(57)【要約】【課題】強度変調した光を用い発光側と受光側との位相差を求める際に受光側において高速に応答する素子を用いることなく空間に関する情報を検出する。【解決手段】発光源１は所定の発光周波数で強度変調された光を空間に放射する。イメージセンサ５は、前記空間からの光を受光し受光強度に対応する信号レベルの受光信号を出力する複数個の光電変換部３を備える。各光電変換部３から出力される受光信号は、周波数変換部６において発光周波数とは異なる周波数の局発信号と混合され、発光周波数よりも低周波であるビート信号を出力する。ビート信号は積分器７により積分され、積分器７から得られる積分値を用いて前記空間に関する情報が検出される。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の発光周波数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電気出力を生成する光電変換部と、光電変換部で生成された電気出力に発光周波数とは異なる規定の局発周波数の局発信号を出力する局部発振回路と、前記電気出力に局発信号を混合することにより光電変換部から出力される電気出力を発光周波数よりも低周波数であるビート信号に周波数変換する感度制御部と、ビート信号を規定のタイミングで積分する積分器と、積分器の出力により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２】
前記積分器は前記ビート信号において位相の間隔が既知である複数区間の積分値をそれぞれ求め、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光電変換部で受光した光との位相差を前記複数区間の積分値から求めることを特徴とする請求項１記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項３】
前記感度制御部は前記光電変換部と前記積分器との間に挿入された半導体スイッチにより構成されて成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項４】
前記光電変換部は前記電気出力として受光強度に対応する量の電荷を生成し、前記積分器は、光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を信号電荷として蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を発光周波数と局発周波数との周波数差のビート信号に同期させて取り出す電荷取出部とからなり、前記感度制御部は、光電変換部で生成された電荷のうち電荷蓄積部に移動する割合を前記局発周波数で変調する機能を有することを特徴とする請求項１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】
前記電荷蓄積部は前記ビート信号において位相の間隔が既知である複数区間で前記信号電荷をそれぞれ蓄積し、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光電変換部で受光した光との位相差を前記複数区間の信号電荷から求めることを特徴とする請求項４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】
前記感度制御部は、前記光電変換部と前記電荷蓄積部との間に設けられ光電変換部から電荷蓄積部への電荷の通過量を調節する蓄積用ゲート部からなることを特徴とする請求項４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】
前記感度制御部は、前記光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を不要電荷として廃棄する電荷廃棄部からなることを特徴とする請求項４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】
前記感度制御部は、光電変換部と前記電荷蓄積部との間に設けられ光電変換部から電荷蓄積部への電荷の通過量を調節する蓄積用ゲート部と、前記光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を不要電荷として廃棄する電荷廃棄部とからなることを特徴とする請求項４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】
前記光電変換部が複数個設けられ、前記電荷蓄積部が、光電変換部とは別に設けられ各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部をそれぞれ信号電荷として蓄積する領域を各光電変換部ごとに設けたゲート電極に対応する部位に形成するＣＣＤであり、前記電荷取出部が、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を転送して外部に取り出すＣＣＤであって、各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を外部信号により一括して廃棄するオーバーフロードレインからなる電荷廃棄部を光電変換部と電荷蓄積部と電荷取出部とともに１枚の半導体基板に備えたＣＣＤイメージセンサを用い、前記感度制御部が、ゲート電極と電荷廃棄部との少なくとも一方からなることを特徴とする請求項４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】
前記光電変換部が複数個設けられ、前記電荷蓄積部が、光電変換部と兼用され各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部をそれぞれ信号電荷として蓄積する領域を光電変換部ごとに受光面に設けたゲート電極に対応する部位に形成するＣＣＤであり、前記電荷取出部が、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を転送して外部に取り出すＣＣＤであって、各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を外部信号により一括して廃棄するオーバーフロードレインからなる電荷廃棄部を光電変換部と電荷蓄積部と電荷取出部とともに１枚の半導体基板に備えたＣＣＤイメージセンサを用い、前記感度制御部が、ゲート電極と電荷廃棄部との少なくとも一方からなることを特徴とする請求項４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】
前記光電変換部のうち信号電荷を蓄積する領域付近と電荷の生成に関与しない領域とに遮光膜を設けた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】
前記感度制御部は前記ゲート電極からなり、前記ゲート電極に印加する電圧が前記局発周波数で変調されることを特徴とする請求項９または請求項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１３】
前記感度制御部は前記電荷廃棄部からなり、前記電荷廃棄部に与える外部信号が前記局発周波数で変調されることを特徴とする請求項９または請求項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１４】
前記感度制御部は前記ゲート電極および前記電荷廃棄部からなり、前記ゲート電極に印加する電圧と前記電荷廃棄部に与える外部信号とがそれぞれ前記局発周波数で変調されることを特徴とする請求項９または請求項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１５】
前記光電変換部のうち１つの画素を構成する複数個の光電変換部を組にし、組になる複数個の光電変換部にそれぞれ対応する前記感度制御部は同じ局発周波数かつ互いに異なる位相の局発信号で変調され、前記電荷取出部は組になる複数個の光電変換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を特徴とする請求項４記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１６】
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光電変換部で受光した光との位相差を前記ビート信号の異なる位相に対応する複数の信号電荷から求めることを特徴とする請求項１５記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１７】
前記電荷蓄積部が、光電変換部とは別に設けられ各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部をそれぞれ信号電荷として蓄積する領域を各光電変換部ごとに設けたゲート電極に対応する部位に形成するＣＣＤであり、前記電荷取出部が、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を転送して外部に取り出すＣＣＤであって、各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を外部信号により各光電変換部ごとに廃棄するオーバーフロードレインからなる複数個の電荷廃棄部を光電変換部と電荷蓄積部と電荷取出部とともに１枚の半導体基板に備えたＣＣＤイメージセンサを用い、前記感度制御部が、ゲート電極と電荷廃棄部との少なくとも一方からなることを特徴とする請求項１５記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１８】
前記電荷蓄積部が、光電変換部と兼用され各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部をそれぞれ信号電荷として蓄積する領域を各光電変換部ごとに受光面に設けたゲート電極に対応する部位に形成するＣＣＤであり、前記電荷取出部が、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を転送して外部に取り出すＣＣＤであって、各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を外部信号により各光電変換部ごとに廃棄するオーバーフロードレインからなる複数個の電荷廃棄部を光電変換部と電荷蓄積部と電荷取出部とともに１枚の半導体基板に備えたＣＣＤイメージセンサを用い、前記感度制御部が、ゲート電極と電荷廃棄部との少なくとも一方からなることを特徴とする請求項１５記載の強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【請求項１９】
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２または請求項５または請求項１６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、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することによって空間に関する各種情報を検出する強度変調光を用いた空間情報の検出装置。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、強度変調した光を発光源から空間に照射するとともに、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、発光源から放射した光と光電変換部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技術が知られている。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技術としては、発光源から空間に照射した強度変調された光と光電変換部で受光した光との位相差を求める技術が知られており、このような位相差を求める技術は光子の飛行時間を求めることになるからタイムオブフライト法もしくは飛行時間法と呼ばれている。
【０００３】
ところで、タイムオブフライト法では、発光源から放射した光と光電変換部で受光した光との位相差を求めるから、発光源から放射される光を所定の発光周波数で強度変調しておき、光電変換部では発光周波数の逆数である変調周期よりも短い時間内で受光強度を複数回検出することが考えられている。すなわち、発光源から放射される光の強度をたとえば正弦波で変調し、変調時の特定の位相に対する光電変換部での受光強度を検出するのであって、変調周期内で受光強度を４回求め、４個の受光強度を用いて位相差を求めている。
【０００４】
いま、発光側において図３１の曲線イのように光が強度変調され、光電変換部での受光強度が図３１の曲線ロのように変化したとする。ここで、曲線イの位相が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とする。ただし、各位相における受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３は、現状の技術では各位相における瞬間の時刻の入射光だけに対応する受光強度ではなく、たとえば図に時間幅Ｔｗで示すような時間内の入射光に対応する受光強度になる。ここで、変調周期内では位相差ψが変化せず、かつ発光から受光までの光の減衰率（図では減衰については無視している）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＝ａｒｃｔａｎ｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝
（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特表平１０−５０８７３６号公報（第７−９頁、図１、図４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように変調周期内の４点で受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めることによって位相差ψを求める技術は物体までの距離を求める技術として適用可能である。このときの検知可能な最大距離は強度変調を行う正弦波の半波長程度になる。つまり、光の伝播速度をｃ〔ｍ／ｓ〕とし、変調周期をＴ〔ｓ〕、検知可能な最大距離をＬ〔ｍ〕とすれば、Ｌ＝ｃ・（Ｔ／２）であって、検知可能な最大距離Ｌに対して変調周期Ｔは、Ｔ＝２Ｌ／ｃと表すことができる。光の伝播速度は一般に３．０×１０８　〔ｍ／ｓ〕であるから、たとえば検知可能な最大距離を３〔ｍ〕に設定するには、変調周期を２０×１０−９〔ｓ〕＝２０〔ｎｓ〕にしなければならない。
【０００７】
上述のように変調周期内の４点で受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めるには、変調周期の１／４周期ごとに受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を検出しなければならないから、光電変換部の出力から各点の受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を切り出して取り込むには、数〔ｎｓ〕程度の周期ごとに１〔ｎｓ〕程度の時間幅Ｔｗで受光強度Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を切り出すためのスイッチングが必要になる。つまり、スイッチングを行うための素子には応答の高速性が要求される。
【０００８】
さらに、上述した構成では発光源から放射した光の変調周期内で受光強度Ａ１，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めているから、発光源を駆動する信号波形の歪、空間への外光量の時間変化に伴う歪などによって、光電変換部で受光した光の波形に歪みが生じていると、受光強度Ａ１，Ａ１，Ａ２，Ａ３から位相差ψを正確に求めることができなくなり測定精度の低下をまねくことになる。
【０００９】
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、空間に強度変調した光を照射し受光側で評価することにより空間に関する情報を検出するに際して、受光側における素子の応答に高速性を要求することなく空間に関する情報を高精度で求めることができるように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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、所定の発光周波数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電気出力を生成する光電変換部と、光電変換部で生成された電気出力に発光周波数とは異なる規定の局発周波数の局発信号を出力する局部発振回路と、前記電気出力に混合することにより光電変換部から出力される電気出力を発光周波数よりも低周波数であるビート信号に周波数変換する感度制御部と、ビート信号を規定のタイミングで積分する積分器と、積分器の出力により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２の発明では、請求項１の発明において、前記積分器は前記ビート信号において位相の間隔が既知である複数区間の積分値をそれぞれ求め、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光電変換部で受光した光との位相差を前記複数区間の積分値から求めることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記感度制御部は前記光電変換部と前記積分器との間に挿入された半導体スイッチにより構成されて成ることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明では、請求項１の発明において、前記光電変換部は前記電気出力として受光強度に対応する量の電荷を生成し、前記積分器は、光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を信号電荷として蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を発光周波数と局発周波数との周波数差のビート信号に同期させて取り出す電荷取出部とからなり、前記感度制御部は、光電変換部で生成された電荷のうち電荷蓄積部に移動する割合を前記局発周波数で変調する機能を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記電荷蓄積部は前記ビート信号において位相の間隔が既知である複数区間で前記信号電荷をそれぞれ蓄積し、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光電変換部で受光した光との位相差を前記複数区間の信号電荷から求めることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明では、請求項４の発明において、前記感度制御部は、前記光電変換部と前記電荷蓄積部との間に設けられ光電変換部から電荷蓄積部への電荷の通過量を調節する蓄積用ゲート部からなることを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明では、請求項４の発明において、前記光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を不要電荷として廃棄する電荷廃棄部からなることを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明では、請求項４の発明において、前記感度制御部は、光電変換部と前記電荷蓄積部との間に設けられ光電変換部から電荷蓄積部への電荷の通過量を調節する蓄積用ゲート部と、前記光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を不要電荷として廃棄する電荷廃棄部とからなることを特徴とする。
【００１８】
請求項９の発明では、請求項４の発明において、前記光電変換部が複数個設けられ、前記電荷蓄積部が、光電変換部とは別に設けられ各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部をそれぞれ信号電荷として蓄積する領域を各光電変換部ごとに設けたゲート電極に対応する部位に形成するＣＣＤであり、前記電荷取出部が、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を転送して外部に取り出すＣＣＤであって、各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を外部信号により一括して廃棄するオーバーフロードレインからなる電荷廃棄部を光電変換部と電荷蓄積部と電荷取出部とともに１枚の半導体基板に備えたＣＣＤイメージセンサを用い、前記感度制御部が、ゲート電極と電荷廃棄部との少なくとも一方からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項１０の発明では、請求項４の発明において、前記光電変換部が複数個設けられ、前記電荷蓄積部が、光電変換部と兼用され各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部をそれぞれ信号電荷として蓄積する領域を光電変換部ごとに受光面に設けたゲート電極に対応する部位に形成するＣＣＤであり、前記電荷取出部が、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を転送して外部に取り出すＣＣＤであって、各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を外部信号により一括して廃棄するオーバーフロードレインからなる電荷廃棄部を光電変換部と電荷蓄積部と電荷取出部とともに１枚の半導体基板に備えるＣＣＤイメージセンサを用い、前記感度制御部が、ゲート電極と電荷廃棄部との少なくとも一方からなることを特徴とする。
【００２０】
請求項１１の発明では、請求項１０の発明において、前記光電変換部のうち信号電荷を蓄積する領域付近と電荷の生成に関与しない領域とに遮光膜を設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１２の発明では、請求項９または請求項１０の発明において、前記感度制御部は前記ゲート電極からなり、前記ゲート電極に印加する電圧が前記局発周波数で変調されることを特徴とする。
【００２２】
請求項１３の発明では、請求項９または請求項１０の発明において、前記感度制御部は前記電荷廃棄部からなり、前記電荷廃棄部に与える外部信号が前記局発周波数で変調されることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４の発明では、請求項９または請求項１０の発明において、前記感度制御部は前記ゲート電極および前記電荷廃棄部からなり、前記ゲート電極に印加する電圧と前記電荷廃棄部に与える外部信号とがそれぞれ前記局発周波数で変調されることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５の発明では、請求項４の発明において、前記光電変換部のうち１つの画素を構成する複数個の光電変換部を組にし、組になる複数個の光電変換部にそれぞれ対応する前記感度制御部は同じ局発周波数かつ互いに異なる位相の局発信号で変調され、前記電荷取出部は組になる複数個の光電変換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を特徴とする。
【００２５】
請求項１６の発明では、請求項１５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光電変換部で受光した光との位相差を前記ビート信号の異なる位相に対応する複数の信号電荷から求めることを特徴とする。
【００２６】
請求項１７の発明では、請求項１５の発明において、前記電荷蓄積部が、光電変換部とは別に設けられ各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部をそれぞれ信号電荷として蓄積する領域を各光電変換部ごとに設けたゲート電極に対応する部位に形成するＣＣＤであり、前記電荷取出部が、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を転送して外部に取り出すＣＣＤであって、各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を外部信号により各光電変換部ごとに廃棄するオーバーフロードレインからなる複数個の電荷廃棄部を光電変換部と電荷蓄積部と電荷取出部とともに１枚の半導体基板に備えたＣＣＤイメージセンサを用い、前記感度制御部が、ゲート電極と電荷廃棄部との少なくとも一方からなることを特徴とする。
【００２７】
請求項１８の発明では、請求項１５の発明において、前記電荷蓄積部が、光電変換部と兼用され各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部をそれぞれ信号電荷として蓄積する領域を各光電変換部ごとに受光面に設けたゲート電極に対応する部位に形成するＣＣＤであり、前記電荷取出部が、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を転送して外部に取り出すＣＣＤであって、各光電変換部で生成された電荷の少なくとも一部を外部信号により各光電変換部ごとに廃棄するオーバーフロードレインからなる複数個の電荷廃棄部を光電変換部と電荷蓄積部と電荷取出部とともに１枚の半導体基板に備えたＣＣＤイメージセンサを用い、前記感度制御部が、ゲート電極と電荷廃棄部との少なくとも一方からなることを特徴とする。
【００２８】
請求項１９の発明では、請求項２または請求項５または請求項１６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。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下の各実施形態では、強度変調された発光源からの光と光電変換部において受光した光との位相差を用いて距離を計測する測距装置に本発明の技術を用いる例を説明するが、距離の測定に限らず、強度変調された光の元の位相と光電変換部で受光した光の位相差を求めることが必要である装置であれば本発明の技術思想を適用可能である。
【００３０】
（第１実施形態）
本実施形態は、図１に示すように、空間に光を放射する発光源１を備え、発光源１から放射される光は発光制御部２によって所定の発光周波数で強度変調される。発光源１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。発光制御部２では、たとえば２０ＭＨｚの正弦波で発光源１から放射する光を強度変調する。
【００３１】
一方、前記空間からの光を受光レンズ４を通して受光する複数個の光電変換部３が設けられる。各光電変換部３は受光強度に対応する電気出力を生成する（つまり、受光強度に対応する信号レベルの受光信号をそれぞれ出力する）ものであり、たとえば１００×１００個がマトリクス状に配列されることによってイメージセンサ５を構成する。イメージセンサ５の受光面である２次元平面には発光源１から光を放射した３次元空間が受光レンズ４を通してマッピングされる。つまり、イメージセンサ５が受光レンズ４を通して見る視界内に存在する物体Ｏｂは光電変換部３に対応付けられる。したがって、物体Ｏｂに対応した光電変換部３に入射する光の受光強度は、発光源１からの光によって強度変調されており、発光源１から放射された光と光電変換部３で受光した光との位相差を検出すれば、光電変換部３に対応している物体Ｏｂの各部位までの距離を求めることができる。
【００３２】
各光電変換部３から出力される受光信号は感度制御部としての周波数変換部６に入力され、周波数変換部６では出力信号の周波数が発光周波数よりも低周波数になるように周波数変換を行う。つまり、周波数変換部６は、光電変換部３からの受光信号と後述するクロック生成部８から出力される局発信号とを混合することによって、図２に示すように、発光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を出力する。このように、クロック生成部８が局部発振回路として機能する。
【００３３】
物体Ｏｂ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１から放射された光の位相と、局部発振回路から出力される局発信号の位相と、光電変換部３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、発光周波数に相当する角周波数をω１とし、発光源１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、発光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。言い換えると、受光信号における位相差ψに相当する時間に対してビート信号における位相差ψに相当する時間は、（ビート信号の周期）／（変調周期）倍になる。したがって、発光周波数と局発信号の周波数との周波数差を比較的小さくすれば、従来構成に比較して位相差ψに相当する時間を大幅に引き延ばすことができる。たとえば、発光周波数が２０ＭＨｚであるとすれば１周期は５０ｎｓになるから位相差ψを検出するには、受光信号の強度を５０ｎｓよりも短い時間（従来構成であれば５０ｎｓの４分の１以下の時間）でサンプリングする必要があるが、上述した構成を採用すればビート信号の１周期を、図２に示すように、たとえば３０００ｎｓ程度に引き延ばすことができ、ビート信号から位相差ψを求めることによって検出精度の向上が期待できる。
【００３４】
ビート信号から位相差ψを求めるには、従来技術において用いていた発光源１からの光の変調周期内の受光強度に代えて、図２に示すように、ビート信号の１周期内での受光強度を用いればよい。つまり、位相の間隔が既知である複数回のタイミングでビート信号について一定の積分期間Ｔｉごとの積分値を求め、ビート信号の１周期内で求めた複数個の積分値を用いて位相差ψを求める。図示例では、ビート信号の１周期内において９０°ずつの位相の間隔のタイミング（たとえば、０°、９０°、１８０°、２７０°のタイミング）で積分値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求めている。求めた積分値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を従来技術と同様に次式に代入すれば位相差ψが得られる。
ψ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝
上述のようにビート信号の１周期内の複数個の積分値を用いて位相差ψを求めるから、発光周波数および局発周波数を実質的に周波数誤差が生じないように管理すれば、発光源１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。つまり、図１に示すように、周波数変換部６から出力されたビート信号は積分器７に入力され、積分器７での積分のタイミングおよび積分期間Ｔｉを決めるためにクロック生成部８から出力されるクロック信号に同期してビート信号の１／４周期毎に積分され、ビート信号の１／４周期毎の積分信号が距離演算部９に入力される。距離演算部９は積分器７からビート信号の１／４周期毎に入力される積分値から位相差ψを求める評価部を含み、評価部は求めた位相差ψを物体Ｏｂまでの距離に換算する。
【００３５】
上述した例では積分のタイミングをビート信号の１／４周期毎でビート信号の１周期において４回に設定しているが、ビート信号において積分値を求める回数は適宜に設定することが可能であり、また積分のタイミングについても位相の間隔が既知であれば等間隔である必要はなく、１周期内である必要もない。
【００３６】
上述したように、位相差ψを求めるにあたって、発光周波数に比較すると十分に低周波数にすることができるビート信号を用い、しかもビート信号の積分値を用いるから、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上に、受光信号から位相差ψを直接求める場合に比較すると時間の計時精度が同じであるとしても相対的に位相差ψの検出精度が向上する。なお、上述の例では発光源１から放射される光の強度変調を正弦波で行っているが、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。また発光源１から放射する光は可視光線に限らず赤外線などを用いることも可能である。なお、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１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光電変換部３の前に配置するのが望ましい。このことは以下の他の実施形態でも同様である。
【００３７】
（第２実施形態）
第１実施形態では、光電変換部３と周波数変換部６と積分器７とを独立した形で記載したが、イメージセンサ５として以下の構成を備えるものを用いることによって、光電変換部３と周波数変換部６と積分器７とをイメージセンサ５に一体化することができる。すなわち、イメージセンサ５の各画素を、基本的には図３に示すように、受光強度に応じた量の電荷を電気出力として生成する（つまり、受光信号として生成する）フォトダイオードのような光電変換部３と、光電変換部３で生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部としての記憶セル７ａと、光電変換部３と記憶セル７ａとの間に設けられ受光信号に相当する電荷の通過量を調節する蓄積用ゲート部６ａとにより構成し、さらにイメージセンサ５には各記憶セル７ａに蓄積された電荷を外部に取り出す電荷取出部としての転送回路１０を設ける。
【００３８】
蓄積用ゲート部６ａは第１実施形態において説明したクロック生成部８から出力される局発信号によりスイッチングされ、蓄積用ゲート部６ａが局発信号でスイッチングされることにより受光信号と局発信号とのビート信号に相当する量の電荷が記憶セル７ａに蓄積される。つまり、イメージセンサ５の外部に設けたクロック生成部８から発生する局発信号で蓄積用ゲート部６ａをスイッチングすることにより、ビート信号に相当する信号電荷が記憶セル７ａに蓄積される。要するに、蓄積用ゲート部６ａとクロック生成部８とにより周波数変換部６が構成される。あるいはまた、光電変換部３と電荷蓄積部としての記憶セル７ａの間に設けられた蓄積用ゲート部６ａを局発信号で制御することにより、光電変換部３から記憶セル７ａへの電荷の通過量を調節する構成であるから、蓄積用ゲート部６ａは、光電変換部３で生成した電荷に対して電荷蓄積部に信号電荷として移動させる電荷の割合を決める感度制御部として機能していると言える。
【００３９】
上述のようにして記憶セル７ａは、蓄積用ゲート部６ａがオンである期間に光電変換部３で生成された電荷を信号電荷として蓄積するから、第１実施形態の積分器７として機能する。ここに、上述したように積分器７の出力はビート信号の１周期内で複数回読み出すことが必要であるから、転送回路１０では各記憶セル７ａにそれぞれ格納されている積分値をビート信号の周期に基づいて設定した適宜の時間毎に読み出す。転送回路１０により記憶セル７ａから読み出された積分値は距離演算部９に転送される。距離演算部９では、第１実施形態において説明した演算を行うことにより、発光源１から放射された光と光電変換部３で受光した光との位相差ψを求め、この位相差ψにより物体Ｏｂまでの距離を求めて距離画像を出力する。
【００４０】
ところで、光電変換部３は入射光の受光強度に応じた量の電荷を生成する機能が必要であるから、光電変換部３としてはフォトダイオードまたは光電変換機能を有するＭＯＳキャパシタを用いる。一方、記憶セル７ａにはＭＯＳキャパシタを用い、外光が入射しないように遮光する。記憶セル７ａとなるＭＯＳキャパシタは、電荷を個別に取り出す構成とＣＣＤとする構成とのどちらでも採用することが可能である。記憶セル７ａとしてＣＣＤを用いる場合には、蓄積用ゲート部６ａとして光電変換部３から記憶セル７ａに電荷を転送するためのシフトゲートを用いる。また、蓄積用ゲート部６ａとしてバイポーラトランジスタあるいはＭＯＳＦＥＴのような一般的な半導体スイッチを用いることもできる。蓄積用ゲート部６ａとしてシフトゲートあるいは半導体スイッチを用いるときには、蓄積用ゲート部６ａは外光が入射しないように遮光される。蓄積用ゲート部６ａには光電変換部３と一体であるＭＯＳ型素子（ＭＯＳキャパシタのバイアスを制御するもの、あるいはＭＯＳトランジスタなど）を用いてもよい。この場合には蓄積用ゲート部６ａは遮光されずに外光が入射することになる。なお、イメージセンサ５は１次元と２次元とのいずれの構成を採用してもよい。
【００４１】
転送回路１０は記憶セル７ａの構成に応じて適宜に構成される。たとえば、複数個の記憶セル７ａがＣＣＤを構成する場合には、ＣＣＤを読出パルスで駆動することにより各記憶セル７ａの電荷を出力端に順に読み出すようにすればよい。また、各記憶セル７ａの電荷を個別に取り出す場合には、ＭＯＳイメージセンサと同様に個々の記憶セル７ａと出力端との間に記憶セル選択用の半導体スイッチであるＭＯＳトランジスタを挿入し、各ＭＯＳトランジスタを順にオンオフさせることによって各記憶セル７ａの電荷を出力端に順に読み出すようにすればよい。
【００４２】
各記憶セル７ａの電荷を個別に取り出す場合の具体例を図４に示す。図示例では複数個の光電変換部３が水平方向（図の横方向）と垂直方向（図の縦方向）とにそれぞれ複数個ずつ配列された２次元マトリクス状の配列になっており、各光電変換部３に対応する記憶セル７ａにはそれぞれＭＯＳトランジスタからなる垂直制御用の半導体スイッチＳｖのドレインが接続される。水平方向に一列に並ぶ光電変換部３に対応する半導体スイッチＳｖのゲートは水平信号線Ｌｖに共通に接続され、各一列ごとに共通接続された半導体スイッチＳｖのゲートは垂直制御用のシフトレジスタＳＲｖに接続される。シフトレジスタＳＲｖは各一列を順に選択するように半導体スイッチＳｖを一列ずつ択一的にオンにする。一方、垂直方向に一列に並ぶ光電変換部３に対応する半導体スイッチＳｖのソースは垂直信号線Ｌｈに共通に接続され、各一列ごとに共通接続された半導体スイッチＳｖのソースにはそれぞれＭＯＳトランジスタからなる水平制御用の半導体スイッチＳｈのドレインが接続される。各半導体スイッチＳｈのゲートは水平制御用のシフトレジスタＳＲｈに接続され、シフトレジスタＳＲｈは各半導体スイッチＳｈを順に択一的にオンにする。各半導体スイッチＳｈのソースは出力線Ｌｏに共通接続される。
【００４３】
したがって、シフトレジスタＳＲｖによって水平方向に並ぶ一列の半導体スイッチＳｖを選択した状態で、シフトレジスタＳＲｈによって水平方向に並ぶ半導体スイッチＳｈを順にオンにすれば、水平方向に並ぶ一列の光電変換部３に対応した記憶セル７ａの電荷を信号線に読み出すことができる。次に、シフトレジスタＳＲｖによって次列で水平方向に並ぶ一列の半導体スイッチＳｖを選択した状態で、シフトレジスタＳＲｈによって水平方向に並ぶ半導体スイッチＳｈを順にオンにすれば、次列の光電変換部３に対応した記憶セル７ａの電荷を信号線に読み出すことができる。このような動作を繰り返すことによって、各記憶セル７ａに蓄積された信号電荷を順に読み出すことができる。上述の動作から明らかなようにシフトレジスタＳＲｈ、ＳＲｖは、各記憶セル７ａが択一的に出力端に接続されるように半導体スイッチＳｈ，Ｓｖのオンオフを制御する制御手段として機能する。他の構成および動作は第１実施形態と同様である。
【００４４】
（第３実施形態）
以下に説明する実施形態では、オーバーフロードレインを備えるＣＣＤイメージセンサをイメージセンサ５として用いる例を説明する。
【００４５】
本実施形態では、縦型オーバーフロードレインを備えるインターライン転送型ＣＣＤをイメージセンサ５に用いる例を説明する。この種のイメージセンサ５としては市場に供されているものを用いることができる。
【００４６】
イメージセンサ５は、図５に示すように、光電変換部としてのフォトダイオード２１を水平方向と垂直方向とに複数個ずつ（図示例では３×４個）配列した２次元イメージセンサであって、垂直方向に配列したフォトダイオード２１の各列の右側方に垂直転送ＣＣＤからなる垂直転送部２２を備え、垂直転送部２２の下方に水平転送ＣＣＤからなる水平転送部２３を備える。垂直転送部２２は各フォトダイオード２１ごとに２個ずつのゲート電極２２ａ，２２ｂを備え、水平転送部２３は各垂直転送部２２ごとに２個ずつのゲート電極２３ａ，２３ｂを備える。垂直転送部２２は４相駆動を行い、水平転送部２３は２相駆動を行うことによって、水平転送部２３では垂直転送部２２から１水平ラインごとの信号電荷を取り出し、１水平ラインごとの信号電荷を外部に出力する。この種の駆動技術はＣＣＤの分野において周知であるから、ここでは詳しく説明しない。
【００４７】
フォトダイオード２１と垂直転送部２２と水平転送部２３とは１枚の基板２０上に形成され、基板２０にはアルミニウム電極であるオーバーフロー電極２４が絶縁膜を介さずに直接接触するように設けられる。つまり、基板２０がオーバーフロードレインとして機能する。オーバーフロー電極２４は、基板２０の表面においてフォトダイオード２１と垂直転送部２２と水平転送部２３との全体を囲むように形成される。基板２０の表面はフォトダイオード２１に対応する部位を除いて後述する遮光膜２６（図６参照）により覆われる。
【００４８】
イメージセンサ５について、さらに具体的に説明するために、１個のフォトダイオード２１に関連する部分を切り出して図６に示す。本実施形態では、基板２０としてｎ形半導体を用い、基板２０の主表面にはフォトダイオード２１と垂直転送部２２とに跨る領域にｐ形半導体からなるｐウェル３１を形成している。ｐウェル３１は、フォトダイオード２１に対応する領域よりも垂直転送部２２に対応する領域の厚み寸法を大きく形成してある。ｐウェル３１のうちフォトダイオード２１に対応する領域にはｎ＋形半導体層３２を重ねて設けてあり、ｐウェル３１とｎ＋形半導体層３２とのｐｎ接合によってフォトダイオード２１が形成される。フォトダイオード２１の表面にはｐ＋形半導体からなる表面層３３を積層してある。表面層３３はフォトダイオード２１で生成された電荷を垂直転送部２２に移動させる際に、ｎ＋形半導体層３２の表面付近が電荷の通過経路にならないように制御する目的で設けてある。すなわち、フォトダイオード２１の表面であるｎ＋形半導体層３２の表面は結晶性が悪いから熱励起によって電子−正孔対が発生しやすく、電子−正孔対が発生すると暗電流が生じてＳ／Ｎ比が低下する。そこで、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制するために、表面層３３を形成してフォトダイオード２１で生成された電荷がｎ＋形半導体層３２の表面を通らないようにしているのである。このような構造は、埋込フォトダイオードとして知られている。
【００４９】
ｐウェル３１のうち垂直転送部２２に対応する領域にはｎ形半導体からなる蓄積転送層３４を重ねて設けてある。蓄積転送層３４の表面と表面層３３の表面とは略同一平面であって、蓄積転送層３４の厚み寸法は表面層３３の厚み寸法よりも大きくしてある。つまり、ｎ＋形半導体層３２の厚み方向の上部は蓄積転送層３４の厚み方向の下部とは上下方向において重複することになる。ただし、ｎ＋形半導体層３２と蓄積転送層３４との間には、表面層３３と不純物濃度が等しいｐ＋形半導体からなる分離層３５が介在する。蓄積転送層３４の表面には、絶縁膜２５を介してゲート電極２２ａ，２２ｂが配置される。ゲート電極２２ａ，２２ｂは１個のフォトダイオード２１に対して２個ずつ設けられ、垂直方向において２個のゲート電極２２ａ，２２ｂのうちの一方は他方よりも広幅に形成される。具体的には、図７のように、１個のフォトダイオード２１に対応する２個のゲート電極２２ａ，２２ｂのうち狭幅のゲート電極２２ｂは平板状に形成されており、広幅のゲート電極２２ａは、幅狭のゲート電極２２ｂと同一平面上に配列され一対のゲート電極２２ｂの間に配置される平板状の部分と、平板状の部分の垂直方向における両端部からそれぞれ延長されゲート電極２２ｂの上に重複する湾曲した部分とを備える。ここに、絶縁膜２５はＳｉＯ２　により形成され、またゲート電極２２ａ，２２ｂはポリシリコンにより形成され、各ゲート電極２２ａ，２２ｂは絶縁膜２５を介して互いに絶縁されている。さらに、フォトダイオード２１に光を入射させる部位を除いてイメージセンサ５の表面は遮光膜２６により覆われる。ｐウェル３１において垂直転送部２２に対応する領域および蓄積転送層３４は垂直転送部２２の全長に亘って形成され、したがって、蓄積転送層３４には広幅のゲート電極２２ａと狭幅のゲート電極２２ｂとが交互に配列されることになる。
【００５０】
次に、上述したイメージセンサ５を駆動する技術について説明する。上述したイメージセンサ５では、フォトダイオード２１に光が入射すればフォトダイオード２１において電荷が生成される。また、垂直転送部２２ではフォトダイオード２１で生成された電荷が引き渡されると、ゲート電極２２ａ，２２ｂへの印加電圧を制御することによって、電荷を蓄積したり電荷を転送したりすることが可能になる。つまり、ゲート電極２２ａ，２２ｂは蓄積用ゲートとして機能する。フォトダイオード２１で生成された電荷のうち垂直転送部２２に引き渡される電荷の割合は、ゲート電極２２ａ，２２ｂへの印加電圧に応じて蓄積転送層３４に形成されるポテンシャル井戸の深さおよびポテンシャル井戸を形成する時間に応じて変化する。また、オーバーフロー電極２４に適宜の電圧Ｖｓを印加すれば、フォトダイオード２１で生成された電荷は基板２０を通して廃棄されるから、オーバーフロー電極２４への印加電圧および電圧を印加する時間を制御することによっても、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち垂直転送部２２に引き渡される電荷の割合を変化させることができる。つまり、基板２０が電荷廃棄部として機能する。
【００５１】
すなわち、フォトダイオード２１では受光した光量に対応する量の電荷が生成されるから光電変換部として機能し、ゲート電極２２ａ，２２ｂとオーバーフロー電極２４との少なくとも一方への印加電圧を制御することによってフォトダイオード２１において生成された電荷のうち信号電荷として垂直転送部２２に移動させる割合を調節することができるから、ゲート電極２２ａ，２２ｂとオーバーフロー電極２４（つまりは、電荷廃棄部としての基板２０）との少なくとも一方を感度制御部として機能させることが可能になる。要するに、ゲート電極２２ａ，２２ｂとオーバーフロー電極２４とのいずれについても、フォトダイオード２１において生成した電荷のうち信号電荷とする割合を制御することができるから、感度を調節するように機能させることになり、局発信号に相当する電圧をゲート電極２２ａ，２２ｂとオーバーフロー電極２４との少なくとも一方に印加することによって、感度制御部として機能させることが可能になる。さらに、垂直転送部２２は個々のゲート電極２２ａ，２２ｂに対応する部位にポテンシャル井戸を形成することができ、ポテンシャル井戸には信号電荷を蓄積することができるから、ポテンシャル井戸が電荷蓄積部に相当する。垂直転送部２２に蓄積された電荷はゲート電極２２ａ，２２ｂおよびゲート電極２３ａ，２３ｂに印加する電圧の大きさおよびタイミングを制御することによって取り出されるから、垂直転送部２２および水平転送部２３は電荷取出部として機能する。
【００５２】
以下では、フォトダイオード２１で生成され垂直転送部２２に移動する電荷の量を調節するにあたって、オーバーフロー電極２４への印加電圧を制御する例を説明する。フォトダイオード２１で生成された電荷がどのように移動するかを説明するために、図６中の破線Ｌ１に沿った電子のポテンシャルを図８に示す。すなわち、図８における中央部はフォトダイオード２１に相当する領域、左部は基板２０に相当する領域、右部は垂直転送部２２に相当する領域をそれぞれ示す。また、オーバーフロー電極２４に電圧を印加していない状態では、フォトダイオード２１と基板２０との間にはｐウェル３１によるポテンシャル障壁Ｂ１が形成され、フォトダイオード２１と垂直転送部２２との間には分離層３５によるポテンシャル障壁Ｂ２が形成される。ポテンシャル障壁Ｂ１，Ｂ２を破線で示しているのは、これらのポテンシャル障壁Ｂ１，Ｂ２の高さが可変であるからである。つまり、ゲート電極２２ａ，２２ｂへの印加電圧によってポテンシャル障壁Ｂ２の高さを制御することができ、オーバーフロー電極２４への印加電圧によってポテンシャル障壁Ｂ１の高さを制御することができる。なお、図８において、白丸内に−を付した図形は電子ｅを示している。
【００５３】
ところで、オーバーフロー電極２４に適宜のタイミングで電圧を印加することによって電子シャッタとして機能させる技術は従来から知られており、オーバーフロー電極２４に印加する電圧を制御し基板２０に印加する電圧を比較的高電圧に設定すれば、フォトダイオード２１で生成された電荷を廃棄電荷として廃棄することが可能である。言い換えると、オーバーフロー電極２４に印加する電圧を調節することにより、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち廃棄電荷とする割合を調節することができ、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち垂直転送部２２に移動する電荷の割合が調節されるから、結果的に感度を調節したことになる。そこで、本実施形態では、オーバーフロー電極２４に局発信号に相当する電圧を印加し局発信号により感度を調節しているのであって、フォトダイオード２１で生成した電荷のうち垂直転送部２２に移動させる電荷の割合を局発信号で変調することにより、実質的に、フォトダイオード２１から出力される受光信号（つまり、フォトダイオード２１で生成された電気出力）をクロック生成部８からの局発信号と混合して周波数変換したことになる。
【００５４】
また、垂直転送部２２は蓄積転送層３４に絶縁膜２５を介してゲート電極２２ａ，２２ｂを配置しているから、垂直転送部２２ではゲート電極２２ａ，２２ｂへの電圧を印加すれば、蓄積転送部３４にポテンシャル井戸を形成して電荷を蓄積するキャパシタが形成されるのであって、ポテンシャル井戸２７の深さおよび幅で決まる容量の範囲内での積分が可能になる。
【００５５】
ゲート電極２２ａとオーバーフロー電極２４とに対する電圧の印加状態と、フォトダイオード２１で生成された電荷の移動との関係を図９に示す。図９（ａ）はゲート電極２２ａに比較的高い正電圧を印加することにより分離層３５によるポテンシャル障壁Ｂ２を取り除き、蓄積転送部３４にポテンシャル井戸２７を形成した状態であって、オーバーフロー電極２４にはポテンシャル障壁Ｂ１が形成されるように比較的低い電圧を印加する。つまり、ポテンシャル障壁Ｂ１が存在することによって、フォトダイオード２１で生成された電荷（電子ｅ）は基板２０に移動できない状態であって、この間には廃棄電荷は生じない。この状態では、フォトダイオード２１で生成された電荷のうちポテンシャル井戸２７の容量範囲内の電荷は、図９（ａ）に矢印で示すように、すべて信号電荷として垂直転送部２２に移動する。
【００５６】
一方、図９（ｂ）は図９（ａ）のようにゲート電極２２ａに比較的高い正電圧を印加した状態で、オーバーフロー電極２４にも比較的高い正電圧を印加した状態であって、基板２０のポテンシャルを垂直転送部２２のポテンシャルよりも低くなるようにオーバーフロー電極２４への印加電圧を設定してある。この状態では、ｐウェル３１によるポテンシャル障壁Ｂ１が取り除かれるから、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち一部は信号電荷として垂直転送部２２に移動するものの、残りは図９（ｂ）に矢印で示すように基板２０を通して廃棄電荷として廃棄されることになる。つまり、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち信号電荷となる割合が図９（ａ）の状態よりも低減するから、実質的に感度が低下したことになる。ここに、信号電荷と廃棄電荷との割合つまり感度は、ゲート電極２２ａとオーバーフロー電極２４とに印加する電圧の大小関係によって決まるのであって、ポテンシャルのより低いほうにより多くの電荷（電子）が移動することになる。なお、図９（ａ）の状態で垂直転送部２２に移動した電荷はポテンシャル井戸２７に蓄積されているから、図９（ｂ）の状態において基板２０に移動することはない。
【００５７】
垂直転送部２２に蓄積された信号電荷を読み出すには、図９（ｃ）のように、ポテンシャル障壁Ｂ１，Ｂ２が生じるように、ゲート電極２２ａとオーバーフロー電極２４とに印加する電圧を引き下げる。このように、ポテンシャル障壁Ｂ１，Ｂ２を形成することによって、フォトダイオード２１から垂直転送部２２への電荷の流入を防止し、かつ垂直転送部２２からフォトダイオード２１への電荷の流出を防止する。この状態で、ゲート電極２２ａ，２２ｂに４相クロックＶ１〜Ｖ４を与えるとともに、ゲート電極２３ａ，２３ｂに２相クロックＶＨ１，ＶＨ２を与えることによって垂直転送部２２に蓄積された信号電荷を読み出すことができる。垂直転送部２２に蓄積された信号電荷は、上述した４区間の積分値Ａ０〜Ａ３のうちの各１区間の積分値が求められるたびに読み出される。たとえば、積分値Ａ０に相当する信号電荷が各フォトダイオード２１に対応して形成されるポテンシャル井戸２７に蓄積されると信号電荷を読み出し、次に積分値Ａ１に相当する信号電荷がポテンシャル井戸２７に蓄積されると再び信号電荷を読み出すという動作を繰り返す。なお、各積分値Ａ０〜Ａ３を蓄積する期間（つまり、クロック信号の個数）は等しく設定しておくのはもちろんのことである。また、各積分値Ａ０〜Ａ３を読み出す順序は上述の例に限定されるものではなく、積分値Ａ０の次に積分値Ａ２を求めるなどとしてもよい。
【００５８】
本実施形態の構成では、感度を制御するためにオーバーフロー電極２４に印加する電圧を制御しており、垂直転送部２２に設けたゲート電極２２ａ，２２ｂへの印加電圧を制御する場合に比較すると容量成分による応答の遅れが生じないから、局発周波数を比較的高く設定することが可能になる。その結果、発光周波数を比較的高く設定することが可能であって、強度変調の周期を短くすることによって比較的小さい距離の計測が可能になる。なお、本実施形態では基板２０に設けたオーバーフロー電極２４の印加電圧を制御しているが、縦型オーバーフロードレインの制御にあたっては基板２０の上に設けたｐウェル２１に印加する電圧を制御してもよい。この点は以下の他の実施形態でも同様である。他の構成および動作は第２実施形態と同様である。
【００５９】
（第４実施形態）
本実施形態は、第３実施形態と同様の構成であって、ゲート電極２２ａとオーバーフロー電極２４とに印加する電圧をともに制御することにより、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち蓄積転送部３４に信号電荷として移動させる割合を制御するものである。図１０（ａ）はゲート電極２２ａに比較的高い正電圧を印加することにより分離層３５によるポテンシャル障壁Ｂ２を取り除き、蓄積転送部３４にポテンシャル井戸２７を形成した状態であって、オーバーフロー電極２４にはポテンシャル障壁Ｂ１が形成されるように比較的低い電圧を印加する。つまり、ポテンシャル障壁Ｂ１が存在することによって、フォトダイオード２１で生成された電荷（電子ｅ）は基板２０に移動できない状態であって、この間には廃棄電荷は生じない。この状態では、フォトダイオード２１で生成された電荷のうちポテンシャル井戸２７の容量範囲内の電荷は、図１０（ａ）に矢印で示すように、すべて信号電荷として垂直転送部２２に移動する。
【００６０】
一方、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のようにゲート電極２２ａに比較的低い正電圧を印加するとともに、オーバーフロー電極２４には比較的高い正電圧を印加した状態であって、基板２０のポテンシャルを垂直転送部２２のポテンシャルよりも低くなるようにオーバーフロー電極２４への印加電圧を設定してある。この状態では、ｐウェル３１によるポテンシャル障壁Ｂ１が取り除かれるのに対して、分離層３５によるポテンシャル障壁Ｂ２が形成されるから、フォトダイオード２１で生成された電荷の大部分は図１０（ｂ）に矢印で示すように基板２０を通して廃棄電荷として廃棄されることになる。つまり、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち信号電荷となる割合が図１０（ａ）の状態よりも低減するから、実質的に感度が低下したことになる。
【００６１】
本実施形態では、上述した図１０（ａ）（ｂ）の状態を交互に繰り返すのであって、信号電荷と廃棄電荷との割合つまり感度は、ゲート電極２２ａとオーバーフロー電極２４とに印加する電圧の大小関係と時間の比率とによって決まる。上述のように本実施形態では、ゲート電極２２ａに対応する領域に信号電荷の積分値Ａ０〜Ａ４を蓄積することができないから、ゲート電極２２ｂに対応する領域に積分値Ａ０〜Ａ４を蓄積することになる。他の構成および動作は第２実施形態と同様である。
【００６２】
（第５実施形態）
本実施形態では、市場に供されている横型オーバーフロードレインを備えるインターライン転送型ＣＣＤをイメージセンサ５に用いる例を示す。
【００６３】
本実施形態に用いるイメージセンサ５は、図１１に示すように、垂直方向に配列したフォトダイオード２１の各列の左側方にｎ形半導体からなるオーバーフロードレイン４１を設けてある。図示例ではフォトダイオード２１を水平方向に３個並べるとともに垂直方向に４個並べているから、オーバーフロードレイン４１は３列であり、各オーバーフロードレイン４１の上端同士は、左右方向に配置したアルミニウム電極であるオーバーフロー電極２４を介して接続してある。垂直転送部２２および水平転送部２３は第３実施形態において用いたイメージセンサ５と同様の機能を有する。
【００６４】
１個のフォトダイオード２１に関連する部分を切り出した図１２を用いてイメージセンサ５の構造を説明する。本実施形態ではｐ形半導体の基板４０を用いており、基板４０の主表面においてフォトダイオード２１に対応する領域には、基板４０とともにフォトダイオード２１を形成するｎ＋形半導体層４２が重ねて形成され、基板４０の主表面において垂直転送部２２に対応する領域にはｎ形半導体からなる蓄積転送層４４が重ねて形成されている。ｎ＋形半導体層４２と蓄積転送層４４との間にはｐ＋形半導体からなる分離層４５ａが形成され、ｎ＋形半導体層４２に対して蓄積転送層４４とは反対側にはｐ＋形半導体からなる分離層４５ｂを介してオーバーフロードレイン４１が設けられる。ｎ＋形半導体層４２と両分離層４５ａ，４５ｂとに跨る部位の表面には、フォトダイオード２１で生成された電荷を垂直転送部２２に移動させる際に、ｎ＋形半導体層４２の表面付近を電荷が通らないように制御する目的で、不純物濃度が分離層４５ａ，４５ｂと等しいｐ＋形半導体からなる表面層４３を積層してある。蓄積転送層４４の表面と表面層４３の表面とオーバフロードレイン４１の表面とは略同一平面になっている。また、オーバーフロードレイン４１はｎ＋形半導体層４２よりも深い位置まで基板４０内に入り込んでいる。
【００６５】
蓄積転送層４４の表面には、絶縁膜２５を介してゲート電極２２ａ，２２ｂが配置される。ゲート電極２２ａ，２２ｂは１個のフォトダイオード２１に対して２個ずつ設けられ、垂直方向において２個のゲート電極２２ａ，２２ｂのうちの一方は他方よりも広幅に形成される。さらに、フォトダイオード２１に光を入射させる部位を除いてイメージセンサ５の表面は遮光膜２６により覆われる。これらの構造については第３実施形態に用いたイメージセンサ５と同様である。
【００６６】
本実施形態の動作は第３実施形態と同様であって、図１２の破線Ｌ２に沿った電子のポテンシャルを示している図１３および図１４を図８および図９と比較すればわかるように、フォトダイオード２１において生成された電荷を廃棄する電荷廃棄部が、第３実施形態では基板２０であったのに対して本実施形態ではオーバーフロードレイン４１である点のみ相違する。
【００６７】
本実施形態においてイメージセンサ５として用いた横型オーバーフロードレインを備えるインターライン転送型ＣＣＤのフォトダイオード２１に用いるｎ＋形半導体層４２は、第３実施形態において用いた縦型オーバーフロードレインを備えるインターライン転送型ＣＣＤのフォトダイオード２１を構成するｎ＋形半導体層３２に比較すると深さ寸法を大きくとることが可能になる。つまり、縦型オーバーフロードレインを設ける場合にはフォトダイオード２１を基板２０の上に形成する必要があったのに対して、横型オーバーフロードレインを設ける場合には基板４０がフォトダイオード２１を形成する一方の半導体層になるから、全体の厚み寸法に対して深さ方向におけるｎ＋形半導体層４２の割合を大きくとることが可能になるのである。このように、フォトダイオード２１を形成するｎ＋形半導体層４２の深さ寸法を大きくとることができるから、オーバーフロードレイン４１がフォトダイオード２１に並設されることによって受光面積が第３実施形態よりも減少するものの、第３実施形態に比較すると近赤外線に対する感度が高くなるという利点が生じる。他の構成および機能は第３実施形態と同様である。
【００６８】
（第６実施形態）
本実施形態は、イメージセンサ５として、市場に供されている縦型オーバーフロードレインを備えるフレーム転送型ＣＣＤを用いるものである。
【００６９】
イメージセンサ５は、図１５に示すように、光電変換部であるフォトダイオード２１を水平方向と垂直方向とに複数個ずつ（図示例では４×４個）配列した２次元イメージセンサであって、垂直方向に配列したフォトダイオード２１を垂直転送ＣＣＤとして機能させる撮像部Ｄ１を備え、さらに光電変換機能を持たない垂直転送ＣＣＤをフォトダイオード２１の各列に垂直方向において連続して形成した蓄積部Ｄ２を備える。また、蓄積部Ｄ２における垂直転送ＣＣＤの各列の下端に電荷取出部となる水平転送ＣＣＤからなる水平転送部２３を設けてある。本実施形態では、フォトダイオード２１と垂直転送ＣＣＤとがともに電荷を蓄積しかつ電荷を垂直方向に転送する機能を有するのであって、撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２とが電荷蓄積部として機能する。
【００７０】
各フォトダイオード２１はそれぞれ垂直方向に配列された３個のゲート電極２１ａ〜２１ｃを受光面に備え、蓄積部Ｄ２における垂直転送ＣＣＤの各列は各フォトダイオード２１に設けた３個のゲート電極２１ａ〜２１ｃと同様の配列を有する３個のゲート電極２８ａ〜２８ｃを組にして備える。図示例では垂直方向の１列について４個のフォトダイオード２１に対して２組６個のゲート電極２８ａ〜２８ｃを設けてある。また、水平転送部２３は、第３実施形態と同様に、蓄積部Ｄ２の各列ごとに２個ずつのゲート電極２３ａ，２３ｂを備える。フォトダイオード２１に設けたゲート電極２１ａ〜２１ｃは６相クロックＶ１〜Ｖ６により６相で駆動され、ゲート電極２８ａ〜２８ｅは３相クロックＶＶ１〜ＶＶ３により３相で駆動され、ゲート電極２３ａ，２３ｂは２相クロックＶＨ１，ＶＨ２により２相で駆動される。水平転送部２３では蓄積部Ｄ２から１水平ラインごとの信号電荷を取り出し、１水平ラインごとの信号電荷を外部に出力する。この種の駆動技術はＣＣＤの分野において周知であるから、ここでは詳しく説明しない。
【００７１】
撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２と水平転送部２３とは１枚の基板５０上に形成され、基板５０にはアルミニウム電極であるオーバーフロー電極２４が絶縁膜を介さずに直接接触するように設けられる。つまり、基板５０はオーバーフロードレインとして機能する。オーバーフロー電極２４は、基板５０の表面において撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２と水平転送部２３との全体を囲むように形成される。基板５０の表面はフォトダイオード２１に対応する部位を除いて遮光膜（図示せず）により覆われる。
【００７２】
図１６に基づいて１個のフォトダイオード２１に関連する部分の構造を説明する。本実施形態では、基板５０としてｎ形半導体を用い、基板５０の主表面にはフォトダイオード２１に対応する部位にｐ形半導体層５１が形成され、ｐ形半導体層５１の主表面にはｎ形半導体からなるｎウェル５２が形成され、ｐ形半導体層５１とｎウェル５２とのｐｎ接合によりフォトダイオード２１が形成される。さらに、ｐ形半導体層５１とｎウェル５２とに跨る部位の表面にはＳｉＯ２　からなる絶縁膜５３を介して上述した３個のゲート電極２１ａ〜２１ｃが重ねられる。ゲート電極２１ａ〜２１ｃはポリシリコンにより形成される。ｎウェル５２は撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２とに連続して形成されており、ｎウェル５２において電荷の蓄積と転送とを行うようにしている。つまり、撮像部Ｄ１ではｎウェル５２において電荷の生成と蓄積と転送とを行い、蓄積部Ｄ２ではｎウェル５２において電荷の蓄積と転送とを行う。
【００７３】
次に、上述したイメージセンサ５を駆動する技術について説明する。上述したイメージセンサ５では、フォトダイオード２１に光が入射すればフォトダイオード２１において電荷が生成される。ここで、ゲート電極２１ａ〜２１ｃに適宜の電圧を印加しておけば、ｎウェル５２に電荷蓄積部としてのポテンシャル井戸が形成され、生成された電荷をポテンシャル井戸に蓄積することができる。また、ゲート電極２１ａ〜２１ｃに印加する電圧を制御することによって、ポテンシャル井戸の深さを変化させて電荷を転送することができる。つまり、ゲート電極２１ａ〜２１ｃは蓄積用ゲートとして機能する。一方、オーバーフロー電極２４に適宜の電圧Ｖｓを印加すれば、フォトダイオード２１で生成された電荷は基板５０を通して廃棄されるから、オーバーフロー電極２４への印加電圧および電圧を印加する時間を制御することによって、フォトダイオード２１で生成された電荷のうちｎウェル５２のポテンシャル井戸に蓄積される信号電荷の割合を変化させることができる。つまり、オーバーフロー電極２４（つまりは、基板２０）に局発信号に相当する電圧を印加することによって、フォトダイオード２１において生成した電荷のうち信号電荷とする割合を制御することができるのであって、第３実施形態と同様に電荷廃棄部である基板２０が感度制御部として機能する。
【００７４】
フォトダイオード２１で生成された電荷がどのように移動するかを説明するために、図１６中の破線Ｌ３に沿った電子のポテンシャルを図１７に示す。図１７における右部はフォトダイオード２１に相当する領域、左部は基板５０に相当する領域をそれぞれ示す。また、オーバーフロー電極２４に電圧を印加していない状態では、フォトダイオード２１（ｎウェル５２）と基板５０との間にはｐ形半導体層５１によるポテンシャル障壁Ｂ３が形成され、フォトダイオード２１（ｎウェル５２）において基板５０と対向していない部位はｐ形半導体層５１によるポテンシャル障壁Ｂ４が形成され、フォトダイオード２１により形成された電荷（電子ｅ）が外部に漏れ出さないようになっている。ポテンシャル障壁Ｂ３はオーバーフロー電極２４への印加電圧に応じて高さを制御することができる。
【００７５】
一方、ゲート電極２１ａ〜２１ｃに電圧を印加することによりｎウェル５２に形成されるポテンシャル井戸に蓄積される電荷の量は、ゲート電極２１ａ〜２１ｃへの印加電圧によって決まるポテンシャル井戸の深さによって決まる。つまり、３個のゲート電極２１ａ〜２１ｃのうち中央のゲート電極２１ｂに印加する電圧を両側のゲート電極２１ａ，２１ｃに印加する電圧よりも高くすると、図１８（ａ）のように中央部がもっとも深くなったポテンシャル井戸が形成される。ここで、オーバーフロー電極２４に適宜の電圧を印加することにより、基板５０のポテンシャルをｎウェル５２よりも引き下げ、さらに、図１９（ａ）〜（ｃ）のように、中央のゲート電極２１ｂはポテンシャル障壁Ｂ３が残るように電圧を印加し、両側のゲート電極２１ａ，２１ｃはポテンシャル障壁Ｂ３が取り除かれるように電圧を印加すれば、各ゲート電極２１ａ〜２１ｃに対応する領域のうち図１９（ｂ）に示す中央部で電子ｅがもっとも多く蓄積され、図１９（ａ）（ｃ）に示す両側部では電荷が基板５０を通して廃棄されることになる。
【００７６】
上述したように、オーバフロー電極２４に局発信号を与えることにより、フォトダイオード２１において生成された電荷のうちｎウェル５２に形成されるポテンシャル井戸に蓄積する信号電荷の割合を調節することができる。つまり、局発信号により感度を制御することになり、ポテンシャル井戸に蓄積される信号電荷は、６相クロックＶ１〜Ｖ６により規定される時間におけるビート信号の積分値Ａ０〜Ａ３に相当する電荷量になる。ここで、中央のゲート電極２１ｂに対応するポテンシャル井戸には、フォトダイオード２１が電荷を生成している期間において、両側のゲート電極２１ａ，２１ｃで生成された電荷の一部が流れ込むから、ゲート電極２１ａ，２１ｃで生成された一部の電荷が雑音成分として混ざり込むことになる。また、４区間の積分値Ａ０〜Ａ３のうちの１区間分が得られるたびに信号電荷を転送するから、信号電荷の転送中にフォトダイオード２１で生成される電荷が積分値Ａ０〜Ａ１に雑音成分として混入することになる。ただし、これらの雑音成分は積分によって平均化され、位相差ψを求める際の減算によってほぼ除去されるから、雑音成分の影響は小さくなる。つまり、フレーム転送型ＣＣＤを用いながらも精度よく位相差ψを求めることが可能になる。また、フレーム転送型ＣＣＤを用いることによって、インターライン型ＣＣＤに比較してフォトダイオード２１の開口率を大きくとることができ、インターライン型ＣＣＤよりも高い感度が得られる。
【００７７】
なお、上述の例では１個のフォトダイオード２１に対して３個のゲート電極２１ａ〜２１ｃを対応させているが、１個のフォトダイオード２１に対応させるゲート電極の個数にはとくに制限はない。他の構成および動作は第３実施形態と同様である。
【００７８】
（第７実施形態）
本実施形態は、第６実施形態と同様にフレーム転送型ＣＣＤを用いるものであるが、縦型オーバーフロードレインではなく横型オーバーフロードレインを設けている。
【００７９】
本実施形態に用いるイメージセンサ５は、図２０に示すように、垂直方向に配列したフォトダイオード２１の各列の右側方にｎ形半導体からなるオーバーフロードレイン６１を設けてある。図示例ではフォトダイオード２１を水平方向に４個並べるとともに垂直方向に４個並べているから、オーバーフロードレイン６１は４列であり、各オーバーフロードレイン６１の上端同士は、左右方向に配置したアルミニウム電極であるオーバーフロー電極２４を介して接続してある。撮像部Ｄ１と蓄積部Ｄ２と水平転送部２３とは第６実施形態において用いたイメージセンサ５と同様の機能を有する。
【００８０】
１個のフォトダイオード２１に関連する部分を切り出した図２１を用いてイメージセンサ５の構造を説明する。本実施形態ではｐ形半導体の基板６０を用いており、基板６０の主表面にはｐ形半導体層６２が形成され、このｐ形半導体層６２にｎ形半導体からなるｎウェル６３が形成され、ｐ形半導体層６２とｎウェル６３とによりフォトダイオード２１が形成される。ｐ形半導体層６２においてｎウェル６３に隣接する部位にはｐ＋半導体からなるｐ＋ウェル６４が形成され、ｐ＋ウェル６４の表面側にｎ形半導体からなるオーバーフロードレイン６１が形成される。このように基板６０の導電形が異なる点、オーバーフロードレイン６１を設けている点を除けば、イメージセンサ５の基本的な構造は第６実施形態と同様である。なお、第３実施形態に対する第５実施形態の関係と同様に、第６実施形態に比較すると近赤外線に対する感度が高くなる。
【００８１】
本実施形態の動作は第６実施形態と同様であって、図２１の破線Ｌ４に沿った電子のポテンシャルを示している図２２を図１７と比較すればわかるように、フォトダイオード２１において生成された電荷を廃棄する電荷廃棄部が、第６実施形態では基板５０であったのに対して本実施形態ではオーバーフロードレイン６１である点のみ相違する。ゲート電極２１ａ〜２１ｃに電圧を印加することによりｎウェル６３に形成されるポテンシャル井戸に蓄積される電荷の量は、ゲート電極２１ａ〜２１ｃへの印加電圧によって決まるポテンシャル井戸の深さによって決まる。つまり、３個のゲート電極２１ａ〜２１ｃのうち中央のゲート電極２１ｂに印加する電圧を両側のゲート電極２１ａ，２１ｃに印加する電圧よりも高くすると、中央のゲート電極２１ｂに対応するポテンシャル井戸がもっとも深くなる。ここで、オーバーフロー電極２４に適宜の電圧が印加されてポテンシャル障壁Ｂ３が引き下げられているとすれば、図１９（ａ）〜（ｃ）のように、中央のゲート電極２１ｂに対応するポテンシャル井戸に電荷を残し、両側のゲート電極２１ａ，２１ｃに対応する領域で生成された電荷はオーバーフロードレイン６１に廃棄することが可能になる。他の構成および動作は第６実施形態と同様である。
【００８２】
（第８実施形態）
第６実施形態および第７実施形態において説明したフレーム転送型ＣＣＤをイメージセンサ５に用いる構成において、各フォトダイオード２１には３個のゲート電極２１ａ〜２１ｃを設ける例を示したが、上述のように１個のフォトダイオード２１に設けるゲート電極の個数は３個に制限されるものではない。
【００８３】
本実施形態では、１個のフォトダイオード２１に対して４個のゲート電極を設ける場合について説明する。図２４において１〜４の数字は各ゲート電極に対応しており、繰り返して表記している１〜４の数字の１回の繰り返し周期が１個のフォトダイオード２１の領域に対応する。図２４（ａ）はフォトダイオード２１で生成した電荷を蓄積する期間、図２４（ｂ）は不要な電荷を廃棄する期間を示している。さらに、閾値Ｔｈ１はオーバーフロードレインのポテンシャルを示している。
【００８４】
図２４（ａ）に示すように、電荷を蓄積する期間においては、各フォトダイオード２１で生成された電荷が混合されないように、ゲート電極（１）には電圧を印加せずに隣合うフォトダイオード２１の間にポテンシャル障壁を形成する。また、ゲート電極（２）〜（４）に印加する電圧を段階的に低くし、階段状のポテンシャル井戸を形成する。ここで、ゲート電極（３）（４）に対応する部位のポテンシャルは閾値Ｔｈ１よりも高くしておく。ゲート電極（２）に対応する部位ではポテンシャル井戸がもっとも深く（ポテンシャルがもっとも低く）なり、このポテンシャルは閾値Ｔｈ１よりも低いから、フォトダイオード２１への光の照射により生成された電荷（電子ｅ）は、主としてゲート電極（２）に対応する部位に蓄積される。
【００８５】
図２４（ｂ）に示すように、電荷を廃棄する期間においては、蓄積期間においてポテンシャルがもっとも低いゲート電極（２）に対応する部位に蓄積された電荷が外部に漏出しないように、ゲート電極（３）（４）に対応する部位のポテンシャルを引き上げる。この動作によって、蓄積期間においてゲート電極（１）（３）（４）に対応して生成された電荷はゲート電極（２）に対応する部位とオーバーフロードレインとに分かれて流れる。したがって、電荷の蓄積期間と廃棄期間との比率を適宜に調節することにより、フォトダイオード２１で生成される電荷のうち廃棄電荷となる電荷の量を調節することができ、結果的に感度を調節することができる。他の構成および動作は第６実施形態または第７実施形態と同様である。
【００８６】
（第９実施形態）
本実施形態は、図２５に示すように、１個のフォトダイオード２１に対して６個のゲート電極を設けた例である。図２５において１〜６の数字は書くゲート電極に対応している。図２４に示した例と同様に、図２５（ａ）は電荷を蓄積する期間、図２５（ｂ）は電荷を廃棄する期間を示している。
【００８７】
図２５（ａ）に示すように、電荷を蓄積する期間においては、各フォトダイオード２１で生成された電荷が混合されないように、ゲート電極（１）には電圧を印加せずに隣合うフォトダイオード２１の間にポテンシャル障壁を形成する。また、ゲート電極（２）〜（６）のうちゲート電極（４）に対応する部位のポテンシャルをもっとも低くし、残りのゲート電極（２）（３）（５）（６）に対応する部位のポテンシャルは段階的に高くする。また、ゲート電極（２）（３）（５）（６）に対応する部位のポテンシャルはオーバーフロードレインのポテンシャルである閾値Ｔｈ２よりも高くしておく。ゲート電極（４）に対応する部位ではポテンシャルがもっとも低くなり、このポテンシャルは閾値Ｔｈ２よりも低いから、フォトダイオード２１への光の照射により生成された電荷（電子ｅ）は、主としてゲート電極（４）に対応する部位に蓄積される。
【００８８】
図２５（ｂ）に示すように、電荷を廃棄する期間においては、蓄積期間においてポテンシャルがもっとも低いゲート電極（４）に対応する部位に蓄積された電荷が外部に漏出しないように、ゲート電極（２）（３）（５）（６）に対応する部位のポテンシャルを引き上げる。この動作によって、蓄積期間においてゲート電極（１）（２）（３）（５）（６）に対応して生成された電荷はゲート電極（４）に対応する部位とオーバーフロードレインとに分かれて流れる。したがって、本実施形態でも第８実施形態と同様に、電荷の蓄積期間と廃棄期間との比率を適宜に調節することにより、フォトダイオード２１で生成される電荷のうち廃棄電荷となる電荷の量を調節することができ、結果的に感度を調節することができる。他の構成および動作は第６実施形態または第７実施形態と同様である。
【００８９】
（第１０実施形態）
上述したように、フレーム転送型ＣＣＤを用いると、積分値Ａ０〜Ａ３を求める期間以外にフォトダイオード２１で生成された電荷が雑音成分として信号電荷に混入する。このような雑音成分は略一定であり、かつ積分値Ａ０〜Ａ３を求める期間において電荷を蓄積することによって平均化されるから、位相差を求めることができる程度には雑音成分を除去することが可能である。しかしながら、雑音成分があるとＳ／Ｎ比が低下するから、電荷の蓄積や転送に関連する部位ではダイナミックレンジを大きくとることが要求され、結果的に高コストになる。
【００９０】
そこで、本実施形態では、図２６に示すように、フォトダイオード２１のうち信号電荷を蓄積する領域付近と電荷の生成に関与しない領域とに遮光膜６５を設けている。図示例は第９実施形態のように１個のフォトダイオード２１に対して６個のゲート電極を設けた場合の構成例であって、具体的には、ゲート電極（１）（３）〜（５）に対応する部位に遮光膜６５を設けることによって、フォトダイオード２１のうちゲート電極（２）（６）に対応する部位でのみ電荷（電子ｅ）を生成するようにしている。この構成によって、主としてゲート電極（２）（６）に対応する部位で電荷の生成が行われ、ゲート電極（４）が電荷の生成にはほとんど寄与しなくなる。つまり、ゲート電極（４）において雑音成分が生成されず、遮光膜６５を形成していない場合に比較するとＳ／Ｎ比を向上させることが可能になる。他の構成および機能は第９実施形態と同様である。
【００９１】
上述した各実施形態では、４区間の積分値Ａ０〜Ａ３のうちの１区間分を求めるたびに電荷を取り出す構成を採用していたが、以下に説明するイメージセンサ５は、同時に複数区間分の積分値Ａ０〜Ａ３を求めることを可能にしたものである。
【００９２】
（第１１実施形態）
本実施形態は、図２０に示した横型オーバーフロードレインを備えるフレーム転送型ＣＣＤの一部構成を変更したイメージセンサ５を用いる。すなわち、図２７に示すように、各フォトダイオード２１ごとにオーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂを設けた構成を採用し、各フォトダイオード２１で生成した電荷を個別に廃棄することを可能としている。この構成では、各オーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂに局発信号を与えることによって、フォトダイオード２１で生成された電荷のうち電荷蓄積部であるポテンシャル井戸に移動する信号電荷の割合を調節する。ただし、本実施形態では、各オーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂのうち、信号電荷を転送する方向において隣接する各一対のオーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂに与える局発信号φ１，φ２は同周波数で互いに逆位相とする。同周波数かつ互いに逆位相の局発信号φ１，φ２を用いることによって、図２８（ａ）（ｂ）に示すように、局発信号φ１，φ２にそれぞれ対応するビート信号も互いに逆位相になる。つまり、隣接する各一対のフォトダイオード２１により１画素を構成するものとして２個ずつのフォトダイオード２１を組にして上述の制御を行うと、組になる２個のフォトダイオード２１に対応する各電荷蓄積部には互いに逆位相のビート信号に相当する電荷が蓄積されることになる。
【００９３】
このような互いに逆位相のビート信号をそれぞれ積分すれば、位相差ψを求めるのに必要な４区間の積分値Ａ０〜Ａ３のうちの２区間分を同時に蓄積することが可能になる。つまり、積分値Ａ０と積分値Ａ１とを同時に蓄積し、積分値Ａ２と積分値Ａ３とを同時に蓄積することが可能になる。
【００９４】
本実施形態の構成では、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く、また信号電荷に対して略一定の割合で混在するから、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７実施形態と同様である。
【００９５】
（第１２実施形態）
第１１実施形態では、フレーム転送型ＣＣＤを用いているが、図２９に示すように、横型オーバーフロードレインを用いたインターライン転送型ＣＣＤを用いることによっても同様の動作が可能である。つまり、図１１に示した第５実施形態の構成において、各フォトダイオード２１ごとにオーバーフロードレイン４１ａ，４１ｂを分割して設けた構成のイメージセンサ５を用い、さらに垂直転送部２２においては、各フォトダイオード２１ごとに３個ずつのゲート電極２２ａ〜２２ｃを設ければよい。この構成のイメージセンサ５において、１画素を垂直方向において隣接する各一対のフォトダイオード２１により構成し、１画素を構成して組になる２個のフォトダイオードに対応したオーバフロードレイン４１ａ，４１ｂに対して同周波数かつ互いに逆位相の局発信号φ１，φ２を与え、また各ゲート電極２２ａ〜２２ｂについては、第１１実施形態におけるゲート電極（１）〜（６）と同様に６相クロックで駆動すれば、積分値Ａ０〜Ａ３を２区間分ずつ求めることが可能になる。他の構成および動作は第１１実施形態と同様である。
【００９６】
第１１実施形態ではオーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂごとに３個ずつのゲート電極２１ａ〜２１ｃを対応付け、第１２実施形態ではオーバフロードレイン４１ａ，４１ｂごとに３個ずつのゲート電極２２ａ〜２２ｃを対応付けているが、それぞれ４個以上設けるようにしてもよい。また、互いに逆相の局発信号φ１，φ２を異なるオーバフロードレイン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オーバフロードレインに与える構成とすれば、４区間の積分値Ａ０〜Ａ３を同時に求めることも可能である。
【００９７】
第１１実施形態および第１２実施形態においてはオーバフロードレインに逆位相の局発信号φ１，φ２を与えているが、ゲート電極２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃにおいて逆位相の局発信号φ１，φ２を与えたり、オーバフロードレインとゲート電極２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃとの両方に逆位相の局発信号φ１，φ２を与える構成も可能である。
【００９８】
上述した各実施形態では、インターライン転送型ＣＣＤあるいはフレーム転送型ＣＣＤを用いる例を示したが、図３０に示すように、図１５に示したフレーム転送型ＣＣＤの撮像部Ｄ１をインターライン転送型ＣＣＤのフォトダイオード２１と垂直転送部２２とに置換した構成のフレームインターライン転送ＣＣＤを用いることも可能である。この構成のイメージセンサ５は、フレーム転送型ＣＣＤに比較するとスミアの発生を抑制することができる。
【００９９】
また、上述した各実施形態において用いたイメージセンサ５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実施形態では光電変換部３を１個設けるだけでもよい。また、評価部を距離演算部９に含む例を説明したが、評価部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〜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。
【０１００】
【発明の効果】
請求項１の発明は、空間に照射されている強度変調された光の発光周波数よりも低周波であるビート信号の積分値を用いて空間に関する情報を評価するから、受光側において素子の応答に高速性が要求されずに比較的安価な素子を用いることが可能になる。たとえば、空間に関する情報を評価するために時間計測を行うとすれば、発光周波数よりも低周波であるビート信号に対して時間計測を行えばよいから、周波数変換を行わずに場合に比較すると時間計測を低精度で行うことが可能になるという効果がある。さらに、ビート信号の積分値を用いて空間に関する情報を評価するから、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光電変換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している従来構成に比較して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。
【０１０１】
請求項２の発明は、発光源から照射した光と光電変換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や空間に存在する物体の反射による受光量の変化などを求めることが可能になる。しかも、ビート信号から求めた複数個の積分値を位相差に換算するから、発光側との同期が不要であり、簡単な構成で距離を求めることが可能になる。
【０１０２】
請求項３の発明は、光電変換部と積分器との間で電荷の受け渡しを行うスイッチ部を用いて周波数変換を行うから、積分する情報を選択するするためのスイッチ部を周波数変換に兼用することになり、簡単な構成で目的を達成することができる。
【０１０３】
請求項４の発明は、ビート信号を得るために受光側の感度を局発周波数で制御するから、局発周波数の信号を与えて感度調節が可能である受光素子を光電変換部に用いることで容易に実現することができる。
【０１０４】
請求項５の発明は、発光源から照射した光と光電変換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や空間に存在する物体の反射による受光量の変化などを求めることが可能になる。しかも、ビート信号の複数区間でそれぞれ蓄積した複数の信号電荷を位相差に換算するから、発光側との同期が不要であり、簡単な構成で距離を求めることが可能になる。
【０１０５】
請求項６の発明は、周波数変換に際して光電変換部から電荷蓄積部への電荷の通過量を制御するから実現が容易である。
【０１０６】
請求項７の発明は、周波数変換に際して光電変換部から電荷蓄積部に渡される電荷の割合を調節するために、光電変換部から廃棄される電荷の量を調節するから、周波数変換を行うために電荷廃棄部を制御するタイミングと電荷を電荷蓄積部に蓄積するタイミングとを独立して制御することができ、信号電荷への雑音成分の混入を少なくすることができる。
【０１０７】
請求項８の発明では、周波数変換に際して、光電変換部から電荷蓄積部への電荷の通過量を制御するとともに、光電変換部から廃棄される電荷の量を調節するから、周波数変換と信号電荷の蓄積とを同時に行いながらも不要電荷の廃棄を制御することができる。
【０１０８】
請求項９の発明は、請求項４の発明と同様の目的を達成するために、オーバーフロードレインを備える汎用設計のインターライン転送型のＣＣＤイメージセンサを用いることができるから、特別な素子や特別な回路を用いることなく容易に実現することができる。
【０１０９】
請求項１０の発明は、請求項４の発明と同様の目的を達成するために、オーバーフロードレインを備える汎用設計のフレーム転送型のＣＣＤイメージセンサを用いることができるから、特別な素子や特別な回路を用いることなく容易に実現することができる。
【０１１０】
請求項１１の発明は、光電変換部のうち信号電荷を蓄積する領域付近と電荷の生成に関与しない領域とに遮光膜を設けているから、光電変換部において雑音成分が生成されず、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【０１１１】
請求項１２の発明では、周波数変換に際してＣＣＤイメージセンサのゲート電極に印加する電圧を局発周波数で変調すればよいから実現が容易である。
【０１１２】
請求項１３の発明では、周波数変換に際してＣＣＤイメージセンサのオーバーフロードレインを局発周波数で変調すればよいから、電荷蓄積部に信号電荷を蓄積するタイミングとは独立して周波数変換を行うことができ、信号電荷への雑音成分の混入を少なくすることができる。
【０１１３】
請求項１４の発明では、周波数変換に際して、ＣＣＤイメージセンサのゲート電極に印加する電圧とオーバーフロードレインを制御する外部信号とを局発周波数で変調するから、周波数変換と信号電荷の蓄積とを同時に行いながらも不要電荷の廃棄を制御することができる。
【０１１４】
請求項１５、１６、１８の発明は、同じ光を受光する複数個の光電変換部を組にして用い、組になる複数個の光電変換部にそれぞれ対応する感度制御部を同じ局発周波数かつ互いに異なる位相で変調することにより、組になる複数個の光電変換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発光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光電変換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している従来構成に比較して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。
【０１１５】
請求項１６の発明は、発光源から照射した光と光電変換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や空間に存在する物体の反射による受光量の変化などを求めることが可能になる。しかも、ビート信号の複数区間でそれぞれ蓄積した複数の信号電荷を位相差に換算するから、発光側との同期が不要であり、簡単な構成で距離を求めることが可能になる。
【０１１６】
請求項１９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】本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】第２実施形態に用いるイメージセンサの構成例を示す概略構成図である。
【図４】同上に用いるイメージセンサの構成例を示す概略構成図である。
【図５】第３実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図６】同上の要部分解斜視図である。
【図７】図６、図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】同上の動作説明図である。
【図１０】第４実施形態の動作説明図である。
【図１１】第５実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図１２】同上の要部分解斜視図である。
【図１３】同上の動作説明図である。
【図１４】同上の動作説明図である。
【図１５】第６実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図１６】同上の要部斜視図である。
【図１７】同上の動作説明図である。
【図１８】同上の動作説明図である。
【図１９】同上の動作説明図である。
【図２０】第７実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図２１】同上の要部斜視図である。
【図２２】同上の動作説明図である。
【図２３】同上の動作説明図である。
【図２４】第８実施形態を示す動作説明図である。
【図２５】第９実施形態を示す動作説明図である。
【図２６】第１０実施形態を示す動作説明図である。
【図２７】第１１実施形態を示す要部斜視図である。
【図２８】同上の動作説明図である。
【図２９】第１２実施形態に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図３０】本発明の他の構成例に用いるイメージセンサを示す平面図である。
【図３１】従来例を示す動作説明図である。
【符号の説明】
１　発光源
２　発光制御部
３　光電変換部
４　受光レンズ
５　イメージセンサ
６　周波数変換部
６ａ　蓄積用ゲート部
７　積分器
８　クロック生成部
９　距離演算部
２１　フォトダイオード
２１ａ〜２１ｃ　ゲート電極
２２　垂直転送部
２２ａ〜２２ｃ　ゲート電極
２３　水平転送部
２４　オーバーフロー電極
４０　基板
４１　オーバーフロードレイン
５０　基板
６０　基板
６１　オーバーフロードレイン
Ｓｈ　半導体スイッチ
Ｓｖ　半導体スイッチ
【図１】
2004032682.tif 000003
【図２】
2004032682.tif 000004
【図３】
2004032682.tif 000005
【図４】
2004032682.tif 000006
【図５】
2004032682.tif 000007
【図６】
2004032682.tif 000008
【図７】
2004032682.tif 000009
【図８】
2004032682.tif 000010
【図９】
2004032682.tif 000011
【図１０】
2004032682.tif 000012
【図１１】
2004032682.tif 000013
【図１２】
2004032682.tif 000014
【図１３】
2004032682.tif 000015
【図１４】
2004032682.tif 000016
【図１５】
2004032682.tif 000017
【図１６】
2004032682.tif 000018
【図１７】
2004032682.tif 000019
【図１８】
2004032682.tif 000020
【図１９】
2004032682.tif 000021
【図２０】
2004032682.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
2004032682.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2004032682.tif 000027
【図２６】
2004032682.tif 000028
【図２７】
2004032682.tif 000029
【図２８】
2004032682.tif 000030
【図２９】
2004032682.tif 000031
【図３０】
2004032682.tif 000032
【図３１】
2004032682.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月18日(2003.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
所定の発光周波数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電気出力を生成する光電変換部と、発光周波数とは異なる規定の局発周波数の局発信号を出力する局部発振回路と、前記電気出力に局発信号を混合することにより光電変換部から出力される電気出力を発光周波数よりも低周波数であるビート信号に周波数変換する感度制御部と、ビート信号を規定のタイミングで積分する積分器と、積分器の出力により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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、所定の発光周波数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電気出力を生成する光電変換部と、発光周波数とは異なる規定の局発周波数の局発信号を出力する局部発振回路と、前記電気出力に混合することにより光電変換部から出力される電気出力を発光周波数よりも低周波数であるビート信号に周波数変換する感度制御部と、ビート信号を規定のタイミングで積分する積分器と、積分器の出力により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。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
物体Ｏｂ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１から放射された光の位相と、局部発振回路から出力される局発信号の位相と、光電変換部３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、発光周波数に相当する角周波数をω１とし、発光源１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、発光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。言い換えると、受光信号における位相差ψに相当する時間に対してビート信号における位相差ψに相当する時間は、（ビート信号の周期）／（変調周期）倍になる。したがって、発光周波数と局発信号の周波数との周波数差を比較的小さくすれば、従来構成に比較して位相差ψに相当する時間を大幅に引き延ばすことができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
ビート信号から位相差ψを求めるには、従来技術において用いていた発光源１からの光の変調周期内の受光強度に代えて、図２に示すように、ビート信号の１周期内での受光強度を用いればよい。つまり、位相の間隔が既知である複数回のタイミングでビート信号について一定の積分期間Ｔｉごとの積分値を求め、ビート信号の１周期内で求めた複数個の積分値を用いて位相差ψを求める。図示例では、ビート信号の１周期内において９０°ずつの位相の間隔のタイミング（たとえば、０°、９０°、１８０°、２７０°のタイミング）で積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を求めている。求めた積分値Ａ０′，Ａ１′，Ａ２′，Ａ３′を従来技術と同様に次式に代入すれば位相差ψが得られる。
ψ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ａ３′−Ａ１′）／（Ａ０′−Ａ２′）｝
上述のようにビート信号の１周期内の複数個の積分値を用いて位相差ψを求めるから、発光周波数および局発周波数を実質的に周波数誤差が生じないように管理すれば、発光源１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。つまり、図１に示すように、周波数変換部６から出力されたビート信号は積分器７に入力され、積分器７での積分のタイミングおよび積分期間Ｔｉを決めるためにクロック生成部８から出力されるクロック信号に同期してビート信号の１／４周期毎に積分され、ビート信号の１／４周期毎の積分信号が距離演算部９に入力される。距離演算部９は積分器７からビート信号の１／４周期毎に入力される積分値から位相差ψを求める評価部を含み、評価部は求めた位相差ψを物体Ｏｂまでの距離に換算する。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
垂直転送部２２に蓄積された信号電荷を読み出すには、図９（ｃ）のように、ポテンシャル障壁Ｂ２が生じるように、ゲート電極２２ａに印加する電圧を引き下げる。このように、ポテンシャル障壁Ｂ２を形成することによって、フォトダイオード２１から垂直転送部２２への電荷の流入を防止し、かつ垂直転送部２２からフォトダイオード２１への電荷の流出を防止する。この状態で、ゲート電極２２ａ，２２ｂに４相クロックＶ１〜Ｖ４を与えるとともに、ゲート電極２３ａ，２３ｂに２相クロックＶＨ１，ＶＨ２を与えることによって垂直転送部２２に蓄積された信号電荷を読み出すことができる。垂直転送部２２に蓄積された信号電荷は、上述した４区間の積分値Ａ０′〜Ａ３′のうちの各１区間の積分値が求められるたびに読み出される。たとえば、積分値Ａ０′に相当する信号電荷が各フォトダイオード２１に対応して形成されるポテンシャル井戸２７に蓄積されると信号電荷を読み出し、次に積分値Ａ１′に相当する信号電荷がポテンシャル井戸２７に蓄積されると再び信号電荷を読み出すという動作を繰り返す。なお、各積分値Ａ０′〜Ａ３′を蓄積する期間（つまり、クロック信号の個数）は等しく設定しておくのはもちろんのことである。また、各積分値Ａ０′〜Ａ３′を読み出す順序は上述の例に限定されるものではなく、積分値Ａ０′の次に積分値Ａ２′を求めるなどとしてもよい。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
本実施形態では、上述した図１０（ａ）（ｂ）の状態を交互に繰り返すのであって、信号電荷と廃棄電荷との割合つまり感度は、ゲート電極２２ａとオーバーフロー電極２４とに印加する電圧の大小関係と時間の比率とによって決まる。上述のように本実施形態では、ゲート電極２２ａに対応する領域に信号電荷の積分値Ａ０′〜Ａ３′を蓄積することができないから、ゲート電極２２ｂに対応する領域に積分値Ａ０〜Ａ３′を蓄積することになる。他の構成および動作は第２実施形態と同様である。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
上述したように、オーバフロー電極２４に局発信号を与えることにより、フォトダイオード２１において生成された電荷のうちｎウェル５２に形成されるポテンシャル井戸に蓄積する信号電荷の割合を調節することができる。つまり、局発信号により感度を制御することになり、ポテンシャル井戸に蓄積される信号電荷は、６相クロックＶ１〜Ｖ６により規定される時間におけるビート信号の積分値Ａ０′〜Ａ３′に相当する電荷量になる。ここで、中央のゲート電極２１ｂに対応するポテンシャル井戸には、フォトダイオード２１が電荷を生成している期間において、両側のゲート電極２１ａ，２１ｃで生成された電荷の一部が流れ込むから、ゲート電極２１ａ，２１ｃで生成された一部の電荷が雑音成分として混ざり込むことになる。また、４区間の積分値Ａ０′〜Ａ３′のうちの１区間分が得られるたびに信号電荷を転送するから、信号電荷の転送中にフォトダイオード２１で生成される電荷が積分値Ａ０′〜Ａ３′に雑音成分として混入することになる。ただし、これらの雑音成分は積分によって平均化され、位相差ψを求める際の減算によってほぼ除去されるから、雑音成分の影響は小さくなる。つまり、フレーム転送型ＣＣＤを用いながらも精度よく位相差ψを求めることが可能になる。また、フレーム転送型ＣＣＤを用いることによって、インターライン型ＣＣＤに比較してフォトダイオード２１の開口率を大きくとることができ、インターライン型ＣＣＤよりも高い感度が得られる。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
（第１０実施形態）
上述したように、フレーム転送型ＣＣＤを用いると、積分値Ａ０′〜Ａ３′を求める期間以外にフォトダイオード２１で生成された電荷が雑音成分として信号電荷に混入する。このような雑音成分は略一定であり、かつ積分値Ａ０′〜Ａ３′を求める期間において電荷を蓄積することによって平均化されるから、位相差を求めることができる程度には雑音成分を除去することが可能である。しかしながら、雑音成分があるとＳ／Ｎ比が低下するから、電荷の蓄積や転送に関連する部位ではダイナミックレンジを大きくとることが要求され、結果的に高コストになる。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
上述した各実施形態では、４区間の積分値Ａ０′〜Ａ３′のうちの１区間分を求めるたびに電荷を取り出す構成を採用していたが、以下に説明するイメージセンサ５は、同時に複数区間分の積分値Ａ０′〜Ａ３′を求めることを可能にしたものである。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９３】
このような互いに逆位相のビート信号をそれぞれ積分すれば、位相差ψを求めるのに必要な４区間の積分値Ａ０′〜Ａ３′のうちの２区間分を同時に蓄積することが可能になる。つまり、積分値Ａ０′と積分値Ａ２′とを同時に蓄積し、積分値Ａ１′と積分値Ａ３′とを同時に蓄積することが可能になる。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９５】
（第１２実施形態）
第１１実施形態では、フレーム転送型ＣＣＤを用いているが、図２９に示すように、横型オーバーフロードレインを用いたインターライン転送型ＣＣＤを用いることによっても同様の動作が可能である。つまり、図１１に示した第５実施形態の構成において、各フォトダイオード２１ごとにオーバーフロードレイン４１ａ，４１ｂを分割して設けた構成のイメージセンサ５を用い、さらに垂直転送部２２においては、各フォトダイオード２１ごとに３個ずつのゲート電極２２ａ〜２２ｃを設ければよい。この構成のイメージセンサ５において、１画素を垂直方向において隣接する各一対のフォトダイオード２１により構成し、１画素を構成して組になる２個のフォトダイオードに対応したオーバフロードレイン４１ａ，４１ｂに対して同周波数かつ互いに逆位相の局発信号φ１，φ２を与え、また各ゲート電極２２ａ〜２２ｂについては、第１１実施形態におけるゲート電極（１）〜（６）と同様に６相クロックで駆動すれば、積分値Ａ０′〜Ａ３′を２区間分ずつ求めることが可能になる。他の構成および動作は第１１実施形態と同様である。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９６】
第１１実施形態ではオーバーフロードレイン６１ａ，６１ｂごとに３個ずつのゲート電極２１ａ〜２１ｃを対応付け、第１２実施形態ではオーバフロードレイン４１ａ，４１ｂごとに３個ずつのゲート電極２２ａ〜２２ｃを対応付けているが、それぞれ４個以上設けるようにしてもよい。また、互いに逆相の局発信号φ１，φ２を異なるオーバフロードレイン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オーバフロードレインに与える構成とすれば、４区間の積分値Ａ０′〜Ａ３′を同時に求めることも可能である。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９９】
また、上述した各実施形態において用いたイメージセンサ５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実施形態では光電変換部３を１個設けるだけでもよい。また、評価部を距離演算部９に含む例を説明したが、評価部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′〜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。