固体撮像装置
【課題】画素の駆動精度を低下させることなく、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光電変換素子を有する単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイと、前記単位画素に与えられる信号電圧を選択的に切り換える切換スイッチと、第１信号電圧、第１信号電圧より高い第２信号電圧、及びその第３信号電圧を、前記切換スイッチを切り換えて選択的に前記単位画素に印加して前記単位画素を駆動する画素駆動部とを備え、前記画素駆動部は、前記第１信号電圧と前記第２信号電圧とを交互に前記複数の単位画素に印加するとともに、前記第１信号電圧から前記第２信号電圧に切り換える際、及び、前記第２信号電圧から前記第１信号電圧に切り換える際に、前記単位画素に前記第３信号電圧を経由して印加することで、複数の前記単位画素の前記光電変換素子に発生する前記光電子の蓄積、保持、転送、リセット、排出のいずれかを一斉に行う。
【解決手段】光電変換素子を有する単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイと、前記単位画素に与えられる信号電圧を選択的に切り換える切換スイッチと、第１信号電圧、第１信号電圧より高い第２信号電圧、及びその第３信号電圧を、前記切換スイッチを切り換えて選択的に前記単位画素に印加して前記単位画素を駆動する画素駆動部とを備え、前記画素駆動部は、前記第１信号電圧と前記第２信号電圧とを交互に前記複数の単位画素に印加するとともに、前記第１信号電圧から前記第２信号電圧に切り換える際、及び、前記第２信号電圧から前記第１信号電圧に切り換える際に、前記単位画素に前記第３信号電圧を経由して印加することで、複数の前記単位画素の前記光電変換素子に発生する前記光電子の蓄積、保持、転送、リセット、排出のいずれかを一斉に行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、画素を行単位で駆動、制御するローリングシャッタ方式では、被写体が移動している場合に、撮像するタイミングが画素行単位毎に異なることに起因した図形歪みが生じる欠点を有する。そのため、画素を一斉に駆動、制御する電子グローバルシャッタ方式で撮像することが望ましい。しかしながら、電子グローバルシャッタ方式には、シャッタ動作時の瞬時電流ピーク値に起因して固体撮像素子内部の電源等の電圧が降下するという課題がある。そのため、電子グローバルシャッタ方式を用いるためには、この電圧降下を低減させる技術が必要となる。電圧降下を抑えるという課題を解決するため、下記特許文献１は、図形歪みが目立たない程度にシャッタタイミングを画素行単位毎にずらすことで瞬時ピーク電流を抑えることが記載されている。また、下記特許文献２は、グローバルシャッタ方式とローリングシャッタ方式を切り替え可能な固体撮像装置において、画素駆動回路が、ローリングシャッタ方式での動作時に比べ、グローバルシャッタ方式での動作時の制御線から見た電源までのインピーダンス値を大きくするシャッターモード対応部により、ローリングシャッター方式での動作に影響を与えること無しに、グローバルシャッタ方式における瞬時ピーク電流を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２６８０７９号公報
【特許文献２】特開２００９−２９６４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の技術は、濃淡画像あるいはカラー画像取得のための用途では、一般的に露光時間がｍｓｅｃ(ミリ秒)のオーダであり、比較的長いため、図形歪みが問題にならない程度に画素毎のシャッタタイミングをずらすことが可能であるため、適応可能であるが、より高速な同期が必要となる用途では適応できない。例えば、被写体に対して光を放射し、被写体に跳ね返って帰ってくる反射光を検知し、被写体までの距離を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）の用途では、原理的に光が発光してから被写体に反射して戻ってくるまでの時間遅れを測定するため、発光タイミングと全画素のシャッター動作のｎｓｅｃ(ナノ秒)オーダかそれ以上の高速な同期を必要とする。そのため行単位毎にシャッタ動作のタイミングをずらすことができない。
【０００５】
また、上記特許文献２に記載の技術によれば、瞬時ピーク電流を軽減させることはできるが、画素を駆動するために外部電源から供給する電荷量は変わらないため、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う場合は、電圧降下が累積してしまう。
【０００６】
そこで本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、画素駆動能力を低下させることなく、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う固体撮像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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、光を検知して光電子に変換する光電変換素子を有する単位画素と、複数の前記単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイと、前記単位画素に印加する信号電圧を選択的に切り換える切換スイッチと、第１信号電圧、第１信号電圧より高い第２信号電圧、及び、前記第１信号電圧よりも高く且つ前記第２信号電圧より低い第３信号電圧を、前記切換スイッチを切り換えて選択的に前記単位画素に印加して、前記単位画素を駆動する画素駆動部と、を備え、前記画素駆動部は、前記第１信号電圧と前記第２信号電圧とを交互に前記複数の単位画素に印加するとともに、前記第１信号電圧から前記第２信号電圧に切り換える際、及び、前記第２信号電圧から前記第１信号電圧に切り換える際に、前記単位画素に前記第３信号電圧を経由して印加することで、複数の前記単位画素の前記光電変換素子に発生する前記光電子の保持、転送、リセット、排出のいずれかを一斉に行うことを特徴とする。
【０００８】
前記第１信号電圧と前記第３信号電圧との間の電位差と、前記第２信号電圧と前記第３信号電圧との間の電位差とは、互いに等しくしてもよい。
【０００９】
前記単位画素は、前記光電変換素子に発生した光電子の保持、転送、リセット、排出のいずれかを制御する複数のゲートを有し、前記信号電圧は、前記ゲートの少なくとも１つに与えられる。
【００１０】
前記単位画素は、光を検知して前記光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子に発生した前記光電子を転送させるための第１転送部と、前記光電変換素子に対して前記第１転送部を挟んで反対側に配置され、前記光電変換素子により発生した前記光電子を一時的に保持する光電子保持部と、前記第１転送部に対して前記光電子保持部を挟んで反対側に配置され、前記光電子保持部が保持した前記光電子を転送する第２転送部と、前記光電子保持部に対して前記第２転送部を挟んで反対側に配置され、転送された前記光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットするためのリセット部と、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する光電子排出部と、備え、少なくとも前記光電変換素子、前記第１転送部、前記光電子保持部、前記第２転送部、前記リセット部、及び前記光電子排出部のいずれかのゲートに前記信号電圧が与えられることで、前記光電子の蓄積、保持、転送、排出、リセットのいずれかが行われる構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明によれば、光を検知して光電子に変換する光電変換素子を有する単位画素と、複数の前記単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイと、前記単位画素に印加する信号電圧を選択的に切り換える切換スイッチと、第１信号電圧、第１信号電圧より高い第２信号電圧、及び、前記第１信号電圧よりも高く且つ前記第２信号電圧より低い第３信号電圧を、前記切換スイッチを切り換えて選択的に前記単位画素に印加して、前記単位画素を駆動する画素駆動部と、を備え、前記画素駆動部は、前記第１信号電圧と前記第２信号電圧とを交互に前記複数の単位画素に印加するとともに、前記第１信号電圧から前記第２信号電圧に切り換える際、及び、前記第２信号電圧から前記第１信号電圧に切り換える際に、前記単位画素に前記第３信号電圧を経由して印加することで、複数の前記単位画素の前記光電変換素子に発生する前記光電子の保持、転送、リセット、排出のいずれかを一斉に行うので、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う場合であっても、画素に印加する電圧の電圧降下を低減することができ、画素の駆動能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＴＯＦの原理の一例を説明するための図である。
【図２】実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。
【図３】固体撮像装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示す固体撮像装置を構成する単位画素の一例を示す平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【図７】図７Ａは、入射した光により発生した光電子を光電変換素子１０４の基板表面に蓄積している際のポテンシャル図を示すものであり、図７Ｂ、Ｃは、光電変換素子１０４の光電子を光電子保持部１１４に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｄは、光電子保持部１１４に光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図７Ｅは、光電子保持部１１４に保持した光電子を浮遊拡散層１１８に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【図８】光電変換素子、第１転送部、光電子保持部、及び第２転送部による光電子の転送状態を示すポテンシャル図の他の例である。
【図９】単位画素の回路構成の一例を示す図である。
【図１０】図４に示す受光装置を用いて単位画素を構成したときの回路図である。
【図１１】図４に示す受光装置を用いたの回路構成の他の例を示す図である。
【図１２】図３に示す固体撮像装置を構成する単位画素の他の例を示す平面図である。
【図１３】従来技術におけるゲート駆動回路の構成図である。
【図１４】図１３のゲート駆動回路により、画素負荷容量のゲートに印加される電圧の理想波形を示す図である。
【図１５】図１３のゲート駆動回路のスイッチを切り替え、実際に画素負荷容量のゲートを駆動した際の第１接点及び第２接点の電圧波形を示す図である。
【図１６】図１５よりも高速に図１３のゲート駆動回路のスイッチを切り替え、実際に画素負荷容量のゲートを駆動した際の第１接点及び第２接点の電圧波形を示す図である。
【図１７】本実施の形態におけるゲート駆動回路の構成図である。
【図１８】図１７のゲート駆動回路により、画素負荷容量のゲートに印加される電圧の理想波形を示す図である。
【図１９】図１７のゲート駆動回路により、実際に画素負荷容量のゲートに電圧が印加されたときの第１接点、第２接点、及び第３接点の電圧波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る単位画素及び該単位画素を有する固体撮像装置について、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１４】
初めに、図１を用いてＴＯＦの原理の一例を簡単に説明する。光（例えば、レーザー光）を被写体に照射する図示しない照射装置が光を照射しない状態で、且つ、環境光のみを一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）蓄積する第１蓄積期間および、第２蓄積期間のときに、各単位画素が有する受光部は、入射光に応じた光電変換により光電子を生成し、各単位画素が有する複数の光電子保持部は、各蓄積期間に発生した光電子を取り込む。第１蓄積期間に前記受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＣＢとし、第２蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＣＡとする。
【００１５】
また、前記照射装置から照射された光の反射光が入射するタイミングと全体あるいは一部でオーバラップするように設けた第３蓄積期間、および第４蓄積期間をもち、各単位画素が有する複数の光電子保持部は、各蓄積期間に発生した光電子を取り込む。ここでは、前記単位画素は、照射装置が光を照射した光の反射光を常に受光するタイミングで、反射光及び環境光を一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）蓄積する第３蓄積期間と、前記照射装置の光の照射後のタイミングから一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）光を蓄積する第４蓄積期間で発生した光電子を各光電子保持部に取り込む。第３蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＢとし、第４蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＡとする。なお、Ｉｌａｓｅｒは、前記照射された光の反射光の強度を示し、Ｉｂａｃｋは、環境光の強度を示す。
【００１６】
したがって、ＱＡ−ＱＣＡ∝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｄｅｌａｙ，ＱＢ−ＱＣＢ∝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｓｅｎｓｅ，の関係式が成り立つ。Ｔｄｅｌａｙは、照射した光が被写体に反射して戻ってくるまでの時間である。
【００１７】
上述した式から、Ｔｄｅｌａｙ＝Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／（ＱＢ−ＱＣＢ）の関係式が導き出せ、被写体までの距離Ｚは、Ｚ＝ｃ×Ｔｄｅｌａｙ／２＝ｃ×Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／２（ＱＢ−ＱＣＢ）、の関係式によって求めることができる。なお、ｃは、光速を示す。
【００１８】
図２は、実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システム１０の概略構成を示す図である。図２に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。
【００１９】
電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図２においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。
【００２０】
照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部２４を有する。この測距システム１０において、照射装置１２の発光部２４は、発光点（エミッタ）を直線状に持つ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もよい。
【００２１】
発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４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。
【００２２】
なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数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。
【００２３】
この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００２４】
撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有する。演算部１６は、固体撮像装置２８が前記各蓄積期間で取り込んだ光電子の電荷量情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離を、図１で説明した手法によって算出する。
【００２５】
図３は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（画素駆動部）３４と、画素出力信号を読み出すためのサンプルホールド回路３６と、水平選択回路３８と、出力バッファ４０と、Ａ／Ｄ変換器４２とを有する。
【００２６】
電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４４と、垂直選択回路４６を有し、ゲート駆動回路４４は、各種ゲート駆動信号電圧（画素駆動信号電圧）を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の発生（蓄積）、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４６は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子に対応する電圧信号（画素信号）を出力させる。水平選択回路３８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路３６で一端保持された後、水平選択回路３８を介して出力される。そして、出力バッファ４０及びＡ／Ｄ変換器４２を介して演算部１６に出力される。なお、制御部１８及び演算部１６は、固体撮像装置２８の中に実装してもよい。
【００２７】
図４は、図３に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す一部平面図である。単位画素３０は、複数の受光装置１００を有する。本実施の形態では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。図５及び図６は、図４に示す受光装置１００の断面図であり、詳しくは、図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図であり、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【００２８】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有する。受光装置１００は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６と、２つの光電子排出部１０８とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲートと呼ぶ）１１０を有するフォトゲート構造を有している。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）フォトダイオードである。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するゲート信号Ｓａがゲート駆動回路４４から印加される。
【００２９】
光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８を有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に振り分け、転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第１転送ゲート）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４４から第１転送部１１２を駆動するゲート信号Ｓｂが入力される。光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転送部１１２を挟んで反対側に配置され、光電変換素子１０４で発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（保持ゲート）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４４から光電子保持部１１４を駆動するゲート信号Ｓｃが入力される。
【００３０】
第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して、光電子保持部１１４を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４で集積された光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第２転送ゲート）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４４から第２転送部１１６を駆動するゲート信号Ｓｄが印加される。浮遊拡散層（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を取り込み、電圧に変換させるためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。
【００３１】
図４に示すように、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向（左右方向）に対称に２つずつ設けられており、左右にそれぞれ上下に１つずつ設けられている。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている２つの浮遊拡散層１１８を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有している。
【００３２】
図５に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ（リセット部）１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、リセット用トランジスタ１２６のゲート（リセット用ゲート）１２７には、ゲート駆動回路４４からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用ゲート１２７に供給されると、リセット用トランジスタ１２６がオンとなり、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。
【００３３】
また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に応じた電圧信号を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号を信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、信号読出用トランジスタ１３０のゲート（信号読出用ゲート）１３１は、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４のゲート（選択用ゲート）１３５に垂直選択回路４６からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタ１３４がオンになり、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に対応する電圧が信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースは、信号読出線１３２が接続されている。
【００３４】
光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図６参照）。
【００３５】
拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転送部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００３６】
図４に示すように、２つの光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４を挟んで垂直方向（上下方向）に対称的に１つずつ設けられている。また、互いに上下方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の拡散層１４２の一部を互いに共有している。
【００３７】
図７は、光電変換素子１０４、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、及び第２転送部１１６により光電子を転送するためのゲート制御の遷移を示す基板表面のポテンシャル図である。
【００３８】
図７Ａは、光電変換素子１０４によって光電子が発生しているときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｂ、Ｃは、光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｄは、光電子保持部１１４で光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図７Ｅは、光電子保持部１１４が保持した光電子を浮遊拡散層１１８に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【００３９】
図７Ａに示すように、フォトゲート１１０にハイ（Ｈｉｇｈ）のゲート駆動信号電圧Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４の表面ポテンシャル位置が低下し、光電子ｅ−が光電変換素子１０４の基板表面に蓄積される。そして、図７Ｂに示すように、第１転送ゲート１２０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｂを入力することで、光電変換素子１０４の基板表面の光電子ｅ−を光電子保持部１１４に転送する。なお、このとき、保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが入力されている。さらに、フォトゲート１１０にロー（Ｌｏｗ）のゲート駆動信号電圧Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４表面のポテンシャル位置がが高くなり（図７Ｃ参照）、光電変換素子１０４の光電子ｅ−は、光電子保持部１１４に転送される。その後、第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号電圧Ｓｂを入力して、図７Ｄに示すように光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に保持させる。この図７Ａ〜図７Ｃの状態を繰り返すことで、複数回の蓄積期間に光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に集積することができる。
【００４０】
その後、図７Ｅに示すように、第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｄを入力することで、第２転送部１１６のポテンシャル障壁が低下し、保持ゲート１２２にローのゲート駆動信号電圧Ｓｃを入力することで、光電子保持部１１４のポテンシャルが高くなり、光電子保持部１１４が保持した光電子ｅ−が浮遊拡散層１１８に転送される。
【００４１】
なお、図８に示すように、蓄積期間中も第１転送ゲート１２０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｂを入力することで、受光及び光電変換素子１０４で発生した光電子の転送を同時に行ってもよい。
【００４２】
図９は、単位画素３０の回路構成の一例を示す図である。受光装置１００の光電変換素子１０４が保持した光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、図４及び図５で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用ゲート１３１が接続される。
【００４３】
各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送された光電子が順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）に変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。
【００４４】
詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。
【００４５】
このように、受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、同一の信号読出線１３２から読み出されることになる。なお、図９では、光電子排出部１０８の図示を省略している。
【００４６】
図１０は、図４の光電変換素子１０４に対応して単位画素３０を構成したときの回路図である。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、図４で示したように、１つの光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄと、２つの光電子排出部１０８とを有する。全受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８は、リセット用トランジスタ１２６のソース、及び、信号読出用ゲート１３１に接続されている。
【００４７】
リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算（加算）した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００４８】
次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００４９】
そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５０】
最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。このように、単位画素３０の受光装置１００の光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、全て同一の信号読出線１３２から読み出される。
【００５１】
ここで、図４、１０に示すように、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの転送方向は異なる。例えば、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右上となり、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右下となり、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は左上となり、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は、左下となる。
【００５２】
また、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｃ、光電子振分部１０６ｄと、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂ、光電子振分部１０６ｄとは互いに浮遊拡散層１１８を共有しており、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｂと、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｃとは互いに浮遊拡散層１１８を共有している。
【００５３】
なお、図１１に示すように受光装置１００は、２つの信号読出線１３２ａ、１３２ｂを有してもよい。この場合は、例えば、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ａから、光電子振分部１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ｂからそれぞれ読み出される。図１１に示す受光装置１００では、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのソースが光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのリセット用ゲート１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃ、１２７ｄには、リセット信号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が供給される。また、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、信号読出用トランジスタ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄの信号読出用ゲート１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄが接続されており、選択用トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄの選択用ゲート１３５ａ、１３５ｂ、１３６ｃ、１３６ｄには、選択信号Ｓｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３、Ｓｓ４が供給される。要は、信号読出線１３２が受光装置１００の複数の浮遊拡散層１１８に接続されていればよい。
【００５４】
このように、図１１に示す受光装置１００を用いて、光電子保持部１１４が保持している光電子を独立した信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出してもよい。
【００５５】
受光装置１００は、このように光電子保持部１１４を有する４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを有するので、測距システム１０は、測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。詳しく説明すると、第１蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送し、第２蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送し、第３蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に転送し、第４蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に転送する。これにより、ＱＣＢ、ＱＣＡ、ＱＢ、ＱＡに対応する光電子を得ることができ、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８から得られた光電子に対応する電圧信号を読み出すことで、測距対象Ｗまでの距離を得ることができる。なお、図１に示すような照射装置１２の発光と固体撮像装置２８のシャッター（光電子の蓄積）動作を複数回（例えば、１００回）行うとともに、各蓄積期間（第１蓄積期間、第２蓄積期間、第３蓄積期間、第４蓄積期間）の終了毎に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄによって、光電変換素子１０４に発生した光電子が振り分けられて、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４に光電子が順次保持された後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子が読み出される。
【００５６】
なお、蓄積期間以外の期間に、光電変換素子１０４に入射した光により発生した光電子は、ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力され、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００５７】
図４の各受光装置１００の光電変換素子１０４に図示した矢印は、図１に記載の４つの蓄積期間の内１つの期間における光電子の転送方向を示したものである。例えば、第１蓄積期間では、左上の光電変換素子１０４に発生した光電子は左上の光電子振分部１０６に転送され、左下の光電変換素子１０４は、左下の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右下の光電変換素子１０４は、右下の光電子振分部１０６に転送される。
【００５８】
本実施の形態では、単位画素３０は、複数の受光装置１００を有し、単位画素３０の各受光装置１００の転送方向の異なる光電子振分部１０６により振り分けられた光電子を加算して出力するので、振分方向に依存せず、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができる。
【００５９】
詳しくは、光電子振分部１０６に転送された光電子は、複数回の受光と転送とが繰り返された後、浮遊拡散層１１８に転送されるが、上下左右に転送保持された光電子が浮遊拡散層１１８で接続されているため、光電変換素子１０４及び第１転送部１１２に転送速度の左右上下のバラツキに関して平均化することができる。これにより、図１に記載の４つの蓄積期間のうち、何れの期間においても同様に、４つの光電変換素子１０４の転送方向を上下左右に設定することで、単位画素３０の光電子の転送速度が振分方向に依存せず、精度良く光電子の取得が可能となる。
【００６０】
単位画素３０が１つの受光装置１００のみを有する場合は、該受光装置１００の製造起因や結晶方向起因によって転送速度が遅くなる方向が生じ、振分方向によっては、正確な光電子情報（光電子に応じた電圧信号）を得ることができない。つまり、光電変換素子１０４に発生した光電子の振分時間（第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６にゲート駆動信号電圧Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄを供給するタイミング）は決まっているので、転送速度が遅い振り分け方向に光電子を転送すると、光電変換素子１０４が発生した光電子の全てを転送することができない。
【００６１】
このように、上記実施の形態においては、単位画素３０の受光装置１００は、光電変換素子１０４に発生した光電子を転送するための第１転送部１１２と、光電子を一時的に保持する光電子保持部１１４と、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するための第２転送部１１６と、転送された光電子を保持して該転送された光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層１１８とを含む光電子振分部１０６とを有するので、光電変換素子が発生した光電子を複数方向に振り分けて転送することで、製造起因や結晶方向起因で生じる特性差を平均化することができる。
【００６２】
単位画素３０は、複数の受光装置１００を有するので、受光装置１００の製造起因や結晶方向起因による振分方向の転送速度のバラツキによって生じる、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができ、受光精度を向上させることができる。また、単位画素３０の複数の前記受光装置１００は、少なくとも、複数の受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有しているので、単位画素３０が小さくなり、画素アレイのチップ占有面積が小さくなるので製造コストが下がるか、もしくは縮小した分、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６３】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を４つ有し、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられ、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、画素アレイのチップ占有面積が小さくなるので製造コストが下がるか、もしくは縮小した分解像度を増やすことができる。
【００６４】
単位画素３０が１次元又は２次元に配列された画素アレイ３２を有する固体撮像装置２８は、複数の浮遊拡散層１１８の電位を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０と信号読出用トランジスタ１３０を介して信号を読み出す信号読出線１３２とを備え、単位画素３０の浮遊拡散層１１８の各々の電位は１つの信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能であり、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バ信号のラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置２８を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６５】
なお、測距対象Ｗまでの距離を得るために、環境光Ｌｓのみを受光する期間における第１蓄積期間及び２回目の第２蓄積期間と、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒを受光する期間である第３蓄積期間及び第４蓄積期間との蓄積期間のタイミング幅が一定の場合は、第１蓄積期間と第２蓄積期間における受光量は同一であるから第２蓄積期間を第１蓄積期間に置き換えてもよい。このとき、前記ＱＣＡと前記ＱＣＢは、ＱＣＡ＝ＱＣＢとして取り扱うことで、被写体までの距離を求めることができる。したがって、単位画素３０は、図１２に示す構成であってもよい。
【００６６】
図１２は、図４に示す単位画素と別の例を示す単位画素の一部平面図である。なお、図４に示す構成と同様の構成については同一の符号を付している。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。受光装置１００は、光電変換素子１０４と、３つの光電子振分部１０６と、１つの光電子排出部１０８を有する。３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられ、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられている。また、光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４の下側、又は上側に設けられ、光電子振分部１０６が設けられていない側に設けられる。単位画素３０の上側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の上側に光電子振分部１０６が設けられ、下側に光電子排出部１０８が設けられる。単位画素３０の下側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の下側に光電子振分部１０６が設けられ、上側に光電子排出部１０８が設けられる。このような構成を有することで、互いに上下方向で隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有する。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有している。
【００６７】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの前記受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を３つ有し、３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、画素アレイのチップ占有面積が小さくなるので製造コストが下がるか、もしくは縮小した分解像度を増やすことができる。
【００６８】
次に、本実施の形態における、単位画素３０にゲート駆動信号電圧を供給するゲート駆動回路４４について説明する。図１３は、従来のゲート駆動回路４４の要部構成図である。なお、ゲート駆動回路４４は、画素アレイ３２の全ての単位画素３０を一斉に駆動するので、光電子の発生（蓄積）、転送、保持、排出、リセット等の動作が一斉に行う（グローバルシャッタ動作を行う）ように画素を制御する。
【００６９】
図１３の参照符号１５０は、画素負荷容量を示す。この画素負荷容量１５０は、ｐ型半導体基板１０２とｐ型半導体基板１０２上に積層された電極との間の絶縁体によって生じる容量のことである。この画素負荷容量１５０は、本実施の形態で言うところのフォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、保持ゲート１２２、第２転送ゲート１２４、第３転送ゲート１４４、リセット用ゲート１２７の等のいずれかによって生じる負荷容量を抽象化したものである。
【００７０】
第１電圧源１５２は、第１電圧（第１信号電圧）を画素アレイ３２に供給する電圧源であり、第２電圧源１５４は、第２電圧（第２信号電圧）を画素アレイ３２に供給する電圧源である。ゲート駆動回路４４は、単位画素３０に印加する電圧（信号電圧）を選択的に切り換える切換スイッチ１５６を有する。
【００７１】
図１３を詳細に説明すると、ゲート駆動回路４４は、画素負荷容量１５０のゲート（電極）に第１電圧（第１信号電圧）を供給する第１電圧源１５２側に設けられた第１接点１５８と、画素負荷容量１５０のゲートに第２電圧（第２信号電圧）を供給する第２電圧源１５４側に設けられた第２接点１６０とをさらに有し、切換スイッチ１５６は、第１接点１５８と第２接点１６０とのどちらか一方に接続することで、画素負荷容量のゲートに印加する電圧を第１電圧又は第２電圧のいずれかに切り換える。
【００７２】
第１電圧源１５２は、基準電圧を画素負荷容量１５０に供給するものであり、本実施の形態では、グランドである。第２電圧源１５４は、第１電圧より高い第２電圧を画素負荷容量１５０に供給するためのものであり、本実施の形態では、第１電圧源１５２、第２電圧源１５４ともに電源２０に内蔵されている。なお、図１３において、第１電圧源１５２と第１接点１５８との間に示す抵抗Ｒ１、及び、第２電圧源１５４と第２接点１６０との間に示すＲ２は、それぞれ第１電圧源１５２と第１接点１５８の間の配線抵抗値と第２電圧源１５４と第２接点１６０の間の配線抵抗値を表している。
【００７３】
画素アレイ３２を一斉に駆動する際、画素負荷容量１５０のゲートに第１電圧と第２電圧とを交互に印加する。例えば、各単位画素３０の光電変換素子１０４を駆動して光電変換を制御する場合、各単位画素３０の第１転送部１１２を駆動して光電子の転送を制御する場合、各単位画素３０の光電子保持部１１４を駆動して光電子の保持を制御する場合、各単位画素３０の第２転送部１１６を駆動して光電子の転送を制御する場合、各単位画素３０の第３転送部１４０を駆動して光電子の転送を制御する場合、リセット用ゲート１２７を駆動して各単位画素３０の浮遊拡散層１１８に存在する光電子をリセットする場合は、ゲート駆動回路４４は、フォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、保持ゲート１２２、第２転送ゲート１２４、第３転送ゲート１４４、及びリセット用ゲート１２７に第１電圧と第２電圧とを交互に供給する。この駆動によって、光電子の蓄積、転送、保持、排出、リセットが行われる。
【００７４】
図１４は、図１３のゲート駆動回路４４で、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧の理想波形を示す図である。図１４で、切換スイッチ１５６の状態がａのときは、切換スイッチ１５６が第１接点１５８に接続されていることを表し、状態がｂのときは、切換スイッチ１５６が第２接点１６０に接続されていることを表している。ゲート駆動回路４４が、切換スイッチ１５６を第１接点１５８に接続させることで、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣは、第１電圧となり、その後、切換スイッチ１５６を第２接点１６０に接続させることで、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣが第２電圧となり、その後、切換スイッチ１５６を再び第１接点１５８に接続させることで、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣは第１電圧となる。このように、ゲート駆動回路４４は、画素アレイ３２の全単位画素３０の画素負荷容量１５０のゲートに第１電圧と第２電圧とを交互に印加させることで、光電子の蓄積、転送、保持、排出、リセット等を一斉に行う。
【００７５】
しかしながら、切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８から第２接点１６０に切り換えた瞬間（画素負荷容量１５０のゲートに印加させる電圧を第１電圧から第２電圧に切り換えた瞬間）においては、図１５に示す第２接点１６０の電圧Ｖ２は、第２電圧源１５４が印加している第２電圧にはならない。したがって、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣも直ぐに第２電圧とならない。
【００７６】
切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８から第２接点１６０に切り換えた瞬間に、第２接点１６０の電圧Ｖ２が、第２電圧源１５４が印加している第２電圧にならない理由としては、切換スイッチ１５６の接続が第２接点１６０に切り換えられると、第２電圧源１５４から画素負荷容量１５０に向かって瞬時電流が流れるので、配線抵抗Ｒ２によって電圧降下が起こり、第２接点１６０の電圧Ｖ２が低下する。その後、画素負荷容量１５０が充電されるに従い、画素負荷容量１５０に流れる電流が減少し、それに伴い電圧降下の度合いが減少するため第２接点１６０の電圧Ｖ２と画素負荷容量１５０に印加される電圧ＶＣとが第２電圧源が印加している第２電圧に近づく。
【００７７】
また、切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０から第１接点１５８に切り換えた瞬間（画素負荷容量１５０のゲートに印加させる電圧を第２電圧から第１電圧に切り換えた瞬間）においては、図１５に示す第１接点１５８の電圧Ｖ１は、第１電圧源１５２が印加している第１電圧とならない。したがって、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣも直ぐに第１電圧とならない。
【００７８】
切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０から第１接点１５８に切り換えた瞬間に、第１接点１５８の電圧Ｖ１が、第１電圧源が印加している第１電圧とならない理由としては、切換スイッチ１５６の接続が第１接点１５８に切り換えられると、画素負荷容量１５０の電圧ＶＣによって第１接点１５８の電圧Ｖ１は上昇する。その後、画素負荷容量１５０から配線抵抗Ｒ１を介して第１電圧源（グランド）１５２に電流が流れ、画素負荷容量１５０が放電されるに従い、第１電圧源１５２に流れる電流が減少するため第１接点１５８の電圧Ｖ１と画素負荷容量１５０に印加される電圧ＶＣとが、第１電圧源が印加している第１電圧に近づく。
【００７９】
このように、画素負荷容量１５０を瞬時に充放電できないため、画素負荷容量１５０に印加される電圧が、瞬時に第１電圧源１５２、第２電圧源１５４が印加している第２電圧、第１電圧とならず、瞬時に所望の振幅（電圧差）を有するゲート駆動信号を画素負荷容量１５０のゲートに印加することができない。つまり、画素負荷容量１５０に供給するゲート駆動信号の振幅（電圧Ｖ２−電圧Ｖ１）が瞬間的に狭くなり、画素駆動に影響を及ぼしてしまう。
【００８０】
また、図１６に示すように、切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８から第２接点１６０に切り換えると、第２接点１６０の電圧Ｖ２は、瞬間的に電圧降下しその後徐々に第２電圧に近づいていくが、高速に切換スイッチ１５６の切り換えを繰り返す場合（高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う場合）は、第２接点１６０の電圧Ｖ２が第２電圧に復帰する前に、次の第１接点１５８から第２接点１６０への切り換えが行われるので、電圧降下の累積により第２接点１６０の電圧Ｖ２はさらに低下してしまう。したがって、第１接点１５８から第２接点１６０への切換スイッチ１５６の切り換えが行われる度に、第２接点１６０の電圧Ｖ２は累積的に降下していく。
【００８１】
同様に、切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０から第１接点１５８に切り換える際も、高速に切換スイッチ１５６の切り換えを繰り返す場合は、第１接点の電圧Ｖ１が第１電圧に復帰する前に、次の第２接点１６０から第１接点１５８への切り換えが行われるので、電圧浮きの累積により第１接点１５８の電圧Ｖ１は上昇してしまう。したがって、第２接点１６０から第１接点１５８への切換スイッチ１５６の切り換えが行われる度に、累積的に第１接点１５８の電圧Ｖ１は上昇していく。これにより、画素負荷容量１５０に供給するゲート駆動信号電圧の振幅が徐々に狭くなり、画素の出力特性に影響を及ぼしてしまう。
【００８２】
そこで、本実施の形態のゲート駆動回路４４は、図１７に示すように、画素負荷容量１５０のゲートに第３電圧（第３信号電圧）を供給する第３電圧源１６２側に設けられた第３接点１６４をさらに有し、切換スイッチ１５６は、第１接点１５８、第２接点１６０、及び第３接点１６４のうち、いずれか１つに接続することで、画素負荷容量１５０に印加する電圧を第１電圧、第２電圧、及び第３電圧のいずれかに切り換える。第３電圧は、第１電圧より高く第２電圧より低い電圧である。第３電圧源１６２は、電源２０に内蔵されている。なお、第３電圧源１６２と第３接点１６４との間に示すＲ３は、配線抵抗を表しており、図１３と同様の構成について同一の符号を付している。
【００８３】
図１８は、図１７のゲート駆動回路４４で、画素負荷容量１５０のゲートに印加する理想電圧の波形を示す図である。図１８で、切換スイッチ１５６の状態がｃのときは、切換スイッチ１５６が第３接点１６４に接続されていることを表している。本実施の形態では、ゲート駆動回路４４によって、切換スイッチ１５６を第１接点１５８に接続することで、画素負荷容量１５０のゲートに印加する電圧ＶＣが第１電圧となり、その後、切換スイッチ１５６を第３接点１６４に接続することで、画素負荷容量１５０のゲートに印加する電圧ＶＣが第３電圧となり、そして、切換スイッチ１５６を第２接点１６０に接続することで、画素負荷容量１５０のゲートに印加する電圧ＶＣは、第２電圧となる。そして、再び、切換スイッチ１５６を第１接点１５８に接続することで、画素負荷容量１５０のゲートに印加する電圧ＶＣは、第１電圧となる。このように、ゲート駆動回路４４は、画素アレイ３２の全単位画素３０の画素負荷容量１５０に第１電圧と第２電圧とを交互に印加するとともに、印加させる電圧が第１電圧から第２電圧に切り換わる際及び第２電圧から第１電圧に切り換わる際に、第３電圧を印加することで、光電子の蓄積、転送、保持、排出、リセット等を一斉に行う。
【００８４】
ここで、切換スイッチ１５６の接続を切り換えるときは、上述したように、画素負荷容量１５０の充放電を瞬時にできないため、実際に画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧は、図１８に示す理想波形とは異なるが、切換スイッチ１５６の接続を、第１接点１５８から第２接点１６０に切り換える際に切換スイッチ１５６を第３接点１６４に経由して接続させるので、図１９に示すように、切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０に切り換えた場合であっても、配線抵抗Ｒ２による第２接点１６０の電圧Ｖ２の電圧降下が図１５の場合に比べ小さくなる。
【００８５】
つまり、切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８から第２接点１６０に切り換える際には、第３接点１６４を経由するので、第３電圧源１６２から画素負荷容量１５０に電流（電荷）を供給するため、画素負荷容量１５０が第３電圧源１６２によりある程度充電され、その後、切換スイッチ１５６が第２接点１６０に接続されるので、第２電圧源１５４から画素負荷容量１５０に流れる瞬時電流（電荷量）が、図１５に比べ少なくなる。したがって、第２接点１６０に切換スイッチ１５６を接続した際に、配線抵抗Ｒ２による第２接点１６０の電圧Ｖ２の電圧降下を抑制することができる。
【００８６】
また、切換スイッチ１５６の接続を、第２接点１６０から第１接点１５８に切り換える際に第３接点１６４を経由するので、図１９に示すように、切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８に切り換えた場合であっても、第１接点１５８の電圧Ｖ１の電圧上昇が図１５の場合に比べ小さくなる。
【００８７】
つまり、切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０から第１接点１５８に切り換える際には、まず第３接点１６４を経由するので、画素負荷容量１５０が第３電圧源１６２により程度放電され、その後、切換スイッチ１５６が第１接点１５８に接続されるので、第１接点の電圧Ｖ１の電圧上昇を抑えることができる。
【００８８】
なお、切換スイッチ１５６の接続が、第１接点１５８から第３接点１６４に切り換わると、第３電圧源１６２から画素負荷容量１５０に電流（電荷）が流れるので、配線抵抗Ｒ３によって電圧降下が起こり、第３接点１６４の電圧Ｖ３は低下し、その後、第３接点１６４の電圧Ｖ３は、第３電圧まで徐々に復帰する。また、切換スイッチ１５６の接続が第２接点１６０から第３接点１６４に切り換わると、第３接点１６４の電圧Ｖ３が上昇し、画素負荷容量１５０から配線抵抗Ｒ３を介して第３電圧源１６２に電流（電荷）が流れるので、第３接点１６４の電圧Ｖ３が低下し第３電圧まで復帰する。
【００８９】
このように、画素負荷容量１５０を２段階に分けて充放電するため、第２電圧源１５４から画素負荷容量１５０に供給する電荷量を少なくすることができるので、第２接点１６０の電圧Ｖ２の電圧降下を抑えることができるとともに、画素負荷容量１５０から第１電圧源１５２に供給する電荷量を少なくすることができるので、第１接点１５８の電圧Ｖ１の電圧上昇を抑えることができる。したがって、所望の電圧に近い電圧のゲート駆動信号電圧を画素負荷容量１５０のゲートに印加させることができる。また、画素負荷容量１５０に供給されるゲート駆動信号電圧の振幅が確保されるため、画素駆動の能力が向上する。
【００９０】
つまり、切換スイッチ１５６を駆動させて第１電圧と第２電圧とを交互に画素負荷容量１５０のゲートに印加するとともに、画素負荷容量１５０のゲートに印加させる電圧を、第１電圧から第２電圧に切り換える際、及び、第２電圧から第１電圧に切り換える際に、第３電圧を印加させるので、第２接点１６０の電圧降下、第１接点１５８の電圧上昇を抑制することができる。また、第２接点１６０の電圧降下、第１接点１５８の電圧上昇を抑制することができるので、高速に切換スイッチ１５６の切り換えを行う場合であっても、電圧降下の累積による第２接点１６０の電圧Ｖ２の低下、電圧上昇の累積による第１接点１５８の電圧Ｖ１の上昇を抑えることができる。これにより、所望する電圧に近い電圧のゲート駆動信号電圧を供給することができ、画素駆動能力が向上し、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行うことができる。
【００９１】
ここで、第３電圧と第１電圧との電位差が、第２電圧と第３電圧との電位差と等しくなるように、第３電圧を設定すると、第３電圧源１６２が供給する必要のある電荷量が、a⇒ｃとｂ⇒cに遷移時で相殺されるので、第３接点１６４に寄生容量があり、寄生容量が第３電圧に復帰するのに時間が掛かる場合でも第３接点１６４の電圧は累積的な電圧降下や電圧上昇の影響を受け難く一定の電圧変動範囲内で安定する。そのため、Ｒ３はＲ１やＲ２よりも大きい抵抗値（細い配線）でもよい。したがって、ゲート駆動回路４４の第１電圧と第２電圧の配線領域（＝配線幅、配線の太さ）を大きく逼迫することなしに、第３電圧の配線を追加することができる。
【００９２】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００９３】
１０…測距システム １２…照射装置
１４…撮像部 １６…演算部
１８…制御部 ２０…電源
２８…固体撮像装置 ３０…単位画素
３２…画素アレイ ３４…画素駆動回路
４４…ゲート駆動回路 １００…受光装置
１０２…ｐ型半導体基板 １０４…光電変換素子
１０６…光電子振分部 １０８…光電子排出部
１１０…フォトゲート １１２…第１転送部
１１４…光電子保持部 １１６…第２転送部
１１８…浮遊拡散層 １２０…第１転送ゲート
１２２…保持ゲート １２４…第２転送ゲート
１２６…リセット用トランジスタ １２７…リセット用ゲート
１３０…信号読出用トランジスタ １３１…信号読出用ゲート
１３２…信号読出線 １３４…選択用トランジスタ
１３５…選択用トランジスタ １４０…第３転送部
１４２…拡散層 １４４…第３転送ゲート
１５０…画素負荷容量 １５２…第１電圧源
１５４…第２電圧源 １５６…切換スイッチ
１５８…第１接点 １６０…第２接点
１６２…第３電圧源 １６４…第３接点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、画素を行単位で駆動、制御するローリングシャッタ方式では、被写体が移動している場合に、撮像するタイミングが画素行単位毎に異なることに起因した図形歪みが生じる欠点を有する。そのため、画素を一斉に駆動、制御する電子グローバルシャッタ方式で撮像することが望ましい。しかしながら、電子グローバルシャッタ方式には、シャッタ動作時の瞬時電流ピーク値に起因して固体撮像素子内部の電源等の電圧が降下するという課題がある。そのため、電子グローバルシャッタ方式を用いるためには、この電圧降下を低減させる技術が必要となる。電圧降下を抑えるという課題を解決するため、下記特許文献１は、図形歪みが目立たない程度にシャッタタイミングを画素行単位毎にずらすことで瞬時ピーク電流を抑えることが記載されている。また、下記特許文献２は、グローバルシャッタ方式とローリングシャッタ方式を切り替え可能な固体撮像装置において、画素駆動回路が、ローリングシャッタ方式での動作時に比べ、グローバルシャッタ方式での動作時の制御線から見た電源までのインピーダンス値を大きくするシャッターモード対応部により、ローリングシャッター方式での動作に影響を与えること無しに、グローバルシャッタ方式における瞬時ピーク電流を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２６８０７９号公報
【特許文献２】特開２００９−２９６４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の技術は、濃淡画像あるいはカラー画像取得のための用途では、一般的に露光時間がｍｓｅｃ(ミリ秒)のオーダであり、比較的長いため、図形歪みが問題にならない程度に画素毎のシャッタタイミングをずらすことが可能であるため、適応可能であるが、より高速な同期が必要となる用途では適応できない。例えば、被写体に対して光を放射し、被写体に跳ね返って帰ってくる反射光を検知し、被写体までの距離を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）の用途では、原理的に光が発光してから被写体に反射して戻ってくるまでの時間遅れを測定するため、発光タイミングと全画素のシャッター動作のｎｓｅｃ(ナノ秒)オーダかそれ以上の高速な同期を必要とする。そのため行単位毎にシャッタ動作のタイミングをずらすことができない。
【０００５】
また、上記特許文献２に記載の技術によれば、瞬時ピーク電流を軽減させることはできるが、画素を駆動するために外部電源から供給する電荷量は変わらないため、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う場合は、電圧降下が累積してしまう。
【０００６】
そこで本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、画素駆動能力を低下させることなく、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う固体撮像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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、光を検知して光電子に変換する光電変換素子を有する単位画素と、複数の前記単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイと、前記単位画素に印加する信号電圧を選択的に切り換える切換スイッチと、第１信号電圧、第１信号電圧より高い第２信号電圧、及び、前記第１信号電圧よりも高く且つ前記第２信号電圧より低い第３信号電圧を、前記切換スイッチを切り換えて選択的に前記単位画素に印加して、前記単位画素を駆動する画素駆動部と、を備え、前記画素駆動部は、前記第１信号電圧と前記第２信号電圧とを交互に前記複数の単位画素に印加するとともに、前記第１信号電圧から前記第２信号電圧に切り換える際、及び、前記第２信号電圧から前記第１信号電圧に切り換える際に、前記単位画素に前記第３信号電圧を経由して印加することで、複数の前記単位画素の前記光電変換素子に発生する前記光電子の保持、転送、リセット、排出のいずれかを一斉に行うことを特徴とする。
【０００８】
前記第１信号電圧と前記第３信号電圧との間の電位差と、前記第２信号電圧と前記第３信号電圧との間の電位差とは、互いに等しくしてもよい。
【０００９】
前記単位画素は、前記光電変換素子に発生した光電子の保持、転送、リセット、排出のいずれかを制御する複数のゲートを有し、前記信号電圧は、前記ゲートの少なくとも１つに与えられる。
【００１０】
前記単位画素は、光を検知して前記光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子に発生した前記光電子を転送させるための第１転送部と、前記光電変換素子に対して前記第１転送部を挟んで反対側に配置され、前記光電変換素子により発生した前記光電子を一時的に保持する光電子保持部と、前記第１転送部に対して前記光電子保持部を挟んで反対側に配置され、前記光電子保持部が保持した前記光電子を転送する第２転送部と、前記光電子保持部に対して前記第２転送部を挟んで反対側に配置され、転送された前記光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットするためのリセット部と、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する光電子排出部と、備え、少なくとも前記光電変換素子、前記第１転送部、前記光電子保持部、前記第２転送部、前記リセット部、及び前記光電子排出部のいずれかのゲートに前記信号電圧が与えられることで、前記光電子の蓄積、保持、転送、排出、リセットのいずれかが行われる構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明によれば、光を検知して光電子に変換する光電変換素子を有する単位画素と、複数の前記単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイと、前記単位画素に印加する信号電圧を選択的に切り換える切換スイッチと、第１信号電圧、第１信号電圧より高い第２信号電圧、及び、前記第１信号電圧よりも高く且つ前記第２信号電圧より低い第３信号電圧を、前記切換スイッチを切り換えて選択的に前記単位画素に印加して、前記単位画素を駆動する画素駆動部と、を備え、前記画素駆動部は、前記第１信号電圧と前記第２信号電圧とを交互に前記複数の単位画素に印加するとともに、前記第１信号電圧から前記第２信号電圧に切り換える際、及び、前記第２信号電圧から前記第１信号電圧に切り換える際に、前記単位画素に前記第３信号電圧を経由して印加することで、複数の前記単位画素の前記光電変換素子に発生する前記光電子の保持、転送、リセット、排出のいずれかを一斉に行うので、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う場合であっても、画素に印加する電圧の電圧降下を低減することができ、画素の駆動能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＴＯＦの原理の一例を説明するための図である。
【図２】実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。
【図３】固体撮像装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示す固体撮像装置を構成する単位画素の一例を示す平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【図７】図７Ａは、入射した光により発生した光電子を光電変換素子１０４の基板表面に蓄積している際のポテンシャル図を示すものであり、図７Ｂ、Ｃは、光電変換素子１０４の光電子を光電子保持部１１４に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｄは、光電子保持部１１４に光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図７Ｅは、光電子保持部１１４に保持した光電子を浮遊拡散層１１８に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【図８】光電変換素子、第１転送部、光電子保持部、及び第２転送部による光電子の転送状態を示すポテンシャル図の他の例である。
【図９】単位画素の回路構成の一例を示す図である。
【図１０】図４に示す受光装置を用いて単位画素を構成したときの回路図である。
【図１１】図４に示す受光装置を用いたの回路構成の他の例を示す図である。
【図１２】図３に示す固体撮像装置を構成する単位画素の他の例を示す平面図である。
【図１３】従来技術におけるゲート駆動回路の構成図である。
【図１４】図１３のゲート駆動回路により、画素負荷容量のゲートに印加される電圧の理想波形を示す図である。
【図１５】図１３のゲート駆動回路のスイッチを切り替え、実際に画素負荷容量のゲートを駆動した際の第１接点及び第２接点の電圧波形を示す図である。
【図１６】図１５よりも高速に図１３のゲート駆動回路のスイッチを切り替え、実際に画素負荷容量のゲートを駆動した際の第１接点及び第２接点の電圧波形を示す図である。
【図１７】本実施の形態におけるゲート駆動回路の構成図である。
【図１８】図１７のゲート駆動回路により、画素負荷容量のゲートに印加される電圧の理想波形を示す図である。
【図１９】図１７のゲート駆動回路により、実際に画素負荷容量のゲートに電圧が印加されたときの第１接点、第２接点、及び第３接点の電圧波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る単位画素及び該単位画素を有する固体撮像装置について、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１４】
初めに、図１を用いてＴＯＦの原理の一例を簡単に説明する。光（例えば、レーザー光）を被写体に照射する図示しない照射装置が光を照射しない状態で、且つ、環境光のみを一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）蓄積する第１蓄積期間および、第２蓄積期間のときに、各単位画素が有する受光部は、入射光に応じた光電変換により光電子を生成し、各単位画素が有する複数の光電子保持部は、各蓄積期間に発生した光電子を取り込む。第１蓄積期間に前記受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＣＢとし、第２蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＣＡとする。
【００１５】
また、前記照射装置から照射された光の反射光が入射するタイミングと全体あるいは一部でオーバラップするように設けた第３蓄積期間、および第４蓄積期間をもち、各単位画素が有する複数の光電子保持部は、各蓄積期間に発生した光電子を取り込む。ここでは、前記単位画素は、照射装置が光を照射した光の反射光を常に受光するタイミングで、反射光及び環境光を一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）蓄積する第３蓄積期間と、前記照射装置の光の照射後のタイミングから一定時間（Ｔｓｅｎｓｅ）光を蓄積する第４蓄積期間で発生した光電子を各光電子保持部に取り込む。第３蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＢとし、第４蓄積期間に受光部に入射し、光電子保持部に取り込まれた光電子の電荷量をＱＡとする。なお、Ｉｌａｓｅｒは、前記照射された光の反射光の強度を示し、Ｉｂａｃｋは、環境光の強度を示す。
【００１６】
したがって、ＱＡ−ＱＣＡ∝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｄｅｌａｙ，ＱＢ−ＱＣＢ∝Ｉｌａｓｅｒ×Ｔｓｅｎｓｅ，の関係式が成り立つ。Ｔｄｅｌａｙは、照射した光が被写体に反射して戻ってくるまでの時間である。
【００１７】
上述した式から、Ｔｄｅｌａｙ＝Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／（ＱＢ−ＱＣＢ）の関係式が導き出せ、被写体までの距離Ｚは、Ｚ＝ｃ×Ｔｄｅｌａｙ／２＝ｃ×Ｔｓｅｎｓｅ×（ＱＡ−ＱＣＡ）／２（ＱＢ−ＱＣＢ）、の関係式によって求めることができる。なお、ｃは、光速を示す。
【００１８】
図２は、実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システム１０の概略構成を示す図である。図２に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。
【００１９】
電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図２においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。
【００２０】
照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部２４を有する。この測距システム１０において、照射装置１２の発光部２４は、発光点（エミッタ）を直線状に持つ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もよい。
【００２１】
発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４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。
【００２２】
なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数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。
【００２３】
この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００２４】
撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有する。演算部１６は、固体撮像装置２８が前記各蓄積期間で取り込んだ光電子の電荷量情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離を、図１で説明した手法によって算出する。
【００２５】
図３は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（画素駆動部）３４と、画素出力信号を読み出すためのサンプルホールド回路３６と、水平選択回路３８と、出力バッファ４０と、Ａ／Ｄ変換器４２とを有する。
【００２６】
電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４４と、垂直選択回路４６を有し、ゲート駆動回路４４は、各種ゲート駆動信号電圧（画素駆動信号電圧）を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の発生（蓄積）、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４６は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子に対応する電圧信号（画素信号）を出力させる。水平選択回路３８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路３６で一端保持された後、水平選択回路３８を介して出力される。そして、出力バッファ４０及びＡ／Ｄ変換器４２を介して演算部１６に出力される。なお、制御部１８及び演算部１６は、固体撮像装置２８の中に実装してもよい。
【００２７】
図４は、図３に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す一部平面図である。単位画素３０は、複数の受光装置１００を有する。本実施の形態では、単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。図５及び図６は、図４に示す受光装置１００の断面図であり、詳しくは、図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図であり、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【００２８】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有する。受光装置１００は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６と、２つの光電子排出部１０８とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲートと呼ぶ）１１０を有するフォトゲート構造を有している。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）フォトダイオードである。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するゲート信号Ｓａがゲート駆動回路４４から印加される。
【００２９】
光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８を有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に振り分け、転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第１転送ゲート）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４４から第１転送部１１２を駆動するゲート信号Ｓｂが入力される。光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転送部１１２を挟んで反対側に配置され、光電変換素子１０４で発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（保持ゲート）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４４から光電子保持部１１４を駆動するゲート信号Ｓｃが入力される。
【００３０】
第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して、光電子保持部１１４を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４で集積された光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第２転送ゲート）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図５参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４４から第２転送部１１６を駆動するゲート信号Ｓｄが印加される。浮遊拡散層（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで反対側に配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を取り込み、電圧に変換させるためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。
【００３１】
図４に示すように、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向（左右方向）に対称に２つずつ設けられており、左右にそれぞれ上下に１つずつ設けられている。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている２つの浮遊拡散層１１８を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有している。
【００３２】
図５に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ（リセット部）１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、リセット用トランジスタ１２６のゲート（リセット用ゲート）１２７には、ゲート駆動回路４４からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用ゲート１２７に供給されると、リセット用トランジスタ１２６がオンとなり、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。
【００３３】
また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に応じた電圧信号を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号を信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、信号読出用トランジスタ１３０のゲート（信号読出用ゲート）１３１は、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４のゲート（選択用ゲート）１３５に垂直選択回路４６からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタ１３４がオンになり、浮遊拡散層１１８が保持した光電子に対応する電圧が信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースは、信号読出線１３２が接続されている。
【００３４】
光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図６参照）。
【００３５】
拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転送部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００３６】
図４に示すように、２つの光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４を挟んで垂直方向（上下方向）に対称的に１つずつ設けられている。また、互いに上下方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有している。つまり、受光装置１００は、受光装置１００の拡散層１４２の一部を互いに共有している。
【００３７】
図７は、光電変換素子１０４、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、及び第２転送部１１６により光電子を転送するためのゲート制御の遷移を示す基板表面のポテンシャル図である。
【００３８】
図７Ａは、光電変換素子１０４によって光電子が発生しているときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｂ、Ｃは、光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するときのポテンシャル図を示すものであり、図７Ｄは、光電子保持部１１４で光電子を保持しているときのポテンシャル図であり、図７Ｅは、光電子保持部１１４が保持した光電子を浮遊拡散層１１８に転送するときのポテンシャル図を示すものである。
【００３９】
図７Ａに示すように、フォトゲート１１０にハイ（Ｈｉｇｈ）のゲート駆動信号電圧Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４の表面ポテンシャル位置が低下し、光電子ｅ−が光電変換素子１０４の基板表面に蓄積される。そして、図７Ｂに示すように、第１転送ゲート１２０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｂを入力することで、光電変換素子１０４の基板表面の光電子ｅ−を光電子保持部１１４に転送する。なお、このとき、保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが入力されている。さらに、フォトゲート１１０にロー（Ｌｏｗ）のゲート駆動信号電圧Ｓａを入力することで、光電変換素子１０４表面のポテンシャル位置がが高くなり（図７Ｃ参照）、光電変換素子１０４の光電子ｅ−は、光電子保持部１１４に転送される。その後、第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号電圧Ｓｂを入力して、図７Ｄに示すように光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に保持させる。この図７Ａ〜図７Ｃの状態を繰り返すことで、複数回の蓄積期間に光電変換素子１０４で発生した光電子を光電子保持部１１４に集積することができる。
【００４０】
その後、図７Ｅに示すように、第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｄを入力することで、第２転送部１１６のポテンシャル障壁が低下し、保持ゲート１２２にローのゲート駆動信号電圧Ｓｃを入力することで、光電子保持部１１４のポテンシャルが高くなり、光電子保持部１１４が保持した光電子ｅ−が浮遊拡散層１１８に転送される。
【００４１】
なお、図８に示すように、蓄積期間中も第１転送ゲート１２０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｂを入力することで、受光及び光電変換素子１０４で発生した光電子の転送を同時に行ってもよい。
【００４２】
図９は、単位画素３０の回路構成の一例を示す図である。受光装置１００の光電変換素子１０４が保持した光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、図４及び図５で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用ゲート１３１が接続される。
【００４３】
各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送された光電子が順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）に変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。
【００４４】
詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。
【００４５】
このように、受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、同一の信号読出線１３２から読み出されることになる。なお、図９では、光電子排出部１０８の図示を省略している。
【００４６】
図１０は、図４の光電変換素子１０４に対応して単位画素３０を構成したときの回路図である。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、図４で示したように、１つの光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄと、２つの光電子排出部１０８とを有する。全受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８は、リセット用トランジスタ１２６のソース、及び、信号読出用ゲート１３１に接続されている。
【００４７】
リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算（加算）した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００４８】
次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００４９】
そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｃの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。
【００５０】
最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、単位画素３０の各光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が各光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送され、該転送された光電子に応じた電圧信号（信号レベル）が信号読出線１３２から読み出される。つまり、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子を合算した光電子の電荷量に応じた電圧信号が信号読出線１３２から読み出される。このように、単位画素３０の受光装置１００の光電子保持部１１４が保持した光電子に応じた電圧信号は、全て同一の信号読出線１３２から読み出される。
【００５１】
ここで、図４、１０に示すように、単位画素３０の各受光装置１００の光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの転送方向は異なる。例えば、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右上となり、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は右下となり、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は左上となり、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ａの転送方向は、左下となる。
【００５２】
また、右上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｃ、光電子振分部１０６ｄと、左上の受光装置１００の光電子振分部１０６ｂ、光電子振分部１０６ｄとは互いに浮遊拡散層１１８を共有しており、右下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｂと、左下の受光装置１００の光電子振分部１０６ｄ、１０６ｃとは互いに浮遊拡散層１１８を共有している。
【００５３】
なお、図１１に示すように受光装置１００は、２つの信号読出線１３２ａ、１３２ｂを有してもよい。この場合は、例えば、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ａから、光電子振分部１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送された光電子に応じた電圧信号が信号読出線１３２ｂからそれぞれ読み出される。図１１に示す受光装置１００では、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのソースが光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、リセット用トランジスタ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄのリセット用ゲート１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃ、１２７ｄには、リセット信号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４が供給される。また、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、信号読出用トランジスタ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄの信号読出用ゲート１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄが接続されており、選択用トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄの選択用ゲート１３５ａ、１３５ｂ、１３６ｃ、１３６ｄには、選択信号Ｓｓ１、Ｓｓ２、Ｓｓ３、Ｓｓ４が供給される。要は、信号読出線１３２が受光装置１００の複数の浮遊拡散層１１８に接続されていればよい。
【００５４】
このように、図１１に示す受光装置１００を用いて、光電子保持部１１４が保持している光電子を独立した信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出してもよい。
【００５５】
受光装置１００は、このように光電子保持部１１４を有する４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを有するので、測距システム１０は、測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。詳しく説明すると、第１蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に転送し、第２蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に転送し、第３蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に転送し、第４蓄積期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に転送する。これにより、ＱＣＢ、ＱＣＡ、ＱＢ、ＱＡに対応する光電子を得ることができ、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８から得られた光電子に対応する電圧信号を読み出すことで、測距対象Ｗまでの距離を得ることができる。なお、図１に示すような照射装置１２の発光と固体撮像装置２８のシャッター（光電子の蓄積）動作を複数回（例えば、１００回）行うとともに、各蓄積期間（第１蓄積期間、第２蓄積期間、第３蓄積期間、第４蓄積期間）の終了毎に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄによって、光電変換素子１０４に発生した光電子が振り分けられて、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４に光電子が順次保持された後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子が読み出される。
【００５６】
なお、蓄積期間以外の期間に、光電変換素子１０４に入射した光により発生した光電子は、ゲート駆動回路４４から第３転送ゲート１４４に排出信号Ｓｅが入力され、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。
【００５７】
図４の各受光装置１００の光電変換素子１０４に図示した矢印は、図１に記載の４つの蓄積期間の内１つの期間における光電子の転送方向を示したものである。例えば、第１蓄積期間では、左上の光電変換素子１０４に発生した光電子は左上の光電子振分部１０６に転送され、左下の光電変換素子１０４は、左下の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右上の光電変換素子１０４は、右上の光電子振分部１０６に転送され、右下の光電変換素子１０４は、右下の光電子振分部１０６に転送される。
【００５８】
本実施の形態では、単位画素３０は、複数の受光装置１００を有し、単位画素３０の各受光装置１００の転送方向の異なる光電子振分部１０６により振り分けられた光電子を加算して出力するので、振分方向に依存せず、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができる。
【００５９】
詳しくは、光電子振分部１０６に転送された光電子は、複数回の受光と転送とが繰り返された後、浮遊拡散層１１８に転送されるが、上下左右に転送保持された光電子が浮遊拡散層１１８で接続されているため、光電変換素子１０４及び第１転送部１１２に転送速度の左右上下のバラツキに関して平均化することができる。これにより、図１に記載の４つの蓄積期間のうち、何れの期間においても同様に、４つの光電変換素子１０４の転送方向を上下左右に設定することで、単位画素３０の光電子の転送速度が振分方向に依存せず、精度良く光電子の取得が可能となる。
【００６０】
単位画素３０が１つの受光装置１００のみを有する場合は、該受光装置１００の製造起因や結晶方向起因によって転送速度が遅くなる方向が生じ、振分方向によっては、正確な光電子情報（光電子に応じた電圧信号）を得ることができない。つまり、光電変換素子１０４に発生した光電子の振分時間（第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６にゲート駆動信号電圧Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄを供給するタイミング）は決まっているので、転送速度が遅い振り分け方向に光電子を転送すると、光電変換素子１０４が発生した光電子の全てを転送することができない。
【００６１】
このように、上記実施の形態においては、単位画素３０の受光装置１００は、光電変換素子１０４に発生した光電子を転送するための第１転送部１１２と、光電子を一時的に保持する光電子保持部１１４と、光電子保持部１１４が保持した光電子を転送するための第２転送部１１６と、転送された光電子を保持して該転送された光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層１１８とを含む光電子振分部１０６とを有するので、光電変換素子が発生した光電子を複数方向に振り分けて転送することで、製造起因や結晶方向起因で生じる特性差を平均化することができる。
【００６２】
単位画素３０は、複数の受光装置１００を有するので、受光装置１００の製造起因や結晶方向起因による振分方向の転送速度のバラツキによって生じる、振分方向毎に転送される光電子数のバラツキを抑えることができ、受光精度を向上させることができる。また、単位画素３０の複数の前記受光装置１００は、少なくとも、複数の受光装置１００の浮遊拡散層１１８の一部を互いに共有しているので、単位画素３０が小さくなり、画素アレイのチップ占有面積が小さくなるので製造コストが下がるか、もしくは縮小した分、単位画素３０を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６３】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を４つ有し、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に２つずつ設けられ、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、画素アレイのチップ占有面積が小さくなるので製造コストが下がるか、もしくは縮小した分解像度を増やすことができる。
【００６４】
単位画素３０が１次元又は２次元に配列された画素アレイ３２を有する固体撮像装置２８は、複数の浮遊拡散層１１８の電位を読み出すための信号読出用トランジスタ１３０と信号読出用トランジスタ１３０を介して信号を読み出す信号読出線１３２とを備え、単位画素３０の浮遊拡散層１１８の各々の電位は１つの信号読出用トランジスタ１３０を介して読み出されるので、信号読み出し回路の共通化が可能であり、読み出し回路の製造バラツキに起因する出力バ信号のラツキを抑制することができるとともに、固体撮像装置２８を小型化して、解像度を増やすことができる。
【００６５】
なお、測距対象Ｗまでの距離を得るために、環境光Ｌｓのみを受光する期間における第１蓄積期間及び２回目の第２蓄積期間と、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒを受光する期間である第３蓄積期間及び第４蓄積期間との蓄積期間のタイミング幅が一定の場合は、第１蓄積期間と第２蓄積期間における受光量は同一であるから第２蓄積期間を第１蓄積期間に置き換えてもよい。このとき、前記ＱＣＡと前記ＱＣＢは、ＱＣＡ＝ＱＣＢとして取り扱うことで、被写体までの距離を求めることができる。したがって、単位画素３０は、図１２に示す構成であってもよい。
【００６６】
図１２は、図４に示す単位画素と別の例を示す単位画素の一部平面図である。なお、図４に示す構成と同様の構成については同一の符号を付している。単位画素３０は、４つの受光装置１００を有し、行列状に配置されている。受光装置１００は、光電変換素子１０４と、３つの光電子振分部１０６と、１つの光電子排出部１０８を有する。３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向に対称的に１つずつ設けられ、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられている。また、光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４の下側、又は上側に設けられ、光電子振分部１０６が設けられていない側に設けられる。単位画素３０の上側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の上側に光電子振分部１０６が設けられ、下側に光電子排出部１０８が設けられる。単位画素３０の下側２つの受光装置１００は、光電変換素子１０４の下側に光電子振分部１０６が設けられ、上側に光電子排出部１０８が設けられる。このような構成を有することで、互いに上下方向で隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている拡散層１４２を共有する。また、互いに水平方向に隣り合う単位画素３０の受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有している。
【００６７】
単位画素３０は、行列状に配置された４つの前記受光装置１００を有し、受光装置１００は、光電子振分部１０６を３つ有し、３つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４に対して水平方向に対称的に１つずつ設けられるとともに、光電変換素子１０４の上側、又は下側に１つ設けられており、互いに水平方向に隣り合う受光装置１００は、その間に設けられている浮遊拡散層１１８を共有しているので、単位画素３０が小さくなり、画素アレイのチップ占有面積が小さくなるので製造コストが下がるか、もしくは縮小した分解像度を増やすことができる。
【００６８】
次に、本実施の形態における、単位画素３０にゲート駆動信号電圧を供給するゲート駆動回路４４について説明する。図１３は、従来のゲート駆動回路４４の要部構成図である。なお、ゲート駆動回路４４は、画素アレイ３２の全ての単位画素３０を一斉に駆動するので、光電子の発生（蓄積）、転送、保持、排出、リセット等の動作が一斉に行う（グローバルシャッタ動作を行う）ように画素を制御する。
【００６９】
図１３の参照符号１５０は、画素負荷容量を示す。この画素負荷容量１５０は、ｐ型半導体基板１０２とｐ型半導体基板１０２上に積層された電極との間の絶縁体によって生じる容量のことである。この画素負荷容量１５０は、本実施の形態で言うところのフォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、保持ゲート１２２、第２転送ゲート１２４、第３転送ゲート１４４、リセット用ゲート１２７の等のいずれかによって生じる負荷容量を抽象化したものである。
【００７０】
第１電圧源１５２は、第１電圧（第１信号電圧）を画素アレイ３２に供給する電圧源であり、第２電圧源１５４は、第２電圧（第２信号電圧）を画素アレイ３２に供給する電圧源である。ゲート駆動回路４４は、単位画素３０に印加する電圧（信号電圧）を選択的に切り換える切換スイッチ１５６を有する。
【００７１】
図１３を詳細に説明すると、ゲート駆動回路４４は、画素負荷容量１５０のゲート（電極）に第１電圧（第１信号電圧）を供給する第１電圧源１５２側に設けられた第１接点１５８と、画素負荷容量１５０のゲートに第２電圧（第２信号電圧）を供給する第２電圧源１５４側に設けられた第２接点１６０とをさらに有し、切換スイッチ１５６は、第１接点１５８と第２接点１６０とのどちらか一方に接続することで、画素負荷容量のゲートに印加する電圧を第１電圧又は第２電圧のいずれかに切り換える。
【００７２】
第１電圧源１５２は、基準電圧を画素負荷容量１５０に供給するものであり、本実施の形態では、グランドである。第２電圧源１５４は、第１電圧より高い第２電圧を画素負荷容量１５０に供給するためのものであり、本実施の形態では、第１電圧源１５２、第２電圧源１５４ともに電源２０に内蔵されている。なお、図１３において、第１電圧源１５２と第１接点１５８との間に示す抵抗Ｒ１、及び、第２電圧源１５４と第２接点１６０との間に示すＲ２は、それぞれ第１電圧源１５２と第１接点１５８の間の配線抵抗値と第２電圧源１５４と第２接点１６０の間の配線抵抗値を表している。
【００７３】
画素アレイ３２を一斉に駆動する際、画素負荷容量１５０のゲートに第１電圧と第２電圧とを交互に印加する。例えば、各単位画素３０の光電変換素子１０４を駆動して光電変換を制御する場合、各単位画素３０の第１転送部１１２を駆動して光電子の転送を制御する場合、各単位画素３０の光電子保持部１１４を駆動して光電子の保持を制御する場合、各単位画素３０の第２転送部１１６を駆動して光電子の転送を制御する場合、各単位画素３０の第３転送部１４０を駆動して光電子の転送を制御する場合、リセット用ゲート１２７を駆動して各単位画素３０の浮遊拡散層１１８に存在する光電子をリセットする場合は、ゲート駆動回路４４は、フォトゲート１１０、第１転送ゲート１２０、保持ゲート１２２、第２転送ゲート１２４、第３転送ゲート１４４、及びリセット用ゲート１２７に第１電圧と第２電圧とを交互に供給する。この駆動によって、光電子の蓄積、転送、保持、排出、リセットが行われる。
【００７４】
図１４は、図１３のゲート駆動回路４４で、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧の理想波形を示す図である。図１４で、切換スイッチ１５６の状態がａのときは、切換スイッチ１５６が第１接点１５８に接続されていることを表し、状態がｂのときは、切換スイッチ１５６が第２接点１６０に接続されていることを表している。ゲート駆動回路４４が、切換スイッチ１５６を第１接点１５８に接続させることで、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣは、第１電圧となり、その後、切換スイッチ１５６を第２接点１６０に接続させることで、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣが第２電圧となり、その後、切換スイッチ１５６を再び第１接点１５８に接続させることで、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣは第１電圧となる。このように、ゲート駆動回路４４は、画素アレイ３２の全単位画素３０の画素負荷容量１５０のゲートに第１電圧と第２電圧とを交互に印加させることで、光電子の蓄積、転送、保持、排出、リセット等を一斉に行う。
【００７５】
しかしながら、切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８から第２接点１６０に切り換えた瞬間（画素負荷容量１５０のゲートに印加させる電圧を第１電圧から第２電圧に切り換えた瞬間）においては、図１５に示す第２接点１６０の電圧Ｖ２は、第２電圧源１５４が印加している第２電圧にはならない。したがって、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣも直ぐに第２電圧とならない。
【００７６】
切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８から第２接点１６０に切り換えた瞬間に、第２接点１６０の電圧Ｖ２が、第２電圧源１５４が印加している第２電圧にならない理由としては、切換スイッチ１５６の接続が第２接点１６０に切り換えられると、第２電圧源１５４から画素負荷容量１５０に向かって瞬時電流が流れるので、配線抵抗Ｒ２によって電圧降下が起こり、第２接点１６０の電圧Ｖ２が低下する。その後、画素負荷容量１５０が充電されるに従い、画素負荷容量１５０に流れる電流が減少し、それに伴い電圧降下の度合いが減少するため第２接点１６０の電圧Ｖ２と画素負荷容量１５０に印加される電圧ＶＣとが第２電圧源が印加している第２電圧に近づく。
【００７７】
また、切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０から第１接点１５８に切り換えた瞬間（画素負荷容量１５０のゲートに印加させる電圧を第２電圧から第１電圧に切り換えた瞬間）においては、図１５に示す第１接点１５８の電圧Ｖ１は、第１電圧源１５２が印加している第１電圧とならない。したがって、画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧ＶＣも直ぐに第１電圧とならない。
【００７８】
切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０から第１接点１５８に切り換えた瞬間に、第１接点１５８の電圧Ｖ１が、第１電圧源が印加している第１電圧とならない理由としては、切換スイッチ１５６の接続が第１接点１５８に切り換えられると、画素負荷容量１５０の電圧ＶＣによって第１接点１５８の電圧Ｖ１は上昇する。その後、画素負荷容量１５０から配線抵抗Ｒ１を介して第１電圧源（グランド）１５２に電流が流れ、画素負荷容量１５０が放電されるに従い、第１電圧源１５２に流れる電流が減少するため第１接点１５８の電圧Ｖ１と画素負荷容量１５０に印加される電圧ＶＣとが、第１電圧源が印加している第１電圧に近づく。
【００７９】
このように、画素負荷容量１５０を瞬時に充放電できないため、画素負荷容量１５０に印加される電圧が、瞬時に第１電圧源１５２、第２電圧源１５４が印加している第２電圧、第１電圧とならず、瞬時に所望の振幅（電圧差）を有するゲート駆動信号を画素負荷容量１５０のゲートに印加することができない。つまり、画素負荷容量１５０に供給するゲート駆動信号の振幅（電圧Ｖ２−電圧Ｖ１）が瞬間的に狭くなり、画素駆動に影響を及ぼしてしまう。
【００８０】
また、図１６に示すように、切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８から第２接点１６０に切り換えると、第２接点１６０の電圧Ｖ２は、瞬間的に電圧降下しその後徐々に第２電圧に近づいていくが、高速に切換スイッチ１５６の切り換えを繰り返す場合（高速に連続してグローバルシャッタ動作を行う場合）は、第２接点１６０の電圧Ｖ２が第２電圧に復帰する前に、次の第１接点１５８から第２接点１６０への切り換えが行われるので、電圧降下の累積により第２接点１６０の電圧Ｖ２はさらに低下してしまう。したがって、第１接点１５８から第２接点１６０への切換スイッチ１５６の切り換えが行われる度に、第２接点１６０の電圧Ｖ２は累積的に降下していく。
【００８１】
同様に、切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０から第１接点１５８に切り換える際も、高速に切換スイッチ１５６の切り換えを繰り返す場合は、第１接点の電圧Ｖ１が第１電圧に復帰する前に、次の第２接点１６０から第１接点１５８への切り換えが行われるので、電圧浮きの累積により第１接点１５８の電圧Ｖ１は上昇してしまう。したがって、第２接点１６０から第１接点１５８への切換スイッチ１５６の切り換えが行われる度に、累積的に第１接点１５８の電圧Ｖ１は上昇していく。これにより、画素負荷容量１５０に供給するゲート駆動信号電圧の振幅が徐々に狭くなり、画素の出力特性に影響を及ぼしてしまう。
【００８２】
そこで、本実施の形態のゲート駆動回路４４は、図１７に示すように、画素負荷容量１５０のゲートに第３電圧（第３信号電圧）を供給する第３電圧源１６２側に設けられた第３接点１６４をさらに有し、切換スイッチ１５６は、第１接点１５８、第２接点１６０、及び第３接点１６４のうち、いずれか１つに接続することで、画素負荷容量１５０に印加する電圧を第１電圧、第２電圧、及び第３電圧のいずれかに切り換える。第３電圧は、第１電圧より高く第２電圧より低い電圧である。第３電圧源１６２は、電源２０に内蔵されている。なお、第３電圧源１６２と第３接点１６４との間に示すＲ３は、配線抵抗を表しており、図１３と同様の構成について同一の符号を付している。
【００８３】
図１８は、図１７のゲート駆動回路４４で、画素負荷容量１５０のゲートに印加する理想電圧の波形を示す図である。図１８で、切換スイッチ１５６の状態がｃのときは、切換スイッチ１５６が第３接点１６４に接続されていることを表している。本実施の形態では、ゲート駆動回路４４によって、切換スイッチ１５６を第１接点１５８に接続することで、画素負荷容量１５０のゲートに印加する電圧ＶＣが第１電圧となり、その後、切換スイッチ１５６を第３接点１６４に接続することで、画素負荷容量１５０のゲートに印加する電圧ＶＣが第３電圧となり、そして、切換スイッチ１５６を第２接点１６０に接続することで、画素負荷容量１５０のゲートに印加する電圧ＶＣは、第２電圧となる。そして、再び、切換スイッチ１５６を第１接点１５８に接続することで、画素負荷容量１５０のゲートに印加する電圧ＶＣは、第１電圧となる。このように、ゲート駆動回路４４は、画素アレイ３２の全単位画素３０の画素負荷容量１５０に第１電圧と第２電圧とを交互に印加するとともに、印加させる電圧が第１電圧から第２電圧に切り換わる際及び第２電圧から第１電圧に切り換わる際に、第３電圧を印加することで、光電子の蓄積、転送、保持、排出、リセット等を一斉に行う。
【００８４】
ここで、切換スイッチ１５６の接続を切り換えるときは、上述したように、画素負荷容量１５０の充放電を瞬時にできないため、実際に画素負荷容量１５０のゲートに印加される電圧は、図１８に示す理想波形とは異なるが、切換スイッチ１５６の接続を、第１接点１５８から第２接点１６０に切り換える際に切換スイッチ１５６を第３接点１６４に経由して接続させるので、図１９に示すように、切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０に切り換えた場合であっても、配線抵抗Ｒ２による第２接点１６０の電圧Ｖ２の電圧降下が図１５の場合に比べ小さくなる。
【００８５】
つまり、切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８から第２接点１６０に切り換える際には、第３接点１６４を経由するので、第３電圧源１６２から画素負荷容量１５０に電流（電荷）を供給するため、画素負荷容量１５０が第３電圧源１６２によりある程度充電され、その後、切換スイッチ１５６が第２接点１６０に接続されるので、第２電圧源１５４から画素負荷容量１５０に流れる瞬時電流（電荷量）が、図１５に比べ少なくなる。したがって、第２接点１６０に切換スイッチ１５６を接続した際に、配線抵抗Ｒ２による第２接点１６０の電圧Ｖ２の電圧降下を抑制することができる。
【００８６】
また、切換スイッチ１５６の接続を、第２接点１６０から第１接点１５８に切り換える際に第３接点１６４を経由するので、図１９に示すように、切換スイッチ１５６の接続を第１接点１５８に切り換えた場合であっても、第１接点１５８の電圧Ｖ１の電圧上昇が図１５の場合に比べ小さくなる。
【００８７】
つまり、切換スイッチ１５６の接続を第２接点１６０から第１接点１５８に切り換える際には、まず第３接点１６４を経由するので、画素負荷容量１５０が第３電圧源１６２により程度放電され、その後、切換スイッチ１５６が第１接点１５８に接続されるので、第１接点の電圧Ｖ１の電圧上昇を抑えることができる。
【００８８】
なお、切換スイッチ１５６の接続が、第１接点１５８から第３接点１６４に切り換わると、第３電圧源１６２から画素負荷容量１５０に電流（電荷）が流れるので、配線抵抗Ｒ３によって電圧降下が起こり、第３接点１６４の電圧Ｖ３は低下し、その後、第３接点１６４の電圧Ｖ３は、第３電圧まで徐々に復帰する。また、切換スイッチ１５６の接続が第２接点１６０から第３接点１６４に切り換わると、第３接点１６４の電圧Ｖ３が上昇し、画素負荷容量１５０から配線抵抗Ｒ３を介して第３電圧源１６２に電流（電荷）が流れるので、第３接点１６４の電圧Ｖ３が低下し第３電圧まで復帰する。
【００８９】
このように、画素負荷容量１５０を２段階に分けて充放電するため、第２電圧源１５４から画素負荷容量１５０に供給する電荷量を少なくすることができるので、第２接点１６０の電圧Ｖ２の電圧降下を抑えることができるとともに、画素負荷容量１５０から第１電圧源１５２に供給する電荷量を少なくすることができるので、第１接点１５８の電圧Ｖ１の電圧上昇を抑えることができる。したがって、所望の電圧に近い電圧のゲート駆動信号電圧を画素負荷容量１５０のゲートに印加させることができる。また、画素負荷容量１５０に供給されるゲート駆動信号電圧の振幅が確保されるため、画素駆動の能力が向上する。
【００９０】
つまり、切換スイッチ１５６を駆動させて第１電圧と第２電圧とを交互に画素負荷容量１５０のゲートに印加するとともに、画素負荷容量１５０のゲートに印加させる電圧を、第１電圧から第２電圧に切り換える際、及び、第２電圧から第１電圧に切り換える際に、第３電圧を印加させるので、第２接点１６０の電圧降下、第１接点１５８の電圧上昇を抑制することができる。また、第２接点１６０の電圧降下、第１接点１５８の電圧上昇を抑制することができるので、高速に切換スイッチ１５６の切り換えを行う場合であっても、電圧降下の累積による第２接点１６０の電圧Ｖ２の低下、電圧上昇の累積による第１接点１５８の電圧Ｖ１の上昇を抑えることができる。これにより、所望する電圧に近い電圧のゲート駆動信号電圧を供給することができ、画素駆動能力が向上し、高速に連続してグローバルシャッタ動作を行うことができる。
【００９１】
ここで、第３電圧と第１電圧との電位差が、第２電圧と第３電圧との電位差と等しくなるように、第３電圧を設定すると、第３電圧源１６２が供給する必要のある電荷量が、a⇒ｃとｂ⇒cに遷移時で相殺されるので、第３接点１６４に寄生容量があり、寄生容量が第３電圧に復帰するのに時間が掛かる場合でも第３接点１６４の電圧は累積的な電圧降下や電圧上昇の影響を受け難く一定の電圧変動範囲内で安定する。そのため、Ｒ３はＲ１やＲ２よりも大きい抵抗値（細い配線）でもよい。したがって、ゲート駆動回路４４の第１電圧と第２電圧の配線領域（＝配線幅、配線の太さ）を大きく逼迫することなしに、第３電圧の配線を追加することができる。
【００９２】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００９３】
１０…測距システム １２…照射装置
１４…撮像部 １６…演算部
１８…制御部 ２０…電源
２８…固体撮像装置 ３０…単位画素
３２…画素アレイ ３４…画素駆動回路
４４…ゲート駆動回路 １００…受光装置
１０２…ｐ型半導体基板 １０４…光電変換素子
１０６…光電子振分部 １０８…光電子排出部
１１０…フォトゲート １１２…第１転送部
１１４…光電子保持部 １１６…第２転送部
１１８…浮遊拡散層 １２０…第１転送ゲート
１２２…保持ゲート １２４…第２転送ゲート
１２６…リセット用トランジスタ １２７…リセット用ゲート
１３０…信号読出用トランジスタ １３１…信号読出用ゲート
１３２…信号読出線 １３４…選択用トランジスタ
１３５…選択用トランジスタ １４０…第３転送部
１４２…拡散層 １４４…第３転送ゲート
１５０…画素負荷容量 １５２…第１電圧源
１５４…第２電圧源 １５６…切換スイッチ
１５８…第１接点 １６０…第２接点
１６２…第３電圧源 １６４…第３接点
【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を有する単位画素と、
複数の前記単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイと、
前記単位画素に印加する信号電圧を選択的に切り換える切換スイッチと、
第１信号電圧、第１信号電圧より高い第２信号電圧、及び、前記第１信号電圧よりも高く且つ前記第２信号電圧より低い第３信号電圧を、前記切換スイッチを切り換えて選択的に前記単位画素に印加して、前記単位画素を駆動する画素駆動部と、
を備え、
前記画素駆動部は、前記第１信号電圧と前記第２信号電圧とを交互に前記複数の単位画素に印加するとともに、前記第１信号電圧から前記第２信号電圧に切り換える際、及び、前記第２信号電圧から前記第１信号電圧に切り換える際に、前記単位画素に前記第３信号電圧を経由して印加することで、複数の前記単位画素の前記光電変換素子に発生する前記光電子の蓄積、保持、転送、リセット、排出のいずれかを一斉に行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置であって、
前記第１信号電圧と前記第３信号電圧との間の電位差と、前記第２信号電圧と前記第３信号電圧との間の電位差とは、互いに等しい
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体撮像装置であって、
前記単位画素は、前記光電変換素子に発生した光電子の蓄積、保持、転送、リセット、排出のいずれかを制御する複数のゲートを有し、
前記信号電圧は、前記ゲートの少なくとも１つに与えられる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の固体撮像装置であって、
前記単位画素は、光を検知して前記光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子に発生した前記光電子を転送させるための第１転送部と、前記光電変換素子に対して前記第１転送部を挟んで反対側に配置され、前記光電変換素子により発生した前記光電子を一時的に保持する光電子保持部と、前記第１転送部に対して前記光電子保持部を挟んで反対側に配置され、前記光電子保持部が保持した前記光電子を転送する第２転送部と、前記光電子保持部に対して前記第２転送部を挟んで反対側に配置され、転送された前記光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットするためのリセット部と、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する光電子排出部と、備え、
少なくとも前記光電変換素子、前記第１転送部、前記光電子保持部、前記第２転送部、前記リセット部、及び前記光電子排出部のいずれかのゲートに前記信号電圧が与えられることで、前記光電子の蓄積、保持、転送、排出、リセットのいずれかが行われる
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１】
光を検知して光電子に変換する光電変換素子を有する単位画素と、
複数の前記単位画素が１次元又は２次元に配列された画素アレイと、
前記単位画素に印加する信号電圧を選択的に切り換える切換スイッチと、
第１信号電圧、第１信号電圧より高い第２信号電圧、及び、前記第１信号電圧よりも高く且つ前記第２信号電圧より低い第３信号電圧を、前記切換スイッチを切り換えて選択的に前記単位画素に印加して、前記単位画素を駆動する画素駆動部と、
を備え、
前記画素駆動部は、前記第１信号電圧と前記第２信号電圧とを交互に前記複数の単位画素に印加するとともに、前記第１信号電圧から前記第２信号電圧に切り換える際、及び、前記第２信号電圧から前記第１信号電圧に切り換える際に、前記単位画素に前記第３信号電圧を経由して印加することで、複数の前記単位画素の前記光電変換素子に発生する前記光電子の蓄積、保持、転送、リセット、排出のいずれかを一斉に行う
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置であって、
前記第１信号電圧と前記第３信号電圧との間の電位差と、前記第２信号電圧と前記第３信号電圧との間の電位差とは、互いに等しい
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体撮像装置であって、
前記単位画素は、前記光電変換素子に発生した光電子の蓄積、保持、転送、リセット、排出のいずれかを制御する複数のゲートを有し、
前記信号電圧は、前記ゲートの少なくとも１つに与えられる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の固体撮像装置であって、
前記単位画素は、光を検知して前記光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子に発生した前記光電子を転送させるための第１転送部と、前記光電変換素子に対して前記第１転送部を挟んで反対側に配置され、前記光電変換素子により発生した前記光電子を一時的に保持する光電子保持部と、前記第１転送部に対して前記光電子保持部を挟んで反対側に配置され、前記光電子保持部が保持した前記光電子を転送する第２転送部と、前記光電子保持部に対して前記第２転送部を挟んで反対側に配置され、転送された前記光電子を電圧に変換させるための浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層の電位を基準電位にリセットするためのリセット部と、前記光電変換素子に発生した前記光電子を排出する光電子排出部と、備え、
少なくとも前記光電変換素子、前記第１転送部、前記光電子保持部、前記第２転送部、前記リセット部、及び前記光電子排出部のいずれかのゲートに前記信号電圧が与えられることで、前記光電子の蓄積、保持、転送、排出、リセットのいずれかが行われる
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【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】
【公開番号】特開２０１２−２１７０５８（Ｐ２０１２−２１７０５８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１３２４（Ｐ２０１１−８１３２４）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【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２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【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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