JP6485725B1 - 固体撮像装置、及びそれを備える撮像装置 - Google Patents

Abstract

半導体基板に、行列状に配置される複数の画素（２０）を備える固体撮像装置（１００）であって、複数の画素（２０）のそれぞれは、受光した光を信号電荷に変換する光電変換部（１）と、光電変換部（１）から信号電荷を読み出す少なくとも１つの読み出しゲート（６）と、少なくとも１つの読み出しゲート（６）により読み出される信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部（２）と、複数の電荷蓄積部（２）のうちの１つから、その電荷蓄積部（２）に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持し、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部（２）のうちの１つに転送する電荷保持部（１０）と、を備え、複数の電荷蓄積部（２）のそれぞれは、転送チャネル（４）の一部と、半導体基板の平面視においてその一部に重なる転送電極（５）の一部とを含み、転送チャネル（４）は、１画素当たり複数本である。

Description

本発明は、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置に関する。

従来、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式を利用して、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−２１５１８１号公報

従来の固体撮像装置では、動いている被写体の距離画像を取得する際に、モーションブラーが発生してしまうことがある。

そこで、本発明は、被写体の距離画像を取得する際におけるモーションブラーの発生を従来よりも抑制し得る固体撮像装置、及びそれを備える撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板に、行列状に配置される複数の画素を備える固体撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、受光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す少なくとも１つの読み出しゲートと、前記少なくとも１つの読み出しゲートにより読み出される前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持し、保持する前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つに転送する電荷保持部と、を備え、前記複数の電荷蓄積部のそれぞれは、前記信号電荷を転送するための転送チャネルの一部と、前記半導体基板の平面視において当該一部に重なる転送電極の一部とを含み、前記転送チャネルは、１画素当たり複数本である。

本発明の一態様に係る撮像装置は、上記固体撮像装置と、１フレーム期間内における露光期間毎に、複数のタイミングで赤外光をパルス状に発光する光源部と、前記固体撮像装置の出力信号に基づいて、距離画像を生成するプロセッサとを備える。

上記構成の固体撮像装置、及び撮像装置によると、被写体の距離画像を取得する際におけるモーションブラーの発生を従来よりも抑制し得る。

図１は、基本の形態１に係る測距撮像装置（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、基本の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図３Ａは、基本の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図３Ｂは、基本の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図４は、基本の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。 図５は、基本の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す駆動タイミングチャートである。 図６は、基本の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。 図７は、基本の形態２に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図８Ａは、基本の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。 図８Ｂは、基本の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。 図９は、基本の形態３に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１０Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１０Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１０Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図１１Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図１１Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図１２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の信号の動作を示す概略平面図である。 図１３Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力と測距レンジの対応を示すタイミングチャートである。 図１３Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力と測距レンジの対応を示すタイミングチャートである。 図１３Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力と測距レンジの対応を示すタイミングチャートである。 図１３Ｄは、実施の形態１に係る、各測距レンジと、各電荷蓄積部に蓄積されるＡ０、Ａ１，Ａ２、Ａ３信号との対応関係を示す対応表である。 図１４Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図１４Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図１４Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図１４Ｄは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図１５は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。 図１６Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示すタイミングチャートである。 図１６Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示すタイミングチャートである。 図１７は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図１８は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号読み出し時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図１９は、実施の形態２に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成を示す概略平面図である。 図２０は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図２１は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図２２Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示すタイミングチャートである。 図２２Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示すタイミングチャートである。 図２３は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示す概略平面図である。 図２４は、実施の形態２に係る固体撮像装置の信号読み出し時の各信号の配置と動作を示す平面図である。 図２５Ａは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２５Ｂは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２５Ｃは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２５Ｄは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２６Ａは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２６Ｂは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２６Ｃは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２６Ｄは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。 図２７は、従来の測距装置における画素の平面図である。 図２８は、従来の測距装置における各種信号のタイミングチャートである。

（本発明の一態様を得るに至った経緯）
物体までの距離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方式が知られている。

図２７、図２８は、特許文献１に開示された従来技術の測距装置である。

図２７は、従来技術の画素平面図であり、ＦＤ１、ＦＤ２は第一及び第二電荷蓄積領域、ＴＸ１、ＴＸ２は第一及び第二転送電極、ＰＧはフォトゲート電極である。

また、図２８は、従来技術の測距装置の各種信号のタイミングチャートであり、複数のフレーム周期Ｔ_Ｆのうち、時系列で連続する二つのフレーム周期Ｔ_Ｆについて示されており、Ｓ_Ｄが光源の駆動信号、Ｓ_Ｌｒが対象物でのパルス光の反射光が撮像領域まで戻ってきたときの反射光の強度信号、Ｓ１が第一転送電極ＴＸ１に印加される第一パルス信号Ｓ１、Ｓ２が第二転送電極ＴＸ２に印加される第二パルス信号Ｓ２、ｒｅｓｅｔがリセット信号、Ｔ_ａｃｃが蓄積期間、Ｔ_ｒｏが読み出し期間である。

特許文献１で示された従来技術は、図２８に示すように、フレーム間で読み出しゲートに印加するパルスのタイミングを入れ替え、２フレーム分の信号を加算した２つの信号Ｑ１、Ｑ２を距離演算に用いることで、図２７（ｂ）に示すような周りの画素からの電荷の漏れ込み量（クロストーク）の異なりを抑制する技術を開示している。

しかしながら、従来技術では、フレーム間で読み出しタイミングの変更を行っているため、フレーム間の露光期間に時間差がある。このため、モーションブラーが発生しやすく、加算された距離信号を得るのに２フレーム読み出すことが必要になり、実効的なフレームレートが低下する、また外部にフレームメモリが必要になるという課題を有している。

更に、従来技術は、背景光成分や暗電流成分を考慮していないため、このような距離情報を含まない信号が無視できない環境での測距誤差は非常に大きくなる。

発明者は、上記課題に鑑み、検討を重ねた結果、モーションブラーの発生とフレームレートの大幅な低下のない高い測距精度を実現する固体撮像装置に想到した。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、添付の図面を用いて説明を行うが、これらは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。図面において実質的に同一の構成、動作及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。

始めに、本発明の基本となる形態について、説明する。

（本発明の基本の形態１）
図１は、本発明の基本となる形態１（基本の形態１）に係る測距撮像装置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、測距撮像装置１０００は、固体撮像装置１００と、光源ドライバ２００と、プロセッサ３００と、光学レンズ４００と、光源部５００とを備える。また、固体撮像装置１００は、撮像部１０１と、ＡＤ変換部１０２と、タイミング生成部１０３と、シャッタドライバ１０４とを備える。

タイミング生成部１０３は、対象物６００への光照射（ここでは、近赤外光の照射を例示する。）を指示する発光信号を発生し光源ドライバ２００を介して光源部５００を駆動するとともに、撮像部１０１に対して、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する。

撮像部１０１は、半導体基板に、行列状に配置される複数の画素を含み、対象物６００を含む領域に対して、タイミング生成部１０３で発生する露光信号が示すタイミングに従って、１フレーム期間内に複数回の露光を行い、複数回の露光量の総和に対応した信号を得る。

プロセッサ３００は、固体撮像装置１００から受けた信号に基づいて、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、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１０１に入射される。撮像部１０１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及び固体撮像装置１００の動作は、固体撮像装置１００のタイミング生成部１０３によって制御される。固体撮像装置１００の出力は、プロセッサ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。なお、必ずしもプロセッサ３００は固体撮像装置１００の外部に設ける必要はなく、距離を演算する機能などの一部または全てを固体撮像装置１００に内蔵してもよい。

固体撮像装置１００としては、いわゆる、ＣＭＯＳイメージセンサが例示される。

また、一般的なパルスＴＯＦ方式では、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とし、露光期間Ｔ１、Ｔ２は、パルス幅Ｔｐと同じ長さに設定される。第１露光期間Ｔ１において撮像部１０１が得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２においてカメラが得られる信号量をＡ１として、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとすると、距離ｄは、次式で与えられる。

ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２×Ａ１／（Ａ０＋Ａ１）

ＴＯＦ方式の測距カメラに用いる固体撮像素子は、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。

測距範囲をＤとすると、Ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２となる。

一方、基本の形態２で用いるＴＯＦ方式（パルスＴＯＦ方式、測距方式）では、背景光成分や暗電流成分を考慮し、発光パルスのパルス幅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、第１露光期間Ｔ１においてカメラが得られる信号量をＡ０、第２露光期間Ｔ２においてカメラが得られる信号量をＡ１、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとする。そして、照射光以外の光源（例えば太陽）からの背景光成分や電荷蓄積部の暗電流成分が信号には含まれる環境においては、近赤外光源をＯＦＦした第３露光期間をＴ３とし、露光期間Ｔ３をパルス幅Ｔ_ｐと同じ長さに設定し、第３露光期間Ｔ３において得られる信号量をＡ２として求める。そして、距離ｄを算出するに際しては、Ａ０、Ａ１のそれぞれから距離情報のみを抽出するために、Ａ２を差分し、
ｄ＝ｃ×Ｔｐ／２×｛（Ａ１−Ａ２）／（Ａ０−Ａ２＋Ａ１−Ａ２）｝
とすることが出来る。

また、固体撮像装置１００の画素構成としては、複数の読み出しゲートにより、光電変換部で発生する信号電荷を電荷蓄積部に振り分ける方法がある。

電荷蓄積部としては浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン）や電荷結合素子メモリ（ＣＣＤメモリ）が用いられる。複数の読み出しゲートを用いる構造の場合、製造工程でのバラツキや集光される光が特定の読み出しゲート側に偏る等により、読み出し特性に差が生じる。また画素間のクロストークが生じ、測距誤差の原因となる場合がある。

次に、図２は基本の形態１に係る固体撮像装置１００の備える画素２０のレイアウト構成を示す概略平面図である。

複数の画素２０は、半導体基板の画素領域に行列上に配置される。各画素２０は、光電変換部１と、複数の電荷蓄積部２（一例として、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）と、複数の読み出しゲート６（一例として、第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂ）と、出力制御ゲート１３と、浮遊拡散層１４と、リセットゲート１５と、リセットドレイン１６と、読み出し回路１７と、複数の露光制御ゲート８（一例として、露光制御ゲート８ａ、露光制御ゲート８ｂ）と、複数のオーバーフロードレイン９（一例として、オーバーフロードレイン９ａ、オーバーフロードレイン９ｂ）と、電荷保持部１０とを備える。

光電変換部１は、受光した光を信号電荷に変換する。

読み出しゲート６は、光電変換部１から信号電荷を読み出す。

電荷蓄積部２は、読み出しゲート６から読み出される信号電荷を蓄積する。電荷蓄積部２は、ゲート絶縁膜下の、信号電荷を転送するための転送チャネル（ＣＣＤチャネル）４と、ゲート絶縁膜上の転送電極５（一例として、転送電極５ａ、転送電極５ｂ、転送電極５ｃ、転送電極５ｄ、転送電極５ｅのいずれか）とで構成される。すなわち、電荷蓄積部２は、図２に示されるように、転送チャネル４の一部と、半導体基板の平面視において転送チャネル４の一部に重なる、転送電極５の一部とを含む。また、図２に示されるように、転送チャネル４は、１画素当たり１本である。

ここでは、転送電極５ａ、転送電極５ｂ、転送電極５ｃ、転送電極５ｄ、転送電極５ｅに印加される電圧を、それぞれ、ＶＧ１、ＶＧ２、ＶＧ３、ＶＧ４、ＶＧ５とする。

第１の電荷蓄積部２ａと第２の電荷蓄積部２ｂとは、５相駆動を行う。一例として、第１の電荷蓄積部２ａと第２の電荷蓄積部２ｂとは、それぞれ、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとに隣接して、露光時にＨｉｇｈ電圧となるＶＧ１とＶＧ３が印加される転送電極５の下（ここでは、転送電極５ａの下と転送電極５ｃの下と）に形成される。

オーバーフロードレイン９は、光電変換部１から、信号電荷の少なくとも一部を排出する。

露光制御ゲート８は、オーバーフロードレイン９への上記排出を制御する。

電荷保持部１０は、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持し、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つに転送する。電荷保持部１０は、図２に示されるように、電荷保持ゲート１１と、電荷保持部１０の転送制御を行う転送制御ゲート１２とを備える。

浮遊拡散層１４は、複数の電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷の転送を受けて保持する。

出力制御ゲート１３は、浮遊拡散層１４への転送制御を行う。

読み出し回路１７は、浮遊拡散層１４に保持される信号電荷を電圧に変換して、画素２０の外部に読み出す。例えば、読み出し回路１７は、浮遊拡散層１４にゲートが接続されるソースフォロアトランジスタと、ソースフォロアトランジスタに直列接続される選択トランジスタとを含んで構成される。例えば、選択トランジスタによって読み出し回路１７が選択されることで、浮遊拡散層１４に保持される信号電荷は、その読み出し回路１７により、ＡＤ変換部１０２に読み出される。

ここで、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、光電変換部１の垂直方向（行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図２における上下方向）を分割する中心線に対して上下対称に設けられている。そして、図２に示されるように、複数の画素２０は、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとによって、光電変換部１から、複数の画素２０の行列状の配置における行方向において同じ向き（すなわち、図２における左向き）に信号電荷が読み出される。

同様に、露光制御ゲート８ａと露光制御ゲート８ｂとも、光電変換部１の垂直方向（行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図２における上下方向）を分割する中心線に対して上下対称に設けられている。

第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとにおける上記上下対称の位置関係、及び、露光制御ゲート８ａと露光制御ゲート８ｂとにおける上記上下対称の位置関係は、読み出しゲート６と露光制御ゲート８との２組を用いて行う読み出しの特性を設計上合わせることを目的としている。

図３Ａ、図３Ｂは、基本の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。

以下、図３Ａを参照しながら露光時の動作について説明する。

露光制御ゲート８ａ及び８ｂにはそれぞれ駆動パルスＯＤＧが、第１の読み出しゲート６ａ及び第２の読み出しゲート６ｂにはそれぞれ駆動パルスＴＧ１、ＴＧ２が印加される。図３Ａには示されていないが、転送電極５ａ〜５ｅにはそれぞれ駆動パルスＶＧ１〜ＶＧ５が印加される。そして、露光時にはＶＧ１とＶＧ３にＨｉｇｈ電圧、他はＬｏｗ電圧が印加される。Ｈｉｇｈ電圧を印加した転送電極５下に電荷蓄積が可能となる。すなわち、Ｈｉｇｈ電圧が印加された転送電極５（ここでは、転送電極５ａ、転送電極５ｃ）と、その下に重なる転送チャネル４とによって、電荷蓄積部２（ここでは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ）が形成される。また光源部５００からは、一定周期でオン・オフを繰り返す近赤外パルス光が繰り返し照射されている。Ｔｐは照射パルス光のパルス幅である。対象物体から反射された近赤外パルス光は、光源部５００からの距離に応じてＴｄの遅延をもって撮像部１０１に到達し、光電変換部１において信号電荷に変換される。

初期状態として、ＯＤＧはＨｉｇｈ状態であり、光電変換部１はリセット状態にある。また、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂはＬｏｗ状態であり、転送電極５ａ及び転送電極５ｃがＨｉｇｈ状態に保持されている第１の電荷蓄積部２ａ及び第２の電荷蓄積部２ｂと、光電変換部１とは電気的に遮断されている。この状態において光電変換部１で生成した信号電荷は露光制御ゲート８を介してオーバーフロードレイン９に排出され、光電変換部１には蓄積されない。

次に、照射パルス光がオンとなる時刻ｔ１に同期してＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、第１の読み出しゲート６ａはＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、反射パルス光の入射によって生成した信号電荷の第１の読み出しゲート６ａを介した第１の電荷蓄積部２ａへの転送が開始され、反射パルス光の先行成分（Ａ０）が第１の電荷蓄積部２ａに保持される。

次に、第２の読み出しゲート６ｂがＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移し、反射パルス光の入射によって生成した信号電荷の第２の読み出しゲート６ｂを介した第２の電荷蓄積部２ｂへの転送が開始され、反射パルス光の後行成分（Ａ１）が第２の電荷蓄積部２ｂに保持される。

このように、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、１フレーム期間における露光期間に、それぞれ、第１の位相差で、第１の信号電荷（反射パルス光の先行成分（Ａ０））の読み出しと、第２の信号電荷（反射パルス光の後行成分（Ａ１））の読み出しとを行う。

なお、上述した従来技術では、フレーム毎にＴＧ１とＴＧ２のパルスタイミングを入れ替えていたが、基本の形態１では、画素２０内に電荷保持部１０を持つことにより、露光時の測距信号Ａ０、Ａ１の位置を入れ替え、入れ替えた後にＴＧ１とＴＧ２のパルスを入れ替えることで、１フレーム内で、読み出し位置、電荷蓄積部２の位置による特性差を抑制することが出来る。

以下、その動作について説明する。

図４は基本の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。

図５は基本の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替え動作を示す駆動タイミングである。

図４において、各転送電極５にはＶＧ１〜ＶＧ５までの駆動パルスが印加され、信号電荷を所望の場所に転送する。電荷保持ゲート１１にはＶＳ、転送制御ゲート１２にはＶＢの駆動パルスが印加される。信号の位置を明確にするため各行の中央の画素２０で生成されたＡ０、Ａ１信号のみ文字の背景をドットで塗りつぶしている。

ここで、転送電極５ａ〜５ｅに印加される駆動パルスＶＧ１〜ＶＧ５、電荷保持ゲート１１に印加される駆動パルスＶＳ、転送制御ゲート１２に印加される駆動パルスＶＢは、タイミング生成部１０３から出力される。

ｔｔ１は図３Ａで示す露光が完了したタイミング（すなわち、ｔ３）であり、Ｈｉｇｈ電圧となったＶＧ１、ＶＧ３が印加される転送電極５下にそれぞれＡ０、Ａ１信号が蓄積されている。その後、図４において上方向に５相駆動にて電荷を転送する。

次に、ｔｔ２にてＶＧ２、ＶＧ５がＨｉｇｈ電圧となり、ＶＧ２、ＶＧ５が印加される転送電極５下に信号電荷が蓄積される。次に図５に示すように、ＶＳをＨｉｇｈ電圧とし、続いてＶＢがＨｉｇｈ電圧とすることで、ＶＧ５が印加されている転送電極５の電荷蓄積部２と電荷保持部１０との間に電荷転送の経路を作った後、ＶＧ５とＶＢが印加される転送電極５と転送制御ゲート１２にＬｏｗ電圧を順次印加し、Ａ０信号を電荷保持ゲート１１下に転送する（図４、図５におけるｔｔ３）。このように、タイミング生成部１０３は、複数の電荷蓄積部２のうちの１つから、その電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷を、電荷保持部１０に転送させる第１信号を出力する。

次に、ｔｔ３にて電荷保持ゲート１１下のＡ０信号の下に位置していたＡ１信号を５相駆動にて上部に転送し、電荷保持ゲート１１を越えてＶＧ３が印加される転送電極５下に蓄積する（ｔｔ４）。

その後、ＶＧ５、ＶＢを再びＨｉｇｈ電圧とし、電荷保持部１０とＶＧ５が印加されている転送電極５の電荷蓄積部２との間に転送経路を作った後、ＶＳ、ＶＢの順でＬｏｗ電圧を印加していき、Ａ０信号をＨｉｇｈ電圧となっているＶＧ５が印加されている転送電極５下に転送する（ｔｔ５）。このように、タイミング生成部１０３は、電荷保持部１０から、保持する信号電荷を、複数の電荷蓄積部２のうちの１つに転送させる第２信号を出力する。

次に下方向に５相駆動にて転送を行い、Ａ０とＡ１の縦方向の位置が入れ替わった状態を作る（ｔｔ６）。以降この一連の動作を入れ替え動作と呼ぶ。このように、タイミング生成部１０３は、第１の読み出しゲート６ａによって第１の信号電荷（Ａ０）が読み出され、第２の読み出しゲート６ｂによって第２の信号電荷（Ａ１）が読み出された場合における、第１の信号電荷（Ａ０）を蓄積する第１の電荷蓄積部２ａの位置と、第２の信号電荷（Ａ１）を蓄積する第２の電荷蓄積部２ｂの位置とを、第１信号と第２信号とを含む複数の信号を出力することで入れ替える。

この入れ替え動作を実施した後は、図４に示すようにＴＧ１が印加される第１の読み出しゲート６ａ横にＡ１信号、ＴＧ２が印加される第２の読み出しゲート６ｂ横にＡ０信号が配置されるため、図３Ｂに示すようにＴＧ１とＴＧ２に印加するパルスタイミングを入れ替え、再び露光を開始することが可能となる。すなわち、第１の読み出しゲート６ａと第２の読み出しゲート６ｂとは、露光期間において、上記入れ替え動作を実施した後に、第１の位相差と１８０度位相の異なる第２の位相差で、第１の読み出しゲート６ａによる第２の電荷蓄積部２ｂへの信号電荷の読み出しと、第２の読み出しゲート６ｂによる第１の電荷蓄積部２ａへの電荷の読み出しとを行うことが可能となる。ここでは、図３Ａにおける、ＴＧ１に印加される駆動パルスとＴＧ２に印加される駆動パルスとの位相関係と、図３Ｂにおける、ＴＧ１に印加される駆動パルスとＴＧ２に印加される駆動パルスとの位相関係とが、逆位相のタイミングになっていることを、１８０度位相が異なると呼んでいる。

入れ替え前の露光においては、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）
であり、ここで（ＴＧ１）（ＴＧ２）の記載は、それぞれＴＧ１、ＴＧ２が印加される第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂで読み出されたことを示す。

一方、入れ替え後の露光においては、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）
となる。

Ａ０、Ａ１同士を加算すれば、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）
となり、Ａ０、Ａ１共にＴＧ１、ＴＧ２が印加される第１の読み出しゲート６ａ、第２の読み出しゲート６ｂで読み出された成分を均等に含み、また電荷蓄積位置についても均等に分けられおり、２つの読み出しゲート６、電荷蓄積部２を備えていても、１フレーム内の露光期間で読み出された場所及び電荷蓄積位置の差による信号の差をキャンセルすることが出来る。

図６は基本の形態１に係る固体撮像装置１００の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。

図４に示す入れ替え動作後の露光後に、再度図６に示す入れ替え動作を行えば図４の初期状態（ｔｔ１）に戻すことが可能であり、図３Ａの露光、図４の入れ替え動作、図３Ｂの露光、図６の入れ替え動作を複数回繰り返し、時間軸での信号の偏りを低減することが望ましい。

以上詳細に説明したように、基本の形態１により複数のフレームを使うことなく、読み出しゲート６と電荷蓄積部２の位置による特性差を抑制することができるため、測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

（本発明の基本の形態２）
本発明の基本となる形態２（基本の形態２）に係る固体撮像装置及びその駆動方法について、上記の基本の形態１との相違点を中心に説明する。

図７は、基本の形態２に係る固体撮像装置の備える画素２０ａのレイアウト構成を示す概略平面図である。基本の形態２に係る固体撮像装置は、上記の基本の形態１と比較して、転送電極５が７つ配置される点が異なる。そのため、上記の基本の形態１に対して、電荷蓄積部２を３つとすることが出来る。図７に示されるように、画素２０ａは、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂに加えて、第３の電荷蓄積部２ｃを備える。

上記の基本の形態１における固体撮像装置１００は、電荷蓄積部２が２つであった。

これに対して基本の形態２では、背景光及び電荷蓄積部２で生じる暗電流と寄生感度成分といった距離情報を含まない信号を独立に得るための電荷蓄積部２を１つ追加し、上記の基本の形態１と同様に１フレーム内で２つの読み出しゲートを介して得られる測距信号（信号電荷）の特性差を抑制しつつ、かつ背景光成分（以降ＢＧ）及び電荷蓄積部２で生じる暗電流成分（以降ＤＳ）及び寄生感度成分（以降Ｓｍ）を距離算出時に除去することで測距誤差を低減している。そのため、図７に示すように電荷結合素子を構成する電極を７つ（転送電極５ａ〜５ｇ）設け、７相駆動とすることで、蓄積可能な信号電荷を３つに増やしている。なお８相駆動でも問題はない。

以下、その動作について説明する。

露光時に入れ替え動作を行った後、ＴＧ１とＴＧ２に印加されるパルスタイミングを入れ替えて読み出し特性差を抑制するのは、上記の基本の形態１と同じであるが、複数の電荷蓄積部２における暗電流成分ＤＳや寄生感度Ｓｍも電荷蓄積部２毎に異なるため、第１の電荷蓄積部２ａの暗電流成分と寄生感度をＤＳ１、Ｓｍ１、第２の電荷蓄積部２ｂの暗電流成分と寄生感度をＤＳ２、Ｓｍ２、第３の電荷蓄積部２ｃの暗電流成分と寄生感度をＤＳ３、Ｓｍ３と分けて考える。

また、電荷保持部１０についても電荷蓄積部２と同様に暗電流や寄生感度による信号電荷が生じるため、これらをＤＳＸ、ＳｍＸとする。信号電荷の入れ替え動作においては、最初に電荷保持部１０に転送される信号電荷に前記暗電流ＤＳＸや寄生感度ＳｍＸによる電荷が混入するため、Ａ０、Ａ１、Ａ２と３つの信号がある場合には、最初に電荷保持部１０に転送される回数を前述の３つの信号で均等にする必要がある。

さらに３つの電荷蓄積部２においても、Ａ０、Ａ１、Ａ２が各々の電荷蓄積部２にとどまる時間を等しくする必要が生じる。

図８Ａ、図８Ｂは基本の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す駆動タイミングチャートである。図８Ａに露光と入れ替え動作シーケンス、図８Ｂに露光タイミングを示している。簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃと、各電荷蓄積部２ａ〜２ｃに蓄積される信号のみ記載している。

基本の形態２では読み出し特性差と電荷蓄積部２の暗電流差、寄生感度差、更には入れ替え動作で各信号に混入する電荷保持部１０の暗電流と寄生感度を均等に各信号に分散するために、図８Ａに示すように露光（１）〜（６）、入れ替え動作（１）〜（６）で露光期間が構成される。露光（１）〜（６）において露光時間は同じである。２つの信号の入れ替え動作を行うには、どちらか一方の信号を電荷保持部１０に転送する必要があるが、入れ替え動作（１）〜（６）において、どの信号を電荷保持部１０に転送するかが異なるため、それについても図８Ａに記載している。

まず、最初の露光（１）において、Ａ０、Ａ１、Ａ２成分は以下の式で表される。

Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
Ａ２＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
ここで（ＴＧ１）（ＴＧ２）の記載は、上記の基本の形態１と同様、それぞれＴＧ１が印加される第１の読み出しゲート６ａ、ＴＧ２が印加される第２の読み出しゲート６ｂで読み出されたことを示す。

入れ替え動作（１）と露光（２）の間においては、入れ替え動作（１）時に、Ａ０信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ０に加わり、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ２＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
入れ替え動作（２）と露光（３）の間においては、入れ替え動作（２）時に、Ａ２信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ２に加わり、また露光（３）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスはＴＧ２のみであり背景光成分（ＢＧ）が読み出されるため、
Ａ０＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
Ａ１＝ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ２）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
入れ替え動作（３）と露光（４）の間においては、入れ替え動作（３）時に、Ａ１信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ１に加わり、また露光（４）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスはＴＧ１のみであり背景光成分（ＢＧ）が読み出されるため、
Ａ０＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
Ａ１＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ１）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
入れ替え動作（４）と露光（５）の間においては、入れ替え動作（４）時に、Ａ０信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ０に加わり、また露光（５）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスは印加しないため、
Ａ０＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ１＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
Ａ２＝ＤＳ１＋Ｓｍ１
入れ替え動作（５）と露光（６）の間においては、入れ替え動作（５）時に、Ａ２信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ２に加わり、また露光（６）では光源部５００の発光は行わず、読み出しパルスは印加しないため、
Ａ０＝ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ１＝ＤＳ３＋Ｓｍ３
Ａ２＝ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
入れ替え動作（６）後では、入れ替え動作（６）時に、Ａ１信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ１に加わり、また露光は行わないため、その他の寄生感度と暗電流は殆ど無視でき０とすると、
Ａ０＝０
Ａ１＝ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ２＝０
がＡ０、Ａ１、Ａ２に蓄積される。

以上をＡ０、Ａ１、Ａ２毎に加算すると、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
Ａ２＝ＢＧ（ＴＧ１）＋ＢＧ（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２＋２×ＤＳ３＋２×Ｓｍ３
＋２×ＤＳＸ＋２×ＳｍＸ
となり、Ａ０、Ａ１、Ａ２にはそれぞれ、異なる二つの読み出しゲート６で読み出されたＡ０、Ａ１、ＢＧ信号が加算された状態で含まれるため、読み出し特性の差はキャンセルされる。

またＤＳ１、Ｓｍ１、ＤＳ２、Ｓｍ２、ＤＳ３、Ｓｍ３、ＤＳＸ、ＳｍＸといった３つの電荷蓄積部２と電荷保持部１０とについての暗電流と寄生感度とも、Ａ０、Ａ１、Ａ２に均等に含まれるため、Ａ０−Ａ２、Ａ１−Ａ２の差分後の値にはこれら距離情報と関係のない信号は含まれない。また各露光時間は等しく設定しているため、Ａ０（ＴＧ１）＋Ａ０（ＴＧ２）、Ａ１（ＴＧ１）＋Ａ１（ＴＧ２）に含まれる背景光成分は、ＢＧ（ＴＧ１）＋ＢＧ（ＴＧ２）と等しく、差分後は距離情報のみが得られ、測距誤差を抑制できる。

電荷保持部１０の暗電流を低減するために、電荷保持部１０を形成する電荷保持ゲート１１と転送制御ゲート１２には、入れ替え動作で信号電荷を転送、蓄積する場合を除き、転送チャネルの界面がピンニングするように負電圧を印加し暗電流を低減することが望ましい。すなわち、電荷保持部１０は、電荷保持チャネル（図示されず）の少なくとも一部と、半導体基板の平面視において電荷保持チャネルの少なくとも一部に重なる、電荷保持ゲート１１の少なくとも一部を含んで構成され、電荷保持ゲート１１は、電荷保持部１０が信号電荷を保持する期間を除く期間の少なくとも一部の期間、電荷保持チャネルと電荷保持ゲート１１との界面がピンニングされるように負電圧が印加されることが望ましい。

また寄生感度を低減するために、電荷保持ゲート１１と転送制御ゲート１２周辺の一部または全てを覆うように絶縁膜を介して遮光膜を設けることが望ましい。すなわち、電荷保持部１０の少なくとも一部が遮光膜で覆われていることが望ましい。ＭＯＳプロセスでは配線がゲート電極から高い位置に設けられるため、配線とは別に低い位置にＷ（タングステン）等で遮光することで寄生感度を低減できる。

更に図７では１画素内に電荷保持部１０を設けているが、電荷保持部１０を複数の画素で共有することで、入れ替え動作時に信号電荷に混入する寄生感度と暗電流を、共有しない場合に比べて「１／共有画素数」に出来るため、Ａ０−Ａ２、Ａ１−Ａ２の差分時に生じるショットノイズ増を抑制し測距バラツキを低減できる。

なお、図８Ａ、図８Ｂは露光期間のみを取り扱っているが、１フレーム期間における上記露光期間の後の信号読み出し期間中も各信号は異なる電荷蓄積部に蓄積されているため、この期間中においても暗電流差や寄生感度差が生じる。

露光期間中の場合と同様に、入れ替え動作（１）〜（６）を信号読み出し期間中にも行うことで、この期間中の異なる電荷蓄積部で発生する暗電流や寄生感度差も等しくすることが可能となる。

この場合、信号を読み出すだけであるため、図８ＢのＴＧ１、ＴＧ２に示す読み出しパルスは不要であり、ＴＧ１とＴＧ２は常にＬｏｗ状態、またＯＤＧは常にＨｉｇｈ状態でよい。

以上詳細に説明したように、基本の形態２により複数のフレームを使うことなく、読み出しゲート６の位置による特性差を抑制し、かつ背景光、暗電流、寄生感度の各信号間差を抑制し減算することが可能となるため、測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

（本発明の基本の形態３）
図９は、本発明の基本となる形態３（基本の形態３）に係る固体撮像装置の備える画素２０ｂのレイアウト構成を示す概略平面図である。図９に示されるように、画素２０ｂは、電荷保持部リセットゲート１８と、電荷保持部リセットドレイン１９とを備える。基本の形態３に係る固体撮像装置は、上記の基本の形態２と比較して、電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９を追加した点が異なるため、他の説明は説明済みであるとして省略し、電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９とを中心に説明する。

上記の基本の形態１、上記の基本の形態２共に電荷保持部１０の取り扱い電荷量はオーバーフローを避けるため、電荷蓄積部２の取り扱い電荷量よりも大きく設定することが望ましいが、電荷保持部１０での寄生感度（ＳｍＸ）や暗電流（ＤＳＸ）が大きくなる場合などは電荷保持部１０に隣接して電荷保持部１０の電荷蓄積とドレインへの排出を制御する電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９、すなわち、電荷保持部１０から信号電荷の少なくとも一部を排出する電荷保持部リセットドレイン１９と、電荷保持部リセットドレイン１９への上記排出を制御する電荷保持部リセットゲート１８とを追加し電荷保持部１０のオーバーフローを抑制することが望ましい。

また、入れ替え動作前に、電荷保持部リセットゲート１８をＯＮし、これにより、露光期間中や信号読み出し期間中に蓄積されるＤＳＸ、ＳｍＸ成分を電荷保持部リセットドレイン１９に排出することで、入れ替え動作時に電荷保持部１０に転送されるＡ０、Ａ１、ＢＧといった信号にＤＳＸ、ＳｍＸ成分が混入することを低減できるため、減算処理時に生じるショットノイズの増加を抑制でき、測距バラツキを低減できる。

更には、転送制御ゲート１２にＬｏｗ電圧を印加した際のチャネル電位を転送チャネル４上の転送電極５にＬｏｗ電圧を印加した際のチャネル電位よりも一定量深くしておき、電荷保持部１０と電荷保持部リセットゲート１８とをＨｉｇｈ電圧としておけば、電荷結合素子で構成される電荷蓄積部２のオーバーフローも低減することができる。

以上詳細に説明したように、上記の基本の形態２の効果に加えて、電荷保持部１０の暗電流と寄生感度が距離演算に必要な信号に混入することを抑制できるため、より測距精度に優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

（実施の形態１）
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃは、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の備える画素２０ｃのレイアウト構成を示す概略平面図である。

図１０Ａに示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、上記の基本の形態２と比較して、転送チャネル４（ＣＣＤチャネル）が１画素あたり複数本（一例として、２本、ここでは、転送チャネル４ａ、転送チャネル４ｂ）となり、出力制御ゲート１３、浮遊拡散層１４、リセットゲート１５、リセットドレイン１６、電荷保持部１０、読み出し回路１７が縦方向２画素で共有され、１画素あたり、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄの４つの電荷蓄積部２を備えている点が異なる。しかしながら、各構成要素は同様であるため説明済みであるとして説明を省略する。

なお、図１０Ｂ、図１０Ｃに示すように、転送チャネル４ａと転送チャネル４ｂを分離するために、不純物を高濃度に注入しチャネルストップ領域２１が形成される、あるいはＳＴＩ分離が用いられる。前者の構造では、転送電極５にＨｉｇｈ電圧が印加された場合に図１０Ｂに示す矩形形状の転送電極５が考えらえる。但し、矩形形状の転送電極５では、チャネルストップ領域２１と、半導体基板の平面視において重なる部分が多く、高電界に起因する暗電流が発生しやすい場合がある。

そのため、チャネルストップ領域２１と転送電極５の重なりは小さくすることが望ましい。例えば、転送チャネル４上の転送電極長に比べチャネルストップ領域２１上の電極長を短くレイアウトする等を用いることが望ましい。このレイアウトを実現する一例として、図１０Ｃに示す、所謂、ダンベル形状を有する転送電極５を採用してもよい。

上記の基本の形態２における固体撮像装置は、３つの信号を取り扱うことができ、そのうちの１つは距離信号Ａ０、Ａ１から、背景光（ＢＧ）、暗電流（ＤＳ）、寄生感度（Ｓｍ）を減算するための信号である。

これに対して本実施の形態では、転送チャネル４を複数本（一例として、２本）設け、５相駆動とすることで、１画素あたり４つの測距用信号を取り扱うことが出来る構成としている。そのためパルス幅が狭いままで測距レンジを３倍に伸ばすことが出来る。更には電荷保持部１０の寄生感度や暗電流成分が、上記の基本の形態２であれば３つの信号に分けて混入することになるが、本実施の形態では４つの信号に分けて混入するため、影響を小さくできる利点がある。

以下、その動作について説明する。

図１１Ａ、１１Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。露光タイミングとしては、タイミングの異なる２種類があり、以下、図１１Ａで示される露光タイミングを第１シーケンス、図１１Ｂで示される露光タイミングを第２シーケンスとする。第１シーケンスでＡ０、Ａ２信号を取得し、第２シーケンスでＡ１、Ａ３信号を取得する。詳細は後ほど説明する。

図１２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の信号の動作を示す概略平面図である。４つの信号を蓄積するために、第１シーケンスを実施した後、１画素分Ａ０とＡ２信号を図１２における下方に転送する。その後に第２シーケンスを実施し、Ａ１とＡ３信号を読み出しゲート６ａ、６ｂを介して蓄積する。入れ替え動作を行わない場合は、第２シーケンスを実施した後、１画素分上方に転送し、再び第１シーケンスを実施する。これらを複数回繰り返し、Ａ０とＡ２、Ａ１とＡ３の露光期間に極端な時間差が生じないようにする。

次に図１１Ａ、１１Ｂを参照しながら露光動作の詳細について説明する。

初期状態として、露光制御ゲート８ａ及び８ｂに印加される駆動パルス信号ＯＤＧはＨｉｇｈ状態であり、光電変換部１で生成した信号電荷は、それぞれ、露光制御ゲート８ａ及び８ｂを介してオーバーフロードレイン９ａ及び９ｂに排出され、光電変換部１には蓄積されない。駆動パルス信号ＴＧ１、ＴＧ２はＬｏｗ状態であり、また図１１には示していないが読み出しゲート６ａ、６ｂに隣接する転送電極５に印加される駆動パルス信号ＶＧ１、ＶＧ４はＨｉｇｈ状態であり電荷蓄積部２を形成している。これら電荷蓄積部２は光電変換部１と電気的に遮断されている。

第１シーケンスでは、照射パルス光がオンとなる時刻ｔ１に同期して、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ１は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔｐ／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、光の入射によって生成した信号電荷の、ＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａを介した電荷蓄積部２への転送が開始される。

次に、時刻ｔ２において、駆動パルス信号ＯＤＧが再びＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１で生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン９に排出される。この一連の動作により、図１１で示すＡ０信号が電荷蓄積部２に保持される。次に、時刻ｔ３において、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ２は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔｐ／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、光の入射によって生成した信号電荷の、ＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂを介した電荷蓄積部２への転送が開始される。次に、時刻ｔ４において、駆動パルス信号ＯＤＧがＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１で生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン９に排出される。この動作により、図１１に示すＡ２信号が電荷蓄積部２に保持される。

第２シーケンスでは、時刻ｔ２において、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ１は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔｐ／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、光の入射によって生成した信号電荷の、ＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａを介した電荷蓄積部２への転送が開始される。次に、時刻ｔ３において、駆動パルス信号ＯＤＧがＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１で生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン９に排出される。この動作により、図１１に示すＡ１信号が電荷蓄積部２に保持される。次に、時刻ｔ４において、駆動パルス信号ＯＤＧがＬｏｗ状態となり、光電変換部１からオーバーフロードレイン９への電荷排出が停止される。このとき、駆動パルス信号ＴＧ２は、駆動パルス信号ＯＤＧに対して（Ｔｐ／２）だけ先行してＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に遷移しており、光の入射によって生成した信号電荷の、ＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂを介した電荷蓄積部２への転送が開始される。次に、時刻ｔ５において、駆動パルス信号ＯＤＧがＨｉｇｈ状態となり、光電変換部１で生成した信号電荷は、オーバーフロードレイン９に排出される。この動作により、図１１に示すＡ３信号が電荷蓄積部２に保持される。

以上の動作により、図１０Ａで示す第１の電荷蓄積部２ａ〜第４の電荷蓄積部２ｄに、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３信号が蓄積されることになる。

図１３Ａ〜１３Ｃは、実施の形態１に係る固体撮像装置の測距信号出力と測距レンジの対応を示すタイミングチャートである。図１３Ａ中には測距レンジ１、図１３Ｂ中には測距レンジ２、図１３Ｃ中には測距レンジ３とあるが、各々は反射パルス光の遅延時間Ｔｄによって分類されており、Ｔｄが０〜Ｔｐの場合を測距レンジ１、ＴｄがＴｐ〜２Ｔｐの場合を測距レンジ２、Ｔｄが２Ｔｐ〜３Ｔｐの場合を測距レンジ３としている。また時刻ｔ１乃至ｔ５は全て同一の時間間隔で並んでおり、その時間間隔は照射パルス幅Ｔｐに等しい。また、図１３Ｄは、各測距レンジと、各電荷蓄積部２に蓄積されるＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３信号との対応関係を示す対応表である。

まず図１３Ａの測距レンジ１の場合について説明する。

背景光を含んだ反射パルス光の先行成分Ａ０は第１シーケンスにおいて、ＴＧ１のＨｉｇｈ電圧で読み出され、ＴＧ２のＨｉｇｈ電圧で読み出されるのは背景光成分ＢＧである。一方、背景光を含んだ反射パルス光の後行成分Ａ１は第２シーケンスにおいてＴＧ１のＨｉｇｈ電圧で読み出され、ＴＧ２のＨｉｇｈ電圧で読み出されるのは背景光成分ＢＧである。

これらの信号を基に反射パルス光の遅延量Ｔｄ＝Ｔｐ×（（Ａ１−ＢＧ）／（Ａ０＋Ａ１−２×ＢＧ））を求め、対象物までの距離が算出される。

測距レンジ１においてはＡ０＞Ａ２、Ａ１＞Ａ３であり、距離ｄは下記の式１で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、分子部分についてはＡ３、分母部分についてはＡ０に対してはＡ２を、Ａ１に対してはＡ３を用いることが望ましい。後述するが、本実施の形態においては、Ａ０とＡ２、Ａ１とＡ３間の暗電流や寄生感度を合わせこむためである。

…（式１）

反射パルス光の遅延量が異なるため、各々の距離情報を持つ信号と背景光のみの信号がＡ０〜Ａ４のどこに位置づけられるかは図１３Ｄの表に示すとおりとなる。いずれの場合においても、適切な信号を選択することにより対象物までの距離を算出することができ、距離精度を損なうことなく測距レンジを従来例のｃ×Ｔ０／２から３倍の３ｃ×Ｔ０／２に延ばすことが可能となる。

測距レンジ２においては、Ａ２＞Ａ０、Ａ１＞Ａ３であり、距離ｄは下記の式２で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、分子部分についてはＡ０、分母部分についてはＡ１に対してはＡ３を、Ａ２に対してはＡ０を用いることが望ましい。理由については測距レンジ１の説明で述べたとおりである。

…（式２）

測距レンジ３においては、Ａ２＞Ａ０、Ａ３＞Ａ１であり、距離ｄは下記の式３で算出される。なお、この場合、背景光の露光量であるＢＧは、分子部分についてはＡ１、分母部分についてはＡ２に対してはＡ０を、Ａ３に対してはＡ１を用いることが望ましい。理由については測距レンジ１の説明で述べたとおりである。

…（式３）

次に信号入れ替え動作について、図１４Ａ〜１４Ｄ、図１５、図１６Ａ、１６Ｂを参照しながら説明する。

図１４Ａ〜１４Ｄは実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替え前後の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。信号入れ替え前後でのＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の画素における蓄積場所とＴＧ１、ＴＧ２が印加される読み出しゲート６との位置関係も示している。

図１５は実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示す概略平面図である。

図１６Ａ、１６Ｂは実施の形態１に係る固体撮像装置の信号入れ替えの動作を示すタイミングチャートである。

図１５、図１６Ａ、１６Ｂでは簡単のため、Ａ０信号とＡ２信号、Ａ０’信号とＡ２’信号の信号入れ替え動作を示している。

図１５、図１６Ａ、１６Ｂにおいて、初期からＡ０とＡ２信号の入れ替えが行われるまでの動作を駆動Ａ、入れ替えが終わってから初期の露光位置に信号が戻るまでの動作を駆動Ｂとしている。駆動Ｂは通常の５相駆動である。

図１０Ａ、図１５において、実施の形態１に係る固体撮像装置は、ＶＧ４が印加される転送電極５ｄとして、入れ替え動作時の駆動の制御のため、ＶＧ４ＡとＶＧ４Ｂが印加される２種類の転送電極５ｄ（ここでは、転送電極５ｄＡ、転送電極５ｄＢ）を備えている。そして、これはＶＧ５が印加される転送電極５ｅについても同様であり、実施の形態１に係る固体撮像装置は、ＶＧ５ＡとＶＧ５Ｂが印加される２種類の転送電極５ｅ（ここでは、転送電極５ｅＡ、転送電極５ｅＢ）を備える。Ｖ５Ｂは転送制御ゲート１２に隣接する転送電極５ｅＢに印加され、Ｖ４ＢはＶ５Ｂが印加される転送電極５ｅＢの上側に位置する転送電極５ｄＢに印加される。

図１５において、各転送電極５にはＶＧ１、ＶＧ２、ＶＧ３、ＶＧ４Ａ、ＶＧ４Ｂ、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂの駆動パルスが印加され、信号電荷を所望の場所に転送する。考慮すべき信号はＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の４つの信号で、図１５中の最下方の読み出しゲート６ａ、６ｂから読み出された信号をＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３、その２画素上の読み出しゲート６ａ、６ｂから読み出された信号をＡ０’、Ａ１’、Ａ２’、Ａ３’とする。簡単のため、その他の隣接画素の信号は省略している。まず駆動Ａの動作について説明する。ｔｔ１は図１４Ａ、１４Ｂで示す露光が完了した状態であり、Ｈｉｇｈ電圧であるＶＧ１、ＶＧ４Ａ、ＶＧ４Ｂが印加される転送電極５下に８つの信号が蓄積されており、Ａ０信号はＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａ横に、Ａ２信号はＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂ横に位置している。その後、図１５において上方向に５相駆動にて信号電荷を転送し、ｔｔ２にてＶＧ３、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５ＢがＨｉｇｈ電圧となり、ＶＧ３、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂが印加される転送電極５下に信号電荷が蓄積される。次に図１６Ａに示すように、ＶＳが印加される電荷保持ゲート１１にＨｉｇｈ電圧、続いてＶＢが印加される転送制御ゲート１２をＨｉｇｈ電圧とし、ＶＧ５ＢのＨｉｇｈ電圧が印加されている転送電極５の電荷蓄積部２と電荷保持部１０との間に電荷転送の経路を作った後、ＶＧ５ＢとＶＢが印加される転送電極５と転送制御ゲート１２にＬｏｗ電圧を順次印加し、Ａ２信号を電荷保持ゲート１１下に転送する（図１５、図１６Ａにおけるｔｔ３）。

次にｔｔ３にて電荷保持ゲート１１下のＡ２信号の下に位置していたＡ０信号を上部に転送し、電荷保持ゲート１１を越えてＶＧ３が印加される転送電極５下に蓄積する（ｔｔ４）。

その後、ＶＧ５Ｂ、ＶＢを再びＨｉｇｈ電圧とし、電荷保持部１０と、ＶＧ５Ｂが印加されている転送電極５の電荷蓄積部２との間に転送経路を作った後、ＶＳ、ＶＢの順でＬｏｗ電圧を印加していき、Ａ２信号をＶＧ５ＢのＨｉｇｈ電圧が印加されている転送電極５下に転送する（ｔｔ５）。

次に下方向に駆動Ｂに示す５相駆動にて転送を行い、Ａ０とＡ２の縦方向の位置が入れ替わった状態を作る（ｔｔ６）。

この入れ替え動作を実施した後は、図１５に示すようにＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂ横にＡ０信号、ＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａ横にＡ２信号が配置されるため、図１４ＣのＡ０−Ａ２信号入れ替え後の第１シーケンスに示すようにＴＧ１とＴＧ２に印加するパルスタイミングを入れ替え、再び露光を開始することが可能となる。

図１７は、実施の形態１に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄと、各電荷蓄積部２に蓄積される信号電荷とを記載している。

本実施の形態では読み出し特性差と電荷蓄積部２の暗電流差、寄生感度差、更には入れ替え動作で各信号に混入する電荷保持部１０の暗電流と寄生感度を均等に各信号に分散するために図１７に示すように露光（１）〜（８）、入れ替え動作（１）〜（４）で露光期間が構成される。露光（１）〜（８）において露光時間は同じである。２つの信号の入れ替え動作を行うには、どちらかを電荷保持部１０に転送する必要があるが、入れ替え動作（１）〜（４）において、どの信号を電荷保持部１０に転送するかも記載している。

図１２に示したように、第１シーケンスでＴＧ１が印加される読み出しゲート６ａに読み出しパルスを印加してＡ０を蓄積し、ＴＧ２が印加される読み出しゲート６ｂに読み出しパルスを印加してＡ２信号を蓄積する。上記の基本の形態２と同様に、ＴＧ１で読み出したＡ０をＡ０（ＴＧ１）、ＴＧ２で読み出したＡ２をＡ２（ＴＧ２）とする。その後、１画素分下に電荷転送し、ＴＧ１に読み出しパルスを印加してＡ１（ＴＧ１）を蓄積し、ＴＧ２に読み出しパルスを印加してＡ３（ＴＧ２）を得る。その後、１画素分上に電荷転送し、元の露光位置に戻す。図１７に示すように露光される信号が存在する画素の上下に１画素分転送を行うので、信号は４つであるが、考慮すべき電荷蓄積部２は６箇所あり、ＴＧ２、ＴＧ１が印加される読み出しゲート６ｂ、６ａ横の電荷蓄積部２の暗電流をそれぞれＤＳ１、ＤＳ２、漏れ込み及び寄生感度をＳｍ１、Ｓｍ２とし、露光が行われる画素の上部に存在する画素における電荷蓄積部２の暗電流を上からＤＳＵ１、ＤＳＵ２、寄生感度をＳｍＵ１、ＳｍＵ２とし、下側の画素の電荷蓄積部２の暗電流をＤＳＤ１、ＤＳＤ２、寄生感度をＳｍＤ１、ＳｍＤ２とし、上記の基本の形態２と同様に電荷保持部１０の暗電流をＤＸ、寄生感度をＳｍＸとする。

まず、最初の露光（１）において、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３信号は以下の式で表される。

Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
Ａ２＝Ａ２（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ１＝ＤＳＵ２＋ＳｍＵ２
Ａ３＝ＤＳＵ１＋ＳｍＵ１
露光（２）において、同様に
Ａ０＝ＤＳＤ２＋ＳｍＤ２
Ａ２＝ＤＳＤ１＋ＳｍＤ１
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
Ａ３＝Ａ３（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
入れ替え動作（１）後の露光（３）では、入れ替え動作（１）時に、Ａ２信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ２に加わり、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ２＝Ａ２（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ１＝ＤＳＵ２＋ＳｍＵ２
Ａ３＝ＤＳＵ１＋ＳｍＵ１
露光（４）では、
Ａ０＝ＤＳＤ１＋ＳｍＤ１
Ａ２＝ＤＳＤ２＋ＳｍＤ２
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
Ａ３＝Ａ３（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
入れ替え動作（２）後の露光（５）では、入れ替え動作（２）時に、Ａ３信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ３に加わり、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ２＝Ａ２（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
Ａ１＝ＤＳＵ１＋ＳｍＵ１
Ａ３＝ＤＳＵ２＋ＳｍＵ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
露光（６）では、
Ａ０＝ＤＳＤ１＋ＳｍＤ１
Ａ２＝ＤＳＤ２＋ＳｍＤ２
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ３＝Ａ３（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
入れ替え動作（３）後の露光（７）では、入れ替え動作（３）時に、Ａ０信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ０に加わり、
Ａ０＝Ａ０（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ２＝Ａ２（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ１＝ＤＳＵ１＋ＳｍＵ１
Ａ３＝ＤＳＵ２＋ＳｍＵ２
露光（８）では、
Ａ０＝ＤＳＤ２＋ＳｍＤ２
Ａ２＝ＤＳＤ１＋ＳｍＤ１
Ａ１＝Ａ１（ＴＧ２）＋ＤＳ１＋Ｓｍ１
Ａ３＝Ａ３（ＴＧ１）＋ＤＳ２＋Ｓｍ２
入れ替え動作（４）後では、Ａ１信号が電荷保持部１０に転送されるため、電荷保持部１０の暗電流ＤＳＸと寄生感度ＳｍＸがＡ１に加わり、その後は露光がないため、その他の寄生感度と暗電流は殆ど無視でき０とすると、
Ａ０＝０
Ａ２＝０
Ａ１＝ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ３＝０
以上をＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３毎に加算すると、
Ａ０＝２×Ａ０（ＴＧ１）＋２×Ａ０（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２
＋２×ＤＳＤ１＋２×ＳｍＤ１＋２×ＤＳＤ２＋２×ＳｍＤ２
＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ２＝２×Ａ２（ＴＧ１）＋２×Ａ２（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２
＋２×ＤＳＤ１＋２×ＳｍＤ１＋２×ＤＳＤ２＋２×ＳｍＤ２
＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ１＝２×Ａ１（ＴＧ１）＋２×Ａ１（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２
＋２×ＤＳＵ１＋２×ＳｍＵ１＋２×ＤＳＵ２＋２×ＳｍＵ２
＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
Ａ３＝２×Ａ３（ＴＧ１）＋２×Ａ３（ＴＧ２）
＋２×ＤＳ１＋２×Ｓｍ１＋２×ＤＳ２＋２×Ｓｍ２
＋２×ＤＳＵ１＋２×ＳｍＵ１＋２×ＤＳＵ２＋２×ＳｍＵ２
＋ＤＳＸ＋ＳｍＸ
となり、Ａ０、Ａ２成分の各々において２つの異なる読み出しゲート６でＡ０またはＡ２を読み出しそれを加算することで読み出し特性差が解消されることが分かる。また暗電流、寄生感度についてはＡ０、Ａ２それぞれ均等に含まれることになる。Ａ１とＡ３についても同様である。本実施の形態の露光方式においては、図１３Ｄで示したように、Ａ０とＡ２は一方が距離情報を含まない背景光成分のみを光電変換部１から読み出しており、Ａ１とＡ３についても同様であるため、各レンジにおいて、Ａ０−Ａ２（またはＡ２−Ａ０）、Ａ１―Ａ３（またはＡ３−Ａ１）を算出すれば、背景光成分を減算でき、異なる電荷蓄積部２による暗電流・寄生感度差をキャンセルすることが可能となる。これにより、差分後の誤差が解消でき、測距誤差を低減できる。

本実施の形態においても、上記の基本の形態２で述べたように、信号読み出し期間中も各信号は電荷蓄積部２に蓄積されているため、この期間中においても暗電流差や寄生感度差が生じる。そのため信号読み出し期間においても電荷蓄積部２間において信号電荷の入れ替え動作を行う必要がある。

図１８は、実施の形態１に係る固体撮像装置の信号読み出し時の各信号の配置と動作を示す平面図である。図１７と同様に、簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄと各電荷蓄積部２に蓄積される信号のみ記載している。

入れ替え動作（１）〜（４）を信号読み出し期間中にも行うことで、この期間中に異なる電荷蓄積部２で生じる暗電流差や寄生感度差もＡ０とＡ２、Ａ１とＡ３間でそれぞれ等しくすることが可能となる。信号読み出し期間中に、入れ替え動作（１）〜（４）を少なくとも４回行うことが望ましい。

なお、図１０Ａには図示していないが、上記の基本の形態３と同様に電荷保持部１０の隣に電荷保持部リセットゲート１８、電荷保持部リセットドレイン１９を設けてもよい。

なお、実施の形態１では、実施の形態１に係る固体撮像装置として、光電変換部１から信号電荷を読み出す読み出しゲート６が複数である構成を例示したが、必ずしも、読み出しゲート６が複数である構成の例に限定される必要はない。一例として、実施の形態１に係る固体撮像装置として、光電変換部１から信号電荷を読み出す読み出しゲートが１つである構成の例もあり得る。

以上詳細に説明したように、本実施の形態により上記の基本の形態２に比べて、測距レンジが大きい、そして、電荷保持部１０の寄生感度や暗電流の影響を低減できるため、測距精度にも優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置について、図面を用いて、上述した基本の形態、及び実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１９は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の備える画素２０ｄ、２０ｅのレイアウト構成を示す概略平面図である。

本実施の形態に係る固体撮像装置は、実施の形態１と比較して、出力制御ゲート１３、浮遊拡散層１４、リセットゲート１５、リセットドレイン１６、読み出し回路１７、電荷保持部１０が縦方向４画素で共有される点が異なる。但し、各構成要素は同様であるため説明済みであるとして説明を省略する。

実施の形態１に比べ、本実施の形態では縦方向４画素の出力部（出力制御ゲート１３、浮遊拡散層１４、リセットゲート１５、リセットドレイン１６、読み出し回路１７）と電荷保持部１０とを共有しているため、行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図１９における上下方向に隣接する光電変換部１間の分離領域に、電荷保持部１０または出力部のいずれか１つを配置するレイアウトとなるため、電荷保持部１０の面積を拡大すること、及び電荷保持部１０のレイアウトを比較的容易に実現することが可能で、電荷保持部１０の取り扱い電荷量を増やすことが可能となる利点がある。更には後述するが電荷保持部１０の寄生感度や暗電流が８つの信号に分けて混入することになるため、電荷保持部１０で発生する寄生感度と暗電流の影響を低減できる。

このように、実施の形態２に係る固体撮像装置は、電荷保持部１０を備える第１画素２０ｄと、浮遊拡散層１４と読み出し回路１７とを含む出力部を備える第２画素２０ｅとの２種類の画素２０を備える。そして、第１画素２０ｅは、複数の画素２０の行列状の配置における列方向に並ぶ第２画素２０ｄのうちの少なくとも１つと、浮遊拡散層１４を共用し、第２画素２０ｄは、上記列方向に並ぶ第１画素２０ｅのうちの少なくとも１つと、電荷保持部１０を共用する。

以下、実施の形態２に係る固体撮像装置の動作について説明する。

露光時の動作は実施の形態１と同様であり、図１１、１２に示される通り、第１シーケンスを複数回繰り返しＡ０、Ａ２信号を得た後で、信号電荷を１画素分転送し、第２シーケンスによりＡ１、Ａ３信号を得る。

図２０、図２１は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時の各信号の配置と動作を示す平面図である。簡単のため、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄと、各電荷蓄積部２に蓄積される信号とを記載している。

本実施の形態では読み出し特性差と電荷蓄積部２の暗電流差、寄生感度差、更には入れ替え動作で各信号に混入する電荷保持部１０の暗電流と寄生感度を均等に各信号に分散するために図２０、２１に示すように露光（１）〜（１６）、入れ替え動作（１）〜（８）で露光期間が構成される。露光（１）〜（１６）において露光時間は同じである。２つの信号の入れ替え動作を行うには、どちらかを電荷保持部１０に転送する必要があるが、入れ替え動作（１）〜（８）において、どの信号を電荷保持部１０に転送するかも記載している。

以下、図２０と図２１を参照しながら動作の詳細を説明する。

本実施の形態では、縦方向４画素で電荷保持部１０と出力部とを共有しているため、８つの信号について考慮する必要がある。図２０、２１に示すように、読み出しゲート６を持つ下部の画素２０から上部に向けて露光（１）で得られる信号をＡ０、Ａ２、Ａ１、Ａ３、Ａ０’、Ａ２’、Ａ１’、Ａ３’とする。本実施の形態では４画素で１つの電荷保持部１０を共有しているため、実施の形態１と異なり、露光時の入れ替え動作は、例えば図２０の入れ替え動作（１）に記載しているように、Ａ０とＡ２信号の入れ替え動作を行った後に他画素のＡ０’、Ａ２’信号の入れ替え動作を行う必要がある。これを１セットとし、入れ替え動作時に最初に電荷保持部１０に転送される信号を各信号同一回数実施する必要があるため、図２０、２１に示すように入れ替え動作は（１）〜（８）の最低８セット行うのが望ましい。詳細は省略するが、実施の形態１と同様に、Ａ０とＡ２、Ａ１とＡ３、Ａ０’とＡ２’、Ａ１’とＡ３’において、各信号が２つの異なる読み出しゲート６で読み出した成分を均等に含み、それらが加算されるため、読み出し特性差が解消される。また暗電流、寄生感度についてもＡ０とＡ２、Ａ１とＡ３、Ａ０’とＡ２’、Ａ１’とＡ３’間でそれぞれ均等に含まれる。本実施の形態の露光方式においては、図１３Ｄで示したように、Ａ０とＡ２は一方が距離情報を含まない背景光成分のみを光電変換部１から読み出しており、Ａ１とＡ３、Ａ０’とＡ２’、Ａ１とＡ３’についても同様であるため、各測距レンジにおいて、Ａ０−Ａ２（またはＡ２−Ａ０）、Ａ１―Ａ３（またはＡ３−Ａ１）、Ａ０’−Ａ２’（またはＡ２’−Ａ０’）、Ａ１’―Ａ３’（またはＡ３’−Ａ１’）を算出すれば、背景光成分を減算でき、異なる電荷蓄積部２による暗電流・寄生感度差をキャンセルすることが可能となる。これにより、差分後の誤差が解消でき、測距誤差を低減できる。

図２２Ａ、２２Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示すタイミングチャートである。

図２３は、実施の形態２に係る固体撮像装置の露光時のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を示す概略平面図である。

図２２Ａ、２２Ｂ、図２３に示す動作は、図２０における入れ替え動作（１）のＡ０とＡ２信号の入れ替え動作に相当する。初期からＡ０とＡ２信号の入れ替えが行われるまでの動作を駆動Ａ、入れ替えが終わってから初期の露光位置に信号が戻るまでの動作を駆動Ｂとしている。駆動Ｂは通常の５相駆動である。

図２２Ａ、２２Ｂ、図２３において、各転送電極５にはＶＧ１、ＶＧ２、ＶＧ３、ＶＧ４Ａ、ＶＧ４Ｂ、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂ、ＶＧ５Ｃの駆動パルスが印加され、信号電荷を所望の場所に転送する。５相駆動を基本とするが、実施の形態２に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置と同様に、入れ替え動作時の駆動の制御のため、ＶＧ４ＡとＶＧ４Ｂが印加される２種類の転送電極５ｄ（ここでは、転送電極５ｄＡ、転送電極５ｄＢ）を備えており、ＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂが印加される２種類の転送電極５ｅ（ここでは、転送電極５ｅＡ、転送電極５ｅＢ）を備えている。加えて出力制御ゲート１３に隣接する転送電極５を独立にする必要があるため、ＶＧ５Ｃが印加される転送電極５ｅ（ここでは、転送電極５ｅＣ）を備えている。

ＶＧ５Ｃは信号電荷を出力制御ゲート１３に転送する場合のみＶＧ５Ａ、ＶＧ５Ｂと異なるタイミングが印加されるため、入れ替え動作や通常の５相駆動を用いた上下転送においてはＶＧ５Ａと同じタイミングとなる。

図２３に示すように、この場合の動作では、Ａ２信号を電荷保持部１０に転送、一度保持し、Ａ０信号が電荷保持部１０の上部に転送された後に、ＶＧ５Ｂが印加される転送電極５下に戻すことでＡ０とＡ２信号の入れ替え動作を実現している（駆動Ａ）。この後、通常の５相駆動により、露光を行う画素まで転送を行う（駆動Ｂ）。図２３の信号の配置と図２２Ａ、２２Ｂのタイミングチャートにおける時間軸での対応をｔｔ１〜ｔｔ７で示す。

他の信号の入れ替え動作も上下の転送と電荷保持部１０への信号電荷の出し入れにより同様に実施することができる。

なお、本実施の形態においても、信号読み出し期間中も各信号は異なる電荷蓄積部２に蓄積されているため、この期間中においても暗電流差や寄生感度差が生じる。そのため信号読み出し期間においても電荷蓄積部２間において信号電荷の入れ替え動作を行う必要がある。

図２４は、実施の形態２に係る固体撮像装置の信号読み出し時の各信号の配置と動作を示す平面図である。図２０、図２１と同様に、転送電極５は省略し、第１の電荷蓄積部２ａ、第２の電荷蓄積部２ｂ、第３の電荷蓄積部２ｃ、第４の電荷蓄積部２ｄと各電荷蓄積部２に蓄積される信号のみ記載している。入れ替え動作は（１）〜（８）の８回実施する。電荷保持部１０に保持される信号は電荷保持部１０の暗電流と寄生感度が混入するが、Ａ０〜Ａ３、Ａ０’〜Ａ３’の８つの信号がそれぞれ１回ずつ合計８回電荷保持部１０に保持され入れ替え動作を実施するため、電荷保持部１０の暗電流と寄生感度は８分割され均等に各信号に混入する。入れ替え動作（１）〜（８）を信号読み出し期間中にも行うことで、この期間中の異なる電荷蓄積部２間の暗電流差や寄生感度差もＡ０とＡ２、Ａ１とＡ３、Ａ０’とＡ２’、Ａ１’とＡ３’間でそれぞれ等しくすることが可能となる。

なお、図１９に図示していないが、上記の基本の形態３と同様に電荷保持部１０の隣に電荷保持部リセットゲート１８、電荷保持部リセットドレイン１９を設けてもよい。実施の形態１に比べ、行列状に配置される複数の画素２０の列方向、すなわち、図１９における縦方向に共有する画素２０を増やすことで、電荷保持部１０の配置領域に余裕ができるため、電荷保持部リセットゲート１８と電荷保持部リセットドレイン１９を配置しやすくなっている。

以上詳細に説明したように、本実施の形態により実施の形態１に比べて、電荷保持部の寄生感度や暗電流の影響を低減でき、電荷保持部１０の取り扱い電荷量も大きくとれるため、測距精度にも優れた測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置について、図面を用いて実施の形態との相違点を中心に説明する。

図２５Ａ〜２５Ｄ、と図２６Ａ〜２６Ｄとは、実施の形態３に係る固体撮像装置の露光時の動作を示す駆動タイミングチャートである。図２５Ａ〜２５Ｄ、と図２６Ａ〜２６ＤとではＴＧパルス幅が異なる（言い換えると、ＴＧパルスのパルス幅は、照射光のパルス幅Ｔｐよりも大きい）が取得される信号は同様である。

実施の形態３に係る固体撮像装置の備える画素のレイアウト構成は、実施の形態１と実施の形態２のどちらであっても適用できるため、説明を省略する。また信号入れ替えの動作についても基本的な考え方は同じであり、説明を省略する。

実施の形態１、実施の形態２に比べ、本実施の形態では、同じ画素レイアウト構成を用いながら、露光時の動作タイミングが異なる。具体的には、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の４つの信号を用いる点は実施の形態１及び実施の形態２と同じであるが、光源の発光回数が１／２であり、光電変換部１から距離情報を含む信号を得るのはＡ０とＡ１のみであり、Ａ２、Ａ３は背景光成分を得る。

以下、実施の形態３に係る固体撮像装置の動作について説明する。

図２５Ａ〜２５Ｄ、図２６Ａ〜２６Ｄに示すように、第１シーケンス（図２５Ａ、図２６Ａ参照）においてＴＧ１、ＴＧ２の印加パルスにより距離情報を含むＡ０、Ａ１信号を取得し、第２シーケンス（図２５Ｃ、図２６Ｃ参照）において、距離情報を含まない背景光成分であるＡ２、Ａ３信号を取得する。信号を入れ替えた後の露光タイミングについては、第１シーケンスにおいては、Ａ０−Ａ１信号入れ替え後第１シーケンス（図２５Ｂ、図２６Ｂ参照）を適用し、第２シーケンスにおいては、Ａ２−Ａ３信号入れ替え後第２シーケンス（図２５Ｄ、図２６Ｄ参照）を適用する。これにより、実施の形態１及び実施の形態２と同様に、読み出し特性差、電荷蓄積部２の暗電流差と寄生感度差をキャンセルすることが可能となり、また背景光成分の減算も可能となる。

測距レンジは実施の形態１、実施の形態２に比べ１／３となるが、発光回数は図１１Ａ、図１１Ｂに示す露光タイミングと比較して１／２に出来るため、近距離で低消費電力が要求されるアプリケーションに対して有用な露光タイミングである。同一の画素レイアウト構成にて、露光タイミングの変更で複数のアプリケーションに対応できることは、要求スペックが多様な測距撮像装置にとって非常に有用である。

以上詳細に説明したように、本実施の形態により実施の形態１と実施の形態２に比べて、発光回数を１／２に出来るため、近距離で低消費電力が要求されるアプリケーションに適した測距用固体撮像素子を提供することが可能となる。

本発明は、被写体の距離画像を取得する固体撮像装置、及び撮像装置に広く利用可能である。

１ 光電変換部
２ 電荷蓄積部
２ａ 第１の電荷蓄積部
２ｂ 第２の電荷蓄積部
２ｃ 第３の電荷蓄積部
２ｄ 第４の電荷蓄積部
４、４ａ、４ｂ 転送チャネル
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｄＡ、５ｄＢ、５ｅ、５ｅＡ、５ｅＢ、５ｅＣ、５ｆ、５ｇ 転送電極
６ 読み出しゲート
６ａ 第１の読み出しゲート
６ｂ 第２の読み出しゲート
８、８ａ、８ｂ 露光制御ゲート
９、９ａ、９ｂ オーバーフロードレイン
１０ 電荷保持部
１１ 電荷保持ゲート
１２ 転送制御ゲート
１３ 出力制御ゲート
１４ 浮遊拡散層
１５ リセットゲート
１６ リセットドレイン
１８ 電荷保持部リセットゲート
１９ 電荷保持部リセットドレイン
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 画素
２０ｄ 第１画素
２０ｅ 第２画素
２１ チャネルストップ領域
１００ 固体撮像装置
１０３ タイミング生成部

Claims (19)

1. 半導体基板に画素を備える固体撮像装置であって、
   前記画素は、
   受光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、
   前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す少なくとも１つの読み出しゲートと、
   前記少なくとも１つの読み出しゲートにより読み出される前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
   前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持し、保持される前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つに転送する電荷保持部と、を備え、
   前記複数の電荷蓄積部のそれぞれは、前記信号電荷を転送するための転送チャネルの一部と、前記半導体基板の平面視において当該一部に重なる転送電極の一部とを含み、
   前記転送チャネルは、１画素当たり複数本である
   固体撮像装置。
2. 前記固体撮像装置は、行列状に配置される複数の前記画素を備え、
   前記複数の画素は、前記光電変換部から、一行毎に、前記複数の画素の配置における行方向において互いに逆向きに前記信号電荷が読み出される
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記固体撮像装置は、前記少なくとも１つの読み出しゲートによって、第１の信号電荷と第２の信号電荷とが読み出された場合における、当該第１の信号電荷が蓄積される場所と、当該第２の信号電荷が蓄積される場所との入れ替えを行うタイミング生成部を備える
   請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記少なくとも１つの読み出しゲートは、第１の読み出しゲートと第２の読み出しゲートとを含む複数であり、
   前記第１の読み出しゲート及び前記第２の読み出しゲートは、それぞれ、第１の位相差で、前記第１の信号電荷の読み出しと、前記第２の信号電荷の読み出しとを行う
   請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の電荷蓄積部は、第１の電荷蓄積部と第２の電荷蓄積部とを含み、
   前記タイミング生成部は、前記第１の位相差で行われる、前記第１の読み出しゲートによる前記第１の電荷蓄積部への前記第１の信号電荷の読み出しと、前記第２の読み出しゲートによる前記第２の電荷蓄積部への前記第２の信号電荷の読み出しとの後に、前記入れ替えを行う
   請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１の読み出しゲート及び前記第２の読み出しゲートは、それぞれ、前記第１の位相差と１８０度位相の異なる第２の位相差で、前記第１の読み出しゲートによる前記第２の電荷蓄積部への前記信号電荷の読み出しと、前記第２の読み出しゲートによる前記第１の電荷蓄積部への前記信号電荷の読み出しとを行う
   請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記タイミング生成部は、信号読み出し期間に、前記入れ替えを行う
   請求項３〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記タイミング生成部は、前記第１の信号電荷が前記電荷保持部に転送される回数と、前記第２の信号電荷が前記電荷保持部に転送される回数とが等しくなるように、前記入れ替えを複数回行う
   請求項３〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記電荷保持部は、電荷保持チャネルと、電荷保持ゲートとを含み、
   前記電荷保持ゲートは、前記電荷保持部が前記信号電荷を保持する期間を除く期間のうちの少なくとも一部の期間、前記電荷保持チャネルと前記電荷保持ゲートとの界面がピニングされるように、負電圧が印加される
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記電荷保持部の少なくとも一部が遮光膜で覆われている
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記画素は、更に、
    前記電荷保持部から、前記信号電荷の少なくとも一部を排出する電荷保持部リセットドレインと、
    前記電荷保持部リセットドレインへの前記排出を制御する電荷保持部リセットゲートと、を備える
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 前記画素は、更に、
    前記光電変換部から、前記信号電荷の少なくとも一部を排出するオーバーフロードレインと、
    前記オーバーフロードレインへの前記排出を制御する露光制御ゲートと、を備える
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
13. 前記転送電極は、矩形形状である
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
14. 前記固体撮像装置は、複数本の前記転送チャネルを分離するチャネルストップ領域を備え、
    前記チャネルストップ領域上の転送電極長は、前記転送チャネル上の転送電極長よりも短い
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
15. 前記少なくとも１つの読み出しゲートを駆動する駆動パルスのパルス幅は、照射光のパルス幅Ｔｐよりも大きい
    請求項１〜１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
16. 画素を備える固体撮像装置であって、
    前記画素は、
    受光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    前記光電変換部から前記信号電荷を読み出す少なくとも１つの読み出しゲートと、
    前記少なくとも１つの読み出しゲートにより読み出される前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、を備え、
    前記複数の電荷蓄積部のそれぞれは、１画素当たり複数本の転送チャネルと、転送電極と、を含み、
    行列状に配置される複数の前記画素は、複数の第１画素と複数の第２画素とを含み、
    前記複数の第１画素のそれぞれは、更に、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持し、保持する前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つに転送する電荷保持部を備え、
    前記複数の第２画素のそれぞれは、更に、前記複数の電荷蓄積部のうちの１つから、当該電荷蓄積部に蓄積される前記信号電荷の転送を受けて保持する浮遊拡散層を備える
    固体撮像装置。
17. 前記複数の第１画素のそれぞれは、列方向に並ぶ前記第２画素のうちの少なくとも１つと、前記浮遊拡散層を共用する
    請求項１６に記載の固体撮像装置。
18. 前記複数の第２画素のそれぞれは、列方向に並ぶ前記第１画素のうちの少なくとも１つと、前記電荷保持部を共用する
    請求項１６または１７に記載の固体撮像装置。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    複数のタイミングで赤外光をパルス状に発光する光源部と、
    前記固体撮像装置の出力信号に基づいて、距離画像を生成するプロセッサとを備える
    撮像装置。

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