(57)【要約】【課題】感光部とは別領域にスイッチ領域および記憶領域を設ける従来構成に比較して簡単な構造とし、従来構成よりも受光素子の開口率を大きくする。【解決手段】不純物を添加した半導体層１１の主表面に絶縁膜１２を介して複数個の制御電極１３が配置される。半導体層１１に光が入射すると半導体層１１に電荷が生成され、制御電極１３に制御電圧を印加しておけば、制御電極１３に対応して形成されるポテンシャル井戸１４に電荷が集積される。制御電圧を印加する制御電極１３の個数を変化させると、ポテンシャル井戸１４が受光面に占める面積が変化する。ポテンシャル井戸１４に集積された電荷は信号電荷として外部に取り出されるから、制御電圧を印加する制御電極１３の個数を変化させることにより、受光素子１の感度を実質的に変化させたことになる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光強度に対応する量の電荷を発生する感光部と、感光部に設けた制御電極への制御電圧の印加により感光部に形成され感光部で発生した電荷の少なくとも一部を集積する電荷集積部と、電荷集積部に集積した電荷を受光出力として外部に取り出す電荷取出部とを備える受光素子において受光感度を制御する方法であって、感光部の受光面に沿った面内での電荷集積部の面積が変化するように制御電極への制御電圧を変化させることを特徴とする受光素子の感度制御方法。
【請求項２】
前記制御電極は１つの感光部に対応付けて複数個設けられ、前記制御電圧を印加する制御電極の個数を変化させることにより電荷集積部の面積を変化させることを特徴とする請求項１記載の受光素子の感度制御方法。
【請求項３】
所定の変調周波数の変調信号で強度変調された光が照射されている空間からの光を受光し受光強度に対応する量の電荷を発生する感光部と、感光部に設けた制御電極への制御電圧の印加により感光部に形成され感光部で発生した電荷の少なくとも一部を集積する電荷集積部と、電荷集積部に集積した電荷を受光出力として外部に取り出す電荷取出部と、感光部の受光面に沿った面内での電荷集積部の面積が時間経過に伴って変化するように時間経過に伴って変化する制御電圧を出力する制御回路部と、電荷取出部により取り出した電荷を用いて前記空間に関する情報を評価する評価部とを備えることを特徴とする強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項４】
前記制御回路部は、前記変調信号の周期に同期するタイミングで前記制御電圧を変化させることを特徴とする請求項３記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項５】
前記制御回路部は、前記変調周波数とは異なる規定の局発周波数で前記制御電圧を変化させ、前記電荷取出部は、前記電荷集積部に集積した電荷を変調周波数と局発周波数との周波数差のビート信号の周期に同期させて取り出すことを特徴とする請求項３記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項６】
前記感光部は複数個設けられ、前記制御回路部は、組になる複数個の感光部にそれぞれ設けた制御電極に前記変調信号の周期に同期するとともに互いに異なる位相の制御電圧を印加し、前記電荷取出部は、組になる複数個の感光部から得られた異なる位相に対応する信号電荷を一度に取り出すことを特徴とする請求項３記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項７】
前記感光部は複数個設けられ、前記制御回路部は、組になる複数個の感光部にそれぞれ設けた制御電極に前記変調周波数とは異なる規定の局発周波数であって互いに異なる位相の制御電圧を印加し、前記電荷取出部は、組になる複数個の感光部から得られた異なる位相に対応する信号電荷を一度に取り出すことを特徴とする請求項５記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項８】
前記感光部は、不純物を添加した半導体層と、半導体層の主表面に配置された前記制御電極と、半導体層と制御電極との間に介装された絶縁膜とからなり、前記電荷集積部は、制御電極に制御電圧を印加することにより半導体層に形成されるポテンシャル井戸からなることを特徴とする請求項３ないし請求項７のいずれか１項に記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項９】
前記制御電極は前記半導体層の主表面に複数個配列され、制御電圧を印加する制御電極の個数を時間経過に伴って変化させることを特徴とする請求項８記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１０】
複数個の制御電極を組にし、組にした制御電極について制御電圧を印加する制御電極の個数を複数段階に切り換えるとともに、組にした制御電極のうちで制御電圧を印加する制御電極の個数が最小となる保持期間に形成するポテンシャル井戸を前記電荷集積部に用いるとともに、当該ポテンシャル井戸が他の期間である生成期間に形成するポテンシャル井戸よりも浅くなるように制御電圧を設定することを特徴とする請求項９記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１１】
前記生成期間においては、組にした複数個の前記制御電極のうち前記保持期間において制御電圧を印加する制御電極に対応する部位にもっとも深いポテンシャル井戸が形成されるように制御電圧を設定するとともに、当該制御電極に隣接する制御電極に対応する部位には浅いポテンシャル井戸が形成されるように制御電圧を設定することを特徴とする請求項１０記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１２】
前記電荷集積部として用いる前記ポテンシャル井戸を形成する前記制御電極を遮光膜により覆うことを特徴とする請求項１０または請求項１１記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１３】
前記評価部は前記空間に発光源から照射された光と前記感光部で受光した光との位相差を求めることを特徴とする請求項３ないし請求項１２のいずれか１項に記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１４】
前記評価部は前記位相差を距離に換算する機能を有することを特徴とする請求項１３記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子の感度制御方法、強度変調光を用いた空間情報の検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、受光素子の感度を外部信号によって制御しようとする場合に、受光素子の前方に外部信号によって通過光量を調節することができる光学部材を配置する構成が広く採用されている。この技術は受光素子に入射する光量を制御するものであるが、その一方、受光素子で受光強度に対応して発生した電荷のうち実際に信号電荷として外部に取り出す割合を制御することによって、受光素子の感度を制御する技術も採用されている。
【０００３】
受光素子の感度を制御する技術は、たとえば、強度変調した光を発光源から空間に放射し、この空間に存在する物体により反射された反射光を受光素子で受光し、発光源から放射した光と受光素子で受光した光との関係に基づいて空間に関する各種情報を検出する場合などに採用される。ここで、空間に関する情報とは、空間に存在する物体までの距離や空間に存在する物体での反射による受光量の変化などを意味する。物体までの距離を求める場合には、発光源から空間に放射する光を所定の変調周波数で強度変調しておき、光電素子では変調周波数の逆数である変調周期に同期させて受光強度を複数回検出する技術が考えられている（たとえば、特許文献１）。
【０００４】
すなわち、発光源から空間に放射する光の強度を変調し、変調時の特定の位相に対する光電素子での受光強度を検出するようにし、変調周期に同期して特定の位相の受光強度を３回以上求めると、求めた受光強度の関係によって発光源から放射した光と受光素子により受光した光との位相差を求めることができる。以下では受光強度を４回以上求めるものとして説明する。たとえば、発光源から空間に放射する光の強度を正弦波で変調している場合には、変調信号の位相が０度、９０度、１８０度、２７０度である４点において受光強度を検出したときの各受光強度をそれぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とすれば、各位相における受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を用いて位相差ψを表すと、次式のようになる。
ψ＝ｔａｎ−１｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝
上述のように変調周期に合わせて特定の位相の受光強度を求めようとすれば、受光素子の感度を制御することが必要であって、特許文献１に記載の技術では、受光素子で集積された電荷を記憶領域に移送する経路にスイッチ領域を設け、受光素子で集積された電荷のうち受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めるのに必要な電荷を記憶領域に蓄積するようにスイッチ領域を制御する構成を採用している。
【０００５】
【特許文献１】
特表平１０−５０８７３６号公報（第７−９頁、図１、図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１に記載の技術では、感光性部分とは別にスイッチ領域および記憶領域を画像センサに設ける必要があるから構造が比較的複雑になるという問題があり、またスイッチ領域および記憶領域を遮光する必要があり、画像センサにおいて遮光を必要とする部分が占有する面積が比較的大きいから、開口率が小さくなり感度が低いという問題もある。
【０００７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、構造が比較的簡単であって、かつ開口率が比較的大きくＳ／Ｎに優れた受光素子の感度制御方法を提供し、この方法を利用した強度変調光を用いた空間情報の検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、受光強度に対応する量の電荷を発生する感光部と、感光部に設けた制御電極への制御電圧の印加により感光部に形成され感光部で発生した電荷の少なくとも一部を集積する電荷集積部と、電荷集積部に集積した電荷を受光出力として外部に取り出す電荷取出部とを備える受光素子において受光感度を制御する方法であって、感光部の受光面に沿った面内での電荷集積部の面積が変化するように制御電極への制御電圧を変化させることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記制御電極は１つの感光部に対応付けて複数個設けられ、前記制御電圧を印加する制御電極の個数を変化させることにより電荷集積部の面積を変化させることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、強度変調光を用いた空間情報の検出装置であって、所定の変調周波数の変調信号で強度変調された光が照射されている空間からの光を受光し受光強度に対応する量の電荷を発生する感光部と、感光部に設けた制御電極への制御電圧の印加により感光部に形成され感光部で発生した電荷の少なくとも一部を集積する電荷集積部と、電荷集積部に集積した電荷を受光出力として外部に取り出す電荷取出部と、感光部の受光面に沿った面内での電荷集積部の面積が時間経過に伴って変化するように時間経過に伴って変化する制御電圧を出力する制御回路部と、電荷取出部により取り出した電荷を用いて前記空間に関する情報を評価する評価部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記制御回路部は、前記変調信号の周期に同期するタイミングで前記制御電圧を変化させることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明では、請求項３の発明において、前記制御回路部は、前記変調周波数とは異なる規定の局発周波数で前記制御電圧を変化させ、前記電荷取出部は、前記電荷集積部に集積した電荷を変調周波数と局発周波数との周波数差のビート信号の周期に同期させて取り出すことを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明では、請求項３の発明において、前記感光部は複数個設けられ、前記制御回路部は、組になる複数個の感光部にそれぞれ設けた制御電極に前記変調信号の周期に同期するとともに互いに異なる位相の制御電圧を印加し、前記電荷取出部は、組になる複数個の感光部から得られた異なる位相に対応する信号電荷を一度に取り出すことを特徴とする。
【００１４】
請求項７の発明では、請求項５の発明において、前記感光部は複数個設けられ、前記制御回路部は、組になる複数個の感光部にそれぞれ設けた制御電極に前記変調周波数とは異なる規定の局発周波数であって互いに異なる位相の制御電圧を印加し、前記電荷取出部は、組になる複数個の感光部から得られた異なる位相に対応する信号電荷を一度に取り出すことを特徴とする。
【００１５】
請求項８の発明では、請求項３ないし請求項７の発明において、前記感光部は、不純物を添加した半導体層と、半導体層の主表面に配置された前記制御電極と、半導体層と制御電極との間に介装された絶縁膜とからなり、前記電荷集積部は、制御電極に制御電圧を印加することにより半導体層に形成されるポテンシャル井戸からなることを特徴とする。
【００１６】
請求項９の発明では、請求項８の発明において、前記制御電極は前記半導体層の主表面に複数個配列され、制御電圧を印加する制御電極の個数を時間経過に伴って変化させることを特徴とする。
【００１７】
請求項１０の発明では、請求項９の発明において、複数個の制御電極を組にし、組にした制御電極について制御電圧を印加する制御電極の個数を複数段階に切り換えるとともに、組にした制御電極のうちで制御電圧を印加する制御電極の個数が最小となる保持期間に形成するポテンシャル井戸を前記電荷集積部に用いるとともに、当該ポテンシャル井戸が他の期間である生成期間に形成するポテンシャル井戸よりも浅くなるように制御電圧を設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項１１の発明では、請求項１０の発明において、前記生成期間においては、組にした複数個の前記制御電極のうち前記保持期間において制御電圧を印加する制御電極に対応する部位にもっとも深いポテンシャル井戸が形成されるように制御電圧を設定するとともに、当該制御電極に隣接する制御電極に対応する部位には浅いポテンシャル井戸が形成されるように制御電圧を設定することを特徴とする。
【００１９】
請求項１２の発明では、請求項１０または請求項１２の発明において、前記電荷集積部として用いる前記ポテンシャル井戸を形成する前記制御電極を遮光膜により覆うことを特徴とする。
【００２０】
請求項１３の発明では、請求項３ないし請求項１２の発明において、前記評価部は前記空間に発光源から照射された光と前記感光部で受光した光との位相差を求めることを特徴とする。
【００２１】
請求項１４の発明では、請求項１３の発明において、前記評価部は前記位相差を距離に換算する機能を有することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態では、図１に示す構成の受光素子１を用いる。この受光素子１は、不純物を添加した半導体層１１を備えるとともに、半導体層１１の主表面が酸化膜からなる絶縁膜１２により覆われ、半導体層１１に絶縁膜１２を介して制御電極１３を設けた構成を有する。この受光素子１はＭＩＳ素子として知られた構造であるが、１個の受光素子１として機能する領域に複数個（図示例では５個）の制御電極１３を備える点が通常のＭＩＳ素子とは異なる。絶縁膜１２および制御電極１３は光が透過するように材料が選択され、絶縁膜１２を通して半導体層１１に光が入射すると、半導体層１１の内部に電荷が生成される。図示例の半導体層１１の導電形はｎ形であり、光の照射により生成される電荷としては電子ｅを利用する。
【００２３】
この構造の受光素子１では、制御電極１３に正の制御電圧＋Ｖを印加すると、半導体層１１には制御電極１３に対応する部位に電子ｅを集積するポテンシャル井戸（空乏層）１４が形成される。つまり、半導体層１１にポテンシャル井戸１４を形成するように制御電極１３に制御電圧を印加した状態で光が半導体層１１に照射されると、ポテンシャル井戸１４の近傍で生成された電子ｅの一部はポテンシャル井戸１４に捕獲されてポテンシャル井戸１４に集積され、残りの電子ｅは半導体層１１の深部での再結合により消滅する。また、ポテンシャル井戸１４から離れた場所で生成された電子ｅも半導体層１１の深部での再結合により消滅する。
【００２４】
上述のように、ポテンシャル井戸１４は制御電圧を印加した制御電極１３に対応する部位に形成されるから、制御電圧を印加する制御電極１３の個数を変化させることによって、半導体層１１の主表面に沿ったポテンシャル井戸１４の面積（言い換えると、受光面に占める電荷集積部の面積）を変化させることができる。電荷集積部の面積が変化すれば、半導体層１１において生成された電子ｅのうち電荷集積部に蓄積される割合が変化するから、電荷集積部に蓄積された電荷を信号電荷として外部に取り出すようにすれば、実質的に受光素子１の感度を調節したことになる。つまり、制御電極１３への制御電圧の印加パターンを制御することにより、受光素子１の感度を制御することができる。たとえば、図１（ａ）のように３個の制御電極１３に制御電圧を印加する場合と、図１（ｂ）のように１個の制御電極１３に制御電圧を印加する場合とでは、電荷集積部であるポテンシャル井戸１４が受光面に占める面積が変化するのであって、図１（ａ）の状態のほうがポテンシャル井戸１４の面積が大きいから、図１（ｂ）の状態に比較して同光量に対する信号電荷の割合が大きくなり、実質的に受光素子１の感度を高めたことになる。
【００２５】
上述した受光素子１において電荷集積部であるポテンシャル井戸１４から信号電荷を取り出すには、フレーム転送型のＣＣＤと同様の技術を採用すればよく、ポテンシャル井戸１４に電子ｅが集積された後に、制御電圧の印加パターンを制御することによってポテンシャル井戸１４に集積された電子ｅを一方向（図の右方向または左方向）に転送し、半導体層１１に設けた図示しない電極から電子ｅを取り出すことになる。
【００２６】
受光素子１の各部の動作を機能によって表せば、半導体層１１は光の入射により電子ｅを生成する感光部１ａ（図２参照）および感光部で生成された電子ｅを集積する電荷集積部１ｃ（図２参照）として機能し、制御電極１３は受光中に制御電圧の印加パターンを変化させることによって感度制御部１ｂ（図２参照）として機能する。また、制御電極１３への制御電圧の印加パターンを制御することによって半導体層１１は電荷取出部１ｄ（図２参照）としても機能する。制御電圧の印加パターンを制御する上述の動作によって受光素子１の感度を制御可能とすることにより、受光素子１を用いて図２に示す装置を実現することができる。
【００２７】
図示する装置は強度変調した光が照射されている空間から空間情報を検出する装置である。ここに、空間情報とは物体までの距離や空間に存在する物体での反射による受光量の変化など意味する。受光素子１の出力から空間情報としてどのような情報を抽出するかは評価部３の構成による。本実施形態では、評価部３において、空間に照射されている強度変調された光の元の位相と光電素子１で受光した光との位相差を求め、この位相差から空間に存在する物体５までの距離を求める例を示す。
【００２８】
図２に示す装置は、物体５までの距離を求めようとする空間に光を照射する発光源２と、物体５により反射された光を受光する受光素子１とを備える。発光源２は制御回路部４から出力される所定の変調周波数である変調信号によって駆動され、発光源２から放射される光は変調周波数で強度変調される。発光源２としては、たとえば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものや半導体レーザと発散レンズとを組み合わせたものなどを用いる。制御回路部４では、たとえば２０ＭＨｚの正弦波で発光源２から放射する光を強度変調する。
【００２９】
一方、発光源２からの光を照射した空間からの光は、受光光学系６を通して受光素子１に入射する。受光素子１は図１に示した構造の感光部１ａを複数個（たとえば、１００×１００個）備え、感光部１ａはマトリクス状などに配列されることによりイメージセンサ７を構成する。この種のイメージセンサ７は、たとえば１枚の半導体基板上に感光部１ａをマトリクス状に配列し、感光部１ａのうち垂直方向の各列では一体に連続する半導体層１１を共用するとともに半導体層１１を垂直方向への電荷（電子ｅ）の転送経路として用い、さらに各列の半導体層１１の一端から電子ｅを受け取って水平方向に電子ｅを転送するＣＣＤ型の水平転送部を半導体基板に設ける構成を採用することができる。この構成のイメージセンサ７はフレーム転送型のＣＣＤイメージセンサと類似した構成になる。
【００３０】
受光光学系６はイメージセンサ７の受光面である２次元平面に発光源２からの光を放射した３次元空間をマッピングする。つまり、イメージセンサ７が受光光学系６を通して見る視界内に存在する物体５は感光部１ａに対応付けられる。ここに、物体５に対応した感光部１ａに入射する光の受光強度は発光源２からの光によって強度変調されているから、発光源２から放射された光と感光部１ａで受光した光との位相差を検出すれば、感光部１ａに対応している物体５の各部位までの距離を求めることができる。
【００３１】
図２においては、イメージセンサ７の機能の理解を容易にするために、受光素子１の機能を上述したように感光部１ａと感度制御部１ｂと電荷集積部１ｃと電荷取出部１ｄとに分けて記載している。図２における電荷取出部１ｄは、半導体層１１だけではなくイメージセンサ７の水平転送部も含んでいる。感度制御部１ｂおよび電荷取出部１ｄは、上述のように制御電極１３を共用しており、制御回路部４で生成され制御電圧１３に印加される制御電圧の印加パターンを制御することによって感度の調節および電荷の転送がなされる。
【００３２】
本実施形態では、発光源２から空間に放射した光と感光部１ａにおいて受光した光との位相差を求めるために、発光源２を駆動する変調信号の周期に同期するタイミングで感度制御部１ｂにおける感度の制御を行う例を示す。つまり、感度制御部１ｂにおいて高感度の状態と低感度の状態とを交互に繰り返すのであって、この繰り返し周期を変調信号の周期に同期させるのである。
【００３３】
具体的には、図３に示すように、発光源２から空間に放射する光の強度変化が曲線イであって、感光部１ａでの受光強度の変化が曲線ロであるとすれば、位相差ψを求めるには、曲線ロについて異なる位相での４点における強度を求めればよいことがわかる。たとえば、曲線イについて位相が０度、９０度、１８０度、２７０度である４点のタイミングでの曲線ロにおける受光強度をそれぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とする。ここに、各位相における受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３は、実際には時間幅Ｔｗで示す時間内において入射した光量に比例するものとする。ここで、受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求める間には位相差ψが変化せず、かつ発光から受光までの光の減衰率にも変化がないものとすれば、受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を９０度毎に求めていることから、各受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３と位相差ψとの関係は、次式で表すことができる。
ψ＝ｔａｎ−１｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝
つまり、感度制御部１ｂにおいて上述した受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めるタイミングで時間幅Ｔｗだけ高感度に設定すれば、各タイミングにおいて受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に相当する信号電荷が電荷集積部１ｃに集積されることになる。このようにして得られる４個の信号電荷を信号電荷が得られるたびに電荷取出部１ｄを通して評価部３に取り出すか、あるいは４個の信号電荷を各別の感光部１ａに対応付けておき４個の信号電荷が得られてから電荷取出部１ｄを通して評価部３に取り出すようにすれば、上式から位相差ψを求めることができ、変調周波数と位相差ψとを用いることによって位相差ψを物体５までの距離に換算することができる。
【００３４】
上述した構成では、感光部１ａと電荷集積部１ｃとで半導体層１１を共用しているから、信号電荷を取り出すために感度制御部１ｂを高感度に設定している期間以外であっても、半導体層１１を電荷集積部１ｃとして機能させるために、制御電極１３には感度制御部１ｂが低感度になる状態の制御電圧を印加する必要がある。つまり、電荷集積部１ｃには信号電荷以外の電荷も混入することになる。ただし、低感度である期間には電荷集積部１ｃの面積が小さくなっており、しかも、信号電荷以外の電荷は４個の信号電荷にほぼ均等に混入すると考えられるから、上式のように受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３の差分を求める演算（（Ａ３−Ａ１）と（Ａ０−Ａ２）とを求める演算）によって、信号電荷以外の電荷による成分は外乱光の影響とともに除去される。また、図１（ｂ）のように電荷集積部１ｃの面積を小さくしている期間において信号電荷以外の電荷の混入を抑制するには、この期間における電荷集積部１ｃに対応した制御電極１３の近傍に遮光膜を設ける構成を採用してもよい。
【００３５】
なお、図示例では４個の信号電荷（受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３）を変調信号の１周期内で９０度ごとに得るようにしているが、変調信号に対して信号電荷を取り出すタイミングの位相が規定されていれば９０度ごとに取り出すことは必須ではなく、また４個の信号電荷を取り出す間に位相差ψや光の減衰率に変化が生じないのであれば、変調信号の１周期内で４個の信号電荷を取り出すことも必須ではない。また、発光源２から放射される光を正弦波で変調しているが、三角波あるいは鋸歯状波などの他の波形で強度変調を行ってもよい。さらに、太陽光や照明光のような外乱光の影響があるときには、発光源２から放射される光の波長のみを透過させる光学フィルタを感光部１ａの前に配置するのが望ましい。これらのことは以下の他の実施形態でも同様である。
【００３６】
（第２実施形態）
上述した第１実施形態では、変調信号の周期に同期させて信号電荷を抽出しているから、たとえば、変調周波数が２０ＭＨｚの場合、変調信号の１周期に対する信号電荷の蓄積時間は数十ｎｓ程度と短い。この場合、制御電極１３に印加する制御電圧の波形歪が位相差ψの検出精度に直接影響する。また、発光源２から放射される光の波形歪も位相差ψの検出精度に直接影響する。
【００３７】
そこで、本実施形態では、感度制御部１ｂを変調周波数とは異なる局発周波数で制御することによって、感度制御部１ｂを変調周波数と局発周波数とを混合する混合器として用い、混合結果のビート信号を用いて位相差ψの検出を行う。本実施形態の構成では、制御電圧の波形および変調信号の波形の周期性さえ保たれていれば、波形歪の影響を受けることなく位相差ψの検出が行える。ここに、局発周波数の局発信号は制御回路部４から与えられる。このような構成を採用することによって、電荷集積部１ｃには、感光部１ａにおいて受光した光量に対応する電荷（受光信号に相当）と局発信号との周波数差の包絡線成分を持つ図４のようなビート信号に相当する信号電荷が集積される。ビート信号の周期は変調周波数と局発周波数との周波数差に依存し、たとえば周波数差を３００ｋＨｚ程度に設定すれば、ビート信号の周期は３μｓ程度になる。
【００３８】
物体５までの距離が時間経過とともに変化しなければ、ビート信号の位相は、発光源２から放射された光の位相と、制御回路部４から出力された局発信号の位相と、感光部１ａから出力される受光信号の位相との関係によって決定される。すなわち、変調周波数に相当する角周波数をω１とし、発光源２から放射された光の位相と受光信号の位相との位相差をψとすれば、受光信号の信号強度Ｙ１は次式で表される。ただし、ａ１，ｂ１は定数であって、ａ１は受光信号の振幅に相当し、ｂ１は暗電流や外光（時間変化は無視する）に相当する。
Ｙ１＝ｂ１＋ａ１・ｃｏｓ（ω１・ｔ＋ψ）
また、局発信号の角周波数をω２とすれば、局発信号の信号強度Ｙ２は次式で表される。ただし、ａ２，ｂ２は定数であって、ａ２は局発信号の振幅に相当し、ｂ２は直流バイアスに相当する。
Ｙ２＝ｂ２＋ａ２・ｃｏｓ（ω２・ｔ）
ここで、受光信号と局発信号とを混合した信号は（Ｙ１・Ｙ２）になるから、変調周波数と局発信号の周波数との周波数差に相当する包絡線成分を持つビート信号が得られ、かつ包絡線成分の位相には位相差ψがそのまま反映されることになる。つまり、位相差ψを求めるための信号電荷は、ビート信号の周期に同期するように取り出せばよい。ただし、ビート信号には変調信号による光量の変動成分が含まれているから、信号電荷を取り出すにはビート信号の包絡線成分を取り出すことが必要である。本実施形態では、ビート信号の周期に同期させて図４に示す時間幅Ｔｉにおいて生じた電荷を電荷集積部１ｃに集積する構成を採用している（つまり、時間幅Ｔｉに相当する期間は感度制御部１ｂの感度を局発信号で制御し、他の期間は感度制御部１ｂの感度を低感度にする）。したがって、電荷集積部１ｃでは時間幅Ｔｉにおけるビート信号を積分したことになり、変調信号による変動成分が除去され、ビート信号の包絡線成分に比例した量の信号電荷が電荷集積部１ｃに集積されることになる。言い換えれば、電荷集積部１ｃはビート信号を包絡線検波したことになる。
【００３９】
たとえば、ビート信号の周期に同期する４点（たとえば、０°、９０°、１８０°、２７０°のタイミング）で電荷集積部１ｃに信号電荷を集積させるのであって、各点の信号電荷はそれぞれ時間幅Ｔｉで積分された積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′になる。これらの積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′は第１実施形態における受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３と同様に扱うことができ、次式によって位相差ψを求めることができる。
ψ＝ｔａｎ−１｛（Ａ３′−Ａ１′）／（Ａ０′−Ａ２′）｝
本実施形態では、ビート信号の周期に同期させて求めた４個の積分値を用いて位相差ψを求めるから、変調周波数および局発周波数を周波数誤差が生じないように管理すれば、発光源２から放射した光と同期させることなく局発信号を生成しても位相差ψを求めることができる。
【００４０】
上述したように、位相差ψを求めるにあたって、変調周波数に比較すると十分に低周波数であるビート信号を用い、しかもビート信号の積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を用いるから、暗電流や外光などによるノイズ成分に対してＳＮ比を十分に大きくとることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、ビート信号の１周期内においてビート信号の１／４周期毎に４個の積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を求めているが、ビート信号に対する位相が規定されていれば、積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を求めるタイミングは１／４周期毎であることは必須ではなく、またビート信号の１周期内である必要もない。他の構成および動作は第１実施形態と同様である。
【００４２】
（第３実施形態）
第２実施形態では、位相差ψを求めるための４個の積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を異なるタイミングで取り出しているが、本実施形態は複数個の積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を同時に取り出すことを可能としたものである。本実施形態では、ビート信号において互いに位相が１８０度異なる（つまり、逆位相）の２個ずつの積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を同時に求める例を示す。
【００４３】
２個ずつの積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を同時に求めるために、本実施形態では２個１組の感光部１ａにより１画素を形成するとともに、制御回路部４において互いに逆位相である２種類の局発信号を生成し組になる２個の感光部１ａに対応した感度制御部１ｂに互いに逆位相の局発信号を与える。２種類の局発信号は逆位相ではあるが局発周波数は等しく設定される。このように逆位相の局発信号を感度制御部１ｂに与えることによって、各感度制御部１ｂの出力として得られるビート信号は互いに逆位相になる。
【００４４】
ここでは、図５に示すように、組にした２個の感光部１ａにそれぞれ３個ずつの制御電極１３を設けているものとする。以下の説明では、１画素の各制御電極１３を区別するために、図５に示すように、各制御電極１３に（１）〜（６）の数字を付与して区別する。すなわち、組になる２個の感光部１ａのうちの一方は制御電極（１）〜（３）を備え、他方は制御電極（４）〜（６）を備える。なお、１画素ずつの感光部１ａに対応付けて、それぞれオーバフロードレインを設けるのが望ましい。
【００４５】
第１実施形態において説明したように、感度制御部１ｂでは受光面に占めるポテンシャル井戸１４の面積を変化させるのであって、２個１組で１画素となる感光部１ａの制御電極１３に逆位相の局発信号を与えることは、隣接する一対の感光部１ａに対応してそれぞれ形成するポテンシャル井戸１４の面積を大小２段階で交互に切り換えることに相当する。
【００４６】
つまり、図５（ａ）のように、制御電極（１）〜（３）に対応するポテンシャル井戸１４の面積を大きくするには１画素内の一方の感光部１ａに対応した３個の制御電極（１）〜（３）のすべてに同電圧である制御電圧を印加し、この期間には他方の感光部１ａに対応した３個の制御電極（４）〜（６）のうちの中央の制御電極（５）にのみ電圧を印加してポテンシャル井戸１４の面積を小さくする。言い換えると、制御電極（１）〜（３）に対応する領域は感度制御部１ｂを高感度に設定した状態であり、制御電極（４）〜（６）に対応する領域では受光による新たな電荷（電子ｅ）はほとんど生成されない。この状態では、位相差ψを求めるために用いる４区間の積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′のうち、積分値Ａ０′または積分値Ａ２′に相当する電荷（電子ｅ）をポテンシャル井戸１４に集積することができる。
【００４７】
また、図５（ｂ）のように、制御電極（４）〜（６）に対応するポテンシャル井戸１４の面積を大きくするには１画素内の一方の感光部１ａに対応した３個の制御電極（４）〜（６）のすべてに同電圧である制御電圧を印加し、この期間には他方の感光部１ａに対応した３個の制御電極（１）〜（３）のうちの中央の制御電極（２）にのみ電圧を印加してポテンシャル井戸１４の面積を小さくする。つまり、制御電極（４）〜（６）に対応する領域は感度制御部１ｂを高感度に設定した状態になり、制御電極（１）〜（３）に対応する領域では受光による新たな電荷はほとんど生成されない。この状態では、位相差ψを求めるために用いる４区間の積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′のうち、積分値Ａ１′または積分値Ａ３′に相当する電荷（電子ｅ）をポテンシャル井戸１４に蓄積することができる。
【００４８】
図５（ａ）と図５（ｂ）との両状態は、積分値Ａ０′，Ａ１′を求めることができる期間内および積分値Ａ２′，Ａ３′を求めることができる期間内において交互に繰り返される。つまり、図４に示した積分値Ａ０′を求める期間内において図５（ａ）の状態と図５（ｂ）の状態とを交互に繰り返すことによって、積分値Ａ０′と積分値Ａ１′とに相当する信号電荷が各感光部１ａに対応したポテンシャル井戸１４に蓄積され、また、図４における積分値Ａ２′を求める期間内において図５（ａ）の状態と図５（ｂ）の状態とを交互に繰り返すことによって、積分値Ａ２′と積分値Ａ３′とに相当する信号電荷が感光部１ａに対応した各ポテンシャル井戸１４に蓄積される。
【００４９】
本実施形態では、図５（ａ）の状態と図５（ｂ）の状態とのいずれにおいても各３個の制御電極（１）〜（３）または（４）〜（６）に同時に印加する電圧と、１個の制御電極（２）または（５）のみに印加する電圧とは略等しく設定してある。
【００５０】
上述のようにして図５（ａ）の状態で積分値Ａ０′に相当する信号電荷が制御電極（１）〜（３）に対応するポテンシャル井戸１４に蓄積されるとともに、図５（ｂ）の状態で積分値Ａ１′に相当する信号電荷が制御電極（４）〜（６）に対応するポテンシャル井戸１４に蓄積されると、これらの積分値Ａ０′，Ａ１′を外部に一旦取り出す。次に、図５（ａ）の状態で積分値Ａ２′に相当する信号電荷を制御電極（１）〜（３）に対応するポテンシャル井戸１４に蓄積するとともに、図５（ｂ）の状態で積分値Ａ３′に相当する信号電荷を制御電極（４）〜（６）に対応するポテンシャル井戸１４に蓄積し、これらの積分値Ａ２′，Ａ３′を外部に取り出す。このような動作を繰り返すことによって、４区間の積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′に相当する信号電荷を２回の読出動作で得ることができ、これらの信号電荷を用いて位相差ψを求めることが可能になる。
【００５１】
上述した制御では、１画素を形成する２個の感光部１ａの一方に対応するポテンシャル井戸１４の面積を大きくしている期間において、他方に対応する部位では信号電荷を保持するためにポテンシャル井戸１４の面積を小さくしている。要するに、２個の感光部１ａの一方は主として電荷を生成する生成期間となり、他方は主として電荷を保持する保持期間となる。ここに、保持期間であって面積が小さいポテンシャル井戸１４においても受光による電荷が生成されているから、積分値Ａ０′，Ａ１′に相当する信号電荷を保持している電荷集積部１ｃには積分値Ａ２′，Ａ３′に相当する信号電荷の一部が混入し、積分値Ａ２′，Ａ３′に相当する信号電荷を保持している電荷集積部１ｃには積分値Ａ０′，Ａ１′に相当する信号電荷の一部が混入することになる。このように、信号電荷に対して目的外の電荷が混在するから雑音成分が生じるものの、雑音成分は信号電荷の量に比較すると少ない上に信号電荷に対して略一定の割合で混在し、しかも位相差ψを求める際の減算処理（（Ａ３′−Ａ１′）と（Ａ０′−Ａ２′））によってほぼ除去されるから、位相差ψを求める際には雑音成分の影響は低減される。他の構成および動作は第２実施形態と同様である。
【００５２】
（第４実施形態）
第３実施形態では、各３個の制御電極（１）〜（３）または（４）〜（６）に同時に印加する制御電圧と、１個の制御電極（２）または（５）のみに印加する制御電圧とを略等しく設定していたから、ポテンシャル井戸１４の面積には変化が生じるものの、大面積のポテンシャル井戸１４と小面積のポテンシャル井戸１４とのいずれについても深さは略等しくなっている。
【００５３】
本実施形態は、図６に示すように、第３実施形態と基本的な構成は同様であるが、各３個の制御電極（１）〜（３）または（４）〜（６）に同時に印加する制御電圧が、１個の制御電極（２）または（５）にのみ印加する制御電圧よりも低くなるように設定し、小面積のポテンシャル井戸１４の深さを大面積のポテンシャル井戸１４の深さよりも小さく設定した点に特徴がある。たとえば、大面積のポテンシャル井戸１４を形成する際に各３個の制御電極（１）〜（３）または（４）〜（６）に同時に印加する電圧を７Ｖとすれば、小面積のポテンシャル井戸１４を形成する際に１個の制御電極（２）または（５）にのみ印加する電圧を３Ｖなどと設定する。このように、主として電荷（電子ｅ）を生成しているポテンシャル井戸１４を電荷を保持するポテンシャル井戸１４よりも深くすることにより、制御電圧を印加していない制御電極（１）（３）または（４）（６）に対応する部位で生じた電荷は、深いほうのポテンシャル井戸１４に流れ込みやすくなり、結果的に電荷を保持するポテンシャル井戸１４に流れ込む雑音成分を第３実施形態よりも低減することができる。他の構成および動作は第３実施形態を同様である。
【００５４】
（第５実施形態）
本実施形態は、図７に示すように、第４実施形態の構成に加えて、各感光部１ａに対応する各３個の制御電極（１）〜（３）または（４）〜（６）のうちの中央の制御電極（２）または（５）に遮光膜１５を重ねたものである。つまり、感光部１ａにおいて遮光膜１５に覆われる部位では電荷（電子ｅ）がほとんど生成されないから、電荷を保持するための小面積のポテンシャル井戸１４に対応する部位では感光部１ａでの電荷がほとんど発生せず、信号電荷の保持中に雑音成分となる電荷が混入する可能性を大幅に低減することができる。さらに、本実施形態では、電荷を生成している大面積のポテンシャル井戸１４に対応する部位では各３個の制御電極（１）〜（３）または（４）〜（６）のうち中央の制御電極（２）または（５）に印加する電圧を両側の制御電極（１）（３）または（４）（６）に印加する電圧よりも高くしてある。制御電極（１）〜（６）に印加する電圧をこのような関係とすることによって、感光部１ａのうち制御電極（１）（３）（４）（６）に対応する部位で生成された電荷が制御電極（２）（５）に対応する部位に流れ込んで蓄積されることになる。
【００５５】
ところで、図６に示す第４実施形態では、電荷を生成している生成期間において、制御電極（１）〜（３）または（４）〜（６）に対応する部位に形成されるポテンシャル井戸１４が一定の深さであるのに対して、図７に示すように、本実施形態では、電荷を生成している生成期間に形成されるポテンシャル井戸１４は、制御電極（１）（３）または（４）（６）に対応する部位が、制御電極（２）または（５）に対応する部位よりも浅い階段状になっている。
【００５６】
したがって、図６に示した第４実施形態では、電荷を生成する状態（生成期間）と電荷を保持する状態（保持期間）とを数ｎｓ以下の短時間で切り換えたとすると、電荷を生成している生成期間において制御電極（１）（３）または（４）（６）に対応する部位で生成された電荷の一部が、電荷を保持する保持期間において制御電極（２）または（５）に対応する部位に移動することなく取り残されるおそれがある。その結果、取り残された電荷は隣りの感光部１ａに対応して形成されるポテンシャル井戸１４に流れ込み、隣接する電荷集積部１ｃ（ポテンシャル井戸１４）の間で信号電荷が混合される可能性がある。つまり、信号電荷に含まれる雑音成分が多くなる。
【００５７】
これに対して、本実施形態のように階段状のポテンシャル井戸１４が形成されるように制御することによって、制御電極（１）（３）または（４）（６）に対応する部位で生成された電荷（電子ｅ）は発生と同時に制御電極（２）または（５）に対応する部位に移動する。すなわち、電荷を生成する生成期間と電荷を保持する保持期間とを数ｎｓ以下の短時間で切り換えた場合であっても、隣接する感光部１ａに対応して形成される電荷集積部１ｃ（ポテンシャル井戸１４）の間で信号電荷が混合される可能性が少なくなる。なお、ポテンシャル井戸１４を階段状に形成する技術は遮光膜１５の有無にかかわらず採用可能である。他の構成および動作は第３実施形態と同様である。
【００５８】
第３実施形態ないし第５実施形態では、感光部１ａごとに３個ずつの制御電極１３を対応付けているが、制御電極１３を４個以上設けるようにしてもよい。さらに、組にした制御電極１３について制御電圧を印加する制御電極１３の個数を１個と３個との２段階に切り換えるようにしているが、３段階以上に切り換えることも可能である。また、互いに逆位相である局発信号を異なる感光部１ａの感度制御部１ｂに与える構成を採用しているが、たとえば９０度ずつ位相の異なる局発信号を互いに異なる４個の感光部１ａに与える構成とすれば、４区間の積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を同時に求めることも可能である。
【００５９】
ところで、第３実施形態ないし第５実施形態は、第２実施形態と同様に局発信号を感度制御部１ｂに与える構成を採用しているが、組になる複数個の感光部１ａに対して変調信号に同期した異なる位相に対応する信号電荷を与える構成を採用してもよい。たとえば、４個の感光部１ａを組にしている場合に、各感光部１ａに対応した電荷集積部１ｃには、変調信号の周期に同期して異なる位相の受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に相当する信号電荷が集積される。要するに、複数個の感光部１ａに対応する電荷集積部１ｃに各位相の信号電荷を振り分けて集積する。このようにして複数個の電荷集積部１ｃに集積した複数個の信号電荷を電荷取出部１ｄにおいて一括して取り出すようにすれば、第１実施形態と同様に、受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に相当する信号電荷に基づいて位相差ψを求めることができる。
【００６０】
上述した各実施形態において用いたイメージセンサ７は、２次元配列であることを想定しているが、１次元配列であってもよく、また第１実施形態や第２実施形態では感光部１ａを１個だけ設ける構成としてもよい。また、評価部３として位相差ψを求めるとともに距離を求める例を説明したが、評価部３は必ずしも距離を求めるものに限らず、位相差ψのみを求める構成や積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′に基づいて空間に関する他の情報を評価するものであってもよい。
【００６１】
さらに、上述した構成例では電荷集積部１ｃの面積を変化させるために複数個の制御電極１３を設けるとともに、制御電極１３への制御電圧の印加パターンを変化させる構成を採用しているが、感光部１ａにおける半導体層１１の不純物濃度について受光面に沿って制御電極１３からの距離に応じた分布を付与し、制御電極１３に印加する電圧を制御することによっても電荷集積部１ｃの面積を変化させることが可能である。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１の発明は、受光強度に対応する量の電荷を発生する感光部に設けた制御電極への制御電圧の印加により感光部に形成される電荷集積部を備える受光素子について、感光部の受光面に沿った面内での電荷集積部の面積が変化するように制御電極への制御電圧を変化させるので、受光素子において受光光量に応じて電荷を生成する部位の面積が制御電圧に応じて変化し、感光部で生成された電荷のうち電荷集積部を通して信号電荷として外部に取り出される割合を制御電圧によって調節することができる。さらに、感光部に対応する電荷集積部を設け、電荷集積部の面積を感光部に設けた制御電極への制御電圧に応じて変化させるから、感光部の面内で感度の制御および電荷の集積が可能であって、感光部とは別領域にスイッチ領域および記憶領域を設ける従来構成に比較すると構造が簡単になるという利点があり、しかも、感度の制御および電荷の集積を行う機能を備えながらも遮光することなく使用可能であるから、受光面積を比較的大きくとることができて開口率が大きく、結果的に信号電荷を高いＳ／Ｎで取り出すことが可能になる。
【００６３】
請求項２の発明では、１つの感光部に複数個の制御電極が設けられ、電荷集積部の面積を変化させるにあたって制御電圧を印加する制御電極の個数を変化させるから、制御電圧を印加する制御電極を選択するだけで電荷集積部の面積を変化させることができ実現が容易である。
【００６４】
請求項３の発明は、受光強度に対応する量の電荷を発生する感光部に設けた制御電極への制御電圧の印加により感光部に形成される電荷集積部を備える受光素子について、感光部の受光面に沿った面内での電荷集積部の面積が変化するように制御電極への制御電圧を変化させるので、受光素子において受光光量に応じて電荷を生成する部位の面積が制御電圧に応じて変化し、感光部で生成された電荷のうち電荷集積部を通して信号電荷として外部に取り出される割合を制御電圧によって調節することができる。また、強度変調光が照射されている空間からの光を受光素子で受光するとともに受光素子の感度を調節することで空間に関する情報を含んだ信号電荷を取り出すことが可能になる。さらに、感光部に対応する電荷集積部を設け、電荷集積部の面積を感光部に設けた制御電極への制御電圧に応じて変化させるから、感光部の面内で感度の制御および電荷の集積が可能であって、感光部とは別領域にスイッチ領域および記憶領域を設ける従来構成に比較すると構造が簡単になるという利点があり、しかも、感度の制御および電荷の集積を行う機能を備えながらも遮光することなく使用可能であるから、受光面積を比較的大きくとることができて開口率が大きく、結果的に信号電荷を高いＳ／Ｎで取り出すことが可能になる。
【００６５】
請求項４の発明は、変調信号の周期に同期するタイミングで制御電圧を変化させるから、既知の変調信号と受光素子で受光した光との関係によって種々の空間情報を得ることが可能になる。
【００６６】
請求項５の発明は、変調周波数とは異なる規定の局発周波数で制御電圧を変化させることによって変調周波数と局発周波数との周波数差のビート信号を生成するから、変調周波数よりも低周波であるビート信号により空間情報を評価することができる。
【００６７】
請求項６の発明は、変調信号に同期した異なる位相に対応する信号電荷を組になる複数個の感光部において個別に検出し、各感光部に対応した電荷集積部に各位相ごとの信号電荷を集積するから、複数の位相に対応した信号電荷を１個の感光部を共用して検出する場合のように各位相の信号電荷を得るたびに電荷集積部に信号電荷を取り出す必要がなく、必要な個数の信号電荷が得られた後に電荷集積部に一括して信号電荷を取り出すことができる。つまり、感光部から電荷集積部への信号電荷の取出頻度を低減することができる。
【００６８】
請求項７の発明では、組になる複数個の感光部に対応して得られたビート信号の異なる位相に対応する信号電荷を一度に取り出すことができるから、ビート信号の複数の位相に対応した信号電荷を短時間で得ることができ、空間に関する情報を応答性よく検出することが可能になる。さらに、ビート信号に同期させて取り出した信号電荷を用いて空間に関する情報を評価するから、取り出した信号電荷は変調周波数の複数周期分の信号電荷を積算したものに相当し、発光源を駆動する信号波形の歪や空間への外光量の時間変化に伴う歪などによって感光部で受光した光の波形に歪みが生じたとしても、評価に用いる積分値にはほとんど影響がなく、空間情報の検出精度が波形形状に依存する構成に比較すると高い精度で空間情報を検出することが可能になるという効果がある。
【００６９】
請求項８の発明は、ＭＩＳ構造の受光素子であって半導体層を感光部と電荷集積部とに兼用した簡単な構造としながらも、感度の制御が可能になる。
【００７０】
請求項９の発明は、半導体層の主表面に複数個の制御電極を備えるとともに、制御電圧を印加する制御電極の個数を変化させることによって感度を調節するから、制御電圧を印加する制御電極を選択するだけで電荷集積部の面積を変化させることができ実現が容易である。
【００７１】
請求項１０の発明は、保持期間において電荷集積部として機能するポテンシャル井戸について他の期間である生成期間において形成するポテンシャル井戸よりも浅くなるように制御電圧を設定しているので、他の領域で生成されている電荷が電荷集積部に流れ込みにくく、信号電荷への雑音成分の混入が少ないという利点がある。
【００７２】
請求項１１の発明では、生成期間においてポテンシャル井戸を階段状に形成するから、生成期間において浅いポテンシャル井戸に対応して生成された電荷は生成とほぼ同時に深いポテンシャル井戸に流れ込み、生成期間から保持期間に以降した時点では、生成期間における浅いポテンシャル井戸に対応して生成された電荷を深いポテンシャル井戸において保持することができる。つまり、隣接する感光部においてそれぞれ生成される電荷が互いに他の感光部に対応した電荷蓄積部に流れ込む可能性が低減され、隣接する感光部に対応して生成された信号電荷が混合されにくくなるという利点がある。
【００７３】
請求項１２の発明では、電荷集積部に用いるポテンシャル井戸を形成する制御電極を遮光膜により覆うから、電荷集積部として機能するポテンシャル井戸の近傍では光の入射に伴う電荷の生成が少なく、信号電荷への雑音成分の混入が少ないという利点がある。
【００７４】
請求項１３の発明では、発光源から照射した光と感光部で受光した光との位相差を求めるから、空間情報として位相差によって表される情報、たとえば物体までの距離を求めることが可能になる。
【００７５】
請求項１４の発明は、位相差を距離に換算するから、上述した各請求項の効果を持つ測距装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態の基本となる原理説明図である。
【図２】本発明の各実施形態における装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態の原理説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態の原理説明図である。
【図５】本発明の第３実施形態の動作説明図である。
【図６】本発明の第４実施形態の動作説明図である。
【図７】本発明の第５実施形態の動作説明図である。
【符号の説明】
１  受光素子
１ａ  感光部
１ｂ  感度制御部
１ｃ  電荷集積部
１ｄ  電荷取出部
２  発光源
３  評価部
４  制御回路部
１１  半導体層
１２  絶縁膜
１３  制御電極
１４  ポテンシャル井戸
【図１】
2004309310.tif 000003
【図２】
2004309310.tif 000004
【図３】
2004309310.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004309310.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004309310.tif 000009