２３ｂといったカスコードデバイスが接続されている。これにより、トランジスタ２２ａ，２２ｂ及び蓄積ノード２６ａ，２６ｂの各電位が分離されるので、蓄積ノード２６ａと蓄積ノード２６ｂとの間に電位差があったとしても、トランジスタ２２ａ，２２ｂのドレイン−ソース間電圧への影響を抑え、これらを互いに等しくすることができる。従って、トランジスタ２２ａ，２２ｂから蓄積ノード２６ａ，２６ｂ（電荷収集領域１５，１６）へ注入される電流量の差を低減し、これらを略均等な大きさに精度良く制御することができる。

ここで、図１３（ａ）は、比較例に係る電流注入回路１００における蓄積ノード２６ａ，２６ｂの電圧値（電位）の時間変化の例を示すグラフである。図中において、グラフＧ１１は一方の蓄積ノードの電圧値を示し、グラフＧ１２は他方の蓄積ノードの電圧値を示す。また、図１３（ｂ）は、比較例に係る電流注入回路１００における蓄積ノード２６ａ，２６ｂへの注入電流量の時間変化の例を示すグラフである。図中において、グラフＧ２１は一方の蓄積ノードへの注入電流量を示し、グラフＧ２２は他方の蓄積ノードへの注入電流量を示す。

図１３（ａ）に示されるように、蓄積ノード２６ａ，２６ｂにおける電荷の蓄積により、蓄積ノード２６ａ，２６ｂの電位は次第に下降する。そして、一方の蓄積ノードの電位がトランジスタ２４ａ（若しくは２４ｂ）のターンオン電圧を超えると、図１３（ｂ）に示されるように、蓄積ノード２６ａ，２６ｂへの電流注入が開始される（１．５〜１．６ミリ秒）。これにより、一方の蓄積ノードの電位の下降が止まり一定になるとともに、他方の蓄積ノードの電位が上昇し始める。

しかしながら、前述した蓄積ノード２６ａと蓄積ノード２６ｂとの間の電位差に起因して、各蓄積ノードへの注入電流量が僅かに異なる。これにより、グラフＧ２１とグラフＧ２２とが次第に乖離していく。前述したように、このような注入電流量の差は、計測誤差として現れる。

これに対し、図１４（ａ）は、本実施形態に係る電流注入回路２０における蓄積ノード２６ａ，２６ｂの電圧値（電位）の時間変化の例を示すグラフである。図中において、グラフＧ３１は一方の蓄積ノードの電圧値を示し、グラフＧ３２は他方の蓄積ノードの電圧値を示す。また、図１４（ｂ）のグラフＧ４１，Ｇ４２は、本実施形態に係る電流注入回路２０における蓄積ノード２６ａ，２６ｂへの注入電流量の時間変化の例を示す。なお、蓄積ノード２６ａ，２６ｂへの注入電流量が互いに等しいので、グラフＧ４１，Ｇ４２が完全に重なっている。

このように、本実施形態によれば、蓄積ノード２６ａと蓄積ノード２６ｂとの間の電位差を低減して、各蓄積ノードへの注入電流量を互いに近づけることができる。従って、計測誤差を低減することができる。

また、本実施形態のように、トランジスタ２３ａ，２３ｂはＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。これにより、トランジスタ２２ａ，２２ｂ及び蓄積ノード２６ａ，２６ｂの各電位を好適に分離することができる。特に、本実施形態のようにトランジスタ２２ａ，２２ｂがＭＯＳＦＥＴである場合に効果的である。

（第１変形例）
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、上記実施形態の第１変形例に係る駆動方法のタイミングチャートを示す図である。上記実施形態のセンサ駆動回路１２は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されたタイミングチャートに代えて、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示されたタイミングチャートに基づいて転送電極１７，１８を駆動してもよい。

本変形例のタイミングチャートと上記実施形態のタイミングチャートとの相違点は、駆動電圧Ｖｔｘ₁及びＶｔｘ₂のオン時間の長さである。上記実施形態では、駆動電圧Ｖｔｘ₁及びＶｔｘ₂のオン時間は駆動クロックＣＬのオン時間（すなわち照射光Ｌ１の照射時間）ｔ_Lと等しいが、本変形例では、駆動電圧Ｖｔｘ₁及びＶｔｘ₂のオン時間は時間ｔ_Lの半分（ｔ_L／２）となっている。

具体的には、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示されるように、第１フレームＦ１及び第２フレームＦ２それぞれの蓄積フレームＦ３において、等間隔の時刻ｔ₀、ｔ₁、・・・、ｔ₈を定義する。これらの間隔は、照射光Ｌ１の一回の照射時間ｔ_Lの半分である。このとき、光源ユニット３０は、照射光Ｌ１を時刻ｔ₁〜ｔ₃の間照射する。そして、図１５（ａ）に示されるように、センサ駆動回路１２は、第１フレームＦ１において、駆動電圧Ｖｔｘ₁を時刻ｔ₀〜ｔ₁及びｔ₄〜ｔ₅の間オン電位とし、駆動電圧Ｖｔｘ₂を時刻ｔ₂〜ｔ₃及びｔ₆〜ｔ₇の間オン電位とする。また、図１５（ｂ）に示されるように、センサ駆動回路１２は、第２フレームＦ２において、駆動電圧Ｖｔｘ₁を時刻ｔ₁〜ｔ₂及びｔ₅〜ｔ₆の間オン電位とし、駆動電圧Ｖｔｘ₂を時刻ｔ₃〜ｔ₄及びｔ₇〜ｔ₈の間オン電位とする。

なお、転送電極４４に印加される駆動電圧Ｖｔｘｒは、他の駆動電圧Ｖｔｘ₁，Ｖｔｘ₂が最初にオン電位とされてから最後にオフ電位とされるまでの期間を除いてオン電位とされる。すなわち、駆動電圧Ｖｔｘｒは、第１フレームＦ１においては時刻ｔ₀〜ｔ₇の間オフ電位とされ、第２フレームＦ２においては時刻ｔ₁〜ｔ₈の間オフ電位とされ、その他の期間においてオン電位とされる。

本変形例の駆動方式においては、第１フレームＦ１および第２フレームＦ２の各出力値の差分を行った後に絶対値をとり、大きい方を選択することにより、反射光Ｌ２により生じる総電荷量の１／２の値を得ることができる。また、第１フレームＦ１および第２フレームＦ２の各出力値の符号を適宜反転し、適切なオフセットを加算することにより、時間Ｔ₂に応じて線形に増加する値が得られる。

図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、本変形例における距離算出方法を説明するための図である。図１６（ａ）は、電荷収集領域１６の蓄積ノードの電荷量から電荷収集領域１５の蓄積ノードの電荷量を差し引いた値（すなわち各画素Ｐ（ｍ，ｎ）からの出力値）と、光Ｌ１を照射してから反射光Ｌ２が入射するまでの時間ｔ（すなわち対象物Ｂまでの距離）との関係を示すグラフである。同図において、グラフＧ４１は第１フレームＦ１における出力値を示し、グラフＧ４２は第２フレームＦ２における出力値を示す。なお、便宜上、出力値はその最大値が１、最小値が−１となるように規格化されている。

図１６（ａ）のグラフＧ４１に示されるように、第１フレームＦ１では、０＜ｔ＜ｔ_L／２の区間Ｄ₁において出力値が１で一定となり、ｔ_L／２＜ｔ＜ｔ_Lの区間Ｄ_２において出力値が１から−１まで下降し、ｔ_L＜ｔ＜（３×ｔ_L／２）の区間Ｄ₃において出力値が−１で一定となり、（３×ｔ_L／２）＜ｔ＜２ｔ_Lの区間Ｄ₄において出力値が−１から１まで上昇する。また、グラフＧ４２に示されるように、第２フレームＦ２では、区間Ｄ₁において出力値が−１から１まで上昇し、区間Ｄ_２において出力値が１で一定となり、区間Ｄ₃において出力値が１から−１まで下降し、区間Ｄ₄において出力値が−１で一定となる。

ここで、第１フレームＦ１および第２フレームＦ２の各出力値の絶対値をとり、第１フレームＦ１および第２フレームＦ２の各出力値のうち大きい方を選択する。すると、図１６（ｂ）に示されるように、時間ｔによらず一定値のグラフＧ５１が得られる。このグラフＧ５１が、反射光Ｌ２により生じる総電荷量の１／２を表す。

一方、各区間Ｄ₁〜Ｄ₄のうち、第１フレームＦ１の出力値（グラフＧ４１）が第２フレームＦ２の出力値（グラフＧ４２）よりも小さい区間では、第１フレームＦ１及び第２フレームＦ２の出力値のうち絶対値が小さい方の符号を反転する。図１６（ａ）に示される例では、区間Ｄ₂における第１フレームＦ１の出力値、及び区間Ｄ₃における第２フレームＦ２の出力値の符号を反転する。これにより、区間Ｄ₁、Ｄ₃における第２フレームＦ２の出力値と、区間Ｄ₂、Ｄ₄における第１フレームＦ１の出力値とが共に時間ｔに対して正の傾きを持つこととなる。そして、図１６（ｂ）に示されるように、区間Ｄ₁、Ｄ₃における第２フレームＦ２の出力値と、区間Ｄ₂、Ｄ₄における第１フレームＦ１の出力値との双方に対し、１／４を乗算する。最後に、区間Ｄ₁、Ｄ₃における第２フレームＦ２の出力値と、区間Ｄ₂、Ｄ₄における第１フレームＦ１の出力値とのそれぞれに適切なオフセット値を加算することによって、図１６（ｃ）に示されるように、０≦ｔ≦２ｔ_Lの範囲において出力値が０から１まで増加する線形なグラフＧ５２が得られる。その結果、グラフＧ５１とグラフＧ５２とに基づいて、時間ｔすなわち対象物Ｂまでの距離を知ることができる。なお、図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に示された各演算の順序は上記に限られず、異なる順序で演算してもよい。或いは、図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に示された各演算を同時に行ってもよい。

このように、本変形例によれば、上記実施形態と同様に、電荷収集領域１５，１６の各蓄積ノードに蓄積された電荷量の差分に基づいて、対象物Ｂまでの距離を求めることができる。従って、上記実施形態の電流注入回路２０を適用することが可能となり、それによって各蓄積ノードの飽和を回避することができる。

（第２変形例）
図１７は、上記実施形態の第２変形例に係る受光部９Ａを示す平面図である。図１７に示されるように、本変形例の受光部９Ａは、転送電極１７（第１の転送電極）、転送電極１８（第２の転送電極）、転送電極５１（第１の転送電極）、及び転送電極５２（第２の転送電極）を、それぞれ１個ずつ有する。これらの転送電極１７，１８，５１，５２は、フォトゲート電極１９と並んで、フォトゲート電極１９の周囲に配置されている。なお、本実施形態では、転送電極１７と転送電極１８との間にフォトゲート電極１９が位置し、転送電極５１と転送電極５２との間にフォトゲート電極１９が位置しているが、転送電極１７，１８，５１，５２は、フォトゲート電極１９と並んでさえいれば互いの位置関係に制約はない。

また、受光部９Ａは、信号取出電極４２，４３，５５，５６を、それぞれ１個ずつ有する。転送電極１７は信号取出電極４２とフォトゲート電極１９との間に配置され、転送電極１８は信号取出電極４３とフォトゲート電極１９との間に配置され、転送電極５１は信号取出電極５５とフォトゲート電極１９との間に配置され、転送電極５２は信号取出電極５６とフォトゲート電極１９との間に配置される。また、受光部９Ａは、転送電極４４及び電荷排出用電極４５を有する。

受光部９Ａにおいて、転送電極１７，１８及び信号取出電極４２，４３の直下の構成は図３と同様であり、転送電極４４及び電荷排出用電極４５の直下の構成は図４と同様である。図１８は、転送電極５１，５２及び信号取出電極５５，５６の直下の構成を含む、図１７のXVIII−XVIII線に沿った断面図である。図１８に示されるように、受光部９Ａは、電荷収集領域５７（第１の電荷収集領域）と、電荷収集領域５８（第２の電荷収集領域）とを更に有する。電荷収集領域５７，５８は、光感応領域１４と並んで配置され、光感応領域１４からの電荷を収集し、それぞれの蓄積ノードに蓄積する。なお、電荷収集領域５７，５８の構成は、図３に示された電荷収集領域１５，１６の構成と同様である。

信号取出電極５５は電荷収集領域５７上に形成されており、信号取出電極５６は電荷収集領域５８上に形成されている。信号取出電極５５，５６は、絶縁層４１に形成された開口を介して、各電荷収集領域５７，５８に接触している。

転送電極５１は、光感応領域１４と電荷収集領域５７との間の領域上に配置される。転送電極５２は、光感応領域１４と電荷収集領域５８との間の領域上に配置される。転送電極５１に正電位（オン電位）が与えられると、光感応領域１４から電荷収集領域５７のポテンシャル井戸内に電荷が落ちて蓄積される。同様に、転送電極５２に正電位（オン電位）が与えられると、光感応領域１４から電荷収集領域５８のポテンシャル井戸内に電荷が落ちて蓄積される。

本変形例のセンサ駆動回路は、時分割された複数のフレームを順に実施することにより転送電極１７，１８，５１，５２を駆動する。図１９は、本変形例におけるセンサ駆動回路の駆動方式を示す図である。図１９に示されるように、本変形例の駆動方式では、同一のフレームＦ５を繰り返しながら、フレームＦ５内の処理を行う。図には、フレームＦ５内の処理内容が併せて示されている。フレームＦ５内では、電荷収集領域１５，１６，５７，５８の各蓄積ノードへの電荷の蓄積を行う蓄積フレームＦ６と、電荷収集領域１５，１６，５７，５８からの電荷の読出しを行う読出フレームＦ４とを交互に繰り返す。

図２０は、蓄積フレームＦ６における転送電極１７，１８，４４，５１，５２の動作を示すタイミングチャートである。この図には、駆動クロックＣＬと、転送電極１７に印加される駆動電圧Ｖｔｘ₁と、転送電極１８に印加される駆動電圧Ｖｔｘ₂と、転送電極５１に印加される駆動電圧Ｖｔｘ₃と、転送電極５２に印加される駆動電圧Ｖｔｘ₄と、転送電極４４に印加される駆動電圧Ｖｔｘｒとが示されている。

蓄積フレームＦ６では、駆動クロックＣＬが一回立ち上がる毎に、或る周期Ｔでもって駆動電圧Ｖｔｘ₁〜Ｖｔｘ₄がオン電位とオフ電位とを２回ずつ繰り返す。周期Ｔは、駆動クロックＣＬのオン時間ｔ_Lの２倍（すなわちＴ＝２ｔ_L）に設定される。また、各周期における駆動電圧Ｖｔｘ₁〜Ｖｔｘ₂のオン時間は駆動クロックＣＬのオン時間ｔ_Lの半分（ｔ_L／２）である。

具体的には、図２０に示されるように、各フレームＦ５の蓄積フレームＦ６において、等間隔の時刻ｔ₀、ｔ₁、・・・、ｔ₈を定義する。これらの間隔は、照射光Ｌ１の一回の照射時間ｔ_Lの半分である。このとき、光源ユニット３０は、照射光Ｌ１を時刻ｔ₁〜ｔ₃の間照射する。そして、図２０に示されるように、センサ駆動回路１２は、各フレームＦ５において、駆動電圧Ｖｔｘ₁を時刻ｔ₀〜ｔ₁及びｔ₄〜ｔ₅の間オン電位とし、駆動電圧Ｖｔｘ₂を時刻ｔ₁〜ｔ₂及びｔ₅〜ｔ₆の間オン電位とし、駆動電圧Ｖｔｘ₃を時刻ｔ₂〜ｔ₃及びｔ₆〜ｔ₇の間オン電位とし、駆動電圧Ｖｔｘ₄を時刻ｔ₃〜ｔ₄及びｔ₇〜ｔ₈の間オン電位とする。

なお、転送電極４４に印加される駆動電圧Ｖｔｘｒは、他の駆動電圧Ｖｔｘ₁〜Ｖｔｘ₄が最初にオン電位とされてから最後にオフ電位とされるまでの期間を除いてオン電位とされる。すなわち、駆動電圧Ｖｔｘｒは、各フレームＦ５において、時刻ｔ₀〜ｔ₈の間オフ電位とされ、その他の期間においてオン電位とされる。

本変形例は、第１変形例の第１フレームＦ１及び第２フレームＦ２を一つのフレームＦ５において一括して実施したものである。従って、本変形例によれば、第１変形例と同様に、反射光Ｌ２により生じる総電荷量の１／２の値を得ることができ、また、電荷収集領域１５，１６，５７，５８の各蓄積ノードに蓄積された電荷量の差分に基づいて、対象物Ｂまでの距離を求めることができる。すなわち、第１変形例における第１フレームＦ１の出力値を、本変形例では電荷収集領域１６の電荷量から電荷収集領域１５の電荷量を差し引いた値に置き換え、第１変形例における第２フレームＦ２の出力値を、本変形例では電荷収集領域５８の電荷量から電荷収集領域５７の電荷量を差し引いた値に置き換えるとよい。従って、上記実施形態の電流注入回路２０を適用することが可能となり、それによって各蓄積ノードの飽和を回避することができる。なお、本変形例では、電荷収集領域１５，１６に対して一つの電流注入回路２０が接続され、電荷収集領域５７，５８に対して別の電流注入回路２０が接続される。

本発明による距離センサは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では各トランジスタがＭＯＳＦＥＴである場合を例示したが、各トランジスタは他のＦＥＴであってもよく、或いはバイポーラトランジスタであってもよい。

１Ａ…距離センサ、１０…半導体基板、１０ａ…表面、１０ｂ…裏面、１０ｃ…表面領域、１１…撮像領域、１２…センサ駆動回路、１３…処理回路、１４…光感応領域、１５…第１の電荷収集領域、１６…第２の電荷収集領域、１７…転送電極、１８…転送電極、１９…フォトゲート電極、２０…電流注入回路、２１…電圧生成回路、２２ａ…第１のトランジスタ、２２ｂ…第２のトランジスタ、２３ａ…第３のトランジスタ、２３ｂ…第４のトランジスタ、２４…トランジスタ対、２５…電流源、２６ａ，２６ｂ…蓄積ノード、２７，２８…バッファ回路、３０…光源ユニット、３１…光源、３２…光源駆動回路、３３…制御回路、３４…電源電位線、３５，３６…リセット回路、４１…絶縁層、４２，４３…信号取出電極、１００…電流注入回路、Ｂ…対象物、ＧＮＤ…基準電位線、Ｌ１…照射光、Ｌ２…反射光、Ｎ₁…ノード、Ｐ…画素、Ｓｒ…リセット信号、Ｔ…周期、ｔ_L…オン時間、Ｔ₁…光照射タイミング、Ｔ₂…遅延時間、Ｖ₃，Ｖ₄，Ｖ₅，Ｖ₆…バイアス電圧（定電圧）、ＶＣ₁，ＶＣ₂…制御電圧、Ｖｒ…リセット電位、Ｖｔｘ₁，Ｖｔｘ₂…駆動電圧。

Claims (2)

1. 対象物に光を照射し、その反射光を検出することにより前記対象物までの距離を計測する距離センサであって、
   前記反射光を受けて光量に応じた電荷を発生する光感応領域、並びに前記光感応領域と並んで配置され前記光感応領域からの電荷を収集する第１及び第２の電荷収集領域を有する半導体基板と、
   前記光感応領域と前記第１の電荷収集領域との間の領域上に配置され、光照射後の第１の期間にオン電位とされ、その後の第２の期間にオフ電位とされる第１の転送電極と、
   前記光感応領域と前記第２の電荷収集領域との間の領域上に配置され、前記第１の期間にオフ電位とされ、前記第２の期間にオン電位とされる第２の転送電極と、
   第１の定電位線と前記第１の定電位線よりも低電位の第２の定電位線との間に接続され、前記第１及び第２の電荷収集領域の蓄積ノードに蓄積された電荷量のうち大きい方に応じた制御電圧を生成する電圧生成回路と、
   前記制御電圧を制御端子に受け、一方の電流端子が前記第１の定電位線に接続された第１及び第２のトランジスタと、
   一方の電流端子が前記第１のトランジスタの他方の電流端子に接続され、他方の電流端子が前記第１の電荷収集領域の蓄積ノードに接続され、定電圧を制御端子に受ける第３のトランジスタと、
   一方の電流端子が前記第２のトランジスタの他方の電流端子に接続され、他方の電流端子が前記第２の電荷収集領域の蓄積ノードに接続され、定電圧を制御端子に受ける第４のトランジスタと、
   を備える、距離センサ。
2. 前記第３及び第４のトランジスタがＭＯＳＦＥＴである、請求項１に記載の距離センサ。

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