CN110249624A - 摄像装置和摄像系统 - Google Patents

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Abstract

本技术涉及可以提高使用SPAD测量距离时的距离测量精度的摄像装置和摄像系统。该摄像装置设置有像素阵列部，所述像素阵列部中排列着像素部，每个所述像素部包括：单光子雪崩光电二极管(SPAD)；电阻部件，所述电阻部件与所述SPAD串联连接；输出部，所述输出部输出表示光子入射在所述SPAD上的光接收信号；以及脉冲生成部，所述脉冲生成部以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出脉冲信号。所述像素部包括开关和/或引入部，所述开关连接在所述SPAD与所述电阻部件之间并且以与所述脉冲信号同步的方式断开，所述引入部通过以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件引入流过所述SPAD的输入电流来抑制所述输入电流流向所述SPAD。例如，本技术可以应用到拍摄距离图像的照相机。

Description

摄像装置和摄像系统
技术领域
本技术涉及摄像装置和摄像系统。更特别地，本技术涉及使用单光子雪崩光电二极管(SPAD：single photon avalanche photodiode)的摄像装置和摄像系统。
背景技术
迄今为止，已经开发出一种使用像素测量到物体的距离的摄像装置，每个像素配备有SPAD。
利用SPAD，有时会发生所谓的余脉冲现象(after-pulse phenomenon)，在余脉冲现象中，由雪崩倍增产生的一些载流子(电子和空穴)会在稍后被放电之前被杂质能级捕获，从而在没有光子入射的情况下触发另一次雪崩倍增。余脉冲现象能够使得SPAD延长其无法检测到光子的死区时间，或者尽管不存在光子，却让SPAD错误地检测到光子的入射。因此，距离测量的精度变差。
为了应对上述现象，已经提出了一种如下的技术：通过该技术，SPAD和用于使SPAD偏置的电容在刷新时段内与电源连接，并且在检测时段内与电源断开连接，以便抑制余脉冲的产生(例如，参见专利文献1)。
具体地，专利文献1中描述的发明涉及在刷新时段内对电容进行充电，使得电容向SPAD施加等于或高于击穿电压的反向电压。当电容的电压超过击穿电压时，断开开关以使SPAD和电容与电源断开连接，从而开始检测时段。当光子在检测时段内进入SPAD以产生雪崩倍增时，累积在电容中的载流子经由SPAD放电。这使得电容施加到SPAD的电压下降到低于击穿电压，从而导致雪崩倍增停止。在电容的电压下降到低于击穿电压之后经过延迟电路的延迟时间时，接通开关以将SPAD和电容与电源连接，从而开始刷新时段。以这种方式，抑制了在产生雪崩倍增期间流过SPAD的电流，从而抑制了余脉冲的产生。
同样利用SPAD，可能发生如下的现象：其中，在产生雪崩倍增之后，通常通过灭弧电阻(quenching resistance)流入SPAD中的电流无法下降到低于闭锁电流(latchingcurrent)，从而会防止SPAD恢复其电压并且会延长死区时间(例如，参见专利文献2)。结果，距离测量的精度变差。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利特开第2008-542706号
专利文献2：日本专利特开第2014-160042号
发明内容
技术问题
然而，根据专利文献1描述的发明，在刷新时段内产生的余脉冲能够导致电源和地面之间的馈通(feed-through)。因为SPAD的阴极电位在检测时段内处于浮动状态，所以在此时段内抗噪声性能下降。此外，在电容的电压下降到低于击穿电压之后，在延迟电路的延迟之后开始刷新时段。这导致死区时间发生显著变化。
此外，专利文献2没有提及处理闭锁电流的措施。
本技术是鉴于上述情况而被设计的，并且本技术旨在提高使用SPAD执行的距离测量的精度。
解决技术问题的技术方案
根据本技术的第一方面，提供了一种摄像装置，所述摄像装置包括像素阵列部，所述像素阵列部中排列着像素部。每个所述像素部包括：SPAD(单光子雪崩光电二极管)；电阻部件，其被构造成与所述SPAD串联连接；输出部，其被构造成输出表示光子入射在所述SPAD上的光接收信号；以及脉冲生成部，其被构造成以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出脉冲信号。每个所述像素部还包括以下部件中的至少一者：开关，其被构造成以插入的方式连接在所述SPAD与所述电阻部件之间，并且被构造成以与所述脉冲信号同步的方式断开；和引入部，其被构造成以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件引入流过所述SPAD的输入电流，从而抑制所述输入电流流过所述SPAD。
根据本技术的第二方面，提供了一种摄像系统，所述摄像系统包括：照明装置，其被构造成发射照射光；和摄像装置，其被构造成接收源自所述照射光的反射光。所述摄像装置包括像素阵列部，所述像素阵列部中排列着像素部，每个所述像素部包括：SPAD(单光子雪崩光电二极管)；电阻部件，其被构造成与所述SPAD串联连接；输出部，其被构造成输出表示光子入射在所述SPAD上的光接收信号；以及脉冲生成部，其被构造成以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出脉冲信号。每个所述像素部还包括以下部件中的至少一者：开关，其被构造成以插入的方式连接在所述SPAD与所述电阻部件之间，并且被构造成以与所述脉冲信号同步的方式断开；和引入部，其被构造成以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件引入流过所述SPAD的输入电流，从而抑制所述输入电流流过所述SPAD。
根据本技术的第一方面，以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出所述脉冲信号，所述光接收信号表示光子入射在所述SPAD上。以插入的方式连接在所述SPAD与所述电阻部件之间的所述开关以与所述脉冲信号同步的方式接通。流过所述SPAD的所述输入电流以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件被引入。这抑制了所述输入电流流过所述SPAD。
根据本技术的第二方面，发射照明光，并且接收源自所述照明光的反射光。以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出所述脉冲信号，所述光接收信号表示光子入射在所述SPAD上。以插入的方式连接在所述SPAD与所述电阻部件之间的所述开关以与所述脉冲信号同步的方式接通。流过所述SPAD的所述输入电流以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件被引入。这抑制了所述输入电流流过所述SPAD。
本发明的有利效果
根据本技术的第一方面或第二方面，可以防止SPAD的死区时间延长或显着变化。结果，提高了通过使用SPAD进行距离测量的精度。
顺便提及，本说明书中陈述的有利效果仅仅是示例，并不限制本技术。可以存在源自本说明书并且本说明书未涵盖的其他有利效果。
附图说明
图1是示出了使用SPAD的像素的构造示例的电路图。
图2是示出了示例性阴极电位特性的曲线图。
图3是示意性地示出了阴极电位与光接收信号之间的关系的曲线图。
图4是示出了图1中的像素的等效电路的电路图。
图5是示出了在输入电流小于闭锁电流的情况下的示例性阴极电位特性的曲线图。
图6是示出了在输入电流小于闭锁电流的情况下的示例性SPAD电流特性的曲线图。
图7是示意性地示出了SPAD的耗尽层中的载流子变化的示意图。
图8是示出了在输入电流大于闭锁电流的情况下的示例性阴极电位特性的曲线图。
图9是示出了在输入电流大于闭锁电流的情况下的示例性SPAD电流特性的曲线图。
图10是示出了在产生余脉冲的情况下的示例性阴极电位特性的曲线图。
图11是示出了光接收信号的脉冲计数在时间方向上的示例性分布的曲线图。
图12是示出了光接收信号的相邻脉冲之间的时间间隔的示例性分布的曲线图。
图13是示出了应用本技术的摄像系统的实施例的框图。
图14是示出了摄像元件的构造示例的框图。
图15是示出了像素的构造示例的电路图。
图16是示出了像素的构造示例的截面图。
图17是示出了像素的布线的构造示例的平面图。
图18是说明像素的工作的时序图。
图19是示出了摄像系统的使用示例的示意图。
图20是示出了车辆控制系统的示意性构造示例的框图。
图21是辅助说明车外信息检测部和摄像部的安装位置的示例的图。
具体实施方式
下面描述用于实践本技术的优选实施方式(称为实施例)。根据下列标题给出描述：
1.闭锁电流和余脉冲的影响
2.实施例
3.变形例
4.摄像系统的使用示例
1.闭锁电流和余脉冲的影响
下面参照图1至图12简要描述在使用SPAD测量距离的情况下的闭锁电流和余脉冲的影响。
图1示出了摄像元件中的像素1的构造示例，该摄像元件通过使用SPAD的飞行时间(ToF：Time of Flight)方法来测量距离。
像素1包括SPAD 11、由P型MOSFET制成的晶体管12、以及输出部13。输出部13包括反相器21和22。
SPAD 11的阴极与晶体管12的源极和反相器21的输入端子连接。SPAD 11的阳极与电源Vspad(未示出)连接。晶体管12的漏极与电源Ve(未示出)连接。反相器21的输出端子与反相器22的输入端子连接。反相器21被供应电源Ve的操作电压。
例如，晶体管12的漏极由电源Ve设定为正电位Ve。例如，SPAD 11的阳极由电源Vspad设定为负电位Vspad。电源Ve和电源Vspad将等于或高于击穿电压Vbd的反向电压施加到SPAD 11，从而使SPAD 11进入盖革(Geiger)模式。当光子在盖革模式下进入SPAD 11时，发生雪崩倍增，并且电流流过SPAD 11。
晶体管12是在饱和区域中操作的电流源，并且用作执行被动灭弧(passivequenching)的灭弧电阻。也就是说，当在SPAD 11中发生雪崩倍增而导致电流流过SPAD 11时，电流也流过晶体管12，从而导致晶体管12的电阻部件产生电压降。这降低了SPAD 11的阴极电位Vs。当施加到SPAD 11的电压变得等于或低于击穿电压Vbd时，雪崩倍增停止。此后，通过雪崩倍增在SPAD 11中累积的载流子通过晶体管12放电。这使得阴极电位Vs能够恢复到接近初始电位Ve的水平，从而再次将SPAD 11设定为盖革模式。
输出部13输出表示光子入射在SPAD 11上的光接收信号PFout。
具体地，当输入电压等于或高于预定阈值电压Vth时，反相器21输出预定的低电平电压。当输入电压低于阈值电压Vth时，反相器21输出预定的高电平电压。因此，当光子进入SPAD 11而产生雪崩倍增，进而导致阴极电位Vs下降到低于阈值电压Vth时，反相器21的输出电压从低反转到高。另一方面，当SPAD 11中的雪崩倍增停止并且阴极电位Vs上升到等于或高于阈值电压Vth时，反相器21的输出电压从高反转到低。
反相器22通过使反相器21的输出电压反转并输出该输出电压来输出光接收信号PFout。因此，光接收信号PFout是低有源脉冲信号(Low-active pulse signal)。也就是说，当进入SPAD 11的光子产生雪崩倍增时，即，当SPAD 11检测到光子入射时，输出表示光子入射在SPAD 11上的低电平脉冲型光接收信号PFout。
图2示出了像素1的阴极电位Vs的示例性特性。
在时刻t1之前，阴极电位Vs近似等于电位Ve。利用施加到SPAD 11的等于或高于击穿电压Vbd的反向电压，将SPAD 11设定为盖革模式。
在时刻t1，进入SPAD 11的光子产生雪崩倍增，导致电流流过SPAD 11。这进而导致电流流过晶体管12，从而产生电压降并且阴极电位Vs降低。当阴极电位Vs下降到击穿电压Vbd+电位Vspad时，因为SPAD 11的施加电压达到击穿电压Vbd，所以雪崩倍增停止。此后，通过雪崩倍增在SPAD 11中累积的载流子通过晶体管12放电。这导致阴极电压Vs逐渐升高并最终恢复到电位Ve。
从光子进入SPAD 11的时刻t1到阴极电位Vs恢复到接近电位Ve的水平的时刻t2的时间段是SPAD 11无法检测光子入射的死区时间。死区时间越短，检测到的光子数量越多，结果，利用像素1执行的距离测量的精度越高。
图3示意性地示出了像素1的阴极电位Vs与光接收信号PFout之间的关系。
在时刻t11，光子进入SPAD 11，在SPAD 11中产生雪崩倍增并且使阴极电位Vs降低。当阴极电位Vs下降到低于阈值电压Vth时，反相器21的输出电压从低反转到高，并且反相器22的输出电压从高反转到低。也就是说，反相器22输出低有源光接收信号PFout。
然后，理想地，如实线所示，阴极电位Vs迅速地开始恢复。在阴极电位Vs达到阈值电压Vth的时刻t12，反相器21的输出电压从高反转到低，并且反相器22的输出电压从低反转到高。也就是说，反相器22停止输出低有源光接收信号PFout。
此后，阴极电位Vs恢复到接近电位Ve的水平，将SPAD 311再次设定为盖革模式，并且死区时间结束。然后，如在时刻t13和时刻t14所示，每当光子进入SPAD 11时，重复类似的操作。
然而，如稍后所述，由于SPAD 11的闭锁电流和余脉冲的影响，如图中的虚线所示，阴极电位Vs可能恢复缓慢，光接收信号PFout的脉冲宽度可能加宽，并且SPAD 11的死区时间可能延长。这导致计数率(即，连续读出的频率)下降。结果，像素1进行的距离测量的精度变差。
下面参照图4至图9说明SPAD 11的闭锁电流的影响。
图4示出了图1中的像素1的等效电路。在该等效电路中，SPAD 11由二极管元件Ds、内部电阻Rs和寄生电容Cs表示。晶体管12由电阻Rin表示。
二极管元件Ds的阴极经由内部电阻Rs而与电阻Rin和反相器21的输入端子连接。二极管元件Ds的阳极与电源Vspad的负端子连接。寄生电容Cs以插入的方式连接在反相器21的输入端子与二极管元件Ds的阳极之间。电源Ve的正端子经由电阻Rin而与反相器21的输入端子连接。电源Ve的负端子接地。电源Vspad的正端子接地。
为了简化，下面说明电源Vspad的电压Vspad等于二极管元件Ds的击穿电压Vbd的情况。因此，二极管元件Ds的阳极电位是-Vbd。
图5示出了在经由电阻Rin输入到SPAD 11的输入电流Iin(＝Ve/(Rin+Rs))小于SPAD 11的闭锁电流Iq的情况下的阴极电位Vs的示例性特性。图5还具有由点划线表示的反相器21的输出电压波形。图6示出了在输入电流Iin小于闭锁电流Iq的情况下的流过二极管元件Ds的电流Id的示例性特性。
在时刻t21，进入二极管元件Ds的光子在二极管元件Ds中产生雪崩倍增并导致电流流过二极管元件Ds。这进而导致电流流过电阻Rin，从而产生电压降并且阴极电位Vs降低。此时，使流过二极管元件Ds的电流Id最大化以达到Ve/Rs。此后，随着阴极电位Vs降低，电流Id减小。
图7中的子图A示意性地示出了在电流Id到达图6中的点A时发生在二极管元件Ds的耗尽层31中的情况。子图A的空心圆表示正载流子(空穴)，并且实心圆表示负载流子(电子)。如图所示，当电流Id到达点A时，耗尽层31中存在大量载流子。
此后，在输入电流Iin变得小于闭锁电流Iq的情况下，如图6所示，电流Id达到闭锁电流Iq。
图7中的子图B示意性地示出了在电流Id到达图6中的点B时(即，在电流Id达到闭锁电流Iq时)发生在二极管元件Ds的耗尽层31中的情况。如图所示，当电流Id达到闭锁电流Iq时，耗尽层31中存在很少的载流子。在这种情况下，会产生碰撞电离的载流子很少，使得雪崩倍增停止。如图7的子图C所示，实际上在耗尽层31中没有载流子，从而将二极管元件Ds的阻抗提高到非常高的水平。然后，如图6中的时刻t22处的点C所示，电流Id突然下降到近似等于输入电流Iin。此时，阴极电位Vs变成近似等于电阻Rs×闭锁电流Iq。
此后，通过雪崩倍增在寄生电容Cs中累积的载流子通过晶体管12放电。这导致阴极电位Vs恢复到接近初始电位Ve的水平。在时刻t23，死区时间结束。
这里，表明阴极电位Vs的恢复速度的时间常数τ由电阻Rin×寄生电容Cs表示。因此，电阻Rin越高，输入电流Iin越小，这减慢了阴极电位Vs的恢复速度。结果，SPAD 11的死区时间延长。
相反，电阻Rin越低，输入电流Iin越大，这提高了阴极电位Vs的恢复速度。结果，SPAD 11的死区时间缩短。然而，当输入电流Iin变成大于闭锁电流Iq时，死区时间延长。
图8示出了在输入电流Iin大于闭锁电流Iq的情况下的阴极电位Vs的示例性特性。图9示出了在输入电流Iin大于闭锁电流Iq的情况下的电流Id的示例性特性。
在时刻t31，进入二极管元件Ds的光子产生雪崩倍增，从而与图5的时刻t21的情况一样，阴极电位Vs降低。此时，使流过二极管元件Ds的电流Id最大化以达到Ve/Rs。
此后，阴极电位Vs的减小需要电流Id下降。利用大于闭锁电流Iq的输入电流Iin，电流Id变成近似等于输入电流Iin，但不会从输入电流Iin开始减小。因此，电流Id不会达到闭锁电流Iq。为此，二极管元件Ds的耗尽层31中存在大量载流子的状态继续存在。随着雪崩倍增缓慢停止，阴极电位Vs近似等于Ve×(Rs/(Rs+Rin))的状态继续存在。因此，阴极电位Vs需要时间才能恢复到电位Ve。因此，SPAD 11的死区时间延长并发生变化。
如上所述，对于像素1，必须使输入电流Iin小于SPAD 11的闭锁电流Iq。然而，使输入电流Iin太小会延迟阴极电位Vs的恢复并且会延长死区时间。
接着，参照图10至图12说明SPAD 11中的余脉冲的影响。
与图2一样，图10示出了像素1中的阴极电位的示例性特性。
在时刻t41，进入SPAD 11的光子产生雪崩倍增并且阴极电位Vs降低。
当阴极电位Vs下降到击穿电压Vbd+电位Vspad时，因为SPAD 11的施加电压达到击穿电压Vbd，所以雪崩倍增停止。此后，阴极电位Vs开始恢复，但是在产生余脉冲时，再次发生雪崩倍增，并且阴极电位Vs再次降低。当阴极电位Vs下降到击穿电压Vbd+电位Vspad时，因为SPAD 11的阳极对阴极电压达到击穿电压Vbd，所以雪崩倍增停止，并且阴极电位Vs再次开始恢复。
因此，如果不产生余脉冲，则阴极电位Vs会在时刻t42恢复到阈值电压Vth。如果产生了余脉冲，则阴极电位Vs恢复到阈值电压Vth的时间被延迟到时刻t43。显然，余脉冲的产生也会延长死区时间。
尽管图10示出了在死区时间内产生余脉冲的示例，但是在阴极电位Vs恢复到接近电位Ve的水平并且死区时间结束之后也可能产生余脉冲。在这种情况下，尽管没有光子入射在SPAD 11上，但还是会发生雪崩倍增。然后，阴极电位Vs下降到低于阈值电压Vth，并且输出光接收信号PFout。也就是说，错误地检测到光子。
图11示出了来自像素1的光接收信号PFout的示例性输出特性。具体地，图的横轴表示自发射用于距离测量的照射光起所经过的时间。图的纵轴表示指示光接收信号PFout的脉冲数的脉冲计数。也就是说，图11图示了光接收信号PFout的脉冲计数在时间方向上的示例性分布。
在该示例中，大约在1.5×10-9秒时，光接收信号PFout的脉冲数达到最大。因此，估计在自发射照射光起经过(1.5×10-9)/2秒的时间点存在某个物体。
同时，在光接收信号PFout的脉冲数在大约1.5×10-9秒时达到最大之后，如图11的虚线矩形F1所示，脉冲计数不会平滑地减少，而是明显地反复上升和下降。这主要归因于在死区时间之后产生余脉冲而导致光接收信号PFout的错误输出，尽管没有光子入射在SPAD11上。
顺便提及，余脉冲产生的概率取决于SPAD 11的耗尽层中的载流子浓度。因此，在进入SPAD 11的光子产生雪崩倍增之后，余脉冲产生的概率立即变得最大。此后，余脉冲产生的概率随时间以指数方式下降。因此，在大的输入电流Iin导致雪崩倍增停止之后，阴极电位Vs的恢复速度变得越高，余脉冲就越可能产生。
图12图示了像素1的光接收信号PFout的其他示例性输出特性。更具体地，图12示出了光接收信号PFout的相邻脉冲之间的时间间隔的示例性分布。图12中的上曲线图和下曲线图的横轴表示光接收信号PFout的相邻脉冲之间的时间间隔。这两个曲线图的纵轴表示总计脉冲到脉冲时间间隔的计数。上曲线图示出了在产生大量余脉冲的情况下的光接收信号PFout的相邻脉冲之间的时间间隔的分布。下曲线图图示了在产生少量余脉冲的情况下的光接收信号PFout的相邻脉冲之间的时间间隔的分布。此外，上曲线图和下曲线图中的虚线波形表示光接收信号PFout的相邻脉冲之间的时间间隔的图形分布的理想梯度。
在产生少量余脉冲的情况下，光接收信号PFout的脉冲到脉冲时间间隔的计数例如大约在100ns时达到最大。估计该时间点接近SPAD 11的死区时间。计数在小于100ns时近似为0。在100nm以后，计数以近似线性的方式减少。
另一方面，在产生大量余脉冲的情况下，在小于100nm时的计数比在100nm时的计数高。如虚线矩形F2所示，随着时间间隔逐步缩短，计数以指数的方式增加。估计这种增长归因于：尽管没有光子入射在SPAD 11上，但是在死区时间结束之后立即产生大量的余脉冲，以触发光接收信号PFout的输出。
2.实施例
下面参照图13至图18说明本技术的实施例。
<摄像系统的构造示例>
图13是示出了作为本技术的实施例的摄像系统101的框图。例如，摄像系统101使用ToF方法拍摄距离图像。这里，距离图像由基于每个像素检测到的物体在深度方向上远离摄像系统101的距离的距离像素信号构成。
摄像系统101包括照明装置111和摄像装置112。
照明装置111包括照明控制部121和光源122。
照明控制部121在摄像装置112中的控制部132的控制下控制光源122发射照射光的模式。具体地，照明控制部121根据从控制部132供应的照射信号中所包括的照射代码来控制光源122发射照射光的模式。例如，照射代码由1(高)和0(低)这两个值组成。当照射代码的值为1时，照明控制部121打开光源122。当照射代码的值为0时，照明控制部121关闭光源122。
光源122在照明控制部121的控制下发射预定波长带的光(照射光)。例如，光源122由红外激光二极管构成。顺便提及，根据摄像系统101的目的，可以根据需要设定光源122的类型和照射光的波长带。
例如，摄像装置112是接收反射光的摄像装置112，该反射光是被物体102和103反射的照射光。摄像装置112包括摄像部131、控制部132、显示部133和存储部134。
摄像部131包括透镜141、摄像元件142和信号处理电路143。
透镜141在摄像元件142的摄像平面上形成入射光的图像。透镜141可以根据需要被构造。例如，透镜141可以被构造有多组透镜。
例如，摄像元件142被构造有使用SPAD的互补金属氧化物半导体(CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器。在控制部132的控制下，摄像元件142拍摄物体102和103的图像，并且将从拍摄获得的像素信号供应给信号处理电路143。例如，像素信号由从每个像素输出的光接收信号PFout形成。
信号处理电路143在控制部132的控制下对从摄像元件142供应的像素信号进行处理。例如，基于来自摄像元件142的像素信号，信号处理电路143逐个像素地检测到物体的距离，以产生表示从每个像素到物体的距离的距离图像。具体地，包括在信号处理电路143中的计时器多次(例如，成千上万次)测量在光源122发射光之后摄像元件142的每个像素接收光所需的时间段。信号处理电路143制备对应于测量时间的直方图。通过检测直方图的峰值，信号处理电路143确定光源122照射的光在被物体102或103反射之后返回所需的时间。此外，信号处理电路143基于确定的时间和光速进行计算以获得到物体的距离。信号处理电路143将如此产生的距离图像供应给控制部132。
例如，控制部132由控制电路和处理器(例如，现场可编程门阵列(FPGA：FieldProgrammable Gate Array)和数字信号处理器(DSP：Digital Signal Processor))构成。控制部132控制照明控制部121、摄像元件142和信号处理电路143。具体地，控制部132在将照射信号馈送到照明控制部121的时候同时向信号处理电路143的计时器供应信号，以开始测量时间。响应于照射信号，光源122发射照射光。计时器根据用于开始时间测量的信号开始测量时间，并且在收到照射光从而接收到从摄像元件142供应的像素信号时停止测量时间。此外，控制部132向显示部133供应从摄像部131获得的距离图像，从而使显示部133显示距离图像。此外，控制部132将从摄像部131获得的距离图像存储到存储部134中。另外，控制部132将从摄像部131获得的距离图像输出到外部。
例如，显示部133由诸如液晶显示装置或有机电致发光(EL：ElectroLuminescence)显示装置等面板型显示装置构成。
例如，存储部134可以由适当的存储装置和存储介质构成，并且存储部134存储距离图像。
<摄像元件142的构造示例>
图14示出了摄像元件142的构造示例。
摄像元件142包括像素阵列部201、垂直驱动部202、列处理部203、水平驱动部204、系统控制部205、像素驱动线206、垂直信号线207、信号处理部208、以及数据存储部209。
像素阵列部201由多个用于检测入射光子并输出表示检测结果的像素信号的像素构成。例如，在图中，构成像素阵列部201的像素水平地(沿行方向)并垂直地(沿列方向)排列着。
在像素阵列部201中，例如，沿行方向排列的每行像素与像素驱动线206连线，并且沿列方向排列的每列像素与垂直信号线207连线。
例如，垂直驱动部202由移位寄存器和地址解码器构成。垂直驱动部202通过多条像素驱动线206向像素供应信号。这样，垂直驱动部202例如同时或以行为单位驱动像素阵列部201的所有像素。
列处理部203经由垂直信号线207读取来自像素阵列部201中的每列像素的信号。然后，列处理部203通过执行诸如噪声抑制、相关双采样和模数(A/D：Analog to Digital)转换等处理来产生像素信号。
例如，水平驱动部204由移位寄存器和地址解码器构成。水平驱动部204依次选择列处理部203中与像素列对应的单位电路。水平驱动部204的选择性扫描使得由列处理部203中的每个单位电路处理过的像素信号顺序地输出到信号处理部208。
例如，系统控制部205由产生各种时序信号的时序发生器构成。基于由时序发生器产生的时序信号，系统控制部205对垂直驱动部202、列处理部203和水平驱动部204执行驱动控制。
信号处理部208根据需要将数据临时存储到数据存储部209中。这样，信号处理部208对从列处理部203供应的像素信号执行诸如算术处理等信号处理，以便输出由像素信号构成的图像信号。
<像素的构造示例>
图15至图17示出了构成摄像元件142中的像素阵列部201的单位像素301(以下简称为像素301)的构造示例。
图15是示出了像素301的构造示例的电路图。在图15中，与图1中的像素1的部件对应的部件共用其附图标记的相同的最后两位数字。
像素301包括SPAD 311、由P型MOSFET形成的晶体管312、输出部313、脉冲生成部314、开关315和由N型MOSFET构成的晶体管316。输出部313包括反相器321和322。
SPAD 311的阴极经由开关315与晶体管312的源极连接，SPAD 311的阴极与反相器321的输入端子连接，并且SPAD 311的阴极与晶体管316的漏极连接。因此，开关315插在SPAD 311与晶体管312之间。更具体地，开关315以插入的方式设置在如下的分支点与晶体管312之间，来自SPAD 311的阴极的信号线从该分支点在晶体管312的方向上并在反相器321的方向上分支。SPAD 311的阳极与电源Vspad(未示出)连接。晶体管312的漏极与电源Ve(未示出)连接。反相器321的输出端子与反相器322的输入端子连接。反相器321被供应电源Ve的操作电压。反相器322的输出端子与脉冲生成部314的输入端子连接。脉冲生成部314的输出端子与开关315的控制端子连接并与晶体管316的栅极连接。晶体管316的源极接地。
例如，晶体管312的漏极由电源Ve设定为正电位Ve。例如，SPAD 311的阳极由电源Vspad设定为负电位Vspad。电源Ve和电源Vspad将等于或高于击穿电压Vbd的反向电压施加到SPAD 311，从而使SPAD 311进入盖革模式。当光子在盖革模式下进入SPAD 311时，发生雪崩倍增并且电流流过SPAD 311。
晶体管312是在饱和区域中操作的电流源，并且用作执行被动灭弧的灭弧电阻。也就是说，当在SPAD 311中发生雪崩倍增而导致电流流过SPAD 311时，电流也流过晶体管312，从而导致晶体管312的电阻部件产生电压降。这降低了SPAD 311的阴极电位Vs。当施加到SPAD 311的电压变成等于或低于击穿电压Vbd时，雪崩倍增停止。此后，通过雪崩倍增在SPAD 311中累积的载流子通过晶体管312放电。这使得阴极电位Vs能够恢复到接近初始电位Ve的水平，从而再次将SPAD 311设定为盖革模式。
输出部313输出表示光子入射在SPAD 311上的光接收信号PFout。
具体地，当输入电压等于或高于预定阈值电压Vth时，反相器321输出预定的低电平电压。当输入电压低于阈值电压Vth时，反相器321输出预定的高电平电压。因此，当光子进入SPAD 311而产生雪崩倍增，进而导致阴极电位Vs下降到低于阈值电压Vth时，反相器321的输出电压从低反转到高。另一方面，当SPAD 311中的雪崩倍增停止并且阴极电位Vs上升到等于或高于阈值电位Vth时，反相器321的输出电压从高反转到低。
反相器322通过使反相器321的输出电压反转并输出该输出电压来输出光接收信号PFout。因此，光接收信号PFout是低有源脉冲信号。也就是说，当进入SPAD 311的光子产生雪崩倍增时，即，当SPAD 311检测到光子入射时，输出表示光子入射在SPAD 311上的低电平脉冲型光接收信号PFout。光接收信号PFout是从像素301输出的像素信号。
顺便提及，输出部313不限于具有反相器321和反相器322的构造。输出部313可以根据需要被构造，只要它能够输出光接收信号PFout。例如，反相器321可以用由P型MOSFET构成的晶体管代替。
脉冲生成部314以与光接收信号PFout的输出同步的方式输出预定宽度的脉冲信号Pc。更具体地，脉冲生成部314在检测到光接收信号PFout时(即，在脉冲型光接收信号PFout的边缘下降时)输出预定宽度的脉冲信号Pc。
开关315以与来自脉冲生成部314的脉冲信号Pc同步的方式断开。更具体地，开关315在输入脉冲信号Pc的时段内断开，并且在其他时段内接通。开关315的示例是组合NMOS晶体管和PMOS晶体管的互补开关(complementary switch)。开关315不限于互补开关，并且可替代地，开关315可以被构造有多个晶体管。开关315可以有许多其他的替代构造，只要它们允许电流的连接和断开。
晶体管316构成引入部(pull-in section)，该引入部经由晶体管312引入流过SPAD 311的输入电流Iin，以便抑制输入电流Iin流向SPAD 311。晶体管316以与来自脉冲生成部314的脉冲信号Pc同步的方式导通。更具体地，晶体管316在脉冲信号Pc被输入到栅极的时段内导通，并在其他时段内截止。
最初，需要晶体管316将阴极电位Vs引到地面。当晶体管316以与脉冲信号同步的方式进行操作时，晶体管316可以用于稍后讨论的余脉冲对策，而无需添加新的电路部件。另外，单个开关(即，晶体管316)可以用作用于阻止电流通向未使用的像素301的开关，或者用作用于抑制余脉冲产生的开关。也就是说，在无需添加新的电路部件的情况下，可以通过用于余脉冲对策的一个开关同时实现两个目的。
摄像元件142中的像素阵列部201可以是层叠型像素阵列部。例如，SPAD 311可以形成在第一半导体基板上，并且晶体管312、输出部313、脉冲生成部314、开关315和晶体管316形成在第二半导体基板上，该第二半导体基板层叠在第一半导体基板上。这种构造扩大了SPAD 311的光接收区域，从而允许接收更多的光子。该构造还为每个像素的尺寸提供了精细化设计，使得可以产生高分辨率的距离图像。顺便提及，可以根据需要改变在第一半导体基板和第二半导体基板上形成的部件。例如，晶体管312可以形成在第一半导体基板上。
图16是示出了像素301的构造示例的截面图。图17是示出了像素301的布线层的构造示例的平面图。
如图16所示，摄像元件142具有如下的多层结构：其中，传感器板331、传感器侧布线层332和逻辑侧布线层333依次层叠着。逻辑电路板(未示出)层叠在逻辑侧布线层333上。例如，形成在逻辑电路板上的是图14中的垂直驱动部202、列处理部203、水平驱动部204、系统控制部205、信号处理部208和数据存储部209以及图15中的晶体管312、输出部313、脉冲生成部314、开关315和晶体管316。例如，摄像元件142是通过如下的方法制造的：在将传感器侧布线层332和逻辑侧布线层333在接合表面(由图16中的虚线所示)之上接合在一起之前，将传感器侧布线层332形成在传感器板331上并将逻辑侧布线层333形成在逻辑电路板上。
例如，传感器板331是由单晶硅薄片形成的半导体基板。在该基板上，控制p型或n型杂质的浓度。在每个像素301中形成SPAD 311。在图16中，传感器板331的底表面是光接收表面。传感器侧布线层332层叠在与光接收表面相反的顶表面上。
形成在传感器侧布线层332和逻辑侧布线层333中的是用于向SPAD 311供应电压的布线以及用于从传感器板331中拉出由SPAD 311产生的电子的布线等。
SPAD 311构造有形成在传感器板331中的N阱341、P型扩散层342、N型扩散层343、空穴存储层344、钉扎层345和高浓度P型扩散层346。在SPAD 311中，雪崩倍增区域347由在P型扩散层342和N型扩散层343彼此连接的区域中产生的耗尽层形成。
N阱341是通过将传感器板331中的杂质浓度控制为n型而被形成的。N阱341产生电场，该电场将由SPAD 311中的光电转换产生的电子传输到雪崩倍增区域347。可替代地，可以用P阱代替N阱341，该P阱是通过将传感器板331中的杂质浓度控制为p型而被形成的。
位于传感器板331的表面附近的P型扩散层342是形成在N型扩散层343的后侧(图16中的底侧)的高浓度P型扩散层(P+)。P型扩散层342被构造成大致覆盖SPAD 311的整个表面。
位于传感器板331的表面附近的N型扩散层343是形成在P型扩散层342的表面侧(图16中的顶侧)的高浓度N型扩散层(N+)。N型扩散层343被构造成大致覆盖SPAD 311的整个表面。另外，N型扩散层343形成为到达传感器板331的表面侧的部分凹入形状，以便与接触电极361连接，接触电极361供应负电压以产生雪崩倍增区域347。
空穴存储层344是P型扩散层(P)，其形成为包围N阱341的侧表面和底表面并存储空穴。此外，空穴存储层344与SPAD 311的阳极电气连接，以允许偏置调节。这提高了空穴存储层344中的空穴浓度以增强包括钉扎层345的钉扎，从而例如抑制暗电流的产生。
钉扎层345是形成在空穴存储层344外部的表面(即，与传感器板331的后侧和绝缘膜352接触的侧表面)上的高浓度P型扩散层(P+)。与空穴存储层344一样，钉扎层345抑制了例如暗电流的产生。
位于传感器板331的表面附近的高浓度P型扩散层346是以包围N阱341外周的方式形成的高浓度P型扩散层(P++)。高浓度P型扩散层346用于与接触电极362连接，接触电极362将空穴存储层344与SPAD 311的阳极电气连接。
雪崩倍增区域347是通过施加到N型扩散层343的大的负电压而在P型扩散层342与N型扩散层343之间的边界表面之上形成的高电场区域。雪崩倍增区域347使由进入SPAD311的光子产生的电子(e-)增加。
另外，在摄像元件142中，相邻的SPAD 311通过插入双结构的像素至像素间隔部(pixel-to-pixel separation section)353而彼此隔离并隔开，像素至像素间隔部353包括金属膜351和绝缘膜352。例如，像素至像素间隔部353以从传感器板331的后侧穿透到表面侧的方式被形成。
金属膜351由光反射金属(例如，钨)形成。绝缘膜352是具有绝缘性质的膜，例如SiO2膜。例如，像素至像素间隔部353形成有以金属膜351的表面被绝缘膜352覆盖的方式嵌入传感器板331中的金属膜351。如此形成的像素至像素间隔部353将相邻的SPAD 311彼此电气隔开并且光学隔开。
形成在传感器侧布线层332中的是接触电极361～363、金属布线364～366、接触电极367～369、以及金属焊盘370～372。
接触电极361将N型扩散层343与金属布线364连接。接触电极362将高浓度P型扩散层346与金属布线365连接。接触电极363将金属膜351与金属布线366连接。
例如，如图17所示，金属布线364形成为至少覆盖雪崩倍增区域347，即，形成为比雪崩倍增区域347宽。如图16中的空心箭头所示，金属布线364将透过SPAD 311的光反射到SPAD 311中。
例如，如图17所示，金属布线365以包围金属布线364的外周并与高浓度P型扩散层346重叠的方式形成。例如，如图17所示，金属布线366形成为在像素301的四个角部处与金属膜351连接。
接触电极367将金属布线364与金属焊盘370连接。接触电极368将金属布线365与金属焊盘371连接。接触电极369将金属布线366与金属焊盘372连接。
金属焊盘370～372分别用于与形成在逻辑侧布线层333中的金属焊盘391～393电气接合和机械接合，该接合是通过使用构成焊盘的金属(Cu)实现的。
形成在逻辑侧布线层333中的是电极焊盘381～383、绝缘层384、接触电极385～390、以及金属焊盘391～393。
电极焊盘381～383分别用于与逻辑电路板(未示出)连接。绝缘层384使电极焊盘381～383彼此绝缘。
接触电极385和386将电极焊盘381与金属焊盘391连接。接触电极387和388将电极焊盘381与金属焊盘392连接。接触电极389和390将电极焊盘383与金属焊盘393连接。
金属焊盘391与金属焊盘370接合。金属焊盘392与金属焊盘371接合。金属焊盘393与金属焊盘372接合。
在上述的布线结构中，电极焊盘381例如经由接触电极385和386、金属焊盘391和370、接触电极367、金属布线364、以及接触电极361而与N型扩散层343连接。因此，在像素301中，施加到N型扩散层343的高的负电压是从逻辑电路板供应给电极焊盘381。
另外，电极焊盘381被构造成经由接触电极387和388、金属焊盘392和371、接触电极368、金属布线365、以及接触电极362而与高浓度P型扩散层346连接。因此，在像素301中，与空穴存储层344电气连接的SPAD 311的阳极与电极焊盘381连接。这允许经由电极焊盘381对空穴存储层344进行偏置调节。
另外，电极焊盘383被构造成经由接触电极389和390、金属焊盘393和372、接触电极369、金属布线366、以及接触电极363而与金属膜351连接。因此，在像素301中，从逻辑电路板供应给电极焊盘383的偏压被施加到金属膜351。
如上所述，在像素301中，金属布线364形成为至少覆盖雪崩倍增区域347，即，形成为比雪崩倍增区域347宽。另外，金属膜351以穿透传感器板331的方式被形成。也就是说，像素301被构造成使金属布线364和金属膜351完全包围SPAD 311，除了SPAD 311的光反射结构中的光入射平面。由于金属布线364和金属膜351反射光的效果，因此该结构使像素301能够防止光学串扰(cross-talk)的产生。这同时提高了SPAD 311的灵敏度。
另外，像素301被构造成使空穴存储层344包围N阱341的侧表面和底表面，并且像素301被构造成将空穴存储层344与SPAD 311的阳极电气连接，从而实现偏置调节。此外，像素301具有施加到像素至像素间隔部353的金属膜351的偏压，以便在雪崩倍增区域347中产生用于辅助载流子的电场。
如上所述构造的像素301可以防止串扰的产生，并可以提高SPAD 311的灵敏度。结果，改善了像素特性。
<像素的工作>
接着，参照图18的时序图，说明像素301的工作。
在时刻t101之前，阴极电位Vs近似等于电位Ve。利用施加到SPAD 311的等于或高于击穿电压Vbd的反向电压，SPAD 311被设定为盖革模式。
在时刻t101，进入SPAD 311的光子产生雪崩倍增，从而导致电流流过SPAD 311。这进而导致电流流过晶体管312，从而产生电压降并且阴极电位Vs降低。当阴极电位Vs下降到低于阈值电压Vth时，反相器321的输出电压从低反转到高，并且反相器322的输出电压从高反转到低。也就是说，反相器322输出低有源光接收信号PFout。
脉冲生成部314在检测到光接收信号PFout时输出预定宽度的脉冲信号Pc。
脉冲信号Pc被输入到开关315的控制端子。在输入脉冲信号Pc的同时，开关315断开。这阻断了输入电流Iin输入到SPAD 311的路径。也就是说，脉冲信号Pc以与光接收信号PFout的输出同步的方式被输出。开关315以与脉冲信号Pc同步的方式断开。这阻断了流过SPAD 311的电流。
另外，脉冲信号Pc被输入到晶体管316的栅极。在脉冲信号Pc被输入到栅极的同时，晶体管316导通。这导致输入电流Iin流过的路径从SPAD 311转变到晶体管316。也就是说，输入电流Iin被引入晶体管316中，使得能够抑制输入电流Iin流向SPAD 311。换言之，脉冲信号Pc以与光接收信号PFout的输出同步的方式输出，并且晶体管316以与脉冲信号Pc同步的方式接通，从而引入输入电流Iin。这抑制了电流流过SPAD 311。
如上所述，开关315能够阻断电流流过SPAD 311，并且晶体管316能够抑制电流流过SPAD 311。这导致不论输入电流Iin的大小，流过SPAD 311的电流都会变成小于闭锁电流Iq，从而实际上从SPAD 311的耗尽层内部消除了载流子。这进而使SPAD 311中的雪崩倍增停止，并提高了SPAD 311的阻抗。
在阻断或抑制电流流过SPAD 311的同时，可以抑制余脉冲的产生。如上所述，在SPAD 311中产生雪崩倍增之后产生余脉冲的概率立即达到最大，并且此后，所述概率随着时间以指数的方式减小。因此，在SPAD 311中产生雪崩倍增之后立即抑制余脉冲产生的情况下，余脉冲产生的概率显著降低。通过如此抑制的余脉冲产生，可以防止死区时间延长或变化。此外，可以抑制对入射在SPAD 311上的光子的错误检测。
此后，脉冲信号Pc截止，开关315接通，并且晶体管316截止。这使得电流能够开始流过SPAD 311。当通过雪崩倍增在SPAD 311中累积的载流子通过晶体管312放电时，阴极电位Vs升高。
在时刻t102，阴极电位Vs达到阈值电压Vth。这导致反相器321将其输出电压从高反转到低，并且导致反相器322将其输出电压从低反转到高。也就是说，停止从反相器322输出光接收信号PFout。
此后，阴极电位Vs恢复到接近初始电位Ve的水平，从而再次将SPAD 311设定为盖革模式，并终止死区时间。也就是说，在没有输入脉冲信号Pc时，开关315接通，并且晶体管316截止。这导致电流被连续地供应给SPAD 311，从而使SPAD 311能够响应于光子入射而可靠地输出光接收信号。
然后，如在时刻t103和时刻t104所示，每当光子进入SPAD 311时，重复类似的操作。
如上所述，不论输入电流Iin的大小，像素301都能可靠地停止雪崩倍增。这使输入电流Iin能够更大并使死区时间比之前更短。
因为余脉冲产生的概率显著降低，所以可以防止死区时间延长或变化。此外，可以抑制对入射在SPAD 311上的光子的错误检测。因为能够防止死区时间延长，所以每单位时间执行距离测量的次数增加。结果，减小了噪声分量在距离测量所需的分量中的比例。
此外，SPAD 311的阴极电位只是瞬间进入浮动状态。因此，抗噪声性能下降得很小。
因此，提高了对进入SPAD 311的光子进行检测的精度。结果，提高了距离测量的精度。
上述有利效果仅仅是示例，并且不限制本技术。可能存在从本说明书中派生并且本说明书未涵盖的其他有利效果。
3.变形例
下面，说明本技术的上述实施例的一些变形例。
例如，可以用电阻器代替像素301中的晶体管312。
作为另一示例，可以省略像素301中的开关315或晶体管316。
作为又一示例，引入输入电流Iin的引入部可以与晶体管316不同地构造。
作为再一示例，来自像素301的光接收信号PFout可以是高有源信号。
例如，已经说明了信号处理电路143产生距离图像。可替代地，摄像元件142可以在内部产生距离图像，并且可以输出距离图像。
例如，还说明了将本技术应用到摄像元件以获得距离图像。可替代地，该技术可以应用到如下的摄像元件：该摄像元件包括彩色滤光片并且被构造成获得图片以用于摄像目的。
4.摄像系统的使用示例
图19是示出了上述摄像系统101的使用示例的示意图。
上述的摄像系统101可以以各种方式在例如如下所述的对包括可见光、红外线、紫外线辐射或X射线的各种类型的光进行感测的情况中使用。
-拍摄用于视觉欣赏的图像的设备的情况，例如数码相机和配备有照相机功能的移动电话等。
-用于车辆交通领域的设备的情况，包括：车载传感器，其拍摄车辆的前侧、后侧、周围环境和内部的图像，以确保诸如自动停车等安全操作并识别驾驶员的状态；监控过往车辆及其行驶的道路的监控摄像机；以及用于测量车辆之间的距离的距离测量传感器。
-拍摄用户的姿态的图像以便以反射该姿态的方式操作诸如电视机、冰箱和空调等家用电器的设备的情况。
-用于医疗保健领域的设备的情况，例如内窥镜和使用接收到的红外辐射来拍摄血管图像的仪器等。
-用于安保领域的设备的情况，例如用于预防犯罪的监控摄像机和用于个人认证的照相机等。
-用于美容护理领域的设备的情况，例如皮肤测量仪和用于拍摄头皮图像的显微镜等。
-用于运动领域的设备的情况，例如运动相机和可穿戴式照相机等。
-用于农业领域的设备的情况，例如用于监控田地和农作物的监控摄像机。
<移动体的应用示例>
本发明的技术(本技术)可以应用到各种产品。例如，本技术可以被实现为安装在以下移动体上的装置，这些移动体例如是：汽车、电动汽车、混合动力电动汽车、摩托车、自行车、个人移动设备(personal mobility device)、飞机、无人机、船舶和机器人等。
图20是示出了作为能够应用根据本发明的实施例的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示意性构造示例的框图。
车辆控制系统12000包括通过通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图20所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元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，微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053被图示为集成控制单元12050的功能性构造。
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设备的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作如下设备的控制装置：用于产生车辆的驱动力的驱动力产生设备，例如内燃机或驱动电机等；用于将驱动力传递到车轮的驱动力传递机构；用于调节车辆的转向角的转向机构；以及用于产生车辆的制动力的制动设备等。
车身系统控制单元12020根据各种程序控制设置在车身上的各种设备的操作。例如，车身系统控制单元12020用作下如下设备的控制装置：无钥匙进入系统；智能钥匙系统；电动车窗装置；或者诸如车头灯、倒车灯、刹车灯、转向信号灯或雾灯等各种灯。在这种情况下，能够将从代替钥匙的移动设备发送的无线电波或各种开关的信号输入到车身系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并且控制车辆的门锁装置、电动车窗装置、或灯等。
车外信息检测单元12030检测与包括车辆控制系统12000的车辆外部有关的信息。例如，车外信息检测单元12030与摄像部12031连接。车外信息检测单元12030使摄像部12031拍摄车辆外部的图像，并且车外信息检测单元12030接收所拍摄的图像。基于所接收到的图像，车外信息检测单元12030可以执行对诸如人类、车辆、障碍物、标志、或路面上的文字等物体进行检测的处理或执行到上述物体的距离的检测处理。
摄像部12031是用于接收光并且输出与接收到的光的光量对应的电信号的光学传感器。摄像部12031能够将该电信号作为图像输出，或者能够将该电信号作为与测量的距离有关的信息输出。此外，由摄像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等非可见光。
车内信息检测单元12040检测与车辆内部有关的信息。例如，车内信息检测单元12040与用于检测驾驶员状态的驾驶员状态检测部12041连接。例如，驾驶员状态检测部12041包括用于拍摄驾驶员的照相机。基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳程度或驾驶员的集中程度，或者可以判定驾驶员是否正在打瞌睡。
基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的与车辆外部或内部有关的信息，微型计算机12051能够计算驱动力产生设备、转向机构或制动设备的控制目标值，并且微型计算机12051能够向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051能够执行旨在实现先进驾驶员辅助系统(ADAS：advanced driver assistancesystem)的功能的协同控制，所述功能包括：车辆碰撞规避或车辆冲击缓和、基于车间距离的跟车行驶、车速保持行驶、车辆的碰撞警告、或车辆的偏离车道警告等。
此外，基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的与车辆外部或内部有关的信息，微型计算机12051能够通过控制驱动力产生设备、转向机构或制动设备等而执行旨在实现自动驾驶等的协同控制，自动驾驶使车辆自主行驶而不必依赖于驾驶员的操作。
此外，基于由车外信息检测单元12030获得的与车辆外部有关的信息，微型计算机12051能够向车身系统控制单元12020输出控制命令。例如，根据由车外信息检测单元12030检测到的前方车辆或对面车辆的位置来控制前灯以便从远光灯改变到近光灯，微型计算机12051能够执行旨在防止眩目的协同控制。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一者的输出信号传输到输出设备，该输出设备能够在视觉上或在听觉上将信息通知到车辆的乘客或车辆外部。在图20的示例中，音频扬声器12061、显示部12062和仪表板12063被图示为输出设备。例如，显示部12062可以包括车载显示器和平视显示器(head-up display)中的至少一者。
图21是示出了摄像部12031的安装位置的示例的图。
在图21中，车辆12100包括作为摄像部12031的摄像部12101、12102、12103、12104和12105。
例如，摄像部12101、12102、12103、12104和12105被设置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门上的位置处以及车内挡风玻璃的上部上的位置处。设置到前鼻处的摄像部12101和设置到车内挡风玻璃的上部处的摄像部12105主要获得车辆12100前方的图像。设置到侧视镜处的摄像部12102和12103主要获得车辆12100两侧的图像。设置到后保险杠或后门处的摄像部12104主要获得车辆12100后方的图像。由摄像部12101和12105获得的前方图像主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志、或车道等。
顺便提及，图21示出了摄像部12101～12104的拍摄范围的示例。摄像范围12111表示设置到前鼻处的摄像部12101的摄像范围。摄像范围12112和12113分别表示设置到侧视镜处的摄像部12102和12103的摄像范围。摄像范围12114表示设置到后保险杠或后门处的摄像部12104的摄像范围。例如，通过将由摄像部12101～12104拍摄的图像数据进行叠加，可以获得从上方观看的车辆12100的鸟瞰图像。
摄像部12101～12104中的至少一者可以具有获得距离信息的功能。例如，摄像部12101～12104中的至少一者可以是由多个摄像元件构成的立体照相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
例如，基于从摄像部12101～12104获得的距离信息，微型计算机12051能够确定到摄像范围12111～12114内的各个三维物体的距离以及该距离随时间的变化(相对于车辆12100的相对速度)，从而特别地，将存在于车辆12100的行驶路径上且在与车辆12100大致相同的方向上以预定速度(例如，等于或大于0km/h)行驶的最靠近的三维物体提取为前方车辆。此外，微型计算机12051能够预先设定与前方车辆前方要保持的跟车距离，并且能够执行自动制动控制(包括跟车停止控制)、或自动加速控制(包括跟车启动控制)等。因此，可以执行旨在实现不依赖于驾驶员的操作而使车辆自主行驶的自动驾驶等的协同控制。
例如，基于从摄像部12101～12104获得的距离信息，微型计算机12051能够将关于三维物体的三维物体数据分类成两轮车辆、标准尺寸车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体的三维物体数据，能够提取分类后的三维物体数据，并且能够使用所提取的三维物体数据来自动规避障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员能够视觉识别的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051判断用于指示与各个障碍物发生碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设定值并因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051通过音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并且通过驱动系统控制单元12010执行强制减速或规避转向。由此，微型计算机12051能够辅助驾驶以避免碰撞。
摄像部12101～12104中的至少一者可以是用于检测红外线的红外照相机。例如，微型计算机12051能够通过判定摄像部12101～12104的拍摄图像中是否存在行人来识别行人。例如，这种行人识别是通过如下过程执行的：提取作为红外照相机的摄像部12101～12104的拍摄图像中的特征点，并且通过对表示物体轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理来判定该物体是否是行人。当微型计算机12051判定摄像部12101～12104的拍摄图像中存在行人并且因此识别出该行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得在识别出的行人上叠加地显示用于强调的矩形轮廓线。声音/图像输出部12052也可以控制显示部12062，使得在期望的位置处显示表示行人的图标等。
以上说明了能够应用本发明的技术的车辆控制系统的示例。该技术可以应用到上述部件中的摄像部12031。具体地，可以采用图13中的摄像系统101作为摄像部12031。例如，摄像部12031是用于检测车辆12100附近的物体以及到这些物体的距离的LIDAR传感器。将本发明的技术应用到摄像部12031可以提高对车辆12100附近的物体以及到这些物体的距离进行检测的精度。结果，以适当时机的方式发出关于车辆与障碍物即将发生碰撞的警告，从而有助于防止交通事故。
在本说明书中，术语“系统”是指多个部件(例如，装置或模块(零件))的集合体。所有部件是否都封装在同一外壳内并不重要。因此，系统可以构造有封装在不同外壳内并且通过网络互相连接的多个装置，或者系统可以构造有将多个模块封装在单个外壳内的单个装置。
本技术的实施例不限于上述实施例，并且可以在本技术的范围内对本技术的实施例进行各种变型或改变。
此外，本技术可以优选地构造如下：
(1)一种摄像装置，其包括：
像素阵列部(201)，所述像素阵列部中排列着像素部，每个所述像素部包括：
SPAD(单光子雪崩光电二极管)(311)；
电阻部件(312)，所述电阻部件被构造成与所述SPAD(311)串联连接；
输出部(313)，所述输出部被构造成输出表示光子入射在所述SPAD(311)上的光接收信号；以及
脉冲生成部(314)，所述脉冲生成部被构造成以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出脉冲信号；
其中，每个所述像素部还包括以下部件中的至少一者：开关(315)，所述开关被构造成以插入的方式连接在所述SPAD(311)与所述电阻部件(312)之间，并且被构造成以与所述脉冲信号同步的方式断开；和引入部(316)，所述引入部被构造成以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件(312)引入流过所述SPAD(311)的输入电流，从而抑制所述输入电流流过所述SPAD(311)。
(2)如上面第(1)段所述的摄像装置，其中，当输入所述脉冲信号时，所述开关(315)断开，并且当不输入所述脉冲信号时，所述开关(315)接通。
(3)如上面第(1)段或第(2)段所述的摄像装置，其中，所述开关(315)以插入的方式连接在所述SPAD(311)的阴极与所述电阻部件之间。
(4)如上面第(3)段所述的摄像装置，其中，所述开关(315)以插入的方式连接在如下的分支点与所述电阻部件(312)之间，来自所述SPAD(311)的所述阴极的信号线从所述分支点沿所述电阻部件(312)的方向延伸并且沿所述输出部的方向延伸。
(5)如上面第(1)～(4)段中任一段所述的摄像装置，其中，当输入所述脉冲信号时，所述引入部(316)引入所述输入电流，并且当不输入所述脉冲信号时，所述引入部(316)不引入所述输入电流。
(6)如上面第(5)段所述的摄像装置，其中，所述引入部(316)包括晶体管，所述晶体管被构造成以插入的方式连接在所述SPAD(311)的所述阴极与地面之间，所述晶体管的栅极接收所述脉冲信号的输入。
(7)如上面第(1)～(6)段中任一段所述的摄像装置，其中，所述脉冲生成部(314)在检测到所述光接收信号时输出预定宽度的所述脉冲信号。
(8)如上面第(1)～(7)段中任一段所述的摄像装置，其中，所述电阻部件(312)包括MOSFET。
(9)如上面第(1)～(8)段中任一段所述的摄像装置，其中，所述输出部(313)基于所述SPAD(311)的阴极电位输出所述光接收信号。
(10)如上面第(1)～(9)段中任一段所述的摄像装置，其中，所述开关包括多个晶体管。
(11)如上面第(1)～(10)段中任一段所述的摄像装置，其中，所述SPAD(311)形成在第一半导体基板上，并且所述电阻部件(312)、所述输出部(313)、所述脉冲生成部(314)、所述开关(315)、或所述引入部(316)中的至少一者形成在第二半导体基板上，所述第二半导体基板层叠在所述第一半导体基板上。
(12)一种摄像系统，其包括：
照明装置，所述照明装置被构造成发射照射光；和
摄像装置，所述摄像装置被构造成接收源自所述照射光的反射光；
其中，所述摄像装置包括：
像素阵列部(201)，所述像素阵列部中排列着像素部，每个所述像素部包括：
SPAD(单光子雪崩光电二极管)(311)；
电阻部件(312)，所述电阻部件被构造成与所述SPAD串联连接；
输出部(313)，所述输出部被构造成输出表示光子入射在所述SPAD上的光接收信号；以及
脉冲生成部(314)，所述脉冲生成部被构造成以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出脉冲信号；
其中，每个所述像素部还包括以下部件中的至少一者：开关(315)，所述开关被构造成以插入的方式连接在所述SPAD(311)与所述电阻部件(312)之间，并且被构造成以与所述脉冲信号同步的方式断开；和引入部(316)，所述引入部被构造成以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件(312)引入流过所述SPAD(311)的输入电流，从而抑制所述输入电流流过所述SPAD(311)。
本说明书中陈述的有利效果仅仅是示例，并且不限制本技术。可能存在从本说明书中派生的其他有利效果。
附图标记列表
101 摄像系统，111 照明装置，112 摄像装置，121 照明控制部，122 光源，131 摄像部，132 控制部，142 摄像元件，143 信号处理电路，201 像素阵列部，301 像素，311SPAD，312 晶体管，313 输出部，314 脉冲生成部，315 开关，316 晶体管，321、322 反相器

Claims (12)

1.一种摄像装置，其包括：
像素阵列部，所述像素阵列部中排列着像素部，每个所述像素部包括：
SPAD(单光子雪崩光电二极管)；
电阻部件，所述电阻部件被构造成与所述SPAD串联连接；
输出部，所述输出部被构造成输出表示光子入射在所述SPAD上的光接收信号；以及
脉冲生成部，所述脉冲生成部被构造成以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出脉冲信号；
其中，每个所述像素部还包括以下部件中的至少一者：开关，所述开关被构造成以插入的方式连接在所述SPAD与所述电阻部件之间，并且被构造成以与所述脉冲信号同步的方式断开；和引入部，所述引入部被构造成以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件引入流过所述SPAD的输入电流，从而抑制所述输入电流流过所述SPAD。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，当输入所述脉冲信号时，所述开关断开，并且当不输入所述脉冲信号时，所述开关接通。
3.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述开关以插入的方式连接在所述SPAD的阴极与所述电阻部件之间。
4.根据权利要求3所述的摄像装置，其中，所述开关以插入的方式连接在如下的分支点与所述电阻部件之间，来自所述SPAD的所述阴极的信号线从所述分支点沿所述电阻部件的方向延伸并且沿所述输出部的方向延伸。
5.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，当输入所述脉冲信号时，所述引入部引入所述输入电流，并且当不输入所述脉冲信号时，所述引入部不引入所述输入电流。
6.根据权利要求5所述的摄像装置，其中，所述引入部包括晶体管，所述晶体管被构造成以插入的方式连接在所述SPAD的阴极与地面之间，所述晶体管的栅极接收所述脉冲信号的输入。
7.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述脉冲生成部在检测到所述光接收信号时输出预定宽度的所述脉冲信号。
8.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述电阻部件包括MOSFET。
9.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述输出部基于所述SPAD的阴极电位输出所述光接收信号。
10.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述开关包括多个晶体管。
11.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述SPAD形成在第一半导体基板上，并且所述电阻部件、所述输出部、所述脉冲生成部、所述开关、或所述引入部中的至少一者形成在第二半导体基板上，所述第二半导体基板层叠在所述第一半导体基板上。
12.一种摄像系统，其包括：
照明装置，所述照明装置被构造成发射照射光；和
摄像装置，所述摄像装置被构造成接收源自所述照射光的反射光；
其中，所述摄像装置包括：
像素阵列部，所述像素阵列部中排列着像素部，每个所述像素部包括：
SPAD(单光子雪崩光电二极管)；
电阻部件，所述电阻部件被构造成与所述SPAD串联连接；
输出部，所述输出部被构造成输出表示光子入射在所述SPAD上的光接收信号；以及
脉冲生成部，所述脉冲生成部被构造成以与所述光接收信号的所述输出同步的方式输出脉冲信号；
其中，每个所述像素部还包括以下部件中的至少一者：开关，所述开关被构造成以插入的方式连接在所述SPAD与所述电阻部件之间，并且被构造成以与所述脉冲信号同步的方式断开；和引入部，所述引入部被构造成以与所述脉冲信号同步的方式经由所述电阻部件引入流过所述SPAD的输入电流，从而抑制所述输入电流流过所述SPAD。
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