固体撮像素子
【課題】光飛行時間計測法に用いる電荷振り分け方式の固体撮像素子において、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音を排除し、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光を信号成分として有効に抽出して、高感度、低雑音化を図る。
【解決手段】複数の電荷蓄積部を備え、飛来する光で生じた光電子を該飛来のタイミングで弁別して上記複数の電荷蓄積部に振り分け、該飛来する光のタイミングを計測する固体撮像素子において、複数の電荷蓄積部とそれぞれ導通可能な複数の容量と、上記複数の電荷蓄積部と上記複数の容量との導通状態を制御する制御部とを有し、上記制御部の制御によって上記複数の電荷蓄積部と上記複数の容量とを選択的に導通させることにより、上記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の差分成分を抽出する。
【解決手段】複数の電荷蓄積部を備え、飛来する光で生じた光電子を該飛来のタイミングで弁別して上記複数の電荷蓄積部に振り分け、該飛来する光のタイミングを計測する固体撮像素子において、複数の電荷蓄積部とそれぞれ導通可能な複数の容量と、上記複数の電荷蓄積部と上記複数の容量との導通状態を制御する制御部とを有し、上記制御部の制御によって上記複数の電荷蓄積部と上記複数の容量とを選択的に導通させることにより、上記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の差分成分を抽出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、さらに詳細には、対象物へ照射した光の反射光を受光することにより光飛行時間計測法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）を用いて光飛行時間を測定し、当該光飛行時間に基づいて当該対象物までの距離を測定する光飛行時間型距離センサや当該対象物の３次元画像を得るイメージセンサなどの各画素として利用することができる固体撮像素子の改良に関し、特に、未知の背景光照明下で使用することのできる電荷振り分け方式を採用した固体撮像素子における振り分けられた電荷の差分抽出の手法を改良した固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光飛行時間計測法を用いた従来の光飛行時間型センサなどとして用いることのできる固体撮像素子としては、例えば、特許文献１として提示する特開２００１−２８１３３６号公報に開示された距離画像撮像装置、特許文献２として提示する特開２００３−５１９８８号公報に開示された固体撮像素子、特許文献３として提示する特開２００４−２９４４２０号公報に開示された距離画像センサあるいは特許文献４として提示する特開２００５−２３５８９３号公報に開示された光飛行時間型距離センサなどが知られている。
【０００３】
ここで、図１には、光飛行時間計測法の原理を説明するための説明図が示されている。この図１において、符号１０はＬＥＤ光源であり、符号１２はＬＥＤ光源１０の発光に伴う光を照射される対象物であり、符号１４は対象物１２からの反射光を受光する固体撮像素子を１画素として２次元平面上にアレイ状に配置してなるセンサである。
【０００４】
光飛行時間計測法とは、ＬＥＤ光源１０により信号光として高周波、例えば、１０ＭＨｚで変調した光（高周波変調光）Ｌ１を対象物１２に照射して、センサ１４の固体撮像素子によりＬＥＤ光源１０に由来する反射光（高周波変調光由来の反射光）Ｌ２を信号として捉え、高周波変調光Ｌ１と高周波変調光由来の反射光Ｌ２との位相のずれから、対象物１２とセンサ１４およびＬＥＤ光源１０との距離を計測するというものである。
【０００５】
こうした光飛行時間計測法においては、仮にセンサ１４の固体撮像素子が受光する光がＬＥＤ光源１０に由来する反射光たる高周波変調光由来の反射光Ｌ２のみであるならば、計測は比較的容易である。
【０００６】
しかしながら、実際の計測現場においては、太陽、街路灯あるいは室内照明などのような様々な要因の未知の背景光Ｌ３が存在するため、背景光Ｌ３に由来する反射光（背景光由来の反射光）Ｌ４が雑音となってセンサ１４の固体撮像素子に受光されることになる。
【０００７】
図２（ａ）（ｂ）は、ＬＥＤ光源１０の発光強度（図２（ａ））と固体撮像素子の受光強度（図２（ｂ））とを示すとともに、それぞれの発光タイミングと受光タイミングとを示すタイミングチャートであるが、高周波変調光由来の反射光Ｌ２は、図２（ｂ）に示すように、背景光由来の反射光Ｌ４に比べて受光強度が極端に小さい場合がある。
【０００８】
ここで、高周波変調光Ｌ１と高周波変調光由来の反射光Ｌ２との位相のずれとしてあらわれる光飛行時間ＦＴは、約１５ｍの距離において約１００ｎｓｅｃと僅かであるため、光飛行時間計測法においては、十分な信号雑音比が無ければ正確な計測を行うことができないという問題点があった。
【０００９】
こうした光飛行時間計測法における問題点を解決するものとして、例えば、上記した特許文献１〜４に示すような様々な固体撮像素子の構造が提案されている。
【００１０】
ここで、特許文献１〜４に開示された固体撮像素子は、それぞれ手法は異なるが、基本的には、２つ以上の電荷蓄積容量を１つのフォトダイオードに接続し、高周波変調した光あるいはパルス発光する光をその変調や発光時間に同期して上記２つ以上の電荷蓄積容量に分離蓄積し、一定時間毎に分離蓄積した電荷を読み出して平均化することにより信号雑音比を高め、この分離蓄積した電荷に基づいて得られた信号を用いて距離を算出するという原理に基づいている。なお、本明細書においては、この原理を電荷振り分け方式と適宜に称することとする。
【００１１】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）には、上記したような電荷を分離蓄積する電荷振り分け方式による固体撮像素子における電荷を分離蓄積する受光部分の一例が示されており、図３（ａ）には回路図が示されており、図３（ｂ）には構造図が示されており、図３（ｃ）にはポテンシャル図が示されている。
【００１２】
図３（ａ）（ｂ）において、符号ＰＤはフォトダイオードであり、符号Ｆｄ１は第１の蓄積容量であり、符号Ｆｄ２は第２の蓄積容量であり、符号Ｍ１は第１のＦＥＴスイッチであり、符号Ｍ２は第２のＦＥＴスイッチであり、符号Ｍ３’は第１のリセットＦＥＴであり、符号Ｍ４’は第２のリセットＦＥＴであり、符号Ｔｘ１は第１のＦＥＴスイッチＭ１を駆動する第１の転送ゲートであり、符号Ｔｘ２は第２のＦＥＴスイッチＭ２を駆動する第２の転送ゲートであり、符号Ｒ１は第１のリセットＦＥＴ Ｍ３’のゲートであり、符号Ｒ２は第２のリセットＦＥＴ Ｍ４’のゲートであり、符号Ｖｄｄは電源である。
【００１３】
この固体撮像素子は、１つのフォトダイオードＰＤに対して複数の蓄積容量として第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２が、それぞれ第１のＦＥＴスイッチＭ１と第２のＦＥＴスイッチＭ２とを介して接続されている。
【００１４】
従って、第１のＦＥＴスイッチＭ１を駆動する第１の転送ゲートＴｘ１と第２のＦＥＴスイッチＭ２を駆動する第２の転送ゲートＴｘ２とに印加する電圧をそれぞれ制御することによって、フォトダイオードＰＤで発生した光電子を第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに振り分けて蓄積することができる。
【００１５】
ここで、第１のリセットＦＥＴ Ｍ３’は第１の蓄積容量Ｆｄ１に蓄積された電荷を初期化するために用いられ、また、第２のリセットＦＥＴ Ｍ４’は第２の蓄積容量Ｆｄ２に蓄積された電荷を初期化するために用いられるものであり、それぞれのゲートＲ１とゲートＲ２とに電圧を印加すると、蓄積容量Ｆｄ１と蓄積容量Ｆｄ２との電圧は電源Ｖｄｄの電圧に初期化される。
【００１６】
上記したリセット後の初期状態のポテンシャル（図ｃ−１参照）に光が照射されると、フォトダイオードＰＤで光電子が発生する。
【００１７】
その後に、第１の転送ゲートＴｘ１に電圧を印加すると、フォトダイオードＰＤで発生した光電子はポテンシャルに従って、第１の蓄積容量Ｆｄ１の側に流れ落ちる（図ｃ−２参照）。
【００１８】
ここで、第１の転送ゲートＴｘ１の電圧を戻し、反対に第２の転送ゲートＴｘ２に電圧を印加すると、フォトダイオードＰＤで発生した光電子はポテンシャルに従って、第２の蓄積容量Ｆｄ２の側に流れ落ちる（図ｃ−３参照）。
【００１９】
上記した第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とへの電圧の印加を高周波で繰り返すと、図ｃ−４に示すように各時間的に振り分けた電荷がそれぞれ第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに蓄積される。
【００２０】
このようにして第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに蓄積された電荷を読み出し回路（図示せず。）によって読み出した後に、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに電圧を印加してリセット（図ｃ−５）し、電荷を初期化する。
【００２１】
従って、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す固体撮像素子によれば、一定時間毎に第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに蓄積された電荷を読み出して平均化することにより信号雑音比を高め、この分離蓄積した電荷に基づいて得られた信号を用いて距離を算出することができる。
【００２２】
ところで、図１に示す構成においてセンサ１４の固体撮像素子として図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す構成の固体撮像素子を用い、図２（ａ）（ｂ）に示すような光を計測した場合には、一定時間経過後に、固体撮像素子の第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とには、例えば、図４に示したような電荷が蓄積されることになる。
【００２３】
なお、図４において、符号４２は第１の転送ゲートＴｘ１に同期したＬＥＤ光源１０に由来する高周波変調光由来の反射光Ｌ２による成分を便宜的に示し、符号４５は第２の転送ゲートＴｘ２に同期したＬＥＤ光源１０に由来する高周波変調光由来の反射光Ｌ２による成分を便宜的に示し、符号４３は第１の転送ゲートＴｘ１に同期した背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４による成分を便宜的に示し、符号４４は第２の転送ゲートＴｘ２に同期した背景光Ｌ４に由来する背景光由来の反射光Ｌ４による成分を便宜的に示しているが、実際には、符号４２の成分と符号４３の成分とは各成分毎に分離することはできず、符号４４の成分と符号４５の成分とは各成分毎に分離することはできない。
【００２４】
そして、図１に示す構成において、背景光Ｌ３の寄与が大きい場合には、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とにそれぞれ蓄積される電荷が、図５に示すように飽和してしまい、電荷の振り分け動作は無効になってしまうという問題点があった。
【００２５】
即ち、図５において、符号５２と符号５３とはそれぞれ飽和してしまった電荷を表し、符号５４は第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とから溢れた電荷を表している。
【００２６】
この場合、電荷が第１の転送ゲートＴｘ１で制御されるフォトダイオードＰＤと第１の蓄積容量Ｆｄ１との間のポテンシャル差ならびに第２の転送ゲートＴｘ２で制御されるフォトダイオードＰＤと第２の蓄積容量Ｆｄ２との間のポテンシャル差を越えてしまい、電荷の振り分け動作は無効になってしまうものであった。
【００２７】
従来、このような電荷の飽和による動作不能を回避するため、例えば、ＬＥＤ光源１０として近赤外光を用いるとともに、それにあわせてセンサ１４の固体撮像素子にその波長のバンドパスフィルターを設置して、背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４をできるだけ減衰させるなどの工夫がなされていた。
【００２８】
しかしながら、太陽光には近赤外線も多く含まれているため、屋外での使用を考えるとその影響を排除することは難しいものであった。
【００２９】
また、特許文献３として提示する特開２００４−２９４４２０号公報では、変調光の発光する前の背景光を別に観測することで、背景光の影響を減じるなどの工夫が開示されている。
【００３０】
しかしながら、本質的に高感度なセンサーを実現するためには、このような背景光に起因する飽和の問題を根源から解決する方策が必要である。なぜならば、高感度化のためには、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との容量は小さいほど望ましいが、その場合に飽和に至る電荷量は小さくなり、背景光で飽和してしまって使用できない恐れがあるからである。
【００３１】
【特許文献１】特開２００１−２８１３３６号公報
【特許文献２】特開２００３−５１９８８号公報
【特許文献３】特開２００４−２９４４２０号公報
【特許文献４】特開２００５−２３５８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光飛行時間計測法に用いる電荷振り分け方式の固体撮像素子において、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音を排除し、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光を信号成分として有効に抽出して、高感度、低雑音化を図るようにした固体撮像素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記目的を達成するために、本発明は、本願発明者による以下の知見に基づいてなされたものである。
【００３４】
即ち、上記した電荷の飽和の原因となる背景光は、図４に示した例のように、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とにほぼ等量蓄積される。また、実際には、図４を参照しながら上記において説明したように、符号４２の成分と符号４３の成分とは各成分毎に分離することはできず、符号４４の成分と符号４５の成分とは各成分毎に分離することはできないので、情報として有効なものは、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とにそれぞれ蓄積された電荷の差分のみである。
【００３５】
従って、この差分だけを抽出して蓄積することができれば、結果的に、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音が排除され、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光の信号成分のみを抽出することができることになる。
【００３６】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、複数の電荷蓄積部を備え、飛来する光で生じた光電子を該飛来のタイミングで弁別して上記複数の電荷蓄積部に振り分け、該飛来する光のタイミングを計測する固体撮像素子において、複数の電荷蓄積部とそれぞれ導通可能な複数の容量と、上記複数の電荷蓄積部と上記複数の容量との導通状態を制御する制御部とを有し、上記制御部の制御によって上記複数の電荷蓄積部と上記複数の容量とを選択的に導通させることにより、上記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の差分成分を抽出するようにしたものである。
【００３７】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記複数の容量の電気容量値は互いに等しく、上記制御部として、上記複数の容量それぞれの両方の端子にそれぞれ２個のＦＥＴスイッチで構成した接続切り替え回路を備えるようにしたものである。
【００３８】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記ＦＥＴスイッチの一方の端子を上記複数の電荷蓄積部に接続し、上記ＦＥＴスイッチの他方の端子をバイアス電圧に接続するようにしたものである。
【００３９】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の発明において、上記複数の電荷蓄積部は、２個の電荷蓄積部よりなり、上記複数の容量は、２個の容量よりなり、上記制御部は、上記電荷蓄積部の一方と上記容量の一方とが接続されるとともに上記電荷蓄積部の他方と上記容量の他方とが接続される第１の接続状態と、上記電荷蓄積部の他方と上記容量の一方とが接続されるとともに上記電荷蓄積部の一方と上記容量の他方とが接続される第２の接続状態とを一定時間毎に繰り返すようにしたものである。
【発明の効果】
【００４０】
本発明は、以上説明したように構成されているので、光飛行時間計測法に用いる電荷振り分け方式の固体撮像素子において、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音を排除し、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光を信号成分として有効に抽出して、高感度、低雑音化を図るようにした固体撮像素子を提供することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による固体撮像素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００４２】
図６には、本発明による固体撮像素子の実施の形態の一例の基本回路の回路図が示されている。
【００４３】
なお、図６の回路図において、図３に示す従来の回路図の構成と同一または相当する構成には、図３において用いた符号と同一の符号を付して示すことにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略する。
【００４４】
この図６に示す固体撮像素子１００は、例えば、図１に示す構成におけるセンサ１４の固体撮像素子として用いられるものであり、このため以下の説明においては図１も適宜参照する。
【００４５】
図６に示す固体撮像素子１００は、フォトダイオードＰＤが光を受光することにより発生した光電子の電荷を、ＬＥＤ光源１０から対象物に対して信号光として照射される高周波変調光Ｌ１に同期して分離蓄積する分離蓄積部６１と、容量の接続を切り替える第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３とを有して構成されている。
【００４６】
ここで、分離蓄積部６１は、図３に示す従来の固体撮像素子の回路構成と同様な回路構成を備えている。
【００４７】
一方、第１の容量接続制御部６２は、第１の容量Ｃ１、第３のＦＥＴスイッチＭ３、第４のＦＥＴスイッチＭ４、第５のＦＥＴスイッチＭ５、第６のＦＥＴスイッチＭ６およびバイアス電圧を印加する第１の電源Ｖｄｄを有して構成されており、また、第２の容量接続制御部６３は、第２の容量Ｃ２、第７のＦＥＴスイッチＭ７、第８のＦＥＴスイッチＭ８、第９のＦＥＴスイッチＭ９、第１０のＦＥＴスイッチＭ４およびバイアス電圧を印加する第２の電源Ｖｄｄを有して構成されている。
【００４８】
第１の容量接続制御部６２の第１の容量Ｃ１と第２の容量接続制御部６３の第２の容量Ｃ２とは、それぞれ分離蓄積部６１に存在する２つの蓄積容量たる第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０を介して接続されている。
【００４９】
このとき、第１の容量Ｃ１と第１の蓄積容量Ｆｄ１とが接続される極性と、第２の容量Ｃ２と第２の蓄積容量Ｆｄ２とが接続される極性とは反転し、第１の容量Ｃ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とが接続される極性と、第２の容量Ｃ２と第１の蓄積容量Ｆｄ１とが接続される極性とは反転する。こうした極性の反転接続によって、蓄積された電荷の一部ないし全部は中和され消去されることになる。
【００５０】
ここで、上記した各容量に蓄えられた電荷に差があると、その差部分は中和されずに残ることになる。
【００５１】
従って、一定周期で上記した各ＦＥＴスイッチを切り替えて反転接続を繰り返すと、その結果として、分離蓄積された電荷の差が残存し堆積していく。
【００５２】
しかしながら、背景光は、ＬＥＤ光源１０から対象物に対して信号光として照射される高周波変調光Ｌ１に同期していないので、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との２つの蓄積容量にほぼ等分に分配され、この反転接続の切り替えによってほぼ消去されることになる。
【００５３】
上記した固体撮像素子１００について、さらに詳細に説明すると、固体撮像素子１００は、それぞれ４つのＦＥＴスイッチと１個の容量とを有して構成される回路たる２組の容量接続制御部（第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３）を、図３に示した従来の固体撮像素子の基本的な受光蓄積回路と同等の回路たる分離蓄積部６１に付加することで構成されている。
【００５４】
即ち、第１の容量接続制御部６２においては、第１の容量Ｃ１を挟んで対称的に第３のＦＥＴスイッチＭ３、第４のＦＥＴスイッチＭ４、第５のＦＥＴスイッチＭ５および第６のＦＥＴスイッチＭ６が配置されている。
【００５５】
ここで、第３のＦＥＴスイッチＭ３と第６のＦＥＴスイッチＭ６とは、同じ第１のゲートＧ１のゲート信号Ｇ１で駆動され、一方、第４のＦＥＴスイッチＭ４と第５のＦＥＴスイッチＭ５とは、同じ第２のゲートＧ２のゲート信号Ｇ２で駆動される。
【００５６】
同様に、第２の容量接続制御部６３においては、第２の容量Ｃ２を挟んで対称的に第７のＦＥＴスイッチＭ７、第８のＦＥＴスイッチＭ８、第９のＦＥＴスイッチＭ９および第１０のＦＥＴスイッチＭ１０が配置されている。
【００５７】
ここで、第８のＦＥＴスイッチＭ８と第９のＦＥＴスイッチＭ９とは、同じ第１のゲートＧ１のゲート信号Ｇ１で駆動され、一方、第７のＦＥＴスイッチＭ７と第１０のＦＥＴスイッチＭ１０とは、同じ第２のゲートＧ２のゲート信号Ｇ２で駆動される。
【００５８】
従って、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２の両端は、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０を介して第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第１の電源Ｖｄｄならびに第２の電源Ｖｄｄに選択的に接続される。
【００５９】
なお、第１の蓄積容量Ｆｄ１ならびに第２の蓄積容量Ｆｄ２は、例えば、半導体基板中に不純物拡散で形成した容量であり、また、第１の容量Ｃ１ならびに第２の容量Ｃ２は、例えば、金属配線層間に形成した容量である。
【００６０】
ここで、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電気容量値は等しいものとし、また、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との電気容量値は等しいものとする。
【００６１】
なお、第１の蓄積容量Ｆｄ１（第２の蓄積容量Ｆｄ２）と第１の容量Ｃ１（第２の容量Ｃ２）との電気容量値は必ずしも等しい必要はないが、等しい値にすることが好ましい。
【００６２】
以下の説明においては、本発明の理解を容易にするために、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２の各電気容量値は全て等しいものとし、「Ｃ」と表記するものとする。
【００６３】
また、分離蓄積部６１は、上記したように、フォトダイオードＰＤが光を受光することにより発生した光電子の電荷を高周波変調光Ｌ１に同期して分離蓄積する回路であり、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とは高速信号で駆動され、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに電荷を振り分ける動作をする。
【００６４】
図７には、上記した固体撮像素子１００の回路に印加されるゲート電圧のタイミングチャートが示されている。なお、図７において、図中左側から右側へ向かって時間が経過するものとする。
【００６５】
まず、最初に、第１の転送ゲートＴｘ１、第２の転送ゲートＴｘ２、第１のゲートＧ１および第２のゲートＧ２の全てのゲートに電圧を印加する。なお、この最初に全てのゲートに電圧を印加する時間を、リセット期間Ｒと称することとする。
【００６６】
このリセット期間Ｒにおいては、第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０の全てが接続されるので、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２の端子はＶｄｄ電位と等しくなる。また、フォトダイオードＰＤの電位は、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに印加した電圧に従ったポテンシャルにリセットされ、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とは、放電した状態にリセットされる。
【００６７】
なお、上記した各リセットは、固体撮像素子１００を光飛行時間型センサの各画素として用いた場合には、各画素の属するラインの画面の読み出しの最初に行うものである。
【００６８】
上記したリセットを終了すると、次回にリセットするまで、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とには、図７に示すように、フォトダイオードＰＤが光を受光することにより発生した光電子の電荷を高周波変調光Ｌ１に同期して振り分け蓄積するための高速な駆動パルスを印加し、また、第１のゲートＧ１と第２のゲートＧ２とには、図７に示すように、交互に時間の等しい反転したパルス電圧を連続的に印加する。
【００６９】
ここで、第１のゲートＧ１に電圧を印加するとともに第２のゲートＧ２に電圧を印加しない期間を正接続期間と称し、それとは反対に、第２のゲートＧ２に電圧を印加するとともに第１のゲートＧ１に電圧を印加しない期間を反転接続期間と称することとする。
【００７０】
こうした正接続期間および反転接続期間は等しい時間であり、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに与える高速パルスの整数倍の時間とする。
【００７１】
なお、図７に示す例においては、便宜的に、正接続期間および反転接続期間を第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに与える高速パルス２０個に対して１組としているが、実際の光飛行時間計測にあたっては、例えば、正接続期間および反転接続期間は、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに与える高速パルス１００〜１０００個に１組ほどがこの好ましい。
【００７２】
上記したように、正接続期間では、第１のゲートＧ１には電圧が印加されているが、第２のゲートＧ２には電圧が印加されていないので、図８に示すように、第３のＦＥＴスイッチＭ３、第６のＦＥＴスイッチＭ６、第８のＦＥＴスイッチＭ８、第９のＦＥＴスイッチＭ９の各ＦＥＴスイッチが導通状態（図８において実線で示す。）となり、第４のＦＥＴスイッチＭ４、第５のＦＥＴスイッチＭ５、第７のＦＥＴスイッチＭ７、第１０のＦＥＴスイッチＭ１０の各ＦＥＴスイッチが非導通状態（図８において破線で示す。）となる。
【００７３】
従って、結線８１と結線８３とが接続されるとともに、結線８４と結線８８とが接続されて、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第１の容量Ｃ１とが等価的に並列接続となり、同様に、結線８２と結線８６とが接続されるとともに、結線８５と結線８９とが接続されて、第２の蓄積容量Ｆｄ２と第２の容量Ｃ２とが等価的に並列接続となる。
【００７４】
一方、反転接続期間では、第２のゲートＧ２には電圧が印加されているが、第１のゲートＧ１には電圧が印加されていないので、図９に示すように、第３のＦＥＴスイッチＭ３、第６のＦＥＴスイッチＭ６、第８のＦＥＴスイッチＭ８、第９のＦＥＴスイッチＭ９の各ＦＥＴスイッチが非導通状態（図９において破線で示す。）となり、第４のＦＥＴスイッチＭ４、第５のＦＥＴスイッチＭ５、第７のＦＥＴスイッチＭ７、第１０のＦＥＴスイッチＭ１０の各ＦＥＴスイッチが導通状態（図９において実線で示す。）となる。
【００７５】
従って、結線９１と結線９５とが接続されるとともに、結線９６と結線９９とが接続されて、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の容量Ｃ２とが等価的に並列接続となり、同様に、結線９２と結線９４とが接続されるとともに、結線９３と結線９８とが接続されて、第２の蓄積容量Ｆｄ２と第１の容量Ｃ１とが等価的に並列接続となる。
【００７６】
ただし、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２が第１の蓄積容量Ｆｄ１および第２の蓄積容量Ｆｄ２と接続される極性は、正接続期間と反転接続期間とでは反対である。
【００７７】
次に、図１０に示す動作原理の説明図を参照しながら、上記した正接続期間と反転接続期間とにおける固体撮像素子１００の動作について説明する。
【００７８】
この図１０は、第１のゲートＧ１、第２のゲートＧ２、第１の蓄積容量Ｆｄ１および第２の蓄積容量Ｆｄ２の電圧の変化を示すタイミングチャートであり、図１０において、図中左側から右側へ向かって時間が経過するものとする。なお、以下の説明においては、第１の蓄積容量Ｆｄ１の電圧をＶＦＤ１と表し、第２の蓄積容量Ｆｄ２の電圧をＶＦＤ２と表すものとする。
【００７９】
ここで、正接続期間、反転接続期間のそれぞれにおいて、第１の蓄積容量Ｆｄ１ならびに第２の蓄積容量Ｆｄ２に流入した光電子は、上記した各ＦＥＴスイッチを介して並列に接続された第１の容量Ｃ１ならびに第２の容量Ｃ２にも蓄積される。
【００８０】
つまり、正接続期間、反転接続期間のそれぞれの期間内で流入する電荷は、電気容量が等しければ第１の蓄積容量Ｆｄ１と第１の容量Ｃ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２と第２の容量Ｃ２にそれぞれ等分に分割される。
【００８１】
正接続期間に第１の蓄積容量Ｆｄ１に対して流入した電荷をΔＱＦＤ１と表し、第２の蓄積容量Ｆｄ２に流入した電荷をΔＱＦＤ２と表すと、正接続期間が終了する時の第１の蓄積容量Ｆｄ１の電圧ＶＦＤ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２の電圧ＶＦＤ２は、それぞれ次のように表される。
【００８２】
ＶＦＤ１＝Ｖｄｄ−ΔＱＦＤ１／２Ｃ（図１０の符号１０７で示す電圧）
ＶＦＤ２＝Ｖｄｄ−ΔＱＦＤ２／２Ｃ（図１０の符号１０８で示す電圧）
正接続期間が終了して、次の瞬間に第１のゲートＧ１と第２のゲートＧ２への印加パルスが反転すると、第１の容量Ｃ１に蓄積された電荷は第２の蓄積容量Ｆｄ２に流入され、第２の容量Ｃ２に蓄積された電荷は第１の蓄積容量Ｆｄ１に流入される。
【００８３】
このとき、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との接続極性は反対なので、電荷は加算されずに大半は中和される。
【００８４】
しかしながら、ΔＱＦＤ１とΔＱＦＤ２との差分は中和されず、多い側には残り、少ない側からは余分に差し引かれる形で残存する。
【００８５】
つまり、
ＶＦＤ１＝Ｖｄｄ−（ΔＱＦＤ１−ΔＱＦＤ２）／４Ｃ（図１０の符号１０９で示す電圧）
ＶＦＤ２＝Ｖｄｄ−（ΔＱＦＤ２−ΔＱＦＤ１）／４Ｃ（図１０の符号１１０で示す電圧）
となる。
【００８６】
このように、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２には、流入する電荷の差分成分のみが残存して、同一成分は電荷の中和により消失し、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧として読み出すことが可能となる。
【００８７】
こうした正接続期間と反転接続期間とを繰り返すと、図１１に示すように、残存した差分成分に従い、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧は堆積的に変化する（符号１１７、符号１１８、符号１１９、符号１２０で示す電圧を参照する。）。
【００８８】
ここで、ΔＱＦＤ１の一定時間での時間積分値をＱＦＤ１と表し、ΔＱＦＤ２の一定時間での時間積分値をＱＦＤ２と表すと、一定時間経過後の第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧差は（ＱＦＤ１−ＱＦＤ２）／２Ｃとなり、ＱＦＤ１とＱＦＤ２の全体量は蓄積されずに差分量のみが蓄積される。
【００８９】
従って、図１において、背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４による光電子（雑音）の大半はこの回路によって除去され、目的の情報量であるＬＥＤ光源１０に由来する高周波変調光由来の反射光Ｌ２による光電子（信号）だけが蓄積される。
【００９０】
即ち、光飛行時間計測法に用いる電荷振り分け方式の固体撮像素子１００によれば、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音を排除することができるとともに、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光を信号成分として有効に抽出することができ、高感度、低雑音化を図ることが可能になる。
【００９１】
なお、上記した実施の形態においては、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２の各電気容量値が、全て等しい場合について説明した。
【００９２】
しかしながら、実用上は、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とがほぼ等しく、かつ、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とが正確に等しいことが条件であって、拡散で形成される第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電気容量値と、金属層で形成される第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との電気容量値は一致している必要性はない。
【００９３】
即ち、この固体撮像素子１００は、標準的なＩＣプロセスで制御される精度で十分に動作するものである。
【００９４】
なお、図１５には、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との精度が劣る場合のＳｐｉｃｅシミュレーションの結果を表すグラフが示されている。
【００９５】
この図１５のラフにおいては、横軸に時間（Ｔｉｍｅ）をマイクロ秒（μｓ）単位でとり、縦軸に抽出した蓄積電荷の差分成分、即ち、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧の差を計算した結果の値をとっている。なお、５マイクロ秒周期で各ＦＥＴスイッチを切り替えて、正接続期間と反転接続期間とを反転している。
【００９６】
この図１５において、実線Ａは、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との電気容量値が等しい場合のシミュレーション結果を示し、ほぼ直線的に電荷の差分成分が抽出されていることが分かる。
【００９７】
こうした実線Ａに対して、破線Ｂは、第１の容量Ｃ１を固定するとともに第２の容量Ｃ２を１０％減じた場合のシミュレーション結果を示し、また、一点鎖線Ｃは、第１の容量Ｃ１を固定するとともに第２の容量Ｃ２を１０％増加させた場合のシミュレーション結果を示している。
【００９８】
ここで、蓄積電荷の電圧変換は容量に比例するため、容量の精度劣化は大きな誤差を生じ、実線Ａと破線Ｂならびに一点鎖線Ｃとは乖離する。
【００９９】
しかしながら、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とは、上記したように各ＦＥＴスイッチで切り替えられて第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との両方に接続されるため、例えば、５マイクロ秒周期の切り替えにより誤差は相殺される方向に働き、正常値に引き戻される。
【０１００】
その結果として、堆積する誤差は差分量の５％にすぎないものであり、実際の半導体プロセスでの容量精度は２〜３％であるので、実用上全く問題ない誤差に収まることになる。
【０１０１】
また、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０に寄生する接合容量によりスイッチング損失があるため、実際の設計では、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０を小型化して、これらの接合容量の減少に努める必要がある。
【０１０２】
それと同時に、適切な容量値の第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とを用いることで、より損失の少ない回路を構成することができる。
【０１０３】
なお、上記した固体撮像素子１００において、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２や第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０で使用する半導体拡散領域はＰ型でもＮ型でも構成可能である。
【０１０４】
例えば、上記半導体拡散領域をＮ型で構成する場合には、Ｐ基板上に形成されたＮ＋領域で第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２および第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０を形成し、各ゲートには電源電圧Ｖｄｄにスレショルド電圧分を加えた適切な電圧のパルスを印加する。
【０１０５】
また、第１のＦＥＴスイッチＭ１、第２のＦＥＴスイッチＭ２をＮ型ＦＥＴで構成し、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０をＰ型ＦＥＴで構成する場合には、印加する電源電圧Ｖｄｄよりもバックゲート電圧（回路図には示されていないＮ−領域の電圧）をＰＮ接合により順方向電流が流れない程度に高めにする。例えば、電源電圧Ｖｄｄが１．８Ｖのときに、バックゲート電圧を２．５Ｖとする。その場合に、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０への各ゲート印加電圧は、バックゲート電圧とＧＮＤ電位にするとよい。
【０１０６】
また、上記した以外の構成も可能であるが、第１の容量Ｃ１または第２の容量Ｃ２のどちらかは電源電圧Ｖｄｄよりも充電が進み、高い電圧になることに注意して構成することが望ましい。
【０１０７】
即ち、一般には、光の量子性に基づく雑音（フォトンショットノイズと称される。）は露光した光量の２乗根で増加し、信号成分は比例で増加するので、露光時間を延ばすほど露光光量が増え、信号雑音比は向上する。
【０１０８】
本発明によれば、微量なＬＥＤ光源１０に由来する高周波変調光由来の反射光Ｌ２が、大量の背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４に埋もれている場合でも、背景光Ｌ４は除去されて、長い露光時間での撮像においても飽和することを防げるので、信号雑音比は向上する。
【０１０９】
しかしながら、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３−１０のスイッチングノイズ（ｋＣＴノイズと称される。）は、反転動作を繰り返す毎に発生するので、過度な反転動作を行うと信号雑音比は劣化する恐れがある。仮に単位時間での飛来する背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４のフォトン数が１００万電子相当だとすると、前記フォトンショットノイズは約１０００電子である。
【０１１０】
また、０．０５ｐＦの蓄積容量を想定すると、１回のスイッチングによるｋＣＴノイズは約５０電子ほどなので、単位時間当たりに１００回程度の反転動作繰り返しにより生じるｋＣＴノイズは２乗根加算により、約５００電子である。従って、フォトンショットノイズが優位であるので、スイッチングによる悪影響は少ない。しかし、１０００回の繰り返しでは、１５００電子相当のｋＣＴノイズが発生するため悪影響が出る。このことを考慮し、背景光量と蓄積容量、単位時間当たりの正接続期間と反転接続期間との反転動作回数を最適な値に設定することが好ましい。
【０１１１】
ところで、実際の光飛行時間計測法では、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との２つの蓄積容量間の差分信号だけでは、対象物の反射率と光源からの距離による光の減衰による項を知ることができない。
【０１１２】
ここで、獲得される信号をＳ、位相角をｄ、不明な項を強度係数Ｘとすると、その関係は
Ｓ＝Ｘ・ｓｉｎ（ｄ） ・・・ （１）
と近似することができる。ただし、０＜ｄ＜３６０度とする。
【０１１３】
上記した式（１）において、Ｘは正の値なので、Ｓが正か負かという違いから、ｄが１８０度以下か以上かということだけは知ることができる。しかし、正確なｄの値を知ることはできない。
【０１１４】
そこで、正確なｄの値を知るためには、図６で説明した差分を抽出するための２個の蓄積容量を設けた分離蓄積部６１、第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３を有する回路（差分抽出回路）を備えた固体撮像素子１００をほぼ倍に拡張して、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される図１２に示した本発明の他の実施の形態による回路を構成する。
【０１１５】
図１２において、第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０で構成される回路構成部分は図６と同等であり、第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０とそれぞれ全く同一の構造で構成された第１１〜２０のＦＥＴスイッチＭ１１〜２０で構成される回路構成部分が、図６に示す回路に対して新たに追加された回路部分である。
【０１１６】
ここで、第２１〜２８のＦＥＴスイッチＭ２１〜２８は信号読み出し回路であり、これらのなかで第２１のＦＥＴスイッチＭ２１、第２３のＦＥＴスイッチＭ２３、第２５のＦＥＴスイッチＭ２５、第２７のＦＥＴスイッチＭ２７は、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第３の蓄積容量Ｆｄ３ならびに第４の蓄積容量Ｆｄ４のそれぞれの電位を検出するバッファーアンプであり、第２２のＦＥＴスイッチＭ２２、第２４のＦＥＴスイッチＭ２４、第２６のＦＥＴスイッチＭ２６、第２８のＦＥＴスイッチＭ２８は、それぞれライン選択線（ＳＥＬ）で制御されるスイッチである。
【０１１７】
こうした図１２に示す回路は、図１３で示すタイミングチャートに従って各ゲート線を駆動する。
【０１１８】
この図１２に示す回路では、電荷を振り分ける蓄積容量が、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第３の蓄積容量Ｆｄ３および第４の蓄積容量Ｆｄ４の４個あるので、０度、９０度、１８０度および２７０度の各位相角度の高周波変調光由来の反射光Ｌ２の成分を分離蓄積することができる。
【０１１９】
そして、図１２に示す回路においては、０度と１８０度、即ち、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２に対応する分離蓄積部６１と、第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３とにより図６に示す回路に相当する回路が構成され、また、９０度と２７０度、即ち、第３の転送ゲートＴｘ３と第４の転送ゲートＴｘ４に対応する分離蓄積部１２１（分離蓄積部６１に相当する。）と、第１の容量接続制御部１２２（第１の容量接続制御部６２に相当する。）および第２の容量接続制御部１２３（第２の容量接続制御部６３に相当する。）とにより図６に示す回路に相当する回路が構成される。
【０１２０】
即ち、図１２に示す回路によれば、図６に示す回路に相当する２組の回路がそれぞれ独立して構成されることになるが、このとき、印加する駆動パルスを工夫すれば、第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３を駆動する第１のゲートＧ１と第１の容量接続制御部１２２および第２の容量接続制御部１２３を駆動する第３のゲートＧ３、第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３を駆動する第２のゲートＧ２と第１の容量接続制御部１２２および第２の容量接続制御部１２３を駆動する第４のゲートＧ４は同一のパルスを使用することができる。
【０１２１】
即ち、その工夫とは、図１３に示すように、第１〜４の転送ゲートＴｘ１〜４の転送ゲートへのパルスをデューティー比１：３のパルスとし、ＬＥＤ光源１０の駆動パルスに対して、０度、９０度、１８０度、２７０度となるタイミングに発生させ、第１〜４の転送ゲートＴｘ１〜４の各パルスが同じ個数含まれるように、第１のゲートＧ１、第２のゲートＧ２の切り替えタイミングを設定することである。
【０１２２】
また、リセットパルスは、０度の転送ゲート信号、即ち、図１３において第１の転送ゲートＴｘ１の有効な位相直前で終了させる。
【０１２３】
この結果、０度と１８０度の差に対応する差分信号と９０度と２７０度の差に対応する差分信号の２つの情報が獲得できる。対象物の反射率や光源からの距離による光の減衰の項は、どちらの差分信号にも等しく影響しているので、どちらも同一の値Ｘとして良い。新たに加わった信号をＣとすれば、
Ｓ＝Ｘ・ｓｉｎ（ｄ） ・・・ 式（２）
Ｃ＝Ｘ・ｃｏｓ（ｄ） ・・・ 式（３）
と近似できる。ただし、０＜ｄ＜３６０度とする。
【０１２４】
ＳとＣの２つの計測値から、上記した式（２）および式（３）の２式を解いて、Ｘとｄを一意に決定することができる。
【０１２５】
なお、図１４には、図１２に示す回路をＩＣ上にレイアウトしたレイアウト図の一例が示されている。
【０１２６】
即ち、図１２に示す回路は、１層のポリシリコン配線（Ｐ１）、５層の金属配線（Ｍ１〜Ｍ５）を用いた一般的なＣＭＯＳプロセスで無理なく配置配線できることが確認できる。従って、本発明は実施可能である。
【０１２７】
なお、図１３に示した各ゲート線の波形は一例であり、発光パルスの位相角と第１〜４の転送ゲートＴｘ１〜４の各Ｔｘ線との関係は任意の組み合わせが可能である。同様に、ＬＥＤ光源１０の発光直前に１つあるいは２つの転送を開き、残りを発光後に割り当てるということも可能である。
【０１２８】
また、図６に示す回路では２個の蓄積容量を使用し、図１２に示す回路では４個の蓄積容量を使用したが、蓄積容量の数はこれに限られるものではなく、蓄積容量の数は複数の任意数とすることができる。即ち、図６に示す回路で２個以上の蓄積容量を使用してもよいし、図１２に示す回路で４個以上の蓄積容量を使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明は、自動車などに搭載して、障害物までの距離を測定する距離センサなどに利用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】図１は、光飛行時間計測法の原理を説明するための説明図である。
【図２】図２は、光飛行時間計測法で測定される信号としてＬＥＤ光源の発光強度（図２（ａ））と固体撮像素子の受光強度（図２（ｂ））とを示すとともに、それぞれの発光タイミングと受光タイミングとを示すタイミングチャートである。
【図３】図３は、電荷を分離蓄積する電荷振り分け方式による固体撮像素子における電荷を分離蓄積する受光部分の一例による動作説明図が示されており、図３（ａ）には回路図が示されており、図３（ｂ）には構造図が示されており、図３（ｃ）にはポテンシャル図が示されている。
【図４】図４は、正常な電荷蓄積の様子を示す説明図である。
【図５】図５は、飽和した電荷蓄積の様子を示す説明図である。
【図６】図６は、本発明による固体撮像素子の実施の形態の一例の基本回路の回路図である。
【図７】図７は、本発明による固体撮像素子の基本タイミング図であり、本発明による固体撮像素子の回路に印加されるゲート電圧のタイミングチャートが示されている。
【図８】図８は、正接続期間におけるＦＥＴスイッチの接続状態を示す回路図である。
【図９】図９は、反転接続期間におけるＦＥＴスイッチの接続状態を示す回路図である。
【図１０】図１０は、本発明による固体撮像素子の動作原理の説明図である。
【図１１】図１１は、本発明による固体撮像素子の動作結果の説明図であり、正接続期間と反転接続期間との繰り返による第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧の変化を示す。
【図１２】図１２は、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される本発明による固体撮像素子の他の実施の形態の一例の回路図である。
【図１３】図１３は、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される本発明による固体撮像素子のタイミング図であり、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される本発明による固体撮像素子の回路に印加されるゲート電圧のタイミングチャートが示されている。
【図１４】図１４は、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される本発明による固体撮像素子の回路をＩＣ上にレイアウトしたレイアウト図の一例である。
【図１５】図１５は、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との精度が劣る場合のＳｐｉｃｅシミュレーションの結果を表すグラフである。
【符号の説明】
【０１３１】
１０ ＬＥＤ光源
１２ 対象物
１４ センサ
１００ 固体撮像素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、さらに詳細には、対象物へ照射した光の反射光を受光することにより光飛行時間計測法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）を用いて光飛行時間を測定し、当該光飛行時間に基づいて当該対象物までの距離を測定する光飛行時間型距離センサや当該対象物の３次元画像を得るイメージセンサなどの各画素として利用することができる固体撮像素子の改良に関し、特に、未知の背景光照明下で使用することのできる電荷振り分け方式を採用した固体撮像素子における振り分けられた電荷の差分抽出の手法を改良した固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光飛行時間計測法を用いた従来の光飛行時間型センサなどとして用いることのできる固体撮像素子としては、例えば、特許文献１として提示する特開２００１−２８１３３６号公報に開示された距離画像撮像装置、特許文献２として提示する特開２００３−５１９８８号公報に開示された固体撮像素子、特許文献３として提示する特開２００４−２９４４２０号公報に開示された距離画像センサあるいは特許文献４として提示する特開２００５−２３５８９３号公報に開示された光飛行時間型距離センサなどが知られている。
【０００３】
ここで、図１には、光飛行時間計測法の原理を説明するための説明図が示されている。この図１において、符号１０はＬＥＤ光源であり、符号１２はＬＥＤ光源１０の発光に伴う光を照射される対象物であり、符号１４は対象物１２からの反射光を受光する固体撮像素子を１画素として２次元平面上にアレイ状に配置してなるセンサである。
【０００４】
光飛行時間計測法とは、ＬＥＤ光源１０により信号光として高周波、例えば、１０ＭＨｚで変調した光（高周波変調光）Ｌ１を対象物１２に照射して、センサ１４の固体撮像素子によりＬＥＤ光源１０に由来する反射光（高周波変調光由来の反射光）Ｌ２を信号として捉え、高周波変調光Ｌ１と高周波変調光由来の反射光Ｌ２との位相のずれから、対象物１２とセンサ１４およびＬＥＤ光源１０との距離を計測するというものである。
【０００５】
こうした光飛行時間計測法においては、仮にセンサ１４の固体撮像素子が受光する光がＬＥＤ光源１０に由来する反射光たる高周波変調光由来の反射光Ｌ２のみであるならば、計測は比較的容易である。
【０００６】
しかしながら、実際の計測現場においては、太陽、街路灯あるいは室内照明などのような様々な要因の未知の背景光Ｌ３が存在するため、背景光Ｌ３に由来する反射光（背景光由来の反射光）Ｌ４が雑音となってセンサ１４の固体撮像素子に受光されることになる。
【０００７】
図２（ａ）（ｂ）は、ＬＥＤ光源１０の発光強度（図２（ａ））と固体撮像素子の受光強度（図２（ｂ））とを示すとともに、それぞれの発光タイミングと受光タイミングとを示すタイミングチャートであるが、高周波変調光由来の反射光Ｌ２は、図２（ｂ）に示すように、背景光由来の反射光Ｌ４に比べて受光強度が極端に小さい場合がある。
【０００８】
ここで、高周波変調光Ｌ１と高周波変調光由来の反射光Ｌ２との位相のずれとしてあらわれる光飛行時間ＦＴは、約１５ｍの距離において約１００ｎｓｅｃと僅かであるため、光飛行時間計測法においては、十分な信号雑音比が無ければ正確な計測を行うことができないという問題点があった。
【０００９】
こうした光飛行時間計測法における問題点を解決するものとして、例えば、上記した特許文献１〜４に示すような様々な固体撮像素子の構造が提案されている。
【００１０】
ここで、特許文献１〜４に開示された固体撮像素子は、それぞれ手法は異なるが、基本的には、２つ以上の電荷蓄積容量を１つのフォトダイオードに接続し、高周波変調した光あるいはパルス発光する光をその変調や発光時間に同期して上記２つ以上の電荷蓄積容量に分離蓄積し、一定時間毎に分離蓄積した電荷を読み出して平均化することにより信号雑音比を高め、この分離蓄積した電荷に基づいて得られた信号を用いて距離を算出するという原理に基づいている。なお、本明細書においては、この原理を電荷振り分け方式と適宜に称することとする。
【００１１】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）には、上記したような電荷を分離蓄積する電荷振り分け方式による固体撮像素子における電荷を分離蓄積する受光部分の一例が示されており、図３（ａ）には回路図が示されており、図３（ｂ）には構造図が示されており、図３（ｃ）にはポテンシャル図が示されている。
【００１２】
図３（ａ）（ｂ）において、符号ＰＤはフォトダイオードであり、符号Ｆｄ１は第１の蓄積容量であり、符号Ｆｄ２は第２の蓄積容量であり、符号Ｍ１は第１のＦＥＴスイッチであり、符号Ｍ２は第２のＦＥＴスイッチであり、符号Ｍ３’は第１のリセットＦＥＴであり、符号Ｍ４’は第２のリセットＦＥＴであり、符号Ｔｘ１は第１のＦＥＴスイッチＭ１を駆動する第１の転送ゲートであり、符号Ｔｘ２は第２のＦＥＴスイッチＭ２を駆動する第２の転送ゲートであり、符号Ｒ１は第１のリセットＦＥＴ Ｍ３’のゲートであり、符号Ｒ２は第２のリセットＦＥＴ Ｍ４’のゲートであり、符号Ｖｄｄは電源である。
【００１３】
この固体撮像素子は、１つのフォトダイオードＰＤに対して複数の蓄積容量として第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２が、それぞれ第１のＦＥＴスイッチＭ１と第２のＦＥＴスイッチＭ２とを介して接続されている。
【００１４】
従って、第１のＦＥＴスイッチＭ１を駆動する第１の転送ゲートＴｘ１と第２のＦＥＴスイッチＭ２を駆動する第２の転送ゲートＴｘ２とに印加する電圧をそれぞれ制御することによって、フォトダイオードＰＤで発生した光電子を第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに振り分けて蓄積することができる。
【００１５】
ここで、第１のリセットＦＥＴ Ｍ３’は第１の蓄積容量Ｆｄ１に蓄積された電荷を初期化するために用いられ、また、第２のリセットＦＥＴ Ｍ４’は第２の蓄積容量Ｆｄ２に蓄積された電荷を初期化するために用いられるものであり、それぞれのゲートＲ１とゲートＲ２とに電圧を印加すると、蓄積容量Ｆｄ１と蓄積容量Ｆｄ２との電圧は電源Ｖｄｄの電圧に初期化される。
【００１６】
上記したリセット後の初期状態のポテンシャル（図ｃ−１参照）に光が照射されると、フォトダイオードＰＤで光電子が発生する。
【００１７】
その後に、第１の転送ゲートＴｘ１に電圧を印加すると、フォトダイオードＰＤで発生した光電子はポテンシャルに従って、第１の蓄積容量Ｆｄ１の側に流れ落ちる（図ｃ−２参照）。
【００１８】
ここで、第１の転送ゲートＴｘ１の電圧を戻し、反対に第２の転送ゲートＴｘ２に電圧を印加すると、フォトダイオードＰＤで発生した光電子はポテンシャルに従って、第２の蓄積容量Ｆｄ２の側に流れ落ちる（図ｃ−３参照）。
【００１９】
上記した第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とへの電圧の印加を高周波で繰り返すと、図ｃ−４に示すように各時間的に振り分けた電荷がそれぞれ第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに蓄積される。
【００２０】
このようにして第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに蓄積された電荷を読み出し回路（図示せず。）によって読み出した後に、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに電圧を印加してリセット（図ｃ−５）し、電荷を初期化する。
【００２１】
従って、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す固体撮像素子によれば、一定時間毎に第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに蓄積された電荷を読み出して平均化することにより信号雑音比を高め、この分離蓄積した電荷に基づいて得られた信号を用いて距離を算出することができる。
【００２２】
ところで、図１に示す構成においてセンサ１４の固体撮像素子として図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す構成の固体撮像素子を用い、図２（ａ）（ｂ）に示すような光を計測した場合には、一定時間経過後に、固体撮像素子の第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とには、例えば、図４に示したような電荷が蓄積されることになる。
【００２３】
なお、図４において、符号４２は第１の転送ゲートＴｘ１に同期したＬＥＤ光源１０に由来する高周波変調光由来の反射光Ｌ２による成分を便宜的に示し、符号４５は第２の転送ゲートＴｘ２に同期したＬＥＤ光源１０に由来する高周波変調光由来の反射光Ｌ２による成分を便宜的に示し、符号４３は第１の転送ゲートＴｘ１に同期した背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４による成分を便宜的に示し、符号４４は第２の転送ゲートＴｘ２に同期した背景光Ｌ４に由来する背景光由来の反射光Ｌ４による成分を便宜的に示しているが、実際には、符号４２の成分と符号４３の成分とは各成分毎に分離することはできず、符号４４の成分と符号４５の成分とは各成分毎に分離することはできない。
【００２４】
そして、図１に示す構成において、背景光Ｌ３の寄与が大きい場合には、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とにそれぞれ蓄積される電荷が、図５に示すように飽和してしまい、電荷の振り分け動作は無効になってしまうという問題点があった。
【００２５】
即ち、図５において、符号５２と符号５３とはそれぞれ飽和してしまった電荷を表し、符号５４は第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とから溢れた電荷を表している。
【００２６】
この場合、電荷が第１の転送ゲートＴｘ１で制御されるフォトダイオードＰＤと第１の蓄積容量Ｆｄ１との間のポテンシャル差ならびに第２の転送ゲートＴｘ２で制御されるフォトダイオードＰＤと第２の蓄積容量Ｆｄ２との間のポテンシャル差を越えてしまい、電荷の振り分け動作は無効になってしまうものであった。
【００２７】
従来、このような電荷の飽和による動作不能を回避するため、例えば、ＬＥＤ光源１０として近赤外光を用いるとともに、それにあわせてセンサ１４の固体撮像素子にその波長のバンドパスフィルターを設置して、背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４をできるだけ減衰させるなどの工夫がなされていた。
【００２８】
しかしながら、太陽光には近赤外線も多く含まれているため、屋外での使用を考えるとその影響を排除することは難しいものであった。
【００２９】
また、特許文献３として提示する特開２００４−２９４４２０号公報では、変調光の発光する前の背景光を別に観測することで、背景光の影響を減じるなどの工夫が開示されている。
【００３０】
しかしながら、本質的に高感度なセンサーを実現するためには、このような背景光に起因する飽和の問題を根源から解決する方策が必要である。なぜならば、高感度化のためには、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との容量は小さいほど望ましいが、その場合に飽和に至る電荷量は小さくなり、背景光で飽和してしまって使用できない恐れがあるからである。
【００３１】
【特許文献１】特開２００１−２８１３３６号公報
【特許文献２】特開２００３−５１９８８号公報
【特許文献３】特開２００４−２９４４２０号公報
【特許文献４】特開２００５−２３５８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光飛行時間計測法に用いる電荷振り分け方式の固体撮像素子において、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音を排除し、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光を信号成分として有効に抽出して、高感度、低雑音化を図るようにした固体撮像素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記目的を達成するために、本発明は、本願発明者による以下の知見に基づいてなされたものである。
【００３４】
即ち、上記した電荷の飽和の原因となる背景光は、図４に示した例のように、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とにほぼ等量蓄積される。また、実際には、図４を参照しながら上記において説明したように、符号４２の成分と符号４３の成分とは各成分毎に分離することはできず、符号４４の成分と符号４５の成分とは各成分毎に分離することはできないので、情報として有効なものは、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とにそれぞれ蓄積された電荷の差分のみである。
【００３５】
従って、この差分だけを抽出して蓄積することができれば、結果的に、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音が排除され、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光の信号成分のみを抽出することができることになる。
【００３６】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、複数の電荷蓄積部を備え、飛来する光で生じた光電子を該飛来のタイミングで弁別して上記複数の電荷蓄積部に振り分け、該飛来する光のタイミングを計測する固体撮像素子において、複数の電荷蓄積部とそれぞれ導通可能な複数の容量と、上記複数の電荷蓄積部と上記複数の容量との導通状態を制御する制御部とを有し、上記制御部の制御によって上記複数の電荷蓄積部と上記複数の容量とを選択的に導通させることにより、上記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の差分成分を抽出するようにしたものである。
【００３７】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記複数の容量の電気容量値は互いに等しく、上記制御部として、上記複数の容量それぞれの両方の端子にそれぞれ２個のＦＥＴスイッチで構成した接続切り替え回路を備えるようにしたものである。
【００３８】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記ＦＥＴスイッチの一方の端子を上記複数の電荷蓄積部に接続し、上記ＦＥＴスイッチの他方の端子をバイアス電圧に接続するようにしたものである。
【００３９】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の発明において、上記複数の電荷蓄積部は、２個の電荷蓄積部よりなり、上記複数の容量は、２個の容量よりなり、上記制御部は、上記電荷蓄積部の一方と上記容量の一方とが接続されるとともに上記電荷蓄積部の他方と上記容量の他方とが接続される第１の接続状態と、上記電荷蓄積部の他方と上記容量の一方とが接続されるとともに上記電荷蓄積部の一方と上記容量の他方とが接続される第２の接続状態とを一定時間毎に繰り返すようにしたものである。
【発明の効果】
【００４０】
本発明は、以上説明したように構成されているので、光飛行時間計測法に用いる電荷振り分け方式の固体撮像素子において、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音を排除し、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光を信号成分として有効に抽出して、高感度、低雑音化を図るようにした固体撮像素子を提供することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による固体撮像素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００４２】
図６には、本発明による固体撮像素子の実施の形態の一例の基本回路の回路図が示されている。
【００４３】
なお、図６の回路図において、図３に示す従来の回路図の構成と同一または相当する構成には、図３において用いた符号と同一の符号を付して示すことにより、その構成ならびに作用の詳細な説明は適宜に省略する。
【００４４】
この図６に示す固体撮像素子１００は、例えば、図１に示す構成におけるセンサ１４の固体撮像素子として用いられるものであり、このため以下の説明においては図１も適宜参照する。
【００４５】
図６に示す固体撮像素子１００は、フォトダイオードＰＤが光を受光することにより発生した光電子の電荷を、ＬＥＤ光源１０から対象物に対して信号光として照射される高周波変調光Ｌ１に同期して分離蓄積する分離蓄積部６１と、容量の接続を切り替える第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３とを有して構成されている。
【００４６】
ここで、分離蓄積部６１は、図３に示す従来の固体撮像素子の回路構成と同様な回路構成を備えている。
【００４７】
一方、第１の容量接続制御部６２は、第１の容量Ｃ１、第３のＦＥＴスイッチＭ３、第４のＦＥＴスイッチＭ４、第５のＦＥＴスイッチＭ５、第６のＦＥＴスイッチＭ６およびバイアス電圧を印加する第１の電源Ｖｄｄを有して構成されており、また、第２の容量接続制御部６３は、第２の容量Ｃ２、第７のＦＥＴスイッチＭ７、第８のＦＥＴスイッチＭ８、第９のＦＥＴスイッチＭ９、第１０のＦＥＴスイッチＭ４およびバイアス電圧を印加する第２の電源Ｖｄｄを有して構成されている。
【００４８】
第１の容量接続制御部６２の第１の容量Ｃ１と第２の容量接続制御部６３の第２の容量Ｃ２とは、それぞれ分離蓄積部６１に存在する２つの蓄積容量たる第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０を介して接続されている。
【００４９】
このとき、第１の容量Ｃ１と第１の蓄積容量Ｆｄ１とが接続される極性と、第２の容量Ｃ２と第２の蓄積容量Ｆｄ２とが接続される極性とは反転し、第１の容量Ｃ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とが接続される極性と、第２の容量Ｃ２と第１の蓄積容量Ｆｄ１とが接続される極性とは反転する。こうした極性の反転接続によって、蓄積された電荷の一部ないし全部は中和され消去されることになる。
【００５０】
ここで、上記した各容量に蓄えられた電荷に差があると、その差部分は中和されずに残ることになる。
【００５１】
従って、一定周期で上記した各ＦＥＴスイッチを切り替えて反転接続を繰り返すと、その結果として、分離蓄積された電荷の差が残存し堆積していく。
【００５２】
しかしながら、背景光は、ＬＥＤ光源１０から対象物に対して信号光として照射される高周波変調光Ｌ１に同期していないので、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との２つの蓄積容量にほぼ等分に分配され、この反転接続の切り替えによってほぼ消去されることになる。
【００５３】
上記した固体撮像素子１００について、さらに詳細に説明すると、固体撮像素子１００は、それぞれ４つのＦＥＴスイッチと１個の容量とを有して構成される回路たる２組の容量接続制御部（第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３）を、図３に示した従来の固体撮像素子の基本的な受光蓄積回路と同等の回路たる分離蓄積部６１に付加することで構成されている。
【００５４】
即ち、第１の容量接続制御部６２においては、第１の容量Ｃ１を挟んで対称的に第３のＦＥＴスイッチＭ３、第４のＦＥＴスイッチＭ４、第５のＦＥＴスイッチＭ５および第６のＦＥＴスイッチＭ６が配置されている。
【００５５】
ここで、第３のＦＥＴスイッチＭ３と第６のＦＥＴスイッチＭ６とは、同じ第１のゲートＧ１のゲート信号Ｇ１で駆動され、一方、第４のＦＥＴスイッチＭ４と第５のＦＥＴスイッチＭ５とは、同じ第２のゲートＧ２のゲート信号Ｇ２で駆動される。
【００５６】
同様に、第２の容量接続制御部６３においては、第２の容量Ｃ２を挟んで対称的に第７のＦＥＴスイッチＭ７、第８のＦＥＴスイッチＭ８、第９のＦＥＴスイッチＭ９および第１０のＦＥＴスイッチＭ１０が配置されている。
【００５７】
ここで、第８のＦＥＴスイッチＭ８と第９のＦＥＴスイッチＭ９とは、同じ第１のゲートＧ１のゲート信号Ｇ１で駆動され、一方、第７のＦＥＴスイッチＭ７と第１０のＦＥＴスイッチＭ１０とは、同じ第２のゲートＧ２のゲート信号Ｇ２で駆動される。
【００５８】
従って、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２の両端は、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０を介して第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第１の電源Ｖｄｄならびに第２の電源Ｖｄｄに選択的に接続される。
【００５９】
なお、第１の蓄積容量Ｆｄ１ならびに第２の蓄積容量Ｆｄ２は、例えば、半導体基板中に不純物拡散で形成した容量であり、また、第１の容量Ｃ１ならびに第２の容量Ｃ２は、例えば、金属配線層間に形成した容量である。
【００６０】
ここで、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電気容量値は等しいものとし、また、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との電気容量値は等しいものとする。
【００６１】
なお、第１の蓄積容量Ｆｄ１（第２の蓄積容量Ｆｄ２）と第１の容量Ｃ１（第２の容量Ｃ２）との電気容量値は必ずしも等しい必要はないが、等しい値にすることが好ましい。
【００６２】
以下の説明においては、本発明の理解を容易にするために、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２の各電気容量値は全て等しいものとし、「Ｃ」と表記するものとする。
【００６３】
また、分離蓄積部６１は、上記したように、フォトダイオードＰＤが光を受光することにより発生した光電子の電荷を高周波変調光Ｌ１に同期して分離蓄積する回路であり、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とは高速信号で駆動され、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とに電荷を振り分ける動作をする。
【００６４】
図７には、上記した固体撮像素子１００の回路に印加されるゲート電圧のタイミングチャートが示されている。なお、図７において、図中左側から右側へ向かって時間が経過するものとする。
【００６５】
まず、最初に、第１の転送ゲートＴｘ１、第２の転送ゲートＴｘ２、第１のゲートＧ１および第２のゲートＧ２の全てのゲートに電圧を印加する。なお、この最初に全てのゲートに電圧を印加する時間を、リセット期間Ｒと称することとする。
【００６６】
このリセット期間Ｒにおいては、第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０の全てが接続されるので、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２の端子はＶｄｄ電位と等しくなる。また、フォトダイオードＰＤの電位は、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに印加した電圧に従ったポテンシャルにリセットされ、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とは、放電した状態にリセットされる。
【００６７】
なお、上記した各リセットは、固体撮像素子１００を光飛行時間型センサの各画素として用いた場合には、各画素の属するラインの画面の読み出しの最初に行うものである。
【００６８】
上記したリセットを終了すると、次回にリセットするまで、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とには、図７に示すように、フォトダイオードＰＤが光を受光することにより発生した光電子の電荷を高周波変調光Ｌ１に同期して振り分け蓄積するための高速な駆動パルスを印加し、また、第１のゲートＧ１と第２のゲートＧ２とには、図７に示すように、交互に時間の等しい反転したパルス電圧を連続的に印加する。
【００６９】
ここで、第１のゲートＧ１に電圧を印加するとともに第２のゲートＧ２に電圧を印加しない期間を正接続期間と称し、それとは反対に、第２のゲートＧ２に電圧を印加するとともに第１のゲートＧ１に電圧を印加しない期間を反転接続期間と称することとする。
【００７０】
こうした正接続期間および反転接続期間は等しい時間であり、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに与える高速パルスの整数倍の時間とする。
【００７１】
なお、図７に示す例においては、便宜的に、正接続期間および反転接続期間を第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに与える高速パルス２０個に対して１組としているが、実際の光飛行時間計測にあたっては、例えば、正接続期間および反転接続期間は、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２とに与える高速パルス１００〜１０００個に１組ほどがこの好ましい。
【００７２】
上記したように、正接続期間では、第１のゲートＧ１には電圧が印加されているが、第２のゲートＧ２には電圧が印加されていないので、図８に示すように、第３のＦＥＴスイッチＭ３、第６のＦＥＴスイッチＭ６、第８のＦＥＴスイッチＭ８、第９のＦＥＴスイッチＭ９の各ＦＥＴスイッチが導通状態（図８において実線で示す。）となり、第４のＦＥＴスイッチＭ４、第５のＦＥＴスイッチＭ５、第７のＦＥＴスイッチＭ７、第１０のＦＥＴスイッチＭ１０の各ＦＥＴスイッチが非導通状態（図８において破線で示す。）となる。
【００７３】
従って、結線８１と結線８３とが接続されるとともに、結線８４と結線８８とが接続されて、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第１の容量Ｃ１とが等価的に並列接続となり、同様に、結線８２と結線８６とが接続されるとともに、結線８５と結線８９とが接続されて、第２の蓄積容量Ｆｄ２と第２の容量Ｃ２とが等価的に並列接続となる。
【００７４】
一方、反転接続期間では、第２のゲートＧ２には電圧が印加されているが、第１のゲートＧ１には電圧が印加されていないので、図９に示すように、第３のＦＥＴスイッチＭ３、第６のＦＥＴスイッチＭ６、第８のＦＥＴスイッチＭ８、第９のＦＥＴスイッチＭ９の各ＦＥＴスイッチが非導通状態（図９において破線で示す。）となり、第４のＦＥＴスイッチＭ４、第５のＦＥＴスイッチＭ５、第７のＦＥＴスイッチＭ７、第１０のＦＥＴスイッチＭ１０の各ＦＥＴスイッチが導通状態（図９において実線で示す。）となる。
【００７５】
従って、結線９１と結線９５とが接続されるとともに、結線９６と結線９９とが接続されて、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の容量Ｃ２とが等価的に並列接続となり、同様に、結線９２と結線９４とが接続されるとともに、結線９３と結線９８とが接続されて、第２の蓄積容量Ｆｄ２と第１の容量Ｃ１とが等価的に並列接続となる。
【００７６】
ただし、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２が第１の蓄積容量Ｆｄ１および第２の蓄積容量Ｆｄ２と接続される極性は、正接続期間と反転接続期間とでは反対である。
【００７７】
次に、図１０に示す動作原理の説明図を参照しながら、上記した正接続期間と反転接続期間とにおける固体撮像素子１００の動作について説明する。
【００７８】
この図１０は、第１のゲートＧ１、第２のゲートＧ２、第１の蓄積容量Ｆｄ１および第２の蓄積容量Ｆｄ２の電圧の変化を示すタイミングチャートであり、図１０において、図中左側から右側へ向かって時間が経過するものとする。なお、以下の説明においては、第１の蓄積容量Ｆｄ１の電圧をＶＦＤ１と表し、第２の蓄積容量Ｆｄ２の電圧をＶＦＤ２と表すものとする。
【００７９】
ここで、正接続期間、反転接続期間のそれぞれにおいて、第１の蓄積容量Ｆｄ１ならびに第２の蓄積容量Ｆｄ２に流入した光電子は、上記した各ＦＥＴスイッチを介して並列に接続された第１の容量Ｃ１ならびに第２の容量Ｃ２にも蓄積される。
【００８０】
つまり、正接続期間、反転接続期間のそれぞれの期間内で流入する電荷は、電気容量が等しければ第１の蓄積容量Ｆｄ１と第１の容量Ｃ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２と第２の容量Ｃ２にそれぞれ等分に分割される。
【００８１】
正接続期間に第１の蓄積容量Ｆｄ１に対して流入した電荷をΔＱＦＤ１と表し、第２の蓄積容量Ｆｄ２に流入した電荷をΔＱＦＤ２と表すと、正接続期間が終了する時の第１の蓄積容量Ｆｄ１の電圧ＶＦＤ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２の電圧ＶＦＤ２は、それぞれ次のように表される。
【００８２】
ＶＦＤ１＝Ｖｄｄ−ΔＱＦＤ１／２Ｃ（図１０の符号１０７で示す電圧）
ＶＦＤ２＝Ｖｄｄ−ΔＱＦＤ２／２Ｃ（図１０の符号１０８で示す電圧）
正接続期間が終了して、次の瞬間に第１のゲートＧ１と第２のゲートＧ２への印加パルスが反転すると、第１の容量Ｃ１に蓄積された電荷は第２の蓄積容量Ｆｄ２に流入され、第２の容量Ｃ２に蓄積された電荷は第１の蓄積容量Ｆｄ１に流入される。
【００８３】
このとき、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との接続極性は反対なので、電荷は加算されずに大半は中和される。
【００８４】
しかしながら、ΔＱＦＤ１とΔＱＦＤ２との差分は中和されず、多い側には残り、少ない側からは余分に差し引かれる形で残存する。
【００８５】
つまり、
ＶＦＤ１＝Ｖｄｄ−（ΔＱＦＤ１−ΔＱＦＤ２）／４Ｃ（図１０の符号１０９で示す電圧）
ＶＦＤ２＝Ｖｄｄ−（ΔＱＦＤ２−ΔＱＦＤ１）／４Ｃ（図１０の符号１１０で示す電圧）
となる。
【００８６】
このように、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２には、流入する電荷の差分成分のみが残存して、同一成分は電荷の中和により消失し、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧として読み出すことが可能となる。
【００８７】
こうした正接続期間と反転接続期間とを繰り返すと、図１１に示すように、残存した差分成分に従い、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧は堆積的に変化する（符号１１７、符号１１８、符号１１９、符号１２０で示す電圧を参照する。）。
【００８８】
ここで、ΔＱＦＤ１の一定時間での時間積分値をＱＦＤ１と表し、ΔＱＦＤ２の一定時間での時間積分値をＱＦＤ２と表すと、一定時間経過後の第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧差は（ＱＦＤ１−ＱＦＤ２）／２Ｃとなり、ＱＦＤ１とＱＦＤ２の全体量は蓄積されずに差分量のみが蓄積される。
【００８９】
従って、図１において、背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４による光電子（雑音）の大半はこの回路によって除去され、目的の情報量であるＬＥＤ光源１０に由来する高周波変調光由来の反射光Ｌ２による光電子（信号）だけが蓄積される。
【００９０】
即ち、光飛行時間計測法に用いる電荷振り分け方式の固体撮像素子１００によれば、対象物からの背景光由来の反射光による背景光由来の雑音を排除することができるとともに、固体撮像素子において予め設定された所定の光源に由来する対象物からの反射光を信号成分として有効に抽出することができ、高感度、低雑音化を図ることが可能になる。
【００９１】
なお、上記した実施の形態においては、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第１の容量Ｃ１および第２の容量Ｃ２の各電気容量値が、全て等しい場合について説明した。
【００９２】
しかしながら、実用上は、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２とがほぼ等しく、かつ、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とが正確に等しいことが条件であって、拡散で形成される第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電気容量値と、金属層で形成される第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との電気容量値は一致している必要性はない。
【００９３】
即ち、この固体撮像素子１００は、標準的なＩＣプロセスで制御される精度で十分に動作するものである。
【００９４】
なお、図１５には、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との精度が劣る場合のＳｐｉｃｅシミュレーションの結果を表すグラフが示されている。
【００９５】
この図１５のラフにおいては、横軸に時間（Ｔｉｍｅ）をマイクロ秒（μｓ）単位でとり、縦軸に抽出した蓄積電荷の差分成分、即ち、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧の差を計算した結果の値をとっている。なお、５マイクロ秒周期で各ＦＥＴスイッチを切り替えて、正接続期間と反転接続期間とを反転している。
【００９６】
この図１５において、実線Ａは、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との電気容量値が等しい場合のシミュレーション結果を示し、ほぼ直線的に電荷の差分成分が抽出されていることが分かる。
【００９７】
こうした実線Ａに対して、破線Ｂは、第１の容量Ｃ１を固定するとともに第２の容量Ｃ２を１０％減じた場合のシミュレーション結果を示し、また、一点鎖線Ｃは、第１の容量Ｃ１を固定するとともに第２の容量Ｃ２を１０％増加させた場合のシミュレーション結果を示している。
【００９８】
ここで、蓄積電荷の電圧変換は容量に比例するため、容量の精度劣化は大きな誤差を生じ、実線Ａと破線Ｂならびに一点鎖線Ｃとは乖離する。
【００９９】
しかしながら、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とは、上記したように各ＦＥＴスイッチで切り替えられて第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との両方に接続されるため、例えば、５マイクロ秒周期の切り替えにより誤差は相殺される方向に働き、正常値に引き戻される。
【０１００】
その結果として、堆積する誤差は差分量の５％にすぎないものであり、実際の半導体プロセスでの容量精度は２〜３％であるので、実用上全く問題ない誤差に収まることになる。
【０１０１】
また、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０に寄生する接合容量によりスイッチング損失があるため、実際の設計では、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０を小型化して、これらの接合容量の減少に努める必要がある。
【０１０２】
それと同時に、適切な容量値の第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２とを用いることで、より損失の少ない回路を構成することができる。
【０１０３】
なお、上記した固体撮像素子１００において、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２や第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０で使用する半導体拡散領域はＰ型でもＮ型でも構成可能である。
【０１０４】
例えば、上記半導体拡散領域をＮ型で構成する場合には、Ｐ基板上に形成されたＮ＋領域で第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２および第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０を形成し、各ゲートには電源電圧Ｖｄｄにスレショルド電圧分を加えた適切な電圧のパルスを印加する。
【０１０５】
また、第１のＦＥＴスイッチＭ１、第２のＦＥＴスイッチＭ２をＮ型ＦＥＴで構成し、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０をＰ型ＦＥＴで構成する場合には、印加する電源電圧Ｖｄｄよりもバックゲート電圧（回路図には示されていないＮ−領域の電圧）をＰＮ接合により順方向電流が流れない程度に高めにする。例えば、電源電圧Ｖｄｄが１．８Ｖのときに、バックゲート電圧を２．５Ｖとする。その場合に、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３〜１０への各ゲート印加電圧は、バックゲート電圧とＧＮＤ電位にするとよい。
【０１０６】
また、上記した以外の構成も可能であるが、第１の容量Ｃ１または第２の容量Ｃ２のどちらかは電源電圧Ｖｄｄよりも充電が進み、高い電圧になることに注意して構成することが望ましい。
【０１０７】
即ち、一般には、光の量子性に基づく雑音（フォトンショットノイズと称される。）は露光した光量の２乗根で増加し、信号成分は比例で増加するので、露光時間を延ばすほど露光光量が増え、信号雑音比は向上する。
【０１０８】
本発明によれば、微量なＬＥＤ光源１０に由来する高周波変調光由来の反射光Ｌ２が、大量の背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４に埋もれている場合でも、背景光Ｌ４は除去されて、長い露光時間での撮像においても飽和することを防げるので、信号雑音比は向上する。
【０１０９】
しかしながら、第３〜１０のＦＥＴスイッチＭ３−１０のスイッチングノイズ（ｋＣＴノイズと称される。）は、反転動作を繰り返す毎に発生するので、過度な反転動作を行うと信号雑音比は劣化する恐れがある。仮に単位時間での飛来する背景光Ｌ３に由来する背景光由来の反射光Ｌ４のフォトン数が１００万電子相当だとすると、前記フォトンショットノイズは約１０００電子である。
【０１１０】
また、０．０５ｐＦの蓄積容量を想定すると、１回のスイッチングによるｋＣＴノイズは約５０電子ほどなので、単位時間当たりに１００回程度の反転動作繰り返しにより生じるｋＣＴノイズは２乗根加算により、約５００電子である。従って、フォトンショットノイズが優位であるので、スイッチングによる悪影響は少ない。しかし、１０００回の繰り返しでは、１５００電子相当のｋＣＴノイズが発生するため悪影響が出る。このことを考慮し、背景光量と蓄積容量、単位時間当たりの正接続期間と反転接続期間との反転動作回数を最適な値に設定することが好ましい。
【０１１１】
ところで、実際の光飛行時間計測法では、第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との２つの蓄積容量間の差分信号だけでは、対象物の反射率と光源からの距離による光の減衰による項を知ることができない。
【０１１２】
ここで、獲得される信号をＳ、位相角をｄ、不明な項を強度係数Ｘとすると、その関係は
Ｓ＝Ｘ・ｓｉｎ（ｄ） ・・・ （１）
と近似することができる。ただし、０＜ｄ＜３６０度とする。
【０１１３】
上記した式（１）において、Ｘは正の値なので、Ｓが正か負かという違いから、ｄが１８０度以下か以上かということだけは知ることができる。しかし、正確なｄの値を知ることはできない。
【０１１４】
そこで、正確なｄの値を知るためには、図６で説明した差分を抽出するための２個の蓄積容量を設けた分離蓄積部６１、第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３を有する回路（差分抽出回路）を備えた固体撮像素子１００をほぼ倍に拡張して、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される図１２に示した本発明の他の実施の形態による回路を構成する。
【０１１５】
図１２において、第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０で構成される回路構成部分は図６と同等であり、第１〜１０のＦＥＴスイッチＭ１〜１０とそれぞれ全く同一の構造で構成された第１１〜２０のＦＥＴスイッチＭ１１〜２０で構成される回路構成部分が、図６に示す回路に対して新たに追加された回路部分である。
【０１１６】
ここで、第２１〜２８のＦＥＴスイッチＭ２１〜２８は信号読み出し回路であり、これらのなかで第２１のＦＥＴスイッチＭ２１、第２３のＦＥＴスイッチＭ２３、第２５のＦＥＴスイッチＭ２５、第２７のＦＥＴスイッチＭ２７は、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第３の蓄積容量Ｆｄ３ならびに第４の蓄積容量Ｆｄ４のそれぞれの電位を検出するバッファーアンプであり、第２２のＦＥＴスイッチＭ２２、第２４のＦＥＴスイッチＭ２４、第２６のＦＥＴスイッチＭ２６、第２８のＦＥＴスイッチＭ２８は、それぞれライン選択線（ＳＥＬ）で制御されるスイッチである。
【０１１７】
こうした図１２に示す回路は、図１３で示すタイミングチャートに従って各ゲート線を駆動する。
【０１１８】
この図１２に示す回路では、電荷を振り分ける蓄積容量が、第１の蓄積容量Ｆｄ１、第２の蓄積容量Ｆｄ２、第３の蓄積容量Ｆｄ３および第４の蓄積容量Ｆｄ４の４個あるので、０度、９０度、１８０度および２７０度の各位相角度の高周波変調光由来の反射光Ｌ２の成分を分離蓄積することができる。
【０１１９】
そして、図１２に示す回路においては、０度と１８０度、即ち、第１の転送ゲートＴｘ１と第２の転送ゲートＴｘ２に対応する分離蓄積部６１と、第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３とにより図６に示す回路に相当する回路が構成され、また、９０度と２７０度、即ち、第３の転送ゲートＴｘ３と第４の転送ゲートＴｘ４に対応する分離蓄積部１２１（分離蓄積部６１に相当する。）と、第１の容量接続制御部１２２（第１の容量接続制御部６２に相当する。）および第２の容量接続制御部１２３（第２の容量接続制御部６３に相当する。）とにより図６に示す回路に相当する回路が構成される。
【０１２０】
即ち、図１２に示す回路によれば、図６に示す回路に相当する２組の回路がそれぞれ独立して構成されることになるが、このとき、印加する駆動パルスを工夫すれば、第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３を駆動する第１のゲートＧ１と第１の容量接続制御部１２２および第２の容量接続制御部１２３を駆動する第３のゲートＧ３、第１の容量接続制御部６２および第２の容量接続制御部６３を駆動する第２のゲートＧ２と第１の容量接続制御部１２２および第２の容量接続制御部１２３を駆動する第４のゲートＧ４は同一のパルスを使用することができる。
【０１２１】
即ち、その工夫とは、図１３に示すように、第１〜４の転送ゲートＴｘ１〜４の転送ゲートへのパルスをデューティー比１：３のパルスとし、ＬＥＤ光源１０の駆動パルスに対して、０度、９０度、１８０度、２７０度となるタイミングに発生させ、第１〜４の転送ゲートＴｘ１〜４の各パルスが同じ個数含まれるように、第１のゲートＧ１、第２のゲートＧ２の切り替えタイミングを設定することである。
【０１２２】
また、リセットパルスは、０度の転送ゲート信号、即ち、図１３において第１の転送ゲートＴｘ１の有効な位相直前で終了させる。
【０１２３】
この結果、０度と１８０度の差に対応する差分信号と９０度と２７０度の差に対応する差分信号の２つの情報が獲得できる。対象物の反射率や光源からの距離による光の減衰の項は、どちらの差分信号にも等しく影響しているので、どちらも同一の値Ｘとして良い。新たに加わった信号をＣとすれば、
Ｓ＝Ｘ・ｓｉｎ（ｄ） ・・・ 式（２）
Ｃ＝Ｘ・ｃｏｓ（ｄ） ・・・ 式（３）
と近似できる。ただし、０＜ｄ＜３６０度とする。
【０１２４】
ＳとＣの２つの計測値から、上記した式（２）および式（３）の２式を解いて、Ｘとｄを一意に決定することができる。
【０１２５】
なお、図１４には、図１２に示す回路をＩＣ上にレイアウトしたレイアウト図の一例が示されている。
【０１２６】
即ち、図１２に示す回路は、１層のポリシリコン配線（Ｐ１）、５層の金属配線（Ｍ１〜Ｍ５）を用いた一般的なＣＭＯＳプロセスで無理なく配置配線できることが確認できる。従って、本発明は実施可能である。
【０１２７】
なお、図１３に示した各ゲート線の波形は一例であり、発光パルスの位相角と第１〜４の転送ゲートＴｘ１〜４の各Ｔｘ線との関係は任意の組み合わせが可能である。同様に、ＬＥＤ光源１０の発光直前に１つあるいは２つの転送を開き、残りを発光後に割り当てるということも可能である。
【０１２８】
また、図６に示す回路では２個の蓄積容量を使用し、図１２に示す回路では４個の蓄積容量を使用したが、蓄積容量の数はこれに限られるものではなく、蓄積容量の数は複数の任意数とすることができる。即ち、図６に示す回路で２個以上の蓄積容量を使用してもよいし、図１２に示す回路で４個以上の蓄積容量を使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明は、自動車などに搭載して、障害物までの距離を測定する距離センサなどに利用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】図１は、光飛行時間計測法の原理を説明するための説明図である。
【図２】図２は、光飛行時間計測法で測定される信号としてＬＥＤ光源の発光強度（図２（ａ））と固体撮像素子の受光強度（図２（ｂ））とを示すとともに、それぞれの発光タイミングと受光タイミングとを示すタイミングチャートである。
【図３】図３は、電荷を分離蓄積する電荷振り分け方式による固体撮像素子における電荷を分離蓄積する受光部分の一例による動作説明図が示されており、図３（ａ）には回路図が示されており、図３（ｂ）には構造図が示されており、図３（ｃ）にはポテンシャル図が示されている。
【図４】図４は、正常な電荷蓄積の様子を示す説明図である。
【図５】図５は、飽和した電荷蓄積の様子を示す説明図である。
【図６】図６は、本発明による固体撮像素子の実施の形態の一例の基本回路の回路図である。
【図７】図７は、本発明による固体撮像素子の基本タイミング図であり、本発明による固体撮像素子の回路に印加されるゲート電圧のタイミングチャートが示されている。
【図８】図８は、正接続期間におけるＦＥＴスイッチの接続状態を示す回路図である。
【図９】図９は、反転接続期間におけるＦＥＴスイッチの接続状態を示す回路図である。
【図１０】図１０は、本発明による固体撮像素子の動作原理の説明図である。
【図１１】図１１は、本発明による固体撮像素子の動作結果の説明図であり、正接続期間と反転接続期間との繰り返による第１の蓄積容量Ｆｄ１と第２の蓄積容量Ｆｄ２との電圧の変化を示す。
【図１２】図１２は、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される本発明による固体撮像素子の他の実施の形態の一例の回路図である。
【図１３】図１３は、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される本発明による固体撮像素子のタイミング図であり、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される本発明による固体撮像素子の回路に印加されるゲート電圧のタイミングチャートが示されている。
【図１４】図１４は、４個の蓄積容量と４個の容量接続制御部とを有して構成される本発明による固体撮像素子の回路をＩＣ上にレイアウトしたレイアウト図の一例である。
【図１５】図１５は、第１の容量Ｃ１と第２の容量Ｃ２との精度が劣る場合のＳｐｉｃｅシミュレーションの結果を表すグラフである。
【符号の説明】
【０１３１】
１０ ＬＥＤ光源
１２ 対象物
１４ センサ
１００ 固体撮像素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電荷蓄積部を備え、飛来する光で生じた光電子を該飛来のタイミングで弁別して前記複数の電荷蓄積部に振り分け、該飛来する光のタイミングを計測する固体撮像素子において、
複数の電荷蓄積部とそれぞれ導通可能な複数の容量と、
前記複数の電荷蓄積部と前記複数の容量との導通状態を制御する制御部と
を有し、
前記制御部の制御によって前記複数の電荷蓄積部と前記複数の容量とを選択的に導通させることにより、前記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の差分成分を抽出する
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記複数の容量の電気容量値は互いに等しく、
前記制御部として、前記複数の容量それぞれの両方の端子にそれぞれ２個のＦＥＴスイッチで構成した接続切り替え回路を備えた
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像素子において、
前記ＦＥＴスイッチの一方の端子を前記複数の電荷蓄積部に接続し、前記ＦＥＴスイッチの他方の端子をバイアス電圧に接続した
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
前記複数の電荷蓄積部は、２個の電荷蓄積部よりなり、
前記複数の容量は、２個の容量よりなり、
前記制御部は、前記電荷蓄積部の一方と前記容量の一方とが接続されるとともに前記電荷蓄積部の他方と前記容量の他方とが接続される第１の接続状態と、前記電荷蓄積部の他方と前記容量の一方とが接続されるとともに前記電荷蓄積部の一方と前記容量の他方とが接続される第２の接続状態とを一定時間毎に繰り返す
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１】
複数の電荷蓄積部を備え、飛来する光で生じた光電子を該飛来のタイミングで弁別して前記複数の電荷蓄積部に振り分け、該飛来する光のタイミングを計測する固体撮像素子において、
複数の電荷蓄積部とそれぞれ導通可能な複数の容量と、
前記複数の電荷蓄積部と前記複数の容量との導通状態を制御する制御部と
を有し、
前記制御部の制御によって前記複数の電荷蓄積部と前記複数の容量とを選択的に導通させることにより、前記複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷の差分成分を抽出する
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記複数の容量の電気容量値は互いに等しく、
前記制御部として、前記複数の容量それぞれの両方の端子にそれぞれ２個のＦＥＴスイッチで構成した接続切り替え回路を備えた
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像素子において、
前記ＦＥＴスイッチの一方の端子を前記複数の電荷蓄積部に接続し、前記ＦＥＴスイッチの他方の端子をバイアス電圧に接続した
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
前記複数の電荷蓄積部は、２個の電荷蓄積部よりなり、
前記複数の容量は、２個の容量よりなり、
前記制御部は、前記電荷蓄積部の一方と前記容量の一方とが接続されるとともに前記電荷蓄積部の他方と前記容量の他方とが接続される第１の接続状態と、前記電荷蓄積部の他方と前記容量の一方とが接続されるとともに前記電荷蓄積部の一方と前記容量の他方とが接続される第２の接続状態とを一定時間毎に繰り返す
ことを特徴とする固体撮像素子。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図３】
【図１４】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−８９３４６（Ｐ２００８−８９３４６Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６８３２４（Ｐ２００６−２６８３２４）
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１８年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構半導体アプリケーションチップ開発プロジェクト委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（３０６０３３７１５）ブレインビジョン株式会社 (6)
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１８年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構半導体アプリケーションチップ開発プロジェクト委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（３０６０３３７１５）ブレインビジョン株式会社 (6)
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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