裏面照射型撮像素子及び距離測定装置
【課題】距離算出時間を短縮することが可能な裏面照射型撮像素子を提供
【解決手段】一定周期で強度変調された照射光による対象物８からの反射光をｐ基板２４の裏面側から受光し、反射光に応じてｐ基板２４内の複数の光電変換部で発生して蓄積された電荷をｐ基板２４の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、１つの光電変換部に対応して４つ設けられ、対応する光電変換部で発生して蓄積された電荷を一時的に蓄積するための電荷蓄積部１５ａ〜１５ｄと、ｐ基板２４の表面上方に設けられ、１つの光電変換部に対応する電荷蓄積部１５ａ〜１５ｄの各々に、該光電変換部に蓄積される電荷のうち反射光の該各々に対応する位相における光に応じた電荷を蓄積させる制御を行う電極２０と、ｐ基板２４の表面上方に設けられ裏面照射型撮像素子が形成されたチップとは別のチップと電荷蓄積部１５ａ〜１５ｄとを接続するためのチップ間接続用電極２１とを備える。
【解決手段】一定周期で強度変調された照射光による対象物８からの反射光をｐ基板２４の裏面側から受光し、反射光に応じてｐ基板２４内の複数の光電変換部で発生して蓄積された電荷をｐ基板２４の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、１つの光電変換部に対応して４つ設けられ、対応する光電変換部で発生して蓄積された電荷を一時的に蓄積するための電荷蓄積部１５ａ〜１５ｄと、ｐ基板２４の表面上方に設けられ、１つの光電変換部に対応する電荷蓄積部１５ａ〜１５ｄの各々に、該光電変換部に蓄積される電荷のうち反射光の該各々に対応する位相における光に応じた電荷を蓄積させる制御を行う電極２０と、ｐ基板２４の表面上方に設けられ裏面照射型撮像素子が形成されたチップとは別のチップと電荷蓄積部１５ａ〜１５ｄとを接続するためのチップ間接続用電極２１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一定周期で強度変調されて対象物に照射された照射光の前記対象物からの反射光を半導体基板の裏面側から受光し、前記反射光に応じて前記半導体基板内の複数の光電変換部で発生して蓄積された電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
強度変調した光を発光源から空間に照射し、この空間に存在する物体により反射された反射光を光電変換部で受光し、発光源から照射した光と光電変換部で受光した光との時間差関係に基づいて、空間にある物体の距離情報を検出する技術がある。このような技術は、光子の飛行時間を求めることになることからTime of Flight（TOF）法もしくは飛行時間法と呼ばれている。
【０００３】
このための受光用撮像素子として、二次元撮像素子を用いた技術の研究が行われ、二次元状に配列された画素毎に距離情報を持つ距離画像を高速撮像することを可能にする技術が開発されている。強度変調の方式としては、パルス光をもちいるものと連続波光を用いるものとがある。前者はパルス光変調TOF方式と呼ばれ、後者は連続波変調TOF方式と呼ばれる。
【０００４】
TOF法は、対象空間の物体距離を一括計測して距離画像を撮像し、高速で物体を認識することが必要な分野で利用される。例えば、駅改札の人の通行量計測やエレベータ内の人物認識や車両内のエアバック制御用の計測等である。その他にも、物体や人物を高速に識別する必要がある移動ロボットの視覚にも有望な技術である。
【０００５】
特許文献１には、多数の画素毎に、１個の光電変換部と、ここで発生する電荷を異なるタイミングで蓄積する４つの電荷蓄積部とを設け、各画素の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出した後、読み出した信号に基づいて照射光と反射光の位相差を求め、この位相差を用いて物体までの距離を算出する装置が開示されている。
【０００６】
この装置では、画素をアレイ状に配列し、各画素において反射光の４点の異なる位相でそれぞれ蓄積された電荷量（ａ０,ａ１,ａ２,ａ３）から式（２）により照射光と反射光の位相差φを求め、更に、光速ｃと照射光変調周波数ｆｍとから、物体までの距離Ｄを下記式（１）にしたがって求めている。
【０００７】
・・・（１）
ここで、
・・・（２）
【０００８】
TOF法において距離算出までの時間を短縮するには、各画素の光電変換部の開口率を大きくして感度を向上させる、画素毎に位相差を演算する回路を独立して設け、各画素からの信号を並列に処理することで演算時間を短縮する等の方法が有効と考えられる。
【０００９】
しかし、特許文献１に開示された装置では、各画素に４つの電荷蓄積部を設ける必要があるため、光電変換部の開口率を大きくすることができない。特許文献２には電荷蓄積部を減らした構成が開示されており、特許文献３には電荷蓄積部を新たに設けない構成が開示されており、これらの構成を採用すれば、開口率を上げることは可能である。しかし、いずれの構成においても、撮像素子１つに対して演算回路が１つしか設けられていないため、演算時間は依然として長くなってしまう。
【００１０】
この演算時間を短縮するには、上述したように、画素毎に位相差を演算する回路を独立して設けることが有効となるが、画素毎に演算回路を独立して設けるには、撮像素子チップにそれだけのスペースが必要となり、結果、光電変換部の開口率を大きくすることが難しくなってしまう。
【００１１】
演算回路を別チップとすれば、撮像素子チップの設計自由度を向上させることができるが、この場合でも、撮像素子チップ側に、演算回路を形成したチップと電気的接続を取るための電極を設けるスペースを確保する必要があり、光電変換部の開口率を大きくすることが難しい。
【００１２】
【特許文献１】特表平１０−５０８７３６号公報
【特許文献２】特表２００３−５３２１２２号公報
【特許文献３】特開２００６−８４４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換部の開口率を向上し且つ距離算出のための演算時間を短縮することが可能な距離測定装置とそれに用いる裏面照射型撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の裏面照射型撮像素子は、一定周期で強度変調されて対象物に照射された照射光の前記対象物からの反射光を半導体基板の裏面側から受光し、前記反射光に応じて前記半導体基板内の複数の光電変換部で発生して蓄積された電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、前記複数の光電変換部の各々に対応してその近傍に少なくとも４つ設けられ、対応する前記光電変換部で発生して蓄積された電荷を一時的に蓄積するための電荷蓄積部と、前記半導体基板の表面上方に設けられ、１つの前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部の各々に、該光電変換部に蓄積される電荷のうち前記反射光の前記各々に対応する位相における光に応じた電荷を蓄積させる制御を行う制御手段と、前記半導体基板の表面上方に設けられ、前記裏面照射型撮像素子が形成された第一のチップとは別の第二のチップと前記電荷蓄積部とを電気的に接続するためのチップ間接続用電極とを備える。
【００１５】
本発明の距離測定装置は、前記裏面照射型撮像素子と、前記照射光を対象空間に照射する光源と、前記第二のチップとを備え、前記第二のチップには、前記複数の光電変換部毎に、前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部に蓄積された電荷をそれぞれ信号電圧に変換する電圧変換手段と、前記信号電圧に基づいて前記照射光と前記反射光の位相差を演算する位相差演算手段とが形成されている。
【００１６】
本発明の距離測定装置は、前記電圧変換手段が、前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部の各々に蓄積された電荷に応じた前記信号電圧を、同一の出力先にタイミングをずらして出力するものであり、前記位相差演算手段が、時間毎に変化する基準電圧の変化開始時点から、前記基準電圧が前記電圧変換手段から出力される信号電圧と同一になるまでの時間をカウントするカウント手段と、前記カウント手段によってカウントされた時間を用いて前記照射光と前記反射光の位相差を演算する演算手段とを含む。
【００１７】
本発明の距離測定装置は、前記位相差演算手段によって演算された前記位相差を用いて前記対象物までの距離を算出する距離算出手段を備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光電変換部の開口率を向上し且つ距離算出のための演算時間を短縮することが可能な距離測定装置とそれに用いる裏面照射型撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態である距離測定装置の概略構成を示す図である。
図１に示す距離測定装置１は、変調光源部２と、光源制御部３と、復調受光部４と、駆動部５と、信号処理部６と、システム制御部７とを備える。
【００２０】
変調光源部２は、一定周期（周波数ｆｍ）で強度変調した光を対象物８に照射する光源で構成される。変調光源部２から照射される光を以下では照射光という。
【００２１】
光源制御部３は、変調光源部２を制御して照射光の照射、非照射を切り替える。
【００２２】
復調受光部４は、照射光によって対象物８で反射した反射光を受光し、この反射光のそれぞれ異なる４つの位相における光を検出する。
【００２３】
信号処理部６は、復調受光部４で検出された各位相における光に基づいて照射光と反射光の位相差φを算出し、この位相差φと上記式（１）とから、距離測定装置１から対象物８までの距離Ｄを算出する。信号処理部６は、例えば所定のプログラムを実行するプロセッサにより構成される。
【００２４】
駆動部５は、復調受光部４を駆動するドライバである。
【００２５】
システム制御部７は、光源制御部３、駆動部５、及び信号処理部６を制御して、システム全体を統括制御する。
【００２６】
図２は、照射光と反射光の位相差φから対象物８までの距離Ｄを求める原理を説明するための図である。
まず、反射光を照射光の変調周期の位相９０°毎にサンプリングする。例えば図２（ａ）に示したような４つの位相（ｉ１,ｉ２,ｉ３,ｉ４）で光をサンプリングすると、照射光の周期Ｔ毎に４つの光量データ（ａ０,ａ１,ａ２,ａ３）を取得することができる。この４つの光量データの所定時間での累積値を求め、この累積値を式（２）に代入することで位相差φを求めることができ、式（１）に位相差φを代入することで距離Ｄを求めることができる。
【００２７】
復調受光部４は、反射光を照射光の変調周期の位相９０°毎にサンプリングするために、図３に示した構成の画素を二次元状に複数配列した裏面照射型撮像素子で構成されている。
【００２８】
図３は、図１に示す復調受光部を構成する裏面照射型撮像素子の１画素の平面模式図である。図４は、図３に示すＡ−Ａ線断面模式図である。
図３に示す裏面照射型撮像素子は、ｐ型のシリコン層９（以下、ｐ層９という）とｐ層９よりも不純物濃度の高いｐ型のシリコン層１０（以下、ｐ＋＋層１０という）とからなるｐ型の半導体基板２４（以下、ｐ基板２４という）を備える。この裏面照射型撮像素子は、図４中の下方から上方に向かって光を入射させて撮像を行うものである。本明細書では、ｐ基板２４の光入射方向に対して垂直な２つの面のうち、光入射側の面を裏面といい、その反対面を表面という。又、裏面照射型撮像素子を構成する各構成要素を基準にしたときに、入射光が進む方向を、その構成要素の上方と定義し、入射光が進む方向の反対方向を、その構成要素の下方と定義する。又、ｐ基板２４の裏面及び表面に直交する方向を垂直方向、ｐ基板２４の裏面及び表面に平行な方向を水平方向と定義する。
【００２９】
ｐ層９内のｐ基板２４表面近傍には、入射光に応じてｐ基板２４内で発生した電荷を蓄積するためのｎ型の不純物拡散層２２（以下、ｎ層２２という）が形成されている。ｎ層２２は、ｐ基板２４の表面側に形成されたｎ型の不純物拡散層２２ａと、ｎ型の不純物拡散層２２ａの下に形成されたｎ型の不純物拡散層２２ａよりも不純物濃度の高いｎ型の不純物拡散層２２ｂとの２層構造となっているが、これに限らない。ｎ層２２で発生した電荷と、このｎ層２２に入射する光の経路上でｐ基板２４内に発生した電荷とが、ｎ層２２に蓄積される。
【００３０】
ｐ層９の表面部には、ｐ基板２４表面に発生する暗電荷がｎ層２２に蓄積されるのを防ぐための高濃度のｐ型の不純物拡散層１３（以下、ｐ層１３という）が形成されている。ｐ層１３内部には、ｎ層２２の上に、ｐ基板２４の表面からその内側に向かってｐ層１３よりも高濃度のｐ型の不純物拡散層１６（以下、ｐ＋層１６という）が形成されている。ｐ＋層１６内には、その表面から内側に、ｎ層２２よりも高濃度のｎ型の不純物拡散層１７（以下、ｎ＋＋層１７という）が形成されている。ｎ＋＋層１７は、ｎ層２２に蓄積される不要な電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能し、ｐ＋層１６が、このオーバーフロードレインのオーバーフローバリアとして機能する。ｎ＋＋層１７は、ｐ基板２４の表面に露出する露出面を有している。
【００３１】
ｎ層２２の周囲には、このｎ層２２に対応させて４つの電荷蓄積部（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ）が形成されている。なお、各電荷蓄積部の配置は任意である。電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、それぞれｐ層１３内のｎ層２２に近接する位置に形成されている。
【００３２】
ｎ層２２と電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの各々との間のｐ層１３及びｐ層９には、ｎ層２２に蓄積された電荷を該各々の電荷蓄積部に転送するための電荷転送領域（図示せず）が形成されている。該電荷蓄積部とそこに隣接する電荷転送領域の上方には、該電荷転送領域に電圧を供給してｎ層２２から該電荷蓄積部への電荷転送動作を制御するためのポリシリコン等からなる電極２０が形成されている。電極２０の周囲には酸化シリコン等の絶縁膜２１が形成されている。
【００３３】
電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの各々の上にある電極２０は駆動部５によって制御される。この電極２０に駆動部５から電圧が印加されると、その電極２０下方の電荷転送領域を介して、その電極２０下方の電荷蓄積部にｎ層２２に蓄積されていた電荷が転送される。駆動部５は、１画素内の４つの電極２０に、それぞれ異なるタイミング（照射光の変調周期の位相９０°毎のタイミング）で電圧を印加していくことで、各電荷蓄積部に、反射光を照射光の変調周期の位相９０°毎にサンプリングした光に相当する電荷を蓄積させる。
【００３４】
具体的には、駆動部５が、照射光の変調周波数によって決まる周期Ｔ（１／ｆｍ）の１／４毎に、電圧を印加する電極２０を変更する。この変更の順序は、電荷蓄積部１５ａ上の電極２０、電荷蓄積部１５ｂ上の電極２０、電荷蓄積部１５ｃ上の電極２０、電荷蓄積部１５ｄ上の電極２０の順である。
【００３５】
このような駆動により、電荷蓄積部１５ａには、図２（ｂ）に示したサンプルデータａ０に対応する電荷Ａ０が蓄積され、電荷蓄積部１５ｂには、図２（ｂ）に示したサンプルデータａ１に対応する電荷Ａ１が蓄積され、電荷蓄積部１５ｃには、図２（ｂ）に示したサンプルデータａ２に対応する電荷Ａ２が蓄積され、電荷蓄積部１５ｄには、図２（ｂ）に示したサンプルデータａ３に対応する電荷Ａ３が蓄積される。
【００３６】
隣接する画素間には、ｐ層１３の下にｐ型不純物拡散層からなる素子分離層１４が形成されている。素子分離層１４は、ｎ層２２に蓄積されるべき電荷が、その隣の画素のｎ層２２に漏れてしまうのを防ぐためのものである。
【００３７】
ｐ基板２４の表面上には絶縁膜２１が形成され、この上には絶縁膜２３が形成されている。絶縁膜２１及び絶縁膜２３には、ｎ＋＋層１７の露出面上に、平面視においてその露出面と同じかそれよりも小さい面積のコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内に電極１８が形成されている。
【００３８】
電極１８は、導電性材料であればよく、特に、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、又はＭｏ（モリブデン）等の金属材料、或いは、これらとのシリサイド等で構成されることが好ましい。
【００３９】
絶縁膜２３上には電極１９が形成され、電極１９は電極１８と接続される。電極１９は、導電性材料であれば良い。電極１９には端子が接続され、この端子に、所定の電圧を印加できるようになっている。
【００４０】
ｐ＋層１６を越えてｎ＋＋層１７に移動した電荷は、ｎ＋＋層１７の露出面に接続された電極１８とこれに接続された電極１９に移動するため、これにより、ｎ＋＋層１７をオーバーフロードレインとして機能させることができる。
【００４１】
ｐ基板２４の裏面から内側には、ｐ基板２４の裏面で発生する暗電荷がｎ層２２に移動するのを防ぐために、ｐ＋＋層１０が形成されている。ｐ＋＋層１０には端子が接続され、この端子に所定の電圧が印加できるようになっている。ｐ＋＋層１０の濃度は、例えば１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３である。
【００４２】
ｐ＋＋層１０の下には、酸化シリコンや窒化シリコン等の入射光に対して透明な絶縁層１１が形成されている。絶縁層１１の下には、絶縁層１１とｐ基板２４との屈折率差に起因するｐ基板２４の裏面での光の反射を防止するために、窒化シリコンやダイヤモンド構造炭素膜等の入射光に対して透明な反射防止膜１２が形成されている。反射防止膜１２としては、プラズマＣＶＤや光ＣＶＤ等の４００℃以下の低温形成が可能なアモルファス窒化シリコン等のｎ＝１．４６を超える屈折率の層とすることが好ましい。
【００４３】
ｐ層１３の下面からｐ基板裏面までの領域とｎ層２２を含む領域のうち、平面視において素子分離層１４で区画された領域が、撮像に寄与する光電変換を行う部分のため、この部分を以下では光電変換部という。光電変換部で発生した電荷はｎ層２２に蓄積される。
【００４４】
図３及び図４に示した構成要素は、全て同一チップ（以下、第一チップという）上に形成されている。本実施形態の距離測定装置には、第一チップの他に、第二チップも搭載されており、この第二チップが第一チップの電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの各々と電気的に接続された構成となっている。第一チップには、図３に示すように、第二チップとの電気的接続をとるためのチップ間接続用電極２１が設けられている。チップ間接続用電極２１は、電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの各々に対応してｐ基板２４表面上に設けられ、対応する電荷蓄積部に電気的に接続されている。
【００４５】
以下、第二チップの構成について説明する。
図５は、第二チップに形成された素子の概略構成を示す図である。
図５に示す第二チップ３０には、画素毎に、電荷蓄積部１５ａに蓄積された電荷をその電荷量に応じた信号電圧に変換する変換トランジスタ３１と、電荷蓄積部１５ｂに蓄積された電荷をその電荷量に応じた信号電圧に変換する変換トランジスタ３２と、電荷蓄積部１５ｃに蓄積された電荷をその電荷量に応じた信号電圧に変換する変換トランジスタ３３と、電荷蓄積部１５ｄに蓄積された電荷をその電荷量に応じた信号電圧に変換する変換トランジスタ３４と、比較器３５と、アップ／ダウンカウンター３６と、位相演算部３７とが形成されている。更に、第二チップ３０には、全画素共通に１つの距離算出部３８が形成されている。
【００４６】
変換トランジスタ３１は、その入力端子がチップ間接続用電極２１を介して電荷蓄積部１５ａに接続され、その出力端子が比較器３５の第一の入力端子に接続されている。変換トランジスタ３２は、その入力端子がチップ間接続用電極２１を介して電荷蓄積部１５ｂに接続され、その出力端子が比較器３５の第一の入力端子に接続されている。変換トランジスタ３３は、その入力端子がチップ間接続用電極２１を介して電荷蓄積部１５ｃに接続され、その出力端子が比較器３５の第一の入力端子に接続されている。変換トランジスタ３４は、その入力端子がチップ間接続用電極２１を介して電荷蓄積部１５ｄに接続され、その出力端子が比較器３５の第一の入力端子に接続されている。
【００４７】
変換トランジスタ３１〜３４の各々のゲートには選択信号線が接続されている。変換トランジスタ３１〜３４は、それぞれ、ゲートに選択信号が入力されると電荷電圧変換動作を実行して、信号電圧を出力する。選択信号はシステム制御部７によって制御されており、変換トランジスタ３１、変換トランジスタ３３、変換トランジスタ３２、変換トランジスタ３４の順番で選択信号の入力先が切り替わるようになっている。
【００４８】
比較器３５は、時間毎に変化する（基準値から所定レベルずつ減少する）基準電圧であるランプ電圧と、変換トランジスタ３１〜３４からの出力電圧とを比較し、双方が一致したときに、アップ／ダウンカウンター３６にカウント停止信号を出力する。ランプ電圧は、システム制御部７の制御により、比較器３５の第二の入力端子に入力される。
【００４９】
アップ／ダウンカウンター３６は、システム制御部７から供給されるカウンタークロックとアップ／ダウン切り替えクロックとカウント停止信号とによって動作する。アップ／ダウンカウンター３６は、ランプ電圧の変化開始と共にカウントを開始し、比較器３５からカウント停止信号が入力された時点でカウントを停止する。カウンタークロックの入力開始タイミングとランプ電圧の変化開始タイミングとは同期しているため、カウンタークロックの入力の開始タイミングを検出することにより、ランプ電圧の変化開始タイミングを判断することができる。
【００５０】
アップ／ダウン切り替え信号は、変換トランジスタ３１から信号電圧が出力されている期間（Ａ０データ出力期間）と変換トランジスタ３２から信号電圧が出力されている期間（Ａ１データ出力期間）にはローレベルとなり、変換トランジスタ３３から信号電圧が出力されている期間（Ａ２データ出力期間）と変換トランジスタ３４から信号電圧が出力されている期間（Ａ３データ出力期間）にはハイレベルとなる信号である。アップ／ダウンカウンター３６は、アップ／ダウン切り替え信号がローレベルになり且つカウンタークロックが入力されると、カウント数を０からマイナス方向にカウントし、アップ／ダウン切り替え信号がハイレベルになり且つカウンタークロックが入力されると、カウント数を、直前にカウントした値からプラス方向に増やしてカウントする。
【００５１】
これにより、アップ／ダウンカウンター３６からは、Ａ２データ出力期間が終了した時点で、電荷Ａ２に応じた信号電圧に対応するカウント数から、電荷Ａ０に応じた信号電圧に対応するカウント数を減算した値、即ち、式（２）の（ａ２−ａ０）に相当するデータが出力されることになる。又、Ａ３データ出力期間が終了した時点で、電荷Ａ３に応じた信号電圧に対応するカウント数から、電荷Ａ１に応じた信号電圧に対応するカウント数を減算した値、即ち、式（２）の（ａ３−ａ１）に相当するデータが出力されることになる。
【００５２】
位相演算部３７は、Ａ２データ出力期間が終了した時点でアップ／ダウンカウンター３６から出力されたデータを、式（２）の（ａ２−ａ０）の項に代入し、Ａ３データ出力期間が終了した時点でアップ／ダウンカウンター３６から出力されたデータを、式（２）の（ａ３−ａ１）の項に代入して、位相差φを算出する。
【００５３】
距離算出部３８は、位相演算部３７で算出された位相差φと式（１）とから、距離Ｄを算出し、距離画像を生成する。
【００５４】
以下では、上述した構成の距離測定装置の動作を説明する。
図６は、比較器とアップ／ダウンカウンターの動作を説明するためのタイミングチャートである。
まず、変換トランジスタ３１が選択され、電荷蓄積部１５ａに蓄積されている電荷Ａ０が信号電圧Ａ０’に変換されてＡ０データ出力期間が開始される。Ａ０データ出力期間が開始されると、アップ／ダウン切り替え信号がローレベルとなり、その後、ランプ電圧の変化が開始すると共に、カウンタークロックの入力が開始される。又、カウンタークロックの入力開始と共に、カウント値“０”からマイナス方向にカウントが開始される。ランプ電圧と信号電圧Ａ０’とが一致すると、カウントが停止される。このときのカウント値を例えば“−ｍ”とする。
【００５５】
次に、変換トランジスタ３３が選択され、電荷蓄積部１５ｃに蓄積されている電荷Ａ２が信号電圧Ａ２’に変換されてＡ２データ出力期間が開始される。Ａ２データ出力期間が開始されると、アップ／ダウン切り替え信号がハイレベルとなり、その後、ランプ電圧の変化が開始すると共に、カウンタークロックの入力が開始される。又、カウンタークロックの入力開始と共に、カウント値“−ｍ”からプラス方向にカウントが開始される。ランプ電圧と信号電圧Ａ２’とが一致すると、カウントが停止され、このときのカウント値が位相演算部３７に出力される。
【００５６】
次に、変換トランジスタ３２が選択され、電荷蓄積部１５ｂに蓄積されている電荷Ａ１が信号電圧Ａ１’に変換されてＡ１データ出力期間が開始される。Ａ１データ出力期間が開始されると、アップ／ダウン切り替え信号がローレベルとなり、その後、ランプ電圧の変化が開始すると共に、カウンタークロックの入力が開始される。又、カウンタークロックの入力開始と共に、カウント値“０”からマイナス方向にカウントが開始される。ランプ電圧と信号電圧Ａ１’とが一致すると、カウントが停止される。このときのカウント値を例えば“−ｎ”とする
【００５７】
次に、変換トランジスタ３４が選択され、電荷蓄積部１５ｄに蓄積されている電荷Ａ３が信号電圧Ａ３’に変換されてＡ３データ出力期間が開始される。Ａ３データ出力期間が開始されると、アップ／ダウン切り替え信号がハイレベルとなり、その後、ランプ電圧の変化が開始すると共に、カウンタークロックの入力が開始される。又、カウンタークロックの入力開始と共に、カウント値“−ｎ”からプラス方向にカウントが開始される。ランプ電圧と信号電圧Ａ３’とが一致すると、カウントが停止され、このときのカウント値が位相演算部３７に出力される。
【００５８】
Ａ３データ出力期間が終了すると、位相差φが算出され、これに基づいて距離Ｄが算出され、距離画像が生成される。
【００５９】
以上のように、本実施形態の距離測定装置によれば、位相差φを演算するために必要なデータを出力する変換トランジスタ３１〜３４と、位相差φを演算するための手段（比較器３５、アップ／ダウンカウンター３６、及び位相演算部３７）とが画素毎に設けられているため、位相差φの演算を全画素で並列に実施することができる。このため、位相差φの演算を行う手段を全画素で１つしか持たない構成に比べて、距離Ｄを算出して距離画像を生成するまでの時間を全画素数分の１まで短縮することが可能となる。距離画像生成までの演算時間の短縮により、高解像度化が容易となり、センサ採用分野を拡大することができる。位相差φを演算するための手段として、位相演算に最適なアナログ・デジタル変換回路を採用することで、高解像度化に対応可能となる。
【００６０】
又、位相差φを演算するための手段を、復調受光部４を形成した第一チップとは別の第二チップに設けて、第一のチップと第二のチップを接続する構成を採用しているため、第一チップに形成する固体撮像素子の設計自由度を向上させることができる。ただし、第一のチップには、第二のチップと電気的に接続するためのチップ間接続用電極２１を設けておく必要がある。このため、第一チップに形成する固体撮像素子として従来の単板式固体撮像素子を用いた場合には、チップ間接続用電極２１を配置するためのスペースを確保することによってフォトダイオードの開口率が小さくなってしまい、感度が低下して、結果的に、距離Ｄの演算速度が落ちてしまう。
【００６１】
本実施形態の距離測定装置では、第一チップに形成する固体撮像素子として裏面照射型撮像素子を採用しているため、ｐ基板２４の裏面側にチップ間接続用電極２１を配置するスペースが十分に確保されており、光電変換部の開口が小さくなることはない。したがって、感度低下による演算時間の増大を防ぐことができる。
【００６２】
又、本実施形態の距離測定装置によれば、簡素な二値比較器とアップ／ダウンカウンターで４つのデータのアナログ／デジタル変換と差分演算が可能となるため、第二チップに形成する素子の回路規模、回路サイズを縮小することができる。この結果、低消費電力と高速性といった特性を併せ持つ距離測定装置を実現することができる。
【００６３】
尚、以上の説明では、ｎ層２２に対応させて４つの電荷蓄積部１５ａ〜１５ｄを設けるものとしているが、電荷蓄積部の数は最低４つあれば良く、５つ以上設けてあっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態である距離測定装置の概略構成を示す図
【図２】照射光と反射光の位相差φから対象物８までの距離Ｄを求める方法を説明するための図
【図３】図１に示す復調受光部を構成する裏面照射型撮像素子の１画素の平面模式図
【図４】図３に示すＡ−Ａ線断面模式図
【図５】第二チップに形成された素子の概略構成を示す図
【図６】比較器とアップ／ダウンカウンターの動作を説明するためのタイミングチャート
【符号の説明】
【００６５】
８ 対象物
１５ａ〜１５ｄ 電荷蓄積部
２０ 電極
２１ チップ間接続用電極
２４ ｐ基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一定周期で強度変調されて対象物に照射された照射光の前記対象物からの反射光を半導体基板の裏面側から受光し、前記反射光に応じて前記半導体基板内の複数の光電変換部で発生して蓄積された電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
強度変調した光を発光源から空間に照射し、この空間に存在する物体により反射された反射光を光電変換部で受光し、発光源から照射した光と光電変換部で受光した光との時間差関係に基づいて、空間にある物体の距離情報を検出する技術がある。このような技術は、光子の飛行時間を求めることになることからTime of Flight（TOF）法もしくは飛行時間法と呼ばれている。
【０００３】
このための受光用撮像素子として、二次元撮像素子を用いた技術の研究が行われ、二次元状に配列された画素毎に距離情報を持つ距離画像を高速撮像することを可能にする技術が開発されている。強度変調の方式としては、パルス光をもちいるものと連続波光を用いるものとがある。前者はパルス光変調TOF方式と呼ばれ、後者は連続波変調TOF方式と呼ばれる。
【０００４】
TOF法は、対象空間の物体距離を一括計測して距離画像を撮像し、高速で物体を認識することが必要な分野で利用される。例えば、駅改札の人の通行量計測やエレベータ内の人物認識や車両内のエアバック制御用の計測等である。その他にも、物体や人物を高速に識別する必要がある移動ロボットの視覚にも有望な技術である。
【０００５】
特許文献１には、多数の画素毎に、１個の光電変換部と、ここで発生する電荷を異なるタイミングで蓄積する４つの電荷蓄積部とを設け、各画素の電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出した後、読み出した信号に基づいて照射光と反射光の位相差を求め、この位相差を用いて物体までの距離を算出する装置が開示されている。
【０００６】
この装置では、画素をアレイ状に配列し、各画素において反射光の４点の異なる位相でそれぞれ蓄積された電荷量（ａ０,ａ１,ａ２,ａ３）から式（２）により照射光と反射光の位相差φを求め、更に、光速ｃと照射光変調周波数ｆｍとから、物体までの距離Ｄを下記式（１）にしたがって求めている。
【０００７】
・・・（１）
ここで、
・・・（２）
【０００８】
TOF法において距離算出までの時間を短縮するには、各画素の光電変換部の開口率を大きくして感度を向上させる、画素毎に位相差を演算する回路を独立して設け、各画素からの信号を並列に処理することで演算時間を短縮する等の方法が有効と考えられる。
【０００９】
しかし、特許文献１に開示された装置では、各画素に４つの電荷蓄積部を設ける必要があるため、光電変換部の開口率を大きくすることができない。特許文献２には電荷蓄積部を減らした構成が開示されており、特許文献３には電荷蓄積部を新たに設けない構成が開示されており、これらの構成を採用すれば、開口率を上げることは可能である。しかし、いずれの構成においても、撮像素子１つに対して演算回路が１つしか設けられていないため、演算時間は依然として長くなってしまう。
【００１０】
この演算時間を短縮するには、上述したように、画素毎に位相差を演算する回路を独立して設けることが有効となるが、画素毎に演算回路を独立して設けるには、撮像素子チップにそれだけのスペースが必要となり、結果、光電変換部の開口率を大きくすることが難しくなってしまう。
【００１１】
演算回路を別チップとすれば、撮像素子チップの設計自由度を向上させることができるが、この場合でも、撮像素子チップ側に、演算回路を形成したチップと電気的接続を取るための電極を設けるスペースを確保する必要があり、光電変換部の開口率を大きくすることが難しい。
【００１２】
【特許文献１】特表平１０−５０８７３６号公報
【特許文献２】特表２００３−５３２１２２号公報
【特許文献３】特開２００６−８４４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換部の開口率を向上し且つ距離算出のための演算時間を短縮することが可能な距離測定装置とそれに用いる裏面照射型撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の裏面照射型撮像素子は、一定周期で強度変調されて対象物に照射された照射光の前記対象物からの反射光を半導体基板の裏面側から受光し、前記反射光に応じて前記半導体基板内の複数の光電変換部で発生して蓄積された電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、前記複数の光電変換部の各々に対応してその近傍に少なくとも４つ設けられ、対応する前記光電変換部で発生して蓄積された電荷を一時的に蓄積するための電荷蓄積部と、前記半導体基板の表面上方に設けられ、１つの前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部の各々に、該光電変換部に蓄積される電荷のうち前記反射光の前記各々に対応する位相における光に応じた電荷を蓄積させる制御を行う制御手段と、前記半導体基板の表面上方に設けられ、前記裏面照射型撮像素子が形成された第一のチップとは別の第二のチップと前記電荷蓄積部とを電気的に接続するためのチップ間接続用電極とを備える。
【００１５】
本発明の距離測定装置は、前記裏面照射型撮像素子と、前記照射光を対象空間に照射する光源と、前記第二のチップとを備え、前記第二のチップには、前記複数の光電変換部毎に、前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部に蓄積された電荷をそれぞれ信号電圧に変換する電圧変換手段と、前記信号電圧に基づいて前記照射光と前記反射光の位相差を演算する位相差演算手段とが形成されている。
【００１６】
本発明の距離測定装置は、前記電圧変換手段が、前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部の各々に蓄積された電荷に応じた前記信号電圧を、同一の出力先にタイミングをずらして出力するものであり、前記位相差演算手段が、時間毎に変化する基準電圧の変化開始時点から、前記基準電圧が前記電圧変換手段から出力される信号電圧と同一になるまでの時間をカウントするカウント手段と、前記カウント手段によってカウントされた時間を用いて前記照射光と前記反射光の位相差を演算する演算手段とを含む。
【００１７】
本発明の距離測定装置は、前記位相差演算手段によって演算された前記位相差を用いて前記対象物までの距離を算出する距離算出手段を備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光電変換部の開口率を向上し且つ距離算出のための演算時間を短縮することが可能な距離測定装置とそれに用いる裏面照射型撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態である距離測定装置の概略構成を示す図である。
図１に示す距離測定装置１は、変調光源部２と、光源制御部３と、復調受光部４と、駆動部５と、信号処理部６と、システム制御部７とを備える。
【００２０】
変調光源部２は、一定周期（周波数ｆｍ）で強度変調した光を対象物８に照射する光源で構成される。変調光源部２から照射される光を以下では照射光という。
【００２１】
光源制御部３は、変調光源部２を制御して照射光の照射、非照射を切り替える。
【００２２】
復調受光部４は、照射光によって対象物８で反射した反射光を受光し、この反射光のそれぞれ異なる４つの位相における光を検出する。
【００２３】
信号処理部６は、復調受光部４で検出された各位相における光に基づいて照射光と反射光の位相差φを算出し、この位相差φと上記式（１）とから、距離測定装置１から対象物８までの距離Ｄを算出する。信号処理部６は、例えば所定のプログラムを実行するプロセッサにより構成される。
【００２４】
駆動部５は、復調受光部４を駆動するドライバである。
【００２５】
システム制御部７は、光源制御部３、駆動部５、及び信号処理部６を制御して、システム全体を統括制御する。
【００２６】
図２は、照射光と反射光の位相差φから対象物８までの距離Ｄを求める原理を説明するための図である。
まず、反射光を照射光の変調周期の位相９０°毎にサンプリングする。例えば図２（ａ）に示したような４つの位相（ｉ１,ｉ２,ｉ３,ｉ４）で光をサンプリングすると、照射光の周期Ｔ毎に４つの光量データ（ａ０,ａ１,ａ２,ａ３）を取得することができる。この４つの光量データの所定時間での累積値を求め、この累積値を式（２）に代入することで位相差φを求めることができ、式（１）に位相差φを代入することで距離Ｄを求めることができる。
【００２７】
復調受光部４は、反射光を照射光の変調周期の位相９０°毎にサンプリングするために、図３に示した構成の画素を二次元状に複数配列した裏面照射型撮像素子で構成されている。
【００２８】
図３は、図１に示す復調受光部を構成する裏面照射型撮像素子の１画素の平面模式図である。図４は、図３に示すＡ−Ａ線断面模式図である。
図３に示す裏面照射型撮像素子は、ｐ型のシリコン層９（以下、ｐ層９という）とｐ層９よりも不純物濃度の高いｐ型のシリコン層１０（以下、ｐ＋＋層１０という）とからなるｐ型の半導体基板２４（以下、ｐ基板２４という）を備える。この裏面照射型撮像素子は、図４中の下方から上方に向かって光を入射させて撮像を行うものである。本明細書では、ｐ基板２４の光入射方向に対して垂直な２つの面のうち、光入射側の面を裏面といい、その反対面を表面という。又、裏面照射型撮像素子を構成する各構成要素を基準にしたときに、入射光が進む方向を、その構成要素の上方と定義し、入射光が進む方向の反対方向を、その構成要素の下方と定義する。又、ｐ基板２４の裏面及び表面に直交する方向を垂直方向、ｐ基板２４の裏面及び表面に平行な方向を水平方向と定義する。
【００２９】
ｐ層９内のｐ基板２４表面近傍には、入射光に応じてｐ基板２４内で発生した電荷を蓄積するためのｎ型の不純物拡散層２２（以下、ｎ層２２という）が形成されている。ｎ層２２は、ｐ基板２４の表面側に形成されたｎ型の不純物拡散層２２ａと、ｎ型の不純物拡散層２２ａの下に形成されたｎ型の不純物拡散層２２ａよりも不純物濃度の高いｎ型の不純物拡散層２２ｂとの２層構造となっているが、これに限らない。ｎ層２２で発生した電荷と、このｎ層２２に入射する光の経路上でｐ基板２４内に発生した電荷とが、ｎ層２２に蓄積される。
【００３０】
ｐ層９の表面部には、ｐ基板２４表面に発生する暗電荷がｎ層２２に蓄積されるのを防ぐための高濃度のｐ型の不純物拡散層１３（以下、ｐ層１３という）が形成されている。ｐ層１３内部には、ｎ層２２の上に、ｐ基板２４の表面からその内側に向かってｐ層１３よりも高濃度のｐ型の不純物拡散層１６（以下、ｐ＋層１６という）が形成されている。ｐ＋層１６内には、その表面から内側に、ｎ層２２よりも高濃度のｎ型の不純物拡散層１７（以下、ｎ＋＋層１７という）が形成されている。ｎ＋＋層１７は、ｎ層２２に蓄積される不要な電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能し、ｐ＋層１６が、このオーバーフロードレインのオーバーフローバリアとして機能する。ｎ＋＋層１７は、ｐ基板２４の表面に露出する露出面を有している。
【００３１】
ｎ層２２の周囲には、このｎ層２２に対応させて４つの電荷蓄積部（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ）が形成されている。なお、各電荷蓄積部の配置は任意である。電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、それぞれｐ層１３内のｎ層２２に近接する位置に形成されている。
【００３２】
ｎ層２２と電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの各々との間のｐ層１３及びｐ層９には、ｎ層２２に蓄積された電荷を該各々の電荷蓄積部に転送するための電荷転送領域（図示せず）が形成されている。該電荷蓄積部とそこに隣接する電荷転送領域の上方には、該電荷転送領域に電圧を供給してｎ層２２から該電荷蓄積部への電荷転送動作を制御するためのポリシリコン等からなる電極２０が形成されている。電極２０の周囲には酸化シリコン等の絶縁膜２１が形成されている。
【００３３】
電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの各々の上にある電極２０は駆動部５によって制御される。この電極２０に駆動部５から電圧が印加されると、その電極２０下方の電荷転送領域を介して、その電極２０下方の電荷蓄積部にｎ層２２に蓄積されていた電荷が転送される。駆動部５は、１画素内の４つの電極２０に、それぞれ異なるタイミング（照射光の変調周期の位相９０°毎のタイミング）で電圧を印加していくことで、各電荷蓄積部に、反射光を照射光の変調周期の位相９０°毎にサンプリングした光に相当する電荷を蓄積させる。
【００３４】
具体的には、駆動部５が、照射光の変調周波数によって決まる周期Ｔ（１／ｆｍ）の１／４毎に、電圧を印加する電極２０を変更する。この変更の順序は、電荷蓄積部１５ａ上の電極２０、電荷蓄積部１５ｂ上の電極２０、電荷蓄積部１５ｃ上の電極２０、電荷蓄積部１５ｄ上の電極２０の順である。
【００３５】
このような駆動により、電荷蓄積部１５ａには、図２（ｂ）に示したサンプルデータａ０に対応する電荷Ａ０が蓄積され、電荷蓄積部１５ｂには、図２（ｂ）に示したサンプルデータａ１に対応する電荷Ａ１が蓄積され、電荷蓄積部１５ｃには、図２（ｂ）に示したサンプルデータａ２に対応する電荷Ａ２が蓄積され、電荷蓄積部１５ｄには、図２（ｂ）に示したサンプルデータａ３に対応する電荷Ａ３が蓄積される。
【００３６】
隣接する画素間には、ｐ層１３の下にｐ型不純物拡散層からなる素子分離層１４が形成されている。素子分離層１４は、ｎ層２２に蓄積されるべき電荷が、その隣の画素のｎ層２２に漏れてしまうのを防ぐためのものである。
【００３７】
ｐ基板２４の表面上には絶縁膜２１が形成され、この上には絶縁膜２３が形成されている。絶縁膜２１及び絶縁膜２３には、ｎ＋＋層１７の露出面上に、平面視においてその露出面と同じかそれよりも小さい面積のコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内に電極１８が形成されている。
【００３８】
電極１８は、導電性材料であればよく、特に、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、又はＭｏ（モリブデン）等の金属材料、或いは、これらとのシリサイド等で構成されることが好ましい。
【００３９】
絶縁膜２３上には電極１９が形成され、電極１９は電極１８と接続される。電極１９は、導電性材料であれば良い。電極１９には端子が接続され、この端子に、所定の電圧を印加できるようになっている。
【００４０】
ｐ＋層１６を越えてｎ＋＋層１７に移動した電荷は、ｎ＋＋層１７の露出面に接続された電極１８とこれに接続された電極１９に移動するため、これにより、ｎ＋＋層１７をオーバーフロードレインとして機能させることができる。
【００４１】
ｐ基板２４の裏面から内側には、ｐ基板２４の裏面で発生する暗電荷がｎ層２２に移動するのを防ぐために、ｐ＋＋層１０が形成されている。ｐ＋＋層１０には端子が接続され、この端子に所定の電圧が印加できるようになっている。ｐ＋＋層１０の濃度は、例えば１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３である。
【００４２】
ｐ＋＋層１０の下には、酸化シリコンや窒化シリコン等の入射光に対して透明な絶縁層１１が形成されている。絶縁層１１の下には、絶縁層１１とｐ基板２４との屈折率差に起因するｐ基板２４の裏面での光の反射を防止するために、窒化シリコンやダイヤモンド構造炭素膜等の入射光に対して透明な反射防止膜１２が形成されている。反射防止膜１２としては、プラズマＣＶＤや光ＣＶＤ等の４００℃以下の低温形成が可能なアモルファス窒化シリコン等のｎ＝１．４６を超える屈折率の層とすることが好ましい。
【００４３】
ｐ層１３の下面からｐ基板裏面までの領域とｎ層２２を含む領域のうち、平面視において素子分離層１４で区画された領域が、撮像に寄与する光電変換を行う部分のため、この部分を以下では光電変換部という。光電変換部で発生した電荷はｎ層２２に蓄積される。
【００４４】
図３及び図４に示した構成要素は、全て同一チップ（以下、第一チップという）上に形成されている。本実施形態の距離測定装置には、第一チップの他に、第二チップも搭載されており、この第二チップが第一チップの電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの各々と電気的に接続された構成となっている。第一チップには、図３に示すように、第二チップとの電気的接続をとるためのチップ間接続用電極２１が設けられている。チップ間接続用電極２１は、電荷蓄積部１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの各々に対応してｐ基板２４表面上に設けられ、対応する電荷蓄積部に電気的に接続されている。
【００４５】
以下、第二チップの構成について説明する。
図５は、第二チップに形成された素子の概略構成を示す図である。
図５に示す第二チップ３０には、画素毎に、電荷蓄積部１５ａに蓄積された電荷をその電荷量に応じた信号電圧に変換する変換トランジスタ３１と、電荷蓄積部１５ｂに蓄積された電荷をその電荷量に応じた信号電圧に変換する変換トランジスタ３２と、電荷蓄積部１５ｃに蓄積された電荷をその電荷量に応じた信号電圧に変換する変換トランジスタ３３と、電荷蓄積部１５ｄに蓄積された電荷をその電荷量に応じた信号電圧に変換する変換トランジスタ３４と、比較器３５と、アップ／ダウンカウンター３６と、位相演算部３７とが形成されている。更に、第二チップ３０には、全画素共通に１つの距離算出部３８が形成されている。
【００４６】
変換トランジスタ３１は、その入力端子がチップ間接続用電極２１を介して電荷蓄積部１５ａに接続され、その出力端子が比較器３５の第一の入力端子に接続されている。変換トランジスタ３２は、その入力端子がチップ間接続用電極２１を介して電荷蓄積部１５ｂに接続され、その出力端子が比較器３５の第一の入力端子に接続されている。変換トランジスタ３３は、その入力端子がチップ間接続用電極２１を介して電荷蓄積部１５ｃに接続され、その出力端子が比較器３５の第一の入力端子に接続されている。変換トランジスタ３４は、その入力端子がチップ間接続用電極２１を介して電荷蓄積部１５ｄに接続され、その出力端子が比較器３５の第一の入力端子に接続されている。
【００４７】
変換トランジスタ３１〜３４の各々のゲートには選択信号線が接続されている。変換トランジスタ３１〜３４は、それぞれ、ゲートに選択信号が入力されると電荷電圧変換動作を実行して、信号電圧を出力する。選択信号はシステム制御部７によって制御されており、変換トランジスタ３１、変換トランジスタ３３、変換トランジスタ３２、変換トランジスタ３４の順番で選択信号の入力先が切り替わるようになっている。
【００４８】
比較器３５は、時間毎に変化する（基準値から所定レベルずつ減少する）基準電圧であるランプ電圧と、変換トランジスタ３１〜３４からの出力電圧とを比較し、双方が一致したときに、アップ／ダウンカウンター３６にカウント停止信号を出力する。ランプ電圧は、システム制御部７の制御により、比較器３５の第二の入力端子に入力される。
【００４９】
アップ／ダウンカウンター３６は、システム制御部７から供給されるカウンタークロックとアップ／ダウン切り替えクロックとカウント停止信号とによって動作する。アップ／ダウンカウンター３６は、ランプ電圧の変化開始と共にカウントを開始し、比較器３５からカウント停止信号が入力された時点でカウントを停止する。カウンタークロックの入力開始タイミングとランプ電圧の変化開始タイミングとは同期しているため、カウンタークロックの入力の開始タイミングを検出することにより、ランプ電圧の変化開始タイミングを判断することができる。
【００５０】
アップ／ダウン切り替え信号は、変換トランジスタ３１から信号電圧が出力されている期間（Ａ０データ出力期間）と変換トランジスタ３２から信号電圧が出力されている期間（Ａ１データ出力期間）にはローレベルとなり、変換トランジスタ３３から信号電圧が出力されている期間（Ａ２データ出力期間）と変換トランジスタ３４から信号電圧が出力されている期間（Ａ３データ出力期間）にはハイレベルとなる信号である。アップ／ダウンカウンター３６は、アップ／ダウン切り替え信号がローレベルになり且つカウンタークロックが入力されると、カウント数を０からマイナス方向にカウントし、アップ／ダウン切り替え信号がハイレベルになり且つカウンタークロックが入力されると、カウント数を、直前にカウントした値からプラス方向に増やしてカウントする。
【００５１】
これにより、アップ／ダウンカウンター３６からは、Ａ２データ出力期間が終了した時点で、電荷Ａ２に応じた信号電圧に対応するカウント数から、電荷Ａ０に応じた信号電圧に対応するカウント数を減算した値、即ち、式（２）の（ａ２−ａ０）に相当するデータが出力されることになる。又、Ａ３データ出力期間が終了した時点で、電荷Ａ３に応じた信号電圧に対応するカウント数から、電荷Ａ１に応じた信号電圧に対応するカウント数を減算した値、即ち、式（２）の（ａ３−ａ１）に相当するデータが出力されることになる。
【００５２】
位相演算部３７は、Ａ２データ出力期間が終了した時点でアップ／ダウンカウンター３６から出力されたデータを、式（２）の（ａ２−ａ０）の項に代入し、Ａ３データ出力期間が終了した時点でアップ／ダウンカウンター３６から出力されたデータを、式（２）の（ａ３−ａ１）の項に代入して、位相差φを算出する。
【００５３】
距離算出部３８は、位相演算部３７で算出された位相差φと式（１）とから、距離Ｄを算出し、距離画像を生成する。
【００５４】
以下では、上述した構成の距離測定装置の動作を説明する。
図６は、比較器とアップ／ダウンカウンターの動作を説明するためのタイミングチャートである。
まず、変換トランジスタ３１が選択され、電荷蓄積部１５ａに蓄積されている電荷Ａ０が信号電圧Ａ０’に変換されてＡ０データ出力期間が開始される。Ａ０データ出力期間が開始されると、アップ／ダウン切り替え信号がローレベルとなり、その後、ランプ電圧の変化が開始すると共に、カウンタークロックの入力が開始される。又、カウンタークロックの入力開始と共に、カウント値“０”からマイナス方向にカウントが開始される。ランプ電圧と信号電圧Ａ０’とが一致すると、カウントが停止される。このときのカウント値を例えば“−ｍ”とする。
【００５５】
次に、変換トランジスタ３３が選択され、電荷蓄積部１５ｃに蓄積されている電荷Ａ２が信号電圧Ａ２’に変換されてＡ２データ出力期間が開始される。Ａ２データ出力期間が開始されると、アップ／ダウン切り替え信号がハイレベルとなり、その後、ランプ電圧の変化が開始すると共に、カウンタークロックの入力が開始される。又、カウンタークロックの入力開始と共に、カウント値“−ｍ”からプラス方向にカウントが開始される。ランプ電圧と信号電圧Ａ２’とが一致すると、カウントが停止され、このときのカウント値が位相演算部３７に出力される。
【００５６】
次に、変換トランジスタ３２が選択され、電荷蓄積部１５ｂに蓄積されている電荷Ａ１が信号電圧Ａ１’に変換されてＡ１データ出力期間が開始される。Ａ１データ出力期間が開始されると、アップ／ダウン切り替え信号がローレベルとなり、その後、ランプ電圧の変化が開始すると共に、カウンタークロックの入力が開始される。又、カウンタークロックの入力開始と共に、カウント値“０”からマイナス方向にカウントが開始される。ランプ電圧と信号電圧Ａ１’とが一致すると、カウントが停止される。このときのカウント値を例えば“−ｎ”とする
【００５７】
次に、変換トランジスタ３４が選択され、電荷蓄積部１５ｄに蓄積されている電荷Ａ３が信号電圧Ａ３’に変換されてＡ３データ出力期間が開始される。Ａ３データ出力期間が開始されると、アップ／ダウン切り替え信号がハイレベルとなり、その後、ランプ電圧の変化が開始すると共に、カウンタークロックの入力が開始される。又、カウンタークロックの入力開始と共に、カウント値“−ｎ”からプラス方向にカウントが開始される。ランプ電圧と信号電圧Ａ３’とが一致すると、カウントが停止され、このときのカウント値が位相演算部３７に出力される。
【００５８】
Ａ３データ出力期間が終了すると、位相差φが算出され、これに基づいて距離Ｄが算出され、距離画像が生成される。
【００５９】
以上のように、本実施形態の距離測定装置によれば、位相差φを演算するために必要なデータを出力する変換トランジスタ３１〜３４と、位相差φを演算するための手段（比較器３５、アップ／ダウンカウンター３６、及び位相演算部３７）とが画素毎に設けられているため、位相差φの演算を全画素で並列に実施することができる。このため、位相差φの演算を行う手段を全画素で１つしか持たない構成に比べて、距離Ｄを算出して距離画像を生成するまでの時間を全画素数分の１まで短縮することが可能となる。距離画像生成までの演算時間の短縮により、高解像度化が容易となり、センサ採用分野を拡大することができる。位相差φを演算するための手段として、位相演算に最適なアナログ・デジタル変換回路を採用することで、高解像度化に対応可能となる。
【００６０】
又、位相差φを演算するための手段を、復調受光部４を形成した第一チップとは別の第二チップに設けて、第一のチップと第二のチップを接続する構成を採用しているため、第一チップに形成する固体撮像素子の設計自由度を向上させることができる。ただし、第一のチップには、第二のチップと電気的に接続するためのチップ間接続用電極２１を設けておく必要がある。このため、第一チップに形成する固体撮像素子として従来の単板式固体撮像素子を用いた場合には、チップ間接続用電極２１を配置するためのスペースを確保することによってフォトダイオードの開口率が小さくなってしまい、感度が低下して、結果的に、距離Ｄの演算速度が落ちてしまう。
【００６１】
本実施形態の距離測定装置では、第一チップに形成する固体撮像素子として裏面照射型撮像素子を採用しているため、ｐ基板２４の裏面側にチップ間接続用電極２１を配置するスペースが十分に確保されており、光電変換部の開口が小さくなることはない。したがって、感度低下による演算時間の増大を防ぐことができる。
【００６２】
又、本実施形態の距離測定装置によれば、簡素な二値比較器とアップ／ダウンカウンターで４つのデータのアナログ／デジタル変換と差分演算が可能となるため、第二チップに形成する素子の回路規模、回路サイズを縮小することができる。この結果、低消費電力と高速性といった特性を併せ持つ距離測定装置を実現することができる。
【００６３】
尚、以上の説明では、ｎ層２２に対応させて４つの電荷蓄積部１５ａ〜１５ｄを設けるものとしているが、電荷蓄積部の数は最低４つあれば良く、５つ以上設けてあっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態である距離測定装置の概略構成を示す図
【図２】照射光と反射光の位相差φから対象物８までの距離Ｄを求める方法を説明するための図
【図３】図１に示す復調受光部を構成する裏面照射型撮像素子の１画素の平面模式図
【図４】図３に示すＡ−Ａ線断面模式図
【図５】第二チップに形成された素子の概略構成を示す図
【図６】比較器とアップ／ダウンカウンターの動作を説明するためのタイミングチャート
【符号の説明】
【００６５】
８ 対象物
１５ａ〜１５ｄ 電荷蓄積部
２０ 電極
２１ チップ間接続用電極
２４ ｐ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定周期で強度変調されて対象物に照射された照射光の前記対象物からの反射光を半導体基板の裏面側から受光し、前記反射光に応じて前記半導体基板内の複数の光電変換部で発生して蓄積された電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、
前記複数の光電変換部の各々に対応してその近傍に少なくとも４つ設けられ、対応する前記光電変換部で発生して蓄積された電荷を一時的に蓄積するための電荷蓄積部と、
前記半導体基板の表面上方に設けられ、１つの前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部の各々に、該光電変換部に蓄積される電荷のうち前記反射光の前記各々に対応する位相における光に応じた電荷を蓄積させる制御を行う制御手段と、
前記半導体基板の表面上方に設けられ、前記裏面照射型撮像素子が形成された第一のチップとは別の第二のチップと前記電荷蓄積部とを電気的に接続するためのチップ間接続用電極とを備える裏面照射型撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の裏面照射型撮像素子と、
前記照射光を対象空間に照射する光源と、
前記第二のチップとを備え、
前記第二のチップには、前記複数の光電変換部毎に、前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部に蓄積された電荷をそれぞれ信号電圧に変換する電圧変換手段と、前記信号電圧に基づいて前記照射光と前記反射光の位相差を演算する位相差演算手段とが形成されている距離測定装置。
【請求項３】
請求項２記載の距離測定装置であって、
前記電圧変換手段が、前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部の各々に蓄積された電荷に応じた前記信号電圧を、同一の出力先にタイミングをずらして出力するものであり、
前記位相差演算手段が、時間毎に変化する基準電圧の変化開始時点から、前記基準電圧が前記電圧変換手段から出力される信号電圧と同一になるまでの時間をカウントするカウント手段と、前記カウント手段によってカウントされた時間を用いて前記照射光と前記反射光の位相差を演算する演算手段とを含む距離測定装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載の距離測定装置であって、
前記位相差演算手段によって演算された前記位相差を用いて前記対象物までの距離を算出する距離算出手段を備える距離測定装置。
【請求項１】
一定周期で強度変調されて対象物に照射された照射光の前記対象物からの反射光を半導体基板の裏面側から受光し、前記反射光に応じて前記半導体基板内の複数の光電変換部で発生して蓄積された電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、
前記複数の光電変換部の各々に対応してその近傍に少なくとも４つ設けられ、対応する前記光電変換部で発生して蓄積された電荷を一時的に蓄積するための電荷蓄積部と、
前記半導体基板の表面上方に設けられ、１つの前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部の各々に、該光電変換部に蓄積される電荷のうち前記反射光の前記各々に対応する位相における光に応じた電荷を蓄積させる制御を行う制御手段と、
前記半導体基板の表面上方に設けられ、前記裏面照射型撮像素子が形成された第一のチップとは別の第二のチップと前記電荷蓄積部とを電気的に接続するためのチップ間接続用電極とを備える裏面照射型撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の裏面照射型撮像素子と、
前記照射光を対象空間に照射する光源と、
前記第二のチップとを備え、
前記第二のチップには、前記複数の光電変換部毎に、前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部に蓄積された電荷をそれぞれ信号電圧に変換する電圧変換手段と、前記信号電圧に基づいて前記照射光と前記反射光の位相差を演算する位相差演算手段とが形成されている距離測定装置。
【請求項３】
請求項２記載の距離測定装置であって、
前記電圧変換手段が、前記光電変換部に対応する前記少なくとも４つの電荷蓄積部の各々に蓄積された電荷に応じた前記信号電圧を、同一の出力先にタイミングをずらして出力するものであり、
前記位相差演算手段が、時間毎に変化する基準電圧の変化開始時点から、前記基準電圧が前記電圧変換手段から出力される信号電圧と同一になるまでの時間をカウントするカウント手段と、前記カウント手段によってカウントされた時間を用いて前記照射光と前記反射光の位相差を演算する演算手段とを含む距離測定装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載の距離測定装置であって、
前記位相差演算手段によって演算された前記位相差を用いて前記対象物までの距離を算出する距離算出手段を備える距離測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１８０６５９（Ｐ２００９−１８０６５９Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１２０１（Ｐ２００８−２１２０１）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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