CN114342355A - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

摄像装置(20)具备将多个像素单元(100)以矩阵状配置而成的固体摄像元件、以及对固体摄像元件进行控制的控制部。像素单元(100)具备APD(雪崩光电二极管)(101)、积蓄电荷的浮动扩散部(110)、转送晶体管(103)、以及用于将浮动扩散部(110)中积蓄的电荷复位的FD复位晶体管(104)。控制部对FD复位晶体管(104)进行控制，使从APD(101)的阴极经由转送晶体管(103)积蓄至浮动扩散部(110)的电荷之中的超过规定的电荷量的电荷排出。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及使用固体摄像元件的摄像装置。
背景技术
以往，使用固体摄像元件的摄像装置在医疗或放射线计测等各种领域中得到使用。最近，在向目标区域投射光并基于其反射光有无来检测在目标区域中有无物体的物体检测装置中，也使用摄像装置。在该情况下，基于光向目标区域的投射定时与反射光的受光定时之间的时间差，测定距物体的距离。按固体摄像元件的每个像素，检测有无反射光，测定距物体的距离。通过将测定的距离映射至各像素位置，能够生成与目标区域对应的距离图像。
在需要检测微弱的光的设备中，可以使用将雪崩光电二极管(以下称为“APD”)以阵列状配置而成的固体摄像元件。例如，在上述物体检测装置中，由于反射光的强度与距物体的距离的平方成反比，因此如果测距范围变长，则由固体摄像元件接受的反射光的强度大为衰减。在这样的情况下，使用将APD以阵列状配置而成的固体摄像元件是有利的。APD利用雪崩倍增使由于光子的碰撞而产生的电子(电荷)放大。由此，能够检测微弱的光。在这种固体摄像元件中，按每个像素单元配置有APD及其处理电路。
在以下的专利文献1中，记载了按每个像素单元配置有APD及其处理电路的固体摄像元件。在该处理电路中，如果由于曝光而光子向APD入射，则由于雪崩倍增而被放大的电荷向APD的阴极集电。APD的阴极中集电的电荷经由转送晶体管被分配给浮动扩散部。其后，电荷经由计数晶体管被再分配给存储器部(电容器)。这样，在各时序中光子每次向APD入射时，在存储器部中积累电荷。然后，在进行了规定次数的时序之后，存储器部中积累的电荷被转换为电压并向垂直信号线输出。
在专利文献1的构成中可能发生如下情况：电荷超过基于雪崩倍增的饱和电荷量而向APD的阴极蓄电。为了防止这样的过多的电荷的积蓄，在专利文献1的构成中，介于APD的阴极与复位漏极电源之间的复位晶体管的势垒被设定得比转送晶体管的势垒低。由此，在曝光时APD的阴极中产生了过多的电荷的情况下，电荷的过多部分被引导至复位漏极电源。通过该动作，将APD的阴极中积蓄的电荷量维持为大致一定。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:国际公布第2018/216400号
发明内容
本发明所要解决的课题
但是，如上述那样，在将APD中产生的过多的电荷向复位漏极引导的构成中，从APD的阴极分配给浮动扩散部的电荷不限于必然成为一定量。例如，在从APD的阴极向浮动扩散部分配电荷的期间，如果由于雪崩倍增而电荷进一步增加，则在分配后浮动扩散部中积蓄的电荷量可能产生偏差。该偏差例如在基于来自各像素单元的信号生成距离图像的情况下可能成为偏差(测距误差)。
鉴于上述课题，本发明的目的在于，提供能够减小浮动扩散部中积蓄的电荷量的偏差的摄像装置。
用于解决课题的手段
本发明的主要方式所涉及的摄像装置具备将多个像素单元以矩阵状配置而成的固体摄像元件、以及对所述固体摄像元件进行控制的控制部。在此，所述像素单元具备雪崩光电二极管、积蓄电荷的浮动扩散部、将所述雪崩光电二极管的阴极与所述浮动扩散部连接的转送晶体管、以及用于将所述浮动扩散部中积蓄的电荷复位的复位晶体管。另外，所述控制部对所述复位晶体管进行控制，使从所述雪崩光电二极管的阴极经由所述转送晶体管积蓄至所述浮动扩散部的电荷之中的超过规定的电荷量的电荷排出。以下，将其记作“找平”。
根据本方式所涉及的摄像装置，通过控制复位晶体管，将从雪崩光电二极管的阴极经由转送晶体管积蓄至浮动扩散部的电荷之中的超过规定的电荷量的电荷排出。由此，能够减小浮动扩散部中积蓄的电荷量的偏差。
发明效果
如上所述，根据本发明，能够提供能够减小浮动扩散部中积蓄的电荷量的偏差的摄像装置。
本发明的效果和意义通过以下示出的实施方式的说明而更加明确。其中，以下示出的实施方式不过是实施本发明时的一个例示，本发明完全不限定于以下的实施方式所记载的方式。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的距离测定装置的构成的图。
图2是表示实施方式1所涉及的像素单元的构成的图。
图3的(a)～(d)分别是说明实施方式1所涉及的像素单元的动作时序的图。
图4的(a)是说明实施方式1所涉及的像素单元的动作时序的图。图4的(b)是说明实施方式1所涉及的用于将浮动扩散部中积蓄的电荷量调整为规定电平的找平电平的其他设定方法的图。图4的(c)是用于执行实施方式1所涉及的像素单元的动作时序的流程图。
图5的(a)、(b)分别是说明实施方式1的变更例1所涉及的像素单元的动作时序的图。图5的(c)是用于执行实施方式1的变更例1所涉及的像素单元的动作时序的流程图。
图6的(a)、(b)分别是说明实施方式1的变更例2所涉及的像素单元的动作时序的图。图6的(c)是用于执行实施方式1的变更例2所涉及的像素单元的动作时序的流程图。
图7是表示实施方式2所涉及的像素单元的构成的图。
图8的(a)～(d)分别是说明实施方式2所涉及的像素单元的动作时序的图。
图9的(a)～(d)分别是说明实施方式2所涉及的像素单元的动作时序的图。
图10的(a)是用于执行实施方式2所涉及的像素单元的动作时序的流程图。图10的(b)是表示通过实验来验证实施方式2所涉及的光子的计数数量与将存储器部中积蓄的电荷转换为电压的情况下的输出电压之间的关系而得到的验证结果的图表。
图11的(a)是表示实施方式3所涉及的距离测定装置的构成的图。图11的(b)是表示实施方式3所涉及的用于重新设定找平电平的处理的流程图。
其中，附图仅用于说明，不对本发明的范围进行限定。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。在本实施方式中，表示摄像装置被搭载于用于测定距物体的距离的距离测定装置的情况下的构成例。
＜实施方式1＞
图1是表示实施方式1所涉及的距离测定装置1的构成的图。
距离测定装置1具备投射光装置10和摄像装置20。投射光装置10向目标区域投射光。摄像装置20接受从投射光装置10出射的光被目标区域中的物体反射而成的反射光。
投射光装置10具备光源11、投射光学系统12和发光控制部13。光源11由激光源、LED(发光二极管(Light Emitting Diode))等构成，出射规定波长的光。投射光学系统12将从光源11出射的光以规定的扩展角向目标区域投射。投射光学系统12由一个或者多个透镜构成。投射光学系统12也可以包含凹面反射镜等。发光控制部13基于来自信号处理部25的控制，使光源11进行脉冲发光。
摄像装置20具备受光光学系统21、滤光器22、固体摄像元件23、摄像控制部24和信号处理部25。受光光学系统21使从投射光装置10出射的光被目标区域中的物体反射而成的反射光成像在固体摄像元件23的受光面上。受光光学系统21由一个或者多个透镜构成。受光光学系统21也可以包含凹面反射镜等。滤光器22透射从光源11出射的光，并将其他波长的光去除。
固体摄像元件23构成为将多个像素单元以矩阵状配置。即，多个像素单元以在行方向及列方向上分别以直线状相邻排列的方式配置在固体摄像元件23中。在固体摄像元件23中，按每个像素单元安装有APD及其处理电路。
摄像控制部24基于来自信号处理部25的控制，对各像素单元进行驱动。信号处理部25对发光控制部13及摄像控制部24进行控制，测定距目标区域中存在的物体的距离。即，信号处理部25通过发光控制部13使光源11进行脉冲发光，通过摄像控制部24使固体摄像元件23接受基于该脉冲发光的反射光。然后，信号处理部25基于脉冲发光的定时与各像素单元中的反射光的受光定时之间的时间差，测定距各像素单元所对应的目标区域上的位置处存在的物体的距离。
此外，在图1的构成中，信号处理部25被包含在摄像装置20侧，但信号处理部25也可以被包含在投射光装置10侧，或者，信号处理部25被包含在与投射光装置10及摄像装置20不同的装置中。
在图1的构成中，固体摄像元件23按每个像素单元将反射光的检测信号向摄像控制部24输出。各像素单元在接受了反射光的情况下，将基于雪崩倍增的电压电平的检测信号向摄像控制部24输出。向各像素单元入射的反射光的光量与距物体的距离的平方成反比地衰减。另外，向各像素单元入射的反射光的光量也根据物体的反射率而变化。即使反射光的光量像这样变化，各像素单元也将基于雪崩倍增的规定电压电平的检测信号向摄像控制部24输出。
具体而言，如果光子向各像素单元中配置的APD入射，则APD利用雪崩倍增使由于光子的碰撞而产生的电子(电荷)放大到饱和电荷量。各单元将饱和电荷量转换为电压，将转换的电压作为检测信号输出。由此，从各单元输出的检测信号均成为与饱和电荷量相应的电压。这样，各像素单元无论接受的反射光的光量如何，都将一定电压电平的检测信号向摄像控制部24输出。
但是，在各像素单元中，由于各种原因可能引起产生与基于雪崩倍增的通常的饱和电荷量不同的电荷的情况。因此，从各像素单元输出的检测信号可能相对于与饱和电荷量相应的电压产生偏差。像这样，如果检测信号按每个像素单元出现偏差，则可能引起摄像控制部24以后的电路部的处理变得不稳定。各像素单元的检测信号优选尽可能抑制偏差。
于是，在本实施方式1中，使用了用于抑制各像素单元的检测信号的偏差的构成。以下，关于该构成进行说明。
首先，参照图2说明像素单元100的构成。
像素单元100具备APD101、APD复位晶体管102、转送晶体管103、FD复位晶体管104、放大晶体管105和选择晶体管106。
APD101是利用雪崩倍增使由于光子的碰撞而产生的电子(电荷)放大到饱和电荷量的雪崩光电二极管。APD101以盖革放大模式被使用。APD101的阳极被施加与盖革放大模式相应的逆偏置电压VSUB(例如25V)。如果光子向APD101入射，则在APD101的阴极中积蓄电子(电荷)。
APD复位晶体管102是用于将APD101的阴极中积蓄的电荷复位的晶体管。通过向APD复位晶体管102的栅极施加复位信号OVF，APD101的阴极中积蓄的电荷经由APD复位晶体管102向复位漏极电源PIXRSD排出。由此，将APD101的阴极中积蓄的电荷复位。
转送晶体管103是用于将APD101的阴极中积蓄的电荷向浮动扩散部110转送的晶体管。通过向转送晶体管103的栅极施加转送信号TRN，APD101的阴极中积蓄的电荷经由转送晶体管103向浮动扩散部110转送。
FD复位晶体管104是用于将浮动扩散部110中积蓄的电荷复位的晶体管。通过向FD复位晶体管104的栅极施加复位信号RST，浮动扩散部110中积蓄的电荷经由FD复位晶体管104向复位漏极电源RSD排出。由此，将浮动扩散部110中积蓄的电荷复位。
放大晶体管105是用于基于漏极被施加的一定电压VDD将浮动扩散部110中积蓄的电荷的电荷量转换为电压的晶体管。选择晶体管106是用于向垂直信号线Vsig输出由放大晶体管105转换后的电压的晶体管。通过向选择晶体管106的栅极施加选择信号SEL，由放大晶体管105转换后的电压向垂直信号线Vsig输出。向垂直信号线Vsig输出的电压作为该像素单元100的检测信号向图1的摄像控制部24输出。
在本实施方式1中，浮动扩散部110的电容被设定为APD101的阴极的电荷积蓄区域的电容的一半左右。但是，浮动扩散部110的电容的设定方法不限于此，能够适用各种设定方法。
图3的(a)～(d)是说明像素单元100的动作时序的图。
在图3的(a)～(d)中，表示了从图2的复位漏极电源PIXRSD经由APD复位晶体管102、转送晶体管103、浮动扩散部110及FD复位晶体管104向复位漏极电源RSD连接的电路部分的电势图。纵轴的箭头的方向是低电位的方向。
在图3的(a)～(d)中，“PIXRSD”表示复位漏极电源PIXRSD的电位，“APD”表示APD101的阴极的电位，“FD”表示浮动扩散部110的电位，“RSD”表示复位漏极电源RSD的电位。另外，“OVF”表示APD复位晶体管102的电位，“TRN”表示转送晶体管103的电位，“RST”表示FD复位晶体管104的电位。
图3的(a)的初始状态表示APD101的阴极和浮动扩散部110被复位后的状态。在初始状态下，PIXRSD及RSD被设定为电位Vrsd。
另外，在该初始状态下，摄像控制部24以低电压驱动APD复位晶体管102，由此使OVF产生势垒。进而，摄像控制部24将转送晶体管103及FD复位晶体管104设定为关断，由此，使TRN和RST产生电位0V的高度的势垒。
从该状态起，摄像控制部24响应于光源11的脉冲发光以规定时间对各像素单元100进行曝光。由此，如果反射光向APD101入射，则在APD101的阴极中积蓄电荷(电子)，如图3的(b)所示，APD的电位变化。在图3的(b)中，以阴影表示电荷的积蓄。在由于雪崩倍增而产生了通常的饱和电荷量的电荷的情况下，APD的电位成为电位Vq(以下成为“淬灭电位Vq”)。
饱和电荷量可能按每个APD101而产生偏差。因此，淬灭电位Vq也可能按每个APD101在离散±σ的范围内产生偏差。在图3的(b)中，图示了由于该偏差而以相对于典型的饱和电荷量稍多的电荷量产生了电荷的情况。另外，在图3的(b)中，典型的淬灭电位作为Vq示出。以下，只要没有特别言及，用语“淬灭电位Vq”就意味着典型的淬灭电位。
在以超过OVF的电位的电荷量产生了电荷的情况下，超过部分的电荷越过OVF的势垒而移动至PIXRSD，并向复位漏极电源PIXRSD排出。
这样，如果电荷向APD101的阴极的积蓄结束，则摄像控制部24将转送晶体管103设定为导通。由此，如图3的(c)所示，TRN的势垒下降，APD101的阴极中积蓄的电荷经由转送晶体管103被分配给浮动扩散部110。
在图3的(c)中，电位Vq’是在图3的(b)的积蓄工序中在APD101的阴极积蓄了通常的饱和电荷量的电荷(与淬灭电位Vq对应的电荷)的情况下被分配给浮动扩散部110的电荷的电位。以下将该电位Vq’称为基准积蓄电位。在此，在图3的(b)的工序中，在APD101的阴极中以超过典型的饱和电荷量的电荷量积蓄了电荷，因此被分配给浮动扩散部110的电荷量也如图3的(c)所示，成为稍稍超过基准积蓄电位Vq’的电荷量。与饱和电荷量的偏差相应地，与图3的(c)的工序中积蓄的电荷量相应的电压也相对于典型的基准积蓄电位Vq’在离散±σ’的范围内偏差。以下，只要没有特别言及，“基准积蓄电位Vq’”意味着与典型的淬灭电位Vq对应的基准积蓄电位。
其后，摄像控制部24将转送晶体管103切换为关断，进而将FD复位晶体管104设定为半开。由此，如图3的(d)所示，TRN的势垒上升，RST的势垒下降。
在此，摄像控制部24以RST的势垒成为基准积蓄电位Vq’的方式设定对FD复位晶体管104的栅极施加的电压。由此，如图3的(d)所示，浮动扩散部110被分配的电荷之中的超过基准积蓄电位Vq’的部分的电荷越过RST的势垒而移动至RSD。即，超过基准积蓄电位Vq’的部分的电荷经由FD复位晶体管104向复位漏极电源RSD排出。由此，浮动扩散部110中积蓄的电荷被固定为一定量(与基准积蓄电位Vq’相应的量)。
其后，摄像控制部24将FD复位晶体管104设定为关断。由此，RST的势垒上升，浮动扩散部110中积蓄的电荷量确定为规定的电荷量(在此为与基准积蓄电位Vq’对应的电荷量)。然后，摄像控制部24将选择晶体管106设定为导通，将与浮动扩散部110中积蓄的电荷量对应的电压信号向垂直信号线Vsig输出。由此，像素单元100中的检测信号的输出完成。
这样，在输出了检测信号之后，摄像控制部24进行将APD101的阴极和浮动扩散部110中分别积蓄的电荷复位的初始化处理。即，摄像控制部24将APD复位晶体管102和FD复位晶体管104设定为导通。
由此，如图4的(a)所示，OVF及RST的势垒下降，APD101的阴极和浮动扩散部110中分别积蓄的电荷经由APD复位晶体管102及FD复位晶体管104向复位漏极电源PIXRSD及复位漏极电源RSD排出。其后，摄像控制部24反复执行图3的(a)～(d)及图4的(a)的处理，持续进行像素单元100中的检测信号的输出。
此外，在图3的(d)的找平工序中，FD复位晶体管104被设定为半开的情况下的势垒的高度被设定为与基准积蓄电位Vq’相同的电位，但半开时的势垒的高度不限于此。例如，如图4的(b)所示，浮动扩散部110被分配的电荷的电位相对于基准积蓄电位Vq’可能偏差的范围在将离散设为σ时能够表现为Vq’±σ。也可以将半开时的势垒的高度设定为包含该离散在内的最大值、即相对于基准积蓄电位Vq’高+σ的电位。
在该情况下，找平工序后在浮动扩散部110中残留的电荷的量虽然比图3的(d)的情况减少，但能够将找平工序后在浮动扩散部110中残留的电荷的量更可靠地固定为一定量。另外，FD复位晶体管104半开的情况下的势垒的高度也可以被设定为比基准积蓄电位Vq’加上偏差而得到的电位稍高，或者也可以被设定为偏差的范围内的其他电位。
其中，为了将找平工序后在浮动扩散部110中残留的电荷的量更可靠地固定为一定量，优选将FD复位晶体管104半开的情况下的势垒的高度设定为基准积蓄电位Vq’以上，更优选设定为基准积蓄电位Vq’加上偏差而得到的电位以上。
图4的(c)是用于执行上述处理的流程图。
首先，摄像控制部24执行针对像素单元100的初始化(S11)。由此，各部的电位被设定为图4的(a)的状态，将APD101的阴极及浮动扩散部110的电荷复位。接下来，摄像控制部24在将各部的电位设定为图3的(a)的初始状态之后，进行曝光，使APD101的阴极积蓄电荷(S12)。此外，在该工序中反射光未向APD101入射的情况下，在APD101的阴极中不积蓄电荷。
其后，摄像控制部24将转送晶体管103设定为导通(S13)。由此，如图3的(c)所示，APD101的阴极中积蓄的电荷被分配给浮动扩散部110。然后，摄像控制部24将转送晶体管103设定为关断(S14)，进而，将FD复位晶体管104设定为半开(S15)。由此，如图3的(d)所示，多余的电荷从浮动扩散部110经由APD复位晶体管102向复位漏极电源PIXRSD排出。
其后，摄像控制部24将FD复位晶体管104设定为关断(S16)，进而，将选择晶体管106设定为导通(S17)。由此，与浮动扩散部110中积蓄的电荷量相应的电压作为检测信号向垂直信号线Vsig输出。这样，针对像素单元100的1个时序结束。
其后，摄像控制部24使处理返回至步骤S11，反复进行同样的处理。在各时序中反射光向APD101入射的情况下，与基准积蓄电位Vq’对应的电压作为检测信号从像素单元100向摄像控制部24输出。在反射光未向APD101入射的情况下，在图3的(c)的转送工序中，从APD101的阴极向浮动扩散部110不转送电荷。在该情况下，即使由于噪声等引起的电荷被积蓄在APD101的阴极中，通过在转送工序中设定的转送晶体管103的势垒，也防止了该电荷被分配给浮动扩散部110。
摄像控制部24向信号处理部25发送从各像素单元100顺次输入的检测信号。信号处理部25基于接收到检测信号的定时与使光源11出射发光脉冲的定时之间的时间差，测定距各像素单元100所对应的位置处存在的物体的距离。这样，测定距目标区域中存在的物体的距离。
＜实施方式1的效果＞
根据实施方式1，能够起到以下的效果。
如图3的(d)所示，通过对FD复位晶体管104进行控制，从APD101的阴极经由转送晶体管103积蓄至浮动扩散部110的电荷之中的超过规定的电荷量的电荷被排出。由此，能够减小浮动扩散部110中积蓄的电荷量的偏差。更详细而言，能够将随机噪声、固定模式噪声全部汇集至找平工序中的复位晶体管的势垒的偏差程度，能够减小浮动扩散部110中积蓄的电荷量的偏差。
另外，如图3的(a)～(d)及图4的(c)所示，摄像控制部24在对转送晶体管103进行控制，进行了使APD101的阴极中积蓄的电荷积蓄至浮动扩散部110的转送控制之后，对FD复位晶体管104进行控制，使浮动扩散部110中积蓄的电荷之中的超过规定的电荷量的电荷排出。像这样，通过在使从APD101的阴极分配给浮动扩散部110的电荷确定之后，进行从浮动扩散部110排除多余的电荷的控制(找平)，能够减小浮动扩散部110中残留的电荷的偏差。
另外，如图3的(a)～(d)所示，摄像控制部24通过将FD复位晶体管104的势垒设定为与规定的电荷量对应的高度，使浮动扩散部110中积蓄的电荷之中的超过规定的电荷量的电荷排出。
在此，摄像控制部24将FD复位晶体管104的势垒设定为基准积蓄电位Vq’以上的电位。由此，能够可靠地减小浮动扩散部110中积蓄的电荷的偏差。
此时，摄像控制部24如图3的(d)所示，将FD复位晶体管104的势垒的高度设定为基准积蓄电位Vq’。由此，能够将找平后浮动扩散部110中残留的电荷的量确定为与基准积蓄电位Vq’对应的电荷量。由此，能够可靠地减小浮动扩散部110中积蓄的电荷的偏差。
或者，摄像控制部24如图4的(b)所示，将FD复位晶体管104的势垒的高度设定为比基准积蓄电位Vq’高与偏差相应的量的电位。由此，能够将找平后浮动扩散部110中残留的电荷的量，确定为与比基准积蓄电位Vq’高+σ的电位对应的电荷量。由此，能够更加可靠地减小浮动扩散部110中积蓄的电荷的偏差。
＜变更例1＞
在上述实施方式1中，在将APD101的阴极中积蓄的电荷向浮动扩散部110分配的转送工序之后，进行了将浮动扩散部110被分配的电荷的电荷量找平为规定量的找平工序。相对于此，在变更例1中，在将APD101的阴极中积蓄的电荷分配给浮动扩散部110的转送工序中，同时进行将电荷量找平为规定量的找平工序。
图5的(a)、(b)是说明变更例1中的像素单元100的动作时序的图。图5的(c)是用于执行变更例1的动作时序的流程图。
图5的(a)、(b)与图4的(a)～(c)同样表示各部的电势。在变更例1中，图3的(c)的转送工序被置换为图5的(a)、(b)的工序，并省略图3的(d)的找平工序。
参照图5的(c)，摄像控制部24顺次执行初始化工序(S21)和积蓄工序(S22)。初始化工序(S21)及积蓄工序(S22)分别与图4的(c)的步骤S11、S12同样。由此，与图3的(b)同样，与接受反射光相应地在APD101的阴极中积蓄电荷。
接下来，摄像控制部24将FD复位晶体管104设定为半开(S23)。由此，如图5的(a)所示，RST的势垒下降为基准积蓄电位Vq’。如参照图4的(b)说明的那样，RST的势垒的下降电平也可以不是基准积蓄电位Vq’，也可以是比基准积蓄电位Vq’高与偏差相应的量的电位等其他电位。
其后，摄像控制部24将转送晶体管103设定为导通状态(S24)。由此，APD101的阴极中积蓄的电荷被分配给浮动扩散部110。在此，RST的势垒已经下降，因此如图5的(b)，在分配电荷时，超过RST的势垒的部分的电荷移动至RSD，并向复位漏极电源RSD排出。
这样，在同时进行了电荷的转送和找平之后，摄像控制部24首先将转送晶体管103设定为关断并使TRN的势垒上升(S25)，接下来，将FD复位晶体管104设定为关断并使RST的势垒上升(S26)。由此，浮动扩散部110中积蓄的电荷量被确定为与基准积蓄电位Vq’对应的电荷量。
其后，摄像控制部24将选择晶体管106设定为导通(S27)。由此，与浮动扩散部110中积蓄的电荷量相应的电压作为检测信号向垂直信号线Vsig输出。这样，针对像素单元100的1个时序结束。其后，摄像控制部24使处理返回至步骤S21，反复进行同样的处理。
根据变更例1，在进行使APD101的阴极中积蓄的电荷积蓄至浮动扩散部110的转送控制的期间，对FD复位晶体管104进行控制，将从APD101的阴极经由转送晶体管103积蓄至浮动扩散部110的电荷之中的超过规定的电荷量(例如与基准积蓄电位Vq’对应的电荷量)的电荷排出。即，同时进行电荷的转送和找平。因此，与上述实施方式1相比，能够简化针对像素单元100的控制。
此外，在图5的(c)的流程图中，也可以将步骤S23与步骤S24相互调换。由此，也能够在转送工序中同时将浮动扩散部110中积蓄的电荷找平为规定的电荷量(例如与基准积蓄电位Vq’对应的电荷量)。
＜变更例2＞
在上述实施方式1中，在将APD101的阴极中积蓄的电荷分配给浮动扩散部110的转送工序之后，进行了将浮动扩散部110被分配的电荷的电荷量找平为规定量的找平工序。相对于此，在变更例2中，在使APD101的阴极积蓄电荷的积蓄工序中，同时进行向浮动扩散部110分配电荷的分配工序、以及将浮动扩散部110中积蓄的电荷量找平为规定量的找平工序。
图6的(a)、(b)是说明变更例2中的像素单元100的动作时序的图。图6的(c)是用于执行变更例2的动作时序的流程图。
图6的(a)、(b)与图4的(a)～(c)同样表示各部的电势。在变更例2中，图3的(c)的积蓄工序被置换为图6的(a)、(b)的工序，并省略图3的(c)、(d)的转送工序及找平工序。
参照图6的(c)，摄像控制部24首先执行初始化工序(S31)。初始化工序(S31)与图4的(c)的步骤S11同样。
接下来，摄像控制部24执行积蓄工序(S32)。此时，摄像控制部24将转送晶体管103设定为导通，进而，将FD复位晶体管104设定为半开，进行曝光控制。由此，与接受反射光相应地在APD101的阴极中逐渐积蓄电荷。
此时，如图6的(a)所示，由于转送晶体管103导通，TRN的势垒下降为转送电平，因此电荷被积蓄至APD101的阴极并直接被分配给浮动扩散部110。另外，如图6的(a)所示，由于FD复位晶体管104半开，RST的势垒下降为基准积蓄电位Vq’，因此浮动扩散部110被分配的电荷之中的超过RST的势垒的部分的电荷移动至RSD，并向复位漏极电源RSD排出。
此外，在该情况下，RST的势垒的下降电平也如参照图4的(b)说明的那样，也可以不是基准积蓄电位Vq’，也可以是比基准积蓄电位Vq’高与偏差相应的量的电位等其他电位。
这样，在同时进行了电荷的积蓄、转送及找平之后，摄像控制部24首先将转送晶体管103设定为关断来使TRN的势垒上升(S33)，接下来，将FD复位晶体管104设定为关断来使RST的势垒上升(S34)。由此，浮动扩散部110中积蓄的电荷量被确定为与基准积蓄电位Vq’对应的电荷量。
其后，摄像控制部24将选择晶体管106设定为导通(S35)。由此，与浮动扩散部110中积蓄的电荷量相应的电压作为检测信号向垂直信号线Vsig输出。这样，针对像素单元100的1个时序结束。其后，摄像控制部24使处理返回至步骤S31，反复进行同样的处理。
根据变更例2，在使APD101的阴极蓄电的积蓄控制的期间，对转送晶体管103进行控制，从APD101的阴极向浮动扩散部110分配电荷，进而，对FD复位晶体管104进行控制，将浮动扩散部110中积蓄的电荷之中的超过规定的电荷量(例如与基准积蓄电位Vq’对应的电荷量)的电荷排出。即，同时进行电荷的积蓄、转送及找平。因此，与上述实施方式1、2相比，能够简化针对像素单元100的控制。
＜实施方式2＞
在上述实施方式1中，将通过1次动作时序积蓄至浮动扩散部110的电荷转换为电压，并向垂直信号线Vsig输出。相对于此，在实施方式2中，将通过多次动作时序积蓄至浮动扩散部110的电荷积累在存储器部中之后，将存储器部的电荷转换为电压，并向垂直信号线Vsig输出。即，在实施方式2中，在多次动作时序中，根据存储器部中积蓄的电荷量，对反射光(光子)向APD101入射的次数进行计数。存储器部中积蓄的电荷量，成为与反射光(光子)向APD101入射的次数对应的电荷量。
图7是表示实施方式2所涉及的像素单元100的构成的图。
在实施方式2中，相对于图2的构成，追加了计数晶体管107和存储器部108。存储器部108是积蓄电荷的电容器。计数晶体管107将浮动扩散部110与存储器部108连接。通过向计数晶体管107的栅极施加计数信号CNT，将浮动扩散部110中积蓄的电荷经由计数晶体管107向存储器部108转送。
存储器部108的电容比浮动扩散部110的电容大。例如，存储器部108的电容被设定为浮动扩散部110的电容的5倍左右。但是，存储器部108的电容的设定方法不限于此，能够适用各种设定方法。
图8的(a)～(d)及图9的(a)～(d)是说明像素单元100的动作时序的图。
在图8的(a)～(d)及图9的(a)～(d)中，表示了从图7的复位漏极电源PIXRSD经由APD复位晶体管102、转送晶体管103、浮动扩散部110、计数晶体管107向存储器部108连接的电路部分的电势图。纵轴的箭头的方向是低电位的方向。
在图8的(a)～(d)及图9的(a)～(d)中，“PIXRSD”、“APD”、“FD”与图3的(a)～(d)同样分别表示复位漏极电源PIXRSD的电位、APD101的阴极的电位及浮动扩散部110的电位。另外，“OVF”及“TRN”与图3的(a)～(d)同样分别表示APD复位晶体管102的电位及转送晶体管103的电位。另外，“MEM”表示存储器部108的电位，CNT表示计数晶体管107的电位。
在实施方式2中，在各动作时序中，也在进行了图4的(a)的初始化工序之后，执行图3的(a)～(d)的工序，在浮动扩散部110中积蓄电荷。此外，也可以替代图3的(a)～(d)的工序，而进行变更例1或者变更例2的工序，在浮动扩散部110中积蓄电荷。
图8的(a)表示在进行了图3的(d)的找平工序之后，将FD复位晶体管104设定为关断的状态。此时，计数晶体管107被设定为关断，在CNT产生了势垒。
其后，摄像控制部24将计数晶体管107设定为导通。由此，如图8的(b)所示，CNT的势垒消失，浮动扩散部110中积蓄的电荷被分配给存储器部108。这样，在向存储器部108分配(转送)了电荷之后，摄像控制部24将计数晶体管107设定为关断。由此，如图8的(c)所示，在CNT产生势垒，存储器部108中积蓄的电荷量确定为与1次光子入射对应的电荷量。
这样，如果用于向存储器部108积蓄电荷的1个时序结束，则摄像控制部24执行下一时序。由此，执行图3的(a)～(d)的动作。此时，如果反射光(光子)向APD101入射，则如图8的(d)所示，在浮动扩散部110中积蓄与基准积蓄电位Vq’对应的电荷量。
与上述同样，摄像控制部24将计数晶体管107设定为导通。由此，如图9的(a)所示，CNT的势垒消失，浮动扩散部110中积蓄的电荷被分配给存储器部108。由此，存储器部108中积蓄的电荷量增加与1次光子计数相应的电荷量。其后，摄像控制部24将计数晶体管107设定为关断。由此，如图9的(b)所示，在CNT产生势垒，存储器部108中积蓄的电荷量确定为与2次光子入射对应的电荷量。
摄像控制部24以预先决定的次数反复进行同样的时序。由此，在各时序中，在反射光(光子)每次向APD101入射时，在存储器部108中积累与1次光子计数相应的电荷量的电荷。这样，如果预先决定的次数的时序结束，则在存储器部108中积蓄例如图9的(c)所示的电荷量的电荷。
其后，摄像控制部24将计数晶体管107设定为导通。由此，如图9的(d)所示，CNT的势垒消失，存储器部108中积蓄的电荷被分配给浮动扩散部110。然后，摄像控制部24将选择晶体管106设定为导通。由此，与存储器部108中积蓄的电荷相应的电压作为检测信号向垂直信号线Vsig输出。该检测信号成为与反射光(光子)向APD101入射的次数相应的大小。
图10的(a)是用于执行上述处理的流程图。
摄像控制部24针对像素单元100执行从初始化到找平的工序(S41)。在该工序中，如果反射光(光子)向APD101入射，则如图8的(a)所示，在浮动扩散部110中积蓄与1次光子计数相应的电荷量的电荷。
接下来，摄像控制部24将计数晶体管107设定为导通(S42)。由此，如图8的(b)所示，浮动扩散部110中积蓄的电荷被分配给存储器部108。然后，摄像控制部24将计数晶体管107设定为关断(S43)。由此，如图8的(c)所示，存储器部108被分配的电荷确定。
其后，摄像控制部24以预先决定的次数反复进行步骤S41～S43的时序(S44)。如果该次数的时序结束(S44：是)，则摄像控制部24将计数晶体管107设定为导通(S45)。由此，将存储器部108中积累的电荷分配给浮动扩散部110。然后，摄像控制部24将选择晶体管106以规定时间设定为导通，使与浮动扩散部110的电荷量相应的电压向垂直信号线Vsig输出(S46)。
这样，在使与光子的计数数量相应的电压值的检测信号向垂直信号线Vsig输出之后，摄像控制部24将FD复位晶体管104设定为导通，来使浮动扩散部110及存储器部108中积蓄的电荷向复位漏极电源RSD排出(S47)。由此，用于光子计数的1个时序结束。其后，摄像控制部24使处理返回至步骤S41，反复进行同样的处理。
此外，实施方式2的构成例如适宜用于摄像装置20被搭载于向目标区域照射光并测定目标区域的反射率的测定装置的情况。在该情况下，如果目标区域中存在的物体的反射率低，则例如10次脉冲发光之中的仅几次的反射光(光子)向APD101入射。即，在各像素单元100中取得的光子的计数数量(与存储器部108中积蓄的电荷量相应的电压)可以对应于物体的反射率。因此，测定装置基于从摄像装置20输入的各像素单元100的检测信号、即与光子的计数数量相应的电压(与存储器部108中积蓄的电荷量相应的电压)，能够测定与各像素单元100对应的目标区域上的位置的反射率。由此，测定装置能够生成将反射率映射到目标区域上的与各像素单元100对应的位置而成的图像。
另外，实施方式2的构成还适宜用于例如摄像装置20被搭载于距离图像摄像装置的情况。在该情况下，向某目标距离区域照射光，进而以光被目标距离区域反射并返回的时间开启转送晶体管103的栅极，在浮动扩散部110中积蓄电荷。在目标距离区域中存在物体的情况下，反射光(光子)向APD101入射，因此发生雪崩倍增，积蓄电荷，最终作为像素信号显现。反之，在目标距离区域中没有物体的情况下，反射光(光子)未向APD101入射，因此不积蓄电荷，最终不能作为像素信号显现。此时，如果目标距离区域中存在的物体的反射率低，则有时反射光(光子)不返回到APD101，因此不积蓄电荷，最终不能作为像素信号显现。因此，为了对低反射率的物体也能够进行检测，需要实施多次脉冲发光。通过对于多个目标距离区域实施这样的动作，并将各目标距离区域中得到的反射光(光子)图像组合，能够生成距离图像。
＜实施方式2的效果＞
在实施方式2中，通过图3的(a)～(d)的动作，浮动扩散部110中积蓄的电荷被固定为规定的电荷量。然后，向存储器部108积累固定的电荷量的电荷，在存储器部108中积蓄了与光子的计数数量相应的电荷量的电荷。由此，能够使存储器部108中积蓄的电荷量更准确地对应于光子的计数数量。
图10的(b)是表示通过实验验证了光子的计数数量与将存储器部108中积蓄的电荷转换为电压的情况下的输出电压之间的关系而得到的验证结果的图表。
改变使光子向APD101入射的次数，按每个次数测定了输出电压。作为比较例，针对不进行图3的(d)的找平工序的情况进行了同样的测定。
在图10的(b)中，黑圆点的标绘是执行实施方式2的工序的情况下的测定结果，白方框的标绘是执行比较例的工序的情况下的测定结果。在此，多次进行针对各计数数量(光子的入射次数)测定输出电压的实验，将各实验中测定的输出电压的平均值作为黑圆点或者白三角的标绘示出。各标绘被附加了表示实验结果的偏差的范围的棒。
如图10的(b)所示，在实施方式2的工序中，对浮动扩散部110中积蓄的电荷进行了找平，因此与比较例的工序相比，各计数次数的输出电压比比较例的输出电压降低。但是，在实施方式2的工序中，通过该找平，浮动扩散部110中积蓄的电荷量被固定为一定，因此与比较例的工序相比，显著地抑制了各计数次数的输出电压的偏差。像这样，通过上述实验确认了：能够使存储器部108中积蓄的电荷量更准确地对应于光子的计数数量，能够得到更准确的输出电压(检测信号)。
此外，在实施方式2的工序中，输出电压的偏差也伴随着计数次数增加而变大。可以考虑，该偏差是由于在图3的(d)的找平工序中RST的势垒的高度稍微变动而引起的。但是，该偏差较小，因此能够将输出电压与计数次数大致一对一建立对应，特别确认了：在计数数量直到15次左右的范围中，能够根据输出电压适当地取得光子的计数数量。
另外，如图10的(b)所示，可知作为进行了本找平工序的结果，也发挥了作为改善光子计数的线性度的均衡器的效果。以下说明其理由。
在不进行找平工序的比较例的情况下，与光子计数数量对应的输出电压如白方框的标绘所示，作为由浮动扩散部110与存储器部108的电容分配而决定的曲线描绘。即，在存储器部108内没有电荷或仅积蓄了与少量计数相应的电荷时，输出电压的差量越大，反之，在积蓄了与大量计数相应的电荷时，输出电压的差量越小。
另一方面，在进行本找平工序的情况下，为了使每个像素单元100的积蓄电荷的偏差大致一定，而通过找平将每一次计数的积蓄电荷的一部分舍弃。结果，与光子计数数量对应的输出电压如黑圆点的标绘所示，在存储器部108内没有电荷或仅积蓄了与少量计数相应的电荷时，每一次计数增加的输出电压差变小，反之，即使在积蓄了与大量计数相应的电荷时，输出电压的差量也能够维持为相对于比较例较大。因此，发挥了作为改善光子计数相对于输出电压的线性度的均衡器的效果，大量计数也能够高精度地实施。
＜实施方式3＞
在上述实施方式1、2中，用于将浮动扩散部110中积蓄的电荷找平的电平(半开时的RSD的势垒的高度)是一定的。但是，基准积蓄电位Vq’可能由于环境温度、历时变化等各种原因而变动。因此，电荷的找平电平也优选与基准积蓄电位Vq’的变动相应地重新设定。
于是，在实施方式3中，摄像控制部24对可能成为基准积蓄电位Vq’的变动原因的规定的指标进行监视，基于该指标，重新设定半开时的RSD的势垒的高度。
图11的(a)是表示实施方式3所涉及的距离测定装置1的构成的图。在此，使用环境温度作为可能成为基准积蓄电位Vq’的变动原因的规定的指标。
如图11的(a)所示，摄像装置20还具备温度传感器26。温度传感器26对固体摄像元件23或其周边的温度进行检测。摄像控制部24基于从温度传感器26输入的温度信息，重新设定用于将浮动扩散部110中积蓄的电荷找平的找平电平(半开时的RSD的势垒的高度)。
摄像控制部24预先保持着将温度与找平电平建立对应的设定表。如果APD101的温度变化，则在APD101中产生的饱和电荷量变化。因此，随着APD101的温度变化，基准积蓄电位Vq’变动。在设定表中，以与这样的现象对应的方式将温度与找平电平建立对应。
找平电平例如被设定为与各温度下的基准积蓄电位Vq’相同。或者，找平电平也可以被设定为各温度下的基准积蓄电位Vq’以上的其他值、例如比基准积蓄电位Vq’大与偏差相应的量的值。设定表也可以将规定的温度幅度与找平电平建立对应。也可以将为了实现该找平电平而向FD复位晶体管104施加的电压的值作为找平电平记述在设定表中。
图11的(b)是表示用于重新设定找平电平的处理的流程图。
摄像控制部24按每个规定的时间间隔，参照从温度传感器26输入的温度信息(S51)。然后，摄像控制部24从设定表取得与参照的温度信息的温度对应的找平电平(S52)，并将取得的找平电平重新设定为在半开时适用的找平电平(S53)。其后，摄像控制部24使处理返回至步骤S51，反复进行同样的处理。
＜实施方式3的效果＞
根据实施方式3的构成，与基准积蓄电位Vq’的变动相应地重新设定找平电平，因此能够用更恰当的找平电平将浮动扩散部110中积蓄的电荷找平。由此，能够更可靠地将浮动扩散部110中积蓄的电荷量确定为一定。
此外，在图11的(b)中，使用设定表取得了各温度的找平电平，但也可以基于规定的计算式通过运算来计算各温度的找平电平。另外，在此，使用环境温度作为可能成为基准积蓄电位Vq’的变动原因的规定的指标，但也可以使用摄像控制部24的累计使用时间、累计使用次数等可能成为基准积蓄电位Vq’的变动原因的其他指标，重新设定找平电平。
＜变更例＞
以上说明了本发明的实施方式，但本发明不限定于上述实施方式1～3，另外，本发明的实施方式除了上述实施方式1～3以外也能够进行各种变更。
例如，图3的(a)～(d)、图4的(a)、(b)、图5的(a)、(b)、图6的(a)、(b)、图8的(a)～(d)及图9的(a)、(b)所示的各部的电位、电容是一例，可能适宜地变更为其他电位、电容。
另外，摄像装置20的构成不限于图1及图11所示的构成，能够进行各种变更。例如，在不需要仅接受规定波长的光的情况下，可以省略滤光器22。
另外，摄像控制部24也可以还根据来自芯片外部的控制信号以更高的自由度进行控制。
另外，固体摄像装置1中包含的各处理部典型地以作为集成电路的LSI实现。其既可以个别地被单芯片化，也可以以包含一部分或者全部的方式被单芯片化。另外，集成电路化不限于LSI，也可以由专用电路或者通用处理器实现。也可以利用能够在制造LSI后编程的FPGA(现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array))、或者能够重构LSI内部的电路单元的连接、设定的可重构处理器。
另外，也可以将上述实施方式1～3所涉及的固体摄像装置及其变形例的功能之中的至少一部分组合。
另外，上述使用的数字全部都是为了具体说明本发明而例示的，本发明不限定于例示的数字。另外，在上述说明中表示了使用MOS晶体管的例子，但也可以使用其他晶体管。
另外，在上述实施方式1～3中表示了摄像装置20被搭载于距离测定装置1的例子，但摄像装置20的适用方式不限于此。例如，本发明也可以适用于在医疗或放射线计测等领域中使用的摄像装置。
另外，本发明的实施方式在权利要求书所示的技术思想的范围内能够适宜地进行各种变更。
附图标记说明：
20……摄像装置
24……摄像控制部(控制部)
100……像素单元
101……雪崩光电二极管
103……转送晶体管
104……FD复位晶体管(复位晶体管)
106……放大晶体管
107……计数晶体管
108……存储器部
110……浮动扩散部
Vq’……基准积蓄电位

Claims (11)

1.一种摄像装置，其特征在于，具备：
将多个像素单元以矩阵状配置而成的固体摄像元件；以及
控制部，对所述固体摄像元件进行控制，
所述像素单元具备：
雪崩光电二极管；
浮动扩散部，积蓄电荷；
转送晶体管，将所述雪崩光电二极管的阴极与所述浮动扩散部连接；以及
复位晶体管，用于将所述浮动扩散部中积蓄的电荷复位，
所述控制部对所述复位晶体管进行控制，使从所述雪崩光电二极管的阴极经由所述转送晶体管积蓄至所述浮动扩散部的电荷之中的超过规定的电荷量的电荷排出。
2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
所述控制部在对所述转送晶体管进行控制，进行使所述雪崩光电二极管的阴极中积蓄的电荷积蓄至所述浮动扩散部的转送控制之后，对所述复位晶体管进行控制，使所述浮动扩散部中积蓄的电荷之中的超过所述规定的电荷量的电荷排出。
3.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
所述控制部在对所述转送晶体管进行控制，进行使所述所述雪崩光电二极管的阴极中积蓄的电荷积蓄至所述浮动扩散部的转送控制的期间，对所述复位晶体管进行控制，使从所述雪崩光电二极管的阴极经由所述转送晶体管积蓄至所述浮动扩散部的电荷之中的超过所述规定的电荷量的电荷排出。
4.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
所述控制部在使所述雪崩光电二极管的阴极积蓄电荷的期间，
对所述转送晶体管进行控制，使电荷从所述雪崩光电二极管的阴极积蓄至所述浮动扩散部，进而，
对所述复位晶体管进行控制，使所述浮动扩散部中积蓄的电荷之中的超过所述规定的电荷量的电荷排出。
5.如权利要求1至4中任一项所述的摄像装置，其特征在于，
所述控制部通过将所述复位晶体管的势垒设定为与所述规定的电荷量对应的高度，使所述浮动扩散部中积蓄的电荷之中的超过规定的电荷量的电荷排出。
6.如权利要求5所述的摄像装置，其特征在于，
所述控制部将所述势垒的高度设定为基准积蓄电位以上的电位，该基准积蓄电位是与所述雪崩光电二极管中产生了饱和电荷量的电荷的情况下在所述浮动扩散部中积蓄的标准的电荷量相应的电位。
7.如权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，
所述控制部将所述势垒的高度设定为所述基准积蓄电位。
8.如权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，
所述控制部将所述势垒的高度设定为比所述基准积蓄电位高与偏差相应的量的电位。
9.如权利要求6至8中任一项所述的摄像装置，其特征在于，
所述控制部对可能成为所述基准积蓄电位的变动原因的规定的指标进行监视，基于所述指标重新设定所述势垒的高度。
10.如权利要求1至9中任一项所述的摄像装置，其特征在于，还具备：
存储器部，积蓄电荷；以及
计数晶体管，将所述浮动扩散部与所述存储器部连接。
11.如权利要求1至10中任一项所述的摄像装置，其特征在于，具备：
放大晶体管，用于将所述浮动扩散部中积蓄的电荷的电荷量转换为电压。
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