光接收装置、其控制方法和电子设备
阅读说明：本技术 光接收装置、其控制方法和电子设备 (Light receiving device, control method thereof, and electronic apparatus ) 是由 森山祐介 于 2019-05-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光接收装置、其控制方法和电子设备。该光接收装置包括：像素,其包括：第一阀门,用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷,和第二阀门,用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷；第一比较电路,用于将由第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；第二比较电路,用于将由第二阀门检测到的第二检测信号与参考信号进行比较；第一归零复位信号生成电路,用于在第一比较电路执行自动归零操作时产生提供给第一比较电路的第一归零复位信号；以及第二归零复位信号生成电路,用于在第二比较电路执行自动归零操作时产生提供给第二比较电路的第二归零复位信号。本发明提供了能够生成抑制了元件差异的距离信息的光接收装置。(The invention relates to a light receiving device, a control method thereof and an electronic apparatus. The light receiving device includes: a pixel, comprising: a first valve for detecting the electric charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit, and a second valve for detecting the electric charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit; a first comparison circuit for comparing a first detection signal detected by the first valve with a reference signal; a second comparison circuit for comparing a second detection signal detected by the second valve with a reference signal; a first return-to-zero reset signal generation circuit for generating a first return-to-zero reset signal supplied to the first comparison circuit when the first comparison circuit performs an automatic return-to-zero operation; and a second return-to-zero reset signal generation circuit for generating a second return-to-zero reset signal supplied to the second comparison circuit when the second comparison circuit performs an auto-return-to-zero operation. The invention provides a light receiving device capable of generating distance information with suppressed element variation.)
技术领域
本发明涉及光接收装置、其控制方法和电子设备，特别地，涉及能够生成抑制了元件差异的距离信息的光接收装置、该光接收装置的驱动方法和电子设备。
背景技术
已知一种使用间接飞行时间(indirect time-of-flight，ToF)方法的测距元件。在间接ToF方法的测距元件中，例如，利用高速驱动的两个栅极，通过光电转换反射光所产生的信号电荷被分配到两个电荷累积区域，并且根据信号电荷之间的分配比计算距离(例如，参见专利文献WO 2007/026777)。
发明内容
在测距元件中，当被分配到电荷累积区域中的信号电荷作为信号被检测时，需要注意不要将元件差异包括在内。
本发明是鉴于这些情况提出的，本发明是能够生成抑制了元件差异的距离信息的技术。
根据本发明的第一方面，提供一种光接收装置，其包括：像素，其包括：第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较；第一归零复位信号生成电路，其用于在所述第一比较电路执行自动归零操作时产生提供给所述第一比较电路的第一归零复位信号；以及第二归零复位信号生成电路，其用于在所述第二比较电路执行自动归零操作时产生提供给所述第二比较电路的第二归零复位信号。
根据本发明的第二方面，提供一种光接收装置的控制方法。光接收装置包括：像素，其包括：第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；以及第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较，在所述第一比较电路执行自动归零操作时产生第一归零复位信号并将所述第一归零复位信号提供给所述第一比较电路，并且在所述第二比较电路执行自动归零操作时产生第二归零复位信号并将所述第二归零复位信号提供给所述第二比较电路。
根据本发明的第三方面，提供一种电子设备，其包括光接收装置，所述光接收装置包括：像素，其包括：第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较；第一归零复位信号生成电路，其用于在所述第一比较电路执行自动归零操作时产生提供给所述第一比较电路的第一归零复位信号；以及第二归零复位信号生成电路，其用于在所述第二比较电路执行自动归零操作时产生提供给所述第二比较电路的第二归零复位信号。
根据本发明的第一到第三方面，提供：像素，其包括：第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较，在所述第一比较电路执行自动归零操作时产生第一归零复位信号并将所述第一归零复位信号提供给所述第一比较电路，并且在所述第二比较电路执行自动归零操作时产生第二归零复位信号并将所述第二归零复位信号提供给所述第二比较电路。
根据本发明的第四方面，提供一种光接收装置，其包括：像素，其包括：第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较；第一垂直信号线，其用于将所述像素的所述第一检测信号传输到所述第一比较电路；第二垂直信号线，其用于将所述像素的所述第二检测信号传输到所述第二比较电路；第一归零复位信号生成电路，其连接到所述第一垂直信号线；以及第二归零复位信号生成电路，其连接到所述第二垂直信号线。所述第一归零复位信号生成电路和所述第二归零复位信号生成电路连接到相同的控制线，并且与到物体的距离相对应的深度值是根据所述第一检测信号与所述第二检测信号的差来计算的。
在本技术的实施例的第四种形式中，像素包括：第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；在第一比较电路中由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较，并且在第二比较电路中由所述第二阀门检测到的第二检测信号与参考信号进行比较；将所述像素的所述第一检测信号通过第一垂直信号线传输到所述第一比较电路，并且将所述像素的所述第二检测信号通过第二垂直信号线传输到所述第二比较电路；连接到所述第一垂直信号线的第一归零复位信号生成电路和连接到所述第二垂直信号线的第二归零复位信号生成电路连接到相同的控制线；与到物体的距离相对应的深度值是根据所述第一检测信号与所述第二检测信号的差来计算的。
所述光接收装置和所述电子设备可以是独立的装置，或者可以是结合到其它装置中的模块。
根据本技术的实施例的第一到第四种形式，能够生成抑制了元件差异的距离信息。
本说明书中所描述的效果并非限制性的。即，本发明能够实现本公开内容中描述的效果中的任一效果。
附图说明
图1是示出采用了本技术实施例的光接收装置的第一实施例的结构示例的框图；
图2是设于像素阵列单元中的像素的剖面图；
图3是设于像素阵列单元中的像素的平面图；
图4是示出像素的等效电路的图；
图5是示出像素阵列单元的电路结构示例的图；
图6是示出图1的基准电平生成单元等的具体结构示例的图；
图7是说明在第一实施例中读出像素的检测信号的操作的图；
图8是示出采用了本技术实施例的光接收装置的第二实施例的结构示例的框图；
图9是示出图8的基准电平生成单元等的具体结构示例的图；
图10是说明在第二实施例中读出像素的检测信号的操作的图；
图11是示出垂直信号线的另一个结构示例的图；
图12是示出像素的另一个结构示例的图；
图13是示出测距模块的结构示例的框图；
图14是示出作为采用了本技术实施例的电子设备的智能电话的结构示例的框图；
图15是说明车辆控制系统的示意性结构的示例；和
图16是辅助说明车外信息检测部和摄像部的安装位置的示例的图。
具体实施方式
下面，说明实施本技术的方式(下文称为实施例)。应当指出，按以下顺序进行说明。
1.光接收装置的第一实施例
2.光接收装置的第二实施例
3.变形例
4.测距模块的结构示例
5.电子设备的结构示例
6.移动体的应用例
<1.光接收装置的第一实施例>
<光接收装置的结构示例>
图1是示出采用了本技术实施例的光接收装置的第一实施例的结构示例的框图。
图1所示的光接收装置1是这样的装置：接收从预定的光源施加的、在目标处反射并返回的脉冲光的反射光，并基于间接ToF方法输出距离测量信息。光接收装置1包括像素阵列单元11、阀门驱动电路12、垂直扫描电路13、基准信号生成单元14、恒流源电路单元15、比较电路单元16、计数器单元17、参考信号生成单元18、水平扫描电路19、系统控制单元20、信号处理单元21、数据存储单元22等。
像素阵列单元11具有如下结构：像素PX在行方向上和列方向上以矩阵形式二维布置，每个像素PX接收从预定的光源施加的、在目标处反射并返回的脉冲光的反射光。这里，行方向指像素PX在水平方向(像素行)上的排列方向，列方向指像素PX在垂直方向(像素列)上的排列方向。在像素阵列单元11中，例如，在垂直方向上布置480个像素PX，在水平方向上布置640个像素PX。像素PX接收从外部入射的光，特别是红外光，对接收的光进行光电转换，并根据获得的电荷输出检测信号VSL作为结果。像素PX具有第一阀门TA和第二阀门TB，通过施加预定电压GDA(第一电压)第一阀门TA检测光电转换获得的电荷，通过施加预定电压GDB(第二电压)第二阀门TB检测光电转换获得的电荷。
阀门驱动电路12经由控制线23A将预定电压GDA提供给像素阵列单元11的每个像素PX的第一阀门TA，并经由控制线23B将预定电压GDB提供给第二阀门TB。
垂直扫描电路13包括移位寄存器、地址解码器等，并且同时针对所有像素、按行等方式驱动像素阵列单元11的各像素PX。后文将说明像素PX的具体电路，垂直扫描电路13将复位驱动信号RST、FD驱动信号FDG、传输驱动信号TRG和选择信号SEL提供给各像素PX。
基准信号生成单元14在比较电路单元16执行自动归零操作时生成归零复位信号，并将该归零复位信号提供给比较电路单元16。
恒流源电路单元15包括多个恒流源31，并且一个恒流源31连接到一条垂直信号线24。恒流源31与经由垂直信号线24连接的像素PX中的晶体管共同构成源极跟随电路。
比较电路单元16包括多个比较电路32，并且一个比较电路32连接到一条垂直信号线24。比较电路32将从参考信号生成单元18提供的参考信号RAMP与从像素PX输出的检测信号VSL进行比较。
计数器单元17包括多个计数器(CNT)33，每个计数器33基于比较电路32的比较结果进行计数。比较电路单元16和计数器单元17构成了模拟数字转换器(ADC)。
参考信号生成单元18生成用于与来自像素PX的检测信号VSL进行比较的参考信号RAMP，并且将该参考信号RAMP提供给比较电路单元16的比较电路32。参考信号RAMP的电平(电压)随着时间以阶梯形式变化。
水平扫描电路19包括移位寄存器、地址解码器等，并依次选择计数器单元17的多个计数器33，并且将在A/D转换之后临时保持在计数器33中的检测信号VSL经由水平信号线25输出到信号处理单元21。
系统控制单元20包括用于生成各种时序信号的时序发生器等，并且基于时序发生器生成的各种时序对垂直扫描电路13、基准信号生成单元14、恒流源电路单元15、比较电路单元16和计数器单元17等进行驱动控制。
信号处理单元21至少具有运算处理功能，并且基于从计数器单元17的计数器33输出的检测信号VSL来进行各种信号处理。例如，信号处理单元21根据各像素PX的第一阀门TA的检测信号VSL和第二阀门TB的检测信号VSL之间的差来计算距目标距离的信息，并使得该距离信息从输出端子26输出。在信号处理单元21中进行信号处理时，数据存储单元22暂时存储该处理所需的数据。
如上所述的光接收装置1输出利用距物体的距离信息作为深度值的、存储在各像素中的深度图像。光接收装置1例如安装在车辆中，可以安装在车辆的测量距车外目标的距离的系统中，或者安装在手势识别的装置(测量距离诸如用户手部等目标的距离并基于测量结果识别用户的手势)等中。
<像素的结构示例>
下面，说明设于像素阵列单元11中的像素PX的结构。
图2示出了设于像素阵列单元11中的一个像素PX的剖面图，图3示出了像素PX的平面图。图2的A示出了沿图3的A-A’线截取的剖面图，图2的B示出了沿图3的B-B’线截取的剖面图。
如图2所示，像素PX具有包括硅基板(例如，具体为P型半导体层)的半导体基板61和形成于半导体基板61上的片上透镜62。
半导体基板61在图中垂直方向上的厚度，即在垂直于半导体基板61的表面的方向上的厚度，例如形成为20μm以下。应当指出，半导体基板61的厚度当然也可以为20μm以上，并且根据光接收装置1的目标特性等来确定半导体基板61的厚度就足够了。
另外，半导体基板61例如是具有1E+13以下量级的基板浓度的高阻抗P-Epi基板等，并且半导体基板61的阻抗(电阻率)例如形成为500[Ωcm]以上。
这里，半导体基板61的基板浓度和阻抗之间的关系例如为：当基板浓度为6.48E+12[cm3]时，阻抗为2000[Ωcm]；当基板浓度为1.30E+13[cm3]时，阻抗为1000[Ωcm]；当基板浓度为2.59E+13[cm3]时，阻抗为500[Ωcm]；当基板浓度为1.30E+14[cm3]时，阻抗为100[Ωcm]等。
在半导体基板61的图中，上侧的表面为使得反射光入射侧的表面(下文也称为光入射表面)，聚集从外部入射的反射光并使得该光入射到半导体基板61中的片上透镜62形成于光入射表面上。
另外，在半导体基板61的光入射表面上，在像素PX的边界部中形成有用于防止相邻像素间混色的像素间遮光膜63。像素间遮光膜63防止入射到像素PX中的光入射到相邻布置的另一个像素PX中。
在半导体基板61中与光入射表面相对的表面(即，图中下表面的内部)上形成有信号提取单元65-1和信号提取单元65-2。信号提取单元65-1对应于图1所示的第一阀门TA，信号提取单元65-2对应于图1所示的第二阀门TB。
信号提取单元65-1具有作为N型半导体区域的N+半导体区域71-1和施主杂质浓度低于N+半导体区域71-1的施主杂质浓度的N-半导体区域72-1，并且具有作为P型半导体区域的P+半导体区域73-1和受主杂质浓度低于P+半导体区域73-1的受主杂质浓度的P-半导体区域74-1。此处，相对于Si的施主杂质的示例可以包括属于元素周期表中5族的元素，例如磷(P)或砷(As)，相对于Si的受主杂质的示例可以包括属于元素周期表中3族的元素，例如硼(B)。作为施主杂质的元素称为施主元素，作为受主杂质的元素称为受主元素。
N-半导体区域72-1形成于N+半导体区域71-1的上侧以覆盖(围绕)N+半导体区域71-1。类似地，P-半导体区域74-1形成于P+半导体区域73-1的上侧以覆盖(围绕)P+半导体区域73-1。
在如图3所示的平面图中，N+半导体区域71-1形成为以P+半导体区域73-1为中心围绕P+半导体区域73-1的周围。形成于N+半导体区域71-1的上侧的N-半导体区域72-1也类似地形成为以P-半导体区域74-1为中心围绕P-半导体区域74-1的周围。
类似地，图2中的信号提取单元65-2具有作为N型半导体区域的N+半导体区域71-2和施主杂质浓度低于N+半导体区域71-2的施主杂质浓度的N-半导体区域72-2，并且具有作为P型半导体区域的P+半导体区域73-2和受主杂质浓度低于P+半导体区域73-2的受主杂质浓度的P-半导体区域74-2。
N-半导体区域72-2形成于N+半导体区域71-2的上侧以覆盖(围绕)N+半导体区域71-2。类似地，P-半导体区域74-2形成于P+半导体区域73-2的上侧以覆盖(围绕)P+半导体区域73-2。
在如图3所示的平面图中，N+半导体区域71-2形成为以P+半导体区域73-2为中心围绕P+半导体区域73-2的周围。形成于N+半导体区域71-2的上侧的N-半导体区域72-2也类似地形成为以P-半导体区域74-2为中心围绕P-半导体区域74-2的周围。
以下，在不需要在信号提取单元65-1和信号提取单元65-2之间进行特别区分的情况下，信号提取单元65-1和信号提取单元65-2也简称为信号提取单元65。
另外，以下，在不需要在N+半导体区域71-1和N+半导体区域71-2之间进行特别区分的情况下，N+半导体区域71-1和N+半导体区域71-2也简称为N+半导体区域71，在不需要在N-半导体区域72-1和N-半导体区域72-2之间进行特别区分的情况下，N-半导体区域72-1和N-半导体区域72-2也简称为N-半导体区域72。
而且，以下，在不需要在P+半导体区域73-1和P+半导体区域73-2之间进行特别区分的情况下，P+半导体区域73-1和P+半导体区域73-2也简称为P+半导体区域73，在不需要在P-半导体区域74-1和P-半导体区域74-2之间进行特别区分的情况下，P-半导体区域74-1和P-半导体区域74-2也简称为P-半导体区域74。
在半导体基板61的光入射表面侧的界面上形成有包括具有正的固定电荷的一层膜或层叠膜的固定电荷膜75。固定电荷膜75防止在半导体基板61的入射表面侧产生暗电流。
另一方面，在半导体基板61的针对各像素形成有片上透镜62的光入射表面侧的相对侧形成有多层配线层91。换言之，作为半导体层的半导体基板61位于片上透镜62和多层配线层91之间。多层配线层91包括五层金属膜M1～M5以及这些金属膜之间的层间绝缘膜92。应当指出，在图2的A中未示出多层配线层91的五层金属膜M1～M5中最外侧的金属膜M5，这是因为其处于不可见的位置，而在图2的B中示出了金属膜M5。
多层配线层91的五层金属膜M1～M5中最靠近半导体基板61的金属膜M1包括用于将预定电压GDA或GDB施加到P+半导体区域73-1或73-2的电压施加配线93以及作为反射入射光的部件的反射部件94。
而且，除了用于将预定电压GDA或GDB施加到作为电压施加单元的P+半导体区域73的电压施加配线93之外，在金属膜M1中还形成有连接到作为电荷检测单元的N+半导体区域71的一部分的信号提取配线95。信号提取配线95将由N+半导体区域71检测到的电荷传输到FD102(图4)。
如图2的B所示，信号提取单元65-2(第二阀门TB)连接到金属膜M1的电压施加配线93，并且电压施加配线93经由通孔电连接到金属膜M4的配线96-2。金属膜M4的配线96-2经由通孔连接到金属膜M5的控制线23B，并且金属膜M5的控制线23B连接到阀门驱动电路12。由此，将预定电压GDB从阀门驱动电路12经由金属膜M5的控制线23B、金属膜M4的配线96-2和电压施加配线93提供到作为电压施加单元的P+半导体区域73-2。
类似地，在像素PX的未图示的区域中，将预定电压GDA从阀门驱动电路12经由金属膜M5的控制线23A、金属膜M4的配线96-1和电压施加配线93提供到信号提取单元65-1(第一阀门TA)的作为电压施加单元的P+半导体区域73-1。
如上所述，在图1的光接收装置1中，半导体基板61的光入射表面是称作与多层配线层91侧相对的侧的背面，因此，光接收装置1具有背面照射型电流辅助光子解调器(current assisted photonic demodulator，CAPD)结构。
设于半导体基板61上的N+半导体区域71作为电荷检测单元用于检测从外部入射到像素PX的光的光量，即，由半导体基板61进行光电转换所产生的信号载流子的量。应当指出，除了N+半导体区域71之外，具有低施主杂质浓度的N-半导体区域72也可视为电荷检测单元。
另外，P+半导体区域73作为电压施加单元用于将多数载流子电流注入到半导体基板61中，即，将电压直接施加到半导体基板61以在半导体基板61中产生电场。应当指出，除了P+半导体区域73之外，具有低受主杂质浓度的P-半导体区域74也可视为电压施加单元。
在图3的平面图中，信号提取单元65具有位于中心的作为电压施加单元的P+半导体区域73，并且具有布置成围绕P+半导体区域73的周围的作为电荷检测单元的N+半导体区域71。
如图3所示，信号提取单元65-1和65-2布置在关于像素PX的中心部对称的位置中。应当指出，尽管图3示出了N+半导体区域71和P+半导体区域73中各者的平面形状为八边形的示例，但该平面形状也可以是诸如正方形、矩形、圆形等其它平面形状。
<像素的等效电路结构示例>
图4示出了像素PX的等效电路。
像素PX包括用于具有N+半导体区域71-1、P+半导体区域73-1等的信号提取单元65-1(第一阀门TA)的传输晶体管101A、FD 102A、附加电容103A、切换晶体管104A、复位晶体管105A、放大晶体管106A和选择晶体管107A。
而且，像素PX包括用于具有N+半导体区域71-2、P+半导体区域73-2等的信号提取单元65-2(第二阀门TB)的传输晶体管101B、FD 102B、附加电容103B、切换晶体管104B、复位晶体管105B、放大晶体管106B和选择晶体管107B。
传输晶体管101(101A和101B)、切换晶体管104(104A和104B)、复位晶体管105(105A和105B)、放大晶体管106(106A和106B)和选择晶体管107(107A和107B)中的各者均包括N型MOS晶体管。
阀门驱动电路12将预定电压GDA施加到P+半导体区域73-1，并将预定电压GDB施加到P+半导体区域73-2。例如，电压GDA和GDB中的一者为1.5V，另一者为0V。
N+半导体区域71-1和71-2中的各者均为电荷检测单元，用于检测并累积入射到半导体基板61的光经过光电转换所产生的电荷。
如果提供到传输晶体管101A的栅极的传输驱动信号TRG进入有效状态，则传输晶体管101A相应地进入导通状态，由此将累积在N+半导体区域71-1中的电荷传输到FD 102A。如果提供到传输晶体管101B的栅极的传输驱动信号TRG进入有效状态，则传输晶体管101B相应地进入导通状态，由此将累积在N+半导体区域71-2中的电荷传输到FD 102B。
FD 102A暂时保持从N+半导体区域71-1提供的电荷。FD 102B暂时保持从N+半导体区域71-2提供的电荷。
如果提供到切换晶体管104A的栅极的FD驱动信号FDG进入有效状态，则切换晶体管104A相应地进入导通状态，由此使得附加电容103A连接到FD 102A。如果提供到切换晶体管104B的栅极的FD驱动信号FDG进入有效状态，则切换晶体管104B相应地进入导通状态，由此使得附加电容103B连接到FD 102B。
例如，在入射光的光量多的高照射度时，垂直扫描电路13使得切换晶体管104A和104B进入有效状态以将FD 102A和附加电容103A连接并且将FD 102B和附加电容103B连接。由此，在高照射度时能够累积更多量的电荷。
另一方面，在入射光的光量少的低照射度时，垂直扫描电路13使得切换晶体管104A和104B进入无效状态以使附加电容103A与FD 102A分离并且使附加电容103B与FD102B分离。由此，能够提高转换效率。
如果提供到复位晶体管105A的栅极的复位驱动信号RST进入有效状态，则复位晶体管105A相应地进入导通状态，由此将FD 102A的电位复位到预定电平(复位电压VDD)。如果提供到复位晶体管105B的栅极的复位驱动信号RST进入有效状态，则复位晶体管105B相应地进入导通状态，由此将FD 102B的电位复位到预定电平(复位电压VDD)。应当指出，当使复位晶体管105A和105B进入有效状态时，也同时使得传输晶体管101A和101B进入有效状态。
通过将放大晶体管106A的源极经由选择晶体管107A连接到垂直信号线24A，放大晶体管106A连同恒流源电路单元15的恒流源31构成源极跟随器电路。通过将放大晶体管106B的源极经由选择晶体管107B连接到垂直信号线24B，放大晶体管106B连同恒流源电路单元15的恒流源31构成源极跟随器电路。
选择晶体管107A连接在放大晶体管106A的源极与垂直信号线24A之间。如果提供到选择晶体管107A的栅极的选择信号SEL进入有效状态，则选择晶体管107A相应地进入导通状态，并将从放大晶体管106A输出的检测信号VSL输出到垂直信号线24A。
选择晶体管107B连接在放大晶体管106B的源极与垂直信号线24B之间。如果提供到选择晶体管107B的栅极的选择信号SEL进入有效状态，则选择晶体管107B相应地进入导通状态，并将从放大晶体管106B输出的检测信号VSL输出到垂直信号线24B。
像素PX的传输晶体管101A和101B、复位晶体管105A和105B、放大晶体管106A和106B、选择晶体管107A和107B由垂直扫描电路13来控制。
在图4的等效电路中，可以省略附加电容103A和103B以及控制其连接的切换晶体管104A和104B，但是通过设置附加电容103并根据入射光的光量以不同的方式使用它们，能够确保高动态范围。
<像素的电荷检测操作>
将参照图2和图4说明像素PX的检测操作。
在试图通过间接ToF方法测量到目标的距离的情况下，例如，从设有光接收装置1的摄像装置向目标发出红外光。另外，在红外光被目标反射并作为反射光返回到摄像装置的情况下，光接收装置1接收入射到其上的反射光(红外光)并进行光电转换。
在此情况下，阀门驱动电路12使得像素PX被驱动，并将通过光电转换获得的电荷分配到作为一个电荷检测单元(第一电荷检测单元)的连接到N+半导体区域71-1的FD 102A以及作为另一个电荷检测单元(第二电荷检测单元)的连接到N+半导体区域71-2的FD102B。
更具体地，在某一时刻，阀门驱动电路12将预定电压经由电压施加配线93等施加到两个P+半导体区域73。例如，阀门驱动电路12将1.5V的电压施加到P+半导体区域73-1，并将0V的电压施加到P+半导体区域73-2。
之后，在半导体基板61中的两个P+半导体区域73之间产生电场，并且电流从P+半导体区域73-1流到P+半导体区域73-2。在此情况下，半导体基板61中的空穴向P+半导体区域73-2移动，并且电子向P+半导体区域73-1移动。
因此，在这样的状态下，在红外光(反射光)通过片上透镜62从外部进入到半导体基板61的内部的情况下，对半导体基板61中的红外光进行光电转换以将红外光转换成电子空穴对，所得到的电子被P+半导体区域73之间的电场向P+半导体区域73-1引导，并且移动到N+半导体区域71-1。
在此情况下，使用通过光电转换产生的电子作为用于根据入射到像素PX的红外光的光量(即红外光的接收光量)检测信号的信号载流子。
由此，在N+半导体区域71-1中检测基于已经移动进入N+半导体区域71-1的电子的电荷，并且电荷累积在FD 102A中。在切换晶体管104A处于有效状态的情况下，电荷还累积在附加电容103A中。在像素PX被选择时，基于该电荷的信号经由垂直信号线24A等被输出到比较电路单元16的比较电路32。
之后，读出的信号在比较电路单元16的比较电路32和计数器单元17的计数器33中经过A/D转换处理，并且将所得到的检测信号VSL的A/D转换值提供给信号处理单元21。检测信号VSL的A/D转换值是表示通过N+半导体区域71-1检测到的电荷量(换言之，由像素PX接收的红外光的光量)的值。
应当指出，此时，类似于N+半导体区域71-1的情况，基于在N+半导体区域71-2中检测到的电荷的信号也能够用于适当的距离测量。
而且，在下一时刻，阀门驱动电路12将电压施加到两个P+半导体区域73，使得产生与目前已经在半导体基板61中产生的电场相反方向的电场。具体地，例如，将0V的电压施加到P+半导体区域73-1，并且将1.5V的电压施加到P+半导体区域73-2。
因此，在半导体基板61中的两个P+半导体区域73之间产生电场，并且电流从P+半导体区域73-2流到P+半导体区域73-1。
在这样的状态下，在红外光(反射光)通过片上透镜62从外部进入到半导体基板61的内部的情况下，对半导体基板61中的红外光进行光电转换以将红外光转换成一对电子空穴，所得到的电子被P+半导体区域73之间的电场沿P+半导体区域73-2的方向引导，并且移动到N+半导体区域71-2中。
由此，在N+半导体区域71-2中检测基于已经移动进入N+半导体区域71-2的电子的电荷，并且电荷累积在FD 102B中。在切换晶体管104B处于有效状态的情况下，电荷还累积在附加电容103B中。在像素PX被选择时，基于该电荷的信号经由垂直信号线24B等被输出到比较电路单元16的比较电路32。
之后，读出的信号在比较电路单元16的比较电路32和计数器单元17的计数器33中经过A/D转换处理，并且将所得到的检测信号VSL的A/D转换值提供给信号处理单元21。检测信号VSL的A/D转换值是表示通过N+半导体区域71-2检测到的电荷量(换言之，由像素PX接收的红外光的光量)的值。
应当指出，此时，类似于N+半导体区域71-2的情况，基于在N+半导体区域71-1中检测到的电子的信号也能够用于适当的距离测量。
如上所述，在以下情况下：获得了通过在同一像素PX中彼此不同的时段的光电转换得到的检测信号VSL，信号处理单元21基于检测信号VSL计算表示到目标距离的距离信息并将该距离信息输出到后级。
如上所述，将信号载流子分配到彼此不同的N+半导体区域71并基于根据信号载流子的信号计算距离信息的方法称为间接ToF方法。
这里，其中将要根据通过光电转换得到的电荷(电子)进行信号读取的信号提取单元65，即，其中将要检测通过光电转换得到的电荷的信号提取单元65称为有效阀门。
相反地，基本上，其中未根据通过光电转换得到的电荷进行信号读取的信号提取单元65，即，不是有效阀门的信号提取单元65称为无效阀门。
在上述示例中，其中将1.5V的电压施加到P+半导体区域73的信号提取单元65是有效阀门，其中将0V的电压施加到P+半导体区域73的信号提取单元65是无效阀门。
对于CAPD传感器，存在称为Cmod(有效阀门和无效阀门之间的对比)的值作为距离测量精度的指标。通过以下表达式(1)来计算Cmod。在表达式(1)中，I0是在两个电荷检测单元(P+半导体区域73)中的一个中检测的信号，I1是在两个电荷检测单元中的另一个中检测的信号。
Cmod＝{|I0-I1|/(I0+I1)}×100…(1)
Cmod表示：在通过入射的红外光的光电转换产生的电荷中，在作为有效阀门的信号提取单元65的N+半导体区域71中能够检测到多少％(百分比)的电荷，即，表示是否能够根据电荷提取信号的指标，并且表示电荷分离效率。
因此，例如，在从外部入射的红外光入射到无效阀门的区域并且在无效阀门中进行光电转换的情况下，作为通过光电转换产生的信号载流子的电子将移动到无效阀门中的N+半导体区域71的可能性高。因此，通过光电转换得到的一部分电子的电荷在有效阀门中的N+半导体区域71中未被检测出，Cmod(即电荷分离效率)降低。
因此，在像素PX中，红外光被聚集在位于距离两个信号提取单元65基本相同距离的像素PX的中心部分附近，使得对从外部入射到无效阀门的区域中的红外光进行光电转换的可能性降低。因而能够提高电荷分离效率。
<像素阵列单元的电路结构示例>
图5示出了像素阵列单元11的电路结构示例。
图5示出了在像素阵列单元11中以矩阵形式二维排列的多个像素PX中2x2四个像素的电路结构。应当指出，在图5中区分2x2四个像素PX的情况下，示为像素PX1～PX4。
如参照图4所述，各像素PX包括用于第一阀门TA和第二阀门TB中的各者的传输晶体管101、FD 102、附加电容103、切换晶体管104、复位晶体管105、放大晶体管106和选择晶体管107。
在像素阵列单元11的垂直方向上，在一个像素列中布置有控制线23A和23B。之后，将预定电压GDA经由控制线23A提供给在列方向上布置的多个像素PX中每个像素PX的第一阀门TA，并且将预定电压GDB经由控制线23B提供给第二阀门TB。
另外，在像素阵列单元11的垂直方向上，在一个像素列中布置有四条垂直信号线24A～24D。
在像素PX1和PX2的像素列中，例如，垂直信号线24A将像素PX1的第一阀门TA的检测信号VSL0传输到比较电路单元16(图1)，垂直信号线24B将像素PX1的第二阀门TB的检测信号VSL1传输到比较电路单元16，垂直信号线24C将同一列中与像素PX1相邻的像素PX2的第一阀门TA的检测信号VSL2传输到比较电路单元16，垂直信号线24D将像素PX2的第二阀门TB的检测信号VSL3传输到比较电路单元16。
在像素PX3和PX4的像素列中，例如，垂直信号线24A将像素PX3的第一阀门TA的检测信号VSL0传输到比较电路单元16(图1)，垂直信号线24B将像素PX3的第二阀门TB的检测信号VSL1传输到比较电路单元16，垂直信号线24C将同一列中与像素PX3相邻的像素PX4的第一阀门TA的检测信号VSL2传输到比较电路单元16，垂直信号线24D将像素PX4的第二阀门TB的检测信号VSL3传输到比较电路单元16。
另一方面，在像素阵列单元11的水平方向上，传输复位驱动信号RST的控制线121、传输传输驱动信号TRG的控制线122、传输FD驱动信号FDG的控制线123以及传输选择信号SEL的控制线124基于像素行布置。
对于复位驱动信号RST、FD驱动信号FDG、传输驱动信号TRG和选择信号SEL，从垂直扫描电路13将相同的信号提供给在垂直方向上相邻的两行的像素PX。
如上所述，针对像素阵列单元11的各像素PX布置控制线23A和23B以及控制线121～124。
阀门驱动电路12按列将预定电压GDA和预定电压GDB提供给像素阵列单元11的所有像素PX的第一阀门TA和第二阀门TB。换言之，电荷被分配到像素阵列单元11的各像素PX的FD 102A和FD 102B的时序对于所有像素PX而言是相同的。
那么，通过垂直扫描电路13的控制，累积在像素阵列单元11的各像素PX的FD 102A和FD 102B中的电荷以两行为单位被顺序读出到比较电路单元16。
<基准信号生成单元等的具体结构示例>
下面，参照图6说明基准信号生成单元14、恒流源电路单元15、比较电路单元16和计数器单元17的具体结构示例。
图6示出了如同图5所示的像素PX1和像素PX2或者像素PX3和像素PX4、对应于在垂直方向上相邻的两个像素的基准信号生成单元14、恒流源电路单元15、比较电路单元16和计数器单元17的具体结构示例。
如上所述，在垂直方向上相邻的两个像素PX经由垂直信号线24A～24D同时输出检测信号VSL0～VSL3。
基准信号生成单元14包括多个基准信号生成电路141，并且基准信号生成电路141针对垂直信号线24一一对应地设置。
基准信号生成电路141包括串联连接的放大晶体管161和选择晶体管162。放大晶体管161和选择晶体管162和中的各者包括N型MOS晶体管。
通过放大晶体管161的源极经由选择晶体管162连接到垂直信号线24，放大晶体管161与恒流源电路单元15的恒流源31共同构成源极跟随器电路。放大晶体管161根据经由控制线163提供到放大晶体管161的栅极的控制信号而被置为ON。控制线163连接到基准信号生成单元14中的各基准信号生成电路141的放大晶体管161的栅极。
选择晶体管162连接在放大晶体管161的源极与垂直信号线24之间。如果经由控制线164提供到选择晶体管162的栅极的选择信号SELst进入有效状态，则选择晶体管162相应地进入导通状态，并将从放大晶体管161输出的基准信号BSL1输出到垂直信号线24。控制线164连接到基准信号生成单元14中的各基准信号生成电路141的选择晶体管162的栅极。放大晶体管161和选择晶体管162例如由系统控制单元20控制。
通过系统控制单元20的控制，放大晶体管161和选择晶体管162在比较电路单元16执行自动归零操作的自动归零时段内被同时置为ON。因此，在自动归零时段内，基准信号生成电路141产生预定电压的基准信号BSL1，并将基准信号BSL1提供给比较电路单元16中相应的比较电路32。基准信号BSL1用作比较电路单元16执行自动归零操作时的归零复位信号，并且基准信号生成电路141等同于在执行自动归零操作时产生归零复位信号的归零复位信号生成电路。
恒流源电路单元15包括针对一条垂直信号线24的一个恒流源31，并且用作源极跟随器电路的电流源。
恒流源31包括开关171、电容器(电容元件)172和负载晶体管173。例如，开关171通过系统控制单元20的控制以预定时序进入导通状态，并且在电容器172中累积预定的电荷。电容器172根据累积的电荷将预定电压施加到负载晶体管173的栅极。
比较电路单元16包括针对一条垂直信号线24的一个比较电路32。比较电路32将经由垂直信号线24输入的像素PX的检测信号VSL与从参考信号生成单元18提供的参考信号RAMP进行比较，并输出比较结果信号COM_Out。另外，比较电路单元16在自动归零时段内通过利用归零复位信号执行自动归零操作。
比较电路32包括电容器(电容元件)181和182、开关183和184、比较器185以及感测放大器186。
在执行比较器185的两个输入端子被置为相同电压的自动归零操作时，电容器181和182以及开关183和184被置为ON。更具体地，在自动归零操作期间，开关183和184被置为ON，并且电容器181和182被充电，使得给予连接到垂直信号线24的第一输入端子和连接到参考信号生成单元18的第二输入端子的电压相等。开关183和184例如由系统控制单元20控制。
比较器185将输入到第一输入端子的输入信号VSLIN与输入到第二输入端子的参考信号RAMP进行比较，并将比较结果信号COM_Out经由感测放大器186输出到计数器33。对于第一输入端子，由基准信号生成电路141产生的基准信号BSL1在自动归零操作期间被输入作为输入信号VSLIN，并且在计数操作期间从像素PX输入检测信号VSL。在计数操作期间，在作为输入信号VSLIN输入的像素PX的检测信号VSL小于参考信号RAMP的情况下，比较器185输出Hi(高)的比较结果信号COM_Out，在检测信号VSL大于参考信号RAMP的情况下，比较器185输出Lo(低)的比较结果信号COM_Out。
感测放大器186放大由比较器185输出的比较结果信号COM_Out，并将放大的信号输出到计数器单元17。
计数器单元17包括针对一条垂直信号线24的一个计数器33。
基于系统控制单元20提供的时钟信号AD_CLK，计数器33仅在提供有Hi的比较结果信号COM_Out时计数内部计数器。计数结果为A/D转换之后的检测信号VSL。
<检测信号读出操作>
将参照图7说明根据第一实施例的光接收装置1的像素PX的检测信号VSL的读出操作。
通过施加到第一阀门TA的电压GDA和施加到第二阀门TB的电压GDB，在各像素PX中反射光通过光电转换所产生的电荷被分配且累积在作为电荷检测单元的N+半导体区域71-1和71-2中。被分配且累积在N+半导体区域71-1和71-2中的电荷被传输到FD 102A和FD102B，之后通过后续的读出操作被读出作为像素PX的检测信号VSL。
首先，在从时刻t1到时刻t3的自动归零时段中，执行用于消除比较器185之间的阈值差异的自动归零操作。
在自动归零操作中，通过系统控制单元20的控制，基准信号生成单元14的所有基准信号生成电路141被置为ON，并且由各基准信号生成电路141产生的基准信号BSL1被提供到经由垂直信号线24连接的比较电路单元16的比较电路32。在比较电路单元16的各比较电路32中，开关183和184已经置为ON。
通过自动归零操作，在从时刻t1到时刻t2的处理时段中，输入信号VSLIN和参考信号RAMP被输入到比较电路32的比较器185。这里，输入信号VSLIN为从基准信号生成电路141输出的基准信号BSL1，输入信号VSLIN和参考信号RAMP转变成为预定的基准电压V1，并且在时刻t3前重合。由此消除了比较器185之间的阈值差异。
在自动归零时段结束的时刻t3，基准信号生成单元14的各基准信号生成电路141被置为OFF，并且比较电路单元16的各比较电路32的开关183和184也置为OFF。
从时刻t3到时刻t5的下一时段为计数时段，在计数时段中，待读出的像素PX的模拟检测信号VSL被读出并计数，由此转换成数字值。
在时刻t3，待读出的像素PX的选择晶体管107A和107B被置为ON，并且从参考信号生成单元18输出的参考信号RAMP的电压被设置为电压V2，电压V2为在自动归零操作中偏移基准电压V1预定电位的电压。
因此，在从时刻t3到时刻t4的处理时段中，输入到比较电路32的比较器185的第一输入端子的输入信号VSLIN转变为像素PX的检测信号VSL的电压V3，并且输入到第二输入端子的参考信号RAMP转变为电压V2。
在从时刻t4到时刻t5的下一时段中，将时钟信号AD_CLK从系统控制单元20提供到计数器33，并且计数器33基于时钟信号AD_CLK在从比较器185提供有Hi的比较结果信号COM_Out的时段期间执行计数。
如果在时刻t5输入信号VSLIN和参考信号RAMP的电压重合并且比较结果信号COM_Out转变为Lo，则计数器33停止计数。计数结果为待读出的像素PX的检测信号VSL的A/D转换值。之后，通过水平扫描电路19的控制，检测信号VSL的A/D转换值以预定时序被输出到信号处理单元21。
如上所述，在光接收装置1的第一实施例中，在输出检测信号VSL的像素PX和将检测信号VSL与参考信号RAMP进行比较的比较器185之间设有在执行自动归零操作时输出基准信号BSL1作为归零复位信号的基准信号生成电路141。
在执行待读出的像素PX的模拟检测信号VSL被转换为数字值的计数操作之前，基准信号生成电路141产生基准信号BSL1，并将基准信号BSL1输出到比较电路32的比较器185。比较电路32的比较器185通过利用基准信号BSL1作为输入信号VSLIN执行自动归零操作。因此，能够消除比较器185之间的阈值差异，并且比较器185能够输出消除了元件差异的检测信号VSL。
<2.光接收装置的第二实施例>
下面，将说明光接收装置的第二实施例。
在如上所述的第一实施例中，在自动归零操作期间作为归零复位信号提供到比较电路32的基准信号BSL1的基准电压V1为与由像素PX输出的检测信号VSL无关地设置的任意电压。然而，根据基准电压V1的设置，在计数时段的起始的时间点处参考信号RAMP的电压V2与像素PX的检测信号VSL的电压V3之间的差Vdif比需要的大，并且计数时段可能比需要的长。
因此，在第二实施例的光接收装置1中，说明了以下结构：在自动归零操作期间作为归零复位信号提供到比较电路32的电压被设置为与由像素PX输出的检测信号VSL相关的值，由此可防止计数时段比需要的长。
<光接收装置的结构示例>
图8是示出采用了本技术的实施例的光接收装置的第二实施例的结构示例的框图。
在图8中，与图1中第一实施例对应的部分用相同的附图标记表示，适当地省略了该部分的说明。
在图1所示的第一实施例中，基准信号生成单元14设于像素阵列单元11的外部，然而，在图8的第二实施例中，基准信号生成单元221设于像素阵列单元11中的OPB区域201中。
即，第二实施例与第一实施例的区别在于，代替了第一实施例的基准信号生成单元14，基准信号生成单元221设于像素阵列单元11中的OPB区域201中，在其它方面与第一实施例相同。
OPB区域201是遮光像素PXG二维排列的区域，每个遮光像素PXG具有与像素PX相同的像素电路结构，但是在每个遮光像素PXG中，光电转换区域(半导体基板61)被遮光，使得没有反射光进入。例如，OPB区域201在水平方向上具有与像素阵列单元11的有效像素区域中的像素PX(有效像素)的列数相同数目的列，并且例如在垂直方向上具有与输出检测信号VSL0～VSL3的像素PX的两行相对应的两行。
<基准电平生成电路等的具体结构示例>
图9示出了图8的基准信号生成单元221的具体结构示例。
类似于第一实施例的图6所示，图9示出了以下具体结构示例：与从有效像素区域中在垂直方向上相邻的两个像素输出的检测信号VSL0～VSL3相对应的基准信号生成单元221以及对应于基准信号生成单元221的恒流源电路单元15、比较电路单元16和计数器单元17。
应当指出，恒流源电路单元15、比较电路单元16和计数器单元17的具体结构类似于第一实施例，因此省略了其说明。
基准信号生成单元221针对一个像素列包括至少两个遮光像素PXG、四个开关241和四个基准信号生成电路141。两个遮光像素PXG在垂直方向上布置为对应于在有效像素区域中输出检测信号VSL0～VSL3的垂直方向的两个像素。
除了光电转换区域(半导体基板61)被遮光使得没有反射光进入之外，两个遮光像素PXG中的每个遮光像素PXG均具有与有效像素区域中的像素PX相同的电路结构。在比较电路单元16执行自动归零操作的自动归零时段中，遮光像素PXG将表示黑电平的检测信号VSLG输出到垂直信号线24。
如同第一实施例，基准信号生成电路141针对一条垂直信号线24一一对应地布置。开关241针对布置在像素阵列单元11中的所有垂直信号线24一一对应地布置在水平方向上相邻的垂直信号线24之间。基准信号生成单元221中的多个开关241通过一条控制线242相互连接。
如同第一实施例，在比较电路单元16执行自动归零操作的自动归零时段中，基准信号生成电路141产生预定电压的基准信号BSL2，并将基准信号BSL2提供到比较电路单元16的比较电路32。
因此，在第二实施例中，在比较电路单元16执行自动归零操作的自动归零时段中，来自遮光像素PXG的检测信号VSLG和来自基准信号生成电路141的基准信号BSL2被输出到垂直信号线24。检测信号VSLG和基准信号BSL2的和信号用作比较电路单元16执行自动归零操作时的归零复位信号，并且遮光像素PXG和基准信号生成电路141等同于在执行自动归零操作时产生归零复位信号的归零复位信号生成电路。
开关241根据经由控制线243从系统控制单元20提供的选择控制信号SELAZ进入导通状态，并将像素阵列单元11中的所有垂直信号线24连接在一起。在自动归零时段期间，系统控制单元20使所有开关241进入导通状态，并且使所有垂直信号线24连接在一起。
通过利用开关241将布置在像素阵列单元11中的所有垂直信号线24连接在一起，在OPB区域201的所有遮光像素PXG中包括一个以上的缺陷像素的情况下，能够抑制缺陷像素的影响。
<检测信号读出操作>
将参照图10说明根据第二实施例的光接收装置1的像素PX的检测信号VSL的读出操作。
通过施加到第一阀门TA的电压GDA和施加到第二阀门TB的电压GDB，在各像素PX中反射光通过光电转换所产生的电荷被分配且累积在作为电荷检测单元的N+半导体区域71-1和71-2中。被分配且累积在N+半导体区域71-1和71-2中的电荷被传输到FD 102A和FD102B，之后通过后续的读出操作被读出作为像素PX的检测信号VSL。
首先，在从时刻t11到时刻t13的自动归零时段中，执行用于消除比较器185之间的阈值差异的自动归零操作。
在自动归零操作中，OPB区域201中的所有遮光像素PXG的选择晶体管107A和107B被控制为ON，并且读出遮光像素PXG的检测信号VSLG。遮光像素PXG的检测信号VSLG是等同于黑电平的信号。另外，通过系统控制单元20的控制，基准信号生成单元221的所有基准信号生成电路141被置为ON，并且从各基准信号生成电路141输出预定的基准信号BSL2。基准信号BSL2是与第一实施例的基准信号BSL1不同的电压。另外，基准信号生成单元221中的所有开关241根据Hi的选择控制信号SELAZ被置为ON。
通过自动归零操作，在从时刻t11到时刻t12的处理时段中，输入信号VSLIN和参考信号RAMP被输入到比较电路32的比较器185。这里，输入信号VSLIN为遮光像素PXG的检测信号VSLG与从基准信号生成电路141输出的基准信号BSL2相加所得的信号。输入信号VSLIN和参考信号RAMP转变成为预定的基准电压V1’，并且在时刻t13前重合。由此消除了比较器185之间的阈值差异。
在自动归零时段结束的时刻t13，OPB区域201中的所有遮光像素PXG的选择晶体管107A和107B、基准信号生成单元221的所有基准信号生成电路141和开关241以及比较电路单元16的所有比较电路32的开关183和184被置为OFF。
从时刻t13到时刻t15的下一时段为计数时段，在计数时段中，待读出的像素PX的模拟检测信号VSL被读出并计数，由此转换成数字值。
在时刻t13，待读出的像素PX的选择晶体管107A和107B被置为ON，并且从参考信号生成单元18输出的参考信号RAMP的电压被设置为电压V2’，电压V2’为在自动归零操作中偏移基准电压V1’预定电位的电压。
因此，在从时刻t13到时刻t14的处理时段中，输入到比较电路32的比较器185的第一输入端子的输入信号VSLIN转变为像素PX的检测信号VSL的电压V3’，并且输入到第二输入端子的参考信号RAMP转变为电压V2’。
在从时刻t14到时刻t15的下一时段中，将时钟信号AD_CLK从系统控制单元20提供到计数器33，并且计数器33基于时钟信号AD_CLK在比较器185提供有Hi的比较结果信号COM_Out的时段期间执行计数。
如果在时刻t15输入信号VSLIN和参考信号RAMP的电压重合并且比较结果信号COM_Out转变为Lo，则计数器33停止计数。计数结果为待读出的像素PX的检测信号VSL的A/D转换值。之后，通过水平扫描电路19的控制，检测信号VSL的A/D转换值以预定时序被输出到信号处理单元21。
如上所述，在光接收装置1的第二实施例中，基准信号生成单元221设于OPB区域201中。基准信号生成单元221包括多个遮光像素PXG，并且在执行自动归零操作时将如下信号提供给比较电路32的比较器185作为归零复位信号：表示由多个遮光像素PXG中的每个遮光像素PXG输出的黑电平的检测信号VSLG以及由基准信号生成电路141输出的基准信号BSL2相加所得的信号。
比较电路32的比较器185通过利用检测信号VSLG与基准信号BSL2的和信号作为归零复位信号执行自动归零操作。因此，能够消除比较器185之间的阈值差异，并且比较器185能够输出消除了元件差异的检测信号VSL。
而且，在自动归零操作期间作为输入信号VSLIN提供到比较器185的归零复位信号为这样的信号：采用等同于由遮光像素PXG输出的黑电平的检测信号VSLG作为基准，因此，能够将在计数时段的起始的时间点处参考信号RAMP的电压V2’与像素PX的检测信号VSL的电压V3’之间的差Vdif’设置为小于第一实施例中的差Vdif(Vdif’<Vdif)，并且能够防止计数时段比需要的长。换言之，能够适当地设置计数时段中的最大计数值。对用于形成光接收装置1的芯片的仅平面内差异，能够抑制阈值差异。
而且，在自动归零时段期间，基准信号生成单元221中的所有开关241被置为ON，并且所有垂直信号线24连接在一起，因此，即使在OPB区域201中的所有遮光像素PXG中包括缺陷像素的情况下，也能够将抑制了缺陷像素的影响的检测信号VSLG输出到比较电路32。
应当指出，在如上所述的第二实施例中，将包括输出检测信号VSLG的遮光像素PXG和输出基准信号BSL2的基准信号生成电路141的结构描述为对应于一个比较电路32的基准信号生成单元221的结构，然而，可以省略基准信号生成电路141。在此情况下，在自动归零操作中，只是将来自遮光像素PXG的检测信号VSLG作为输入信号VSLIN提供到比较器185的第一输入端子，因此，遮光像素PXG等同于在执行自动归零操作时产生归零复位信号的归零复位信号生成电路。
而且，在如上所述的第二实施例中，已经提出，OPB区域201中的遮光像素PXG在水平方向上具有与像素阵列单元11的像素PX(有效像素)的列数相同数目的列，并且在垂直方向上具有与在有效像素区域的垂直方向上的两行相对应的两行。然而，在垂直方向上，可以是一行，或者可以是三行以上。通过在OPB区域201中布置大量的遮光像素PXG，在OPB区域201中的遮光像素PXG中包括缺陷像素的情况下，能够在自动归零操作中更好的抑制缺陷像素的影响。
在光接收装置1的第一实施例和第二实施例中，包括基准信号生成电路141或者遮光像素PXG中至少一者的归零复位信号生成电路在比较电路32的比较器185执行自动归零操作时产生并提供归零复位信号，由此能够输出消除了比较器185间的元件差异的检测信号VSL。因此，能够生成抑制了元件差异的距离信息。
<3.变形例>
<垂直信号线的数目>
在如上所述的各实施例中，光接收装置1具有以下结构：针对像素阵列单元11的一个像素列布置四条垂直信号线24A～24D，并且同时输出在垂直方向上相邻的两行的第一像素PX和第二像素PX的四个检测信号VSL。即，光接收装置1具有以下结构：同时输出第一像素PX的第一阀门TA的检测信号VSL0和第二阀门TB的检测信号VSL1以及第二像素PX的第一阀门TA的检测信号VSL2和第二阀门TB的检测信号VSL3。
然而，例如如图11所示，可以采用针对像素阵列单元11的一个像素列布置两条垂直信号线24A和24B的结构，并且可以采用以下结构：像素PX的第一阀门TA的检测信号VSL0和第二阀门TB的检测信号VSL1以一行为单位按线顺序输出。在此情况下，如图11所示，从垂直扫描电路13按行提供复位驱动信号RST、FD驱动信号FDG、传输驱动信号TRG和选择信号SEL。
在如同图5所示的结构示例中，针对一个像素列布置四条垂直信号线24A～24D，尽管能够高速执行整个像素阵列单元11的检测信号VSL的读出，但是垂直信号线24的数目多。
另一方面，在如同图11的结构示例中，针对像素列布置两条垂直信号线24A和24B，尽管整个像素阵列单元11的检测信号VSL的读出慢，但是能够减少垂直信号线24的数目。
<栅极结构的像素>
在如上所述的各实施例中，光接收装置1的像素PX具有CAPD结构，即，将预定电压GDA或GDB直接施加到半导体基板61的P+半导体区域73-1和73-2中的各者，并且通过光电转换产生的信号电荷(电子)被传输到作为电荷检测单元的N+半导体区域71-1或71-2。
然而，本技术的实施例不但能够应用于CAPD结构的像素PX，而且能够应用于栅极结构的像素PX，在栅极结构的像素PX中，通过光电二极管产生的信号电荷(电子)通过两个传输晶体管被分配到作为电荷累积单元的两个FD。
图12示出了在像素PX具有栅极结构的情况下的像素PX的等效电路。
除了在半导体基板61中形成有光电二极管301之外，像素PX可以具有与图4所示的CAPD结构的像素PX的结构类似的结构。在栅极结构的像素PX中，将由光电二极管301产生的电荷传输到FD 102A和102B的传输晶体管101A和101B等同于第一阀门TA和第二阀门TB。
<4.测距模块的结构示例>
图13是示出使用如上所述的光接收装置1输出距离测量信息的测距模块的结构示例的框图。
测距模块500包括发光单元511、发光控制单元512和光接收单元513。
发光单元511具有发出预定波长的光的光源，并且用亮度周期性变化的照射光照射目标。例如，发光单元511具有发光二极管作为光源，该发光二极管发出780nm～1000nm的波长范围的红外光，并且发光单元511与从发光控制单元512提供的矩形波的发光控制信号CLKp同步地产生照射光。
应当指出，发光控制信号CLKp并不局限于矩形波，只要发光控制信号CLKp是周期信号即可。例如，发光控制信号CLKp可以是正弦波。
发光控制单元512将发光控制信号CLKp提供给发光单元511和光接收单元513并且控制照射光的照射时序。发光控制信号CLKp的频率例如是20兆赫兹(MHz)。应当指出，发光控制信号CLKp的频率不局限于20兆赫兹(MHz)，可以是5兆赫兹(MHz)等。
光接收单元513接收从目标反射的反射光，根据光接收结果计算各像素的距离信息，生成深度图像(其中，对应于到目标(物体)的距离的深度值存储为像素值)，并输出该深度图像。
根据第一实施例或第二实施例的光接收装置1用于光接收单元513，例如，基于发光控制信号CLKp，用作光接收单元513的光接收装置1根据像素阵列单元11的各像素PX的信号提取单元65-1和65-2中各者的各电荷检测单元(N+半导体区域71)所检测到的信号强度来计算各像素的距离信息。
如上所述，根据第一实施例或第二实施例的光接收装置1能够结合作为测距模块500的光接收单元513，测距模块500通过间接ToF方法获得并输出与到物体的距离相关的信息。因此，能够改善测距模块500的距离测量特性。
<5.电子设备的结构示例>
应当指出，光接收装置1能够用于如上所述的测距模块，而且例如能够用于诸如摄像装置等各种电子设备，例如包括距离测量功能的数码相机和数码摄像机以及包括距离测量功能的智能电话等。
图14是示出作为应用了本技术实施例的电子设备的智能电话的结构示例的框图。
在智能电话601中，如图14所示，测距模块602、摄像装置603、显示器604、扬声器605、话筒606、通信模块607、传感器单元608、触摸面板609和控制单元610经由总线611连接在一起。而且，在控制单元610中，CPU执行程序，因此，控制单元610具有作为应用处理单元621和操作系统处理单元622的功能。
图13的测距模块500用作测距模块602。例如，测距模块602布置在智能电话601的前表面上，并且进行到作为目标的智能电话601的使用者的距离的测量，由此，能够输出使用者的面部、手、手指等的表面形状的深度值作为距离测量结果。
摄像装置603布置在智能电话601的前表面上，并且拍摄作为目标的智能电话601的使用者，由此获取拍摄有使用者的图像。应当指出，尽管未图示，但也可以采用摄像装置603另外布置在智能电话601的背面的结构。
显示器604显示用于通过应用处理单元621和操作系统处理单元622进行处理的操作屏幕、由摄像装置603获取的图像等。例如，当利用智能电话601进行通话时，扬声器605和话筒606输出另一侧的声音并收集使用者的声音。
通信模块607经由如下通信网络进行网络通信，例如因特网、公共电话网、诸如称为4G线路或5G线路的用于无线移动体的广域通信网、广域网(WAN)或局域网(LAN)、诸如蓝牙(注册商标)或近场通信(NFC)等短距离无线通信等。传感器单元608感测速度、加速度、接近性等，触摸面板609获取使用者在显示于显示器604上的操作屏幕上的触摸操作。
应用处理单元621进行通过智能电话601提供各种服务的处理。例如，应用处理单元621能够进行以下处理：基于测距模块602提供的深度值形成基于计算机图形的面部(其中虚拟再现使用者的表情)，并在显示器604上显示。而且，应用处理单元621例如能够进行以下处理：基于测距模块602提供的深度值形成任意立体物的三维形状数据。
操作系统处理单元622进行用于实现智能电话601的基本功能和操作的处理。例如，操作系统处理单元622能够进行以下处理：基于测距模块602提供的深度值认证使用者的面部，并且解锁智能电话601。而且，操作系统处理单元622例如能够进行以下处理：基于测距模块602提供的深度值进行识别使用者的手势的处理，并且根据手势输入各种操作。
在这种智能电话601中，例如，能够通过使用如上所述的测距模块500作为测距模块602来实现测量并显示到预定目标的距离、形成并显示预定目标的三维形状数据等处理。
<6.移动体的应用例>
根据本发明的实施例的技术(本技术)适用于各种产品。例如，根据本发明的实施例的技术可以实现为安装到任何种类的移动体(例如汽车、电动汽车、混合动力电动汽车、摩托车、自行车、个人移动装置、飞机、无人机、船和机器人等)的装置。
图15是示出车辆控制系统的示意结构的示例的框图，该车辆控制系统作为采用了根据本发明实施例的技术的移动体控制系统的示例。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图15所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、主体系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。另外，示出了微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053作为集成控制单元12050的功能性配置。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制有关车辆的驱动系统的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010作为控制装置，用于驱动力生成装置(用于产生车辆的驱动力，诸如内燃机、驱动电机等)、驱动力传输机构(用于将驱动力传输给车轮)、用于调节车辆的转向角度的转向机构、用于产生车辆的制动力的制动装置等。
主体系统控制单元12020根据各种程序控制设置用于车辆主体的各种装置的操作。例如，主体系统控制单元12020作为控制装置，用于无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗装置或者诸如前照灯、备用灯、制动灯、转向信号、雾灯等各种灯。在此情况下，代替钥匙的从移动装置发送的无线电波或者各种开关的信号能够被输入到主体系统控制单元12020。主体系统控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并且控制车辆的门锁装置、电动车窗装置、灯等。
车外信息检测单元12030检测有关包括车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，车外信息检测单元12030与摄像部12031相连。车外信息检测单元12030使摄像部12031对车辆外部的图像进行成像，并且接收所成像的图像。基于所接收到的图像，车外信息检测单元12030可以进行检测诸如路面上的人、车辆、障碍物、标记、符号等目标的处理，或者进行检测到此处的距离的处理。
摄像部12031是接收光的光学传感器，并且输出与接收到的光的光量对应的电信号。摄像部12031能够输出作为图像的电信号，或者能够输出作为有关测得距离的信息的电信号。另外，由摄像部12031接收到的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测有关车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员状态的驾驶员状态检测部12041相连。驾驶员状态检测部12041例如包括拍摄驾驶员的相机。根据从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可计算驾驶员的疲劳程度或驾驶员的专心程度，或者可判断驾驶员是否打瞌睡。
微型计算机12051能够基于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的有关车辆的内部或外部的信息，计算用于驱动力生成装置、转向机构或制动装置的控制目标值，并且将控制命令输出到驱动系统控制单元12010。例如，微型计算机12051能够进行用于实施高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协同控制，该功能包括车辆的防止碰撞和减震、基于行车间距的跟随驾驶、车速保持驾驶、车辆碰撞警告、车辆偏离车道的警告等。
另外，微型计算机12051能够基于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得有关车辆的外部或内部的信息，通过控制驱动力生成装置、转向机构、制动装置等，进行用于自动驾驶(使车辆自主行驶而无需依靠驾驶员的操作)等的协同控制。
另外，微型计算机12051能够基于通过车外信息检测单元12030获得的有关车辆外部的信息将控制命令输出到主体系统控制单元12020。例如，微型计算机12051能够根据车外信息检测单元12030检测到的前面车辆或迎面来车的位置，例如通过控制前照灯以从远光改变为近光，进行用于避免刺眼强光的协同控制。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一者的输出信号发送到能够在视觉或听觉上向车辆的使用者或车辆外部指示信息的输出装置。在图15的示例中，示出了音频扬声器12061、显示部12062和设备面板12063作为输出装置。显示部12062例如可包括车载显示器和平视显示器中的至少一者。
图16是示出摄像部12031的安装位置的示例的图。
在图16中，车辆12100包括摄像部12101、12102、12103、12104和12105作为摄像部12031。
摄像部12101、12102、12103、12104和12105例如布置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门位置以及在车辆内部的挡风玻璃的上部的位置。设于前鼻的摄像部12101和设在车辆内部的挡风玻璃的上部的摄像部12105主要获取车辆12100的前方的图像。设于侧视镜处的摄像部12102和12103主要获取车辆12100的侧面的图像。设于后保险杠或后门的摄像部12104主要获取车辆12100的后方的图像。由摄像部12102和12105获得的车辆前方的图像主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志、车道等。
另外，图16示出了摄像部12101到12104的摄像范围的示例。摄像范围12111表示设于前鼻的摄像部12101的摄像范围。摄像范围12112和12113分别表示设于侧视镜处的摄像部12102和12103的摄像范围。摄像范围12114表示设于后保险杠或后门的摄像部12104的摄像范围。例如，从上方所视的车辆12100的鸟瞰图可通过叠加由摄像部12101到12104拍摄的图像数据来获得。
摄像部12101到12104中的至少一者可具有获取距离信息的功能。例如，摄像部12101到12104中的至少一者可以是由多个摄像元件构成的立体照相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
例如，微型计算机12051能够基于从摄像部12101到12104获得的距离信息判断在摄像范围12111到12114内到每个三维目标的距离以及距离的时间变化(相对车辆12100的相对速度)，并由此选取作为前行车辆、尤其是最近的三维目标(处于车辆12100的行驶路径上并且以预定速度(例如，等于或大于0km/小时)在与车辆12100基本相同的方向上行驶)。而且，微型计算机12051能够预先设定要保持的距前方车辆的跟随距离，并且进行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随启动控制)等。因此，能够进行用于自动驾驶(使车辆自主行驶而无需依靠驾驶员的操作等)的协同控制。
例如，微型计算机12051能够基于从摄像部12101到12104获得的距离信息将有关三维目标的三维目标数据分类成两轮车辆、标准型车辆、大型车辆、行人、公用电线杆和其它三维目标的三维目标数据，选取分类的三维目标数据，并将选取的三维目标数据用于自动避开障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员能够视觉辨识的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉辨识的障碍物。另外，微型计算机12051判断表明与各障碍物相碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设定值并且因而有可能碰撞的情况下，微型计算机12051通过音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并通过驱动系统控制单元12010进行强制减速或转向避让。微型计算机12051由此能够辅助驾驶而避免碰撞。
摄像部12101到12104中的至少一者可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051例如能够通过判断在摄像部12101到12104的拍摄图像中是否有行人来识别行人。例如，通过在作为红外相机的摄像部12101到12104的拍摄图像中提取特征点的步骤以及通过对表示目标的轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理来判断是否是行人的步骤，来实现这种行人的识别。当微型计算机12051判断在摄像部12101到12104的拍摄图像中有行人，并由此识别出行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得显示用于强调的方形轮廓线以叠加在识别出的行人上。声音/图像输出部12052也可控制显示部12062，使得在期望位置处显示表示行人的图标等。
在上文中，已说明了采用根据本发明的技术的车辆控制系统的示例。根据本发明的技术适用于上述配置中的车外信息检测单元12030或摄像部12031。具体地，光接收装置1或测距模块500可用于车外信息检测单元12030或摄像部12031的距离检测处理模块。通过将根据本发明的技术应用于车外信息检测单元12030或摄像部12031，能够高精度地测量到诸如路面上的行人、车辆、障碍物、标记或符号等目标的距离，因此，通过使用获得的距离信息能够降低驾驶员的疲劳程度，并且能够提高驾驶员或车辆的安全程度。
本技术的实施例并不局限于如上所述的实施例，在不脱离本技术的主旨的情况下可以进行各种改变。
而且，尽管在如上所述的光接收装置1中说明了使用电子作为信号载流子的示例，但是也可以使用通过光电转换产生的空穴作为信号载流子。在这种情况下，用于检测信号载流子的电荷检测单元可以包括P+半导体区域，并且用于在基板中产生电场的电压施加单元可以包括N+半导体区域，使得在设于信号提取单元中的电荷检测单元中检测作为信号载流子的空穴。
例如，在如上所述的光接收装置1中，也可以采用所有实施例或一些实施例组合的形式。
应当指出，本说明书中描述的效果只是示例，而并非限制性的，也可以存在本说明书中描述的效果之外的效果。
另外，本技术也可以按如下方式配置。
(1)一种光接收装置，其包括：
像素，其包括：
第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和
第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；
第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；
第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较；
第一归零复位信号生成电路，其用于在所述第一比较电路执行自动归零操作时产生提供给所述第一比较电路的第一归零复位信号；以及
第二归零复位信号生成电路，其用于在所述第二比较电路执行自动归零操作时产生提供给所述第二比较电路的第二归零复位信号。
(2)根据(1)的光接收装置，
其中，所述第一归零复位信号生成电路和所述第二归零复位信号生成电路中的各者均包括源极跟随器电路。
(3)根据(1)的光接收装置，
其中，所述第一归零复位信号生成电路和所述第二归零复位信号生成电路中的各者均包括遮光像素，所述遮光像素为被遮光的像素。
(4)根据(1)的光接收装置，
其中，所述第一归零复位信号生成电路和所述第二归零复位信号生成电路中的各者均包括遮光像素和源极跟随器电路，所述遮光像素为被遮光的像素。
(5)根据(3)或(4)的光接收装置，还包括：
像素阵列单元，多个所述像素二维布置在所述像素阵列单元中；
多条垂直信号线，其各自用于在垂直方向上传输所述像素的所述第一检测信号或所述第二检测信号；以及
多个开关，其各自用于在执行所述自动归零操作时连接在水平方向上相邻的任意限定的两条所述垂直信号线。
(6)根据(3)或(4)的光接收装置，还包括：
像素阵列单元，多个所述像素二维布置在所述像素阵列单元中；以及
四条垂直信号线，其用于传输在一个像素列中在垂直方向上相邻的两个所述像素的所述第一检测信号和所述第二检测信号，
其中，所述光接收装置以同时读出所述第一检测信号和所述第二检测信号的方式包括两行所述像素的所述第一检测信号和所述第二检测信号。
(7)一种光接收装置的控制方法，其中，
所述光接收装置包括：
像素，其包括：
第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和
第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；
第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；以及
第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较；
在所述第一比较电路执行自动归零操作时产生第一归零复位信号并将所述第一归零复位信号提供给所述第一比较电路，并且
在所述第二比较电路执行自动归零操作时产生第二归零复位信号并将所述第二归零复位信号提供给所述第二比较电路。
(8)一种电子设备，其包括：光接收装置，
所述光接收装置包括：
像素，其包括：
第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和
第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；
第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；
第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较；
第一归零复位信号生成电路，其用于在所述第一比较电路执行自动归零操作时产生提供给所述第一比较电路的第一归零复位信号；以及
第二归零复位信号生成电路，其用于在所述第二比较电路执行自动归零操作时产生提供给所述第二比较电路的第二归零复位信号。
(9)一种光接收装置，其包括：
像素，其包括：
第一阀门，其用于检测通过光电转换单元光电转换的电荷，和
第二阀门，其用于检测通过所述光电转换单元光电转换的电荷；
第一比较电路，其用于将由所述第一阀门检测到的第一检测信号与参考信号进行比较；
第二比较电路，其用于将由所述第二阀门检测到的第二检测信号与所述参考信号进行比较；
第一垂直信号线，其用于将所述像素的所述第一检测信号传输到所述第一比较电路；
第二垂直信号线，其用于将所述像素的所述第二检测信号传输到所述第二比较电路；
第一归零复位信号生成电路，其连接到所述第一垂直信号线；以及
第二归零复位信号生成电路，其连接到所述第二垂直信号线，
其中，所述第一归零复位信号生成电路和所述第二归零复位信号生成电路连接到相同的控制线，并且
与到物体的距离相对应的深度值是根据所述第一检测信号与所述第二检测信号的差来计算的。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月27日提交的日本在先专利申请JP2018-122186的优先权，该日本专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
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