專利名稱：空間信息檢測裝置及適用于其的光電檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間信息檢測裝置以及適用于該裝置的光電檢測器。
背景技術(shù)：
在用于生成與從對象空間接收的光量相對應(yīng)的電荷并取出該對象空 間的信息作為接收光輸出的傳統(tǒng)光電檢測器中，接收光輸出的最大值通常 受到用于取出所生成的電荷的部分的尺寸的P艮制。
為了擴展用于取出所生成的電荷的通道的動態(tài)范圍，例如，在日本特
開平7-22436號公報和日本特開平7-22437號公報中提出了通過使用CCD 去除除了電荷轉(zhuǎn)移通道中的信息信號以外的不需要的電荷，并使用其余電 荷作為有效電荷。根據(jù)該配置，由于不轉(zhuǎn)移不需要的電荷，所以可通過減 少電荷轉(zhuǎn)移量來減小電荷轉(zhuǎn)移通道的尺寸。
然而，在該配置中，由于去除不需要的電荷是在電荷轉(zhuǎn)移通道中進行 的，所以當通過接收來自對象空間的光生成的不需要的電荷超過光電轉(zhuǎn)換 能力時會發(fā)生所謂的飽和現(xiàn)象。在此情況下，有可能出現(xiàn)在電荷轉(zhuǎn)移通道 之前要檢測的信息丟失的情況。
因此，棉4t上述現(xiàn)有技術(shù)的配置，可減小電荷轉(zhuǎn)移通道的尺寸。然而， 存在不能減小用于接收來自對象空間的光以生成電荷的光電轉(zhuǎn)換部分的 問題。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題，本發(fā)明的主要方面是提供一種具有高操作可靠性的 空間信息檢測裝置，該裝置能夠減小光電轉(zhuǎn)換部分的尺寸，并且即使當通 過接收來自對象空間的光生成大量不需要的電荷時該裝置也能夠防止飽 和現(xiàn)象。
也就是說，本發(fā)明的空間信息檢測裝置包括發(fā)光源，被配置成將由調(diào)制信號進行強度調(diào)制的信號光投射到對象空間；光電檢測部分，被配置 成在與調(diào)制信號同步的定時從對應(yīng)于從對象空間檢測的接收光量的電荷
分離出恒定量的偏置成分，從而提供反映信號光的波動成分的接收光輸 出；以及信號處理部分，被配置成通過使用接收光輸出來檢測對象空間的 空間信息。光電檢測部分包括光電轉(zhuǎn)換部分，被配置成接收來自對象空 間的光以生成電荷；電荷分離部分，被配置成從由光電轉(zhuǎn)換部分生成的電 荷中分離出對應(yīng)于偏置成分的規(guī)定的恒定量的不需要的電荷，其中光電轉(zhuǎn) 換部分生成的電荷對應(yīng)于不依賴于信號光的波動的恒定量的偏置成分和 根據(jù)信號光的波動變化的波動成分的總和；電荷累積部分，被配置成累積 通過從光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷中分離出不需要的電荷而獲得的殘留電 荷作為有效電荷；以及電荷取出部分，被配置成取出在電荷累積部分中累 積的有效電荷作為接收光輸出。
根據(jù)本發(fā)明，由于分離出對應(yīng)于偏置成分的恒定量的電荷作為不需要 的電荷，并且輸出對應(yīng)于波動成分的殘留電荷作為有效電荷，所以飽和的 出現(xiàn)可通過減小電荷的總量來減少，同時反映出由光電轉(zhuǎn)換部分生成的電 荷的增加或減少。換句話^兌，即^^當通過接收來自對象空間的光生成的電 荷包含大量偏置成分時，也有可能有效取出有效電荷，同時通過只去除偏 置成分防止飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)。結(jié)果，可以得到緊湊的光電轉(zhuǎn)換部分。
在傳統(tǒng)配置中，關(guān)于作為接收光輸出取出的電荷確定作為不需要的電 荷分離出的電荷的量。另一方面，在本發(fā)明中，關(guān)于從光電轉(zhuǎn)換部分提供 給電荷取出部分的電荷確定不需要的電荷的量。因此，有可能通過分離出 不需要的電荷顯著減小飽和的可能性。在這點上，當通過使用電子快門的 溢漏(overflow drain)來防止飽和時，以恒定的比率減少對應(yīng)于接收光量的 電荷。這意^^未著波動成分^f皮完全壓縮，并導致對應(yīng)于波動成分的電荷的減 少。相反，在本發(fā)明中，由于分離出偏置成分作為不需要的電荷，所以可 以保持對應(yīng)于波動成分的電荷不變。
另外，通過將通過接收來自對象空間的環(huán)境光在光電轉(zhuǎn)換部分生成的 電荷作為不需要的電荷去除，有可能增加從發(fā)光源投射的光和接收光輸出 的貢獻比率。因此，當根據(jù)M光源投射的光和在光電檢測部分處接收的 光之間的關(guān)系檢測空間信息時，有可能靈敏地檢測^UL光源投射的光的變 化，并提高空間信息的檢測準確度。
在本發(fā)明中，對應(yīng)于偏置成分的恒定量的電荷是指以下情況中的電 荷。首先，關(guān)于光電轉(zhuǎn)換部分在預期時間段中生成的電荷，偏置成分是指不隨位置變化的成分。也就是說，偏置成分是指不依賴于時間或空間的穩(wěn) 定成分。例如，當與用于投射信號光的發(fā)光源相結(jié)合地形成有源型傳感器 時，該偏置成分包含在對應(yīng)于除信號光以外的環(huán)境光的接收光量的電荷 中。第二，偏置成分是指與對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量的電荷量一致的成分。 第三，偏置成分是指小于對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量的電荷量的成分。笫四， 當信號光的強度被調(diào)制，且信號光的最小接收光量不為零時，偏置成分是 指等于或小于對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量和信號光的最小接收光量的總和 的電荷量的成分。也就是i兌，偏置成分在大多數(shù)情況下由如存在于對象空 間中的環(huán)境光的信號光以外的光來提供。另一方面，如在使用強度調(diào)制的 信號光的情況中，存在偏置成分中包含隨信號光波動的成分的情況。此夕卜，
在偏置成分中可能包含補償電流(offset current)或暗電流(dark current)。 假定波動成分主要隨時間變化。然而，當多個光電轉(zhuǎn)換部分工作時，存在 波動成分是指在相鄰的光電轉(zhuǎn)換部分之間的接收光量的差的情況。
在上述發(fā)明中，有利地，電荷分離部分和電荷累積部分是在半導體襯 底中形成的勢阱，且光電檢測部分還包括電荷量調(diào)節(jié)裝置，該電荷量調(diào)節(jié) 裝置被配置成在電荷分離部分和電荷累積部分之間形成勢壘，并調(diào)節(jié)通過 勢壘從電荷分離部分流入電荷累積部分的電荷的量。電荷量調(diào)節(jié)裝置有利 地包括壘控制電極，布置在半導體襯底上以在電荷分離部分和電荷累積 部分之間形成勢壘；以及控制部分，被配置成控制對壘控制電極施加的電 壓以改變勢壘的高度?？商娲?，電荷量調(diào)節(jié)裝置可包括分離電極，布 置在與半導體襯底上的電荷分離部分相對應(yīng)的位置處；以及控制部分， 配置成控制對分離電極施加的電壓以改變電荷分離部分的勢阱的深度。
在該配置中，該電荷量調(diào)節(jié)裝置可通過利用傳統(tǒng)的半導體加工才支術(shù)在 半導體襯底的主表面上形成電極來容易地實現(xiàn)。另外，不需要的電荷的量 可通過控制對壘控制電極或分離電極施加的電壓以改變勢壘的高度或用 作電荷分離部分的勢阱的深度來容易地調(diào)節(jié)。結(jié)果，可以累積通過在電荷 分離部分和電荷累積部分之間形成的勢壘流入電荷累積部分中的電荷作 為有效電荷。
另夕卜，有利地空間信息檢測裝置還包括定時控制部，分:被配置成與光
的光接收時間段和通過使用電荷分離部分和電荷累積部分從光電轉(zhuǎn)換部 分生成的電荷中分離出不需要的電荷的稱量時間段相關(guān)聯(lián)地確定光電轉(zhuǎn)換部分、電荷分離部分和電荷累積部分的操作定時。根據(jù)該配置，有可在 稱量時間段中從在光接收時間段中生成的電荷中分離出不需要的電荷的 效果。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的空間信息檢測裝置還包括第 一導電類型的
半導體層；第二導電類型的阱，形成在半導體層的主表面；排放部分，不 需要的電荷從電荷分離部分排放到排放部分；多個電極，布置在阱的主表 面上；以及控制部分，控制部分被配置成與光電轉(zhuǎn)換部分通過接收來自強
換部分生成的電荷中分離出不需要的電荷的稱量時間段相關(guān)聯(lián)地控制對 電M加的電壓。電極包括分離電極，用于在阱中形成勢阱作為電荷分 離部分；累積電極，用于在阱中形成勢阱作為電荷累積部分；以及壘控制 電極，用于在電荷分離部分和電荷累積部分之間形成勢壘。根據(jù)該配置， 在稱量時間段中從光接收時間段中生成的電荷分離出不需要的電荷的操 作可通過使用該半導體襯底容易地實現(xiàn)。通過排放部分從電荷分離部分排 放出從光接收時間段中生成的電荷中去除的不需要的電荷。另夕卜，通過控 制電壓施加定時可以容易地實現(xiàn)光接收時間段和稱量時間段。另外，由于 通過使用分離電極和累積電極形成作為電荷分離部分和電荷累積部分的 勢阱，且通過使用壘控制電極形成勢壘，所以得到具有這些控制電極的設(shè) 置的精煉的結(jié)構(gòu)。
特別有利地，控制部分控制對分離電極和壘控制電極中的至少一個施 加的電壓以改變勢壘的高度和作為電荷分離部分形成的勢阱的深度中的 乏少一個，從而調(diào)節(jié)越過勢壘從電荷分離部分流到電荷累積部分的電荷的
在上述空間信息檢測裝置中，有利地，發(fā)光源向?qū)ο罂臻g照射由調(diào)制 信號進行強度調(diào)制的光，以具有M光源向?qū)ο罂臻g投射該強度調(diào)制的光 的發(fā)光時間段和不向?qū)ο罂臻g投射該強度調(diào)制的光的暫停時間段，且光電 檢測部分包括電荷量調(diào)節(jié)裝置，該電荷量調(diào)節(jié)裝置被配置成根據(jù)光電轉(zhuǎn)換 部分在暫停時間段中生成的電荷量調(diào)節(jié)從對應(yīng)于在發(fā)光時間段中獲得的 接收光量的電荷中分離出的作為不需要的電荷的電荷的量。在這種情況 下，特別有利地，當在暫停時間段中光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷量增加時， 電荷量調(diào)節(jié)裝置增加從對應(yīng)于在發(fā)光時間段中獲得的接收光量的電荷中 分離出的不需要的電荷的量。
根據(jù)該配置，由于根據(jù)通過在暫停時間段中接收環(huán)境光生成的電荷量來自動確定要分離的不需要的電荷的量，所以有可能減少環(huán)境光的影響，
并且容易通it^發(fā)光源投射的光來檢測對象空間的信息。
另夕卜，作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，電荷分離部分和電荷累積部分是在 半導體襯底中形成的勢阱，在電荷分離部分和電荷累積部分之間布置壘控 制電極以形成勢壘。電荷量調(diào)節(jié)裝置才艮據(jù)光電轉(zhuǎn)換部分在暫停時間段中生 成的電荷量控制對壘控制電極施加的電壓，以改變勢壘的高度，從而調(diào)節(jié) 通過勢壘從電荷分離部分流入電荷累積部分的電荷的量。可替^f戈地，有利 地，還在半導體襯底上對應(yīng)于電荷分離部分的位置處布置分離電極，且電 荷量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)光電轉(zhuǎn)換部分在暫停時間段生成的電荷量控制對分離 電極施加的電壓以改變作為電荷分離部分形成的勢阱的深度，從而調(diào)節(jié)通 過勢壘從電荷分離部分^^電荷累積部分的電荷的量。
根據(jù)該配置，由于根據(jù)在暫停時間段接收到的環(huán)境光的接收光量自動 調(diào)節(jié)勢壘的高度，并通過使用該勢壘從在發(fā)光時間段中生成的電荷中去除 不需要的電荷，所以有可能減少環(huán)境光的影響，因此容易通過M光源投 射的光來檢測對象空間的空間信息。此外，由于光電檢測部分自動確定勢 壘的適當高度，所以與光電檢測部分相結(jié)合地使用的外部電路可以由相對 簡單的電路配置形成。
在改變勢壘高度的情況下，有利地，電荷量調(diào)節(jié)裝置具有電荷保持部 分，該電荷保持部分是在半導體襯底中形成的勢阱，以保持光電轉(zhuǎn)換部分 在暫停時間段中生成的電荷，以及電荷量調(diào)節(jié)裝置對壘控制電極施加根據(jù) 電荷保持部分保持的電荷量確定的電壓。在這種情況下，進一步有利地， 電荷量調(diào)節(jié)裝置包括通過絕緣層在半導體襯底上對應(yīng)于電荷保持部分的 位置處形成的并且電連接到壘控制電極的保持電極?？商娲?，壘控制電
另一方面，在改變作為電荷分離部分形成的勢阱的深度的情況下，有 利地，電荷量調(diào)節(jié)裝置具有電荷保持部分，該電荷保持部分是在半導體襯 底中形成的勢阱，以保持光電轉(zhuǎn)換部分在暫停時間段中生成的電荷，且電 荷量調(diào)節(jié)裝置對分離電極施加根據(jù)電荷保持部分保持的電荷量確定的電壓。
在改變勢壘高度或勢阱深度的任一情況下，有利地，在光電轉(zhuǎn)換部分 和電荷保持部分之間的半導體襯底的主表面上形成柵電極，并且該柵電極 被配置成控制將光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷轉(zhuǎn)移到電荷保持部分的定時。根分的定時，所以有可能在期望的定時。將該電荷轉(zhuǎn)移P到電荷保持部。分。-
在上述空間信息檢測裝置中，當在發(fā)光時間段中生成的電荷量達到預 定的飽和水平時，信號處理部分增加在下一個發(fā)光時間段中分離出的不需 要的電荷的量也是有利的。根據(jù)該配置，即使當接收光輸出達到飽和水平 時，在下一發(fā)光時間段也難以引起飽和。因此，有可能提高空間信息的檢 測可能性。
在根據(jù)本發(fā)明的進一步優(yōu)選實施例的空間信息檢測裝置中，光電檢測 部分具有多個光電檢測單元，每個光電檢測單元對應(yīng)于一個像素。每個光
電檢測單元包括第一導電類型的半導體層；第二導電類型的阱，形成在 半導體層的主表面中；光電轉(zhuǎn)換部分，包括通過絕緣層在阱的規(guī)定區(qū)域上 形成的多個靈敏度控制電極的陣列；分離電極，用于在阱中形成作為電荷 分離部分的勢阱；壘控制電極，用于在阱中形成勢壘；累積電極，用于在 阱中形成作為電荷累積部分的勢阱；以及排放部分，不需要的電荷從電荷 分離部分排放到排放部分。其中電荷量調(diào)節(jié)裝置具有電荷保持部分，該電
電荷量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)電荷保持部分保持的電荷量對壘控制電極和分離電 極中的至少一個施加電壓。
在這種情況下，進一步有利地，在靈敏度控制電極的陣列中形成分離 電極、壘控制電極和累積電極，并且在垂直于靈敏度控制電極的陣列的方 向上相鄰地形成電荷保持部分。通過以相等的間隔設(shè)置靈敏度控制電極， 具有可以容易地控制沿著靈敏度控制電極轉(zhuǎn)移電荷的操作的效果?？商娲?地，有利地，在與所述靈^t度控制電極的所述陣列相鄰的列中在所述靈敏 度控制電極的陣列方向上布置所述分離電極、所述壘控制電極、所述累積 電極和所述電荷保持部分。由于可以在與沿著靈敏度控制電極轉(zhuǎn)移電荷的 方向相同的方向上分離不需要的電荷，所以不需要的電荷的分離效率變得 更高。另外，還具有減少在與靈敏度控制電極的陣列方向不同的方向上轉(zhuǎn) 移電荷的操作以及實現(xiàn)控制配線和控制^Nt簡化的其它效果。
本發(fā)明的另 一方面是提供特征在于包括以下配置的空間信息檢測裝 置。也就是說，該空間信息檢測裝置包括發(fā)光源，被配置成向?qū)ο罂臻g 照射由調(diào)制信號進行強度調(diào)制的光；光電檢測部分，被配置成根據(jù)從對象 空間接收的光提供電輸出；以及信號處理部分，被配置成通過使用電輸出 檢測對象空間的空間信息。光電檢測部分包括光電轉(zhuǎn)換部分，被配置成接收來自對象空間的光以生成電荷；電荷分離部分，被配置成從光電轉(zhuǎn)換 部分在調(diào)制信號的具有不同相位范圍的兩個區(qū)間中的一個生成的電荷中 分離出根據(jù)光電轉(zhuǎn)換部分在另一區(qū)間中生成的電荷量確定的量的不需要 的電荷；電荷累積部分，被配置成累積通過從光電轉(zhuǎn)換部分在調(diào)制信號的 具有不同相位的兩個區(qū)間中的一個中生成的電荷中分離出不需要的電荷 而獲得的殘留電荷作為有效電荷；以及電荷取出部分，被配置成輸出在電 荷累積部分中累積的有效電荷作為電輸出。
根據(jù)該配置，由于與調(diào)制信號的具有不同相位范圍的兩個區(qū)間同步獲 得的接收光量之差被確定，所以有可能通過使用該差來有效減少環(huán)境光的 影響，因此通過從發(fā)光源投射的光可以容易地檢測對象空間的空間信息。 此外，通過在調(diào)制信號的具有不同相位范圍的兩個區(qū)間中的一個獲得的接 收光量來確定不需要的電荷的量，并且有效電荷的量對應(yīng)于這兩個區(qū)間之 間電荷量的差。也就是說，有可能獲得對應(yīng)于這兩個區(qū)間之間接收光量的 差的接收光輸出。
作為上述空間信息檢測裝置的優(yōu)選實施例，電荷分離部分和電荷累積 部分是在半導體襯底中形成的勢阱，空間信息檢測裝置具有壘控制電極， 布置在半導體襯底上以在電荷分離部分和電荷累積部分之間形成勢壘；以 及電荷保持部分，被配置成保持光電轉(zhuǎn)換部分在調(diào)制信號的具有不同相位 范圍的兩個區(qū)間中的另 一區(qū)間中生成的電荷，才艮據(jù)電荷保持部分保持的電 荷量對壘控制電極施加電壓以確定不需要的電荷的量，以及通過電荷分離 部分從光電轉(zhuǎn)換部分在調(diào)制信號的具有不同相位范圍的兩個區(qū)間中的一 個生成的電荷中分離出所述量的不需要的電荷。根據(jù)該配置，通過在調(diào)制 信號的具有不同相位范圍的兩個區(qū)間中的一個獲得的接收光量來自動確 定不需要的電荷的量，且有效電荷的量對應(yīng)于這兩個區(qū)間之間電荷量的 差。也就是說，有可能獲得對應(yīng)于這兩個區(qū)間之間接收光量的差的接收光 輸出。
本發(fā)明的另一方面是提供一種適于用作上述空間信息檢測裝置的光 電檢測部分的光電檢測器。也就是說，該光電檢測器特征在于包括光電 轉(zhuǎn)換部分，被配置成接收來自對象空間的光以生成電荷；電荷分離部分， 被配置成從光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷分離出對應(yīng)于偏置成分的規(guī)定的恒 定量的不需要的電荷，光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷對應(yīng)于恒定量的偏置成分 和隨接收光量的增加或減少而變化的波動成分的總和；電荷累積部分，被 配置成累積通過從光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷分離出不需要的電荷而獲得的殘留電荷作為有效電荷；以及電荷取出部分，被配置成取出累積在電荷 累積部分中的有效電荷作為接收光輸出。該光電檢測器有利地包括裝置形 成層，由第一導電類型的半導體制成的；第二導電類型的阱，形成在所述 裝置形成層的主表面上；排放部分，所述不需要的電荷從所述電荷分離部 分排放到所述排放部分；以及多個電極，布置在所述阱的所述主表面上。 電極包括:分離電極，用于在所述阱中形成作為所述電荷分離部分的勢阱； 累積電極，用于在所述阱中形成作為所述電荷累積部分的勢阱；以及壘控 制電極，用于在所述電荷分離部分和所述電荷累積部分之間形成勢壘。


圖l是示出本發(fā)明第一實施例的截面圖2A-2E是示出本實施例中的勢能關(guān)系的操作說明圖3A - 3C是示出本實施例中的電壓關(guān)系的操作說明圖4是示出根據(jù)本實施例的空間信息檢測裝置的示意性配置的框圖5A和5B是本實施例中操作例子的說明圖6A和6B是本實施例中另 一操作例子的說明圖7A和7B是本實施例中進一步的操作例子的說明圖8是本實施例中另一操作例子的說明圖9A是示出第二實施例的截面圖，圖9B是示出第二實施例的變形 的截面圖10A-IOD是示出本實施例中的勢能關(guān)系的操作說明圖11A-UC是示出本實施例中的電壓關(guān)系的^^說明圖12A是示出第三實施例的平面圖，圖12B是沿圖12A中的線X-X 所取的截面圖，圖12C是沿圖12A中的線Y-Y所取的截面圖13是示出第四實施例的平面圖14是用于說明本實施例中的操作的流程圖15是示出第五實施例的平面圖16是示出第六實施例的截面圖17A-17H是示出本實施例中的勢能關(guān)系的操作說明圖；圖18是示出第七實施例的截面圖19A-190是示出本實施例中的勢能關(guān)系的操作說明圖； 圖20是示出第八實施例的截面圖； 圖21是示出第九實施例的截面圖22A-22E是示出本實施例中的勢能關(guān)系的操作說明圖；以及 圖23A和23B是示出本實施例中的電壓關(guān)系的操作說明圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)優(yōu)選實施例詳細說明本發(fā)明。 (第一實施例)
本實施例的空間信息檢測裝置包括發(fā)光源，其用于將由調(diào)制信號進 行強度調(diào)制的光作為信號光投射到對象空間；光電檢測部分，被配置成通 過在與調(diào)制信號同步的定時從對應(yīng)于從對象空間檢測到的接收光量的電 荷中分離出恒定量的偏置成分來提供反映信號光的波動成分的接收光輸 出；以及信號處理部分，被配置成通過使用接收光輸出來檢測對象空間的 空間信息(例如，與對象空間中的物體的距離)。在以下實施例中，光電 檢測部分由光電檢測器提供。另外，為了避免本發(fā)明的說明變得復雜，在 某些情況下只說明光電檢測器的最小單位單元及其操作。通過布置多個單 位單元，有可能獲得作為該光電檢測器的圖像傳感器。
如圖1中所示，在每個單元1中，在襯底10上形成的裝置形成層11 是第一導電類型(例如p型)的半導體(例如硅)，在裝置形成層ll的主 表面形成的阱12是第二導電類型(例如n型)的半導體。在阱12的主表 面上，通過絕緣層13 (例如氧化硅或氮化硅)布置分離電極14a、累積電 極14b和壘控制電極14c。壘控制電極14c和分離電極14a用作調(diào)節(jié)不需 要的電荷量的裝置。對壘控制電極14c和分離電極14a施加的電壓由控制 部分(未示出)確定。襯底10具有第二導電類型。分離電極14a、累積 電極14b和壘控制電極14c具有半透明性。在本實施例中，關(guān)于通過接收 來自對象空間的光而生成的電荷是電子的情況進行說明?？商娲?，通過 使半導體的導電類型相反和稍后說明的電壓的極性相反，空穴可用作電 荷。
在圖1中，分離電極14a、累積電極14b和壘控制電極14c被設(shè)計為具有彼此不同的寬度，使得累積電極14b具有比分離電極14a和壘控制電 極14c更大的寬度?？商娲?，可以布置具有相同寬度的多個電極。在這 種情況下，通過將相同的電壓施加到彼此相鄰地連續(xù)布置的多個電極，該 多個電極可等同地用作具有大寬度的單個電極。例如，當分離電極14a 由彼此相鄰地布置的兩個電極提供，累積電極14b由彼此相鄰地連續(xù)布置 的三個電極提供，且壘控制電極14c由單個電極提供時，分離電極14a、 累積電極14b和壘控制電極14c的功能可通過使用具有相同寬度的這六個 電極來實現(xiàn)。
n型阱12由p型裝置形成層ll圍繞。因此，當沒有電壓施加到分離 電極14a、累積電極14b和壘控制電極14c時，關(guān)于電子，阱12的勢能 低于裝置形成層11的勢能。也就是說，對應(yīng)于阱12的區(qū)域?qū)﹄娮有纬闪?勢阱。在圖l中，陰影區(qū)表示電子。阱12的勢能可通it^t分離電極14a、 累積電極14b和壘控制電極14c施加電壓來控制。
在此，關(guān)于在阱12處于空電荷狀態(tài)時照射光的情況進行:現(xiàn)明。為了 獲得阱12的空狀態(tài)，通過與阱12相鄰地形成的漏極(未示出)來排放電 子。可替代地，阱12中的電子可通過電荷取出部分(未示出)作為接收 光輸出取出到外部。該電荷取出部分可具有與傳統(tǒng)CCD圖像傳感器的垂 直轉(zhuǎn)移部分或水平轉(zhuǎn)移部分相同的配置。
如圖3A-3C中的時間段Ta所示，當在不對分離電極14a、累積電 極14b和壘控制電極14c施加電壓的情況下從對象空間接收光時，在包括 阱12的裝置形成層11中生成電子和空穴。如圖2A中所示，所生成的電 予聚集在阱12中。也就另j兌，阱12用作光電轉(zhuǎn)換部分D1。當對分離電 極14a、累積電極14b和壘控制電極14c中的任何一個施加具有比裝置形 成層11的基準電位更高的電位的電壓(即正電壓)時，有可能獲得具有 更大深度的勢阱，并提高電子的聚集效率。
在電子聚集到光電轉(zhuǎn)換部分D1中后，通過如圖3A-3C中的時間段 Tb所示對壘控制電極14c施加負電壓，如圖2B所示在阱12中形成勢壘 Bl。勢壘B1將阱12的勢阱分成兩個勢阱電荷分離部分D2和電荷累積 部分D3，其中，電荷分離部分D2是與分離電極14a相對應(yīng)的區(qū)域，電 荷累積部分D3是與累積電極14b相對應(yīng)的區(qū)域。
在形成勢壘Bl以分離電荷分離部分D2和電荷累積部分D3的情況 下，當通過靠近阱12形成的漏極(未示出)排放電荷分離部分D2中的 電子時，電子只留在電荷累積部分D3中，如圖2C所示。電荷累積部分D3中的殘留電子量對應(yīng)于在圖3A - 3C中所示的時間段Ta中獲得的接收 光的量。為了排放電荷，在漏極和電荷分離部分D2之間形成^I極是有利 的，并且打開柵極以將電荷從電荷分離部分D2排放到漏極。柵極和漏極 結(jié)構(gòu)可以具有與傳統(tǒng)MOSFET或CCD結(jié)構(gòu)相同的配置。
接下來，如圖3A-3C中的時間段Td所示，對分離電極14a施加正 電壓，并去除對壘控制電極施加的電壓。此時，如圖2D所示，電荷分離 部分D2變成具有比電荷累積部分D3更大的深度的勢阱。此外，由于電 荷分離部分D2和電荷累積部分D3之間的勢壘Bl被消除，聚集在電荷累 積部分D3中的所有電子都流入電荷分離部分D2中。也就是^兌，聚集在 電荷累積部分D3中的所有電子都轉(zhuǎn)移到電荷分離部分D2。
在阱12中的所有電子都移到電荷分離部分D2中后，如圖3A-3C 中的時間段Te所示，對壘控制電極14c施加預定的負恒定電壓，并去除 對分離電極14a施加的電壓。也就是說，如圖2E中所示，再次形成勢壘 Bl以將勢阱12分成電荷分離部分D2和電荷累積部分D3。此時，電荷分 離部分D2的勢阱被形成為具有淺的深度。此外，電荷分離部分D2的容 量(容積)由勢壘B1的高度確定。也就是說，根據(jù)對壘控制電極14c施 加的電壓來確定電荷分離部分D2的容量。對壘控制電極14c施加的電壓 被設(shè)置成使得勢壘Bl的勢能不超過裝置形成層11的勢能。
當在圖2D的狀態(tài)中流入電荷分離部分D2中的電子的量在圖2E的 狀態(tài)中超過電荷分離部分D2的容量時， 一部分電子通過(越過)勢壘 Bl從電荷分離部分D2流入電荷累積部分D3。由于在圖2D的狀態(tài)中流 入電荷分離部分D2中的電子的量對應(yīng)于由光照生成的電子的量(實際上 是圖2C中電子的量)，所以在圖2E的狀態(tài)中流入電荷累積部分D3中的 電子的量等于從由光照生成的電子中減去與在圖2E的狀態(tài)中設(shè)置的電荷 分離部分D2的容量相對應(yīng)的電子所確定的量。
在以下說明中，將電荷分離部分D2分離出的電子稱為不需要的電荷， 而將流入電荷累積部分D3中的電子稱為有效電荷。 一般來說，不需要的 電荷被排放，而有效電荷被取出作為接收光輸出。也就是說，可將光電轉(zhuǎn) 換部分Dl生成的電子看作是如環(huán)境光的恒定量的偏置成分和基于接收光 量的增加或減少而波動的包括要檢測的信息的波動成分的總和。由于該偏 置成分不包含要檢測的信息，所以將其作為不需要的電荷排放掉。另一方 面，所獲得的有效電荷對應(yīng)于通過簡單地從對應(yīng)于接收光量的量的電子中 去除恒定量的電子而獲得的電荷。因此，接收光量的波動成分保持在有效電荷中，并且在接收光量中所包含的信息量中沒有變化。
另外，在圖2A-2E中所示的時間段，在阱12中電子移動期間接收 光，并且所生成的電子連續(xù)地聚集在阱12中。因此，與在圖2A中所示 的時間段中由光電轉(zhuǎn)換部分Dl生成的電子的量相比，需要將在圖2B-2E中所示的時間段中生成的電子的量減小到趨于零。為了使出現(xiàn)的誤差 最小化，例如，在毫秒(ms)量級設(shè)置圖2A的時間段，在微秒Ois)級設(shè)置 圖2B - 2E的時間段是有利的。
在本實施例中，如上所述，利用電荷分離部分D2從在光電轉(zhuǎn)換部分 Dl處通過接收來自對象空間的光而生成的電子中分離出規(guī)定的恒定量電 子，然后將殘留電子作為有效電荷轉(zhuǎn)移到電荷累積部分D3。在這種情況 下，在電荷累積部分D3中累積的有效電荷的量變得小于對應(yīng)于接收光量 (-接收到的光通量的時間積分)的電子的量。然而，包含在接收光量中 的信息量反映在有效電荷上。因此，即使當接收光量增加時，也難以出現(xiàn) 飽和，因為通過電荷分離部分D2將恒定量的所生成的電荷作為不需要的 電荷去除。
在本實施例中，光電轉(zhuǎn)換部分D1形成在阱12中?？商娲?，光電 轉(zhuǎn)換部分可形成在與阱12不同的位置。將光電轉(zhuǎn)換部分生成的電子轉(zhuǎn)移 到阱12，然后按照上述過程分離出一部分電子。在這種情況下，由于可 以對阱12進行光屏蔽，所以有可能減少在圖2A-2E中所示的時間段中 生成的電荷導致的誤差。
此外，在以上說明中，在圖2D的時間段中，在不改變電荷累積部分 D3的勢能的情況下降低電荷分離部分D2和勢壘Bl的勢能?？商娲兀?在不改變電荷累積部分D2的勢能的情況下，通過降低勢壘Bl的勢能使 得高于圖2E的勢壘B1，并增加電荷累積部分D3的勢能4吏得不小于勢壘 Bl，可以將電子從電荷累積部分D3移到電荷分離部分D2。
另外，為了在圖2E的狀態(tài)中通過電荷分離部分D2分離出恒定量的 電子作為不需要的電荷，需要越過勢壘Bl移動的所有電子都流入電荷累 積部分D3中。當移動到電荷累積部分D3中的電子的量超過電荷累積部 分D3的容量時，不能由電荷分離部分D2分離出恒定量的不需要的電荷。 為了解決這個問題，在增加電荷累積部分D3的容量而不改變電荷累積部 分D3的深度時，增加阱12相對于裝置形成層11的占用面積。結(jié)果，這 導致光電檢測器尺寸的增加。因此，為了解決上述問題，使用調(diào)節(jié)電荷累 積部分D3的深度的4支術(shù)^1有利的。電荷累積部分D3的深度取決于勢壘Bl的高度。不需要的電荷的量 由勢壘Bl與電荷分離部分D2的底部的勢能的相對高度確定。因此，通 過調(diào)節(jié)電荷分離部分D2的底部的勢能而不改變勢壘Bl的高度，即使接 收光量增加或減少，也有可能通過電荷分離部分D2來測量和分離出恒定 量的不需要的電荷。
為了適當?shù)卦O(shè)置電荷分離部分D2的底部的使能，需要估計接收光量。 在接收光量的估計中，將聚集在光電轉(zhuǎn)換部分D1中的電子移到光電檢測 器的外部，然后由光電檢測器的外部電路來估計是有利的。在這種情況下， 從外部電,供的估計結(jié)果反映在對分離電極14a施加的電壓上。響應(yīng)于 接收光量的估計結(jié)果，存在不需要由電荷分離部分D2分離不需要的電荷 的情況。在這種情況下，在圖2C的狀態(tài)中留在電荷累積部分D3中的電 子3皮取出作為接收光輸出。
具體地，對分離電極14a、累積電極14b和壘控制電極14c施加的電 壓由作為控制部分的外部電路(未示出)控制，使得光電檢測器進行兩個 操作取出用于估計接收光量的接收光輸出和在分離出不需要的電荷之后 取出接收光輸出。在獲得用于估計接收光量的接收光輸出的時間段中，直 接取出聚集在光電轉(zhuǎn)換部分D1中的電荷。通過使用該接收光輸出，確定 對分離電極14a、累積電極14b和壘控制電極14c施加的電壓以調(diào)節(jié)勢壘 Bl的高度和電荷累積部分D3的深度中的一個。接下來，關(guān)于對應(yīng)于接 收光量的電荷，根據(jù)上述過程分離出不需要的電荷，從而殘留電子被取出 作為接收光輸出。
另夕卜，通過分離出不需要的電荷而獲得的接收光輸出必須保持包含在 接收光量中的信息。因此，在沒有發(fā)光源的無源傳感器的情況下，通過將 要分離的不需要的電荷的量保持恒定，接收光量的波動成分可反映在接收 光輸出上。另一方面，在使用發(fā)光源的有源型傳感器的情況下，設(shè)置發(fā)光 源發(fā)光的時間段(以下稱為"發(fā)光時間段，，)和發(fā)光源關(guān)閉的時間段(以 下稱為"暫停時間段")。在估計出暫停時間段中獲得的接收光量之后，從 發(fā)光時間段中獲得的電荷中去除不需要的電荷。根據(jù)該操作，有可能4
需要的電荷的量，并從實質(zhì)上改善關(guān)于從義光源投射的光的動態(tài)范圍。
在以上操作中，假定進行一次分離不需要的電荷的操作，并通過只調(diào) 節(jié)勢壘B1的高度來確定不需要的電荷的量。可替代地，不需要的電荷的 量可通過改變分離不需要的電荷的操作的次數(shù)來調(diào)節(jié)。在這種情況下，電荷分離部分D2的容量保持恒定。在圖2E的狀態(tài)中通過電荷分離部分D2 分離出不需要的電荷之后，從電荷分離部分D2排放不需要的電荷。然后， 再現(xiàn)圖2D的狀態(tài)，使電荷從電荷累積部分D3返回到電荷分離部分D2， 在圖2E的狀態(tài)中再次通過電荷分離部分D2分離出不需要的電荷。通過 將以上過程重復需要的次數(shù)，可以調(diào)節(jié)不需要的電荷的量。
在圖中所示的操作中，在將電荷移到電荷分離部分D2以分離出不需 要的電荷之后，調(diào)節(jié)對壘控制電極14c施加的電壓或者對分離電極14a施 加的電壓?？商娲?，在通過調(diào)節(jié)對壘控制電極14c施加的電壓或?qū)Ψ蛛x 電極14a施加的電壓確定出電荷分離部分D2的容量之后，可以將電荷移 到電荷分離部分D2中。
在以下說明中，如圖4所示，光AUL光源2投射到對象空間，使得來 自對象空間的作為結(jié)果的光作為信號光由光電檢測器(即光電檢測部分) l接收。在該配置中，假定由光電檢測器l接收的光包含環(huán)境光，如自然 光和照明光，并且通過減少環(huán)境光成分來獲得接收光輸出。因此，確定作 為不需要的電荷分離出的電子的量以反映環(huán)境光的接收光量。光電檢測器
息。光電檢測器l、發(fā)光源2和接收光處理電路3的操作根據(jù)從定時控制 電路4輸出的定時信號控制。
也就是說，由定時控制電路4控制對用作調(diào)節(jié)作為不需要的電荷分離 出的電荷量的裝置的壘控制電極14c和分離電極14a施加的電壓。另外， 定時控制電路4將定時信號輸出到發(fā)光源2,使得發(fā)光時間段和暫停時間 段交替重復。定時控制電路4還向光電檢測器1和接收光處理電路3提供 定時信號，使得在發(fā)光時間段和暫停時間段中進行稍后說明的操作。也就 是說，在圖中所示的配置中，信號處理部分包括接收光處理電路3和定時 控制電路4。信號處理部分可以由用于執(zhí)行適當程序的微處理器來配置。
在以下說明中，通過多次進行電荷稱量操作(charge weighing 叩eration)來分離出期望量的不需要的電荷。也就^_說，當要排放的不需 要的電荷的量是Qg時，可以通過重復"k"次(k是正整數(shù))電荷稱量 操作來將其排放。因此，每次電荷稱量操作所排放的不需要的電荷的量被 表示為Qg/k。為了排放不需要的電荷，存在以預定的時間間隔多次重復 電荷稱量操作的方法，以及連續(xù)重復多次電荷稱量操作的方法。在以下說 明中，這兩種方法以混合的方式進行。
也就是說，定義連續(xù)重復"m，，次(m是大于等于2的正整數(shù))分離和排放不需要的電荷的操作的稱量時間段，并且在發(fā)光時間段中重復"n" 次(n是大于等于1的正整數(shù))該稱量時間段。該關(guān)系在圖5A和5B中 示出。在圖5A和5B的每一個中，示出一個暫停時間段"Pd"和一個發(fā) 光時間段"Pb"。實際上，暫停時間段"Pd"和發(fā)光時間段"Pb"交替重 復多次。在圖5A所示的操作中，在發(fā)光時間段"Pb，，中進行"n"次(該 圖中為2次)稱量時間段"Pt"，并且在每個稱量時間段中重復"m"次 (該圖中為5次)分離和排放不需要的電荷的操作(在下文中稱為稱量操 作"W")。也就是說，在發(fā)光時間段"Pb"中進行的稱量操作"W"的 次數(shù)被表示為"n"x"m"。在每個稱量時間段"Pt"中，將不需要的電荷 排放，使得只留下對應(yīng)于信號光的接收光量的電子量。因此，通過將在稱 量時間段"Pt"中排放的不需要的電荷的量除以正整數(shù)"m"來確定每次 稱量操作"W"排放的不需要的電荷的量。另夕卜，根據(jù)在暫停時間段"Pd，， 中獲得的接收光量來設(shè)置每次稱量操作"W"排放的不需要的電荷的量。 也就是說，在以下說明的^作中，"k" = "m"。
首先^兌明與通過單次稱量操作一次分離不需要的電荷的情況相比，通 過多次稱量操作逐步分離不需要的電荷的情況的優(yōu)點。 一般來說，響應(yīng)于 光電檢測器的接收光量累積的電荷量"Q"(電子的量)與光電轉(zhuǎn)換部分 Dl (電荷累積部分D3)的面積"S，，和光接收時間"t"成比例。當每單 位時間和單位面積累積的電荷量為"q"時，"Q，， = "q" x "s，， x "t"。 在本說明中，由于勢壘B1的高度根據(jù)在暫停時間段"Pd"中累積的電荷 量來確定，所以勢壘B1的高度AV可表示為在暫停時間段"Pd"中累積 的電荷量"Q"的函數(shù)。例如，可以從關(guān)系式AV(Q)- "a" x "q" x "S" x "t"來計算，其中"a"是用于將電荷量"Q"轉(zhuǎn)換為勢壘Bl的高度 AV(Q)的系數(shù)。每次稱量操作所排放的不需要的電荷量可通過改變勢壘 Bl的高度AV(Q)來調(diào)節(jié)。
勢壘Bl的高度AV(Q)可通過改變上述四個變量中的任何一個來調(diào) 節(jié)。如上所述，在亳秒(ms)級設(shè)置時間"t"，而在微秒Oim)級設(shè)置稱量操 作所需的時間。因此，通過減少用于確定不需要的電荷的量的時間"t"， 有可能縮短暫停時間段"Pd"，并相對地增加收集空間信息所用的時間。 然而，隨著時間"t"縮短，每次稱量:^作排放的電荷量Q減少。因此， 增加稱量操作的次數(shù)以排放期望量的不需要的電荷。
為了縮短時間"t"而不減少每次稱量操作排放的電荷量Q,考慮增 大系數(shù)"(x"、電荷量"q"以及面積"S"中的至少一個。然而，隨著系數(shù)"a"變大，如散粒噪聲(shot noise)的噪聲成分增加。結(jié)果，導致測量 誤差增加。另外，由于電荷量"q"依賴于光電檢測器的規(guī)格和接收光強 度，因而難以調(diào)整電荷量"q"。另一方面，隨著面積"S"變大，裝置尺 寸的增加成為問題。因此，不改變系數(shù)"a"、電荷量"q"和面積"S"。
如上所述，每次稱量操作"W"排放的不需要的電荷的量由暫停時間 段"Pd"中累積的電荷量來確定。該電荷量被表示為環(huán)境光的接收光強 度和暫停時間段"Pd"的長度(時間"t")的函數(shù)。也就是說，將每次稱 量操作"W"所排放的不需要的電荷的量定義為隨著暫停時間段"Pd，， 變長而變大。實際上，其是通過一次函數(shù)或三次函數(shù)定義的。因此，如上 所述，當稱量時間段"Pt"中排放的不需要的電荷量是"Qg",且每次稱 量操作"W，，排放的不需要的電荷的量被表示為"Qg/m"時， 一次稱量 操怍所需的暫停時間段"Pd，，的長度是一次排放電荷量"Qg"所需的暫 停時間段的長度的1/m。簡而言之，由于重復"m"次稱量操作"W"， 所以用于排放不需要的電荷的一次稱量操作所需的暫停時間段"Pd"的 長度可減小到1/m。
在上述操作中，暫停時間段"Pd"被縮短，另一方面需要與稱量操 作"W"的重復次數(shù)相對應(yīng)的時間以完成排放不需要的電荷。由于暫停時 間段的時間級別是毫秒(ms)級，而稱量操作"W"的時間級別是微秒0im) 級，所以與一次排放不需要的電荷的情;W目比可以縮短暫停時間段"Pd，， 和發(fā)光時間段"Pb"所需的總時間。例如，當在一次排放不需要的電荷 的情況下暫停時間段需要7亳秒(ms)時，在通過重復稱量操作"W" 7次 來排放不需要的電荷的情況下暫停時間段所需的時間可縮短到1亳秒。也 就是說，即使當需要100微秒(nm)來進行每個稱量操作"W"時，暫停時 間段"Pd"和發(fā)光時間段"Pb"的總時間也小于2毫秒。因此，可實現(xiàn) 顯著的時間縮短。
因此,信號處理部分根據(jù)在暫停時間段獲得的接收光量來確定從與在 規(guī)定的恒定發(fā)光時間段獲得的接收光量相對應(yīng)的電荷中分離的不需要的 電荷的量。另外，信號處理部分控制光電檢測器，使得通過重復多次稱量 操作來排放不需要的電荷。每次稱量操作排放的不需要的電荷的量越大， 暫停時間段的持續(xù)時間變得越長。因此，與一次排放不需要的電荷相比， 有可能縮短暫停時間段的持續(xù)時間。也就是說，由于稱量操作所需的時間 比暫停時間段短兩個或三個數(shù)量級，所以可通過縮短暫停時間段來有效地 縮短對應(yīng)于暫停時間段和發(fā)光時間段的總時間的處理時間。結(jié)果，有可能高效收集發(fā)光時間段中信號光的信息，并增加每個單位時間收集的空間信 息的量。
如上所述，與一次去除不需要的電荷的情況相比，取出接收光輸出所
需的時間可通過縮短暫停時間段"Pd"和通過重復多次稱量操作"w"
來去除不需要的電荷來縮短。另外，即使在暫停時間段"pd"中接收的 環(huán)境光的強度相對增加時，也有可能通過縮短暫停時間段"Pd"來減少
在光電轉(zhuǎn)換部分D1處生成的電子的量，從而防止光電檢測器l飽和。
在上述操作中，在稱量時間段"Pt，，中進行"m"次稱量操作"W"， 并且在發(fā)光時間段"Pb，，中進行"n，，次稱量時間段"Pt"。在這種情況 下，每次發(fā)光時間段"Pb，，是恒定的。通過在每個稱量時間段"Pt"進行 多次稱量操作"W"，縮短暫停時間段"Pd，，的效果變得更高?？梢赃m當 地確定在發(fā)光時間段"Pb"中進行的稱量操作"W"的次數(shù)。例如，在 發(fā)光時間段"Pb"中可以設(shè)置進行所需次數(shù)的稱量操作"W，，的單個稱 量時間段"Pt"?？商娲兀梢栽诿總€稱量時間段"Pt"中進行單個稱 量操作"W"。
從環(huán)境光的接收光強度的觀點看，在發(fā)光時間段"Pb"中設(shè)置多個 稱量時間段"Pt"是有利的。特別地，當在暫停時間段"Pd"中獲得大的 接收光量時，換句話說，當環(huán)境光的接收光強度增大時，需要增加發(fā)光時 間段"Pb"中稱量時間段"Pt"的次數(shù)。參照圖6A和6B說明其原因。
例如，當在發(fā)光時間段"Pb"中將稱量時間段"Pt"的次數(shù)設(shè)置為4 次時，如圖6A中所示，在時間"t0"和時間"t2，，之間的發(fā)光時間段"Pb，， 中，通過四個稱量時間段"Pt"來排放恒定量的不需要的電荷。在這種情 況下，盡管每個稱量時間段"Pt"去除該不需要的電荷，但是在電荷累積 部分D3中累積的電子作為整體逐漸增加。
在以上操作中，當適當?shù)卦O(shè)置了通過一個稱量時間段"Pt"排放的不 需要的電荷的量和稱量時間段"Pt"的次數(shù)時，在電荷累積部分D3中累 積的電子的量不超過光電檢測器1的飽和水平Ll。然而，當環(huán)境光大于 最初假定時，在結(jié)束之前，即在發(fā)光時間段"Pb"的時間"t2"之前，可 能發(fā)生在電荷累積部分D3中累積的電子的量超過飽和水平Ll的現(xiàn)象。 在圖6A中，在時間"t3，，電荷量超過飽和水平L1。在這種情況下，從光 電檢測器1取出的接收光輸出中丟失一部分信號光的信息。
由于該原因，需要在發(fā)光時間段"Pb"中檢測電荷量是否已達到飽和水平L1。為了檢測出電荷量已達到飽和水平L1，例如，將稱量時間段 "Pt"設(shè)置成使得發(fā)光時間段"Pb"從發(fā)光時間段"Pb"中的最后稱量 時間段"Pt"經(jīng)過恒定時間段之后結(jié)束是有利的。將最后稱量時間段"Pt" 和發(fā)光時間段"Pb，，的末尾之間的時間段設(shè)置成等于相鄰稱量時間段"Pt" 之間的時間間隔。
在此假定在一個發(fā)光時間段"Pb"中設(shè)置了四個稱量時間段"Pt"， 并且在第三稱量時間段"Pt"和第四稱量時間段"Pt"之間發(fā)生飽和。在 此情況下，由于通過第四稱量時間段"Pt"排放不需要的電荷，使得電荷 量低于飽和水平Ll，所以在最后(第四)稱量時間段"Pt"結(jié)束取出接 收光輸出時不能檢測到飽和。另一方面，如上所述，當發(fā)光時間段"Pb" 從最后稱量時間段"Pt"結(jié)束經(jīng)過恒定的時間段之后結(jié)束，且然后取出接 收光輸出時，有可能在發(fā)光時間段"Pb"中檢測到飽和，因為接收光輸 出再次到達飽和水平Ll。
另外，即使在時間"t2"之前在電荷累積部分D3中累積的電子的量 超過飽和水平L1時，也存在通過增加稱量時間段"Pt，，的次數(shù)而不改變 發(fā)光時間段"Pb"來控制電荷量使得不超過飽和水平L1的情況。例如， 如圖6A中所示，假定在時間"tl"和時間"t2，，之間的發(fā)光時間段"Pb，， 中設(shè)置了四個稱量時間段"Pt"，并且在第四稱量時間段"Pt，，之前即刻 在電荷累積部分D3中累積的電子的量超過飽和水平L1，則如圖6B中所 示，通過將發(fā)光時間段"Pb"中的稱量時間段"Pt，，的次數(shù)從4次增加到 5次有可能防止在電荷累積部分D3中累積的電子的量在時間"t2"之前 超過飽和水平Ll。換句話說，當將每個稱量時間段"Pt"設(shè)置得相對短 時，可以在光電檢測器l飽和之前排放不需要的電荷。結(jié)果，即使在更大 量的環(huán)境光下也有可能增加與接收光輸出中的信號光相對應(yīng)的電子的比 率。也就是說，即使當環(huán)境光的接收光強度增加時，也可以獲得具有信號 光的信息的接收光輸出。
通過使用至少在暫停時間段"Pd"從光電檢測器1獲得的接收光輸 出來確定發(fā)光時間段"Pb"中的稱量時間段"Pt"的次數(shù)。如果需要，還 可以使用在暫停時間段"Pd"中獲得的接收光量。下面說明用于確定稱 量時間段"Pt"的次數(shù)的過程。由于在稱量時間段"Pt"中進行多次稱量 操作，所以可以將每個稱量時間段"Pt"看作用于排放不需要的電荷的操 作。另外，當在發(fā)光時間段"Pb"中進行多次稱量時間段"Pt"使得在相 鄰稱量時間段"Pt"之間設(shè)置了時間間隔時，這意味著以時間間隔進行多次用于排放不需要的電荷的稱量操作。
由于環(huán)境光的接收光強度反映在暫停時間段"Pd"中獲得的接收光 量上，所以在發(fā)光時間段"Pb"中累積的不需要的電荷的量可以從在暫 停時間段"Pd"中獲得的接收光量來估計。另外，每個稱量時間段"Pt" 排放的電荷量由在暫停時間段"Pd"中獲得的接收光量來確定。因此， 通過確定暫停時間段"Pd"的接收光量，有可能識別出在發(fā)光時間段"Pb" 中累積的電子的量隨時間變化的趨勢。此時，對應(yīng)于信號光的電子的量不 清楚。然而，可以認為對應(yīng)于信號光的電子的量在發(fā)光時間段"Pb"中 幾乎均勾增加。因此，有可能考慮飽和水平L1估計要排放的不需要的電 荷的量，并確定稱量時間段"Pt"次數(shù)的候選值。
在確定候選值后，通過接收光處理電路3監(jiān)視使用該候選值的情況下 獲得的接收光輸出的大小來估計稱量時間段"Pt"的次數(shù)是否合適。為進 行該估計，設(shè)置上限值和下限值，并通過將接收光輸出與該上限值和下限 值相比較來調(diào)節(jié)稱量時間段"Pt，，的次數(shù)。
例如，當接收光量超過上限值時，通過將稱量時間段"Pt"次數(shù)的候 選值加"1"來準備新的候選值。另一方面，當接收光量小于下限值時， 通過從稱量時間段"Pt"次數(shù)的候選值減'T'來預備另一新的候選值。 通過重復該處理，可以將接收光量維持在上限值和下限值之間的適當值。 當接收光輸出不在上P艮值和下限值之間時，不被采用。也就是說，用另一 時間段的接收光輸出來插值或代替該時間段的接收光輸出。
代替根據(jù)在暫停時間段"Pd"中獲得的接收光量來確定稱量時間段 "Pt"的次數(shù)的候選值，可以使用預定的默認值作為該候選值。在這種情 況下，僅使用暫停時間段"Pd"的接收光量來確定在一個稱量操作"W" 中排放的不需要的電荷的量。不改變一個稱量時間段"Pt"中稱量操作"W" 的次數(shù)。
為了確定發(fā)光時間段"Pb，，中稱量時間段"Pt"的次數(shù)，接收光處 理電路3根據(jù)在暫停時間段"Pd，，中獲得的接收光量和接收光輸出來執(zhí) 行上述處理，且定時控制電路4響應(yīng)于由接收光處理電路3確定的稱量時 間段"Pt"的次數(shù)控制光電檢測器l的操作。不是每個發(fā)光時間段"Pb" 都需要用于調(diào)節(jié)稱量時間段"Pt"的次數(shù)使得接收光輸出位于上限值和下 限值之間的處理。根據(jù)使用環(huán)境，每適當次數(shù)的發(fā)光時間段"Pb"執(zhí)行 該處理就足夠了。例如，可以^沒置標準頻率作為默認值。當環(huán)境光變化大 時，將頻率增大到高于標準頻率。相反，當環(huán)境光變化小時，將頻率減小到低于標準頻率。
當在發(fā)光時間段"Pb"中接收光輸出已達到飽和水平時，不能4吏用 在該發(fā)光時間段"Pb"中獲得的接收光輸出來檢測空間信息。因此，該 接收光輸出被排放，并改變在下一個發(fā)光時間段"Pb"中分離出的不需 要的電荷的量以在下一個或之后的發(fā)光時間段"Pb"中獲得適當?shù)慕邮?光輸出。如上所述，作為用于改變不需要的電荷的量的技術(shù)，優(yōu)選改變稱 量時間段"Pt"的次數(shù)?？商娲?，隨著暫停時間段"Pd"擴展，在稱量 時間段"Pt"中排放的電荷量增加。另外，如稍后所述，當形成多個靈敏 度控制電極17a-17h (圖12)時，光接收面積可通過改變靈銅:度控制電 極的個數(shù)來從實質(zhì)上得到控制，對該靈敏度控制電極施加電壓以形成作為 暫停時間段"Pd"中的光電轉(zhuǎn)換部分D1的用于收集電荷的勢阱。因此， 通過增加暫停時間段"Pd"中的光接收面積，有可能增加在一個稱量時 間段"Pt"中排放的電荷量。
從上述原理可以理解，從進行稱量操作"W"以使接收光輸出不超過 飽和水平Ll的觀點來看，與在稱量時間段"Pt"中總地進行稱量操作"W" 的情況相比，在發(fā)光時間段"Pb"中均勻分布稱量操作"W"另_有利的。 也就是說，如圖5B所示，在發(fā)光時間段"Pb"中在相鄰稱量操作"W" 之間設(shè)置時間間隔是有利的。另外，在暫停時間段"Pd"中獲得的接收 光輸出變得更大時，將該時間間隔設(shè)置得更短是有利的。根據(jù)該技術(shù)，因 為所累積的電荷量難以達到飽和水平Ll，有可能減少在電荷累積部分D3 中累積的電荷量的增加速率，并改進防止電荷累積部分D3飽和的效果。
另外，計算在一個稱量時間段"Pt，，中排放的不需要的電荷的量以保 持由信號光生成的所有電子。然而，由于在一個稱量時間段"Pt"中多次 進行稱量操作"W"，并且在一個稱量操作"W"中排放的不需要的電荷 的量由暫停時間段"Pd"的接收光量來確定，所以可能難以僅保持對應(yīng) 于信號光的所有電子。因此，實際上，保持了略大于對應(yīng)于信號光的所有 電子的電子量。在這種情況下，為了擴大關(guān)于信號光的動態(tài)范圍，期望最 小化電子的超出量。
在一個稱量操作"W"中排放的不需要的電荷的量由暫停時間段"Pd" 的接收光量確定，并且該接收光量被表示為暫停時間段"Pd"的長度(持 續(xù)時間)的函數(shù)。因此，當計算出在一個稱量時間段"Pt，，中排放的不需 要的電荷的總量時，有可能確定在一個稱量操作"W"中排放的不需要的 電荷的量，使得電子的超出量通過改變暫停時間段"Pd"的長度變得最小。
另外，由于在一個稱量操作"w"中排放的不需要的電荷的量隨著暫
停時間段"Pd"變短而減少，所以可減少電子的超出量?？商娲?，還
有可能通過擴大暫停時間段"Pd"來減少電子的超出量，使得在一個稱 量時間段"Pt"中進行一次稱量操作"W"。然而，在前者情況中，由于 稱量操作"W"的次數(shù)的增加，在發(fā)光時間段"Pb"中稱量操作"W" 的處理比率變大。在后者情況中，暫停時間段"Pd，，被延長。因此，在 這些情況中，在每單位時間從信號光獲得的信息量減少。
另夕卜，優(yōu)選關(guān)于一個稱量時間段"Pt"中的稱量操作"W"的次數(shù)設(shè) 置上限和下限，并且關(guān)于暫停時間段"Pd"的長度設(shè)置上限和下限。在 這種情況下，確定在一個稱量操作"W"中排放的不需要的電荷的量和在 一個稱量時間段"Pt"中稱量操作"W"的次數(shù)中的每一個，4吏得在所述 上下限之間的范圍內(nèi)電子的超出量變得最小。結(jié)果，有可能對稱量時間段 "Pt" i更置條件以防止稱量操作"W"的次數(shù)極度增加，同時相對縮短 暫停時間段"Pd"。
另外，計算在稱量時間段"Pt"中排放的不需要的電荷的量作為在稱 量時間段"Pt"中的稱量操作"W"的次數(shù)和在一次稱量操作"W，，中排 放的不需要的電荷的量的乘積。 一次稱量操作"W"中排放的不需要的電 荷的量由暫停時間段"Pt"的接收光量確定。此外，暫停時間段"Pt"的 接收光量由暫停時間段"Pt"的長度(持續(xù)時間)和環(huán)境光的接收光強度 來確定。
為了對稱量時間段"Pt"設(shè)置條件，關(guān)于暫停時間段"Pd"的長度 設(shè)置默認值。通過使用在具有默認值的時間長度的暫停時間段"Pd"中 獲得的接收光量來估計環(huán)境光的接收光強度，然后確定每個稱量時間段 "Pt"排放的不需要的電荷的總量。另外，通過使用具有默認值的時間長 度的暫停時間段"Pd"的接收光量來確定在一次稱量操作"W"中排放 的不需要的電荷的量。
接下來，將每個稱量時間段"Pt，，排放的不需要的電荷的總量除以在 一次稱量操作"W"中排放的不需要的電荷的量來獲得商和余數(shù)。當商在 稱量時間段"Pt"的稱量操作"W"的次數(shù)的上限和下限之間時，確定在 一次稱量操作"W"中排放的不需要的電荷的量以減小余數(shù)。根據(jù)該量， 反算暫停時間段"Pd"的長度。當從該反算獲得的暫停時間段"Pd"的 長度在上限和下限之間時，將暫停時間段"Pd"設(shè)置為由該反算確定的長度。
當暫停時間段"Pd"的長度或者稱量操作"w"的次數(shù)偏離上限和
下限之間的范圍時，在其間的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)該次數(shù)或長度。
在具有多個光電轉(zhuǎn)換部分D1的圖像傳感器中，當在每個光電轉(zhuǎn)換部 分D1中進行上述處理時，處理負荷增加。因此，將暫停時間段"Pd，，設(shè) 置得短，同時將稱量操作"W"的次凝:i史置得大是有利的，使得由一次稱 量操作"W"分離出的不需要的電荷的量小于關(guān)于所有光電轉(zhuǎn)換部分D1 的預定值。隨著通過一次稱量操作"W，，排放的不需要的電荷的量變小， 稱量操作"W"的次數(shù)增加。然而， 一次稱量操作"W，，所需的時間非常 短。因此，光電轉(zhuǎn)換部分D1接收光、排放不需要的電荷、然后取出接收 光輸出所需要的總時間的增加小。另一方面，由于暫停時間段"Pd，，被 縮短，因此有可能相對地增加用于在發(fā)光時間段"Pb"中檢測空間信息 的時間。
在具有多個光電轉(zhuǎn)換部分D1的圖像傳感器中，為了簡單地根據(jù)定時 控制電路4的輸出控制操作定時，關(guān)于所有光電轉(zhuǎn)換部分D1設(shè)置相同次 數(shù)的稱量操作"W"是有利的。因此，如上所述，為了減少由一次稱量操 作"W"分離出的不需要的電荷的量，期望將稱量時間段"Pt"中的稱量 操作"W"的次數(shù)i免置得盡可能大。
因此，關(guān)于所有4象素，信號處理部分減少由一次稱量^^作"W，，分離 出的不需要的電荷的量，并且還通過縮短暫停時間段來增加稱量操作"W，， 的次數(shù)，使得通過除以由一次稱量操作"W"分離出的不需要的電荷的量 而獲得的余數(shù)小于規(guī)定值。根據(jù)該配置，當通過進行多次稱量操作分離出 不需要的電荷時，暫停時間段被縮短，并且稱量操作的次數(shù),皮增加。結(jié)果， 盡管關(guān)于光電檢測器的每個光電轉(zhuǎn)換部分重復相同次數(shù)的稱量操作，但是 沒有從每個光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷中分離出的留下的不需要的電荷的 量變得小。因此，有可能減少混合在作為接收光輸出取出的電荷中的除了 信號光成分以外的不需要的成分的量。
另夕卜，如上所述，當不需要的電荷被分離并排放時，大部分接收光輸 出對應(yīng)于信號光成分。然而，當信號光的接收光強度增加時，光電檢測器 l可能飽和。另一方面，當信號光的接收光強度降低時，由于如散粒噪聲 的內(nèi)部噪聲的影響，S/N比可能惡化。在以上^Mt例子中，在恒定長度的 發(fā)光時間段"Pb"下調(diào)節(jié)不需要的電荷的量。在光接收側(cè)調(diào)節(jié)信號光的 接收光量的情況下，還需要調(diào)節(jié)發(fā)光時間段"Pb，，的長度。例如，如圖7A所示，發(fā)光時間段的長度可以從多個長度(Pbl、 Pb2、 Pb3)中選擇是有利的。通過選擇發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)中的一 個以獲得適當?shù)慕邮展廨敵?，可以提高關(guān)于信號光的動態(tài)范圍。也就是說， 確定發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度，使得在光電檢測器l不飽和 的條件下獲得盡量大的接收光輸出。在使用該技術(shù)的情況下，不需要的電 荷的量由于發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)長度的改變而改變。
關(guān)于在具有信號光和環(huán)境光的環(huán)境下改變發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度的情況進行說明。當不需要的電荷沒有被排放時，對應(yīng)于環(huán) 境光的電荷的量和對應(yīng)于信號光的電荷的量二者隨著發(fā)光時間段變長而 增加。因此，如上所述，需要排放不需要的電荷使得不出現(xiàn)飽和。
每次稱量操作"W"排放的不需要的電荷的量響應(yīng)于在暫停時間段 (Pdl、 Pd2、 Pd3)中獲得的環(huán)境光的接收光量增加或減少。因此，通過 響應(yīng)于發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度改變暫停時間段(Pdl、 Pd2、 Pd3)的長度，可以調(diào)節(jié)通過一次稱量操作分離出的不需要的電荷的量。
也就是說，在發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)中收集的不需要的電荷 的量與發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度成比例。另外，通過一次稱 量操作"W"排放的不需要的電荷的量與在暫停時間段(Pdl、 Pd2、 Pd3) 中獲得的接收光量成比例。因此，當不考慮發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3) 的長度在每個發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)中設(shè)置相同次數(shù)的稱量時間 段"Pt"時，要排放的不需要的電荷的量可通過設(shè)置發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度和暫停時間段(Pdl、 Pd2、 Pd3 )的長度之間的比例 關(guān)系來適當調(diào)節(jié)。在這種情況下，由于需要在具有不同長度的發(fā)光時間段 (Pbl、 Pb2、 Pb3)中設(shè)置相同次數(shù)的稱量時間段"Pt"，所以根據(jù)發(fā)光 時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度調(diào)節(jié)稱量時間段"Pt"之間的時間間隔。
在上述^^作中，根據(jù)發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度改變暫停 時間段(Pdl、 Pd2、 Pd3)的長度。可替代地，如圖7B中所示，暫停時 間段"Pd"的長度保持恒定而不考慮發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的 長度也是有利的，并且根據(jù)發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度改變一 個稱量時間段"Pt"中稱量操作"W"的次數(shù)。由于在稱量操作"W"中 排放的不需要的電荷的量通過在暫停時間段"Pd，，中獲得的接收光量來 確定，所以其不依賴于發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度。因此，可 以關(guān)于每個發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)改變稱量時間段"Pt"中稱量 操作"W"的次數(shù)。在該操作中，在一個稱量操作"Pt"中排放的不需要的電荷的量根據(jù)
發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的長度調(diào)節(jié)。因此，這基本上等同于調(diào)節(jié) 暫停時間段(Pdl、 Pd2、 Pd3)的長度的操作。在這點上，由于在稱量時 間段"Pt"排放的不需要的電荷的量是通過一個稱量操作"W"排放的不 需要的電荷的量的整數(shù)倍，所以與根據(jù)發(fā)光時間段(Pbl、 Pb2、 Pb3)的 長度調(diào)節(jié)暫停時間段(Pdl、 Pd2、 Pd3)的長度的操作相比，在接收光輸 出中除了信號光成分以外的不需要的成分的量有可能稍微增加。
與在發(fā)光時間段"Pb"中只進行一次稱量操作"W"的情況相比， 在發(fā)光時間段"Pb"中重復多次稱量操作"W"的情況下，可以減少一 次稱量操作"W"排放的不需要的電荷的量。結(jié)果，由于暫停時間段"Pd，， 變短，有可能減少發(fā)光時間段"Pb，，和暫停時間段"Pd"的總時間。另 外，通it^發(fā)光時間段"Pb"中設(shè)置多個稱量時間段"Pt"，有可能在保 持即使環(huán)境光增加也不超過飽和水平Ll的狀態(tài)下，累積對應(yīng)于信號光的 電子。
另一方面，在發(fā)光時間段"Pb"中設(shè)置多個稱量時間段"Pt"的情 況下，由于在一個稱量時間段"Pt"中排放的不需要的電荷的量被設(shè)置成 使得對應(yīng)于信號光的成分不作為不需要的電荷而被排放，因此有可能在重 復多次稱量時間段"Pt，，的操作期間累積殘留的不需要的電荷。也就是說， 在一個稱量時間段"Pt"中排放的不需要的電荷量被理想地調(diào)整為使得僅 留下對應(yīng)于信號光的電子的量。然而，實際上，由于在每個稱量時間段"Pt" 都生成并累積除了對應(yīng)于信號光的電子以外的殘留電子，所以在接收光輸 出中包含對應(yīng)于該殘留電子的成分以及對應(yīng)于信號光的成分。
也就是說，如圖8所示，在發(fā)光時間段"Pb"中稱量時間段"Pt" 之前累積的電子的量VI大于要排放的不需要的電荷的量V2和對應(yīng)于信 號光的電子的量V3的總和。在排放不需要的電荷后，除了對應(yīng)于信號光 的電子之外還有如噪聲的殘留電子(電荷量V4 )。由于大部分殘留電子是 由如散粒噪聲的內(nèi)部噪聲生成的，所以不能從暫停時間段"Pd，，中獲得 的接收光量估計出殘留電子的量。在這點上，盡管由散粒噪聲導致的每個 稱量時間段"Pt"的殘留電子的量等隨時間推移而變化，但是平均來說幾 乎是恒定的。
上述殘留電子出現(xiàn)在每個稱量時間段"Pt"，并在發(fā)光時間段"Pb" 期間累積。因此，當在發(fā)光時間段"Pb"中重復稱量時間段"Pt"時，存 在殘留電子的量達到 一次稱量操作"W"排放的不需要的電荷的量的情況。如上所述，由于可以估計出殘留電子的量的平均值，所以有可能確定累積 與一次稱量操作排放的不需要的電荷的量相對應(yīng)的殘留電子所需的稱量 時間段"Pt"的次數(shù)。
從該觀點來看，每次稱量時間段"Pt"的次數(shù)達到估計的次數(shù)時，稱
量操作"w，，的次數(shù)只增加"一次"是有利的。從而有可能顯著減少殘留
電子。另夕卜，根據(jù)該操作，有可能防止信號光的動態(tài)范圍受到殘留電子的 影響而惡化。
在發(fā)光時間段"Pb"中重復多次稱量操作"w"的情況下，由于可 以通過使用暫停時間段"Pd"的接收光量來估計要排放的不需要的電荷的 量，所以需要將對應(yīng)于暫停時間段"Pd，，的接收光量的電子取出到光電 檢測器l的外部。在本實施例中使用該配置是有利的。另外在以下實施例 中，可以將對應(yīng)于暫停時間段"Pd，，的接收光量的電子取出到光電檢測 器1的外部。
另外，交替進行用于估計不需要的電荷的量的暫停時間段"Pd"和 發(fā)光時間段"Pb"不是必需的。在一個暫停時間段"Pd"中估計出的不 需要的電荷的量可用在多個發(fā)光時間段"Pb"中。另外，由于可以將相 鄰發(fā)光時間段"Pb"之間的時間間隔設(shè)置得比暫停時間段"Pd"短，所 以有可能增加在單位時間接收信號光的時間段的比率，并從而增加用于檢 測對象空間的空間信息的時間段。在以下實施例中可以以類似的方式使用 暫停時間段"Pd"和發(fā)光時間段"Pb"之間的關(guān)系。
如上所述，在本實施例中，信號處理部分控制光電檢測器，使得在發(fā) 光時間段中設(shè)置多個稱量時間段，在每個稱量時間段中，以根據(jù)在暫停時 間段中獲得的接收光量確定的量分離不需要的電荷。另外，在每個稱量時 間段中多次重復稱量操作。在對應(yīng)于規(guī)定次數(shù)的稱量時間段的每個定時增 加稱量操作的次數(shù)。規(guī)定次數(shù)可以通過使用從一個發(fā)光時間段中的噪聲成 分得出的電荷的量和由一個稱量操作排放的不需要的電荷的量來確定。因 此，有可能減少從接收光輸出中的噪聲成分得出的不需要的電荷的比率， 并增加關(guān)于信號光成分的動態(tài)范圍。
此外，當信號處理部分增加在發(fā)光時間段中排放不需要的電荷的操作 的次數(shù)以增加在發(fā)光時間段中分離的不需要的電荷的量時，要排放的不需 要的電荷的量可通過僅管理排放不需要的電荷的操作的次數(shù)被容易地控 制。另外，在信號處理部分控制光電檢測器使得在發(fā)光時間段中進行多次 排放不需要的電荷的操作，在相鄰操作之間設(shè)置時間間隔，并且該時間間 隔隨著在暫停時間段獲得的接收光輸出增加而減小的情況下，當光電轉(zhuǎn)換 部分在發(fā)光時間段中收集的電荷增加時，不需要的電荷被排放。因此，有 可能減小在光電轉(zhuǎn)換部分中收集的電荷的增加速率，并且即使在環(huán)境光的 接收光強度增加時，也可以防止接收光輸出的飽和。也就是說，由于在發(fā) 光時間段期間逐步排放不需要的電荷，所以與在發(fā)光時間段的末尾總地排 放不需要的電荷的情況相比，在光電轉(zhuǎn)換部分中收集的電荷的量難以達到 飽和水平。而且，由于當環(huán)境光增加時稱量操作之間的時間間隔凈皮縮短， 所以有可能減小在光電轉(zhuǎn)換部分中收集的電荷的增加速率，并防止由環(huán)境 光導致的飽和。
在以上說明中，可以使用 一次稱量操作或連續(xù)進行的多次稱量操作來 排放不需要的電荷。多次連續(xù)進行稱量^作的時間段對應(yīng)于上述稱量時間 段。
另夕卜，當信號處理部分根據(jù)信號光的接收光強度選擇具有不同的持續(xù) 時間的多個發(fā)光時間段中的一個，并根據(jù)該發(fā)光時間段的持續(xù)時間增加或 減少稱量操作的次數(shù)時，有可能擴展關(guān)于信號光的動態(tài)范圍。另外，由于 通過根據(jù)發(fā)光時間段的持續(xù)時間的變化增加或減少稱量操作的次數(shù)來控 制要排放的不需要的電荷的量，所以暫停時間段的持續(xù)時間可以保持恒定 而與發(fā)光時間段的持續(xù)時間無關(guān)。結(jié)果，有可能相對地減少暫停時間段和 發(fā)光時間段的總時間的增加或減少。換句話說，通過將暫停時間段的持續(xù) 時間設(shè)置得相對短，發(fā)光時間段和暫停時間段的總時間的增加或減少僅取 決于發(fā)光時間段的持續(xù)時間的增加或減少。因此，暫停時間段和發(fā)光時間 段的總時間的最大值比改變暫停時間段的持續(xù)時間的情況小。
(第二實施例)
本實施例特征在于使用能夠根據(jù)接收光量自動改變作為不需要的電
荷分離出的電子的量的光電檢測器，而不^f吏用用于控制勢壘Bl的外部電 路。
也就是說，如圖9A所示，作為用于自動調(diào)節(jié)不需要的電荷的量的配 置，本實施例的光電檢測器1具有在裝置形成層11的主表面上不同于阱 12的位置處形成的保持阱(holding well) 15。保持阱15具有與阱12相 同的導電類型，并且具有比阱12低的雜質(zhì)濃度。也就是說，保持阱15 的導電類型是n+。另外，通過絕緣層13在對應(yīng)于保持阱15的位置處布置保持電極14d,并且通過絕緣層13在對應(yīng)于裝置形成層11上的阱12 和保持阱15之間區(qū)域的位置處布置柵電極14e。保持電極14d電連接到 壘控制電極14c。另外，對應(yīng)于保持電極14d和柵電極14e的裝置形成層 11的區(qū)域被光屏蔽膜16光屏蔽。
另外，由于n +型保持阱15被p型裝置形成層11圍繞，所以如在阱 12中一樣在保持阱15中形成電子的勢阱。在這點上，由于保持阱15具 有比阱12低的雜質(zhì)濃度，所以在不對分離電極14a、累積電極14b、壘控 制電極14c以及保持電極14d施加電壓的情況下在保持醉15中形成比阱 12具有更大的深度的勢阱。在保持阱15中形成的勢阱用作保持電子的電 荷保持部分D4。
隨著保持在保持阱15中的電子的量增加，保持電極14d的電勢降低， 并且連接到保持電極14d的壘控制電極14c的電勢也降低。當壘控制電極 14c的電勢降低時，勢壘B1變高，從而電荷分離部分D2的容量增加。也 就是說，當保持在保持阱15中的電子的量隨著環(huán)境光變大而增加時，有 可能響應(yīng)于環(huán)境光增加作為不需要的電荷分離出的電子的量。因此，有可 能關(guān)于信號光保持動態(tài)范圍幾乎恒定，而與環(huán)境光的增減無關(guān)。
為了根據(jù)環(huán)境光的增加或減少而增加或減少保持在保持阱15中的電 子的量，需要將通過接收環(huán)境光在光電轉(zhuǎn)換部分D1生成的電子轉(zhuǎn)移到保 持阱15，并保持在那里。也就是說，設(shè)置用于將光電轉(zhuǎn)換部分生成的電 荷轉(zhuǎn)移到保持阱15的時間段。由于保持阱15被光屏蔽膜16光屏蔽，所 以即使當光照射到裝置形成層11和阱12時，保持在保持阱15中的電子 的量也不改變。
另外，在本實施例中，由于壘控制電極14c連接到保持電極14d，所 以在對應(yīng)于壘控制電極14c的區(qū)域處形成的勢壘Bl的高度不能任意控制。 勢壘B1的高度由在保持阱15中保持的電子的量來確定。由于這個原因， 勢壘Bl的高度不能如參照圖2A - 2D說明的第 一實施例中那樣進行控制。 因此，本實施例使用調(diào)節(jié)電荷分離部分D2和電荷累積部分D3的勢能的 技術(shù)。從而可以按照與第一實施例相同的過程移動電子。
對本實施例進行更詳細的說明。與第一實施例中相同，假定在沒有電 壓施加到分離電極14a和累積電極14b的情況下在阱12中形成的勢阱用 作光電轉(zhuǎn)換部分D1。另外，與保持阱15相鄰地形成漏極(未示出)以排 放在保持阱15中收集的電子。首先，排放留在阱12和保持阱15中的電 子。在該狀態(tài)下，沒有電壓施加到分離電極14a、累積電極14b、壘控制電極14c、保持電極14d和柵電極14e。與圖2A中的情況相同，在阱12 中形成勢阱。該勢阱用作光電轉(zhuǎn)換部分Dl。此時，發(fā)光源沒有接通，并 且只有環(huán)境光入射到光電轉(zhuǎn)換部分D1上。因此，光電轉(zhuǎn)換部分D1在該 時間段生成的電子對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量。
在阱12和保持阱15中的電子被排放之后，在預定的時間段期間在光 電轉(zhuǎn)換部分D1中收集對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量的量的電子，然后將其轉(zhuǎn) 移到保持阱15。也就是說，在發(fā)光源沒有投射光的暫停時間段中獲得的 對應(yīng)于環(huán)境光的電子的量保持在保持阱15中。當該電子從光電轉(zhuǎn)換部分 Dl轉(zhuǎn)移到保持阱15后，將正電壓施加到柵電極14e以降低在光電轉(zhuǎn)換部 分D1和保持阱15之間形成的勢壘B2。另外，將負電壓施加到分離電極 14a和累積電極14b，使得光電轉(zhuǎn)換部分D1的勢能被升高，從而高于保 持阱15的勢能。根據(jù)該操作，可以將電子從阱12移動到保持阱15中。
這樣，轉(zhuǎn)移到保持阱15的電子的量對應(yīng)于發(fā)光源的暫停時間段中的 接收光量。因此，不需要光電轉(zhuǎn)換部分D1生成的所有電子都流入到保持 阱15。也就是說，從阱12轉(zhuǎn)移到保持阱15的電子的量與在發(fā)光源的暫 停時間段獲得的光電轉(zhuǎn)換部分D1的接收光量相關(guān)聯(lián)是重要的。
如圖10A中所示，當對應(yīng)于發(fā)光源的暫停時間段的電荷保持在保持 阱15中時，確定在對應(yīng)于壘控制電極14c的區(qū)域處形成的勢壘Bl的高度。 也就^^說，確定電荷分離部分D2的容量。隨著流入到保持阱15的電子 的量增加，保持阱15的表面電位減小。響應(yīng)于表面電位的減小，保持電 極14d的電位降低。結(jié)果，施加到壘控制電極14c的電壓減小，從而勢壘 Bl變高。在圖11A-11C中所示的時間段"Ta"中，由于沒有電壓施加 到分離電極14a、累積電極14b和柵電極14e,所以壘控制電極14c和保 持電極14d的電位由保持在電荷保持部分D4中的電子的量來確定。
在將電子從光電轉(zhuǎn)換部分Dl轉(zhuǎn)移到電荷保持部分D4之后，不需要 留在光電轉(zhuǎn)換部分D1中的電子。因此，通過使用與阱12相鄰地形成的 漏極排放該殘留的電子。
接下來，當發(fā)光源被接通時，信號光和環(huán)境光都入射到光電轉(zhuǎn)換部分 Dl上。這時，由于根據(jù)電荷保持部分D4中保持的電子的量在光電轉(zhuǎn)換 部分D1中形成勢壘B1，所以收集了不超過勢壘B1的高度的量的電子。 也就是說，在阱12中，對應(yīng)于分離電極14a的區(qū)域和對應(yīng)于累積電極14b 的區(qū)域用作光電轉(zhuǎn)換部分Dl。與在第一實施例的圖2B中所示的^^t中 一樣，通過形成勢壘B1將阱12分為兩個區(qū)域。在這兩個區(qū)域中的一個，即對應(yīng)于分離電極14a的電荷分離部分D2 中收集的電子不被使用而被排放掉，使用在對應(yīng)于累積電極14b的電荷累 積部分D3中收集的電子。因此，在本實施例中，在從發(fā)光源控:射光的發(fā) 光時間段中，阱12中對應(yīng)于累積電極14b的區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上用作光電轉(zhuǎn)換部 分D1。因此，電荷累積部分D3還用作光電轉(zhuǎn)換部分D1。
如圖11A-llC的時間段"Tb"所示，沒有電壓施加到分離電極14a。 如圖10B中所示，通過使用漏極排放電荷分離部分D2中的電子。隨后， 如圖11A和11B中的時間段"Tc"所示，對分離電極14a施加正電壓， 并對累積電極14b施加負電壓。從而，如圖10C所示，電荷分離部分D2 的勢能降低。此外，當電荷分離部分D2的勢能相當大地降4氐時，勢壘 Bl也降低。結(jié)果，電荷累積部分D3 (光電轉(zhuǎn)換部分D1)中的電子可流 入到電荷分離部分D2中。
代替降低電荷分離部分D2的勢能，可升高電荷累積部分D3的勢能。 在這種情況下，為了將電荷累積部分D3中的所有電子都移到電荷分離部 分D2中，需要將電荷累積部分D3的勢能設(shè)置為等于或大于勢壘B1的勢 能。另外，降低電荷分離部分D2的勢能的操作和升高電荷累計部分D3 的勢能的操作可以同時進行。
如圖11A和11B中的時間段"Td"所示，在電荷累積部分D3中的 所有電子都流入到電荷分離部分D2中后，去除對分離電極14a和累積電 極14b施加的電壓。此時，確定電荷分離部分D2的容量。如圖10D中所 示，當電荷分離部分D2中收集的電子超過電荷分離部分D2的容量時， 超過該容量的電子通過勢壘Bl流入到電荷累積部分D3中。也就是說， 從光電轉(zhuǎn)換部分D1生成的電子中分離出與電荷分離部分D2的容量相對 應(yīng)的且根據(jù)保持在電荷保持部分D4中的電子的量(即，對應(yīng)于發(fā)光源的 暫停時間段的電子的量)確定的恒定量的電子作為不需要的電荷。另一方 面，返回到電荷累積部分D3的電子用作有效電荷。
在上述實施例中，在光電檢測器的內(nèi)部自動調(diào)節(jié)勢壘B1的高度而不 使用外部電路。此夕卜，由于不需要的電荷的量根據(jù)環(huán)境光的接收光量確定， 所以接收光輸出中信號光的動態(tài)范圍可以幾乎保持恒定而與環(huán)境光的接 收光量無關(guān)。
在通過布置多個光電轉(zhuǎn)換部分D1形成圖4象拾取裝置的情況下，當通 過使用外部電路對每個像素控制用于確定不需要的電荷的量的勢能時，外 部電路的配置變得非常復雜。另一方面，如本實施例中所述，當使用根據(jù)環(huán)境光的接收光量自動調(diào)節(jié)不需要的電荷的量的技術(shù)時，用于確定不需要 的電荷的量的外部電路實質(zhì)上是不必要的。另外，當圖像拾取裝置和外部
裝置集成在半導體襯底中時，由于光電轉(zhuǎn)換部分D1相對于半導體襯底的 面積比的減小，S/N比可能惡化。然而，在本實施例中，由于實質(zhì)上不需 要外部電路，所以可以獲得改善的S/N比。其它配置和操作與第一實施例 的相同。
因此，在光電轉(zhuǎn)換部分生成電荷之后，通過控制對柵電極施加的電壓 可以將對應(yīng)于預期時間段中接收光量的電荷從光電轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)移到電荷 保持部分。在轉(zhuǎn)移電荷之后，從對應(yīng)于一時間段中的接收光量的電荷中分 離出根據(jù)保持電極的電位確定的不需要的電荷的量。將光電轉(zhuǎn)換部分生成
和隨后的適當時間段中的接收光量之差的有效電荷作為接收光量。
在本實施例中，柵電極14e用來控制將電子從阱12中作為光電轉(zhuǎn)換
的定時?？商娲兀墒÷詵烹姌O14e。在這種情況下，通過控制對分離 電極14a和累積電極14b施加的電壓可以將電子從光電轉(zhuǎn)換部分Dl轉(zhuǎn)移 到電荷保持部分D4。
例如，對分離電極14a和累積電極14b施加正電壓以形成勢阱。在光 電轉(zhuǎn)換部分D1中收集電子后，對分離電極14a和累積電極14b施加負電 壓，使得收集在阱12中的電子移向保持阱15。通過對累積電極14b施加 負電壓，阱12和保持阱15之間的勢壘被打破，使得電子容易從阱12移 到保持阱15。另外，由于對分離電極14a施加負電壓，有可能防止阱12 中收集的電子向圖9的左方向移動。
在電子從阱12移動到保持阱15中之后，對分離電極14a和累積電極 14b施加正電壓以在阱12中形成勢阱。通過這些操作，有可能不使用柵 電極14e將電子從光電轉(zhuǎn)換部分Dl移到電荷保持部分D4。
代替圖9A,壘控制電極14c直接電連接到半導體襯底中作為電荷保 持部分形成的保持阱15也是有利的。也就是說，如圖9A所示，當在絕 緣層13上形成保持電極14d時，保持電極14d成為浮動電極(floating electrode)。在這種情況下，隨著時間的經(jīng)過，在保持電極14d和壘控制 電極14c之間的配線中容易累積噪聲電荷。因此，期望形成用于從保持電 極14d和壘控制電極14c之間的配線中去除(復位)噪聲電荷的開關(guān)。另一方面，當對每個像素形成該開關(guān)時，可導致裝置尺寸和生產(chǎn)成本的增加。
因此，保持電極14d不通過絕緣層形成在半導體村底的對應(yīng)于保持阱 15的區(qū)域上?？商娲兀趬究刂齐姌O14c和半導體襯底的對應(yīng)于保持 阱15的區(qū)域之間進行直接的電連接。在這些情況下，當保持阱15被復位 時，通過使用相鄰形成的復位裝置可以可靠地去除布線中的噪聲電荷。圖 9B中所示的復位裝置通過復位漏極100、在對應(yīng)于保持阱15和復位漏極 100之間的區(qū)域的位置處形成的復位電極14r以及用于排放來自復位漏極 100的電荷的電路110形成。通it^復位電極14r施加預定電壓Vr，有可 能通過復位漏極100去除來自保持阱15的電荷。
(第三實施例)
在本實施例中，如在第二實施例中一樣，形成電荷保持部分D4，且 根據(jù)環(huán)境光的接收光量自動確定電荷分離部分D2的容量。本實施例特征
光的強度，并取出與在與該調(diào)制信號的兩個不同相位區(qū)間(phase zone)同 步的定時獲得的接收光量相對應(yīng)的接收光輸出。另夕卜，使用正弦波作為調(diào) 制信號的波形來取出分別與在0-180度的相位區(qū)間(在下文中稱為相位 區(qū)間"P0")中獲得的接收光量和在180 - 360度的相位區(qū)間(在下文中稱 為相位區(qū)間"P2")中獲得的接收光量相對應(yīng)的接收光輸出?？梢允褂镁?形波、三角波或鋸齒波作為調(diào)制信號的波形。另夕卜，用于獲得接收光量的 相位區(qū)間不限于上勤目位區(qū)間。
在本實施例中，通過布置多個單元l來配置圖像傳感器?？梢栽趶膱D 像傳感器取出1幀的接收光輸出的每個操作同時取出上述兩個相位區(qū)間 的接收光輸出。在通過l幀取出兩個相位區(qū)間的接收光輸出的情況下，對 每個單元1需要檢測關(guān)于每個相位區(qū)間的接收光量的配置和累積關(guān)于每 個相位區(qū)間的接收光輸出的配置。因此，光電轉(zhuǎn)換部分D1與電荷分離部 分D2和電荷累積部分D3分離地形成。
參照圖12A- 12C更詳細地說明本實施例。光電轉(zhuǎn)換部分D1設(shè)置有 在裝置形成層11的主表面上形成的阱(未示出)和通過絕緣層13在阱上 布置的多個靈敏度控制電極(例如，八個靈敏度控制電極17a - 17h )。該 阱具有與裝置形成層11不同的導電類型。期望與用作電荷分離部分D2 和電荷累積部分D3的阱12分離地形成該阱，且電荷經(jīng)由柵極轉(zhuǎn)移到阱 12?？商娲兀@些阱可以連續(xù)形成。在這種情況下，可以通過勢能控制 來轉(zhuǎn)移電荷。八個靈^t度控制電極(17a - 17h)中的四個靈敏度控制電極(17a-17d)用作一個相位區(qū)間的組，其余四個靈敏度控制電極(17e-17h )用作其它相位區(qū)間的組?？刂凭€21a連接到每個靈敏度控制電極(17a -17h)。因此，可以獨立地控制對每個靈敏度控制電極(17a-17h)施加 的電壓。在附圖中，符號"X"表示控制線21a和每個靈敏度控制電極(17a -17h)之間的連接點。
圖12A的縱向方向?qū)?yīng)于圖l象傳感器的垂直方向。在該圖中，在垂 直方向上僅示出一個單元l。也就^1說，該一個單元1具有在垂直方向上 布置的八個靈敏度控制電極(17a-17h)。在該圖中示出在水平方向上與 單元1相鄰的另 一單元1的一部分。每個靈敏度控制電極(17a - 17h)在 水平方向上在相鄰的兩個單元1的范圍上延伸。附圖標記20表示單元分 離部分，在水平方向上的相鄰單元1之間形成該單元分離部分以防止在水 平方向上的單元1之間的串擾。通過4吏用具有不同于裝置形成層11的導 電類型的半導體在裝置形成層ll的主表面?zhèn)壬闲纬蓡卧蛛x部分20。在 該圖中，在單元分離部分20的兩側(cè)的每一側(cè)i殳置四個控制線21a。因此， 可以關(guān)于在水平方向上相鄰地形成的兩個單元中的每一個相等地確定光 電轉(zhuǎn)換部分D1中控制線21a的面積。因此，相鄰的兩個單元l的光電轉(zhuǎn) 換部分D1可具有相同的靈敏度。另外，在垂直方向上布置的多個單元1 中的相同位置處的靈敏度控制電極連接到相同的控制線21a。
在本實施例中，如上所述，具有靈敏度控制電極(17a至17h)的光 電轉(zhuǎn)換部分D1與電荷分離部分D2和電荷累積部分D3分離地形成。另 外，在水平方向上與靈^1度控制電極(17a至17h)相鄰地布置電荷分離 部分D2、電荷累積部分D3和電荷保持部分D4。盡管圖中沒有示出，在 水平方向上相鄰地形成的兩個單元1中的右邊一個的電荷分離部分D2、 電荷累積部分D3和電荷保持部分D4布置在光電轉(zhuǎn)換部分Dl的右側(cè)。 另一方面，在水平方向上相鄰形成的兩個單元1中的左邊一個的這些部分 布置在光電轉(zhuǎn)換部分D1的左側(cè)。另夕卜，每組靈敏度控制電極(17a - 17h ) 形成電荷分離部分D2和電荷累積部分D3。電荷保持部分D4由構(gòu)成一個 單元1的兩組共享，因為電荷保持部分D4用來保持對應(yīng)于環(huán)境光的電子， 且可以認為在這兩組之間環(huán)境光沒有變化。由于該配置，當將相同的電壓 施加到兩組的壘控制電極14c時，可以在兩組中獲得具有相同高度的勢壘 Bl。因此，當形成多組電荷分離部分和電荷累積部分，且電荷保持部分 由相鄰形成的兩個壘控制電極14c共享時，與獨立地形成電荷保持部分的 情況相比，具有裝置形成區(qū)域的尺寸減小的優(yōu)點。在每一組中，與靈敏度控制電極(17c, 17f)相鄰地形成累積電極14b。 由光電轉(zhuǎn)換部分Dl生成的電子可以從對應(yīng)于靈敏度控制電極(17c， 17f) 的區(qū)域轉(zhuǎn)移到電荷累積部分D3。在這點上，通過調(diào)整光電轉(zhuǎn)換部分Dl 和電荷累積部分D3之間的勢能關(guān)系，還有可能將電子從電荷累積部分 D3移到光電轉(zhuǎn)換部分D1?？商娲?，可以通過在光電轉(zhuǎn)換部分D1和電 荷累積部分D3之間布置柵電極(未示出)來控制二者之間的電荷的流動。
另外，在每一組中，與靈敏度控制電極(17a， 17h)相鄰地布置分離 電極14a。另一方面，與跨在靈敏度控制電極(17d， 17e)之間的區(qū)域相 鄰地布置由所述兩個組共享的保持電極14d。分離電極14a，累積電極14b 和柵電極14e分別連接到控制線21b。壘控制電極14c通過連接線22連 接到保持電極14d。也就是說，控制線21b分別用來在所述組的分離電極 14a之間、在所述組的累積電極14b之間以及所述組的柵電極14e之間進 行連接。因此，通過使用這三個控制線21b可以控制電子在電荷分離部分 D2、電荷累積部分D3和電荷保持部分D4中的移動。在該圖中，符號"X" 表示在控制線21b或連接線22和分離電極14a、累積電極14b、壘控制電 極14c、保持電極14d或柵電極14e之間的連接點。
控制對靈敏度控制電極(17a - 17h)施加的電壓使得與用來調(diào)制M 光源投射的光的強度的調(diào)制信號同步。例如，在相位區(qū)間P0中，對靈敏 度控制電極(17a - 17d)和靈敏度控制電極17f中的每一個施加正電壓。 另 一方面，在相位區(qū)間P2中，對靈敏度控制電極17c和靈敏度控制電極 (17e - 17h)中的每一個施加正電壓。當對靈敏度控制電極(17a - 17h) 中的每一個施加正電壓時，在對應(yīng)于該單元中的每個靈敏度控制電極的區(qū) 域形成用于收集電子的勢阱。
如上所述，當對靈敏度控制電極(17a-17h)施加的電壓被控制時， 在對應(yīng)于阱的靈敏度控制電極(17a - 17d)的區(qū)域中收集通過光照在相位 區(qū)間P0中生成的電子，另一方面，在對應(yīng)于阱的靈敏度控制電極(17e -17h)的區(qū)域中收集通過光照在相位區(qū)間P2中生成的電子。也就是i兌， 通過控制對靈敏度控制電極(17a - 17h)的電壓施加模式可以改變通過光 照生成電子的面積。這基本等同于控制光電檢測器的靈敏度。
在相位區(qū)間P0中，由于在對應(yīng)于靈敏度控制電極17f的區(qū)域也形成 勢阱，所以可以在該勢阱中保持在相位區(qū)間P2中收集的電子。另一方面， 在相位區(qū)間P2中，可以將相位區(qū)間P0中收集的電子保持在對應(yīng)于靈敏 度控制電極17c的區(qū)域處形成的勢阱中。因此，關(guān)于每個相位區(qū)間由光照生成的電子可通過多個周期的調(diào)制信
號來收集。例如，當調(diào)制信號是10MHz,且在光電轉(zhuǎn)換部分Dl處生成 電子的時間段是15ms時，該多個周期對應(yīng)于150000個周期。即4吏在用 于將電子保持在對應(yīng)于靈敏度控制電極(17c， 17f)的區(qū)域中的時間段， 在對應(yīng)于靈翁:度控制電極(17c， 17f)的區(qū)域也生成電子。然而，由于在 用于收集電子的時間段中的電子收集面積是用于保持電子的時間段中的 電子收集面積的4倍(即面積比為4:1),所以可以i^為所保持的電子的量 反映了調(diào)制信號的每個相位區(qū)間中的接收光量。簡而言之，可以將對應(yīng)于 相位區(qū)間(P0， P2)中的每一個的量的電子保持在對應(yīng)于靈敏度控制電 極(17c， 17f)的區(qū)域中。
保持在對應(yīng)于靈敏度控制電極(17c， 17f)的區(qū)域中的電子被轉(zhuǎn)移到 電荷累積部分D3中。在該轉(zhuǎn)移步驟中，對累積電極14b施加正電壓，并 對靈敏度控制電極(17a-17h)施加負電壓。在電荷分離部分D2、電荷 累積部分D3和電荷保持部分D4中移動電子的情況下，對靈銅:度控制電 極(17a-17h)施加負電壓以防止電子移到光電轉(zhuǎn)換部分D1。在這點上， 由于在對應(yīng)于靈敏度控制電極17c的區(qū)域中保持在相位區(qū)間P2中收集的 電子，并且在對應(yīng)于靈敏度控制電極17f的區(qū)域中保持在相位區(qū)間P0中 收集的電子，所以一個組的電荷累積部分D3接收來自光電轉(zhuǎn)換部分Dl 的電子的定時不同于另一組的電荷累積部分D3接收來自光電轉(zhuǎn)換部分 Dl的電子的定時。
在發(fā)光源的暫停時間段中在光電轉(zhuǎn)換部分D1處生成的電子通過對應(yīng) 于柵電極14e的區(qū)域從電荷累積部分D3轉(zhuǎn)移到電荷保持部分D4。在這 點上，盡管對于發(fā)光源的暫停時間段不需要調(diào)制信號，但是在與發(fā)光源的 發(fā)光時間段相同的定時控制對靈敏度控制電極(17a - 17h)施加的電壓以 在光電轉(zhuǎn)換部分D1處生成對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量的量的電子。因此， 在兩組一個單元l中，對應(yīng)于環(huán)境光的電子被轉(zhuǎn)移到電荷累積部分D3。 電子從所述組的一個電荷累積部分D3轉(zhuǎn)移到電荷保持部分D4就足夠了 。 可替代地，電子可以從所述組的兩個電荷累積部分D3轉(zhuǎn)移。在對應(yīng)于環(huán) 境光的接收光量的量的電子被轉(zhuǎn)移后，對通過連接線22連接到保持電極 14d的壘控制電極14c施加電壓，使得根據(jù)環(huán)境光的接收光量在各個阱12 中形成勢壘Bl。
接下來，在發(fā)光源的發(fā)光時間段中，通過光電轉(zhuǎn)換部分D1每個組收 集電子。結(jié)果，在相位區(qū)間(P0， P2)中收集的電子分別保持在對應(yīng)于靈敏度控制電極(17c, 17f)的區(qū)域中。然后，電子從光電轉(zhuǎn)換部分Dl 移到電荷累積部分D3。此后進行的操作與第二實施例中的操作相同。也 就是說，電子從電荷累積部分D3移到電荷分離部分D2，使得根據(jù)電荷 分離部分D2的容量確定的不需要的量的電荷被排放，并且有效電荷返回 到電荷累積部分D3。通過該操作，有可能在電荷累積部分D3中獲得有 效電荷。該有效電荷的量對應(yīng)于通過從光電轉(zhuǎn)換部分D1在發(fā)光源的發(fā)光 時間段中收集的電子分離出由發(fā)光源的暫停時間段中的接收光量確定的 不需要的量的電荷而獲得的電荷的量。
本實施例使用將電荷累積部分D3中的有效電荷返回到光電轉(zhuǎn)換部分 Dl中的配置。也就是說，通it^累積電極14b施加負電壓，并對感光控 制電極(17c， 17f)施加正電壓，使有效電荷的電子從電荷累積部分D3 轉(zhuǎn)移到光電轉(zhuǎn)換部分D1。通過使用感光控制電極(17a-17h)作為垂直 轉(zhuǎn)移電極將轉(zhuǎn)移到光電轉(zhuǎn)換部分D1的電子進一步在垂直方向上轉(zhuǎn)移，然 后如在傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器中那樣將其作為接收光輸出取出到光電檢 測器的外部。
在本實施例的配置中，優(yōu)選地對除光電轉(zhuǎn)換部分D1之外的部分進行 光屏蔽。也就;li兌，通過光屏蔽電荷分離部分D2、電荷累積部分D3和 電荷保持部分D4，有可能防止在分離不需要的電荷的操作期間通過光照 生成的電子作為誤差成分混合到有效電荷中。另一方面，如在上述實施例 那樣，由于與用于收集通過光照在光電轉(zhuǎn)換部分D1處生成的電子的光接 收時間斜目比，用于分離不需要的電荷和取出有效電荷的稱量時間段相當 短，所以電荷分離部分D2和電荷累積部分D3可以不被光屏蔽。即使在 這種情況下，電荷保持部分D4也應(yīng)該光屏蔽。
在本實施例中，由于在分離不需要的電荷的操作期間光電轉(zhuǎn)換部分 Dl不收集通過光照生成的電子，所以與光電轉(zhuǎn)換部分D1也用作電荷累 積部分D3的情況相比，有可能實現(xiàn)誤差的減小。其它配置和操作與第二 實施例相同。
另夕卜，在第二和第三實施例中關(guān)于如下情況進^f亍了"^兌明空間信息檢 測裝置特征為具有電荷保持部分D4的光電檢測器和發(fā)光源的組合，并且 對應(yīng)于在發(fā)光源的暫停時間段中的接收光量(即環(huán)境光的接收光量)的量 的電子保持在電荷保持部分D4中。在該裝置中，通過使用光電檢測器的 接收光輸出和從發(fā)光源投射的光之間的關(guān)系，有可能獲得關(guān)于從發(fā)光源投 射的光投射到的對象空間的信息。作為關(guān)于對象空間的信息，例如有對象空間中的物體的存在或不存在、該物體的反射系數(shù)以及到該物體的距離。 根據(jù)關(guān)于對象空間所需的信息，可以適當設(shè)計用于處理接收光輸出的電路 (未示出)。
例如，在確定到對象空間中的物體的距離的情況下，通過具有預定頻 率的調(diào)制信號來調(diào)制從發(fā)光源投射的光的強度。光電檢測器在與該調(diào)制信 號同步的多個定時檢測接收光量。這是檢測從發(fā)光源投射的光入射到光電 檢測器上所用的飛行時間作為調(diào)制后的光的相位差的技術(shù)。為了計算該相 位差，使用調(diào)制信號的兩個不同相位區(qū)間中的接收光量之差。
在第三實施例中，由于在相位區(qū)間(P0， P2)中的每一個中獲得有 效電荷，所以可以使用所勤目位區(qū)間的有效電荷之差來計算該距離。另一 方面，在第二實施例中，當在相位區(qū)間(P0， P2)中的一個中獲得的電 子保持在電荷保持部分D4中時，與該相位區(qū)間的接收光量相對應(yīng)的量的 電子被確定為不需要的電荷，并且從在另 一相位區(qū)間獲得的電子中減去該 不需要的量的電荷。也就是說，所獲得的有效電荷的量對應(yīng)于兩個相位區(qū) 間(P0, P2)的接收光量之差。因此，當通過外部電路計算出該距離時， 有可能減少用于光電檢測器的接收光輸出的計算量。
在有效電荷的量等于兩個相位區(qū)間(P0, P2)的接收光量之差的配 置中，當在兩個相位區(qū)間(P0， P2)中收集的電子交替保持在電荷保持 部分D4中時，根據(jù)保持兩個相位區(qū)間的接收光輸出中的哪一個，在不同 方向上出現(xiàn)誤差。。在這種情況下，通過確定兩個接收光輸出的平均值， 有可能消除通過分離不需要的電荷而導致的誤差。結(jié)果，根據(jù)接收光輸出 可以準確檢測有關(guān)對象空間的信息。
如本實施例中，當布置多個光電轉(zhuǎn)換部分時，可以關(guān)于每個光電轉(zhuǎn)換 部分將稱量時間段中分離出的不需要的電荷的量設(shè)置為相同。在這種情況 下，與通過每個光電轉(zhuǎn)換部分D1分別確定不需要的電荷的量的情況相比， 通過形成用于控制不需要的電荷的量的共同電通道使得控制變得容易。
另外，當關(guān)于每個光電轉(zhuǎn)換部分形成電荷分離部分，且信號處理部分 關(guān)于每個電荷分離部分設(shè)置由一個電荷稱量操作分離出的不需要的電荷 的量時，優(yōu)選地，關(guān)于所有電荷分離部分將電荷稱量操作的次數(shù)i殳置為相 同。根據(jù)該光電檢測器，具有可以總地控制電荷稱量操作的定時的優(yōu)點。
(第四實施例)
在第三實施例中，關(guān)于與調(diào)制信號的0-180度的相位范圍同步的相位區(qū)間P0中的接收光量和與調(diào)制信號的180 -360度的相位范圍同步的相 位區(qū)間P2中的接收光量的每個形成電荷分離部分D2和電荷累積部分 D3。本實施例特征在于關(guān)于這些相位區(qū)間(P0， P2)中的接收光量共享 電荷分離部分D2和電荷累積部分D3 。
也就是說，如圖13所示，本實施例在以下方面與第三實施例相同 關(guān)于光電轉(zhuǎn)換部分Dl的每個單元1形成八個靈敏度控制電極(17a-17h)。在第三實施例中，在垂直方向上以對稱的方式布置電荷分離部分 D2、電荷累積部分D3和電荷保持部分D4。另一方面，在垂直方向上以 非對稱的方式布置本實施例的這些部分。在光電轉(zhuǎn)換部分D1中，將形成 電荷分離部分D2和電荷累積部分D3的區(qū)域E3布置在設(shè)置了靈敏度控制 電極(17a-17d)的區(qū)域E1的一側(cè)。如稍后所述，光電轉(zhuǎn)換部分D1還 用作電荷累積部分D3。此外，將形成電荷保持部分D4的區(qū)域E4布置在 設(shè)置了靈敏度控制電極(17e-17h)的區(qū)域E2的一側(cè)。
在形成電荷分離部分D2和電荷累積部分D3的區(qū)域E3中，與光電 轉(zhuǎn)換部分Dl的靈敏度控制電極17a相鄰地形成接受電極14f。當在接受 電極14f下形成的勢阱比在靈敏度控制電極17a下形成的勢阱具有更大深 度時，在靈敏度控制電極17a下形成的勢阱中收集的電荷可以從光電轉(zhuǎn)換 部分D1接收。
在區(qū)域E3中，在靈敏度控制電極(17b， 17c, 17d)的一側(cè)分別設(shè)置 分離電極14a、壘控制電極14c和累積電極14b。在附圖中，示出只有壘 控制電極14c具有小的尺寸。然而，本實施例不局限于該尺寸關(guān)系。
另一方面，在形成電荷保持部分D4的區(qū)域E4中，與光電轉(zhuǎn)換部分 Dl的靈敏度控制電極(17e-17g)相鄰地形成柵電極14e。當在柵電極 14e下形成的勢阱比在靈敏度控制電極17f下形成的勢阱具有更大深度 時，在靈敏度控制電極17f下形成的勢阱中收集的電荷可以從光電轉(zhuǎn)換部 分D1接收。
在區(qū)域E4中，形成保持電極14d使得在柵電極14e的一側(cè)布置光電 轉(zhuǎn)換部分D1，而在柵電極14e的另一側(cè)布置保持電極14d。因此，與第 二和笫三實施例中相同，當在保持電極14d下形成勢阱且適當調(diào)節(jié)柵電極 14e下的勢能時，在靈敏度控制電極17f下的勢阱中收集的電荷可流入到 保持電極14d下的勢阱中。
在電荷移到保持電極14d下的勢阱，即電荷保持部分D4中后，通過保持在電荷保持部分D4中的量來確定壘控制電極14c的勢能。也就是說， 確定出在壘控制電極14c下形成的勢壘的高度。與裝置形成層11中的阱 12 (圖1)相鄰地形成漏極(溢出漏極)23。
參照圖14,說明本實施例的操作。與第三實施例中相同，設(shè)置發(fā)光 源的暫停時間段。在使用本實施例的光電檢測器的情況下，首先在暫停時 間段(Sl)對光電轉(zhuǎn)換部分D1的靈敏度控制電極(17e-17h)施加正電 壓，并將靈敏度控制電極(17a-17d)保持在基準電位?？商娲?，可以 對這些電極(17a-17d)施加負電壓。然后，可以用施加負電壓的狀態(tài)代 替基準電位狀態(tài)。另外，還將在區(qū)域(E3， E4)中形成的分離電極14a、 累積電極14b、保持電極14d、柵電極14e和接受電極14f保持在基準電 位。
通過上述過程，對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量的電子被收集到對應(yīng)于光電 轉(zhuǎn)換部分D1的靈敏度控制電極(17e-17h)的區(qū)域E2中(S2 )。隨后， 只對靈敏度控制電極17f施加正電壓，并將其余靈敏度控制電極(17a -17e， 17g， 17h)保持在基準電位。通過該操作，對應(yīng)于環(huán)境光的接收光 量的電子被收集到對應(yīng)于靈敏度控制電極17f的勢阱中。
接著，對柵電極14e施加正電壓以在柵電極14e下形成通道。從而電
部分D4(S3)。當電子轉(zhuǎn)移到電荷保持部分D4時，保持電極14d的電位 變成對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量的電位，并且壘控制電極14c的電位也變成 相同的電位。也就是說，在壘控制電極14c下形成的勢壘的高度被確定。
接著，啟動從發(fā)光源投射光的發(fā)光時間段(S4)。在發(fā)光時間段中， 由調(diào)制信號進行強度調(diào)制后的信號光被投射之后，進行以下操作以單獨取 出對應(yīng)于相位區(qū)間(P0， P2)的接收光量的接收光輸出。在本說明中， 對應(yīng)于相位區(qū)間P0的接收光量的電子被收集在區(qū)域E1中，對應(yīng)于相位 區(qū)間P2的接收光量的電子被收集在區(qū)域E2中。
首先，以與調(diào)制信號同步的周期進行一次或多次對區(qū)域E1的每個靈 敏度控制電極(17a-17d)和區(qū)域E2的靈敏度控制電極17f施加正電壓 并將區(qū)域E2的殘留靈敏度控制電極(17e， 17g， 17h)保持在基準電位 (S5)的一組操作，以及對區(qū)域El的靈敏度控制電極17b和區(qū)域E2的 靈敏度控制電極(17e-17h)施加正電壓并將區(qū)域E1的其余靈敏度控制 電極(17a， 17c， 17d)保持在基準電位(S6)的操作。因而，對應(yīng)于相 位區(qū)間P0的接收光量的電子被收集在對應(yīng)于靈敏度控制電極17b的勢阱中，并且對應(yīng)于相位區(qū)間P2的接收光量的電子被收集在對應(yīng)于靈敏度控 制電極17f的勢阱中。接著，進行從對應(yīng)于每個相位區(qū)間(P0， P2)的接收光量的電子中 分離出不需要的電荷并取出有效電荷的操作。由于對應(yīng)于相位區(qū)間P0的 接收光量的電子被收集到對應(yīng)于靈敏度控制電極17b的勢阱中，所以該電 子通過對靈敏度控制電極17a施加正電壓并使靈敏度控制電極17b保持在 基準電位被轉(zhuǎn)移到對應(yīng)于靈敏度控制電極17a的勢阱。此外，該電子通過 對接受電極14f施加正電壓并將靈敏度控制電極17a保持在基準電位被轉(zhuǎn) 移到接受電極14f下的勢阱。也就是說，在區(qū)域E1中收集的對應(yīng)于相位 區(qū)間P0的接收光量的電子被轉(zhuǎn)移到區(qū)域E3 (S7 )。轉(zhuǎn)移到區(qū)域E3的電子從對應(yīng)于接受電極14f的勢阱流入在對應(yīng)于分 離電極14a的區(qū)域處形成的電荷分離部分D2。在這點上，由于電荷分離 部分D2和電荷累積部分D3之間的勢壘的高度已凈皮確定，所以在電荷分 離部分D2中殘留恒定量的不需要的電荷，并且其余電子^^電荷累積部 分D3中。通過漏極23排放掉電荷分離部分D2中的不需要的電荷。因此， 從對應(yīng)于相位區(qū)間P0的接收光量的電子中去除不需要的電荷量，并取出 有效電荷(S8)。如上所述，將由此獲得的有效電荷轉(zhuǎn)移到在與累積電極14b相鄰的靈 敏度控制電極17d下形成的勢阱。也就是說，通過從對應(yīng)于相位區(qū)間PO 的接收光量的電子中分離出對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量的不需要的電荷而 獲得的有效電荷從區(qū)域E3轉(zhuǎn)移到區(qū)域E1 (S9)。類似地，需要關(guān)于在區(qū)域E2中收集的電子分離出不需要的電荷。在 區(qū)域E2中，對應(yīng)于相位區(qū)間P2的接收光量的電子被收集在對應(yīng)于靈敏 度控制電極17f的勢阱中。為了將電子轉(zhuǎn)移到區(qū)域E3，首先將電子^ 應(yīng)于靈敏度控制電極17f的勢阱轉(zhuǎn)移到對應(yīng)于靈敏度控制電極17a的勢 阱。此時，為了防止轉(zhuǎn)移的電子與vM目位區(qū)間PO的接收光量獲得的有效 電荷混合，在垂直方向上轉(zhuǎn)移在步驟S9轉(zhuǎn)移到區(qū)域E1的電荷。也就是 說，電子(即相位區(qū)間P0的有效電荷)從靈敏度控制電極17d下的勢阱 轉(zhuǎn)移到相鄰單元l的靈敏度控制電極17g下的勢阱。另一方面，電子(即 相位區(qū)間P2的電子)從靈敏度控制電極17f下的勢阱轉(zhuǎn)移到靈敏度控制 電極17a下的勢阱(SIO)。在對應(yīng)于相位區(qū)間P2的接收光量的電子轉(zhuǎn)移到靈敏度控制電極17a 下的勢阱后，其進一步從區(qū)域E1轉(zhuǎn)移到區(qū)域E3。從轉(zhuǎn)移的電子中分離出不需要的電荷，并將有效電荷累積在電荷累積部分D3中(Sll-S13)。 也就是說，通過進行與步驟S7-S9相同的操作，有可能取出相位區(qū)間P2 的有效電荷。所獲得的有效電荷轉(zhuǎn)移到靈敏度控制電極17d下的勢阱。因 此，有效電荷從區(qū)域E3返回到區(qū)域E1 (S14)。根據(jù)上述過程，當獲得每個相位區(qū)間(P0， P2)的有效電荷時，將 它們在垂直方向上轉(zhuǎn)移，并一次返回到對應(yīng)于靈敏度控制電極(17b， 17f) 的區(qū)域(S15)。在發(fā)光時間段中將該操作重復規(guī)定次數(shù)(S16)后，最后 取出在對應(yīng)于靈敏度控制電極(17b， 17f)的勢阱中留下的電子作為接收 光輸出(S17)。在本實施例中，在分離電極14a和漏極23之間形成排放電極14g， 在保持電極14d和漏極23之間形成排放電極14h。通過控制對排放電極 14g施加的電壓可以在每次將電荷從區(qū)域El轉(zhuǎn)移到區(qū)域E3時排放不需要 的電荷。另夕卜，通過控制對排放電極14h施加的電壓可以在每次將電荷從 區(qū)域E2轉(zhuǎn)移到區(qū)域E4時排放保持在電荷保持部分D4中的對應(yīng)于環(huán)境光 的接收光量的電子。其它配置和操作與上述實施例中的相同。(第五實施例)如圖15中所示，本實施例特征在于在垂直方向上設(shè)置能夠分離不需 要的電荷的區(qū)域E3和形成光電轉(zhuǎn)換部分D1的區(qū)域(El， E2)。也就是說，關(guān)于一個單元1形成靈敏度控制電極(17a-17f)。由三 個靈敏度控制電極(17a - 17c)和三個靈敏度控制電極(17d - 17f)分別 提供用于收集對應(yīng)于相位區(qū)間(P0， P2 )中的接收光量的電荷的區(qū)域(El， E2)。此外，在垂直方向上的相鄰單元l之間形成用于分離不需要的電荷 的區(qū)域E3。在區(qū)域E3的一側(cè)(即，在水平方向上遠離區(qū)域E3的位置) 還形成用于保持對應(yīng)于環(huán)境光的接收光量的電荷的區(qū)域E4。也就是說，在與單元1的靈敏度控制電極17f相鄰的區(qū)域布置接受電 極14f。在垂直方向上與接受電極14f相鄰地按順序布置分離電極14a、 壘控制電極14c和累積電極14b。也就是說，在靈敏度控制電極17f和分 離電極14a之間布置接受電極14f，并且在壘控制電極14c和相鄰的另一 單元l的靈敏度控制電極17a之間布置累積電極14b。另外，形成柵電極14e使得區(qū)域E3的接受電極14f、分離電極14a 和壘控制電極14c布置在柵電極14e的一側(cè)。另外，在柵電極14e的另一 側(cè)布置保持電極14d。在這點上，壘控制電極14c通過連接線22電連接到保持電極14d。形成漏極23以沿著區(qū)域(El， E2， E3, E4)的周圍延 伸。另外，在對應(yīng)于保持電極14d的保持部分D4和漏極23之間布置排 放電極14g。在p型裝置形成層11上形成的n型阱12的表面上布置上述 電極的每一個。本實施例的操作與第四實施例基;^目同。也就是說，在暫停時間段向 對應(yīng)于光電轉(zhuǎn)換部分Dl的區(qū)域E2的靈敏度控制電極(17d - 17f)施加 正電壓，并且將區(qū)域E1的靈敏度控制電極(17a-17c)保持在基準電位。 另外，將分離電極14a、累積電極14b、壘控制電極14c、保持電極14d、 柵電極14e以及接受電極14f保持在基準電位。因此，對應(yīng)于環(huán)境光的接 收光量的電子被收集在光電轉(zhuǎn)換部分D1的區(qū)域E2中。隨后，只向區(qū)域 (El， E2)的靈敏度控制電極(17a-17f)中的一個(即，靈敏度控制 電極17f)施加正電壓，使得收集的電子被收集在對應(yīng)于靈敏度控制電極 17f的勢阱中。通過接受電極14f和柵電極14e將對應(yīng)于靈敏度控制電極17f的勢阱 中收集的電子轉(zhuǎn)移到保持電極14d下的保持部分D4。在該階段，根據(jù)環(huán) 境光設(shè)置在壘控制電極14c下形成的勢壘的高度。接下來，啟動M光源投射光的發(fā)光時間段。在與調(diào)制信號同步的周 期進行至少一組向靈敏度控制電極(17a-17c， 17e)施加正電壓并將靈 敏度控制電極(17d, 17f)保持在基準電位的操作，和向靈翁:度控制電極 (17b, 17d-17f)施加正電壓并將靈敏度控制電極(17a， 17c)保持在 基準電位的操作，從而與同步于調(diào)制信號的相位區(qū)間(P0， P2)相關(guān)聯(lián)。 恨據(jù)這些操作，對應(yīng)于相位區(qū)間P0中的接收光量的電子被收集到靈敏度 控制電極17b下的勢阱中，且對應(yīng)于相位區(qū)間P2中的接收光量的電子被 收集到靈敏度控制電極17e下的勢阱中。在這點上，當在靈敏度控制電極17e下的勢阱中收集的電子在垂直方 向上轉(zhuǎn)移，并且還被轉(zhuǎn)移到在分離電極14a下作為電荷分離部分Dl形成 的勢阱時，根據(jù)壘控制電極14c下的勢壘高度分離不需要的電荷，并且在 累積電極14b下的電荷累積部分D2中只累積有效電荷。也就是說，對應(yīng) 于相位區(qū)間P2的有效電荷被累積在電荷累積部分D2中。另一方面，通 過預定路線(未示出)經(jīng)由漏極23排放在電荷分離部分D1中留下的不 需要的電荷。在圖15中，從分離電極14a的上游側(cè)向下游側(cè)連續(xù)形成漏極23。在 這點上，假定電子從圖15的上側(cè)轉(zhuǎn)移到下側(cè)?？商娲?，在分離電極14a的上游側(cè)形成的漏極23可與在其下游側(cè)形成的漏極23分離。在這種情況 下，不需要的電荷被轉(zhuǎn)移到與上游側(cè)的漏極23相鄰的一個靈敏度控制電 極(17a-17f，例如靈敏度控制電極17e)下的區(qū)域。然后，向漏極23 施加用于吸引電子的電壓(例如+ 15V)，并向?qū)?yīng)于具有轉(zhuǎn)移的不需要 的電荷的區(qū)域的靈敏度控制電極17e施加用于逐出電子的電壓(例如-5V )。對與不需要的電荷轉(zhuǎn)移到的靈敏度控制電極17e相鄰的靈敏度控制 電極(17c, 17d， 17f， 17g)也施加用于逐出電子的電壓。才艮據(jù)這些操作， 不需要的電荷可以通過漏極23排放而不流向靈敏度控制電極(17c， 17d， 17f， 17g)。接下來,在靈敏度控制電極17b下形成的勢阱中收集的對應(yīng)于相位區(qū) 間P0的接收光量的電子在垂直方向上轉(zhuǎn)移，并且還被轉(zhuǎn)移到在分離電極 14a下作為電荷分離部分Dl形成的勢阱中。此時，在累積電極14b下的 電荷累積部分D2中累積的相位區(qū)間P2的有效電荷在垂直方向上轉(zhuǎn)移，的勢阱處。如上所述，當對應(yīng)于相位區(qū)間P0的接收光量的電子,皮轉(zhuǎn)移到電荷分 離部分D1時，不需要的電荷被分離，并且相位區(qū)間P0的有效電荷被累 積在電荷累積部分D2中。在朝向圖15的上側(cè)的垂直方向上轉(zhuǎn)移在電荷累積部分D2中累積的 相位區(qū)間P0的有效電荷以及在靈敏度控制電極17b下形成的勢阱中累積 的相位區(qū)間P2的有效電荷。通過控制對累積電極14b施加的電壓，在電 苛累積部分D2中累積的有效電荷可以越過在壘控制電極14c下形成的勢 壘。因此，通過在相反方向上轉(zhuǎn)移該有效電荷，相位區(qū)間(P0， P2)的 有效電荷可以分別累積在靈敏度控制電極(14b， 14e)下的勢阱中。在發(fā)光時間段中將上述操作重復預定次數(shù)之后，有效電荷被作為接收 光輸出取出。在本實施例中，與第四實施例相比較，具有^Mt次數(shù)更少的 優(yōu)點。其它配置和操作與第一實施例的相同。在第二至第五實施例的每一 個實施例中，保持電極14d通過絕緣層13布置在保持井15上?？商娲?， 保持電極14d可不通過絕緣層13歐姆連接到保持阱15。(第六實施例)本實施例特征在于設(shè)置了多個具有相同寬度的電極，通過使用具有相 同寬度的電極的適當組合可以實現(xiàn)與使用多個具有不同寬度的電極的情況基本相同的操作。在本實施例中，與第三實施例相同，通過正弦調(diào)制信號調(diào)制從發(fā)光源投射的光的強度。光電轉(zhuǎn)換部分D1還用作電荷分離部分 D2和電荷累積部分D3。另外，不形成電荷保持部分D4。如圖16中所示，本實施例的一個單元1具有多個通過絕緣層13布置 在裝置形成層11的主表面上的阱12上的具有相同寬度的并JL^目互等間隔 的控制電極(18a-181)。也就是說， 一個單元1包括十二個控制電極(18a-181)。在一個單元1中，形成配線使得可以單獨控制對控制電極(18a-181)施加的電壓。除了以下各點，光電轉(zhuǎn)換部分D1的操作基本上與使用第三實施例的 靈敏度控制電極(17a-17h)的操作相同。在本實施例中，通過使用控制 電極(18a-18i)來收集對應(yīng)于相位區(qū)間P0中的接收光量的電子，并通過 使用控制電極(18d-181)來收集對應(yīng)于相位區(qū)間P2中的接收光量的電子。 參照圖17A-17H說明這些操作。在圖17A-17H中，控制電極(18a-181) ,"示為(a) 一 (1)。在光接收時間段中光電轉(zhuǎn)換部分D1的操作期間，如圖17A所示，關(guān) 于相位區(qū)間P0對控制電極(18a-18i)施加正電壓，使得由對應(yīng)于九個控 制電極(18a-18i)的區(qū)域收集電子。另外，如圖17B所示，關(guān)于相位區(qū) 間P2對控制電極(18d-181)施加正電壓，4吏得由對應(yīng)于九個控制電極 (18d-181)的區(qū)域收集電子。將關(guān)于每個相位區(qū)間(P0， P2)收集的電 子保持在除了用于收集電子的區(qū)域以外的區(qū)域處。也就;U兌，在由對應(yīng)于 控制電極(18a-18i)的區(qū)域收集電子的相位區(qū)間P0中，將關(guān)于相位區(qū)間 P2收集的電子保持在對應(yīng)于控制電極18k的區(qū)域處。類似地，在對應(yīng)于 控制電極(18d-181)的區(qū)域收集電子的相位區(qū)間P2中，將關(guān)于相位區(qū)間 P0收集的電子保持在對應(yīng)于控制電極18b的區(qū)域處。通過重復多次針對 相位區(qū)間(P0， P2)的操作，將對應(yīng)于接收光量的量的電子保持在對應(yīng) 于阱12中的控制電極(18k， 18b)的區(qū)域處。當光接收時間段結(jié)束，使得對應(yīng)于相位區(qū)間P0中的接收光量的量的 電子被收集到對應(yīng)于控制電極18b的區(qū)域中，或者對應(yīng)于相位區(qū)間P2中 的接收光量的量的電子被收集到對應(yīng)于控制電極18k的區(qū)域中時，啟動稱 量時間段以進行用于分離不需要的電荷以獲得有效電荷的操作。例如，在AUt應(yīng)于控制電極18b的區(qū)域處保持的電子中分離出不需要 的電荷的情況下，對控制電極18a施加負電壓，以在相位區(qū)間PO中收集 的電子被保持在對應(yīng)于控制電極18b的區(qū)域處形成的勢阱中的條件下形成勢壘。另外，如下所述，為了使用對應(yīng)于控制電極(18d, 18e)的區(qū)域 作為電荷累積部分，在相位區(qū)間P2中收集的電子凈皮轉(zhuǎn)移。也就是+兌，如 圖17C中所示，形成對應(yīng)于控制電極(18c， 18d)的勢壘。隨后，如圖 17D中所示，形成對應(yīng)于控制電極(18c-18e)的勢壘。此外，如圖17E 中所示，形成對應(yīng)于控制電極(18f-18h)的勢壘。因此，在相位區(qū)間 P2中收集的電子可被轉(zhuǎn)移。另外，如圖17E中所示，對控制電極(18d， 18e)施加正電壓以形 成用作電荷累積部分D3的勢阱，同時通過控制施加到控制電極18c的電 壓形成具有預定高度的勢壘B3。通過該操作，不需要的電荷留在對應(yīng)于 控制電極18b的勢阱中，且通過勢壘B3上流入到對應(yīng)于控制電極(18d， 18e)的勢阱中的電子用作有效電荷。接下來，如圖17F所示，增加對應(yīng)于控制電極18c的勢壘的高度以防 止對應(yīng)于相位區(qū)間P0的有效電荷的泄漏。同時，在相位區(qū)間P2中收集 的電子被收集到對應(yīng)于控制電極18k的勢阱中。在該狀態(tài)下，在對應(yīng)于控 制電極(18g-18i)的區(qū)域中形成勢阱作為電荷累積部分D3，并且在對 應(yīng)于控制電極18j的區(qū)域處形成勢壘B4。如圖17G所示，為了從保持在對應(yīng)于控制電極18k的勢阱中的電荷 (電子)中分離出不需要的電荷，通過控制對控制電極18j施加的電壓來 降低勢壘B4。通過勢壘B4的高度來確定在相位區(qū)間P2中收集的電子中 不需要的電荷的量。也就是說，對應(yīng)于控制電極18k的區(qū)域用作電荷分離 部分D2.如圖17H所示，在分離出不需要的電荷之后，增加對應(yīng)于控制電極 18j的勢壘的高度，以防止關(guān)于區(qū)間P2在對應(yīng)于控制電極(18g-18i)的 勢阱中收集的有效電荷的泄漏。另一方面，排放留在對應(yīng)于控制電極(18b, 18k)的區(qū)域中的不需要的電荷。根據(jù)上迷操作，從通過在相位區(qū)間(P0， P2)中的光照生成的電子 中分離出不需要的電荷，并取出有效電荷。在本實施例中，由于在一列上 布置控制電極(18a-181)，所以與傳統(tǒng)CCD圖像傳感器的垂直轉(zhuǎn)移電阻 器的情況相同，通過在適當?shù)亩〞r對控制電極(18a-181)施加電壓可以在 控制電極(18a-181)的排列方向上轉(zhuǎn)移有效電荷的電子。通過將該電子取 出到光電檢測器的外部，獲得接收光輸出。也就是說，在本實施例的配置 中，光電轉(zhuǎn)換部分D1還用作電荷分離部分D2、電荷累積部分D3和電荷 取出部分。另外，由于可以同時進行用于從兩個相位區(qū)間(P0， P2)中生成的電子中分離出不需要的電荷的操作，所以具有可以縮短分離不需要 的電荷所需的處理時間的優(yōu)點。在上述配置中，關(guān)于進行與第 一實施例相同的操作的情況進4亍了說明?？商娲?，可以根據(jù)由分別形成的電荷保持部分D4保持的電子的量 控制對控制電極18b、 18k施加的電壓。在這種情況下，如第二和第三實 施例中所述，有可能自動調(diào)節(jié)不需要的電荷的量。其它配置和操作與上述 實施例中的相同。此外，在通過光電轉(zhuǎn)換部分生成電荷的操作和從光電轉(zhuǎn)換部分生成的 電荷中分離出不需要的電荷并將有效電荷累積在電荷累積部分中的操作 被重復多次之后，通過電荷取出部分將累積在電荷累積部分中的電荷取出 作為接收光輸出是有利的。在這種情況下，由于從光電轉(zhuǎn)換部分生成的電 荷中反復分離不需要的電荷，所以有可能減少在光電轉(zhuǎn)換部分處出現(xiàn)飽和 的可能性，并實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換部分尺寸的減小。另外，當光電轉(zhuǎn)換部分的尺 寸減小時，電荷取出部分的容量也可減小。結(jié)果，有可能作為整體減小光 電檢測器的尺寸。(第七實施例)本實施例與第六實施例在以下方面相同設(shè)置多個具有相同寬度的控 制電極。然而，如圖18所示，本實施例特征在于一個單元1具有九個控 制電極(19a- 19i)。如第六實施例中所述，六個控制電極用來累積對應(yīng) 于調(diào)制信號的一個相位區(qū)間的電子，并分離不需要的電荷。因此，不能通 過使用九個控制電極(19a- 19i)在不同區(qū)域處單獨進行收集對應(yīng)于調(diào)制 信號的兩個相位區(qū)間的電子和從其分離出不需要的電荷的操作。也就是 說，在這兩個相位區(qū)間中以重疊的方式使用這九個電極中的一部分。另外， 在第六實施例中，可以同時進行從這兩個區(qū)間中收集的電子中分別分離出 不需要的電荷的操作。另一方面，在本實施例中，由于以重疊的方式使用 該部分控制電極，所以從這兩個相位區(qū)間中的一個收集的電子中分離不需 要的電荷的操作在與從另 一個相位區(qū)間收集的電子中分離不需要的電荷 的^^作不同的時間進行。具體地，進行圖19A-190中所示的操作。當光電轉(zhuǎn)換部分D1用于 收集通過接收來自對象空間的光而生成的電子時，交^設(shè)置如圖19A中 所示的對每個控制電極(19g， 19i)施加負電壓的時間段和如圖19B中所 示的對每個控制電極(19a， 19c)施加負電壓的時間段。與調(diào)制信號同步 設(shè)定這兩個時間段。例如，圖19A的狀態(tài)對應(yīng)于相位區(qū)間P0,圖19B的狀態(tài)對應(yīng)于相位區(qū)間P2。在圖19A-190中，控制電極(19a-19i)禎束 示為(a) 一 (i)。在圖19A的狀態(tài)中，對應(yīng)于控制電極(19a-19f)的區(qū)域關(guān)于相位區(qū) 間P0用作光電轉(zhuǎn)換部分D1。在圖19B的狀態(tài)中，對應(yīng)于控制電極(19d -19i)的區(qū)域關(guān)于相位區(qū)間P2用作光電轉(zhuǎn)換部分D1。另外，在相位區(qū) 間P0中收集的電子,皮保持在對應(yīng)于相位區(qū)間P2中的控制電極19b的區(qū) 域中。另一方面，在相位區(qū)間P2中收集的電子,皮保持在對應(yīng)于相位區(qū)間 P0中的控制電極19h的區(qū)域中。在將圖19A和19B的狀態(tài)交替重復足夠長的時間段之后，進行^ 應(yīng)于控制電極(19b， 19h)的區(qū)域中保持的電子中分離不需要的電荷以獲 得有效電荷的操作。由于對應(yīng)于控制電極19b的區(qū)域是用于有效電荷的區(qū) 域，所以其也用作電荷累積部分D3。如上所述，由調(diào)制信號的兩個相位 區(qū)間共享該部分控制電極。在分離不需要的電荷的時間段中，在對應(yīng)于控 制電極19c的區(qū)域中一直形成勢壘B5以防止在這兩個相位區(qū)間中收集的 電子相互混合。也就是說， 一直向控制電極19c施加負電壓。在圖19A-190中，首先^目位區(qū)間P2中收集的電子中分離出不需 要的電荷，然后W目位區(qū)間P0中收集的電子中分離出不需要的電荷。因 此，在M目位區(qū)間P2中收集的電子中分離不需要的電荷的操作期間，將 相位區(qū)間P0中收集的電子保持在對應(yīng)于控制電極19b的區(qū)域中。在光電轉(zhuǎn)換部分D1收集由光照生成的電子之后，如圖19C中所示， 將相位區(qū)間P0中收集的電子保持在對應(yīng)于控制電極19b的區(qū)域中形成的 勢阱中。另外，對控制電極19a施加負電壓以形成勢壘。維持該狀態(tài)，直 到^目位區(qū)間P2中收集的電子中分離出不需要的電荷(即，在圖19C-19I的范圍上)。另一方面，在圖19C的狀態(tài)下，將相位區(qū)間P2中收集的 電子保持在對應(yīng)于控制電極(19d-19f)的區(qū)域中形成的勢阱中。也就是 說，保持在相位區(qū)間P2中的對應(yīng)于控制電極(19d-19i)的區(qū)域中的電 子，或者保持在相位區(qū)間P0中的對應(yīng)于控制電極19h的區(qū)域中的電子被 收集在對應(yīng)于控制電極(19d-19f)的區(qū)域中。如圖19D中所示，該操作是先前進行的操作以在對應(yīng)于控制電極19h 的區(qū)域中形成沒有電子(空的)勢阱。也就是說，在收集通過光照生成的 電子的IMt已經(jīng)結(jié)束的階段中，在相位區(qū)間P2中收集的電子存在于對應(yīng) 于控制電極19h的區(qū)域中。因此，如圖19C中所示，在對控制電極(19g -19i)施加負電壓之后，如圖19D中所示，在對應(yīng)于控制電極19h的區(qū)域中形成沒有電子的勢阱。
接下來，如圖19E和19F中所示，保持在對應(yīng)于控制電極(19d — 19f) 的區(qū)域中的電子被移到對應(yīng)于控制電極19h的區(qū)域。首先，在對應(yīng)于控制 電極(19f-19h)的區(qū)域中形成勢阱，并且在對應(yīng)于控制電極(19c-19e) 的區(qū)域中形成勢壘。隨后，在對應(yīng)于控制電極19f的區(qū)域中形成勢壘，并 且還在對應(yīng)于控制電極19g的區(qū)域中形成勢壘。因此，可以在對應(yīng)于控制 電極19h的區(qū)域中收集電子。在該階段中，在對應(yīng)于控制電極(19d-19f) 的區(qū)域中形成空勢阱。盡管在圖19E的狀態(tài)和圖19F的狀態(tài)之間存在多 個中間狀態(tài)，但是它們沒有在附圖中示出。另一方面，關(guān)于勢能，圖19F 的狀態(tài)與圖19D的狀態(tài)相同。然而，在圖19D的狀態(tài)中，電子存在于對 應(yīng)于控制電極(19d-19f)的區(qū)域中，而在圖19F的狀態(tài)中，電子存在于 對應(yīng)于控制電極19h的區(qū)域中。
通過上述過程，在相位區(qū)間P2中收集的電子被收集到對應(yīng)于控制電 極19h的區(qū)域中。接下來，如圖19G中所示，對應(yīng)于控制電極19g的勢 壘B6^皮降低。該勢壘B6與第一實施例中所說明的勢壘Bl具有相同的功 能。根據(jù)勢壘B6的高度確定的量的電子留在作為電荷分離部分D2的對 應(yīng)于控制電極19h的區(qū)域中。超出電荷分離部分D2的容量的量的電子越 過勢壘B6流入到對應(yīng)于控制電極(19d-19f)的區(qū)域，即電荷累積部分 D3中。
在電子流入到電荷累積部分D3中后，如圖19H所示，通過對控制電 極19g施加負電壓來增加勢壘B6的高度。因而電荷分離部分D2中的不 需要的電荷可以與電荷累積部分D3中的有效電荷完全分離。如圖191所 示，從電荷分離部分D2中排放不需要的電荷，并將有效電荷留在對應(yīng)于 控制電極(19d-19f)的區(qū)域中。有效電荷的量對應(yīng)于相位區(qū)間P2中的 接收光量。
另 一方面，保持在對應(yīng)于控制電極19b的區(qū)域中的電子的量對應(yīng)于相 位區(qū)間P0中的接收光量。不需要的電荷可通過圖19J-190所示的過程 從電子中分離。在該過程期間維持相位區(qū)間P2的有效電荷保持在對應(yīng)于 控制電極(19d-19f)的區(qū)域中的狀態(tài)。本實施例特征在于對應(yīng)于控制電 極19h的區(qū)域具有針對收集在相位區(qū)間P2中的電子的電荷分離部分D2 的功能和針對收集在相位區(qū)間P0中的電子的電荷分離部分D2的功能。
也就是說，在不需要的電荷被排放后，如圖19J和19K中所示，保 持在對應(yīng)于控制電極19b的區(qū)域中的相位區(qū)間P0的電子被移動到對應(yīng)于控制電極19h的區(qū)域中。此時，對應(yīng)于控制電極(19a， 19i)的區(qū)域的勢 能被首先降低，使得對應(yīng)于控制電極(19a， 19b, 19h， 19i)的區(qū)域的勢 能彼此相等。隨后，在對應(yīng)于控制電極19h的區(qū)域中收集電子。在該圖中 沒有示出圖19J和19K之間的中間狀態(tài)。簡而言之，首先增加對應(yīng)于控 制電極19b的區(qū)域的勢能。隨后，增加對應(yīng)于控制電極19a的區(qū)域的勢能， 然后增加對應(yīng)于控制電極19i的區(qū)域的勢能。在對應(yīng)于控制電極19h的區(qū) 域中收集電子之后，降低對應(yīng)于控制電極(19a， 19b)的區(qū)域的勢能。
根據(jù)上述操作，相位區(qū)間P0的電子被保持在對應(yīng)于控制電極19h的 區(qū)域中，且對應(yīng)于控制電極19h的區(qū)域用作電荷分離部分D2。接下來， 如圖19L所示，在對應(yīng)于控制電極19i的區(qū)域中形成勢壘B7。越過勢壘 B7流入對應(yīng)于控制電極(19a， 19b)的區(qū)域中的電子是有效電荷。也就 是說，對應(yīng)于控制電極(19a, 19b)的區(qū)域用作電荷累積部分D3。
隨后，如圖19M所示，升高對應(yīng)于控制電極19i的勢壘B7。在電荷 分離部分D2中的電子與電荷累積部分D3中的電子隔離的狀態(tài)下，當電 荷分離部分D2中的電子作為不需要的電荷被排放時，如圖19N中所示， 對應(yīng)于相位區(qū)間P2中的接收光量的電子保持在對應(yīng)于控制電極(19d, 19e， 19b)的區(qū)域中，且對應(yīng)于相位區(qū)間P0中的接收光量的電子保持在 對應(yīng)于控制電極(19a， 19b)的區(qū)域中。在通過圖190的狀態(tài)取出這些 電子之后，再現(xiàn)圖19A和19B中所示的狀態(tài)以收集通過光照生成的電子。
因此，在本實施例中，作為一個單位設(shè)置多個控制電極，并且在光接 收時間段中的不同的兩個定時(例如，A0、 A2)生成電荷。所生成的電 荷被暫時收集到在對應(yīng)于該一個單位的不同控制電極的區(qū)域形成的勢阱 中。另一方面，在稱量時間段中，關(guān)于在兩個定時中的一個生成的電荷形 成的電荷分離部分、電荷累積部分和勢壘衫3殳置在與關(guān)于在另 一個定時中 生成的電荷形成的電荷分離部分、電荷累積部分和勢壘不同的位置處。因 而有可能增加用于在光接收時間段中收集電荷的區(qū)域。而且，在稱量時間 段中，從在這兩個不同定時中的每一個生成的電子中分離出不需要的電 荷。也就;U兌，由于用于從在這兩個定時中的一個生成的電荷中分離不需 要的電荷的控制電極不同于用于從在另 一個定時生成的電荷中分離不需 要的電荷的控制電極，所以有可能從在這兩個不同定時中的每一個生成的 電荷中分離出不需要的電荷，同時防止在這兩個定時生成的電荷相互混 合。
另外，在稱量時間段中，用于保持在這兩個不同的定時中的一個生成的電荷的勢阱可用作在這兩個定時收集的電荷的電荷分離部分。在圖19A -190中，在右端示出控制電極(i)。實際上，設(shè)置相鄰單元的控制電極 (a) — (i)。因此，對應(yīng)于控制電極19h的勢阱用作在相位區(qū)間P2中收 集的電子的電荷分離部分D2。另一方面，在相鄰單元中，如圖19L所示， 對應(yīng)于控制電極19h的勢阱還用作在相位區(qū)間PO中收集的電子的電荷分 離部分D2。此時，通過使用與對應(yīng)于電荷分離部分D2的控制電極19h 的兩側(cè)相鄰的每個控制電極形成在每個定時收集的電子的勢壘。也就是說，當從在相位區(qū)間P2中收集的電子中分離出有效電荷時， 使用通過對控制電極19g施加電壓而形成的勢壘。另一方面，當從在相位 區(qū)間PO收集的電子中分離出有效電荷時，使用通it^控制電極19i施加 電壓而形成的勢壘。因此，由于在兩個定時收集的電子共享用作電荷分離 部分的區(qū)域，所以與第六實施例的電極配置相比較，有可能減少控制電極 的數(shù)量，且作為整體減小控制電極的占用面積，同時保持在兩個定時生成 電荷的功能。結(jié)果，光電檢測部分的尺寸可減小。另外，當配置圖像拾取 裝置使得布置多個單元1，且每個單元1提供一個像素時，存在如下優(yōu)點 一個像素的占用面積減小，并且實現(xiàn)了分辨力的提高。其它配置和操作與 上述實施例中的相同。(第八實施例)本實施例特征在于根據(jù)以下方法從通過接收來自對象空間的光生成 的電荷(電子)排放規(guī)定的恒定量的不需要的電荷。也就是說，如圖20所示，在裝置形成層11的主表面?zhèn)刃纬傻呐欧炮?25被布置在與用作光電轉(zhuǎn)換部分D1的阱12不同的位置處。另外，通過 絕緣層13在裝置形成層11的主表面上且在阱12和排放阱25之間形成排 放柵電極26。而且，排放電極27歐姆連接到排放阱25。排放阱25具有 與阱12相同的導電類型，并且排放阱25的雜質(zhì)濃度高于阱12的雜質(zhì)濃 度。一直向排放電極27施加正的恒定電壓，使得可以通過排放電極27 排放在排放阱25中收集的電子。另外，當對排放柵電極26施加正電壓時， 形成通道使得電子可以在阱12和排放阱25之間移動。阱12中的電子通 過該通道移向排放阱25。在這點上，當對排放柵電極26和排放電極27 施加的電壓保持恒定時，從阱12到排放阱25的電子遷移率(electron mobility)幾乎是恒定的。在接收到來自對象空間的光時在阱12的光電轉(zhuǎn)換部分D1中收集電 子之后，在預定的時間段對排放柵電極26施加規(guī)定的恒定電壓以使電子 從阱12移動到排放阱25。如上所述，由于電子遷移率是恒定的，所以與 對排放柵電極26施加電壓的時間段成比例地確定的量的電子可以被移動 到排放阱25。也就是說，當從阱12移動到排放阱25的電子是不需要的 電荷，且在阱12中的殘留電子被用作有效電荷時，意味著可以從阱12 中生成的電荷去除規(guī)定的恒定量的不需要的電荷。在阱12中所留的有效 電荷凈皮取出作為接收光輸出。根據(jù)本實施例，通it^t排放柵電極26和排放電極27施加的電壓以及 對排放槺電極26施加電壓的時間段來確定不需要的電荷的量。另一方面， 如上所述，由于對排放柵電極26和排放電極27施加的電壓保持恒定，所 以不需要的電荷的量被表示為對排放柵電極26施加電壓的時間段的函 數(shù)。另外，由于在阱12中殘留有效電荷，所以本實施例的阱12用作光電 轉(zhuǎn)換部分D1，還用作電荷累積部分D3。排放阱25、排放柵電極26以及 排放電極27用作電荷分離部分D2。其它配置和^Mt與上述實施例的相同。(第九實施例)分D3，而不形成用于控制電子在用于分離不需要的電荷的電荷分離部分 D2處的移動的電極。也就是說，在每個上述實施例中，電極布置與幀轉(zhuǎn) 移型(frame-transfer type) CCD圖像傳感器的電極配置相同。在本實施例 中，電極布置與隔行轉(zhuǎn)移(interline - transfer, IT)型CCD圖像傳感器的 電極配置相同。如圖21所示，在n型村底10上形成p型裝置形成層11。在裝置形 成層11的主表面上并且在p +型勢阱33的一側(cè)形成n +型阱12。另夕卜， 在p +型勢阱33的相對側(cè)形成n型轉(zhuǎn)移阱32。轉(zhuǎn)移阱32具有與IT型 CCD圖像傳感器相同的配置。轉(zhuǎn)移控制電極通過絕緣層34布置在轉(zhuǎn)移阱 32的主表面上。轉(zhuǎn)移阱32被光屏蔽膜35覆蓋。在與圖21的頁面垂直的 方向上布置多個轉(zhuǎn)移控制電極31。為了轉(zhuǎn)移電子，與傳統(tǒng)情況相同，控 制對轉(zhuǎn)移控制電極31施加電壓的順序。為了分離不需要的電荷，與轉(zhuǎn)移 控制電極31相結(jié)合地使用歐姆連接到襯底10的漏電極36。阱12由光電 轉(zhuǎn)換部分Dl和電荷分離部分D2共同使用。在本實施例中，阱12沒有電極，且裝置形成層11具有與阱12不同的導電類型。因此，如圖22C中所示，在阱12中形成勢阱。勢阱33在 阱12和轉(zhuǎn)移阱32之間呈現(xiàn)勢壘B8。此時，假定轉(zhuǎn)移阱32處于無電子狀 態(tài)。另外，沒有電壓施加到轉(zhuǎn)移控制電極31，且對漏電極35施加正電壓 (例如5伏)。通過光照光電轉(zhuǎn)換部分Dl生成電子之后，對轉(zhuǎn)移控制電極31施加 相對大的正電壓(例如10伏)。隨著對轉(zhuǎn)移控制電極31施加的電壓更大， 勢壘B8的勢能減小。當對轉(zhuǎn)移控制電極31施加比在轉(zhuǎn)移電子的情況下 施加的電壓高的適當電壓時，在阱12中收集的一部分電子通過勢壘B8 流入轉(zhuǎn)移阱32,如圖22D中所示。由于勢壘B8的高度由對轉(zhuǎn)移控制電 極31施加的電壓確定，所以在阱12中可殘留下規(guī)定的恒定量的電子。也 就另j兌，阱12用作電荷分離部分D2，且轉(zhuǎn)移阱32用作電荷累積部分D3。當在阱12中殘留不需要的電荷，且有效電荷流入轉(zhuǎn)移阱32時，停止 對轉(zhuǎn)移控制電極31施加電壓，并且對漏電極36施加相對高的正電壓(例 如15伏)。在該狀態(tài)下，如圖22E所示，勢壘B8變高，且在轉(zhuǎn)移阱32 中形成的勢阱變淺。也就^_說，流入轉(zhuǎn)移阱32中的有效電荷保持在電荷 累積部分D3中。另外，通過漏電極36排放在阱12中殘留的不需要的電 荷。根據(jù)以上操作，從通過接收來自對象空間的光而生成的電子中分離出 規(guī)定的恒定量的電子作為不需要的電荷，且有效電荷殘留在轉(zhuǎn)移阱32中。 通過控制對轉(zhuǎn)移控制電極31施加的電壓并進行與傳統(tǒng)CCD圖像傳感器的垂直轉(zhuǎn)移電阻器的情況類似的IM乍，可以在與該圖的頁面垂直的方向上 轉(zhuǎn)移有效電荷。其它配置和操作與上述實施例的相同。另外，當本實施例的圖21所示的光電檢測器與用于投射由調(diào)制信號 進行強度調(diào)制的光以檢測對象空間的信息的發(fā)光源相結(jié)合使用時，需要提 取對應(yīng)于調(diào)制信號的預定相位區(qū)間的接收光量。在這種情況下，例如，如 圖23A所示，在光接收時間段"T1"對轉(zhuǎn)移控制電極31施加相對大的正 電壓(例如15伏)以在轉(zhuǎn)移阱32中形成深的勢阱。因而，由光電轉(zhuǎn)換部 分D1 (辨12)生成的電子可流入到轉(zhuǎn)移阱32中。另一方面，如圖23B 所示，與調(diào)制信號同步地以高和低兩個階段(例如15V和5V)改變對排 放電極36施加的電壓，從而交替重復排放電子的狀態(tài)和電子流入在轉(zhuǎn)移 阱32中形成的勢阱中的狀態(tài)。當在從光電轉(zhuǎn)換部分Dl生成的電荷中取壓時，允許預期的電荷流入轉(zhuǎn)移阱32中。圖22A和22B中示出光接收時間段"T1"中勢阱的變化,
壓之后，啟動稱量時間段"T2"。在稱量時間段"T2"中，對轉(zhuǎn)移控制電 極31施加負電壓(例如-5伏)，使得轉(zhuǎn)移阱32的勢阱變淺。另外，將施 加到排放電極36的電壓控制為相對低的電壓(例如5伏)，使得電子不從 阱12排放。根據(jù)該關(guān)系，電子可以從轉(zhuǎn)移阱32返回到阱12。在電子返 回到阱12之后進行的電荷稱量操作與上述的相同。
本發(fā)明的目的和特征是通過防止飽和而不受環(huán)境光的增加或減少的 影響穩(wěn)定地獲得檢測空間信息所需的有效電荷。因此，盡管在優(yōu)選實施例 中沒有對細節(jié)進行說明，但是通過使用作為接收光輸出的有效電荷檢測的 空間信息包括通過使用在與調(diào)制信號的多個相位區(qū)間同步的不同定時檢 測到的接收光輸出之差來測量到對象空間中物體的距離；生成具有像素值 的振幅圖像，每個像素值由上述差來提供；從振幅圖像識別物體的尺寸或 形狀；以及通過消除環(huán)境光成分來獲得如對象空間中物體的反射率的信 會，
工業(yè)應(yīng)用
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過控制對壘控制電極施加的電壓以改變勢 壘的高度來調(diào)節(jié)通過勢壘從電荷分離部分流入電荷累積部分的電荷量，并 排放在電荷分離部分中殘留的不需要的電荷。因此，有可能提供這樣的空
間信息檢測裝置其能夠減小光電轉(zhuǎn)換部分的尺寸，并且即使在通過接收 來自對象空間的光生成大量不需要的電荷的情況下，也能夠通過防止飽和 現(xiàn)象來可靠地獲得有效電荷。
特別地，當根據(jù)光電轉(zhuǎn)換部分在暫停時間段生成的電荷量調(diào)節(jié)從對應(yīng) 于發(fā)光時間段中的接收光量的電荷中作為不需要的電荷分離出的電荷量 時，即4吏在對象空間中出現(xiàn)環(huán)境光的增加或減少時，也可以根據(jù)環(huán)境光的 變化自動排放適當量的不需要的電荷。
因此，由于本發(fā)明的空間信息檢測裝置具有準確檢測室內(nèi)和室外任何 地方的對象空間的信息的能力，所以預期將擴展傳統(tǒng)空間信息檢測裝置的 應(yīng)用4頁域。
權(quán)利要求
1. 一種空間信息檢測裝置，包括發(fā)光源，被配置成將由調(diào)制信號進行強度調(diào)制的信號光投射到對象空間；光電檢測部分，被配置成在與所述調(diào)制信號同步的定時從對應(yīng)于從所述對象空間檢測的接收光量的電荷分離出恒定量的偏置成分，從而提供反映所述信號光的波動成分的接收光輸出；以及信號處理部分，被配置成通過使用所述接收光輸出來檢測所述對象空間的空間信息；其中所述光電檢測部分包括光電轉(zhuǎn)換部分，被配置成接收來自所述對象空間的光以生成電荷；電荷分離部分，被配置成從由所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷中分離出對應(yīng)于所述偏置成分的規(guī)定的恒定量的不需要的電荷，其中所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷對應(yīng)于不依賴于所述信號光的波動的所述恒定量的偏置成分和根據(jù)所述信號光的波動變化的所述波動成分的總和；電荷累積部分，被配置成累積通過從所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷中分離出所述不需要的電荷而獲得的殘留電荷作為有效電荷；以及電荷取出部分，被配置成取出在所述電荷累積部分中累積的所述有效電荷作為所述接收光輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷分離部 分和所述電荷累積部分是在半導體襯底中形成的勢阱，且所述光電檢測部 分還包括電荷量調(diào)節(jié)裝置，該電荷量調(diào)節(jié)裝置被配置成在所述電荷分離部 分和所述電荷累積部分之間形成勢壘，并關(guān)于所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電 荷調(diào)節(jié)通過所述勢壘從所述電荷分離部分流入所述電荷累積部分的電荷 的量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷量調(diào)節(jié) 裝置包括壘控制電極，布置在所述半導體襯底上以在所述電荷分離部分 和所述電荷累積部分之間形成所述勢壘；以及控制部分，被配置成控制對 所述壘控制電極施加的電壓以改變所述勢壘的高度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷量調(diào)節(jié)裝置包括分離電極，布置在與所述半導體襯底上的所述電荷分離部分相 對應(yīng)的位置處；以及控制部分，被配置成控制對所述分離電極施加的電壓 以改變所述電荷分離部分的所述勢阱的深度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的空間信息檢測裝置，還包括定時控制部分， 被配置成與所述光電轉(zhuǎn)換部分通過接收來自強度調(diào)制的光照射到的所述 對象空間的光生成電荷的光接收時間段和通過使用所述電荷分離部分和 所述電荷累積部分從所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷中分離出所述不需要 的電荷的稱量時間段相關(guān)聯(lián)地確定所述光電轉(zhuǎn)換部分、所述電荷分離部分 和所述電荷累積部分的操作定時。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間信息檢測裝置，還包括第一導電類型 的半導體層；第二導電類型的阱，形成在所述半導體層的主表面；排放部 分，所述不需要的電荷從所述電荷分離部分排放到所述排放部分；多個電 極，布置在所述阱的所述主表面上；以及控制部分，所述控制部分被配置分生成的電荷中分 離出所述不需要的電荷的稱量時間段相關(guān)聯(lián)地控制對所述電極施加的電 壓，其中所述電極包括分離電極，用于在所述阱中形成勢阱作為所述電 荷分離部分；累積電極，用于在所述阱中形成勢阱作為所述電荷累積部分； 以及壘控制電極，用于在所述電荷分離部分和所述電荷累積部分之間形成 勢壘。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的空間信息檢測裝置，其中所述控制部分控 制對所述分離電極和所述壘控制電極中的至少一個施加的電壓以改變所 述勢壘的高度和作為所述電荷分離部分形成的所述勢阱的深度中的至少 一個，從而調(diào)節(jié)通過所述勢壘從所述電荷分離部分流到所述電荷累積部分 的電荷的量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間信息檢測裝置，其中所述發(fā)光源向所 述對象空間照射由所述調(diào)制信號進行強度調(diào)制的光，從而具有從所述發(fā)光空間投射所述強度調(diào)制的光的暫停時間段，以及所述光電檢測部分包括電荷量調(diào)節(jié)裝置，被配置成根據(jù)所述光電轉(zhuǎn)換 部分在所述暫停時間段中生成的電荷量調(diào)節(jié)從對應(yīng)于在所述發(fā)光時間段中獲得的接收光量的電荷中分離出的作為所述不需要的電荷的電荷的量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的空間信息檢測裝置，其中當所述光電轉(zhuǎn)換 部分在所述暫停時間段中生成的電荷量增加時，所述電荷量調(diào)節(jié)裝置增加 要從與在所述發(fā)光時間段中獲得的所述接收光量相對應(yīng)的電荷中分離出 的不需要的電荷的量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷分離部 分和所述電荷累積部分是在半導體襯底中形成的勢阱，在所述電荷分離部分和所述電荷累積部分之間布置壘控制電極以形 成勢壘，以及所述電荷量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述暫停時間段中生 成的電荷量控制對所述壘控制電極施加的電壓，以改變所述勢壘的高度， 從而調(diào)節(jié)通過所述勢壘從所述電荷分離部分流入所述電荷累積部分的電 荷的量。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷量調(diào) 節(jié)裝置具有電荷保持部分，該電荷保持部分是在所述半導體襯底中形成的 勢阱，以保持所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述暫停時間段中生成的電荷，以及所述電荷量調(diào)節(jié)裝置對所述壘控制電極施加根據(jù)所述電荷保持部分 保持的電荷量確定的電壓。
12. 4艮據(jù)權(quán)利要求11所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷量調(diào) 節(jié)裝置包括通過絕緣層在所述半導體襯底上對應(yīng)于所述電荷保持部分的 位置處形成的并且電連接到所述壘控制電極的保持電極。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的空間信息檢測裝置，其中所述壘控制電 極電連接到與作為所述電荷保持部分形成的電荷保持阱相對應(yīng)的所述半 導體襯底的部分。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的空間信息檢測裝置，還包括柵電極，該襯底的主表面上，并被配置成控制將所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷轉(zhuǎn)移到 所述電荷保持部分的定時。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷分離部 分和所述電荷累積部分是在半導體襯底中形成的勢阱，在所述半導體襯底上對應(yīng)于所述電荷分離部分的位置處布置分離電極，以及所述電荷量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述暫停時間段中生 成的電荷量控制對所述分離電極施加的電壓，以改變作為所述電荷分離部 分形成的勢阱的深度，從而調(diào)節(jié)通過所述勢壘從所述電荷分離部分流入所 述電荷累積部分的電荷的量。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷量調(diào) 節(jié)裝置具有電荷保持部分，該電荷保持部分是在所述半導體襯底中形成的 勢阱，以保持所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述暫停時間段中生成的電荷，以及所述電荷量調(diào)節(jié)裝置對所述分離電極施加根據(jù)所述電荷保持部分保 持的所述電荷量確定的電壓。
17. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的空間信息檢測裝置，其中當在所述發(fā)光時 間段中生成的電荷量達到預定的飽和水平時，所述信號處理部分增加在下 一個發(fā)光時間段中分離出的所述不需要的電荷的量。
18. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的空間信息檢測裝置，其中所述光電檢測部 分具有多個光電檢測單元，每個所述光電檢測單元對應(yīng)于一個〗象素，每個所述光電檢測單元包括第一導電類型的半導體層；第二導電類 型的阱，形成在所述半導體層的主表面中；所述光電轉(zhuǎn)換部分，包括通過 絕緣層在所述第二導電類型的所述阱的規(guī)定區(qū)域上形成的多個靈敏度控 制電極的陣列；分離電極，用于在所述阱中形成作為所述電荷分離部分的 勢阱；壘控制電極，用于在所述阱中形成所述勢壘；累積電極，用于在所 述阱中形成作為所述電荷累積部分的勢阱；以及排放部分，所述不需要的 電荷從所述電荷分離部分排放到所述排放部分，其中所述電荷量調(diào)節(jié)裝置具有電荷保持部分，該電荷保持部分是用于 保持所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述暫停時間段中生成的電荷的勢阱，以及所述電荷量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)所述電荷保持部分保持的電荷量對所述壘 控制電極和所述分離電極中的至少一個施加電壓。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的空間信息檢測裝置，其中在所述靈敏度 控制電極的所述陣列中形成所述分離電極、所述壘控制電極和所述累積電述電荷保持部分。
20. 根據(jù)權(quán)利要求、18所述的空間信息檢測裝置，其中在與所述靈敏布置所述分離電極、所述壘控制電極、所述累積電極和所述電荷保持部分。
21. —種空間信息檢測裝置，包括發(fā)光源，；故配置成向?qū)ο罂臻g照射由調(diào)制信號ii行強度調(diào)制的光； 光電檢測部分，被配置成根據(jù)從所述對象空間接收的光提供電輸出；以及信號處理部分，被配置成通過使用所述電輸出檢測所述對象空間的空 間信息；其中所述光電檢測部分包括光電轉(zhuǎn)換部分，被配置成接收來自所述對象空間的光以生成電荷；電荷分離部分，被配置成從所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述調(diào)制信號的具有 不同相位范圍的兩個區(qū)間中的一個生成的電荷中分離出才艮據(jù)所述光電轉(zhuǎn) 換部分在另 一區(qū)間中生成的電荷量確定的量的不需要的電荷；電荷累積部分，被配置成累積通過從所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述調(diào)制信 號的所述具有不同相位的兩個區(qū)間中的所述一個中生成的電荷中分離出 所述不需要的電荷而獲得的殘留電荷作為有效電荷；以及電荷取出部分，被配置成輸出在所述電荷累積部分中累積的所述有效 電荷作為所述電輸出。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的空間信息檢測裝置，其中所述電荷分離 部分和所述電荷累積部分是在半導體襯底中形成的勢阱，所述空間信息檢測裝置具有壘控制電極，布置在所述半導體襯底上 以在所述電荷分離部分和所述電荷累積部分之間形成勢壘；以及電荷保持 部分，被配置成保持所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述調(diào)制信號的所述具有不同相 位范圍的兩個區(qū)間中的所述另一區(qū)間中生成的電荷，根據(jù)所述電荷保持部分保持的電荷量對所述壘控制電極施加電壓以 確定所述不需要的電荷的量，以及通過所述電荷分離部分從所述光電轉(zhuǎn)換部分在所述調(diào)制信號的所述 具有不同相位范圍的兩個區(qū)間中的所述一個生成的電荷中分離出所述量 的不需要的電荷。
23. —種光電檢測器，包括光電轉(zhuǎn)換部分，被配置成接收來自對象空間的光以生成電荷；電荷分離部分，被配置成從所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷分離出對應(yīng) 于偏置成分的規(guī)定的恒定量的不需要的電荷，所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電 荷對應(yīng)于恒定量的偏置成分和隨接收光量的增加或減少而變化的波動成 分的總和；電荷累積部分，被配置成累積通過從所述光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷分 離出所述不需要的電荷而獲得的殘留電荷作為有效電荷；以及電荷取出部分，被配置成取出累積在所述電荷累積部分中的所述有效 電荷作為接收光輸出。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的光電檢測器，還包括裝置形成層，由 第一導電類型的半導體制成；第二導電類型的阱，形成在所述裝置形成層 的主表面上；排放部分，所述不需要的電荷從所述電荷分離部分排放到所 述排放部分；以及多個電極，布置在所述阱的所述主表面上，以及所述電極包括分離電極，用于在所述阱中形成作為所述電荷分離部 分的勢阱；累積電極，用于在所述阱中形成作為所述電荷累積部分的勢阱； 以及壘控制電極，用于在所迷電荷分離部分和所述電荷累積部分之間形成 勢壘。
全文摘要
提供一種空間信息檢測裝置，其能夠減小環(huán)境光的影響所導致的飽和現(xiàn)象的可能性。該裝置包括光電轉(zhuǎn)換部分，用于接收來自對象空間的信號光以生成電荷；電荷分離部分，用于從光電轉(zhuǎn)換部分生成的電荷中分離出對應(yīng)于恒定量的偏置成分的電荷作為不需要的電荷；電荷累積部分，用于累積殘留電荷作為反映信號光的波動成分的有效電荷；壘控制電極，用于在電荷分離部分和電荷累積部分之間形成勢壘；以及電荷取出部分，用于輸出有效電荷作為接收光輸出。通過控制對壘控制電極施加的電壓以改變勢壘的高度，有可能調(diào)節(jié)通過勢壘從電荷分離部分流入電荷累積部分的電荷的量。
文檔編號H04N5/335GK101305261SQ20068004210
公開日2008年11月12日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月14日
發(fā)明者今井憲次, 常定扶美, 橋本裕介, 高田裕司 申請人:松下電工株式會社