特許 6953595 距離画像取得装置及び距離画像取得方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6953595

(24)【登録日】2021年10月1日

(45)【発行日】2021年10月27日

(54)【発明の名称】距離画像取得装置及び距離画像取得方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/4863 20200101AFI20211018BHJP

   G01S 17/18 20200101ALI20211018BHJP

   G01S 17/894 20200101ALI20211018BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20211018BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/4863

   G01S17/18

   G01S17/894

   G01C3/06 120Q

【請求項の数】9

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2020-151136(P2020-151136)

(22)【出願日】2020年9月9日

【審査請求日】2021年8月23日

【早期審査対象出願】

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100177910

【弁理士】

【氏名又は名称】木津 正晴

(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】 藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０４５０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０２０／０５０３６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１９／１８１５１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１７−２０１２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１８／０３３８１２７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／４８− ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００−１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／０６

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ５／３７４−５／３７４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定光を出射する光源と、
電荷発生領域と、電荷蓄積領域と、前記電荷発生領域と前記電荷蓄積領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、を有し、前記光源から出射されて対象物で反射された前記測定光の入射に応じて前記電荷発生領域において発生した電荷を前記転送ゲート電極を用いて前記電荷蓄積領域に転送することにより前記測定光を検出する測距センサと、
前記測距センサを制御し、前記測距センサの検出結果に基づいて前記対象物の距離画像を生成する制御部と、を備え、
前記電荷発生領域は、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を含み、
前記制御部は、
測定対象の全距離範囲を複数の区間に分割し、
前記光源による前記測定光の出射タイミングと前記転送ゲート電極による前記電荷の転送タイミングとの間の時間差を前記複数の区間の間で異ならせながら前記複数の区間についての測定を実施するように、前記測距センサを制御し、
前記複数の区間についての前記測定の結果に基づいて、前記全距離範囲の前記距離画像を生成する、距離画像取得装置。

【請求項2】

前記複数の区間は、第１区間と、前記第１区間よりも前記光源から遠い第２区間と、を含み、
前記制御部は、前記第１区間についての測定では、前記第２区間についての測定の場合よりも高い読出頻度で前記電荷蓄積領域に蓄積された前記電荷が読み出されるように、前記測距センサを制御する、請求項１に記載の距離画像取得装置。

【請求項3】

前記複数の区間は、第１区間と、前記第１区間よりも前記光源から遠い第２区間と、を含み、
前記制御部は、前記第１区間についての測定では、前記第２区間についての測定の場合よりも低い転送頻度で前記電荷蓄積領域に電荷が転送されるように、前記測距センサを制御する、請求項１又は２に記載の距離画像取得装置。

【請求項4】

前記電荷蓄積領域は、一対の電荷蓄積領域を含み、
前記転送ゲート電極は、前記電荷発生領域と前記一対の電荷蓄積領域との間の領域上にそれぞれ配置された一対の転送ゲート電極を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離画像取得装置。

【請求項5】

前記測距センサは、前記電荷蓄積領域として１つの領域のみを有すると共に、前記転送ゲート電極として１つの電極のみを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離画像取得装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記出射タイミングを固定して、前記転送タイミングを前記出射タイミングからずらすことにより、前記出射タイミングと前記転送タイミングとの間の前記時間差を前記複数の区間の間で異ならせる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離画像取得装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記転送タイミングを固定して、前記出射タイミングを前記転送タイミングからずらすことにより、前記出射タイミングと前記転送タイミングとの間の前記時間差を前記複数の区間の間で異ならせる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離画像取得装置。

【請求項8】

前記複数の区間についての前記測定における電荷蓄積時間は、互いに等しい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離画像取得装置。

【請求項9】

対象物の距離画像を取得する距離画像取得方法であって、
測定光を出射する光源と、
電荷発生領域と、電荷蓄積領域と、前記電荷発生領域と前記電荷蓄積領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、を有し、前記光源から出射されて前記対象物で反射された前記測定光の入射に応じて前記電荷発生領域において発生した電荷を前記転送ゲート電極を用いて前記電荷蓄積領域に転送することにより前記測定光を検出する測距センサであって、前記電荷発生領域が、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を含む、前記測距センサと、を用い、
測定対象の全距離範囲を複数の区間に分割し、
前記光源による前記測定光の出射タイミングと前記転送ゲート電極による前記電荷の転送タイミングとの間の時間差を前記複数の区間の間で異ならせながら、前記複数の区間についての測定を実施し、
前記複数の区間についての前記測定の結果に基づいて、前記全距離範囲の前記距離画像を生成する、距離画像取得方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、距離画像取得装置及び距離画像取得方法に関する。

【背景技術】

【0002】

間接ＴＯＦ（Time of Flight）方式を利用して対象物の距離画像を取得するための測距センサとして、光感応領域が設けられた半導体層と、半導体層上に画素ごとに設けられたフォトゲート電極及び転送ゲート電極と、を備えるものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。このような測距センサによれば、光の入射によって光感応領域で発生した電荷を高速で転送することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−１３３４６４号公報

【特許文献2】特開２０１３−２０６９０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したような測距センサでは、対象物で反射されて測距センサに戻る光の量が対象物までの距離の増加に従って減少することから、測定距離を伸ばすことには限界がある。また、測定距離を伸ばすためには測定光のパルス幅を広くする必要があるが、パルス幅を広くすると距離精度が劣化してしまう。

【0005】

本発明は、測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる距離画像取得装置及び距離画像取得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】

【0006】

本発明の距離画像取得装置は、測定光を出射する光源と、電荷発生領域と、電荷蓄積領域と、電荷発生領域と電荷蓄積領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、を有し、光源から出射されて対象物で反射された測定光の入射に応じて電荷発生領域において発生した電荷を転送ゲート電極を用いて電荷蓄積領域に転送することにより測定光を検出する測距センサと、測距センサを制御し、測距センサの検出結果に基づいて対象物の距離画像を生成する制御部と、を備え、電荷発生領域は、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を含み、制御部は、測定対象の全距離範囲を複数の区間に分割し、光源による測定光の出射タイミングと転送ゲート電極による電荷の転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせながら複数の区間についての測定を実施するように、測距センサを制御し、複数の区間についての測定の結果に基づいて、全距離範囲の距離画像を生成する。

【0007】

この距離画像取得装置では、電荷発生領域が、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を含んでいる。これにより、測距センサの感度を高めることができ、その結果、測定距離を伸ばすことが可能となる。一方、上述したとおり、一般に、測定距離を伸ばすためには測定光のパルス幅を広くする必要があり、パルス幅を広くすると距離精度が劣化してしまう。この点、この距離画像取得装置では、測定対象の全距離範囲が複数の区間に分割され、光源による測定光の出射タイミングと転送ゲート電極による電荷の転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせながら複数の区間についての測定が実施され、複数の区間についての測定の結果に基づいて全距離範囲の距離画像が生成される。これにより、測定距離が長い場合でも、測定光のパルス幅が広くなるのを抑制することができ、距離精度を確保することができる。また、単に複数の区間への分割を行った場合、電荷蓄積時間（露光時間）が減少して電荷蓄積量が不足するおそれがあるが、この距離画像取得装置では、電荷発生領域がアバランシェ増倍領域を含んでいるため、電荷蓄積量が不足するのを抑制することができる。そのため、電荷蓄積量の不足を補うために電荷蓄積時間を長くする必要が生じ難い。更に、複数の区間への分割を行うことで、測距センサと対象物との間に透明体又は半透明体等が存在することに起因する測定精度の低下を抑制することもできる（マルチエコー）。以上により、この距離画像取得装置によれば、測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる。

【0008】

複数の区間は、第１区間と、第１区間よりも光源から遠い第２区間と、を含み、制御部は、第１区間についての測定では、第２区間についての測定の場合よりも高い読出頻度で電荷蓄積領域に蓄積された電荷が読み出されるように、測距センサを制御してもよい。この場合、第２区間よりも光源に近い第１区間についての測定の際に電荷発生領域が飽和してしまうのを抑制することができる。このような飽和の抑制は、電荷発生領域がアバランシェ増倍領域を含む場合に特に有効である。

【0009】

複数の区間は、第１区間と、第１区間よりも光源から遠い第２区間と、を含み、制御部は、第１区間についての測定では、第２区間についての測定の場合よりも低い転送頻度で電荷蓄積領域に電荷が転送されるように、測距センサを制御してもよい。この場合、第２区間よりも光源に近い第１区間についての測定の際に電荷発生領域が飽和してしまうのを抑制することができる。

【0010】

電荷蓄積領域は、一対の電荷蓄積領域を含み、転送ゲート電極は、電荷発生領域と一対の電荷蓄積領域との間の領域上にそれぞれ配置された一対の転送ゲート電極を含んでいてもよい。このような構成においても、測定対象の全距離範囲を複数の区間に分割し、光源による測定光の出射タイミングと転送ゲート電極による電荷の転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせながら複数の区間についての測定を実施することができる。

【0011】

測距センサは、電荷蓄積領域として１つの領域のみを有すると共に、転送ゲート電極として１つの電極のみを有していてもよい。このような構成においても、測定対象の全距離範囲を複数の区間に分割し、光源による測定光の出射タイミングと転送ゲート電極による電荷の転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせながら複数の区間についての測定を実施することができる。

【0012】

制御部は、出射タイミングを固定して、転送タイミングを出射タイミングからずらすことにより、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせてもよい。この場合、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせることができる。

【0013】

制御部は、転送タイミングを固定して、出射タイミングを転送タイミングからずらすことにより、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせてもよい。この場合、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせることができる。

【0014】

複数の区間についての測定における電荷蓄積時間は、互いに等しくてもよい。この場合、例えば、光源から遠く電荷蓄積量が不足し易い区間についての測定における電荷蓄積時間を長くする場合と比べて、距離画像の取得を高速化することができる。

【0015】

本発明の距離画像取得方法は、対象物の距離画像を取得する距離画像取得方法であって、測定光を出射する光源と、電荷発生領域と、電荷蓄積領域と、電荷発生領域と電荷蓄積領域との間の領域上に配置された転送ゲート電極と、を有し、光源から出射されて対象物で反射された測定光の入射に応じて電荷発生領域において発生した電荷を転送ゲート電極を用いて電荷蓄積領域に転送することにより測定光を検出する測距センサであって、電荷発生領域が、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を含む、測距センサと、を用い、測定対象の全距離範囲を複数の区間に分割し、光源による測定光の出射タイミングと転送ゲート電極による電荷の転送タイミングとの間の時間差を複数の区間の間で異ならせながら、複数の区間についての測定を実施し、複数の区間についての測定の結果に基づいて、全距離範囲の距離画像を生成する。

【0016】

この距離画像取得方法では、上述した理由により、測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる距離画像取得装置及び距離画像取得方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態の距離画像取得装置の構成図である。

【図2】測距センサの画素部の平面図である。

【図3】図２のIII−III線に沿っての断面図である。

【図4】図２のIV−IV線に沿っての断面図である。

【図5】実施形態の距離画像取得方法を説明するためのタイミングチャートである。

【図6】実施形態の距離画像取得方法を説明するためのタイミングチャートである。

【図7】第１変形例の測距センサの画素部の平面図である。

【図8】図７のVIII−VIII線に沿っての断面図である。

【図9】第１変形例の距離画像取得方法を説明するためのタイミングチャートである。

【図10】第２変形例の距離画像取得方法を説明するためのタイミングチャートである。

【図11】第３変形例の距離画像取得方法を説明するため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】

【0019】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［距離画像取得装置］

【0020】

図１に示されるように、距離画像取得装置１は、光源２と、測距センサ１０と、信号処理部３と、制御部４と、表示部５と、を備えている。距離画像取得装置１は、間接ＴＯＦ方式を利用して対象物ＯＪの距離画像を取得する装置である。距離画像は、対象物ＯＪまでの距離ｄに関する情報を含む画像である。

【0021】

光源２は、パルス光（測定光）Ｌを出射する。光源２は、例えば赤外ＬＥＤ等を含んでいる。パルス光Ｌは、例えば近赤外光であり、パルス光Ｌの周波数は、例えば１０ｋＨｚ以上である。測距センサ１０は、光源２から出射されて対象物ＯＪで反射されたパルス光Ｌを検出する。測距センサ１０は、画素部１１及びＣＭＯＳ読出し回路部１２が半導体基板（例えばシリコン基板）にモノリシックに形成されることにより構成されている。測距センサ１０は、信号処理部３上に実装されている。

【0022】

信号処理部３は、測距センサ１０の画素部１１及びＣＭＯＳ読出し回路部１２を制御する。信号処理部３は、測距センサ１０から出力された信号に所定の処理を施して検出信号を生成する。制御部４は、光源２及び信号処理部３を制御する。制御部４は、信号処理部３から出力された検出信号に基づいて対象物ＯＪの距離画像を生成する。表示部５は、制御部４によって生成された対象物ＯＪの距離画像を表示する。
［測距センサ］

【0023】

図２、図３及び図４に示されるように、測距センサ１０は、画素部１１において、半導体層２０と、電極層４０と、を備えている。半導体層２０は、第１表面２０ａ及び第２表面２０ｂを有している。第１表面２０ａは、半導体層２０の厚さ方向における一方側の表面である。第２表面２０ｂは、半導体層２０の厚さ方向における他方側の表面である。電極層４０は、第１表面２０ａ上に設けられている。

【0024】

半導体層２０及び電極層４０は、第１表面２０ａに沿って配置された複数の画素１１ａを構成している。複数の画素１１ａは、例えば、第１表面２０ａに沿って２次元に配列されている。これらの画素１１ａにより距離画像が構成される。距離画像においては、各画素１１ａが対象物ＯＪまでの距離ｄに関する情報を含む。以下、半導体層２０の厚さ方向をＺ方向といい、Ｚ方向に垂直な一方向をＸ方向といい、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に垂直な方向をＹ方向という。Ｚ方向における一方側を第１側といい、Ｚ方向における他方側（第１側とは反対側）を第２側という。図２では、後述する配線層６０の図示が省略されている。

【0025】

各画素１１ａは、半導体層２０において、半導体領域２１と、アバランシェ増倍領域２２と、電荷振分領域２３と、一対の電荷蓄積領域２４，２５と、一対の電荷排出領域２６，２７と、複数の電荷阻止領域２８と、ウェル領域３１と、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）領域３３と、バリア領域３４と、一対のシンク領域３５と、を有している。各領域２１〜２８，３１〜３５は、半導体基板（例えばシリコン基板）に対して各種処理（例えば、エッチング、成膜、不純物注入等）を実施することにより形成される。

【0026】

半導体領域２１は、ｐ型（第１導電型）の領域であり、半導体層２０において第２表面２０ｂに沿って設けられている。一例として、半導体領域２１は、１×１０^１５ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有するｐ型の領域であり、その厚さは、１０μｍ程度である。

【0027】

アバランシェ増倍領域２２は、第１増倍領域２２ａ及び第２増倍領域２２ｂを含んでいる。第１増倍領域２２ａは、ｐ型の領域であり、半導体層２０において半導体領域２１の第１側に形成されている。一例として、第１増倍領域２２ａは、１×１０^１６ｃｍ^−３以上のキャリア濃度を有するｐ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。第２増倍領域２２ｂは、ｎ型（第２導電型）の領域であり、半導体層２０において第１増倍領域２２ａの第１側に形成されている。一例として、第２増倍領域２２ｂは、１×１０^１６ｃｍ^−３以上のキャリア濃度を有するｎ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。第１増倍領域２２ａ及び第２増倍領域２２ｂは、ｐｎ接合を形成している。

【0028】

電荷振分領域２３は、ｎ型の領域であり、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。一例として、電荷振分領域２３は、５×１０^１５〜１×１０^１６ｃｍ^−３のキャリア濃度を有するｎ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。

【0029】

各電荷蓄積領域２４，２５は、ｎ型の領域であり、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。各電荷蓄積領域２４，２５は、電荷振分領域２３と接続されている。一対の電荷蓄積領域２４，２５は、電荷振分領域２３における第１側の部分を挟んで、Ｘ方向において向かい合っている。一例として、各電荷蓄積領域２４，２５は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上のキャリア濃度を有するｎ型の領域であり、その厚さは、０．２μｍ程度である。電荷振分領域２３における第２側の部分は、各電荷蓄積領域２４，２５と第２増倍領域２２ｂとの間に入り込んでいる。

【0030】

各電荷排出領域２６，２７は、ｎ型の領域であり、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。各電荷排出領域２６，２７は、電荷振分領域２３と接続されている。一対の電荷排出領域２６，２７は、電荷振分領域２３における第１側の部分を挟んで、Ｙ方向において向かい合っている。一例として、各電荷排出領域２６，２７は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上のキャリア濃度を有するｎ型の領域であり、その厚さは、０．２μｍ程度である。電荷振分領域２３における第２側の部分は、各電荷排出領域２６，２７と第２増倍領域２２ｂとの間に入り込んでいる。

【0031】

各電荷阻止領域２８は、ｐ型の領域であり、半導体層２０において各電荷蓄積領域２４，２５と電荷振分領域２３（電荷振分領域２３における第２側の部分）との間に形成されている。一例として、各電荷阻止領域２８は、１×１０^１７〜１×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア濃度を有するｐ型の領域であり、その厚さは、０．２μｍ程度である。

【0032】

ウェル領域３１は、ｐ型の領域であり、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂの第１側に形成されている。ウェル領域３１は、Ｚ方向から見た場合に電荷振分領域２３を包囲している。ＬＯＣＯＳ領域３３は、半導体層２０においてウェル領域３１の第１側に形成されている。ＬＯＣＯＳ領域３３は、ウェル領域３１と接続されている。ウェル領域３１は、ＬＯＣＯＳ領域３３と共に複数の読出し回路（例えば、ソースフォロワアンプ、リセットトランジスタ等）を構成している。複数の読出し回路は、それぞれ、電荷蓄積領域２４，２５と電気的に接続されている。一例として、ウェル領域３１は、１×１０^１６〜５×１０^１７ｃｍ^−３のキャリア濃度を有するｐ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。画素部と読出し回路部とを電気的に分離するための構造としては、ＬＯＣＯＳ領域３３に代えて、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）が用いられてもよいし、或いは、ウェル領域３１のみが用いられてもよい。

【0033】

バリア領域３４は、ｎ型の領域であり、半導体層２０において第２増倍領域２２ｂとウェル領域３１との間に形成されている。バリア領域３４は、Ｚ方向から見た場合にウェル領域３１を含んでいる。すなわち、ウェル領域３１は、Ｚ方向から見た場合にバリア領域３４内に位置している。バリア領域３４は、電荷振分領域２３を包囲している。バリア領域３４のｎ型不純物の濃度は、第２増倍領域２２ｂのｎ型不純物の濃度よりも高い。一例として、バリア領域３４は、第２増倍領域２２ｂのキャリア濃度から第２増倍領域２２ｂのキャリア濃度の２倍程度までのキャリア濃度を有するｎ型の領域であり、その厚さは、１μｍ程度である。

【0034】

各シンク領域３５は、ｎ型の領域であり、半導体層２０においてバリア領域３４の第１側に形成されている。各シンク領域３５における第２側の端部は、バリア領域３４と接続されている。各シンク領域３５における第１側の端部は、各電荷排出領域２６，２７と接続されている。各電荷排出領域２６，２７のｎ型不純物の濃度は、各シンク領域３５のｎ型不純物の濃度よりも高く、各シンク領域３５のｎ型不純物の濃度は、バリア領域３４のｎ型不純物の濃度及びウェル領域３１のｐ型不純物の濃度よりも高い。一例として、各シンク領域３５は、ウェル領域３１のキャリア濃度以上のキャリア濃度を有するｎ型の領域であり、その厚さは、各電荷排出領域２６，２７とバリア領域３４との間の距離に依存する。

【0035】

各画素１１ａは、電極層４０において、フォトゲート電極４１と、一対の第１転送ゲート電極４２，４３と、一対の第２転送ゲート電極４４，４５と、有している。各ゲート電極４１〜４５は、絶縁膜４６を介して半導体層２０の第１表面２０ａ上に形成されている。絶縁膜４６は、例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等である。

【0036】

フォトゲート電極４１は、電極層４０において電荷振分領域２３の第１側に形成されている。フォトゲート電極４１は、導電性及び光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。一例として、フォトゲート電極４１は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向において向かい合う２辺、及びＹ方向において向かい合う２辺を有する矩形状を呈している。

【0037】

半導体領域２１、アバランシェ増倍領域２２及び電荷振分領域２３のうち、フォトゲート電極４１の直下の領域（Ｚ方向から見た場合にフォトゲート電極４１と重なる領域）は、入射光に応じて電荷を発生させる電荷発生領域（光吸収領域、光電変換領域）３６として機能する。換言すれば、フォトゲート電極４１は、電荷発生領域３６上に配置されている。電荷発生領域３６においては、半導体領域２１において発生した電荷が、アバランシェ増倍領域２２において増倍され、電荷振分領域２３において振り分けられる。

【0038】

第１転送ゲート電極４２は、電荷振分領域２３における電荷発生領域３６と電荷蓄積領域２４との間の領域上に配置されている。第１転送ゲート電極４３は、電荷振分領域２３における電荷発生領域３６と電荷蓄積領域２５との間の領域上に配置されている。各第１転送ゲート電極４２，４３は、導電性及び光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。一例として、各第１転送ゲート電極４２，４３は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向において向かい合う２辺、及びＹ方向において向かい合う２辺を有する矩形状を呈している。

【0039】

第２転送ゲート電極４４は、電荷振分領域２３における電荷発生領域３６と電荷排出領域２６との間の領域上に配置されている。第２転送ゲート電極４５は、電荷振分領域２３における電荷発生領域３６と電荷排出領域２７との間の領域上に配置されている。各第２転送ゲート電極４４，４５は、導電性及び光透過性を有する材料（例えばポリシリコン）によって形成されている。一例として、各第２転送ゲート電極４４，４５は、Ｚ方向から見た場合に、Ｘ方向において向かい合う２辺、及びＹ方向において向かい合う２辺を有する矩形状を呈している。

【0040】

測距センサ１０は、画素部１１において、対向電極５０と、配線層６０と、を更に備えている。対向電極５０は、半導体層２０の第２表面２０ｂ上に設けられている。対向電極５０は、Ｚ方向から見た場合に複数の画素１１ａを含んでいる。対向電極５０は、Ｚ方向において電極層４０と向かい合っている。対向電極５０は、例えば金属材料によって形成されている。配線層６０は、電極層４０を覆うように半導体層２０の第１表面２０ａに設けられている。配線層６０は、各画素１１ａ及びＣＭＯＳ読出し回路部１２（図１参照）と電気的に接続されている。配線層６０のうち各画素１１ａのフォトゲート電極４１と向かい合う部分には、光入射開口６０ａが形成されている。

【0041】

半導体層２０には、各画素１１ａを互いに分離するようにトレンチ２９が形成されている。トレンチ２９は、半導体層２０の第１表面２０ａに形成されている。トレンチ２９の底面２９ａは、アバランシェ増倍領域２２に対して第２側に位置している。すなわち、トレンチ２９は、アバランシェ増倍領域２２を完全に分離している。トレンチ２９内には、シリコン酸化物等の絶縁材料４７が配置されている。絶縁材料４７の代わりに、タングステン等の金属材料、ポリシリコン等がトレンチ２９内に配置されていてもよい。

【0042】

各画素１１ａにおいて、アバランシェ増倍領域２２は、トレンチ２９に至っている。アバランシェ増倍領域２２は、アバランシェ増倍を引き起こす領域である。各画素１１ａでは、所定値の逆方向バイアスが印加された場合に３×１０^５〜４×１０^５Ｖ／ｃｍの電界強度を発生し得るアバランシェ増倍領域２２が、トレンチ２９によって包囲された領域全体に広がっている。
［距離画像取得方法］

【0043】

距離画像取得装置１の動作例（距離画像取得方法）を説明する。以下の動作は、制御部４が各部の駆動を制御することにより実現される。まず、測距センサ１０によるパルス光Ｌの検出方法について説明する。

【0044】

測距センサ１０の各画素１１ａにおいては、フォトゲート電極４１の電位を基準として負の電圧（例えば−５０Ｖ）が対向電極５０に印加される。すなわち、アバランシェ増倍領域２２に形成されたｐｎ接合に逆方向バイアスが印加される。これにより、アバランシェ増倍領域２２に３×１０^５〜４×１０^５Ｖ／ｃｍの電界強度が発生する。この状態で、光入射開口６０ａ及びフォトゲート電極４１を介して半導体層２０にパルス光Ｌが入射すると、パルス光Ｌの吸収によって発生した電荷（電子）が、アバランシェ増倍領域２２で増倍されて電荷振分領域２３に高速で移動する。

【0045】

各画素１１ａの第１転送ゲート電極４２，４３には、パルス電圧信号（後述する電圧信号ＴＸ１，ＴＸ２）が印加される。第１転送ゲート電極４２，４３に印加されるパルス電圧信号は、例えば、フォトゲート電極４１の電位を基準として正の電圧（オン）及び負の電圧（オフ）が交互に繰り返される電圧信号である。第１転送ゲート電極４２に正の電圧が印加されている期間には、電荷が電荷振分領域２３から電荷蓄積領域２４に高速で転送され、第１転送ゲート電極４３に正の電圧が印加されている期間には、電荷が電荷振分領域２３から電荷蓄積領域２５に高速で転送される。

【0046】

第１転送ゲート電極４２，４３に印加されるパルス電圧信号は、後述するように、互いに異なるタイミングでオンとなるように設定されている。これにより、電荷振分領域２３に移動した電荷は、パルス電圧信号に応じた転送タイミングで電荷蓄積領域２４，２５に転送されて振り分けられる。所定期間の転送によって電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷は、ウェル領域３１等によって構成された読出し回路、及び配線層６０を介して、信号としてＣＭＯＳ読出し回路部１２（図１参照）に転送されて読み出される。電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷の量は、第１転送ゲート電極４２，４３に正の電圧が印加されている期間に電荷発生領域３６に入射したパルス光Ｌの光量（強度）に対応する。このように、測距センサ１０では、対象物ＯＪで反射されたパルス光Ｌの入射に応じて電荷発生領域３６において発生した電荷を第１転送ゲート電極４２，４３を用いて電荷蓄積領域２４，２５に転送することにより、パルス光Ｌを検出することができる。

【0047】

続いて、図５及び図６を参照しつつ、距離画像取得装置１の動作例を説明する。図５及び図６に示されるように、この距離画像取得方法では、測定対象の全距離範囲７０が複数の区間（単位距離範囲）に分割される。この例では、複数の区間は、５つの区間７１Ａ〜７１Ｅを含んでいる。区間７１Ａ〜７１Ｅの長さは、互いに等しい。一例として、全距離範囲７０は２２．５ｍであり、各区間７１Ａ〜７１Ｅの長さは４．５ｍである。区間７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄ，７１Ｅは、この順に光源から近い。すなわち、区間７１Ａは光源２から０ｍ〜４．５ｍの範囲であり、区間７１Ｂは光源２から４．５ｍ〜９ｍの範囲であり、区間７１Ｃは光源２から９ｍ〜１３．５ｍの範囲であり、区間７１Ｄは光源２から１３．５ｍ〜１８ｍの範囲であり、区間７１Ｅは光源２から１８ｍ〜２２．５ｍの範囲である。

【0048】

この距離画像取得方法では、各区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定が実施される。この例では、フレームレートは３０ｆｐｓであり、１つのデータＤＴの長さは、３３．３ｍｓである。データＤＴは、区間７１Ａ〜７１Ｅに対応する５つのサブフレームＦ１〜Ｆ５を含んでいる。すなわち、この距離画像取得方法では、全距離範囲７０に対応するフレーム（データＤＴ）が、複数のサブフレームＦ１〜Ｆ５に時分割されている。サブフレームＦ１〜Ｆ５の長さは互いに等しく、この例では６．６ｍｓである。

【0049】

各サブフレームＦ１〜Ｆ５は、第１期間Ｐ１と、第１期間Ｐ１に続く第２期間Ｐ２と、を含んでいる。第１期間Ｐ１においては、光源２からパルス光Ｌが出射され、対象物ＯＪで反射されたパルス光Ｌが測距センサ１０により検出される。第２期間Ｐ２においては、光源２からパルス光Ｌが出射されず、背景光のみが測距センサ１０により検出される。すなわち、第１期間Ｐ１においては測定光及び背景光が検出され、第２期間Ｐ２においては背景光のみが検出される。対象物ＯＪの距離画像の生成時には、第１期間Ｐ１において取得された信号と第２期間Ｐ２において取得された信号との差分が信号光とされる。第１期間Ｐ１の長さは第２期間Ｐ２の長さと等しく、この例では３．３ｍｓである。

【0050】

各サブフレームＦ１〜Ｆ５においては、光源２によるパルス光Ｌの出射タイミングと第１転送ゲート電極４２，４３による電荷の転送タイミングとの間の時間差ＴＤを区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせながら、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定が実施される。以下、各サブフレームＦ１〜Ｆ５における動作の詳細を説明する。図５及び図６には、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号ＳＬ、第１転送ゲート電極４２に印加される電圧信号ＴＸ１、及び第１転送ゲート電極４３に印加される電圧信号ＴＸ２が示されている。

【0051】

図５及び図６に示されるように、サブフレームＦ１においては、第１転送ゲート電極４２に印加される電圧信号ＴＸ１は、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号ＳＬと同一の周期、パルス幅及び位相を有している。すなわち、サブフレームＦ１では、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差ＴＤは無い（ゼロである）。第１転送ゲート電極４３に印加される電圧信号ＴＸ２は、第１転送ゲート電極４２の電圧信号ＴＸ１がオフになった直後に立ち上がってオンとなる。電圧信号ＴＸ２は、強度信号ＳＬ及び電圧信号ＴＸ１と同一の周期及びパルス幅を有している。パルス光Ｌ、電圧信号ＴＸ１，ＴＸ２のパルス幅は、例えば３０ｎｓである。電圧信号ＴＸ１，ＴＸ２の双方がオフである期間においては、第２転送ゲート電極４４，４５に正の電圧が印加されており、電荷が電荷振分領域２３から電荷排出領域２６，２７に高速で転送される。電荷排出領域２６，２７に転送された電荷は外部に排出される。

【0052】

図５には、電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷が読み出されるタイミングが符号Ｒで示されている。図５に示されるように、サブフレームＦ１では、第１期間Ｐ１及び第２期間Ｐ２の各々において、期間の始点及び終点に加えて、始点と終点との間で１回電荷が読み出される。すなわち、読出回数Ｎは３回である。

【0053】

図１に示されるように、パルス光Ｌが光源２から出射され、対象物ＯＪで反射されたパルス光Ｌが測距センサ１０で検出されると、測距センサ１０で検出されるパルス光Ｌの強度信号の位相は、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号ＳＬの位相に対して、対象物ＯＪまでの距離ｄに応じてずれることになる。したがって、サブフレームＦ１において電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷量を画素１１ａごとに取得することで、区間７１Ａについての距離画像を生成するためのデータを得ることができる。

【0054】

サブフレームＦ２においては、第１転送ゲート電極４２に印加される電圧信号ＴＸ１は、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号ＳＬから、位相が時間ＴＳだけずれている。すなわち、サブフレームＦ２では、時間差ＴＤは時間ＴＳである。時間ＴＳは区間７１Ｂに対応しており、例えば３０ｎｓである。この例では、時間ＴＳは、パルス光Ｌのパルス幅と等しい。電圧信号ＴＸ１，ＴＸ２はその他の点についてはサブフレームＦ１と同様である。図５に示されるように、サブフレームＦ２では、第１期間Ｐ１及び第２期間Ｐ２の各々において、期間の始点及び終点で２回電荷が読み出され、読出回数Ｎは２回である。サブフレームＦ２において電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷量を画素１１ａごとに取得することで、区間７１Ｂについての距離画像を生成するためのデータを得ることができる。

【0055】

サブフレームＦ３においては、第１転送ゲート電極４２に印加される電圧信号ＴＸ１は、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号ＳＬから、位相が時間ＴＳの２倍だけずれている。すなわち、サブフレームＦ３では、時間差ＴＤは時間２ＴＳである。時間２ＴＳは区間７１Ｃに対応しており、例えば６０ｎｓである。電圧信号ＴＸ１，ＴＸ２はその他の点についてはサブフレームＦ１と同様である。サブフレームＦ３の読出回数Ｎは、サブフレームＦ２と同様に２回である。サブフレームＦ３において電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷量を画素１１ａごとに取得することで、区間７１Ｃについての距離画像を生成するためのデータを得ることができる。

【0056】

サブフレームＦ４においては、第１転送ゲート電極４２に印加される電圧信号ＴＸ１は、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号ＳＬから、位相が時間ＴＳの３倍だけずれている。すなわち、サブフレームＦ４では、時間差ＴＤは時間３ＴＳである。時間３ＴＳは区間７１Ｄに対応しており、例えば９０ｎｓである。電圧信号ＴＸ１，ＴＸ２はその他の点についてはサブフレームＦ１と同様である。サブフレームＦ４の読出回数Ｎは、サブフレームＦ２と同様に２回である。サブフレームＦ４において電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷量を画素１１ａごとに取得することで、区間７１Ｄについての距離画像を生成するためのデータを得ることができる。

【0057】

サブフレームＦ５においては、第１転送ゲート電極４２に印加される電圧信号ＴＸ１は、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号ＳＬから、位相が時間ＴＳの４倍だけずれている。すなわち、サブフレームＦ５では、時間差ＴＤは時間４ＴＳである。時間４ＴＳは区間７１Ｅに対応しており、例えば１２０ｎｓである。電圧信号ＴＸ１，ＴＸ２はその他の点についてはサブフレームＦ１と同様である。サブフレームＦ４の読出回数Ｎは、サブフレームＦ２と同様に２回である。サブフレームＦ５において電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷量を画素１１ａごとに取得することで、区間７１Ｅについての距離画像を生成するためのデータを得ることができる。

【0058】

このように、光源２によるパルス光Ｌの出射タイミングと第１転送ゲート電極４２，４３による電荷の転送タイミングとの間の時間差ＴＤを区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせながら、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定が実施される。より具体的には、出射タイミングを固定して、転送タイミングを出射タイミングからずらすことにより、時間差ＴＤが区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせられる。また、区間７１Ａ（サブフレームＦ１）についての測定では、区間７１Ａよりも光源２から遠い区間７１Ｂ〜７１Ｅ（サブフレームＦ２〜Ｆ５）についての測定の場合よりも高い読出頻度（多くの読出回数Ｎ）で、電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷が読み出される。また、サブフレームＦ１〜Ｆ５における第１期間Ｐ１の長さが３．３ｍｓで互いに等しく、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定における電荷蓄積時間（露光時間）が互いに等しい。

【0059】

実施形態の距離画像取得方法では、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定結果に基づいて、全距離範囲７０の距離画像が生成される。すなわち、上述した区間７１Ａ〜７１Ｅ（サブフレームＦ１〜Ｆ５）についての測定により、区間７１Ａ〜７１Ｅの距離画像を生成するためのデータが得られる。それらのデータを合成することで、全距離範囲７０の距離画像を生成することができる。
［作用及び効果］

【0060】

以上説明したとおり、距離画像取得装置１では、電荷発生領域３６が、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域２２を含んでいる。これにより、測距センサ１０の感度を高めることができ、その結果、測定距離を伸ばすことが可能となる。一方、上述したとおり、一般に、測定距離を伸ばすためにはパルス光Ｌのパルス幅を広くする必要があり、パルス幅を広くすると距離精度が劣化してしまう。この点、距離画像取得装置１では、測定対象の全距離範囲７０が複数の区間７１Ａ〜７１Ｅに分割され、光源２によるパルス光Ｌの出射タイミングと第１転送ゲート電極４２，４３による転送タイミングとの間の時間差ＴＤを区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせながら区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定が実施され、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定の結果に基づいて全距離範囲７０の距離画像が生成される。これにより、測定距離が長い場合でも、パルス光Ｌのパルス幅が広くなるのを抑制することができ、距離精度を確保することができる。

【0061】

例えば、距離画像取得装置１とは異なり、区間７１Ａ〜７１Ｅへの分割を行わずに全距離範囲７０についての測定を行う場合、以下のとおり、パルス幅は１５０ｎｓ程度となる。すなわち、間接ＴＯＦ方式においては、下記式（１）が成り立つ。
ΔＤ＝ｃＷ／２ …（１）
ΔＤは距離精度であり、ｃは光速であり、Ｗはパルス光Ｌのパルス幅である。式（１）において距離精度ΔＤを２２．５ｍとし、光速ｃを３×１０^８ｍ／ｓとすると、パルス幅Ｗは１５０ｎｓとなる。これに対し、距離画像取得装置１では、上述したとおり、パルス光Ｌのパルス幅Ｗは３０ｎｓであり、距離精度ΔＤは４．５ｍである。すなわち、区間７１Ａ〜７１Ｅへの分割を行わない場合と比べて、距離精度ΔＤが１／５（３０ｎｓ／１５０ｎｓ）に向上する。このように、距離画像取得装置１では、測距レンジを時分割して距離データを取得することで、長距離化を図りつつ距離精度を向上することができる。なお、実際には、上記式（１）の右辺にはＮ／Ｓ比が更に乗算され得る。

【0062】

また、単に区間７１Ａ〜７１Ｅへの分割を行った場合、電荷蓄積時間（露光時間）が減少して電荷蓄積量が不足するおそれがあるが、距離画像取得装置１では、電荷発生領域３６がアバランシェ増倍領域２２を含んでいるため、電荷蓄積量が不足するのを抑制することができる。そのため、電荷蓄積量の不足を補うために電荷蓄積時間を長くする必要が生じ難い。更に、区間７１Ａ〜７１Ｅへの分割を行うことで、測距センサ１０と対象物との間に透明体又は半透明体が存在することに起因する測定精度の低下を抑制することもできる（マルチエコー）。例えば、距離画像取得装置１とは異なり、区間７１Ａ〜７１Ｅへの分割を行わずに全距離範囲７０についての測定を行う場合、区間７１Ａに位置する物体までの距離と区間７１Ｅに位置する物体までの距離が平均された距離が出力されてしまい、測定精度が低下するおそれがある。これに対し、距離画像取得装置１では、区間７１Ａ〜７１Ｅへの分割を行うため、そのような測定精度の低下を抑制することができる。以上により、距離画像取得装置１によれば、測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる。

【0063】

区間７１Ａ（第１区間）についての測定では、区間７１Ａよりも光源２から遠い区間７１Ｂ〜７１Ｅ（第２区間）についての測定の場合よりも高い読出頻度（多くの読出回数Ｎ）で、電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷が読み出される。これにより、区間７１Ａについての測定の際に電荷発生領域３６が飽和してしまう信号飽和を抑制することができる。このような飽和の抑制は、電荷発生領域３６がアバランシェ増倍領域２２を含む場合に特に有効である。区間７１Ａについての測定において信号飽和が生じ易いのは、光源２から近い区間ほど、対象物ＯＪで反射されて測距センサ１０に戻るパルス光Ｌの強度が高くなるためである。

【0064】

測距センサ１０が、一対の電荷蓄積領域２４，２５と、電荷発生領域３６と一対の電荷蓄積領域２４，２５との間の領域上にそれぞれ配置された一対の第１転送ゲート電極４２，４３を有している。このような構成においても、測定対象の全距離範囲７０を複数の区間７１Ａ〜７１Ｅに分割し、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差ＴＤを区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせながら区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定を実施することができる。

【0065】

パルス光Ｌの出射タイミングを固定して、第１転送ゲート電極４２，４３による電荷の転送タイミングをパルス光Ｌの出射タイミングからずらすことにより、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差ＴＤが区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせられる。これにより、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差ＴＤを区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせることができる。

【0066】

区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定における電荷蓄積時間（露光時間）が、互いに等しい。これにより、例えば、光源２から遠く電荷蓄積量が不足し易い区間（例えば区間７１Ｅ）についての測定における電荷蓄積時間を長くする場合と比べて、距離画像の取得を高速化することができる。
［変形例］

【0067】

図７及び図８に示される第１変形例のように測距センサ１０が構成されてもよい。第１変形例の測距センサ１０は、電荷蓄積領域２４、電荷排出領域２６、第１転送ゲート電極４２及び第２転送ゲート電極４４をそれぞれ１つずつ有している。換言すれば、測距センサ１０は、電荷蓄積領域２５、電荷排出領域２７、第１転送ゲート電極４３及び第２転送ゲート電極４５を有していない。

【0068】

第１変形例の測距センサ１０の各画素１１ａにおいて、電荷蓄積領域２４は、Ｚ方向から見た場合に電荷振分領域２３の中央部に配置されている。電荷排出領域２６は、Ｚ方向から見た場合に、例えば矩形環状を呈しており、電荷振分領域２３の外縁に沿って配置されている。フォトゲート電極４１は、Ｚ方向から見た場合に、例えば矩形環状を呈しており、電荷蓄積領域２４の外側且つ電荷排出領域２６の内側に配置されている。第１転送ゲート電極４２は、Ｚ方向から見た場合に、例えば矩形環状を呈しており、電荷蓄積領域２４の外側且つフォトゲート電極４１の内側に配置されている。第２転送ゲート電極４４は、Ｚ方向から見た場合に、例えば矩形環状を呈しており、フォトゲート電極４１の外側且つ電荷排出領域２６の内側に配置されている。なお、電荷蓄積領域２４、電荷排出領域２６、フォトゲート電極４１、第１転送ゲート電極４２及び第２転送ゲート電極４４は、八角形等の任意の形状に形成されてよい。

【0069】

図９に示されるように、第１変形例の測距センサ１０を用いる場合でも、上記実施形態と同様に、光源２によるパルス光Ｌの出射タイミングと第１転送ゲート電極４２による電荷の転送タイミングとの間の時間差ＴＤを区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせながら、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定を行うことができる。

【0070】

図９では、１つのデータが６つのサブフレームＧ１〜Ｇ６に分割されている。サブフレームＧ１においては、第１転送ゲート電極４２に印加される電圧信号ＴＸ１は、光源２から出射されるパルス光Ｌの強度信号ＳＬと同一の周期、パルス幅及び位相を有している。すなわち、サブフレームＧ１では、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差ＴＤは無い（ゼロである）。電圧信号ＴＸ１がオフである期間においては、第２転送ゲート電極４４に正の電圧が印加されており、電荷が電荷振分領域２３から電荷排出領域２６に高速で転送される。電荷排出領域２６に転送された電荷は外部に排出される。

【0071】

サブフレームＧ２〜Ｇ６においては、時間差ＴＤは、それぞれ、時間ＴＳ，２ＴＳ，３ＴＳ，４ＴＳ，５ＴＳとなっている。電圧信号ＴＸ１はその他の点についてはサブフレームＧ１と同様である。

【0072】

図９に示されるように、隣り合うサブフレームＧ１，Ｇ２において取得されたデータから、上記実施形態におけるサブフレームＦ１に対応するデータを得ることができる。同様に、サブフレームＧ２，Ｇ３において取得されたデータから、上記実施形態におけるサブフレームＦ３に対応するデータを得ることができる。同様に、サブフレームＧ３〜Ｇ６において取得されたデータから、上記実施形態におけるサブフレームＦ３〜Ｆ５に対応するデータを得ることができる。したがって、サブフレームＧ１〜Ｇ６についての測定結果に基づいて、全距離範囲７０の距離画像を生成することができる。このような第１変形例によっても、上記実施形態と同様に、測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる。

【0073】

図１０に示される第２変形例のように距離画像が取得されてもよい。第２変形例では、上記実施形態とは異なり、第１転送ゲート電極４２，４３による電荷の転送タイミングを固定して、パルス光Ｌの出射タイミングを転送タイミングからずらすことにより、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差ＴＤが区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせられる。

【0074】

具体的には、図１０の例では、サブフレームＦ２〜Ｆ５においては、光源２によるパルス光Ｌの出射タイミングが、第１転送ゲート電極４２，４３による電荷の転送タイミングに対して、それぞれ、時間ＴＳ，２ＴＳ，３ＴＳ，４ＴＳだけずれている。この場合でも、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定データを合成することで、全距離範囲７０の距離画像を生成することができる。したがって、第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる。

【0075】

図１１に示される第３変形例のように、第１変形例において、第２変形例と同様に、第１転送ゲート電極４２による電荷の転送タイミングを固定して、パルス光Ｌの出射タイミングを転送タイミングからずらすことにより、出射タイミングと転送タイミングとの間の時間差ＴＤが区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせられてもよい。

【0076】

図１１の例では、サブフレームＧ２〜Ｇ６においては、光源２によるパルス光Ｌの出射タイミングが、第１転送ゲート電極４２による電荷の転送タイミングに対して、それぞれ、時間ＴＳ，２ＴＳ，３ＴＳ，４ＴＳ，５ＴＳだけずれている。この場合でも、サブフレームＧ１〜Ｇ６において取得されたデータから、上記実施形態におけるサブフレームＦ１〜Ｆ５に対応するデータを得ることができ、全距離範囲７０の距離画像を生成することができる。したがって、第３変形例によっても、上記実施形態と同様に、測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる。

【0077】

本発明は、上記実施形態及び変形例に限られない。例えば、各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。測距センサ１０において、トレンチ２９の底面２９ａがアバランシェ増倍領域２２に対して第１側に位置し、アバランシェ増倍領域２２が複数の画素１１ａに渡って繋がっていてもよい。或いは、半導体層２０にトレンチ２９が形成されず、アバランシェ増倍領域２２が複数の画素１１ａに渡って繋がっていてもよい。電荷排出領域２６，２７及び第２転送ゲート電極４４，４５は、省略されてもよい。ｐ型及びｎ型の各導電型は、上述した例に対して逆であってもよい。複数の画素１１ａは、半導体層２０の第１表面２０ａに沿って１次元に配列されたものであってもよい。測距センサ１０は、単一の画素１１ａのみを有していてもよい。

【0078】

全距離範囲７０は、２以上の任意の数の区間に分割されてもよい。複数の区間の長さは、互いに異なっていてもよい。サブフレームＦ１〜Ｆ５における第１期間Ｐ１の長さは、互いに異なっていてもよい。すなわち、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定における電荷蓄積時間は、互いに異なっていてもよい。サブフレームＦ１における読出回数Ｎは、期間の始点及び終点の２回であってもよいし、或いは４回以上であってもよい。サブフレームＦ２〜Ｆ５における読出回数Ｎは、３回以上であってもよい。

【0079】

上記実施形態では、区間７１Ａ（第１区間）についての測定では、区間７１Ａよりも光源２から遠い区間７１Ｂ〜７１Ｅ（第２区間）についての測定の場合よりも高い読出頻度で電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷が読み出され、これにより、区間７１Ａについての測定時における電荷発生領域３６の信号飽和が抑制されている。これに代えて又は加えて、区間７１Ａについての測定では、区間７１Ｂ〜７１Ｅについての測定の場合よりも低い転送頻度で電荷蓄積領域２４，２５に蓄積された電荷が転送されてもよい。例えば、上記実施形態の区間７１Ａでは、１回のパルス光Ｌの出射に対して１回の電荷転送が行われたが、２回又は４回のパルス光Ｌの出射に対して１回の電荷転送が行われてもよい。この場合でも、信号飽和を抑制することができる。この場合、区間７１Ａ〜７１Ｅにおける読出頻度は互いに同一であってもよい。

【符号の説明】

【0080】

１…距離画像取得装置、２…光源、４…制御部、１０…測距センサ、２２…アバランシェ増倍領域、２４，２５…電荷蓄積領域、３６…電荷発生領域、４２，４３…第１転送ゲート電極、７０…全距離範囲、７１Ａ…区間（第１区間）、７１Ｂ…区間（第２区間）、７１Ｃ〜７１Ｅ…区間、Ｌ…パルス光（測定光）、ＯＪ…対象物、ＴＤ…時間差。

【要約】

【課題】測定距離を伸ばすことができると共に、距離精度を確保することができる距離画像取得装置及び距離画像取得方法を提供する。
【解決手段】距離画像取得装置は、光源から出射されて対象物で反射された測定光の入射に応じて電荷発生領域において発生した電荷を転送ゲート電極を用いて電荷蓄積領域に転送することにより測定光を検出する測距センサを備える。電荷発生領域は、アバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を含む。制御部は、測定対象の全距離範囲７０を複数の区間７１Ａ〜７１Ｅに分割し、光源による測定光の出射タイミングと転送ゲート電極による電荷の転送タイミングとの間の時間差ＴＤを区間７１Ａ〜７１Ｅの間で異ならせながら区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定を実施するように、測距センサを制御し、区間７１Ａ〜７１Ｅについての測定の結果に基づいて、全距離範囲７０の距離画像を生成する。
【選択図】図５

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】