光電変換素子、受光装置、受光システム及び測距装置
【課題】光電変換によって得られた光電子を所望の領域に高速に移動させ、集積させるようにして、測距装置や受光システム等を実現できるようにする。
【解決手段】光を検知して光電子に変換する第１光電変換素子１０Ａは、半導体基体１２上に絶縁体を介して形成された電極１６を有する１つのＭＯＳダイオード１８と、半導体基体１２に形成された複数の埋め込みフォトダイオードＢＰＤとを有する。ＭＯＳダイオード１８の電極１６は、上面から見たとき、１つの電極部位２０から複数の枝分かれ部位２２に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、上面から見たとき、電極１６における複数の枝分かれ部位２２間にそれぞれ入れ子状に配置されている。
【解決手段】光を検知して光電子に変換する第１光電変換素子１０Ａは、半導体基体１２上に絶縁体を介して形成された電極１６を有する１つのＭＯＳダイオード１８と、半導体基体１２に形成された複数の埋め込みフォトダイオードＢＰＤとを有する。ＭＯＳダイオード１８の電極１６は、上面から見たとき、１つの電極部位２０から複数の枝分かれ部位２２に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、上面から見たとき、電極１６における複数の枝分かれ部位２２間にそれぞれ入れ子状に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光量に応じた量の電荷に変換する光電変換素子と、該光電変換素子に入射される光のうち、ある一定期間の輝度情報を得るようにした受光装置と、該光電変換素子を用いて環境光による影響を抑制した受光システムと、該受光システムを用いてタイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法の原理を応用した測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境光による影響を取り除いて、高いＳＮ比での信号検出が可能なイメージセンサが提案されている（非特許文献１参照）。このイメージセンサは、電荷振り分け転送方式によって変調光成分を検出するものであるが、画素回路は、通常のＰＧ（フォトゲート）方式イメージセンサを２つ、受光部であるＰＧを共通にして組み合わせたような構造となっている。１つの受光部を挟んで、２つの転送ゲートがあり、各転送ゲートの外側にそれぞれ信号電荷蓄積部が設けられた構成を有する。また、この非特許文献２では、感度向上のために、ポリシリコンによって形成されたＰＧの割合を低減した構造が提案されている。すなわち、ＰＧの形状をくし歯状にした例が開示されている。
【０００３】
また、イメージセンサの応用例として、対象物への距離を非接触に測定する測距システムとしてタイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いたものが知られている。ＴＯＦ法は、対象物に対して光を放射し、光が放射されてから対象物に当たってはねかえって来るまでの期間を測定し、この期間と光速に基づいて対象物までの距離を測定する（非特許文献２参照）。
【０００４】
非特許文献２では、測距システムにおけるパルス光の放射タイミングや２つの受光素子の動作タイミングが具体的に説明されている。すなわち、パルス光の放射と放射停止を同じ長さ（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の放射と放射停止に同期させて、交互に２つの方向に電荷を転送させる（非特許文献２の図１参照）。そして、２つの出力電圧の相違に基づきパルス光が対象物で反射して戻って来るまでの期間を判定する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】山本幸司「振り分け転送方式および部分領域高速読み出し方式による変調光成分検出可能なＣＭＯＳイメージセンサに関する研究」奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 ２００６年３月
【非特許文献２】宮川良平、金出武雄「ＣＣＤ−Ｂａｓｅｄ Ｒａｎｇｅ−Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＶＯＬ． ４４， ＮＯ． １０、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＴＯＦ法により測距装置を実現するためには、受光した光電子（光電変換によって得られた電荷）を高速に移動する必要がある。
【０００７】
非特許文献１に記載のイメージセンサは、感度向上のために、ＰＧの形状をくし歯状にした例が開示されている。この場合、受光部のうち、ＰＧの部分は蓄積電荷（光電子）を出力側へ転送する機能を有するが、ＰＧ以外の部分はそのような機能を持っていない。従って、受光部に蓄積された光電子を全て出力側に転送するには時間がかかるという問題がある。
【０００８】
また、あるタイミングで環境光と変調光とが混在した光を受光し、別のタイミングで変調光を受光するには、変調光の放射と放射停止に同期させて、交互に２つの方向に電荷を転送させる必要がある。そのためには、光電変換素子において光電変換された光電子を、速い速度で、所望のゲート電極を介して各ノードへ転送させる必要がある。特に、十分な信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を獲得するためには、大きな受光面積を有する光電変換素子が必要となる。しかし、大きな光電変換素子を使用した場合、出力させるノードまでの距離が長くなり、光電変換された光電子を速い速度で所望のノードへ転送することが難しくなる。
【０００９】
さらには、光電変換素子から２つのノードに光電子を振り分ける場合に、光電変換素子から各ゲート電極までの距離が異なっていると、光電変換素子の変換効率の面内の分布の存在や、光電子の移動経路の差異などの要因により、２つのノードへの転送効率に差異が生じることとなり、Ｓ／Ｎ比を低下させる原因となる。
【００１０】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、光電変換によって得られた光電子を所望の領域に高速に移動させて、集積させることができ、ＴＯＦ法の原理を応用した測距装置を実現させることができるほか、様々な受光装置に適用させることができる光電変換素子を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、上述した効果を有する光電変換素子を使用して、ある一定期間の入射光の輝度情報を高精度に得ることができ、電子シャッタの機能をも兼ね備えた受光装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分による影響の低減を図ることができ、必要な光成分の検出を高精度に行うことができる受光システムを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分による影響の低減を図ることができ、対象物までの距離を高精度に測定することができる測距装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
［１］ 第１の本発明に係る光電変換素子は、光を検知して光電子に変換する光電変換素子において、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
［２］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードの前記電極下の電位を制御して、少なくとも前記埋め込みフォトダイオードでの光電変換により発生した光電子を、前記ＭＯＳダイオードへ移動させることを特徴とする。
【００１６】
［３］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードのうち、前記電極における前記１つの電極部位の基部に対応した部分が、電荷集積部として構成されていることを特徴とする。
【００１７】
［４］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の前記枝分かれ部位は、それぞれ矩形形状を有することを特徴とする。
【００１８】
［５］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の各前記枝分かれ部位は、上面から見たとき、幅が前記１つの電極部位に向かって徐々に大きくなる形状を有することを特徴とする。
【００１９】
［６］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の各前記枝分かれ部位の給電端子は、上面から見たとき、前記電荷集積部から最も離れた位置に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
［７］ 第１の本発明において、前記半導体基体上に絶縁体を介して形成された第２電極を有する複数の第２ＭＯＳダイオードを有し、複数の前記第２ＭＯＳダイオードの各前記第２電極は、上面から見たとき、前記電極とは分離され、且つ、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記ＭＯＳダイオードと前記第２ＭＯＳダイオード間に前記埋め込みフォトダイオードが形成されていることを特徴とする。
【００２１】
［８］ 第２の本発明に係る受光装置は、入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置であって、前記入射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積するキャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた前記光電子を、前記キャパシタへ移動させるＭＯＳ型の第１スイッチング素子と、前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第２スイッチング素子とを備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記光電変換素子からの前記光電子を、選択的に前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を開閉制御して前記キャパシタへ転送させて、前記キャパシタに転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて入射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
【００２２】
［９］ 第２の本発明において、前記電荷集積部は、前記光電変換素子に接続され、前記電荷排出部は、前記電荷集積部を間に挟んで、前記キャパシタと対向配置されていることを特徴とする。
【００２３】
［１０］ 第２の本発明において、前記キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されていることを特徴とする。
【００２４】
［１１］ 第２の本発明において、少なくとも前記電荷集積部、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする。
【００２５】
［１２］ 第３の本発明に係る受光装置は、入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置であって、前記入射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ及び第２キャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記第１キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記第１キャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の第１スイッチング素子と、前記電荷集積部と前記第２キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記第２キャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の第２スイッチング素子と、前記電荷集積部から前記電荷排出部へ前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第３スイッチング素子とを備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記光電変換素子からの前記光電子を、選択的に前記第１スイッチング素子〜前記第３スイッチング素子をオン／オフ制御して前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタへ転送させて、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて入射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
【００２６】
［１３］ 第３の本発明において、前記電荷集積部は、前記光電変換素子に接続され、前記電荷排出部は、前記電荷集積部を間に挟んで、前記光電変換素子と対向配置され、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、前記電荷集積部を間に挟んで、互いに対向配置されていることを特徴とする。
【００２７】
［１４］ 第３の本発明において、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されていることを特徴とする。
【００２８】
［１５］ 第３の本発明において、少なくとも前記電荷集積部、前記第１スイッチング素子〜前記第３スイッチング素子、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする。
【００２９】
［１６］ 第４の本発明に係る受光システムは、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積する一対のキャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記一対のキャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記発光装置の駆動に同期して、前記一対のキャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の一対のスイッチング素子と、前記発光装置の駆動に同期して、前記電荷集積部から前記電荷排出部へ前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第３スイッチング素子を備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記制御装置は、前記発光装置から前記パルス光が放射されていない期間のうちの第１期間に、前記一対のスイッチング素子のうち、第１スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記一対のキャパシタのうち、第１キャパシタに転送し、前記発光装置から前記パルス光が出射されている期間のうちの第２期間に、前記一対のスイッチング素子のうち、第２スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記一対のキャパシタのうち、第２キャパシタに転送し、前記第１期間及び前記第２期間以外の期間に、前記第３スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記電荷排出部に排出するように制御し、前記第１キャパシタに転送された光電子の量（電荷量）と前記第２キャパシタに転送された光電子の量（電荷量）に基づいて、前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
【００３０】
［１７］ 第４の本発明において、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの電位を初期電位にするための電源とＭＯＳ構造の第１リセットスイッチ及び第２リセットスイッチとを有することを特徴とする。
【００３１】
［１８］ 第４の本発明において、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに蓄積された光電子の量に基づく電位に応じたレベルの電気信号にそれぞれ変換する第１アンプ及び第２アンプを有することを特徴とする。
【００３２】
［１９］ 第４の本発明において、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子によって転送された前記光電子を一時的に保持するＭＯＳキャパシタ又は埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成された第１電荷保持部及び第２電荷保持部と、前記第１電荷保持部及び前記第２電荷保持部にそれぞれ一時的に保持された前記光電子を前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに転送するＭＯＳ型のスイッチング素子にて構成された第１電荷転送部及び第２電荷転送部とを有することを特徴とする。
【００３３】
［２０］ 第５の本発明に係る受光システムは、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ〜第４キャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに対して振り分けるＭＯＳＯ型の第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子と、前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の供給を制御するＭＯＳ型の第５スイッチング素子とを備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記制御装置は、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のオン／オフを制御し、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子が全てオフのとき、前記第５スイッチング素子をオンにして、前記光電子を外部に排出させ、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子に転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて、前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
【００３４】
［２１］ 第５の本発明において、前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタの電位を初期電位にするための電源とＭＯＳ構造の第１リセットスイッチ〜第４リセットスイッチとを有することを特徴とする。
【００３５】
［２２］ 第５の本発明において、前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに蓄積された光電子の量に基づく電位に応じたレベルの電気信号にそれぞれ変換する第１アンプ〜第４アンプを有することを特徴とする。
【００３６】
［２３］ 第５の本発明において、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子によって転送された前記光電子を一時的に保持するＭＯＳキャパシタ又は埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成された第１電荷保持部〜第４電荷保持部と、前記第１電荷保持部〜前記第４電荷保持部にそれぞれ一時的に保持された前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに転送するＭＯＳ型のスイッチング素子にて構成された第１電荷転送部〜第４電荷転送部とを有することを特徴とする。
【００３７】
［２４］ 第４及び第５の本発明において、前記受光装置の構成要素が、複数の画素が設けられたラインセンサアレイ又は二次元イメージセンサアレイの１画素分の構成要素を構成していることを特徴とする。
【００３８】
［２５］ 第６の本発明に係る測距装置は、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置と、を有する測距装置であって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ〜第４キャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに対して振り分けるＭＯＳ型の第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子と、前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の供給を制御するＭＯＳ型の第５スイッチング素子と、を備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子をオンする時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子をオフする時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ１、前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ２、前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ３、前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ４、前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、前記発光装置及び前記受光装置と前記対象物との距離を距離Ｄとしたとき、前記制御装置は、
（１）Ｐ１＝Ｐ３、
（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び
（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ
となるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のオン／オフを制御し、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子が全てオフとなっているとき、前記第５スイッチング素子をオンにして前記光電子を外部に排出させ、前記演算装置は、前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定することを特徴とする。
【００３９】
［２６］ 第６の本発明において、前記時点Ｔｅｄと前記時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、下記の式（１）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算し、
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（１）
【００４０】
前記時点Ｔｅｄが前記時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、下記の式（２）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算することを特徴とする。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３−（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）
・・・（２）
【００４１】
［２７］ 第６の本発明において、前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、前記演算装置は、前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタのそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１〜前記電荷量Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
以上説明したように、本発明に係る光電変換素子によれば、光電変換によって得られた光電子を所望の領域に高速に移動させて、集積させることができ、ＴＯＦ法の原理を応用した測距装置を実現させることができるほか、様々な受光装置に適用させることができる。
【００４３】
また、本発明に係る受光装置によれば、上述した効果を有する光電変換素子を使用したので、ある一定期間の入射光の輝度情報を高精度に得ることができ、電子シャッタの機能をも兼ね備えさせることができる。
【００４４】
また、本発明に係る発光システムによれば、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分による影響の低減を図ることができ、必要な光成分の検出を高精度に行うことができる。
【００４５】
また、本発明に係る測距装置によれば、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分による影響の低減を図ることができ、対象物までの距離を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線上の断面図である。
【図３】第１光電変換素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第１光電変換素子の動作（図３における時点ｔ１での動作）を示すポテンシャル図である。
【図５】第１光電変換素子の動作（図３における時点ｔ２での動作）を示すポテンシャル図である。
【図６】第２光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線上の断面図である。
【図８】第２光電変換素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】第２光電変換素子の動作（図８における時点ｔ０、ｔ１及びｔ２での動作）を示すポテンシャル図である。
【図１０】第１受光装置及び第２受光装置を示す構成図である。
【図１１】第１受光装置の第１受光部を上面から見て示す図である。
【図１２】第２受光装置の第２受光部を上面から見て示す図である。
【図１３】第１受光システム及び第２受光システムを示す構成図である。
【図１４】第１受光システムの第１受光部を示す回路図である。
【図１５】第１受光システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図１６】環境光の影響を低減する手法の基本原理を示すタイミングチャートである。
【図１７】図１７Ａは環境光の影響を低減する手法の基本原理を示す説明図であり、図１７Ｂは太陽光の光ショットノイズによる影響を示す説明図である。
【図１８】図１８Ａは図１７Ａに示す１つのサイクルを複数回繰り返して信号光成分のＳ／Ｎを向上させる方法を示す説明図であり、図１８Ｂはランダムな光ショットノイズによる影響を示す説明図である。
【図１９】第２受光システムの第２受光部を示す回路図である。
【図２０】第２受光システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図２１】第１測距装置及び第２測距装置を示す構成図である。
【図２２】第１測距装置における第３受光装置のセンサアレイを有する第３受光部を示す構成図である。
【図２３】第３受光部の各画素の構成を示す回路図である。
【図２４】測距のためのサイクルのタイミングチャートである。
【図２５】各第２蓄積期間Ｔｃａ２での放射光、反射光、第１スイッチング素子〜第５スイッチング素子のオン／オフタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図２６】各第２蓄積期間Ｔｃａ２での放射光、反射光、第１スイッチング素子〜第５スイッチング素子のオン／オフタイミングの他の例を示すタイミングチャートである。
【図２７】第２測距装置に設置される第４受光装置の第４受光部における各画素の構成を示す回路図である。
【図２８】光電変換素子の変形例を示す断面図である。
【図２９】第３光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図３０】図３０Ａは図２９におけるＸＸＸＡ−ＸＸＸＡ線上のポテンシャル図であり、図３０Ｂは図２９におけるＸＸＸＢ−ＸＸＸＢ線上のポテンシャル図である。
【図３１】図２９におけるＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ線上のポテンシャル図である。
【図３２】第３光電変換素子の動作（図３における時点ｔ２での動作）を示すポテンシャル図である。
【図３３】第４光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図３４】図３３におけるＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶ線上の断面図である。
【図３５】第４光電変換素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図３６】図３６Ａは第４光電変換素子の動作（図３５における時点ｔ１１での動作）を示すポテンシャル図であり、図３６Ｂは同じく時点ｔ１２での動作を示すポテンシャル図であり、図３６Ｃは時点ｔ１１での動作を示す他のポテンシャル図である。
【図３７】第５光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図３８】図３８Ａは図３７におけるＸＸＸＶＩＩＩＡ−ＸＸＸＶＩＩＩＡ線上のポテンシャル図であり、図３８Ｂは図３７におけるＸＸＸＶＩＩＩＢ−ＸＸＸＶＩＩＩＢ線上のポテンシャル図である。
【図３９】図３７におけるＸＸＸＩＸ−ＸＸＸＩＸ線上のポテンシャル図である。
【図４０】第６光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図４１】図４０におけるＸＬＩ−ＸＬＩ線上のポテンシャル図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明に係る光電変換素子、発光装置、受光システム及び測距装置の実施の形態例を図１〜図４１を参照しながら説明する。
【００４８】
［第１光電変換素子１０Ａ］
先ず、第１の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第１光電変換素子１０Ａと記す）は、図１及び図２に示すように、半導体基体１２（図２参照）上に絶縁体１４を介して形成された電極１６を有する１つのＭＯＳダイオード１８と、半導体基体１２に形成された埋め込みフォトダイオードＢＰＤとを有する。具体的には、例えば半導体基体１２は、図２に示すように、ｐ型不純物拡散領域が形成されている。そして、半導体基体１２上に例えばＳｉＯ2等からなる絶縁層（絶縁体１４）を介してポリシリコンや金属等の導電層による電極１６が形成されることで、上述したＭＯＳダイオード１８が形成されている。また、ｐ型不純物拡散領域に形成されたｎ型不純物拡散領域の表面に高濃度のｐ型不純物拡散領域が形成されることで、上述した埋め込みフォトダイオードＢＰＤが構成されている。
【００４９】
ＭＯＳダイオード１８の電極１６は、上面から見たとき、１つの電極部位２０から複数の枝分かれ部位２２に分岐配列されたくし歯形状を有し、埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、上面から見たとき、電極１６における複数の枝分かれ部位２２間にそれぞれ入れ子状に配置されている。ＭＯＳダイオード１８における電極１６の枝分かれ部位２２は、それぞれ矩形形状を有する。
【００５０】
また、電極１６における１つの電極部位２０の基部２４（長さ方向中央部）には、第１光電変換素子１０Ａにより発生した光電子を集めるための電荷集積部２６が形成されている。電荷集積部２６は、１つの電極部位２０の基部２４から枝分かれ部位２２とは反対方向に延在して形成されている。この電荷集積部２６は、構成上、第１光電変換素子１０Ａに含めてもよいし、含めなくてもよい。
【００５１】
さらに、ＭＯＳダイオード１８における電極１６の各枝分かれ部位２２の給電端子２８は、上面から見たとき、電荷集積部２６から最も離れた位置に形成されている。すなわち、電荷集積部２６から離れた各枝分かれ部位２２の末端に形成されている。
【００５２】
そして、給電端子２８に電圧Ｖ１が印加されるように図示しない金属配線がなされている。電圧Ｖ１は低レベルＶ１Ｌ〜高レベルＶ１Ｈにわたって変化する。低レベルＶ１Ｌは、０Ｖや負の電圧であってもよい。
【００５３】
ここで、第１光電変換素子１０Ａの動作について、図３のタイミングチャート、図４及び図５のポテンシャル図も参照して説明する。なお、図４及び図５のポテンシャル図は、電荷として光電子３０を対象としていることから、直感的にわかるように、電位が高いほどポテンシャル位置３２ａ及び３２ｂが低くなるように図示されている。
【００５４】
先ず、図３の時点ｔ１（露光の初期段階）において、電圧Ｖ１を高レベルＶ１Ｈにすると、図４に示すように、電極１６下のポテンシャル位置３２ａが、埋め込みフォトダイオードＢＰＤのポテンシャル位置３２ｂよりも低くなり、埋め込みフォトダイオードＢＰＤから電極１６下にかけてポテンシャル位置が低くなるポテンシャル勾配３４が形成されることとなる。このことから、埋め込みフォトダイオードＢＰＤで発生した光電子３０は、ポテンシャル勾配３４によって、電極１６下、すなわち、複数の枝分かれ部位２２下に高速に移動する。
【００５５】
その後、時点ｔ２（露光の終了段階）において、電圧Ｖ１が低レベルＶ１Ｌになると、図５に示すように、電極１６下のポテンシャル位置３２ａが上昇することになるが、電極１６の給電端子２８が電荷集積部２６から最も離れた位置に形成されていることから、電極１６下のポテンシャル位置３２ａのうち、給電端子２８直下の部分のポテンシャル位置３２ａが早く上昇し、徐々に電荷集積部２６に近い方のポテンシャル位置３２ａが上昇することとなる。これは、電極１６の正電荷がシンクされた結果、給電端子２８直下の部分の電位が低下して、過渡的に電極１６全体にわたり電位が低下することで、電極１６下のポテンシャル位置３２ａが上昇するためである。このことから、電極１６の枝分かれ部位２２下の長さ方向においても、ポテンシャル勾配３４が形成され、時間の経過に伴って、ポテンシャル勾配３４が電荷集積部２６に向けて平行移動し、光電子３０は高速に電荷集積部２６に移動することとなる。
【００５６】
このように、第１光電変換素子１０Ａにおいては、電極１６ａの枝分かれ部位２２間に埋め込みフォトダイオードＢＰＤを配置し、電極１６に印加される電圧Ｖを制御することで、隣接する電極１６下と埋め込みフォトダイオードＢＰＤに形成されるポテンシャル位置の差によるポテンシャル勾配３４を形成するようにしたので、光電変換にて得られた光電子３０を高速に電荷集積部２６に転送集積することが可能となる。また、埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、完全空乏化デバイスであり、電荷残りを抑制して光電子の完全転送が可能である。また、表面にｐ型の高濃度領域が存在することから、暗電流の発生を抑えるのに有利である。
【００５７】
しかも、電極１６の給電端子２８を電荷集積部２６から最も離れた位置に形成するようにしたので、電極１６下のポテンシャル位置３２ａを、給電端子２８直下の部分を起点として連続的に上昇させることが可能になる。電極１６下のポテンシャル位置３２ａの上昇によって、電界が発生し、電極１６下の光電子３０を高速に移動させることができる。その結果、電極１６下の例えば複数の枝分かれ部位２２下の光電子３０を、電荷集積部２６に高速に移動させることができる。
【００５８】
このように、第１光電変換素子においては、光電変換にて得られた光電子３０を高速に、且つ、効率よく電荷集積部２６に転送集積することが可能となる。
【００５９】
［第２光電変換素子１０Ｂ］
次に、第２の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第２光電変換素子１０Ｂと記す）について図６〜図９を参照しながら説明する。
【００６０】
この第２光電変換素子１０Ｂは、図６に示すように、上述した第１光電変換素子１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、半導体基体１２（図７参照）上に絶縁体１４を介して形成された第１電極１６ａを有する１つの第１ＭＯＳダイオード１８ａと、半導体基体１２上に絶縁体１４を介して形成された第２電極１６ｂを有する複数の第２ＭＯＳダイオード１８ｂとを有する。第１ＭＯＳダイオード１８ａは、上述した第１光電変換素子１０ＡのＭＯＳダイオード１８と同じ構成を有する。具体的には、例えば半導体基体１２は、図７に示すように、ｐ型不純物拡散領域が形成されている。そして、半導体基体１２上に例えばＳｉＯ2等からなる絶縁層（絶縁体１４）を介してポリシリコンや金属等の導電層による第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂが形成されることで、上述した第１ＭＯＳダイオード１８ａ及び第２ＭＯＳダイオード１８ｂが構成されている。また、上述した第１ＭＯＳダイオード１８ａ及び第２ＭＯＳダイオード１８ｂの間には、ｐ型不純物拡散領域に形成されたｎ型不純物拡散領域の表面に高濃度のｐ型不純物拡散領域が形成されることで、埋め込みフォトダイオードＢＰＤが構成されている。
【００６１】
第１ＭＯＳダイオード１８ａの第１電極１６ａは、上面から見たとき、１つの電極部位２０から複数の枝分かれ部位２２に分岐配列されたくし歯形状を有し、第２ＭＯＳダイオード１８ｂの各第２電極１６ｂは、上面から見たとき、第１電極１６ａとは分離され、且つ、第１電極１６ａにおける複数の枝分かれ部位２２間にそれぞれ入れ子状に配置されている。第１ＭＯＳダイオード１８ａにおける第１電極１６ａの枝分かれ部位２２と、第２ＭＯＳダイオード１８ｂの第２電極１６ｂは、それぞれ矩形形状を有する。
【００６２】
さらに、第１ＭＯＳダイオード１８ａにおける第１電極１６ａの各枝分かれ部位２２の第１給電端子２８ａ、並びに第２ＭＯＳダイオード１８ｂにおける各第２電極１６ｂの第２給電端子２８ｂは、上面から見たとき、電荷集積部２６から最も離れた位置に形成されている。
【００６３】
そして、第１給電端子２８ａに第１電圧Ｖ１が印加され、第２給電端子２８ｂに第２電圧Ｖ２がそれぞれ独立して印加されるように図示しない金属配線がなされている。
【００６４】
第１電圧Ｖ１は低レベルＶ１Ｌ〜高レベルＶ１Ｈにわたって変化し、第２電圧Ｖ２は低レベルＶ２Ｌ〜高レベルＶ２Ｈにわたって変化する。レベルの大小関係は、少なくともＶ１Ｈ＞Ｖ２Ｈとなっている。Ｖ１ＬとＶ２Ｌの関係は、共に同じか、あるいはＶ１Ｌ＞Ｖ２Ｌでもよい。また、Ｖ１ＬとＶ２Ｌは、０Ｖや負の電圧であってもよい。
【００６５】
ここで、第２光電変換素子１０Ｂの動作について、図８のタイミングチャート、図９Ａ〜図９Ｃのポテンシャル図も参照して説明する。
【００６６】
先ず、図８の時点ｔ０においては、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２が共に低レベルＶ１Ｌ及びＶ２Ｌであることから、図９Ａに示すように、第１ＭＯＳダイオードと第２ＭＯＳダイオード間に光電子に対するポテンシャル障壁が形成されることなく、第１ＭＯＳダイオード１８ａと第２ＭＯＳダイオード１８ｂ間に、第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂよりも低く、且つ、第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａよりも高いポテンシャル位置３２ｃが形成される。
【００６７】
その後、時点ｔ１（露光の初期段階）において、第１電圧Ｖ１が高レベルＶ１Ｈ、第２電圧Ｖ２が高レベルＶ２Ｈになると、図９Ｂに示すように、第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａと第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂが共に低くなり、Ｖ１Ｈ＞Ｖ２Ｈであることから、第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａは第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂよりも低くなる。つまり、第２電極１６ｂ下から第１電極１６ａ下にかけてポテンシャル位置が低くなるポテンシャル勾配３４が形成されることとなる。このことから、第２電極１６ｂ下に発生した光電子３０は、ポテンシャル勾配３４によって、第１電極１６ａ下、すなわち、複数の枝分かれ部位２２下に移動する。
【００６８】
その後、時点ｔ２において、第２電圧Ｖ２のみが低レベルＶ２Ｌになると、図９Ｃに示すように、第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂのみが高くなり、ポテンシャル勾配３４が急峻になることから、第２電極１６ｂ下の光電子３０は、第１電極１６ａの複数の枝分かれ部位２２下に高速に移動する。
【００６９】
その後、時点ｔ３（露光の終了段階）において、第１電圧Ｖ１が低レベルＶ１Ｌになると、図５に示す場合と同様に、第１給電端子２８ａ直下の部分のポテンシャル位置３２ａが早く上昇し、徐々に電荷集積部２６に近い方のポテンシャル位置３２ａが上昇していくことになる。この第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａの上昇によって、電界が発生し、第１電極１６ａ下の光電子３０を高速に移動させることができる。その結果、第１電極１６ａ下の例えば複数の枝分かれ部位２２下の光電子３０を、電荷集積部２６に高速に移動させることができる。
【００７０】
［第１受光装置１００Ａ］
次に、第１の実施の形態に係る受光装置（以下、第１受光装置１００Ａと記す）について図１０及び図１１を参照しながら説明する。
【００７１】
第１受光装置１００Ａは、図１０に示すように、レンズ１０２と、第１受光部１０４Ａとを有する。レンズ１０２を通過した入射光Ｌａは、第１受光部１０４Ａに集光される。レンズ１０２は、直線状又はマトリックス状に配列された複数のレンズであってもよい。
【００７２】
第１受光部１０４Ａは、図１１に示すように、光電変換素子１０と、光電変換素子１０により発生した光電子を集めるための電荷集積部２６と、光電子を一定期間蓄積するキャパシタＣａと、光電子を排出する電荷排出部１０８と、電荷集積部２６とキャパシタＣａとの間に配置され、電荷集積部２６に集められた光電子を、キャパシタＣａへ移動させる第１スイッチング素子ＳＷ１と、電荷集積部２６と電荷排出部１０８との間に配置され、電荷集積部２６から電荷排出部１０８への光電子の排出を制御する第２スイッチング素子ＳＷ２とを備えている。電荷排出部１０８は、電荷集積部２６を間に挟んでキャパシタＣａと対向配置されている。この実施の形態では、特に、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置にキャパシタＣａと電荷排出部１０８とを配置するようにしている。キャパシタＣａは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されている。
【００７３】
光電変換素子１０は、上述した第１光電変換素子１０Ａや第２光電変換素子１０Ｂが用いられる。図１１では、光電変換素子１０として第１光電変換素子１０Ａを用いた例を示している。この場合、電荷集積部２６として、第１光電変換素子１０Ａの電荷集積部２６や第２光電変換素子１０Ｂの電荷集積部２６を用いてもよい。
【００７４】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、電荷集積部２６とキャパシタＣａとの間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有する。第２スイッチング素子ＳＷ２は、電荷集積部２６と電荷排出部１０８との間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有する。従って、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、ゲート電極に高レベル電圧が印加されることでオンとされ、ゲート電極に低レベル電圧（０Ｖあるいは負電圧）が印加されることでオフとされる。
【００７５】
なお、少なくとも電荷集積部２６、キャパシタＣａ、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、遮光された領域Ｚに形成されている。
【００７６】
この第１受光装置１００Ａを使用するときは、先ず、特定の入射光Ｌａの輝度情報を取得したい期間（有効期間と記す）に入射した光が光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンされることで、電荷集積部２６の光電子はキャパシタＣａに転送され、キャパシタＣａに転送された光電子の量（電荷量）に基づいて入射光Ｌａの輝度情報が得られることとなる。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１は所定期間経過後にオフとされる。
【００７７】
一方、有効期間以外に入射した不要な光も光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第２スイッチング素子ＳＷ２がオンされることで、電荷集積部２６の不要な光電子は電荷排出部１０８に転送され、排出されることとなる。第２スイッチング素子ＳＷ２も所定期間経過後にオフとされる。
【００７８】
ところで、輝度情報のＳ／Ｎ比を向上させる手法として、一定期間内に、有効期間を複数設定し、有効期間内に得られた光電子を集積する方法がある。特に、有効期間を短く設定することで、環境光の影響をできるだけ除去することが考えられる。例えば一定期間内に複数の周期を設定し、各周期を１００μｓｅｃ未満とし、さらに、各周期内にそれぞれ有効期間を設定し、各有効期間のデューティを短くすることが考えられる。
【００７９】
このような手法を採用したとき、光電変換素子１０にて光電変換された光電子を高速にノード（光電子を電気信号に変換する部位）に転送する必要がある。特に、高いＳ／Ｎ比を得るためには、受光面積の大きな光電変換素子が必要となる。しかし、受光面積の大きな光電変換素子を用いた場合、ノードまでの距離が長くなり、光電子を高速にノードまで転送することが難しくなる。例えば第１受光装置１００Ａに通常の光電変換素子（従来の光電変換素子）を設置して使用した場合を想定して説明すると、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンとなっている時間が数百ｎｓｅｃ程度の場合、光電変換素子において光電変換して得られた光電子は、第１スイッチング素子ＳＷ１に到達する前に、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフとなってしまい、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じてキャパシタに転送することができない。結果的に、第２スイッチング素子ＳＷ２を通じて電荷排出部に転送され、排出されることとなる。
【００８０】
また、従来においては、光電変換素子からの光電子をそれぞれ別の経路を通じて２つのノードに振り分ける構造（非特許文献１参照）がある。このような場合、各ノードに至るまでの電極（ゲート電極）の位置や長さが異なってくることから、光電変換素子の変換効率の面内の分布の存在や、光電子の移動経路の差異等の要因により、各ノードへの転送効率に差異が生じ、Ｓ／Ｎ比を低下させる原因となる。
【００８１】
そこで、この第１受光装置１００Ａにおいては、光電変換素子１０として、上述した第１光電変換素子１０Ａや第２光電変換素子１０Ｂを使用するようにしている。この場合、光電変換素子１０内にポテンシャル勾配３４が形成されることから、光電子が電界によって高速に移動させることが可能となり、有効期間に得られた光電子を第１スイッチング素子ＳＷ１を通じてキャパシタＣａに転送することができる。もちろん、光電変換素子１０として、第２光電変換素子１０Ｂを使用することで、さらに光電子を高速に移動させることができる。
【００８２】
従って、第１受光装置１００Ａは、高いＳ／Ｎ比を獲得する必要があるアプリケーションに適用可能となり、例えば受光面積が大きく、光電子を出力させるノードまでの距離が長い場合に好適となる。しかも、１つの電荷集積部２６に集積するようにしており、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置にキャパシタＣａと電荷排出部１０８とを配置するようにしているため、２つ以上のノードに光電子を振り分ける場合においても、電子の移動経路が同一となることから、各ノードへの転送効率に差異を生じさせることはない。
【００８３】
［第２受光装置１００Ｂ］
次に、第２の実施の形態に係る受光装置（以下、第２受光装置１００Ｂと記す）について図１０及び図１２を参照しながら説明する。
【００８４】
この第２受光装置１００Ｂは、上述した第１受光装置１００Ａと同様に、図１０に示すように、レンズ１０２と、第２受光部１０４Ｂとを有する。
【００８５】
第２受光部１０４Ｂは、上述した第１受光装置１００Ａの第１受光部１０４Ａとほぼ同様の構成を有するが、図１２に示すように、光電子をそれぞれ一定期間蓄積する第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２を有する点で異なる。
【００８６】
すなわち、電荷排出部１０８は、電荷集積部２６を間に挟んで、光電変換素子１０と対向配置され、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２は、電荷集積部２６を間に挟んで、互いに対向配置されている。この実施の形態では、特に、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に第１キャパシタＣａ１と第２キャパシタＣａ２とを配置するようにしている。
【００８７】
また、電荷集積部２６と第１キャパシタＣａ１との間に配置され、電荷集積部２６に集められた光電子を、第１キャパシタＣａ１へ移動させる第１スイッチング素子ＳＷ１と、電荷集積部２６と第２キャパシタＣａ２との間に配置され、電荷集積部２６に集められた光電子を、第２キャパシタＣａ２へ移動させる第２スイッチング素子ＳＷ２と、電荷集積部２６と電荷排出部１０８との間に配置され、電荷集積部２６から電荷排出部１０８への光電子の排出を制御する第３スイッチング素子ＳＷ３とを備えている。
【００８８】
第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２は、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されている。
【００８９】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、電荷集積部２６と第１キャパシタＣａ１との間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有し、第２スイッチング素子ＳＷ２は、電荷集積部２６と第２キャパシタＣａ２との間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有する。第３スイッチング素子ＳＷ３は、電荷集積部２６と電荷排出部１０８との間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有する。従って、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第３スイッチング素子ＳＷ３は、ゲート電極に高レベル電圧が印加されることでオンとされ、ゲート電極に低レベル電圧（０Ｖあるいは負電圧）が印加されることでオフとされる。
【００９０】
なお、少なくとも電荷集積部２６、第１キャパシタＣａ１、第２キャパシタＣａ２、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第３スイッチング素子ＳＷ３は、遮光された領域Ｚに形成されている。
【００９１】
この第２受光装置１００Ｂでは、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２を有することから、得られた輝度情報から環境光によるノイズを除去する際に好適である。
【００９２】
すなわち、先ず、環境光の輝度情報をノイズ情報として取得したい期間（第１有効期間と記す）に入射した光が光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンされることで、電荷集積部２６の光電子は第１キャパシタＣａ１に転送され、第１キャパシタＣａ１に転送された光電子の量（電荷量）に基づいて環境光の輝度情報が得られることとなる。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１は所定期間経過後にオフとされる。
【００９３】
次に、特定の入射光Ｌａの輝度情報を取得したい期間（第２有効期間と記す）に入射した光が光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第２スイッチング素子ＳＷ２がオンされることで、電荷集積部２６の光電子は第２キャパシタＣａ２に転送され、第２キャパシタＣａ２に転送された光電子の量（電荷量）に基づいて特定の入射光Ｌａの輝度情報が得られることとなる。なお、第２スイッチング素子ＳＷ２は所定期間経過後にオフとされる。得られた特定の入射光の輝度情報には、環境光によるノイズ情報が含まれているため、第１キャパシタＣａ１を通じて取得した環境光の輝度情報と差分をとることによって、環境光によるノイズが除去された輝度情報を得ることができる。
【００９４】
一方、第１有効期間及び第２有効期間以外に入射した光も光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第３スイッチング素子ＳＷ３がオンされることで、電荷集積部２６の光電子は電荷排出部１０８に転送され、排出されることとなる。
【００９５】
この第２受光装置１００Ｂにおいても、光電変換素子１０として、上述した第１光電変換素子１０Ａや第２光電変換素子１０Ｂを使用するようにしているため、第１有効期間に得られた光電子を第１スイッチング素子ＳＷ１を通じて高速に第１キャパシタＣａ１に転送することができ、第２有効期間に得られた光電子を第２スイッチング素子ＳＷ２を通じて高速に第２キャパシタＣａ２に転送することができる。しかも、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に第１キャパシタＣａ１と第２キャパシタＣａ２とを配置するようにしている。
【００９６】
従って、第２受光装置１００Ｂにおいても、上述した第１受光装置１００Ａと同様の効果を奏する。さらに、環境光によるノイズ成分を除去することができることから、特定の入射光Ｌａの輝度情報を精度よく取得することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００９７】
［第１受光システム２００Ａ］
次に、第１の実施の形態に係る受光システム（以下、第１受光システム２００Ａと記す）について図１３〜図１５を参照しながら説明する。なお、図１４及び図１５において、Ｖ１は、第１光電変換素子１０Ａの場合の電圧Ｖ１、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第１電圧を示し、Ｖ２は、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第２電圧を示す。
【００９８】
第１受光システム２００Ａは、図１３に示すように、発光装置２０２と、上述の第１受光装置１００Ａと、制御装置２０４と、演算装置２０６と、これら発光装置２０２、第１受光装置１００Ａ、制御装置２０４及び演算装置２０６に所定の電源電圧を供給する第１電源２０８Ａ及び第２電源２０８Ｂとを有する。なお、簡単のため、図１３において、第１電源２０８Ａ及び第２電源２０８Ｂから各装置への電源線の表示を省略する。
【００９９】
この第１受光システム２００Ａでは、発光装置２０２から出射されたパルス光Ｌｐが被写体Ｗで反射し、第１受光装置１００Ａに入射する。なお、説明の便宜のため、発光装置２０２から被写体Ｗまでのパルス光Ｌｐを放射光Ｌｅ、被写体Ｗから第１受光装置１００Ａまでのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【０１００】
制御装置２０４は、第１受光装置１００Ａで受光された光から被写体Ｗからの反射光Ｌｒの成分を取得するように制御する。
【０１０１】
＜発光装置２０２＞
発光装置２０２は、制御装置２０４からの指令に基づきパルス光Ｌｐを出力する発光部２１０を有する。この第１受光システム２００Ａにおいて、発光装置２０２の発光部２１０は、発光点（エミッタ）を直線状に設けた半導体レーザバーを積層（直列接続）して、面発光が可能とされたものである。
【０１０２】
発光部２１０は、波長が８７０ナノメートル［ｎｍ］の赤外光を１００ワット［Ｗ］の出力で放射可能である。また、各サイクルＣｍ（測定値を求める周期）において、複数回の露光処理（電荷蓄積処理）が行われる（図２４参照）。露光処理の周期（図２４の第２蓄積期間Ｔｃａ２参照）が１００［マイクロ秒］であるところ、発光部２１０は、パルス光Ｌｐを１００［ナノ秒］の出力時間（パルス幅）で出力する。換言すると、発光部２１０の駆動デューティは、０．１［％］である。
【０１０３】
なお、発光部２１０は、リニアアレイ状の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。また、発光部２１０が放射するパルス光Ｌｐは、その他の波長でもよく、例えば、７００ｎｍより長く１０５０ｎｍ以下としてもよい。さらに、発光部２１０の出力は、その他の値でもよく、例えば、２０［Ｗ］より大きく１０［ｋＷ］以下としてもよい。さらにまた、パルス光Ｌｐのパルス幅は、その他の長さでもよく、例えば、１０［ナノ秒］以上１［ミリ秒］以下としてもよい。加えて、発光部２１０の駆動デューティは、その他の値でもよく、例えば、０．０１［％］以上１［％］以下としてもよい。
【０１０４】
＜第１受光装置１００Ａ＞
上述したので、ここではその重複説明を省略するが、図１４を用いて、回路構成としての第１受光装置１００Ａ、特に、第１受光部１０４Ａを説明する。
【０１０５】
すなわち、第１受光部１０４Ａは、図１４に示すように、上述した光電変換素子１０と、電荷集積部２６と、キャパシタＣａと、電荷排出部１０８と、第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２とを備え、さらに、リセットスイッチＳＲと、アンプＡＰとを有する。
【０１０６】
（第１スイッチング素子ＳＷ１、キャパシタＣａ）
第１スイッチング素子ＳＷ１は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインがキャパシタＣａに接続され、ゲートが図示しないゲート駆動回路に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（読取信号Ｓｇ）に応じて第１スイッチング素子ＳＷ１のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子がキャパシタＣａに転送される。
【０１０７】
（第２スイッチング素子ＳＷ２、電荷排出部１０８）
第２スイッチング素子ＳＷ２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースに電荷集積部２６が接続され、ドレインに電荷排出部１０８が接続され、該電荷排出部１０８には、第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給されている。また、ゲートには図示しないゲート駆動回路が接続されている。従って、ゲート駆動回路からゲートにゲート駆動信号（電荷排出信号Ｓｅ）を供給すること（ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、ゲートをオンにし、電荷集積部２６に存在する光電子を、キャパシタＣａに転送することなく、電荷排出部１０８を通じて排出することができる。
【０１０８】
（リセットスイッチＳＲ）
リセットスイッチＳＲは、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースには第１スイッチング素子ＳＷ１とキャパシタＣａとの接点ａ１が接続され、ドレインには第２電源２０８Ｂからのリセット電圧Ｖｒが供給されている。また、ゲートには図示しないゲート駆動回路が接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（リセット信号Ｓｒ）によってリセットスイッチＳＲをオンにすることにより、キャパシタＣａの電位を一定のリセット電位にすることができる。すなわち、キャパシタＣａをリセットすることができる。
【０１０９】
（アンプＡＰ）
アンプＡＰは、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された出力素子ＴＲと、出力素子ＴＲのソースと出力ライン２１２との間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる出力スイッチＳＥＬとを有する。出力素子ＴＲのゲートには、第１スイッチング素子ＳＷ１とキャパシタＣａとの接点ａ１が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには出力スイッチＳＥＬのドレインが接続されている。出力スイッチＳＥＬは、ゲートに図示しないゲート駆動回路が接続され、ソースに出力ライン２１２が接続されている。
【０１１０】
従って、出力スイッチＳＥＬのゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（出力選択信号Ｓｓ）によって出力スイッチＳＥＬをオンにすることにより、キャパシタＣａに蓄積された光電子（電荷量Ｑ）に応じた電圧が出力素子ＴＲにて増幅されて出力電圧Ｖｏｕｔとして取り出されることになる。
【０１１１】
＜第１受光システム２００Ａの動作＞
次に、第１受光システム２００Ａの動作について図１５を参照しながら説明する。なお、図１５において、Ｖ１は光電変換素子１０（第１光電変換素子１０Ａ又は第２光電変換素子１０Ｂ）の第１電極１６ａに印加される第１電圧Ｖ１、Ｖ２は同じく第２電極１６ｂに印加される第２電圧を示す。また、発光装置２０２からのパルス光Ｌｐの発光時間はＷＬであり、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子がオンしている期間はそれぞれＷＤ１、ＷＤ２である。
【０１１２】
先ず、第１受光システム２００Ａの制御装置２０４は、一定の周期（サイクル）毎に発光装置２０２を駆動して、各サイクル毎に発光時間ＷＬのパルス光Ｌｐを放射する。発光装置２０２から出射されたパルス光Ｌｐ（放射光Ｌｅ）が被写体Ｗで反射し、反射光Ｌｒとして第１受光装置１００Ａに入射する。第１受光装置１００Ａに入射した光は光電変換素子１０にて光電子に変換されて電荷集積部２６に高速に転送される。
【０１１３】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、電荷集積部２６に転送された光電子をキャパシタＣａに転送する。すなわち、キャパシタＣａに転送された光電子は、入射した反射光Ｌｒを光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ）である。従って、電荷量Ｑによって、反射光強度の情報を取得することができる。
【０１１４】
なお、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンとなっていない場合に光電変換された光電子は、不要な光電子であるため、この不要な光電子を第２スイッチング素子ＳＷ２をオンにして電荷排出部１０８に排出する。
【０１１５】
ここで、第１受光システム２００Ａの具体的な動作タイミングについて図１５を参照しながら説明する。
【０１１６】
最初に、第１受光システム２００Ａの初期設定として、第２スイッチング素子ＳＷ２及びリセットスイッチＳＲを全てオンにし、第１スイッチング素子ＳＷ１及び出力スイッチＳＥＬを共にオフにする。これにより、光電変換素子１０に蓄積されている不要な光電子が排出されると共に、キャパシタＣａの電位がリセット電位Ｖｒに設定される。その後、リセットスイッチＳＲがオフとされる。
【０１１７】
初期設定が終了した後、反射光強度を取得するためのサイクルが１回のみ、あるいは複数回繰り返されることになる。
【０１１８】
各サイクルは、図１５に示すように、最初の時点ｔ１において、制御装置２０４による発光装置２０２の駆動によって、発光装置２０２から１つのパルス光Ｌｐが出射されることになる。従って、時点ｔ１で第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにし、該時点ｔ１から読取期間ＷＤ１にわたり第１スイッチング素子ＳＷ１をオン（第２スイッチング素子ＳＷ２はオフのまま）にする。また、時点ｔ１から光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２をそれぞれ高レベルＶＨ１及びＶＨ２にする。これにより、光電変換素子１０での光電変換によって得られた光電子が第１電極１６ａ下及び第２電極１６ｂ下に蓄積されることとなるが、その一部は、電荷集積部２６に向かって移動し、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じてキャパシタＣａに転送される。パルス光Ｌｐの放射期間ＷＬが経過した後の時点ｔ２において第２電圧Ｖ２が低レベルＶ２Ｌとなり、これによって形成されたポテンシャル勾配３４によって第２電極１６ｂ下の光電子が第１電極１６ａ下に高速に転送され、その後の時点ｔ３において第１電圧Ｖ１が低レベルＶ１Ｌになると、第１電極１６ａ下の光電子が電荷集積部２６に高速に転送され、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じてキャパシタＣａに転送される。
【０１１９】
その後の時点ｔ４において、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにし、該時点ｔ４から次のサイクルの開始時点までの期間（電荷排出期間ＷＤ２）にわたり第２スイッチング素子ＳＷ２をオン（第１スイッチング素子ＳＷ１はオフのまま）にする。これによって、電荷排出期間ＷＤ２において光電変換素子１０に発生した不要な光電子は第２スイッチング素子ＳＷ２及び電荷排出部１０８を介して排出される。なお、電荷排出期間ＷＤ２においても、光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を、期間ＷＤ１と同様に制御することで、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂを含む光電変換素子１０で発生した光電子を、光電変換素子１０に電荷が残らないように、電荷排出部１０８を介して排出させる。
【０１２０】
所定回数のサイクルが終了した段階で、出力スイッチＳＥＬをオンすることによって、出力ライン２１２には、キャパシタＣａに蓄積された光電子（電荷量Ｑ）に応じた電圧が出力素子ＴＲにて増幅されて出力電圧Ｖｏｕｔとして出力されることになる。出力電圧Ｖｏｕｔは図示しないＡ／Ｄ変換器にてデジタルデータに変換されて演算装置２０６に供給される。
【０１２１】
［第２受光システム２００Ｂ］
次に、第２の実施の形態に係る受光システム（以下、第２受光システム２００Ｂと記す）について図１３、図１６〜図２０を参照しながら説明する。図１９及び図２０において、Ｖ１は、第１光電変換素子１０Ａの場合の電圧Ｖ１、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第１電圧を示し、Ｖ２は、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第２電圧を示す。
【０１２２】
第２受光システム２００Ｂは、上述した第１受光システム２００Ａとほぼ同様の構成を有するが、図１３に示すように、第２受光装置１００Ｂを使用し、制御装置２０４によって、第２受光装置１００Ｂで受光された光から環境光Ｌｓの成分を除去して被写体Ｗからの反射光Ｌｒの成分を取得するように制御することで、環境光Ｌｓに依存しない反射光強度の情報を取得することができる点で異なる。
【０１２３】
＜環境光Ｌｓの影響を低減する基本原理＞
ここで、環境光Ｌｓの影響を低減する基本原理、特に、連続光を用いた場合の基本原理について、図１６〜図１８Ｂを参照しながら説明する。
【０１２４】
先ず、図１６に示すように、最初の１フレーム期間Ｆ１において、被写体Ｗに連続光を照射しないときの光電子を取り込み、該光電子から未照射時の輝度値を得、次の２フレーム期間Ｆ２において、被写体Ｗに連続光を照射したときの光電子を取り込み、該光電子から照射時の輝度値を得、これらの輝度値の差を取得することで、環境光Ｌｓ（主に太陽光成分）の影響を低減することができる。この場合、第１フレーム期間Ｆ１と第２フレーム期間Ｆ２の組み合わせを１サイクルとした場合、１サイクルに対する連続光のデューティ比は５０％となる。また、１つのフレーム期間としては、撮像装置による撮影期間である例えば１／６０［秒］が用いられる。
【０１２５】
そして、最初の１フレーム期間Ｆ１においては、連続光を出射せずに受光し、続く第２フレーム期間Ｆ２において、該第２フレーム期間Ｆ２にわたって連続光を出射させながら受光することから、この第１フレーム期間Ｆ１から第２フレーム期間Ｆ２にわたって、環境光によるノイズ成分も取り込まれることになる。
【０１２６】
従って、図１７Ａに示すように、第２フレーム期間Ｆ２の輝度値（信号光成分＋太陽光成分）から第１フレーム期間Ｆ１の輝度値（太陽光成分）を差し引くことによって、理想的には太陽光成分による影響が除去され、信号光成分のみが得られることになる。
【０１２７】
しかし、太陽光のような強い環境光が存在する環境では、光ショットノイズの影響があり、しかも、光ショットノイズは、ランダム性を有することから、上述した輝度値の差を演算するだけでは、環境光の影響の除去は十分ではないことがわかる。すなわち、図１７Ｂに示すように、第１フレーム期間Ｆ１で発生した光ショットノイズ成分と、第２フレーム期間Ｆ２で発生した光ショットノイズ成分が異なる場合、その差分が信号光成分に重畳されることになる。
【０１２８】
また、太陽光のような強い環境光が存在する環境では、例えば図１７Ａに示すように、信号光成分よりも太陽光成分が大きいことから（信号光成分のＳ／Ｎ比が低い）、信号光成分の入力ダイナミックレンジが小さくなるという問題がある。一般的な撮像素子は、入射光量に対する信号出力の有効範囲（ダイナミックレンジ）が限られており、太陽光が入射してしまうと、信号出力が飽和してしまう等の悪影響を及ぼすことが知られている。そこで、例えば図１８Ａに示すように、１つのサイクル（１フレーム期間Ｆ１と２フレーム期間Ｆ２での露光と、第２フレーム期間Ｆ２の輝度値（信号光成分＋太陽光成分）から第１フレーム期間Ｆ１の輝度値（太陽光成分）を差し引く動作）を複数回繰り返して信号光成分を蓄積することによって、信号光成分のＳ／Ｎ比を向上させることが考えられる。図１８Ａの例では３つのサイクル（サイクル１〜３）を示している。しかし、上述したように（図１７Ｂ参照）、各フレーム期間において、ランダムな光ショットノイズが入り込み、しかも、差演算においても、一部残存することから、図１８Ｂに示すように、信号光成分の蓄積と共に、残存するノイズ成分も蓄積することになり、差演算後のＳ／Ｎ比が低くなるという問題がある。
【０１２９】
信号光成分のＳ／Ｎ比を向上させるためには、連続光のパワーを高めることが考えられる。しかし、１つのフレーム期間にわたって連続光を出射させることから、発熱や消費電力が増加するという新たな問題が生じる。発熱に対しては例えば冷却機構を別途用意することで対応できるが、受光システムの製造コスト、ランニングコストが高くなり、サイズも大きくなるという問題がある。従って、連続光のパワーを上げることには限界がある。
【０１３０】
一方、上述した発光装置２０２では、発光部２１０から高い出力を有するパルス幅の短いパルス光Ｌｐを出射することから、該発光装置２０２を用いた第２受光システム２００Ｂでは、上述したような連続光による各種問題を解決することができる。
【０１３１】
［第２受光システム２００Ｂの詳細］
＜発光装置２０２＞
発光装置２０２は、第１受光システム２００Ａの発光装置２０２とほぼ同様の構成を有するため、その説明を省略する。
【０１３２】
＜第２受光装置１００Ｂ＞
上述したので（図１２参照）、ここではその重複説明を省略するが、図１９を用いて、回路構成として第２受光装置１００Ｂを説明する。
【０１３３】
すなわち、第２受光装置１００Ｂは、図１９に示すように、上述した光電変換素子１０、電荷集積部２６、第１キャパシタＣａ１、第２キャパシタＣａ２、電荷排出部１０８、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第３スイッチング素子ＳＷ３とを備え、さらに、第１リセットスイッチＳＲ１、第２リセットスイッチＳＲ２、第１アンプＡＰ１及び第２アンプＡＰ２を有する。
【０１３４】
（第１スイッチング素子ＳＷ１、第１キャパシタＣａ１）
第１スイッチング素子ＳＷ１は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインが第１キャパシタＣ１に接続され、ゲートが図示しないゲート駆動回路に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第１読取信号Ｓｇ１）に応じて第１スイッチング素子ＳＷ１のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子が第１キャパシタＣａ１に転送される。
【０１３５】
（第２スイッチング素子ＳＷ２、第２キャパシタＣａ２）
第２スイッチング素子ＳＷ２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインが第２キャパシタＣａ２に接続され、ゲートが図示しないゲート駆動回路に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第２読取信号Ｓｇ２）に応じて第２スイッチング素子ＳＷ２のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子が第２キャパシタＣａ２に転送される。
【０１３６】
（第３スイッチング素子ＳＷ３、電荷排出部１０８）
第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースに電荷集積部２６が接続され、ドレインに電荷排出部１０８が接続され、該電荷排出部１０８には、第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給されている。また、ゲートには図示しないゲート駆動回路が接続されている。従って、ゲート駆動回路からゲートにゲート駆動信号（電荷排出信号Ｓｅ）を供給することにより、ゲートをオンにし、電荷集積部２６に存在する光電子を、第１キャパシタＣａ１や第２キャパシタＣａ２に転送することなく、電荷排出部１０８を通じて排出することができる。
【０１３７】
（第１リセットスイッチＳＲ１、第２リセットスイッチＳＲ２）
第１リセットスイッチＳＲ１及び第２リセットスイッチＳＲ２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成されている。第１リセットスイッチＳＲ１のソースに第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣ１との接点ａ１が接続され、第２リセットスイッチＳＲ２のソースに第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣ２との接点ａ２が接続されている。各ドレインには第２電源２０８Ｂからのリセット電圧Ｖｒが供給され、各ゲートには図示しないゲート駆動回路が接続されている。従って、各ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第１リセット信号Ｓｒ１及び第２リセット信号）によって第１リセットスイッチＳＲ１及び第２リセットスイッチＳＲ２を選択的に又は一斉にオンにすることにより、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２の電位をそれぞれ一定のリセット電位にすることができる。すなわち、第１キャパシタＣａ１及び第２リセットＣａ２をリセットすることができる。
【０１３８】
（第１アンプＡＰ１）
第１アンプＡＰ１は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第１出力素子ＴＲ１と、第１出力素子ＴＲ１のソースと第１出力ライン２１２ａとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第１出力スイッチＳＥＬ１とを有する。第１出力素子ＴＲ１のゲートには、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣ１との接点ａ１が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには第１出力スイッチＳＥＬ１のドレインが接続されている。第１出力スイッチＳＥＬ１は、ゲートに図示しないゲート駆動回路が接続され、ソースに第１出力ライン２１２ａが接続されている。従って、第１出力スイッチＳＥＬ１のゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第１出力選択信号Ｓｓ１）によって第１出力スイッチＳＥＬ１をオンにすることにより、第１キャパシタＣａ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧が第１出力素子ＴＲ１にて増幅されて第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として取り出されることになる。
【０１３９】
（第２アンプＡＰ２）
第２アンプＡＰ２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第２出力素子ＴＲ２と、第２出力素子ＴＲ２のソースと第２出力ライン２１２ｂとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第２出力スイッチＳＥＬ２とを有する。第２出力素子ＴＲ２のゲートには、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣａ２との接点ａ２が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには第２出力スイッチＳＥＬ２のドレインが接続されている。第２出力スイッチＳＥＬ２は、ゲートに図示しないゲート駆動回路が接続され、ソースに第２出力ライン２１２ｂが接続されている。従って、第２出力スイッチＳＥＬ２のゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第２出力選択信号Ｓｓ２）によって第２出力スイッチＳＥＬ２をオンにすることにより、第２キャパシタＣａ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧が第２出力素子ＴＲ２にて増幅されて第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として取り出されることになる。
【０１４０】
＜第２受光システム２００Ｂの動作＞
次に、第２受光システム２００Ｂの動作について図２０を参照しながら説明する。なお、図２０において、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第３スイッチング素子ＳＷ３がオンしている期間はそれぞれＷＤ１〜ＷＤ３である。
【０１４１】
先ず、第２受光システム２００Ｂの制御装置２０４は、一定の周期（サイクル）毎に、ある一定期間ＷＳを置いて発光装置２０２を駆動して、各サイクル毎に発光時間ＷＬのパルス光Ｌｐを放射する。一定期間ＷＳは、環境光Ｌｓの輝度情報を読み取る期間であり、この一定期間ＷＳに第２受光装置１００Ｂに入射した光は光電変換素子１０にて光電子に変換されて電荷集積部２６に高速に転送される。
【０１４２】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、電荷集積部２６に転送された光電子を第１キャパシタＣａ１に転送する。すなわち、第１キャパシタＣａ１に転送された光電子は、入射した環境光Ｌｓを光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ１）である。従って、電荷量Ｑ１によって、環境光強度の情報を取得することができる。
【０１４３】
一定期間ＷＳ経過後に、発光装置２０２から出射されたパルス光Ｌｐ（放射光Ｌｅ）が被写体Ｗで反射し、反射光Ｌｒとして第２受光装置１００Ｂに入射する。第２受光装置１００Ｂに入射した光は光電変換素子１０にて光電子に変換されて電荷集積部２６に高速に転送される。
【０１４４】
第２スイッチング素子ＳＷ２は、電荷集積部２６に転送された光電子を第２キャパシタＣａ２に転送する。すなわち、第２キャパシタＣａ２に転送された光電子は、入射した環境光Ｌｓと反射光Ｌｒ（パルス光Ｌｐが被写体Ｗに反射したことによる反射光）を光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ２）である。
【０１４５】
従って、下記式（Ｆ１）に示すように、これら電荷量Ｑ１及びＱ２の差をとることによって、環境光に依存しない反射光強度の情報を取得することができる。
反射光強度＝Ｑ２−Ｑ１ ……（Ｆ１）
【０１４６】
なお、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が共にオンとなっていない（共にオフとなっている）場合に光電変換された光電子は、不要な光電子であるため、この不要な光電子を第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにして電荷排出部１０８に排出する。
【０１４７】
ここで、第２受光システム２００Ｂの具体的な動作タイミングについて図２０を参照しながら説明する。
【０１４８】
最初に、上述した第１受光システム２００Ａと同様に、第２受光システム２００Ｂの初期設定として、第３スイッチング素子ＳＷ３、第１リセットスイッチＳＲ１及び第２リセットスイッチＳＲ２を全てオンにし、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第１出力スイッチＳＥＬ１及び第２出力スイッチＳＥＬ２を共にオフにする。これにより、光電変換素子１０に蓄積されている不要な光電子が排出されると共に、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２の各電位がリセット電位に設定される。その後、第１リセットスイッチＳＲ１及び第２リセットスイッチＳＲ２がオフとされる。また、同時に、光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を、図２０の期間ＷＤ３に図示するタイミングと同様な動作で制御することで、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂを含む光電変換素子１０で発生した光電子を、光電変換素子１０に電荷が残らないように、電荷排出部１０８を介して排出させ光電変換素子１０を初期化する。
【０１４９】
初期設定が終了した後、反射光強度を取得するためのサイクルが１回のみ、あるいは複数回繰り返されることになる。
【０１５０】
各サイクルは、図２０に示すように、第１受光システム２００Ａの場合とは異なり、最初の時点ｔ１から一定期間ＷＳを置いて、制御装置２０４による発光装置２０２の駆動によって、発光装置２０２から１つのパルス光Ｌｐが出射されることになる。従って、一定期間ＷＳは、上述したように環境光Ｌｓを取り込む期間となる。
【０１５１】
そして、時点ｔ１で第３スイッチング素子ＳＷ３をオフにし、該時点ｔ１から第１読取期間ＷＤ１にわたり第１スイッチング素子ＳＷ１をオン（第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３はオフのまま）にする。また、上述した第１受光システム２００Ａと同様に、時点ｔ１から光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２をそれぞれ高レベルＶＨ１及びＶＨ２にし、その後の時点ｔ２において第２電圧Ｖ２を低レベルＶ２Ｌにし、その後の時点ｔ３において第１電圧Ｖ１を低レベルＶ１Ｌにする。この一連の電圧変化によって、第２電極１６ｂ下の光電子が第１電極１６ａ下に高速に移動し、第１電極１６ａ下の光電子が電荷集積部２６に高速に転送され、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じて第１キャパシタＣａ１に転送される。
【０１５２】
その後の時点ｔ４において、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにすると共に、発光装置２０２から１つのパルス光Ｌｐを出射させる。また、時点ｔ４から第２読取期間ＷＤ２にわたり第２スイッチング素子ＳＷ２をオン（第１スイッチング素子ＳＷ１及び第３スイッチング素子ＳＷ３はオフのまま）にする。また、時点ｔ４から光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２をそれぞれ高レベルＶＨ１及びＶＨ２にし、その後の時点ｔ５において第２電圧Ｖ２を低レベルＶ２Ｌにし、その後の時点ｔ６において第１電圧Ｖ１を低レベルＶ１Ｌにする。この一連の電圧変化によって、第２電極１６ｂ下の光電子が第１電極１６ａ下に高速に移動し、第１電極１６ａ下の光電子が電荷集積部２６に高速に転送され、第２スイッチング素子ＳＷ２を通じて第２キャパシタＣａ２に転送される。
【０１５３】
その後の時点ｔ７において、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにし、該時点ｔ７から次のサイクルの開始時点までの期間（電荷排出期間ＷＤ３）にわたり第３スイッチング素子ＳＷ３をオン（第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子は共にオフのまま）にする。これによって、電荷排出期間ＷＤ３において光電変換素子１０に発生した不要な光電子は第３スイッチング素子ＳＷ３及び電荷排出部１０８を介して排出される。
【０１５４】
所定回数のサイクルが終了した段階で、第１出力スイッチＳＥＬ１をオンすることによって、第１出力ライン２１２ａには、第１キャパシタＣａ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧が第１出力素子ＴＲ１にて増幅されて第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として出力され、その後、第２出力スイッチＳＥＬ２をオンすることによって、第２出力ライン２１２ｂには、第２キャパシタＣａ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧が第２出力素子ＴＲ２にて増幅されて第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力されることになる。
【０１５５】
第１出力ライン２１２ａ及び第２出力ライン２１２ｂから出力された第１出力電圧Ｖｏｕｔ１及び第２出力電圧Ｖｏｕｔ２は、図示しないＡ／Ｄ変換器にてそれぞれデジタルの第１数値データＤ１及び第２数値データＤ２に変換されて演算装置２０６に供給される。
【０１５６】
演算装置２０６では、供給された第１数値データＤ１及び第２数値データＤ２に基づいて下記式（Ｆ２）を演算することによって、反射光強度データＤｒを得る。
Ｄｒ＝Ｄ２−Ｄ１ ………（Ｆ２）
【０１５７】
上述した発光装置２０２は、パルス光Ｌｐのパルス幅を１［ナノ秒］より長く、且つ、０．２５［秒］未満としているため、パルス光Ｌｐのパルス幅を１フレーム期間の１［％］以下、例えば０．１［％］以下の時間的長さに設定することが可能である。つまり、パルス幅を大幅に短く設定することができることから、１つのパルス光Ｌｐのパワーを高くすることができ、環境光成分に対する反射光成分（信号光）のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。第２読取期間ＷＤ２もパルス光Ｌｐのパルス幅に合わせて短く設定することができ、しかも、環境光Ｌｓのみを読み取る第１読取期間ＷＤ１を上述した第２読取期間ＷＤ２と同じ時間的長さにできる等、読取時間を短くすることができるため、環境光Ｌｓの入射光量を低減でき、環境光Ｌｓに起因する光ショットノイズ成分を低減することができる。
【０１５８】
また、第１読取期間ＷＤ１と第２読取期間ＷＤ２に挟まれる時間的長さをほぼ０にすることができることから、被写体Ｗにパルス光Ｌｐを照射しない期間（第１読取期間ＷＤ１）における光電子の取り込み（未放射時の輝度値の取得）と、パルス光Ｌｐを照射した期間（第２読取期間ＷＤ２）における光電子の取り込み（放射時の輝度値の取得）を、短時間に切り換えることが可能となり、未放射時の輝度値と放射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。
【０１５９】
また、上述したサイクルを複数回繰り返す場合は、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２に蓄積される光電子の量を増やすことができる。この場合においても、パルス光列のパルス周期に対するパルス光Ｌｐのデューティ比が１［％］以下（例えば０．１［％］以下）に設定されることから、パルス光列に含まれる各パルス光Ｌｐのパワーを連続光よりも高くすることが可能となり、各パルス幅での環境光Ｌｓ（ノイズ成分）に対する反射光Ｌｒ（信号光成分）のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。このように、パルス光Ｌｐのデューティ比を小さくすることで、大きな出力を有したパルス光を用いても、発光休止時に放熱させることができるため、放熱特性を良好にできる。しかも、複数サイクルにわたって第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２にそれぞれ光電子を蓄積することから、信号光成分を増やすことができ、その後の信号処理の精度を高めることが可能となる。また、各サイクルにおいて、第１読取期間ＷＤ１における光電子の取り込みと、第２読取期間ＷＤ２における光電子の取り込みを、短時間に切り換えることができるため、未放射時の輝度値と放射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。
【０１６０】
［第１測距装置３００Ａ］
次に、第１の実施の形態に係る測距装置（以下、第１測距装置３００Ａと記す）について図２１〜図２６を参照しながら説明する。図２３において、Ｖ１は、第１光電変換素子１０Ａの場合の電圧Ｖ１、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第１電圧を示し、Ｖ２は、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第２電圧を示す。
【０１６１】
第１測距装置３００Ａは、後述するイメージセンサ３０２の各画素３０４の出力に基づき測定した距離を用いた三次元画像を取得するものであり、上述した発光装置２０２、制御装置２０４、演算装置２０６、第１電源２０８Ａ及び第２電源２０８Ｂに加えて、第３受光装置１００Ｃとを有する。
【０１６２】
第１測距装置３００Ａでは、制御装置２０４からの指令に応じて発光装置２０２の発光部２１０から出射されたパルス光Ｌｐが対象物Ｗで反射し、第３受光装置１００Ｃに入射する。第３受光装置１００Ｃには、太陽光等の環境光Ｌｓも入射する。第３受光装置１００Ｃは、制御装置２０４からの指令に基づき受光量に応じた電荷を示す信号（蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２）を演算装置２０６に出力する。演算装置２０６は、パルス光Ｌｐが発光装置２０２から第３受光装置１００Ｃまで到達する期間（往復期間ΔＰ）［ｓ］を算出し、この往復期間ΔＰに基づいて第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄ［ｍ］を演算する。演算装置２０６の演算結果は、例えば、図示しない表示装置に出力される。
【０１６３】
＜第３受光装置１００Ｃ＞
第３受光装置１００Ｃは、レンズ１０２と、第３受光部１０４Ｃとを有する。レンズ１０２を通過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、第３受光部１０４Ｃに集光される。レンズ１０２は、直線状又はマトリックス状に配列された複数のレンズであってもよい。
【０１６４】
第３受光部１０４Ｃは、図２２に示すように、マトリックス状に画素３０４が配置されたイメージセンサ３０２と、ゲート駆動回路３０６と、垂直選択回路３０８と、サンプルホールド回路３１０と、水平選択回路３１２と、出力バッファ３１４と、Ａ／Ｄ変換器３１６とを有する。
【０１６５】
イメージセンサ３０２は、各画素３０４の受光量に応じた蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２を水平選択回路３１２を介して出力する。第１電源２０８Ａは、イメージセンサ３０２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加し、第２電源２０８Ｂは、イメージセンサ３０２に対してリセット電圧Ｖｒを印加する。
【０１６６】
ゲート駆動回路３０６は、各種ゲート駆動信号を出力することによりイメージセンサ３０２の第１スイッチング素子ＳＷ１〜第５スイッチング素子ＳＷ５（図２３参照）、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４を選択的にオン／オフ制御する。
【０１６７】
垂直選択回路３０８は、マルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素３０４が属する行に対して選択的に第１出力選択信号Ｓｓ１〜第４出力選択信号Ｓｓ４を出力し、当該画素３０４から蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２を出力させる。水平選択回路３１２は、別のマルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素３０４が属する列を選択する。
【０１６８】
図２３に示すように、画素３０４から読み出された蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２は、第１定電流回路５８ａ、第２定電流回路５８ｂにより、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１及び第２出力電圧Ｖｏｕｔ２、第３出力電圧Ｖｏｕｔ３及び第４出力電圧Ｖｏｕｔ４に変換され、サンプルホールド回路３１０に一旦蓄積された後、水平選択回路３１２から出力される。そして、蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２は、出力バッファ３１４及びＡ／Ｄ変換器３１６を介して演算装置２０６に送信される。この蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２を受信した演算装置２０６は、蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２から反射光Ｌｒの光量（光量Ａｒ）を判定して、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを演算する（詳細は後述する。）。
【０１６９】
＜画素３０４＞
図２３には、１つの画素３０４の回路図が示されている。図２３に示すように、画素３０４は、上述した光電変換素子１０、電荷集積部２６、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４、電荷排出部１０８、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第５スイッチング素子ＳＷ５とを備え、さらに、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４、第１アンプＡＰ１〜第４アンプＡＰ４を有する。図２３において、回路図を見易くするために、電荷集積部２６を２つの接点で示したが、実際には１つの電荷集積部２６にて構成されるものである。また、第１キャパシタＣａ１と第３キャパシタＣａ３は、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に配置され、第２キャパシタＣａ２と第４キャパシタＣａ４も、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に配置されている。同様に、第１キャパシタＣａ１と第２キャパシタＣａ２も、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に配置され、第３キャパシタＣａ３と第４キャパシタＣａ４も、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に配置されている。
【０１７０】
（第１スイッチング素子ＳＷ１、第１キャパシタＣａ１）
上述した第２受光装置１００Ｂの第１スイッチング素子ＳＷ１及び第１キャパシタＣａ１と同様の構成を有するため、ここではその説明を省略する。
【０１７１】
（第２スイッチング素子、第２キャパシタ）
上述した第２受光装置１００Ｂの第２スイッチング素子ＳＷ２及び第２キャパシタＣａ２と同様の構成を有するため、ここではその説明を省略する。
【０１７２】
（第３スイッチング素子ＳＷ３、第３キャパシタＣａ３）
第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインが第３キャパシタＣａ３に接続され、ゲートがゲート駆動回路３０６に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第３読取信号Ｓｇ３）に応じて第３スイッチング素子ＳＷ３のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子が第３キャパシタＣａ３に転送される。
【０１７３】
（第４スイッチング素子ＳＷ４、第４キャパシタＣａ４）
第４スイッチング素子ＳＷ４は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインが第４キャパシタＣ１に接続され、ゲートがゲート駆動回路３０６に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第４読取信号Ｓｇ４）に応じて第４スイッチング素子ＳＷ４のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子が第４キャパシタＣａ４に転送される。
【０１７４】
（第５スイッチング素子ＳＷ５、電荷排出部１０８）
第５スイッチング素子ＳＷ５は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースに電荷集積部２６が接続され、ドレインに電荷排出部１０８が接続され、該電荷排出部１０８には、第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給されている。また、ゲートにはゲート駆動回路３０６からの電荷排出信号Ｓｅが供給されるようになっている。
【０１７５】
従って、ゲートに電荷排出信号Ｓｅを供給すること（ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、ゲートをオンにし、電荷集積部２６に存在する不要な光電子を、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に転送することなく、電荷排出部１０８を通じて排出することができる。
【０１７６】
すなわち、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４の全てがオフにされているとき（光電変換素子１０で発生した光電子を第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に振り分けないとき）に、ゲート駆動回路３０６から第５スイッチング素子ＳＷ５のゲートに電荷排出信号Ｓｅを送信すること（ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにし、光電変換素子１０で発生した不要な光電子を、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に振り分けることなく、電荷排出部１０８に排出することができる。これにより、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４には、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４がオンしている期間に光電変換素子１０で発生した光電子のみを振り分けることが可能となる。その結果、後述する方法により、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを測定することが可能となる。
【０１７７】
（第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４）
第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成されている。第１リセットスイッチＳＲ１のソースに第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣａ１との接点ａ１が接続され、第２リセットスイッチＳＲ２のソースに第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣａ２との接点ａ２が接続されている。同様に、第３リセットスイッチＳＲ３のソースに第３スイッチング素子ＳＷ３と第３キャパシタＣａ３との接点ａ３が接続され、第４リセットスイッチＳＲ４のソースに第４スイッチング素子ＳＷ４と第４キャパシタＣａ４との接点ａ４が接続されている。各ドレインには第２電源２０８Ｂからのリセット電圧Ｖｒが供給され、各ゲートにはゲート駆動回路３０６が接続されている。
【０１７８】
従って、各ゲートに対するゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第１リセット信号Ｓｒ１〜第４リセット信号Ｓｒ４）によって第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４を選択的に又は一斉にオンにすることにより、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４の電位をそれぞれ一定のリセット電位にすることができる。すなわち、第１キャパシタＣａ１〜第４リセットＣａ４をリセットすることができる。
【０１７９】
（第１アンプＡＰ１、第２アンプＡＰ２）
上述した第２受光装置１００Ｂの第１アンプＡＰ１及び第２アンプＡＰ２と同様の構成を有するため、ここではその詳細説明を省略するが、第１アンプＡＰ１の第１出力スイッチＳＥＬ１のソースが第１出力ライン２１２ａに接続され、ゲートには垂直選択回路３０８からの第１出力選択信号Ｓｓ１が供給されるようになっている。同様に、第２アンプＡＰ２の第２出力スイッチＳＥＬ２のソースが第１出力ライン２１２ａに接続され、ゲートには垂直選択回路３０８からの第２出力選択信号Ｓｓ２が供給されるようになっている。
【０１８０】
従って、第１出力スイッチＳＥＬ１のゲートに対する第１出力選択信号Ｓｓ１によって第１出力スイッチＳＥＬ１をオンにすることにより、第１キャパシタＣａ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧が第１出力素子ＴＲ１にて増幅され、第１出力ライン２１２ａを介して第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として取り出されることになる。同様に、第２出力スイッチＳＥＬ２のゲートに対する第２出力選択信号Ｓｓ２によって第２出力スイッチＳＥＬ２をオンにすることにより、第２キャパシタＣａ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧が第２出力素子ＴＲ２にて増幅され、第１出力ライン２１２ａを介して第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として取り出されることになる。
【０１８１】
（第３アンプＡＰ３）
第３アンプＡＰ３は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第３出力素子ＴＲ３と、第３出力素子ＴＲ３のソースと第２出力ライン２１２ｂとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第３出力スイッチＳＥＬ３とを有する。第３出力素子ＴＲ３のゲートには、第３スイッチング素子ＳＷ３と第３キャパシタＣａ３との接点ａ３が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには第３出力スイッチＳＥＬ３のドレインが接続されている。第３出力スイッチＳＥＬ３は、ソースに第２出力ライン２１２ｂが接続され、ゲートには、垂直選択回路３０８からの第１出力選択信号Ｓｓ３が供給されるようになっている。
【０１８２】
従って、第３出力スイッチＳＥＬ３のゲートに対する第３出力選択信号Ｓｓ３によって第３出力スイッチＳＥＬ３をオンにすることにより、第３キャパシタＣａ３に蓄積された光電子（電荷量Ｑ３）に応じた電圧が第３出力素子ＴＲ３にて増幅され、第２出力ライン２１２ｂを介して第３出力電圧Ｖｏｕｔ３として取り出されることになる。
【０１８３】
（第４アンプＡＰ４）
第４アンプＡＰ４は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第４出力素子ＴＲ４と、第４出力素子ＴＲ４のソースと第２出力ライン２１２ｂとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第４出力スイッチＳＥＬ４とを有する。第４出力素子ＴＲ４のゲートには、第４スイッチング素子ＳＷ４と第４キャパシタＣａ４との接点ａ４が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには第４出力スイッチＳＥＬ４のドレインが接続されている。第４出力スイッチＳＥＬ４は、ソースに第２出力ライン２１２ｂが接続され、ゲートには、垂直選択回路３０８からの第４出力選択信号Ｓｓ４が供給されるようになっている。
【０１８４】
従って、第４出力スイッチＳＥＬ４のゲートに対する第４出力選択信号Ｓｓ４によって第４出力スイッチＳＥＬ４をオンにすることにより、第４キャパシタＣａ４に蓄積された光電子（電荷量Ｑ４）に応じた電圧が第４出力素子ＴＲ４にて増幅され、第２出力ライン２１２ｂを介して第４出力電圧Ｖｏｕｔ４として取り出されることになる。
【０１８５】
［第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄの測定方法］
次に、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを測定する方法について説明する。
【０１８６】
（１）サイクルＣｍ
図２４に示すように、第１測距装置３００Ａでは、各サイクルＣｍ（測定値を求める周期）［回／ｓ］は、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に電荷を累積的に蓄積する第１蓄積期間Ｔｃａ１と、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に累積的に蓄積された電荷を読み出す読出期間Ｔｒとからなる。さらに、第１蓄積期間Ｔｃａ１は、画素３０４にパルス光Ｌｐを露光し、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に電荷を蓄積する処理（電荷蓄積処理）を１回行うための第２蓄積期間Ｔｃａ２を複数含む。第１測距装置３００Ａにおいて、第１蓄積期間Ｔｃａ１及び読出期間Ｔｒは、１０［ミリ秒］である。また、各第２蓄積期間Ｔｃａ２は、１００［マイクロ秒］である。さらに、各第２蓄積期間Ｔｃａ２におけるパルス光Ｌｐの出力時間（パルス幅）は、１００［ナノ秒］である。従って、各第２蓄積期間Ｔｃａ２における発光部２１０の駆動デューティは、０．１［％］である。
【０１８７】
なお、上述したように、第１測距装置３００Ａは、測定結果を三次元画像として出力可能であるため、各サイクルＣｍは、三次元画像のフレームレート［フレーム／ｓ］としても定義可能である。
【０１８８】
第１測距装置３００Ａでは、第１蓄積期間Ｔｃａ１において電荷蓄積処理を１００回行い、これに伴って、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを測定する。
【０１８９】
（２）測定方法の概要（１つの電荷蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合）
上記のように、第１測距装置３００Ａでは、第１蓄積期間Ｔｃａ１全体で第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを測定するが、発明の理解を容易化するため、以下では、先ずは、１つの第２蓄積期間Ｔｃａ２のみで第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを求める場合を説明する。
【０１９０】
図２５には、第２蓄積期間Ｔｃａ２における放射光Ｌｅ、反射光Ｌｒ、並びに第１スイッチング素子ＳＷ１〜第５スイッチング素子ＳＷ５のオン／オフのタイミングチャートが示されている。
【０１９１】
詳細は後述するが、第１測距装置３００Ａでは、反射光Ｌｒの強度Ｉｒ［Ｗ］が一定であれば、反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射した期間（反射光入射期間Ｐｒｉ）［ｓ］と、反射光入射期間Ｐｒｉにおける反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）［Ｊ］とが比例関係にあることを利用して、距離Ｄを測定する。
【０１９２】
すなわち、第１基準期間としての期間Ｐ１において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射しているときの累積光量（環境光基準光量Ａｒｓ）［Ｊ］（第１キャパシタＣａ１の電荷量Ｑ１）を求め、第２基準期間としての期間Ｐ３（＝Ｐ１）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射しているときの累積光量（合成光基準光量Ａｒｉ）［Ｊ］（第３キャパシタＣａ３の電荷量Ｑ３）を求める。また、第１測定期間としての期間Ｐ２において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射しているときの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）［Ｊ］（第２キャパシタＣａ２の電荷量Ｑ２）を求め、第２測定期間としての期間Ｐ４（＝Ｐ２）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射しているときの累積光量（合成光測定光量Ａｍｉ）［Ｊ］（第４キャパシタＣａ４の電荷量Ｑ４）を求める。期間Ｐ４では、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒの両方が入射する期間（期間Ｐｓｒ）［ｓ］と、環境光Ｌｓのみが入射する期間（期間Ｐｓ）［ｓ］が存在する。期間Ｐｓｒは、対象物Ｗまでの距離Ｄに比例する。
【０１９３】
ここで、合成光基準光量Ａｒｉと環境光基準光量Ａｒｓとの差（反射光基準光量Ａｒｒ）［Ｊ］と合成光測定光量Ａｍｉと環境光測定光量Ａｍｓとの差（反射光測定光量Ａｍｒ）［Ｊ］との比（Ａｒｉ―Ａｒｓ：Ａｍｉ―Ａｍｓ）と、期間Ｐ３（＝Ｐ１）と反射光入射期間Ｐｒｉとの比（Ｐ３：Ｐｒｉ）とが等しい。これを利用して、第１測距装置３００Ａから出射されたパルス光Ｌｐが対象物Ｗに当たって第１測距装置３００Ａに戻って来るまでの期間（往復期間ΔＰ）を求める。そして、往復期間ΔＰに基づいて第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを測定する。
【０１９４】
（３）測定方法の詳細（１つの第２蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合）
（ａ）タイミングチャートの説明
図２５において、時点Ｔｅｕは、放射光Ｌｅの放射開始時点を、時点Ｔｅｄは、放射光Ｌｅの放射終了時点を、期間Ｐｅは、時点Ｔｅｕから時点Ｔｅｄまでの期間を示す。時点Ｔｒｕは、光電変換素子１０に対する反射光Ｌｒの入射開始時点を、時点Ｔｒｄは、光電変換素子１０に対する反射光Ｌｒの入射終了時点を、期間Ｐｒは、時点Ｔｒｕから時点Ｔｒｄまでの期間を示す。
【０１９５】
時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕは、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオンする時点を、ここから時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄは、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオフする時点を、期間Ｐ１は、時点Ｔｇ１ｕから時点Ｔｇ１ｄまでの期間を、期間Ｐ２は、時点Ｔｇ２ｕから時点Ｔｇ２ｄまでの期間を、期間Ｐ３は、時点Ｔｇ３ｕから時点Ｔｇ３ｄまでの期間を、期間Ｐ４は、時点Ｔｇ４ｕから時点Ｔｇ４ｄまでの期間を示す。期間Ｐｓｒは、時点Ｔｇ４ｕから時点Ｔｒｄまでの期間を、期間Ｐｓは、時点Ｔｒｄから時点Ｔｇ４ｄまでの期間を示す。
【０１９６】
時点Ｔｄ１ｕ、Ｔｄ２ｕは、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンする時点を、時点Ｔｄ１ｄ、Ｔｄ２ｄは、第５スイッチング素子ＳＷ５をオフする時点を、期間Ｐ５は、時点Ｔｄ１ｕから時点Ｔｄ１ｄまでの期間を、期間Ｐ６は、時点Ｔｄ２ｕから時点Ｔｄ２ｄまでの期間を示す。
【０１９７】
反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射している期間Ｐｒは、時点Ｔｅｕから時点Ｔｒｕまで又は時点Ｔｅｄから時点Ｔｒｄまでの遅れ（往復期間ΔＰ）が発生するものの、期間Ｐｅと等しく（Ｐｅ＝Ｐｒ）、例えば、１０［ナノ秒］以上１［マイクロ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、１００［ナノ秒］である。また、制御装置２０４において、期間Ｐ１と期間Ｐ３及び期間Ｐ２と期間Ｐ４はそれぞれ等しく設定される（Ｐ１＝Ｐ３及びＰ２＝Ｐ４）。期間Ｐ１、Ｐ３は、例えば、１０［ナノ秒］以上９０［ナノ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、３０［ナノ秒］である。期間Ｐ２は、例えば、１０［ナノ秒］以上９０［ナノ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、７０［ナノ秒］である。また、期間Ｐ５は、例えば、０［秒］以上９０［ナノ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、７０［ナノ秒］である。期間Ｐ６は、例えば、１０［マイクロ秒］以上１［ミリ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、約１００［マイクロ秒］である。このため、期間Ｐ１〜Ｐ６のうち期間Ｐ６が非常に長い。
【０１９８】
図２５からわかるように、第１測距装置３００Ａの第２蓄積期間Ｔｃａ２では、先ず、第１スイッチング素子ＳＷ１をオンにし（期間Ｐ１）、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにするのと同時に第２スイッチング素子ＳＷ２をオンにする（期間Ｐ２）。第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにするのと同時に対象物Ｗに対して放射光Ｌｅを出射し、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンする（期間Ｐ５）。放射光Ｌｅの出力中（期間Ｐｅ）、光電変換素子１０に対する反射光Ｌｒの入射が開始する（時点Ｔｒｕ）。放射光Ｌｅの出射開始（時点Ｔｅｕ）から期間Ｐ５経過後に第５スイッチング素子ＳＷ５をオフにすると共に第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにする（期間Ｐ３）。期間Ｐｅの経過後に、放射光Ｌｅの出射を終了すると共に第３スイッチング素子ＳＷ３をオフにし、第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにする（期間Ｐ４）。第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにしている間（期間Ｐ４）、光電変換素子１０に対する反射光Ｌｒの入射が終了する（時点Ｔｒｄ）。換言すると、期間Ｐ４が、第１測距装置３００Ａの測定レンジ（測定可能な距離の範囲）［ｍ］を規定する。第４スイッチング素子ＳＷ４をオフにするのと同時に第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにする（期間Ｐ６）。期間Ｐ６が経過すると第５スイッチング素子ＳＷ５をオフにし、１回の第２蓄積期間Ｔｃａ２を終了する（時点Ｔｄ２ｄ）。それと同時に、次の第２蓄積期間Ｔｃａ２が開始され、第１スイッチング素子ＳＷ１はオンとなる（時点Ｔｇ１ｕ）。なお、第３受光装置１００Ｃ及び発光装置２０２の各部位の制御は、制御装置２０４において行われる。また、制御装置２０４を半導体プロセスにて作製する場合は、温度補償等の観点から、第３受光部１０４Ｃと共に同一のシリコン基板上にＣＭＯＳプロセスで作製することが望ましい。
【０１９９】
（ｂ）測定原理の説明
（ｉ）反射光基準光量Ａｒｒの演算
第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとがそれぞれ固定されていれば、対象物Ｗで反射して第１測距装置３００Ａに戻って来る反射光Ｌｒは、一定の強度（単位時間当たりの光量）であると言える。また、期間Ｐ１は、環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射する期間に設定されるため、第１キャパシタＣａ１には、環境光Ｌｓのみに伴う光電子が蓄積される。一方、期間Ｐ３は、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が光電変換素子１０に入射する期間に設定されるため、第３キャパシタＣａ３には、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方に伴う光電子が蓄積される。さらに、期間Ｐ１と期間Ｐ３は同じ長さである。
【０２００】
このため、第３キャパシタＣａ３に蓄積されている電荷量Ｑ３と第１キャパシタＣａ１に蓄積されている電荷量Ｑ１との差は、期間Ｐ３（＝期間Ｐ１）における反射光Ｌｒの累積光量（反射光基準光量Ａｒｒ）を示す。
【０２０１】
（ｉｉ）反射光測定光量Ａｍｒ及び往復期間ΔＰの演算
第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとがそれぞれ固定されていれば、対象物Ｗで反射して第１測距装置３００Ａに戻って来る反射光Ｌｒは、一定の強度であると言える。また、期間Ｐ２は、環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射する期間に設定されるため、第２キャパシタＣａ２には、環境光Ｌｓのみに伴う光電子が蓄積される。一方、期間Ｐ４は、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射する期間（期間Ｐｓｒ）と環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射する期間（期間Ｐｓ）の両方を含む期間に設定されるため、第４キャパシタＣａ４には、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方に伴う光電子が蓄積される。さらに、期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さである。
【０２０２】
このため、第４キャパシタＣａ４に蓄積されている電荷量Ｑ４と第２キャパシタＣａ２に蓄積されている電荷量Ｑ２との差は、期間Ｐ４（＝期間Ｐ２）における反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）を示す。ここで、第１測距装置３００Ａでは、期間Ｐ４は、放射光Ｌｅの出射を終了する時点Ｔｅｄと同時に開始される。このため、期間Ｐ４では、パルス往復期間ΔＰに対応する反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射し、第４キャパシタＣａ４に光電子が蓄積される。従って、第４キャパシタＣａ４に蓄積されている電荷量Ｑ４は、期間Ｐ４全体における環境光Ｌｓの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）と、往復期間ΔＰにおける反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）との和（合成光測定光量Ａｍｉ）に対応するものである。このため、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２との差は、反射光測定光量Ａｍｒに対応する電荷量を示す。ここで、往復期間ΔＰは、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄに依存する。このため、反射光測定光量Ａｍｒ（電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差に対応）と反射光基準光量Ａｒｒ（電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差に対応）との比は、往復期間ΔＰと期間Ｐ３（＝期間Ｐ１）との比に等しい（Ａｍｒ：Ａｒｒ＝Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１＝ΔＰ：Ｐ３）。従って、下記の式（Ｆ３）により往復期間ΔＰを演算することができる。
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ……（Ｆ３）
【０２０３】
（ｉｉｉ）距離Ｄの演算
往復期間ΔＰがわかれば、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄは、下記の式（Ｆ４）により演算することができる。なお、式（Ｆ４）において、ｃは、光速（約３０万［キロメートル毎秒］）を示す定数であり、また、ｃ×ΔＰを２で割っているのは、往復期間ΔＰにおいて、パルス光Ｌｐは、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの間を往復し、距離Ｄの２倍の距離を進んでいるためである。
Ｄ＝ｃ×ΔＰ／２ ……（Ｆ４）
【０２０４】
（ｉｖ）その他
画素３０４の初期設定（リセット動作）としては、下記のような処理がなされる。すなわち、先ず、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４に対して第１リセット信号Ｓｒ１〜第４リセット信号Ｓｒ４を送信すること（第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４の各ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）に応じて第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４を一斉にオンにする。同時に、第５スイッチング素子ＳＷ５に電荷排出信号Ｓｄｅを送信すること（第５スイッチング素子ＳＷ５のゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにする。このとき、第５スイッチング素子ＳＷ５と、光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を、上述した図２０の期間ＷＤ３に図示するタイミングと同様な動作で制御することで、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂを含む光電変換素子１０で発生した光電子を、光電変換素子１０に電荷が残らないように電荷排出部１０８を介して排出させ、光電変換素子１０を初期化する（ただし、図２０におけるＳＷ３は、画素３０４においては、ＳＷ５に相当する）。
【０２０５】
さらに、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４に対してゲート駆動信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４は送信されず（第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４の各ゲートに供給される電圧を低レベルにし）、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオフにしておく。この処理により、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４は、リセット電位に設定される。この後、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４に対する第１リセット信号Ｓｒ１〜第４リセット信号Ｓｒ４の送信を停止し（第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４の各ゲートに供給される電圧を低レベルにし）た後、上述した図２５に示すタイミングでの処理が行われる。
【０２０６】
（４）測定方法の詳細（第１蓄積期間Ｔｃａ１を対象とした場合）
上記項目（２）、（３）では、１個の第２蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合を説明したが、第１測距装置３００Ａでは、１００個の第２蓄積期間Ｔｃａ２（すなわち、第１蓄積期間Ｔｃａ１）において第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積した電荷量Ｑ１〜Ｑ４（ここでは、「電荷量ｓＱ１〜ｓＱ４」と称する。）を用いて、上記と同様に往復期間ΔＰを演算する。
【０２０７】
電荷量ｓＱ１は、第１番目から第１００番目までの各第２蓄積期間Ｔｃａ２で第１キャパシタＣａ１に蓄積された電荷量Ｑ１の合計である。同様に、電荷量ｓＱ２〜ｓＱ４は、第１番目から第１００番目までの各第２蓄積期間Ｔｃａ２で第２キャパシタＣａ２〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量Ｑ２〜Ｑ４の合計である。
【０２０８】
この場合、上述した式（Ｆ３）に準じた下記の式（Ｆ５）により往復期間ΔＰを演算することができる。
ΔＰ＝｛（ｓＱ４−ｓＱ２）／（ｓＱ３−ｓＱ１）｝×Ｐ３ ……（Ｆ５）
【０２０９】
上記式（Ｆ５）にて求めた往復距離ΔＰに基づいて、上述した式（Ｆ４）によって、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを求めることができる。これらの演算は、演算装置２０６にて求めることができる。
【０２１０】
このように、１００個の第２蓄積期間Ｔｃａ２に、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量ｓＱ１〜ｓＱ４によって距離を求めるようにすれば、信号光成分を増やすことができ、その後の信号処理の精度（距離演算の精度）を高めることが可能となる。
【０２１１】
（５）その他
なお、第１測距装置３００Ａでは、複数の画素３０４それぞれにおいて電荷量Ｑ１〜Ｑ４（電荷情報）を用いて、距離Ｄを測定する。これにより、各画素３０４の距離情報を組み合わせることにより３次元画像を得ることができる。
【０２１２】
［第１測距装置３００Ａによる効果］
以上のような第１測距装置３００Ａでは、距離測定にあたってのダイナミックレンジを向上させることができると共に、環境光Ｌｓの影響を軽減又は排除することが可能となる。その結果、距離測定の精度を向上することが可能となる。
【０２１３】
すなわち、第１測距装置３００Ａでは、光電変換素子１０に環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ１に蓄積される電荷量Ｑ１と、光電変換素子１０に環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が入射する期間Ｐ３に蓄積される電荷量Ｑ３を求める。期間Ｐ１と期間Ｐ３とは同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差（Ｑ３−Ｑ１）から、期間Ｐ３における反射光Ｌｒに対応する電荷量（期間Ｐ３における反射光Ｌｒの基準光量Ａｒｒに対応する）を求めることができる。
【０２１４】
また、光電変換素子１０に環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ２に蓄積される電荷量Ｑ２と、期間Ｐ４に蓄積される電荷量Ｑ４を求める。期間Ｐ４には、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が光電変換素子５０に入射していた期間（期間Ｐｓｒ）と、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射していた期間（期間Ｐｓ）が含まれる。期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差（Ｑ４−Ｑ２）から、期間Ｐ４のうち期間Ｐｓｒに対応する電荷量（期間Ｐｓｒにおける反射光Ｌｒの光量に対応する）を求めることができる。
【０２１５】
ここで、反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射している間、反射光Ｌｒの強度Ｉｒが一定であるとすると、電荷量Ｑ４及び電荷量Ｑ２の差と電荷量Ｑ３及び電荷量Ｑ１の差との比（Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１）は、期間Ｐｓｒと期間Ｐ３との比（Ｐｓｒ：Ｐ３）と等しい。このため、期間Ｐｓｒは、下記の式（Ｆ６）で求めることができる。
Ｐｓｒ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ……（Ｆ６）
【０２１６】
ここで、時点Ｔｅｄと時点Ｔｇ４ｕが等しいため、期間Ｐｓｒは往復期間ΔＰと等しい。従って、上記式（Ｆ６）より往復期間ΔＰを演算することが可能であり、その結果、往復期間ΔＰと光速に基づき距離Ｄを求めることができる。
【０２１７】
このように、第１測距装置３００Ａでは、環境光Ｌｓによって生じる電荷量Ｑ２を取り除くため、環境光Ｌｓの影響を排除又は軽減することができる。
【０２１８】
また、距離Ｄが短くなる程、反射光Ｌｒの入射期間（すなわち、期間Ｐｓｒ）が短くなり、距離Ｄが長くなる程、期間Ｐｓｒが長くなる。一般に、同じ対象物Ｗであれば、距離Ｄが短い程、反射光Ｌｒの強度Ｉｒは大きくなり、距離Ｄが長い程、強度Ｉｒは小さくなる。このため、距離Ｄが短い場合、強度Ｉｒの大きい反射光Ｌｒを短期間入射させ、距離Ｄが長い場合、強度Ｉｒの小さい反射光Ｌｒを長期間入射させることとなる。その結果、距離Ｄの変化量と比較して、期間Ｐｓｒに入射する反射光Ｌｒの光量Ａｒの変化量は小さくなる。このことは、第１測距装置３００Ａのダイナミックレンジの向上につながる。
【０２１９】
第１測距装置３００Ａでは、各サイクルＣｍにパルス光Ｌｐを１００回放射し、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４それぞれに１００回光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１〜Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算する。一般に、環境光Ｌｓ（例えば、太陽光）の強度は常に変化している。各サイクルＣｍにパルス光Ｌｐを１００回放射し、これに応じた回数だけ光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１〜Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算することで、環境光Ｌｓの強度を平均化することができる。その結果、環境光Ｌｓによって生じる電荷量を取り除く精度を高め、測定精度を向上させることができる。
【０２２０】
第１測距装置３００Ａでは、パルス光Ｌｐのパルス幅（出力期間）は、１０［マイクロ秒］（＝１００［ナノメートル］×１００回）であり、各サイクルＣｍ（２０［ミリ秒］）の０．０５［％］としている。これに合わせて、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにする期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定している。このため、仮に同じ周波数のパルス光を用いている他の測距装置が周囲に存在した場合でも、他の測距装置がパルス光を出力するタイミングと第１測距装置３００Ａがパルス光Ｌｐを出力するタイミングとが被る可能性が低くなる。その結果、他の測距装置との干渉（他の測距装置からのパルス光を第１測距装置３００Ａからのパルス光Ｌｐと誤認識すること）の可能性を低くすることができる。
【０２２１】
加えて、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオンしている期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定しているため、期間Ｐ１〜Ｐ４において光電変換素子１０に環境光Ｌｓが入射する期間を短くすることができる。これにより、ノイズ成分としての環境光Ｌｓの影響を小さくし、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を向上することができる。特に、環境光Ｌｓが太陽光の場合、太陽光のショットノイズを低減することができる。
【０２２２】
第１測距装置３００Ａでは、各サイクルＣｍに対して、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオンしている期間Ｐ１〜Ｐ４を非常に短く設定している。このため、前回以前のサイクルＣｍで放射したパルス光Ｌｐが今回のサイクルＣｍで検出される現象（エイリアシング現象）が生じる可能性を減少させることができる。すなわち、第１測距装置３００Ａの各第２蓄積期間Ｔｃａ２は１００［マイクロ秒］であり、パルス光Ｌｐの放射期間Ｐｅが短いため、パルス光Ｌｐの放射間隔も約１００［マイクロ秒］となる。光速ｃは、約３０万［キロメートル毎秒］であるため、対象物Ｗの実際の位置が、第１測距装置３００Ａが出力した距離Ｄよりも１５［キロメートル］（＝１００［μｓ］×３０［Ｍｍ／ｓ］／２）遠い位置に存在すれば、エイリアシング現象が発生している可能性が存在する。しかし、発光部２１０により対象物Ｗに照射されるパルス光Ｌｐの強度は、距離Ｄの二乗に応じて減少するため、距離Ｄよりも１５［キロメートル］遠い位置からの反射光Ｌｒの強度Ｉｒは、距離Ｄに対象物Ｗがある場合の強度Ｉｒと比べて非常に小さくなり、光電変換素子１０ではほとんど検出できない。よって、第１測距装置３００Ａでは、エイリアシング現象の発生を防止することができる。
【０２２３】
［他のタイミングチャート］
上記の例では、図２５のタイミングチャートにより、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４を制御したが、これに限られない。例えば、図２５の期間Ｐ３、Ｐ４を期間Ｐ１、Ｐ２より前に位置させてもよい。また、時点Ｔｇ１ｄと時点Ｔｇ２ｕを同時にしたが、時点Ｔｇ２ｕを時点Ｔｇ１ｄよりも後にすることもできる。時点Ｔｇ２ｄと時点Ｔｅｕの関係、時点Ｔｇ３ｄと時点Ｔｇ４ｕの関係も同様である。さらに、時点Ｔｇ４ｕは、時点Ｔｅｄとの相関関係がわかっていれば、時点Ｔｅｄと同時でなくてもよい。
【０２２４】
図２６には、時点Ｔｅｄを時点Ｔｇ４ｕより後にしたタイミングチャートが示されている。この場合、往復期間ΔＰは下記の式（Ｆ７）により演算することができる。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３―（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）
………（Ｆ７）
【０２２５】
あるいは、時点Ｔｅｄを時点Ｔｇ４ｕより前にすることもできる。この場合、往復期間ΔＰは下記の式（Ｆ８）により演算することができる。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３＋（Ｔｇ４ｕ―Ｔｅｄ）
………（Ｆ８）
【０２２６】
上記の例では、環境光Ｌｓの影響を排除又は軽減するために期間Ｐ１、Ｐ２を設けたが、例えば、暗室等の環境光Ｌｓが存在しない場所又は反射光Ｌｒに対して環境光Ｌｓが小さく、環境光Ｌｓの影響が小さい場合であれば、期間Ｐ３、Ｐ４のみから往復期間ΔＰを求めることもできる。すなわち、下記の式（Ｆ９）により往復期間ΔＰを演算する。
ΔＰ＝（Ｑ４／Ｑ３）×Ｐ３ ………（Ｆ９）
【０２２７】
［第２測距装置３００Ｂ］
次に、本実施の形態に係る第２の測距装置（以下、第２測距装置３００Ｂと記す）について図２１及び図２７を参照しながら説明する。図２７において、Ｖ１は、第１光電変換素子１０Ａの場合の電圧Ｖ１、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第１電圧を示し、Ｖ２は、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第２電圧を示す。
【０２２８】
この第２測距装置３００Ｂは、図２１に示すように、上述した第１測距装置３００Ａとほぼ同様の構成を有するが、第３受光装置１００Ｃに代えて、第４受光部１０４Ｄ（図２７参照）を有する第４受光装置１００Ｄを使用している点で異なる。
【０２２９】
＜第４受光装置１００Ｄの概要＞
この第４受光装置１００Ｄは、リセットノイズを除去する際に好適な信号出力を行う。すなわち、上述した第３受光装置１００Ｃでは、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４を一斉にリセットした後、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をそれぞれオンすることによって、電荷集積部２６に存在する光電子を第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に振り分けるようにしている。さらに、信号量を大きくするために、この動作を複数回おこなった後に、信号量を電圧変換して外部回路に読み出す。しかし、各周期のリセットにおいて（フレーム間で）、構成回路のノイズに起因して、リセット電圧は一定ではないために、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４には、フレーム間で異なるレベルのリセットノイズ成分が付加されることになる。
【０２３０】
そこで、第４受光装置１００Ｄでは、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４がリセットされた直後の電位を読み出し（リセット電圧読出し）、その後に蓄積された信号電荷による電圧出力を読み出して（信号読出し）、それぞれ差分演算することにより、リセットノイズ成分をも除去できるようにしたものである。
【０２３１】
＜第４受光装置１００Ｄの詳細＞
第４受光装置１００Ｄの第４受光部１０４Ｄは、図２７に示すように、上述した第３受光装置１００Ｃとほぼ同様の構成を有するが、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４と、第１電荷転送部ＳＴ１〜第４電荷転送部ＳＴ４とを有する点で異なる。
【０２３２】
（第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４／第１電荷転送部ＳＴ１〜第４電荷保持部ＳＴ４）
第１電荷保持部Ｃｂ１は、第１スイッチング素子ＳＷ１のドレインに接続された例えばＭＯＳ型構造のキャパシタにて構成され、ゲートにはゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第１蓄積信号Ｓａ１（高レベル）／第１排出信号Ｓｂ１（低レベル））が供給されるようになっている。
【０２３３】
第１電荷転送部ＳＴ１は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが第１電荷保持部Ｃｂ１に接続され、ドレインが第１キャパシタＣａ１に接続されており、ゲートには、ゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第１転送信号Ｓｔ１）が供給されるようになっている。
【０２３４】
従って、第１電荷保持部Ｃｂ１のゲートに対するゲート駆動回路３０６からの第１蓄積信号Ｓａ１の供給によって、該第１電荷保持部Ｃｂ１のゲート下のポテンシャル位置が低下し、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じて転送された光電子が一時的に蓄積されることとなる。その後、第１電荷保持部Ｃｂ１のゲートに対する第１排出信号Ｓｂ１の供給と共に、第１電荷転送部ＳＴ１のゲートに対する第１転送信号Ｓｔ１（高レベル）の供給によって、第１電荷保持部Ｃｂ１に蓄積されていた光電子が第１キャパシタＣａ１に転送されることになる。第１電荷保持部Ｃｂ１のゲートと第１電荷転送部ＳＴ１のゲートとをそれぞれ独立に制御することができるため、第１電荷保持部Ｃｂ１にて電荷残りを生じさせずに第１キャパシタＣａ１に転送することができる。
【０２３５】
第２電荷保持部Ｃｂ２〜第４電荷保持部Ｃｂ４、並びに第２電荷転送部ＳＴ１〜第４電荷保持部ＳＴ４についても同様であり、第２電荷保持部Ｃｂ２〜第４電荷保持部Ｃｂ４の各ゲートにはゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第２蓄積信号Ｓａ２〜第４蓄積信号Ｓａ４（高レベル）／第２排出信号Ｓｂ２〜第４排出信号Ｓｂ４（低レベル））が供給されるようになっており、第２電荷転送部ＳＴ２〜第４電荷転送部ＳＴ４の各ゲートには、ゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第２転送信号Ｓｔ２〜第４転送信号Ｓｔ４）が供給されるようになっている。
【０２３６】
なお、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４は、埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成してもよい。
【０２３７】
［第２測距装置３００Ｂの動作］
第２測距装置３００Ｂの動作は、上述した第１測距装置３００Ａとほぼ同じであり、例えば図２４及び図２５に示すように、各サイクルＣｍの第１蓄積期間Ｔｃａ１において、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４の各ゲートに第１蓄積信号Ｓａ１〜第４蓄積信号Ｓａ４が供給され、これにより、各第２蓄積期間Ｔｃａ２の期間Ｐ１に第１スイッチング素子ＳＷ１を通じて転送された光電子が第１電荷保持部Ｃｂ１に蓄積され、期間Ｐ２に第２スイッチング素子ＳＷ２を通じて転送された光電子が第２電荷保持部Ｃｂ２に蓄積され、期間Ｐ３に第３スイッチング素子ＳＷ３を通じて転送された光電子が第３電荷保持部Ｃｂ３に蓄積され、期間Ｐ４に第４スイッチング素子ＳＷ４を通じて転送された光電子が第４電荷保持部Ｃｂ４に蓄積される。
【０２３８】
このように、信号電荷が、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４に蓄積された後、各サイクルＣｍの読出期間Ｔｒの初期設定手段として、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４をリセットする。具体的には、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４に対して第１リセット信号Ｓｒ１〜第４リセット信号Ｓｒ４を送信すること（第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４の各ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）に応じて第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４を一斉にオンして、所定のリセット電圧Ｖｒに設定する。その後、第１出力スイッチＳＥＬ１〜第４出力スイッチＳＥＬ４を順番にオンしていくことで、第１出力ライン２１２ａに、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４のリセット電圧を、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１〜第４出力電圧Ｖｏｕｔ４として外部回路に出力する（リセット電圧読出し）。
【０２３９】
そして、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４のリセット電圧読出しの直後に信号を読み出す。具体的には、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４の各ゲートに第１排出信号Ｓｂ１〜第４排出信号Ｓｂ４が供給されると共に、第１電荷転送部ＳＴ１〜第４電荷転送部ＳＴ４の各ゲートに第１転送信号Ｓｔ１〜第４転送信号Ｓｔ４が供給されることにより、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４に蓄積されていた光電子がそれぞれ第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に転送されることとなる。そして、第１出力スイッチＳＥＬ１〜第４出力スイッチＳＥＬ４を順番にオンしていくことで、第１出力ライン２１２ａに、第１キャパシタＣａ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧と、第２キャパシタＣａ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧とが、それぞれ第１出力素子ＴＲ１及び第２出力素子ＴＲ２にて増幅されて、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１及び第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力され、第２出力ライン２１２ｂに、第３キャパシタＣａ３に蓄積された光電子（電荷量Ｑ３）に応じた電圧と、第４キャパシタＣａ４に蓄積された光電子（電荷量Ｑ４）に応じた電圧とが、それぞれ第３出力素子ＴＲ３及び第４出力素子ＴＲ４にて増幅されて、第３出力電圧Ｖｏｕｔ３及び第４出力電圧Ｖｏｕｔ４として出力されることになる（信号読出し）。
【０２４０】
リセット電圧読出しにて読み出されたリセット電圧と、信号読出しにて読み出された信号電圧との差分を求めることによって、リセット電圧値の影響を受けない、信号を読出すことができる。なお、差分を求める手法としては、例えば相関２重サンプリング回路（ＣＤＳ回路：Ｃｏｒｒｅｌｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ回路）によって実現することができる。
【０２４１】
なお、本発明に係る光電変換素子、受光装置、受光システム及び測距装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。以下にいくつかの変形例を記載する。
【０２４２】
［光電変換素子１０の変形例］
例えば、図２８に示すように、ｐ型不純物拡散領域の表面にｎ型不純物拡散領域が形成されている埋め込み型ＭＯＳダイオードを使用してもよい。
【０２４３】
［第３光電変換素子１０Ｃ］
第３の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第３光電変換素子１０Ｃと記す）は、図２９に示すように、上述した第２光電変換素子１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂの形状、特に、上面から見た形状が異なっている。
【０２４４】
すなわち、第１電極１６ａの各枝分かれ部位２２は、上面から見たとき、電極幅が１つの電極部位２０に向かって徐々に広くなる形状を有し、各第２電極１６ｂは、上面から見たとき、電極幅が第１電極１６ａの１つの電極部位２０に向かって徐々に狭くなる形状を有する。
【０２４５】
第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａに注目して見た場合、電極幅が狭い部分は、図３０Ａ及び図３０Ｂに示すように、半導体基体１２（シリコン基板）の表面電位の影響を受けることから、該部分のポテンシャル位置３２ａ１は高くなり、幅が広い部分のポテンシャル位置３２ｃ２は低くなる。従って、第１電極１６ａの枝分かれ部位２２のポテンシャル位置３２ａは、図３１に示すように、幅が広くなるに従って低下し、１つの部位２０に向かって徐々に下り傾斜することとなる。
【０２４６】
このため、図８の時点ｔ３において、第１電圧Ｖ１が低レベルＶ１Ｌになると、上述したように、第１給電端子２８ａ直下の部分のポテンシャル位置３２ａが早く上昇し、徐々に電荷集積部２６に近い方のポテンシャル位置３２ａが上昇していくことになるが、このとき、図３２に示すように、ポテンシャル位置３２ａが１つの電極部位２０に向かって下り傾斜していることから、光電子３０はより高速に電荷集積部２６に移動することとなる。
【０２４７】
上述の第３光電変換素子１０Ｃでは、第２電極１６ｂを設けた例を示したが、その他、第１光電変換素子１０Ａと同様に、第２電極１６ｂを省略した構成にして、第１ＭＯＳダイオード１８ａ間に埋め込みフォトダイオードＢＰＤが形成された構成にしてもよい。
【０２４８】
［第４光電変換素子１０Ｄ］
次に、第４の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第４光電変換素子１０Ｄと記す）は、図３３及び図３４に示すように、上述した第２光電変換素子１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、第１電極１６ａが存在せず、代わりに、埋め込みフォトダイオードＢＰＤが形成されている点で異なる。つまり、埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、上面から見たとき、１つの部位２０から複数の枝分かれ部位２２に分岐配列されたくし歯形状を有し、第２ＭＯＳダイオード１８ｂの各第２電極１６ｂは、上面から見たとき、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける複数の枝分かれ部位２２間にそれぞれ入れ子状に配置されている。
【０２４９】
また、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０の基部２４（長さ方向中央部）には、第４光電変換素子１０Ｄにより発生した光電子を集めるための電荷集積部２６が同じく埋め込みフォトダイオードＢＰＤによって形成されている。電荷集積部２６は、１つの部位２０の基部２４から枝分かれ部位２２とは反対方向に延在して形成されている。
【０２５０】
ここで、第４光電変換素子１０Ｄの動作について、図３５のタイミングチャート、図３６Ａ及び図３６Ｂのポテンシャル図も参照して説明する。
【０２５１】
先ず、図３５の時点ｔ１１（露光の初期段階）において、第２電圧Ｖ２を高レベルＶ２Ｈにすると、図３６Ａに示すように、第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂが低くなり、露光により発生した光電子３０は、第２電極１６ｂ下に蓄積されると共に、第２電極１６ｂに隣接する埋め込みフォトダイオードＢＰＤに移動する。
【０２５２】
その後、時点ｔ１２（露光の終了段階）において、第２電圧Ｖ２が低レベルＶ２Ｌになると、図３６Ｂに示すように、第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂが高くなり、第２電極１６ｂ下から埋め込みフォトダイオードＢＰＤにかけてポテンシャル位置が低くなるポテンシャル勾配３４が形成されることとなる。このことから、第２電極１６ｂ下に蓄積していた光電子３０は、ポテンシャル勾配３４によって、埋め込みフォトダイオードＢＰＤ、すなわち、複数の枝分かれ部位２２下に高速に移動し、さらに、電荷集積部２６に向けて移動する。なお、図３５の時点ｔ１１（露光の初期段階）において、第２電圧Ｖ２を高レベルＶ２Ｈに設定するが、この高レベルＶ２Ｈは、第２電極１６ｂに隣接する埋め込みフォトダイオードＢＰＤのポテンシャルより高いポテンシャルが形成するような電圧に設定することが望ましいが、図３６Ｃに示すように、第２電極１６ｂに隣接する埋め込みフォトダイオードＢＰＤのポテンシャルより低いポテンシャルが形成されるようにしてもよく限定されるものではない。
【０２５３】
［第５光電変換素子１０Ｅ］
次に、第５の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第５光電変換素子１０Ｅと記す）は、図３７に示すように、上述した第４光電変換素子１０Ｄとほぼ同様の構成を有するが、埋め込みフォトダイオードＢＰＤと第２電極１６ｂの形状、特に、上面から見た形状が異なっている。
【０２５４】
すなわち、埋め込みフォトダイオードＢＰＤの各枝分かれ部位２２は、上面から見たとき、幅が１つの部位２０に向かって徐々に大きくなる形状を有し、各第２電極１６ｂは、上面から見たとき、電極幅が埋め込みフォトダイオードＢＰＤの１つの部位２０に向かって徐々に小さくなる形状を有する。
【０２５５】
埋め込みフォトダイオードＢＰＤのポテンシャル位置３２ｃ１に注目して見た場合、幅が狭い部分は、図３８Ａ及び図３８Ｂに示すように、半導体基体１２（シリコン基板）の表面電位の影響を受けることから、該部分のポテンシャル位置３２ｃ１は高くなり、幅が広い部分のポテンシャル位置３２ｃ２は低くなる。従って、埋め込みフォトダイオードＢＰＤの枝分かれ部位２２のポテンシャル位置３２ｃは、図３９に示すように、幅が広くなるに従って低下し、１つの部位２０に向かって徐々に下り傾斜することとなる。これにより、光電子３０は電荷集積部２６に向かって高速に移動することとなる。
【０２５６】
［第６光電変換素子１０Ｆ］
次に、第６の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第６光電変換素子１０Ｆと記す）は、図４０に示すように、上述した第５光電変換素子１０Ｅとほぼ同様の構成を有するが、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０の幅が、両端から中央の基部２４に向かって徐々に広く形成されている点で異なる。すなわち、電荷集積部２６につながる基部２４の幅が最も大きくなるように形成されている。
【０２５７】
埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０におけるポテンシャル位置３２ｃに注目して見た場合、図４１に示すように、幅の狭い部分のポテンシャル位置３２ｃ１は高くなり、幅が広い部分のポテンシャル位置３２ｃ２は低くなる。従って、従って、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０のポテンシャル位置３２ｃは、両端から基部２４に向かって徐々に低下、すなわち、下り傾斜することとなる。このように、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０の両端から基部２４（すなわち電荷集積部２６）に向かって下り傾斜のポテンシャル勾配が形成されることから、光電子３０は電荷集積部２６に向かってより高速に移動することとなる。
【符号の説明】
【０２５８】
１０Ａ〜１０Ｆ…第１光電変換素子〜第６光電変換素子
１２…半導体基体 １４…絶縁体
１６…電極 １６ａ…第１電極
１６ｂ…第２電極 １８…ＭＯＳダイオード
１８ａ…第１ＭＯＳダイオード １８ｂ…第２ＭＯＳダイオード
２０…１つの電極部位（１つの部位） ２２…枝分かれ部位
２４…基部 ２６…電荷集積部
１００Ａ〜１００Ｄ…第１受光装置〜第４受光装置
１０４Ａ〜１０４Ｄ…第１受光部〜第４受光部
１０８…電荷排出部 ２００Ａ…第１受光システム
２００Ｂ…第２受光システム ２０２…発光装置
２０４…制御装置 ２０６…演算装置
３００Ａ…第１測距装置 ３００Ｂ…第２測距装置
３０２…イメージセンサ ３０４…画素
Ｃａ…キャパシタ
Ｃａ１〜Ｃａ４…第１キャパシタ〜第４キャパシタ
ＳＷ１〜ＳＷ５…第１スイッチング素子〜第５スイッチング素子
Ｃｂ１〜Ｃｂ４…第１電荷保持部〜第４電荷保持部
ＳＴ１〜ＳＴ４…第１電荷転送部〜第４電荷転送部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光量に応じた量の電荷に変換する光電変換素子と、該光電変換素子に入射される光のうち、ある一定期間の輝度情報を得るようにした受光装置と、該光電変換素子を用いて環境光による影響を抑制した受光システムと、該受光システムを用いてタイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法の原理を応用した測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境光による影響を取り除いて、高いＳＮ比での信号検出が可能なイメージセンサが提案されている（非特許文献１参照）。このイメージセンサは、電荷振り分け転送方式によって変調光成分を検出するものであるが、画素回路は、通常のＰＧ（フォトゲート）方式イメージセンサを２つ、受光部であるＰＧを共通にして組み合わせたような構造となっている。１つの受光部を挟んで、２つの転送ゲートがあり、各転送ゲートの外側にそれぞれ信号電荷蓄積部が設けられた構成を有する。また、この非特許文献２では、感度向上のために、ポリシリコンによって形成されたＰＧの割合を低減した構造が提案されている。すなわち、ＰＧの形状をくし歯状にした例が開示されている。
【０００３】
また、イメージセンサの応用例として、対象物への距離を非接触に測定する測距システムとしてタイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いたものが知られている。ＴＯＦ法は、対象物に対して光を放射し、光が放射されてから対象物に当たってはねかえって来るまでの期間を測定し、この期間と光速に基づいて対象物までの距離を測定する（非特許文献２参照）。
【０００４】
非特許文献２では、測距システムにおけるパルス光の放射タイミングや２つの受光素子の動作タイミングが具体的に説明されている。すなわち、パルス光の放射と放射停止を同じ長さ（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の放射と放射停止に同期させて、交互に２つの方向に電荷を転送させる（非特許文献２の図１参照）。そして、２つの出力電圧の相違に基づきパルス光が対象物で反射して戻って来るまでの期間を判定する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】山本幸司「振り分け転送方式および部分領域高速読み出し方式による変調光成分検出可能なＣＭＯＳイメージセンサに関する研究」奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 ２００６年３月
【非特許文献２】宮川良平、金出武雄「ＣＣＤ−Ｂａｓｅｄ Ｒａｎｇｅ−Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＶＯＬ． ４４， ＮＯ． １０、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＴＯＦ法により測距装置を実現するためには、受光した光電子（光電変換によって得られた電荷）を高速に移動する必要がある。
【０００７】
非特許文献１に記載のイメージセンサは、感度向上のために、ＰＧの形状をくし歯状にした例が開示されている。この場合、受光部のうち、ＰＧの部分は蓄積電荷（光電子）を出力側へ転送する機能を有するが、ＰＧ以外の部分はそのような機能を持っていない。従って、受光部に蓄積された光電子を全て出力側に転送するには時間がかかるという問題がある。
【０００８】
また、あるタイミングで環境光と変調光とが混在した光を受光し、別のタイミングで変調光を受光するには、変調光の放射と放射停止に同期させて、交互に２つの方向に電荷を転送させる必要がある。そのためには、光電変換素子において光電変換された光電子を、速い速度で、所望のゲート電極を介して各ノードへ転送させる必要がある。特に、十分な信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を獲得するためには、大きな受光面積を有する光電変換素子が必要となる。しかし、大きな光電変換素子を使用した場合、出力させるノードまでの距離が長くなり、光電変換された光電子を速い速度で所望のノードへ転送することが難しくなる。
【０００９】
さらには、光電変換素子から２つのノードに光電子を振り分ける場合に、光電変換素子から各ゲート電極までの距離が異なっていると、光電変換素子の変換効率の面内の分布の存在や、光電子の移動経路の差異などの要因により、２つのノードへの転送効率に差異が生じることとなり、Ｓ／Ｎ比を低下させる原因となる。
【００１０】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、光電変換によって得られた光電子を所望の領域に高速に移動させて、集積させることができ、ＴＯＦ法の原理を応用した測距装置を実現させることができるほか、様々な受光装置に適用させることができる光電変換素子を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、上述した効果を有する光電変換素子を使用して、ある一定期間の入射光の輝度情報を高精度に得ることができ、電子シャッタの機能をも兼ね備えた受光装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分による影響の低減を図ることができ、必要な光成分の検出を高精度に行うことができる受光システムを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分による影響の低減を図ることができ、対象物までの距離を高精度に測定することができる測距装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
［１］ 第１の本発明に係る光電変換素子は、光を検知して光電子に変換する光電変換素子において、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
［２］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードの前記電極下の電位を制御して、少なくとも前記埋め込みフォトダイオードでの光電変換により発生した光電子を、前記ＭＯＳダイオードへ移動させることを特徴とする。
【００１６】
［３］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードのうち、前記電極における前記１つの電極部位の基部に対応した部分が、電荷集積部として構成されていることを特徴とする。
【００１７】
［４］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の前記枝分かれ部位は、それぞれ矩形形状を有することを特徴とする。
【００１８】
［５］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の各前記枝分かれ部位は、上面から見たとき、幅が前記１つの電極部位に向かって徐々に大きくなる形状を有することを特徴とする。
【００１９】
［６］ 第１の本発明において、前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の各前記枝分かれ部位の給電端子は、上面から見たとき、前記電荷集積部から最も離れた位置に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
［７］ 第１の本発明において、前記半導体基体上に絶縁体を介して形成された第２電極を有する複数の第２ＭＯＳダイオードを有し、複数の前記第２ＭＯＳダイオードの各前記第２電極は、上面から見たとき、前記電極とは分離され、且つ、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記ＭＯＳダイオードと前記第２ＭＯＳダイオード間に前記埋め込みフォトダイオードが形成されていることを特徴とする。
【００２１】
［８］ 第２の本発明に係る受光装置は、入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置であって、前記入射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積するキャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた前記光電子を、前記キャパシタへ移動させるＭＯＳ型の第１スイッチング素子と、前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第２スイッチング素子とを備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記光電変換素子からの前記光電子を、選択的に前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を開閉制御して前記キャパシタへ転送させて、前記キャパシタに転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて入射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
【００２２】
［９］ 第２の本発明において、前記電荷集積部は、前記光電変換素子に接続され、前記電荷排出部は、前記電荷集積部を間に挟んで、前記キャパシタと対向配置されていることを特徴とする。
【００２３】
［１０］ 第２の本発明において、前記キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されていることを特徴とする。
【００２４】
［１１］ 第２の本発明において、少なくとも前記電荷集積部、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする。
【００２５】
［１２］ 第３の本発明に係る受光装置は、入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置であって、前記入射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ及び第２キャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記第１キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記第１キャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の第１スイッチング素子と、前記電荷集積部と前記第２キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記第２キャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の第２スイッチング素子と、前記電荷集積部から前記電荷排出部へ前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第３スイッチング素子とを備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記光電変換素子からの前記光電子を、選択的に前記第１スイッチング素子〜前記第３スイッチング素子をオン／オフ制御して前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタへ転送させて、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて入射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
【００２６】
［１３］ 第３の本発明において、前記電荷集積部は、前記光電変換素子に接続され、前記電荷排出部は、前記電荷集積部を間に挟んで、前記光電変換素子と対向配置され、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、前記電荷集積部を間に挟んで、互いに対向配置されていることを特徴とする。
【００２７】
［１４］ 第３の本発明において、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されていることを特徴とする。
【００２８】
［１５］ 第３の本発明において、少なくとも前記電荷集積部、前記第１スイッチング素子〜前記第３スイッチング素子、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする。
【００２９】
［１６］ 第４の本発明に係る受光システムは、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積する一対のキャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記一対のキャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記発光装置の駆動に同期して、前記一対のキャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の一対のスイッチング素子と、前記発光装置の駆動に同期して、前記電荷集積部から前記電荷排出部へ前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第３スイッチング素子を備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記制御装置は、前記発光装置から前記パルス光が放射されていない期間のうちの第１期間に、前記一対のスイッチング素子のうち、第１スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記一対のキャパシタのうち、第１キャパシタに転送し、前記発光装置から前記パルス光が出射されている期間のうちの第２期間に、前記一対のスイッチング素子のうち、第２スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記一対のキャパシタのうち、第２キャパシタに転送し、前記第１期間及び前記第２期間以外の期間に、前記第３スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記電荷排出部に排出するように制御し、前記第１キャパシタに転送された光電子の量（電荷量）と前記第２キャパシタに転送された光電子の量（電荷量）に基づいて、前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
【００３０】
［１７］ 第４の本発明において、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの電位を初期電位にするための電源とＭＯＳ構造の第１リセットスイッチ及び第２リセットスイッチとを有することを特徴とする。
【００３１】
［１８］ 第４の本発明において、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに蓄積された光電子の量に基づく電位に応じたレベルの電気信号にそれぞれ変換する第１アンプ及び第２アンプを有することを特徴とする。
【００３２】
［１９］ 第４の本発明において、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子によって転送された前記光電子を一時的に保持するＭＯＳキャパシタ又は埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成された第１電荷保持部及び第２電荷保持部と、前記第１電荷保持部及び前記第２電荷保持部にそれぞれ一時的に保持された前記光電子を前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに転送するＭＯＳ型のスイッチング素子にて構成された第１電荷転送部及び第２電荷転送部とを有することを特徴とする。
【００３３】
［２０］ 第５の本発明に係る受光システムは、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ〜第４キャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに対して振り分けるＭＯＳＯ型の第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子と、前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の供給を制御するＭＯＳ型の第５スイッチング素子とを備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記制御装置は、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のオン／オフを制御し、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子が全てオフのとき、前記第５スイッチング素子をオンにして、前記光電子を外部に排出させ、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子に転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて、前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
【００３４】
［２１］ 第５の本発明において、前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタの電位を初期電位にするための電源とＭＯＳ構造の第１リセットスイッチ〜第４リセットスイッチとを有することを特徴とする。
【００３５】
［２２］ 第５の本発明において、前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに蓄積された光電子の量に基づく電位に応じたレベルの電気信号にそれぞれ変換する第１アンプ〜第４アンプを有することを特徴とする。
【００３６】
［２３］ 第５の本発明において、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子によって転送された前記光電子を一時的に保持するＭＯＳキャパシタ又は埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成された第１電荷保持部〜第４電荷保持部と、前記第１電荷保持部〜前記第４電荷保持部にそれぞれ一時的に保持された前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに転送するＭＯＳ型のスイッチング素子にて構成された第１電荷転送部〜第４電荷転送部とを有することを特徴とする。
【００３７】
［２４］ 第４及び第５の本発明において、前記受光装置の構成要素が、複数の画素が設けられたラインセンサアレイ又は二次元イメージセンサアレイの１画素分の構成要素を構成していることを特徴とする。
【００３８】
［２５］ 第６の本発明に係る測距装置は、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置と、を有する測距装置であって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ〜第４キャパシタと、前記光電子を排出する電荷排出部と、前記電荷集積部と前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに対して振り分けるＭＯＳ型の第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子と、前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の供給を制御するＭＯＳ型の第５スイッチング素子と、を備え、前記光電変換素子は、半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子をオンする時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子をオフする時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ１、前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ２、前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ３、前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ４、前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、前記発光装置及び前記受光装置と前記対象物との距離を距離Ｄとしたとき、前記制御装置は、
（１）Ｐ１＝Ｐ３、
（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び
（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ
となるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のオン／オフを制御し、前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子が全てオフとなっているとき、前記第５スイッチング素子をオンにして前記光電子を外部に排出させ、前記演算装置は、前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定することを特徴とする。
【００３９】
［２６］ 第６の本発明において、前記時点Ｔｅｄと前記時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、下記の式（１）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算し、
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（１）
【００４０】
前記時点Ｔｅｄが前記時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、下記の式（２）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算することを特徴とする。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３−（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）
・・・（２）
【００４１】
［２７］ 第６の本発明において、前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、前記演算装置は、前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタのそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１〜前記電荷量Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
以上説明したように、本発明に係る光電変換素子によれば、光電変換によって得られた光電子を所望の領域に高速に移動させて、集積させることができ、ＴＯＦ法の原理を応用した測距装置を実現させることができるほか、様々な受光装置に適用させることができる。
【００４３】
また、本発明に係る受光装置によれば、上述した効果を有する光電変換素子を使用したので、ある一定期間の入射光の輝度情報を高精度に得ることができ、電子シャッタの機能をも兼ね備えさせることができる。
【００４４】
また、本発明に係る発光システムによれば、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分による影響の低減を図ることができ、必要な光成分の検出を高精度に行うことができる。
【００４５】
また、本発明に係る測距装置によれば、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分による影響の低減を図ることができ、対象物までの距離を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線上の断面図である。
【図３】第１光電変換素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第１光電変換素子の動作（図３における時点ｔ１での動作）を示すポテンシャル図である。
【図５】第１光電変換素子の動作（図３における時点ｔ２での動作）を示すポテンシャル図である。
【図６】第２光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線上の断面図である。
【図８】第２光電変換素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】第２光電変換素子の動作（図８における時点ｔ０、ｔ１及びｔ２での動作）を示すポテンシャル図である。
【図１０】第１受光装置及び第２受光装置を示す構成図である。
【図１１】第１受光装置の第１受光部を上面から見て示す図である。
【図１２】第２受光装置の第２受光部を上面から見て示す図である。
【図１３】第１受光システム及び第２受光システムを示す構成図である。
【図１４】第１受光システムの第１受光部を示す回路図である。
【図１５】第１受光システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図１６】環境光の影響を低減する手法の基本原理を示すタイミングチャートである。
【図１７】図１７Ａは環境光の影響を低減する手法の基本原理を示す説明図であり、図１７Ｂは太陽光の光ショットノイズによる影響を示す説明図である。
【図１８】図１８Ａは図１７Ａに示す１つのサイクルを複数回繰り返して信号光成分のＳ／Ｎを向上させる方法を示す説明図であり、図１８Ｂはランダムな光ショットノイズによる影響を示す説明図である。
【図１９】第２受光システムの第２受光部を示す回路図である。
【図２０】第２受光システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図２１】第１測距装置及び第２測距装置を示す構成図である。
【図２２】第１測距装置における第３受光装置のセンサアレイを有する第３受光部を示す構成図である。
【図２３】第３受光部の各画素の構成を示す回路図である。
【図２４】測距のためのサイクルのタイミングチャートである。
【図２５】各第２蓄積期間Ｔｃａ２での放射光、反射光、第１スイッチング素子〜第５スイッチング素子のオン／オフタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図２６】各第２蓄積期間Ｔｃａ２での放射光、反射光、第１スイッチング素子〜第５スイッチング素子のオン／オフタイミングの他の例を示すタイミングチャートである。
【図２７】第２測距装置に設置される第４受光装置の第４受光部における各画素の構成を示す回路図である。
【図２８】光電変換素子の変形例を示す断面図である。
【図２９】第３光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図３０】図３０Ａは図２９におけるＸＸＸＡ−ＸＸＸＡ線上のポテンシャル図であり、図３０Ｂは図２９におけるＸＸＸＢ−ＸＸＸＢ線上のポテンシャル図である。
【図３１】図２９におけるＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ線上のポテンシャル図である。
【図３２】第３光電変換素子の動作（図３における時点ｔ２での動作）を示すポテンシャル図である。
【図３３】第４光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図３４】図３３におけるＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶ線上の断面図である。
【図３５】第４光電変換素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図３６】図３６Ａは第４光電変換素子の動作（図３５における時点ｔ１１での動作）を示すポテンシャル図であり、図３６Ｂは同じく時点ｔ１２での動作を示すポテンシャル図であり、図３６Ｃは時点ｔ１１での動作を示す他のポテンシャル図である。
【図３７】第５光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図３８】図３８Ａは図３７におけるＸＸＸＶＩＩＩＡ−ＸＸＸＶＩＩＩＡ線上のポテンシャル図であり、図３８Ｂは図３７におけるＸＸＸＶＩＩＩＢ−ＸＸＸＶＩＩＩＢ線上のポテンシャル図である。
【図３９】図３７におけるＸＸＸＩＸ−ＸＸＸＩＸ線上のポテンシャル図である。
【図４０】第６光電変換素子を上面から見て示す図である。
【図４１】図４０におけるＸＬＩ−ＸＬＩ線上のポテンシャル図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明に係る光電変換素子、発光装置、受光システム及び測距装置の実施の形態例を図１〜図４１を参照しながら説明する。
【００４８】
［第１光電変換素子１０Ａ］
先ず、第１の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第１光電変換素子１０Ａと記す）は、図１及び図２に示すように、半導体基体１２（図２参照）上に絶縁体１４を介して形成された電極１６を有する１つのＭＯＳダイオード１８と、半導体基体１２に形成された埋め込みフォトダイオードＢＰＤとを有する。具体的には、例えば半導体基体１２は、図２に示すように、ｐ型不純物拡散領域が形成されている。そして、半導体基体１２上に例えばＳｉＯ2等からなる絶縁層（絶縁体１４）を介してポリシリコンや金属等の導電層による電極１６が形成されることで、上述したＭＯＳダイオード１８が形成されている。また、ｐ型不純物拡散領域に形成されたｎ型不純物拡散領域の表面に高濃度のｐ型不純物拡散領域が形成されることで、上述した埋め込みフォトダイオードＢＰＤが構成されている。
【００４９】
ＭＯＳダイオード１８の電極１６は、上面から見たとき、１つの電極部位２０から複数の枝分かれ部位２２に分岐配列されたくし歯形状を有し、埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、上面から見たとき、電極１６における複数の枝分かれ部位２２間にそれぞれ入れ子状に配置されている。ＭＯＳダイオード１８における電極１６の枝分かれ部位２２は、それぞれ矩形形状を有する。
【００５０】
また、電極１６における１つの電極部位２０の基部２４（長さ方向中央部）には、第１光電変換素子１０Ａにより発生した光電子を集めるための電荷集積部２６が形成されている。電荷集積部２６は、１つの電極部位２０の基部２４から枝分かれ部位２２とは反対方向に延在して形成されている。この電荷集積部２６は、構成上、第１光電変換素子１０Ａに含めてもよいし、含めなくてもよい。
【００５１】
さらに、ＭＯＳダイオード１８における電極１６の各枝分かれ部位２２の給電端子２８は、上面から見たとき、電荷集積部２６から最も離れた位置に形成されている。すなわち、電荷集積部２６から離れた各枝分かれ部位２２の末端に形成されている。
【００５２】
そして、給電端子２８に電圧Ｖ１が印加されるように図示しない金属配線がなされている。電圧Ｖ１は低レベルＶ１Ｌ〜高レベルＶ１Ｈにわたって変化する。低レベルＶ１Ｌは、０Ｖや負の電圧であってもよい。
【００５３】
ここで、第１光電変換素子１０Ａの動作について、図３のタイミングチャート、図４及び図５のポテンシャル図も参照して説明する。なお、図４及び図５のポテンシャル図は、電荷として光電子３０を対象としていることから、直感的にわかるように、電位が高いほどポテンシャル位置３２ａ及び３２ｂが低くなるように図示されている。
【００５４】
先ず、図３の時点ｔ１（露光の初期段階）において、電圧Ｖ１を高レベルＶ１Ｈにすると、図４に示すように、電極１６下のポテンシャル位置３２ａが、埋め込みフォトダイオードＢＰＤのポテンシャル位置３２ｂよりも低くなり、埋め込みフォトダイオードＢＰＤから電極１６下にかけてポテンシャル位置が低くなるポテンシャル勾配３４が形成されることとなる。このことから、埋め込みフォトダイオードＢＰＤで発生した光電子３０は、ポテンシャル勾配３４によって、電極１６下、すなわち、複数の枝分かれ部位２２下に高速に移動する。
【００５５】
その後、時点ｔ２（露光の終了段階）において、電圧Ｖ１が低レベルＶ１Ｌになると、図５に示すように、電極１６下のポテンシャル位置３２ａが上昇することになるが、電極１６の給電端子２８が電荷集積部２６から最も離れた位置に形成されていることから、電極１６下のポテンシャル位置３２ａのうち、給電端子２８直下の部分のポテンシャル位置３２ａが早く上昇し、徐々に電荷集積部２６に近い方のポテンシャル位置３２ａが上昇することとなる。これは、電極１６の正電荷がシンクされた結果、給電端子２８直下の部分の電位が低下して、過渡的に電極１６全体にわたり電位が低下することで、電極１６下のポテンシャル位置３２ａが上昇するためである。このことから、電極１６の枝分かれ部位２２下の長さ方向においても、ポテンシャル勾配３４が形成され、時間の経過に伴って、ポテンシャル勾配３４が電荷集積部２６に向けて平行移動し、光電子３０は高速に電荷集積部２６に移動することとなる。
【００５６】
このように、第１光電変換素子１０Ａにおいては、電極１６ａの枝分かれ部位２２間に埋め込みフォトダイオードＢＰＤを配置し、電極１６に印加される電圧Ｖを制御することで、隣接する電極１６下と埋め込みフォトダイオードＢＰＤに形成されるポテンシャル位置の差によるポテンシャル勾配３４を形成するようにしたので、光電変換にて得られた光電子３０を高速に電荷集積部２６に転送集積することが可能となる。また、埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、完全空乏化デバイスであり、電荷残りを抑制して光電子の完全転送が可能である。また、表面にｐ型の高濃度領域が存在することから、暗電流の発生を抑えるのに有利である。
【００５７】
しかも、電極１６の給電端子２８を電荷集積部２６から最も離れた位置に形成するようにしたので、電極１６下のポテンシャル位置３２ａを、給電端子２８直下の部分を起点として連続的に上昇させることが可能になる。電極１６下のポテンシャル位置３２ａの上昇によって、電界が発生し、電極１６下の光電子３０を高速に移動させることができる。その結果、電極１６下の例えば複数の枝分かれ部位２２下の光電子３０を、電荷集積部２６に高速に移動させることができる。
【００５８】
このように、第１光電変換素子においては、光電変換にて得られた光電子３０を高速に、且つ、効率よく電荷集積部２６に転送集積することが可能となる。
【００５９】
［第２光電変換素子１０Ｂ］
次に、第２の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第２光電変換素子１０Ｂと記す）について図６〜図９を参照しながら説明する。
【００６０】
この第２光電変換素子１０Ｂは、図６に示すように、上述した第１光電変換素子１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、半導体基体１２（図７参照）上に絶縁体１４を介して形成された第１電極１６ａを有する１つの第１ＭＯＳダイオード１８ａと、半導体基体１２上に絶縁体１４を介して形成された第２電極１６ｂを有する複数の第２ＭＯＳダイオード１８ｂとを有する。第１ＭＯＳダイオード１８ａは、上述した第１光電変換素子１０ＡのＭＯＳダイオード１８と同じ構成を有する。具体的には、例えば半導体基体１２は、図７に示すように、ｐ型不純物拡散領域が形成されている。そして、半導体基体１２上に例えばＳｉＯ2等からなる絶縁層（絶縁体１４）を介してポリシリコンや金属等の導電層による第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂが形成されることで、上述した第１ＭＯＳダイオード１８ａ及び第２ＭＯＳダイオード１８ｂが構成されている。また、上述した第１ＭＯＳダイオード１８ａ及び第２ＭＯＳダイオード１８ｂの間には、ｐ型不純物拡散領域に形成されたｎ型不純物拡散領域の表面に高濃度のｐ型不純物拡散領域が形成されることで、埋め込みフォトダイオードＢＰＤが構成されている。
【００６１】
第１ＭＯＳダイオード１８ａの第１電極１６ａは、上面から見たとき、１つの電極部位２０から複数の枝分かれ部位２２に分岐配列されたくし歯形状を有し、第２ＭＯＳダイオード１８ｂの各第２電極１６ｂは、上面から見たとき、第１電極１６ａとは分離され、且つ、第１電極１６ａにおける複数の枝分かれ部位２２間にそれぞれ入れ子状に配置されている。第１ＭＯＳダイオード１８ａにおける第１電極１６ａの枝分かれ部位２２と、第２ＭＯＳダイオード１８ｂの第２電極１６ｂは、それぞれ矩形形状を有する。
【００６２】
さらに、第１ＭＯＳダイオード１８ａにおける第１電極１６ａの各枝分かれ部位２２の第１給電端子２８ａ、並びに第２ＭＯＳダイオード１８ｂにおける各第２電極１６ｂの第２給電端子２８ｂは、上面から見たとき、電荷集積部２６から最も離れた位置に形成されている。
【００６３】
そして、第１給電端子２８ａに第１電圧Ｖ１が印加され、第２給電端子２８ｂに第２電圧Ｖ２がそれぞれ独立して印加されるように図示しない金属配線がなされている。
【００６４】
第１電圧Ｖ１は低レベルＶ１Ｌ〜高レベルＶ１Ｈにわたって変化し、第２電圧Ｖ２は低レベルＶ２Ｌ〜高レベルＶ２Ｈにわたって変化する。レベルの大小関係は、少なくともＶ１Ｈ＞Ｖ２Ｈとなっている。Ｖ１ＬとＶ２Ｌの関係は、共に同じか、あるいはＶ１Ｌ＞Ｖ２Ｌでもよい。また、Ｖ１ＬとＶ２Ｌは、０Ｖや負の電圧であってもよい。
【００６５】
ここで、第２光電変換素子１０Ｂの動作について、図８のタイミングチャート、図９Ａ〜図９Ｃのポテンシャル図も参照して説明する。
【００６６】
先ず、図８の時点ｔ０においては、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２が共に低レベルＶ１Ｌ及びＶ２Ｌであることから、図９Ａに示すように、第１ＭＯＳダイオードと第２ＭＯＳダイオード間に光電子に対するポテンシャル障壁が形成されることなく、第１ＭＯＳダイオード１８ａと第２ＭＯＳダイオード１８ｂ間に、第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂよりも低く、且つ、第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａよりも高いポテンシャル位置３２ｃが形成される。
【００６７】
その後、時点ｔ１（露光の初期段階）において、第１電圧Ｖ１が高レベルＶ１Ｈ、第２電圧Ｖ２が高レベルＶ２Ｈになると、図９Ｂに示すように、第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａと第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂが共に低くなり、Ｖ１Ｈ＞Ｖ２Ｈであることから、第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａは第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂよりも低くなる。つまり、第２電極１６ｂ下から第１電極１６ａ下にかけてポテンシャル位置が低くなるポテンシャル勾配３４が形成されることとなる。このことから、第２電極１６ｂ下に発生した光電子３０は、ポテンシャル勾配３４によって、第１電極１６ａ下、すなわち、複数の枝分かれ部位２２下に移動する。
【００６８】
その後、時点ｔ２において、第２電圧Ｖ２のみが低レベルＶ２Ｌになると、図９Ｃに示すように、第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂのみが高くなり、ポテンシャル勾配３４が急峻になることから、第２電極１６ｂ下の光電子３０は、第１電極１６ａの複数の枝分かれ部位２２下に高速に移動する。
【００６９】
その後、時点ｔ３（露光の終了段階）において、第１電圧Ｖ１が低レベルＶ１Ｌになると、図５に示す場合と同様に、第１給電端子２８ａ直下の部分のポテンシャル位置３２ａが早く上昇し、徐々に電荷集積部２６に近い方のポテンシャル位置３２ａが上昇していくことになる。この第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａの上昇によって、電界が発生し、第１電極１６ａ下の光電子３０を高速に移動させることができる。その結果、第１電極１６ａ下の例えば複数の枝分かれ部位２２下の光電子３０を、電荷集積部２６に高速に移動させることができる。
【００７０】
［第１受光装置１００Ａ］
次に、第１の実施の形態に係る受光装置（以下、第１受光装置１００Ａと記す）について図１０及び図１１を参照しながら説明する。
【００７１】
第１受光装置１００Ａは、図１０に示すように、レンズ１０２と、第１受光部１０４Ａとを有する。レンズ１０２を通過した入射光Ｌａは、第１受光部１０４Ａに集光される。レンズ１０２は、直線状又はマトリックス状に配列された複数のレンズであってもよい。
【００７２】
第１受光部１０４Ａは、図１１に示すように、光電変換素子１０と、光電変換素子１０により発生した光電子を集めるための電荷集積部２６と、光電子を一定期間蓄積するキャパシタＣａと、光電子を排出する電荷排出部１０８と、電荷集積部２６とキャパシタＣａとの間に配置され、電荷集積部２６に集められた光電子を、キャパシタＣａへ移動させる第１スイッチング素子ＳＷ１と、電荷集積部２６と電荷排出部１０８との間に配置され、電荷集積部２６から電荷排出部１０８への光電子の排出を制御する第２スイッチング素子ＳＷ２とを備えている。電荷排出部１０８は、電荷集積部２６を間に挟んでキャパシタＣａと対向配置されている。この実施の形態では、特に、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置にキャパシタＣａと電荷排出部１０８とを配置するようにしている。キャパシタＣａは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されている。
【００７３】
光電変換素子１０は、上述した第１光電変換素子１０Ａや第２光電変換素子１０Ｂが用いられる。図１１では、光電変換素子１０として第１光電変換素子１０Ａを用いた例を示している。この場合、電荷集積部２６として、第１光電変換素子１０Ａの電荷集積部２６や第２光電変換素子１０Ｂの電荷集積部２６を用いてもよい。
【００７４】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、電荷集積部２６とキャパシタＣａとの間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有する。第２スイッチング素子ＳＷ２は、電荷集積部２６と電荷排出部１０８との間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有する。従って、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、ゲート電極に高レベル電圧が印加されることでオンとされ、ゲート電極に低レベル電圧（０Ｖあるいは負電圧）が印加されることでオフとされる。
【００７５】
なお、少なくとも電荷集積部２６、キャパシタＣａ、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、遮光された領域Ｚに形成されている。
【００７６】
この第１受光装置１００Ａを使用するときは、先ず、特定の入射光Ｌａの輝度情報を取得したい期間（有効期間と記す）に入射した光が光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンされることで、電荷集積部２６の光電子はキャパシタＣａに転送され、キャパシタＣａに転送された光電子の量（電荷量）に基づいて入射光Ｌａの輝度情報が得られることとなる。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１は所定期間経過後にオフとされる。
【００７７】
一方、有効期間以外に入射した不要な光も光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第２スイッチング素子ＳＷ２がオンされることで、電荷集積部２６の不要な光電子は電荷排出部１０８に転送され、排出されることとなる。第２スイッチング素子ＳＷ２も所定期間経過後にオフとされる。
【００７８】
ところで、輝度情報のＳ／Ｎ比を向上させる手法として、一定期間内に、有効期間を複数設定し、有効期間内に得られた光電子を集積する方法がある。特に、有効期間を短く設定することで、環境光の影響をできるだけ除去することが考えられる。例えば一定期間内に複数の周期を設定し、各周期を１００μｓｅｃ未満とし、さらに、各周期内にそれぞれ有効期間を設定し、各有効期間のデューティを短くすることが考えられる。
【００７９】
このような手法を採用したとき、光電変換素子１０にて光電変換された光電子を高速にノード（光電子を電気信号に変換する部位）に転送する必要がある。特に、高いＳ／Ｎ比を得るためには、受光面積の大きな光電変換素子が必要となる。しかし、受光面積の大きな光電変換素子を用いた場合、ノードまでの距離が長くなり、光電子を高速にノードまで転送することが難しくなる。例えば第１受光装置１００Ａに通常の光電変換素子（従来の光電変換素子）を設置して使用した場合を想定して説明すると、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンとなっている時間が数百ｎｓｅｃ程度の場合、光電変換素子において光電変換して得られた光電子は、第１スイッチング素子ＳＷ１に到達する前に、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフとなってしまい、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じてキャパシタに転送することができない。結果的に、第２スイッチング素子ＳＷ２を通じて電荷排出部に転送され、排出されることとなる。
【００８０】
また、従来においては、光電変換素子からの光電子をそれぞれ別の経路を通じて２つのノードに振り分ける構造（非特許文献１参照）がある。このような場合、各ノードに至るまでの電極（ゲート電極）の位置や長さが異なってくることから、光電変換素子の変換効率の面内の分布の存在や、光電子の移動経路の差異等の要因により、各ノードへの転送効率に差異が生じ、Ｓ／Ｎ比を低下させる原因となる。
【００８１】
そこで、この第１受光装置１００Ａにおいては、光電変換素子１０として、上述した第１光電変換素子１０Ａや第２光電変換素子１０Ｂを使用するようにしている。この場合、光電変換素子１０内にポテンシャル勾配３４が形成されることから、光電子が電界によって高速に移動させることが可能となり、有効期間に得られた光電子を第１スイッチング素子ＳＷ１を通じてキャパシタＣａに転送することができる。もちろん、光電変換素子１０として、第２光電変換素子１０Ｂを使用することで、さらに光電子を高速に移動させることができる。
【００８２】
従って、第１受光装置１００Ａは、高いＳ／Ｎ比を獲得する必要があるアプリケーションに適用可能となり、例えば受光面積が大きく、光電子を出力させるノードまでの距離が長い場合に好適となる。しかも、１つの電荷集積部２６に集積するようにしており、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置にキャパシタＣａと電荷排出部１０８とを配置するようにしているため、２つ以上のノードに光電子を振り分ける場合においても、電子の移動経路が同一となることから、各ノードへの転送効率に差異を生じさせることはない。
【００８３】
［第２受光装置１００Ｂ］
次に、第２の実施の形態に係る受光装置（以下、第２受光装置１００Ｂと記す）について図１０及び図１２を参照しながら説明する。
【００８４】
この第２受光装置１００Ｂは、上述した第１受光装置１００Ａと同様に、図１０に示すように、レンズ１０２と、第２受光部１０４Ｂとを有する。
【００８５】
第２受光部１０４Ｂは、上述した第１受光装置１００Ａの第１受光部１０４Ａとほぼ同様の構成を有するが、図１２に示すように、光電子をそれぞれ一定期間蓄積する第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２を有する点で異なる。
【００８６】
すなわち、電荷排出部１０８は、電荷集積部２６を間に挟んで、光電変換素子１０と対向配置され、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２は、電荷集積部２６を間に挟んで、互いに対向配置されている。この実施の形態では、特に、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に第１キャパシタＣａ１と第２キャパシタＣａ２とを配置するようにしている。
【００８７】
また、電荷集積部２６と第１キャパシタＣａ１との間に配置され、電荷集積部２６に集められた光電子を、第１キャパシタＣａ１へ移動させる第１スイッチング素子ＳＷ１と、電荷集積部２６と第２キャパシタＣａ２との間に配置され、電荷集積部２６に集められた光電子を、第２キャパシタＣａ２へ移動させる第２スイッチング素子ＳＷ２と、電荷集積部２６と電荷排出部１０８との間に配置され、電荷集積部２６から電荷排出部１０８への光電子の排出を制御する第３スイッチング素子ＳＷ３とを備えている。
【００８８】
第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２は、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されている。
【００８９】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、電荷集積部２６と第１キャパシタＣａ１との間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有し、第２スイッチング素子ＳＷ２は、電荷集積部２６と第２キャパシタＣａ２との間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有する。第３スイッチング素子ＳＷ３は、電荷集積部２６と電荷排出部１０８との間に配置されたゲート電極と、該ゲート電極下の絶縁体と、該絶縁体下の半導体基体１２にて構成されたＭＯＳ構造を有する。従って、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第３スイッチング素子ＳＷ３は、ゲート電極に高レベル電圧が印加されることでオンとされ、ゲート電極に低レベル電圧（０Ｖあるいは負電圧）が印加されることでオフとされる。
【００９０】
なお、少なくとも電荷集積部２６、第１キャパシタＣａ１、第２キャパシタＣａ２、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第３スイッチング素子ＳＷ３は、遮光された領域Ｚに形成されている。
【００９１】
この第２受光装置１００Ｂでは、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２を有することから、得られた輝度情報から環境光によるノイズを除去する際に好適である。
【００９２】
すなわち、先ず、環境光の輝度情報をノイズ情報として取得したい期間（第１有効期間と記す）に入射した光が光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンされることで、電荷集積部２６の光電子は第１キャパシタＣａ１に転送され、第１キャパシタＣａ１に転送された光電子の量（電荷量）に基づいて環境光の輝度情報が得られることとなる。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１は所定期間経過後にオフとされる。
【００９３】
次に、特定の入射光Ｌａの輝度情報を取得したい期間（第２有効期間と記す）に入射した光が光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第２スイッチング素子ＳＷ２がオンされることで、電荷集積部２６の光電子は第２キャパシタＣａ２に転送され、第２キャパシタＣａ２に転送された光電子の量（電荷量）に基づいて特定の入射光Ｌａの輝度情報が得られることとなる。なお、第２スイッチング素子ＳＷ２は所定期間経過後にオフとされる。得られた特定の入射光の輝度情報には、環境光によるノイズ情報が含まれているため、第１キャパシタＣａ１を通じて取得した環境光の輝度情報と差分をとることによって、環境光によるノイズが除去された輝度情報を得ることができる。
【００９４】
一方、第１有効期間及び第２有効期間以外に入射した光も光電変換素子１０において光電子に変換され、光電子は、上述した動作に従って電荷集積部２６に高速に転送されて集積される。その後、第３スイッチング素子ＳＷ３がオンされることで、電荷集積部２６の光電子は電荷排出部１０８に転送され、排出されることとなる。
【００９５】
この第２受光装置１００Ｂにおいても、光電変換素子１０として、上述した第１光電変換素子１０Ａや第２光電変換素子１０Ｂを使用するようにしているため、第１有効期間に得られた光電子を第１スイッチング素子ＳＷ１を通じて高速に第１キャパシタＣａ１に転送することができ、第２有効期間に得られた光電子を第２スイッチング素子ＳＷ２を通じて高速に第２キャパシタＣａ２に転送することができる。しかも、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に第１キャパシタＣａ１と第２キャパシタＣａ２とを配置するようにしている。
【００９６】
従って、第２受光装置１００Ｂにおいても、上述した第１受光装置１００Ａと同様の効果を奏する。さらに、環境光によるノイズ成分を除去することができることから、特定の入射光Ｌａの輝度情報を精度よく取得することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００９７】
［第１受光システム２００Ａ］
次に、第１の実施の形態に係る受光システム（以下、第１受光システム２００Ａと記す）について図１３〜図１５を参照しながら説明する。なお、図１４及び図１５において、Ｖ１は、第１光電変換素子１０Ａの場合の電圧Ｖ１、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第１電圧を示し、Ｖ２は、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第２電圧を示す。
【００９８】
第１受光システム２００Ａは、図１３に示すように、発光装置２０２と、上述の第１受光装置１００Ａと、制御装置２０４と、演算装置２０６と、これら発光装置２０２、第１受光装置１００Ａ、制御装置２０４及び演算装置２０６に所定の電源電圧を供給する第１電源２０８Ａ及び第２電源２０８Ｂとを有する。なお、簡単のため、図１３において、第１電源２０８Ａ及び第２電源２０８Ｂから各装置への電源線の表示を省略する。
【００９９】
この第１受光システム２００Ａでは、発光装置２０２から出射されたパルス光Ｌｐが被写体Ｗで反射し、第１受光装置１００Ａに入射する。なお、説明の便宜のため、発光装置２０２から被写体Ｗまでのパルス光Ｌｐを放射光Ｌｅ、被写体Ｗから第１受光装置１００Ａまでのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【０１００】
制御装置２０４は、第１受光装置１００Ａで受光された光から被写体Ｗからの反射光Ｌｒの成分を取得するように制御する。
【０１０１】
＜発光装置２０２＞
発光装置２０２は、制御装置２０４からの指令に基づきパルス光Ｌｐを出力する発光部２１０を有する。この第１受光システム２００Ａにおいて、発光装置２０２の発光部２１０は、発光点（エミッタ）を直線状に設けた半導体レーザバーを積層（直列接続）して、面発光が可能とされたものである。
【０１０２】
発光部２１０は、波長が８７０ナノメートル［ｎｍ］の赤外光を１００ワット［Ｗ］の出力で放射可能である。また、各サイクルＣｍ（測定値を求める周期）において、複数回の露光処理（電荷蓄積処理）が行われる（図２４参照）。露光処理の周期（図２４の第２蓄積期間Ｔｃａ２参照）が１００［マイクロ秒］であるところ、発光部２１０は、パルス光Ｌｐを１００［ナノ秒］の出力時間（パルス幅）で出力する。換言すると、発光部２１０の駆動デューティは、０．１［％］である。
【０１０３】
なお、発光部２１０は、リニアアレイ状の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。また、発光部２１０が放射するパルス光Ｌｐは、その他の波長でもよく、例えば、７００ｎｍより長く１０５０ｎｍ以下としてもよい。さらに、発光部２１０の出力は、その他の値でもよく、例えば、２０［Ｗ］より大きく１０［ｋＷ］以下としてもよい。さらにまた、パルス光Ｌｐのパルス幅は、その他の長さでもよく、例えば、１０［ナノ秒］以上１［ミリ秒］以下としてもよい。加えて、発光部２１０の駆動デューティは、その他の値でもよく、例えば、０．０１［％］以上１［％］以下としてもよい。
【０１０４】
＜第１受光装置１００Ａ＞
上述したので、ここではその重複説明を省略するが、図１４を用いて、回路構成としての第１受光装置１００Ａ、特に、第１受光部１０４Ａを説明する。
【０１０５】
すなわち、第１受光部１０４Ａは、図１４に示すように、上述した光電変換素子１０と、電荷集積部２６と、キャパシタＣａと、電荷排出部１０８と、第１スイッチング素子ＳＷ１と、第２スイッチング素子ＳＷ２とを備え、さらに、リセットスイッチＳＲと、アンプＡＰとを有する。
【０１０６】
（第１スイッチング素子ＳＷ１、キャパシタＣａ）
第１スイッチング素子ＳＷ１は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインがキャパシタＣａに接続され、ゲートが図示しないゲート駆動回路に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（読取信号Ｓｇ）に応じて第１スイッチング素子ＳＷ１のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子がキャパシタＣａに転送される。
【０１０７】
（第２スイッチング素子ＳＷ２、電荷排出部１０８）
第２スイッチング素子ＳＷ２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースに電荷集積部２６が接続され、ドレインに電荷排出部１０８が接続され、該電荷排出部１０８には、第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給されている。また、ゲートには図示しないゲート駆動回路が接続されている。従って、ゲート駆動回路からゲートにゲート駆動信号（電荷排出信号Ｓｅ）を供給すること（ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、ゲートをオンにし、電荷集積部２６に存在する光電子を、キャパシタＣａに転送することなく、電荷排出部１０８を通じて排出することができる。
【０１０８】
（リセットスイッチＳＲ）
リセットスイッチＳＲは、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースには第１スイッチング素子ＳＷ１とキャパシタＣａとの接点ａ１が接続され、ドレインには第２電源２０８Ｂからのリセット電圧Ｖｒが供給されている。また、ゲートには図示しないゲート駆動回路が接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（リセット信号Ｓｒ）によってリセットスイッチＳＲをオンにすることにより、キャパシタＣａの電位を一定のリセット電位にすることができる。すなわち、キャパシタＣａをリセットすることができる。
【０１０９】
（アンプＡＰ）
アンプＡＰは、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された出力素子ＴＲと、出力素子ＴＲのソースと出力ライン２１２との間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる出力スイッチＳＥＬとを有する。出力素子ＴＲのゲートには、第１スイッチング素子ＳＷ１とキャパシタＣａとの接点ａ１が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには出力スイッチＳＥＬのドレインが接続されている。出力スイッチＳＥＬは、ゲートに図示しないゲート駆動回路が接続され、ソースに出力ライン２１２が接続されている。
【０１１０】
従って、出力スイッチＳＥＬのゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（出力選択信号Ｓｓ）によって出力スイッチＳＥＬをオンにすることにより、キャパシタＣａに蓄積された光電子（電荷量Ｑ）に応じた電圧が出力素子ＴＲにて増幅されて出力電圧Ｖｏｕｔとして取り出されることになる。
【０１１１】
＜第１受光システム２００Ａの動作＞
次に、第１受光システム２００Ａの動作について図１５を参照しながら説明する。なお、図１５において、Ｖ１は光電変換素子１０（第１光電変換素子１０Ａ又は第２光電変換素子１０Ｂ）の第１電極１６ａに印加される第１電圧Ｖ１、Ｖ２は同じく第２電極１６ｂに印加される第２電圧を示す。また、発光装置２０２からのパルス光Ｌｐの発光時間はＷＬであり、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子がオンしている期間はそれぞれＷＤ１、ＷＤ２である。
【０１１２】
先ず、第１受光システム２００Ａの制御装置２０４は、一定の周期（サイクル）毎に発光装置２０２を駆動して、各サイクル毎に発光時間ＷＬのパルス光Ｌｐを放射する。発光装置２０２から出射されたパルス光Ｌｐ（放射光Ｌｅ）が被写体Ｗで反射し、反射光Ｌｒとして第１受光装置１００Ａに入射する。第１受光装置１００Ａに入射した光は光電変換素子１０にて光電子に変換されて電荷集積部２６に高速に転送される。
【０１１３】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、電荷集積部２６に転送された光電子をキャパシタＣａに転送する。すなわち、キャパシタＣａに転送された光電子は、入射した反射光Ｌｒを光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ）である。従って、電荷量Ｑによって、反射光強度の情報を取得することができる。
【０１１４】
なお、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンとなっていない場合に光電変換された光電子は、不要な光電子であるため、この不要な光電子を第２スイッチング素子ＳＷ２をオンにして電荷排出部１０８に排出する。
【０１１５】
ここで、第１受光システム２００Ａの具体的な動作タイミングについて図１５を参照しながら説明する。
【０１１６】
最初に、第１受光システム２００Ａの初期設定として、第２スイッチング素子ＳＷ２及びリセットスイッチＳＲを全てオンにし、第１スイッチング素子ＳＷ１及び出力スイッチＳＥＬを共にオフにする。これにより、光電変換素子１０に蓄積されている不要な光電子が排出されると共に、キャパシタＣａの電位がリセット電位Ｖｒに設定される。その後、リセットスイッチＳＲがオフとされる。
【０１１７】
初期設定が終了した後、反射光強度を取得するためのサイクルが１回のみ、あるいは複数回繰り返されることになる。
【０１１８】
各サイクルは、図１５に示すように、最初の時点ｔ１において、制御装置２０４による発光装置２０２の駆動によって、発光装置２０２から１つのパルス光Ｌｐが出射されることになる。従って、時点ｔ１で第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにし、該時点ｔ１から読取期間ＷＤ１にわたり第１スイッチング素子ＳＷ１をオン（第２スイッチング素子ＳＷ２はオフのまま）にする。また、時点ｔ１から光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２をそれぞれ高レベルＶＨ１及びＶＨ２にする。これにより、光電変換素子１０での光電変換によって得られた光電子が第１電極１６ａ下及び第２電極１６ｂ下に蓄積されることとなるが、その一部は、電荷集積部２６に向かって移動し、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じてキャパシタＣａに転送される。パルス光Ｌｐの放射期間ＷＬが経過した後の時点ｔ２において第２電圧Ｖ２が低レベルＶ２Ｌとなり、これによって形成されたポテンシャル勾配３４によって第２電極１６ｂ下の光電子が第１電極１６ａ下に高速に転送され、その後の時点ｔ３において第１電圧Ｖ１が低レベルＶ１Ｌになると、第１電極１６ａ下の光電子が電荷集積部２６に高速に転送され、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じてキャパシタＣａに転送される。
【０１１９】
その後の時点ｔ４において、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにし、該時点ｔ４から次のサイクルの開始時点までの期間（電荷排出期間ＷＤ２）にわたり第２スイッチング素子ＳＷ２をオン（第１スイッチング素子ＳＷ１はオフのまま）にする。これによって、電荷排出期間ＷＤ２において光電変換素子１０に発生した不要な光電子は第２スイッチング素子ＳＷ２及び電荷排出部１０８を介して排出される。なお、電荷排出期間ＷＤ２においても、光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を、期間ＷＤ１と同様に制御することで、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂを含む光電変換素子１０で発生した光電子を、光電変換素子１０に電荷が残らないように、電荷排出部１０８を介して排出させる。
【０１２０】
所定回数のサイクルが終了した段階で、出力スイッチＳＥＬをオンすることによって、出力ライン２１２には、キャパシタＣａに蓄積された光電子（電荷量Ｑ）に応じた電圧が出力素子ＴＲにて増幅されて出力電圧Ｖｏｕｔとして出力されることになる。出力電圧Ｖｏｕｔは図示しないＡ／Ｄ変換器にてデジタルデータに変換されて演算装置２０６に供給される。
【０１２１】
［第２受光システム２００Ｂ］
次に、第２の実施の形態に係る受光システム（以下、第２受光システム２００Ｂと記す）について図１３、図１６〜図２０を参照しながら説明する。図１９及び図２０において、Ｖ１は、第１光電変換素子１０Ａの場合の電圧Ｖ１、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第１電圧を示し、Ｖ２は、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第２電圧を示す。
【０１２２】
第２受光システム２００Ｂは、上述した第１受光システム２００Ａとほぼ同様の構成を有するが、図１３に示すように、第２受光装置１００Ｂを使用し、制御装置２０４によって、第２受光装置１００Ｂで受光された光から環境光Ｌｓの成分を除去して被写体Ｗからの反射光Ｌｒの成分を取得するように制御することで、環境光Ｌｓに依存しない反射光強度の情報を取得することができる点で異なる。
【０１２３】
＜環境光Ｌｓの影響を低減する基本原理＞
ここで、環境光Ｌｓの影響を低減する基本原理、特に、連続光を用いた場合の基本原理について、図１６〜図１８Ｂを参照しながら説明する。
【０１２４】
先ず、図１６に示すように、最初の１フレーム期間Ｆ１において、被写体Ｗに連続光を照射しないときの光電子を取り込み、該光電子から未照射時の輝度値を得、次の２フレーム期間Ｆ２において、被写体Ｗに連続光を照射したときの光電子を取り込み、該光電子から照射時の輝度値を得、これらの輝度値の差を取得することで、環境光Ｌｓ（主に太陽光成分）の影響を低減することができる。この場合、第１フレーム期間Ｆ１と第２フレーム期間Ｆ２の組み合わせを１サイクルとした場合、１サイクルに対する連続光のデューティ比は５０％となる。また、１つのフレーム期間としては、撮像装置による撮影期間である例えば１／６０［秒］が用いられる。
【０１２５】
そして、最初の１フレーム期間Ｆ１においては、連続光を出射せずに受光し、続く第２フレーム期間Ｆ２において、該第２フレーム期間Ｆ２にわたって連続光を出射させながら受光することから、この第１フレーム期間Ｆ１から第２フレーム期間Ｆ２にわたって、環境光によるノイズ成分も取り込まれることになる。
【０１２６】
従って、図１７Ａに示すように、第２フレーム期間Ｆ２の輝度値（信号光成分＋太陽光成分）から第１フレーム期間Ｆ１の輝度値（太陽光成分）を差し引くことによって、理想的には太陽光成分による影響が除去され、信号光成分のみが得られることになる。
【０１２７】
しかし、太陽光のような強い環境光が存在する環境では、光ショットノイズの影響があり、しかも、光ショットノイズは、ランダム性を有することから、上述した輝度値の差を演算するだけでは、環境光の影響の除去は十分ではないことがわかる。すなわち、図１７Ｂに示すように、第１フレーム期間Ｆ１で発生した光ショットノイズ成分と、第２フレーム期間Ｆ２で発生した光ショットノイズ成分が異なる場合、その差分が信号光成分に重畳されることになる。
【０１２８】
また、太陽光のような強い環境光が存在する環境では、例えば図１７Ａに示すように、信号光成分よりも太陽光成分が大きいことから（信号光成分のＳ／Ｎ比が低い）、信号光成分の入力ダイナミックレンジが小さくなるという問題がある。一般的な撮像素子は、入射光量に対する信号出力の有効範囲（ダイナミックレンジ）が限られており、太陽光が入射してしまうと、信号出力が飽和してしまう等の悪影響を及ぼすことが知られている。そこで、例えば図１８Ａに示すように、１つのサイクル（１フレーム期間Ｆ１と２フレーム期間Ｆ２での露光と、第２フレーム期間Ｆ２の輝度値（信号光成分＋太陽光成分）から第１フレーム期間Ｆ１の輝度値（太陽光成分）を差し引く動作）を複数回繰り返して信号光成分を蓄積することによって、信号光成分のＳ／Ｎ比を向上させることが考えられる。図１８Ａの例では３つのサイクル（サイクル１〜３）を示している。しかし、上述したように（図１７Ｂ参照）、各フレーム期間において、ランダムな光ショットノイズが入り込み、しかも、差演算においても、一部残存することから、図１８Ｂに示すように、信号光成分の蓄積と共に、残存するノイズ成分も蓄積することになり、差演算後のＳ／Ｎ比が低くなるという問題がある。
【０１２９】
信号光成分のＳ／Ｎ比を向上させるためには、連続光のパワーを高めることが考えられる。しかし、１つのフレーム期間にわたって連続光を出射させることから、発熱や消費電力が増加するという新たな問題が生じる。発熱に対しては例えば冷却機構を別途用意することで対応できるが、受光システムの製造コスト、ランニングコストが高くなり、サイズも大きくなるという問題がある。従って、連続光のパワーを上げることには限界がある。
【０１３０】
一方、上述した発光装置２０２では、発光部２１０から高い出力を有するパルス幅の短いパルス光Ｌｐを出射することから、該発光装置２０２を用いた第２受光システム２００Ｂでは、上述したような連続光による各種問題を解決することができる。
【０１３１】
［第２受光システム２００Ｂの詳細］
＜発光装置２０２＞
発光装置２０２は、第１受光システム２００Ａの発光装置２０２とほぼ同様の構成を有するため、その説明を省略する。
【０１３２】
＜第２受光装置１００Ｂ＞
上述したので（図１２参照）、ここではその重複説明を省略するが、図１９を用いて、回路構成として第２受光装置１００Ｂを説明する。
【０１３３】
すなわち、第２受光装置１００Ｂは、図１９に示すように、上述した光電変換素子１０、電荷集積部２６、第１キャパシタＣａ１、第２キャパシタＣａ２、電荷排出部１０８、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第３スイッチング素子ＳＷ３とを備え、さらに、第１リセットスイッチＳＲ１、第２リセットスイッチＳＲ２、第１アンプＡＰ１及び第２アンプＡＰ２を有する。
【０１３４】
（第１スイッチング素子ＳＷ１、第１キャパシタＣａ１）
第１スイッチング素子ＳＷ１は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインが第１キャパシタＣ１に接続され、ゲートが図示しないゲート駆動回路に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第１読取信号Ｓｇ１）に応じて第１スイッチング素子ＳＷ１のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子が第１キャパシタＣａ１に転送される。
【０１３５】
（第２スイッチング素子ＳＷ２、第２キャパシタＣａ２）
第２スイッチング素子ＳＷ２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインが第２キャパシタＣａ２に接続され、ゲートが図示しないゲート駆動回路に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第２読取信号Ｓｇ２）に応じて第２スイッチング素子ＳＷ２のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子が第２キャパシタＣａ２に転送される。
【０１３６】
（第３スイッチング素子ＳＷ３、電荷排出部１０８）
第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースに電荷集積部２６が接続され、ドレインに電荷排出部１０８が接続され、該電荷排出部１０８には、第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給されている。また、ゲートには図示しないゲート駆動回路が接続されている。従って、ゲート駆動回路からゲートにゲート駆動信号（電荷排出信号Ｓｅ）を供給することにより、ゲートをオンにし、電荷集積部２６に存在する光電子を、第１キャパシタＣａ１や第２キャパシタＣａ２に転送することなく、電荷排出部１０８を通じて排出することができる。
【０１３７】
（第１リセットスイッチＳＲ１、第２リセットスイッチＳＲ２）
第１リセットスイッチＳＲ１及び第２リセットスイッチＳＲ２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成されている。第１リセットスイッチＳＲ１のソースに第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣ１との接点ａ１が接続され、第２リセットスイッチＳＲ２のソースに第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣ２との接点ａ２が接続されている。各ドレインには第２電源２０８Ｂからのリセット電圧Ｖｒが供給され、各ゲートには図示しないゲート駆動回路が接続されている。従って、各ゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第１リセット信号Ｓｒ１及び第２リセット信号）によって第１リセットスイッチＳＲ１及び第２リセットスイッチＳＲ２を選択的に又は一斉にオンにすることにより、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２の電位をそれぞれ一定のリセット電位にすることができる。すなわち、第１キャパシタＣａ１及び第２リセットＣａ２をリセットすることができる。
【０１３８】
（第１アンプＡＰ１）
第１アンプＡＰ１は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第１出力素子ＴＲ１と、第１出力素子ＴＲ１のソースと第１出力ライン２１２ａとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第１出力スイッチＳＥＬ１とを有する。第１出力素子ＴＲ１のゲートには、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣ１との接点ａ１が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには第１出力スイッチＳＥＬ１のドレインが接続されている。第１出力スイッチＳＥＬ１は、ゲートに図示しないゲート駆動回路が接続され、ソースに第１出力ライン２１２ａが接続されている。従って、第１出力スイッチＳＥＬ１のゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第１出力選択信号Ｓｓ１）によって第１出力スイッチＳＥＬ１をオンにすることにより、第１キャパシタＣａ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧が第１出力素子ＴＲ１にて増幅されて第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として取り出されることになる。
【０１３９】
（第２アンプＡＰ２）
第２アンプＡＰ２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第２出力素子ＴＲ２と、第２出力素子ＴＲ２のソースと第２出力ライン２１２ｂとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第２出力スイッチＳＥＬ２とを有する。第２出力素子ＴＲ２のゲートには、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣａ２との接点ａ２が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには第２出力スイッチＳＥＬ２のドレインが接続されている。第２出力スイッチＳＥＬ２は、ゲートに図示しないゲート駆動回路が接続され、ソースに第２出力ライン２１２ｂが接続されている。従って、第２出力スイッチＳＥＬ２のゲートに対するゲート駆動回路からのゲート駆動信号（第２出力選択信号Ｓｓ２）によって第２出力スイッチＳＥＬ２をオンにすることにより、第２キャパシタＣａ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧が第２出力素子ＴＲ２にて増幅されて第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として取り出されることになる。
【０１４０】
＜第２受光システム２００Ｂの動作＞
次に、第２受光システム２００Ｂの動作について図２０を参照しながら説明する。なお、図２０において、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第３スイッチング素子ＳＷ３がオンしている期間はそれぞれＷＤ１〜ＷＤ３である。
【０１４１】
先ず、第２受光システム２００Ｂの制御装置２０４は、一定の周期（サイクル）毎に、ある一定期間ＷＳを置いて発光装置２０２を駆動して、各サイクル毎に発光時間ＷＬのパルス光Ｌｐを放射する。一定期間ＷＳは、環境光Ｌｓの輝度情報を読み取る期間であり、この一定期間ＷＳに第２受光装置１００Ｂに入射した光は光電変換素子１０にて光電子に変換されて電荷集積部２６に高速に転送される。
【０１４２】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、電荷集積部２６に転送された光電子を第１キャパシタＣａ１に転送する。すなわち、第１キャパシタＣａ１に転送された光電子は、入射した環境光Ｌｓを光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ１）である。従って、電荷量Ｑ１によって、環境光強度の情報を取得することができる。
【０１４３】
一定期間ＷＳ経過後に、発光装置２０２から出射されたパルス光Ｌｐ（放射光Ｌｅ）が被写体Ｗで反射し、反射光Ｌｒとして第２受光装置１００Ｂに入射する。第２受光装置１００Ｂに入射した光は光電変換素子１０にて光電子に変換されて電荷集積部２６に高速に転送される。
【０１４４】
第２スイッチング素子ＳＷ２は、電荷集積部２６に転送された光電子を第２キャパシタＣａ２に転送する。すなわち、第２キャパシタＣａ２に転送された光電子は、入射した環境光Ｌｓと反射光Ｌｒ（パルス光Ｌｐが被写体Ｗに反射したことによる反射光）を光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ２）である。
【０１４５】
従って、下記式（Ｆ１）に示すように、これら電荷量Ｑ１及びＱ２の差をとることによって、環境光に依存しない反射光強度の情報を取得することができる。
反射光強度＝Ｑ２−Ｑ１ ……（Ｆ１）
【０１４６】
なお、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が共にオンとなっていない（共にオフとなっている）場合に光電変換された光電子は、不要な光電子であるため、この不要な光電子を第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにして電荷排出部１０８に排出する。
【０１４７】
ここで、第２受光システム２００Ｂの具体的な動作タイミングについて図２０を参照しながら説明する。
【０１４８】
最初に、上述した第１受光システム２００Ａと同様に、第２受光システム２００Ｂの初期設定として、第３スイッチング素子ＳＷ３、第１リセットスイッチＳＲ１及び第２リセットスイッチＳＲ２を全てオンにし、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第１出力スイッチＳＥＬ１及び第２出力スイッチＳＥＬ２を共にオフにする。これにより、光電変換素子１０に蓄積されている不要な光電子が排出されると共に、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２の各電位がリセット電位に設定される。その後、第１リセットスイッチＳＲ１及び第２リセットスイッチＳＲ２がオフとされる。また、同時に、光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を、図２０の期間ＷＤ３に図示するタイミングと同様な動作で制御することで、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂを含む光電変換素子１０で発生した光電子を、光電変換素子１０に電荷が残らないように、電荷排出部１０８を介して排出させ光電変換素子１０を初期化する。
【０１４９】
初期設定が終了した後、反射光強度を取得するためのサイクルが１回のみ、あるいは複数回繰り返されることになる。
【０１５０】
各サイクルは、図２０に示すように、第１受光システム２００Ａの場合とは異なり、最初の時点ｔ１から一定期間ＷＳを置いて、制御装置２０４による発光装置２０２の駆動によって、発光装置２０２から１つのパルス光Ｌｐが出射されることになる。従って、一定期間ＷＳは、上述したように環境光Ｌｓを取り込む期間となる。
【０１５１】
そして、時点ｔ１で第３スイッチング素子ＳＷ３をオフにし、該時点ｔ１から第１読取期間ＷＤ１にわたり第１スイッチング素子ＳＷ１をオン（第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３はオフのまま）にする。また、上述した第１受光システム２００Ａと同様に、時点ｔ１から光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２をそれぞれ高レベルＶＨ１及びＶＨ２にし、その後の時点ｔ２において第２電圧Ｖ２を低レベルＶ２Ｌにし、その後の時点ｔ３において第１電圧Ｖ１を低レベルＶ１Ｌにする。この一連の電圧変化によって、第２電極１６ｂ下の光電子が第１電極１６ａ下に高速に移動し、第１電極１６ａ下の光電子が電荷集積部２６に高速に転送され、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じて第１キャパシタＣａ１に転送される。
【０１５２】
その後の時点ｔ４において、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにすると共に、発光装置２０２から１つのパルス光Ｌｐを出射させる。また、時点ｔ４から第２読取期間ＷＤ２にわたり第２スイッチング素子ＳＷ２をオン（第１スイッチング素子ＳＷ１及び第３スイッチング素子ＳＷ３はオフのまま）にする。また、時点ｔ４から光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２をそれぞれ高レベルＶＨ１及びＶＨ２にし、その後の時点ｔ５において第２電圧Ｖ２を低レベルＶ２Ｌにし、その後の時点ｔ６において第１電圧Ｖ１を低レベルＶ１Ｌにする。この一連の電圧変化によって、第２電極１６ｂ下の光電子が第１電極１６ａ下に高速に移動し、第１電極１６ａ下の光電子が電荷集積部２６に高速に転送され、第２スイッチング素子ＳＷ２を通じて第２キャパシタＣａ２に転送される。
【０１５３】
その後の時点ｔ７において、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにし、該時点ｔ７から次のサイクルの開始時点までの期間（電荷排出期間ＷＤ３）にわたり第３スイッチング素子ＳＷ３をオン（第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子は共にオフのまま）にする。これによって、電荷排出期間ＷＤ３において光電変換素子１０に発生した不要な光電子は第３スイッチング素子ＳＷ３及び電荷排出部１０８を介して排出される。
【０１５４】
所定回数のサイクルが終了した段階で、第１出力スイッチＳＥＬ１をオンすることによって、第１出力ライン２１２ａには、第１キャパシタＣａ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧が第１出力素子ＴＲ１にて増幅されて第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として出力され、その後、第２出力スイッチＳＥＬ２をオンすることによって、第２出力ライン２１２ｂには、第２キャパシタＣａ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧が第２出力素子ＴＲ２にて増幅されて第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力されることになる。
【０１５５】
第１出力ライン２１２ａ及び第２出力ライン２１２ｂから出力された第１出力電圧Ｖｏｕｔ１及び第２出力電圧Ｖｏｕｔ２は、図示しないＡ／Ｄ変換器にてそれぞれデジタルの第１数値データＤ１及び第２数値データＤ２に変換されて演算装置２０６に供給される。
【０１５６】
演算装置２０６では、供給された第１数値データＤ１及び第２数値データＤ２に基づいて下記式（Ｆ２）を演算することによって、反射光強度データＤｒを得る。
Ｄｒ＝Ｄ２−Ｄ１ ………（Ｆ２）
【０１５７】
上述した発光装置２０２は、パルス光Ｌｐのパルス幅を１［ナノ秒］より長く、且つ、０．２５［秒］未満としているため、パルス光Ｌｐのパルス幅を１フレーム期間の１［％］以下、例えば０．１［％］以下の時間的長さに設定することが可能である。つまり、パルス幅を大幅に短く設定することができることから、１つのパルス光Ｌｐのパワーを高くすることができ、環境光成分に対する反射光成分（信号光）のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。第２読取期間ＷＤ２もパルス光Ｌｐのパルス幅に合わせて短く設定することができ、しかも、環境光Ｌｓのみを読み取る第１読取期間ＷＤ１を上述した第２読取期間ＷＤ２と同じ時間的長さにできる等、読取時間を短くすることができるため、環境光Ｌｓの入射光量を低減でき、環境光Ｌｓに起因する光ショットノイズ成分を低減することができる。
【０１５８】
また、第１読取期間ＷＤ１と第２読取期間ＷＤ２に挟まれる時間的長さをほぼ０にすることができることから、被写体Ｗにパルス光Ｌｐを照射しない期間（第１読取期間ＷＤ１）における光電子の取り込み（未放射時の輝度値の取得）と、パルス光Ｌｐを照射した期間（第２読取期間ＷＤ２）における光電子の取り込み（放射時の輝度値の取得）を、短時間に切り換えることが可能となり、未放射時の輝度値と放射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。
【０１５９】
また、上述したサイクルを複数回繰り返す場合は、第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２に蓄積される光電子の量を増やすことができる。この場合においても、パルス光列のパルス周期に対するパルス光Ｌｐのデューティ比が１［％］以下（例えば０．１［％］以下）に設定されることから、パルス光列に含まれる各パルス光Ｌｐのパワーを連続光よりも高くすることが可能となり、各パルス幅での環境光Ｌｓ（ノイズ成分）に対する反射光Ｌｒ（信号光成分）のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。このように、パルス光Ｌｐのデューティ比を小さくすることで、大きな出力を有したパルス光を用いても、発光休止時に放熱させることができるため、放熱特性を良好にできる。しかも、複数サイクルにわたって第１キャパシタＣａ１及び第２キャパシタＣａ２にそれぞれ光電子を蓄積することから、信号光成分を増やすことができ、その後の信号処理の精度を高めることが可能となる。また、各サイクルにおいて、第１読取期間ＷＤ１における光電子の取り込みと、第２読取期間ＷＤ２における光電子の取り込みを、短時間に切り換えることができるため、未放射時の輝度値と放射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。
【０１６０】
［第１測距装置３００Ａ］
次に、第１の実施の形態に係る測距装置（以下、第１測距装置３００Ａと記す）について図２１〜図２６を参照しながら説明する。図２３において、Ｖ１は、第１光電変換素子１０Ａの場合の電圧Ｖ１、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第１電圧を示し、Ｖ２は、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第２電圧を示す。
【０１６１】
第１測距装置３００Ａは、後述するイメージセンサ３０２の各画素３０４の出力に基づき測定した距離を用いた三次元画像を取得するものであり、上述した発光装置２０２、制御装置２０４、演算装置２０６、第１電源２０８Ａ及び第２電源２０８Ｂに加えて、第３受光装置１００Ｃとを有する。
【０１６２】
第１測距装置３００Ａでは、制御装置２０４からの指令に応じて発光装置２０２の発光部２１０から出射されたパルス光Ｌｐが対象物Ｗで反射し、第３受光装置１００Ｃに入射する。第３受光装置１００Ｃには、太陽光等の環境光Ｌｓも入射する。第３受光装置１００Ｃは、制御装置２０４からの指令に基づき受光量に応じた電荷を示す信号（蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２）を演算装置２０６に出力する。演算装置２０６は、パルス光Ｌｐが発光装置２０２から第３受光装置１００Ｃまで到達する期間（往復期間ΔＰ）［ｓ］を算出し、この往復期間ΔＰに基づいて第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄ［ｍ］を演算する。演算装置２０６の演算結果は、例えば、図示しない表示装置に出力される。
【０１６３】
＜第３受光装置１００Ｃ＞
第３受光装置１００Ｃは、レンズ１０２と、第３受光部１０４Ｃとを有する。レンズ１０２を通過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、第３受光部１０４Ｃに集光される。レンズ１０２は、直線状又はマトリックス状に配列された複数のレンズであってもよい。
【０１６４】
第３受光部１０４Ｃは、図２２に示すように、マトリックス状に画素３０４が配置されたイメージセンサ３０２と、ゲート駆動回路３０６と、垂直選択回路３０８と、サンプルホールド回路３１０と、水平選択回路３１２と、出力バッファ３１４と、Ａ／Ｄ変換器３１６とを有する。
【０１６５】
イメージセンサ３０２は、各画素３０４の受光量に応じた蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２を水平選択回路３１２を介して出力する。第１電源２０８Ａは、イメージセンサ３０２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加し、第２電源２０８Ｂは、イメージセンサ３０２に対してリセット電圧Ｖｒを印加する。
【０１６６】
ゲート駆動回路３０６は、各種ゲート駆動信号を出力することによりイメージセンサ３０２の第１スイッチング素子ＳＷ１〜第５スイッチング素子ＳＷ５（図２３参照）、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４を選択的にオン／オフ制御する。
【０１６７】
垂直選択回路３０８は、マルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素３０４が属する行に対して選択的に第１出力選択信号Ｓｓ１〜第４出力選択信号Ｓｓ４を出力し、当該画素３０４から蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２を出力させる。水平選択回路３１２は、別のマルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素３０４が属する列を選択する。
【０１６８】
図２３に示すように、画素３０４から読み出された蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２は、第１定電流回路５８ａ、第２定電流回路５８ｂにより、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１及び第２出力電圧Ｖｏｕｔ２、第３出力電圧Ｖｏｕｔ３及び第４出力電圧Ｖｏｕｔ４に変換され、サンプルホールド回路３１０に一旦蓄積された後、水平選択回路３１２から出力される。そして、蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２は、出力バッファ３１４及びＡ／Ｄ変換器３１６を介して演算装置２０６に送信される。この蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２を受信した演算装置２０６は、蓄積電荷信号Ｓｃ１、Ｓｃ２から反射光Ｌｒの光量（光量Ａｒ）を判定して、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを演算する（詳細は後述する。）。
【０１６９】
＜画素３０４＞
図２３には、１つの画素３０４の回路図が示されている。図２３に示すように、画素３０４は、上述した光電変換素子１０、電荷集積部２６、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４、電荷排出部１０８、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第５スイッチング素子ＳＷ５とを備え、さらに、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４、第１アンプＡＰ１〜第４アンプＡＰ４を有する。図２３において、回路図を見易くするために、電荷集積部２６を２つの接点で示したが、実際には１つの電荷集積部２６にて構成されるものである。また、第１キャパシタＣａ１と第３キャパシタＣａ３は、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に配置され、第２キャパシタＣａ２と第４キャパシタＣａ４も、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に配置されている。同様に、第１キャパシタＣａ１と第２キャパシタＣａ２も、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に配置され、第３キャパシタＣａ３と第４キャパシタＣａ４も、電荷集積部２６の中心に対して線対称の位置に配置されている。
【０１７０】
（第１スイッチング素子ＳＷ１、第１キャパシタＣａ１）
上述した第２受光装置１００Ｂの第１スイッチング素子ＳＷ１及び第１キャパシタＣａ１と同様の構成を有するため、ここではその説明を省略する。
【０１７１】
（第２スイッチング素子、第２キャパシタ）
上述した第２受光装置１００Ｂの第２スイッチング素子ＳＷ２及び第２キャパシタＣａ２と同様の構成を有するため、ここではその説明を省略する。
【０１７２】
（第３スイッチング素子ＳＷ３、第３キャパシタＣａ３）
第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインが第３キャパシタＣａ３に接続され、ゲートがゲート駆動回路３０６に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第３読取信号Ｓｇ３）に応じて第３スイッチング素子ＳＷ３のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子が第３キャパシタＣａ３に転送される。
【０１７３】
（第４スイッチング素子ＳＷ４、第４キャパシタＣａ４）
第４スイッチング素子ＳＷ４は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが電荷集積部２６に接続され、ドレインが第４キャパシタＣ１に接続され、ゲートがゲート駆動回路３０６に接続されている。従って、ゲートに対するゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第４読取信号Ｓｇ４）に応じて第４スイッチング素子ＳＷ４のオン・オフを選択的に制御することにより、電荷集積部２６に存在する光電子が第４キャパシタＣａ４に転送される。
【０１７４】
（第５スイッチング素子ＳＷ５、電荷排出部１０８）
第５スイッチング素子ＳＷ５は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースに電荷集積部２６が接続され、ドレインに電荷排出部１０８が接続され、該電荷排出部１０８には、第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給されている。また、ゲートにはゲート駆動回路３０６からの電荷排出信号Ｓｅが供給されるようになっている。
【０１７５】
従って、ゲートに電荷排出信号Ｓｅを供給すること（ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、ゲートをオンにし、電荷集積部２６に存在する不要な光電子を、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に転送することなく、電荷排出部１０８を通じて排出することができる。
【０１７６】
すなわち、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４の全てがオフにされているとき（光電変換素子１０で発生した光電子を第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に振り分けないとき）に、ゲート駆動回路３０６から第５スイッチング素子ＳＷ５のゲートに電荷排出信号Ｓｅを送信すること（ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにし、光電変換素子１０で発生した不要な光電子を、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に振り分けることなく、電荷排出部１０８に排出することができる。これにより、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４には、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４がオンしている期間に光電変換素子１０で発生した光電子のみを振り分けることが可能となる。その結果、後述する方法により、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを測定することが可能となる。
【０１７７】
（第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４）
第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成されている。第１リセットスイッチＳＲ１のソースに第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣａ１との接点ａ１が接続され、第２リセットスイッチＳＲ２のソースに第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣａ２との接点ａ２が接続されている。同様に、第３リセットスイッチＳＲ３のソースに第３スイッチング素子ＳＷ３と第３キャパシタＣａ３との接点ａ３が接続され、第４リセットスイッチＳＲ４のソースに第４スイッチング素子ＳＷ４と第４キャパシタＣａ４との接点ａ４が接続されている。各ドレインには第２電源２０８Ｂからのリセット電圧Ｖｒが供給され、各ゲートにはゲート駆動回路３０６が接続されている。
【０１７８】
従って、各ゲートに対するゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第１リセット信号Ｓｒ１〜第４リセット信号Ｓｒ４）によって第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４を選択的に又は一斉にオンにすることにより、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４の電位をそれぞれ一定のリセット電位にすることができる。すなわち、第１キャパシタＣａ１〜第４リセットＣａ４をリセットすることができる。
【０１７９】
（第１アンプＡＰ１、第２アンプＡＰ２）
上述した第２受光装置１００Ｂの第１アンプＡＰ１及び第２アンプＡＰ２と同様の構成を有するため、ここではその詳細説明を省略するが、第１アンプＡＰ１の第１出力スイッチＳＥＬ１のソースが第１出力ライン２１２ａに接続され、ゲートには垂直選択回路３０８からの第１出力選択信号Ｓｓ１が供給されるようになっている。同様に、第２アンプＡＰ２の第２出力スイッチＳＥＬ２のソースが第１出力ライン２１２ａに接続され、ゲートには垂直選択回路３０８からの第２出力選択信号Ｓｓ２が供給されるようになっている。
【０１８０】
従って、第１出力スイッチＳＥＬ１のゲートに対する第１出力選択信号Ｓｓ１によって第１出力スイッチＳＥＬ１をオンにすることにより、第１キャパシタＣａ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧が第１出力素子ＴＲ１にて増幅され、第１出力ライン２１２ａを介して第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として取り出されることになる。同様に、第２出力スイッチＳＥＬ２のゲートに対する第２出力選択信号Ｓｓ２によって第２出力スイッチＳＥＬ２をオンにすることにより、第２キャパシタＣａ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧が第２出力素子ＴＲ２にて増幅され、第１出力ライン２１２ａを介して第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として取り出されることになる。
【０１８１】
（第３アンプＡＰ３）
第３アンプＡＰ３は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第３出力素子ＴＲ３と、第３出力素子ＴＲ３のソースと第２出力ライン２１２ｂとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第３出力スイッチＳＥＬ３とを有する。第３出力素子ＴＲ３のゲートには、第３スイッチング素子ＳＷ３と第３キャパシタＣａ３との接点ａ３が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには第３出力スイッチＳＥＬ３のドレインが接続されている。第３出力スイッチＳＥＬ３は、ソースに第２出力ライン２１２ｂが接続され、ゲートには、垂直選択回路３０８からの第１出力選択信号Ｓｓ３が供給されるようになっている。
【０１８２】
従って、第３出力スイッチＳＥＬ３のゲートに対する第３出力選択信号Ｓｓ３によって第３出力スイッチＳＥＬ３をオンにすることにより、第３キャパシタＣａ３に蓄積された光電子（電荷量Ｑ３）に応じた電圧が第３出力素子ＴＲ３にて増幅され、第２出力ライン２１２ｂを介して第３出力電圧Ｖｏｕｔ３として取り出されることになる。
【０１８３】
（第４アンプＡＰ４）
第４アンプＡＰ４は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第４出力素子ＴＲ４と、第４出力素子ＴＲ４のソースと第２出力ライン２１２ｂとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第４出力スイッチＳＥＬ４とを有する。第４出力素子ＴＲ４のゲートには、第４スイッチング素子ＳＷ４と第４キャパシタＣａ４との接点ａ４が接続され、ドレインには第１電源２０８Ａからの正の電源電圧Ｖｄｄが供給され、ソースには第４出力スイッチＳＥＬ４のドレインが接続されている。第４出力スイッチＳＥＬ４は、ソースに第２出力ライン２１２ｂが接続され、ゲートには、垂直選択回路３０８からの第４出力選択信号Ｓｓ４が供給されるようになっている。
【０１８４】
従って、第４出力スイッチＳＥＬ４のゲートに対する第４出力選択信号Ｓｓ４によって第４出力スイッチＳＥＬ４をオンにすることにより、第４キャパシタＣａ４に蓄積された光電子（電荷量Ｑ４）に応じた電圧が第４出力素子ＴＲ４にて増幅され、第２出力ライン２１２ｂを介して第４出力電圧Ｖｏｕｔ４として取り出されることになる。
【０１８５】
［第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄの測定方法］
次に、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを測定する方法について説明する。
【０１８６】
（１）サイクルＣｍ
図２４に示すように、第１測距装置３００Ａでは、各サイクルＣｍ（測定値を求める周期）［回／ｓ］は、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に電荷を累積的に蓄積する第１蓄積期間Ｔｃａ１と、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に累積的に蓄積された電荷を読み出す読出期間Ｔｒとからなる。さらに、第１蓄積期間Ｔｃａ１は、画素３０４にパルス光Ｌｐを露光し、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に電荷を蓄積する処理（電荷蓄積処理）を１回行うための第２蓄積期間Ｔｃａ２を複数含む。第１測距装置３００Ａにおいて、第１蓄積期間Ｔｃａ１及び読出期間Ｔｒは、１０［ミリ秒］である。また、各第２蓄積期間Ｔｃａ２は、１００［マイクロ秒］である。さらに、各第２蓄積期間Ｔｃａ２におけるパルス光Ｌｐの出力時間（パルス幅）は、１００［ナノ秒］である。従って、各第２蓄積期間Ｔｃａ２における発光部２１０の駆動デューティは、０．１［％］である。
【０１８７】
なお、上述したように、第１測距装置３００Ａは、測定結果を三次元画像として出力可能であるため、各サイクルＣｍは、三次元画像のフレームレート［フレーム／ｓ］としても定義可能である。
【０１８８】
第１測距装置３００Ａでは、第１蓄積期間Ｔｃａ１において電荷蓄積処理を１００回行い、これに伴って、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを測定する。
【０１８９】
（２）測定方法の概要（１つの電荷蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合）
上記のように、第１測距装置３００Ａでは、第１蓄積期間Ｔｃａ１全体で第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを測定するが、発明の理解を容易化するため、以下では、先ずは、１つの第２蓄積期間Ｔｃａ２のみで第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを求める場合を説明する。
【０１９０】
図２５には、第２蓄積期間Ｔｃａ２における放射光Ｌｅ、反射光Ｌｒ、並びに第１スイッチング素子ＳＷ１〜第５スイッチング素子ＳＷ５のオン／オフのタイミングチャートが示されている。
【０１９１】
詳細は後述するが、第１測距装置３００Ａでは、反射光Ｌｒの強度Ｉｒ［Ｗ］が一定であれば、反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射した期間（反射光入射期間Ｐｒｉ）［ｓ］と、反射光入射期間Ｐｒｉにおける反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）［Ｊ］とが比例関係にあることを利用して、距離Ｄを測定する。
【０１９２】
すなわち、第１基準期間としての期間Ｐ１において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射しているときの累積光量（環境光基準光量Ａｒｓ）［Ｊ］（第１キャパシタＣａ１の電荷量Ｑ１）を求め、第２基準期間としての期間Ｐ３（＝Ｐ１）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射しているときの累積光量（合成光基準光量Ａｒｉ）［Ｊ］（第３キャパシタＣａ３の電荷量Ｑ３）を求める。また、第１測定期間としての期間Ｐ２において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射しているときの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）［Ｊ］（第２キャパシタＣａ２の電荷量Ｑ２）を求め、第２測定期間としての期間Ｐ４（＝Ｐ２）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射しているときの累積光量（合成光測定光量Ａｍｉ）［Ｊ］（第４キャパシタＣａ４の電荷量Ｑ４）を求める。期間Ｐ４では、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒの両方が入射する期間（期間Ｐｓｒ）［ｓ］と、環境光Ｌｓのみが入射する期間（期間Ｐｓ）［ｓ］が存在する。期間Ｐｓｒは、対象物Ｗまでの距離Ｄに比例する。
【０１９３】
ここで、合成光基準光量Ａｒｉと環境光基準光量Ａｒｓとの差（反射光基準光量Ａｒｒ）［Ｊ］と合成光測定光量Ａｍｉと環境光測定光量Ａｍｓとの差（反射光測定光量Ａｍｒ）［Ｊ］との比（Ａｒｉ―Ａｒｓ：Ａｍｉ―Ａｍｓ）と、期間Ｐ３（＝Ｐ１）と反射光入射期間Ｐｒｉとの比（Ｐ３：Ｐｒｉ）とが等しい。これを利用して、第１測距装置３００Ａから出射されたパルス光Ｌｐが対象物Ｗに当たって第１測距装置３００Ａに戻って来るまでの期間（往復期間ΔＰ）を求める。そして、往復期間ΔＰに基づいて第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを測定する。
【０１９４】
（３）測定方法の詳細（１つの第２蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合）
（ａ）タイミングチャートの説明
図２５において、時点Ｔｅｕは、放射光Ｌｅの放射開始時点を、時点Ｔｅｄは、放射光Ｌｅの放射終了時点を、期間Ｐｅは、時点Ｔｅｕから時点Ｔｅｄまでの期間を示す。時点Ｔｒｕは、光電変換素子１０に対する反射光Ｌｒの入射開始時点を、時点Ｔｒｄは、光電変換素子１０に対する反射光Ｌｒの入射終了時点を、期間Ｐｒは、時点Ｔｒｕから時点Ｔｒｄまでの期間を示す。
【０１９５】
時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕは、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオンする時点を、ここから時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄは、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオフする時点を、期間Ｐ１は、時点Ｔｇ１ｕから時点Ｔｇ１ｄまでの期間を、期間Ｐ２は、時点Ｔｇ２ｕから時点Ｔｇ２ｄまでの期間を、期間Ｐ３は、時点Ｔｇ３ｕから時点Ｔｇ３ｄまでの期間を、期間Ｐ４は、時点Ｔｇ４ｕから時点Ｔｇ４ｄまでの期間を示す。期間Ｐｓｒは、時点Ｔｇ４ｕから時点Ｔｒｄまでの期間を、期間Ｐｓは、時点Ｔｒｄから時点Ｔｇ４ｄまでの期間を示す。
【０１９６】
時点Ｔｄ１ｕ、Ｔｄ２ｕは、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンする時点を、時点Ｔｄ１ｄ、Ｔｄ２ｄは、第５スイッチング素子ＳＷ５をオフする時点を、期間Ｐ５は、時点Ｔｄ１ｕから時点Ｔｄ１ｄまでの期間を、期間Ｐ６は、時点Ｔｄ２ｕから時点Ｔｄ２ｄまでの期間を示す。
【０１９７】
反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射している期間Ｐｒは、時点Ｔｅｕから時点Ｔｒｕまで又は時点Ｔｅｄから時点Ｔｒｄまでの遅れ（往復期間ΔＰ）が発生するものの、期間Ｐｅと等しく（Ｐｅ＝Ｐｒ）、例えば、１０［ナノ秒］以上１［マイクロ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、１００［ナノ秒］である。また、制御装置２０４において、期間Ｐ１と期間Ｐ３及び期間Ｐ２と期間Ｐ４はそれぞれ等しく設定される（Ｐ１＝Ｐ３及びＰ２＝Ｐ４）。期間Ｐ１、Ｐ３は、例えば、１０［ナノ秒］以上９０［ナノ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、３０［ナノ秒］である。期間Ｐ２は、例えば、１０［ナノ秒］以上９０［ナノ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、７０［ナノ秒］である。また、期間Ｐ５は、例えば、０［秒］以上９０［ナノ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、７０［ナノ秒］である。期間Ｐ６は、例えば、１０［マイクロ秒］以上１［ミリ秒］以下に設定可能であり、第１測距装置３００Ａでは、約１００［マイクロ秒］である。このため、期間Ｐ１〜Ｐ６のうち期間Ｐ６が非常に長い。
【０１９８】
図２５からわかるように、第１測距装置３００Ａの第２蓄積期間Ｔｃａ２では、先ず、第１スイッチング素子ＳＷ１をオンにし（期間Ｐ１）、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにするのと同時に第２スイッチング素子ＳＷ２をオンにする（期間Ｐ２）。第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにするのと同時に対象物Ｗに対して放射光Ｌｅを出射し、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンする（期間Ｐ５）。放射光Ｌｅの出力中（期間Ｐｅ）、光電変換素子１０に対する反射光Ｌｒの入射が開始する（時点Ｔｒｕ）。放射光Ｌｅの出射開始（時点Ｔｅｕ）から期間Ｐ５経過後に第５スイッチング素子ＳＷ５をオフにすると共に第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにする（期間Ｐ３）。期間Ｐｅの経過後に、放射光Ｌｅの出射を終了すると共に第３スイッチング素子ＳＷ３をオフにし、第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにする（期間Ｐ４）。第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにしている間（期間Ｐ４）、光電変換素子１０に対する反射光Ｌｒの入射が終了する（時点Ｔｒｄ）。換言すると、期間Ｐ４が、第１測距装置３００Ａの測定レンジ（測定可能な距離の範囲）［ｍ］を規定する。第４スイッチング素子ＳＷ４をオフにするのと同時に第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにする（期間Ｐ６）。期間Ｐ６が経過すると第５スイッチング素子ＳＷ５をオフにし、１回の第２蓄積期間Ｔｃａ２を終了する（時点Ｔｄ２ｄ）。それと同時に、次の第２蓄積期間Ｔｃａ２が開始され、第１スイッチング素子ＳＷ１はオンとなる（時点Ｔｇ１ｕ）。なお、第３受光装置１００Ｃ及び発光装置２０２の各部位の制御は、制御装置２０４において行われる。また、制御装置２０４を半導体プロセスにて作製する場合は、温度補償等の観点から、第３受光部１０４Ｃと共に同一のシリコン基板上にＣＭＯＳプロセスで作製することが望ましい。
【０１９９】
（ｂ）測定原理の説明
（ｉ）反射光基準光量Ａｒｒの演算
第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとがそれぞれ固定されていれば、対象物Ｗで反射して第１測距装置３００Ａに戻って来る反射光Ｌｒは、一定の強度（単位時間当たりの光量）であると言える。また、期間Ｐ１は、環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射する期間に設定されるため、第１キャパシタＣａ１には、環境光Ｌｓのみに伴う光電子が蓄積される。一方、期間Ｐ３は、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が光電変換素子１０に入射する期間に設定されるため、第３キャパシタＣａ３には、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方に伴う光電子が蓄積される。さらに、期間Ｐ１と期間Ｐ３は同じ長さである。
【０２００】
このため、第３キャパシタＣａ３に蓄積されている電荷量Ｑ３と第１キャパシタＣａ１に蓄積されている電荷量Ｑ１との差は、期間Ｐ３（＝期間Ｐ１）における反射光Ｌｒの累積光量（反射光基準光量Ａｒｒ）を示す。
【０２０１】
（ｉｉ）反射光測定光量Ａｍｒ及び往復期間ΔＰの演算
第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとがそれぞれ固定されていれば、対象物Ｗで反射して第１測距装置３００Ａに戻って来る反射光Ｌｒは、一定の強度であると言える。また、期間Ｐ２は、環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射する期間に設定されるため、第２キャパシタＣａ２には、環境光Ｌｓのみに伴う光電子が蓄積される。一方、期間Ｐ４は、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射する期間（期間Ｐｓｒ）と環境光Ｌｓのみが光電変換素子１０に入射する期間（期間Ｐｓ）の両方を含む期間に設定されるため、第４キャパシタＣａ４には、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方に伴う光電子が蓄積される。さらに、期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さである。
【０２０２】
このため、第４キャパシタＣａ４に蓄積されている電荷量Ｑ４と第２キャパシタＣａ２に蓄積されている電荷量Ｑ２との差は、期間Ｐ４（＝期間Ｐ２）における反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）を示す。ここで、第１測距装置３００Ａでは、期間Ｐ４は、放射光Ｌｅの出射を終了する時点Ｔｅｄと同時に開始される。このため、期間Ｐ４では、パルス往復期間ΔＰに対応する反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射し、第４キャパシタＣａ４に光電子が蓄積される。従って、第４キャパシタＣａ４に蓄積されている電荷量Ｑ４は、期間Ｐ４全体における環境光Ｌｓの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）と、往復期間ΔＰにおける反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）との和（合成光測定光量Ａｍｉ）に対応するものである。このため、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２との差は、反射光測定光量Ａｍｒに対応する電荷量を示す。ここで、往復期間ΔＰは、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄに依存する。このため、反射光測定光量Ａｍｒ（電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差に対応）と反射光基準光量Ａｒｒ（電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差に対応）との比は、往復期間ΔＰと期間Ｐ３（＝期間Ｐ１）との比に等しい（Ａｍｒ：Ａｒｒ＝Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１＝ΔＰ：Ｐ３）。従って、下記の式（Ｆ３）により往復期間ΔＰを演算することができる。
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ……（Ｆ３）
【０２０３】
（ｉｉｉ）距離Ｄの演算
往復期間ΔＰがわかれば、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄは、下記の式（Ｆ４）により演算することができる。なお、式（Ｆ４）において、ｃは、光速（約３０万［キロメートル毎秒］）を示す定数であり、また、ｃ×ΔＰを２で割っているのは、往復期間ΔＰにおいて、パルス光Ｌｐは、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの間を往復し、距離Ｄの２倍の距離を進んでいるためである。
Ｄ＝ｃ×ΔＰ／２ ……（Ｆ４）
【０２０４】
（ｉｖ）その他
画素３０４の初期設定（リセット動作）としては、下記のような処理がなされる。すなわち、先ず、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４に対して第１リセット信号Ｓｒ１〜第４リセット信号Ｓｒ４を送信すること（第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４の各ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）に応じて第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４を一斉にオンにする。同時に、第５スイッチング素子ＳＷ５に電荷排出信号Ｓｄｅを送信すること（第５スイッチング素子ＳＷ５のゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにする。このとき、第５スイッチング素子ＳＷ５と、光電変換素子１０の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂに供給される第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を、上述した図２０の期間ＷＤ３に図示するタイミングと同様な動作で制御することで、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂを含む光電変換素子１０で発生した光電子を、光電変換素子１０に電荷が残らないように電荷排出部１０８を介して排出させ、光電変換素子１０を初期化する（ただし、図２０におけるＳＷ３は、画素３０４においては、ＳＷ５に相当する）。
【０２０５】
さらに、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４に対してゲート駆動信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４は送信されず（第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４の各ゲートに供給される電圧を低レベルにし）、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオフにしておく。この処理により、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４は、リセット電位に設定される。この後、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４に対する第１リセット信号Ｓｒ１〜第４リセット信号Ｓｒ４の送信を停止し（第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４の各ゲートに供給される電圧を低レベルにし）た後、上述した図２５に示すタイミングでの処理が行われる。
【０２０６】
（４）測定方法の詳細（第１蓄積期間Ｔｃａ１を対象とした場合）
上記項目（２）、（３）では、１個の第２蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合を説明したが、第１測距装置３００Ａでは、１００個の第２蓄積期間Ｔｃａ２（すなわち、第１蓄積期間Ｔｃａ１）において第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積した電荷量Ｑ１〜Ｑ４（ここでは、「電荷量ｓＱ１〜ｓＱ４」と称する。）を用いて、上記と同様に往復期間ΔＰを演算する。
【０２０７】
電荷量ｓＱ１は、第１番目から第１００番目までの各第２蓄積期間Ｔｃａ２で第１キャパシタＣａ１に蓄積された電荷量Ｑ１の合計である。同様に、電荷量ｓＱ２〜ｓＱ４は、第１番目から第１００番目までの各第２蓄積期間Ｔｃａ２で第２キャパシタＣａ２〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量Ｑ２〜Ｑ４の合計である。
【０２０８】
この場合、上述した式（Ｆ３）に準じた下記の式（Ｆ５）により往復期間ΔＰを演算することができる。
ΔＰ＝｛（ｓＱ４−ｓＱ２）／（ｓＱ３−ｓＱ１）｝×Ｐ３ ……（Ｆ５）
【０２０９】
上記式（Ｆ５）にて求めた往復距離ΔＰに基づいて、上述した式（Ｆ４）によって、第１測距装置３００Ａと対象物Ｗとの距離Ｄを求めることができる。これらの演算は、演算装置２０６にて求めることができる。
【０２１０】
このように、１００個の第２蓄積期間Ｔｃａ２に、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に蓄積された電荷量ｓＱ１〜ｓＱ４によって距離を求めるようにすれば、信号光成分を増やすことができ、その後の信号処理の精度（距離演算の精度）を高めることが可能となる。
【０２１１】
（５）その他
なお、第１測距装置３００Ａでは、複数の画素３０４それぞれにおいて電荷量Ｑ１〜Ｑ４（電荷情報）を用いて、距離Ｄを測定する。これにより、各画素３０４の距離情報を組み合わせることにより３次元画像を得ることができる。
【０２１２】
［第１測距装置３００Ａによる効果］
以上のような第１測距装置３００Ａでは、距離測定にあたってのダイナミックレンジを向上させることができると共に、環境光Ｌｓの影響を軽減又は排除することが可能となる。その結果、距離測定の精度を向上することが可能となる。
【０２１３】
すなわち、第１測距装置３００Ａでは、光電変換素子１０に環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ１に蓄積される電荷量Ｑ１と、光電変換素子１０に環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が入射する期間Ｐ３に蓄積される電荷量Ｑ３を求める。期間Ｐ１と期間Ｐ３とは同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差（Ｑ３−Ｑ１）から、期間Ｐ３における反射光Ｌｒに対応する電荷量（期間Ｐ３における反射光Ｌｒの基準光量Ａｒｒに対応する）を求めることができる。
【０２１４】
また、光電変換素子１０に環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ２に蓄積される電荷量Ｑ２と、期間Ｐ４に蓄積される電荷量Ｑ４を求める。期間Ｐ４には、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が光電変換素子５０に入射していた期間（期間Ｐｓｒ）と、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射していた期間（期間Ｐｓ）が含まれる。期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差（Ｑ４−Ｑ２）から、期間Ｐ４のうち期間Ｐｓｒに対応する電荷量（期間Ｐｓｒにおける反射光Ｌｒの光量に対応する）を求めることができる。
【０２１５】
ここで、反射光Ｌｒが光電変換素子１０に入射している間、反射光Ｌｒの強度Ｉｒが一定であるとすると、電荷量Ｑ４及び電荷量Ｑ２の差と電荷量Ｑ３及び電荷量Ｑ１の差との比（Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１）は、期間Ｐｓｒと期間Ｐ３との比（Ｐｓｒ：Ｐ３）と等しい。このため、期間Ｐｓｒは、下記の式（Ｆ６）で求めることができる。
Ｐｓｒ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ……（Ｆ６）
【０２１６】
ここで、時点Ｔｅｄと時点Ｔｇ４ｕが等しいため、期間Ｐｓｒは往復期間ΔＰと等しい。従って、上記式（Ｆ６）より往復期間ΔＰを演算することが可能であり、その結果、往復期間ΔＰと光速に基づき距離Ｄを求めることができる。
【０２１７】
このように、第１測距装置３００Ａでは、環境光Ｌｓによって生じる電荷量Ｑ２を取り除くため、環境光Ｌｓの影響を排除又は軽減することができる。
【０２１８】
また、距離Ｄが短くなる程、反射光Ｌｒの入射期間（すなわち、期間Ｐｓｒ）が短くなり、距離Ｄが長くなる程、期間Ｐｓｒが長くなる。一般に、同じ対象物Ｗであれば、距離Ｄが短い程、反射光Ｌｒの強度Ｉｒは大きくなり、距離Ｄが長い程、強度Ｉｒは小さくなる。このため、距離Ｄが短い場合、強度Ｉｒの大きい反射光Ｌｒを短期間入射させ、距離Ｄが長い場合、強度Ｉｒの小さい反射光Ｌｒを長期間入射させることとなる。その結果、距離Ｄの変化量と比較して、期間Ｐｓｒに入射する反射光Ｌｒの光量Ａｒの変化量は小さくなる。このことは、第１測距装置３００Ａのダイナミックレンジの向上につながる。
【０２１９】
第１測距装置３００Ａでは、各サイクルＣｍにパルス光Ｌｐを１００回放射し、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４それぞれに１００回光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１〜Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算する。一般に、環境光Ｌｓ（例えば、太陽光）の強度は常に変化している。各サイクルＣｍにパルス光Ｌｐを１００回放射し、これに応じた回数だけ光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１〜Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算することで、環境光Ｌｓの強度を平均化することができる。その結果、環境光Ｌｓによって生じる電荷量を取り除く精度を高め、測定精度を向上させることができる。
【０２２０】
第１測距装置３００Ａでは、パルス光Ｌｐのパルス幅（出力期間）は、１０［マイクロ秒］（＝１００［ナノメートル］×１００回）であり、各サイクルＣｍ（２０［ミリ秒］）の０．０５［％］としている。これに合わせて、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにする期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定している。このため、仮に同じ周波数のパルス光を用いている他の測距装置が周囲に存在した場合でも、他の測距装置がパルス光を出力するタイミングと第１測距装置３００Ａがパルス光Ｌｐを出力するタイミングとが被る可能性が低くなる。その結果、他の測距装置との干渉（他の測距装置からのパルス光を第１測距装置３００Ａからのパルス光Ｌｐと誤認識すること）の可能性を低くすることができる。
【０２２１】
加えて、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオンしている期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定しているため、期間Ｐ１〜Ｐ４において光電変換素子１０に環境光Ｌｓが入射する期間を短くすることができる。これにより、ノイズ成分としての環境光Ｌｓの影響を小さくし、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を向上することができる。特に、環境光Ｌｓが太陽光の場合、太陽光のショットノイズを低減することができる。
【０２２２】
第１測距装置３００Ａでは、各サイクルＣｍに対して、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をオンしている期間Ｐ１〜Ｐ４を非常に短く設定している。このため、前回以前のサイクルＣｍで放射したパルス光Ｌｐが今回のサイクルＣｍで検出される現象（エイリアシング現象）が生じる可能性を減少させることができる。すなわち、第１測距装置３００Ａの各第２蓄積期間Ｔｃａ２は１００［マイクロ秒］であり、パルス光Ｌｐの放射期間Ｐｅが短いため、パルス光Ｌｐの放射間隔も約１００［マイクロ秒］となる。光速ｃは、約３０万［キロメートル毎秒］であるため、対象物Ｗの実際の位置が、第１測距装置３００Ａが出力した距離Ｄよりも１５［キロメートル］（＝１００［μｓ］×３０［Ｍｍ／ｓ］／２）遠い位置に存在すれば、エイリアシング現象が発生している可能性が存在する。しかし、発光部２１０により対象物Ｗに照射されるパルス光Ｌｐの強度は、距離Ｄの二乗に応じて減少するため、距離Ｄよりも１５［キロメートル］遠い位置からの反射光Ｌｒの強度Ｉｒは、距離Ｄに対象物Ｗがある場合の強度Ｉｒと比べて非常に小さくなり、光電変換素子１０ではほとんど検出できない。よって、第１測距装置３００Ａでは、エイリアシング現象の発生を防止することができる。
【０２２３】
［他のタイミングチャート］
上記の例では、図２５のタイミングチャートにより、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４を制御したが、これに限られない。例えば、図２５の期間Ｐ３、Ｐ４を期間Ｐ１、Ｐ２より前に位置させてもよい。また、時点Ｔｇ１ｄと時点Ｔｇ２ｕを同時にしたが、時点Ｔｇ２ｕを時点Ｔｇ１ｄよりも後にすることもできる。時点Ｔｇ２ｄと時点Ｔｅｕの関係、時点Ｔｇ３ｄと時点Ｔｇ４ｕの関係も同様である。さらに、時点Ｔｇ４ｕは、時点Ｔｅｄとの相関関係がわかっていれば、時点Ｔｅｄと同時でなくてもよい。
【０２２４】
図２６には、時点Ｔｅｄを時点Ｔｇ４ｕより後にしたタイミングチャートが示されている。この場合、往復期間ΔＰは下記の式（Ｆ７）により演算することができる。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３―（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）
………（Ｆ７）
【０２２５】
あるいは、時点Ｔｅｄを時点Ｔｇ４ｕより前にすることもできる。この場合、往復期間ΔＰは下記の式（Ｆ８）により演算することができる。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３＋（Ｔｇ４ｕ―Ｔｅｄ）
………（Ｆ８）
【０２２６】
上記の例では、環境光Ｌｓの影響を排除又は軽減するために期間Ｐ１、Ｐ２を設けたが、例えば、暗室等の環境光Ｌｓが存在しない場所又は反射光Ｌｒに対して環境光Ｌｓが小さく、環境光Ｌｓの影響が小さい場合であれば、期間Ｐ３、Ｐ４のみから往復期間ΔＰを求めることもできる。すなわち、下記の式（Ｆ９）により往復期間ΔＰを演算する。
ΔＰ＝（Ｑ４／Ｑ３）×Ｐ３ ………（Ｆ９）
【０２２７】
［第２測距装置３００Ｂ］
次に、本実施の形態に係る第２の測距装置（以下、第２測距装置３００Ｂと記す）について図２１及び図２７を参照しながら説明する。図２７において、Ｖ１は、第１光電変換素子１０Ａの場合の電圧Ｖ１、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第１電圧を示し、Ｖ２は、第２光電変換素子１０Ｂの場合の第２電圧を示す。
【０２２８】
この第２測距装置３００Ｂは、図２１に示すように、上述した第１測距装置３００Ａとほぼ同様の構成を有するが、第３受光装置１００Ｃに代えて、第４受光部１０４Ｄ（図２７参照）を有する第４受光装置１００Ｄを使用している点で異なる。
【０２２９】
＜第４受光装置１００Ｄの概要＞
この第４受光装置１００Ｄは、リセットノイズを除去する際に好適な信号出力を行う。すなわち、上述した第３受光装置１００Ｃでは、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４を一斉にリセットした後、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４をそれぞれオンすることによって、電荷集積部２６に存在する光電子を第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に振り分けるようにしている。さらに、信号量を大きくするために、この動作を複数回おこなった後に、信号量を電圧変換して外部回路に読み出す。しかし、各周期のリセットにおいて（フレーム間で）、構成回路のノイズに起因して、リセット電圧は一定ではないために、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４には、フレーム間で異なるレベルのリセットノイズ成分が付加されることになる。
【０２３０】
そこで、第４受光装置１００Ｄでは、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４がリセットされた直後の電位を読み出し（リセット電圧読出し）、その後に蓄積された信号電荷による電圧出力を読み出して（信号読出し）、それぞれ差分演算することにより、リセットノイズ成分をも除去できるようにしたものである。
【０２３１】
＜第４受光装置１００Ｄの詳細＞
第４受光装置１００Ｄの第４受光部１０４Ｄは、図２７に示すように、上述した第３受光装置１００Ｃとほぼ同様の構成を有するが、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４と、第１電荷転送部ＳＴ１〜第４電荷転送部ＳＴ４とを有する点で異なる。
【０２３２】
（第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４／第１電荷転送部ＳＴ１〜第４電荷保持部ＳＴ４）
第１電荷保持部Ｃｂ１は、第１スイッチング素子ＳＷ１のドレインに接続された例えばＭＯＳ型構造のキャパシタにて構成され、ゲートにはゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第１蓄積信号Ｓａ１（高レベル）／第１排出信号Ｓｂ１（低レベル））が供給されるようになっている。
【０２３３】
第１電荷転送部ＳＴ１は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成され、ソースが第１電荷保持部Ｃｂ１に接続され、ドレインが第１キャパシタＣａ１に接続されており、ゲートには、ゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第１転送信号Ｓｔ１）が供給されるようになっている。
【０２３４】
従って、第１電荷保持部Ｃｂ１のゲートに対するゲート駆動回路３０６からの第１蓄積信号Ｓａ１の供給によって、該第１電荷保持部Ｃｂ１のゲート下のポテンシャル位置が低下し、第１スイッチング素子ＳＷ１を通じて転送された光電子が一時的に蓄積されることとなる。その後、第１電荷保持部Ｃｂ１のゲートに対する第１排出信号Ｓｂ１の供給と共に、第１電荷転送部ＳＴ１のゲートに対する第１転送信号Ｓｔ１（高レベル）の供給によって、第１電荷保持部Ｃｂ１に蓄積されていた光電子が第１キャパシタＣａ１に転送されることになる。第１電荷保持部Ｃｂ１のゲートと第１電荷転送部ＳＴ１のゲートとをそれぞれ独立に制御することができるため、第１電荷保持部Ｃｂ１にて電荷残りを生じさせずに第１キャパシタＣａ１に転送することができる。
【０２３５】
第２電荷保持部Ｃｂ２〜第４電荷保持部Ｃｂ４、並びに第２電荷転送部ＳＴ１〜第４電荷保持部ＳＴ４についても同様であり、第２電荷保持部Ｃｂ２〜第４電荷保持部Ｃｂ４の各ゲートにはゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第２蓄積信号Ｓａ２〜第４蓄積信号Ｓａ４（高レベル）／第２排出信号Ｓｂ２〜第４排出信号Ｓｂ４（低レベル））が供給されるようになっており、第２電荷転送部ＳＴ２〜第４電荷転送部ＳＴ４の各ゲートには、ゲート駆動回路３０６からのゲート駆動信号（第２転送信号Ｓｔ２〜第４転送信号Ｓｔ４）が供給されるようになっている。
【０２３６】
なお、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４は、埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成してもよい。
【０２３７】
［第２測距装置３００Ｂの動作］
第２測距装置３００Ｂの動作は、上述した第１測距装置３００Ａとほぼ同じであり、例えば図２４及び図２５に示すように、各サイクルＣｍの第１蓄積期間Ｔｃａ１において、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４の各ゲートに第１蓄積信号Ｓａ１〜第４蓄積信号Ｓａ４が供給され、これにより、各第２蓄積期間Ｔｃａ２の期間Ｐ１に第１スイッチング素子ＳＷ１を通じて転送された光電子が第１電荷保持部Ｃｂ１に蓄積され、期間Ｐ２に第２スイッチング素子ＳＷ２を通じて転送された光電子が第２電荷保持部Ｃｂ２に蓄積され、期間Ｐ３に第３スイッチング素子ＳＷ３を通じて転送された光電子が第３電荷保持部Ｃｂ３に蓄積され、期間Ｐ４に第４スイッチング素子ＳＷ４を通じて転送された光電子が第４電荷保持部Ｃｂ４に蓄積される。
【０２３８】
このように、信号電荷が、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４に蓄積された後、各サイクルＣｍの読出期間Ｔｒの初期設定手段として、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４をリセットする。具体的には、第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４に対して第１リセット信号Ｓｒ１〜第４リセット信号Ｓｒ４を送信すること（第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４の各ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）に応じて第１リセットスイッチＳＲ１〜第４リセットスイッチＳＲ４を一斉にオンして、所定のリセット電圧Ｖｒに設定する。その後、第１出力スイッチＳＥＬ１〜第４出力スイッチＳＥＬ４を順番にオンしていくことで、第１出力ライン２１２ａに、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４のリセット電圧を、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１〜第４出力電圧Ｖｏｕｔ４として外部回路に出力する（リセット電圧読出し）。
【０２３９】
そして、第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４のリセット電圧読出しの直後に信号を読み出す。具体的には、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４の各ゲートに第１排出信号Ｓｂ１〜第４排出信号Ｓｂ４が供給されると共に、第１電荷転送部ＳＴ１〜第４電荷転送部ＳＴ４の各ゲートに第１転送信号Ｓｔ１〜第４転送信号Ｓｔ４が供給されることにより、第１電荷保持部Ｃｂ１〜第４電荷保持部Ｃｂ４に蓄積されていた光電子がそれぞれ第１キャパシタＣａ１〜第４キャパシタＣａ４に転送されることとなる。そして、第１出力スイッチＳＥＬ１〜第４出力スイッチＳＥＬ４を順番にオンしていくことで、第１出力ライン２１２ａに、第１キャパシタＣａ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧と、第２キャパシタＣａ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧とが、それぞれ第１出力素子ＴＲ１及び第２出力素子ＴＲ２にて増幅されて、第１出力電圧Ｖｏｕｔ１及び第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力され、第２出力ライン２１２ｂに、第３キャパシタＣａ３に蓄積された光電子（電荷量Ｑ３）に応じた電圧と、第４キャパシタＣａ４に蓄積された光電子（電荷量Ｑ４）に応じた電圧とが、それぞれ第３出力素子ＴＲ３及び第４出力素子ＴＲ４にて増幅されて、第３出力電圧Ｖｏｕｔ３及び第４出力電圧Ｖｏｕｔ４として出力されることになる（信号読出し）。
【０２４０】
リセット電圧読出しにて読み出されたリセット電圧と、信号読出しにて読み出された信号電圧との差分を求めることによって、リセット電圧値の影響を受けない、信号を読出すことができる。なお、差分を求める手法としては、例えば相関２重サンプリング回路（ＣＤＳ回路：Ｃｏｒｒｅｌｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ回路）によって実現することができる。
【０２４１】
なお、本発明に係る光電変換素子、受光装置、受光システム及び測距装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。以下にいくつかの変形例を記載する。
【０２４２】
［光電変換素子１０の変形例］
例えば、図２８に示すように、ｐ型不純物拡散領域の表面にｎ型不純物拡散領域が形成されている埋め込み型ＭＯＳダイオードを使用してもよい。
【０２４３】
［第３光電変換素子１０Ｃ］
第３の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第３光電変換素子１０Ｃと記す）は、図２９に示すように、上述した第２光電変換素子１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂの形状、特に、上面から見た形状が異なっている。
【０２４４】
すなわち、第１電極１６ａの各枝分かれ部位２２は、上面から見たとき、電極幅が１つの電極部位２０に向かって徐々に広くなる形状を有し、各第２電極１６ｂは、上面から見たとき、電極幅が第１電極１６ａの１つの電極部位２０に向かって徐々に狭くなる形状を有する。
【０２４５】
第１電極１６ａ下のポテンシャル位置３２ａに注目して見た場合、電極幅が狭い部分は、図３０Ａ及び図３０Ｂに示すように、半導体基体１２（シリコン基板）の表面電位の影響を受けることから、該部分のポテンシャル位置３２ａ１は高くなり、幅が広い部分のポテンシャル位置３２ｃ２は低くなる。従って、第１電極１６ａの枝分かれ部位２２のポテンシャル位置３２ａは、図３１に示すように、幅が広くなるに従って低下し、１つの部位２０に向かって徐々に下り傾斜することとなる。
【０２４６】
このため、図８の時点ｔ３において、第１電圧Ｖ１が低レベルＶ１Ｌになると、上述したように、第１給電端子２８ａ直下の部分のポテンシャル位置３２ａが早く上昇し、徐々に電荷集積部２６に近い方のポテンシャル位置３２ａが上昇していくことになるが、このとき、図３２に示すように、ポテンシャル位置３２ａが１つの電極部位２０に向かって下り傾斜していることから、光電子３０はより高速に電荷集積部２６に移動することとなる。
【０２４７】
上述の第３光電変換素子１０Ｃでは、第２電極１６ｂを設けた例を示したが、その他、第１光電変換素子１０Ａと同様に、第２電極１６ｂを省略した構成にして、第１ＭＯＳダイオード１８ａ間に埋め込みフォトダイオードＢＰＤが形成された構成にしてもよい。
【０２４８】
［第４光電変換素子１０Ｄ］
次に、第４の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第４光電変換素子１０Ｄと記す）は、図３３及び図３４に示すように、上述した第２光電変換素子１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、第１電極１６ａが存在せず、代わりに、埋め込みフォトダイオードＢＰＤが形成されている点で異なる。つまり、埋め込みフォトダイオードＢＰＤは、上面から見たとき、１つの部位２０から複数の枝分かれ部位２２に分岐配列されたくし歯形状を有し、第２ＭＯＳダイオード１８ｂの各第２電極１６ｂは、上面から見たとき、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける複数の枝分かれ部位２２間にそれぞれ入れ子状に配置されている。
【０２４９】
また、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０の基部２４（長さ方向中央部）には、第４光電変換素子１０Ｄにより発生した光電子を集めるための電荷集積部２６が同じく埋め込みフォトダイオードＢＰＤによって形成されている。電荷集積部２６は、１つの部位２０の基部２４から枝分かれ部位２２とは反対方向に延在して形成されている。
【０２５０】
ここで、第４光電変換素子１０Ｄの動作について、図３５のタイミングチャート、図３６Ａ及び図３６Ｂのポテンシャル図も参照して説明する。
【０２５１】
先ず、図３５の時点ｔ１１（露光の初期段階）において、第２電圧Ｖ２を高レベルＶ２Ｈにすると、図３６Ａに示すように、第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂが低くなり、露光により発生した光電子３０は、第２電極１６ｂ下に蓄積されると共に、第２電極１６ｂに隣接する埋め込みフォトダイオードＢＰＤに移動する。
【０２５２】
その後、時点ｔ１２（露光の終了段階）において、第２電圧Ｖ２が低レベルＶ２Ｌになると、図３６Ｂに示すように、第２電極１６ｂ下のポテンシャル位置３２ｂが高くなり、第２電極１６ｂ下から埋め込みフォトダイオードＢＰＤにかけてポテンシャル位置が低くなるポテンシャル勾配３４が形成されることとなる。このことから、第２電極１６ｂ下に蓄積していた光電子３０は、ポテンシャル勾配３４によって、埋め込みフォトダイオードＢＰＤ、すなわち、複数の枝分かれ部位２２下に高速に移動し、さらに、電荷集積部２６に向けて移動する。なお、図３５の時点ｔ１１（露光の初期段階）において、第２電圧Ｖ２を高レベルＶ２Ｈに設定するが、この高レベルＶ２Ｈは、第２電極１６ｂに隣接する埋め込みフォトダイオードＢＰＤのポテンシャルより高いポテンシャルが形成するような電圧に設定することが望ましいが、図３６Ｃに示すように、第２電極１６ｂに隣接する埋め込みフォトダイオードＢＰＤのポテンシャルより低いポテンシャルが形成されるようにしてもよく限定されるものではない。
【０２５３】
［第５光電変換素子１０Ｅ］
次に、第５の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第５光電変換素子１０Ｅと記す）は、図３７に示すように、上述した第４光電変換素子１０Ｄとほぼ同様の構成を有するが、埋め込みフォトダイオードＢＰＤと第２電極１６ｂの形状、特に、上面から見た形状が異なっている。
【０２５４】
すなわち、埋め込みフォトダイオードＢＰＤの各枝分かれ部位２２は、上面から見たとき、幅が１つの部位２０に向かって徐々に大きくなる形状を有し、各第２電極１６ｂは、上面から見たとき、電極幅が埋め込みフォトダイオードＢＰＤの１つの部位２０に向かって徐々に小さくなる形状を有する。
【０２５５】
埋め込みフォトダイオードＢＰＤのポテンシャル位置３２ｃ１に注目して見た場合、幅が狭い部分は、図３８Ａ及び図３８Ｂに示すように、半導体基体１２（シリコン基板）の表面電位の影響を受けることから、該部分のポテンシャル位置３２ｃ１は高くなり、幅が広い部分のポテンシャル位置３２ｃ２は低くなる。従って、埋め込みフォトダイオードＢＰＤの枝分かれ部位２２のポテンシャル位置３２ｃは、図３９に示すように、幅が広くなるに従って低下し、１つの部位２０に向かって徐々に下り傾斜することとなる。これにより、光電子３０は電荷集積部２６に向かって高速に移動することとなる。
【０２５６】
［第６光電変換素子１０Ｆ］
次に、第６の実施の形態に係る光電変換素子（以下、第６光電変換素子１０Ｆと記す）は、図４０に示すように、上述した第５光電変換素子１０Ｅとほぼ同様の構成を有するが、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０の幅が、両端から中央の基部２４に向かって徐々に広く形成されている点で異なる。すなわち、電荷集積部２６につながる基部２４の幅が最も大きくなるように形成されている。
【０２５７】
埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０におけるポテンシャル位置３２ｃに注目して見た場合、図４１に示すように、幅の狭い部分のポテンシャル位置３２ｃ１は高くなり、幅が広い部分のポテンシャル位置３２ｃ２は低くなる。従って、従って、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０のポテンシャル位置３２ｃは、両端から基部２４に向かって徐々に低下、すなわち、下り傾斜することとなる。このように、埋め込みフォトダイオードＢＰＤにおける１つの部位２０の両端から基部２４（すなわち電荷集積部２６）に向かって下り傾斜のポテンシャル勾配が形成されることから、光電子３０は電荷集積部２６に向かってより高速に移動することとなる。
【符号の説明】
【０２５８】
１０Ａ〜１０Ｆ…第１光電変換素子〜第６光電変換素子
１２…半導体基体 １４…絶縁体
１６…電極 １６ａ…第１電極
１６ｂ…第２電極 １８…ＭＯＳダイオード
１８ａ…第１ＭＯＳダイオード １８ｂ…第２ＭＯＳダイオード
２０…１つの電極部位（１つの部位） ２２…枝分かれ部位
２４…基部 ２６…電荷集積部
１００Ａ〜１００Ｄ…第１受光装置〜第４受光装置
１０４Ａ〜１０４Ｄ…第１受光部〜第４受光部
１０８…電荷排出部 ２００Ａ…第１受光システム
２００Ｂ…第２受光システム ２０２…発光装置
２０４…制御装置 ２０６…演算装置
３００Ａ…第１測距装置 ３００Ｂ…第２測距装置
３０２…イメージセンサ ３０４…画素
Ｃａ…キャパシタ
Ｃａ１〜Ｃａ４…第１キャパシタ〜第４キャパシタ
ＳＷ１〜ＳＷ５…第１スイッチング素子〜第５スイッチング素子
Ｃｂ１〜Ｃｂ４…第１電荷保持部〜第４電荷保持部
ＳＴ１〜ＳＴ４…第１電荷転送部〜第４電荷転送部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を検知して光電子に変換する光電変換素子において、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
請求項１記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極下の電位を制御して、少なくとも前記埋め込みフォトダイオードでの光電変換により発生した光電子を、前記ＭＯＳダイオードへ移動させることを特徴とする光電変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードのうち、前記電極における前記１つの電極部位の基部に対応した部分が、電荷集積部として構成されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の前記枝分かれ部位は、それぞれ矩形形状を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の各前記枝分かれ部位は、上面から見たとき、幅が前記１つの電極部位に向かって徐々に大きくなる形状を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の各前記枝分かれ部位の給電端子は、上面から見たとき、前記電荷集積部から最も離れた位置に形成されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記半導体基体上に絶縁体を介して形成された第２電極を有する複数の第２ＭＯＳダイオードを有し、
複数の前記第２ＭＯＳダイオードの各前記第２電極は、上面から見たとき、前記電極とは分離され、且つ、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記ＭＯＳダイオードと前記第２ＭＯＳダイオード間に前記埋め込みフォトダイオードが形成されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項８】
入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置であって、
前記入射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積するキャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた前記光電子を、前記キャパシタへ移動させるＭＯＳ型の第１スイッチング素子と、
前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第２スイッチング素子とを備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記光電変換素子からの前記光電子を、選択的に前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を開閉制御して前記キャパシタへ転送させて、前記キャパシタに転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置。
【請求項９】
請求項８記載の受光装置において、
前記電荷集積部は、前記光電変換素子に接続され、
前記電荷排出部は、前記電荷集積部を間に挟んで、前記キャパシタと対向配置されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の受光装置において、
前記キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の受光装置において、
少なくとも前記電荷集積部、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１２】
入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置であって、
前記入射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ及び第２キャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記第１キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記第１キャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の第１スイッチング素子と、
前記電荷集積部と前記第２キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記第２キャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の第２スイッチング素子と、
前記電荷集積部から前記電荷排出部へ前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第３スイッチング素子とを備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記光電変換素子からの前記光電子を、選択的に前記第１スイッチング素子〜前記第３スイッチング素子をオン／オフ制御して前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタへ転送させて、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の受光装置において、
前記電荷集積部は、前記光電変換素子に接続され、
前記電荷排出部は、前記電荷集積部を間に挟んで、前記光電変換素子と対向配置され、
前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、前記電荷集積部を間に挟んで、互いに対向配置されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１４】
請求項１２又は１３記載の受光装置において、
前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の受光装置において、
少なくとも前記電荷集積部、前記第１スイッチング素子〜前記第３スイッチング素子、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１６】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積する一対のキャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記一対のキャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記発光装置の駆動に同期して、前記一対のキャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の一対のスイッチング素子と、
前記発光装置の駆動に同期して、前記電荷集積部から前記電荷排出部へ前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第３スイッチング素子を備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記制御装置は、
前記発光装置から前記パルス光が放射されていない期間のうちの第１期間に、前記一対のスイッチング素子のうち、第１スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記一対のキャパシタのうち、第１キャパシタに転送し、
前記発光装置から前記パルス光が出射されている期間のうちの第２期間に、前記一対のスイッチング素子のうち、第２スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記一対のキャパシタのうち、第２キャパシタに転送し、
前記第１期間及び前記第２期間以外の期間に、前記第３スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記電荷排出部に排出するように制御し、
前記第１キャパシタに転送された光電子の量（電荷量）と前記第２キャパシタに転送された光電子の量（電荷量）に基づいて、前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の受光システムにおいて、
前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの電位を初期電位にするための電源とＭＯＳ構造の第１リセットスイッチ及び第２リセットスイッチとを有することを特徴とする受光システム。
【請求項１８】
請求項１６又は１７記載の受光システムにおいて、
前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに蓄積された光電子の量に基づく電位に応じたレベルの電気信号にそれぞれ変換する第１アンプ及び第２アンプを有することを特徴とする受光システム。
【請求項１９】
請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子によって転送された前記光電子を一時的に保持するＭＯＳキャパシタ又は埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成された第１電荷保持部及び第２電荷保持部と、
前記第１電荷保持部及び前記第２電荷保持部にそれぞれ一時的に保持された前記光電子を前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに転送するＭＯＳ型のスイッチング素子にて構成された第１電荷転送部及び第２電荷転送部とを有することを特徴とする受光システム。
【請求項２０】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ〜第４キャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに対して振り分けるＭＯＳＯ型の第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子と、
前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の供給を制御するＭＯＳ型の第５スイッチング素子とを備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記制御装置は、
前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のオン／オフを制御し、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子が全てオフのとき、前記第５スイッチング素子をオンにして、前記光電子を外部に排出させ、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子に転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて、前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光システム。
【請求項２１】
請求項２０記載の受光システムにおいて、
前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタの電位を初期電位にするための電源とＭＯＳ構造の第１リセットスイッチ〜第４リセットスイッチとを有することを特徴とする受光システム。
【請求項２２】
請求項２０又は２１記載の受光システムにおいて、
前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに蓄積された光電子の量に基づく電位に応じたレベルの電気信号にそれぞれ変換する第１アンプ〜第４アンプを有することを特徴とする受光システム。
【請求項２３】
請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子によって転送された前記光電子を一時的に保持するＭＯＳキャパシタ又は埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成された第１電荷保持部〜第４電荷保持部と、
前記第１電荷保持部〜前記第４電荷保持部にそれぞれ一時的に保持された前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに転送するＭＯＳ型のスイッチング素子にて構成された第１電荷転送部〜第４電荷転送部とを有することを特徴とする受光システム。
【請求項２４】
請求項１６〜２３のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
前記受光装置の構成要素が、複数の画素が設けられたラインセンサアレイ又は二次元イメージセンサアレイの１画素分の構成要素を構成していることを特徴とする受光システム。
【請求項２５】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、
前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置と、を有する測距装置であって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ〜第４キャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに対して振り分けるＭＯＳ型の第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子と、
前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の供給を制御するＭＯＳ型の第５スイッチング素子と、を備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、
前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、
前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子をオンする時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子をオフする時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、
前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、
前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、
前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、
前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ１、
前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ２、
前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ３、
前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ４、
前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、前記発光装置及び前記受光装置と前記対象物との距離を距離Ｄとしたとき、
前記制御装置は、
（１）Ｐ１＝Ｐ３、
（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び
（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ
となるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のオン／オフを制御し、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子が全てオフとなっているとき、前記第５スイッチング素子をオンにして前記光電子を外部に排出させ、
前記演算装置は、
前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、
前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、
前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、
前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定することを特徴とする測距装置。
【請求項２６】
請求項２５記載の測距装置において、
前記時点Ｔｅｄと前記時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、下記の式（１）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算し、
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（１）
前記時点Ｔｅｄが前記時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、下記の式（２）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算することを特徴とする測距装置。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３−（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）
・・・（２）
【請求項２７】
請求項２５又は２６記載の測距装置において、
前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、
前記演算装置は、前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタのそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１〜前記電荷量Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算することを特徴とする測距装置。
【請求項１】
光を検知して光電子に変換する光電変換素子において、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
請求項１記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極下の電位を制御して、少なくとも前記埋め込みフォトダイオードでの光電変換により発生した光電子を、前記ＭＯＳダイオードへ移動させることを特徴とする光電変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードのうち、前記電極における前記１つの電極部位の基部に対応した部分が、電荷集積部として構成されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の前記枝分かれ部位は、それぞれ矩形形状を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の各前記枝分かれ部位は、上面から見たとき、幅が前記１つの電極部位に向かって徐々に大きくなる形状を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記ＭＯＳダイオードにおける前記電極の各前記枝分かれ部位の給電端子は、上面から見たとき、前記電荷集積部から最も離れた位置に形成されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記半導体基体上に絶縁体を介して形成された第２電極を有する複数の第２ＭＯＳダイオードを有し、
複数の前記第２ＭＯＳダイオードの各前記第２電極は、上面から見たとき、前記電極とは分離され、且つ、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記ＭＯＳダイオードと前記第２ＭＯＳダイオード間に前記埋め込みフォトダイオードが形成されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項８】
入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置であって、
前記入射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積するキャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた前記光電子を、前記キャパシタへ移動させるＭＯＳ型の第１スイッチング素子と、
前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第２スイッチング素子とを備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記光電変換素子からの前記光電子を、選択的に前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を開閉制御して前記キャパシタへ転送させて、前記キャパシタに転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置。
【請求項９】
請求項８記載の受光装置において、
前記電荷集積部は、前記光電変換素子に接続され、
前記電荷排出部は、前記電荷集積部を間に挟んで、前記キャパシタと対向配置されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の受光装置において、
前記キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の受光装置において、
少なくとも前記電荷集積部、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１２】
入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置であって、
前記入射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ及び第２キャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記第１キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記第１キャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の第１スイッチング素子と、
前記電荷集積部と前記第２キャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記第２キャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の第２スイッチング素子と、
前記電荷集積部から前記電荷排出部へ前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第３スイッチング素子とを備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記光電変換素子からの前記光電子を、選択的に前記第１スイッチング素子〜前記第３スイッチング素子をオン／オフ制御して前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタへ転送させて、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて入射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の受光装置において、
前記電荷集積部は、前記光電変換素子に接続され、
前記電荷排出部は、前記電荷集積部を間に挟んで、前記光電変換素子と対向配置され、
前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、前記電荷集積部を間に挟んで、互いに対向配置されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１４】
請求項１２又は１３記載の受光装置において、
前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量にて構成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の受光装置において、
少なくとも前記電荷集積部、前記第１スイッチング素子〜前記第３スイッチング素子、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１６】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積する一対のキャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記一対のキャパシタとの間に配置され、前記電荷集積部に集められた光電子を、前記発光装置の駆動に同期して、前記一対のキャパシタへ選択的に振り分けるＭＯＳ型の一対のスイッチング素子と、
前記発光装置の駆動に同期して、前記電荷集積部から前記電荷排出部へ前記光電子の排出を制御するＭＯＳ型の第３スイッチング素子を備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記制御装置は、
前記発光装置から前記パルス光が放射されていない期間のうちの第１期間に、前記一対のスイッチング素子のうち、第１スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記一対のキャパシタのうち、第１キャパシタに転送し、
前記発光装置から前記パルス光が出射されている期間のうちの第２期間に、前記一対のスイッチング素子のうち、第２スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記一対のキャパシタのうち、第２キャパシタに転送し、
前記第１期間及び前記第２期間以外の期間に、前記第３スイッチング素子をオンにして、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記電荷排出部に排出するように制御し、
前記第１キャパシタに転送された光電子の量（電荷量）と前記第２キャパシタに転送された光電子の量（電荷量）に基づいて、前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の受光システムにおいて、
前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの電位を初期電位にするための電源とＭＯＳ構造の第１リセットスイッチ及び第２リセットスイッチとを有することを特徴とする受光システム。
【請求項１８】
請求項１６又は１７記載の受光システムにおいて、
前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに蓄積された光電子の量に基づく電位に応じたレベルの電気信号にそれぞれ変換する第１アンプ及び第２アンプを有することを特徴とする受光システム。
【請求項１９】
請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子によって転送された前記光電子を一時的に保持するＭＯＳキャパシタ又は埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成された第１電荷保持部及び第２電荷保持部と、
前記第１電荷保持部及び前記第２電荷保持部にそれぞれ一時的に保持された前記光電子を前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタに転送するＭＯＳ型のスイッチング素子にて構成された第１電荷転送部及び第２電荷転送部とを有することを特徴とする受光システム。
【請求項２０】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ〜第４キャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに対して振り分けるＭＯＳＯ型の第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子と、
前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の供給を制御するＭＯＳ型の第５スイッチング素子とを備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記制御装置は、
前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のオン／オフを制御し、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子が全てオフのとき、前記第５スイッチング素子をオンにして、前記光電子を外部に排出させ、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子に転送された前記光電子の量（電荷量）に基づいて、前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光システム。
【請求項２１】
請求項２０記載の受光システムにおいて、
前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタの電位を初期電位にするための電源とＭＯＳ構造の第１リセットスイッチ〜第４リセットスイッチとを有することを特徴とする受光システム。
【請求項２２】
請求項２０又は２１記載の受光システムにおいて、
前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに蓄積された光電子の量に基づく電位に応じたレベルの電気信号にそれぞれ変換する第１アンプ〜第４アンプを有することを特徴とする受光システム。
【請求項２３】
請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子によって転送された前記光電子を一時的に保持するＭＯＳキャパシタ又は埋込型フォトダイオード構造の寄生容量にて構成された第１電荷保持部〜第４電荷保持部と、
前記第１電荷保持部〜前記第４電荷保持部にそれぞれ一時的に保持された前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに転送するＭＯＳ型のスイッチング素子にて構成された第１電荷転送部〜第４電荷転送部とを有することを特徴とする受光システム。
【請求項２４】
請求項１６〜２３のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
前記受光装置の構成要素が、複数の画素が設けられたラインセンサアレイ又は二次元イメージセンサアレイの１画素分の構成要素を構成していることを特徴とする受光システム。
【請求項２５】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、
前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置と、を有する測距装置であって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子により発生した前記光電子を集めるための電荷集積部と、
前記光電子を一定期間蓄積する第１キャパシタ〜第４キャパシタと、
前記光電子を排出する電荷排出部と、
前記電荷集積部と前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタに対して振り分けるＭＯＳ型の第１スイッチング素子〜第４スイッチング素子と、
前記電荷集積部と前記電荷排出部との間に配置され、前記電荷集積部から前記電荷排出部への前記光電子の供給を制御するＭＯＳ型の第５スイッチング素子と、を備え、
前記光電変換素子は、
半導体基体上に絶縁体を介して形成された電極を有する１つのＭＯＳダイオードと、
前記半導体基体に形成された複数の埋め込みフォトダイオードとを有し、
前記ＭＯＳダイオードの前記電極は、上面から見たとき、１つの電極部位から複数の枝分かれ部位に分岐配列されたくし歯形状を有し、
複数の前記埋め込みフォトダイオードは、上面から見たとき、前記電極における前記複数の枝分かれ部位間にそれぞれ入れ子状に配置され、
前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、
前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、
前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子をオンする時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子をオフする時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、
前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、
前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、
前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、
前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ１、
前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ２、
前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ３、
前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される前記光電子の量を電荷量Ｑ４、
前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、前記発光装置及び前記受光装置と前記対象物との距離を距離Ｄとしたとき、
前記制御装置は、
（１）Ｐ１＝Ｐ３、
（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び
（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ
となるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子のオン／オフを制御し、
前記第１スイッチング素子〜前記第４スイッチング素子が全てオフとなっているとき、前記第５スイッチング素子をオンにして前記光電子を外部に排出させ、
前記演算装置は、
前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、
前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、
前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、
前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定することを特徴とする測距装置。
【請求項２６】
請求項２５記載の測距装置において、
前記時点Ｔｅｄと前記時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、下記の式（１）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算し、
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（１）
前記時点Ｔｅｄが前記時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、下記の式（２）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算することを特徴とする測距装置。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３−（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）
・・・（２）
【請求項２７】
請求項２５又は２６記載の測距装置において、
前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、
前記演算装置は、前記第１キャパシタ〜前記第４キャパシタのそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１〜前記電荷量Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算することを特徴とする測距装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【公開番号】特開２０１１−８２３５８（Ｐ２０１１−８２３５８Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３３６７１（Ｐ２００９−２３３６７１）
【出願日】平成２１年１０月７日（２００９．１０．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月７日（２００９．１０．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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