(57)【要約】  フォトダイオードで発生した電荷を差分処理のため適正に振り分ける。撮像素子は、埋め込みフォトダイオードによる受光部に電荷集積部がつながり、そこから複数のゲートにより電荷を振り分けて電荷を蓄積する半導体で構成される。撮像装置は、光源の発光と同期した露光周期で光電変換により生成した電荷を集積させるよう制御する制御装置を備える。露光周期は、光源からの光で照射された被写体からの反射光を受け取るための第１期間、および光源からの光を含まない環境光で照射された被写体からの光を受け取るための第２期間を含む。撮像装置は、各光電変換領域に接続された電荷集積領域、第１期間に光電変換領域に生じた電荷を電荷集積部を介して受け取る第１の電荷蓄積領域、第２期間に光電変換領域に生じた電荷を電荷集積部を介して受け取る第２の電荷集積部を備える。
2009147862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周期で光を出す光源、および視野から受け取る光を光電変換するための画素ユニット配列の受光部を備えた撮像装置であって、
前記光源の発光と同期した露光周期で前記光電変換により生成した電荷を蓄積させるよう制御する制御装置を備え、
一つの前記露光周期は、光源からの光で照射された被写体からの反射光を受け取るための第１期間、および前記光源からの光を含まない環境光で照射された被写体からの光を受け取るための第２期間を含み、
前記受光部の各光電変換領域に接続された電荷転送部、前記第１期間に前記光電変換領域に生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第１の電荷蓄積領域、および前記第２期間に前記光電変換領域に生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第２の電荷蓄積領域を備える、
撮像装置。
【請求項２】
前記第１および第２の電荷蓄積領域は、ｎ回の露光にわたって前記光電変換領域で生成される電荷を積分するよう構成されており、
前記ｎ回の露光が終わったとき、前記第１および第２の電荷蓄積領域の電荷を取り出し、その差分をとる差分回路を備える、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記差分をとることにより、環境光による影響を取り除いた画像を形成する手段を備える、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記差分をとることにより得られた信号と前記光源の光との位相の差により被写体までの距離を算出する手段を備える、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記受光部のそれぞれの画素ユニットは櫛型の光電変換領域を有し、前記電荷転送領域に接続されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記受光部のそれぞれの画素ユニットは複数個の小さな光電変換領域に分割されており、各画素ユニットの前記複数個の小さな光電変換領域は共通の前記電荷転送部に接続されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１および第２の電荷蓄積領域は、画素ユニットごとに前記複数の小さな光電変換領域に共通である、請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記電荷転送部はドレインゲートを介してドレイン電極に接続される、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記光源の立ち上がり、立ち下がりの期間、前記ドレインゲートを開いて前記電荷転送部の電荷をすてるよう構成された、請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記光電変換領域および前記電荷転送部は埋め込みフォトダイオード構造で形成されており、各光電変換領域は転送ゲートを介して前記電荷転送部に接続されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記光電変換領域、前記電荷転送部、および前記第１および第２の電荷蓄積領域が埋め込みフォトダイオード構造で形成されている、請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記受光部の受光面の前にマイクロレンズを備えた、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記電荷蓄積領域は、MOSキャパシタで形成されており、振り分けゲートを介して前記電荷転送部に接続されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記電荷蓄積領域は、読み出し転送ゲートを介して読み出し電荷蓄積領域に接続されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１５】
ゲートを介して前記電荷蓄積領域に隣接して設けられた読み出し電荷蓄積領域を備える、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１６】
露光サイクルの終わりに前記読み出し電荷蓄積領域をリセットした後該電荷蓄積領域の電位を読み出して記憶しておき、続いて、前記電荷蓄積領域の電荷を該読み出し電荷蓄積領域に移し、該読み出し電荷蓄積領域の電位を読み出して、先に記憶した電位との差をとることにより、光電変換により生じた電荷を検出する、請求項１４に記載の撮像装置。
【請求項１７】
前記第１および第２の電荷蓄積領域をそれぞれリセット電位に接続する第１および第２のリセットゲートと、前記第１および第２の電荷蓄積領域を電気的に接続することができる短絡ゲートとを備え、該短絡ゲートは、前記リセットゲートがオンにされるときオンにされ、前記第１および第２の電荷蓄積領域を同電位にする、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１８】
前記第１および第２の電荷蓄積領域をリセット電位に接続する共通のリセットゲートを備える、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１９】
１つまたは複数の埋め込みフォトダイオードによる光電変換領域に電荷転送部がつながり、そこから複数の振り分けゲートにより電荷を振り分けて電荷を蓄積する半導体撮像素子。
【請求項２０】
前記光電変換領域と電荷転送部との間に転送ゲートを設けた請求項１９に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、環境光の影響を取り除いた画像を形成する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像により物体認識を行う場合、自然環境光の下では照明条件が大きく変わるため、認識率が上がらないという問題があった。また、人工の照明を用いた場合、認識率は向上するが、自然環境光、特に太陽光の影響を取り除く必要があった。【０００３】
特開2006-155422号公報には、発光源から対象空間に光りを照射していないときの光検出部の出力と、光源から対象空間に光を照射したときの光検出部の出力との差分を画素値として画像を生成し、対象物を認識することが記載されている。【０００４】
また、米国特許第6,239,456号には、発光源からパルス状に光を照射し、視野からフォトダイオードに入射した光により発生した電荷を、ゲートを介してフォトダイオードに接続された複数のコンデンサに光の照射に同期して振り分けることが記載されている。この複数のコンデンサに蓄積された電荷について信号処理を行って、発光源からのパルス状の光照射に対応する出力波形を取り出して、その位相差から被写体までの距離を測定することが記載されている。【０００５】
光源の発光レートが高くなると、画素値を高レートでサンプリングすることになり、１回のサンプリングで扱われる電荷の数は微少になる。このような条件下で、画素に発生した電荷を複数のコンデンサに振り分ける際、入射光が画素内において一様でないピークを持つ場合、特に振り分けゲートの付近にピークを持つ場合、どちらのコンデンサに振り分けられるかによって蓄積される電荷に違いが生じ、信号処理の信頼性が低下する。【０００６】
特開平2-304974号公報には、埋め込み型フォトダイオードの構造および製造方法が記載されている。半導体基板に形成したフォトダイオードのN型領域６（第１図(e)）の上にP型領域13を形成して、N型フォトダイオード領域６を埋め込む（第１図(f)）。フォトダイオード領域６で生成された電荷は、転送ゲートとなるシリコン電極の作用により電荷転送部となるN型領域７に転送される。
【特許文献１】特開2006-155422号公報
【特許文献２】米国特許第6,239,456号
【特許文献３】特開平2-304974号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、差分処理のため画素に発生した電荷を適正に振り分けるための技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、この発明の撮像素子は、１つまたは複数の埋め込みフォトダイオードによる受光部に電荷転送部がつながり、そこから複数のゲートにより電荷を振り分けて電荷を蓄積する半導体で構成される。【０００９】
この発明の撮像装置は、所定の周期で光りを出す光源、および視野から受け取る光を光電変換するための画素ユニット配列の受光部を備える。この撮像装置は、前記光源の発光と同期した露光周期で前記光電変換により生成した電荷を集積させるよう制御する制御装置を備える。一つの前記露光周期は、光源からの光で照射された被写体からの反射光を受け取るための第１期間、および前記光源からの光を含まない環境光で照射された被写体からの光を受け取るための第２期間を含む。さらに、この撮像装置は、前記受光部の各光電変換領域に接続された電荷転送領域、前記第１期間に前記光電変換領域に生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第１の電荷蓄積領域、および前記第２期間に前記光電変換領域に生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第２の電荷蓄積領域を備える。【００１０】
この発明の一形態では、第１および第２の電荷蓄積領域は、ｎ回の露光にわたって受光部の各光電変換領域で生成される電荷を積分するよう構成されている。撮像装置は、ｎ回の露光が終わったとき、第１および第２の電荷蓄積領域の電荷を取り出し、その差分をとる差分回路を備える。【００１１】
この発明の一形態では、撮像装置は、差分をとることにより、環境光による影響を取り除いた画像を形成する。【００１２】
この発明のもう一つの形態では、撮像装置は、差分をとることにより得られた信号と光源の光との位相の差により被写体までの距離を算出する。【００１３】
この発明の一形態では、受光部のそれぞれの画素ユニットは櫛形の光電変換領域を有し、前記電荷転送部に接続されている。【００１４】
この発明の一形態では、受光部のそれぞれの画素ユニットは複数個の小さな光電変換領域に分割されており、各画素ユニットの前記複数個の小さな光電変換領域は共通の前記電荷転送部に接続されている。【００１５】
また、第１および第２の電荷蓄積領域は、画素ユニットごとに前記複数の小さな光電変換領域に共通である。【００１６】
この発明の一形態では、電荷転送部はドレインゲートを介してドレイン電極に接続され。光源の立ち上がり、立ち下がりの期間、前記ドレインゲートを開いて前記電荷転送部の電荷をすてる。【００１７】
さらにこの発明の一形態では、受光部は埋め込みフォトダイオードで形成されており、各光電変換領域は転送ゲートを介して前記電荷転送部に接続されている。【００１８】
この発明の一形態では、光電変換領域の受光面の前にマイクロレンズを備えることができる。【００１９】
また、電荷蓄積領域は、MOSキャパシタで形成することができる。【００２０】
この発明の一形態では、電荷蓄積領域は、読み出し転送ゲートを介して読み出し電荷蓄積領域に接続されている。【００２１】
さらに電荷転送部はドレインゲートを介してドレイン電極に接続される。撮像装置は、光源の立ち上がり、立ち下がりの期間、前記ドレインゲートを開いて前記電荷転送部の電荷をすてるよう構成される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明が対象とする撮像装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】この発明の画素ユニットの配列の一例を示す図。
【図３】従来技術における画素ユニットのレイアウトおよび断面を示す図。
【図４】図３の画素ユニットの等価回路を示す図。
【図５】図３の画素ユニットにおけるポテンシャルの状態を示す図。
【図６】従来の画素ユニットにおける問題点を示す図。
【図７】この発明の一実施例の画素ユニットのレイアウトおよび断面を示す図。
【図８】図７の画素ユニットの等価回路を示す図。
【図９】図７の画素ユニットの利点を示す図。
【図１０】この発明の一実施例における処理の流れを示す図。
【図１１】この発明の一実施例におけるタイミングを示す図。
【図１２】この発明の一実施例におけるポテンシャルの状態を示す図。
【図１３】この発明のもう一つの実施例の画素ユニットの構成を示す図。
【図１４】図１３の画素ユニットの等価回路を示す図。
【図１５】図１３の画素ユニットにおけるタイミングを示す図。
【図１６】この発明のさらにもう一つの実施例の画素ユニットの構成を示す図。
【図１７】図１６の画素ユニットの等価回路を示す図。
【図１８】図１６の画素ユニットにおけるポテンシャルの状態を示す図。
【図１９】図１６の画素ユニットにおけるタイミングを示す図。
【図２０】この発明のもう一つの実施例の構成を示す図。
【図２１】図２０の画素ユニットの等価回路を示す図。
【図２２】図２０の画素ユニットにおけるタイミングを示す図。
【図２３】この発明のさらにもう一つの実施例の構成を示す図。
【図２４】この発明のもう一つの実施例の構成を示す図。
【図２５】この発明のさらにもう一つの実施例の構成を示す図。
【図２６】マイクロレンズを設けた実施例の構成を示す図。
【図２７】この発明のもう一つの実施例の構成を示す図。
【図２８】図２７の実施例におけるタイミングを示す図。
【図２９】図２７の実施例におけるポテンシャルの状態を示す図。
【図３０】第１および第２の電荷蓄積領域を接続する短絡ゲートを備えた実施例の構成を示す図。
【図３１】第１および第２の電荷蓄積領域を共通のリセット電極に接続する実施例の構成を示す図。
【図３２】共通の読み出し部４１を備えた実施例の構成を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
25         画素ユニット
25a        光電変換部
27a、27b   電荷蓄積領域
29、29a、29b    リセット電極
31         電荷転送部
Tx1、Tx2   振り分けゲート
R1、R2     リセットゲート
S          短絡ゲート
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の基本となる差分画像を生成するシステムの一般的な構成を示す。カメラ11は、レンズ12を介して対象となる空間からの光を受ける受光部13、および差分画像出力を生成する差分回路15を備える。タイミング制御器17が投光器19による光照射と受光部13から電荷を取り出すタイミングを制御する。【００２５】
図２は、この発明の一実施例における受光部13における画素ユニット25の配列を示す。後述するようにそれぞれの画素ユニット25には投光器による光照射に同期した１回の露光につき、投光器に照射された被写体からの反射光を受け取る第１期間と、投光器からの光のない環境光を受け取る第２期間とがある。それぞれの画素ユニットは、第１期間に画素ユニットの光電変換領域で生成される電荷を蓄積する第１の蓄積領域と、第２期間に画素ユニットの光電変換領域で生成される電荷を蓄積する第２の蓄積領域とを備えている。差分回路15は、垂直走査回路23および水平走査回路27に制御されて、各画素ユニットの第１および第２の蓄積領域から電荷を読み出し、出力値の差分をとり、差分画像出力として出力する。【００２６】
図３は、たとえば特許文献２に示されるような受光部の画素ユニット25の構造を模型的に示す。画素ユニット25の光電変換部25aは、埋め込みフォトダイオードであり、振り分けゲートTx1を介して電荷蓄積領域27a、振り分けゲートTx2を介して電荷蓄積領域27bに接続されている。電荷蓄積領域27a、27bはリセットゲートRa、Rbを介してリセット電極29a、29bに接続される。図３の下部に示す断面図は、光電変換部25aが半導体基板のP型井戸にN型領域を埋め込んで形成されていることを示している。N型領域の縁が基板表面にせり上がって描かれているのは、特許文献３の第１図(f)、第２図(e)、第３図(a)に描かれているN型領域６の縁部と同様の構造を表すためであり、公知の構造を表している。ゲートTx1に電位が加えられることにより、電荷が光電変換領域25aから電荷蓄積領域27aのN＋領域に移動する。【００２７】
図４は、図３の画素ユニットの回路図であり、図５は、この回路におけるポテンシャル井戸の変化を表している。受光領域25aすなわち光電変換部25aは、光電変換作用を持つダイオードとコンデンサC0で示す。図５を参照すると、(A)は、回路になんらの操作を加えていない状態でのポテンシャル井戸を示す。(B)において、振り分けゲートTx1、Tx2およびリセットゲートR1、R2を開いて電圧Vを加えて、光電変換部および電荷蓄積領域の電荷をなくす。（C）は１回目の露光の第１期間中で光電変換部25aで電荷が生成されている状態を示す。（D）は振り分けゲートTx1を開いて光電変換部25aにたまった電荷を電荷蓄積領域27a（コンデンサC1で表す）に転送する様子を示す。【００２８】
次に、（E）は、１回目の露光の第２期間中に光電変換部25aで電荷が生成される様子を示す。（F）は、振り分けゲートTx2を開いて電荷を電荷蓄積領域27b（コンデンサC2で表す）に転送する様子を示す。（G）は、２回目の露光の第１期間が始まった状態を、（H）は、（G）で光電変換部にたまった電荷を電荷蓄積領域27aのコンデンサC1に転送する様子を示す。このようにして、露光サイクルをｎ回繰り返し、この間に電荷蓄積領域27a（コンデンサC1）および領域27b（コンデンサC2）に蓄積された電荷が出力ゲートTを開いて読み出される。L1およびL2のFETトランジスタは、レベルシフト用のトランジスタで、出力ゲートTが開かれた際、コンデンサC1またはC2の電位に応じた電流を下流の処理回路に送る作用をする。【００２９】
図６は、従来の画素ユニット25の光電変換部25aで生じる問題を模型的に図示する。投光器19の光源に発光ダイオードLEDを使用し、発光レート（繰り返し周波数）を高め、これに同期して光電変換部25aで生成された電子を振り分けゲートTx1、Tx2を介して電荷蓄積領域27a、27bに振り分けることを考える。【００３０】
この場合、それぞれの露光サイクルにおいてLEDで照射され被写体で反射された光を受け取る第１期間および環境光を受け取る第２期間は、それぞれ1/10ミリ秒以下のオーダーになり、ナノ秒からマイクロ秒のオーダーになることがある。そのため、微細な光電変換領域で生成される電子の数は微少となり、数個から数十個のオーダーになることがある。【００３１】
このような状況で、光が光電変換領域の端の部分、たとえば図６に示す振り分けゲートTx1付近に偏って入ってくると、これを振り分けゲートTx2を開いて電荷蓄積領域27bに蓄積させようとしても、電子が短時間に完全に電荷蓄積領域27bに移動することができない。このため第１期間に蓄積される電荷と第２期間に蓄積される電荷との差分の信頼性が低下するという問題がある。【００３２】
図７は、この問題を解決するこの発明に係る画素ユニット25の一形態を示す。図３に示す従来の画素ユニットとの相違点は、光電変換部25aに隣接して電荷転送部31が設けられていることである。この実施例では、光電変換部25aは、表面部にP領域があり、その下にN領域が設けられた構造であり、電荷転送部31は、光電変換部25aの領域を遮光幕24の下に延長して形成されている。【００３３】
図７の下部は、画素ユニット25のA-A’断面を示す。P 型の井戸（P-well）61にN型の層63が埋め込まれ、その上に形成されているP+領域65との間のPN接合によりフォトダイオードが形成されている。このPN接合は、光電変換部25a以外の部分では電荷転送部31として機能する。光電変換部25aで生成された電荷はよりポテンシャルの低い電荷転送部31に移動する。この電荷移動の効率を上げるため、電荷転送部31のドーピングレベルを光電変換部25aと異なるものにし、ポテンシャルの傾斜を形成することができる。【００３４】
MOS構造の転送ゲートTx1の隣に電荷蓄積領域27aが形成されている。電荷蓄積領域27aは、P型の井戸領域61に埋め込まれたN領域67で構成されていている。N+領域69はリセット電極29aを構成し、電圧Vの配線に接続されている。N+領域67とN+領域69とはMOS構造のゲートR1に信号を加えることにより電気的に接続される。【００３５】
図12に示すように、光電変換部25aと電荷転送部31との間にポテンシャルの段差が形成されている。この段差は、P+領域65またはN領域63のドーピングレベルを変えることにより実現することができる。または、ドーピングレベルは変えることなく、P+領域65の上方に部分的に電極を設けて電荷転送部31に電位与えることにより実現することができる。【００３６】
図８は、図７の画素ユニット25の回路図である。図４に示した従来の構造の回路図との相違は、電荷転送部31に対応してコンデンサC3が回路に含まれることである。【００３７】
図９は、この図７に示すこの発明の実施形態の利点を説明するための図である。この発明では、光電変換部25aに発生した電荷は、第１の電荷蓄積領域27aおよび第２の電荷蓄積領域27bのどちらに振り分けられるにしろ、まず共通の電荷転送部31に移動し、電荷転送部31から第１また第２の電荷蓄積領域に振り分けられる。したがって、光電変換部25aの偏った位置に光りが当たり、電荷の生成位置に偏りがあっても、振り分ける際の偏りは小さい。したがって、差分信号の信頼性を向上させることができる。【００３８】
次に図10から図12を参照して、この発明の実施形態における処理の流れを説明する。まず、ステップ101においてリセット処理を行う。リセット処理では、振り分けゲートTx1、Tx2、リセットゲートR1、R2を開いてリセット電極29a、29bに電圧Vを加えて電荷蓄積領域27a、27b、すなわちコンデンサC1、C2を充電する。図11の信号波形図および図12の（B）はこの状態を示す。光電変換部においては、このリセット処理とともにリセットノイズとして知られる電荷がコンデンサに入り込む。このリセットノイズの発生した状態でコンデンサの電荷を読み取り、後に露光によって生じた電荷を蓄積した状態でコンデンサの電荷を読みとって、その差により露光によって生じた電荷を判定することが行われる。これによりリセットノイズをキャンセルした読み取りを行うことができる。この処理は、２重サンプリングと呼ばれている。この発明においても、後述する実施例において、２重サンプリングを行う。【００３９】
ステップ103で露光サイクルのカウンタを０に設定する。図11を参照すると、露光サイクルは、投光器の光源の発光サイクルと同期している。一つの露光サイクルは、光源の発光に対応する第１露光期間（ステップ105に対応）と、光源が発光していない期間に対応する第２露光期間（ステップ107に対応）とを含む。露光サイクルの数ｎは、撮像環境に応じて数十から1000までの値とすることができる。露光サイクルごとにカウンタの値を１増やし（ステップ109）、カウンタの値がｎに達すると（ステップ111）、出力処理が行われる（ステップ113）。【００４０】
図11を参照すると、第１露光期間に光電変換部に生成される電子は、Tx1ゲートを介して第１の電荷蓄積領域27aすなわちコンデンサC1に蓄積される。コンデンサC1はリセット処理により正の電荷で充電されているので、コンデンサC1の電荷はこれにより減少する。第２露光期間に光電変換部に生成される電子は、Tx2ゲートを介して第２の電荷蓄積領域27bすなわちコンデンサC2に蓄積される。ｎ回の露光サイクルを繰り返した後、コンデンサC1に蓄積された電荷およびコンデンサC2に蓄積された電荷がゲートTを介して差分回路15によって読みとられる。【００４１】
図12を参照すると、（C）は、第１露光期間の開始時に振り分けゲートTx1が開かれたことを示す。(D)は、光電変換部25aで生成された電荷が電荷転送部31を通り第１の電荷蓄積領域27aに移動する様子を示す。（E）は、第２露光期間の開始時に振り分けゲートTx2が開かれたことを示す。(F)は、光電変換部25aで生成された電荷が電荷転送部31から第２の電荷蓄積領域27bに移動する様子を示す。【００４２】
図12（G）は、２回目の露光サイクルの第１露光期間の開始時に振り分けゲートTx1が開かれたことを示す。(H)は、光電変換部25aで生成された電荷が第１の電荷蓄積領域27aに移動する様子を示す。このようにｎ回の露光サイクルが終了するまで、各露光サイクルで生成された電荷は、第１および第２の電荷蓄積領域27a、27bに蓄積される。【００４３】
ドレインゲート
次に図13から15を参照して、ドレインゲートDおよびドレイン電極33を設けたこの発明の実施形態を説明する。図13は、図7に対応する画素ユニット25のレイアウト図で、同じ要素は同じ参照番号で示されている。図7の構造との相違は、電荷転送部31がドレインゲートＤを介してドレイン電極33に接続されていることである。図14は、図13に対応する回路図であり、ドレインゲートＤが加えられている。【００４４】
図15は、図13の画素ユニット25の露光サイクルにおける動作を示す。図15では、図11で示したリセット信号の記載を省略しているが、図11の場合と同様に、図13の画素ユニット25においてもリセット処理が行われる。リセット信号は、最初のドレインゲート信号と同じタイミングでリセットゲートR1、R2に加えられ、同時に振り分ゲートTx1、Tx2が開かれる。【００４５】
ドレインゲートおよびドレイン電極は、光源の立ち上がり、立ち下がりに時間がかかるような場合、光電変換部での電荷生成の立ち上がり部分、立ち下がり部分を切り捨てて安定した状態の電荷を取り出す作用をする。図15を参照すると、ドレインゲートＤは、光源の発光のタイミングに同期して光電変換部25aへの入射光の立ち上がり部分で開かれて電荷をドレイン電極に捨てる。電荷蓄積領域図15のタイミングチャートでは、ドレインゲートDは、入射光の立ち下がり部分でも開かれて電荷をドレインに捨てている。【００４６】
転送ゲート
次に図16から19を参照して電荷転送部31が転送ゲートTx0を介して光電変換部25aに接続された、この発明の一実施形態を説明する。図16に示す画素ユニットの構造は、転送ゲートTx0が光電変換領域25aと電荷転送部31との間に存在する点で、図７に示す画素ユニットの構造と相違する。図16において図7と同じ構成要素には図７と同じ参照番号が付されている。【００４７】
図17は、図16の画素ユニットの回路図であり、光電変換部の等価コンデンサC0と電荷転送部31の等価コンデンサC3との間に転送ゲートTx0が存在する。図18は、図12に対応するポテンシャル図で、（A）から（H）の状態図は図12における（A）から（H）に対応している。【００４８】
（A）はなにも操作を加えていない時のポテンシャルを示す。(B)は、ゲートをすべて開いて前述のリセット処理をしている時のポテンシャルを示す。（C）は、露光によって、光電変換部25aに電荷が生成されている状態を示す。（D）は、転送ゲートTx0が開かれて電荷が電荷転送部31に移る状態を示す。（E）は振り分けゲートTx1が開かれて電荷が第１の電荷蓄積領域27aに移される状態を示す。（F）は、第２露光期間において光電変換部25aに電荷が生成される様子を示す。（G）は転送ゲートTx0が開かれて電荷が電荷転送部31に移される様子を示す。（H）は、振り分けゲートTx2が開かれて電荷が第２の電荷蓄積領域27bに移される様子を示す。【００４９】
転送ゲートTx0は電荷の振り分けを均一にする作用をする。振り分けゲートよりも長い時間開かれ、電荷転送部への電荷の転送時間は転送ゲートで決まるので、振り分けゲートのタイミングが多少変わっても結果にほとんど影響がない。【００５０】
図19は、図16の画素ユニット25のタイミング図である。転送ゲートTx0がある点で、図11のタイミング図と相違する。Tx0は、露光期間の終わり付近で開かれて電荷を電荷転送部31に移す作用をする。【００５１】
ドレインゲート＋転送ゲート
図20から図22を参照して、ドレインゲートおよび転送ゲートの両方を備えた、この発明の実施形態を説明する。図20は図13に対応するこの実施形態の画素ユニット25のレイアウト図である。図13との相違は、転送ゲートTx0が光電変換部25aと電荷転送部31との間に設けられている点である。図21は、この実施形態の等価回路図である。【００５２】
図22は、この実施形態のタイミング図である。この実施形態では、露光サイクルの第１露光と第２露光との間の間隔が長く設定されている。そして、露光の立ち上がり時にドレインゲートDを開いて電荷転送部31の電荷を捨てている。ドレインゲートDを閉じると同時に転送ゲートTx0を開いて光電変換部25aで生成された電荷を電荷転送部31に移す。第１露光期間においては、転送ゲートTx0が開かれると同時に振り分けゲートTx1が開かれて電荷が電荷蓄積領域27aに移される。振り分けゲートTx1は、転送ゲートTx0を閉じた後も開き続ける。振り分けゲートTx1は、第２露光期間のための処理に入る直前まで開いておくことができる。このようにすることにより、電荷転送部31の電荷を完全に電荷蓄積領域27aに移すことができる。この実施形態は、光電変換部25aから電荷転送部31への電荷転送時間が短いとき、より有効である。【００５３】
次にこの発明のいくつかの変形例を説明する。【００５４】
光電変換部25aの形状
図23は、図20の実施形態における光電変換部25aの形状を櫛形にした例である。このような櫛形の形状にすることにより、光電変換部25aの各点の最小幅は電荷転送部31の最小幅より狭いので、イオン濃度（ドーピングレベル）を変えることなく、ポテンシャルを高くすることができ、ドリフトによる電荷の移動を早くすることができる。【００５５】
光電変換部25aの分割
図24は、図20に示す画素ユニット25の変形で、光電変換部25aは、微細な４つの光電変換部25a-1、25a-2、25a-3、25a-4から構成されている。これら４つの微細な光電変換部は、転送ゲートTx0-1、Tx0-2、Tx0-3、Tx0-4を介して共通の電荷転送部31に接続されている。４つの光電変換部のそれぞれが微細であるのでポテンシャルの傾斜が形成され、ドリフトによる電荷転送部31への電荷の移動を早くすることができる。このように光電変換部25aを分割することにより、電荷の転送時間を短縮することができる。【００５６】
MOSコンデンサ
これまでの実施形態において電荷蓄積領域27a、27bはMOS（Metal-Oxide-Silicon）構造のコンデンサで構成することができる。MOSコンデンサは一般に知られている。図25は、図７の画素ユニット25において電荷蓄積領域27aおよび27bを分割して電荷蓄積領域の主要部をMOSコンデンサで構成した例を示す。同様にそのたの実施形態の電荷蓄積領域をMOSコンデンサで構成することができる。【００５７】
マイクロレンズ
この発明の実施形態における画素ユニット25の光電変換部25aの光入射方向前方にマイクロレンズを配置して、集光率を向上させることができる。図26は、光電変換部25aが、４つの微細な光電変換部25a-1、25a-2、25a-3、25a-4で構成される実施形態において、それぞれの微細な光電変換部の前方にマイクロレンズ51を配置した実施例を示す。レンズをそれぞれの光電変換部25a-1、25a-2、25a-3、25a-4に合わせた数だけ設け位置合わせすることにより、光の無駄がなくなり、感度を向上させることができる。【００５８】
読み出し蓄積部
図27は、図23の実施形態において、電荷蓄積領域27a、27bの隣にゲートRT1、RT2を介して読み出し電荷蓄積領域41a、41bを設けた実施形態を示す。図28は、この等価回路であり、ゲートRTを介して読み出し電荷蓄積領域41aに対応するコンデンサC4、読み出し電荷蓄積領域41bに対応するコンデンサC5が示されている。【００５９】
図29は、読み出し電荷蓄積領域41a、41bを設けた図27の画素ユニットにおけるポテンシャルの状態（図の左側）と、このような電荷蓄積領域をもたない図23の画素ユニットにおけるポテンシャルの状態（図の右側）を対比して示す。（A）は、なにも操作がなされていない状態でのポテンシャル井戸の状態を示す。（B）は、前述した露光サイクル前のリセット処理におけるポテンシャルの状態を示す。（C）は、ｎ回の露光と電荷転送が行われた後、電荷蓄積領域27aに電荷がたまった状態を示す。左側のポテンシャル図では、読み出し電荷蓄積領域41aには、前の露光サイクルでの残りの電荷とノイズがたまっている。右側のポテンシャル図では、読み出し電荷蓄積領域は存在しないので、電荷蓄積領域27aの電荷が読み出される。【００６０】
左側のポテンシャル図では、（D）でリセットゲートR1を開いて電荷がリセットされる。（E）に示すように、読み出し電荷蓄積領域41aにノイズが残る。この状態で電位を読み出して記憶しておく。続いて（F）で、読み出し転送ゲートを開いて電荷蓄積領域27aの電荷を読み出し電荷蓄積領域41aに移す。この読み出し電荷蓄積領域41aの電位を読み出して、先の（E）で記憶した電位との差をとる。こうして、ノイズの影響を受けないで露光により蓄積された電荷に基づく電位を読み出すことができる。こうして、前述した２重サンプリングをこの発明においても実行することができる。【００６１】
図３０は、この発明のもう一つの実施形態を示す。図７の実施例に対応する構成要素には図７と同じ参照番号を付している。この実施形態では、電荷蓄積領域27a、27bを短絡ゲートSまで延長し、短絡ゲートを介して電気的に接続可能になっている。短絡ゲートはリセットゲートR1、R2と同様にMOS構造のゲートである。リセットゲートR1、R2を開いて電荷蓄積領域27a、27bをリセットするとき、これと同期させて短絡ゲートSを開き電荷蓄積領域27a、27bを電気的に接続する。こうすることにより、リセット処理によって電荷蓄積領域27a、27bを均一な電位にリセットすることができる。リセット電極29a、29bに電位差があっても、短絡ゲートSの作用により、電荷蓄積領域27a、27bを同一電位にリセットすることができる。【００６２】
図３１は、この発明のさらにもう一つの実施形態を示す。図３０の実施例に対応する構成要素には図３０と同じ参照番号を付している。この実施形態では、電荷蓄積領域27a、27bを延長した端部がリセット作用と短絡作用を兼ねる一つのゲートR/Sを介してリセット電極29に接続される。電荷蓄積領域27a、27bが一つのリセット電極29によりリセットされるので、電荷蓄積領域27a、27bを同電位にリセットすることができる。【００６３】
図３２は、図３１の実施例の変形で、共通の読み出し部４１を備える。読み出し部を共通にすることで，正確な差分を取るためのアンプの性能差による補正が不要になる。変形として、図31、32の実施例に上述の転送ゲート、ドレインゲートを追加することも可能である。【００６４】
以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年9月16日(2010.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周期で光を出す光源、および視野から受け取る光を光電変換するための画素ユニット配列の受光部を備えた撮像装置であって、
前記光源の発光と同期した露光周期で前記光電変換により生成した電荷を蓄積させるよう制御する制御装置を備え、
一つの前記露光周期は、光源からの光で照射された被写体からの反射光を受け取るための第１期間、および前記光源からの光を含まない環境光で照射された被写体からの光を受け取るための第２期間を含み、
前記受光部の各光電変換領域に接続された電荷転送部、前記第１期間に前記光電変換領域に生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第１の電荷蓄積領域、および前記第２期間に前記画素ユニットに生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第２の電荷蓄積領域を備え、
前記電荷転送部は、前記光電変換部を遮光幕の下に延長し該光電変換部に対しポテンシャルが低く形成されている、
撮像装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記第１および第２の電荷蓄積領域は、ｎ回の露光にわたって前記光電変換領域で生成される電荷を積分するよう構成されており、
前記ｎ回の露光が終わったとき、前記第１および第２の電荷蓄積領域の電荷を取り出し、その差分をとる差分回路を備える、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記差分をとることにより、環境光による影響を取り除いた画像を形成する手段を備える、請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記差分をとることにより得られた信号と前記光源の光との位相の差により被写体までの距離を算出する手段を備える、請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
所定の周期で光を出す光源、および視野から受け取る光を光電変換するための画素ユニット配列の受光部を備えた撮像装置であって、
前記光源の発光と同期した露光周期で前記光電変換により生成した電荷を蓄積させるよう制御する制御装置を備え、
一つの前記露光周期は、光源からの光で照射された被写体からの反射光を受け取るための第１期間、および前記光源からの光を含まない環境光で照射された被写体からの光を受け取るための第２期間を含み、
前記受光部の各光電変換領域に接続された電荷転送部、前記第１期間に前記光電変換領域に生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第１の電荷蓄積領域、および前記第２期間に前記画素ユニットに生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第２の電荷蓄積領域を備え、
前記受光部のそれぞれの画素ユニットは櫛型の光電変換領域を有し、前記電荷転送領域に接続されている、
撮像装置。
【請求項７】
所定の周期で光を出す光源、および視野から受け取る光を光電変換するための画素ユニット配列の受光部を備えた撮像装置であって、
前記光源の発光と同期した露光周期で前記光電変換により生成した電荷を蓄積させるよう制御する制御装置を備え、
一つの前記露光周期は、光源からの光で照射された被写体からの反射光を受け取るための第１期間、および前記光源からの光を含まない環境光で照射された被写体からの光を受け取るための第２期間を含み、
前記受光部の各光電変換領域に接続された電荷転送部、前記第１期間に前記光電変換領域に生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第１の電荷蓄積領域、および前記第２期間に前記画素ユニットに生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第２の電荷蓄積領域を備え、
前記受光部のそれぞれの画素ユニットは複数個の小さな光電変換領域に分割されており、各画素ユニットの前記複数個の小さな光電変換領域は共通の前記電荷転送部に接続されている、
撮像装置。
【請求項８】
前記第１および第２の電荷蓄積領域は、画素ごとに前記複数の小さな光電変換領域に共通である、請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記電荷転送部はドレインゲートを介してドレイン電極に接続される、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記光源の立ち上がり、立ち下がりの期間、前記ドレインゲートを開いて前記電荷転送部の電荷をすてるよう構成された、請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記光電変換領域および前記電荷転送部は埋め込みフォトダイオード構造で形成されており、各画素ユニットは転送ゲートを介して前記電荷転送部に接続されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記光電変換領域、前記電荷転送部、および前記第１および第２の電荷蓄積領域が埋め込みフォトダイオード構造で形成されている、請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記受光部の受光面の前にマイクロレンズを備えた、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記電荷蓄積領域は、ＭＯＳキャパシタで形成されており、振り分けゲートを介して前記電荷転送部に接続されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
ゲートを介して前記電荷蓄積領域に隣接して設けられた読み出し電荷蓄積領域を備える、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１７】
所定の周期で光を出す光源、および視野から受け取る光を光電変換するための画素ユニット配列の受光部を備えた撮像装置であって、
前記光源の発光と同期した露光周期で前記光電変換により生成した電荷を蓄積させるよう制御する制御装置を備え、
一つの前記露光周期は、光源からの光で照射された被写体からの反射光を受け取るための第１期間、および前記光源からの光を含まない環境光で照射された被写体からの光を受け取るための第２期間を含み、
前記受光部の各光電変換領域に接続された電荷転送部、前記第１期間に前記光電変換領域に生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第１の電荷蓄積領域、および前記第２期間に前記画素ユニットに生じた電荷を前記電荷転送部を介して受け取る第２の電荷蓄積領域を備え、
前記電荷蓄積領域は、読み出し転送ゲートを介して読み出し電荷蓄積領域に接続されており、
露光サイクルの終わりに前記読み出し電荷蓄積領域をリセットした後該電荷蓄積領域の電位を読み出して記憶しておき、続いて、前記電荷蓄積領域の電荷を該読み出し電荷蓄積領域に移し、該読み出し電荷蓄積領域の電位を読み出して、先に記憶した電位との差をとることにより、光電変換により生じた電荷を検出する、
撮像装置。
【請求項１８】
前記第１および第２の電荷蓄積領域をそれぞれリセット電位に接続する第１および第２のリセットゲートと、前記第１および第２の電荷蓄積領域を電気的に接続することができる短絡ゲートとを備え、該短絡ゲートは、前記リセットゲートがオンにされるときオンにされ、前記第１および第２の電荷蓄積領域を同電位にする、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１９】
前記第１および第２の電荷蓄積領域をリセット電位に接続する共通のリセットゲートを備える、請求項１に記載の撮像装置。
【国際調査報告】
2009147862.tif 000035
2009147862.tif 000036