CN110235432A - 固态成像装置及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本技术涉及一种能够以较低的功耗执行成像的固态成像装置及其驱动方法。通过提供包括其上二维地布置有多个SPAD像素的像素阵列部的固态成像装置，其中在照度变为高于基准照度的第一照度的情况下，使在布置于所述像素阵列部上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化，能够以较低的功耗执行成像。例如，本技术可以适用于图像传感器。

Description

固态成像装置及其驱动方法
技术领域
本技术涉及一种固态成像装置及其驱动方法，更具体地，涉及一种使得能够以较低的功耗执行成像的固态成像装置及其驱动方法。
背景技术
SPAD(单光子雪崩二极管)，其是通过电子倍增在一个光子级具有读出感度的光电二极管技术(例如，参见专利文献1)。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：US 2015/0054111 A1
发明内容
技术问题
顺便提及的是，SPAD具有如下结构：检测一个光子的半导体中的雪崩部，从一个光子光电转换的电子通过该部分，并且电子倍增数万倍。因此，使用SPAD像素的固态成像装置适合于在具有少量光的暗场景下成像。
另一方面，在使用SPAD像素的固态成像装置用于在具有大量光的明场景下成像的情况下，数万的光子被入射和倍增，并且产生数亿个电子。结果，功耗变得非常大，因此希望降低功耗。
鉴于上述情况做出本技术，并且本技术的目的是提供一种能够以较低的功耗执行成像的使用SPAD像素的固态成像装置。
问题的解决方案
根据本技术的一个方面，固态成像装置包括像素阵列部，其上二维地布置有多个SPAD(单光子雪崩二极管)像素，其中在照度变为高于基准照度的第一照度的情况下，使在布置于所述像素阵列部上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化。
根据本技术的一个方面，包括其上二维地布置有多个SPAD像素的像素阵列部的固态成像装置的驱动方法包括在照度变为高于基准照度的第一照度的情况下，使在布置于所述像素阵列部上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化。
在根据本技术的一个方面的固态成像装置和驱动方法中，在照度变为高于基准照度的第一照度的情况下，使在布置于所述像素阵列部上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化。
根据本技术的一个方面的固态成像装置可以是独立的装置，或者可以是构成一个装置的内部块。
发明的有益效果
根据本技术的一个方面，能够以较低的功耗执行成像。
应当注意，这里记载的效果不必须是限制性的，并且可以是本公开中记载的任何效果。
附图说明
图1是示出本技术适用的固态成像装置的实施方案的构成例的框图。
图2是示出驱动布置在像素阵列部上的多个SPAD像素的第一示例的图。
图3是示出驱动布置在像素阵列部上的多个SPAD像素的第二示例的图。
图4是示出SPAD像素的结构的第一示例的断面图。
图5是示出SPAD像素的结构的第二示例的断面图。
图6是示出SPAD像素的结构的第三示例的平面图。
图7是示出SPAD像素的结构的第三示例的断面图。
图8是示出SPAD像素的结构的第四示例的平面图。
图9是示出SPAD像素的结构的第四示例的断面图。
图10是示出通过SPAD的阳极和阴极之间的电压差的雪崩发生概率的示例的图。
图11是说明SPAD像素驱动控制处理的流程的流程图。
图12是示出SPAD像素的结构的另一示例的平面图。
图13是示出SPAD像素的结构的另一示例的平面图。
图14是示出包括本技术适用的固态成像装置的电子设备的构成例的框图。
图15是示出本技术适用的固态成像装置的使用例的图。
图16是示出车辆控制系统的示意性构成的示例的框图。
图17是帮助说明车外信息检测部和成像部的安装位置的示例的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图说明本公开的实施方案。将按以下顺序说明本技术的实施方案。
1.固态成像装置的构成
2.本技术的实施方案
3.变形例
4.电子设备的构成
5.固态成像装置的使用例
6.移动体的应用例
<1.固态成像装置的构成>
(固态成像装置的构成例)
图1是示出本技术适用的固态成像装置的实施方案的构成例的框图。
固态成像装置10是如下的图像传感器，其接收来自被写体的入射光，将在成像面上成像的入射光量以像素为单位转换为电气信号，并将其输出为像素信号。
在图1中，固态成像装置10包括像素阵列部21、控制电路22和读出电路23。
在像素阵列部21中，二维(矩阵)地布置多个SPAD(单光子雪崩二极管)像素。这里，SPAD像素是包含单光子雪崩光电二极管(SPAD)的像素。单光子雪崩光电二极管具有如下结构：检测一个光子的半导体中的雪崩部，从一个光子光电转换的电子通过该部分，并且电子倍增(放大)数万倍。
控制电路22控制固态成像装置10的各部分的操作。
另外，控制电路22经由像素驱动线输出用于驱动SPAD像素的控制信号(脉冲)，从而控制二维地布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素的驱动。例如，控制电路22基于照度的检测结果控制二维地布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素的驱动。
读出电路23顺次扫描二维地布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素，并且经由信号线读出由各SPAD像素生成的像素信号。读出电路23将读出的像素信号输出到后一阶段的信号处理部(未示出)。
如上所述地构成固态成像装置10。
<2.本技术的实施方案>
顺便提及的是，固态成像装置10具有其上二维地布置有多个SPAD像素的像素阵列部21。在明亮的地方成像时，例如，数万个光子入射并倍增，从而产生数亿个电子。因此，希望降低功耗。根据本技术，通过以下方法降低了功耗。
具体地，在固态成像装置10中，在照度高于基准照度的情况下，使在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化(thinned)。因此，可以在较低的功耗下执行成像。
请注意，取决于阈值，照度例如可以分为三个阶段：高照度、低于高照度的中照度和低于中照度的低照度。具体地，例如，高照度设定为约10,000lux(勒克斯)，中照度设定为约1,000lux，低照度设定为约0.01lux。
此外，取决于阈值，照度例如可以分为两个阶段：高照度和低于高照度的低照度。换句话说，取决于阈值，照度分为多阶段的照度。
(驱动SPAD像素的第一示例)
图2示出了驱动布置在图1的像素阵列部21上的多个SPAD像素的第一示例。
图2示出了在二维地布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素100中例如从光入射侧看到的布置在左上区域的16行和16列的像素。
请注意，在图2中，对应于SPAD像素100的i行和j列的各行号和各列号在左侧区域和上侧区域表示。在下面的说明中，布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素100的i行和j列表示SPAD像素100(i,j)。
另外，作为滤色器，配置红色(R)滤色器。从透过R滤色器的光接收对应于红色(R)成分的光的像素信号的像素被表示为R像素。
类似地，从透过绿色(G)滤色器的光接收对应于绿色(G)成分的光的像素信号的像素被表示为G像素。另外，从透过蓝色(B)滤色器的光接收对应于蓝色(B)成分的光的像素信号的像素被表示为B像素。
具体地，在像素阵列部21中，多个SPAD像素100被二维地且规则地布置为R像素、G像素或B像素以形成拜耳阵列。请注意，拜耳阵列是其中G像素以棋盘图案排列并且R像素和B像素在其余部分中针对一列交替排列的排列图案。
这里，在像素阵列部21中，观察SPAD像素100(3,3)。该SPAD像素100(3,3)是B像素，也是添加了文字“OFF”的稀疏像素(thinned pixel)。
稀疏像素是在高照度时在二维地布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素100中被稀疏化的像素。SPAD像素100(3,3)根据来自控制电路22的驱动控制在高照度时变为稀疏像素。
在像素阵列部21中，SPAD 100(2,9)、SPAD像素100(4,7)、SPAD像素100(4,13)、SPAD像素100(6,2)、SPAD像素100(6,7)、SPAD像素100(6,14)、SPAD像素100(7,13)和SPAD像素100(8,5)被设置为稀疏像素，类似于SPAD像素100(3,3)。
此外，在像素阵列部21中，SPAD像素100(9,16)、SPAD像素100(10,4)、SPAD像素100(10,13)、SPAD像素100(11,1)、SPAD像素100(11,5)、SPAD像素100(11,9)、SPAD像素100(13,3)、SPAD像素100(13,13)、SPAD像素100(14,6)、SPAD像素100(14,9)和SPAD像素100(15,15)被设置为稀疏像素，类似于SPAD像素100(3,3)。
因此，在像素阵列部21中，在高照度时，在多个SPAD像素100中的任何SPAD像素100针对每个像素单位被不规则地(随机地)设置为稀疏像素。于是，由于在高照度时使在二维地布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素100中的一部分SPAD像素100针对每个像素单位稀疏化，所以可以降低功耗。
请注意，对应于稀疏像素的位置的像素信号可以通过例如在后一阶段的信号处理电路上使用从稀疏像素周围的像素获取的图像信号执行预定信号处理(例如，校正处理)来获取。
(驱动SPAD像素的第二示例)
图3示出了驱动布置在图1的像素阵列部21上的多个SPAD像素的第二示例。
在图3的像素阵列部21中，类似于图2中所示的像素阵列部21，多个SPAD像素100被二维地且规则地布置为R像素、G像素或B像素以形成拜耳阵列。
此外，在图3的像素阵列部21中，使多个SPAD像素100中的一部分SPAD像素100稀疏化(关闭)。然而，稀疏像素不是针对每个像素单位而是针对包括多个像素的每个块单位配置。
例如，在像素阵列部21中，一个块由具有SPAD像素100(1,1)～100(1,4)、SPAD像素100(2,1)～100(2,4)、SPAD像素100(3,1)～100(3,4)和SPAD像素100(4,1)～100(4,4)的4×4像素的SPAD像素100构成。块中的SPAD像素100在高照度时变为稀疏像素。
另外，例如，在像素阵列部21中，一个块由具有SPAD像素100(1,5)～100(1,8)、SPAD像素100(2,5)～100(2,8)、SPAD像素100(3,5)～100(3,8)和SPAD像素100(4,5)～100(4,8)的4×4像素的SPAD像素100构成。块中的SPAD像素100是普通像素，并且即使在高照度时也成为R像素、G像素或B像素中的任何一个。
类似地，在像素阵列部21中，对于4×4像素块，包括普通SPAD像素100的第一块和包括在高照度时变为稀疏像素的SPAD像素100的第二块在列方向和行方向上交替地重复。
因此，在像素阵列部21中，在高照度时，在多个SPAD像素100中的任何SPAD像素100针对每个块单位被规则地变为稀疏像素。于是，由于在高照度时使在二维地布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素100中的一部分SPAD像素100针对每个块单位稀疏化，所以可以降低功耗。
(SPAD像素的结构的第一示例)
图4是示出SPAD像素100的结构的第一示例的断面图。
在图4的SPAD像素100的单光子雪崩光电二极管110中，例如在阳极111或阴极112上施加产生雪崩倍增的电压。在接收入射光的n阱和p+扩散层之间的pn结导致产生雪崩倍增。
在单光子雪崩光电二极管110中，晶体管121连接到阳极111。来自控制电路22的驱动信号被输入到晶体管121的栅极以控制晶体管121的开/关。
通过控制电路22，如果亮度是高照度以外的低或中，则允许相对于在高照度时变为稀疏像素的SPAD像素100，将预定电平的驱动信号输入到晶体管121的栅极。因此，目标SPAD像素100作为R像素、G像素或B像素被驱动。
另外，通过控制电路22，如果亮度高，则允许相对于在高照度时变为稀疏像素的SPAD像素100，将预定电平的驱动信号输入到晶体管121的栅极。因此，目标SPAD像素100变为稀疏像素。
请注意，通过控制电路22，允许相对于变为普通像素的SPAD像素100，将预定电平的驱动信号输入到晶体管121的栅极。因此，不管高照度、中照度或低照度，目标SPAD像素100总是作为R像素、G像素或B像素被驱动。
因此，在SPAD像素100中，晶体管121连接到单光子雪崩光电二极管110的阳极111并且控制其电压。因此，针对每个像素单位或每个块单位，在高照度时，可以使在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素100稀疏化。
(SPAD像素的结构的第二示例)
图5是示出SPAD像素100的结构的第二示例的断面图。
在图5的SPAD像素100中，晶体管122连接到单光子雪崩光电二极管110的阴极112。来自控制电路22的驱动信号被输入到晶体管122的栅极以控制晶体管122的开/关。
因此，在SPAD像素100中，晶体管122连接到单光子雪崩光电二极管110的阴极112并且控制其电压。因此，针对每个像素单位或每个块单位，在高照度时，可以使在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素100稀疏化。
(SPAD像素的结构的第三示例)
图6是示出SPAD像素100的结构的第三示例的平面图。
图6的SPAD像素100具有如下结构：作为单光子雪崩光电二极管110的倍增区域的雪崩部131被分割成多个，并且阳极111和阴极112被连接到每个分割的雪崩部131。
这里，雪崩部131被分割成四个以形成分割的雪崩部131-1～131-4，并且阴极112-1～112-4分别连接到相应的分割的雪崩部131-1～131-4。
图7示出了沿着图6的线A-A’截取的断面图，示出了SPAD像素100的结构的第三示例。
在图7的单光子雪崩光电二极管110中，阴极112-1连接到分割的雪崩部131-1。晶体管122-1连接到阴极112-1，并且根据来自控制电路22的驱动信号控制开/关操作。
另一方面，阴极112-4连接到分割的雪崩部131-4。晶体管122-4连接到阴极112-4，并且根据来自控制电路22的驱动信号控制开/关操作。
通过控制电路22，如果亮度高，则允许相对于在高照度时变为稀疏像素的SPAD像素100将预定电平的驱动信号输入到晶体管122-1～122-4的栅极。因此，目标SPAD像素100变为稀疏像素。
此时，在SPAD像素100中，允许将预定电平的驱动信号输入到晶体管122-1～122-4的每个栅极，从而控制每个分割的雪崩部131-1～131-4的驱动。
例如，在低照度或中照度时，使用分割的雪崩部131-1～131-4中的所有四个分割的雪崩部(即，此时的利用率等于"4/4")。然而，在高照度时，仅使用分割的雪崩部131-1～131-4中的三个分割的雪崩部(即，此时的利用率等于"3/4")。
请注意，可以对布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素100的所有执行针对每个分割的雪崩部单位的这种稀疏化控制，或者可以仅对一部分SPAD像素100执行这种稀疏化控制。
因此，在SPAD像素100的雪崩部131被分割成多个的情况下，晶体管122-1～122-4连接到相应的分割的雪崩部131-1～131-4的阴极112-1～112-4并且控制其电压。因此，针对每个分割的像素单位(分割的雪崩部单位)，在高照度时，可以使在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素100稀疏化。
(SPAD像素的结构的第四示例)
图8是示出SPAD像素100的结构的第四示例的平面图。
类似于上述的第三示例，图8的SPAD像素100具有如下结构：雪崩部131被分割成四个，并且阳极111和阴极112连接到雪崩部131-1～131-4。
图9示出了沿着图8的线A-A’截取的断面图，示出了SPAD像素100的结构的第四示例。
在图9的单光子雪崩光电二极管110中，阴极112-1连接到分割的雪崩部131-1。另外，栅电极141-1被配置为覆盖分割的雪崩部131-1的上部的一部分。
这里，配线用触点连接到栅电极141-1的上部。栅电极141-1根据经由触点施加的驱动信号执行开/关操作，使得电子从分割的雪崩部131-1传输到阴极112。
溢流漏极(OFD：Overflow Drain)142-1被构造成能够排出不必要的电子，使得当栅电极141-1关闭时电子不会泄漏到相邻的雪崩部131(例如，分割的雪崩部131-2～131-4)。
另一方面，阴极112连接到栅电极141-4，并且溢流漏极142-4配置在分割的雪崩部131-4上。栅电极141-4根据经由触点施加的驱动信号执行开/关操作，使得电子从分割的雪崩部131-4传输到阴极112。
通过控制电路22，如果亮度高，则允许相对于在高照度时变为稀疏像素的SPAD像素100将预定电平的驱动信号施加到栅电极141-1～141-4。因此，目标SPAD像素100变为稀疏像素。
此时，在SPAD像素100中，允许将预定电平的驱动信号输入到每个栅电极141-1～141-4，从而控制每个分割的雪崩部131-1～131-4的驱动。
例如，在低照度或中照度时，使用分割的雪崩部131-1～131-4中的所有四个分割的雪崩部(即，此时的利用率等于"4/4")。然而，在高照度时，仅使用分割的雪崩部131-1～131-4中的一个分割的雪崩部(即，此时的利用率等于"1/4")。
请注意，可以对布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素100的所有执行针对每个分割的雪崩部单位的这种稀疏化控制，或者可以仅对一部分SPAD像素100执行这种稀疏化控制。
因此，在SPAD像素100的雪崩部131被分割成多个的情况下，栅电极141-1～141-4相对于阴极112和连接到其上的相应的分割的雪崩部131-1～131-4配置并且控制其电压。因此，针对每个分割的像素单位(分割的雪崩部单位)，在高照度时，可以使在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素100稀疏化。
(通过利用雪崩发生概率的驱动的例子)
图10是示出通过单光子雪崩光电二极管110的阳极和阴极之间的电压差的雪崩发生概率的示例的图。
在图10中，横轴表示阳极和阴极之间的电压差，纵轴表示雪崩发生概率。
如图10所示，阳极和阴极之间的电压差越小，雪崩发生概率越低。另一方面，阳极和阴极之间的电压差越大，雪崩发生概率越高。
换句话说，当阳极和阴极之间的电压差足够大时，例如，所有电子都可以产生雪崩倍增。然而，当电压差变小时，例如，产生雪崩倍增的电子数量变为大约一半。
这里，控制阳极和阴极之间的电压差，使得例如在低照度时雪崩发生概率为100％。另一方面，控制阳极和阴极之间的电压差，使得在高照度时雪崩发生概率降低。因此，可以在高照度时以较低的功耗执行成像。
(SPAD像素驱动控制处理的流程)
接下来，参照图11的流程图，将说明由控制电路22执行的SPAD像素驱动控制处理的流程。
在步骤S11中，控制电路22获取照度的检测结果。
这里，作为检测照度的方法，可以采用各种检测方法。例如，可以从来自照度传感器的输出或固态成像装置10的输出获取的图像的分析结果(例如，图像是否太亮而不被饱和等)等获取照度的检测结果。
在步骤S12中，控制电路22基于在步骤S11的处理中获取的照度的检测结果，通过将照度的检测结果与阈值进行比较来判定照度是否高。
请注意，在判定处理中，取决于阈值，照度的检测结果可以例如通过高照度、中照度和低照度的三个阶段或者通过高照度或低照度的两个阶段来判定。
在步骤S12中，在判定是高照度的情况下，处理前进到步骤S13。在步骤S13中，控制电路22判定稀疏像素。
这里，例如，控制电路22基于预设的信息等判定诸如像素单位、块单位和分割的雪崩部单位等哪个单元使在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素100中的一部分SPAD像素100稀疏化，并且进一步判定哪个SPAD像素100是实际的稀疏像素。
换句话说，这里，还可以说在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素100中在高照度时分别判定有效SPAD像素100和无效SPAD像素100。
在步骤S13中的处理结束之后，处理前进到步骤S14中的处理。请注意，在步骤S12中，在照度被判定为低或中且不高的情况下，跳过步骤S13中的处理，并且处理前进到步骤S14中的处理。
在步骤S14中，控制电路22控制布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素100的驱动。
这里，由于通过在高照度时的步骤S13中的处理来判定关于用于稀疏的单位和稀疏像素的信息，因此例如，基于该信息，控制电路22可以控制布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素100的驱动。
上面已经说明了SPAD像素驱动控制处理的流程。
在SPAD像素驱动控制处理中，由于可以在高照度时使在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素100中的一部分SPAD像素100针对预定单位(例如，像素单位、块单位或分割的雪崩部单位)稀疏化，因此能够以较低的功耗执行成像。
<3.变形例>
(SPAD像素的结构的其他例子)
图12是示出SPAD像素100的结构的另一示例的平面图。
在以上说明中，示出了SPAD像素100的雪崩部131分割为四个的结构。可以通过分割雪崩部131来使用任何分割数。例如，如果雪崩部131被分割成两个，则结构如图12所示。
具体地，在图12中，雪崩部131被分割成两个，形成分割的雪崩部131-1和分割的雪崩部131-2。这里，类似于上述的第四示例，栅电极141-1配置在分割的雪崩部131-1上，并且栅电极141-2配置在分割的雪崩部131-2上，从而针对每个分割的像素单位(分割的雪崩部单位)使一部分SPAD像素100稀疏化。
请注意，雪崩部131的分割数例示为四个和两个。分割数是任意的，可以分割为三个、八个、十个、百个等。
图13是示出SPAD像素100的结构的另一示例的平面图。
以上说明示出了SPAD像素100的雪崩部131被分割为四个，使得分割的雪崩部131-1～131-4的区域面积几乎相同。然而，各分割的雪崩部131-1～131-4的区域面积可以不同。
例如，如图13所示，在SPAD像素100中，分割的雪崩部131-1具有最大的面积，并且分割的雪崩部131-3、分割的雪崩部131-2和分割的雪崩部131-4按此顺序具有较小的面积。
此外，这里，类似于上述的第四示例，栅电极141-1～栅电极141-4配置在分割的雪崩部131-1～131-4上，从而针对每个分割的像素单位(分割的雪崩部单位)使一部分SPAD像素100稀疏化。
请注意，在图12和图13所示的SPAD像素100的结构中，类似于上述的第四示例，可以配置溢流漏极142。另外，作为图12和图13中所示的SPAD像素100的结构，类似于第三示例，各分割的雪崩部131-N(N：1以上的整数)可以连接到不同的阴极112-N。
(驱动SPAD像素的其他示例)
在以上的说明中，在图2所示的像素阵列部21中，当多个SPAD像素100中的任何SPAD像素在高照度时针对每个像素单位不规则地(随机地)变为稀疏像素时，功耗可以降低。这里，不限于针对每个像素单位使像素不规则地稀疏化，而是可以针对每个像素单位使像素规则地稀疏化。
根据以上说明，在图3所示的像素阵列部21中，当多个SPAD像素100中的任何SPAD像素100在高照度时针对每个块单位规则地变为稀疏像素时，功耗可以降低。这里，不限于针对每个块单位使像素规则地稀疏化，而是可以针对每个块单位使像素不规则地(随机地)稀疏化。
此外，在高照度时从布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素100稀疏化的像素(稀疏像素)的数量是任意的。
(SPAD像素的断面结构的其他示例)
在单光子雪崩光电二极管110中，阳极可以形成在作为光入射面的第一面侧或者在与第一面相对的第二面侧，并且阴极可以形成在第二面侧或第一面侧。换句话说，单光子雪崩光电二极管110的阳极和阴极可以例如配置在半导体的表面上，或者可以配置在前表面和后表面上。
(传感器的其他例子)
以上说明示出了用于获取图像数据的图像传感器(例如，CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器)作为固态成像装置10。然而，其可以用作诸如距离传感器(例如，通过TOF(飞行时间)法测量距离的传感器)等其他传感器。
(SPAD像素的排列图案的其他示例)
在以上说明中，拜耳阵列被示出作为布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素100的排列图案。然而，可以采用其他排列图案。另外，示出了SPAD像素100是R像素、G像素或B像素。然而，例如，其可以包括白色(W)的W像素、红外线(IR)的IR像素等。
(控制电路的其他例子)
以上说明示出了控制电路22控制布置在像素阵列部21上的多个SPAD像素100的驱动。然而，与固态成像装置10不同的外部装置可以控制SPAD像素100的驱动。因此，其他手段可以控制SPAD像素100的驱动。
<4.电子设备的构成>
图14是示出包括本技术适用的固态成像装置的电子设备的构成例的框图。
电子设备1000是诸如数字静态相机和摄像机等成像装置、诸如智能电话和平板型终端等移动终端装置等。
电子设备1000包括固态成像装置1001、DSP电路1002、帧存储器1003、显示部1004、记录部1005、操作部1006和电源部1007。在电子设备1000中，DSP电路1002、帧存储器1003、显示部1004、记录部1005、操作部1006和电源部1007经由总线1008彼此连接。
固态成像装置1001对应于上述的固态成像装置10(图1)，二维地布置在像素阵列部21(图1)上的多个SPAD像素的结构采用上述的结构(例如，SPAD像素100的结构的第一至第四示例)，并且可以通过上述的驱动(例如，SPAD像素100的驱动的第一示例至第二示例)来控制其驱动。
DSP电路1002是处理从固态成像装置1001供给的信号的相机信号处理电路。DSP电路1002输出通过处理来自固态成像装置1001的信号而获取的图像数据。帧存储器1003以帧为单位临时保持由DSP电路1002处理的图像数据。
显示部1004包括诸如液晶面板和有机EL(电致发光)面板等面板型显示装置，并且显示由固态成像装置1001成像的运动图像或静止图像。记录部1005将由固态成像装置1001成像的运动图像或静止图像的图像数据记录在诸如半导体存储器和硬盘等记录介质上。
操作部1006根据使用者的操作输出关于包括在电子设备1000中的各种功能的操作命令。电源部1007适宜地将作为DSP电路1002、帧存储器1003、显示部1004、记录部1005和操作部1006的操作电源的各种电源供给到将要供给的对象。
如上所述地构成电子设备1000。如上所述，本技术适用于固态成像装置1001。具体地，固态成像装置10(图1)可以适用于固态成像装置1001。通过将本技术适用于固态成像装置1001，由于在高照度时使在布置于像素阵列部21上的多个SPAD像素100中的一部分SPAD像素100针对预定单位(例如，像素单位、块单位或分割的雪崩部单位)稀疏化，因此能够以较低的功耗执行成像。
<5.固态成像装置的使用例>
图15是示出本技术适用的固态成像装置的使用例的图。
固态成像装置10(图1)可以用于感测诸如可见光、红外光、紫外光和X射线等光的各种情况，如下所述。具体地，如图15所示，固态成像装置10不仅可以用于拍摄图像以用于鉴赏的装置的领域，而且还可以用于例如交通领域、家用电器领域、医疗保健领域、安保领域、美容护理领域、运动领域、农业领域等。
具体地，在鉴赏领域中，例如，固态成像装置10可以用于拍摄图像以用于鉴赏的装置(例如，图14的电子设备1000)，例如数字相机、智能手机和带有相机功能的移动电话。
在交通领域中，例如，固态成像装置10可以用于交通用装置，例如，用于拍摄车辆的前方、后方、周围、内部等的车载用传感器、用于监视行驶车辆和道路的监视相机以及用于测量车辆间距离等的测距传感器，以用于诸如自动停车等安全驾驶、识别驾驶员的状况等。
在家用电器领域中，例如，固态成像装置10可以用于家用电器用装置，例如，电视机、冰箱和空调，以拍摄使用者的姿态并根据该姿态来操作电器。另外，在医疗保健领域中，例如，固态成像装置10可以用于医疗保健用装置，例如，内窥镜或用于通过接收红外光进行血管造影的装置。
在安保领域中，例如，固态成像装置10可以用于安保用装置，例如，用于预防犯罪的监视相机或用于个人身份认证的相机。在美容护理领域中，例如，固态成像装置10可以用于美容护理用装置，例如，用于拍摄皮肤的皮肤测量仪和用于拍摄头皮的显微镜。
在运动领域中，例如，固态成像装置10可以用于运动用装置，例如，用于运动用途等的可穿戴式相机或运动相机。另外，在农业领域中，例如，固态成像装置10可以用于农业用装置，例如，用于监视田地和农作物的状况的相机。
<6.移动体的应用例>
本公开的技术(本技术)可以应用于各种产品。例如，本公开的技术可以被实现为待安装在诸如汽车、电动汽车、混合电动汽车、摩托车、自行车、个人移动装置、飞机、无人机、船舶和机器人等任何类型的移动体上的装置。
图16是示出作为根据本公开实施方案的技术可以适用的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的概略构成例的框图。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001连接在一起的多个电子控制单元。在图16所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、主体系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和综合控制单元12050。此外，作为综合控制单元12050的功能构成，示出了微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053。
驱动系统控制单元12010根据各种程序来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用作诸如用于产生如内燃机或驱动电机等车辆的驱动力的驱动力产生装置、用于向车轮传递驱动力的驱动力传递机构、用于调节车辆的转向角的转向机构、用于产生车辆的制动力的制动装置等的控制装置。
主体系统控制单元12020根据各种程序来控制安装到车体的各种装置的操作。例如，主体系统控制单元12020用作无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动窗装置或诸如头灯、尾灯、刹车灯、转向信号灯或雾灯等各种灯的控制装置。在这种情况下，用于代替按键的从便携式装置传递的无线电波或各种开关的信号可以输入到主体系统控制单元12020。主体系统控制单元12020接收无线电波或信号的输入并控制车辆的门锁装置、电动窗装置、灯等。
车外信息检测单元12030检测安装车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，车外信息检测单元12030与成像部12031连接。车外信息检测单元12030使成像部12031拍摄车辆外部的图像并接收所拍摄的图像。车外信息检测单元12030可以基于接收到的图像进行诸如人、汽车、障碍物、标志、道路上的文字等物体检测处理或距离检测处理。
成像部12031是接收光并输出对应于受光量的电气信号的光学传感器。成像部12031可以输出电气信号作为图像或输出电气信号作为测距信息。此外，由成像部12031接收的光可以是可见光或诸如红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。例如，车内信息检测单元12040与用于检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测单元12041连接。例如，驾驶员状态检测单元12041包括拍摄驾驶员的图像的相机，并且基于从驾驶员状态检测单元12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳度或集中度，或者可以判断驾驶员是否在打瞌睡。
例如，微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的车辆内部和外部的信息来计算驱动力产生装置、转向机构或制动装置的控制目标值，并且可以向驱动系统控制单元12010输出控制指令。例如，微型计算机12051可以进行协调控制，以实现包括车辆的碰撞避免或碰撞缓和、基于车辆之间的距离的追踪行驶、车辆速度保持行驶、车辆碰撞警告、车辆的车道偏离警告等的高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能。
另外，微型计算机12051可以通过基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆周围的信息来控制驱动力产生装置、转向机构、制动装置等来进行协调控制，以实现其中车辆自主行驶而不依赖于驾驶员的操作的自动驾驶等。
另外，微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030获得的车辆外部的信息将控制指令输出到主体系统控制单元12020。例如，微型计算机12051根据由车外信息检测单元12030检测到的前方车辆或对向车辆的位置来控制头灯，以进行协调控制，以实现诸如将远光灯切换为近光灯等防止眩光。
声音/图像输出部12052将声音和图像输出信号中的至少一种传递到能够在视觉上或听觉上通知车辆乘员或车辆外部的信息的输出装置。在图16的示例中，作为输出装置，音频扬声器12061、显示部12062和仪表板12063被示出。例如，显示部12062可以包括车载显示器和平视显示器中的至少一种。
图17是示出成像部12031的安装位置的示例的图。
在图17中，作为成像部12031，包括成像部12101，12102，12103，12104和12105。
成像部12101，12102，12103，12104和12105中的每一个设置在例如车辆12100的车头、侧视镜、后保险杠、后门、车内的挡风玻璃的上侧等位置。设置在车头中的成像部12101和设置在车内的挡风玻璃上侧的成像部12105主要获得车辆12100的前方的图像。设置在侧视镜中的成像部12102和12103主要获得车辆12100的侧方的图像。设置在后保险杠或后门中的成像部12104主要获得车辆12100的后方的图像。设置在车辆内部的挡风玻璃的上部的成像部12105主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、交通信号、交通标志、车道等。
顺便提及的是，图17示出了成像部12101～12104的成像范围的示例。成像范围12111表示设置在车头中的成像部12101的成像范围，成像范围12112和12113分别表示设置在侧视镜中的成像部12102和12103的成像范围，成像范围12114表示设置在后保险杠或后门中的成像部12104的成像范围。例如，由成像部12101～12104拍摄的图像数据被彼此叠加，从而获得车辆12100的从上方看到的鸟瞰图像。
成像部12101～12104中的至少一个可以具有获取距离信息的功能。例如，成像部12101～12104中的至少一个可以是包括多个图像拾取元件的立体相机，或者可以是具有相位差检测用的像素的成像元件。
例如，基于从成像部12101～12104获得的距离信息，微型计算机12051求出距各成像范围12111～12114内的各立体物的距离和距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，从而能够提取位于车辆12100的行驶路线上的特别是最靠近的立体物且在与车辆12100的大致相同的方向上以预定速度(例如，0km/h以上)行驶的立体物作为前方车辆。另外，微型计算机12051可以设定在前方车辆的前方预先确保的车辆之间的距离，并且可以进行自动制动控制(包括追踪行驶停止控制)、自动加速控制(包括追踪行驶开始控制)等。以这种方式，可以进行其中车辆自主行驶而不依赖于驾驶员的操作的自动驾驶等的协调控制。
例如，基于从成像部12101～12104获得的距离信息，通过将立体物分类为两轮车辆、普通车辆、大型车辆、行人和电线杆等其他立体物，微型计算机12051可以提取关于立体物的立体物数据，并利用提取的数据自动避开障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为可以由车辆12100的驾驶员视觉识别的障碍物和难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051判断指示与各障碍物碰撞的危险度的碰撞风险，并且当碰撞风险等于或高于设定值并且存在碰撞的可能性时，微型计算机12051可以通过经由音频扬声器12061和显示部12062向驾驶者输出警告或者经由驱动系统控制单元12010进行强制减速或回避转向，从而能够进行碰撞避免的驾驶辅助。
成像部12101～12104中的至少一个可以是用于检测红外线的红外相机。例如，微型计算机12051可以通过判断行人是否存在于成像部12101～12104的拍摄图像中来识别行人。例如，通过提取作为红外相机的成像部12101～12104的拍摄图像中的特征点的过程以及对指示物体的轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理以判断该物体是否为行人的过程来进行行人的识别。当微型计算机12051判断行人存在于成像部12101～12104的拍摄图像中并且识别出行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使其显示叠加的四边形轮廓线以强调所识别的行人。此外，声音/图像输出部12052可以控制显示部12062，使其在期望的位置显示指示行人的图标等。
上面，说明了根据本公开的技术可以适用的车辆控制系统的示例。根据本公开的技术可以适用于上述构成的成像部12031。具体地，图1的固态成像装置10可以适用于成像部12031。通过将根据本公开的技术适用于成像部12031，由于在高照度时使在布置于像素阵列上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素针对预定单位(例如，像素单位、块单位或分割的雪崩部单位)稀疏化，因此能够以较低的功耗执行成像。
请注意，本技术的实施方案不限于上述实施方案。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本技术进行各种修改和变化。
此外，本技术可以具有以下构成。
(1)
一种固态成像装置，包括：
像素阵列部，其上二维地布置有多个SPAD(单光子雪崩二极管)像素，其中
在照度变为高于基准照度的第一照度的情况下，使在布置于所述像素阵列部上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化。
(2)
根据(1)所述的固态成像装置，其中
在所述像素阵列部中，针对像素单位或包括多个像素的块单位，使作为一部分SPAD像素的稀疏像素稀疏化。
(3)
根据(2)所述的固态成像装置，其中
针对像素单位或块单位，所述稀疏像素在所述像素阵列部上规则或不规则地配置。
(4)
根据(1)或(2)所述的固态成像装置，其中
通过控制各SPAD的阳极或阴极的电压使所述稀疏像素稀疏化。
(5)
根据(1)所述的固态成像装置，其中
所述SPAD像素具有SPAD的多个分割的雪崩部，并且针对分割的雪崩部的各个分割的雪崩部单位被稀疏化。
(6)
根据(5)所述的固态成像装置，其中
通过控制阳极或阴极的电压使各分割的雪崩部稀疏化。
(7)
根据(5)所述的固态成像装置，其中
通过控制配置在所述分割的雪崩部的上部的栅电极使各分割的雪崩部稀疏化。
(8)
根据(7)所述的固态成像装置，还包括：
溢流漏极，用于针对所述各分割的雪崩部排出不必要的电子。
(9)
根据(1)～(8)中任一项所述的固态成像装置，其中
针对一部分SPAD像素的稀疏像素，通过利用与雪崩发生概率的关系来控制SPAD的阳极和阴极之间的电位差。
(10)
根据(1)～(9)中任一项所述的固态成像装置，其中
取决于基准阈值，所述照度被分类为包括第一照度的多个阶段。
(11)
根据(10)所述的固态成像装置，其中
取决于所述阈值，所述照度被分类为第一照度和低于第一照度的第二照度的两个阶段。
(12)
根据(10)所述的固态成像装置，其中
取决于所述阈值，所述照度被分类为第一照度、低于第一照度的第二照度和低于第二照度的第三照度的三个阶段。
(13)
根据(1)～(12)中任一项所述的固态成像装置，其中
在所述SPAD像素的SPAD中，
阳极形成在作为光入射面的第一面侧或者在与第一面相对的第二面侧，和
阴极形成在第二面侧或第一面侧。
(14)
一种固态成像装置的驱动方法，所述固态成像装置包括其上二维地布置有多个SPAD像素的像素阵列部，所述方法包括：
在照度变为高于基准照度的第一照度的情况下，使在布置于所述像素阵列部上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化。
附图标记列表
10固态成像装置
21像素阵列部
22控制电路
23读出电路
100SPAD像素
110单光子雪崩光电二极管(SPAD)
111阳极
112,112-1～112-4阴极
121晶体管
122晶体管
131雪崩部
131-1～131-4分割的雪崩部
141-1～141-4栅电极
142-1～142-4溢流漏极
1000电子设备
1001固态成像装置
12031成像部

Claims (14)

1.一种固态成像装置，包括：
像素阵列部，其上二维地布置有多个SPAD(单光子雪崩二极管)像素，其中
在照度变为高于基准照度的第一照度的情况下，使在布置于所述像素阵列部上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
在所述像素阵列部中，针对像素单位或包括多个像素的块单位，使作为一部分SPAD像素的稀疏像素稀疏化。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中
针对像素单位或块单位，所述稀疏像素在所述像素阵列部上规则或不规则地配置。
4.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中
通过控制各SPAD的阳极或阴极的电压使所述稀疏像素稀疏化。
5.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述SPAD像素具有SPAD的多个分割的雪崩部，并且针对分割的雪崩部的各个分割的雪崩部单位被稀疏化。
6.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中
通过控制阳极或阴极的电压使各分割的雪崩部稀疏化。
7.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中
通过控制配置在所述分割的雪崩部的上部的栅电极使各分割的雪崩部稀疏化。
8.根据权利要求7所述的固态成像装置，还包括：
溢流漏极，用于针对所述各分割的雪崩部排出不必要的电子。
9.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
针对一部分SPAD像素的稀疏像素，通过利用与雪崩发生概率的关系来控制SPAD的阳极和阴极之间的电位差。
10.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
取决于基准阈值，所述照度被分类为包括第一照度的多个阶段。
11.根据权利要求10所述的固态成像装置，其中
取决于所述阈值，所述照度被分类为第一照度和低于第一照度的第二照度的两个阶段。
12.根据权利要求10所述的固态成像装置，其中
取决于所述阈值，所述照度被分类为第一照度、低于第一照度的第二照度和低于第二照度的第三照度的三个阶段。
13.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
在所述SPAD像素的SPAD中，
阳极形成在作为光入射面的第一面侧或者在与第一面相对的第二面侧，和
阴极形成在第二面侧或第一面侧。
14.一种固态成像装置的驱动方法，所述固态成像装置包括其上二维地布置有多个SPAD像素的像素阵列部，所述方法包括：
在照度变为高于基准照度的第一照度的情况下，使在布置于所述像素阵列部上的多个SPAD像素中的一部分SPAD像素稀疏化。
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