JP6799538B2 - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、測距撮像に用いられる固体撮像装置の駆動方法に関する。

物体を検知する複数の方式の中で、測定対象物まで光が往復する飛行時間を利用して測距を行うＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。

特許文献１には、２つの異なる信号蓄積手段に、光源からの光の断続動作と同期させて互いに異なる位相で電荷転送して信号蓄積を行い、蓄積信号の配分比から対象物までの距離を求め、さらに、第３の信号蓄積手段に背景光のみを信号蓄積することで、背景光除去を行って、背景光の影響を排除する距離画像センサが開示されている。

特開２００４−２９４４２０号公報

一般的なパルスＴＯＦ法では、パルス幅Ｔｐの照射光の立ち上がり時刻から始まる第１露光期間をＴ１、照射光の立ち下がり時刻から始まる第２露光期間をＴ２、照射光をＯＦＦした状態で実行される第３露光期間をＴ３とした場合、露光期間Ｔ１〜Ｔ３は、パルス幅Ｔｐと同じ長さに設定される。また、第１露光期間Ｔ１において撮像部が得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２において撮像部が得られる信号量をＡ１、第３露光期間Ｔ３において撮像部が得られる信号量をＡ２とし、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとすると距離Ｌは、次式で与えられる。

Ｌ＝ｃ×Ｔｐ／２×｛（Ａ１−Ａ２）／（Ａ０−Ａ２＋Ａ１−Ａ２）｝

また、このＴＯＦ方式の測距撮像装置に用いられる固体撮像装置は、照射光の１周期について行われるサンプリングを複数回繰り返す。上記ＴＯＦ方式では、測距範囲Ｄは以下のように表される。

Ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２

一方、特許文献１では、背景光を取得する画素を考慮すると、３つの画素を１測距ユニットとして距離を算出することになり、距離を算出する１測距ユニットが大きく撮像素子の小型化が困難である。更に、一つの画素に一つの電荷蓄積部のみ有しているため、光源のパルス幅（Ｔｏ）が大きくなると、測距範囲Ｄは大きくなるが、距離分解能が落ちる。つまり、測距精度は光源のパルス幅（Ｔｏ）に反比例し、測距範囲（限界）Ｄを広げるために光源のパルス幅（Ｔｏ）を大きくすると、逆に測距精度は悪くなる。さらに、画素ごとの製造ばらつきによる背景光の信号ばらつきに起因して測距ばらつきが大きくなる。

上記課題に鑑み、本発明は、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する測距信号を取得する固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置の駆動方法は、パルス光が照射された対象物との距離を測定するための測距撮像を行う、複数の画素を備える固体撮像装置の駆動方法であって、前記複数の画素は、前記対象物からの反射光を受光して当該反射光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部における前記電荷の露光または排出を切り替える露光リセット部と、前記光電変換部から前記電荷の読み出しを行い、第１読み出し部と第２読み出し部を少なくとも有する複数の読み出し部と、を有する第１画素を少なくとも備え、前記固体撮像装置の駆動方法は、前記第１読み出し部のゲートがオン状態となる第１期間と、前記第１期間の終了と関連づけて開始される前記第２読み出し部のゲートがオン状態となる第２期間において、前記第１期間に前記露光が実施される第１露光と、前記第２期間に前記露光が実施される第２露光とを行うことを特徴とする。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する測距信号を取得することが可能となる。

図１は、実施の形態１に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距画素の回路構成を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る単位画素の断面構造図である。 図４Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の近距離測定における測距駆動タイミングチャートである。 図４Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の中距離測定における測距駆動タイミングチャートである。 図４Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の遠距離測定における測距駆動タイミングチャートである。 図４Ｄは、近距離測定、中距離測定および遠距離測定で取得された信号の組み合わせを表す図である。 図５は、実施の形態１に係る単位画素の測距駆動時の画素電位分布の遷移状態を表す図である。 図６Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置が光学サイズを縮小できることを示す図である。 図６Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置が単位画素サイズを拡大できることを示す図である。 図７Ａは、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の遠々距離測定における測距駆動タイミングチャートである。 図７Ｂは、遠々距離測定で取得された信号の組み合わせを追加した図である。 図８は、実施の形態２に係る固体撮像装置の測距画素の回路構成を示す図である。 図９Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の近距離測定における測距駆動タイミングチャートである。 図９Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の中距離測定における測距駆動タイミングチャートである。 図９Ｃは、実施の形態２に係る固体撮像装置の遠距離測定における測距駆動タイミングチャートである。 図９Ｄは、近距離測定、中距離測定および遠距離測定で取得された信号の組み合わせを表す図である。 図１０は、測距駆動における発光、露光および読出のシーケンスを比較した図である。 図１１は、実施の形態２に係る単位画素の測距駆動時の画素電位分布の遷移状態を表す図である。 図１２Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置が光学サイズを縮小できることを示す図である。 図１２Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置が単位画素サイズを２倍に拡大できることを示す図である。 図１２Ｃは、実施の形態２に係る固体撮像装置が単位画素サイズを３倍に拡大できることを示す図である。 図１３Ａは、実施の形態２の変形例に係る固体撮像装置の遠々距離測定における測距駆動タイミングチャートである。 図１３Ｂは、遠々距離測定で取得された信号の組み合わせを追加した図である。 図１４は、その他の実施の形態に係る単位画素の断面構造図である。 図１５Ａは、３つの単位画素を使って測距情報を取得する従来の測距画素の概略構成図である。 図１５Ｂは、従来の測距装置の測距駆動を説明するタイミングチャートである。 図１６は、従来の測距装置の測距駆動時の画素電位分布の遷移状態を表す図である。 図１７は、３つの単位画素を使って測距情報を取得する従来の測距画素の配列を示す図である。 図１８は、従来の測距装置の測距駆動における駆動タイミングのずれを説明するタイミングチャートである。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した距離画像センサに関し、以下のような問題が生じることを見出した。以下、図面を用いて本問題について説明する。

特許文献１に記載された距離画像センサでは、３つの単位画素グループを使って、１回の発光とその反射光に対して、タイミングをずらして３露光を行い、この３露光信号から３単位画素（＝測距画素）毎に距離情報を取得する。

図１５Ａは、３つの単位画素を使って測距情報を取得する従来の測距画素の概略構成図である。また、図１５Ｂは、従来の測距装置の測距駆動を説明するタイミングチャートである。また、図１６は、従来の測距装置の測距駆動時の画素電位分布の遷移状態を表す図である。図１５Ａには、３つの単位画素７０Ａ、７０Ｂおよび７０Ｃの構成要素が示されており、３つの単位画素７０Ａ、７０Ｂおよび７０Ｃで１つの測距画素７０を構成している。単位画素７０Ａは、１つの光電変換素子５０Ａと、読み出しゲートＴＧ０と、電荷蓄積ゲートＳＧ０と、出力ゲートＯＧ０と、露光リセットゲートＰＲＳ０とで構成されている。単位画素７０Ｂは、１つの光電変換素子５０Ｂと、読み出しゲートＴＧ１と、電荷蓄積ゲートＳＧ１と、出力ゲートＯＧ１と、露光リセットゲートＰＲＳ１とで構成されている。単位画素７０Ｃは、１つの光電変換素子５０Ｃと、読み出しゲートＴＧ２と、電荷蓄積ゲートＳＧ２と、出力ゲートＯＧ２と、露光リセットゲートＰＲＳ２とで構成されている。また、測距画素７０は、３つの単位画素７０Ａ、７０Ｂおよび７０Ｃで共用されるフローティングディフュージョン（ＦＤ）６１と、増幅トランジスタ６３と、リセットトランジスタ６４と、選択トランジスタ６５とを有している。

上記構成を有する測距画素７０では、図１５Ｂに示すように、各光電変換素子を露光する際、電変換素子から電荷蓄積ゲートへの信号読み出し開始動作と、光電変換素子からドレインＶＰＲＤへの信号排出終了動作とが同時に実行される。また、光電変換素子から電荷蓄積ゲートへの信号読み出し終了動作と、光電変換素子からドレインＶＰＲＤへの信号排出開始動作とが同時に実行される。以下、従来の測距装置の測距駆動を説明する。

図１５Ｂに示すように、まず期間Ｐ１において、単位画素７０Ａ（Ｓ０露光画素）の読み出しゲートＴＧ０がオフ状態かつ露光リセットゲートＰＲＳ０がオン状態で、光電変換素子５０Ａの信号電荷をドレインＶＰＲＤに排出する（図１６のＰ１：排出）。

次に、期間Ｐ２において、発光パルスオンのタイミングに同期して、読み出しゲートＴＧ０をオン（ＶＬ→ＶＨ）、露光リセットゲートＰＲＳ０をオフ（ＶＨ→ＶＬ）にして光電変換素子５０Ａの信号電荷を電荷蓄積ゲートＳＧ０に転送し蓄積する（図１６のＰ２：蓄積）。

次に、発光パルスオフのタイミングに同期して、再び読み出しゲートＴＧ０をオフ（ＶＨ→ＶＬ）、露光リセットゲートＰＲＳ０をオン（ＶＬ→ＶＨ）にして、光電変換素子５０Ａの電荷をドレインＶＰＲＤに排出することで、単位画素７０ＡでのＳ０露光シーケンスが完了する。

次に、期間Ｐ３において、単位画素７０Ｂ（Ｓ１露光画素）において、単位画素７０Ａと同じ要領で、読み出しゲートＴＧ１がオフ状態かつ露光リセットゲートＰＲＳ１がオン状態で、光電変換素子５０Ｂの信号電荷をドレインＶＰＲＤに排出する（図１６のＰ３：排出）。

次に、期間Ｐ３において、発光パルスオフのタイミングに同期して、読み出しゲートＴＧ１をオン（ＶＬ→ＶＨ）、露光リセットゲートＰＲＳ１をオフ（ＶＨ→ＶＬ）にして光電変換素子５０Ｂの信号電荷を電荷蓄積ゲートＳＧ１に転送し蓄積する。

次に、単位画素７０ＡでのＳ０露光と同じ露光期間経過後に、再び読み出しゲートＴＧ１をオフ（ＶＨ→ＶＬ）、露光リセットゲートＰＲＳ１をオン（ＶＬ→ＶＨ）にして、光電変換素子５０Ｂの電荷をドレインＶＰＲＤに排出することで、単位画素７０ＢでのＳ１露光シーケンスが完了する。

次に、単位画素７０Ｃ（ＢＧ露光画素）において、単位画素７０Ａと同じ要領で、読み出しゲートＴＧ２がオフ状態かつ露光リセットゲートＰＲＳ２がオン状態で、光電変換素子５０Ｃの信号電荷をドレインＶＰＲＤに排出する。

次に、反射光パルスの存在しない期間（背景（ＢＧ）光のみ存在）に、読み出しゲートＴＧ２をオン（ＶＬ→ＶＨ）、露光リセットゲートＰＲＳ２をオフ（ＶＨ→ＶＬ）にして、光電変換素子５０Ｃの信号電荷を電荷蓄積ゲートＳＧ２に転送し蓄積する。

次に、単位画素７０ＡでのＳ０露光期間と同じ期間および単位画素７０ＢでのＳ１露光期間と同じ期間の経過後に、再び読み出しゲートＴＧ２をオフ（ＶＨ→ＶＬ）、露光リセットゲートＰＲＳ２をオン（ＶＬ→ＶＨ）にして光電変換素子５０Ｃの電荷をドレインＶＰＲＤに排出することで、単位画素７０ＣでのＢＧ露光シーケンスが完了する。

上記のＳ０露光シーケンス、Ｓ１露光シーケンス、およびＢＧ露光シーケンスを数百〜数十万回繰り返し、電荷蓄積ゲートＳＧが形成された電荷蓄積トランジスタの蓄積信号量を増やした後、出力ゲートＯＧをオンさせて電荷蓄積トランジスタの蓄積電荷を転送させ、順次、電荷蓄積ゲートＳＧをオフ、出力ゲートＯＧをオフさせ、ＦＤ６１に全ての蓄積電荷を転送出力する。

つまり、上記従来の測距駆動は、３つの単位画素で１つの測距画素を構成し、１回の発光および３つの単位画素で、３回の露光を行うことで、測距演算を行う。

上記測距駆動により所得された信号、および以下の式１〜式４を用いて、各測距画素単位で被写体の距離Ｌを計算することが可能となる。なお、Ｓ０’は、単位画素７０ＡでのＳ０露光シーケンスにおいて電荷蓄積ゲートＳＧ０に蓄積された信号電荷を表し、Ｓ１’は、単位画素７０ＢでのＳ１露光シーケンスにおいて電荷蓄積ゲートＳＧ１に蓄積された信号電荷を表し、ＢＧ２は、単位画素７０ＣでのＢＧ露光シーケンスにおいて電荷蓄積ゲートＳＧ２に蓄積された信号電荷を表す。

背景光（ＢＧ２）の成分を除去したＳ０＋Ｓ１が、発光パルス幅Ｔｐと対応し、Ｓ１が反射光の飛行時間ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）に比例するため、式１〜式４により、各測距画素単位で被写体の距離Ｌを計算することが可能である。

しかしながら、上述した従来の測距装置では、以下のような課題を有する。

［課題１］
図１７は、３つの単位画素を使って測距情報を取得する従来の測距画素の配列を示す図である。近年、ＴＯＦセンサは、モバイルやロボット、車載分野のマシンビジョン用途やジェスチャー入力用途に向けて、小型化、高解像度（ＱＶＧＡ以上）への要求が急速に高まっている。このため、より微細な測距画素で測距可能な小型、高解像度のＴＯＦセンサの実現が求められている。

しかしながら、従来技術では、図１７に示した通り、一単位画素一蓄積のため、測距に必要な３信号（Ｓ０’、Ｓ１’、ＢＧ）を取得するのに、３つの単位画素が必要となり、測距画素が大きくなってしまう。従って、近年求められているＶＧＡやＳＸＧＡといった高解像度を得るためには、図１７に示されたように、ＴＯＦセンサの光学サイズを大きくしなければならない。

［課題２］
図１５Ａの測距画素回路図および図１５Ｂの測距駆動タイミングに示す通り、距離Ｌを算出する式４に用いられるＳ０およびＳ１を、式１で導出する場合、ＢＧ成分は単位画素７０Ｃの電荷蓄積トランジスタに蓄積されたＢＧ２を用いて減算される。これに対して、Ｓ０’、Ｓ１’に実際に含まれている背景光成分のそれぞれは、単位画素７０Ｃと異なる単位画素７０Ａおよび７０Ｂで露光された信号ＢＧ０およびＢＧ１である。

そのため、式１によりＳ０およびＳ１を算出する場合、単位画素毎の製造ばらつきに起因する光電変換素子感度、暗電流および露光リセットパルスのばらつき（露光バラツキ）によりＢＧ０、ＢＧ１およびＢＧ２がバラツキの影響を受け、結果的に測距ばらつきが大きくなってしまう。

［課題３］
被写体の距離が遠い場合、反射光の遅延量が大きくなり、露光リセットゲートＰＲＳ１による露光期間の終了より後ろにさしかかると、ＢＧに反射光が混じり込み、式１のＢＧ減算後のＳ０およびＳ１の値が変化し、測距演算が不正確になる。

従って、従来技術では、１Ｔｐ分の短い距離（ｃ・Ｔｐ／２）しか測距することが出来ない。例えば、Ｔｐ＝１１ｎｓｅｃの場合、最大測距レンジＺｍａｘは１．６５ｍに制限される。

［課題４］
図１８は、従来の測距装置の測距駆動における駆動タイミングのずれを説明するタイミングチャートである。図１５Ｂに示すように、従来技術では、読み出しゲートＴＧがオンとなるタイミングと露光リセットゲートＰＲＳがオフとなるタイミングとは同一であり、読み出しゲートがオフとなるタイミングと露光リセットゲートＰＲＳパルスがオンとなるタイミングとは同一となっている。これらのパルスは画素領域周辺から画素領域内部に印加されるため、図１７に示すように、パルス波形の鈍りやタイミング遅延により、読み出しゲートＴＧのＯＮ／ＯＦＦタイミングが露光リセットゲートＰＲＳに対して前後にずれ、露光時間や露光タイミングに大きなずれが生じる場合がある（１ｎｓのずれで測距離は１５ｃｍずれる）。その結果、撮像面内でＳ０、Ｓ１、ＢＧの信号量がばらつき、測距ばらつきやオフセットおよびシェーディングが発生する。

本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する測距信号を取得する固体撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。

以下、本開示の実施の形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法についての好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定するものではない。

（実施の形態１）
［１−１．固体撮像装置の構成］
図１は、実施の形態１に係る固体撮像装置１０００の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。同図に示すように、固体撮像装置１０００は、撮像部１００と、光源ドライバ２００と、駆動制御部３００と、光学レンズ４００と、光源部５００とを備える。

本実施の形態にかかる固体撮像装置１０００は、光源部５００から対象物６００に対して赤外光などを照射し、対象物６００からの反射光を撮像部１００で受光することにより、対象物６００の距離を測定する測距撮像装置として機能する。

光源ドライバ２００は、対象物６００への光照射を指示する発光信号を発生する。

光源部５００は、駆動制御部３００で発生された発光信号に従って、光源ドライバ２００で生成された発光電流により、対象物６００に対して光照射を行う。

撮像部１００は、光電変換素子を含む単位画素が２次元状に配置された撮像領域を有し、対象物６００を含む領域に対して、駆動制御部３００で発生する露光信号が示すタイミングに従って複数回の露光を行い、複数回の露光量の総和に対応した測距信号を生成する。

駆動制御部は、対象物６００からの反射光の露光を指示する露光信号を発生し、撮像部１００から受けた測距信号に基づいて、対象物６００までの距離を演算する。

図１に示すように、対象物６００に対して、例えば、背景光のもと近赤外光が光源部５００から照射される。対象物６００からの反射光は、光学レンズ４００を介して、撮像部１００に入射される。撮像部１００に入射された反射光は、結像され、当該結像された画像は電気信号に変換される。光源部５００および撮像部１００の動作は、駆動制御部３００によって制御される。撮像部１００の出力は、駆動制御部３００によって距離画像に変換され、用途によっては可視画像にも変換される。撮像部１００としては、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子が例示される。

なお、本発明の固体撮像装置は、本実施の形態に係る固体撮像装置１０００のように、対象物６００に対して能動的に光を照射する光源部５００および光源ドライバ２００を有していなくてもよい。本発明の固体撮像装置は、外部照射光（自然光を含む）などによる対象物６００からの反射光を受光して対象物６００の輝度情報などを取得する固体撮像装置であってもよい。

［１−２．測距画素構成］
図２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距画素の回路構成を示す図である。同図には、本実施の形態に係る撮像部１００の撮像領域に２次元状に配置された測距画素の回路構成が示されている。図２に示すように、測距画素１０は、反射光を受光し、光電変換し、蓄積し、出力する２つの単位画素１０Ａおよび１０Ｂと、信号電荷を電圧に変換する１つの浮遊拡散層（ＦＤ）２１と、ＦＤ２１の信号電荷をリセットドレイン（ＶＲＤ）に排出するリセット（ＲＳＴ）トランジスタ２４と、ＶＤＤ電源に接続されＦＤ２１からの信号を増幅する増幅トランジスタ２３と、外部からの選択信号により増幅トランジスタ２３からの信号を出力制御する選択（ＳＥＬ）トランジスタ２５で構成されている。

２つの単位画素１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ、反射光を受光し光電変換する１つの受光部と、受光部の信号を電荷排出部に排出する１つの電荷リセットトランジスタと、受光部の信号を読み出す２つの読み出しトランジスタと、２つの読み出しトランジスタで読み出された信号を蓄積する２つの電荷蓄積トランジスタと、電荷蓄積トランジスタで蓄積された信号を出力する１つまたは２つの出力トランジスタとを備える。上記各トランジスタは、半導体基板上にゲート絶縁膜およびゲート電極がこの順で形成された構造を有しており、当該ゲート電極に供給される駆動パルス信号によりソース−ドレイン間の導通および非導通が切り替えられる。以降、各トランジスタまたはそのゲート電極を、単純にゲートと記す場合がある。

より具体的には、単位画素１０Ａは、１つの光電変換素子１Ａ、読み出しゲートＴＧ０およびＴＧ２、電荷蓄積ゲートＳＧ０およびＳＧ２、出力ゲートＯＧ０およびＯＧ２、ならびに電荷リセットゲートＰＲＳ０で構成されている。単位画素１０Ｂは、１つの光電変換素子１Ｂ、読み出しゲートＴＧ１およびＴＧ３、電荷蓄積ゲートＳＧ１およびＳＧ３、出力ゲートＯＧ１およびＯＧ３、ならびに電荷リセットゲートＰＲＳ１で構成されている。

なお、本実施の形態の測距画素の構成は、従来技術に比べ、１つの単位画素が有する読み出しトランジスタ、電荷蓄積トランジスタ、および出力トランジスタの数が２倍に増えている。しかしながら、ＴＯＦセンサで一般的に用いられる画素サイズ２μｍ〜５０μｍの範囲では、近年のＣＭＯＳプロセス技術の微細化により、これらのトランジスタが光電変換素子間の素子分離領域内に形成できるようなり、光電変換素子の面積を十分に確保することが可能である。

また、これらのトランジスタの数が増加したことにより、光電変換素子の面積が若干小さくなったとしても、後述する単位画素の断面構成（図３）に示すとおり、画素上のオンチップマイクロレンズおよび導波路を導入することで、受光部に照射された反射光を効率良く光電変換素子に導くことができるようになる。これにより、感度劣化および飽和などの画素特性の低下を抑えることが可能となる。

［１−３．単位画素の断面構成］
図３は、実施の形態１に係る単位画素の断面構造図である。具体的には、図３には、単位画素１０Ａの読み出しゲートＴＧ２が属する電荷転送経路の断面構造が描かれている。図３に示すように、光電変換素子１Ａ（ＰＤ０）は、ｐ型基板またはｐ−ｗｅｌｌ上のｎ型領域で形成され、光電変換素子１Ａ（ＰＤ０）に隣接した読み出しトランジスタ（ＴＧ２）および電荷リセットトランジスタ（ＰＲＳ０）はｐ型領域で形成される。電荷リセットトランジスタ（ＰＲＳ０）に隣接するドレイン（ＶＰＲＤ）はｎ＋型領域で形成される。ドレイン（ＶＰＲＤ）は、光電変換素子１Ａ（ＰＤ０）からの信号電荷を電荷リセットトランジスタ（ＰＲＳ０）を介して排出するため、ＶＨ電源に接続されている。

また、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ２）に蓄積された信号電荷は電荷結合素子と同じ原理で出力トランジスタ（ＯＧ２）を介してＦＤ２１まで転送されるため、読み出しトランジスタ（ＴＧ２）に隣接する電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ２）および出力トランジスタ（ＯＧ２）は、ｎ型の埋込チャネルで形成される。少なくとも電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ２）上には、信号蓄積時に反射光や背景光が直接入り込まないように、タングステン（Ｗ）、アルミ（Ａｌ）、および銅（Ｃｕ）などの金属または金属化合物からなる遮光膜３０が形成されている。

遮光膜３０上には、導波路ＬＰを介してマイクロレンズ４０が形成されており、単位画素１０Ａに照射された反射光を効率よく光電変換素子１Ａ（ＰＤ０）に集光させることが可能となる。なお、電荷リセットトランジスタ（ＰＲＳ０）上に遮光膜３０が形成されていてもよい。しかしながら、本実施の形態では、電荷リセットトランジスタを非常に高速にＯＮ／ＯＦＦ動作させる必要があるため、寄生容量を低くする特性を優先して、遮光膜３０を未形成とすることが好ましい。

［１−４．測距駆動タイミング］
図４Ａ〜図４Ｄおよび図５を用いて、本実施の形態に係る測距画素の駆動タイミングを説明する。

図４Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の近距離対象物測定における測距駆動タイミングチャートである。また、図４Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の中距離対象物測定における測距駆動タイミングチャートである。また、図４Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の遠距離対象物測定における測距駆動タイミングチャートである。また、図４Ｄは、近距離対象物測定、中距離対象物測定および遠距離対象物測定で取得された信号の組み合わせを表す図である。さらに、図５は、実施の形態１に係る単位画素の測距駆動時の画素電位分布の遷移状態を表す図である。

なお、照射光のパルス幅をＴｐとした場合、近距離対象物測定とは、照射光に対する反射光の遅延量が０〜１Ｔｐ（近距離）の対象物の場合の測定であり、中距離対象物測定とは、照射光に対する反射光の遅延量が１Ｔｐ〜２Ｔｐ（中距離）の対象物の場合の測定であり、遠距離対象物測定とは、照射光に対する反射光の遅延量が２Ｔｐ〜３Ｔｐ（遠距離）の対象物の場合の測定である。

図４Ａ〜図４Ｃに示すように、まず期間Ｐ１において、駆動制御部３００は、単位画素１０Ａの読み出しゲートＴＧ０をオフ状態かつ露光リセットゲートＰＲＳ０をオン状態とする。これにより、光電変換素子１Ａの信号電荷がドレインＶＰＲＤに排出される（図５のＰ１）。

次に、期間Ｐ２において、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ０をオン状態（ＶＬ→ＶＨ）にする（図５のＰ３）。

次に、期間Ｐ３において、駆動制御部３００は、照射パルス光の発光開始と同期して、露光リセットゲートＰＲＳ０をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１Ａの１回目の露光が開始される（図５のＰ３）。

次に、期間Ｐ４において、駆動制御部３００は、照射パルス光の発光終了と同期して、露光リセットゲートＰＲＳ０をオン（ＶＬ→ＶＨ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１Ａの１回目の露光が終了する（図５のＰ４）。

次に、期間Ｐ５において、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ０をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる（図５のＰ５）。

以上により、第１の露光シーケンスを完了させる。つまり、第１の露光シーケンスは、期間Ｐ１〜Ｐ５において、単位画素１０Ａが有する光電変換素子１Ａの１回目の露光動作に相当する。

次に、駆動制御部３００は、単位画素１０Ｂの読み出しゲートＴＧ１がオン状態（ＶＬ→ＶＨ）である状態で、新たに照射パルス光の発光をしない状態で、上記期間Ｐ３での照射パルス光の発光終了と同期して、露光リセットゲートＰＲＳ１をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１Ｂの１回目の露光が開始される。

次に、駆動制御部３００は、露光リセットゲートＰＲＳ１のオフタイミングから期間Ｔｐ（第１の所定の期間）経過したタイミングで、露光リセットゲートＰＲＳ１をオン（ＶＬ→ＶＨ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１Ｂの１回目の露光が終了する。

次に、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ１をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。

以上により、第２の露光シーケンスを完了させる。つまり、第２の露光シーケンスは、単位画素１０Ｂが有する光電変換素子１Ｂの１回目の露光動作に相当する。

次に、駆動制御部３００は、単位画素１０Ａの読み出しゲートＴＧ２がオン状態（ＶＬ→ＶＨ）である状態で、露光リセットゲートＰＲＳ０をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１Ａの２回目の露光が開始される。

次に、駆動制御部３００は、露光リセットゲートＰＲＳ０のオフタイミングから期間Ｔｐ（第１の所定の期間）経過したタイミングで、露光リセットゲートＰＲＳ０をオン（ＶＬ→ＶＨ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１Ａの２回目の露光が終了する。

次に、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ２をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。

以上により、第３の露光シーケンスを完了させる。つまり、第３の露光シーケンスは、単位画素１０Ａが有する光電変換素子１Ａの２回目の露光動作に相当する。

次に、駆動制御部３００は、単位画素１０Ｂの読み出しゲートＴＧ３がオン状態（ＶＬ→ＶＨ）である状態で、露光リセットゲートＰＲＳ１をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１Ｂの２回目の露光が開始される。

次に、駆動制御部３００は、露光リセットゲートＰＲＳ１のオフタイミングから期間Ｔｐ（第１の所定の期間）経過したタイミングで、露光リセットゲートＰＲＳ１をオン（ＶＬ→ＶＨ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１Ｂの２回目の露光が終了する。

次に、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ３をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。

以上により、第４の露光シーケンスを完了させる。つまり、第４の露光シーケンスは、単位画素１０Ｂが有する光電変換素子１Ｂの２回目の露光動作に相当する。

以上のように、第１の露光シーケンス〜第４の露光シーケンスを実行することで、駆動制御部３００は、測距に必要な信号を取得する。

図４Ｄには、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０、ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３）に蓄積される信号と測距レンジとの対応を示している。例えば、近距離（０〜１Ｔｐ）測定では、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）にＳ０’の反射光信号が蓄積され、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ１）にＳ１’の反射光信号が蓄積され、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ２）にＢＧ０の背景光信号が蓄積され、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ３）にＢＧ１の背景光信号が蓄積される。

Ｓ０’およびＳ１’（反射光信号）は、ＢＧ０およびＢＧ１（背景光信号）よりも信号量が大きいため、どの２組の電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ）の信号が大きいかの組み合わせを判定することにより、図４Ｄに示された表を用いて、近、中、遠距離に区別して測距計算式を使い分けることができ、近距離から遠距離までの広いレンジをシームレスに測距することが可能となる。

以下、近、中、遠距離ごとの対象物６００の距離Ｌを求めるための測距計算式を示す。

（１）反射光遅延が０〜１Ｔｐの場合、距離Ｌは以下の式５および式６で求められる。

（２）反射光遅延が１Ｔｐ〜２Ｔｐの場合、距離Ｌは以下の式７および式８で求められる。

（３）反射光遅延が２Ｔｐ〜３Ｔｐの場合、距離Ｌは以下の式９および式１０で求められる。

ここで、図５を用いて、露光時の単位画素の電位変化について説明する。

期間Ｐ１では、読み出しゲートＴＧ０がＶＬ、露光リセットゲートＰＲＳ０がＶＨに設定され、光電変換素子１Ａで光電変換された信号電荷は、すべて露光リセットゲートＰＲＳ０を介してドレイン（ＶＰＲＤ）へと排出される。次に、読み出しゲートＴＧ０が先にオン（ＶＨ）してから、一定の期間Ｐ２をおいて露光リセットゲートＰＲＳ０がオフ（ＶＬ）する。

期間Ｐ２では、読み出しゲートＴＧ０も露光リセットゲートＰＲＳ０もオン（ＶＨ）となっているが、露光リセットゲートＰＲＳ０の電位は読み出しゲートＴＧ０の電位よりも高く設定されている。このため、光電変換素子１Ａで光電変換された信号電荷のほとんどは、フリンジ電界で露光リセットゲートＰＲＳ０側に流れ、ドレイン（ＶＰＲＤ）へと排出される。なお、露光リセットゲートＰＲＳ０の電位を、読み出しゲートＴＧ０の電位よりも高く設定するには、例えば、露光リセットゲートＰＲＳ０のしきい値電圧を、読み出しゲートＴＧ０のしきい値電圧よりも低く設定する。この方策としては、露光リセットゲートＰＲＳ０のｐ型不純物濃度を、読み出しゲートＴＧ０のｐ型不純物濃度よりも低く設定する、などが挙げられる。あるいは、露光リセットゲートＰＲＳ０に、０〜（ＶＨ−ＶＬ）／２程度のＤＣ電圧を重畳させてもよい。この方策としては、例えば、露光リセットゲートＰＲＳ０のハイレベルの電位ＶＨ’を、読み出しゲートＴＧ０の電位ＶＨよりも高く設定する、などが挙げられる。

期間Ｐ３では、読み出しゲートＴＧ０がオン、露光リセットゲートＰＲＳ０がオフとなっており、光電変換素子１Ａで光電変換された信号電荷は、すべて読み出しゲートＴＧ０を介して電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）へと転送され、ここで蓄積されることで、０〜１Ｔｐ期間の露光が行われる。

次に、露光リセットゲートＰＲＳ０がオンしてから、一定の期間Ｐ４をおいて読み出しゲートＴＧ０がオフすることで、第１の露光シーケンスが終了する。なお、期間Ｐ４における電位状態は期間Ｐ２における電位状態と同じであり、期間Ｐ５における電位状態は期間Ｐ１における電位状態と同じであり、同様の動作が行われる。

なお、上述した単位画素１０Ａの読み出しゲートＴＧ０および露光リセットゲートＰＲＳ０の電荷転送経路について説明したが、読み出しゲートＴＧ１および露光リセットゲートＰＲＳ１の電荷転送経路、読み出しゲートＴＧ２および露光リセットゲートＰＲＳ０の電荷転送経路、読み出しゲートＴＧ３および露光リセットゲートＰＲＳ１の電荷転送経路についても同様の電位変化が行われる。

［１−５．実施の形態１の効果］
（１）従来における３単位画素３蓄積と異なり、本実施の形態に係る駆動方法は、１単位画素２蓄積であり、測距に必要な４信号を２単位画素で取得できる。

図６Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置が光学サイズを縮小できることを示す図であり、図６Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置が単位画素サイズを拡大できることを示す図である。図６Ａに示すように、従来と比較して単位画素サイズを同一にした場合には、測距画素サイズを小さくできるので、光学サイズの小型化が可能となる。または、図６Ｂに示すように、従来と比較して光学サイズを同等にした場合には、１測距画素に占める単位画素数を少なくできるので、単位画素サイズを２倍に大きくすることができ、感度および飽和などの画素特性を大幅に向上することが可能となる。

（２）Ｓ０’およびＳ１’からＢＧ成分を減算し、それぞれ、Ｓ０およびＳ１を導出する場合、Ｓ０は同じ単位画素１０ＡのＳ０’（＝Ｓ０＋ＢＧ０）からＢＧ０を減算することで得られ、Ｓ１は同じ単位画素１０ＢのＳ１’（＝Ｓ１＋ＢＧ１）からＢＧ１を減算することで得られる。このため、単位画素の物理的違い（単位画素１０Ａおよび単位画素１０Ｂの製造バラツキによる物理的違い）に起因した光電変換素子の感度、光電変換素子の暗電流、および露光ばらつきが相殺され、測距ばらつきが低減される。

（３）本実施の形態に係る駆動方法は、２単位画素４蓄積により４信号を取得でき、Ｓ０’、Ｓ１’、ＢＧ０、およびＢＧ１信号の大小関係を判定することにより近、中、遠距離を区別できる。このため、測距レンジを３Ｔｐ（Ｔｐ＝１１ｎｓｅｃの場合、測距レンジＺｍａｘは４．９５ｍ）まで拡大することが可能となる。

（４）読み出しゲートＴＧをオンした後、一定期間をおいて露光リセットゲートＰＲＳをオフとする、および、露光リセットゲートＰＲＳをオンした後、一定期間をおいて読み出しゲートＴＧをオフすることにより、露光期間は露光リセットゲートＰＲＳのオン／オフで決定される。これにより、露光時間は、読み出しゲートＴＧのオン／オフのタイミングばらつきの影響を受けないため、測距ばらつきやオフセットおよびシェーディングが改善される。

［１−６．変形例の測距駆動タイミング］
実施の形態１では、照射パルス光の発光開始から次の発光開始まで、４Ｔｐより長い期間をおいて繰り返し発光する場合を想定した。これに対して、本変形例では、照射パルス光の発光開始から次の発光開始までの期間を４Ｔｐとして、４Ｔｐ周期で繰り返し発光および露光を行う場合の駆動方法を説明する。

図７Ａは、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の遠々距離対象物測定における測距駆動タイミングチャートである。また、図７Ｂは、遠々距離対象物測定で取得された信号の組み合わせを追加した図である。図７Ａは、反射光の遅延時間が３Ｔｐ〜４Ｔｐ（遠々距離）である対象物の場合を示しており、この時の測距演算テーブルは、図７Ｂの表に示す通りである。

図７Ａに示すように、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）および電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ３）の信号が、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ１）および電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ２）の信号よりも大きい場合は、反射光の遅延量は３Ｔｐ〜４Ｔｐの間にあると判断することができる。また、このとき、対象物６００の距離Ｌは、以下の式１１および式１２により算出することができる。なお、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０〜ＳＧ３）の信号の大小による近、中、遠距離の判断および測距計算式は、式５〜式１０に示した場合と同様である。

（１）反射光遅延が３Ｔｐ〜４Ｔｐの場合

［１−７．変形例の効果］
電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ３）の露光終了に同期させて、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）の露光を開始するため、反射光の遅延量が３Ｔｐ〜４Ｔｐとなっても、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ３）および電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）でＳ０’およびＳ１’を取得することができる。この結果、測距レンジを４Ｔｐ（Ｔｐ＝１１ｎｓｅｃの場合、測距レンジＺｍａｘは６．６ｍ）まで拡大することが可能となる。

（実施の形態２）
［２−１．測距画素構成］
図８は、実施の形態２に係る固体撮像装置の測距画素の回路構成を示す図である。図８に示すように、測距画素１１は、反射光を受光し、光電変換し、蓄積し、出力する１つの単位画素１１Ａと、信号電荷を電圧に変換する１つのＦＤ２１と、ＦＤ２１の信号電荷をリセットドレイン（ＶＲＤ）に排出するリセット（ＲＳＴ）トランジスタ２４と、ＶＤＤ電源に接続されＦＤ２１からの信号を増幅する増幅トランジスタ２３と、外部からの選択信号により増幅トランジスタ２３からの信号を出力制御する選択（ＳＥＬ）トランジスタ２５で構成されている。

１つの単位画素１１Ａは、反射光を受光し光電変換する１つの受光部と、受光部の信号を電荷排出部に排出する１つの電荷リセットトランジスタと、受光部の信号を読み出す４つの読み出しトランジスタと、４つの読み出しトランジスタで読み出された信号を蓄積する４つの電荷蓄積トランジスタと、電荷蓄積トランジスタで蓄積された信号を出力する１つ、２つまたは４つの出力トランジスタとを備える（図８は４つの出力トランジスタの場合を示す）。

より具体的には、単位画素１１Ａは、１つの光電変換素子１、読み出しゲートＴＧ０、ＴＧ２、ＴＧ１およびＴＧ３、電荷蓄積ゲートＳＧ０、ＳＧ２、ＳＧ１およびＳＧ３、出力ゲートＯＧ０、ＯＧ２、ＯＧ１およびＯＧ３、ならびに電荷リセットゲートＰＲＳで構成されている。

［２−２．測距画素構成による効果］
実施の形態２の測距画素１１は、実施形態１の測距画素１０と比較して、読み出しゲートＴＧおよび電荷蓄積ゲートＳＧの数は同じであるが、光電変換素子および電荷リセットゲートＰＲＳの数は、それぞれ、２つから１つへと減少している。そのため、光電変換素子の面積を約２倍に拡大することができるので、光電変換素子１つあたりの感度は約２倍に向上する。

また、電荷リセットゲートＰＲＳは、測距露光時間を決定するため、数ｎｓｅｃ〜数百ｎｓｅｃのパルス幅でオン、オフさせなければならない。特に測距精度を向上させるため、短いパルス幅が必要な場合は、立ち上がり時間、立ち下がり時間を数ｎｓｅｃ以下に抑える必要がある。

これに対応すべく、通常は金属の配線幅を広げたり、配線の複線化を行うことで低抵抗化を図るが、これにより、光電変換素子の開口が狭くなり、感度が低下するという課題がある。

これに対して、本実施の形態に係る測距画素１１の構成によれば、電荷リセットゲートＰＲＳは１つ形成すればよいので、実施の形態１と比較しても光電変換素子の開口を広く形成することができる。よって、光電変換素子１つあたりの感度を２倍以上に高めることが可能となる。

［２−３．測距駆動タイミング］
図９Ａ〜図９Ｄおよび図１０を用いて、本実施の形態に係る測距画素の駆動タイミングを説明する。

図９Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の近距離対象物測定における測距駆動タイミングチャートである。また、図９Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の中距離対象物測定における測距駆動タイミングチャートである。また、図９Ｃは、実施の形態２に係る固体撮像装置の遠距離対象物測定における測距駆動タイミングチャートである。また、図９Ｄは、近距離対象物測定、中距離対象物測定および遠距離対象物測定で取得された信号の組み合わせを表す図である。さらに、図１０は、測距駆動における発光、露光および読出のシーケンスを比較した図である。

図９Ａ〜図９Ｃに示すように、まず期間Ｐ１において、駆動制御部３００は、単位画素１１Ａの読み出しゲートＴＧ０をオフ状態かつ露光リセットゲートＰＲＳ０をオン状態とする。これにより、光電変換素子１の信号電荷がドレインＶＰＲＤに排出される。

次に、期間Ｐ２において、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ０をオン状態（ＶＬ→ＶＨ）にする。

次に、期間Ｐ３において、駆動制御部３００は、１回目の照射パルス光（発光１）の発光開始と同期して、露光リセットゲートＰＲＳをオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１の１回目の露光が開始される。

次に、期間Ｐ４において、駆動制御部３００は、１回目の照射パルス光（発光１）の発光終了と同期して、露光リセットゲートＰＲＳをオン（ＶＬ→ＶＨ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１の１回目の露光が終了する。

次に、期間Ｐ５において、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ０をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。

以上により、第１の露光シーケンスを完了させる。つまり、第１の露光シーケンスは、期間Ｐ１〜Ｐ５において、単位画素１１Ａが有する光電変換素子１の１回目の露光動作に相当する。

次に、駆動制御部３００は、単位画素１１Ａの読み出しゲートＴＧ２がオン状態（ＶＬ→ＶＨ）である状態で、新たに照射パルス光の発光をしない状態で、第１の露光シーケンスの露光リセットゲートＰＲＳのオンタイミングから期間Ｔｐ経過したタイミングで、露光リセットゲートＰＲＳをオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１の２回目の露光が開始される。

次に、駆動制御部３００は、露光リセットゲートＰＲＳのオフタイミングから期間Ｔｐ（第２の所定の期間）経過したタイミングで、露光リセットゲートＰＲＳをオン（ＶＬ→ＶＨ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１の２回目の露光が終了する。

次に、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ２をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。

以上により、第３の露光シーケンスを完了させる。つまり、第３の露光シーケンスは、単位画素１１Ａが有する光電変換素子１の２回目の露光動作に相当する。

次に、駆動制御部３００は、単位画素１１Ａの読み出しゲートＴＧ１がオン状態（ＶＬ→ＶＨ）である状態で、２回目の照射パルス光（発光２）の発光終了と同期して、露光リセットゲートＰＲＳをオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１の３回目の露光が開始される。

次に、駆動制御部３００は、露光リセットゲートＰＲＳのオフタイミングから期間Ｔｐ（第３の所定の期間）経過したタイミングで、露光リセットゲートＰＲＳをオン（ＶＬ→ＶＨ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１の３回目の露光が終了する。

次に、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ１をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。

以上により、第２の露光シーケンスを完了させる。つまり、第２の露光シーケンスは、単位画素１１Ａが有する光電変換素子１の３回目の露光動作に相当する。

次に、駆動制御部３００は、単位画素１１Ａの読み出しゲートＴＧ３がオン状態（ＶＬ→ＶＨ）である状態で、新たに照射パルス光の発光をしない状態で、第２の露光シーケンスの露光リセットゲートＰＲＳのオンタイミングから期間Ｔｐ経過したタイミングで、露光リセットゲートＰＲＳをオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１の４回目の露光が開始される。

次に、駆動制御部３００は、露光リセットゲートＰＲＳのオフタイミングから期間Ｔｐ（第３の所定の期間）経過したタイミングで、露光リセットゲートＰＲＳをオン（ＶＬ→ＶＨ）へと遷移させる。これにより、光電変換素子１の４回目の露光が終了する。

次に、駆動制御部３００は、読み出しゲートＴＧ３をオフ（ＶＨ→ＶＬ）へと遷移させる。

以上により、第４の露光シーケンスを完了させる。つまり、第４の露光シーケンスは、単位画素１１Ａが有する光電変換素子１の４回目の露光動作に相当する。

以上のように、第１の露光シーケンス、第３の露光シーケンス、第２の露光シーケンス、および第４の露光シーケンスを順次実行することで、駆動制御部３００は、測距に必要な信号を取得する。

図１０の発光、露光、および読出のシーケンスの比較に示す通り、実施の形態２に係る測距駆動方法では、従来技術や実施の形態１の測距駆動方法に比べ、少なくとも２回発光をさせる必要がある。

しかし、測距画素構成による効果（２−２）で前述したように、光電変換素子１つあたりの感度は、実施の形態１のそれに比べて２倍以上に高められているため、１回目の照射パルス光（発光１）および、２回目の照射パルス光（発光２）のそれぞれの発光時間を半分以下に短縮できる。このため、トータルの発光時間は従来技術および実施の形態１でのトータルの発光時間と同等以下に抑えることが出来る。

なお、２回目の照射パルス光（発光２）は、１回目の照射パルス光（発光１）と同じパルス幅を有していることが好ましい。

なお、実施の形態２での発光シーケンスに関しては、まず、１回目の照射パルス光（発光１）を数百〜数万回繰り返し行い、次いで２回目の照射パルス光（発光２）を同回数繰り返し行ってから、読み出しに移行する。

あるいは、図１０の下段に示すように、少ない繰り返し回数での発光１および発光２を交互に複数回行ってから、読み出しに移行してもよい（実施の形態２の変形例）。この場合、動きの速い対象物の測距に際して、実施の形態２よりも発光１の露光と発光２の露光の時間的差異を小さくすることが出来る。その結果、この時間的差異に起因する対象物エッジ部分での測距エラーを抑制することが可能となる。

なお、図９Ｄに示された信号の組み合わせは、実施の形態１の図４Ｄに示された信号の組み合わせと同様である。

また、本実施の形態およびその変形例における、近、中、遠距離ごとの対象物６００の距離Ｌを求めるための測距計算式は、実施の形態１で示した式５〜式１０と同様である。

すなわち、例えば、近距離（０〜１Ｔｐ）測定では、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）にＳ０’の反射光信号が蓄積され、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ１）にＳ１’の反射光信号が蓄積され、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ２）にＢＧ０の背景光信号が蓄積され、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ３）にＢＧ１の背景光信号が蓄積される。

Ｓ０’およびＳ１’（反射光信号）は、ＢＧ０およびＢＧ１（背景光信号）よりも信号量が大きいため、どの２組の電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ）の信号が大きいかの組み合わせを判定することにより、図９Ｄに示された表を用いて、近、中、遠距離に区別して測距計算式を使い分けることができ、近距離から遠距離までの広いレンジをシームレスに測距することが可能となる。

ここで、図１１を用いて、露光時の単位画素の電位変化について説明する。

図１１は、実施の形態２に係る単位画素の測距駆動時の画素電位分布の遷移状態を表す図である。実施の形態２における露光時の単位画素の電位変化については、基本的には実施の形態１と同様である。

すなわち、期間Ｐ１では、読み出しゲートＴＧ０がＶＬ、露光リセットゲートＰＲＳがＶＨに設定され、光電変換素子１で光電変換された信号電荷は、すべて露光リセットゲートＰＲＳを介してドレイン（ＶＰＲＤ）へと排出される。次に、読み出しゲートＴＧ０が先にオン（ＶＨ）してから、一定の期間Ｐ２をおいて露光リセットゲートＰＲＳがオフ（ＶＬ）する。

期間Ｐ２では、読み出しゲートＴＧ０も露光リセットゲートＰＲＳもオン（ＶＨ）となっているが、露光リセットゲートＰＲＳの電位は読み出しゲートＴＧ０の電位よりも高く設定されている。このため、光電変換素子１で光電変換された信号電荷のほとんどは、フリンジ電界で露光リセットゲートＰＲＳ側に流れ、ドレイン（ＶＰＲＤ）へと排出される。

なお、露光リセットゲートＰＲＳの電位を、読み出しゲートＴＧ０の電位よりも高く設定するには、例えば、露光リセットゲートＰＲＳのしきい値電圧を、読み出しゲートＴＧ０のしきい値電圧よりも低く設定する。この方策としては、露光リセットゲートＰＲＳのｐ型不純物濃度を、読み出しゲートＴＧ０のｐ型不純物濃度よりも低く設定する、などが挙げられる。あるいは、露光リセットゲートＰＲＳ０に、０〜（ＶＨ−ＶＬ）／２程度のＤＣ電圧を重畳させてもよい。この方策としては、例えば、露光リセットゲートＰＲＳ０のハイレベルの電位ＶＨ’を、読み出しゲートＴＧ０の電位ＶＨよりも高く設定する、などが挙げられる。

期間Ｐ３では、読み出しゲートＴＧ０がオン、露光リセットゲートＰＲＳがオフとなっており、光電変換素子１で光電変換された信号電荷は、すべて読み出しゲートＴＧ０を介して電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）へと転送され、ここで蓄積されることで、０〜１Ｔｐ期間の露光が行われる。

次に、露光リセットゲートＰＲＳがオンしてから、一定の期間Ｐ４をおいて読み出しゲートＴＧ０がオフすることで、第１の露光シーケンスが終了する。なお、期間Ｐ４における電位状態は期間Ｐ２における電位状態と同じであり、期間Ｐ５における電位状態は期間Ｐ１における電位状態と同じであり、同様の動作が行われる。

なお、上述した単位画素１１Ａの読み出しゲートＴＧ０および露光リセットゲートＰＲＳの電荷転送経路について説明したが、読み出しゲートＴＧ１および露光リセットゲートＰＲＳの電荷転送経路、読み出しゲートＴＧ２および露光リセットゲートＰＲＳの電荷転送経路、読み出しゲートＴＧ３および露光リセットゲートＰＲＳの電荷転送経路についても同様の電位変化が行われる。

［２−４．実施の形態２の効果］
（１）従来における３単位画素３蓄積と異なり、本実施の形態に係る駆動方法は、１単位画素４蓄積であり、測距に必要な４信号を１単位画素で取得できる。

図１２Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置が光学サイズを縮小できることを示す図であり、図１２Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置が単位画素サイズを従来技術の２倍に拡大できることを示す図であり、図１２Ｃは、実施の形態２に係る固体撮像装置が単位画素サイズを従来技術の３倍に拡大できることを示す図である。図１２Ａに示すように、従来と比較して画素サイズを同一にした場合には、測距画素サイズを小さくできるので、光学サイズの小型化が可能となる。または、図１２Ｂに示すように、光学サイズを実施の形態１と同等にした場合には、単位画素サイズを従来技術の２倍に大きくすることができる。または、図１２Ｃに示すように、光学サイズを従来技術と同等にした場合には、単位画素サイズを従来技術の３倍に大きくすることができ、感度および飽和などの画素特性を大幅に向上することができる。

ここで、図１２Ｂにおける、実施の形態１と光学サイズを同等にした場合の差異については、測距画素構成による効果（２−２）において説明した通りである。

すなわち、実施の形態２の測距画素１１は、実施形態１の測距画素１０と比較して、読み出しゲートＴＧおよび電荷蓄積ゲートＳＧの数は同じであるが、光電変換素子および電荷リセットゲートＰＲＳの数は、それぞれ、２つから１つへと減少している。そのため、光電変換素子の面積を約２倍に拡大することができるので、光電変換素子１つあたりの感度は約２倍に向上する。また、電荷リセットゲートＰＲＳは、測距露光時間を決定するため、数ｎｓｅｃ〜数百ｎｓｅｃのパルス幅でオン、オフさせなければならない。特に測距精度を向上させるため、短いパルス幅が必要な場合は、立ち上がり時間、立ち下がり時間を数ｎｓｅｃ以下に抑える必要がある。

これに対して、本実施の形態に係る測距画素１１の構成によれば、電荷リセットゲートＰＲＳは１つ形成すればよいので、実施の形態１と比較しても光電変換素子の開口を広く形成することができる。よって、光電変換素子１つあたりの感度を２倍以上に高めることが可能となる。

（２）Ｓ０’およびＳ１’からＢＧ成分を減算し、それぞれ、Ｓ０およびＳ１を導出する場合、Ｓ０は同じ発光１期間のＳ０’（＝Ｓ０＋ＢＧ０）からＢＧ０を減算することで得られ、Ｓ１は同じ発光２期間のＳ１’（＝Ｓ１＋ＢＧ１）からＢＧ１を減算することで得られる。このため、ＢＧ光露光タイミングの時間的違い（発光１期間と発光２期間という時間的違い）に起因した光電変換素子の感度、光電変換素子の暗電流、および露光ばらつきはほぼ相殺され、測距ばらつきが低減される。

（３）本実施の形態に係る駆動方法は、１単位画素４蓄積で４信号を取得でき、Ｓ０’、Ｓ１’、ＢＧ０、およびＢＧ１信号の大小関係を判定することにより近、中、遠距離を区別できる。このため、実施形態１と同様、測距レンジを３Ｔｐ（Ｔｐ＝１１ｎｓｅｃの場合、測距レンジＺｍａｘは４．９５ｍ）まで拡大することが可能となる。

（４）読み出しゲートＴＧをオンした後、一定期間をおいて露光リセットゲートＰＲＳをオフとする、および、露光リセットゲートＰＲＳをオンした後、一定期間をおいて読み出しゲートＴＧをオフすることにより、露光期間は露光リセットゲートＰＲＳのオン／オフで決定される。これにより、露光時間は、読み出しゲートＴＧのオン／オフのタイミングばらつきの影響を受けないため、実施の形態１と同様、測距ばらつきやオフセットおよびシェーディングが改善される。

［２−５．変形例の測距駆動タイミング］
図１３Ａは、実施の形態２の変形例に係る固体撮像装置の遠々距離対象物測定における測距駆動タイミングチャートである。また、図１３Ｂは、遠々距離対象物測定で取得された信号の組み合わせを追加した図である。図１３Ａは、反射光の遅延時間が３Ｔｐ〜４Ｔｐ（遠々距離）である対象物の場合を示しており、この時の測距演算テーブルは、図１３Ｂの表に示す通りである。

実施の形態２では、発光開始から次の発光開始まで、４Ｔｐより長い期間をおいて繰り返し発光する場合を示したが、本変形例では、発光開始から次の発光までの期間を４Ｔｐとして、４Ｔｐ周期で繰り返し発光、露光を行う場合を示している。

図１３Ａに示すように、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）および電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ３）の信号が、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ１）および電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ２）の信号よりも大きい場合は、反射光の遅延量は３Ｔｐ〜４Ｔｐの間にあると判断することができる。また、このとき、対象物６００の距離Ｌは、実施の形態１で示した式１１および式１２により算出することができる。なお、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０〜ＳＧ３）の信号の大小による近、中、遠距離の判断および測距計算式は、式５〜式１０に示した場合と同様である。

［２−６．変形例の効果］
電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ３）の露光終了に同期させて、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）の露光を開始するため、反射光の遅延量が３Ｔｐ〜４Ｔｐとなっても、電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ３）および電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）でＳ０’およびＳ１’を取得することができる。この結果、測距レンジを４Ｔｐ（Ｔｐ＝１１ｎｓｅｃの場合、測距レンジＺｍａｘは６．６ｍ）まで拡大することが可能となる。

（その他の実施の形態）
以上、本開示の固体撮像装置およびその駆動方法について、上記実施の形態に基づいて説明してきたが、本開示の固体撮像装置およびその駆動方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の固体撮像装置を内蔵した測距撮像装置などの各種機器も本発明に含まれる。

例えば、図３に示した通り、本実施の形態２の単位画素における受光部の信号を電荷排出部に排出する電荷リセットトランジスタは、半導体基板上に形成された絶縁膜、ゲート電極膜から成るＭＯＳトランジスタで構成されているが、この電荷リセットトランジスタは、図１４に示す通り、インターライン転送型容量結合素子でよく用いられるｎｐｎ型バイポーラトランジスタで構成されていても良い。

図１４は、その他の実施の形態に係る単位画素の断面構造図である。同図に示すように、ｎ型の光電変換素子１Ａ（ＰＤ０）はエミッタ部、ｐ−ｗｅｌｌはベース部、ｎ型基板電極（ＶＳＵＢ）はコレクタ部となる。ベース部のｐ−ｗｅｌｌを接地させ、コレクタ部のｎ型基板電極（ＶＳＵＢ）にハイレベルの電圧ＶＨ’を印加すると、光電変換素子１Ａで光電変換された信号電荷は、ｐ−ｗｅｌｌを介してｎ型基板電極ＶＳＵＢへと排出される。ＶＳＵＢにローレベルの電圧ＶＬ’を印加すると、ｐ−ｗｅｌｌには電位障壁が形成され、光電変換素子１Ｂで光電変換された信号電荷は、読み出しゲートＴＧ０を介して電荷蓄積トランジスタ（ＳＧ０）へと転送され、露光が行われる。このように、電荷リセットトランジスタをバイポーラトランジスタで構成した場合、ｐ−ｗｅｌｌとｎ型基板電極ＶＳＵＢ間の寄生容量が、実施の形態２の露光リセットゲートＰＲＳ０とドレイン（ＶＰＲＤ）間の寄生容量よりも大幅に低減され、更にｎ型基板電極のｎ型不純物濃度を高く形成することにより、ｎ型基板電極の基板抵抗は大幅に低減され、この寄生容量と基板抵抗に起因する露光リセットパルスの波形鈍りやタイミング遅延を大きく改善することが出来る。また、実施の形態２のように、光電変換素子１Ａに隣接して露光リセットゲートＰＲＳ０およびドレイン（ＶＰＲＤ）を形成する必要が無いため、光電変換素子１Ａの面積や開口を拡大することができ、実施の形態２よりも感度および飽和の向上が可能となる。

なお、本発明の固体撮像装置は、本実施の形態に係る固体撮像装置１０００のように、対象物６００に対して能動的に光を照射する光源部５００および光源ドライバ２００を有していなくてもよい。本発明の固体撮像装置は、外部照射光（自然光を含む）などによる対象物６００からの反射光を受光して対象物６００の輝度情報などを取得する固体撮像装置であってもよい。

すなわち、固体撮像装置の駆動方法であって、当該固体撮像装置は、半導体基板に配置された複数の単位画素を備え、当該複数の単位画素のそれぞれは、光電変換部と、電荷排出部と、光電変換部への電荷の蓄積タイミングおよび光電変換部から電荷排出部への電荷の排出タイミングを切り替える露光リセット部と、光電変換部の電荷を蓄積するｎ個（ｎは自然数）の電荷蓄積部と、光電変換部とｎ個の電荷蓄積部のそれぞれとの間に配置され、光電変換部から電荷蓄積部への電荷の読み出しを行うためのｎ個の読み出し部と、ｎ個の電荷蓄積部に蓄積された電荷を出力するための出力部とを備え、固体撮像装置の駆動方法は、露光シーケンスをｎ回繰り返して実行し、ｎ回目の露光シーケンスは、第ｎの前記読み出し部を導通状態にする第１読み出し導通ステップと、第１読み出し導通ステップから所定の期間の経過後、露光リセット部を非導通状態にして光電変換部の露光を開始させる第１露光開始ステップと、第１露光開始ステップの後、露光リセット部を導通状態にして、光電変換部の露光を終了させる第１露光終了ステップと、第１露光終了ステップから所定の期間の経過後、第ｎの読み出し部を非導通状態にする第１読み出し非導通ステップとを含んでもよい。

また、上記複数の単位画素は、ｍ個の単位画素を含み、ｍ個の単位画素のそれぞれにおいて、露光シーケンスをｎ回実行することにより、最大でｍ×ｎ個の露光期間の異なる信号を取得してもよい。

これにより、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する測距信号を取得することが可能となる。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、小型で高い測距精度、かつ、広い測距範囲を実現する３次元測定が実現できるため、例えば、人の動きを検出するジェスチャーユーザーインターフェースや、測距範囲内に親友する物体や人を検知する侵入検知センサー、リアルタイムに精度良く対象物の形状を読み取る３次元入力機器などに有用である。

１、１Ａ、１Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 光電変換素子
１０、１１、７０ 測距画素
１０Ａ、１０Ｂ、１１Ａ、７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ 単位画素
２１、６１ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
２３、６３ 増幅トランジスタ
２４、６４ リセットトランジスタ
２５、６５ 選択トランジスタ
３０ 遮光膜
４０ マイクロレンズ
１００ 撮像部
２００ 光源ドライバ
３００ 駆動制御部
４００ 光学レンズ
５００ 光源部
６００ 対象物
１０００ 固体撮像装置

Claims (12)

1. パルス光が照射された対象物との距離を測定するための測距撮像を行う、複数の画素を備える固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記複数の画素は、
   前記対象物からの反射光を受光して当該反射光を電荷に変換する第１光電変換部、前記第１光電変換部における前記電荷の露光または排出を切り替える第１露光リセット部、および前記第１光電変換部から前記電荷の読み出しを行い、第１読み出し部と第２読み出し部とを少なくとも有する複数の読み出し部、を有する第１画素と、
   前記対象物からの反射光を受光して当該反射光を電荷に変換する第２光電変換部、前記第２光電変換部における前記電荷の露光または排出を切り替える第２露光リセット部、および前記第２光電変換部から前記電荷の読み出しを行い、第３読み出し部と第４読み出し部とを少なくとも有する複数の読み出し部、を有する第２画素と、を含み、
   前記固体撮像装置の駆動方法は、
   前記第１読み出し部または前記第２読み出し部のゲートをオンとするタイミングから所定の期間の経過後、前記第１露光リセット部のゲートをオフとして前記第１読み出し部のゲートがオン状態となる第１期間に前記露光が実施される第１露光、または、前記第１露光リセット部のゲートをオフとして前記第２読み出し部のゲートがオン状態となる第２期間に前記露光が実施される第２露光を開始し、前記露光の開始後、前記第１読み出し部または前記第２読み出し部のゲートをオフとするタイミングの所定の期間前に、前記第１露光リセット部のゲートをオンとして前記第１露光または前記第２露光を終了し、
   前記第３読み出し部または前記第４読み出し部のゲートをオンとするタイミングから所定の期間の経過後、前記第２露光リセット部のゲートをオフとして前記第３読み出し部のゲートがオン状態となる第３期間に前記露光が実施される第３露光、または、前記第２露光リセット部のゲートをオフとして前記第４読み出し部のゲートがオン状態となる第４期間に前記露光が実施される第４露光を開始し、前記露光の開始後、前記第３読み出し部または前記第４読み出し部のゲートをオフとするタイミングの所定の期間前に、前記第２露光リセット部のゲートをオンとして前記第３露光または前記第４露光を終了し、
   前記第１画素で取得される前記対象物の測距演算用信号Ｓ０は、前記第１画素での前記第１露光で生成された信号電荷Ｓ０’から前記第１画素での前記第２露光で生成された信号電荷ＢＧ０を減算することで得られ、
   前記第２画素で取得される前記対象物の測距演算用信号Ｓ１は、前記第２画素での前記第３露光で生成された信号電荷Ｓ１’から前記第２画素での前記第４露光で生成された信号電荷ＢＧ１を減算することで得られ、
   前記対象物との距離Ｌは、前記測距演算用信号Ｓ０および前記測距演算用信号Ｓ１を合成することにより得られる、
   固体撮像装置の駆動方法。
2. 前記第１露光は、前記パルス光が照射される期間と重なる期間に行われ、
   前記第２露光は、前記パルス光が未照射の期間に行われる
   請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
3. 前記第２露光が行われる期間は、前記第１露光が行われる期間と同じ長さである
   請求項１または２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 前記第４露光が行われる期間は、前記第３露光が行われる期間と同じ長さである
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記第１露光リセット部および前記第２露光リセット部へ供給される駆動パルス信号には、ＤＣバイアス電圧が重畳されている
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. 前記第１露光リセット部は、前記第１光電変換部が形成される半導体基板深さ方向に形成されたｎｐｎ型バイポーラトランジスタで構成され、
   前記第２露光リセット部は、前記第２光電変換部が形成される半導体基板深さ方向に形成されたｎｐｎ型バイポーラトランジスタで構成され、
   前記第１〜前記第４読み出し部のそれぞれは、ＭＯＳトランジスタで構成されている
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
7. 前記第１露光リセット部、前記第２露光リセット部、前記第１〜前記第４読み出し部は、ＭＯＳトランジスタで構成され、
   前記第１露光リセット部のＭＯＳトランジスタのしきい値は、前記第１読み出し部および前記第２読み出し部のＭＯＳトランジスタのしきい値よりも低く設定されており、
   前記第２露光リセット部のＭＯＳトランジスタのしきい値は、前記第３読み出し部および前記第４読み出し部のＭＯＳトランジスタのしきい値よりも低く設定されている、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
8. 前記第１露光リセット部のｐ型拡散層濃度は、前記第１読み出し部および前記第２読み出し部のｐ型拡散層濃度よりも低濃度で形成されており、
   前記第２露光リセット部のｐ型拡散層濃度は、前記第３読み出し部および前記第４読み出し部のｐ型拡散層濃度よりも低濃度で形成されている、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. 前記固体撮像装置は、さらに、
   前記第１光電変換部または前記第２光電変換部の電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
   電荷信号を電圧信号へと変換するフローティングディフュージョンと、
   を備える
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 前記画素は、さらに、
    前記複数の電荷蓄積部を遮光する遮光膜を備える
    請求項９に記載の固体撮像装置の駆動方法。
11. 前記固体撮像装置の駆動方法は、
    前記露光をｎ回繰り返して実行する
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
12. 前記画素は、ｍ個の画素を含み、
    前記ｍ個の画素のそれぞれにおいて、前記露光をｎ回実行することにより、最大でｍ×ｎ個の露光期間の異なる信号を取得する
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。

Images