CN113167644A - 光接收装置与距离测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种光接收装置，包括：光接收元件(10001至1000n)，其中，在施加预定电压的状态下，每个光接收元件产生对应于入射光子的电流，并且通过再充电电流恢复至预入射状态；生成单元(1100a)，生成参考电流；以及复制单元(10011至1001n)，复制由生成单元生成的参考电流，以生成复制参考电流。基于复制参考电流将再充电电流供应至光接收元件。

Description

光接收装置与距离测量装置
技术领域
本发明涉及一种光接收装置和距离测量装置。
背景技术
已知能够通过光电转换将接收光转换成电信号并且输出电信号的光接收元件。作为该光接收元件中的一个，已知能够响应于一个光子的入射通过雪崩倍增获得较大电流的单光子雪崩二极管(以下称为单光子雪崩二极管(SPAD))。通过利用SPAD的该特征能够以较高的灵敏性检测一个光子的入射。
将对使用SPAD的光子检测操作进行示意性地描述。例如，供应电源电压Vdd并且基于参考电压Vref控制其输出电流的电流源连接至SPAD的阴极。SPAD的阳极提供产生雪崩倍增的较大负压(-Vbd)。在这种状态下，当光子入射在SPAD上时，开始雪崩倍增，并且电流从SPAD的阴极流向阳极。相应地，SPAD中出现压降，并且当跨阳极和阴极的电压下降至电压(-Vbd)时(猝熄操作)，雪崩倍增停止。之后，通过来自电流源的电流(被称为再充电电流Id)对SPAD进行充电，并且SPAD的状态返回至光子入射之前的状态(再充电操作)。
在上述所述SPAD操作中，再充电操作的周期被称为死区时间，并且不执行光子检测。通过适当地控制死区时间的长度可以更有效地执行光子检测。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 2014-081253 A
发明内容
技术问题
死区时间的长度根据从电流源供应至SPAD的再充电电流Id而改变。此处，考虑了使用一个晶体管配置电流源的情况。在这种情况下，根据电源电压Vdd、参考电压Vref、以及晶体管的特征(阈值电压Vth等)判断从晶体管流至SPAD的再充电电流Id。因为晶体管的特征根据制造过程中的温度和变化而改变，所以难以将再充电电流Id控制为使得死区时间具有适当的长度。
本公开的目的是提供一种能够更为有效地检测光子的光接收装置和距离测量装置。
问题的解决方案
为了解决上述所述问题，根据本公开的一方面的光接收装置具有：光接收元件其中，在施加预定电压的状态下，电流根据入射光子而在光接收元件中流动，并且通过再充电电流返回至该状态；生成单元，生成参考电流；以及复制单元，复制由生成单元生成的参考电流，以生成复制参考电流；其中，基于复制参考电流的再充电电流被供应至光接收元件。
附图说明
[图1]是示意性示出使用可应用于各个实施方式的直接ToF方法的距离测量的示图。
[图2]是示出可应用于第一实施方式、基于光接收单元接收光时的时间的实施例的直方图的图表。
[图3]是示出包括根据各个实施方式的距离测量装置的电子装置的实施例的配置的框图。
[图4]是示出可应用于各个实施方式的距离测量装置的实施例的更详细配置的框图。
[图5]是示出可应用于各个实施方式的像素的实施例的配置的示图。
[图6]是示出可应用于根据各个实施方式的距离测量装置的装置配置的实施例的示意图。
[图7]是示出SPAD的特征的实施例的图表。
[图8]是用于描述能够应用于各个实施方式、使用SPAD的像素的操作的示图。
[图9]是用于描述能够应用于各个实施方式、使用SPAD的像素的操作的图表。
[图10A]是用于更详细地描述像素的操作的示图。
[图10B]是用于更详细地描述像素的操作的示图。
[图10C]是用于更详细地描述像素的操作的示图。
[图10D]是用于更详细地描述像素的操作的示图。
[图11A]是用于示意性地描述SPAD的驱动配置的示图。
[图11B]是用于示意性地描述SPAD的驱动配置的示图。
[图11C]是用于示意性地描述SPAD的驱动配置的示图。
[图12]是通过关注像素阵列单元而示出根据已有技术的光接收装置的实施例的配置的示图。
[图13]是通过关注像素阵列单元而示出根据第一实施方式的光接收装置的实施例的配置的示图。
[图14]是示出根据第一实施方式的第一变形的实施例的电路配置的示图。
[图15]是示出根据第一实施方式的第二变形的实施例的电路配置的示图。
[图16]是示出根据第一实施方式的第二变形的各个尺寸的晶体管的系数α的值的图表。
[图17]是示出根据第一实施方式的第三变形的实施例的电路配置的示图。
[图18]是通过关注像素阵列单元而示意性示出根据第二实施方式的光接收装置的实施例的配置的示图。
[图19]是示出根据第二实施方式的配置的更具体电路配置的实施例的示图。
[图20]是示出根据第二实施方式的配置的操作波形的实施例的视图。
[图21]是示出根据第二实施方式的第一变形的电路配置的实施例的示图。
[图22]是示出根据第二实施方式的第一变形的配置的操作波形的实施例的视图。
[图23]是示出根据第二实施方式的第二变形的电路配置的实施例的示图。
[图24]是示出根据第二实施方式的第三变形的实施例的电路配置的示图。
[图25]是示出根据第二实施方式的第四变形的实施例的电路配置的示图。
[图26]是示出根据第二实施方式的第五变形的配置的实施例的示图。
[图27]是示出根据第二实施方式的第五变形的配置的另一实施例的示图。
[图28]是示出根据第三实施方式的电路配置的实施例的示图。
[图29]是示出根据第四实施方式的像素阵列单元的实施例的配置的框图。
[图30]是示意性示出根据第五实施方式的实施例的配置的示图。
[图31]是示出根据使用应用第一实施方式及其相应变形、第二实施方式及其相应变形、以及第三至第五实施方式的距离测量装置的第六实施方式的使用例的视图。
[图32]是示出车辆控制系统的示意性配置例的框图，即，能够应用根据本公开的技术的移动对象控制系统的实施例。
[图33]是示出成像单元的安装位置的实施例的示图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本公开的实施方式进行更详细地描述。应注意，在下列实施方式中，以相同参考标号表示相同的位置，并且将省去其重复性描述。
(可应用于实施方式的技术)
本公开适合于在执行光子检测的技术中使用。在对本公开的各个实施方式进行描述之前，将通过光子检测执行距离测量的技术描述为可应用于相应的实施方式的一种技术，以便于理解。在这种情况下，应用直接飞行时间(ToF)方法作为距离测量方法。直接ToF方法是这样一种方法，即，通过光接收元件接收反射光，由测量对象反射从光源发射的光时生成反射光；并且基于光发射时刻与光接收时刻之间的时差执行距离测量。
将参考图1和图2对使用直接ToF方法的距离测量进行示意性地描述。图1是示意性地示出使用可应用于各个实施方式的直接ToF方法的距离测量的示图。距离测量装置300包括光源单元301和光接收单元302。例如，光源单元301是激光二极管并且被驱动，以通过脉冲形式发射激光。由测量对象303反射从光源单元301发射的光并且由光接收单元302接收作为反射光的光。光接收单元302包括光接收元件，光接收元件通过光电转换将光转换成电信号并且响应所接收的光而输出信号。
此处，光源单元301发射光的时间(光发射时刻)是时间t0，并且光接收单元302接收反射光的时间(光接收时刻)是时间t1，由测量对象303反射从光源301发射的光时产生反射光。假设常数c是光速(2.9979×108[m/sec])，则通过下列公式(1)计算距离测量装置300与测量对象303之间的距离D。
D＝(c/2)×(t1-t0) (1)
距离测量装置300多次重复上述所述处理。光接收单元302可以包括多个光接收元件，并且当通过各个光接收元件接收反射光时，基于各个光接收时刻可以计算距离D。距离测量装置300基于玻璃(分箱)对从光发射时刻的时间t0至光接收单元302接收光时的光接收时刻的时间tm(称为光接收时间tm)进行分类，以生成直方图。
应注意，由光接收单元302在光接收时间tm期间接收的光并不局限于由测量对象反射从光源单元301发射的光时所产生的反射光。例如，光接收单元302还接收距离测量装置300(光接收单元302)周围的环境光。
图2是示出可应用于各个实施方式、基于光接收单元302接收光的时间的实施例的直方图的图表。在图2中，水平轴表示分箱并且垂直轴表示每个分箱的频率。分箱是光接收时间tm在每个预定单位时间d内的分类。具体地，分箱#0指0≤tm<d，分箱#1指d≤tm<2×d，分箱#2指2×d≤tm<3×d，、、、，并且分箱#(N-2)指(N-2)×d≤tm<(N-1)×d。当光接收单元302的曝光时间是时间tep时，tep＝N×d。
距离测量装置300基于分箱计算获取光接收时间tm的次数，以获得每个分箱的频率310而生成直方图。此处，光接收单元302还接收除反射从光源单元301发射的光时所产生的反射光之外的光。除目标反射光之外的该光的实施例是上述所述环境光。由直方图中的范围311表示的部分包括环境光的环境光分量。环境光指随机入射在光接收单元302上并且相对于目标反射光变为噪音的光。
同时，目标反射光是根据具体距离接收的光并且作为直方图中的有源光分量312而出现。与有源光分量312中的峰值频率对应的分箱是与测量对象303的距离D对应的分箱。距离测量装置300能够通过获取分箱的表示时间(例如，分箱的中心时间)作为上述所述时间t1而根据上述公式(1)计算到测量对象303的距离D。同样，可以对随机噪音执行适当的距离测量。
图3是示出包括根据各个实施方式的距离测量装置的电子装置的实施例的配置的框图。在图3中，电子装置6包括距离测量装置1、光源单元2、存储单元3、控制单元4、以及光学系统5。
例如，光源单元2与上述所述光源单元301对应并且是激光二极管并且被驱动，以通过脉冲形式发射激光。能够对光源单元2应用发射激光作为表面光源的垂直腔表面发射激光(VCSEL)。可以应用这样的配置，即，其中使用激光二极管排列成一行的阵列作为光源单元2并且在垂直于行的方向上对从激光二极管阵列发射的激光进行扫描，但并不局限于此。进一步地，还可以应用这样的配置，即，其中，使用激光二极管作为单个光源并且在水平和垂直方向上对从激光二极管发射的激光进行扫描。
距离测量装置1包括与上述所述光接收单元302对应的多个光接收元件。例如，多个光接收元件排列成二维晶格，以形成光接收表面。光学系统5将从外面入射的光引导至距离测量装置1中所包括的光接收表面。
控制单元4控制电子装置6的整体操作。例如，控制单元4向距离测量装置1供应光发射触发器，即，用于使光源单元2发射光的触发器。距离测量装置1基于该光发射触发器在某一时刻使光源单元2发射光并且存储表示光发射时刻的时间t0。此外，例如，控制单元4响应于来自外面的指示而设置关于距离测量装置1的距离测量的模式。
距离测量装置1计算获取指示预定时间范围内在光接收表面上接收光的时刻的时间信息(光接收时间tm)的次数并且获得每个分箱的频率而生成上述所述直方图。距离测量装置1进一步基于已生成的直方图而计算到测量对象的距离D。将指示计算距离D的信息存储在存储单元3中。
图4是示出可应用于各个实施方式的距离测量装置1的实施例的更详细配置的框图。在图4中，距离测量装置1包括像素阵列单元100、距离测量处理单元101、以及像素控制单元102、整体控制单元103、时钟生成单元104、光发射时刻控制单元105、以及接口(I/F)106。例如，这些像素阵列单元100、距离测量处理单元101、像素控制单元102、整体控制单元103、时钟生成单元104、光发射时刻控制单元105、以及接口(I/F)106布置在一个半导体芯片上。
在图4中，例如，整体控制单元103根据提前被整合的程序而控制距离测量装置1的整体操作。此外，整体控制单元103还能够根据从外面供应的外部控制信号而执行控制。时钟生成单元104基于从外面供应的参考时钟信号而生成距离测量装置1中所使用的一个或多个时钟信号。光发射时刻控制单元105根据从外面供应的光发射触发信号而生成指示光发射时刻的光发射控制信号。将光发射控制信号供应至光源单元2并且还供应至距离测量处理单元101。
像素阵列单元100包括排列成二维晶格并且分别包括光接收元件的多个像素10、10等。由像素控制单元102根据整体控制单元103的指示而控制各个像素10的操作。例如，对于包括(p×q)像素10的每个块，且行方向上为p个像素并且列方向上为q个像素，像素控制单元102能够控制从每个像素10读取像素信号。此外，像素控制单元102能够以块为单位在行方向上并且进一步在列方向上对每个像素10进行扫描，以从每个像素10读取像素信号。像素控制单元102还能够独立地控制相应的像素10，但并不局限于此。进一步地，像素控制单元102能够将像素阵列单元100的预定区域设置为目标区域并且将目标区域中所包括的像素10设置为像素信号的读取目标像素10。
将从每个像素10读取的像素信号供应至距离测量处理单元101。距离测量处理单元101包括转换单元110、生成单元111、以及信号处理单元112。
将从每个像素10读取并且从像素阵列单元100输出的像素信号供应至转换单元110。此处，从各个像素10异步地读取像素信号并且供应至转换单元110。即，从光接收元件读取并且根据在每个像素10中接收光的时刻输出像素信号。
转换单元110将从像素阵列单元100供应的像素信号转换成数字信息。即，响应于由与像素信号对应的像素10中所包括的光接收元件接收光的时刻而输出从像素阵列单元100供应的像素信号。转换单元110将所供应的像素信号转换成指示时刻的时间信息。
生成单元111基于其中通过转换单元110对像素信号进行转换的时间信息而生成直方图。此处，生成单元111基于由设置单元113设置的单位时间d而计算时间信息，以生成直方图。后面将对生成单元111的直方图生成处理的细节进行描述。
例如，信号处理单元112基于由生成单元111生成的直方图的数据而执行预定算法处理并且计算距离信息。例如，信号处理单元112基于由生成单元111生成的直方图的数据而创建直方图的近似曲线。信号处理单元112能够对通过取该直方图的近似而获得的曲线峰值进行检测并且基于所检测的峰值而获得距离D。
当执行直方图的曲线近似时，信号处理单元112能够对通过取直方图的近似而获得的曲线应用滤波处理。例如，信号处理单元112能够通过对直方图的近似所获得的曲线执行低通滤波处理而抑制噪音分量。
将通过信号处理单元112获得的距离信息供应至接口106。接口106将从信号处理单元112供应的距离信息作为输出数据输出至外面。作为接口106，例如，能够应用移动工业处理器接口(MIPI)。
应注意，经由上述所述接口106将通过信号处理单元112获得的距离信息输出至外面，但本发明并不局限于该实施例。即，可以配置为使得将直方图数据(即，通过生成单元111生成的直方图的数据)从接口106输出至外面。在这种情况下，能够从由设置单元113设置的距离测量条件信息中省去指示滤波系数的信息。例如，将从接口106输出的直方图数据供应至外部信息处理装置并且进行适当地处理。
图5是示出可应用于各个实施方式的像素10的基本配置例的示图。在图5中，像素10包括光接收元件1000、晶体管1001、以及逆变器1002。
光接收元件1000通过光电转换将入射光转换成电信号并且输出电信号。在各个实施方式中，光接收元件1000通过光电转换将入射光子(光子)转换成电信号并且响应于光子的入射而输出脉冲。在各个实施方式中，使用单光子雪崩二极管作为光接收元件1000。在下文中，将单光子雪崩二极管称为单光子雪崩二极管(SPAD)。SPAD具有这样的特征，即，如果对产生雪崩倍增的阴极施加较大的负压，则较大电流作为响应产生雪崩倍增的一个光子的入射而产生的电子流动。通过利用SPAD的该特征能够以较高的灵敏性检测一个光子的入射。
在图5中，光接收元件1000(即，SPAD)具有连接至晶体管1001的漏极的阴极和连接至电压(-Vbd)的电压源的阳极。后面将对电压(-Vbd)进行描述。晶体管1001的源极连接至电源电压Vdd。将参考电压Vref输入至晶体管1001的栅极。晶体管1001是从漏极输出与电源电压Vdd和参考电压Vref对应的电流的电流源。利用该配置，对光接收元件1000施加反向偏压。此外，光电流在从光接收元件1000的阴极至阳极的方向上流动。
将从晶体管1001的漏极与光接收元件1000的阴极之间的连接点提取的信号输入至逆变器1002。例如，逆变器1002判断输入信号的阈值、在每次信号超过正方向或负方向上的阈值时对信号进行逆变、并且输出信号作为输出信号Vinv。后面将对像素10的操作的细节进行描述。
应注意，光接收元件1000并不局限于SPAD。还可以应用雪崩光电二极管(APD)或普通光电二极管作为光接收元件1000。
图6是示出可应用于根据各个实施方式的距离测量装置1的装置配置的实施例的示意图。在图6中，通过对各自由半导体芯片制成的光接收芯片20和逻辑芯片21进行堆叠而配置距离测量装置1。应注意，出于描述之缘故，图5示出了处于分离状态的光接收芯片20和逻辑芯片21。
在光接收芯片20中，多个像素10中所包括的光接收元件1000在像素阵列单元100的区域中分别排列成二维晶格。此外，晶体管1001与逆变器1002形成在像素10的逻辑芯片21上。例如，光接收元件1000的两端经由通过铜-铜连接(CCC)等的耦合部1105而连接在光接收芯片20与逻辑芯片21之间。
逻辑芯片21设置有包括对通过光接收元件1000获取的信号进行处理的信号处理单元的逻辑阵列单元200。能够相对于与逻辑阵列单元200紧邻的逻辑芯片21而提供对通过光接收元件1000获取的信号进行处理的信号处理电路单元201和作为距离测量装置1控制操作的元件控制单元203。
例如，信号处理电路单元201能够包括上述所述距离测量处理单元101。此外，元件控制单元203能够包括上述所述像素控制单元102、整体控制单元103、时钟生成单元104、光发射时刻控制单元105、以及接口106。
应注意，光接收芯片20与逻辑芯片21的配置并不局限于该实施例。此外，例如，出于控制逻辑阵列单元200之外的驱动或控制的其他目的，元件控制单元203能够布置在光接收元件1000的附近。除图6中示出的布置之外，元件控制单元203能够被设置成具有光接收芯片20和逻辑芯片21上的任意区域的任意功能。
[可应用于各个实施方式的光接收元件的操作的细节]
接着，将对可应用于各个实施方式的光接收元件1000的操作进行更详细地描述。在下文中，将给出假设光接收元件1000是SPAD的描述。图7是示出SPAD 2000的特征的实施例的图表。如图7中示出的，假设SPAD 2000的阴极连接至接地电势并且阳极连接至负电势。在图7中，水平轴表示电压VAn-VCa(阳极电势-阴极电势)，并且垂直轴表示从阴极流至阳极的阳极电流IAn。
如图7中示出的，在阳极电势VAn高于阴极电势VCa的区域中，阳极电流IAn在向前方向上流动并且根据电压VAn-VCa而增加。另一方面，在阳极电势低于阴极电势的区域中，当电压VAn-VCa等于或低于电压(-Vbd)时，出现雪崩增加，并且阳极电流IAn作为较大的电流开始在相反的方向上流动。盖革区(Geiger region)指电压VAn-VCa是电压(-Vbd-Ve)的区域，并且雪崩倍增的增益在理论上是无限的。此处，电压Vbd是SPAD 2000的击穿电压，并且电压Ve被称为过偏压并且是击穿电压Vbd与电压VAn-VCa之差。在该盖革区中使用SPAD。
图8和图9是用于描述应用于各个实施方式、使用SPAD 2000的像素的操作的视图。图8是示出基于寄生电容Cca与上述所述像素10对应的像素2010的配置的示图。在图8中，SPAD 2000的阳极连接至电压(-Vbd)并且阴极连接至电流源2001的一端。在电流源2001中，电压Ve连接至另一端，并且将参考电流Iref从一个方向上的另一端供应至SPAD 2000。逆变器2002与寄生电容Cca连接至SPAD 2000的阴极。
寄生电容Cca指SPAD 2000的阴极端子的寄生电容并且是SPAD 2000的阳极与阴极之间的PN结的电容、电流源2001与逆变器2002的元件电容、与配线有关的寄生电容等的和。
图9是示出当由SPAD 2000接收光子时的像素2010的操作的图表。在图9中，垂直轴表示电压并且水平轴表示时间。SPAD 2000的阴极电压Vc是直至接收光子时的预定初始电压值。此外，SPAD 2000的阳极与阴极之间的电压VAn-VCa是电压(-Vbd)。当SPAD 2000接收光子(时间t0)时，发生雪崩倍增，较大的电流从阴极流至阳极，并且阴极电压Vc减少。
当阴极电压Vc减少至电压(-Vbd)时(时间t1)，雪崩倍增停止，并且开始从电流源2001以参考电流Iref对SPAD 2000的阴极进行充电。SPAD 2000的阴极充电被称为再充电。根据由寄生电容Cca判断的时间常数而在特定时间内执行再充电。当SPAD 2000的阴极电压Vc返回至初始电压值(时间t2)时，完成再充电操作。在SPAD 2000中，该再充电操作的周期是期间难以检测光子接收的周期并且被称为死区时间。
此处，如下列公式(2)中示出的，在SPAD 2000再充电时，阴极电压Vc的变化的斜率与参考电流Iref成比例。即，如果参考电流Iref较大，则死区时间缩短，并且如果参考电流Iref较小，则死区时间加长。
ΔVc/Δt＝Iref/Cca (2)
逆变器2002基于通过比较SPAD 2000的阴极电压Vc与阈值Vcth(例如，1/2Vc)所获得的结果而输出输出信号Vinv。因此，生成与SPAD 2000中的光子接收对应的脉冲。该脉冲的宽度取决于上述所述阴极电压Vc的斜率，并且当斜率变得陡峭时，脉冲宽度较窄，并且当斜率变得平缓时，脉冲宽度较宽。应注意，例如，输出信号Vinv应被视为通过对阴极电压Vc的变化进行逆变而获得的信号。
如上所述，当参考电流Iref较小时，死区时间变长，并且SPAD 2000对光子检测的灵敏性降低。此外，当参考电流Iref较大时，死区时间缩短，但是，脉冲宽度较窄，因此，在后续的信号处理中需要高速处理。因此，优选为参考电流Iref维持在适当的值。
将参考图10A至图10D对像素2010的操作进行更详细地描述。在图10A至图10D中，在每个示图的右侧示出了像素2010的电路与逆变器2002的输出信号Vinv的实施例，并且在左侧示出了SPAD 2000的操作例。
图10A至图10D的左侧上的每个图表与上述所述图7对应，并且垂直轴表示电压VAn-VCa，并且垂直轴表示阳极电流IAn。此外，在图10A至图10D的右侧上的各个电路图中，开关2003将电压Ve和接地电势选择性地供应至SPAD 2000的阴极。出于便于描述之缘故，为像素2010的操作提供该开关2003，并且并不用于实际电路中。
如图10A中示出的，作为第一步骤，在开关2003中选择电压Ve，以通过电压(+Ve)对SPAD 2000的阴极进行充电。此外，阳极电势VAn固定处于电压(-Vbd)。因此，跨SPAD 2000的阳极与阴极的电势是由图10A中的左侧的图表中的“●(黑圆圈)”表示的电压(-Vbd-Ve)。在这种情况下，无电流流经SPAD 2000，直至出现触发雪崩倍增的现象(光子接收、暗电流等)。因此，逆变器2002的输出信号Vinv处于较低状态。
作为第二步骤，将参考图10B描述在图10A的状态下由SPAD 2000接收光子的情况。在跨SPAD 2000的阳极和阴极的电势是电压(-Vbd-Ve)的状态下，当由SPAD 2000接收光子(在附图中示出为光子)时，开始雪崩倍增。因此，SPAD 2000中的电流在由箭头A指示的相反方向上流动。如由图10B的左侧的图表中的箭头B指示的，阳极电流IAn根据SPAD 2000的特征而流动。
作为第三步骤，当阳极电流IAn流动时，阴极电压Vc的电势从电压(+Ve)减少至0V。因此，逆变器2002的输出信号Vinv从低姿态移至高姿态。此外，如由图10C的左侧上的图表中的箭头C指示的，当跨SPAD 2000的阳极与阴极的电势下降至电压(-Vbd)时，雪崩倍增停止。将其中SPAD2000中停止雪崩倍增的这种操作称为猝熄操作。
应注意，例如，通过在开关2003中选择接地电势并且强制SPAD 2000的阴极连接至0V也能够实现猝熄操作。
例如，如图10D的右侧示出的，在上述所述猝熄操作之后，作为第四步骤，在开关2003中选择电压Ve并且将SPAD 2000的阴极充电至电压Ve。将猝熄操作之后的这种充电操作称为再充电操作。如由图10D的左侧上的图表中的箭头D指示的，通过该再充电操作，跨SPAD 2000的阳极与阴极的电势从电压(-Vbd)改变成电压(-Vbd-Ve)，并且逆变器2002的输出信号Vinv从高状态移至低状态。
以这种方式，再充电操作使SPAD 2000的状态返回至根据参考图10A所描述的第一步骤的状态。每次接收光子并且在SPAD 2000中执行光电转换时，像素2010重复从第一步骤至第四步骤的操作。对于由SPAD 2000接收的每个光子，从逆变器2002输出脉冲输出信号Vin。
如图10D的右侧的图表中示出的，从逆变器2002的输出信号Vinv的上升至下降的周期与再充电操作的周期对应，并且在该周期内并不出现雪崩倍增，并且由此，难以检测光子接收。从光子接收至再充电完成的该周期是死区时间。
构思了用于驱动SPAD 2000的若干类型的配置。将参考图11A至图11C对用于驱动SPAD 2000的三种类型的配置进行示意性地描述。
图11A是示意性地示出其中基于其特征而无源地驱动SPAD 2000的配置的实施例的示图。图11A的配置与上述所述图5的配置对应，并且由此，SPAD 2000的阳极连接至电压(-Vbd)并且阴极连接至其一端连接至电压Ve的电流源2001的另一端及逆变器2002。逆变器2002输出具有逆变阴极电压Vc的输出信号Vinv。
在图11A的配置中，通过无源操作执行猝熄操作，即，当SPAD 2000的阴极电压由于光子接收而减少至电压(-Vbd)时开始。此外，通过无源操作执行再充电操作，其中，通过从电流源2001供应的电流将SPAD 2000的阴极充电至电压Ve。即，通过图11A的配置中的无源操作执行猝熄操作和再充电操作。
图11B是示意性示出其中以与图11A的实施例相似的方式通过无源操作执行猝熄操作并且有源地执行再充电车安装的配置的的实施例的示图。在图11B中，SPAD 2000的阴极经由通过控制单元2004控制为开启(关闭)和关闭(打开)的开关2005连接至电压Ve。控制单元2004在从逆变器2002输出的输出信号Vinv的下降延迟预定时间的时刻开启开关2005。因此，将SPAD 2000的阴极的电势强制设置为电压Ve，并且执行再充电操作。
图11C是示意性示出其中有源地执行各种猝熄操作和再充电操作的配置的实施例的示图。在图11C中，通过控制单元2004'控制开关2006a与2006b中的每个开关的开启和关闭。SPAD 2000的阴极经由开关2006a连接至电压Ve并且经由开关2006b连接至电源电压Vss。例如，控制单元2004'在从逆变器2002输出的输出信号Vinv上升时开启开关2006b并且关闭开关2006a并且强制SPAD 2000的阴极连接至电源电压Vss，以执行猝熄操作。此外，控制单元2004'在输出信号Vinv的下降延迟预定时间的时刻开启开关2006a并且将SPAD 2000的阴极的电势强制设置为电压Ve，以执行再充电操作。
在上述所述图11A至图11C的配置之中，其中通过无源操作执行各种猝熄操作和再充电操作的图11A的配置中的元件的数量较少并且安装面积最小。另一方面，死区时间取决于SPAD 2000与电流源2001的特征，并且其控制较难。在其中无源地执行猝熄操作并且有源地执行再充电操作的图11B的配置中，能够易于控制死区时间，但是，与图11A的配置相比，元件的数量更多，并且与图11A的配置相似，安装面积更大。此外，在其中有源地执行猝熄操作和再充电操作的图11C的配置中，能够易于控制死区时间，但是，与图11B相比，元件的数量仍然较大，并且安装面积最大。
在本公开中，改善了电流源2001的特征，以使得在其中通过无源操作执行猝熄操作和再充电操作的图11A示出的配置中能够易于获得所需死区时间，从而能够在较小的面积中进行安装。
[第一实施方式]
(关于已有技术)
将对根据本公开的第一实施方式的光接收装置进行描述。首先，为便于理解，将对根据已有技术的光接收装置进行描述。图12是通过关注像素阵列单元100而示出根据已有技术的光接收装置的实施例的配置的示图(见图4)。如图12的上半部分中示出的，在像素阵列单元100中，多个像素10排列成二维晶格。参考电压源2100将参考电压Vref供应至像素阵列单元100中所包括的各个像素10。应注意，在图12的上半部分中，假设n个像素10排列在行方向上，且像素阵列单元100的水平方向(横向方向)作为行方向并且垂直方向(纵向方向)作为列方向。
图12的下半部分示出了根据已有技术的各个像素10的实施例的电路配置。应注意，关注图12的下半部分中的像素阵列单元100中的一行，在一行的左端示出了像素10作为像素101，并且在右端示出了像素10作为像素10n。像素101包括光接收元件10001(即，SPAD)、逆变器10021、以及晶体管10011(即，P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。像素10n的配置也相似并且包括光接收元件1000n(即，SPAD)、逆变器1002n、以及晶体管1001n(即，P沟道MOSFET)。
在像素101中，光接收元件10001的阳极连接至电压(-Vbd)并且阴极连接至晶体管10011的漏极。晶体管10011的源极连接至电源电压Vdd。将光接收元件10001的阴极电压Vc1输入至逆变器10021。此外，将参考电压Vref从参考电压源2100供应至晶体管10011的的栅极。晶体管10011是被配置为根据参考电压Vref而生成电流Id的电流源。使用电流Id作为光接收元件10001的再充电电流并且电流Id与参考图8描述的参考电流Iref对应。在下文中，将电流Id称为再充电电流Id。
应注意，在像素10中，将与像素10中包括的光接收元件1000有关的电路称为子像素电路。在图12的实施例中，在像素101中，子像素电路由逆变器10021及连接至光接收元件10001的晶体管10011构成。接收元件10001自身可以包括在子像素电路中。
与像素101相似，像素10n还包括光接收元件1000n、输入光接收元件1000n的阴极电压Vcn的逆变器1002n、以及晶体管1001n。因为连接关系与像素101的关系相同，所以将省去其细节描述。
在像素10n中，将参考电压Vref从参考电压源2100供应至晶体管1001n的的栅极。例如，将参考电压Vref作为像素阵列单元100所包括的相应像素10中包括的光接收元件1000的电流源共同供应至晶体管的栅极。
在图12的配置中，由下列公式(3)表达再充电电流Id的电流值。应注意，在式子(3)中，值W与L中的每个值是与晶体管10011的尺寸对应的常数，并且值β至晶体管10011的唯一值。此外，电压Vth是晶体管10011的阈值电压。这些值W和L、值β、以及电压Vth是判断晶体管的特征并且对于各个晶体管可能并不相同的装置参数。
Figure BDA0003093600670000171
从公式(3)中，能够理解再充电电流Id根据电压Vth(即，晶体管10011的阈值电压)和电源电压Vdd而改变。此处，例如，电压Vth根据环境温度而改变。因此，如果上面公式(2)中的参考电流Iref被再充电电流Id取代，则能够理解为阴极电压Vc1的变化的斜率也随着再充电电流Id根据环境温度等的变化而变化，并且相应地，死区时间改变。
此外，例如，还根据将电源电压Vdd供应至像素阵列单元100的方法构思了被供应至像素10的电源电压Vdd根据像素10的位置而不同的情况。例如，当从图12的上半部分的像素阵列单元100的左端侧供应电源电压Vdd时，布置在右端侧上的像素10n中的电源电压Vdd发生例如与从电源电压Vdd的供应位置至像素10n的距离对应的压降ΔV降。因此，被供应至晶体管1001n的源极的电压变成与像素10n中的电源电压Vdd不同的电压(Vdd-ΔV降)，并且死区时间也变成与像素101不同的值。
(第一实施方式的细节)
接着，将描述本公开的第一实施方式。图13是通过关注像素阵列单元100而示出根据第一实施方式的光接收装置的实施例的配置的示图。如图13的上半部分中示出的，复制源电路1100a使像素阵列单元100中包括的各个像素10a生成用作第一实施方式中的再充电电流Id的参考电流Iref。由像素阵列单元100的各个像素10a中所包括的复制目的地电路复制由复制源电路1100a生成的参考电流Iref并且用作执行各个像素10a中的光接收元件1000的再充电操作的再充电电流Id。
图13的下半部分示出了根据第一实施方式的复制源电路1100a及各个像素10a的实施例的电路配置。在图13的下示图中，各个像素10a1、…、以及10an的配置与图12中描述的各个像素10a1、…、以及10an的配置相同，并且由此，此处将省去其描述。
在图13的靠下示图中，复制源电路1100a包括晶体管1010(即，P沟道MOSFET)和电流源1011。电流源1011具有连接至晶体管1010的漏极的一端和连接至电源电压Vss的另一端。晶体管1010具有连接至电源电压Vdd的源极和连接至上述所述电流源1011的一端并且连接至晶体管1010的栅极的漏极。当参考电流Iref是恒定的时，晶体管1010的栅极的电势变为根据参考电流Iref而判断的参考电压Vref。
应注意，能够使用诸如带隙参考(BGR)电路的参考电压生成电路配置电流源1011。BGR电路是基于电路中使用的半导体元件的特征而生成恒定电压的电路。此外，例如，复制源电路1100a能够包括在像素控制单元102中(见图4)。
例如，晶体管1010的栅极连接至像素10a1中所包括的晶体管10011的栅极。因此，电流镜电路由晶体管1010和晶体管10011构成。该电流镜电路将由电流源1011(电流镜源)生成的参考电流Iref作为晶体管10011的源极-漏极电流复制到作为复制目的地电路(即，电流镜目的地)的复制源电路1100a中。
因此，在电流镜目的地，无论晶体管10011的装置参数(阈值电压Vth、值β、以及值W和L)如何，光接收元件10001的再充电电流Id与电流镜源的参考电流Iref匹配。因此，能够易于控制再充电电流Id，并且能够将光接收元件10001的死区时间轻易地调整为适当的值。因此，像素10a1的操作变得更为稳定，并且能够更有效地检测光子。
此外，晶体管1010(即，电流镜源)能够进一步设置像素阵列单元100中所包括的另一像素10a作为电流镜目的地。在图13的实施例中，电流镜源的晶体管1010的栅极进一步连接至像素10a的晶体管1001n的栅极，并且还使用该晶体管1001n作为晶体管1010的电流镜目的地。因此，无论晶体管1001n的装置参数如何，像素10an的再充电电流Id与电流镜源的参考电流Iref匹配，并且能够易于控制像素10an的再充电电流Id。
此外，即使在与像素10a1相似的像素10an中，也复制电流镜源的参考电流Iref作为再充电电流Id，并且由此，能够抑制像素之间的变化。
(第一实施方式的第一变形)
接着，将描述第一实施方式的第一变形。第一实施方式的第一变形是上述所述第一实施方式的更具体实施例并且是其中使用恒定电压源和电阻元件生成参考电流Iref的实施例。此外，使用BGR电路作为恒定电压源。与上述所述第一实施方式相似，通过电流镜电路在各个像素10a中复制已生成的参考电流Iref并且用作各个像素像素10a中所包括的光接收元件1000的再充电电流Id。
图14是示出根据第一实施方式的第一变形的实施例的电路配置的示图。在图14中，复制源电路1100b包括晶体管1020、差分放大器1021、作为恒定电压源的BGR电路1022、以及电阻器Rb。应注意，例如，像素控制单元102中能够包括复制源电路1100b(见图4)。BGR电路1022输出输出电压Vbgr，即，恒定电压。将该输出电压Vbgr输入至差分放大器1021的正电极输入端(+)。
例如，将差分放大器1021的输出输入至晶体管1020的栅极，即，P沟道MOSFET。晶体管1020的栅极进一步共同连接至相应像素10a1、...、以及10an的晶体管10011、...、以及1001n的栅极。晶体管1020具有连接至电源单元Vdd的源极和连接至差分放大器1021的负极输入端(-)并且连接至电阻器Rb的一端的漏极。电阻器Rb的另一端连接至电源电压Vss。
在该配置中，通过由电阻器1020的漏极连接至负极输入端(-)所形成的负反馈而控制差分放大器1021，以使得跨电阻器Rb的电势与BGR电路1022的输出电压Vbgr匹配。流经电阻器Rb的电流(Vbgr/Rb)是恒定电流，并且使用此作为参考电流Iref。
复制该参考电流Iref作为这样的电流镜目的地的相应像素10a1、...、以及10an中所包括的各个晶体管10011、...、以及1000n的源极-漏极电流，即，具有其中经由作为电流镜源的差分放大器1021连接晶体管1020的漏极和栅极的配置。使用各个复制参考电流Iref作为各个像素10a1,、...、以及10an中的各个光接收元件10001、...、以及1000n的再充电电流Id。
在第一实施方式的第一变形中，复制源电路1100b使用BGR电路1022作为恒定电压源来生成参考电流Iref并且利用电流镜配置将该参考电流Iref复制到各个像素10a1、...、以及10an中。在各个像素10a1、...、以及10an中，使用从复制源电路1100b(即，电流镜源)复制的各个参考电流Iref作为各个像素10a1、...、以及10an中所包括的各个光接收元件10001、...、以及1000n的再充电电流Id。因为基于BGR电路1022的输出电压Vbgr生成再充电电流Id，所以可以抑制再充电电流Id的PVT(过程/电压/温度)变化。
(第一实施方式的第二变形)
接着，将描述第一实施方式的第二变形。在第一实施方式的第二变形中，在制造包括像素阵列单元100的装置之后(见图6)，能够对被供应至像素阵列的安远100的参考电流Iref进行调整。
图15是示出根据第一实施方式的第二变形的实施例的电路配置的示图。在图15中，使用第一实施方式的第一变形中所使用的复制源电路1100b生成参考电流Iref。电流调整单元1101根据电流镜电路的镜比调整由复制源电路1100b生成的参考电流Iref。将通过使用电流调整单元1101调整参考电流Iref所获得的电流Iref'供应至像素阵列单元100中所包括的各个像素10a1、...、以及10an、并且使用电流Iref'作为各个光接收元件10001、...、以及1000n的再充电电流Id。
在图15的实施例中，电流调整单元1101包括晶体管1030、1031、以及1040、晶体管10411至10413、晶体管10421至10423、以及晶体管1043。例如，像素控制单元102中能够包括电流调整单元1101。
晶体管1030是复制源电路1100b的复制目的地(电流镜目的地)并且具有连接至复制源电路1100b的晶体管1020的栅极的栅极。此外，晶体管1030具有连接至电源电压Vdd的源极和连接至晶体管1031的源极的漏极。
晶体管1031具有被设置为接地电势的源极、连接至漏极并且共同连接至晶体管1040及10411至10413的栅极的栅极。将晶体管1040及10411至10413的源极设置为接地电势，晶体管1040的漏极连接至晶体管1043的漏极，并且10411至10413中的每个的漏极经由各个晶体管10421至10423的源极和漏极连接至晶体管1043的漏极。
当晶体管1031是复制源时，晶体管1040及10411至10413、与晶体管10421至10423构成复制目的地电路，即，被复制到晶体管1030中的参考电流Iref的复制目的地。
在复制目的地电路中，相应晶体管1040及10411至10413(晶体管10421至10423)(即，N沟道MOSFET)的漏极连接至晶体管1043的漏极。晶体管1043的源极连接至电源电压Vdd。晶体管1043的漏极进一步连接至栅极，并且栅极连接至像素10a1、...、以及10an中所包括的晶体管10011、...、以及1000n的各个栅极。电流镜电路由晶体管1043和晶体管10011构成，并且将从晶体管1043的源极流至漏极的电流复制到从晶体管10011的源极流至漏极的电流。
应注意，仅示出了图15中的像素10a1、...、以及10an之中的像素10a1，并且省去了其他像素。
分别将信号D0至D2从外面供应至晶体管10421至10423的栅极。当信号D0至D2分别处于高状态和低状态时，开启并且关闭晶体管10421至10423。将在晶体管1031的漏极与源极之间流动的参考电流Iref复制到晶体管1040及连接至晶体管10421至10423(在晶体管10411至10413之中被开启)的晶体管10411至10413中的每个晶体管。
因此，流入整个复制目的地电路中的电流是流入晶体管1040及连接至晶体管10421至10423(在晶体管10411至10413之中被开启)的晶体管10411至10413中的电流的和。例如，考虑预定系数α，由使用流经晶体管1031的参考电流Iref的电流(α×Iref)表达流入整个复制目的地电路中的电流。
此处，将晶体管1031和1040的尺寸分别设置为4W/L和W/L，并且将晶体管10411至10413的尺寸分别设置为W/L、2W/L、以及4W/L。图16是示出这种情况下根据信号D0、D1、以及D2的开启和关闭的系数α的值的图表。在图16中，分别示出了开启和关闭为“1”和“0”。在图15的实施例中，作为复制源具有4W/L的尺寸的晶体管1031和作为复制目的地具有W/L的尺寸的晶体管1040是固定的，并且能够单独开启和关闭作为复制目的地具有W/L、2W/L、以及4W/L的尺寸的晶体管10411至10413。如图16中示出的，在这种情况下，能够以“0.25”的增量在“0.25”与“2”之间设置系数α的值。
例如，由像素控制单元102基于整体控制单元103的指示而生成信号D0、D1、以及D2并且供应至电流调整单元1101。可以将指示信号D0、D1、以及D2的值写入设置在像素控制单元102或整体控制单元103中的寄存器中。可以通过适当地设置信号D0、D1、以及D2而根据像素阵列单元100中所包括的各个光接收元件1000的特征调整再充电电流Id。
(第一实施方式的第三变形)
接着，将描述第一实施方式的第三变形。第一实施方式的第三变形是其中从SPAD(即，光接收元件1000)的阳极侧获取信号的实施例。
图17是示出根据第一实施方式的第三变形的实施例的电路配置的示图。图17的实施例与图13的上述所述电路配置对应，并且复制源电路1100c包括晶体管1010'(即，N沟道MOSFET)和电流源1011'。电流源1011'的一端连接至电源电压Vdd，并且电流从一端流至另一端。N沟道晶体管1010'具有连接至电源电压Vss的源极和连接至电流源1011'的另一端的漏极。此外，连接晶体管1010'的漏极和栅极，并且栅极进一步连接至像素10a1'、...、以及10an'(即复制目的地电路)中分别包括的晶体管10011'、...、以及1001n'的栅极。
像素10a1'、...、以及10an'包括晶体管10011、...、以及1001n，即，分别作为电流镜电路的复制目的地的N沟道MOSFET。在像素10a1'中，晶体管10011'具有连接至电源电压Vss的源极和连接至光接收元件10001的阳极的漏极。此外，晶体管10011'的漏极与光接收元件10001的阳极之间的连接点连接至逆变器10021的输入端。
光接收元件10001的阴极连接至通过将电压Vbd(即，光接收元件10001(即，SPAD)的击穿电压)与电源电压Vdd相加而获得的电压(Vdd+Vbd)。因此，在光接收元件10001不接收光子的状态下，跨光接收元件10001的电势变成电压(Vdd+Vbd)。在这种状态下，当通过光接收元件10001接收光子时，开始雪崩倍增并且电流从光接收元件10001的阴极流至阳极，并且相应地，跨光接收元件10001的电势减少，以使得雪崩倍增停止。之后，通过复制复制源电路1100c的参考电流Iref的再充电电流Id对光接收元件10001进行充电。
如上所述，在第一实施方式的第三变形中，通过其中复制复制源电路1100c的参考电流Iref的再充电电流Id对光接收元件10001进行充电。因此，即使从SPAD(即，光接收元件10001)的阳极侧获取信号，不管晶体管1001n的装置参数如何，再充电电流Id也与电流镜源的参考电流Iref匹配，并且易于控制再充电电流Id，从而能够实现更有效的光子检测。此外，即使在与像素10a1'相似的像素10an'中，也复制电流镜源的参考电流Iref作为再充电电流Id，并且由此，能够抑制像素之间的变化。
[第二实施方式]
接着，将描述本公开的第二实施方式。在第二实施方式中，各个像素10b1、...、以及10bn设置有用于获取并且保持基于复制源电路1100中的参考电流Iref所判断的参考电压Vref的采样保持功能。在各个像素10b1、...、以及10bn中，光接收元件10001、...、以及1000n使用基于由该采样保持功能保持的参考电压Vref的电流作为再充电电流Id执行再充电操作。
图18是通过关注像素阵列单元100而示意性示出根据第二实施方式的光接收装置的实施例的配置的示图。在第二实施方式中，复制源电路1100a生成由像素阵列单元100中所包括的各个像素10b使用的参考电流Iref作为再充电电流Id，并且如图18的上半部分中示出的，输出通过参考电流Iref判断的参考电压Vref。将该参考电压Vref供应至并且由像素阵列单元100中所包括的各个像素10b保持。在各个像素10b中，使用基于所保持的参考电压Vref的电流Iref'作为再充电操作期间的再充电电流Id。
图18的下半部分示出了根据第二实施方式的各个像素10b的实施例的电路配置。应注意，复制源电路1100a具有与参考图13所描述的复制源电路1100a相同的配置，并且由此，此处将省去其描述。此外，关注图18的下半部分中的像素阵列单元100的一行，并且示出了一行的左端的像素10b作为像素10b1并且示出了右端的像素10b作为像素10bn。
像素10b1包括光接收元件10001(即，SPAD)、逆变器10021、以及晶体管10011(即，P沟道MOSFET)。进一步地，像素10b1包括被配置为实现根据第二实施方式的采样保持功能的开关SW1和电容器C1。
在像素10b1中，开关SW1具有连接至复制电源电路1100a中的晶体管1010的栅极的一端及连接至电容器C1的一端和晶体管10011的栅极的另一端。电容器C1的另一端连接至晶体管10011的源极。此外，晶体管10011的源极还连接至电源电压Vdd。晶体管10011的漏极连接至光接收元件10001的阴极，并且光接收元件10001的阳极连接至电压(-Vbd)。将光接收元件10001的阴极电压Vc1输入至逆变器10021。
在像素10b1的这种配置中，根据光接收元件10001的操作控制开关SW1的开启和关闭时刻。在开关SW1的开启状态下，利用参考电压Vref对电容器C1进行充电。此外，在开关SW1的关闭状态下，使用通过跨电容器C1的电压Vref'而判断的电流Iref'作为再充电电流Id对光接收元件10001的阴极进行充电。
此处，在开关SW1的开启状态下，将晶体管10011的栅极设置为浮置状态，并且晶体管10011的栅极-源极电压(以下称为电压VGS)与跨电容器C1的电压匹配。因此，晶体管10011的电压VGS能够相对于电源电压Vdd的变化维持恒定的值，并且通过电压VGS判断的电流Iref'也变成恒定的值。
像素10bn的配置也相似并且包括光接收元件1000n(即，SPAD)、输入光接收元件1000n的阴极电压Vcn的逆变器1002n、晶体管1001n(即，P沟道MOSFET)、以及实现采样保持功能的开关SWn和电容器Cn。因为像素10bn中的操作与上述所述像素10b1中的操作相同，所以此处将省去其描述。
在第二实施方式中，按照这种方式保持各个像素10b1、...、以及10bn中的参考电压Vref，并且基于所保持的参考电压Vref生成再充电电流Id。此时，将晶体管10011、...、以及1001n的栅极设置为浮置状态，即，相应像素10b1、...、以及10bn中所包括的光接收元件10001、...、以及1000n的电流源。因此，根据像素10n中的电源电压Vdd远离参考图12所描述的电源电压Vdd的供应位置的距离，可以抑制由压降ΔV降引起的晶体管1001n的栅极与源极之间的电压VGS变化。因此，能够改善光接收表面中的像素阵列单元100的特征的均匀性，并且像素阵列单元100能够更为有效地检测光子。
图19是示出根据第二实施方式的配置的更具体电路配置的实施例的示图。图19中示出的配置与上述所述图18的下示图对应并且在图18的下示图中更详细地示出了开关SW1和电容器C1、开关SWn、以及电容器Cn的局部配置。应注意，图19中的复制源电路1100a具有与参考图13描述的复制源电路1100a相同的配置，并且由此，此处将省去其描述。此外，关注图19中的像素阵列单元100的一行，示出了一行的左端的像素作为像素10c1，并且示出了右端的像素作为像素10cn。
与图18的下示图相似，当关注像素10c1时，像素10c1包括光接收元件10001、晶体管10011、以及逆变器10021。像素10c1进一步包括晶体管10501和10521(即，P沟道MOSFET)及电容器10511。
晶体管10501具有连接至复制源电路1100a中的晶体管1010的栅极的源极和连接至晶体管10011的栅极的漏极。将控制信号XSW输入至晶体管10501的栅极。当通过控制信号XSW开启晶体管10501时，复制源电路1100a的晶体管10011和晶体管1010经由晶体管10501构成电流镜电路。
此外，晶体管10011的漏极连接至晶体管10521的源极，并且晶体管10521的漏极连接至光接收元件10001的阴极。晶体管10521的漏极与光接收元件10001的阴极之间的连接点连接至逆变器10021的输入端。将控制信号XEN_SPAD输入至晶体管10521的栅极。
电容器10511的一端连接至晶体管10501的漏极与晶体管10011的栅极之间的连接点。电容器10511的另一端连接至电源电压Vdd。
应注意，例如，由像素控制单元102根据整体控制单元103的指示生成信号XSW和XEN_SPAD并且供应至像素阵列单元100。将被供应至像素阵列单元100的信号XSW和XEN_SPAD中的每个供应至像素阵列单元100中所包括的各个像素10c1、...、以及10cn。
图20是示出根据图19中示出的第二实施方式的配置的操作波形的实施例的示图。在图20中，俯视示出了信号XEN_SPAD、信号XSW、电源电压Vdd、以及电容器10511的一端的电压Vref'。此外，在控制信号XEN_SPAD的高状态和低状态下，分别开启和关闭晶体管10521。在控制信号XSW的高状态和低状态下，分别关闭和开启晶体管10501。
在图20中，在初始状态下，将控制信号XEN_SPAD设置为高，断开晶体管10011和光接收元件10001，将控制信号XSW设置为低，并且利用参考电压Vref对电容器10511进行充电。之后，像素控制单元102使控制信号XSW从低状态移至高状态。因此，电容器10511与参考电压Vref断开，并且电容器10511中保持参考电压Vref。
在时间t100，像素控制单元102使控制信号XEN_SPAD从高状态移至低状态并且开启晶体管10521。晶体管10501仍处于关闭状态。因此，将晶体管10011的栅极设置为浮置状态。基于电容器中10511所保持的参考电压Vref，晶体管10011的栅极的电势变成电压Vref'。在时间t100，将电源电压Vdd供应至光接收元件10001的阴极，并且将光接收元件10001设置为能够根据光子接收而开始雪崩倍增的状态。
此处，通过光接收元件10001接收光子，开始雪崩倍增，较大电流从阴极流至阳极，并且阴极的电势减少。当阴极的电势减少至电压(-Vbd)时，雪崩倍增停止。在光接收元件10001中，与从电容器10511供应至晶体管10011的栅极的电压Vref'对应的电流Iref'流经晶体管10011和10521。在光接收元件10001中，使用该电流Iref'作为再充电电流Id执行再充电操作。
此处，电源电压Vdd由于光接收元件10001的操作的影响而发生改变。此外，电源电压Vdd根据像素阵列单元100中的像素10c1、...、以及10cn的位置而改变。例如，电源电压Vdd根据像素阵列单元100中的位置而产生压降ΔV降。
当控制信号XEN_SPAD处于低状态并且光接收元件10001处于操作中间时(时间t100至t101，周期SPAD开启)，控制信号XSW处于高状态，晶体管10501关闭，并且晶体管10011的栅极处于浮置状态。因此，被供应至晶体管10011的栅极的电压Vref'根据电源电压Vdd的变化而变化，并且晶体管10011的电压VGS变得等于跨电容器10511的电压。
因此，电流Iref'(即，恒定电流)根据电压VGS在晶体管10011的源极与漏极之间流动。当使用该电流Iref'作为再充电电流Id执行再充电操作时，易于控制像素10c1、...、以及10cn中的再充电电流Id。因此，可以更为有效地检测像素10c1中的光子。
在光接收元件10001的再充电操作结束的时刻(时间t101)，像素控制单元102使控制信号XEN_SPAD从低状态移至高状态。因此，光接收元件10001从电源电压Vdd断开，以使得光接收元件10001的操作停止。当光接收元件10001的操作停止时，电源电压Vdd逐渐增加并且返回至初始值。电压Vref'还随着电源电压Vdd的增加而增加。此处，因为存储在电容器10511中的电荷由于泄露等而减少，所以电压Vref'的增加宽度小于电源电压Vdd的增加宽度。
在时间t101之后，像素控制单元102使控制信号XSW在时间t102从高状态移至低状态。控制信号XEN_SPAD仍处于高状态。因此，利用参考电压Vref对电容器10511进行充电，并且电压Vref'返回至参考电压Vref的电压(周期充电)。
像素控制单元102在电容器10511的充电完成的时刻(时间t103)使控制信号XSW从低状态移至高状态。因此，电容器10511从参考电压Vref断开，并且将晶体管10011的栅极设置为浮置状态。
像素控制单元102在从时间t103流逝预定时间之后的时间t104使控制信号XEN_SPAD从高状态移至低状态。时间t104之后的操作与从上述所述时间t100起的操作相同。像素控制单元102控制控制信号XSW和XEN_SPAD，以使得对像素阵列单元100中所包括的各个像素10c1、...、以及10cn重复地执行从时间t100至时间t104的上述所述操作。
应注意，像素10cn的配置与像素10c1的配置相同。即，像素10cn包括光接收元件1000n、晶体管1001n、以及输入光接收元件1000n的阴极电压Vcn的逆变器1002n。像素10cn进一步包括晶体管10501和10521(即，P沟道MOSFET)以及电容器10511。因为像素10cn的连接和操作与上述所述像素10c1的相同，所以此处将省去其描述。
(第二实施方式的第一变形)
接着，将描述第二实施方式的第一变形。第二实施方式的第一变形是其中上述所述图19的配置中不使用与例如晶体管10011串联连接的晶体管10521(通过电流镜形成复制目的地电路)的实施例。
图21是示出根据第二实施方式的第一变形的电路配置的实施例的示图。应注意，图21中的复制源电路1100a与参考图13所描述的复制源电路1100a具有相同的配置，并且由此，此处将省去其描述。此外，关注图21中的像素阵列单元100的一行，示出了一行的左端的像素作为像素10d1，并且示出了右端的像素作为像素10dn。
与参考图19所描述的像素10c1相比较，当关注像素10d1时，省去了晶体管10521并且将晶体管10601和10611(即，P沟道MOSFET)添加到像素10d1中。
在图21中，晶体管10601的源极连接至晶体管10501与电容器10511之间的连接点，并且晶体管10601的漏极连接至晶体管10011的栅极。此外，将控制信号XEN_SPAD供应至晶体管10601的栅极。即，晶体管10011的栅极经由通过控制信号XEN_SPAD被控制为开启和关闭的晶体管10601连接至电容器10511的一端。
晶体管10611具有连接至晶体管10011的栅极的源极和连接至参考电压Vref的漏极。此外，将控制信号EN_SPAD供应至晶体管10611的栅极。例如，由像素控制单元102根据整体控制单元103的指示而生成控制信号EN_SPAD并且供应至晶体管10611的栅极。
图22是示出根据图21中示出的第二实施方式的第一变形的配置的操作波形的实施例的示图。应注意，图22中的各部分的含义与上述所述图20相同，并且由此，此处将省去其描述。
在图22中，控制信号XEN_SPAD和XSW的控制与上述所述图20相同。在图22的情况下，通过根据控制信号XEN_SPAD控制电压Vref'到晶体管10011的供应而控制光接收元件10001的操作。
更具体地，像素控制单元102将控制信号XEN_SPAD设置为低状态并且在从时间t110至t111的周期期间开启晶体管10601。将晶体管10011的栅极设置为浮置状态，并且栅极的电压基于电容器10511中所保持的参考电压Vref而变成电压Vref'。因此，在从t110至t111的周期期间，将电源电压Vdd供应至光接收元件10001的阴极，并且与电压Vref'对应的电流Iref'流经晶体管10011和10521。光接收元件10001处于能够根据光子接收而开始雪崩倍增的状态。
像素控制单元102将控制信号EN_SPAD控制为控制信号XEN_SPAD以外的状态。像素控制单元102在时间t110使控制信号EN_SPAD从低状态移至高状态、并且使晶体管10011的栅极从参考电压Vref断开。
在时间t111，像素控制单元102使控制信号XEN_SPAD从低状态移至高状态、并且使电容器10511的一端从晶体管10011的栅极断开。此外，像素控制单元102在时间t111使控制信号EN_SPAD从高状态移至低状态、并且使晶体管10011的栅极连接至参考电压Vref。因此，光接收元件10001的阴极电压Vc1减少，并且释放能够开始晶体管10011的雪崩倍增的状态。
应注意，控制信号XSW和XEN_SPAD在时间t111处于高状态，并且晶体管10501和10601中的每个关闭，以使得电容器10511从电路断开。因此，电容器10511的电压并不从紧跟时间t111之前的值改变。
像素控制单元102在时间t112使控制信号XSW从高状态移至低状态、并且开启晶体管10501。因此，电容器10511连接至参考电压Vref，并且开始利用参考电压Vref对电容器10511进行充电。利用参考电压Vref对电容器10511继续进行充电，直至像素控制单元102在时间t113将控制信号XSW设置为高状态。
像素控制单元102在从时间t113流逝预定时间之后的时间t114使控制信号XEN_SPAD从高状态移至低状态并且使控制信号EN_SPAD从低状态移至高状态。时间t114之后的操作与从上述所述时间t110起的操作相同。像素控制单元102控制控制信号XSW、XEN_SPAD、以及EN_SPAD，以使得对像素阵列单元100中所包括的各个像素10d1、...、以及10dn重复地执行从时间t110至时间t114的上述所述操作。
例如，在第二实施方式的第一变形中，像素10d1不具有与晶体管10011串联连接的晶体管，诸如图19中的晶体管10521等。因此，当各个像素10d1、...、以及10dn在低压下操作时，对于参考图19描述的配置是有利的。
应注意，像素10dn的配置与像素10d1的配置相同。即，与参考图19描述的像素10cn相比较，省去了晶体管1052n并且将晶体管1060n和1061n(即，P沟道MOSFET)添加到像素10dn中。因为像素10dn的连接和操作与上述所述像素10d1的相同，所以此处将省去其描述。
(第二实施方式的第二变形)
接着，将描述第二实施方式的第二变形。图23是示出根据第二实施方式的第二变形的电路配置的实施例的示图。在图23中，复制源电路1100a及相应像素10c1、...、以及10cn与参考图19描述的复制源电路1100a及相应像素10c1、...、以及10cn相同，并且由此，此处将省去其描述。
如图23中示出的，第二实施方式的第二变形提供上述所述第二实施方式的配置、位于复制源电路1100a与像素10c1、...、以及10cn之间的缓冲放大器1080。经由缓冲放大器1080将从复制源电路1100a输出的参考电压Vref供应至各个像素10c1、...、以及10cn。参考上面图20，在从时间t102至t103的周期充电期间，利用从该缓冲放大器1080输出的参考电压Vref执行各个像素10c1、...、以及10cn中的各个电容器10511、...、以及1051n的充电。
例如，在上述所述图19的配置中，通过直接使用从复制源电路1100a输出的参考电压Vref而对电容器10511、...、以及1051n进行充电。因此，例如，当像素10c1、...、以及10cn的数量较大时，被供应至各个电容器10511、...、以及1051n的电流变小，因此，存在各个电容器10511、...、以及1051n的充电所需的时间变长的风险。
在第二实施方式的第二变形中，利用从缓冲放大器1080输出的参考电压Vref执行各个电容器10511、...、以及1051n的充电。因此，缓冲放大器1080能够驱动各个电容器10511、...、以及1051n的充电，并且能够缩短各个电容器10511、...、以及1051n的充电时间。
应注意，还能够对根据上述所述第一实施方式的配置应用其中缓冲放大器1080设置在复制源电路1100a与晶体管10011(即，复制目的地电路)之间的配置。例如，在上述所述图13的下示图中，构思了其中将缓冲放大器1080插入在复制源电路1100a与晶体管10011之间的配置。
(第二实施方式的第三变形)
接着，将描述第二实施方式的第三变形。第二实施方式的第三变形是其中电流镜电路共源共栅连接(级联连接)而形成复制源电路的实施例。
图24是示出根据第二实施方式的第三变形的实施例的电路配置的示图。图24中示出的配置包括复制源电路1100c、操作控制电路1102、以及像素10e1、...、及10en。
复制源电路1100c包括级联连接的两个晶体管1010和1070、以及电流源1011。在晶体管1010中，电源连接至电源电压Vdd，栅极与漏极连接，并且漏极连接至晶体管1070的源极。在晶体管1070中，栅极与漏极连接，并且漏极连接至电流源1011的一端。电流源1011的另一端连接至电源电压VSS。能够使用诸如BGR电路的参考电压生成电路而配置电流源1011。将晶体管1010的栅极电压设置为参考电压Vref。在各个晶体管1010和1070中，与参考电压Vref对应的参考电流Iref从源极流至漏极。
像素10e1包括光接收元件10001、逆变器10021、晶体管10011和10501及晶体管10731(即，P沟道MOSFET)、以及电容器10511。
例如，晶体管10011、10501、及10731分别与参考图19所描述的晶体管10011、10501、及10521对应。晶体管10501的源极连接至晶体管1010的栅极，并且供应参考电压Vref。将控制信号XSW输入至晶体管10501的栅极，并且漏极连接至电容器10511的一端和晶体管10011的栅极。晶体管10011的源极连接至电源电压Vdd并且连接至电容器10511的另一端。
晶体管10011的漏极连接至晶体管10731的源极。晶体管10731的漏极连接至光接收元件10001的阴极，并且光接收元件10001的阳极连接至电压(-Vbd)。晶体管10731的栅极经由操作控制电路1102连接至复制源电路1100c的晶体管1070的栅极。
将光接收元件10001的阴极电压Vc1输入至逆变器10021。
操作控制电路1102包括分别使用P沟道MOSFET而配置的晶体管10721和10741。晶体管10741具有连接至复制源电路1100c中的晶体管1070的栅极的漏极和连接至晶体管10731的栅极的源极。将控制信号XEN_SPAD输入至晶体管10741的栅极。晶体管10721的源极连接至晶体管10741的源极与晶体管10731的栅极之间的连接点。晶体管10721的源极连接至电源电压Vdd。将控制信号EN_SPAD输入至晶体管10721的栅极。
当响应于像素10e1中的控制信号XSW而开启晶体管10501时，由复制源电路1100c的晶体管10011和晶体管1010形成其中晶体管1010是复制源并且晶体管10501是复制目的地的电流镜电路。此外，当响应控制信号XEN_SPAD开启晶体管10741并且响应像素10e1中的控制信号EN_SPAD关闭晶体管10721时，由复制源电路1100c的晶体管10731和晶体管1070形成其中晶体管1070是复制源并且晶体管10731是复制目的地的电流镜电路。
例如，由像素控制单元102根据整体控制单元103的指示生成控制信号XSW、XEN_SPAD、以及EN_SPAD中的每个信号。控制信号XSW、XEN_SPAD、以及EN_SPAD中的每个信号的高状态和低状态的控制与根据参考图22所描述的第二实施方式的第一变形的控制相同，并且由此，此处将省去其描述。
将描述与根据参考图21和图22所描述的第二实施方式的第一变形的配置相比较、根据第二实施方式的第三变形的配置的效果。在图21的配置中，当控制信号XEN_SPAD处于低状态时，光接收元件10001在从t110至t111的周期期间操作(见图22)，并且将与电容器10511的电压Vref'对应的再充电电流Id供应至光接收元件10001。此时，响应光接收元件10001中的光子的接收而开始雪崩倍增，并且相应地，阴极电压Vc1发生极大地变化。存在阴极电压Vc1的这种变化影响由电容器10511供应的电压Vref'的可能性。
另一方面，在图24示出的第二实施方式的第三变形的配置中，晶体管10731插入在光接收元件10001的阴极与通过电容器10511向其供应电压Vref'的晶体管10011的漏极之间。因为插入了晶体管10731，所以消除了阴极电压Vc1对电压Vref'的影响。因此，易于控制再充电电流Id，以使得能够轻易地将死区时间设置为适当的值。
应注意，像素10en包括分别与像素10e1的上述所述光接收元件10001、逆变器10021、晶体管10011、10501、及10731、以及电容器10511对应的光接收元件1000n、逆变器1002n、晶体管1001n、晶体管1050n和1073n、以及电容器1051n。因为像素10en的各个部分的连接与像素10e1的各个对应部分的连接相同，所以此处将省去其描述。
(第二实施方式的第四变形)
接着，将描述第二实施方式的第四变形。第二实施方式的第四变形是其中从SPAD(即，光接收元件1000)的阳极侧获取信号的实施例。
图25是示出根据第二实施方式的第四变形的实施例的电路配置的示图。图25中示出的电路配置与上述所述图19的电路配置对应。此外，复制源电路1100c与参考图17所描述的复制源电路1100c相同，并且由此，此处将省去其描述。
在复制源电路1100c中，晶体管1010'的栅极分别连接至像素10c1'、...、以及10cn'，即，复制目的地电路。在像素10c1'、...、以及10cn'之中，将像素10c1'描述为实施例。像素10c1'包括光接收元件10001、晶体管10011'、10501'、及10521'(即，N沟道MOSFET)、电容器10511、以及逆变器10021。
在像素10c1'中，光接收元件10001的阴极连接至通过将电压Vbd(即，光接收元件10001(即，SPAD)的击穿电压)与电源电压Vdd相加而获得的电压(Vdd+Vbd)。光接收元件10001的阳极连接至晶体管10521'的漏极。此外，将光接收元件10001的阳极电压Va1输入至逆变器10021。将控制信号EN_SPAD输入至晶体管10521'的栅极。晶体管10521'的源极连接至晶体管10011'的漏极。
晶体管10011'的栅极连接至电容器10511的一端和晶体管10501的源极。电容器10511的另一端连接至电源电压Vss。晶体管10501'的漏极连接至复制源电路1100c中的晶体管1010'的栅极。将控制信号SW输入至晶体管10501'的栅极。
在该配置中，控制信号SW和EN_SPAD分别与图19和图20中的控制信号XSW和XEN_SPAD对应，并且控制信号SW和EN_SPAD的控制与图20中的控制信号XSW和XEN_SPAD的控制相似。然而，输入这些控制信号XSW和XEN_SPAD的晶体管10501'和10521'是图25的实施例中的N沟道MOSFET，并且由此，在高状态下开启各个晶体管10501'和10521'并且在低状态下关闭各个晶体管10501'和10521'。此外，图20中的电源电压Vdd被视为电源电压(Vdd+Vbd)并且发生逆变。此外，电压Vref'是逆变信号。
与图19的配置相似，即使在图25的配置中，在晶体管10501'关闭并且晶体管10521'开启(见图20，时间t100至t101)的周期期间，也基于电容器10511的电压Vref'利用再充电电流Id执行光接收元件10001的再充电操作。因此，在晶体管10501'开启并且晶体管10521'关闭(见图20，时间t101至t103)的周期期间对电容器10511进行充电。
因此，在执行光接收元件10001的再充电操作的周期期间，关闭晶体管10501'并且将晶体管10011'的栅极设置为浮置状态。因此，被供应至晶体管10011'的栅极的电压Vref'根据电源电压(Vdd+Vbd)的变化而变化，并且晶体管10011'的电压VGS变得等于跨电容器10511的电压。因此，电流Iref'(即，恒定电流)根据电压VGS在晶体管10011'的源极与漏极之间流动。
因此，即使从SPAD(即，光接收元件10001)的阳极侧获取信号，通过使用该电流Iref'作为再充电电流Id执行再充电操作也易于控制像素10c1'中的再充电电流Id。
应注意，与像素10c1'相似，像素10cn'还包括光接收元件10001、晶体管10011'、1050n'、及1052n'(即，N沟道MOSFET)、电容器1051n、以及逆变器1002n。因为像素10cn'中的各个部分的连接关系与像素10c1'中的各个对应部分的连接关系相同，所以此处将省去其描述。
(第二实施方式的第五变形)
接着，将描述第二实施方式的第五变形。第二实施方式的第五变形是其中多个像素10共享与例如上述所述电容器10511、...、及1051n对应、对参考电压Vref进行充电并且保持参考电压Vref的电容器的实施例。
图26是示出根据第二实施方式的第五变形的配置的实施例的示图。在图26中，前端(F/E)电路111011至111014、111021至111024、...、以及1110n1至1110n4是彼此相似的电路并且包括光接收元件1000、逆变器1002、以及晶体管1001作为电流源。
在图26的右侧示出了F/E电路1110n2的电路图的实施例。F/E电路1110n2包括光接收元件1000n2、晶体管1001n2和1052n2(即，P沟道MOSFET)、以及逆变器1002n2。即，F/E电路1110n2与包括参考图19所描述的像素10c1中的光接收元件10001、晶体管10011和10521、以及逆变器10021的电路对应。
与上述所述像素10c1相似，在F/E电路1110n2中，晶体管1001n2的漏极连接至晶体管1052n2的源极，并且晶体管1052n2的漏极连接至光接收元件1000n2的阴极。将光接收元件1000n2的阴极电压Vcn2输入至逆变器1002n2。将控制信号XEN_SPAD输入至晶体管1052n2的栅极。
此处，F/E电路111011至111014、111021至111024、...、以及1110n1至1110n4分别共享电容器1051a1、1051a2、...、以及1051an。
即，电容器1051a1、1051a2、...、以及1051an的一端连接至电源电压Vdd。电容器1051a1的另一端连接至F/E电路111011至111014中的每个电路并且经由开关1050SWa1连接至参考电压Vref。电容器1051a2的另一端连接至F/E电路111021至111024中的每个电路并且经由开关1050SWa2连接至参考电压Vref。同样，电容器1051an的另一端连接至F/E电路1110n至1110N4中的每个电路并且经由开关1050SWan连接至参考电压Vref。通过控制信号XSW共同控制开关1050SWa1、1050SWa2、...、以及1050SWan的开启和关闭。
例如，在F/E电路1110n2中，电容器1051an的另一端连接至晶体管1001n2的栅极。此处，例如，考虑开关1050SWan被图19的像素10c1中的晶体管10501所取代的情况。在这种情况下，应当理解的是，包括F/E电路1110n2、电容器1051an、以及开关1050SWan的电路与像素10c1是相同的电路。
即，在开关1050SWan关闭并且晶体管1052n2开启的周期期间(例如，在图20中，为时间t100至t101)，基于电容器1051an的电压Vref'利用再充电电流Id执行光接收元件1000n2的再充电操作。然后，在开关1050SWan'开启并且晶体管1052n2'关闭的周期期间(例如，见图20中的时间t101至t103)，对电容器1051an进行充电。
即使在共享同一电容器1051an的F/E电路1110n1、1110n3、以及1110n4中，也同样执行F/E电路1110n2中的操作。此外，在共享电容器1051a1的F/E电路111011至111014的块与共享电容器的F/E电路111021至111024的块中执行相同的操作。
应注意，即使在图26的实施例中，通过使用上述所述复制源电路1100a或复制源电路1100b也能够供应参考电压Vref。此外，还可以应用根据参考图21描述的第二实施方式的第一变形的像素10d1的配置作为各个F/E电路111011至1110n4。
因为按照这种方式在多个像素10之间共享对参考电压Vref进行充电并且保持参考电压Vref的电容器，所以能够将像素阵列单元100中的电容器的数量抑制地较小，并且能够减少面积。
图27是示出根据第二实施方式的第五变形的配置的另一实施例的示图。在图26的配置中，由以块为单位布置的多个F/E电路共享一个电容器。另一方面，在该另一实施例中，由像素阵列单元100中的阵列像素10中的每行共享一个电容器。
在图27中，布置在像素阵列单元100的第一行中的F/E电路111011、111012、...、及11101p共享布置在第一行中的电容器1051b1、并且经由开关1050SWb1供应参考电压Vref。布置在像素阵列单元100的第二行中的F/E电路111021、111022、...、及11102p共享布置在第二行中的电容器1051b2、并且经由开关1050SWb2供应参考电压Vref。同样，布置在像素阵列单元100的第q行中的F/E电路1110q1、1110q2、...、及1110qp共享布置在第q行中的一个电容器1051bq并且经由开关1050SWbq供应参考电压Vref。
通过控制信号XSW控制各个开关1050SWb1、1050SWb2、...、以及1050SWbq的开启和关闭。此外，通过使用上述所述复制源电路1100a或复制源电路1100b而供应参考电压Vref。
当相对于电源电压Vdd的压降ΔV降在像素阵列单元100的行方向上较小并且在列方向上较大时，优选应用第二实施方式的第五变形的该另一实施例。此外，与其中由以图26中示出的块为单位布置的多个F/E电路共享一个电容器的配置相比较，可以减少电容器的数量并且减少面积。
此外，在图27的实施例中，像素阵列单元100中的阵列像素10的每行共享一个电容器，但并不局限于该实施例。例如，像素阵列单元100中的阵列像素10的每列可以共享一个电容器。例如，当相对于电源电压Vdd的压降ΔV降在像素阵列单元100的列方向上较小并且在行方向上较大时，优选应用此实施例。
[第三实施方式]
接着，将描述本公开的第三实施方式。在上述所述第一实施方式及其相应的变形、以及第二实施方式及其相应的变形中，通过无源操作执行参考图11A描述的光接收元件1000(SPAD 2000)的猝熄操作和再充电操作。另一方面，在第三实施方式中，通过无源操作执行猝熄操作并且通过有源操作执行再充电操作。
例如，因为有源操作的再充电操作与参考图10A至图10D所描述的操作相似，所以将SPAD 2000(光接收元件1000)的阴极提前充电至能够开始雪崩倍增的电压。在SPAD 2000的光子接收的闲置状态下，切断利用SPAD 2000的阴极充电的电流路径。当SPAD 2000接收光子时，开始雪崩倍增。如果跨SPAD 2000的电压减少，则检测到电压减少，并且通过猝熄操作停止雪崩倍增。在从检测到电压减少的时刻流逝预定延迟时间之后，再次连接用于对SPAD 2000的阴极进行充电的电流路径，并且将SPAD 2000的阴极充电至开始雪崩倍增的电压。通过适当地控制死区时间可以将死区时间设置为最佳值。
图28是示出根据第三实施方式的电路配置的实施例的示图。在图28中，像素10f包括光接收元件1000、逆变器1002和3001、晶体管1090和1091(即，P沟道MOSFET)、电容器1092、延迟电路3000、以及开关3002。
光接收元件1000具有连接至电压(-Vbd)的阳极和连接至晶体管1091的漏极。将后面描述的控制信号RSW输入至晶体管1091的栅极。晶体管1091的源极连接至晶体管1090的漏极，并且晶体管1090的源极连接至电源电压Vdd。将控制信号XEN_SPAD输入至晶体管1090的栅极。
从复制源电路1100a输出的参考电压Vref经由开关3002连接至电容器1092的一端并且被供应至延迟电路3000。例如，通过控制信号XSW控制开关3002的开启和关闭。电容器1092的另一端连接至电源电压Vdd。
将光接收元件1000的阴极电压Vc输入至逆变器1002。当阴极电压Vc的变化在预定值以上时，逆变器1002输出其中变化发生逆变的输出信号Vinv。将输出信号Vinv输出至像素10f的外面并且输入至延迟电路3000。延迟电路3000将所输入的输出信号Vinv延迟与参考电压Vref对应的延迟量并且输出延迟信号。通过逆变器3001使延迟电路3000的输出发生逆变并且用作控制信号RSW并且输入至晶体管1091的栅极。
将描述该配置中的操作的实施例。首先，开启开关3002，以利用参考电压Vref对电容器1092进行充电。在电容器1092的充电完成的时刻，关闭开关3002。通过在电容器1092中充电的参考电压Vref设置延迟电路3000在光接收元件1000操作之后的延迟时间。
此处，例如，假设在紧跟接收光子之前的时间利用电压(Vdd+Vbd)对光接收元件1000的阴极进行充电，并且光接收元件1000处于能够开始雪崩倍增的状态。在光接收元件1000等待接收光子的状态下，逆变器1002的输出信号Vinv处于低状态并且经由延迟电路300被输入至逆变器3001。逆变器3001将通过使处于低状态的输出信号Vinv发生逆变而获得的控制信号RSW输入至晶体管1091的栅极。因此，开启晶体管1091。
当通过光接收元件1000接收光子时，跨光接收元件1000的电压减少，并且雪崩倍增停止，并且逆变器1002的输出信号Vinv从低状态移至高状态。通过延迟电路3000使经由逆变器3001发生逆变的输出信号Vinv延迟预定的时间并且作为处于低状态的控制信号RSW输入至晶体管1091的栅极。因此，开启晶体管1091，将电源电压Vdd供应至光接收元件1000的阴极，并且利用电压(Vdd+Vbd)对阴极进行充电。
如果按照这种方式通过有源操作执行再充电操作，则能够根据延迟电路3000中的延迟量控制再充电时间。
在图28的右侧示出了可应用于第三实施方式的延迟电路3000的实施例的电路配置。图28中示出的延迟电路3000包括其中N沟道MOSFET与P沟道MOSFET并联连接的多个逆变器电路并且被配置为使得相应的逆变器串联连接。在图28的实施例中，延迟电路3000包括晶体管31001、31002、31003、及31004(即，P沟道MOSFET)以及晶体管31011、31012、31013、及31014(即，N沟道MOSFET)，以形成逆变器。
晶体管30011和31011形成第一级的逆变器，晶体管30012和31012形成第二级的逆变器，晶体管30013和31013形成第三级的逆变器，并且晶体管30014和31014形成第四级的逆变器。第一级至第四级的这些逆变器串联连接，将从逆变器1002输出的输出信号Vinv输入至第一级的逆变器，并且从第四级的逆变器以预定的时间延迟输出输出信号Vinv。
此处，例如，在图28的实施例中，相应逆变器中的晶体管31011至31014的源极连接至接地电压。此外，在相应逆变器的晶体管31001至31004之中，晶体管30011和31003的源极直接连接至电源电压Vdd。另一方面，晶体管31002和31004的源极分别经由晶体管31021和31022连接至电源电压Vdd。
将参考电压Vref输入至晶体管31021和31022的栅极。更具体地，晶体管31021和31022的栅极经由开关3002连接至复制源电路1100a的晶体管1010的栅极(见图13的下半部分)。即，将各个晶体管31021和31022设置为其复制源是晶体管1010的电流镜电路的复制目的地。
在其中N沟道MOSFET与P沟道MOSFET并联连接的逆变器电路中，延迟时间根据在各个晶体管的源极与漏极之间流动的电流的量而改变。即，如果电流量较大，则延迟时间较短，并且如果电流量较小，则延迟时间较长。因此，可以基于根据参考电压Vref从复制源电路1100a复制的电流而控制延迟电路3000的延迟时间。
在图28的实施例中，延迟电路3000包括四个逆变器，并且作为复制源电路1100a的电流的复制目的地的晶体管31021和31022连接至第二级和第四级的两个逆变器。然而，这是实施例，并且本发明并不局限于该实施例。在延迟电路3000中，作为复制源电路1100a的电流的复制目的地的晶体管可以连接至四个逆变器或三个以上逆变器中的一个逆变器。此外，延迟电路3000可以包括五个以上或三个以下逆变器。
以这种方式，在第三实施方式中，使用与复制源电路1100a中的参考电流Iref对应的参考电压Vref作为用于控制延迟电路3000的延迟时间的控制电压。因此，能够更为稳定地控制延迟电路3000对控制信号RSW的延迟时间。因此，可以更为有效地执行光子检测。
此外，在第三实施方式中，像素10f利用从复制源电路1100a供应的参考电压Vref对电容器1092进行充电、并且基于电容器1092的输出控制延迟电路3000的延迟时间。因此，可以抑制像素阵列单元100中所包括的相应像素10f之间的控制信号RSW的延迟时间的时差。
[第四实施方式]
接着，将描述第四实施方式。第四实施方式是其中为像素阵列单元100中的各个像素10提供用于复制参考电流Iref的多个复制源电路的实施例。针对像素阵列单元100中所包括的多个像素10的每行、每列、或每个区域布置每个复制源电路。
图29是示出根据第四实施方式的像素阵列单元100的实施例的配置的框图。在图29中，F/E和S/H(采样与保持)电路112010、112011至11201s、112020至11202(s-1)、11202s、112030、112031至11203s、及112040至11204(s-1)、以及11204s中的每个电路具有与参考例如图19所描述的像素10c1对应的配置。
将采用F/E和S/H电路112010作为实施例对F/E和S/H电路112010进行描述。参考图19，例如，F/E和S/H电路112010包括包含光接收元件10001、晶体管10011和10521、以及逆变器10021的前端电路与包括晶体管10501和电容器10511的采样与保持电路。
但并不局限于此，F/E和S/H电路112010、112011至11201s、112020至11202(s-1)、11202s、112030、112031至11203s、及112040至11204(s-1)、以及11204s中的每个电路可以具有与参考图21所描述的像素10d1对应的配置、或与参考图25所描述的像素10c1'对应的配置。
此外，可以从F/E和S/H电路112010、112011至11201s、112020至11202(s-1)、11202s、112030、112031至11203s、及112040至11204(s-1)、以及11204s中省去采样与保持电路，以采用与图13的下半部分示出的像素10a1对应的配置。
在图29中，复制源电路1100a1、1100a2、1100a3、以及1100a4中的每个具有与图13的下半部分中示出的复制源电路1100a对应的配置。但并不局限于此，复制源电路1100a1、1100a2、1100a3、以及1100a4中的每个可以具有与图15中示出的复制源电路1100b对应的配置。
对于F/E和S/H电路112010和112011至11201s中的每个电路，从复制源电路1100a1共同供应参考电压Vref1，并且从像素控制单元102共同供应控制信号XSW1(未示出)。对于F/E和S/H 112020至11202(s-1)和11202s中的每个电路，从复制源电路1100a2供应参考电压Vref2，并且从像素控制单元102共同供应控制信号XSW2(未示出)。
F/E和S/H电路112030及112031至11203s、与112040至11204(s-1)、以及11204s中的每个电路的配置相似。从复制源电路1100a3和1100a4分别供应参考电压Vref3和Vref4，并且从像素控制单元102供应控制信号XSW3和XSW4。
以这种方式，在第四实施方式中，为像素阵列单元100的各个区域提供复制源电路1100a1至1100a4。可以抑制作为各个区域中的电流镜电路的复制目的地的各个晶体管与各个区域的复制源电路中的晶体管之间的温度差和元件特征差异。因此，提高了由复制源电路1100a1至1100a4生成的参考电流Iref的复制的准确性，并且能够使得像素阵列单元100中的光子检测准确性一致。因此，可以更有效地执行光子检测。
[第五实施方式]
接着，将描述本公开的第五实施方式。相对于上述所述第二实施方式，第五实施方式是其中不复制参考电流Iref的实施例。图30是示意性示出根据第五实施方式的实施例的配置的示图。图30是与上述所述图18对应的示图并且具有其中将图18中的复制源电路1100a简单地改变成生成参考电压Vref的参考电压源2100的配置。因为像素10b1、...、以及10bn的配置与图18中的像素10b1、...、以及10bn的配置相同，所以此处将省去其描述。
图30的配置中的操作与上述所述图18中的操作相同。即，在开关SW1的开启状态下，利用参考电压Vref对电容器C1进行充电。此外，在开关SW1的关闭状态下，使用通过跨电容器C1的电压Vref'所判断的电流Iref'作为再充电电流Id对光接收元件10001的阴极进行充电。在开关SW1的关闭状态下，晶体管10011的栅极处于浮置状态，并且晶体管10011的电压VGS变成跨电容器C1的电压。因此，晶体管10011的电压VGS能够相对于电源电压Vdd的变化维持恒定的值，并且通过电压VGS判断的电流Iref'也变成恒定的值。
因此，与上述所述第二实施方式相似，即使在第五实施方式中，也可以根据像素10n的电源电压Vdd远离电源电压Vdd的供应位置的距离抑制由压降ΔV降产生的晶体管1001n的栅极与源极之间的电压VGS的变化。因此，可以改善像素阵列单元100的光接收表面的特征的均匀性并且更有效地执行光子检测。
[第六实施方式]
接着，作为本公开的第六实施方式，将描述第一实施方式及其相应变形、第二实施方式及其相应变形、以及本公开的第三至第五实施方式的应用例。图31是示出根据使用应用第一实施方式及其相应变形、第二实施方式及其相应变形、以及第三至第五实施方式的距离测量装置1的第六实施方式的使用例的视图。
在用于感测诸如可见光、红外光、紫外光、以及X射线的光等下述所述各种情况下能够使用上述所述距离测量装置1。
·一种捕获用于观察的图像的装置，诸如具有摄像机功能的数码相机和移动装置等。
·一种用于交通的装置，诸如出于诸如自动停止及驾驶员条件的识别等安全驾驶而捕获汽车的前、后、周围、内部等的车载传感器、监测行进车辆及道路的监控摄像机、以及测量车辆之间的距离侧距离测量传感器等。
·一种用于家用电器的装置，诸如捕获用户的姿势并且根据姿势操作装置的TV、冰箱、以及空调等。
·一种用于医学治疗与康复的装置，诸如内诊镜和通过接收红外光而执行血管造影术的装置等。
·一种出于安全而使用的装置，诸如用于预防犯罪的监控摄像机和用于个人认证的摄像机等。
·一种用于美容护理的装置，诸如捕获皮肤的皮肤测量装置和捕获头皮的显微镜等。
·一种用于体育的装置，诸如用于体育应用的动作摄像机和可佩戴摄像机等。
·一种用于农业的装置，诸如用于监测田地和农作物的条件的摄像机等。
[根据本公开的技术的额外应用例]
[移动对象的应用例]
根据本公开的技术可以进一步应用于安装在诸如车辆、电动车辆、混合电动车辆、摩托车、自行车、个人移动、飞机、无人机、船只、以及机器人等各种移动对象上的装置。
图32是示出车辆控制系统的示意性配置例的框图，即，能够应用根据本公开的技术的移动对象控制系统的实施例。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001连接的多个电子控制单元。在图32示出的实施例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车体系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040、以及集成控制单元12050。此外，作为集成控制单元12050的功能配置，示出了微型计算机12051、声音-图像输出单元12052、以及车载网络接口(I/F)12053。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动系统有关的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作被配置为产生车辆的驱动力的诸如内燃机和驱动电机等驱动力生成装置、被配置为将驱动力传递至车辆的驱动力传递机构、调整车辆的转向角的转向机构、产生车辆的制动力的制动装置等的控制装置。
车体系统控制单元12020根据各种程序控制安装在车身上的各个装置的操作。例如，车体系统控制单元12020用作无秘钥进入系统、智能秘钥系统、动力车窗装置、诸如头灯、后灯、制动等、转向等、以及雾灯等各种灯的控制装置。在这种情况下，车体系统控制单元12020能够接收从适合于各个开关的秘钥或信号的便携式装置传输的无线电波的输入。车体系统控制单元12020接收这些无线电波或信号的输入，以控制车辆的门锁装置、动力车窗装置、灯等。
车外信息检测单元12030检测关于安装了车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，成像单元12031连接至车外信息检测单元12030。车外信息检测单元12030使成像单元12031捕获车辆的外部的图像并且接收所捕获的图像。车外信息检测单元12030可以基于所接收的图像对路面上的人、汽车、障碍物、标识、字符等执行对象检测处理或距离检测处理。车外信息检测单元12030对所接收的图像执行图像处理并且基于图像处理的结果执行对象检测处理或距离检测处理。
成像单元12031是根据所接收光的量接收光并且输出电信号的光学传感器。成像单元12031能够输出电信号作为图像并且还作为测距信息。此外，通过成像单元12031接收的光可以是可见光或诸如红外光等不可见光。
车内信息检测单元12040检测车内信息。例如，车内信息检测单元12040与检测驾驶员的条件的驾驶员条件检测单元12041连接。驾驶员条件检测单元12041包括例如使驾驶员成像的摄像机，并且车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳度或专注度、或可以基于从驾驶员条件检测单元12041输入的检测信息判断驾驶员是否在打盹。
微型计算机12051能够基于关于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的车辆的内部或外部的信息而计算驱动力生成装置、转向机构、或制动装置的控制目标值、并且将控制命令输出至驱动系统控制单元12010。例如，微型计算机12051能够出于实现包括车辆的防碰撞或防冲击的先进驾驶员复制系统(ADAS)的功能之目的而执行协作控制、基于车间距离、匀速行进、车辆碰撞警报、或车辆偏离车道的警报而跟随前方车辆行驶。
此外，微型计算机12051通过基于关于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的车辆的周围环境的信息而控制驱动力生成装置、转向机构、制动装置等能够出于车辆自动行进、而不依靠驾驶员的操作的自动驾驶等目的执行协作控制。
此外，微型计算机12051能够基于关于通过车外信息检测单元12030获取的车辆的外部的信息而将控制命令输出至车体系统控制单元12020。例如，微型计算机12051能够通过根据由车外信息检测单元12030检测的前方车辆或对面车辆的位置控制头灯而出于诸如从高光束切换至低光束等防眩光之目的而执行协作控制。
声音-图像输出单元12052将声音或图像中的至少一项的输出信号传输至能够将信息可视或可听地通知给车辆的乘客或车辆外部的输出装置。在图22的实施例中，例证了音频扬声器12061、显示单元12062、以及仪表面板12063作为输出装置。例如。显示单元12062可以包括机载显示器和头戴显示器中的至少一项。
图33是示出成像单元12031的安装位置的实施例的视图。在图33中，车辆12100具有成像单元12101、12102、12103、12104、以及12105作为成像单元12031。
例如，成像单元12101、12102、12103、12104、以及12105安装在诸如前鼻、侧视镜、后保险杠、后门、车辆12100的乘客舱中的挡风玻璃的上部等位置处。安装在前鼻处的成像单元12101和安装在乘客舱中的挡风玻璃的上部的成像单元12105主要获取车辆12100的前方区域的图像。安装在侧视镜上的成像单元12102和12103主要获取车辆12100的侧方的图像。安装在后保险杠或后门上的成像单元12104主要获取车辆12100后方的区域的图像。通过成像单元12101和12105获取的车辆前方的区域的图像主要用于检测前方车辆或行人、障碍物、交通灯、交通标识、车道等。
应注意，图33示出了成像单元12101至12104的捕获范围的实施例。成像范围12111表示设置在前鼻上的成像单元12101的成像范围，成像范围12112和12113分别表示设置在侧视镜上的成像单元12102和12103的成像范围，并且成像范围12114表示设置在后保险杠或后门上的成像单元12104的成像范围。例如，通过由成像单元12101至12104捕获的叠加图像数据能够获得从上方观看的车辆12100的鸟瞰图图像。
成像单元12101至12104中的至少一项可以具有获取距离信息的功能。例如，成像单元12101至12104中的至少一项可以是包括多个成像元件的立体摄像机或可以是具有用于相差检测的像素的成像元件。
例如，微型计算机12051基于从成像单元12101至12104获得的距离信息获得到成像范围12111至12114内的各个三维对象的距离及距离的临时变化(相对于车辆12100的相对速度)并且由此能够具体地提取在车辆12100行驶路径上最靠近并且在与车辆12100大致相同的方向上以预定速度(例如，0km/h或更快)行驶的三维对象作为前方车辆。进一步地，微型计算机12051能够在前方车辆后方提前设置安全的车间距离并且执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随开始控制)等。如此，可以在不依靠驾驶员的操作的情况下出于自主行驶的自动驾驶等目的而执行协作控制。
例如，微型计算机12051将与三维对象有关的三维对象数据分类成两轮车辆、标准尺寸的车辆、大尺寸车辆、行人、以及诸如电线杆等其他三维对象、并且基于从成像单元12101至12104获得的距离信息而提取用于自动避开障碍物的数据。例如，微型计算机12051将车辆12100附近的障碍物区别地识别为测量12100的驾驶员能够可视地识别的障碍物或驾驶员难以可视地识别的障碍物。因此，微型计算机12051判断指示与各个障碍物发生碰撞的风险程度的碰撞风险，并且在存在碰撞风险等于或高于设置值的碰撞的可能的情形中，能够通过经由音频扬声器12061和/或显示单元12062向驾驶员输出警报或经由驱动系统控制单元12010执行强制减速或渐逝转向而执行驾驶员辅助来避免碰撞。
车辆单元12101至12104中的至少一项可以是检测红外光的红外摄像机。例如，微型计算机12051能够通过判断由成像单元12101至12104捕获的图像中是否存在行人而对行人进行识别。通过提取由例如成像单元12101至12104(即，红外摄像机)捕获的图像中的特征点的程序和对指示对象的轮廓的一系列特征点执行模式匹配并且判断对象是否与行人对应的程序而执行这种行人识别。当微型计算机12051判断由成像单元12101至12104捕获的图像中存在行人并且对行人进行识别时，声音-图像输出单元12052控制显示单元12062，以使得用于强化的矩形轮廓被叠加在所识别的行人上并且进行显示。此外，声音-图像输出单元12052还可以控制显示单元12062显示指示所需位置处的行人的图标等。
上面已经描述了能够应用根据本公开的技术的车辆控制系统的实施例。例如，根据本公开的技术能够应用于上述所述配置之中的成像单元12031。具体地，根据上述所述本公开的第一实施方式及其相应变形的距离测量装置1能够应用于成像单元12031。由于对成像单元12031应用根据本公开的技术，可以以较高的准确性执行距行进车辆的距离测量。
应注意，本说明书中描述的效果仅是实施例并且并不局限于本文的公开内容，并且还能够实现本文未描述的其他效果。
应注意，本技术还能够具有下列配置。
(1)一种光接收装置，包括：
光接收元件，在施加预定电压的状态下，电流根据入射光子而在光接收元件中流动，并且通过再充电电流返回至该状态；
生成单元，生成参考电流；以及
复制单元，复制由生成单元生成的参考电流，以生成复制参考电流；
其中，基于复制参考电流的再充电电流被供应至光接收元件。
(2)根据上面(1)所述的光接收装置，其中，
生成单元
使用基于半导体材料的物理性质的参考电压生成参考电流。
(3)根据上面(1)或(2)所述的光接收装置，还包括：
电流改变单元，改变由复制单元生成的复制参考电流的电流值；
其中，基于通过由电流改变单元改变复制参考电流的电流值而获得的电流的再充电电流被供应至光接收元件。
(4)根据上面(1)至(3)中任一项所述的光接收装置，还包括：
保持单元，保持由生成单元生成的与参考电流对应的参考电压；
其中，复制单元
基于由保持单元保持的参考电压而生成复制参考电流。
(5)根据上面(4)所述的光接收装置，还包括：
第一开关单元，控制参考电压到保持单元的供应；和
第二开关单元，控制由复制单元基于由保持单元保持的参考电压而生成的复制参考电流到光接收元件的供应。
(6)根据上面(5)所述的光接收装置，其中，
第二开关单元
连接在复制单元与光接收元件之间。
(7)根据上面(5)所述的光接收装置，还包括：
第三开关单元，控制参考电压到复制单元的供应；
其中，第二开关单元
连接在保持单元与复制单元之间。
(8)根据上面(4)所述的光接收装置，其中，
复制单元包括：
第一复制单元和第二复制单元，级联连接；
第一复制单元
基于由保持单元保持的参考电压而生成第一复制参考电流；
第二复制单元
复制由生成单元生成的参考电流以生成第二复制参考电流；并且
基于第一复制参考电流和第二复制参考电流的再充电电流被供应至光接收元件。
(9)根据上面(4)至(8)中任一项所述的光接收装置，包括：
多个光接收元件和多个复制单元，多个复制单元分别与多个光接收元件对应；
其中，多个复制单元之中的两个或多个复制单元共享单个保持单元。
(10)根据上面(9)所述的光接收装置，其中，
多个光接收元件排列成二维晶格；并且
在分别与排列成二维晶格的多个光接收元件对应的多个复制单元之中，在阵列的行方向或列方向上对齐的多个复制单元共享单个保持单元。
(11)根据上面(1)至(10)中任一项所述的光接收装置，其中，
复制单元包括：
复制源单元，参考电流供应至复制源单元；
复制目的地单元，基于参考电流的参考电压被从复制源单元供应至复制目的地单元并且复制目的地单元基于所供应的参考电压生成复制参考电流；以及
缓冲放大器，连接在复制源单元与复制目的地单元之间。
(12)根据上面(1)至(11)中任一项所述的光接收装置，其中，
复制单元包括：
复制源单元，参考电流供应至复制源单元；和
复制目的地单元，基于参考电流的参考电压被从复制源单元供应至复制目的地单元并且复制目的地单元基于所供应的参考电压生成复制参考电流；并且
由多对多个光接收元件和与多个光接收元件对应的多个复制目的地单元共享单个复制源单元。
(13)根据上面(1)所述的光接收装置，还包括：
延迟单元，延迟光接收元件的输出；和
开关单元，根据由延迟单元延迟的输出控制复制参考电流从复制单元到光接收元件的供应。
(14)根据上面(13)所述的光接收装置，其中，
复制单元包括：
复制源单元，参考电流供应至复制源单元；和
复制目的地单元，基于参考电流的参考电压被从复制源单元供应至复制目的地单元并且复制目的地单元基于所供应的参考电压生成复制参考电流；以及
延迟单元，
基于由复制目的地单元生成的复制参考电流而控制延迟的时间。
(15)根据上面(1)至(14)中任一项所述的光接收装置，还包括：
第一基板和第二基板，第二基板堆叠在第一基板上；
其中，光接收元件布置在第一基板上；并且
生成单元和复制单元布置在第二基板上。
(16)根据上面(4)至(10)中任一项所述的光接收装置，还包括：
第一基板和第二基板，第二基板堆叠在第一基板上；
其中，光接收元件布置在第一基板上；并且
生成单元、复制单元以及保持单元布置在第二基板上。
(17)一种距离测量装置，包括：
光接收元件，在施加预定电压的状态下，电流根据入射光子而在光接收元件中流动，并且通过再充电电流而返回至该状态；
生成单元，生成参考电流；
复制单元，复制由生成单元生成的参考电流，以生成复制参考电流；
时间测量单元，测量从光源发射光的光发射时刻至光接收元件接收反射光的光接收时刻的时间并且获取测量值，由测量对象反射在光发射时刻从光源发射的光时生成反射光；
直方图生成单元，生成测量值的直方图；以及
计算单元，基于直方图计算到测量对象的距离；
其中，基于复制参考电流的再充电电流被供应至光接收元件。
(18)根据上面(17)所述的距离测量装置，其中，
生成单元
使用基于半导体材料的物理性质的参考电压生成参考电流。
(19)根据上面(17)或(18)所述的距离测量装置，还包括：
电流改变单元，改变由复制单元生成的复制参考电流的电流值；
其中，基于通过由电流改变单元改变复制参考电流的电流值而获得的电流的再充电电流被供应至光接收元件。
(20)根据上面(17)至(19)中任一项所述的距离测量装置，还包括：
保持单元，保持由生成单元生成的与参考电流对应的参考电压；
其中，复制单元
基于由保持单元保持的参考电压而生成复制参考电流。
(21)根据上面(20)所述的距离测量装置，还包括：
第一开关单元，控制参考电压到保持单元的供应；和
第二开关单元，控制由复制单元基于由保持单元保持的参考电压而生成的复制参考电流到光接收元件的供应。
(22)根据上面(21)所述的距离测量装置，其中，
第二开关单元
连接在复制单元与光接收元件之间。
(23)根据上面(21)所述的距离测量装置，还包括：
第三开关单元，控制参考电压到复制单元的供应；
其中，第二开关单元
连接在保持单元与复制单元之间。
(24)根据上面(20)所述的距离测量装置，其中，
复制单元包括：
第一复制单元和第二复制单元，级联连接；
第一复制单元
基于由保持单元保持的参考电压而生成第一复制参考电流；
第二复制单元
复制由生成单元生成的参考电流以生成第二复制参考电流；并且
基于第一复制参考电流和第二复制参考电流的再充电电流被供应至光接收元件。
(25)根据上面(20)至(24)中任一项所述的距离测量装置，包括：
多个光接收元件和多个复制单元，多个复制单元分别与多个光接收元件对应；
其中，多个复制单元之中的两个或多个复制单元共享单个保持单元。
(26)根据上面(25)所述的距离测量装置，其中，
多个光接收元件排列成二维晶格；并且
在分别与排列成二维晶格的多个光接收元件对应的多个复制单元之中，在阵列的行方向或列方向上对齐的多个复制单元共享单个保持单元。
(27)根据上面(17)至(26)中任一项所述的距离测量装置，其中，
复制单元包括：
复制源单元，参考电流供应至复制源单元；
复制目的地单元，基于参考电流的参考电压被从复制源单元供应至复制目的地单元并且复制目的地单元基于所供应的参考电压生成复制参考电流；以及
缓冲放大器，连接在复制源单元与复制目的地单元之间。
(28)根据上面(17)至(27)中任一项所述的距离测量装置，其中，
复制单元包括：
复制源单元，参考电流供应至复制源单元；和
复制目的地单元，基于参考电流的参考电压被从复制源单元供应至复制目的地单元并且复制目的地单元基于所供应的参考电压生成复制参考电流；并且
由多对多个光接收元件和与多个光接收元件对应的多个复制目的地单元共享单个复制源单元。
(29)根据上面(17)所述的距离测量装置，还包括：
延迟单元，延迟光接收元件的输出；和
开关单元，根据由延迟单元延迟的输出控制复制参考电流从复制单元到光接收元件的供应。
(30)根据上面(29)所述的距离测量装置，其中，
复制单元包括：
复制源单元，参考电流供应至复制源单元；和
复制目的地单元，基于参考电流的参考电压被从复制源单元供应至复制目的地单元并且复制目的地单元基于所供应的参考电压生成复制参考电流；以及
延迟单元，
基于由复制目的地单元生成的复制参考电流而控制延迟的时间。
(31)根据上面(17)至(30)中任一项所述的距离测量装置，还包括：
第一基板和第二基板，第二基板堆叠在第一基板上；
其中，光接收元件布置在第一基板上；并且
生成单元和复制单元布置在第二基板上。
(32)根据上面(20)至(26)中任一项所述的距离测量装置，还包括：
第一基板和第二基板，第二基板堆叠在第一基板上；
其中，光接收元件布置在第一基板上；并且
生成单元、复制单元以及保持单元布置在第二基板上。
参考标号列表
1 距离测量装置
10，10a，10a1，10a1'，10an，10an'，10b，10b1，10bn，10c1，10c1'，10cn，10cn'，10d1，10dn，10e1，10en，10f，2010 像素
100 像素阵列单元
102 像素控制单元
103 整体控制单元
1000，10001，1000n，1000n2 光接收元件
1022 BGR电路
10511，1051n，1092 电容器
1080 缓冲放大器
1011，1011'，2001 电流源
1100a，1100a1，1100a2，1100a3，1100a4，1100b，1100c 复制源电路
2000 SPAD
2003，2005，2006a，2006b 开关
2100 参考电压源
3000 延迟电路。

Claims (17)

1.一种光接收装置，包括：
光接收元件，在施加预定电压的状态下，电流根据入射光子而在所述光接收元件中流动，并且通过再充电电流返回至所述状态；
生成单元，生成参考电流；以及
复制单元，复制由所述生成单元生成的所述参考电流，以生成复制参考电流；
其中，基于所述复制参考电流的所述再充电电流被供应至所述光接收元件。
2.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
所述生成单元，
使用基于半导体材料的物理性质的参考电压生成所述参考电流。
3.根据权利要求1所述的光接收装置，还包括：
电流改变单元，改变由所述复制单元生成的所述复制参考电流的电流值；
其中，基于通过由所述电流改变单元改变所述复制参考电流的所述电流值而获得的电流的所述再充电电流被供应至所述光接收元件。
4.根据权利要求1所述的光接收装置，还包括：
保持单元，保持由所述生成单元生成的与所述参考电流对应的参考电压；
其中，所述复制单元
基于由所述保持单元保持的所述参考电压而生成所述复制参考电流。
5.根据权利要求4所述的光接收装置，还包括：
第一开关单元，控制所述参考电压到所述保持单元的供应；和
第二开关单元，控制由所述复制单元基于由所述保持单元保持的所述参考电压而生成的所述复制参考电流到所述光接收元件的供应。
6.根据权利要求5所述的光接收装置，其中，
所述第二开关单元
连接在所述复制单元与所述光接收元件之间。
7.根据权利要求5所述的光接收装置，还包括：
第三开关单元，控制所述参考电压到所述复制单元的供应；
其中，所述第二开关单元
连接在所述保持单元与所述复制单元之间。
8.根据权利要求4所述的光接收装置，其中，
所述复制单元包括：
第一复制单元和第二复制单元，级联连接；
所述第一复制单元
基于由所述保持单元保持的所述参考电压而生成第一复制参考电流；
所述第二复制单元
复制由所述生成单元生成的所述参考电流以生成第二复制参考电流；并且
基于所述第一复制参考电流和所述第二复制参考电流的所述再充电电流被供应至所述光接收元件。
9.根据权利要求4所述的光接收装置，包括：
多个光接收元件和多个复制单元，所述多个复制单元分别与所述多个光接收元件对应；
其中，所述多个复制单元之中的两个或多个复制单元共享单个保持单元。
10.根据权利要求9所述的光接收装置，其中，
所述多个光接收元件排列成二维晶格；并且
在分别与排列成所述二维晶格的所述多个光接收元件对应的所述多个复制单元之中，在阵列的行方向或列方向上对齐的所述多个复制单元共享所述单个保持单元。
11.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
所述复制单元包括：
复制源单元，所述参考电流供应至所述复制源单元；
复制目的地单元，基于所述参考电流的参考电压被从所述复制源单元供应至所述复制目的地单元并且所述复制目的地单元基于所供应的参考电压生成所述复制参考电流；以及
缓冲放大器，连接在所述复制源单元与所述复制目的地单元之间。
12.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
所述复制单元包括：
复制源单元，所述参考电流供应至所述复制源单元；和
复制目的地单元，基于所述参考电流的参考电压被从所述复制源单元供应至所述复制目的地单元并且所述复制目的地单元基于所供应的参考电压生成所述复制参考电流；并且
由多对多个光接收元件和与所述多个光接收元件对应的多个所述复制目的地单元共享单个复制源单元。
13.根据权利要求1所述的光接收装置，还包括：
延迟单元，延迟所述光接收元件的输出；和
开关单元，根据由所述延迟单元延迟的所述输出控制所述复制参考电流从所述复制单元到所述光接收元件的供应。
14.根据权利要求13所述的光接收装置，其中，
所述复制单元包括：
复制源单元，所述参考电流供应至所述复制源单元；和
复制目的地单元，基于所述参考电流的参考电压被从所述复制源单元供应至所述复制目的地单元并且所述复制目的地单元基于所供应的参考电压生成所述复制参考电流；以及
所述延迟单元，
基于由所述复制目的地单元生成的所述复制参考电流而控制延迟的时间。
15.根据权利要求1所述的光接收装置，还包括：
第一基板和第二基板，所述第二基板堆叠在所述第一基板上；
其中，所述光接收元件布置在所述第一基板上；并且
所述生成单元和所述复制单元布置在所述第二基板上。
16.根据权利要求4所述的光接收装置，还包括：
第一基板和第二基板，所述第二基板堆叠在所述第一基板上；
其中，所述光接收元件布置在所述第一基板上；并且
所述生成单元、所述复制单元以及所述保持单元布置在所述第二基板上。
17.一种距离测量装置，包括：
光接收元件，在施加预定电压的状态下，电流根据入射光子而在所述光接收元件中流动，并且通过再充电电流而返回至所述状态；
生成单元，生成参考电流；
复制单元，复制由所述生成单元生成的所述参考电流，以生成复制参考电流；
时间测量单元，测量从光源发射光的光发射时刻至所述光接收元件接收反射光的光接收时刻的时间并且获取测量值，由测量对象反射在所述光发射时刻从所述光源发射的所述光时生成所述反射光；
直方图生成单元，生成所述测量值的直方图；以及
计算单元，基于所述直方图计算到所述测量对象的距离；
其中，基于所述复制参考电流的所述再充电电流被供应至所述光接收元件。
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