CN100394606C - 光探测装置、成像装置和测距图像捕捉装置 - Google Patents

光探测装置、成像装置和测距图像捕捉装置 Download PDF

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Abstract

一种光敏感区包括由P型半导体构成的半导体衬底(40)，以及在该半导体衬底(40)的表面上形成的N型半导体区域(41)和(42)。因此，每个光敏感部分包括一部分半导体衬底(40)和一对区域(41)和(42)，从而构成光电二极管。每个区域(41)和(42)呈近似三角形的形状，且如此形成使区域(41)的一边在一个象素中与区域(42)的一边相毗连，反之亦然。第一导线(44)用于在第一方向全部在每个象素中将一边上的区域(41)电连接，并设置在各象素之间沿第一方向延伸。第二导线(47)用于在第二方向全部在每个象素中将另一边上的区域(47)电连接，并设置在各象素之间沿第二方向延伸。

Description

光探测装置、成像装置和测距图像捕捉装置
技术领域
本发明涉及探测入射光二维位置的光探测装置、利用该光探测装置的成像装置及采用该成像装置的测距图像捕捉装置。
背景技术
通常，在现有的光探测装置中，通过采用如MOS图像传感器等固态图像传感设备，将成像获得的图像数据存入图像存储器中，且随后二维位置在图像处理后被探测出。
发明内容
但上述已知光探测装置需要图像存储器来存储得出的图像数据，这就造成了装置结构的复杂化。此外，由于需要将图像数据存到图像存储器后，经过操作处理探测二维位置，故二维位置的探测过程需要时间。
本发明是在前述背景下完成的，因此其第一目的是提供一种不仅结构简单而且可以实现二维位置快速探测过程的光探测装置。
本发明的第二目的是提供一种采用上述光探测装置的成像装置，其结构简单而且可以实现二维位置的快速探测过程。
本发明的第三目的是提供采用上述成像装置的测距图像捕捉装置，在捕捉测距图像时通过保持低的操作速度，能实现较低电流消耗和较低热生成。
为实现上述的第一目的，本发明的光探测装置具有象素以二维排列的光敏感区，并且该光探测装置表征为：通过将多个光敏感部分相互毗连放置在一个平面内来构成一个象素，每个光敏感部分输出对应于入射光强的电流。该光探测装置也表征为：在二维阵列中排列在第一方向上的多个象素的所有象素上，将构成各个象素的多个光敏感部分中的一边上的光敏感部分相互电连接。该光探测装置进一步表征为：在二维阵列中排列在第二方向上的多个象素的所有象素上，将构成各个象素的多个光敏感部分中的另一边上的光敏感部分相互电连接。
在本发明的光探测装置中，入射到一个象素的光被构成该象素的多个光敏感部分的每一个部分所探测，且输出对应于由每个光敏感部分感知的光强的电流。由于一边上的光敏感部分在二维阵列中排列在第一方向上的多个象素的所有象素上被相互电连接，故来自一边上的光敏感部分的电流随后被传送到第一方向。同时，另一边上的光敏感部分在二维阵列中排列在第二方向上的多个象素的所有象素上被相互电连接。因此，来自另一边上的光敏感部分的电流被传送到第二方向。这样，来自一边上的光敏感部分的电流被传送到第一方向，而来自另一边上的光敏感部分的电流则被传送到第二方向。因此，可独立获得第一方向的发光分布和第二方向的发光分布。从而，可采用在一个象素中放置多个光敏感部分的极简单的结构来快速探测入射光的二维位置。
此外，每个光敏感部分包括一个由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，以及在该半导体衬底中形成的第二导电类型的半导体区域。每个第二导电类型的半导体区域从光入射方向看都近似三角形的形状。更可取的是，所形成的近似三角形使其一边在一个象素中和另一个近似三角形的一边相毗连放置。当多个光敏感部分被排列在一个象素中时，这种结构可抑制每个光敏感部分的面积减少。
每个光敏感部分包括一个由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，以及在该半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域。每个第二导电类型的半导体区域从光入射方向看都近似矩形的形状。更可取的是，所形成的近似矩形使其长边在一个象素中和另一个近似矩形的长边相毗连放置。当多个光敏感部分被排列在一个象素中时，这种结构可抑制每个光敏感部分的面积减少。
而且，在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上，用于电连接一边上的光敏感部分的导线最佳设置在各象素之间，沿第一方向延伸。同样更可取的是，在排列在第二方向上的多个象素的所有象素上，用于电连接另一边上的光敏感部分的导线最佳设置在各象素之间，沿第二方向延伸。采用这种结构，每根导线将不阻挡光入射到光敏感部分，因此抑制了探测灵敏度的下降。
每个光敏感区包括一个由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，以及在该半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域。在一个象素中，每个第二导电类型的半导体区域被分割成四个部分，分割部分之间的边界上设有：用于在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上将一边上的光敏感部分电连接的导线；以及用于在排列在第二方向上的多个象素的所有象素上将另一边上的光敏感部分电连接的导线。在一个象素中被分成四部分的每个第二导电类型的半导体区域中，分割部分按对角关系与每条导线连接。
每个光敏感部分包括一个由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，以及在该半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域。每个第二导电类型的半导体区域从光入射方向看呈四个或更多角的多边形形状。所形成的多边形使其一边在一个象素中与另一个多边形的一边毗连放置。当在一个象素中放置多个光敏感部分时，这种结构能抑制每个光敏感部分的面积减少。此外，每个光敏感部分相对面积的周边长度减少了，从而降低了单位面积转换成暗电流的值。
一边上的光敏感部分的第二导电类型的半导体区域，和另一边上的光敏感部分的第二导电类型的半导体区域，最佳放置在一个象素中的与第一和第二方向交叉的第三方向的近似一列中。采用这种结构，在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上被电相连的一边上的一群光敏感部分中，和在排列在第二方向上的多个象素的所有象素上被电相连的另一边上的另一群光敏感部分中，对应于各光敏感部分群的光敏感部分集中在相应光敏感部分群的中心。因而，提高了分辨率。
此外，第二导电类型的半导体区域最佳以蜂窝状结构排列。采用这种结构，当在一个象素中放置多个光敏感部分时，可以进一步抑制每个光敏感部分的面积减少。此外，由于这种结构高度几何对称，故可抑制形成第二导电类型的半导体区所用掩模位移导致的不均匀性。
此外，更可取的是，本发明的光探测装置进一步包括第一移位寄存器、第二移位寄存器、若干个第一积分电路及若干个第二积分电路。第一移位寄存器依次读出在第二方向上的电流。该电流来自在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上被中电连接的一边上的光敏感部分群。第二移位寄存器依次读出在第一方向上的电流。该电流来自在排列在第二方向上的多个象素的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分群。第一积分电路依次输入来自一边上的各光敏感部分群并由第一移位寄存器读出的电流。第一积分电路随后第一积分电路将该电流转换成电压并输出该电压。第二积分电路依次输入来自另一边上的各光敏感部分群并由第二移位寄存器读出的电流。第二积分电路随后将该电流转换成电压并输出该电压。采用这种结构，可用极其简单的结构来获得第一方向和第二方向的发光分布。
此外，更可取的是，本发明的光探测装置进一步包括若干个第一积分电路、若干个第一CDS(相关双取样)电路、若干个第一取样和保持电路、第一最大值探测电路以及第一A/D转换电路。第一积分电路对应于排列在第一方向上的多个象素之中被电连接的一边上的每个相关光敏感部分群设置。该第一积分电路将来自一边上的相应光敏感部分群的电流转换成电压并输出该电压。第一CDS(相关双取样)电路对应于第一积分电路设置，并输出根据相应第一积分电路输出的电压变化确定的电压值。第一取样和保持电路对应于每个第一CDS电路设置，并保持和输出来自相应第一CDS电路的电压。第一最大值探测电路从每个第一取样和保持电路分别输出的电压之中探测一个最大值。第一A/D转换电路依次输入第一取样和保持电路输出的电压，然后根据第一最大值探测电路探测的最大值将该电压转换成数字值，并输出该数字值。同样更可取的是，本发明的光探测装置进一步包括若干个第二积分电路、若干个第二CDS电路、若干个第二取样和保持电路、第二最大值探测电路以及第二A/D转换电路。第二积分电路对应于排列在第二方向上的多个象素之中被电连接的另一边上的每个相关光敏感部分群设置。第二积分电路将来自另一边上的相应光敏感部分群的电流转换成电压并其后输出该电压。第二CDS电路对应于每个第二积分电路设置，并输出根据相应第二积分电路输出的电压变化确定的电压值。第二取样和保持电路对应于每个第二CDS电路设置，并保持和输出来自相应第二CDS电路的电压。第二最大值探测电路从每个第二取样和保持电路分别输出的电压之中探测一个最大值。第二A/D转换电路依次输入来自每个第二取样和保持电路的电压，然后根据第二最大值探测电路探测的最大值将该电压转换成数字值，并接着输出该数字值。采用这种结构，即使第一及第二积分电路在每次积分操作中分别具有不同的噪声变化，第一和第二CDS电路也可消除由误差引起的噪声。并且，A/D转换的分辨力不仅对入射到光敏感区的光强高时优良，而且光强低时也优良。因此，在第一及第二方向获得高精确度的发光分布是可能的。
此外，为实现前面提到的第一个目的，本发明的具有一个光敏感区的光探测装置的特点是，该光敏感区包括多个在第一方向上相互电连接的第一光敏感部分，以及多个在第二方向上相互电连接的第二光敏感部分。多个第一及第二光敏感部分在一个平面内排列成二维混合状态。
在本发明的光探测装置中，入射到光敏感区的光既被第一光敏感部分也被第二光敏感部分探测到，随后每个光敏感部分都输出对应于光强的电流。由于第一光敏感部分在第一方向上被互相电相连，所以来自第一光敏感部分的电流在第一方向上被传递。类似地，由于第二光敏感部分也被相互电相连，所以来自第二光敏感部分的电流在第二方向上被传递。通过这种方法，来自第一光敏感部分的电流在第一方向上被传递，来自第二光敏感部分的电流在第二方向上被传递。因而，可在第一和第二方向上独立获得各个发光分布。其结果是，可采用在一个平面内以二维混合状态排列多个第一和第二光敏感部分这种极简单的结构来快速探测入射光的二维位置。
同样更可取的是，多个第一光敏感部分和第二光敏感部分在第一和第二方向上交替排列。采用这种结构，当多个第一和第二光敏感部分在一个平面内被排列成二维混合状态时，可抑制每一个光敏感区的面积减少。
而且，多个第一和第二光敏感部分最佳交替排列在与第一和第二方向交叉的第三方向上。采用这种结构，在第一方向上被相互电连接的第一光敏感部分群和在第二方向上被相互电连接的第二光敏感部分群中，对应于每个光敏感部分群的光敏感部分集中在相应光敏感部分群的中心，因此可提高分辨率。
此外，从入射光的方向看，每个光敏感部分最佳以蜂窝状结构排列。采用这种结构，当多个第一和第二光敏感部分在一个平面内二维混合排列时，可进一步抑制每个光敏感部分的面积减少。而且，这种结构具有高度几何对称性，可以抑制由于形成第二导电类型半导体区的掩模位移导致的不均匀。
而且，更可取的是，每个光敏感部分包括由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，以及在该半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域。每个第二导电类型的半导体区域从光入射的方向看呈近似多边形结构，且所最佳形成的近似多边形使其一边与另一个近似多边形的一边毗连放置。当多个第一和第二光敏感部分在一个平面内二维混合排列时，这种结构可抑制每个光敏感部分的面积减少。在形成每个第二导电类型的半导体区域成为带有四个或更多角的多边形的情况下，每个光敏感部分相对面积的周边长度减少了，因而降低了单位面积转换成暗电流的值。
此外，更可取的是，设有用于电连接第一光敏感部分的导线，该导线沿第一方向上的每个光敏感部分之间延伸。同样更可取的是，设有用于电连接第二光敏感部分的导线，该导线沿第二方向上的每个光敏感部分之间延伸。采用这种结构，每条导线将不阻挡光入射到光敏感部分，这样抑制了探测灵敏度的下降。
而且，更可取的是，本发明的光探测装置进一步包括第一移位寄存器、第二移位寄存器、第一积分电路和第二积分电路。第一移位寄存器依次地读出第二方向上的电流。该电流来自第一方向上被互相电连接的第一光敏感部分群。第二移位寄存器依次读出第一方向上的电流。该电流来自在第二方向上被相互电连接的第二光敏感部分群。第一积分电路依次输入来自第一光敏感部分群并由第一移位寄存器依次读出的电流。随后，第一积分电路将该电流转变成电压。第二积分电路依次输入来自第二光敏感部分群并由第二移位寄存器依次读出的电流。随后，第二积分电路将该电流转变成电压。采用这种结构，在第一方向和第二方向的发光分布可以用极其简单的结构获得。
此外，更可取的是，本发明的光探测装置进一步包括若干个第一积分电路、若干个第一CDS电路、若干个第一取样和保持电路、第一最大值探测电路以及第一A/D转换电路。第一积分电路对应于第一方向上被相互电连接的每个相关第一光敏感部分群设置。第一积分电路将来自相应第一光敏感部分群的电流转换成电压并输出该电压。第一CDS电路对应于每个第一积分电路设置，并输出根据相应第一积分电路输出的电压变化确定的电压值。第一取样和保持电路对应于每个第一CDS电路设置，并保持和输出来自相应第一CDS电路的电压。第一最大值探测电路从每个第一取样和保持电路分别输出的电压之中探测一个最大值。第一A/D转换电路依次输入来自每个第一取样和保持电路的电压，然后根据第一最大值探测电路探测的最大值将该电压转换成数字值，并输出该数字值。同样更可取的是，本发明的光探测装置进一步包括若干个第二积分电路、若干个第二CDS电路、若干个第二取样和保持电路、第二最大值探测电路、以及第二A/D转换电路。第二积分电路对应于第二方向上被相互电连接的每个相关第二光敏感部分群设置。第二积分电路将来自相应第二光敏感部分群的电流转换成电压，然后输出该电压。第二CDS电路对应于每个第二积分电路设置，并输出根据相应第二积分电路输出的电压变化确定的电压值。第二取样和保持电路对应于每个第二CDS电路设置，并保持和输出来自相应第二CDS电路的电压。第二最大值探测电路从每个第二取样和保持电路分别输出的电压之中探测一个最大值。第二A/D转换电路依次输入来自第二取样和保持电路的电压，然后根据第二最大值探测电路探测的最大值将电压转换成数字值，并输出该数字值。采用这种结构，即使第一及第二积分电路在每次积分操作中分别具有不同的噪声变化，第一和第二CDS电路也可消除误差噪声。此外，A/D转换的分辨力不仅对入射到光敏感部分的光强高时优良，而且光强低时也优良。因此，可以在第一及第二方向获得高精确度的发光分布。
为达到前面提到的第二个目的，本发明的成像装置的特征是前述光探测装置被二维排列。
由于本发明的成像装置中的光探测装置被二维排列，因此可用一个极其简单的结构来高速探测入射光的发光分布。
而且，更可取的是，第一移位寄存器及若干个第一积分电路被进一步包括由按二维阵列排列在第二方向上的多个光探测装置构成的每个光探测装置群中。第一移位寄存器依次读出第二方向上的电流。电流来自在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上被电连接的一边上的每个光敏感部分群。第一积分电路分别为由排列在第二方向上的多个光探测装置构成的每个光探测装置群所设置。这些第一积分电路依次输入来自一边上的每个光敏感部分群并由第一移位寄存器依次读出的电流。随后，第一积分电路将该电流转换成电压。同样更可取的是，第二移位寄存器和若干个第二积分电路被进一步包括在由按二维阵列排列在第一方向上的多个光探测装置构成的每个光探测装置群中。第二移位寄存器依次读出第一方向上的电流。该电流来自排列在第二方向上的多个象素的所有象素上被电连接的另一边上的每个光敏感部分群。第二积分电路为由排列在第一方向上的多个光探测装置构成的每个光探测装置群所设置。该第二积分电路依次输入来自另一边上的每个光敏感部分群并由第二移位寄存器依次读出的电流。随后，第二移位寄存器将该电流转换成电压。
为实现前面提到的第三个目的，本发明的测距图像捕捉装置的特征在于，上述成像装置成对排列，彼此以预定的间隔加以分开。测距图像捕捉装置也表征为包括视差量测定装置、距离运算装置及测距图像产生装置。视差量测定装置根据来自第一和第二积分电路的电压测定每个光探测装置的视差量。距离运算装置根据视差量测定装置测定的视差量运算从每个光探测装置到目标的距离。测距图像产生装置根据距离运算装置运算得到的距离产生测距图像。
本发明的测距图像捕捉装置，仅需要极少量的数据用于在成像装置中的每个光探测装置中捕捉测距图像。因此在捕捉测距图像时可保持在低运行速度，从而实现较低的电流消耗和较低的热量产生。
附图说明
图1为根据本发明实施例的光探测装置的一个结构原理图；
图2示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的光敏感区的实例的平面图；
图3为沿图2III-III线截取的截面图；
图4示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的光敏感区的实例的平面图；
图5示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的光敏感区的实例的平面图；
图6示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的光敏感区的实例的平面图；
图7示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的光敏感区的实例的平面图；
图7示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的光敏感区的实例的平面图；
图9示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的第一信号处理电路的一个示意框图；
图10示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的第二信号处理电路的一个示意框图；
图11A示出了输入到第一移位寄存器中的起始信号随时间变化的示意图；
图11B示出了输入到第一移位寄存器中的信号随时间变化的示意图；
图11C示出了输入到第一移位寄存器中的信号随时间变化的示意图；
图11D示出了输入到每个第一积分电路的重置信号随时间变化的示意图；
图11E示出了从第一移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图11F示出了从第一移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图11G示出了从第一移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图11H示出了从第一移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图11I示出了从第一信号处理电路输出的电压随时间变化的示意图；
图12A示出了输入到第二移位寄存器中的起始信号随时间变化的示意图；
图12B示出了输入到第二移位寄存器中的信号随时间变化的示意图；
图12C示出了输入到第二移位寄存器中的信号随时间变化的示意图；
图12D示出了输入到每个第二积分电路的重置信号随时间变化的示意图；
图12E示出了从第二移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图12F示出了从第二移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图12G示出了从第二移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图12H示出了从第二移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图12I示出了从第二信号处理电路输出的电压随时间变化的示意图；
图13示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的第一信号处理电路的一个改进例的示意框图；
图14示出了根据本发明实施例的包含在光探测装置中的第二信号处理电路的一个改进例的示意框图；
图15示出了包含在第一信号处理电路的改进例中的其中一个第一积分电路的电路图；
图16示出了包含在第一信号处理电路的改进例中的其中一个第一CDS电路的电路图；
图17示出了包含在第一信号处理电路的改进例中的其中一个第一S/H电路的电路图；
图18示出了包含在第一信号处理电路的改进例中的第一最大值探测电路的电路图；
图19示出了包含在第一信号处理电路的改进例中的第一A/D转换电路的电路图；
图20为根据本发明实施例的光探测装置改进例的结构原理图；
图21为根据本发明实施例的成像装置的结构原理图；
图22为根据本发明实施例的成像装置的结构原理图；
图23A示出输入到第一移位寄存器中的起始信号随时间变化的示意图；
图23B示出输入到第一移位寄存器中的信号随时间变化的示意图；
图23C示出输入到第一移位寄存器中的信号随时间变化的示意图；
图23D示出输入到每个第一积分电路中的重置信号随时间变化的示意图；
图23E示出从第一移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图23F示出从第一移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图23G示出从第一移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图23H示出从第一移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图23I示出从每个第一积分电路输出的电压随时间变化的示意图；
图23J示出从每个第一积分电路输出的电压随时间变化的示意图；
图24A示出输入到第二移位寄存器中的起始信号随时间变化的示意图；
图24B示出输入到第二移位寄存器中的信号随时间变化的示意图；
图24C示出输入到第二移位寄存器中的信号随时间变化的示意图；
图24D示出输入到每个第二积分电路中的重置信号随时间变化的示意图；
图24E示出从第二移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图24F示出从第二移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图24G示出从第二移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图24H示出从第二移位寄存器输出的信号随时间变化的示意图；
图24I示出从每个第二积分电路输出的电压随时间变化的示意图；
图24J示出从每个第二积分电路输出的电压随时间变化的示意图；
图25为根据本发明实施例的测距图像捕捉装置的结构示意框图；
图26为根据本发明实施例的测距图像捕捉装置的结构示意框图。
具体实施方式
本发明的光探测装置将参考附图进行描述。在下面的描述中，相同的构成部分或具有相同功能的类似构成部分，都将标以相同的参考序号，这样就省掉重复描述。在下文，参数M和N分别表示大于等于2的整数。此外，除另有特殊的说明外，参数m表示大于等于1但不大于M的任何整数，n表示大于等于1但不大于N的任何整数。
图1为根据本发明实施例的光探测装置的结构原理图。如图1所示，本实施例的光探测装置1包括光敏感区10、第一信号处理电路20及第二信号处理电路30。
在光敏感区10中，象素11mn被二维排列成M行和N列，其中一个象素通过在同一平面内将光敏感部分12mn(第一光敏感部分)和光敏感部分13mn(第二光敏感部分)相互毗连放置来构成。光敏感部分12mn和13mn根据照射到每个光敏感部分的光强分别输出电流。因此，在光敏感区10中，光敏感部分12mn和13mn在同一平面内二维混合排列。
在二维阵列中排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上，在多个光敏感部分12mn和13mn之中的一边上的光敏感部分12mn(如，一边上的1211至121N的光敏感部分)被相互电连接。此外，在二维阵列中排列在第二方向上的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上，在多个光敏感部分12mn和13mn之中的另一边上的光敏感部分13mn(如，另一边上1311至13M1的光敏感部分)被相互电连接。
这里，光敏感区10的结构将根据图2和图3进行描述。图2显示包含在光探测装置中的光敏感区的实例的平面图。图3为沿图2中III-III线截取的截面图。在图2中，省略了对保护层48的描述。
光敏感区10包括由P型(第一导电类型)半导体制成的半导体衬底40，和在半导体衬底40表面上形成的N型(第二导电类型)半导体区域41和42。由此，每个光敏感部分12mn和13mn都包含半导体衬底40和一对第二导电类型的半导体区域41和42，从而构成一个光电二极管。如图2所示，每个第二导电类型的半导体区域41和42，当从光入射方向看时为近似三角形的形状。如此形成这两个区域41和42使每个区域的一边在一个象素中相互毗连。半导体衬底40作为地电势起作用。光敏感区10也可通过包括由N型半导体制成的半导体衬底，和在半导体衬底表面上形成的P型半导体区域来构成。如图2所示，区域41(光敏感部分12mn)和区域42(光敏感部分13mn)交替排列在第一和第二方向上。此外，区域41和区域42交替排列在与第一和第二方向交叉(如成45度角)的第三和第四方向上。
在半导体衬底40和区域41和42上形成第一绝缘层43。第一导线44通过第一绝缘层43上形成的接触孔与一边上的区域41电连接。进而，电极45通过第一绝缘层上形成的接触孔与另一边上的区域42电连接。
在第一绝缘层43上形成第二绝缘层46。第二导线47通过第二绝缘层46上形成的接触孔与电极45电连接。另一边上的区域42由此通过电极45与第二导线47电连接。
在第二绝缘层46上形成保护层48。第一和第二绝缘层43和46，以及保护层48均由SiO2、SiN或类似材料制成。第一导线44、电极45及第二导线47均由金属制成，如铝。
第一导线44用于电连接第一方向上的每个象素11mn中的一边上的区域41，并在象素11mn中沿第一方向延伸设置。由于每一个象素11mn中的一边上的区域41以这种方法通过第一导线44加以电连接，所以一边上的光敏感部分12mn(如，一边上的1211至121N的光敏感部分)在二维阵列中排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被相互电连接。因此，在光敏感区10中构成了沿第一方向延伸的长的光敏感部分。形成M列沿第一方向延伸的该长的光敏感部分。
第二导线47用于电连接第二方向上的每个象素11mn中的另一边上的区域42，并在象素11mn中沿第二方向延伸设置。由于每一个象素11mn中的另一边上的区域42以这种方法通过第二导线47加以电连接，所以另一边上的光敏感部分13mn(如，另一边上的1311至13M1的光敏感部分)在二维阵列中排列在第二方向上的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被相互电连接。因此，在光敏感区10中构成了沿第二方向延伸的长的光敏感部分。形成N行沿第二方向延伸的该长的光敏感部分。
此外，上述沿第一方向延伸的M列长的光敏感部分，及沿第二方向延伸的N行长的光敏感部分均在同一平面上形成。
区域41和42的形状不局限于图2所示的近似三角形，也可采用如图4至图8所示的其它形状。
图4中描绘的第二导电类型的半导体区域(光敏感部分)，从光入射方向看时为矩形的形成。如此形成这两种区域41和42使一个象素中的每个区域的长边互相毗连。区域41(光敏感部分12mn)和区域42(光敏感部分13mn)在第二方向交替排列。如图4所示，虽然在一个象素内，第一方向上的第二导电类型的半导体区域和第二方向上的第二导电类型的半导体区域可能具有相互不同的面积，但均匀排列在相同方向上的每个区域在象素中间均具有特定的面积。具体而言，通过相同方向上延伸的所有导线连接的光敏感部分的总面积相互比较时可能是一样的。
在图5所示的第二导电类型的半导体区域(光敏感部分)中，每个都呈近似三角形状的一边上的区域41在第一方向上被连续形成。每个都呈近似三角形状的另一边上的区域42，在各个象素11mn中被离散形成。区域41(光敏感部分12mn)和区域42(光敏感部分13mn)交替排列在第二方向上。在第一方向上的一边上连续形成区域41的情况下，并不总是需要第一导线44。但是，考虑到由于串联电阻的增加会导致敏感速度下降的可能性，最佳通过第一导线44电连接区域41。
图6所示的第二导电类型的半导体区域(光敏感区)每一个象素包含四个部分41a、41b、42a、和42b。相互对角的一对区域通过第一导线44或第二导线47电连接。区域41(光敏感部分12mn)和区域42(光敏感部分13mn)交替排列在第一和第二方向上。此外，区域41(光敏感部分12mn)和区域42(光敏感部分13mn)交替排列在第三和第四方向上。
在图7所示的第二导电类型的半导体区域(光敏感区)中，形成两个互相啮合的梳状区域41和42。
图8所示的第二导电类型的半导体区域(光敏感区)为具有四个或更多的角(如，八角形)的多边形形状，如此形成使该多边形的一边与另一个多边形的一边在一个象素中相毗连。在一个象素中，将区域41和42大致放置在与第一和第二方向交叉的第三方向的行中。从光入射的方向看，这些区域排列成蜂窝状结构。具体而言，区域41(光敏感部分12mn)和区域42(光敏感部分13mn)交替排列在第三和第四方向上。
在下文中，根据图9和图10描述第一信号处理电路20和第二信号处理电路30的结构。图9为显示第一信号处理电路的示意框图，且图10为第二信号处理电路的示意框图。
第一信号处理电路20输出电压Hout，它指示出照到光敏感区10的入射光在第二方向上的发光分布。第二信号处理电路30输出电压Vout，它指示出照到光敏感区10的入射光在第一方向上的发光分布。第一和第二信号处理电路20和30在时序指令上可同时或分别进行操作。
如图9所示，第一信号处理电路20包括若干个第一开关21、第一移位寄存器22和第一积分电路23。第一开关21对应于一边上的每个相关光敏感部分群12mn(沿第一方向延伸的由一边上的第二导电类型的半导体区域41构成的M列长的光敏感部分)设置，这些光敏感部分12mn在排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被电连接。第一移位寄存器22依次读出第二方向上的电流。该电流来自在排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被电连接的一边上的光敏感部分群12mn。第一积分电路23依次接收来自一边上的每个光敏感部分群12mn并通过第一移位寄存器22依次连接的电流。然后第一积分电路23将该电流转换成电压并输出该电压。
第一开关21由第一移位寄存器22输出的信号位移(Hm)控制，然后依次闭合。电荷在排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被电连接的一边上的光敏感部分群12mn中积累。通过闭合第一开关21，上述积累的电荷转变成电流，然后通过第一导线44和第一开关21输出到第一积分电路23。第一移位寄存器22的操作由控制电路(没示出)输出的信号ΦH1、ΦH2、和ΦHst控制，这样依次闭合第一开关21。
第一积分电路23输入电流，该电流来自在排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被电连接的一边上的光敏感部分群12mn。第一积分电路23包括放大器24、电容25、和开关26。放大器24放大输入到第一积分电路23的电流的电荷。在电容25中，其一端连接到放大器24的输入端，另一端连接到放大器24的输出端。在开关26中，其一端连接到放大器24的输入端，另一端连接到放大器24的输出端。当控制电路输出的重置信号ΦHreset有效时，开关26转到“ON”状态，而当重置信号ΦHreset无效时，则转到“OFF”状态。
当开关26处于“ON”状态时，第一积分电路23放电以重置电容25。另一方面，当开关26处于“OFF”状态时，第一积分电路23在电容25中积累电荷。这些电荷从在排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被电连接的一边上的光敏感部分群12mn被输入到输入端。随后，第一积分电路23输出对应于上述累积电荷的电压Hout。
如图10所示，第二信号处理电路30包括第二开关31、第二移位寄存器32和第二积分电路33。第二开关31对应于另一边上的每个相关光敏感部分群13mn(沿第二方向延伸由另一边上的第二导电类型的半导体区域42构成的N行长的光敏感部分)设置。这些光敏感部分13mn在排列在第二方向的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被电连接。第二移位寄存器32依次读出第一方向上的电流。该电流来自在排列在第二方向的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分群13mn。第二积分电路33依次输入来自另一边上的每个光敏感部分群13mn并通过第二移位寄存器32被依次连接的电流。然后，第二积分电路33将该电流转换成电压并输出该电压。
第二开关31被第二移位寄存器32输出的信号位移(Vn)控制，然后依次闭合。电荷在排列在第二方向上的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分13mn群上积累。通过闭合第二开关31，上述积累的电荷转变成电流，然后通过第二导线47和第二开关31输出到第二积分电路33。第二移位寄存器32的操作由控制电路(没示出)输出的信号ΦV1、ΦV2、和ΦVst控制，这样依次闭合第二开关31。
第二积分电路33输入电流，该电流来自在排列在第二方向上的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分群13mn。第二积分电路33包括放大器34、电容35和开关36。放大器34放大输入到第二积分电路33的电流的电荷。在电容35中，其一端连接到放大器34的输入端，另一端连接到放大器34的输出端。在开关36中，其一端连接到放大器34的输入端，另一端连接到放大器34的输出端。当控制电路输出的重置信号ΦVreset有效时，开关36转到“ON”状态，而当重置信号ΦVreset无效时，则转到“OFF”状态。
当开关36处于“ON”状态时，第二积分电路33放电以重置电容35。另一方面，当开关36处于“OFF”状态时，第二积分电路33在电容35中积累电荷。这些电荷从在排列在第二方向上的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分群13mn被输入到输入端。随后，第一积分电路33输出对应于上述累积电荷的电压Hout
在下文中，第一信号处理电路20和第二信号处理电路30的操作将根据图11A至11I及图12A至12I来描述。图11A至11I为说明第一信号处理电路操作的时序图。图12A至12I为说明第二信号处理电路操作的时序图。
起始信号ΦHst从控制电路输入到第一移位寄存器22后(见图11A)，每个具有对应于从信号ΦH2的上升沿到信号ΦH1的下降沿一段持续时间的脉冲宽度(见图11B和11C及图11E至11H)的信号位移(HM)被依次输出。当第一移位寄存器22将位移(HM)输出到相应的每个第一开关21时，第一开关21被依次闭合。之后，积累在一边上的相应光敏感部分群12mn上的电荷转成电流并依次输入到第一积分电路23。
重置信号ΦHreset从控制电路输入到第一积分电路23(见图11D)。当重置信号ΦHreset处于“OFF”状态时，积累在相应一边上的光敏感部分群12mn上的电荷被累积在电容25中。然后，对应于电荷积累量的电压Hout被依次从第一积分电路23输出(见图11I)。当重置信号ΦHreset处于“ON”的状态时，第一积分电路23闭合开关26并重置电容25。
这样，第一信号处理电路20依次输出电压Hout作为每个一边上的相应光敏感部分群12mn的时间序列数据。电压Hout对应于积累在排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被电连接的一边上的光敏感部分群12mn上的电荷(电流)。时间序列数据表示第二方向上的发光分布。
起始信号ΦVst从控制电路输入到第二移位寄存器32后(见图12A)，每个具有对应于从信号ΦV2的上升沿到信号ΦV1的下降沿一段持续时间的脉冲宽度(见图12B和12C及图12E至12H)的信号位移(Vn)被依次输出。当第二移位寄存器32将位移(Vn)输出到每个相应的第二开关31时，第二开关31被依次闭合。之后，积累在另一边上的相应光敏感部分群13mn上的电荷转成电流并依次输入到第二积分电路33。
重置信号ΦVreset从控制电路输入到第二积分电路33(见图12D)。当重置信号ΦVreset处于“OFF”状态时，积累在另一边上的相应光敏感部分群13mn上的电荷被累积在电容35中。然后，对应于电荷积累量的电压Vout被依次从第二积分电路33输出(见图12I)。当重置信号ΦVreset处于“ON”的状态时，第二积分电路33闭合开关36并重置电容35。
这样，第二信号处理电路30依次输出电压Vout，作为另一边上的每个相应光敏感部分群13mn的时间序列数据。电压Vout对应于积累在排列在第二方向上的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分13mn群上的电荷(电流)。时间序列数据表示第一方向上的发光分布。
在前述方法中，在本发明的光探测装置1中，入射到一个象素11mn的光作为来自构成象素11mn的多个光敏感部分12mn和13mn的每一个部分的电流被输出。电流对应于光敏感部分12mn和13mn中每一个部分所感受到的光强。一边上的光敏感部分12mn在二维阵列中排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被电连接。因此，从一边上的光敏感部分12mn输出的电流在第一方向上被传递。另一方面，另一边上的光敏感部分13mn在二维阵列中排列在第二方向上的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被电连接。因此，从另一边上的光敏感部分13mn输出的电流在第二方向上被传递。这样，从一边上的光敏感部分12mn输出的电流在第一方向上被传递，且从另一边上的光敏感部分13mn输出的电流在第二方向上被传递。因而，可独立获得第一和第二方向上各自的发光分布。结果，可以利用将多个光敏感部分12mn和13mn排列在一个象素中这种极其简单的结构来快速探测入射光的二维位置。
此外，在本发明的光探测装置1中，每个光敏感部分12mn和13mn包括一部分半导体衬底40及第二导电类型的半导体区域41和42。每个第二导电类型的半导体区域41和42从光入射的方向观察为近似三角形的形状，所形成的近似三角形使其一边与一个象素中的另一个近似三角形的一边相毗连放置。因而，当多个光敏感部分12mn和13mn排列在一个象素中时，就有可能抑制每个光敏感部分12mn和13mn(第二导电类型的半导体区域41和42)的面积减少。
此外，在本发明的光探测装置1中，每个第二导电类型的半导体区域41和42从光入射的方向观察为近似矩形的形状。所形成的近似矩形使其长边与一个象素中的另一个近似矩形的长边毗连放置。因此，当多个光敏感部分12mn和13mn排列在一个象素中时，就有可能抑制每个光敏感部分12mn和13mn(第二导电类型的半导体区域41和42)的面积减少。
此外，在本发明的光探测装置1中，每个第二导电类型的半导体区域41和42从光入射的方向观察为具有四个或更多角的多边形形状。所形成的多边形使其一边与一个象素中的另一个多边形的一边毗连放置设置。因此，当多个光敏感部分12mn和13mn排列在一个象素中时，就有可能抑制每个光敏感部分12mn和13mn(第二导电类型的半导体区域41和42)的面积减少。此外，每个光敏感部分12mn和13mn相对于相同面积的周边长度减少了，从而降低了转换成单位面积的暗电流值。对具有四个或更多角的多边形，菱形也可应用。
在本发明的光探测装置1中，第二导电类型的半导体区域41和42在一个象素中也被成行放置在与第一和第二方向交叉的第三方向。采用这种结构，在一边上的光敏感部分群12mn和另一边上的光敏感部分群13mn中，对应于每个光敏感部分群12mn和13mn的光敏感部分12mn和13mn都集中在相应光敏感部分群的中心，因此可提高分辨率。
此外，第二导电类型的半导体区域41和42从光入射的方向观察被排列成蜂窝状结构。采用这种结构，当多个光敏感部分12mn和13mn被放置在一个象素中时，就有可能进一步抑制每个光敏感部分12mn和13mn(第二导电类型的半导体区域41和42)的面积减少。此外，由于这种结构具有极高的几何对称性，因此可抑制因形成第二导电类型的半导体区域41和42(光敏感部分12mn和13mn)所用掩模的位移而造成的不均匀性。
此外，在本发明的光探测装置1中，沿第一方向延伸的第一导线44被设置在象素11mn之间，且沿第二方向延伸的第二导线47被设置在象素11mn之间。采用这种结构，每根导线44和47将不阻挡光入射到光敏感部分12mn和13mn(第二导电类型的半导体区域41和42)，因此抑制了探测灵敏度的恶化。
此外，本发明的光探测装置1进一步包括第一移位寄存器22、第二移位寄存器32、第一积分电路23和第二积分电路33。这种结构使采用极简单的结构在第一和第二方向上获得发光分布成为可能。
下面，第一和第二信号处理电路的改进例子的结构将根据图13和14进行描述。图13为第一信号处理电路改进例子的示意框图；图14为第二信号处理电路改进例子的示意框图。
如图13所示，第一信号处理电路100包括：第一积分电路110、第一CDS电路120、第一取样和保持电路(第一S/H电路)130、第一最大值探测电路140、第一移位寄存器150、第一开关160和第一A/D转换电路170。
第一积分电路110对应一边上的各个光敏感部分群12mn(一边上沿第一方向长长地延伸的由第二导电类型的半导体区域41构成的M列光敏感部分)设置。这些光敏感部分12mn在排列在第一方向上的多个象素1111至111N、1121至112N、...、及11M1至11MN的所有象素上被电连接。第一积分电路110将来自一边上的相应光敏感部分群12mn的电流转换成电压，并输出该电压。如图15所示，在第一积分电路110中，放大器A1、电容器C1和开关SW1在第一积分电路110的输入和输出端之间相互并联。当开关SW1闭合时，每个第一积分电路放电并重置电容器C1。另一方面，当开关SW1断开时，每个第一积分电路在电容器C1中积累输入到输入端的电荷，然后从输出端输出对应于累积电荷的电压。开关SW1根据控制电路(未示出)输出的重置信号断开或闭合。
第一CDS电路120对应各个第一积分电路110设置，并根据相应第一积分电路110输出的电压变化确定输出电压值。如图16所示，每个第一CDS电路120在其输入和输出端之间包括开关SW21、耦合电容器C21和放大器A2。此外，在放大器A2的输入和输出端之间相互并联开关SW22和积分电容器C22。每个开关SW22和SW21均用作在积分电容器C22中积累电荷的开关。当开关SW22闭合时，每个第一CDS电路120放电并重置积分电容器C22。当开关SW22断开且开关SW21闭合时，每个第一CDS电路经由耦合电容器C21在积分电容器C22中积累从输入端输入的电荷。然后，从输出端输出对应于累积电荷的电压。开关SW21根据控制电路输出的CSW211信号断开或闭合。开关SW22根据控制电路输出的Clamp1信号断开或闭合。
第一S/H电路130对应各个第一CDS电路120设置。第一S/H电路130保持从相应第一CDS电路120输出的电压，而后输出该电压。如图17所示，每个第一S/H电路130均包括开关SW3与放大器A3，而开关SW3与放大器A3之间的节点通过电容器C3接地。当开关SW3闭合时，每个第一S/H电路130在电容器C3中存储第一CDS电路120输出的电压。即使当开关SW3断开后，每个第一S/H电路130也保持存储在电容器C3中的电压，并通过放大器A3输出该电压。开关SW3根据控制电路输出的保持信号断开或闭合。第一开关160通过控制第一移位寄存器150依次闭合，并允许第一S/H电路130输出的电压依次输入到第一A/D转换电路。
第一最大值探测电路140从每个第一S/H电路130输出的电压中探测到最大值。如图18所示，第一最大值探测电路140包括NMOS晶体管T1到TM、电阻R1至R3和差分放大器A4。各个晶体管Tm的源端接地，漏端通过电阻R3接到电源电压Vdd并通过电阻R1接到差分放大器A4的反相输入端。各个晶体管Tm的栅端接到第一S/H电路130的输出端，而第一S/H电路130输出的电压输入到栅极。而且，在差分放大器A4的反相输入端和输出端之间设置电阻R2，同时差分放大器A4的一个正相输入端接地。在该第一最大值探测电路140中，从第一S/H电路130输出的电压输入到晶体管Tm的栅极端，对应于来自各个电压的最大值的电势出现在晶体管Tm的漏极端。此后，在漏极端的电势被差分放大器A4放大，且放大的电压值作为最大电压值Vmax从输出端输出到第一A/D转换电路170。
每个第一S/H电路130输出的电压被依次输入到第一A/D转换电路170，在此根据第一最大值探测电路140探测到的最大值将电压转变成数字值，随后输出该数字值。第一最大值探测电路140输出的最大电压值Vmax作为A/D转换范围输入到第一A/D转换电路170中。之后，第一S/H电路130输出的电压通过第一开关160和放大器180被依次输入到第一A/D转换电路170。第一A/D转换电路170随后将该电压(模拟值)转换为数字值之后输出该数字值。如图19所示，第一A/D转换电路170包括可变电容积分电路171、比较器172、电容控制单元173和读出单元174。
可变电容积分电路171包括电容器C51、放大器A5、可变电容器C52和开关SW5。将第一S/H电路130输出的并经第一开关160依次到达第一A/D转换电路170的电压，通过电容器C51输入到放大器A5的反相输入端。放大器A5的正相输入端接地。其中容量既可变化又可控制的可变电容器C52设置在放大器A5的反相输入端和输出端之间，并根据输入的电压存储电荷。开关SW5设置在放大器A5的反相输入端和输出端之间。当开关SW5断开时，开关SW5导致可变电容器C52存储电荷，而当闭合时，则开关SW5使存储在可变电容器C52的电荷清零。当第一S/H电路130依次输出的电压输入到可变电容积分电路171之后，可变电容积分电路171根据可变电容器C52的电容积分该电压，并输出作为积分结果该电压。
将可变电容积分电路171输出的电压输入到比较器172的反相入端。将第一最大值探测电路140输出的最大电压值Vmax输入到比较器172的正相入端。比较器172随后对两个输入的电压值进行比较，并输出比较结果的信号。
将比较器172输出的比较结果信号输入到电容控制单元173。根据比较结果信号，电容控制单元173随后输出电容指示信号C用于控制可变电容器C52的电容。同时，如果通过分辨力，积分结果的电压值和最大电压值Vmax被确定相同，那么电容控制单元173输出对应于可变电容器C52的电容值的第一数字值。
将电容控制单元173输出的第一数字值输入到读出单元174，读出单元174随后输出对应于该第一数字值的第二数字值。第二数字值表示从第一数字值中减去可变电容积分电路171的偏差值所获得的数值。读出单元174例如是存储单元，对其输入作为地址的第一数字值。读出单元174随后输出存储在存储单元地址里的数据作为第二数字值。该第二数字值成为表示第二方向发光分布的输出。
如图14所示，第二信号处理电路200包括：第二积分电路210、第二CDS电路220、第二取样和保持电路(第二S/H电路)230、第二最大值探测电路240、第二移位寄存器250、第二开关260和第二A/D转换电路270。
第二积分电路210对应另一边上的各个光敏感部分群13mn(另一边上沿第二方向长长延伸的第二导电类型的半导体区域42构成的N行光敏感部分)设置。这些光敏感部分13mn在排列在第二方向上的多个象素1111至11M1、1112至11M2、...、及111N至11MN的所有象素上被电连接。第二积分电路210将来自另一边上的相应光敏感部分群13mn的电流转换成电压，并输出该电压。第二积分电路210具有和图15所示的第一积分电路110相同的结构。在第二积分电路210中，放大器、电容器和开关在第二积分电路210的输入和输出端之间相互并联。
第二CDS电路220对应各个第二积分电路210设置，并根据相应第二积分电路210输出的电压变化确定输出电压值。第二CDS电路220具有和图16所示的第一CDS电路120相同的结构。每个第二CDS电路220在其输入和输出端之间均包括有开关、耦合电容器和放大器。此外，开关和积分电容器在放大器的输入和输出端之间相互并联。
第二S/H电路230对应各个第二CDS电路220设置。第二S/H电路230保持相应第二CDS电路220输出的电压，而后输出该电压。第二S/H电路230具有和图17所示的第一S/H电路130相同的结构。每个第二S/H电路230均包括开关和放大器，且开关与放大器之间的节点通过电容器接地。第二开关260通过控制第二移位寄存器250依次断开，并允许第二S/H电路230输出的电压依次输入到第二A/D转换电路270。
第二最大值探测电路240探测从每个第二S/H电路230输出的电压的最大值。第二最大值探测电路240具有和图18所示的第一最大值探测电路140相同的结构。第二最大值探测电路240包括NMOS晶体管、电阻和差分放大器。各个晶体管的源端接地，且各个晶体管的漏端通过其中一个电阻接到电源电压并通过其中另一个电阻接到差分放大器的反相输入端。各个晶体管的栅端接到第二S/H电路输出端，而第二S/H电路输出的电压则输入到栅极端。而且，在差分放大器的反相输入端和输出端之间设有其中另一个电阻，而差分放大器的一个正相输入端接地。
从第二S/H电路230输出的电压依次输入到第二A/D转换电路270，在此根据第二最大值探测电路240探测到的最大值将电压转换成数字值，随后输出该数字值。第二最大值探测电路240输出的最大电压作为A/D转换范围输入到第二A/D转换电路270中。之后，第二S/H电路230输出的电压通过第二开关260依次输入到第二A/D转换电路270。第二A/D电路270随后将该电压(模拟值)转换为数字值后输出该数字值。第二A/D转换电路270具有和图19所示第一A/D转换电路170相同的结构，并包括可变电容积分电路、比较器、电容控制单元和读出单元。第二A/D转换电路270输出的第二数字值表示第一方向上的发光分布。
如迄今为止所描述的那样，从各个第一和第二最大值探测电路140和240输出的并依次输入到各个比较器172的最大电压值Vmax限定A/D转换范围，即，第一和第二A/D转换电路170和270可利用最大电压值来实现不饱和的A/D转换。此外，通常的情况是，输入到第一和第二A/D转换电路170和270的任何电压总是最大电压值Vmax。因此，可有效地利用常规的A/D转换范围。具体地说，根据本发明的光探测装置1不仅在光强高时而且在光强低时均具有优良的A/D转换分辨能力。
此外，即使第一和第二积分电路110和120在每次积分运算中具有不同的噪声变化，第一和第二CDS电路120和220可消除噪声。
此外，第一和第二积分电路110和210对应各个光敏感部分群12mn和13mn设置。因此，来自各个光敏感部分群12mn和13mn的电荷可被同时积累，且该电荷可被转换成电压。
作为上述结果，可迅速而且高度精确地获得第一和第二方向上的发光分布。附带说明，在本申请人申请的日本专利公布文本No.2001-36128中揭示了前述的第一和第二积分电路110和210、第一和第二CDS电路120和220、第一和第二S/H电路130和230、第一和第二最大值探测电路140和240、第一和第二移位寄存器150和250、第一和第二开关160和260、第一和第二A/D转换电路170和270等等的操作。
下面，根据本实施例的成像装置将在图21和22的基础上进行描述。图21和22为显示成像装置的示意框图。在图21和22中，为简化本实施例的描述，成像模块(光敏感区)按2×2排列画出，且每个成像模块中的象素按3×3排列画出。当然，该光敏感区可以按P×Q排列，而每个光敏感区中的象素可以按M×N排列(注意，P和Q是大于等于2的整数)。
如图21和22所示，根据本实施例的成像装置301包括以两列和两行进行二维排列的成像模块B11到B22(光敏感区10)，以及第一和第二信号处理电路320和330。在时序控制下可同时或独立操作第一和第二信号处理电路。
第一信号处理电路320通过由多个排列在第二方向上的成像模块(如，成像模块B11和B12)构成的每个成像模块群输出电压H1out和H2out。电压H1out和H2out表示有关入射到成像区域(成像模块B11至B22)的第二方向上的发光分布。第一信号处理电路320输出作为成像模块B11和B12构成的成像模块群输出的电压H1out。第一信号处理电路320也输出作为成像模块B21和B22构成的成像模块群输出的电压H2out。
第二信号处理电路330通过由多个排列在第一方向上的成像模块(如，成像模块B11和B12)构成的每个成像模块群输出电压V1out和V2out。电压V1out和V2out表示有关入射到成像区域(成像模块B11至B22)的第一方向上的发光分布。第二信号处理电路330输出作为成像模块B11和B21构成的成像模块群输出的电压V1out。第二信号处理电路330也输出作为成像模块B12和B22构成的成像模块群输出的电压V2out。
第一信号处理电路320包括第一开关21、第一移位寄存器322和第一积分电路23。第一移位寄存器322具有与前述第一移位寄存器22相同等的功能。第一移位寄存器322通过由多个排列在第二方向上的成像模块(如，成像模块B11和B12)构成的每个成像模块群依次读出第二方向上的电流。电流来自在排列在第一方向上的多个象素1111至1113、1121至1123、及1131至1133的所有象素上被电连接的一边上的光敏感部分群12mn(1211至1213、1221至1223、1231至1233)。第一开关21在第一移位寄存器322输出的信号位移(H1)至(H6)的控制下依次闭合。第一积分电路23为排列在第二方向上的多个成像模块(如，成像模块B11和B12)构成的每个成像模块群设置。
第二信号处理电路330包括第二开关31、第二移位寄存器332、和第二积分电路33。第二移位寄存器332具有与前述第二移位寄存器32相等同的功能。第二移位寄存器332通过由多个排列在第一方向上的成像模块(如，成像模块B11和B12)构成的每个成像模块群依次读出第一方向上的电流。电流来自在排列在第二方向上的多个象素1111至1131、1112至1132、及1113至1133的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分群13mn(1311至1331、1312至1332、1313至1333)。第二开关31在第二移位寄存器332输出的信号位移(V1)至(V6)的控制下依次闭合。第二积分电路33为排列在第一方向上的多个成像模块(如，成像模块B11和B21)构成的每个成像模块群设置。
下面，根据图23A至23J和图24A至24J说明第一信号处理电路320和第二信号处理电路330的操作。图23A至23J为说明第一信号处理电路操作的时序图。图24A至24J为说明第二信号处理电路操作的时序图。
当起始信号ΦHst从控制电路输入到第一移位寄存器322后(见图23A)，每个均具有对应从信号ΦH2的上升沿到信号ΦH1的下降沿一段持续时间内的脉冲宽度的信号位移(H1)至(H6)被依次输出(见图23B和23C及图23E至23H)。当第一移位寄存器322将位移(H1)至(H6)输出到相应第一开关21时，第一开关21依次闭合。之后，在相应一边上的光敏感部分群12mn中积累的电荷被转成电流并依次输出到相应的第一积分电路23。
重置信号ΦHreset从控制电路输入到每个第一积分电路23(见图23D)。当重置信号ΦHreset为“OFF”状态时，积累在一边上的相应光敏感部分群12mn中的电荷被累积在电容器25中。随后，按照累积的电荷数量，电压H1out和H2out依次从各自的第一积分电路23输出(见图23I和23J)。当重置信号ΦHreset为“ON”状态时，每个第一积分电路23闭合开关26并重置电容器25。
当起始信号ΦVst从控制电路输入到第二移位寄存器332后(见图24A)，每个均具有对应从信号ΦV2的上升沿到信号ΦV1的下降沿一段持续时间内的脉冲宽度的信号位移(V1)至(V6)被依次输出(见图24B和24C及图24E至24H)。当第二移位寄存器332将位移(V1)至(V6)输出到相应第二开关31时，第二开关31依次闭合。之后，在相应另一边上的光敏感部分群13mn中积累的电荷被转成电流并依次输出到相应的第二积分电路33。
重置信号ΦVreset从控制电路输入到每个第二积分电路33(见图24D)。当重置信号为“OFF”状态时，积累在另一边上的相应光敏感部分群13mn中的电荷被累积在电容器35中。随后，按照累积的电荷数量，电压V1out和V2out依次从各自的第二积分电路33输出(见图24I和24J)。当重置信号为“ON”状态时，每个第二积分电路33闭合开关36并重置电容器35。
在本实施例的成像装置301中，成像模块B11至B22(光敏感区10)以前述方式进行二维排列。因此，可用极简单的结构快速探测入射光的发光分布。
下面，在图25和26的基础上描述根据本实施例的测距图像捕捉装置。图25和26为显示测距图像捕捉装置的示意框图。
如图25所示，在根据本实施例的测距图像捕捉装置401中，一对前述成像装置301以预定的间隔排列。目标403的像被一对成像装置301捕捉。在每个成像装置301中，成像模块(光敏感区10)在成像区301a中按P×Q排列。另外，每个成像模块(光敏感区10)中的像素配置成M×N排列。这里，参数p为大于等于1且不大于P的任何整数，且参数q为大于等于1且不大于Q的任何整数。
将一对光透镜405放置在二个成像装置301前面。当目标403放置在参考平面407上时，光轴1交叉在参考平面407的中心，从而使目标403的像反射在成像装置301的每个成像区域301a的相同位置。
对于视差量P，目标403相对于参考平面407的高度H由如下方程(1)获得：
H＝W×P/(C+P-L)    ....  (1)
式中，“W”表示光透镜405和目标403之间的距离，“L”表示光透镜405之间的距离、以及“C”表示成像装置301中成像区域301a中心之间的距离。可以利用唯相相关(Phase-onlyCorrelation，POC)获得成像装置中每个成像模块的视差量“P”。
此外，如图26所示，测距图像捕捉装置401包括运算电路单元410。将成像装置301中的每个第一积分电路(未示出)的输出Hpout和每个第二积分电路(未示出)的输出Vqout输入到运算电路单元410。该运算电路单元410具有作为视差量测定装置的视差量测定单元411、作为距离运算装置的距离运算单元413以及作为测距图像产生装置的测距图像产生单元415。视差量测定单元411根据成像装置301中的每个第一积分电路23的输出Hpout和每个第二积分电路33的输出Vqout测定每个成像模块的视差量。关于这一点，可使用前述的唯相相关。距离运算单元413根据视差量测定单元411测定的视差量运算从成像模块到目标403的距离。测距图像产生单元415根据距离运算单元413的运算距离形成测距图像。
如前所述，根据本实施例的测距图像捕捉装置401仅需要极少量的数据来捕捉包含在每个成像装置301中的每个成像模块(光敏感区10)中测距图像。因此，可以保持低操作速度来捕捉测距图像，从而实现低电流消耗和低热量产生。
本发明不局限于前述实施例。例如，可以用均匀电阻丝连接每个光敏感部分12mn和13mn(第二导电类型的半导体区域41和42)来代替使用移位寄存器。之后，因入射光产生的电荷在该电荷被分阻后从电阻丝的末端获得，从而使电荷与电阻丝末端和电荷流过的电阻丝的位置之间的距离成反比。随后，根据每根电阻丝末端输出的电流获得入射光的位置。
此外，虽然在前述实施例中一个象素由多个光敏感部分构成，但是一个象素也可由一个光敏感部分构成。例如，如图20所示，一个光敏感区10包括多个在第一方向全部被相互电连接第一光敏感部分12mn，和多个在第二方向全部被相互电连接的第二光敏感部分13mn。多个第一光敏感部分12mn和多个第二光敏感部分13mn可在一个平面内二维混合排列。在这种情况下，第一和第二光敏感部分12mn和13mn以网状模式被排列，并交替排列在第一和第二方向上。也可将第一和第二光敏感部分12mn和13mn以如图8所示的蜂窝状结构中排列，代替网状模式。
工业应用
本发明的光探测装置和成像装置可应用于测距图像捕捉装置。此外，本发明的测距图像捕捉装置可应用于部件外形检验装置和部件形状识别装置。

Claims (21)

1.一种光探测装置，其中象素具有二维阵列的光敏感区，其特征在于，
其中通过在一个平面内将多个光敏感部分相互毗连放置来构成一个象素，多个光敏感部分中的每个光敏感部分输出对应于入射到每个光敏感部分上的光强的电流；
在二维阵列中排列在第一方向上的多个象素的所有象素上，将构成各个象素的多个光敏感部分中的一边上的光敏感部分相互电连接；及
在二维阵列中排列在第二方向上的多个象素的所有象素上，将构成各个象素的多个光敏感部分中的另一边上的光敏感部分相互电连接。
2.如权利要求1所述的光探测装置，其特征在于，
其中每个光敏感部分包括由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，和在所述半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域，以及
从光入射方向观察，第二导电类型的半导体区域近似三角形的形状，所形成的近似三角形使其一边与所述象素中的另一个近似三角形的一边毗连。
3.如权利要求1所述的光探测装置，其特征在于，
其中每个光敏感部分包括由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，和在所述半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域，以及
从光入射方向观察，第二导电类型的半导体区域近似矩形的形状，所形成的近似矩形使其长边与所述象素中的另一个近似矩形的长边毗连。
4.如权利要求1所述的光探测装置，其特征在于，
其中第一导线被设置用于在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上将一边上的光敏感部分相互电连接，所述第一导线在所述象素之间沿第一方向延伸，以及
第二导线被设置用于在排列在第二方向上的多个象素的所有象素上将另一边上的光敏感部分相互电连接，所述第二导线在所述象素之间沿第二方向延伸。
5.如权利要求1所述的光探测装置，其特征在于，
其中每个光敏感部分包括由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，和在所述半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域；
所述第二导电类型的半导体区域在一个象素中被分割成四个部分，且用于在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上将一边上的光敏感部分相互电连接的导线，和用于在排列在第二方向上的多个象素的所有象素上将另一边上的光敏感部分相互电连接的导线被设置在分割部分之间的边界上，以及
在所述象素中被分割成四个部分的第二导电类型的半导体区域中，按对角关系用导线连接分割部分。
6.如权利要求1所述的光探测装置，其特征在于，
其中每个光敏感部分包括由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，和在所述半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域；以及
从光入射方向观察，第二导电类型的半导体区域呈具有四个或更多角的多边形形状，所形成的多边形使其一边与所述象素中的另一个多边形的一边毗连。
7.如权利要求6所述的光探测装置，其特征在于，
其中一边上的光敏感部分的第二导电类型的半导体区域和另一边上的光敏感部分的第二导电类型的半导体区域在一个象素内被成行放置在第一和第二方向交叉的第三方向上。
8.如权利要求6所述的光探测装置，其特征在于，其中从光入射的方向观察，第二导电类型的半导体区域以蜂窝状结构排列。
9.如权利要求1所述的光探测装置，其特征在于，进一步包括：
用于依次读出第二方向上的电流的第一移位寄存器，所述电流来自在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上被电连接的一边上的光敏感部分群；
用于依次读出第一方向上的电流的第二移位寄存器，所述电流来自在排列在第二方向上的多个象素的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分群；
依次输入来自一边上的各个光敏感部分群的电流并将所述电流转换成电压的第一积分电路，所述电流被第一移位寄存器依次读出；以及
依次输入来自另一边的各个光敏感部分群的电流并将所述电流转换电压的第二积分电路，所述电流被第二移位寄存器依次读出。
10.如权利要求1所述的光探测装置，其特征在于，进一步包括：
对应于在排列在第一方向上的多个象素的所有象素上被电连接的一边上的光敏感部分群设置的若干个第一积分电路，将来自一边上相应光敏感部分群的电流转换为电压，并随后输出所述电压；
对应于所述第一积分电路设置的若干个第一CDS电路，其输出电压的值根据相应的第一积分电路输出的电压变化确定；
对应于所述第一CDS电路设置的若干个第一取样和保持电路，保持和输出来自相应的第一CDS电路的电压；
探测来自每个第一取样和保持电路的电压最大值的第一最大值探测电路；
依次输入来自每个第一取样和保持电路的电压，根据所述第一最大值探测电路探测到的最大值将所述电压转换成数字值并输出所述数字值的第一A/D转换电路；
对应于在排列在第二方向上的多个象素的所有象素上被电连接的另一边上的光敏感部分群设置的若干个第二积分电路，将来自另一边上相应光敏感部分群的电流转换为电压，并随后输出所述电压；
对应于所述第二积分电路设置的若干个第二CDS电路，其输出电压的值根据相应的第二积分电路输出的电压变化确定；
对应于所述第二CDS电路设置的若干个第二取样和保持电路，保持和输出来自相应的第二CDS电路的电压；
探测来自每个第二取样和保持电路的电压最大值的第二最大值探测电路；以及
依次输入来自每个第二取样和保持电路的电压、根据所述第二最大值探测电路探测到的最大值将所述电压转换成数字值并输出所述数字值的第二A/D转换电路。
11.一种具有光敏感区的光探测装置，其特征在于，
其中所述光敏感区包括多个在第一方向全部被相互电连接的第一光敏感部分和多个在与第一方向交叉的第二方向全部被相互电连接的第二光敏感部分，以及
多个第一光敏感部分和多个第二光敏感部分在一个平面内二维混合排列。
12.如权利要求11所述的光探测装置，其特征在于，其中多个第一光敏感部分和多个第二光敏感部分交替排列在第一方向和第二方向的任一方向上。
13.如权利要求11所述的光探测装置，其特征在于，其中多个第一光敏感部分和多个第二光敏感部分交替排列在第一和第二方向交叉的第三方向上。
14.如权利要求13所述的光探测装置，其特征在于，其中从光入射的方向观察，每个光敏感部分以蜂窝状结构排列。
15.如权利要求11所述的光探测装置，其特征在于，
其中每个光敏感部分包括由第一导电类型的半导体构成的半导体衬底部分，和在所述半导体衬底部分中形成的第二导电类型的半导体区域；以及
从光入射的方向观察，所述第二导电类型的半导体区域呈近似多边形的形状，所形成的近似多边形使其一边与另一个近似多边形的一边毗连。
16.如权利要求11所述的光探测装置，其特征在于，
其中第一导线被设置用于使第一光敏感部分相互电连接，所述第一导线在各个光敏感部分之间沿第一方向延伸；以及
第二导线被设置用于使第二光敏感部分相互电连接，所述第二导线在各个光敏感部分之间沿第二方向延伸。
17.如权利要求11所述的光探测装置，其特征在于，进一步包括：
用于依次读出第二方向上电流的第一移位寄存器，所述电流来自在第一方向全部被相互电连接的第一光敏感部分群；
用于依次读出第一方向上电流的第二移位寄存器，所述电流来自在第二方向全部被相互电连接的第二光敏感部分群；
依次输入来自每个第一光敏感部分群的电流并将所述电流转换成电压的第一积分电路，所述电流被第一移位寄存器依次读出；以及
依次输入来自每个第二光敏感部分群的电流并将所述电流转换成电压的第二积分电路，所述电流被第二移位寄存器依次读出。
18.如权利要求11所述的光探测装置，其特征在于，进一步包括：
对应于在第一方向全部被相互电连接的第一光敏感部分群设置的若干个第一积分电路，将来自相应第一光敏感部分群的电流转换为电压，并随后输出所述电压；
对应于所述第一积分电路设置的若干个第一CDS电路，其输出电压的值根据相应第一积分电路输出的电压变化确定；
对应于所述第一CDS电路设置的若干个第一取样和保持电路，保持和输出来自相应第一CDS电路的电压；
探测来自每个第一取样和保持电路的电压最大值的第一最大值探测电路；
依次输入来自每个第一取样和保持电路的电压、根据所述第一最大值探测电路探测到最大值将所述电压转换成数字值并输出所述数字值的第一A/D转换电路；
对应于在第二方向全部被相互电连接的第二光敏感部分群设置的若干个第二积分电路，将来自相应第二光敏感部分群的电流转换为电压，并随后输出所述电压；
对应于所述第二积分电路设置的若干个第二CDS电路，其输出电压的值并根据相应第二积分电路输出的电压变化确定；
对应于所述第二CDS电路设置的若干个第二取样和保持电路，保持和输出来自相应第二CDS电路的电压；
探测来自每个第二取样和保持电路的电压最大值的第二最大值探测电路；以及
依次输入来自每个第二取样和保持电路的电压、根据所述第二最大值探测电路探测到最大值将所述电压转换成数字值并输出所述数字值的第二A/D转换电路。
19.一种成像装置，其特征在于，
其中将如权利要求1和11中任一权利要求所述的光探测装置以二维阵列设置。
20.如权利要求19所述的成像装置，其特征在于，
其中具有多个以二维阵列排列在第二方向上的光探测装置的每个光探测装置群，进一步包括：
用于依次读出第二方向上电流的第一移位寄存器，所述电流来自排列在第一方向上的多个象素全部被电连接的一边上的光敏感部分群；
为具有多个排列在第二方向上的光探测装置的各个光探测装置群设置的若干个第一积分电路，依次输入来自一边上的各光敏感部分群的电流，并将所述电流转换成电压，所述电流被第一移位寄存器依次读出；以及其中
具有多个以二维阵列排列在第一方向上的光探测装置的每个光探测装置群，进一步包括：
用于依次读出第一方向上电流的第二移位寄存器，所述电流来自排列在第二方向上的多个象素全部被电连接的另一边上的光敏感部分群；以及
为具有多个排列在第一方向上的光探测装置的各个光探测装置群设置的若干个第二积分电路，依次输入来自另一边上的各光敏感部分群的电流，并将所述电流转换成电压的，所述电流被第二移位寄存器依次读出；以及
21.一种测距图像捕捉装置，其特征在于，其中一对如权利要求20所述的成像装置按预定的间隔排列，所述测距图像捕捉装置包括：
用于根据来自第一积分电路和第二积分电路的电压测定每个光探测装置的视差量的视差量测定装置；
用于根据视差量测定装置测定的视差量运算从每个光探测装置到目标的距离的距离运算装置装置；以及
用于根据距离运算装置运算得到的距离产生测距图像的测距图像产生装置。
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