特許 6231940 測距装置及び測距装置の駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6231940

(24)【登録日】2017年10月27日

(45)【発行日】2017年11月15日

(54)【発明の名称】測距装置及び測距装置の駆動方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/10 20060101AFI20171106BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20171106BHJP

   H01L 31/12 20060101ALI20171106BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20171106BHJP

   H04N 5/335 20110101ALI20171106BHJP

【ＦＩ】

   G01S17/10

   G01C3/06 120Q

   G01C3/06 140

   H01L31/12 E

   H01L31/12 F

   H01L27/146 A

   H04N5/335

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-96698(P2014-96698)

(22)【出願日】2014年5月8日

(65)【公開番号】特開2015-215181(P2015-215181A)

(43)【公開日】2015年12月3日

【審査請求日】2017年1月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(72)【発明者】

【氏名】間瀬 光人

(72)【発明者】

【氏名】平光 純

(72)【発明者】

【氏名】島田 明洋

【審査官】 請園 信博

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０３１７８７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１６４０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４７６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８３２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２０６９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３７２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１５０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２６４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９４４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００３７９６９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ ３／００ − ３／３２

Ｇ０１Ｓ ７／４８ − ７／５１

１７／００ − １７／９５

Ｈ０１Ｌ ２１／３３９

２７／１４

２７／１４４ − ２７／１４８

２９／７６２

３１／１２ − ３１／１４

３１／１６

Ｈ０４Ｎ ５／３０ − ５／３７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物に向けてパルス光をフレーム周期毎に出射するように光源を駆動する駆動部と、
前記対象物でのパルス光の反射光の入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、前記電荷発生領域から離間し且つ一次元方向で前記電荷発生領域を挟んで配置され、電荷を蓄積する第一及び第二電荷蓄積領域と、前記第一電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間に配置されている第一転送電極と、前記第二電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間に配置されている第二転送電極と、を有する複数の距離センサが前記一次元方向に配置されている距離画像センサと、
前記パルス光の出射と同期するように、前記フレーム周期毎に、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第一電荷蓄積領域に流入させるように、第一パルス転送信号を前記第一転送電極に出力し、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第二電荷蓄積領域に流入させるように、前記第一パルス転送信号と位相が異なる第二パルス転送信号を前記第二転送電極に出力する制御部と、
前記フレーム周期毎に、前記第一及び第二電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量をそれぞれ読み出し、読み出した電荷量に基づいて前記対象物までの距離を演算する演算部と、を備え、
前記制御部は、前記フレーム周期毎に、前記第一パルス転送信号と前記第二パルス転送信号との時系列での順序を交互に入れ替えて、前記第一及び第二パルス転送信号を出力し、
前記演算部は、時系列で連続する二つの前記フレーム周期における、位相が同じとなる前記第一及び第二パルス転送信号に応じて前記第一電荷蓄積領域と前記第二電荷蓄積領域とに蓄積された信号電荷の合計電荷量に基づいて前記対象物までの距離を演算する、測距装置。

【請求項2】

前記演算部は、時系列で連続する二つの前記フレーム周期における一方のフレーム周期で前記第一電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量と他方のフレーム周期で前記第二電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量との合計電荷量、及び前記一方のフレーム周期で前記第二電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量と前記他方のフレーム周期で前記第一電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量との合計電荷量に基づいて前記対象物までの距離を演算する、請求項１記載の測距装置。

【請求項3】

対象物に向けてパルス光を出射する光源と、
前記対象物でのパルス光の反射光の入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、前記電荷発生領域から離間し且つ一次元方向で前記電荷発生領域を挟んで配置され、電荷を蓄積する第一及び第二電荷蓄積領域と、前記第一電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間に配置されている第一転送電極と、前記第二電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間に配置されている第二転送電極と、を有する複数の距離センサが前記一次元方向に配置されている距離画像センサと、を備える測距装置の駆動方法であって、
前記パルス光をフレーム周期毎に出射するように前記光源を駆動し、
前記パルス光の出射と同期するように、前記フレーム周期毎に、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第一電荷蓄積領域に流入させるように、第一パルス転送信号を前記第一転送電極に出力し、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第二電荷蓄積領域に流入させるように、第一パルス転送信号と位相が異なる第二パルス転送信号を前記第二転送電極に出力し、
前記フレーム周期毎に、前記第一及び第二電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量をそれぞれ読み出し、読み出した電荷量に基づいて前記対象物までの距離を演算し、
第一及び第二パルス転送信号を出力する際に、前記フレーム周期毎に、前記第一パルス転送信号と前記第二パルス転送信号との時系列での順序を交互に入れ替えて、前記第一及び第二パルス転送信号を出力し、
前記対象物までの距離を演算する際に、時系列で連続する二つの前記フレーム周期における、位相が同じとなる前記第一及び第二パルス転送信号に応じて前記第一電荷蓄積領域と前記第二電荷蓄積領域とに蓄積された信号電荷の合計電荷量に基づいて前記対象物までの距離を演算する、測距装置の駆動方法。

【請求項4】

前記対象物までの距離を演算する際に、時系列で連続する二つの前記フレーム周期における一方のフレーム周期で前記第一電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量と他方のフレーム周期で前記第二電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量との合計電荷量、及び前記一方のフレーム周期で前記第二電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量と前記他方のフレーム周期で前記第一電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の電荷量との合計電荷量に基づいて前記対象物までの距離を演算する、請求項３記載の測距装置の駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測距装置及び測距装置の駆動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の距離画像センサを備える測距装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された測距装置は、一次元方向に配置された各距離センサが、矩形の電荷発生領域と、電荷発生領域の一組の対向する二辺に沿ってそれぞれ設けられた転送電極と、転送電極により転送された信号電荷をそれぞれ蓄積する電荷蓄積領域と、を含んで構成されている。

【0003】

この測距装置では、転送電極が電荷発生領域に発生した電荷を信号電荷として位相の異なる転送信号に応じて各電荷蓄積領域に振り分ける。振り分けられた信号電荷は、対応する各電荷蓄積領域にそれぞれ蓄積される。各電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量に対応した出力として読み出される。これらの出力の比率に基づいて、対象物までの距離が算出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２００７／０２６７７９号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明者らの調査研究の結果、上記特許文献１に記載されるような測距装置では、測定距離が同等であるべき二つの距離センサにおいて、測定距離が距離センサによって異なる場合があることが明らかになった。

【0006】

本発明は、測定距離が同等であるべき二つの距離センサにおける測定距離の異なりを低減する測距装置及び測距装置の駆動方法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】

本発明者らは、測定距離が同等であるべき二つの距離センサにおける測定距離の異なりを低減する測距装置及び測距装置の駆動方法について、調査研究を行った。その結果、本発明者らは以下の事実を見出した。

【0008】

上記特許文献１に記載されるような測距装置では、光が入射した距離センサ（以下、入射距離センサと称する）以外の他の距離センサでも信号が検出される場合がある。これは、入射距離センサの電荷発生領域で生成された電荷が、他の距離センサの各電荷蓄積領域に流入するクロストークが生じているためと考えられる。他の距離センサの各電荷蓄積領域へのクロストークの影響は、当該各電荷蓄積領域の配置によって異なる。特に、他の距離センサの各電荷蓄積領域の配置が、入射距離センサ側であるか否かによって大きく異なる。すなわち、他の距離センサにおいて光入射距離センサ側に配置される電荷蓄積領域では、クロストークの影響が大きく、光入射距離センサ側とは逆側に配置される電荷蓄積領域では、クロストークの影響が小さい。

【0009】

電荷振り分け方式の距離センサでは、上記のように、各電荷蓄積領域の出力の比率に基づいて、対象物までの距離が算出される。このため、各電荷蓄積領域に対して、周りの距離センサからの電荷の漏れ込みがあると、算出される距離が変化する。例えば、光が入射された二つの距離センサの各電荷蓄積領域において、一方の位相の転送信号に応じて振り分けられる電荷量と、他方の位相に応じて振り分けられる電荷量とが同じとなる場合であっても、クロストークの影響が異なるために、測定距離が異なる場合がある。すなわち、二つの光入射距離センサにおいて、測定距離が同等であるべき場合であっても、同じ位相の転送信号に応じて信号電荷を蓄積する各電荷蓄積領域同士の配置が、もう一方の光入射距離センサ側であるか否かで互いに異なる場合は、測定距離が距離センサによって異なり得る。

【0010】

本発明者らは、自らが見出したこれらの事実に着目して、測定距離が同等であるべき二つの距離センサにおける測定距離の異なりを低減する構成について更に鋭意研究を行い、本発明を想到するに至った。

【0011】

本発明に係る測距装置は、対象物に向けてパルス光をフレーム周期毎に出射するように光源を駆動する駆動部と、対象物でのパルス光の反射光の入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域から離間し且つ一次元方向で電荷発生領域を挟んで配置され、電荷を蓄積する第一及び第二電荷蓄積領域と、第一電荷蓄積領域と電荷発生領域との間に配置されている第一転送電極と、第二電荷蓄積領域と電荷発生領域との間に配置されている第二転送電極と、を有する複数の距離センサが一次元方向に配置されている距離画像センサと、パルス光の出射と同期するように、フレーム周期毎に、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一電荷蓄積領域に流入させるように、第一パルス転送信号を第一転送電極に出力し、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二電荷蓄積領域に流入させるように、第一パルス転送信号と位相が異なる第二パルス転送信号を第二転送電極に出力する制御部と、フレーム周期毎に、第一及び第二電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷をそれぞれ読み出し、読み出した信号電荷に基づいて対象物までの距離を演算する演算部と、を備え、制御部は、フレーム周期毎に、第一パルス転送信号と第二パルス転送信号との時系列での順序を交互に入れ替えて、第一及び第二パルス転送信号を出力し、演算部は、時系列で連続する二つのフレーム周期における、位相が同じとなる第一及び第二パルス転送信号に応じて第一電荷蓄積領域と第二電荷蓄積領域とに蓄積された信号電荷の合計電荷量に基づいて対象物までの距離を演算する。

【0012】

本発明に係る測距装置の駆動方法は、対象物に向けてパルス光を出射する光源と、対象物でのパルス光の反射光の入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域から離間し且つ一次元方向で電荷発生領域を挟んで配置され、電荷を蓄積する第一及び第二電荷蓄積領域と、第一電荷蓄積領域と電荷発生領域との間に配置されている第一転送電極と、第二電荷蓄積領域と電荷発生領域との間に配置されている第二転送電極と、を有する複数の距離センサが一次元方向に配置されている距離画像センサと、を備える測距装置の駆動方法であって、パルス光をフレーム周期毎に出射するように光源を駆動し、パルス光の出射と同期するように、フレーム周期毎に、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一電荷蓄積領域に流入させるように、第一パルス転送信号を第一転送電極に出力し、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二電荷蓄積領域に流入させるように、第一パルス転送信号と位相が異なる第二パルス転送信号を第二転送電極に出力し、フレーム周期毎に、第一及び第二電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷をそれぞれ読み出し、読み出した信号電荷に基づいて対象物までの距離を演算し、第一及び第二パルス転送信号を出力する際に、フレーム周期毎に、第一パルス転送信号と第二パルス転送信号との時系列での順序を交互に入れ替えて、第一及び第二パルス転送信号を出力し、対象物までの距離を演算する際に、時系列で連続する二つのフレーム周期における、位相が同じとなる第一及び第二パルス転送信号に応じて第一電荷蓄積領域と第二電荷蓄積領域とに蓄積された信号電荷の合計電荷量に基づいて対象物までの距離を演算する。

【0013】

これらの本発明では、フレーム周期毎に、光源からパルス光が出射され、対象物でのパルス光の反射光が距離画像センサに入射する。距離画像センサでは、電荷発生領域と、一次元方向で電荷発生領域を挟んで配置される第一及び第二電荷蓄積領域と、を有する複数の距離センサが一次元方向に配置されている。反射光が入射した距離センサでは、反射光に応じて電荷が電荷発生領域に発生する。発生した電荷は、フレーム周期毎に、第一及び第二パルス転送信号に応じて第一及び第二電荷蓄積領域に信号電荷として蓄積される。第一及び第二パルス転送信号は、位相が互いに異なり、且つ、フレーム周期毎に時系列での順序を交互に入れ替えて出力される。このため、時系列で連続する二つのフレーム周期において、一方のフレーム周期では、第一電荷蓄積領域に信号電荷が蓄積された後に、第二電荷蓄積領域に信号電荷が蓄積され、他方のフレーム周期では、第二電荷蓄積領域に信号電荷が蓄積された後に、第一電荷蓄積領域に信号電荷が蓄積される。対象物までの距離は、時系列で連続する二つのフレーム周期における、位相が同じとなる第一及び第二パルス転送信号に応じて第一電荷蓄積領域と第二電荷蓄積領域とに蓄積された信号電荷の合計電荷量に基づいて演算される。これらの合計電荷量が対象物までの距離の演算に用いられるので、他の距離センサから第一及び第二電荷蓄積領域に漏れ込む電荷量が互いに異なる場合でも、電荷の漏れ込みによる影響が一方の位相のパルス転送信号に応じた合計電荷量と、他方の位相のパルス転送信号に応じた合計電荷量とにバランスよく分配される。この結果、一次元方向で隣り合う距離センサ同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となるので、測定距離が同等であるべき二つの距離センサにおいて、測定距離の異なりを低減することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、測定距離が同等であるべき二つの距離センサにおける測定距離の異なりを低減する測距装置及び測距装置の駆動方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。

【図2】距離画像センサの断面構成を説明するための図である。

【図3】距離画像センサの構成図である。

【図4】図３におけるIV−IV線に沿った断面構成を示す図である。

【図5】半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。

【図6】距離センサにおける電荷の漏れ込みについて説明する図である。

【図7】各種信号のタイミングチャートである。

【図8】従来の測距装置における各種信号のタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

【0017】

図１は、本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。

【0018】

測距装置１０は、対象物ＯＪまでの距離ｄを測定する装置である。測距装置１０は、距離画像センサＲＳと、光源ＬＳと、表示器ＤＳＰと、制御ユニットと、を備えている。制御ユニットは、駆動部ＤＲＶと、制御部ＣＯＮＴと、演算部ＡＲＴと、を備えている。光源ＬＳは、対象物ＯＪに向けてパルス光Ｌｐを出射する。光源ＬＳは、例えば、レーザ光照射装置、ＬＥＤなどで構成される。距離画像センサＲＳは、ＴＯＦ型の距離画像センサである。距離画像センサＲＳは、配線基板ＷＢ上に配置されている。

【0019】

制御ユニット（駆動部ＤＲＶ、制御部ＣＯＮＴ、及び演算部ＡＲＴ）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算回路、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリ、電源回路、及びＡ／Ｄコンバータを含む読出回路などのハードウエアによって構成されている。この制御ユニットは、一部もしくは全体がＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの集積回路によって構成されていてもよい。

【0020】

駆動部ＤＲＶは、制御部ＣＯＮＴの制御に従って光源ＬＳに駆動信号Ｓ_Ｄを印加し、対象物ＯＪに向けてパルス光Ｌｐをフレーム周期毎に出射するように光源ＬＳを駆動する。制御部ＣＯＮＴは、駆動部ＤＲＶを制御すると共に、第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１、Ｓ_２を距離画像センサＲＳに出力し、更に、演算部ＡＲＴの演算結果を表示器ＤＳＰに表示させる。演算部ＡＲＴは、距離画像センサＲＳから信号電荷の電荷量ｑ_１，ｑ_２をそれぞれ読み出し、読み出した電荷量ｑ_１，ｑ_２に基づいて距離ｄを演算し、演算結果を制御部ＣＯＮＴに出力する。距離ｄの演算方法の詳細については、図７を参照して後で説明する。表示器ＤＳＰは、制御部ＣＯＮＴから演算部ＡＲＴの演算結果を入力し、当該演算結果を表示するディスプレイである。

【0021】

測距装置１０では、駆動信号Ｓ_Ｄが光源ＬＳに印加されることにより、パルス光Ｌｐがフレーム周期毎に光源ＬＳから出射される。光源ＬＳから出射されたパルス光Ｌｐが対象物ＯＪに入射すると、反射によりパルス光である反射光Ｌｒが対象物ＯＪから出射される。対象物ＯＪから出射された反射光Ｌｒは、距離画像センサＲＳの電荷発生領域に入射する。

【0022】

距離画像センサＲＳからは、画素毎に第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２に同期して収集された電荷量ｑ_１，ｑ_２が出力され、駆動信号Ｓ_Ｄに同期して演算部ＡＲＴに入力される。演算部ＡＲＴでは、入力された電荷量ｑ_１，ｑ_２に基づき、画素毎に距離ｄが演算され、演算結果が制御部ＣＯＮＴに入力される。制御部ＣＯＮＴに入力された演算結果は、表示器ＤＳＰに転送されて表示される。

【0023】

図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。

【0024】

距離画像センサＲＳは、表面入射型の距離画像センサであって、半導体基板１を備えている。半導体基板１は、互いに対向する第一及び第二主面１ａ，１ｂを有している。第二主面１ｂは、光入射面である。距離画像センサＲＳは、半導体基板１の第一主面１ａ側を配線基板ＷＢに対向させた状態で、接着領域ＦＬを介して配線基板ＷＢに貼り付けられている。接着領域ＦＬは、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。距離画像センサＲＳには、半導体基板１の第二主面１ｂ側から反射光Ｌｒが入射する。

【0025】

続いて、図３及び図４を参照しながら、距離画像センサＲＳについて詳細に説明する。図３は、距離画像センサの構成図である。図４は、図３におけるIV−IV線に沿った断面構成を示す図である。

【0026】

距離画像センサＲＳは、複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎ（Ｎは２以上の自然数）が一次元方向Ａに配置されたアレイ構造を成すラインセンサである。複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれは、一つ又は二つ以上ずつで距離画像センサＲＳの一画素を構成している。本実施形態では、複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれは、一つで距離画像センサＲＳの一画素を構成している。図３では、距離センサＰ_ｎ（ｎはＮ以下の自然数）の構成のみを示している。複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれは、距離センサＰ_ｎと同様の構成を有している。

【0027】

距離画像センサＲＳは、光入射面である第二主面１ｂの前方に遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩには、複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎに対応する領域それぞれにおいて、一次元方向Ａに開口ＬＩａが形成されている。開口ＬＩａは、矩形状を呈している。本実施形態では、開口ＬＩａは、長方形状を呈している。光は、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通って、半導体基板１に入射する。したがって、開口ＬＩａにより、半導体基板１には、受光領域が規定される。遮光層ＬＩは、たとえば、アルミニウムなどの金属からなる。なお、図３では、遮光層ＬＩを省略して示す。

【0028】

半導体基板１は、第一主面１ａ側に位置するｐ型の第一半導体領域３と、第一半導体領域３よりも不純物濃度が低く且つ第二主面１ｂ側に位置するｐ⁻型の第二半導体領域５と、からなる。半導体基板１は、例えば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ⁻型のエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。半導体基板１の第二主面１ｂ（第二半導体領域５）上には、絶縁層７が形成されている。

【0029】

複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎは、半導体基板１において、一次元方向Ａに配置される。すなわち、複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎは、半導体基板１において、一次元方向Ａに沿って並ぶように位置する。複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれは、フォトゲート電極ＰＧと、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２と、第一及び第二転送電極ＴＸ１、第二転送電極ＴＸ２と、ｐ型のウェル領域Ｗと、を備えている。なお、図３では、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２上に配置されている導体１３（図４参照）を省略して示す。

【0030】

フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａに対応して配置されている。半導体基板１（第二半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（図４において、フォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域）は、対象物ＯＪでのパルス光Ｌｐの反射光Ｌｒの入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域として機能する。フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａの形状にも対応し、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａと同様に長方形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、一次元方向Ａと直交し且つ互いに対向する第一及び第二長辺Ｌ１，Ｌ２と、一次元方向Ａと平行で且つ互いに対向する第一及び第二短辺Ｓ１，Ｓ２とを有する平面形状を有している。フォトゲート電極ＰＧは、一次元方向Ａの一方側に第一長辺Ｌ１、一次元方向Ａの他方側に第二長辺Ｌ２を有している。

【0031】

第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、一次元方向Ａでフォトゲート電極ＰＧを挟んで配置されている。第一電荷蓄積領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側にフォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。第二電荷蓄積領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第二長辺Ｌ２側にフォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれは、距離センサＰ_ｎと同様の構成を有しているため、隣り合う二つの距離センサＰ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１において、第一電荷蓄積領域ＦＤ１と第二電荷蓄積領域ＦＤ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。

【0032】

第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第二半導体領域５に形成された不純物濃度が高いｎ型の半導体領域であり、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で正方形状を呈しており、互いに同形状を成している。

【0033】

第一転送電極ＴＸ１は、絶縁層７上であって、第一電荷蓄積領域ＦＤ１とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第一転送電極ＴＸ１は、第一電荷蓄積領域ＦＤ１とフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離間して配置されている。第一転送電極ＴＸ１は、第一パルス転送信号Ｓ_１（図７参照）に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一電荷蓄積領域ＦＤ１に流入させる。

【0034】

第二転送電極ＴＸ２は、絶縁層７上であって、第二電荷蓄積領域ＦＤ２とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第二転送電極ＴＸ２は、第二電荷蓄積領域とフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離間して配置されている。第二転送電極ＴＸ２は、第一パルス転送信号Ｓ_１と位相が異なる第二パルス転送信号Ｓ_２（図７参照）に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二電荷蓄積領域ＦＤ２に流入させる。複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれは、距離センサＰ_ｎと同様の構成を有しているため、隣り合う二つの距離センサＰ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１において、第一転送電極ＴＸ１と第二転送電極ＴＸ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。

【0035】

第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、一次元方向Ａに直交する方向を長辺とする長方形状を呈し、互いに同形状を成している。第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺の長さは、フォトゲート電極ＰＧの第一及び第二長辺Ｌ１，Ｌ２の長さよりも短い。

【0036】

ウェル領域Ｗは、第二主面１ｂに直交する方向から見て、フォトゲート電極ＰＧ、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２、並びに第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を囲むように第二半導体領域５に形成されている。ウェル領域Ｗは、第二主面１ｂに直交する方向から見て、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれの一部と重なっている。ウェル領域Ｗの外縁は、複数の距離センサＲ_１〜Ｒ_Ｎの外縁と略一致している。ウェル領域Ｗは、第二半導体領域５の導電型と同一の導電型であって、第二半導体領域５の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する。ウェル領域Ｗは、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２から広がる空乏層との結合を抑制している。これにより、クロストークが抑制される。

【0037】

絶縁層７には、第二半導体領域５の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を外部に接続するための導体１３が配置される。

【0038】

本実施形態では、「不純物濃度が高い」とは例えば不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示す。一方、「不純物濃度が低い」とは例えば１０×１０^１５ｃｍ^−３程度以下のことであって、「−」を導電型に付けて示す。

【0039】

各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
第一半導体領域３：厚さ１０〜１０００μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１９ｃｍ^−３
第二半導体領域５：厚さ１〜５０μｍ／不純物濃度１×１０^１２〜１０^１５ｃｍ^−３
第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１〜１μｍ／不純物濃度１×１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３
ウェル領域Ｗ：厚さ０．５〜５μｍ／不純物濃度１×１０^１６〜１０^１８ｃｍ^−３

【0040】

半導体基板１（第一及び第二半導体領域３，５）には、バックゲート又は貫通電極などを介してグラウンド電位などの基準電位が与えられる。

【0041】

半導体基板はＳｉからなり、絶縁層７はＳｉＯ_２からなり、フォトゲート電極ＰＧ及び第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。

【0042】

第一転送電極ＴＸ１に印加される第一パルス転送信号Ｓ_１の位相と第二転送電極ＴＸ２に印加される第二パルス転送信号Ｓ_２の位相とは、１８０度ずれている。複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれに入射した光は、半導体基板１（第二半導体領域５）内において電荷に変換される。このようにして発生した電荷のうち一部は、信号電荷として、フォトゲート電極ＰＧ並びに第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第一転送電極ＴＸ１又は第二転送電極ＴＸ２の方向、すなわちフォトゲート電極ＰＧの第一及び第二短辺Ｓ１，Ｓ２に平行な方向に走行する。

【0043】

第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に正電位を与えると、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第二半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなり、負の電荷（電子）は、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、上記正電位よりも低い電位（たとえば、グラウンド電位）を与えると、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じ、半導体基板１で発生した電荷は、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２には引き込まれない。

【0044】

図５は、図３のIV−IV線に沿った半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図５では、下向きがポテンシャルの正方向である。図５には、第一転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ１、第二転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφ_ＴＸ２、フォトゲート電極ＰＧの直下の電荷発生領域のポテンシャルφ_ＰＧ、第一電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャルφ_ＦＤ１、第二電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャルφ_ＦＤ２が示されている。

【0045】

フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）のポテンシャルφ_ＰＧは、無バイアス時における隣接する第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の領域のポテンシャル（φ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２）を基準電位とすると、この基準電位よりも高く設定されている。この電荷発生領域のポテンシャルφ_ＰＧはポテンシャルφ_ＴＸ１，φ_ＴＸ２よりも高くなり、ポテンシャル分布は電荷発生領域において図面の下向きに凹んだ形状となる。

【0046】

図５を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。第一転送電極ＴＸ１に印加される第一パルス転送信号Ｓ_１の位相が０度のとき、第一転送電極ＴＸ１には正の電位が与えられる。第二転送電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられる。フォトゲート電極ＰＧには、第一転送電極ＴＸ１に与えられる電位と、第二転送電極ＴＸ２に与えられる電位との間の電位が与えられる。この場合、図５（ａ）に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第一転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１が電荷発生領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも下がることにより、第一電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に流れ込む。

【0047】

一方、第二転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２は下がらず、第二電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第一電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２では、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが凹んでいる。

【0048】

第二転送電極ＴＸ２に印加される第二パルス転送信号Ｓ_２の位相が０度のとき、第二転送電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第一転送電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられる。フォトゲート電極ＰＧには、第一転送電極ＴＸ１に与えられる電位と、第二転送電極ＴＸ２に与えられる電位との間の電位が与えられる。この場合、図５（ｂ）に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第二転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ２が電荷発生領域のポテンシャルφ_ＰＧよりも下がることにより、第二電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に流れ込む。

【0049】

一方、第一転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφ_ＴＸ１は下がらず、第一電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第二電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。

【0050】

以上により、信号電荷が第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。

【0051】

図６は、距離センサにおける電荷の漏れ込みについて説明する図である。図６では、特に、隣り合う二つの距離センサＰ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１について示す。

【0052】

距離センサＰ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１は、構成が同じで、それぞれフォトゲート電極ＰＧの一次元方向Ａの一方側に第一電荷蓄積領域ＦＤ１及び第一転送電極ＴＸ１を備えると共に、他方側に第二電荷蓄積領域ＦＤ２及び第二転送電極ＴＸ２を備えている。隣り合う二つの距離センサＰ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１において、第一電荷蓄積領域ＦＤ１と第二電荷蓄積領域ＦＤ２とが一次元方向Ａで隣り合っている。

【0053】

距離画像センサＲＳにおいて、例えば、距離センサＰ_ｎに反射光Ｌｒが入射されると、距離センサＰ_ｎでは反射光Ｌｒに応じて電荷が発生する。発生した電荷は、第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２にしたがって、距離センサＰ_ｎの第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２へと振り分けられる。このとき電荷の一部が他の距離センサＰ_ｍ（ｍ≠ｎ）の第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に漏れ込む。漏れ込み量は、他の距離センサＰ_ｍにおける第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２の配置が、距離センサＰ_ｎ側であるか否かによって大きく異なる。

【0054】

距離センサＰ_ｎ＋１において、第一電荷蓄積領域ＦＤ１は、距離センサＰ_ｎ側に配置されており、第二電荷蓄積領域ＦＤ２は、距離センサＰ_ｎとは逆側に配置されている。このため、距離センサＰ_ｎに光が入射され、距離センサＰ_ｎから距離センサＰ_ｎ＋１に電荷が漏れ込む場合、第一電荷蓄積領域ＦＤ１への漏れ込み量Ｂ％は，第二電荷蓄積領域ＦＤ２への漏れ込み量Ａ％よりも大きい。同様に、距離センサＰ_ｎ＋１に光が入射され、距離センサＰ_ｎ＋１から距離センサＰ_ｎに電荷が漏れ込む場合、距離センサＰ_ｎにおいて、距離センサＰ_ｎ＋１側には第二電荷蓄積領域ＦＤ２が配置されているため、第二電荷蓄積領域ＦＤ２への漏れ込み量Ｄ％は、第一電荷蓄積領域ＦＤ１への漏れ込み量Ｃ％よりも大きい。

【0055】

このように、隣り合う二つの距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１において互いに電荷が漏れ込み合うことにより、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれに蓄積される電荷量は、距離センサＰ_ｎと距離センサＰ_ｎ＋１とで異なる場合がある。

【0056】

続いて、図７を参照して、距離ｄの演算方法について説明する。図７は、各種信号のタイミングチャートである。図７では、複数のフレーム周期Ｔ_Ｆのうち、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆについて示す。

【0057】

光源ＬＳの駆動信号Ｓ_Ｄ、対象物ＯＪでのパルス光Ｌｐの反射光Ｌｒが撮像領域まで戻ってきたときの反射光Ｌｒの強度信号Ｓ_Ｌｒ、第一転送電極ＴＸ１に印加される第一パルス転送信号Ｓ_１、第二転送電極ＴＸ２に印加される第二パルス転送信号Ｓ_２、及びリセット信号ｒｅｓｅｔが示されている。二つのフレーム周期Ｔ_Ｆそれぞれは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔ_ａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔ_ｒｏと、からなる。駆動信号Ｓ_Ｄ、強度信号Ｓ_Ｌｒ、第一パルス転送信号Ｓ_１、及び第二パルス転送信号Ｓ_２は、いずれもパルス幅Ｔ_ｐのパルス信号である。

【0058】

蓄積期間Ｔ_ａｃｃにおいて、まず距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、駆動信号Ｓ_Ｄが光源ＬＳに印加される。駆動信号Ｓ_Ｄの印加に同期して、第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２が互いに逆位相で第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。これにより、電荷転送が行われ、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に信号電荷が蓄積される。その後、読み出し期間Ｔ_ｒｏにおいて、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２内に蓄積された信号電荷が読み出される。

【0059】

第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２は、フレーム周期Ｔ_Ｆ毎に、第一パルス転送信号Ｓ_１と第二パルス転送信号Ｓ_２との時系列での順序を交互に入れ替えて出力される。したがって、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおける一方のフレーム周期Ｔ_Ｆ（ここでは、時系列で前のフレーム周期Ｔ_Ｆ）では、第一パルス転送信号Ｓ_１が駆動信号Ｓ_Ｄに位相差０で同期して出力されると共に、第二パルス転送信号Ｓ_２が駆動信号Ｓ_Ｄに位相差１８０度で同期して出力される。他方のフレーム周期Ｔ_Ｆ（ここでは、時系列で後のフレーム周期Ｔ_Ｆ）では、第二パルス転送信号Ｓ_２が駆動信号Ｓ_Ｄに位相差０で同期して出力されると共に、第一パルス転送信号Ｓ_１が駆動信号Ｓ_Ｄに位相差１８０度で同期して出力される。

【0060】

なお、このような第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２の出力制御は、制御部ＣＯＮＴにより行われる。すなわち、制御部ＣＯＮＴは、パルス光Ｌｐの出射と同期するように、フレーム周期Ｔ_Ｆ毎に、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一電荷蓄積領域ＦＤ１に流入させるように、第一パルス転送信号Ｓ_１を第一転送電極ＴＸ１に出力し、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二電荷蓄積領域ＦＤ２に流入させるように、第一パルス転送信号Ｓ_１と位相が異なる第二パルス転送信号Ｓ_２を第二転送電極ＴＸ２に出力する。制御部ＣＯＮＴは更に、フレーム周期Ｔ_Ｆ毎に、第一パルス転送信号Ｓ_１と第二パルス転送信号Ｓ_２との時系列での順序を交互に入れ替えて、第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２を出力する。

【0061】

強度信号Ｓ_Ｌｒと、駆動信号Ｓ_Ｄに位相差０で同期して出力される信号との重なり合った部分に相当する電荷量ｑ_１は、一方のフレーム周期Ｔ_Ｆでは、第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積され、他方のフレーム周期Ｔ_Ｆでは、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積される。反射光Ｌｒの強度信号Ｓ_Ｌｒと、駆動信号Ｓ_Ｄに位相差１８０で同期して出力される信号との重なり合った部分に相当する電荷量ｑ_２は、一方のフレーム周期Ｔ_Ｆでは、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積され、他方のフレーム周期Ｔ_Ｆでは、第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積される。

【0062】

強度信号Ｓ_Ｌｒと、駆動信号Ｓ_Ｄに位相差０で同期して出力される信号との位相差Ｔｄが、光の飛行時間であり、これは距離画像センサＲＳから対象物ＯＪまでの距離ｄを示している。距離ｄは、演算部ＡＲＴにより、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおける電荷量ｑ_１の合計電荷量Ｑ_１、及び電荷量ｑ_２の合計電荷量Ｑ_２の比率を用いて、下記の式（１）により演算される。なお、ｃは光速である。

【0063】

距離ｄ＝（ｃ／２）×（Ｔ_Ｐ×Ｑ_２／（Ｑ_１＋Ｑ_２））・・・（１）

【0064】

つまり、演算部ＡＲＴは、フレーム周期Ｔ_Ｆ毎に、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１，ｑ_２それぞれ読み出し、読み出した電荷量ｑ_１，ｑ_２に基づいて対象物ＯＪまでの距離ｄを演算する。演算部ＡＲＴは、この際、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおける、位相が同じとなる第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２に応じて第一電荷蓄積領域ＦＤ１と第二電荷蓄積領域ＦＤ２とに蓄積された信号電荷の合計電荷量Ｑ_１，Ｑ_２に基づいて対象物ＯＪまでの距離ｄを演算する。

【0065】

より具体的には、演算部ＡＲＴは、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおける一方のフレーム周期Ｔ_Ｆで第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１と他方のフレーム周期Ｔ_Ｆで第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１との合計電荷量Ｑ_１、及び一方のフレーム周期Ｔ_Ｆで第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_２と他方のフレーム周期Ｔ_Ｆで第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_２との合計電荷量Ｑ_２に基づいて対象物ＯＪまでの距離ｄを演算する。

【0066】

このように、距離ｄの演算に用いる合計電荷量Ｑ_１，Ｑ_２はいずれも、第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１，ｑ_２と、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１，ｑ_２との和である。したがって、上述したように、電荷の漏れ込みにより、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれに蓄積される電荷量が距離センサＰ_ｎと距離センサＰ_ｎ＋１とで異なる場合であっても、電荷の漏れ込みによる影響は合計電荷量Ｑ_１，Ｑ_２にバランスよく分配される。

【0067】

この結果、一次元方向Ａで隣り合う距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる。したがって、距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１において、第一転送電極ＴＸ１によって第一電荷蓄積領域ＦＤ１に振り分けられる電荷量と、第二転送電極ＴＸ２によって第二電荷蓄積領域ＦＤ２に振り分けられる電荷量との比が同じとなる場合、すなわち、測定される距離が、距離センサＰ_ｎと距離センサＰ_ｎ＋１とで同等であるべき場合において、距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１における電荷の漏れ込みに起因した測定距離の異なりを低減することが可能となる。

【0068】

距離ｄの演算は、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおいて第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量に基づいて行われる。当該距離ｄの演算の次の距離ｄの演算は、先の距離ｄの演算に用いられた電荷量を得た二つのフレーム周期Ｔ_Ｆの後に続き且つ時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおいて第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量に基づいて行ってもよい。上記次の距離ｄの演算は、先の距離ｄの演算に用いられた電荷量を得た二つのフレーム周期Ｔ_Ｆのうち後のフレーム周期Ｔ_Ｆと、当該フレーム周期Ｔ_Ｆに時系列で連続する一つのフレーム周期Ｔ_Ｆと、において第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量に基づいて行ってもよい。

【0069】

図８は、従来の測距装置における各種信号のタイミングチャートである。

【0070】

従来の測距装置は、制御部ＣＯＮＴが、フレーム周期Ｔ_Ｆ毎に、第一パルス転送信号Ｓ_１と第二パルス転送信号Ｓ_２との時系列での順序を交互に入れ替えることなく、第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２を出力する点、及び、演算部ＡＲＴが、一つのフレーム周期Ｔ_Ｆで第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１と第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_２とに基づいて対象物ＯＪまでの距離ｄを演算する点以外は、本実施形態に係る測距装置１０と同様の構成を備えている。すなわち、従来の測距装置では、距離ｄは一つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおける電荷量ｑ_１，ｑ_２の比率を用いて、下記の式（２）により演算される。

【0071】

距離ｄ＝（ｃ／２）×（Ｔ_Ｐ×ｑ_２／（ｑ_１＋ｑ_２））・・・（２）

【0072】

従来の測距装置では、強度信号Ｓ_Ｌｒと、駆動信号Ｓ_Ｄに位相差０で同期して出力される信号との重なり合った部分に相当する電荷量ｑ_１は、第一電荷蓄積領域ＦＤ１のみに蓄積された信号電荷量である。一方、強度信号Ｓ_Ｌｒと、駆動信号Ｓ_Ｄに位相差１８０度で同期して出力される信号との重なり合った部分に相当する電荷量ｑ_２は、第二電荷蓄積領域ＦＤ２のみに蓄積された信号電荷量である。したがって、上述したように、電荷の漏れ込みにより、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれに蓄積される電荷量が距離センサＰ_ｎと距離センサＰ_ｎ＋１とで異なる場合、電荷の漏れ込みによる影響は電荷量ｑ_１，ｑ_２間でアンバランスとなる。

【0073】

この結果、距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１において、第一転送電極ＴＸ１によって第一電荷蓄積領域ＦＤ１に振り分けられる電荷量と、第二転送電極ＴＸ２によって第二電荷蓄積領域ＦＤ２に振り分けられる電荷量との比が同じとなり、測定される距離が、距離センサＰ_ｎと距離センサＰ_ｎ＋１とで同等であるべき場合であっても、距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１における電荷の漏れ込みに起因して測定距離が異なり得る。

【0074】

以上説明したように、本実施形態に係る測距装置１０及び測距装置１０の駆動方法では、フレーム周期Ｔ_Ｆ毎に、光源ＬＳからパルス光Ｌｐが出射され、対象物ＯＪでのパルス光Ｌｐの反射光Ｌｒが距離画像センサＲＳに入射する。距離画像センサＲＳでは、電荷発生領域と、一次元方向Ａで電荷発生領域を挟んで配置される第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２と、を有する複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎが一次元方向Ａに配置されている。反射光Ｌｒが入射した距離センサＰ_ｎでは、反射光Ｌｒに応じて電荷が電荷発生領域に発生する。発生した電荷は、フレーム周期Ｔ_Ｆ毎に、第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２に応じて第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に信号電荷として蓄積される。第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２は、位相が互いに異なり、且つ、フレーム周期Ｔ_Ｆ毎に時系列での順序を交互に入れ替えて出力される。このため、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおいて、一方のフレーム周期Ｔ_Ｆでは、第一電荷蓄積領域ＦＤ１に信号電荷が蓄積された後に、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に信号電荷が蓄積され、他方のフレーム周期Ｔ_Ｆでは、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に信号電荷が蓄積された後に、第一電荷蓄積領域ＦＤ１に信号電荷が蓄積される。対象物ＯＪまでの距離ｄは、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおける、位相が同じとなる第一及び第二パルス転送信号Ｓ_１，Ｓ_２に応じて第一電荷蓄積領域ＦＤ１と第二電荷蓄積領域ＦＤ２とに蓄積された信号電荷の合計電荷量Ｑ_１，Ｑ_２に基づいて演算される。これらの合計電荷量Ｑ_１，Ｑ_２が対象物ＯＪまでの距離ｄの演算に用いられるので、他の距離センサから第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に漏れ込む電荷量が互いに異なる場合でも、電荷の漏れ込みによる影響が一方の位相のパルス転送信号に応じた合計電荷量Ｑ_１と、他方の位相のパルス転送信号に応じた合計電荷量Ｑ_２とにバランスよく分配される。この結果、一次元方向Ａで隣り合う距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となるので、測定距離が同等であるべき二つの距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１において、測定距離の異なりを低減することができる。

【0075】

具体的には、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆにおける一方のフレーム周期Ｔ_Ｆで第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１と他方のフレーム周期Ｔ_Ｆで第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１との合計電荷量Ｑ_１、及び一方のフレーム周期Ｔ_Ｆで第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_２と他方のフレーム周期Ｔ_Ｆで第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_２との合計電荷量Ｑ_２に基づいて対象物ＯＪまでの距離ｄが演算される。合計電荷量Ｑ_１，Ｑ_２はいずれも、第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１，ｑ_２と、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷の電荷量ｑ_１，ｑ_２との和である。したがって、電荷の漏れ込みにより、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれに蓄積される電荷量が距離センサＰ_ｎと距離センサＰ_ｎ＋１とで異なる場合であっても、電荷の漏れ込みによる影響は合計電荷量Ｑ_１，Ｑ_２にバランスよく分配される。この結果、測定される距離が、距離センサＰ_ｎと距離センサＰ_ｎ＋１とで同等であるべき場合において、距離センサＰ_ｎ,Ｐ_ｎ＋１における電荷の漏れ込みに起因した測定距離の異なりを低減することが可能となる。

【0076】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれは、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２及び第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を１つずつ備えるが、２つずつ以上備えてもよい。

【0077】

複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれは、電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として収集する不要電荷収集領域と、不要電荷収集領域と電荷発生領域との間に配置され、第一及び第二パルス転送信号と位相が異なる第三パルス転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として不要電荷収集領域に流入させる第三転送電極を更に備えてもよい。この場合、不要電荷を外部に排出することができるので、距離の測定精度を向上させることが可能である。なお、不要電荷収集領域及び第三転送電極は、それぞれ複数であってもよい。

【0078】

各フレーム周期Ｔ_Ｆにおいて、複数の駆動信号Ｓ_Ｄが逐次印加され、これに同期して第一パルス転送信号Ｓ_１、及び第二パルス転送信号Ｓ_２が逐次出力されてもよい。この場合、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に信号電荷が積算して蓄積される。

【0079】

距離画像センサＲＳは、複数の距離センサＰ_１〜Ｐ_Ｎそれぞれが一次元に配置されたラインセンサであるが、二次元に配置してもよい。この場合、二次元画像を容易に得ることができる。なお、ラインセンサを回転させたり、ラインセンサ２つ用いて走査させたりすることによっても二次元画像を得ることができる。

【0080】

距離画像センサＲＳは、表面入射型の距離画像センサに限られない。距離画像センサＲＳは、裏面照射型の距離画像センサであってもよい。

【0081】

入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域をフォトダイオード（たとえば、埋め込み型のフォトダイオードなど）により構成してもよい。

【0082】

本実施形態に係る距離画像センサＲＳにおけるｐ型およびｎ型の各導電型は、上述したものとは逆になるように入れ替えられていてもよい。

【符号の説明】

【0083】

１０…測距装置、Ａ…一次元方向、ＦＤ１…第一電荷蓄積領域、ＦＤ２…第二電荷蓄積領域、Ｐ_１〜Ｐ_Ｎ…距離センサ、ＰＧ…フォトゲート電極、ＲＳ…距離画像センサ、Ｓ_１…第一パルス転送信号、Ｓ_２…第二パルス転送信号、ＴＸ１…第一転送電極、ＴＸ２…第二転送電極、ＬＳ…光源、ＤＲＶ…駆動部、ＡＲＴ…演算部、ＯＪ…対象物、Ｌｐ…パルス光、Ｌｒ…反射光、Ｔ_Ｆ…フレーム周期、ｑ_１，ｑ_２…電荷量、Ｑ_１，Ｑ_２…合計電荷量、ｄ…距離。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】