有双重帧存储部分的ccd图像拾取装置和使用该装置的方法

专利名称：有双重帧存储部分的ccd图像拾取装置和使用该装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种优选地用于空间信息检测设备的图像拾取装置。
背景技术：
在用于取出与接收光量相对应的电荷以作为接收光输出的图像拾取 装置中，随着膝光时间变长，接收光量增大。通常，才艮据电荷产生部分或 者电荷转移部分的尺寸和杂质浓度来确定反映接收光量的接收光输出的 上限。因此，即使膝光时间延长，当这些部分饱和时，也不能获得精确地 反映接收光量的接收光输出。因此，曝光时间的延长不总是带来灵敏度的 提向。
例如，日本专利早期公布第2006-84430号公开了一种距离图像传感 器，其包括发光源，用于将强度经调制的ifc^射到目标空间中；光检测 元件，其具有多个光敏部分，用于接收来自目标空间的光并且产生对应于 接收光量的电荷；控制电路，用于控制其中光敏部分接收来自目标空间的 光的光接收周期；以及图像产生器，用于通过使用由光敏部分产生的电荷 来确定到目标空间中的对象的距离，并且产生距离图像。在这种图像传感 器中，所述控制电路控制转移电荷的时间，以使得光检测元件向图像产生 器提供在具有不同长度的每个检测周期中收集的电荷。另夕卜，所述图像产 生器从具有不同长度的检测周期中选择适当的检测周期，以使得在所述适 当的检测周期中收集的电荷在不超过光检测元件的容许电荷量的范围内 为最大，并且通过使用在所述适当的检测周期中收集的电荷来确定距离。
因此，可以通过防止光敏部分饱和iMt确地获得接收光输出。但是， 由于通过改变瀑光时间的长度来调整接收光量，因此，不可能获得大于光 检测元件的容许电荷量的电荷量。换句话说，为了扩大接收光输出的动态 范围，例如，需要提高光敏部分的面积。但是，这导致光检测元件的尺寸 增大。

发明内容
因此，本发明的一个主要考虑方面是提供一种图像拾取装置，其能够
即，实现灵^t度的提高。
更确切地说,本发明的图l象拾取装置包括在半导体衬底上形成的多个
图像拾取单元。每个图像拾取单元包括
由光电转换元件组成的光接收阵列，其中每个光电转换元件被配置用 于接收光，并且产生对应于接收光量的电荷；
由电荷转移元件组成的转移阵列；
由电荷积聚元件组成的积聚阵列，所述积聚阵列被配置用于积聚通过 所述转移阵列从所述光接收阵列转移的电荷；以及
多个控制电极，所述控制电极通过绝缘层形成在所述半导M底上的 对应于光电转换元件的区域，并且用于将来自所述光接收阵列的电荷转移 到所述转移阵列；
其中，所述转移阵列和所述光接收阵列在第 一方向上被布置在一行
中，
所述积聚阵列被布置为在与所述第一方向基本上正交的笫二方向上 与所述转移阵列相邻，
所述转移阵列和所述积聚阵列被布置在光遮蔽区域中，并且
每个所述电荷积聚元件具有大于每个所述光电转换元件的饱和电荷 量的电荷存储容量。
根据本发明，因为由每个光电转换元件产生的电荷在与所述光电转换 元件分离地形成的对应电荷积聚元件中积聚，并且电荷积聚元件的电荷存 储容量大于光电转换元件的饱和电荷量，所以可能获得图像拾取装置的相 对于接收光输出的增大的动态范围。换句话说，可以实现灵敏度的提高。 例如，每个电荷积聚元件优选地具有大的电荷存储容量，使得可以在电荷 积聚元件中存储由光电转换元件在每个曝光操作中产生的电荷量的几倍， 或者可以在电荷积聚元件中积聚通过重复多次将来自光电转换元件的电 荷转移到转移阵列的操作而获得的电荷的总量。
另夕卜，由于电荷通过转移阵列从所述光接收阵列转移到积聚阵列，因 此光接收阵列可以高效地用于接收光，并且在从转移阵列向积聚阵列移动电荷的^Mt期间产生对应于接收光量的电荷。结果，这带来了响应it;变的 提高。而且，可以通过在电荷积聚元件中累积地积聚电荷，而不在光电转 换元件的每个电荷产生操作中将电荷取出到图像拾取装置的外部，来防止 帧速率的降低。
在本发明中，当通过转移阵列从光接收阵列向积聚阵列转移电荷时， 不总是意味着光电转换元件与电荷积聚元件一对一地对应。例如，每个光
件)相关联。
特别优选的是，每个图像拾取单元还包括电荷量调整部分，所述电荷 量调整部分被配置用于确定要从由每个光电转换元件产生的电荷中分离 的不期望有的电荷的量，并且积聚阵列和电荷量调整部分在第一方向上被 布置在一行中。在这种情况下，在从由光电转换元件产生的电荷中去除依 赖于除了信号光之外的环境光的不期望有的电荷后，剩余的电荷作为有效 电荷被发送到转移阵列。因此，进一步有效地防止了饱和现象。另外，当 电荷量调整部分被形成为在第二方向(例如水平方向)上与光接收阵列相 邻，并且积聚阵列和电荷量调整部分在第一方向(例如竖直方向)上被布 置成一行时，电荷量调整部分被高效地布置在每个图像拾取单元中。结果， 有可能提供具有分离不期望有的电荷的功能而不引起图像拾取单元的尺 寸增大的图像拾取装置。
还优选的是，每个电荷转移元件是在半导体衬底中形成的第一杂质扩 M，并且每个电荷积聚元件是在半导体衬底中形成的、具有比第一杂质 扩散层大的杂质浓度的第二杂质扩散层。在这种情况下，有可能容易地获 得电荷积聚元件的大的电荷存储容量，而不引起图像拾取单元的尺寸增 大。
另夕卜，优选的是，每个图像拾取单元还包括分隔区，所述分隔区被配 置用于在积聚阵列和转移阵列之间提供势垒。而且，优选的是，每个图像 拾取单元还包括通过绝缘层在半导体衬底上的对应于分隔区的区域形成 的至少一个势垒控制电极。在这种情况下，有可能防止在转移阵列接收来 自光接收阵列的电荷的周期中，转移阵列的电荷与积聚阵列的电荷混合。 另夕卜，在电荷从光接收阵列转移到转移阵列之后，通过控制在分隔区中形 成的势垒的高度以将电荷从转移阵列移动到积聚阵列，所述电荷可以精确 地积聚在期望的电荷积聚元件中。具体而言，通过适当的控制施加到转移 控制电极、积聚控制电极和势垒控制电极的电压，有可能平滑地将电荷从转移阵列移动到积聚阵列。
另夕卜优选的是，每个图像拾取单元包括在分隔区与电荷转移元件之 间形成的第一缝隙区域和在分隔区与电荷积聚元件之间形成的第二缝隙 区域的至少一个，并且所述第一缝隙区域是在半导体衬底中形成的、具有 比第一杂质扩散层大的杂质浓度的第三杂质扩散层，并且所述第二缝隙区 域是在半导体衬底中形成的、具有比第二杂质扩散层大的杂质浓度的第四 杂质扩散层。在这种情况下，通过在电荷转移元件和/或电荷积聚元件中 形成电势梯度，可以进一步加速从转移阵列向积聚阵列的电荷移动。另夕卜， 由于在电荷转移元件和电荷积聚元件之间形成的势垒，有可能防止电荷在 电荷转移元件和电荷积聚元件之间混合。
另夕卜，优选的是，每个图像拾取单元还包括与积聚阵列相邻地形成
的溢出漏极。而且，优选的是，每个图像拾取单元还包括与每个光电转
换元件相邻地形成的溢出漏极；以及没有溢出漏极的緩冲区，所述緩冲区
设置在光接收阵列和转移阵列之间。在这种情况下，緩冲区防止在与积聚 阵列相邻的溢出漏极和与光电转换元件相邻的溢出漏极之间的电势干扰。
也就是说，可能防止光接收阵列的电荷流入与积聚阵列相邻的溢出漏极， 或者转移阵列的电荷流入光电转换元件相邻的溢出漏极。结果，可以在积 聚阵列中积彩清确地反映接收光量的电荷量。所述緩冲区也可以被用作布 线空间。
本发明的另 一个考虑方面是提供一种使用上述图像拾取装置的空间 信息检测设备。更确切地说，本发明的空间信息检测设备的特征在于包括
发光源，其被配置用于向目标空间发射由调制信号调制了强度的光；
上述图像拾取装置，用于从所述目标空间接收光，产生对应于接收光 量的电荷，并且输出所述电荷以作为接收光输出；以及
分析器，其被配置用于根据所述图像拾取装置的接收光输出来确定所 述目标空间的空间信息。
上述空间信息检测设M选地包括控制器，所述控制器被配置用于控 制拔拖加到控制电极的控制电压，以改变在半导体衬底中形成的势阱的开 口面积，使得在势阱具有大开口面积的电荷收集周期和势阱具有小开口面 积的电荷保存周期之间切换势阱的开口面积。在这种情况下，可以通过使 用本发明的图《象拾取装置来实现用于确定到目标空间中的对象的距离的 距离测量设备。另外优选的是，所述发光源向目标空间发射强度经调制的光，以便交替地重复向目标空间发射强度经调制的光的发光周期和不向目 标空间发射强度经调制的光的休止周期。在这种情况下，可以通过使用本 发明的图像拾取装置来实现用于查看目标空间中的对象的存在与否的对 綠测设备。
本发明的另 一个考虑方面是提供一种用于从上述图像拾取装置取出 接收光输出的方法。更确切地说，本发明的电荷取出方法的特征在于包括
以下步骤
多次重复曝光积聚操作，所述曝光积聚操作包括以下步骤利用所述 图像拾取装置的光接收阵列从目标空间接收光，以产生对应于接收光量的 电荷，通过图像拾取装置的转移阵列将由所述光接收阵列产生的电荷转移 到所述积聚阵列，并且在所述积聚阵列中积聚所转移的电荷；以及
取出通过多次重复所述曝光积聚操作而在所述积聚阵列中积聚的总 的电荷量，作为接收光输出。
在上述电荷取出方法中，优选的是，所述膝光积聚操作包括以下步骤 向目标空间发射由调制信号调制了强度的光；以及通过所述光接收阵列接 收来自所述目标空间的光，以产生对应于所述调制信号的预定相区中的接 收光量的电荷。在这种情况下，适于确定到目标空间中的对象的距离。或 者，优选的是，所述曝光积聚操作包括以下步骤向目标空间发射强度经 调制的光，以便交替地重复向所述目标空间发射所述强度经调制的光的发 光周期和不向所述目标空间发射所述强度经调制的光的休止周期；以及通 过所述光接收阵列接收来自所述目标空间的光，以在所^L光周期和所述 休止周期的每个中产生对应于接收光量的电荷。在这种情况下，适于查看 在所述目标空间中的对象的存在与否。
通过下面所述的执行本发明的最佳方式，可以清楚地理解本发明的其 他特征和由此带来的优点。


图l是根据本发明的优选实施例的图像拾取装置的示意顶视图2是示出包括图像拾取单元的光接收阵列的电荷产生区域的顶视
图3是示出图像拾取单元的转移阵列和积聚阵列的顶视图；图4A是沿着在图2中的线A-A所取的横截面视图，图4B是沿着在 图2中的线B-B所取的横截面视图5是示出在图像拾取单元的转移阵列和积聚阵列之间形成的分隔 区的横截面视图6《j艮据本实施例的变型的分隔区的横截面视图7是根据本实施例的另一种变型的分隔区的横截面视图，图8B-8D是示出在图8A中从转移阵列向积聚阵列的电荷转移操作的 示意i兑明图9A是示出在转移阵列与分隔区之间和在分隔区与积聚阵列之间形 成的缝隙区域的横截面视图，图9B和9C是示出在图9A中从转移阵列向
积聚阵列的电荷转移^Mt的示意"^兌明图10A-10F是图像拾取装置的操作说明图UA-llC是示出在图像拾取装置的操作中的电势改变的图12A是示出本实施例的图像拾取装置中的电势改变的图，图12B
是示出了在另一种图〗象拾取装置中的电势改变的图13是使用本发明的图像拾取装置的空间信息检测设备的框图14A和14B是空间信息检测设备的强度检测操作的说明图15A-15C是空间信息检测设备的距离测量操作的说明图16是用于通过转移阵列在积聚阵列中积聚来自光接收阵列的电荷
的第一^Mt示例的^兌明图17A和17B是用于通过转移阵列在积聚阵列中积聚来自光接收阵 列的电荷的第二操作示例的说明图18A-18C是用于从积聚阵列中取出通过第二操作示例积聚的电荷
的IMt的i兌明图19是根据第二操作示例的强度检测操作的说明图20A和20B是用于通过转移阵列在积聚阵列中积聚来自光接收阵 列的电荷的第三操作示例的说明图21A-21C是用于从积聚阵列中取出通过第三操作示例积聚的电荷的^Mt的"i兌明图22A和22B是用于通过转移阵列在积聚阵列中积聚来自光接收阵 列的电荷的第四^Mt示例的说明图23A和23B是示出第四操作示例的变型的说明图24A-24C是用于从积聚阵列中取出通过第四操作示例的变型积聚 的电荷的^Mt的说明图25是根据第四操作示例的强度检测操作的说明图26A和26B是用于通过转移阵列在积聚阵列中积聚来自光接收阵 列的电荷的第五操作示例的说明图27是根据第五操作示例的变型的距离测量操作的说明图28A-28C是用于从积聚阵列取出通过第五操作示例积聚的电荷的 一种操作的i兌明图29A-29C是用于从积聚阵列中取出通过第五操作示例积聚的电荷 的另一种^Mt的i兌明图30A和30B分别是示出电荷收集操作和电荷*操作的说明图。
具体实施例方式
下面根据附图中所示的优选实施例来详细说明本发明的图像拾取装 置和使用所述图像拾取装置的空间信息检测设备。
在下面的实施例中，将二维图像传感器解释为本发明的图像拾取装 置。在这种图像传感器中，多个像素沿着竖直方向排列以形成像素行，并 且多个像素行在水平方向上排列，以获得像素的矩阵排列。为了便于理解 本发明，主要说明等同于一个像素的范围。本发明的技术构思也可以应用 于需要与所述二维图像传感器或者一维(线性)图^L传感器的一个4象素等
同的配置的装置中，所述一维(线性)图像传感器具有在单个行中排列的 多个像素。
(基本配置)
如图1中所示，图像拾取装置1具有在单个半导体衬底上排列的多个 图像拾取单元U1。在图1中，图像拾取单元U1的纵向对应于竖直方向 Dv,并且图像拾取单元Ul的横向对应于水平方向Dh。每个图像拾取单元Ul主要由下述部分形成在竖直方向Dv上排列的多个电荷产生单元 U2和由电荷转移元件Py组成的转移阵列Yl、与所述转移阵列相邻地形 成的由电荷积聚元件Pz组成的积聚阵列Zl、在电荷产生单元U2中的最 低一个电荷产生单元与转移阵列Yl和转移阵列Zl的顶端之间的水平方 向Dh上延伸的緩沖区50、以及在转移阵列Yl和积聚阵列Zl的底端形 成的水平转移电阻器Rh。
在每个图像拾取单元Ul中，由于在竖直方向Dv上排列的每个电荷 产生单元U2中包括用于接收光并产生对应于接收光量的电荷的光电转换 元件Px，因此这意味着电荷产生单元U2的竖直排列提供了由光电转换元 件Px组成的光接收阵列Xl。如图2中所示，每个电荷产生单元U2包括 对应于光电转换元件Px的电荷产生部分Dl、电荷分离部分D2、电荷积 聚部分D3和电荷量调整部分D4。另夕卜在电荷产生单元U2中的除了电 荷产生部分D1之外的区域上形成光遮^M70。在一些情况下，可以省略 在电荷量调整部分D4上的光遮iU溪70。
在这个实施例中，每个电荷产生单元U2对应于一个图像拾取像素。 因此，在图像拾取装置1中获得图像拾取像素的矩阵图案。
如图4A和4B中所示，以下述部分来形成电荷产生单元U2:衬底 10、由第一导电类型(例如"p"型)的半导体材料(例如硅)在衬底IO 上形成的器件形成层ll、由第二导电类型(例如"n"型)的半导体材料 在距离器件形成层11的一^^面(general surface)(即，上表面)的所 需要深度上形成的阱12、在阱12的一^面以及器件形成层11的一般 表面上形成的比如氧化珪或者氮化硅的绝缘层13、以及在绝缘层13上布 置的电极。所述电极包括控制电极21、分离电极22、积聚电极23和势垒 电极24。
在这个实施例中，由第二导电类型(例如"n"型)的半导体材料形 成衬底10。在阱12中形成具有比阱12高的杂质浓度的第二导电类型(即 "n++"型)的阱，作为电荷M阱14。连接线26的端部25通过绝缘层 13连接到电荷M阱14之上的位置，连接线26的另一端连接到势垒电 极24。或者，可以在电荷保存阱14和连接线26的端部25之间形成欧姆 连接。
在平面图中，以基本上相同的矩形来配置控制电极21、分离电极22、 积聚电板23和势垒电极24的每个。另外，这些电极在竖直方向Dv上排 列成一行，并且在水平方向Dh上排列为彼此基本上平行。在这个实施例中，在每个电荷产生单元U2中布置了 6个控制电极21、三个分离电极 22、单个势垒电极24和三个积聚电极23。这些电极可以形成为具有彼此 不同的形状或者凡变。作为示例，可以将势垒电极24在纵向(即水平方 向Dh)上的尺寸形成为大于分离电极22和积聚电极23的尺寸。
在这个实施例中，电荷保存阱14被i殳置为在水平方向Dh上与三个 分离电极22中的中心分离电^t目邻。另外，溢出漏极15作为电荷丟弃部 分被形成为与控制电极21 (即光电转换元件Px)相邻。例如，溢出漏极 15可以被限定为具有比阱12高的杂质浓度的第二导电类型的细长区域。
在本实施例中，漏极电极50被布置在溢出漏极15的相对端部，所述溢出 漏极15的相对端部以总线布线的方式电连接到在相邻的电荷产生单元U2 的溢出漏极上的漏极电极(未示出)。
另夕卜，溢出漏极15和电荷M阱14在竖直方向Dv上均形成在电极 排列的一侧(即，图2中的右侧)。另夕卜，在中心分离电极22下形成的阱 12在水平方向Dh上突出，如图4A中所示，以4更在阱12中布置电荷保 存阱14。另一方面，在对应于溢出漏极15的区域中不形成阱12。
溢出漏极15可以用于丢弃来自电荷分离部分D2的不期望有的电荷 以及来自电荷产生部分D1 ( -光电转换元件Px)的剩余电荷。当不需要 丢弃来自电荷产生部分D1的剩余电荷时，可以省略溢出漏极15。在这种 情况下，可以使用与在以下描述的电荷量调整部分D4相同的配置来丢弃 来自电荷分离部分D2的不期望有的电荷。
控制电极21具有半透明性。期望分离电极22、积聚电极23和势垒 电极24不具有半透明性。在同时形成这些电极的情况下，它们全都可能 具有半透明性。在图4A和4B中，针对每个电荷产生单元U2，在对应于 控制电极21 ( -电荷产生部分Dl)的区域形成窗口部分，并且其它区域 被光遮蔽膜70覆盖。在下面的说明中，将电子用作由电荷产生部分Dl 产生的电荷。在使用空穴来作为电荷的情况下，需要将如上所述的导电类 型和在以下描述的电压极性都颠倒。
所述6个控制电极21被布置在阱12上的对应于电荷产生部分Dl的 区域。电荷产生部分D1用作通过接收穿过窗口部分的光而产生电荷的光 电转换元件Px。具有分离电极22的区域被限定为电荷分离部分D2,所 述电荷分离部分D2用于通过使用势垒从由电荷产生部分Dl产生的电荷 中分离不期望有的电荷，所述势垒是通过向势垒电极24施加电压而在垒电极24下形成的。具有积聚电极23的区域被限定为电荷积聚部分D3， 所述电荷积聚部分D3用于临时积聚作为越过势垒从电荷分离部分D2流 入电荷积聚部分D3的电荷的有效电荷。另外，包括连接线26的端部25 下的电荷保存阱14的区域被限定为电荷量调整部分D4，所述电荷量调整 部分D4用于根据从电荷分离部分D2提供的电荷量而确定被施加到势垒 电极24的电压，以调整势垒的高度，这将在以下描述。
如上所述，势垒电极24通过连接线26而电连接到电荷M阱14。 连接线26可以由金属线形成.势垒电极14具有与电荷保存阱14相同的 电势。因此，当电荷保存在电荷保存阱14中时，根据电荷保存阱14的电 荷量来向势垒电极24施加电压。换句话说，根据电荷保存阱14的电荷量 来对势垒电极24充电。
在这个实施例中，当电子保存在电荷保存阱14中时，向势垒电极24 施加负电压，以便使在势垒电极下形成的势垒相对于电子变为高。也就是 说，对应于势垒电极24的区域比对应于分离电极22的电荷分离部分D2 和对应于积聚电极23的电荷积聚部分D3具有更大的相对于电子的电势 高度。因此，在电荷分离部分D2和电荷积聚部分D3之间形成势垒。在 势垒电极24下形成的势垒的高度根据在电荷M阱14 (即，电荷量调整 部分D4)中保存的电荷量而改变。
通过在电荷量调整部分D4中M的电荷量来确定势垒电极24和电 荷保存阱14的电势。另一方面，被施加到控制电极21、分离电极22和 积聚电极23的电压被单独地控制。例如，在适当的时间施加正和负电压 (+10V， -5V),当两个电源线(27a， 27b)的任何一个欧姆连接到控制 电极21、分离电极22和积聚电极23时，优选的是，通过金属线来形成 电源线(27a， 27b)。另外，当电源线(27a， 27b )不连接到控制电极21、 分离电极22和积聚电极23时，这些电极通过绝缘层16比如氧化珪或者 氮化珪而与电源线(27a， 27b)绝缘。
另外，在器件形成层11的一^面上在竖直方向Dv上与电荷量调 整部分D4相邻地形成复位栅电极28，并且复位电极17被设置为与复位 栅电极28相邻。在平面图中，复位栅电极28被布置为处于在对应于复位 电极17的区域形成的复位漏极与电荷量调整部分D4的电荷保存阱14之 间。另外，复位栅电极28和复位电极17在竖直方向Dv上都设置在电荷 量调整部分D4的一侧。在图2中，它们设置在电荷量调整部分D4的上 侧。另外，如图2中所示，复位电极17在水平方向Dh上与6个控制电极21中最低的一个(即，与三个分离电极22的最上面一个相邻的控制电 极21)在水平方向Dh上间隔开。另一方面，复位栅电极28在水平方向 Dh上与三个分离电极22中最上面的一个、即与6个控制电极21的最低 者接近的分离电极22间隔开。复位漏极被限定为具有高杂质浓度并且不 通过绝缘层13而是直接地连接到复位电极17的第二导电类型(n++)的 区域。
另外，在图2的平面图中，转移栅电极29布置在三个分离电极22 的中间那个分离电极和位于电荷M阱14之上的连接线26的端部25之 间。通过向转移栅电极29施加适当的电压，在转移栅电极29下形成沟道， 以使得电荷能够从电荷分离部分D2移动到电荷量调整部分D4。
顺便提及，包括分离电极22、积聚电极23、势垒电极24、复位栅电 极28、转移栅电极29、复位漏极(复位电极17)和电荷量调整部分D4 的区域被定义为电荷加权区域(charge weighing area )。所述电荷加权区 域的分离电极22、积聚电极23和势垒电极24、在光电转换元件Px上形 成的控制电极21、以及由电荷转移元件Py组成的转移阵列Yl在竖直方 向Dv上排列在第一行中。另一方面，电^量调整部分D4、电荷加权区 域的复位栅电极28、转移栅电极29和复位漏极(复位电极17)以及由电 荷积聚元件Pz组成的积聚阵列Zl排列在与第一行平行的第二行中。简 而言之，在每个图像拾取单元U1中，包括积聚阵列Zl和电荷量调整部 分D4的第二#^布置为在水平方向Dh上与包括由光电转换元件Px组成 的光接收阵列XI和转移阵列Yl的第一行相邻，使得它们在竖直方向Dv 上彼此平行地延伸。
接着，说明由电荷转移元件Py组成的转移阵列Yl。如图3中所示， 电荷转移元件Py用于从电荷产生单元U2向积聚阵列Zl的电荷积^件 Pz转移电荷(即有效电荷)。通过控制被施加到控制电极21、分离电极 22、积聚电极23、势垒电极24和转移控制电极41的电压，在电荷产生 单元U2中的电荷可以被转移到转移阵列Yl。转移阵列Yl和光接收阵列 XI位于竖直方向Dv上的一行内。转移阵列Yl位于光遮蔽区域中。例如， 转移阵列Yl ^LA盖光遮蔽膜70。
在这个实施例中，每个电荷转移元件Py是在半导体衬底中形成的第 一杂质扩散层，并且通过绝缘层13在阱12的一^面上的对应于每个电 荷转移元件Py的区域形成至少一个转移控制电极41。在这个实施例中， 位于对应于电荷转移元件Py的区域的四个转移控制电极41被四相驱动。转移控制电极41的形状和尺寸不限于具体的形状和尺寸。在本实施例中， 转移控制电极41的形状和尺寸与控制电极21的形状和尺寸相同。另夕卜， 相邻的转移控制电极41之间的间隔被设置为与相邻的控制电极21之间的 间隔、相邻的分离电极22之间的间隔、相邻的积聚电极23之间的间隔以 及势垒电极24与分离电极22或者积聚电极23之间的间隔相同。
接着，说明由电荷积聚元件Pz组成的积聚阵列Zl。如图3中所示， 积聚阵列Zl被形成为在水平方向Dh上与转移阵列Yl相邻，以使得每 个电荷积聚元件Pz被布置为与每个电荷转移元件Py面对面。因此，在 每个图像拾取单元Ul中，电荷积聚元件Pz的数量与电荷转移元件Py的 数量相同。每个电荷积聚元件Pz具有比每个光电转换元件Px的饱和电 荷量大的电荷存储容量。另外，积聚阵列Z1位于光遮蔽区域中。例如， 积聚阵列Zl M盖光遮蔽膜70。
积聚阵列Zl与转移阵列Yl被布置为在竖直方向Dv上彼此平行。 另夕卜，积聚阵列Zl与电荷产生单元U2的电荷量调整部分D4的阵列在竖 直方向Dv上被布置在一行中。在这种情况下，有下述优点通过在每个 图《象拾取单元U1中高效地布置光接收阵列XI、转移阵列Yl、积聚阵列 Zl和电荷量调整部分D4的阵列而不浪费空间，可以整体上减小图l象拾 取装置的尺寸。另外，由于积聚阵列Zl在半导体衬底上被布置地远离光 接收阵列XI,因此可能防止光电转换元件Px的暗电流增大。
另外，电荷积聚元件Pz具有比电荷转移元件Py大的电荷存储容量。 在本实施例中，为了防止图像拾取单元U1的尺寸增大，每个电荷积I^L 件Pz是在半导体衬底中形成的、具有比电荷转移元件Py的第一杂质扩 M大的杂质浓度的第二杂质扩散层。
例如，当以"n"型形成电荷转移元件Py时，以"n+"型形成电荷 积聚元件Pz。在这种情况下，由于在电荷积聚元件Pz中形成的势阱W2 具有比在电荷转移元件Py中形成的势阱Wl大的深度，因此可以在电荷 积聚元件Pz中积聚大量的电荷。
在积聚阵列Zl中，至少一个积聚控制电极42通过绝缘层13形成在 阱12的一^面上的对应于每个电荷积聚元件Pz的区域上。在这个实施 例中，位于对应于每个电荷积聚元件Pz的区域上的四个积聚控制电极42 被四相位驱动。或者，在对应于每个电荷积聚元件Pz的区域中可以设置 6个或者8个积聚控制电极42。另外，当在对应于所述四个积聚控制电极 42中的两个或者更多个积聚控制电极的区域中形成势阱时，有可能获得电荷积聚元件Pz的更大电荷存储容量。积聚控制电极42的形状和尺寸不 限于具体的形状和尺寸。在本实施例中，积聚控制电极42的形状和尺寸 与控制电极21的形状和尺寸相同。另夕卜，相邻积聚控制电极42之间的间 隔被设置为与相邻转移控制电极41之间的间隔相同。
电荷积聚元件Pz的数量不受具体限制。优选的是，电荷积聚元件Pz 的数量等于电荷转移元件Py的数量。另外，当电荷积l^件Pz的数量 等于光电转换元件Px的数量时，光电转换元件一对一地对应于电荷积聚 元件。另一方面，当电荷积聚元件Pz的数量与光电转换元件Px的数量 不同时，每个光电转换元件可以与电荷积聚元件Pz的整数倍一一例如两 个或者四个电荷积聚元件Pz——相关联。
在每个图像拾取单元Ul中，形成分隔区43以提供在转移阵列Yl和 积聚阵列Z1之间的势垒。更确切地i兌，如图5中所示，当通过向转移控 制电极41和电荷积聚电极41施加适当的电压而在这些电极下的阱12中 形成势阱(W1, W2)时，可以在势阱(Wl， W2)之间，即在电荷转移 元件Py和电荷积聚元件Pz之间获得势垒Bl。在图5中，"C"表示在势 阱中存在的电荷(即，有效电荷)。
另外，如图6中所示，当具有与阱12不同的导电类型的器件形成层 11的一部分被置于积聚阵列Zl和转移阵列Yl之间时，该部分可以用作 分隔区43。更确切地说，由于积聚阵列Zl和转移阵列Yl的阱12是"n" 型的，而器件形成层ll是"p"型的，因此可以在积聚阵列Zl和转移阵 列Y1之间获得势垒B1。或者，如图7中所示，分隔区43可以被形成为 具有与阱12相同的导电类型和比阱12低的杂质浓度("N—"型)。
通过形成分隔区43，有可能防止在从电荷产生单元U2 (即，光接收 阵列XI )向转移阵列Yl的电荷转移^Mt期间电荷在转移阵列Yl和积聚 阵列Zl之间混合。另外，当通过控制向转移控制电极41和积聚控制电 极42施加的电压而降低势垒Bl时，电荷可以从转移阵列Yl向积聚阵列 Zl移动。
另外，如图8A中所示，优选的是，势垒控制电极47通过绝缘层13 形成在阱12上的对应于分隔区43的区域。在这种情况下，可以通过控制 向势垒控制电极47施加的电压以及向转移控制电极41和积聚控制电极 42施加的电压来进一步便利在转移阵列Yl和积聚阵列Zl之间的电荷移 动。
17在本实施例中，如图3中所示，势垒控制电极47布置在每个电荷转 移元件Py中的四个转移控制电极41之中的两个转移控制电极与每个电荷 积聚元件Pz中的四个积聚控制电极42中的两个积聚控制电极之间的分隔 区43中。另一方面，在每个电荷转移元件Py中的剩余两个转移控制电极 41与每个电荷积^it件Pz中的剩余两个积聚控制电极42之间的分隔区 43中限定了无电极区域49。
如图8B到8D中所示，可以通过使用势垒控制电极47来执行从转移 阵列Yl到积聚阵列Zl的电荷转移操作。更确切地说，在如图8B中所示 的在转移阵列Yl中存在有效电荷C并且在转移阵列Yl与积聚阵列Zl 之间形成势垒B1的情况下，当如图8C中所示的向势垒控制电极47施加 适当的电压以使得在转移控制电极41、积聚控制电极42和势垒控制电极 47之下的电势基本上彼jM目等时， 一部分有效电荷C从转移阵列Yl向 积聚阵列Z1移动。
接着，如图8D中所示，当向转移控制电极41施加的电压被控制为 使得形成为电荷转移元件Py的势阱W1消失时，有效电荷移动到势垒控 制电极47和积聚控制电极42之下的区域。随后，通过控制向势垒控制电 极47施加的电压以获得势垒Bl，有效电荷可以移动到形成为电荷积I^L 件Pz的势阱W2中。因此，根据图8B-8D的过程，实现了从转移阵列 Yl到积聚阵列Zl的电荷转移操作。
由于在每个电荷转移元件41和每个电荷积聚元件42之间形成势垒控 制电极47以独立地控制势垒Bl，因此通过分隔区43从转移控制电极41 之一和积聚控制电极42之一转移的有效电荷C在竖直方向Dv上不被混 合到相邻电荷转移元件41和/或相邻电荷积聚元件42中。
如下所述，通过控制向积聚控制电极42、转移控制电极41和势垒控 制电极47施加的电压，电荷可以从积聚阵列Zl向转移阵列Yl移动。
在从转移阵列Yl向积聚阵列Zl转移电荷的情况下，期望最小化转 移阵列Yl中的剩余电荷量。由于这个原因，例如如图9A中所示，优选 的是，每个图像拾取单元具有在分隔区43与电荷转移元件Py之间和在分 隔区43与电荷积聚元件Pz之间形成的第一和第二缝隙区域(44s， 44b )。 第一缝隙区域44a是在阱12中形成的、具有比电荷转移元件Py的第一杂 质扩M大的杂质浓度(例如"n+"型)的第三杂质扩M。另一方面， 第二缝隙区域44b是在阱12中形成的、具有比电荷积聚元件Pz的第二杂 质扩散层大的杂质浓度(例如"n++"型)的第四杂质扩M。在这种情况下，如图9B中所示，在分隔区43附近的势阱W2的深 度变得大于在分隔区43附近的势阱Wl的深度。另外，在势阱Wl中形 成电势梯度，以使得势阱W1的深度朝着分隔区43逐渐地变大。类似地， 在势阱W2中形成电势梯度，以使得势阱W2的深度朝向分隔区43逐渐 地变大。
接着，向积聚控制电极42和转移控制电极41施加的电压被控制为使 得电荷从转移阵列Yl越过分隔区43的势垒Bl向积聚阵列Zl流动。例 如，在向转移控制电极41施加正电压以形成势阱W1的情况下，当g 加到转移控制电极41的正电压停止或者被去除时，势阱W1消失，如图 9C中所示。也就是说，电荷转移元件Py的电势达到势垒Bl的高度。结 果，电荷转移元件Py的势阱Wl中的电荷可以越过分隔区43移动到电荷 积聚元件Pz的势阱W2中。
在上述过程中，由于在电荷积聚元件Pz中保存势阱W2，因此有可 能防止电荷从积聚阵列Zl向转移阵列Yl反向流动。另外，由于势附Wl， W2)的电势梯度，导致电荷容易地向分隔区43移动。因此，有可能防止 电荷在水平方向Dh上泄漏到相邻的图像拾取单元Ul中。
如图3中所示，每个图像拾取单元Ul具有在竖直方向Dv上延伸并 且与转移阵列Yl相邻的溢出漏极45和在竖直方向Dv上延伸并且与积聚 阵列Zl相邻的溢出漏极46。更确切地说，转移阵列Yl布置在溢出漏极 45和分隔区43之间，并且积聚阵列Zl布置在溢出漏极46和分隔区43 之间。这些溢出漏极(45, 46)能够丢弃从转移阵列Yl和积聚阵列Zl 溢出的电荷。如在相邻于光电转换元件Px形成的溢出漏极15中那样，每 个溢出漏极(45， 46)不通过绝缘层13而是直接地连接到在对应于溢出 漏极(45， 46)的区域上形成的漏极电极。另外，每个溢出漏极(45， 46) 可以被形成为具有与阱12相同的导电类型和比阱12高的杂质浓度。
为了实现图像拾取单元U1的面积的进一步减小，可以通过单个溢出 漏极来提供在水平方向Dh上的图像拾取单元Ul之一的溢出漏极45和相 邻的图像拾取单元U1的溢出漏极46。换句话说，单个溢出漏极由相邻的 两个图像拾取单元U1共用。在这种情况下，通过经由该单个溢出漏极而 丢弃从电荷积聚元件Pz和电荷转移元件Py溢出的电荷，有可能防止电 荷在相邻图像拾取单元Ul之间混合，并因此抑制了拖尾(smear)的发 生。
为了将溢出漏极15与溢出漏极(45， 46)电分离，例如如图1中所示，优选的是在包括光接收阵列XI的电荷产生单元U2与转移阵列Yl 和积聚阵列Zl的排列之间形成没有溢出漏极的緩冲区50。緩冲区50可 以被用作电极形成区域或者布线形成区域。在使用緩冲区50作为电极形 成区域的情况下，优选的是，緩冲区50具有以下宽度该宽度被确定为 使得10个转移控制电极41和10个积聚控制电极42可以被布置在该宽度 上。另一方面，在使用緩冲区50作为布线形成区域的情况下，优选的是， 形成遮蔽部件以防止在布线周围引发的电场对由电荷产生单元U2产生的 电荷的影响。
在每个图像拾取单元Ul中，如在传统的CCD图像传感器中那样， 水平转移电阻器Rh被形成为电荷取出部分，用于将电荷积聚元件Pz中 积聚的电荷(即，有效电荷)取出到图像拾取装置外部。水平转移电阻器 Rh具有多个转移单元(例如，在图28A或者29A中的"Pu")，它们被 布置在与积聚阵列Zl和转移阵列Yl正交的水平方向上。
水平转移电阻器Rh —般用于从积聚阵列Zl读出电荷。如果必要， 则水平转移电阻器Rh也可以用于从转移阵列Yl读出电荷。更确切地说， 在积聚阵列Zl中积聚的电荷的一部分故&送到至少一个转移单元，并且 在积聚阵列Zl中积聚的剩余电荷通过转移阵列Yl被发送到至少另一个 转移单元。
通过水平转移电阻器Rh转移的电荷在图《象拾取装置1的输出部分 (未示出)被转换为对应于电荷量的电压，然后作为接收光输出被取出到 图像拾取装置1的外部。所述水平转移电阻器Rh和所述输出部分的配置 与传统的CCD图《象传感器的7jc平转移电阻器和输出部分的配置基本上相
同，因此省略详细^兌明。
(图像拾取装置的操作)
参照图10A-10F和图UA-11C，说明上述图像拾取装置1的操作。
首先，根据使用图像拾取装置的环境光条件来确定在势垒电极24下 形成的势垒的适当高度。更确切地说，在去除阱12中的剩余电子后，仅 仅向图像拾取装置发射环境光。此时，不发射获得图像拾取装置的接收光 输出所需要的信号光。为了获得阱12的电子^状态，通过电荷丟弃部 分、即溢出漏极15来丢弃在电荷产生部分D1和电荷分离部分D2中剩余 的电子。另外，通过向复位栅电极28施加复位电压以形成在电荷保存阱 14和复位漏极之间的沟道，可以通过复位漏极来丢弃电荷量调整部分D4中剩余的电子。
另外，可以通过在竖直方向Dv上的相邻电荷产生单元U2的溢出漏 极15来丢弃电荷产生单元U2之一的电荷积聚部分D3的剩余电荷。在图 2中，由于从电荷产生部分D1向电荷积聚部分D3、即在竖直方向Dv上 从上侧向下侧转移电荷，因此，电荷产生单元U2的上侧对应于电荷转移 部分中的上游侧，并且电荷产生单元U2的下侧对应于电荷转移部分中的 下游侧。
在丢弃了阱12中的剩余电子后，在向控制电极21施加适当的电压以 在电荷产生部分D1中形成势阱的情况下，向图像拾取装置l发射环境光， 以使得在光电转换元件Px中生成对应于接收光量的电子和空穴量。在这 个实施例中，在势阱中收集电子，并且丢弃空穴。下面i兑明用于控制向控 制电极21施加的电压的方法。
在电荷产生部分D1中收集(产生)对应于接收光量的电子量后，如 图10A中所示，在周期Ta中向分离电极22施加适当的电压，以在电荷 分离部分D2中形成势阱，并且电子从电荷产生部分D1向电荷分离部分 D2移动。此时，控制电极21用于在竖直方向Dv上转移电荷(即电子)。 另外，由n型阱12围绕的"n++"型电荷M阱14相对于电子具有低电 势。因此，如图10B中所示，当向转移栅电极29施加适当的电压以在电 荷分离部分D2和电荷量调整部分D4的电荷保存阱14之间形成沟道时， 电子从电荷分离部分D2流动到电荷保存阱14中。
当电子流动到电荷M阱14中时，电荷M阱14的电势降低。更确 切地说，电连接到电荷^M!"阱14的势垒电极24的电势也降低，如图10D 中所示。结果，在势垒电极24下形成势垒。根据从电荷M阱14向势垒 电极24移动的电子的量来确定所述势垒的高度。在通过绝缘层13在对应 于电荷保存阱14的位置形成保存电极的情况下，在保存电极上出现依赖 于电荷M阱14中的电子量而确定的电压。此时，同一电压也^L施加到 势垒电极24，以在势垒电极24下形成势垒。
在周期Ta中，不向积聚电极23施加电压。因此，未在电荷积聚部分 D3中积聚电子。例如，相对于向转移栅电极29施加电压的时间，同时向 转移栅电极29和分离电极22施加电压，如图10A和10B中所示。或者， 还优选的是，首先向分离电极22施加电压，然后向转移栅电极29施加电 压。在电子移动到电荷量调整部分D4中后，在周期Tb中停止向转移栅 电极29施加电压以将电子^萍在电荷M阱14中，如图10B中所示。 另外，向漏极电极50施加电压，如图IOC中所示，以便通过溢出漏极15 来丢弃电荷分离部分D2中的剩余电子。在丢弃作为电荷的电子的情况下， 可以通过停止向分离电极22施加电压来平滑地丢弃电子。
如上所述，通过接收光(即，环境光)而在电荷产生部分D1产生的 电荷用于确定在势垒电极24下形成的势垒的高度。简而言之，考虑到作 为干扰分量的环境光而适当地确定势垒的高度。因此，上述过程可以^T 作是图像拾取装置的电势高度调整操作或者事先调整操作。
接着，通过下面说明的实际测量来获得图像拾取装置1的接收光输 出。更确切地说，图像拾取装置l接收包括计划光(即，信号光)和环境 光的光，并且从对应于接收光量的电荷中去除对应于环境光的电荷，以获 得信号光的真实接收光输出。
在实际测量之前，通过使用溢出漏极15在周期Tc中丢弃在除了电荷 量调整部分D4之外的阱12中的剩余电子，如图10C中所示。由此，电 荷产生部分Dl和电荷分离部分D2被置于电子^状态中。
另外，在势垒电极24下形成势垒B2，如图11A中所示。这个势垒 B2具有通过上述电势高度调整操作、根据环境光条件确定的适当高度。 在图像拾取装置1从目标空间接收到包括信号光的光后，在电荷产生部分 Dl中收集对应于接收光量的电子。然后，在周期Td中向分离电极22施 加适当的电压，如图10A中所示，以形成用于收集在电荷分离部分D2中 的电子的势阱。通过控制控制电极21的施加电压，电子从电荷产生部分 Dl向电荷分离部分D2转移，如图11B中所示。
随后，在周期Te中向积聚电极23施加适当的电压，如图10E中所 示，以在电荷积聚部分D3中形成势阱。在这种状态中，当停止向分离电 极22施加电压时，由势阱B2的高度确定的电子量从电荷分离部分D2越 过势阱B2流动到电荷积聚部分D3中，如图11C中所示。另一方面，由 于势垒的高度而未能流到电荷积聚部分D3中的剩余电子量作为不期望有 的电荷保存在电荷分离部分D2中，如图11C中所示。根据势垒电极24 的高度和电荷分离部分D2的尺寸来确定不期望有的电荷的量。在停止向 分离电极22施加电压之前，控制向控制电极21施加的电压以使得在电荷 产生部分Dl和电荷分离部分D2之间形成具有比势垒B2高的高度的势 垒。根据上述操作，通过电荷分离部分D2将适当量的不期望有的电荷从 在电荷产生部分D1产生的电子中分离，并且除了不期望有的电子之外的 电子作为有效电荷在电荷积聚部分D3中积聚。
在电荷积聚部分D3中积聚有效电荷后，在周期Tf中向漏极电极50 施加适当的电压，如图10C中所示，以便通过溢出漏极15来丢弃电荷分 离部分D2中的不期望有的电荷。另外，为了丢弃电荷量调整部分D4中 的电荷(即电子)，向复位栅电极28施加适当的电压，以在电荷M阱 14和复位漏极之间形成沟道，如图10F中所示。在电子从电荷保存阱14 中丢弃后，停止向复位栅电极28施加电压。
顺便提及，如上所述，需要在势垒高度调整操作中从电荷分离部分 D2向电荷量调整部分D4移动电子。由于溢出漏极15具有从电荷分离部 分D2丢弃不期望有的电荷的功能，因此溢出漏极15的电势被设置为高 于电荷分离部分D2的电势。更确切地说，在电荷分离部分D2附近形成 电势梯度，以使得电荷容易地从电荷分离部分D2向电荷量调整部分D4 流动。结果，有可能提高向电荷量调整部分D4中转移电荷的效率。
因此，如果溢出漏极15形成在电荷产生部分D1的一侧(例如，在 图2中的左侧)，并且势垒高度调整部分D4形成在电荷产生部分D1的另 一侧(例如，在图2中的右侧)，则在电荷分离部分D2中形成电势梯度， 如在图12B中的箭头p所示。这个电势梯度P防止从电荷分离部分D2向 势垒高度调整部分D4的电子平滑移动。在图12B中，虚线示出了在通过 向转移栅电极29施加电压而将电子移动到势垒高度调整部分D4中时形 成的电势梯度。
相反，根据这个实施例，由于溢出漏极15和势垒高度调整部分D4 都被布置在电荷产生部分Dl的一侧(例如，在图2中的右侧)，因此在 电荷分离部分D2中形成电势梯度，如图12A中的箭头a所示。这个电势 梯度a便利了电子从电荷分离部分D2向势垒高度调整部分D4的的平滑 移动。因此，由于电子从电荷分离部分D2向势垒高度调整部分D4中高 效地移动，因此有可能精确地确定在电荷分离部分D2和电荷积聚部分 D3之间形成的势垒B2的高度。
在将不期望有的电荷从与由电荷产生部分D1 ( -光电转换元件Px) 产生的电荷中分离后获得的有效电荷暂时积聚在电荷积聚部分D3中之 后，通过控制向控制电极21、分离电极22、积聚电极23、势垒电极24 和转移控制电极41施加电压的时间，通过转移阵列Yl将有效电荷转移到积聚阵列Zl。
在本实施例中，包括光电转换元件Px的每个电荷产生单元U2与每 个电荷积聚元件Pz相关联。因此，从电荷产生单元U2之一通过转移阵 列Yl向电荷积聚元件Pz中对应的一个电荷积聚元件转移有效电荷。此 时，由于在转移阵列Y1和积聚阵列Z1之间形成势垒B1，因此有可能防
止在向转移阵列Yl转移有效电荷的^Mt期间有效电荷偶然地流入积聚阵 列Zl。
顺便提及，如下详细所述，在需要两个接收光输出的强度检测操作中， 电荷产生单元U2 (=光电转换元件Px)之一与两个电荷积聚元件Pz相 关联。在这种情况下，在一个周期中获得的有效电荷被从电荷产生单元 U2转移到两个电荷积聚元件Pz中对应的一个电荷积聚元件，并且在另一 个周期中获得的有效电荷^L从电荷产生单元U2转移到另 一个电荷积聚元 件Pz。或者，在需要四个接收光输出的距离测量操作中， 一对电荷产生 单元U2 ( -光电转换元件Px)与四个电荷积聚元件Pz相关联。在这种 情况下，在四个不同周期中的两个周期中获得的有效电荷^L从所述一对电 荷产生单元U2转移到所述四个电荷积聚元件Pz的对应两个电荷积聚元 件，并且在剩余两个周期中获得的有效电荷被从所述一对电荷产生单元 U2转移到剩余两个电荷积聚元件Pz。
在从电荷产生单元U2向转移阵列Yl转移有效电荷的IMt结束后， 控制向转移控制电极41、积聚控制电极42和在必要时向势垒控制电极47 施加的电压，以将有效电荷从转移阵列Yl移动到积聚阵列Zl。
通过如上所述的一系列操作，获得对应于一帧图像的有效电荷作为接 收光输出。但是，从本发明的技术思想的角Jbt，不是在每个从电荷产生 单元U2到转移阵列Yl的电荷转移操作时都将有效电荷取出到图4象拾取 装置1的外部。更确切地说，通过多次重复电荷转移操作而在积聚阵列 Zl中累积地积聚的有效电荷的总量被一次性地取出到图像拾取装置1的 外部。
因此，即使当每个电荷转移操作所获得的有效电荷的量很小时，也可 以通过多次重复电荷转移操作来在积聚阵列Zl中获得大量的有效电荷。 这实质上意味着灵敏度的提高。在积聚阵列Zl中积聚了足够量的有效电 荷后，通过水平转移电阻器Rh将所述有效电荷取出到图像拾取装置1的 外部。由于传统的FT型图像拾取装置没有积聚阵列Zl，因此需要在每个 电荷转移操作中将电荷取出到外部。在这种情况下，随着读出电荷的操作 的次数增加，响应速度的降低成为问题。另外，为了积聚电荷，必须与传 统的FT型图像拾取装置分开地形成外部积聚部件。相反，根据本发明， 由于在图像拾取装置1中内置了积聚阵列Zl,并且在积聚阵列Zl中积聚 了足够数量的有效电荷后将有效电荷取出到图像拾取装置1的外部，因此 可以实现响应速度的显著提高。另外，作为积聚有效电荷的另一个效果， 有可能改4^"噪比，即S/N比。
下面说明从转移阵列Yl向积聚阵列Zl移动有效电荷的^Mt和将积 聚阵列Zl中积聚的电荷取出到图像拾取装置1的外部的操作。
对于每个电荷产生单元U2中的势垒B2，当环境光有相当大的改变 时，优选的是，在每一帧丟弃电荷保存阱14中的电子。另一方面，当环 境光几乎不变时，可以在重复预定次数电荷转移操作之后丢弃电荷保存阱 14中的电子，以重置势垒B2的高度。
(空间信息检测设备)
作为如上所述的图像拾取装置1的优选应用，有空间信息检测设备， 其用于检测对象在目标空间中的存在与否或者对象的反射，并且用于测量 到目标空间中的对象的距离。如图13中所示，如下所述的空间信息检测 设备是有源型检测设备，其具有用于向目标空间发射光的发光源2。更确 切地说，所述检测设备主要由下述部分构成发光源2;本发明的上述图 像拾取装置l;信号处理部分3，用于执行图像拾取装置的接收光输出的 处理；以及控制部分，用于控制图像拾取装置1和发光源2的操作时间和 在信号处理部分3中执行算术运算的时间。
可以通过布置多个红外发光二极管来形成发光源2。从目标空间提供 的光、即从对象5反射的光通过红外线通过滤波器(未示出)入射在图像 拾取装置1上。在^f吏用红外线作为测量到对象的距离的光的情况下，有可 能通过红外线通过滤波器容易抑制入射在图像拾取装置1上的可视光。信 号处理部分3和控制部分4可以由用于执行适当程序的微计算机形成。
在用于检测对象5的存在与否或者对象5的反射的强度测量操作中， 如图14A中所示，设置其中接通发光源2的发光周期和其中关闭发光源 的休止周期，并且确定在发光和休止周期中获得的接收光量之间的差。发 光源2向目标空间中投射通过调制信号比如矩形波调制了强度的光。当矩形波的占空比是50%时，每180度交替地重复发光周期Tl和休止周期T2。更确切地说，发光周期T1对应于0-180度的相区，休止周期T2对应于180到360度的相区。
在发光周期中，如图14B中所示，^UC光源2損:射并由目标空间中的对象5反射的信号光和目标空间中存在的环境光通常都入射到图像拾取装置1上。因此，通过确定在发光和休止周期中获得的接收光量之间的差，可以不受环境光影响地估计对象5上的光>11射程度。如下所述，在0-180度的相区中获得的接收光量被表示为"CO",而在180-360度的相区中获得的接收光量M示为"C2"。因此，发光和休止周期(Tl， T2)中的接收光量之间的差对应于"C0-C2"。
当到对象5的距离不变时，可以根据接收光量之间的差相对于投射光的波长来估计对象5的>^射率。由于^^射率依赖于損:射光的波长，因此也可以通过改变向目标空间中投射的光的波长来估计反射率对于波长的依赖程度。另外，当在发光和休止周期中获得的接收光量之间的差大于预定门限值时，可以被识别为在目标空间中存在能够反射光的对象5。
另一方面，在用于测量到对象5的距离的距离测量操作中，从良光源2向目标空间中投射强度经调制的光，所述光然后由目标空间中的对象5反射。当反射光入射在图像拾取装置l上时，在投射光的强度改变的相位与入射光的强度改变的相位之间的相位差被确定，然后被转换为距离值。
例如，当图15A和作为图15A的放大图的图15B中所示的强度经调制的光^UL光源2投射到目标空间中，并且在图像拾取装置1上入射的光的强度改变时，如图15C中所示，到目标空间中的对象5的距离"L"以投射光和接收光之间的时间差"At"(秒)反映。因此，通过下面的方程来表达到对象5的距离L:
L = c ■ AtZ2，
其中，"c"是光速(m/s )。另外，当用于产生强度经调制的光的调制信号的频率是"f， (Hz),并Jbf目位差是、"(弧度)时，通过下面的方程来表达时间差"At":
△t =())力Tr ■ f 。
因此，可以通过使用相位差"f，来确定距离"L"。
事实上，通过图像拾取装置1在具有预定相位宽度(时间宽度)的每个相区检测接收光量，并且对应于该接收光量的接收光输出用于计算相位差、"。具体而言，当每个相区具有90度的相位宽度时，在调制信号的每个周期获得四个相区。例如，在四个相区(即0-90度、90-180度、180-270度和270-360度)获得的四个接收光量分别被定义为AO、 Al、 A2和A3,如图15C中的阴影区域所示。在这种情况下，通过下面的方程来表i^9位差、"
小=tan—1 ((A0—A2) / (A1—A3)}。
调制信号的相区与接收光量的对应关系不限于上述情况。可以适当地设置相区的相位宽度。例如，相区可以具有180度的相位宽度。另外，可以通过使用在三个相区或者5个相区或者更多相区中获得的接收光量来确定相位差"小"。
顺便提及，在图14A和14B中所示的强度检测^Mt中， 一个曝光操作与发光周期Tl或者休止周期T2相关联。另一方面，在图15A-15C中
所示的距离测量^Mt中， 一个膝光^Mt与调制信号的多个周期(几万个周期)相关联。
为了执行上述计算，需要通过图像拾取装置1的电荷产生部分D1来产生与在调制信号的每个相区中的接收光量相对应的电子。为了获得在每个相区中的接收光量，与调制信号同步地控制被施加到控制电极21的电压。
控制部分4能够控制被施加到每个控制电极21的电压。在被施加了电压的一个或多个控制电极21下形成势阱。更确切地说，通过控制被施加电压的多个控制电极21，有可能在电荷产生部分Dl中形成具有期望开口面积的势阱。因此，电荷产生部分Dl具有灵^t^控制功能。
在所述势阱中收集由电荷产生部分D1产生的电子。因此，当势阱具有更大的开口面积(即更大的体积)时，收集电子的效率提高。相反，当向单个控制电极21施加电压时，收集电子的效率降低。换句话说，当向单个控制电极21施加电压时，在势阱12中收集的电子显著减少。因此，在向多个控制电极21施加电压的电荷收集周期中，可以在具有大开口面积的势阱中高效地收集电子。随后，在向减少数量的控制电极21例如单个控制电极21施加电压的电荷M周期中，有可能保存在电荷收集周期中收集的电子。
在根据上述过程收集和M电子的情况下，由于在电荷M周期中收集的电子量很小，因此在电荷M周期中的M的电子实质上反映了在电荷收集周期中获得的接收光量。另外，当用于形成用于在电荷保存周期中
M电子的势阱的控制电极21被光遮蔽时，有可能进一步抑制在电荷保存周期中的电子的收集。
从上述操作可以清楚地理解，当需要通过电荷产生部分D1收集对应于在调制信号的特定相区中的接收光量的电子时，在电荷收集周期中被施加电压的控制电极21的数量增大，另一方面，在电荷保存周期中被施加电压的控制电极21的数量减小。在电荷保存周期中，特别优选的是，向单个控制电极21施加电压。控制部分4与调制信号同步地改变对控制电极21的电压施加模式。
更确切地说，控制部分4在调制信号的每个特定相区中向多个控制电极21施加电压，以针对相应的相区在调制信号的多个周期(循环)中收集电子。在这种情况下，即使当相对于特定的相区在调制信号的一个周期(循环)中获得的接收光量小时，也可能通it^目对于特定的相区在调制信号的多个周期上收集电子而获得足够的接收光量。另一方面，当接收光量足够大时，可能由于在调制信号的多个周期上收集电子而引起饱和。在这种情况下，根据使用环境来适当地控制向控制电极21的电压的施加。在信号处理部分3中，对应于相区的接收光输出用于确定上i^目位差。例如，当每个电荷产生单元U2对应于一个像素时，也可能获得具有像素值的距离图像，每个所述像素值提供了距离值。
顺便提及，为了根据上述原理来测量距离，理想的是，仅仅检测由图像拾取装置1 v^UL光源2投射到目标空间中的信号光。在这种情况下，随着信号光的接收光量增大，测量精度变得越高。但是，在大多数情况下，环境光也入射到图像拾取装置1上。当环境光和信号光的总光量超过图像拾取装置1的光电转换元件Px的光电转换能力的上限(即，饱和电荷量)时，电荷的产生量饱和，因此测量精度变差。因此，为了与使用环境无关地提高图像拾取装置的操作可靠性，期望防止图像拾取装置1的饱和，并且提高对应于信号光的电荷量。
如上所述，本发明的图像拾取装置1具有丟弃与环境i^目对应的不期望有的电荷的量的能力，所述不期望有的电荷的量根据电荷量调整部分D4中的电荷量来确定。更确切地说，由于仅仅根据环境光的接收光量而确定在势垒电极24下形成的势垒B2的高度，因此可以通过电荷分离部分D2而精确地分离对应于环境光的不期望有的电荷。
结果，有可能提高与在电荷积聚部分D3中积聚的仅仅信号光的接收光量相对应的有效电子相对于与由电荷产生部分D1产生的信号光和环境光两者的接收光量相对应的电子的比率。另外，由于通过作为电荷丟弃部分的溢出漏极515而丢弃不期望有的电荷，因此有可能防止电荷积聚部分D3饱和。
而且，即使当环境光波动，并且不期望有的电荷随着环境光的接收光量而显著变化时，也有可能在电荷积聚部分D3中稳定地积IW"应于信号光的足够量的有效电荷。简而言之，通过从由电荷产生部分D1在发光周期中产生的电荷中分离不期望有的电荷，有可能提高信噪比。
如上所述，当通过电荷产生部分D1在调制信号的一个周期中产生的电子量小时，可以通过电荷产生部分D1在调制信号的多个周期上收集电子。但是，电子可能在电荷产生部分D1中饱和。在这种情况下，优选的是，通过电荷分离部分D2来多次执行分离不期望有的电荷的操作，以在电荷积聚部分D3中积^L够量的有效电荷。随后，向转移阵列Y1转移在电荷积聚部分D3中积聚的足够量的有效电荷。
在电荷积聚部分D3中积聚的电子对应于通it^由电荷产生部分Dl产生的电子中去除不期望有的电子而获得的电子。因此，与在电荷积聚部分D3中直接地积聚由电荷产生部分D1产生的电子的情;;U目比较，有可能显著地减少饱和的发生。另外，由于提高了信噪比，因此可以实现测量精度的提高。
接着，根据优选的操作示例来说明用于通过转移阵列Yl在积聚阵列Zl中积聚电荷以及将积聚阵列Zl中积聚的电荷取出到图像拾取装置1的外部的操作。在下面，说明关于通过转移阵列Yl在电荷积聚元件Pz中积聚由电荷产生单元U2的光电转换元件Px产生的电荷的情况。该说明也适用于通过转移阵列Yl在电荷积聚元件Pz中积恭W电荷产生单元U2的电荷积聚部分D3提供的有效电荷的情况。
(第一操作示例)
在第一操作示例中，对应于在预定周期中获得的接收光量的电荷被积聚在积聚阵列Zl中，然后作为接收光输出被取出到图像拾取装置1的外部。更确切地i兌，多次重复下面的膝光积聚^Mt。该膝光积聚^Mt包括以下步骤
向目标空间发射由调制信号调制了强度的光；
使用光电转换元件Px之一从目标空间接收光，以产生对应于预定周期中的接收光量的电荷；
通过转移阵列Yl从光电转换元件Px之一向电荷积聚元件Pz之一转移所产生的电荷；以及
在电荷积聚元件Pz中积聚被转移的电荷。
随后，通过多次重复啄光积聚^Mt而在光电转换元件Px中积聚的电荷的总量被取出以作为接收光输出。例如， 一次膝光时间是大约1毫秒，并且曝光积聚操作的重复次ltA 5次。
例如，如图16中所示，在通过一对光电转换元件Px而产生对应于接收光量A0的电荷后，所述电荷被转移到预定的一对电荷转移元件Py，然后从所述电荷转移元件Py积M对应的一对电荷积聚元件Pz中。通过多次重复这个^Mt，可以在这两个电荷积聚元件Pz中累积地积聚对应于接收光量AO的电荷。如此积聚的电荷然后通过水平转移电阻器Rh被取出，以作为对应于接收光量AO的接收光输出。在这个操作示例中，每个光电转换元件Px与每个电荷积聚元件Pz相关联。
通过对对应于接收光量A2的电荷执行相同的操作，在电荷积聚元件Pz中积聚的电荷作为对应于接收光量A2的接收光输出被取出。因此，在执行强度检测操作的情况下，需要两组曝光积聚操作和电荷取出操作来获得对应于接收光量(C0， C2)的接收光输出。另一方面，在执行距离测
量^Mt的情况下，需要四组曝光积聚^Mt和电荷取出^Mt来获得对应于接收光量(A0， Al, A2， A3)的接收光输出。
(第二操作示例)
在第二IHt示例中，在积聚阵列Zl中积聚对应于两个不同周期中的的接收光量的电荷，然后将所述电荷作为接收光输出而取出到图像拾取装置1的外部。更确切地说，多次重复下面的曝光积聚IMt。这个曝光积聚
行的一组第一和第二啄光积聚^Mt组成。更确切地说，第一曝光积聚操作包括以下步骤
使用光电转换元件Px之一W目标空间接收光，以产生对应于第一周期中的接收光量的电荷；
通过转移阵列Yl从光电转换元件向电荷积聚元件Pz之一转移所产生的电荷；以及在电荷积聚元件之一 中积聚所转移的电荷.
第二膝光积聚操作包括以下步骤
使用光电转换元件Px之一iM^目标空间接收光，以产生与第一周期 不同的第二周期中的接收光量相对应的电荷；
通过转移阵列Yl从光电转换元件向电荷积聚元件Pz中的另一个电 荷积聚元件转移所产生的电荷；以及
在电荷积聚元件中的另 一个电荷积聚元件中积聚所转移的电荷。
随后，通过多次重复第一啄光积聚操作而在电荷积聚元件Pz之一中 积聚的电荷的总量和通过多次重复第二膝光积聚操作而在电荷积聚元件 Pz中的另一个电荷积聚元件中积聚的电荷的总量被取出作为接收光输 出。
作为一种将积聚阵列Zl中积聚的电荷取出到图像拾取装置1的外部 的优选方法，通过多次重复第一啄光积聚操作而在电荷积聚元件Pz之一 中积聚的电荷的总量M送到转移阵列Yl,然后被从转移阵列Yl中取 出，并且通过多次重复第二啄光积聚操作而在电荷积I^L件Pz中的另一 个电荷积聚元件中积聚的电荷的总量被从积聚阵列Zl中取出。
例如，如图17A中所示，在第一膝光积聚JMt中，在通过一对光电 转换元件Px产生对应于在调制信号的第一相区中的接收光量A0的电荷 后，所述电荷被转移到预定的一对发光源2，然后从电荷转移元件Py积 聚到对应的一对电荷积聚元件Pz中。在第一曝光积聚操作中使用的电荷 积聚元件Pz^^示为Pzl、 Pz2，如图17A中所示。另一方面，如图17B 中所示，在笫二啄光积聚操作中，在通过所述一对光电转换元件Px产生 对应于在调制信号的第二相区中的接收光量A2的电荷后，所述电荷被转 移到预定的一对电荷转移元件Py中，然后从电荷转移元件Py积聚到对 应的一对电荷积聚元件Pz中。在第二膝光积聚操作中使用的电荷积^it 件Pz^SL^示为Pz3、 Pz4，如图17B中所示。因此，在这个l^作示例中， 每个光电转换元件Px与两个电荷积聚元件Pz相关联。
通过多次(例如5次)重复上述的膝光积聚IMt，可以在四个电荷积 聚元件(Pzl、 Pz2、 Pz3、 Pz4)中累积地积聚对应于接收光量AO的电荷 和对应于接收光量A2的电荷。如此积聚的电荷然后作为对应于接收光量 (AO, A2)的接收光输出通过水平转移电阻器Rh被取出，如以下所述。
在多次执行了膝光积聚IMt后，可以取出对应于在积聚阵列Zl中积聚的接收光量(A0， A2)的电荷，如图18A-18C中所示。首先，向相邻 的电荷转移元件Py转移在两个电荷积聚元件Pz中积聚的对应于接收光 量A0的电荷，如在图18A中的箭头所示，然后在竖直方向Dv上将所述 电荷在转移阵列Yl中转移，如图18B中的箭头所示，以使得对应于接收 光量AO的电荷保存在与紧接在水平转移电阻器Rh之前的具有对应于接 收光量A2的电荷的两个电荷积聚元件Pz相邻的电荷转移元件Py中。接 着，向水平转移电阻器Rh的相邻转移单元Pu发送对应于接收光量AO 的电荷和对应于接收光量A2的一对电荷，以l更从水平转移电阻器Rh交 替地提供对应于接收光量(AO, A2)的接收光输出，如图18C中的箭头 所示。
另外，第二操作示例可以用于强度检测操作。更确切地i兌，如图19 中所示，在第一啄光积聚^Mt中，在通过一对光电转换元件Px来产生对 应于在发光周期Tl中的接收光量CO的电荷后，所述电荷被转移到预定 的一对电荷转移元件Py，然后从电荷转移元件Py积聚到对应的一对电荷 积聚元件Pz中。另一方面，在第二膝光积聚操作中，在通过所述一对光 电转换元件Px产生对应于在休止周期T2中的接收光量C2的电荷后，所 述电荷被转移到预定的一对电荷转移元件Py,然后从电荷转移元件Py积 聚到对应的一对电荷积聚元件Pz中。通过多次(例如3次)重复上述的 膝光积聚操作，可以在四个电荷积聚元件Pz中累积地积聚对应于接收光 量CO的电荷和对应于接收光量C2的电荷。如此积聚的电荷然后作为对 应于接收光量(CO ， C2 )的接收光输出通过水平转移电阻器Rh被取出， 如上所述。
根据这个操作示例，由于一次性地从图像拾取装置1取出在电荷积聚 元件Pz中积聚的对应于接收光量AO的电荷和对应于接收光量A2的电荷 两者，因此，与第一操作示例相比，有可能通过减小获得接收光输出所需 的时间来提高图像拾取装置l的响应速度。另夕卜，由于交替地取出对应于 在不同的两个周期中的接收光量的接收光输出，因此可以在信号处理部分 3中高效地执行减法处理，以确定接收光输出之间的差，例如"C0-C2" 或者"A0-A2"。
(第三IMt示例)
第三操作示例的特征在于通过单个膝光积聚操作来积聚对应于在两 个不同周期中的接收光量(AO, A2)的电荷，并且与第二^Mt示例不同， 在第二操作示例中，在第一膝光积聚操作中积聚对应于接收光量AO的电荷的，并且在第二啄光积聚操作中积聚对应于接收光量A2的电荷。更确 切地说，多次重复下面的膝光积聚操作。这个啄光积聚操作包括以下步骤:
向目标空间发射由调制信号调制了强度的光；
使用两个光电转换元件Px来从目标空间接收光，以产生对应于在两 个不同周期中的接收光量的电荷；
分别从两个光电转换元件Px通过转移阵列Yl向两个电荷积l^t件 Pz转移所产生的电荷；以及
在两个电荷积聚元件Pz中积聚所转移的电荷。
随后，通过多次重复膝光积聚^Mt而在两个电荷积聚元件Pz中积聚 的电荷的总量作为接收光输出被取出。
作为一种用于将在积聚阵列Zl中积聚的电荷取出到图4象拾取装置1 外部的优选方法，通过多次重复膝光积聚操作而在两个电荷积聚元件Pz 之一中积聚的电荷的总量被发送到转移阵列Yl，然后被从转移阵列Yl 取出，并且从积聚阵列Zl取出通过多次重复瀑光积聚操作而在所述两个 电荷积聚元件Pz的另一个中积聚的电荷的总量。
例如，如图20A中所示，在爆光积聚^作中，在一对光电转换元件 Px中收集了对应于在调制信号的两个不同相区中的接收光量(A0， A2) 的电荷后，所述电荷被转移到一对电荷转移元件Py，然后祐」从电荷转移 元件Py积聚到对应的一对电荷积聚元件Pz中。在这个曝光积聚操作中 使用的电荷积聚元件Pz M示为Pzl、 Pz2，如图20A中所示。另一方 面，如图20B中所示，在下一个啄光积聚JMt中，向另一对电荷转移元 件Py转移对应于接收光量(AO， A2)的电荷，然后将所述电荷从电荷转 移元件Py积聚到对应的一对电荷积聚元件Pz中。在这个曝光积聚^Mt 中使用的电荷积聚元件Pz^t^示为Pz3、 Pz4，如图20B中所示，
通过交替地多次(例如5次)重复这些曝光积聚操作，可以在这四个 电荷积聚元件(Pzl-Pz4)中累积地积聚对应于接收光量(AO, A2)的电 荷。如此积聚的电荷然后通过水平转移电阻器Rh作为接收光输出被取出， 如以下所述。在这个操作示例中，每个光电转换元件Px与两个电荷积聚 元件Pz相关联，就像在第二操作示例中那样。另外，每个曝光积聚JMt 的膝光时间^Li殳置为对应于调制信号的一个或更多个周期的时间。
在多次交替地执行上述曝光积聚操作后，可以取出对应于在积聚阵列 Zl中积聚的接收光量(AO， A2)的电荷，如图21A-21C中所示。首先，对应于在电荷积聚元件Pz中积聚的接收光量AO的电荷被向相邻的电荷 转移元件Py转移，如在图21A中的箭头所示，然后在竖直方向Dv上在 转移阵列Yl中转移所述电荷，如在图21B中的箭头所示，以《吏得在与紧 接在水平转移电阻器Rh之前的具有对应于接收光量A2的电荷的电荷积 聚元件Pz相邻的电荷转移元件Py中保存对应于接收光量AO的电荷。接 着，对应于接收光量(AO， A2)的电荷被发送到水平转移电阻器Rh的 相邻转移单元Pu，以便从水平转移电阻器Rh交替地提供对应于接收光 量(AO, A2)的接收光输出，如图21C中的箭头所示。
根据第三^Mt示例，由于通过单个曝光积聚操作来获得对应于不同周 期中的接收光量的电荷，因此有可能实现图像拾取装置1的响应it^的进 一步提高。这个操作示例也适用于强度检测操作，如在第二^Mt示例中说 明的图19的情况中那样。
(第四操作示例)
第四操作示例与第三操作示例的相同之处在于通过一个曝光积聚操 作来获得对应于接收光量(A0， A2)的电荷。但是，第四操作示例与第 三操作示例不同之处在于，使用用于在第一曝光积聚操作中收集对应于第 一接收光量(例如AO)的电荷的光电转换元件Px来在第二曝光积聚操作 中收集对应于第二接收光量(例如A2)的电荷，并^目反，使用用于在 第一膝光积聚操作中收集对应于第二接收光量(A2)的电荷的光电转换 元件Px来在第二曝光积聚^Mt中收集对应于第一接收光量(AO )的电荷。
更确切地说，多次重复以下曝光积聚操作。该曝光积聚^作由一组第 一和第二曝光积聚操作组成。
第 一膝光积聚JMt包括以下步骤
向目标空间发射通过调制信号调制了强度的光；
使用光电转换元件Px之一接收来自目标空间的光，以产生对应于第 一周期(例如调制信号中的第一相区)中的接收光量的电荷；
通过转移阵列Yl从所述光电转换元件Px之一向电荷积聚元件Pz之
一转移所产生的电荷；
在所述电荷积聚元件Pz之一中积聚所转移的电荷；
使用另 一个所述光电转换元件Px接收来自目标空间的光，以产生对
应于第二周期(例如与调制信号的第一相区不同的第二相区)中的接收光量的电荷；
通过转移阵列Yl从所述另一个光电转换元件Px向另一个电荷积聚
元件Pz转移所产生的电荷；以及
在所述另一个电荷积聚元件Pz中积聚所转移的电荷。 第二啄光积聚^Mt包括以下步骤 向目标空间中发射强度经调制的光；
使用所述另一个光电转换元件Px接收来自目标空间的光，以产生对 应于第一周期中的接收光量的电荷；
通过转移阵列yi从所述另一个光电转换元件Px向所述电荷积I^L 件Pz之一转移所产生的电荷；以及
在所述电荷积聚元件Pz之一中积聚被转移的电荷；
使用所述光电转换元件Px之一接收来自目标空间的光，以产生对应 于第二周期中的接收光量的电荷；
通过转移阵列Yl从所述光电转换元件Px之一向所述另一个电荷积 聚元件Pz转移所产生的电荷；以及
在所述另一个电荷积聚元件Pz中积聚被转移的电荷。
随后，通过多次重复曝光积聚操作而在所述电荷积聚元件Pz之一中
积聚的电荷的总量和通过多次重复曝光积聚操作而在所述另 一个电荷积
聚元件Pz中积聚的电荷的总量作为接收光输出被取出。
作为用于将在积聚阵列Zl中积聚的电荷取出到图像拾取装置1的外
部的优选的方法，通过多次重复膝光积聚^Mt而在所述电荷积聚元件Pz
之一中积聚的电荷的总量*良送到转移阵列Yl，然后从转移阵列Yl被
取出，并且通过多次重复啄光积聚JMt而在所述另一个电荷积聚元件Pz
中积聚的电荷的总量被从积聚阵列Zl中取出。
例如，如图22A中所示，在第一膝光积聚JMt中，光电转换元件Px 之一 (Pxl)通过接收来自目标空间的光来产生对应于在调制信号的第一 相区中的接收光量A0的电荷，并且光电转换元件Px中的在竖直方向Dv 上与光电转换元件Pxl相邻的另一个光电转换元件(Px2)通过接收来自 目标空间的光来产生对应于在对应于在调制信号的第二相区中的接收光 量A2的电荷。然后，向一对电荷转移元件Py转移对应于接收光量(AO，转移元件Py积聚到电荷积聚元件Pz 中的对应两个电荷积聚元件(Pzl, Pz2)中，如图22A中所示。
另一方面，如图22B中所示，在第二曝光积聚^Mt中，光电转换元 件Pxl通过接收来自目标空间的光来产生对应于接收光量A2的电荷，并 且光电转换元件Px2通过接收来自目标空间的光来产生对应于接收光量 A0的电荷。在第二曝光积聚操作中如此获得的对应于接收光量(AO， A2) 电荷通过转移阵列Yl被转移到电荷积聚元件(Pzl， Pz2)，然后被积聚 在电荷积聚元件(Pzl， Pz2)中。
简而言之，在第一啄光积聚操作中由光电转换元件Pxl产生的对应 于接收光量AO的电荷和在第二曝光积聚操作中由光电转换元件Px2产生 的对应于接收光量AO的电荷被累积地积IM^同一电荷积聚元件Pzl中。 类似地，在第一膝光积聚操作中由光电转换元件Px2产生的对应于接收光 量A2的电荷和在第二膝光积聚JMt中由光电转换元件Pxl产生的对应于 接收光量A2的电荷被累积地积IMt同一电荷积l^t件Pz2中。
或者，如图23A中所示，在第一曝光积聚JMt中，在电荷积聚元件 Pzl中积聚由光电转换元件Pxl产生的对应于接收光量AO的电荷，并且 在电荷积聚元件Pz2中积聚由光电转换元件Px2产生的对应于接收光量 A2的电荷。随后，如图23B中所示，在第二曝光积聚^Mt中，由光电转 换元件Pxl产生的对应于接收光量A2的电荷被积聚在与用于在第一曝光 积聚操作中积聚对应于接收光量A2的电荷的电荷积聚元件Pz2不同的电 荷积聚元件Pz3中。另外，由光电转换元件Px2产生的对应于接收光量 AO的电荷被积聚在与用于在第一瀑光积聚操作中积聚对应于接收光量 AO的电荷的电荷积聚元件Pzl不同的电荷积聚元件Pz4中。
在通过多次重复上述膝光积聚^Mt而获得的图22B的状态中，在积 聚阵列Zl中积聚的对应于接收光量AO的电荷被发送到转移阵列Yl，然 后通过水平转移电阻器Rh被从转移阵列Yl中取出，并且可以从积聚阵 列Zl通过水平转移电阻器Rh取出在积聚阵列Zl中积聚的对应于接收光 量A2的电荷。
另一方面，在通过多次重复上述膝光积聚操作而获得的图23B的状 态中，可以取出在积聚阵列Zl中积聚的对应于接收光量(A0， A2)的电 荷，如图24A-24C中所示。例如，如图24A中的箭头所示，在第一瀑光 积聚操作中在积聚阵列Zl中积聚的对应于接收光量AO的电荷被转移到 相邻的电荷转移元件Py,并且在第二曝光积聚JMt中在积聚阵列Zl中积聚的对应于接收光量A2的电荷也被转移到相邻的电荷转移元件Py。然 后，如在图24B中的箭头所示，在竖直方向Dv上在转移阵列Yl中转移 对应于接收光量(AO， A2)的电荷，以便在与紧接在水平转移电阻器Rh 之前的具有在第二瀑光积聚操作中积聚的对应于接收光量A0的电荷的电 荷积聚元件Pz相邻的电荷转移元件Py中保存在第二膝光积聚操作中获 得的对应于接收光量A2的电荷。接着，向水平转移电阻器Rh的相邻转 移单元Pu发送在第二膝光积聚^Mt中积聚的对应于接收光量(AO, A2 ) 的电荷。结果，如在图24C中的箭头所示，从水平转移电阻器Rh中交替 地取出对应于接收光量(A0， A2)的接收光输出。
另夕卜，第四操作示例可以用于强度检测操作。更确切地说，如图25A 中所示，在第一啄光积聚操作中，在光电转换元件Pxl中收集了对应于在 发光周期Tl中的接收光量CO的电荷，并且在光电转换元件Px2中收集 了对应于在休止周期T2中的接收光量C2的电荷之后，所述电荷通过转 移阵列Yl被积聚在一对电荷积聚元件Pz中。另一方面，在第二啄光积 聚操作中，在光电转换元件Pxl中收集了对应于在休止周期T2中的接收 光量C2的电荷，并且在光电转换元件Px2中收集了对应于在发光周期 Tl中的接收光量CO的电荷之后，所述电荷通过转移阵列Yl被积聚在另 一对电荷积聚元件Pz中。通过多次(例如3次)重复上述瀑光积聚IMt (即，所述一组第一和第二膝光积聚^Mt)，可以在第四电荷积聚元件Pz 中累积地积聚对应于接收光量(C0， C2)的电荷。如此积聚的电荷然后 通过水平转移电阻器Rh被取出，作为对应于接收光量(C0， C2)的接 收光输出，如以上所述。
根据这个操作示例，有可能通过使用对应于接收光量的两个接收光输 出来精确地确定空间信息，即使在目标空间中的两个点之间有较大的步 长。例如，当通it^目邻的两个光电转换元件Px来产生对应于接收光量(A0， A2 )的电荷时，在目标空间中的对应于接收光量AO的点与在目标空间中 的对应于接收光量A2的点不同。因此，当在这两个点之间有大的步长时， 空间信息的测量精度可能由于这两个点之间的距离差而变差。在本操作示 例中，由于相邻的两个光电转换元件Px交替地用于产生对应于接收光量 (AO, A2)的电荷，因此与使用相邻的两个电荷积聚元件中的仅仅一个 电荷积聚元件来产生对应于接收光量AO (或者A2)的电荷的情;M目比， 可以减小目标空间中的两个点之 的距离差对于空间信息的测量精度的 影响。结果，甚至当目标空间中的与相邻的两个光电转换元件Px相关联 的两个点之间的几何条件有大差别时，有可能减小测量误差比如异常值的发生。 (第五操作示例)
第五^Mt示例适合于距离测量操作，并且其特征在于多次重复膝光积 聚IMt,所述瀑光积聚操作由用于积聚对应于两个接收光量(例如ao，
A2 )的电荷的第一瀑光积聚操作和用于积聚对应于另外两个接收光量(例 如Al, A3)的电荷的第二啄光积聚IMt这一对IMt组成。
更确切地说，所述第一瀑光积聚JMt包括以下步骤
向目标空间发射通过调制信号调制了强度的光；
使用光电转换元件Px之一来接收来自目标空间的光，以产生对应于 在调制信号中的第一相区中的接收光量的电荷；
通过转移阵列Yl从所述光电转换元件Px之一向电荷积^it件Pz中 的第一个电荷积聚元件转移所产生的电荷；
在所述第一个电荷积聚元件Pz中积聚所转移的电荷；
使用另 一个光电转换元件Px来接收来自目标空间的光，以产生对应 于在调制信号的第二相区中的接收光量的电荷；
通过转移阵列Yl从所述另一个光电转换元件Px向第二个电荷积聚 元件Pz转移所产生的电荷；以及
在第二个电荷积聚元件Pz中积聚所转移的电荷。
另一方面，所述第二瀑光积聚4lMt包括以下步骤
向目标空间发射强度经调制的光；
使用所述光电转换元件Px之一来接收来自目标空间的光，以产生对 应于在调制信号的第三相区中的接收光量的电荷；
通过转移阵列yi从所述光电转换元件Px之一向第三个电荷积聚元 件Pz中转移所产生的电荷；以及
在第三个电荷积聚元件Pz中积聚被转移的电荷；
使用所述另一个光电转换元件Px来接收来自目标空间的光，以产生 对应于在调制信号的第四相区中的接收光量的电荷；
通过转移阵列Yl从所述另一个光电转换元件Px向第四个电荷积聚 元件Pz转移所产生的电荷；以及在第四个电荷积聚元件PZ中积聚被转移的电荷。
，通过多次重复第 一啄光积聚操作而在第 一和第二个电荷积聚元
件PZ中积聚的电荷的总量和通过多次重复第二曝光积聚IMt而在第三和
第四个电荷积聚元件Pz中积聚的电荷的总量作为接收光输出被取出。
例如，如图26A中所示，在第一膝光积聚^Mt中，在光电转换元件 Px之一 (Pxl)中收集对应于调制信号的第一相区中的接收光量AO的电 荷，并且在另一个光电转换元件Px(Px2)中收集对应于调制信号的第二 相区中的接收光量A2的电荷后，所述电荷通过转移阵列Yl被积聚到预 定的一对电荷积l^t件(Pzl， Pz2)中。另一方面，如图26B中所示， 在第二啄光积聚IMt中，在光电转换元件Pxl中收集了对应于调制信号的 第三相区中的接收光量A1的电荷，并且在光电转换元件Px2中收集了对 应于调制信号的第四相区中的接收光量A2的电荷后，所述电荷通过转移 阵列Yl被积聚在另一对电荷积聚元件(Pz3， Pz4)中。因此，在;^Mt 示例中，每个光电转换元件(Pxl， Px2)与两个电荷积聚元件(Pzl和 Pz3， Pz2和Pz4)相关联。
通过多次重复上述的曝光积聚^M乍(即所述一组第一和第二曝光积聚
操作)，可以分别在所述四个电荷积聚元件(Pzl-Pz4)中累积地积聚对应 于四个接收光量(A0-A3)的电荷。如此积聚的电荷然后通过水平转移电 阻器Rh被取出，作为对应于接收光量(A0-A3 )的接收光输出，如以下 所述。
根据;^Mt示例，有可能通过一次取出四个接收光输出而以提高的响 应速度精确地确定到目标空间中的对象的距离。更确切地说，可以显著地 节省检测空间(距离)信息所需要的时间。
在;MMt示例的变型中，如图27中所示，可以通过使用第四操作示 例的方法来在四个电荷积聚元件(Pzl-Pz4)中累积地积聚对应于接收光 量(A0-A3)的接收光输出。
更确切地说，这个膝光积聚操作由第一到第四膝光积聚^Mt组成。在 这种情况下，用于获得强度经调制的光的调制信号的频率大约是10MHz， 并且将第 一到第四啄光积聚操作中的每一个执行对应于强度经调制的光 的多个周期(例如10000个周期)的时段。
首先，多次重复与图26A的曝光积聚JMt相同的第一曝光积聚操作， 以分别在电荷积聚元件(Pzl， Pz2)中积聚对应于接收光量(A0， A2)的电荷。
接着，多次重复与图26B的曝光积聚操作相同的第二曝光积聚操作， 以分别在电荷积^件(Pz3, Pz4)中积聚对应于接收光量(Al， A3) 的电荷。
接着，多次重复第三曝光积聚操作。在第三曝光积聚操作中，在用于 在第一膝光积聚操作中收集对应于接收光量A0的电荷的光电转换元件 Pxl中收集对应于接收光量A2的电荷，并且在用于在第 一曝光积聚^Mt 中收集对应于接收光量A2的电荷的光电转换元件Px2中收集对应于接收 光量AO的电荷。随后，通过转移阵列Yl在电荷积聚元件(Pz2, Pzl) 中积聚对应于接收光量(A2， AO)的这些电荷。
接着，多次重复第四曝光积聚JMt。在第四曝光积聚操作中，在用于 在第二爆光积聚操作中收集对应于接收光量Al的电荷的光电转换元件 Pxl中收集对应于接收光量A3的电荷，并且在用于在第二曝光积聚操作 中收集对应于接收光量A3的电荷的光电转换元件Px2中收集对应于接收 光量A1的电荷。随后，通过转移阵列Yl在电荷积聚元件(Pz4， Pz3) 中积聚对应于接收光量(A3， Al)的这些电荷。
通过多次(例如5次)重复上述啄光积聚^Mt (即，所述一组第一和 第二膝光积聚操作)，可以在所述四个电荷积聚元件(Pzl-Pz4)中累积地 积聚对应于四个接收光量(A0-A3)的电荷。如此积聚的电荷然后通过水 平转移电阻器Rh被取出，作为对应于接收光量(A0-A3 )的接收光输出， 如以下,斤述。
根据4^Mt示例，有可能通过使用所述四个接收光输出来精确地确定 到目标空间中的对象的距离，即使在目标空间中的两个点之间存在大的几 何步长。
在多次执行了上述瀑光积聚操作后，可以通过水平转移电阻器Rh轮 流取出对应于在积聚阵列Zl中积聚的接收光量(A0-A3)的电荷，如图 28A-28C中所示。在这种情况下，水平转移电阻器Rh的一个转移单元 Pu与转移阵列Yl和积聚阵列Zl中的每个相关联。通过从水平转移电阻 器Rh中取出这四个接收光输出，通过信号处理部分3来计算 (A0-A2)/(A1-A3)以确定到对象的距离。另外，优选的是，以4位并行的 方式一次从水平转移电阻器Rh的四个转移单元Pu读出对应于接收光量 (A0-A3)的电荷。或者，如图29A-29C中所示，水平转移电阻器Rh的两个转移单元pu可以与转移阵列Yl和积聚阵列Zl中的每个相关联，以 取出对应于接收光量(A0-A3)的电荷。
在上述图像拾取装置l中， 一个光电转换元件Px可以被用作多个图 像拾取元件。例如，下面说明了关于一个光电转换元件Px可以被用作两 个图像拾取元件Pe的情况。如上所述，由于每个光电转换元件Px具有6 个控制电极21，因此针对两个图像拾取元件中的每个使用三个控制电极 21。如图30A和30B中所示，将所述6个控制电极21表示为(1)-(6)。 更确切地说，所述两个图像拾取元件Pe之一对应于三个控制电极(1)-(3)，并且另一个图像拾取元件Pe对应于另三个控制电极(4) - (6)。
在这种情况下，通过向所述三个控制电极21施加大电压来形成具有 大开口面积和深度的势阱Wa，并且通过向所述三个控制电极21的中间 一个控制电板拖加小电压来形成具有小开口面积和深度的势阱Wb。更确 切地说，可以通过控制所施加电压的幅度和被施加电压的控制电极21的 数量来形成这两个不同的势阱。
因此，通过接收来自目标空间的光而产生的电荷(例如电子)可以被 势阱Wa收集，然后被势阱WbM。更确切地说，可以通过改变势附Wa， Wb)的开口面积来限定电荷收集周期和电荷保存周期。对于每个光电转 换元件Px，多次交替地重复电荷收集周期和电荷保存周期。随后，通过 转移阵列Yl从光接收阵列XI向积聚阵列Zl转移所收集的电荷。
具体而言，如图30A中所示，在强度经调制的光的周期中，在对应 于三个控制电极(1) - (3)的势阱Wa中收集电荷，并且在对应于三个 控制电极(4) - (6)的中间那个控制电极(5)的势阱Wb中M电荷。 另一方面，如图30B中所示，在强度经调制的光的另一个周期中，在对 应于所述三个控制电极(1) - (3)的中间那个控制电极(2)的势阱Wb 中保存电荷，并且在对应于三个控制电极(4) - (6)的势阱Wa中收集 电荷。
通过交替地重复图30A和30B的状态，相对于每个图像拾取元件交 替地获得电荷收集周期和电荷保存周期。例如，对应于接收光量AO的周 期与图30A的状态相关联，并且对应于接收光量A2的周期与图30B的状 态相关联。在这种情况下，在对应于控制电极(1) - (3)的势阱Wa中 收集对应于接收光量AO的电荷，并且在对应于控制电极(4) - (6)的势 阱Wa中收集对应于接收光量A2的电荷。
41另外，可以通过^吏用12个控制电极来在四个势阱中收集对应于四个 不同周期的电荷。顺便提及，在势阱Wb中收集通过在目标保存周期中接 收来自目标空间的光而产生的少量电荷。但是，可以通过用于确定空间信 息的算术处理来消除在电荷*周期中收集的电荷的影响。
工业实用性
从上述实施例可以理解，根据本发明，由于在每个图像拾取单元中形 成由电荷转移元件组成的转移阵列和由电荷积聚元件的积聚阵列，其中每 个电荷积聚元件具有比光电转换元件的饱和电荷量更大的电荷存储容量， 因此有可能通过防止饱和现象来扩大接收光输出的动态范围，而不增大光 电转换元件的面积。
另外，当在水平方向上与光接收阵列相邻地形成电荷量调整部分，并 且积聚阵列和电荷量调整部分在竖直方向上布置在一行中时，可以才艮据环 境光条件而适当地确定不期望的电荷的量，而不导致图像拾取单元面积的 增大。
而且，当本发明的图像拾取装置用于空间信息检测设备时，即使在环 境光随着时间波动的情况下也可以精确地险测目标空间的空间信息。
因此，本发明的图傳_#^取装置和4吏用所述装置的空间信息检测i殳^"预 期用于各种应用领域，比如预防犯罪系统和工厂自动化系统。
权利要求
1.一种图像拾取装置，包括在半导体衬底上形成的多个图像拾取单元，每个所述图像拾取单元包括由光电转换元件组成的光接收阵列，其中每个光电转换元件被配置用于接收光，并且产生对应于接收光量的电荷；由电荷转移元件组成的转移阵列；由电荷积聚元件组成的积聚阵列，所述积聚阵列被配置用于积聚通过所述转移阵列从所述光接收阵列转移的电荷；以及多个控制电极，所述控制电极通过绝缘层形成在所述半导体衬底上的对应于所述光电转换元件的区域，并且用于将电荷从所述光接收阵列转移到所述转移阵列；其中，所述转移阵列和所述光接收阵列在第一方向上排列在一行中，所述积聚阵列被布置为在与所述第一方向基本上正交的第二方向上与所述转移阵列相邻，所述转移阵列和所述积聚阵列被布置在光遮蔽区域中，并且每个所述电荷积聚元件具有大于每个所述光电转换元件的饱和电荷量的电荷存储容量。
2. 根据权利要求l的图像拾取装置，其中，与每个所述电荷转移元 件面对面地布置每个所述电荷积聚元件。
3. 根据权利要求l的图像拾取装置，其中，每个所述图像拾取装置 还包括电荷量调整部分，其被配置用于确定要从由每个所述光电转换元件产生的电荷中分离的不期望有的电荷的量，并且所述积聚阵列和所述电 荷量调整部分在第 一方向上排列在一行中。
4. 根据权利要求l的图像拾取装置，其中，每个所述电荷转移元件是在所述半导体衬底中形成的第一杂质扩M，并且每个所述电荷积聚元 件是在所述半导体衬底中形成的、具有比所述第 一杂质扩散层大的杂质浓 度的第二杂质扩散层。
5. 根据权利要求l的图像拾取装置，其中，每个所述图像拾取单元还包括在所述半导体衬底上的对应于每个所述电荷转移元件的区域形成 的至少一个转移控制电极和在所述半导体衬底上的对应于每个所述电荷积聚元件的区域形成的至少一个积聚控制电极。
6. 根据权利要求l的图像拾取装置，其中，每个所述图像拾取单元 还包括分隔区，所述分隔区被配置用于在所述积聚阵列和所述转移阵列之 间提供势垒。
7. 根据权利要求6的图像拾取装置，其中，每个所述图像拾取单元的至少一个势垒控制电极。
8. 根据权利要求l的图像拾取装置，其中，每个所述电荷转移元件 是在所述半导体衬底中形成的第一杂质扩散层，并且每个所述电荷积I^L件是在所述半导体衬底中形成的、具有比所述第 一杂质扩散层大的杂质浓 度的第二杂质扩散层，每个所述图像拾取单元包括在所述分隔区与所述电荷转移元件之间 形成的第一缝隙区域和在所述分隔区与所述电荷积聚元件之间形成的第 二缝隙区域中的至少一个，所述第一缝隙区^A在所述半导体衬底中形成的、具有比所述第一杂 质扩散层大的杂质浓度的第三杂质扩散层，并且所述第二缝隙区域是在所 述半导体衬底中形成的、具有比所述第二杂质扩散层大的杂质浓度的第四 杂质扩散层。
9. 根据权利要求l的图像拾取装置，其中，每个所述图像拾取单元 还包括与所述积聚阵列相邻地形成的溢出漏极。
10. 根据权利要求9的图像拾取装置，其中，每个所述图像拾取单元 还包括与每个所述光电转换元件相邻地形成的溢出漏极；以及没有溢出 漏极的緩冲区，所述緩冲区设置在所述光接收阵列和所述转移阵列之间。
11. 根据权利要求l的图像拾取装置，其中，每个所述图像拾取单元 还包括具有多个转移单元并且沿着所述第二方向延伸的转移电阻器，并且 所述转移单元被排列成使得所述积聚阵列与至少 一个所述转移单元相关 联，并且所述转移阵列与另外至少一个所述转移单元相关联。
12. —种空间信息检测设备，包括发光源，其被配置用于向目标空间发射经调制信号调制了强度的光；如权利要求1所述的图像拾取装置，用于接收来自所述目标空间的 光，产生对应于接收光量的电荷，以及输出所述电荷以作为接收光输出；以及分析器，其被配置用于根据所述图像拾取装置的接收光输出来确定所 述目标空间的空间信息。
13. 根据权利要求12的空间信息检测设备，其中，所述空间信息检 测设备还包括控制器，所述控制器被配置用于控制被施加到所述控制电极 的控制电压，以改变在所述半导体衬底中形成的势阱的开口面积，4吏得在 所述势阱具有大开口面积的电荷收集周期和所述势阱具有小开口面积的 电荷保存周期之间切换所述势阱的所述开口面积。
14. 根据权利要求12的空间信息检测设备，其中，所述发光源向所 述目标空间发射所述强度经调制的光，以便交替地重复向所述目标空间发 射所述强度经调制的光的发光周期和不向所述目标空间发射所述强度经 调制的光的休止周期。
15. —种用于a利要求1所述的图像拾取装置中取出接收光输出的 方法，所述方法包括以下步骤多次重复曝光积聚操作，所述曝光积聚操作包括以下步骤由所述图 像拾取装置的光接收阵列接收来自目标空间的光以产生对应于接收光量 的电荷，通过所述图像拾取装置的转移阵列将由所述光接收阵列产生的电 荷转移到所述积聚阵列，以及在所述积聚阵列中积聚所转移的电荷；以及取出通过多次重复所述曝光积聚操作而在所述积聚阵列中积聚的总 的电荷量，作为接收光输出。
16. 根据权利要求15的方法，其中，所述曝光积聚操作包括以下步 骤向所述目标空间发射由调制信号调制了强度的光；以及通过所述光接 收阵列接收来自所述目标空间的光，以产生对应于所述调制信号的预定相 区中的接收光量的电荷。
17. 根据权利要求15的方法，其中，所述膝光积聚操作包括以下步 骤向所述目标空间发射强度经调制的光，以便交替地重复向所述目标空度经调制的光的休止周期；以及通过所述光接收阵列接收来自所述目标空 间的光，以在所逸良光周期和所述休止周期的每个中产生对应于所述接收 光量的电荷。
全文摘要
本发明提供了一种具有高灵敏度的紧凑图像拾取装置，其适合于空间信息检测设备。所述图像拾取装置具有在半导体衬底上布置的多个图像拾取单元(U1)。每个图像拾取单元(U1)具有由光电转换元件(Px)组成的光接收阵列，用于产生对应于接收光量的电荷；由电荷转移元件(Py)组成的转移阵列(Y1)；由电荷积聚元件组成的积聚阵列(Z1)，其中每个电荷积聚元件具有比光电转换元件的饱和电荷量大的电荷存储容量；以及电荷量调整部分(D4)，其被配置用于确定要从由每个光电转换元件产生的电荷中分离的不期望有的电荷的量。转移阵列和光接收阵列(X1)在竖直方向(Dv)上被布置在一行中。积聚阵列(Pz)被布置为在水平方向(Dh)上与转移阵列(Py)相邻。
文档编号H04N5/335GK101647120SQ200880010649
公开日2010年2月10日 申请日期2008年3月28日 优先权日2007年3月30日
发明者今井宪次, 常定扶美, 桥本裕介, 高田裕司 申请人:松下电工株式会社