WO2011105438A1 - 距離画像センサ - Google Patents

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WO2011105438A1
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modulation signal
transfer electrode
period
image sensor
distance image
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鈴木　高志
光人 間瀬
智浩 山崎
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Hamamatsu Photonics KK
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    • H01J1/46—Control electrodes, e.g. grid; Auxiliary electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a distance image sensor.
  • an image sensor that can obtain a distance image of an object is expected. It is also expected to obtain the actual image of the measurement object and the distance image with the same chip.
  • a distance image sensor is expected to be applied to various technologies. For example, if a distance image sensor is mounted on a moving body such as a ship, an automobile, or an aircraft, a distance image of an object around the moving body can be obtained. Therefore, based on the obtained distance image of the object, the moving object Can be controlled. In factory automation (FA), when a distance image of an object is obtained, the object can be inspected / controlled using the distance image.
  • FA factory automation
  • TOF-Flight Time-OF-Flight
  • this method requires a light source (such as a pulse laser or a light emitting diode (LED)) and a light receiving element.
  • the distance image sensor using the charge distribution structure the distance is calculated based on the ratio between the accumulated charges distributed at a certain period and the accumulated charges different from the phase. That is, the phase shift of the reflected return light with respect to the phase of the emitted light is regarded as the distance to the object, and the charge generated in response to the return light is distributed in synchronization with the modulation period of the emitted light, and the phase shift The amount is calculated using the ratio of the distributed charge amount.
  • Patent Document 1 electric charges are distributed by two light receiving units and two storage capacitors.
  • a plurality of pixels are two-dimensionally arranged, and distance information to an object obtained in each pixel is two-dimensionally output.
  • at least two capacitors are provided in one pixel, and charges derived from background light are canceled using these two capacitors.
  • one capacitor is provided in one pixel, and a distributed signal is supplied to each electrode terminal of the capacitor at different times via only a pair of switches. Is integrated to control the electric charge flowing into the capacitor and cancel the current derived from the background light.
  • the distance image sensor described in Patent Document 1 has a large number of capacitors, so the size of one pixel is increased, and the spatial resolution is improved. Can not do it.
  • circuit elements such as capacitors and switches
  • parasitic capacitance increases and output linearity decreases.
  • the time correlation detection type image sensor described in Patent Document 2 although the spatial resolution is increased by reducing the number of capacitors, switching noise is superimposed on the signal due to an increase in the number of switching circuits. Cannot be calculated. Therefore, any of the conventional techniques has a problem that an accurate distance image cannot be obtained.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a distance image sensor capable of obtaining an accurate distance image.
  • a distance image sensor is a distance image including an imaging region that receives reflected light of light emitted to an object and a drive circuit that drives the imaging region.
  • the imaging region includes a plurality of pixels arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate, and each pixel includes a light-receiving region and first and second adjacent to the light-receiving region. Electrically connected between the first and second storage regions, and the first and second transfer electrodes for controlling the flow of charge into the first and second storage regions, respectively.
  • the circuit sets a reset period in which all of the first, second, third, and fourth switches are turned on at the first time of one cycle, and the first period and the second period alternate in one cycle. In the first period, both the first and third switches are turned on, both the second and fourth switches are turned off, and in the second period, the first and third switches are turned on.
  • Both the second switch and the fourth switch are turned OFF, and both the second and fourth switches are turned ON, and the first and second transfer electrodes are synchronized with the modulation signal of the emitted light within the one period, and have opposite phases to each other.
  • the modulation signal is provided.
  • Noise based on the light quantum (photon shot noise) increases at the square root of the exposure light quantity, and the signal component increases proportionally. Therefore, as the exposure time is increased, the ratio of the signal component increases, and the signal to noise ratio increases. Will improve. Therefore, as the charges distributed in the first and second storage regions are integrated by the first and second transfer electrodes, the signal-to-noise ratio is improved and an accurate distance image can be obtained. That is, by applying a modulation signal to the transfer electrode, charge integration for a certain period is performed in the first and second accumulation regions, and simultaneously or after integration, the charge integrated in the first accumulation region is changed to the first accumulation region. In the first period, the charge connected to the first terminal of the capacitor and integrated in the second accumulation region is connected to the second terminal of the capacitor in the second period. The charge component contained, that is, the background light component is canceled out.
  • each storage region is connected to only a single capacitor, the pixel size can be reduced to improve the spatial resolution.
  • the first and second storage regions are also provided. Since the charge transferred into the capacitor is integrated, the signal-to-noise ratio is improved, and the number of times of switching during charge transfer to the capacitor of the first and second switches is reduced, so that the switching noise is also reduced.
  • the electric charge corresponding to the distance is accumulated in this, and the accurate distance can be calculated by detecting the amount of electric charge (voltage corresponding to this). Further, in this application, since the photocurrent is integrated as a charge for a predetermined period and then the distribution operation is performed, the noise is less than that in which the photocurrent is directly distributed to the capacitor as in Patent Document 2.
  • the drive circuit includes the first or second switch so that the number of switching times of the first and second switches after the end of the reset period within the one cycle is equal.
  • the second switch is additionally switched.
  • additional switching hereinafter referred to as “dummy switching”
  • the drive circuit includes (a) the first circuit at a timing having a phase difference of 0 ° with the modulated signal of the emitted light within a specific period.
  • a modulation signal is given to the transfer electrode, a modulation signal having a phase opposite to that of the modulation signal given to the first transfer electrode is given to the second transfer electrode, and (b) the emission light within another period
  • the modulation signal is applied to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 90 ° with respect to the modulation signal, and the modulation signal applied to the first transfer electrode is opposite in phase to the second transfer electrode.
  • the modulation signal is applied to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 180 ° from the modulation signal of the emitted light, and the second transfer A modulation signal applied to the first transfer electrode.
  • a modulation signal to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 270 ° from the modulation signal of the emitted light within another period different from the above.
  • a modulation signal having a phase opposite to that of the modulation signal applied to the first transfer electrode is applied to the second transfer electrode, and the first period within one cycle of (a) to (d). And the order of the second period is the same.
  • the number of times the charge transferred to the capacitor is switched is different at each terminal of the capacitor.
  • the charge is stored in each storage region in the four phases (a) to (d).
  • the offset component can be canceled together with the background light component. Thereby, an accurate distance can be calculated.
  • the drive circuit includes (a) the first circuit at a timing having a phase difference of 0 ° with the modulation signal of the emitted light within a specific period.
  • a modulation signal is given to the transfer electrode, a modulation signal having a phase opposite to that of the modulation signal given to the first transfer electrode is given to the second transfer electrode, and (b) the emission light within another period
  • the modulation signal is applied to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 90 ° with respect to the modulation signal, and the modulation signal applied to the first transfer electrode is opposite in phase to the second transfer electrode.
  • the modulation signal is applied to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 0 ° from the modulation signal of the emitted light, and the second transfer A modulation signal applied to the first transfer electrode;
  • a modulation signal is applied to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 90 ° with the modulation signal of the emitted light within another period different from the above.
  • a modulation signal having a phase opposite to that of the modulation signal applied to the first transfer electrode is applied to the second transfer electrode, and the first period in one cycle of (a) and (b)
  • the order of the second period is the same, and the order of the first period and the second period in one cycle of (c) and (d) is the same as in the cases of (a) and (b). Is the opposite.
  • the two phases (a) and (b) described above and the charge transfer order to the capacitor are different from each other in the phases (c) and (d).
  • the offset component can be canceled together with the background light component. Thereby, an accurate distance can be calculated.
  • the distance image sensor of the present invention can obtain an accurate distance image.
  • the distance image sensor of the present invention an accurate distance image can be obtained.
  • FIG. 1 is a plan view of a distance image sensor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional configuration of each pixel of the distance image sensor shown in FIG. 1 and a light source unit.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of each pixel of the distance image sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 5 is an operation explanatory diagram of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the operation of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 8 is an operation explanatory diagram of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 9 is an operation explanatory diagram of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 10 is an operation explanatory diagram of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of the operation of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 12 is a first timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 13 is a second timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 14 is a third timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 15 is a fourth timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 16 is a fifth timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 17 is a sixth timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 18 is a seventh timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 19 is an eighth timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view of a distance image sensor according to an embodiment.
  • the distance image sensor 1 includes an imaging region IMR formed on the semiconductor substrate 2, a sensor driving circuit DRV that drives the imaging region IMR, and an amplification circuit AMP that amplifies the output of the imaging region IMR.
  • the imaging region IMR includes a plurality of pixels P (m, n) arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner on the semiconductor substrate 2. In the drawing, m rows and n columns of pixels P (m, n) are shown (m and n are natural numbers).
  • the imaging region IMR detects the reflected light of the emitted light to the object for each pixel, and the distance for each pixel of the image of the object is obtained from the phase difference between the emitted light and the reflected light for each pixel.
  • This distance image sensor 1 is a charge distribution type distance image sensor, and obtains a phase difference corresponding to the distance according to the ratio of the amount of charge distributed to two locations in each pixel.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional configuration of each pixel of the distance image sensor shown in FIG. 1 and a light source unit.
  • the light source unit includes a light source 10 such as a laser or a light emitting diode, a light source drive circuit 11 that drives the light source 10 at a high frequency, and a control circuit 12 that outputs a drive clock of the light source drive circuit 11.
  • the light source 10 emits a modulated signal that has been subjected to light intensity modulation of a square wave or a sine wave.
  • a square wave or sine wave modulation signal is also output from the sensor drive circuit DRV shown in FIG. 1, and the modulation signals from the sensor drive circuit DRV are out of phase with each other. This is applied to the transfer electrodes TX1 and TX2.
  • the emitted light LED from the light source 10 is irradiated on the object OBJ, reflected on the surface of the object OBJ, and reflected on the pixels P (m, n) in the imaging region IMR of the distance image sensor 1 as reflected light RLTD. Incident from the back side of the substrate.
  • An imaging lens (not shown) is disposed in front of the light incident surface.
  • the semiconductor substrate 2 is thinned and preferably has a thickness of 50 ⁇ m or less to constitute a back-illuminated distance image sensor.
  • the present invention can also be applied to the surface incidence type distance image sensor 1 without reducing the thickness of the semiconductor substrate 2.
  • Each pixel P (m, n) of the distance image sensor 1 is formed in a surface region of a high-concentration P-type (second conductivity type) semiconductor substrate 2 at a lower concentration than the semiconductor substrate (second conductivity type).
  • a pair of high-concentration N-type (first conductivity type) semiconductor regions charge storage regions: floating diffusion regions
  • fd1 and fd2 formed on the surface side of the semiconductor region 3.
  • An insulating layer 5 is formed on the surface of the semiconductor substrate, and a photogate electrode PG is formed on the P-type semiconductor region 3 between the storage regions fd1 and fd2 via the insulating layer 5,
  • the light detection region 4 immediately below the photogate electrode. The potential of the light detection region 4 can be controlled by the voltage applied to the photogate electrode PG.
  • the signal extraction electrodes Vfd1 and Vfd2 are electrically connected to the storage regions fd1 and fd2, respectively. Further, the transfer electrodes TX1 and TX2 are located between the photogate electrode PG and the signal extraction electrodes Vfd1 and Vfd2.
  • An N-type semiconductor has electrons as carriers in an electrically neutral state, and is positively ionized when carriers are removed. That is, the high-concentration N-type accumulation regions fd1 and fd2 are greatly recessed downward to constitute a potential well.
  • a slight positive DC potential is applied to the photogate electrode PG as necessary.
  • hole electron pairs are generated in response to the incidence of light.
  • TX1 and TX2 functioning as the gate electrodes
  • TX1 and TX2 The potential of the region immediately below becomes an intermediate value between the potential of the light detection region 4 and the potentials of the storage regions fd1 and fd2, and a potential step from the light detection region 4 to the storage regions fd1 and fd2 is formed. Electrons fall and accumulate in the potential well of fd2.
  • This structure employs a structure in which electrodes are provided on the storage regions fd1 and fd2 and a signal is taken out. However, a high-concentration region for signal extraction is separately provided next to the storage regions fd1 and fd2. It is also possible to place another transfer electrode on the region between the regions fd1 and fd2 and provide an electrode on the high concentration region to extract a signal.
  • the symbols Vfd1 and Vfd1 are signal extraction electrodes, and also indicate the voltages applied between these electrodes and the ground potential
  • symbols TX1 and TX2 Is a transfer electrode and also indicates a transfer voltage applied between these and the ground potential.
  • Reference numeral PG denotes a photogate electrode and also indicates a DC voltage applied between these and the ground potential.
  • the semiconductor region 3 is connected to the ground potential.
  • the charges extracted from the signal extraction electrodes Vfd1 and Vfd2 are read out by the read circuit RC formed in the semiconductor region 3.
  • the read circuit is not limited to the semiconductor region 3 and may be formed on the semiconductor substrate 2.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of each pixel of the distance image sensor shown in FIG.
  • Each pixel P (m, n) includes a light receiving region (photodiode PD) that generates a charge in response to incident reflected light, and a first storage region fd1 and a second storage region fd2 adjacent to the photodiode PD. It has.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 control the inflow of charges into the first storage region fd1 and the second storage region fd2, respectively.
  • a capacitor C1 is electrically connected between the electrodes Vfd1 and Vfd2 of the first and second accumulation regions fd1 and fd2 via switches ⁇ 1 and ⁇ 2 made of transistors, respectively.
  • the first switch ⁇ 1 is interposed between the first terminal of the capacitor C1 (right terminal in the drawing: node VA) and the first storage region fd1, and the second switch ⁇ 2 is connected to the second terminal of the capacitor C1 ( It is interposed between the left terminal in the drawing: node VB) and the second accumulation region fd2.
  • a third switch ⁇ 1r made of a transistor is interposed between the second terminal (terminal on the left side of the drawing: node VB) of the capacitor C1 and the positive reference potential Vr.
  • a fourth switch ⁇ 2r is interposed between the first terminal (right terminal in the drawing: node VA) of the capacitor C1 and the reference potential Vr.
  • the symbols ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 1r, and ⁇ 2r indicate switches and also indicate voltages applied between the switches and the ground.
  • Symbols VA and VB indicate nodes, and also indicate voltages between these nodes located at both ends of the capacitor C1 and the ground potential.
  • parasitic capacitances Cfd1 and Cfd2 are interposed between the storage regions fd1 and fd2.
  • Various signal voltages ⁇ 1, ⁇ 1r, ⁇ 2, ⁇ 2r, TX1, TX2, and PG are output from the sensor drive circuit DRV.
  • the signal voltages ⁇ 1, ⁇ 1r, ⁇ 2, and ⁇ 2r are respectively applied to the control terminals of the switches ⁇ 1, ⁇ 1r, ⁇ 2, and ⁇ 2r made of transistors (a gate electrode for a field effect transistor and a base electrode for a bipolar transistor).
  • the Transfer voltages TX1 and TX2, which are reverse phase signals, are respectively applied to transfer electrodes TX1 and TX2 constituting the gate electrode of the MOS transistor.
  • the DC voltage PG is supplied to the photogate electrode PG.
  • a region having a lower potential than the photodetection region 4 immediately below the photogate electrode PG is formed immediately below the transfer electrode, and thus a storage region having a lower potential than the region immediately below the transfer electrode. Electrons generated in the photodiode PD are transferred to and flow into fd1 and fd2.
  • the charges are transferred to the capacitor C1.
  • Charges derived from background light are also accumulated in the accumulation regions fd1 and fd2, but the amount of charge derived from the background light can be considered to be the same in both the accumulation regions fd1 and fd2, and this is regarded as the capacitor C1.
  • These charges are canceled when transferred to both terminals. Therefore, in order to obtain the charge amount of the signal component, the charges accumulated in the accumulation regions fd1 and fd2 may be transferred to the single capacitor C1.
  • the voltages VA and VB at both terminals of the capacitor C1 are input to the amplifier circuit AMP, and the output of the amplifier circuit AMP is input to the control circuit 12.
  • 4 to 11 are operation explanatory views of the distance image sensor according to the embodiment, and schematically show only the portions necessary for the operation description.
  • FIG. 4 shows a state in which all the switches ⁇ 1, ⁇ 1r, ⁇ 2, and ⁇ 2r are turned off after resetting, and no charge is present in the pixel.
  • FIG. 5 shows a state where the switches ⁇ 1 and ⁇ 1r are turned on and ⁇ 2 and ⁇ 2r are turned off when light is incident directly below the photogate electrode PG and electrons as carriers are generated.
  • Black circles in the figure indicate electrons flowing into the right accumulation region fd1
  • white circles in the figure indicate electrons flowing into the left accumulation region fd2.
  • 12 charges flow into the right side and 6 charges flow into the left side since the timing of the return light is delayed from the emission timing, it is assumed that 12 charges flow into the right side and 6 charges flow into the left side. Note that these charge amounts include components derived from background light.
  • the charge flowing into the right accumulation region fd1 flows into one terminal of the capacitor C1 via the switch ⁇ 1, and the charge is divided.
  • all the switches ⁇ 1, ⁇ 1r, ⁇ 2, and ⁇ 2r are turned off, and the electric charge remains in one terminal of the capacitor C1.
  • FIG. 7 shows a state where the switches ⁇ 1 and ⁇ 1r are turned off and ⁇ 2 and ⁇ 2r are turned on.
  • the charge accumulated in the left accumulation region fd2 is divided and flows into the other terminal of the capacitor C1, and the charge is divided.
  • the charge accumulated on the right side of the capacitor C1 becomes a charge of opposite polarity accumulated at the opposite terminal. That is, as shown in FIG. 8, the charges accumulated on the right side of the capacitor C1 and the charges accumulated in the left accumulation region fd2 cancel each other and disappear, and only six charges are accumulated in the right accumulation region fd1. Remains.
  • FIG. 9 shows a state in which, after that, 12 additional charges flow into the right accumulation region fd1 and 6 charges flow into the left accumulation region fd2 in response to the incidence of light.
  • the total number of accumulated charges on the right side is 18. Since the switch ⁇ 2 is connected, the charge is divided and three charges flow into the left terminal of the capacitor C1.
  • FIG. 10 shows a state in which the switch ⁇ 2r is turned off from the state of FIG. 9, and the state of FIG. 9 is maintained.
  • FIG. 11 shows a state in which the switches ⁇ 1 and ⁇ 2 are then turned on and the charge accumulated in the right accumulation region fd1 is transferred to the capacitor C1, and the accumulated charge amount is redistributed according to the capacitor capacity. ing.
  • the ratio of the left and right charge amounts is 2: 6.
  • voltages VA and VB (Vfd1 and Vfd2) across the capacitor C1 are read out.
  • FIG. 12 is a first timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • the period from the current reset start time t1 to the next reset start time t9 is defined as one unit detection period (1 Phase). Between times t1 and t2, all the switches ⁇ 1r, ⁇ 2r, ⁇ 1, and ⁇ 2 are turned on, and the capacitor C1 and the storage regions fd1 and fd2 are reset to the initial state.
  • a period between time t2 and time t5 is defined as one transfer period T to the capacitor, and switches ⁇ 1r and ⁇ 1 are applied while applying transfer voltages TX1 and TX2 composed of opposite-phase square waves to the transfer electrodes TX1 and TX2. Is turned on (high level), and the switches ⁇ 2r and ⁇ 2 are turned off (low level), so that the charge accumulated in the right accumulation region fd1 is transferred to the right terminal of the capacitor C1.
  • the switches ⁇ 1r and ⁇ 1 are turned OFF (low level) while applying the transfer voltages TX1 and TX2 made of square waves of opposite phases to the transfer electrodes TX1 and TX2.
  • the switches ⁇ 2r and ⁇ 2 are turned on (high level) to transfer the charge accumulated in the left accumulation region fd2 to the other terminal of the capacitor C1. Note that, when this switch is switched, the overlapping charge components are canceled out.
  • the signal is read out in the period from time t8 to t9. Then, reset is performed again at the next time t9 to t10. In signal reading, the switches ⁇ 1 and ⁇ 2 are turned on, and ⁇ 1r and ⁇ 2r are turned off.
  • an intensity signal LED of light emitted from the light source and an intensity signal RLTD of reflected light are shown.
  • these waveforms are shown as square waves for simplification.
  • the delay time of the reflected light with respect to the emitted light corresponds to the distance to the object. That is, the period from the time t2 to the time t3 is the time during which the light travels the reciprocating distance from the light source to the object.
  • the drive signal to the light source is a square wave, and the rise and fall times thereof coincide with the rise and fall times of the transfer voltage TX1.
  • Q1 be the amount of charge transferred into the right accumulation region fd1 when the transfer voltage TX1 is high level
  • Q2 be the amount of charge transferred into the left accumulation region fd2 when the transfer voltage TX2 is high level.
  • a delay time is generated between the emitted light and the reflected light by the ratio of the charge amount Q2 to the total charge amount (Q1 + Q2), which corresponds to twice the distance L to the object.
  • the detection accuracy is improved by integrating the charges.
  • the drive circuit DRV sets a reset period (time t1 to t2) in which all the switches ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 1r, ⁇ 2r) are turned on at the first time of one cycle (1 Phase), and one cycle (1 Phase) ),
  • the first period (time t2 to t5, time t6 to t7: T1) and the second period (time t5 to t6, time t7 to t8: T2) are alternately set. .
  • both of the switches ( ⁇ 1, ⁇ 1r) are turned on, both of the switches ( ⁇ 2, ⁇ 2r) are turned off, and in the second period (T2), the switches ( ⁇ 1, ⁇ 1r) Both are turned OFF, both the second and fourth switches ( ⁇ 2, ⁇ 2r) are turned ON, and in one cycle (1 Phase), the transfer electrodes TX1 and TX2 are synchronized with the modulation signal LED of the emitted light and are opposite to each other. Phase modulation signals TX1, TX2 are provided.
  • Noise based on the light quantum increases at the square root of the exposure light quantity, and the signal component increases proportionally. Therefore, as the exposure time is increased, the ratio of the signal component increases, and the signal to noise ratio increases. Will improve. Therefore, as the charges distributed in the first and second accumulation regions fd1 and fd2 are integrated by the transfer electrodes TX1 and TX2, the signal-to-noise ratio is improved, and an accurate distance image (luminance image) can be obtained. it can.
  • the charge integration for a certain period is performed in the storage regions fd1 and fd2, and at the same time or after the integration, the charge integrated in the storage region fd1 is changed to the first.
  • the charge connected to the right terminal VA of the capacitor C1 and integrated in the storage region fd2 is connected to the left terminal VB of the capacitor C1 in the second period (T2), and the capacitor C1.
  • the charge components included in both storage regions fd1 and fd2, that is, the background light components are canceled out.
  • each storage region fd1, fd2 is connected only to a single capacitor C1
  • the pixel size can be reduced to improve the spatial resolution, and the storage regions fd1, fd2 Since the transferred charges are integrated, the signal-to-noise ratio is improved, and the number of times of switching when the switches Q1 and Q2 are transferred to the capacitor C1 is reduced. Accurate distance can be calculated by accumulating electric charge according to the distance and detecting the amount of electric charge (voltage corresponding thereto).
  • FIG. 13 is a second timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • the signal is read during a period between time t9 and time t10, and the other configurations are the same as those in the first timing chart. That is, the signal is read out with all the switches ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 1r, and ⁇ 2r turned off.
  • FIG. 14 is a third timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • timing chart a period in which both the transfer voltages TX1 and TX2 are turned off is set between time t8 and time t9, and a signal is read during this period. It is the same as the timing chart.
  • FIG. 15 is a fourth timing chart of the distance image sensor according to the embodiment. This timing chart is a modification of the first timing chart and includes a dummy switching period.
  • the switching times of the first and second switches ( ⁇ 1, ⁇ 2) in the period (from time t2 to time t11) after the end of the reset period within one cycle (1 Phase) become equal.
  • the first or second switch ( ⁇ 1, ⁇ 2) is additionally switched (in this example, the switch ⁇ 1 is turned OFF and ON at time t9 and time t10).
  • the number of times of switching becomes equal and the offset is canceled out, so that a more accurate distance image can be obtained.
  • the third or fourth switch is set so that the number of times the third and fourth switches ( ⁇ 1r, ⁇ 2r) switch in the period (from time t2 to time t11) after the end of the reset period within one cycle (1 Phase) becomes equal.
  • 4 switches ( ⁇ 1r, ⁇ 2r) are additionally switched (in this example, the switch ⁇ 1r is turned on and off at time t8 and time t9).
  • the number of times of switching becomes equal and the offset is canceled out, so that a more accurate distance image can be obtained.
  • FIG. 16 is a fifth timing chart of the distance image sensor according to the embodiment. This timing chart is a modification of the second timing chart and includes a dummy switching period.
  • the driving circuit DRV has the same number of switching times of the first and second switches ( ⁇ 1, ⁇ 2) in the period (from time t2 to time t10) after the end of the reset period within one cycle (1 Phase).
  • the first or second switch ( ⁇ 1, ⁇ 2) is additionally switched (in this example, the switch ⁇ 1 is turned OFF and ON at time t9 and time t10).
  • the number of times of switching becomes equal and the offset is canceled out, so that a more accurate distance image can be obtained.
  • FIG. 17 is a sixth timing chart of the distance image sensor according to the embodiment. This timing chart is a modification of the first timing chart and includes a dummy switching period.
  • the driving circuit DRV has the same number of switching times of the first and second switches ( ⁇ 1, ⁇ 1r) in the period (from time t2 to time t9) after the end of the reset period within one cycle (1 Phase).
  • the first or second switch ( ⁇ 1, ⁇ 1r) is additionally switched (in this example, at the time immediately after the reset period (t1 to t2), the switches ⁇ 1 and ⁇ 1r are turned OFF and ON. is doing).
  • additional switching hereinafter referred to as “dummy switching”
  • the number of times of switching becomes equal and the offset is canceled out, so that a more accurate distance image can be obtained.
  • Times t8 to t9 are signal readout periods, and times t9 to t10 are the next reset periods. First, all switches are reset and accumulation is started.
  • FIG. 18 is a seventh timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • each storage region fd1 By taking the difference between the charges (according to the voltage) accumulated in fd2, the offset component can be canceled together with the background light component. Thereby, an accurate distance can be calculated.
  • the drive circuit DRV gives signals as follows.
  • the modulation signal TX1 is given to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 0 ° from the modulation signal LED of the emitted light within a specific period (time t1 to t5), and the second transfer electrode.
  • a modulation signal TX2 having a phase opposite to that of the modulation signal TX1 applied to the first transfer electrode is applied.
  • the modulation signal TX1 is given to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 90 ° with the modulation signal LED of the emitted light, and the second transfer electrode In addition, a modulation signal TX2 having a phase opposite to that of the modulation signal TX1 applied to the first transfer electrode is applied.
  • the modulation signal TX1 is given to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 180 ° from the modulation signal LED of the emitted light, and the second transfer A modulation signal TX2 having a phase opposite to that of the modulation signal TX1 applied to the first transfer electrode is applied to the electrode.
  • the modulation signal TX1 is applied to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 270 ° from the modulation signal LED of the emitted light.
  • the second transfer electrode is supplied with a modulation signal TX2 having a phase opposite to that of the modulation signal TX1 applied to the first transfer electrode.
  • the order of the first period (T1: period in which ⁇ 1, ⁇ 1r is ON) and the second period (T2: period in which ⁇ 2, ⁇ 2r is ON) in one cycle of (a) to (d) above. are the same.
  • the offset can be canceled and the distance can be obtained. . That is, assuming that the same amount of offset is superimposed on the voltages Vfd1 and Vfd2 of each phase, the influence of the offset can be reduced by taking the difference between the voltages Vfd1 and Vfd2.
  • Vfd (0 °) Vfd1 (0 °) ⁇ Vfd1 (180 °)
  • Vfd (90 °) Vfd1 (90 °) ⁇ Vfd1 (270 °)
  • Vfd (180 °) Vfd2 (0 °) ⁇ Vfd2 (180 °)
  • Vfd (270 °) Vfd2 (90 °) ⁇ Vfd2 (270 °)
  • V1
  • V2
  • the total amount of signal Vtotal is V1 + V2, and the distance traveled by light during a period including four phases (t1 to t17) is given by V1 / Vtotal.
  • FIG. 19 is an eighth timing chart of the distance image sensor according to the embodiment.
  • Times t1 to t2, t5 to t6, t9 to t10, t13 to t14, t17 to t18 are reset periods, and time t4 to t5, t8 to t9, t12 to t13, and t16 to t17 are signal readout periods.
  • this timing chart only two phase differences of 0 ° and 90 ° are used, but the order of ⁇ 1 and ⁇ 2 is reversed between the first half and the second half of the detection period (t1 to t18).
  • the distance image sensor drive circuit DRV gives signals as follows.
  • the modulation signal TX1 is given to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 0 ° from the modulation signal LED of the emitted light within a specific period (time t1 to t5), and the second transfer electrode
  • a modulation signal TX2 having a phase opposite to that of the modulation signal TX1 applied to the first transfer electrode is applied.
  • the modulation signal TX1 is given to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 90 ° with the modulation signal LED of the emitted light, and the second transfer electrode In addition, a modulation signal TX2 having a phase opposite to that of the modulation signal TX1 applied to the first transfer electrode is applied.
  • the modulation signal TX1 is given to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 0 ° from the modulation signal LED of the emitted light, and the second transfer A modulation signal TX2 having a phase opposite to that of the modulation signal TX1 applied to the first transfer electrode is applied to the electrode.
  • the modulation signal TX1 is given to the first transfer electrode at a timing having a phase difference of 90 ° with the modulation signal LED of the emitted light,
  • the second transfer electrode is supplied with a modulation signal TX2 having a phase opposite to that of the modulation signal TX1 applied to the first transfer electrode.
  • T1 period in which ⁇ 1, ⁇ 1r is ON
  • T2 period in which ⁇ 2, ⁇ 2 are ON
  • the order of the first period T1 and the second period T2 in one cycle of the above (c) and (d) is opposite to the case of (a) and (b) above.
  • the two phases (a) and (b) described above and the phase of charge transfer to the capacitor C1 are different from each other in the phases (c) and (d).
  • the offset component can be canceled together with the background light component. Thereby, an accurate distance can be calculated.
  • the distance image sensor of the present invention can obtain an accurate distance image.
  • Vfd1 and Vfd2 in each phase are indicated as Vfd1 (phase) and Vfd2 (phase)
  • the following difference values are obtained in order to remove these variations and DC components.
  • Vfd1 and Vfd2 indicate voltages in the first half periods (a) and (b)
  • Vfd1 ′ and Vfd2 ′ indicate these voltages in the second half periods (c) and (d).
  • Vfd (0 °) Vfd1 (0 °) ⁇ Vfd2 (0 °)
  • Vfd (90 °) Vfd1 (90 °) ⁇ Vfd2 (90 °)
  • Vfd ′ (0 °) Vfd1 ′ (0 °) ⁇ Vfd2 ′ (0 °)
  • Vfd ′ (90 °) Vfd1 ′ (90 °) ⁇ Vfd2 ′ (90 °)
  • L1 Vfd (0 °) / (Vfd (0 °) + Vfd (90 °))
  • L2 Vfd ′ (0 °) / (Vfd ′ (0 °) + Vfd ′ (90 °))
  • SYMBOLS 1 Distance image sensor, IMR ... Imaging region, PD ... Light receiving region, fd1, fd2 ... Accumulation region, TX1, TX2 ... Transfer electrode, C1 ... Capacitor, ⁇ 1 ... First switch, ⁇ 2... Second switch, ⁇ 1r... Third switch, ⁇ 2r... Fourth switch, DRV.

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Abstract

　蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２は単一のキャパシタＣ１にしか接続されていないため、画素の大きさを小さくして空間分解能を向上させ、蓄積領域内ｆｄ１、ｆｄ２に転送された電荷を一旦蓄積するため、信号雑音比が向上する。駆動回路ＤＲＶは、一周期内におけるリセット期間終了時以後の第１及び第２のスイッチΦ1、Φ２のスイッチング回数が等しくなるように、ダミースイッチングを行うことで、オフセットが相殺され、更に正確な距離画像を得ることができる。

Description

距離画像センサ
本発明は、距離画像センサに関する。
従来、対象物の距離画像を得ることができるイメージセンサが期待されている。測定対象物の実際の画像と、距離画像を同一チップで求めることも期待されている。このような距離画像センサは、種々の技術への応用が期待されている。例えば、距離画像センサを船舶や自動車或いは航空機などの移動体に搭載すれば、移動体周囲の対象物の距離画像を得ることができるため、得られた対象物の距離画像に基づいて、移動体の挙動制御などを行うことができる。ファクトリーオートメーション（ＦＡ）においては、対象物の距離画像が得られると、これを利用した対象物の検査／制御が可能となる。
距離を計測する手法として、ＴＯＦ法（Ｔｉｍｅ－ＯＦ－Ｆｌｉｇｈｔ）があり、この方式では光源（パルスレーザーや発光ダイオード（ＬＥＤ）など）及び受光素子が必要となる。電荷振り分け構造を用いる距離画像センサにおいては、ある周期で振り分けられた蓄積電荷と、それとは位相のことなる蓄積電荷の比率によって距離を算出する。すなわち、出射光の位相に対する反射戻り光の位相のずれを、対象物までの距離として捉え、戻り光に呼応して発生する電荷を、出射光の変調周期に同期して振り分け、当該位相のずれ量を、振り分けられた電荷量の比率を用いて算出する。
この方式では電荷の蓄積が必要となるため、背景光が強い状況下で使用すると、信号を読み出す前に、蓄積容量が飽和してしまい、算出した距離の劣化の原因になる。そのため、背景光（外乱光）の影響を低減させながら電荷を蓄積する必要がある。
特許文献１では、2つの受光部と2つの蓄積容量により、電荷を分配している。全体の撮像領域は、複数の画素が２次元配列されており、各画素において求められる対象物までの距離情報が二次元的に出力される。これらの文献に記載の構造においては、１画素内において少なくとも２つのキャパシタを備えており、これら２つのキャパシタを用いて背景光由来の電荷を相殺している。
特許文献２に記載の時間相関検出型イメージセンサにおいては、１画素内に１つのキャパシタを備えており、振り分けられた信号を一対のスイッチのみを介してそれぞれキャパシタの両電極端子に異なる時間に電流を積分することで、当該キャパシタに流入する電荷を制御し、背景光由来の電流を相殺している。
米国特許６９１９５４９号明細書（特表２００６－５２３０７４号公報） 特開平１０－２８１８６８号公報
　しかしながら、二次元のセンサや一次元のラインセンサを作製することを考慮すると、上記特許文献１に記載の距離画像センサでは、キャパシタ数が多いため、１画素の寸法が大きくなり、空間分解能を向上することができない。また、キャパシタやスイッチ等の回路素子が多い場合には、寄生容量が増大し、出力のリニアリティが低下するという問題もある。一方、特許文献２に記載の時間相関検出型イメージセンサでは、キャパシタ数を減少させることにより、空間分解能は増加するが、スイッチング回路が増えることでスイッチング・ノイズが信号に重畳するため、正確に距離を演算することができない。したがって、いずれの従来技術においても、正確な距離画像を得ることはできないという問題がある。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、正確な距離画像を得ることが可能な距離画像センサを提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、第１の発明に係る距離画像センサは、対象物への出射光の反射光を受光する撮像領域と、前記撮像領域を駆動する駆動回路と、を備えた距離画像センサであって、前記撮像領域は、半導体基板上に一次元又は二次元状に配置された複数の画素を備え、個々の画素は、受光領域と、前記受光領域に隣接した第１及び第２の蓄積領域と、前記第１及び第２の蓄積領域への電荷の流入をそれぞれ制御する第１及び第２の転送電極と、前記第１及び第２の蓄積領域間に電気的に接続されたキャパシタと、前記キャパシタの第１端子と前記第１の蓄積領域との間に介在する第１のスイッチ（Φ１）と、前記キャパシタの第２端子と前記第２の蓄積領域との間に介在する第２のスイッチ（Φ２）と、前記キャパシタの前記第２端子と基準電位との間に介在する第３のスイッチ（Φ１ｒ）と、前記キャパシタの前記第１端子と前記基準電位との間に介在する第４のスイッチ（Φ２ｒ）と、を備え、前記駆動回路は、前記第１、第２、第３及び第４のスイッチを一周期の初めの時刻において全てＯＮさせるリセット期間を設定し、一周期内において、第１の期間及び第２の期間を交互に設定し、前記第１の期間では、前記第１及び第３のスイッチの双方をＯＮし、第２及び第４スイッチの双方をＯＦＦし、前記第２の期間では、前記第１及び第３のスイッチの双方をＯＦＦし、第２及び第４スイッチの双方をＯＮし、前記一周期内において、前記第１及び第２の転送電極に、前記出射光の変調信号に同期し、互いに逆相の変調信号を与える、ことを特徴とする。
　光の量子性に基づくノイズ（フォトンショットノイズ）は、露光光量の２乗根で増加し、信号成分は比例で増加するので、露光時間を増加させるほど信号成分の割合が増加し、信号雑音比は向上する。したがって、第１及び第２の転送電極によって、第１及び第２の蓄積領域内に振り分けられた電荷を積分するほど、信号雑音比が改善し、正確な距離画像を得ることができる。すなわち、転送電極に変調信号を与えることで、第１及び第２の蓄積領域において、一定期間の電荷積分を行い、これと同時に或いは積分後に、第１の蓄積領域で積分された電荷を、第１の期間では、キャパシタの第１端子に接続し、第２の蓄積領域で積分された電荷を、第２の期間では、キャパシタの第２端子に接続し、キャパシタ内において、双方の蓄積領域に含まれる電荷成分、すなわち、背景光成分を相殺する。
　ここで、それぞれの蓄積領域は単一のキャパシタにしか接続されていないため、画素の大きさを小さくして空間分解能を向上させることができ、また、本発明では、第１及び第２蓄積領域内に転送された電荷を積分するため、信号雑音比が向上すると共に、第１及び第２のスイッチのキャパシタへの電荷転送時のスイッチング回数が減少するため、スイッチング・ノイズも低減し、キャパシタ内に距離に応じた電荷が蓄積され、かかる電荷量（これに応じた電圧）を検出することで、正確な距離を算出することができる。また、本願では、光電流を電荷として所定期間積分した後、振分け動作を行うため、特許文献２のように光電流を直接容量にスイッチで振り分けるものに比べて、ノイス゛が少ない。
　しかしながら、蓄積領域に積分した電荷のキャパシタへの転送時のスイッチング回数に差があると、片側の接続回数が多いことによって生じるオフセットを相殺することができず、更に正確な距離画像を得ることが困難である。
　そこで、第２の発明に係る距離画像センサにおいては、前記駆動回路は、前記一周期内における前記リセット期間終了時以後の第１及び第２のスイッチのスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチを付加的にスイッチングすることとした。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。
　また、第３の発明に係る距離画像センサにおいては、前記駆動回路は、（ａ）特定の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｂ）別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｃ）更に別の一周期内において、前記出射光の変調信号と１８０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｄ）上記とは異なる別の一周期内において、前記出射光の変調信号と２７０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、前記（ａ）～（ｄ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は同一であることを特徴とする。
　ダミースイッチングを用いない場合、キャパシタに転送される電荷のスイッチング回数がキャパシタの各端子において異なるが、この発明では、上記（ａ）～（ｄ）の４つの位相において、各蓄積領域に蓄積された電荷（に応じた電圧）の差分をとることで、背景光成分と共にオフセット成分を相殺することができる。これにより、正確な距離を算出することができる。
　また、第４の発明に係る距離画像センサにおいては、前記駆動回路は、（ａ）特定の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｂ）別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｃ）更に別の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、（ｄ）上記とは異なる別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、前記（ａ）及び（ｂ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は同一であり、前記（ｃ）及び（ｄ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は、前記（ａ）及び（ｂ）の場合とは逆である、ことを特徴とする。
　この発明では、上記（ａ）、（ｂ）の２つの位相と、これとはキャパシタへの電荷転送の順番が異なる（ｃ）、（ｄ）の場合の位相において、各蓄積領域に蓄積された電荷（に応じた電圧）の差分をとることで、背景光成分と共にオフセット成分を相殺することができる。これにより、正確な距離を算出することができる。
　上述のように、各画素において正確な距離を算出することができるので、本発明の距離画像センサでは、正確な距離画像を得ることができる。
　本発明の距離画像センサによれば、正確な距離画像を得ることができる。
図１は、実施の形態に係る距離画像センサの平面図である。 図２は、図１に示した距離画像センサの各画素の断面構成と光源ユニットを示す図である。 図３は、図２に示した距離画像センサの画素毎の回路図である。 図４は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 図５は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 図６は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 図７は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 図８は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 図９は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 図１０は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 図１１は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図である。 図１２は、実施の形態に係る距離画像センサの第1のタイミングチャートである。 図１３は、実施の形態に係る距離画像センサの第２のタイミングチャートである。 図１４は、」実施の形態に係る距離画像センサの第３のタイミングチャートである。 図１５は、実施の形態に係る距離画像センサの第４のタイミングチャートである。 図１６は、実施の形態に係る距離画像センサの第５のタイミングチャートである。 図１７は、実施の形態に係る距離画像センサの第６のタイミングチャートである。 図１８は、実施の形態に係る距離画像センサの第７のタイミングチャートである。 図１９は、実施の形態に係る距離画像センサの第８のタイミングチャートである。
　以下、実施の形態に基づく距離画像センサについて説明する。同一要素には、同一符号を用い、重複する説明は省略する。
　図１は、実施の形態に係る距離画像センサの平面図である。
　この距離画像センサ１は、半導体基板２上に形成された撮像領域ＩＭＲと、撮像領域ＩＭＲを駆動するセンサ駆動回路ＤＲＶと、撮像領域ＩＭＲの出力を増幅する増幅回路ＡＭＰとを備えている。撮像領域ＩＭＲは、半導体基板２上に一次元又は二次元状に配置された複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）を備えている。同図では、ｍ行ｎ列の画素Ｐ（ｍ，ｎ）が示されている（ｍ，ｎは自然数）。撮像領域ＩＭＲは、対象物への出射光の反射光を画素毎に検出するものであり、出射光と反射光の画素毎の位相差から、対象物の画像の画素毎の距離が求められる。この距離画像センサ１は、電荷振り分け型の距離画像センサであり、距離に対応した位相差を、各画素内で２箇所に振り分けられた電荷量の比率に応じて求めるものである。
　図２は、図１に示した距離画像センサの各画素の断面構成と光源ユニットを示す図である。
　光源ユニットは、レーザや発光ダイオードなどの光源１０と、光源１０を高周波駆動する光源駆動回路１１と、光源駆動回路１１の駆動クロックを出力する制御回路１２とを備えている。光源１０からは、方形波又は正弦波の光強度変調が行われた変調信号が出射される。なお、制御回路１２からの駆動クロックに同期して、図１に示したセンサ駆動回路ＤＲＶからも方形波又は正弦波の変調信号が出力され、センサ駆動回路ＤＲＶからの変調信号が互いに逆相で転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に与えられる。
　光源１０からの出射光ＬＥＤは、対象物ＯＢＪに照射され、対象物ＯＢＪの表面で反射されて、反射光ＲＬＴＤとして、距離画像センサ１の撮像領域ＩＭＲ内の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）に基板裏面側から入射する。なお、光入射面の手前には図示しない結像レンズが配置される。また、本例では、半導体基板２は薄板化され、好適には５０μｍ以下の厚みであり、裏面入射型の距離画像センサを構成されている。もちろん、半導体基板２の厚みを薄板化せずに、本発明を表面入射型の距離画像センサ１に適用することも可能である。
　距離画像センサ１の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、高濃度のＰ型（第２導電型）の半導体基板２の表面領域に半導体基板より低濃度で形成されたＰ型（第２導電型）の半導体領域３と、半導体領域３の表面側に形成された一対の高濃度のＮ型（第１導電型）の半導体領域（電荷蓄積領域：フローティングディフュージョン領域）ｆｄ１，ｆｄ２を有している。また、半導体基板表面には絶縁層５が形成されており、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２の間のＰ型半導体領域３上にはフォトゲート電極ＰＧが絶縁層５を介して形成され、半導体領域３内のフォトゲート電極直下は光検出領域４としてはたらく。光検出領域４のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧへの印加電圧によって制御することができる。
　信号取出電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２は、それぞれ蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２上に電気的に接続して設けられている。また、フォトゲート電極ＰＧと、各信号取出電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２との間には、転送電極ＴＸ１，ＴＸ２が位置している。Ｎ型の半導体は、電気的に中性な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型の蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２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。
　フォトゲート電極ＰＧには、必要に応じて若干の正の直流電位を印加しておく。受光領域としての光検出領域４では、光の入射に応じて正孔電子対が発生するが、ゲート電極として機能する転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に正の電位を与えた場合には、ＴＸ１、ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルが、光検出領域４のポテンシャルと蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２のポテンシャルの中間の値となり、光検出領域４から蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２へのポテンシャルの階段が形成され、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２のポテンシャル井戸内に電子が落ちて蓄積される。
　なお、本構造では、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２上に電極を設けて信号を取り出す構造を採用しているが、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２の隣に信号取出用の高濃度領域を別途設け、これらと蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２との間の領域上に別の転送電極を配置し、かかる高濃度領域上に電極を設けて、信号を取り出すことも可能である。
　なお、以下の説明では、説明の明瞭化を目的として、符号Ｖｆｄ１、Ｖｆｄ１は、信号取出電極であると共に、これらの電極とグランド電位との間に与えられる電圧も示すこととし、符号ＴＸ１，ＴＸ２は転送電極であると共に、これらとグランド電位との間に加えられる転送電圧も示すこととする。また、符号ＰＧはフォトゲート電極であると共に、これらとグランド電位との間に加えられる直流電圧も示すこととする。なお、半導体領域３は、グランド電位に接続されている。信号取出電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２から取り出された電荷は、半導体領域３内に形成された読出回路ＲＣによって読み出される。読み出し回路は、半導体領域３に限らず、半導体基板２に形成されていてもよい。
　図３は、図２に示した距離画像センサの画素毎の回路図である。
個々の画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、反射光の入射に応じて電荷を発生する受光領域(フォトダイオードＰＤ)と、フォトダイオードＰＤに隣接した第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２を備えている。第１の転送電極ＴＸ１及び第２の転送電極ＴＸ２は、それぞれ第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２への電荷の流入をそれぞれ制御している。第１及び第２の蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２の電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２間には、トランジスタからなるスイッチΦ１、Φ２をそれぞれ介して、キャパシタＣ１が電気的に接続されている。
第１のスイッチΦ１は、キャパシタＣ１の第１端子（図面の右側端子：節点ＶＡ）と第１の蓄積領域ｆｄ１との間に介在し、第２のスイッチΦ２は、キャパシタＣ１の第２端子（図面の左側端子：節点ＶＢ）と第２の蓄積領域ｆｄ２との間に介在している。また、キャパシタＣ１の第２端子（図面左側端子：節点ＶＢ）と正の基準電位Ｖｒとの間には、トランジスタからなる第３のスイッチΦ１ｒが介在している。キャパシタＣ１の第１端子（図面の右側端子：節点ＶＡ）と基準電位Ｖｒとの間には、第４のスイッチΦ２ｒが介在している。これらの素子より、１つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）内に図２に示した読出回路ＲＣが構成されている。ここでいう基準電位とは、電源電位でもよいし、電源電位から作られた電位でもよい。
　なお、説明の明瞭化を目的として、符号Φ１、Φ２、Φ１ｒ、Φ２ｒは、スイッチを示すと共に、各スイッチとグランド間に与えられる電圧も示すものとする。また、符号ＶＡ，ＶＢは、節点を示すと共に、キャパシタＣ１の両端に位置するこれらの節点とグランド電位との間の電圧も示すものとする。
　蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２には、寄生容量Ｃｆｄ１，Ｃｆｄ２がグランド電位との間に介在している。センサ駆動回路ＤＲＶからは、各種の信号電圧Φ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒ、ＴＸ１、ＴＸ２、ＰＧが出力されている。信号電圧Φ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒは、それぞれ、トランジスタからなるスイッチΦ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒの制御端子（電界効果トランジスタにあってはゲート電極、バイポーラトランジスタにあってはベース電極）に印加される。逆相信号である転送電圧ＴＸ１，ＴＸ２は、ＭＯＳトランジスタのゲート電極を構成する転送電極ＴＸ１，ＴＸ２にそれぞれ与えられる。直流電圧ＰＧは、フォトゲート電極ＰＧに与えられる。転送電圧ＴＸ１，ＴＸ２がハイレベルの場合、転送電極直下にはフォトゲート電極ＰＧ直下の光検出領域４よりもポテンシャルが低い領域が形成されるので、転送電極直下の領域よりもポテンシャルが低い蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２には、フォトダイオードＰＤで発生した電子が転送されて流入する。
　蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２内に、電荷が蓄積されると、この電荷は、キャパシタＣ１に転送される。蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２には、背景光由来の電荷も蓄積されているが、背景光由来の電荷量は、双方の蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２内において同一であると見做せるので、これをキャパシタＣ１の両端子にそれぞれ転送した場合には、これらの電荷は相殺される。したがって、信号成分の電荷量を求めるためには、単一のキャパシタＣ１に、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２で蓄積された電荷を転送すればよい。
　キャパシタＣ１の両端子の電圧ＶＡ，ＶＢは、増幅回路ＡＭＰに入力され、増幅回路ＡＭＰの出力は制御回路１２に入力される。増幅回路ＡＭＰ又は制御回路１２では、入力された電圧ＶＡ，ＶＢの差分ＶＯＵＴ（＝ＶＡ－ＶＢ＝Ｖｆｄ１－Ｖｆｄ２）を演算する。この差分は、出射タイミングから遅れて戻ってくることで、振り分け比率が変更した蓄積電荷量の比率、すなわち、対象物までの距離に比例する。
　次に、回路動作について説明する。
　図４～図１１は、実施の形態に係る距離画像センサの動作説明図であり、動作説明に必要な箇所のみを模式的に示してある。
　図４は、リセット後に全てのスイッチがΦ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒがＯＦＦしている状態を示しており、画素内には如何なる電荷も存在していない。
　図５は、フォトゲート電極ＰＧの直下に光が入射し、キャリアとしての電子が発生した場合に、スイッチΦ１、Φ１ｒをＯＮし、Φ２、Φ２ｒをＯＦＦした状態を示している。図中の黒丸は右側の蓄積領域ｆｄ１に流れ込む電子を示し、図中の白丸は左側の蓄積領域ｆｄ２に流れ込む電子を示している。同図では、出射タイミングよりも戻り光のタイミングが遅延したため、右側には１２個の電荷が、左側には６個の電荷が流れ込んだとする。なお、これらの電荷量は、背景光由来の成分も含んでいる。右側の蓄積領域ｆｄ１に流入した電荷は、スイッチΦ１を介して、キャパシタＣ１の一方の端子にも流れ込み、電荷が分割されることになる。この状態で、図６に示すように、全てのスイッチΦ１、Φ１ｒ、Φ２、Φ２ｒをＯＦＦし、キャパシタＣ１の一方の端子に電荷を残留させる。
　図７は、その後、スイッチΦ１、Φ１ｒをＯＦＦし、Φ２、Φ２ｒをＯＮした状態を示している。左側の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されていた電荷は、分割されてキャパシタＣ１の他方の端子に流れ込み、電荷が分割されることになる。キャパシタＣ１の右側に蓄積されていた電荷は、逆の端子に蓄積された逆極性の電荷となる。すなわち、図８に示すように、キャパシタＣ１の右側に蓄積されていた電荷と、左側の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されていた電荷は相殺して消滅し、右側の蓄積領域ｆｄ１に６個の電荷のみが残留する。
　図９は、その後、光の入射に応じて、右側の蓄積領域ｆｄ１に追加で１２個の電荷が流れ込み、左側の蓄積領域ｆｄ２に６個の電荷が流れ込んだ状態を示している。右側の合計蓄積電荷数は１８個になっている。スイッチΦ２は接続されているので、電荷は分割され、３個の電荷がキャパシタＣ１の左側の端子に流れ込む。図１０は、図９の状態からスイッチΦ２ｒをＯＦＦした状態を示しており、図９の状態が保持されている。図１１は、その後、スイッチΦ１及びΦ２をＯＮし、右側の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷を、キャパシタＣ１に転送した状態を示しており、蓄積電荷量が、キャパシタ容量に応じて再配分されている。同図では、左側と右側の電荷量の比率は２：６になっている。この状態で、キャパシタＣ１の両端の電圧ＶＡ，ＶＢ（Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２）をそれぞれ読み出す。各キャパシタＣ１、Ｃｆｄ１，Ｃｆｄ２の容量が等しい（容量＝Ｃ）とし、Ｔ秒間の間に、右の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷量をＱ１、左の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷量をＱ２とすると、ｎ×Ｔ秒間後のこれらの電圧は以下の式で与えられる。但し、ｎ＝２ｍとし、ｍは自然数であるとする。
・Ｖｆｄ１＝（１／（３×Ｃ））・（（５／２）×Ｑ１＋２×Ｑ２）
・Ｖｆｄ２＝（１／（３×Ｃ））・（（１／２）×Ｑ１＋４×Ｑ２）
・ＶＯＵＴ＝Ｖｆｄ１－Ｖｆｄ２＝ｎ（Ｑ１－Ｑ２）／３Ｃ
　図１２は、実施の形態に係る距離画像センサの第1のタイミングチャートである。
　今回のリセット開始時刻ｔ１から、次回のリセットの開始時刻ｔ９までの期間を、１単位の検出期間（１Ｐｈａｓｅ）とする。時刻ｔ１～ｔ２の間において、全てのスイッチΦ１ｒ、Φ２ｒ、Φ１、Φ２がＯＮされ、キャパシタＣ１及び蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２が初期状態にリセットが行われる。
　しかる後、時刻ｔ２以降、時刻ｔ５までの間を、キャパシタへの一転送期間Ｔとし、逆相の方形波からなる転送電圧ＴＸ１、ＴＸ２を転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加しながら、スイッチΦ１ｒ、Φ１をＯＮ（ハイレベル）とし、スイッチΦ２ｒ、Φ２をＯＦＦ（ローレベル）とすることで、右側の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷をキャパシタＣ１の右側の端子に転送する。次に、時刻ｔ５以降、時刻ｔ６までの転送期間Ｔにおいても、逆相の方形波からなる転送電圧ＴＸ１、ＴＸ２を転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加しながら、スイッチΦ１ｒ、Φ１をＯＦＦ（ローレベル）とし、スイッチΦ２ｒ、Φ２をＯＮ（ハイレベル）とすることで、左側の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷をキャパシタＣ１の他方の端子に転送する。なお、このスイッチの切り替えの際に、重複する電荷成分は相殺される。
　以下、同様に、時刻ｔ６～ｔ７までの転送期間Ｔ、時刻ｔ７～ｔ８までの転送期間Ｔにおいて、キャパシタＣ１への電荷転送を行った後、時刻ｔ８～ｔ９の期間において、信号の読出しを行い、次の時刻ｔ９～ｔ１０において再びリセットを行う。信号の読出しにおいては、スイッチΦ１及びΦ２をＯＮしておき、Φ１ｒ、Φ２ｒをＯＦＦしておく。
　なお、同図には、光源からの出射光の強度信号ＬＥＤと、反射光の強度信号ＲＬＴＤが示されている。なお、同図では簡略化のため、これらの波形を方形波で示す。出射光に対する反射光の遅延時間が、対象物までの距離に相当する。すなわち、時刻ｔ２～ｔ３までの期間が、光源から対象物までの距離の往復距離を光が進む時間である。もちろん、光源への駆動信号は方形波であり、その立ち上がり及び立ち下がり時刻は、転送電圧ＴＸ１の立ち上がり及び立ち下がり時刻に一致している。
　転送電圧ＴＸ１がハイレベルの期間に右側の蓄積領域ｆｄ１内に転送された電荷量をＱ１とし、転送電圧ＴＸ２がハイレベルの期間に左側の蓄積領域ｆｄ２内に転送された電荷量をＱ２とすると、全体の電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する電荷量Ｑ２の比率分だけ、出射光と反射光の間に遅延時間が生じており、これが対象物までの距離Ｌの２倍に相当する。電荷の積分によって検出精度は向上する。
　なお、全電荷量Ｑ１＋Ｑ２（積分した場合を含む）は、各画素における輝度に比例するため、制御回路によってＶｆｄ１＋Ｖｆｄ２（＝ＶＡ＋ＶＢ）を求めれば、通常の輝度画像を得ることができる。
　ここで、駆動回路ＤＲＶは、スイッチ（Φ１、Φ２、Φ１ｒ、Φ２ｒ）を一周期（１Ｐｈａｓｅ）の初めの時刻において全てＯＮさせるリセット期間（時刻ｔ１～ｔ２）を設定しており、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内において、第１の期間（時刻ｔ２～ｔ５、時刻ｔ６～ｔ７：Ｔ１とする）及び第２の期間（時刻ｔ５～ｔ６、時刻ｔ７～ｔ８：Ｔ２とする）を交互に設定している。
　そして、第１の期間（Ｔ１）では、スイッチ（Φ１、Φ１ｒ）の双方をＯＮし、スイッチ（Φ２、Φ２ｒ）の双方をＯＦＦし、第２の期間（Ｔ２）では、スイッチ（Φ１、Φ１ｒ）の双方をＯＦＦし、第２及び第４スイッチ（Φ２、Φ２ｒ）の双方をＯＮし、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内において、転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、出射光の変調信号ＬＥＤに同期し、互いに逆相の変調信号ＴＸ１，ＴＸ２を与えている。
　光の量子性に基づくノイズ（フォトンショットノイズ）は、露光光量の２乗根で増加し、信号成分は比例で増加するので、露光時間を増加させるほど信号成分の割合が増加し、信号雑音比は向上する。したがって、転送電極ＴＸ１，ＴＸ２によって、第１及び第２の蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２内に振り分けられた電荷を積分するほど、信号雑音比が改善し、正確な距離画像（輝度画像）を得ることができる。転送電極ＴＸ１、ＴＸ２に変調信号ＴＸ１，ＴＸ２を与えることで、蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２において、一定期間の電荷積分を行い、これと同時に或いは積分後に、蓄積領域ｆｄ１で積分された電荷を、第１の期間（Ｔ１）では、キャパシタＣ１の右側の端子ＶＡに接続し、蓄積領域ｆｄ２で積分された電荷を、第２の期間（Ｔ２）では、キャパシタＣ１の左側の端子ＶＢに接続し、キャパシタＣ１内において、双方の蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２に含まれる電荷成分、すなわち、背景光成分を相殺している。
　ここで、それぞれの蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２は単一のキャパシタＣ１にしか接続されていないため、画素の大きさを小さくして空間分解能を向上させることができ、また、蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２内に転送された電荷は積分されているため、信号雑音比が向上すると共に、スイッチＱ１，Ｑ２のキャパシタＣ１への電荷転送時のスイッチング回数が減少するため、スイッチング・ノイズも低減し、キャパシタＣ１内に距離に応じた電荷が蓄積され、かかる電荷量（これに応じた電圧）を検出することで、正確な距離を算出することができる。
　図１３は、実施の形態に係る距離画像センサの第２のタイミングチャートである。　このタイミングチャートでは、信号の読出しを、時刻ｔ９と時刻ｔ１０との間の期間に行っており、その他の構成は、第１のタイミングチャートと同一である。すなわち、信号の読出しを、全てのスイッチΦ１、Φ２、Φ１ｒ、Φ２ｒをＯＦＦした状態で、行っている。
　図１４は、実施の形態に係る距離画像センサの第３のタイミングチャートである。
　このタイミングチャートでは、転送電圧ＴＸ１、ＴＸ２の双方をＯＦＦする期間を、時刻ｔ８と時刻ｔ９の間に設定し、この期間に、信号の読出しを行うものであり、その他の構成は、第１のタイミングチャートと同一である。
　図１５は、実施の形態に係る距離画像センサの第４のタイミングチャートである。このタイミングチャートは、第１のタイミングチャートの変形であり、ダミースイッチング期間を備えている。
　上述の距離画像センサでは、蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２に積分した電荷のキャパシタＣ１への転送時のスイッチング回数に差がある。この場合、片側の接続回数が多いことによって生じるオフセットを十分に相殺することができない。
　そこで、駆動回路ＤＲＶが、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内におけるリセット期間終了時以後の期間（時刻ｔ２から時刻ｔ１１）の第１及び第２のスイッチ（Φ１、Φ２）のスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチ(Φ１、Φ２)を付加的にスイッチングすることとした（本例では、時刻ｔ９、時刻ｔ１０において、スイッチΦ１をＯＦＦ，ＯＮしている）。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。
　同様に、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内におけるリセット期間終了時以後の期間（時刻ｔ２から時刻ｔ１１）の第３及び第４のスイッチ（Φ１ｒ、Φ２ｒ）のスイッチング回数が等しくなるように、第３又は第４のスイッチ(Φ１ｒ、Φ２ｒ)を付加的にスイッチングしている（本例では、時刻ｔ８、時刻ｔ９において、スイッチΦ１ｒをＯＮ，ＯＦＦしている）。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。
　図１６は、実施の形態に係る距離画像センサの第５のタイミングチャートである。このタイミングチャートは、第２のタイミングチャートの変形であり、ダミースイッチング期間を備えている。
　上記と同様に、駆動回路ＤＲＶが、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内におけるリセット期間終了時以後の期間（時刻ｔ２から時刻ｔ１０）の第１及び第２のスイッチ（Φ１、Φ２）のスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチ(Φ１、Φ２)を付加的にスイッチングすることとした（本例では、時刻ｔ９、時刻ｔ１０において、スイッチΦ１をＯＦＦ，ＯＮしている）。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。
　図１７は、実施の形態に係る距離画像センサの第６のタイミングチャートである。このタイミングチャートは、第１のタイミングチャートの変形であり、ダミースイッチング期間を備えている。
　上記と同様に、駆動回路ＤＲＶが、一周期（１Ｐｈａｓｅ）内におけるリセット期間終了時以後の期間（時刻ｔ２から時刻ｔ９）の第１及び第２のスイッチ（Φ１、Φ１ｒ）のスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチ(Φ１、Φ１ｒ)を付加的にスイッチングすることとした（本例では、リセット期間（ｔ１～ｔ２）の直後の時刻において、スイッチΦ１とΦ１ｒをＯＦＦ，ＯＮしている）。この場合、付加的なスイッチング（以下、ダミースイッチング）を行うことで、上記スイッチング回数が等しくなり、オフセットが相殺されるので、更に正確な距離画像を得ることができる。なお、時刻ｔ８～ｔ９は信号の読出し期間、時刻ｔ９～ｔ１０は次のリセット期間であり、最初に全てのスイッチをリセットしてから蓄積を開始する。
　図１８は、実施の形態に係る距離画像センサの第７のタイミングチャートであり、時刻ｔ１～ｔ２、ｔ５～ｔ６、ｔ９～ｔ１０、ｔ１３～ｔ１４、ｔ１７～ｔ１８がリセット期間であり、時刻ｔ４～ｔ５、ｔ８～ｔ９、ｔ１２～ｔ１３、ｔ１６～ｔ１７が信号の読出期間である。
　ダミースイッチングを用いない場合、キャパシタＣ１に転送される電荷のスイッチング回数がキャパシタＣ１の各端子において異なるが、この発明では、以下の（ａ）～（ｄ）の４つの位相において、各蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２に蓄積された電荷（に応じた電圧）の差分をとることで、背景光成分と共にオフセット成分を相殺することができる。これにより、正確な距離を算出することができる。
　すなわち、この距離画像センサにおいては、駆動回路ＤＲＶは、以下のように信号を与えている。
　（ａ）特定の一周期（時刻ｔ１～ｔ５）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと０°の位相差を有するタイミングで、第１の転送電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２の転送電極に、第１の転送電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
　（ｂ）別の一周期（時刻ｔ５～ｔ９）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと９０°の位相差を有するタイミングで、第１の転送電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２の転送電極に、第１の転送電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
　（ｃ）更に別の一周期（時刻ｔ９～ｔ１３）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと１８０°の位相差を有するタイミングで、第１の転送電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２の転送電極に、第１の転送電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
　（ｄ）上記とは異なる別の一周期（時刻ｔ１３～ｔ１７）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと２７０°の位相差を有するタイミングで、第１の転送電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２の転送電極に、第１の転送電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
　なお、上記（ａ）～（ｄ）の一周期内における第１の期間（Ｔ１：Φ１、Φ１ｒがＯＮとなる期間）と第２の期間（Ｔ２：Φ２、Φ２ｒがＯＮとなる期間）の順序は同一である。
　このように、４つの位相（０°、９０°、１８０°、２７０°）と、各位相における電圧Ｖｆｄ１、Ｖｆｄ２（ＶＡ，ＶＢ）を用いることで、オフセットをキャンセルして距離を求めることができる。すなわち、各位相の電圧Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２に、同量のオフセットが重畳しているとすると、電圧Ｖｆｄ１同士、Ｖｆｄ２同士の差を取れば、オフセットの影響を低減できる。
　各位相における電圧Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２を、Ｖｆｄ１（位相），Ｖｆｄ２（位相）として示すと、オフセットと直流成分を除去するため、以下のような差分値を求める。
Ｖｆｄ（０°）＝Ｖｆｄ１（０°）－Ｖｆｄ１（１８０°）
Ｖｆｄ（９０°）＝Ｖｆｄ１（９０°）－Ｖｆｄ１（２７０°）
Ｖｆｄ（１８０°）＝Ｖｆｄ２（０°）－Ｖｆｄ２（１８０°）
Ｖｆｄ（２７０°）＝Ｖｆｄ２（９０°）－Ｖｆｄ２（２７０°）
　また、Ｖｆｄ１とＶｆｄ２のばらつきを除去するため、以下のように、差分値を求める。
Ｖ１＝｜Ｖｆｄ（０°）-Ｖｆｄ（１８０°）｜
Ｖ２＝｜Ｖｆｄ（９０°）-Ｖｆｄ（２７０°）｜
　信号の総量ＶｔｏｔａｌをＶ１＋Ｖ２として、４つの位相を含む期間（ｔ１～ｔ１７）に光が進む距離はＶ１／Ｖｔｏｔａｌで与えられる。
　図１９は、実施の形態に係る距離画像センサの第８のタイミングチャートであり、時刻ｔ１～ｔ２、ｔ５～ｔ６、ｔ９～ｔ１０、ｔ１３～ｔ１４、ｔ１７～ｔ１８がリセット期間であり、時刻ｔ４～ｔ５、ｔ８～ｔ９、ｔ１２～ｔ１３、ｔ１６～ｔ１７が信号の読出期間である。このタイミングチャートでは、０°と９０°の２つの位相差のみを用いるが、Φ１、Φ２の順序が検出期間（ｔ１～ｔ１８）の前半と後半で逆転している。
　すなわち、この距離画像センサの駆動回路ＤＲＶは、以下のように信号を与えている。
　（ａ）特定の一周期（時刻ｔ１～ｔ５）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと０°の位相差を有するタイミングで、第１の転送電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２の転送電極に、第１の転送電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
　（ｂ）別の一周期（時刻ｔ５～ｔ９）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと９０°の位相差を有するタイミングで、第１の転送電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２の転送電極に、第１の転送電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
　（ｃ）更に別の一周期（時刻ｔ９～ｔ１３）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと０°の位相差を有するタイミングで、第１の転送電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２の転送電極に、第１の転送電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
　（ｄ）上記とは異なる別の一周期（時刻ｔ１３～ｔ１７）内において、出射光の変調信号ＬＥＤと９０°の位相差を有するタイミングで、第１の転送電極に変調信号ＴＸ１を与え、第２の転送電極に、第１の転送電極に与えられる変調信号ＴＸ１とは逆相の変調信号ＴＸ２を与えている。
　そして、本例では、上記（ａ）及び（ｂ）の一周期内における第１の期間（Ｔ１：Φ１、Φ１ｒがＯＮの期間）と第２の期間（Ｔ２：Φ２、Φ２がＯＮの期間）の順序は同一であり、上記（ｃ）及び（ｄ）の一周期内における第１の期間Ｔ１と第２の期間Ｔ２の順序は、上記（ａ）及び（ｂ）の場合とは逆である。
　この発明では、上記（ａ）、（ｂ）の２つの位相と、これとはキャパシタＣ１への電荷転送の順番が異なる（ｃ）、（ｄ）の場合の位相において、各蓄積領域に蓄積された電荷（に応じた電圧）の差分をとることで、背景光成分と共にオフセット成分を相殺することができる。これにより、正確な距離を算出することができる。
　上述のように、各画素において正確な距離を算出することができるので、本発明の距離画像センサでは、正確な距離画像を得ることができる。
　各位相における電圧Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２を、Ｖｆｄ１（位相），Ｖｆｄ２（位相）として示すと、これらのばらつきと直流成分を除去するため、以下のような差分値を求める。なお、Ｖｆｄ１、Ｖｆｄ２は前半の期間（ａ）、（ｂ）における電圧を示し、Ｖｆｄ１’、Ｖｆｄ２’は後半の期間（ｃ）、（ｄ）におけるこれらの電圧を示すものとする。
Ｖｆｄ（０°）＝Ｖｆｄ１（０°）－Ｖｆｄ２（０°）
Ｖｆｄ（９０°）＝Ｖｆｄ１（９０°）－Ｖｆｄ２（９０°）
Ｖｆｄ’（０°）＝Ｖｆｄ１’（０°）－Ｖｆｄ２’（０°）
Ｖｆｄ’（９０°）＝Ｖｆｄ１’（９０°）－Ｖｆｄ２’（９０°）
　４つの位相を含む期間（ｔ１～ｔ１７）に光が進む距離は、以下の距離Ｌ１，Ｌ２の平均（＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２）で与えられる。
Ｌ１＝Ｖｆｄ（０°）／（Ｖｆｄ（０°）＋Ｖｆｄ（９０°））
Ｌ２＝Ｖｆｄ’（０°）／（Ｖｆｄ’（０°）＋Ｖｆｄ’（９０°））
　１・・・距離画像センサ、ＩＭＲ・・・撮像領域、ＰＤ・・・受光領域、ｆｄ１，ｆｄ２・・・蓄積領域、ＴＸ１，ＴＸ２・・・転送電極、Ｃ１・・・キャパシタ、Φ１・・・第１のスイッチ、Φ２・・・第２のスイッチ、Φ１ｒ・・・第３のスイッチと、Φ２ｒ・・・第４のスイッチ、ＤＲＶ・・・駆動回路。

Claims (4)

  1. 　　対象物への出射光の反射光を受光する撮像領域と、前記撮像領域を駆動する駆動回路と、を備えた距離画像センサであって、
    　前記撮像領域は、
    　半導体基板上に一次元又は二次元状に配置された複数の画素を備え、
    　個々の画素は、
    　受光領域と、
    　前記受光領域に隣接した第１及び第２の蓄積領域と、
    　前記第１及び第２の蓄積領域への電荷の流入をそれぞれ制御する第１及び第２の転送電極と、
    　前記第１及び第２の蓄積領域間に電気的に接続されたキャパシタと、
    　前記キャパシタの第１端子と前記第１の蓄積領域との間に介在する第１のスイッチと、
    　前記キャパシタの第２端子と前記第２の蓄積領域との間に介在する第２のスイッチと、
    　前記キャパシタの前記第２端子と基準電位との間に介在する第３のスイッチと、
    　前記キャパシタの前記第１端子と前記基準電位との間に介在する第４のスイッチと、を備え、
    　前記駆動回路は、
    　前記第１、第２、第３及び第４のスイッチを一周期の初めの時刻において全てＯＮさせるリセット期間を設定し、一周期内において、第１の期間及び第２の期間を交互に設定し、
    　前記第１の期間では、前記第１及び第３のスイッチの双方をＯＮし、第２及び第４スイッチの双方をＯＦＦし、
    　前記第２の期間では、前記第１及び第３のスイッチの双方をＯＦＦし、第２及び第４スイッチの双方をＯＮし、
    　前記一周期内において、前記第１及び第２の転送電極に、前記出射光の変調信号に同期し、互いに逆相の変調信号を与える、ことを特徴とする距離画像センサ。
  2. 　前記駆動回路は、前記一周期内における前記リセット期間終了時以後の第１及び第２のスイッチのスイッチング回数が等しくなるように、第１又は第２のスイッチを付加的にスイッチングすることを特徴とする請求項１に記載の距離画像センサ。
  3. 　前記駆動回路は、
    （ａ）特定の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
    （ｂ）別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
    （ｃ）更に別の一周期内において、前記出射光の変調信号と１８０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
    （ｄ）上記とは異なる別の一周期内において、前記出射光の変調信号と２７０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
    　前記（ａ）～（ｄ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は同一である、ことを特徴とする請求項１に記載の距離画像センサ。
  4. 　前記駆動回路は、
    （ａ）特定の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
    （ｂ）別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
    （ｃ）更に別の一周期内において、前記出射光の変調信号と０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
    （ｄ）上記とは異なる別の一周期内において、前記出射光の変調信号と９０°の位相差を有するタイミングで、前記第１の転送電極に変調信号を与え、前記第２の転送電極に、前記第１の転送電極に与えられる変調信号とは逆相の変調信号を与え、
    　前記（ａ）及び（ｂ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は同一であり、
    　前記（ｃ）及び（ｄ）の一周期内における前記第１の期間と前記第２の期間の順序は、前記（ａ）及び（ｂ）の場合とは逆である、ことを特徴とする請求項１に記載の距離画像センサ。
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