CN112068148B - 光检测装置、以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

藉由SPAD光子检测率控制部调整控制SPAD光子检测率，藉此实现对于近距离的侦测对象物、反射率高的侦测对象物也侦测距离精度高的光检测装置、以及电子设备。包括：第一SPAD阵列，从发光部出射的至少一个脉冲光即至少一个第一光入射，以盖革模式动作；第二SPAD阵列，所述至少一个第一光被侦测对象物反射的至少一个第二光入射，以盖革模式动作；电压产生部，施加反向偏置电压到所述第一SPAD阵列以及所述第二SPAD阵列；以及SPAD光子检测率控制部，基于表示相对于所述至少一个脉冲光的数量的藉由所述至少一个第二光的入射而所述第二SPAD阵列所输出的至少一个脉冲信号的数量的比例的第一光子检测率，调整控制SPAD光子检测率。

Description

光检测装置、以及电子设备
技术领域
本发明是关于利用雪崩效应(avalanche effect)的光检测装置、以及电子设备。
背景技术
近年，智能电话等的便携式信息终端广泛地普及。又，藉由照相机、接近传感器、方位传感器、加速度传感器、角速度传感器、以及照度传感器等的小型化，各种传感器逐渐被搭载到多种多样的便携式信息终端。针对内藏在智能电话的照相机的自动对焦(AF)，以往，一般能够使用利用图像的对比度，进行照相机的自动对焦的方法。但是，利用图像的对比度的AF，在暗处等摄影对象物的对比度低的情况，有所谓AF速度极端地降低，透镜的对焦进展缓慢的弱点。因此，有即便在暗处也可进行高速的AF的，小型高速的测距传感器的期望，近年，TOF(TOF：TimeOf Flight)方式的AF用测距传感器开始被搭载到便携式信息终端。
又，在无人机(Drone)等的机器人中，在侦测障碍物的用途，也要求小型轻量的测距传感器。与使用三角测量方式的PSD光接收组件的测距传感器比较，有利于小型化、轻量化的TOF方式的测距传感器是有用的。
以往，已知以盖革模式(Geiger mode)动作的雪崩光电二极管能够检测单一光子(Photon)。图10是表示以往的雪崩光电二极管的盖革模式的动作状态的图表。如图10所示，此单一光子的检测是以比崩溃电压VBD(break down voltage)大的电压将雪崩光电二极管反向偏置(Reverse bias)藉此实现(图10的点A)。雪崩光电二极管是若光子到达，产生雪崩放大则成为准稳定状态(图10的点B)。此雪崩放大是藉由连接到雪崩光电二极管的猝熄阻抗(Quenching resistance)而消灭(图10的点C)，此时，反向偏置电压(Reverse biasvoltage)变得比崩溃电压VBD小。之后，反向偏置电压又变大，藉此雪崩光电二极管成为在盖革模式的待机状态，到下一次光子入射为止，保持待机状态(图10的点A)。另外，在图10中，电压VHV_v是用以施加反向偏置电压的电源的电压值，Vex是过电压(Over voltage)(崩溃电压VBD与电压值VHV_v的差)。将这些总称，称为SPAD(SPAD：Single Photon AvalancheDiode)，也称为单一光子雪崩光电二极管。
如此，SPAD由于以盖革模式动作而藉由单一光子的到来检测，对于光的灵敏度非常高。在此，SPAD的灵敏度(单一光子的检测效率)虽然因以SPAD接收的光的波长而不同，但为数％～数10％。又，将SPAD配置成多个阵列状，藉此能够进一步提高SPAD整体的灵敏度(单一光子的检测效率)。在此，SPAD的灵敏度是来自发光部的光被侦测对象物反射而以SPAD检测的灵敏度，将光的光接收面积变大藉此能够将灵敏度变大。即，单一光子(Photon)的检测效率上升。
作为以盖革模式动作的雪崩光电二极管，例如，在专利文献1，公开了包括对于侦测对象物重复照射来自发光部即VCSEL的脉冲光，重复以SPAD阵列接收被侦测对象物反射的脉冲光，取得侦测对象物的图像的SPAD阵列的光检测装置(图像取得装置)。此光检测装置包括VCSEL、以及脉冲驱动VCSEL的VCSEL驱动器，配置有直接接收来自VCSEL的脉冲光的参考侧的SPAD阵列、以及接收在侦测对象物反射的脉冲光的返回侧的SPAD阵列。在各个SPAD阵列连接有SPAD前端电路，将来自SPAD的脉冲信号波形整形。SPAD前端电路的输出连接到TDC(Time to Digital Converter)。TDC是将VCSEL脉冲驱动信号作为起点(起始信号)，将来自返回侧以及参考侧的SPAD的脉冲信号的延迟时间数字化。将来自VCSEL的直接光以参考侧SPAD阵列接收，将从VCSEL被侦测对象物反射的反射光以返回侧SPAD阵列接收。并且，直方图生成电路是直方图化作为来自TDC的多个延迟时间的分布。返回侧的SPAD输出的直方图与参考侧的SPAD输出的直方图的重心的时间差相当于侦测对象物的距离的光的飞行时间。以演算电路演算此时间差而藉此计算到侦测对象物的距离。
又，在专利文献2，公开了在发光部使用激光，对于侦测对象物照射激光，将来自侦测对象物的反射光以SPAD阵列接收，计算到侦测对象物的距离的光传感器(测距传感器)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开特许公报“特开2013-137324号”
专利文献2：美国专利公开公报“2017/0356981号”
发明内容
本发明所要解决的技术问题
然而，如专利文献1以及2的光传感器般，作为光接收机构使用了SPAD的情况，在SPAD中，在单一光子的到来时以某个概率输出脉冲信号。由于此检测脉冲信号是每单一光子的到来对于各单一光子以某个概率产生，若入射到SPAD的单一光子的数量增加，即入射到SPAD的光强度变大，则SPAD的检测脉冲信号成为输出多个的倾向。
尤其，返回侧的SPAD的检测脉冲信号是，若入射到SPAD的光强度变大(换言之，入射到SPAD的单一光子的数量增加)，则对于VCSEL所发出的一次脉冲光，返回侧的入射到SPAD的单一光子的数量增加，检测脉冲信号成为多个。这是由到来的光的光强度超过SPAD的通常动作域，到了SPAD的饱和动作域所致的。并且，由于藉由返回侧的SPAD的饱和动作，对于VCSEL所发出的一次脉冲光输出多次检测脉冲信号，而有在直方图产生歪斜的问题。
TOF型测距传感器的情况，伴随直方图歪斜，产生所谓侦测距离精度降低的问题。即，尤其在近距离有反射率高的检测对象物的情况，返回侧的SPAD的直方图的重心移动到与参考侧的SPAD的直方图的重心相比为短的侧，TOF型测距传感器输出距离变得比实际的侦测对象物的距离短而输出，近距离的侦测距离精度降低。
鉴于上述，本发明是将，例如，藉由SPAD光子检测率控制部控制发光部的发光量，藉此实现对于近距离的侦测对象物、反射率高的侦测对象物也侦测距离精度高的光检测装置、以及电子设备设为目的。
解决问题的方案
(1)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，包括：第一SPAD阵列，从发光部出射的至少一个脉冲光即至少一个第一光入射，以盖革模式动作；第二SPAD阵列，所述至少一个第一光被侦测对象物反射的至少一个第二光入射，以盖革模式动作；电压产生部，施加反向偏置电压到所述第一SPAD阵列以及所述第二SPAD阵列；以及SPAD光子检测率控制部，基于表示相对于所述至少一个脉冲光的数量的藉由所述至少一个第二光的入射而所述第二SPAD阵列所输出的至少一个脉冲信号的数量的比例的第一光子检测率，调整控制SPAD光子检测率。
(2)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，除了所述(1)的构成之外，所述SPAD光子检测率控制部是藉由所述第二光的入射所述第二SPAD阵列超过通常动作域而在饱和动作域时，将所述发光部的发光量控制得小的所述SPAD光子检测率控制部基于所述第一光子检测率是否超过预先设定的第一设定值，控制所述发光部的发光量。
(3)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，除了所述(1)的构成之外，所述SPAD光子检测率控制部基于所述第一光子检测率是否超过预先设定的第一设定值，控制所述电压产生部。
(4)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，除了所述(1)的构成之外，所述SPAD光子检测率控制部基于所述第一光子检测率是否超过预先设定的第一设定值，控制所述第一SPAD阵列以及所述第二SPAD阵列之中的构成至少一个SPAD阵列的SPAD的数量。
(5)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，除了所述(1)的构成之外，所述SPAD光子检测率控制部基于所述第二SPAD阵列是否藉由所述至少一个第二光的入射所述第二SPAD阵列超过通常动作域而在饱和动作域，控制所述发光部的发光量。
(6)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，除了所述(1)至所述(5)的任一个的构成之外，所述SPAD光子检测率控制部是以所述第一光子检测率成为30％以上70％以内的方式控制。
(7)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，除了所述(1)至所述(6)的任一个的构成之外，所述SPAD光子检测率控制部在测量所述光检测装置与所述侦测对象物的距离前，控制所述发光部的发光量。
(8)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，除了所述(1)或所述(7)的构成之外，所述SPAD光子检测率控制部计算藉由所述第一光的入射所述第一SPAD阵列输出的脉冲信号的光子检测率，在所述第一SPAD阵列的光子检测率超过预先设定的第二设定值的范围内，将所述发光部的发光量控制得小的所述SPAD光子检测率控制部基于表示相对于所述至少一个脉冲光的数量的藉由所述至少一个第一光的入射而所述第一SPAD阵列所输出的至少一个脉冲信号的数量的比例的第二光子检测率，控制所述发光部的发光量。
(9)为了解决上述的课题，本发明的一方案的光检测装置是，除了所述(1)至所述(8)的任一个的构成之外，还包括：直方图生成部，生成基于所述第一SPAD阵列输出的至少一个脉冲信号的第一直方图、以及基于所述第二SPAD阵列所输出的所述至少一个脉冲信号的第二直方图；以及距离演算部，基于以所述直方图生成部生成的所述第一直方图的重心与所述第二直方图的重心计算所述光检测装置与所述侦测对象物的距离。
(10)为了解决上述的课题，本发明的一方案的电子设备是，包括：所述(1)至所述(9)的任一个的光检测装置。
发明效果
根据本发明的一方案的光检测装置、以及电子设备，能够提供对于近距离的侦测对象物、反射率高的侦测对象物也侦测距离精度高的光检测装置、以及电子设备。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的光检测装置的构成的例子的方块图。
图2是表示本发明的实施方式1的光检测装置的构造的例子的剖面图。
图3是表示本发明的实施方式1的参考侧的SPAD阵列、SPAD前端电路、以及HV产生电路的例子的电路图。
图4是表示本发明的实施方式1的有源猝熄电路(Active Quenching circuit)的电源以及端子的输出的例子的图表。
图5是表示本发明的实施方式1的光检测装置的动作的例子的序列图。
图6A是表示本发明的实施方式1的SPAD阵列的反向偏置电压的输出的例子的图、以及表示SPAD偏置控制模块的动作的例子的序列图，图6B是在图6A中将虚线S的部分放大的放大图。
图7是表示本发明的实施方式1的直方图生成电路的输出直方图的例子的图。
图8是表示本发明的实施方式1的光检测装置的传感器输出与侦测对象物的距离的关系的例子的相关图。
图9是表示本发明的实施方式2的光检测装置的动作的例子的序列图。
图10是表示雪崩光电二极管的盖革模式的动作状态的例子的图表。
具体实施方式
以下，针对本发明的实施方式，一边参照图式一边进行说明。另外，针对图式，对相同或同等的要素赋予相同的符号，省略重复的说明。
[实施方式1]
以下，针对本发明的实施方式1，若根据图1至图8进行说明，则如下所述。图1是表示本发明的实施方式1的光检测装置101的构造的例子的方块图。
本实施方式1的光检测装置101是，如图1所示，包括VCSEL驱动器102、VCSEL103(发光部)、参考侧的SPAD阵列104(第一SPAD阵列)、返回侧的SPAD阵列105(第二SPAD阵列)、参考侧的SPAD前端电路106、返回侧的SPAD前端电路107、SPAD光子检测率控制部108、HV产生电路109(电压产生部)、TDC110、直方图生成电路111、距离演算电路112、数据寄存器113、以及SPAD偏置控制模块114(电压调整部)。
光检测装置101是利用了SPAD的，测量到侦测对象物121的距离的TOF方式的测距传感器。
VCSEL(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)驱动器102驱动VCSEL103。也就是说，VCSEL驱动器102基于从SPAD光子检测率控制部108与SPAD偏置控制模块114收到的控制信号，输出驱动脉冲到VCSEL103，使VCSEL103发出脉冲光。VCSEL103对于被输入的一个驱动脉冲输出一个脉冲光。
详细而言，虽然在后述进行说明，但VCSEL驱动器102基于来自SPAD光子检测率控制部108的控制信号而被控制，例如在SPAD阵列104、105的SPAD光子检测率高时，将VCSEL103的驱动电流降低而使VCSEL103的发光量降低。由此，在VCSEL103的发光量与SPAD阵列104、105的光子检测率被优化。
VCSEL103是测量光检测装置101与侦测对象物121的距离时，对于SPAD阵列104以及侦测对象物121发出脉冲光。此时，将VCSEL103照射SPAD阵列104的脉冲光设为第一光103a，将VCSEL103照射侦测对象物121的脉冲光设为第一光103b。又，将对侦测对象物121照射第一光103b时，以侦测对象物121反射的光设为第二光121a。
SPAD阵列104以及SPAD阵列105分别包括SPAD。SPAD阵列104将来自VCSEL103的脉冲光即第一光103a直接接收，藉此输出脉冲信号。同样地，SPAD阵列105将从VCSEL103照射到侦测对象物121而在侦测对象物121反射的脉冲光即第二光121a接收，藉此输出脉冲信号。在SPAD阵列104以及SPAD阵列105的输出侧，分别连接有SPAD前端电路106以及SPAD前端电路107。SPAD前端电路106以及SPAD前端电路107分别将从SPAD阵列104以及SPAD阵列105接收的脉冲信号波形整形。
又，SPAD阵列104以及SPAD阵列105藉由HV产生电路109，施加反向偏置电压。
SPAD前端电路106将从SPAD阵列104接收的脉冲信号的波形整形，供给到连接到SPAD前端电路106的输出侧的SPAD光子检测率控制部108、TDC110、以及SPAD偏置控制模块114。同样地，SPAD前端电路107将从SPAD阵列105受光的脉冲信号的波形整形，供给到连接到SPAD前端电路107的输出侧的SPAD光子检测率控制部108、以及TDC110。
又，SPAD前端电路106、107包括：接受来自SPAD光子检测率控制部108的控制信号，以SPAD光子检测率成为最佳的方式，调整例如SPAD数量的开关SW1～SWn。具体而言，如图3所示，将构成SPAD阵列104、105的n个SPAD(SPAD1～SPADn)藉由开关SW1～SWn进行ON/OFF控制，藉此选择激活的SPAD。
SPAD光子检测率控制部108计算SPAD阵列104以及SPAD阵列105的每个单一光子的光子检测率，基于计算结果，控制VCSEL驱动器102、在SPAD阵列104、105之中激活的SPAD数量、施加在SPAD阵列104、105的反向偏置电压的过电压(Vex)的至少一个，藉此在将以图5的光脉冲周期一次脉冲信号被输出的状态定义为光子检测率100％的情况，以光子检测率成为最佳值即50％的方式调整控制。或，较佳为在光子检测率为最佳值50％的±20％以下的范围内调整控制。
若具体地说明，则SPAD光子检测率控制部108具有，例如，SPAD阵列105的光子检测率超过预先设定的第一设定值时，进行以下的1)～3)的控制而将SPAD的检测率调整成最佳条件的功能。
1)为了将VCSEL103的发光量控制得小，对VCSEL驱动器102输出控制信号。
2)为了控制施加到SPAD阵列104、105的反向偏置电压的过电压Vex，对HV产生电路109输出控制信号。具体而言，在图6A所示的过电压Vex与SPAD的光子检测率成比例。因此，若将过电压Vex下降则光子检测率降低，若将过电压Vex上升则光子检测率增加。
3)为了改变为上述1)，将在SPAD阵列104、105中在检侧使用的有源状态的SPAD数量以开关SW1～SWn控制，对SPAD前端电路106、107输出控制信号。具体而言，如图3所示，在OR电路ORC与SPAD(SPAD1～SPADn)之间，设置SPAD选择用的开关SW1～SWn，将开关SW1～SWn进行ON/OFF控制，藉此能够减少在SPAD阵列104、105之中激活的SPAD数量，能够使光子检测率降低。
在此，第一设定值是，例如存储在SPAD光子检测率控制部108，基于光子检测率，为了判别SPAD阵列105是否在通常动作域动作，或是否在饱和动作域动作而使用的阈值。光子检测率是，例如，相对于既定期间的VCSEL103所输出的脉冲光的数量，接收所述脉冲光的SPAD所输出的脉冲信号的数量的比例。又，VCSEL103所输出的脉冲光的数量由于与VCSEL驱动器102的驱动脉冲的脉冲数量相等，也可以使用VCSEL驱动器102的驱动脉冲的脉冲数量，作为VCSEL103输出的脉冲光的数量。例如，在饱和动作域中，SPAD对于一脉冲光进行多次的脉冲信号的输出，因此用以判别通常动作域与饱和动作域的第一设定值被设定为1。
在此之中，SPAD光子检测率控制部108，相对于VCSEL驱动器102的驱动脉冲的脉冲数量，SPAD阵列105所输出的输出信号的数量比第一设定值多时(例如，光子检测率>1)，判断在饱和动作域动作，为了将VCSEL103的发光量控制得小，对VCSEL驱动器102输出控制信号。又，SPAD光子检测率控制部108，相对于VCSEL驱动器102的驱动脉冲的脉冲数量，SPAD阵列105所输出的输出信号的数量与第一设定值相等或比其小时(例如，光子检测率≦1)，判断在通常动作域动作，维持VCSEL103的发光量。由此，即便SPAD阵列105本身饱和，成为对于例如一脉冲的第二光121a的入射进行多次脉冲信号的输出的饱和动作域，也为了将VCSEL103的发光量控制得小，对VCSEL驱动器102输出控制信号。
又，SPAD光子检测率控制部108为了确保SPAD阵列104的光子检测率在测量光检测装置101与侦测对象物121的距离上所需的最低输出等级的光子检测率，设置有第二设定值，以在不低于第二设定值的范围将VCSEL103的发光量设为小的方式输出控制信号到VCSEL驱动器102。
具体而言，SPAD光子检测率控制部108由相对于VCSEL驱动器102的驱动脉冲的脉冲数量的SPAD阵列104的脉冲信号的输出数量以及SPAD阵列105的脉冲信号输出数量，计算SPAD阵列104以及SPAD阵列105个别光子检测率。并且，比较计算的光子检测率与预先设定的两个设定值。
在此，两个设定值是判别SPAD阵列105的通常动作域与饱和动作域的第一设定值(例如，适当最大值)、确保在测量SPAD阵列104的光检测装置101与侦测对象物121的距离上所需的最低输出等级的第二设定值(适当最小值)。
藉由这两个设定值，SPAD光子检测率控制部108是，SPAD阵列105的光子检测率超过第一设定值的情况，即，比在测量光检测装置101与侦测对象部121的距离上所需的标准的光子检测率大的情况，即，在侦测对象物121在近距离的情况、侦测对象物121的反射率高的情况，为了将VCSEL103的发光量设为小，输出控制信号到VCSEL驱动器102。另外，相同地SPAD阵列104的光子检测率超过第一设定值的情况，SPAD光子检测率控制部108也可以同样地为了将VCSEL103的发光量设为小，输出控制信号到VCSEL驱动器102。
又，SPAD光子检测率控制部108是与此相反地检测SPAD阵列104的光子检测率是否为低，藉此确保在测量光检测装置101与侦测对象物121的距离上SPAD阵列104所需的VCSEL103的发光量，能够确保SPAD阵列104能够检测单一光子的最低输出等级。
因此，SPAD光子检测率控制部108是对于光检测装置101与侦测对象物121的距离为近距离的情况、光反射率高的侦测对象物121，以在SPAD阵列105的光子检测率成为标准的最佳值的方式进行优化。因此，能够对于近距离、反射率的差异也不影响，检测距离精度提高。即，没有如以往，没有光子检测率不当地变大，输出比实际的侦测对象物的距离短的距离的情形。
HV产生电路109使施加在SPAD阵列104以及SPAD阵列105的反向偏置电压产生。
TDC(TDC：Time to Digital Converter)110是将VCSEL驱动器102驱动VCSEL103的VCSEL脉冲驱动信号作为起点(起始信号)，将与SPAD前端电路106的已接收的脉冲信号的延迟时间、SPAD前端电路107的已接收的脉冲信号的延迟时间分别数字化，将已数字化的延迟时间分别输出到直方图生成电路111。在此，延迟时间指的是对于使VCSEL103发光的VCSEL驱动器102的控制信号，与以SPAD阵列104、105接受而输出的脉冲信号的时间差。即，TDC110是以VCSEL脉冲驱动信号的各脉冲为基准地，在SPAD前端电路106、107接收的脉冲信号的各脉冲的延迟时间被数字化。
直方图生成电路111是基于来自TDC110的输出，将在SPAD前端电路106接收的脉冲信号的各脉冲的延迟时间的分布直方图化，并且将在SPAD前端电路107接收的脉冲信号的各脉冲的延迟时间的分布直方图化。在此，从SPAD前端电路106供给的脉冲信号与从SPAD前端电路107供给的脉冲信号的直方图的重心的时间差相当于与光检测装置101和侦测对象物121的距离对应的，光的飞行时间。
距离演算电路112是基于来自直方图生成电路111的输出，计算SPAD阵列104侧的直方图的重心、SPAD阵列105侧的直方图的重心、两直方图的重心的时间差。并且，将此时间差基于被数据寄存器113预先存储的距离换算数据换算成距离。由此，在光检测装置101中，可计算从光检测装置101到侦测对象物121的距离。另外，针对由距离演算电路112的直方图的重心的时间差计算从光检测装置101到侦测对象物121的距离的方法，可藉由习知的技术实现，由于与本发明的重点不同，省略详细的说明。
数据寄存器113是将距离演算电路112所计算的光检测装置101与侦测对象物121的距离作为记录而存储。
SPAD偏置控制模块114包括：脉冲计数器115、判定部116、VCSEL驱动器控制部117、以及HV控制部118。SPAD偏置控制模块114藉由从参考侧的SPAD阵列104输出的脉冲信号的有无，调整HV产生电路109的输出电压。判定部116、VCSEL驱动器控制部117、以及HV控制部118是，例如，以硬件电路实现。又，判定部116、VCSEL驱动器控制部117、以及HV控制部118也可以是使用CPU(Central Processing Unit)，藉由CPU读取并且执行存储在SPAD偏置控制模块114所包含的存储部(不图示)的程序而实现。
脉冲计数器115是在设定施加到SPAD阵列104以及SPAD阵列105的逆偏置电压时，将从SPAD阵列104输出的脉冲信号进行计数。
判定部116判定脉冲计数器115输出的脉冲数量。
VCSEL驱动器控制部117是根据藉由判定部116的判定结果，控制将HV产生电路109进行控制的HV控制部118、以及VCSEL驱动器102。由此，VCSEL驱动器控制部117能够根据藉由判定部116的判定结果，控制VCSEL103以及HV产生电路109。
图2是表示本发明的实施方式1的光检测装置101的构造的例子的剖面图。本实施方式1的光检测装置101是，如图2所示，包括光检测装置本体201、光学滤波器202、203、遮光壁204、以及聚光透镜205。
在光检测装置101中，在光检测装置本体201内，配置有VCSEL103、SPAD阵列104以及SPAD阵列105。成为如在SPAD阵列104仅VCSEL103所发出的第一光103a入射，在SPAD阵列105仅来自侦测对象物121的反射光即第二光121a入射般的构造。
具体而言，在SPAD阵列104与SPAD阵列105之间配置有遮光壁204。由此，在SPAD阵列105，成为如VCSEL103所发出的第一光103a不直接进入般的构造。也就是说，在SPAD阵列105，成为如仅来自侦测对象物121的反射光即第二光121a入射般的构造。
光学滤波器202、203成为使将VCSEL103的发光波长(使用红外线，通常，波长为850nm、940nm)作为中心的狭窄的范围的波长通过的带通滤波器，成为如因外来光而SPAD的误反应难以产生般的构成。
为了提高长距离等光子检测率，在光检测装置101，如图2所示，在光学滤波器203的上方配置有聚光透镜205。
(SPAD阵列以及SPAD前端电路的构成)
在以下，虽然将SPAD阵列104以及SPAD前端电路106作为例子说明，但在SPAD阵列105以及SPAD前端电路107中也是同样的构成。
图3是表示本发明的实施方式1的SPAD阵列104、SPAD前端电路106、以及HV产生电路109的例子的电路图。SPAD阵列104是，如图3所示，由n个SPAD(SPAD1～SPADn)构成。SPAD1～SPADn的阴极是全部连接到施加偏置电压的高电压的电源VHV以及电流源IQ。又，SPAD1～SPADn的阳极分别连接有以n个相同尺寸的NMOS晶体管M1～Mn构成的有源猝熄电路。此外，SPAD1～SPADn的阳极分别连接到OR电路ORC。OR电路ORC接受来自SPAD1～SPADn的输出，将由此输出演算的结果输出到端子SPAD_OUT。
SPAD前端电路106包括有源猝熄电路、OR电路ORC、以及端子SPAD_OUT。
有源猝熄电路包括NMOS晶体管M1～Mn、以及端子AQM_OUT。
在有源猝熄电路构成的NMOS晶体管M1～Mn的漏极分别连接到SPAD1～SPADn。NMOS晶体管M1～Mn的栅极分别连接到端子CTL1～CTLn。
(SPAD前端电路的动作)
以下的动作是适应于SPAD前端电路106、107的两方的动作。
从SPAD1～SPADn的各个输出的脉冲信号的电流波形藉由有源猝熄电路，被变换成脉冲波形的电压波形。也就是说，从SPAD1～SPADn的各个输出的脉冲信号从电流被变换成电压。被变换成电压的脉冲信号被发送到OR电路ORC，脉冲信号从端子SPAD_OUT输出。由此，从SPAD1～SPADn的任一个输出脉冲信号的情况，成为从端子SPAD_OUT输出输出信号。因此，使用大量的SPAD，藉此能够提高光检测装置101的灵敏度。
(有源猝熄电路的阻抗值的调整方法)
针对调整有源猝熄电路的阻抗值的方法，使用图4进行说明。图4是表示本发明的实施方式1的有源猝熄电路的电源以及端子的输出的例子的图。
如图3所示，在有源猝熄电路，连接有电流源IQ。电流源IQ能够以恒定电流源将电流值改变成任意的值。并且，若将端子CTL_AQM设为High等级，则成为NMOS晶体管Maqm的栅极电压成为如电源VS1的电压值VS1_v般的构成。
设定有源猝熄电路的阻抗值时，将从SPAD前端电路106输出的SPAD1～SPADn的电流值，作为电流源IQ的电流值IQ_v而进行设定。又，将端子CTL_AQM设为High等级，使电源VS1的电压值VS1_v如图4所示般地阶段地上升。
电源VS1的电压值VS1_v上升，藉此NMOS晶体管Maqm的栅极电压上升。由此，NMOS晶体管Maqm的源极栅极间电压变大，NMOS晶体管Maqm的ON阻抗变化，变小。电源VS1的电压值VS1_v的上升间隔可以是等间隔，也可以不是等间隔。
使电源VS1的电压值VS1_v上升，将端子AQM_OUT的电压AQM_OUT_v从High等级反转到Low等级时的电源VS1的电压VS1_v(在图4中为VS19)作为有源猝熄电路的控制电压而决定。根据此时决定的控制电压，也决定有源猝熄电路的猝熄阻抗的阻抗值。
在决定了有缘猝熄电路的猝熄阻抗的阻抗值后，调整施加到SPAD阵列104以及SPAD阵列105的SPAD的反向偏置电压，藉此能够进行更高精度的反向偏置电压的控制。
(光检测装置的动作)
针对本实施方式1的光检测装置101的动作使用图5进行说明。图5是表示本发明的实施方式1的光检测装置101的动作的例子的序列图。
针对本实施方式1的光检测装置101，将一次测距动作分成大的三个动作序列。此三个动作是测量前设定期间501、距离测量期间502、以及距离测量期间503。
测量前设定期间501被区分成猝熄阻抗值设定期间501A、VHV电压设定期间501B、SPAD光子检测率设定期间501C。先设置猝熄阻抗值设定期间501A，之后设置有VHV电压设定期间501B，在其之后设置有SPAD光子检测率设定期间501C。测量前设定期间501是，在实际上测量与侦测对象物121的距离前，设定猝熄阻抗值以及VHV电压以及SPAD光子检测率的期间。
在猝熄阻抗值设定期间501A中，进行有源猝熄电路的阻抗值的设定。若有源猝熄电路的阻抗值的设定结束，则接下来移动到VHV电压设定期间501B。
在VHV电压设定期间501B中，进行SPAD阵列104以及SPAD阵列105的反向偏置电压(电源VHV的电压)的设定，藉此在测量光检测装置101与侦测对象物121的距离前，能够使SPAD阵列104以及SPAD阵列105以最佳的盖革模式动作。
针对在VHV电压设定期间501B设定电源VHV的电压VHV_v的序列的动作使用图6进行说明。图6A是表示本发明的实施方式1的SPAD阵列104以及SPAD阵列105的反向偏置电压的输出的例子的图、以及表示SPAD偏置控制模块114的动作的例子的序列图。图6B是在图6A中将虚线S的部分放大的放大图。
作为设定在VHV电压设定期间501B的电源VHV的电压的序列，如图6所示，首先，使SPAD偏置控制模块114施加在SPAD阵列104以及SPAD阵列105的反向偏置电压(电源VHV的电压VHV_v)从低电压上升到高电压。电源VHV的电压VHV_v是从初始值VHV0起始。施加了反向偏置电压VHV0到SPAD阵列104以及SPAD阵列105后，马上将计数器复位信号输入到脉冲计数器115。由此，SPAD偏置控制模块114将脉冲计数器115复位，设为0计数。之后，VCSEL驱动器控制部117针对VCSEL驱动信号以预先设定的发光量进行使VCSEL103脉冲发光五次的控制。在此，虽然将VCSEL103的脉冲数量设为五脉冲，但也可以设为其他脉冲数量。
在此，如图6B所示，SPAD偏置控制模块114在VCSEL103所脉冲发光的期间将脉冲计数器115的计数器启用信号设为启用。也就是说，SPAD偏置控制模块114是，在VCSEL103所发光的期间中，调整反向偏置电压。并且，SPAD偏置控制模块114将从SPAD阵列104输出的脉冲信号藉由脉冲计数器115进行计数。此时，计数器启用信号成为启用的时机是比VCSEL103开始脉冲发光前面的时机。由此，能够防止脉冲计数器115漏掉脉冲信号的计数。
之后，脉冲计数器115将计数器读入信号设为High等级，对判定部116发送计数数量。在此判定部116判定从SPAD阵列104输出的脉冲信号的计数数量比使VCSEL103发光的脉冲数量少时，HV控制部109使电源VHV的电压VHV_v从VHV0上升到VHV1。之后进行同样的动作。
此时，HV控制部109使电源VHV的电压VHV_v上升的步骤可以是等电压，也可以不是等电压。作为不是等电压的例子，例如，不仅是阶梯状地变化，也可以使VHV模拟地线性地变化。
在此，针对使电源VHV的电压VHV_v重复上升，例如，在电源VHV的电压VHV_v到达VHV21时，脉冲计数器115的输出成为5以上的情况进行说明。在此，SPAD偏置控制模块114判断VHV21为SPAD的崩溃电压VBD。此时，SPAD偏置控制模块114为了使SPAD阵列104以及SPAD阵列104的SPAD以盖革模式动作，以由崩溃电压VBD产生仅高了过电压Vex的部分的电压的方式，控制HV产生电路109。
在距离测量期间502中，HV控制部118将施加到SPAD阵列104以及SPAD阵列105的反向偏置电压设为VHV21+Vex。在此，也可以在Vex有温度依赖性。又，在比距离测量期间502前面，HV控制部118如上述般地控制施加在SPAD阵列104以及SPAD阵列105的反向偏置电压。
因此，SPAD偏置控制模块114是根据入射到SPAD阵列104的光而SPAD阵列104所输出的脉冲信号的脉冲数量，藉此调整反向偏置电压。藉由以上，光检测装置101是即便温度变化时、因过程条件SPAD的崩溃电压VBD偏移，也能够使SPAD阵列104以及SPAD阵列105以最佳的盖革模式稳定动作。
由此，在测量光检测装置101与侦测对象物121的距离时，能够进行更高精度的反向偏置电压的控制。若反向偏置电压的设定结束，则接下来移动到SPAD光子检测率设定期间501C。
在SPAD光子检测率设定期间501C，SPAD光子检测率控制部108基于藉由第二光121a的入射SPAD阵列105所输出的脉冲信号计算光子检测率。光子检测率是，例如，将相对于既定期间的VCSEL103所输出的脉冲光的数量的接收所述脉冲光的SPAD所输出的脉冲信号的数量的比例。具体而言，光子检测率是，例如，相对于SPAD光子检测率设定期间501C的VCSEL103所输出的脉冲光的数量的SPAD阵列105所输出的脉冲信号的数量的比例。又，由于既定期间的VCSEL103所输出的脉冲光的数量与VCSEL驱动器102的驱动脉冲的脉冲数量相等，也可以作为VCSEL103所输出的脉冲光的数量，使用VCSEL驱动器102的驱动脉冲的脉冲数量。
接着，将此计算的光子检测率与预先设定的第一设定值在例如SPAD光子检测率设定期间501C内的末尾区域进行比较。另外，在图5中，VCSEL是，在SPAD光子检测率设定期间501C中，例如，以与VHV电压设定期间501B相同的发光量，以20ns的周期进行一定的脉冲发光。
在此，在基于SPAD阵列105所输出的脉冲信号的光子检测率比第一设定值大的情况，SPAD光子检测率控制部108为了将VCSEL103的发光量设为比SPAD光子检测率设定期间501C的发光量小，输出控制信号到VCSEL驱动器102。也就是说，通常，对于一个单一光子进行一个脉冲输出的SPAD阵列105是，例如，在光检测装置101与侦测对象物121的距离为近距离的情况、侦测对象物121的反射率高的情况，向SPAD阵列105到达的第二光121a的发光强度变强，对于在SPAD阵列105内的单一光子的脉冲输出的产生变多，即检测率成为超过1的值。因此，为了藉由SPAD光子检测率控制部108，抑制过度的脉冲输出产生以将VCSEL103的发光量设为小的方式输出控制信号到VCSEL驱动器102。例如，在图5中，表示对于SPAD光子检测率设定期间501C的VCSEL103的发光量，进行有将距离测量期间502的VCSEL103的发光量设为50％的控制的例子。
同样地，SPAD光子检测率控制部108计算基于藉由第一光103a的入射SPAD阵列104所输出的脉冲信号的光子检测率，将计算的光子检测率与预先设定的第二设定值比较，在光子检测率比第二设定值大的情况，也可以为了将VCSEL103的发光量设为小，输出控制信号到VCSEL驱动器102。在图5中，在SPAD光子检测率设定期间501C中使VCSEL发光量一定地发光。并且，为以在距离测量期间502中基于来自SPAD光子检测率控制部108的输出将VCSEL发光量设为小的方式控制的例子。如此，若SPAD光子检测率的设定结束，则接下来移动到距离测量期间502。
在图5中，在SPAD光子检测率设定期间501C中，VCSEL103是，以VHV电压设定期间501B的发光量，以与距离测量期间502相同的脉冲周期的脉冲发光。此时，SPAD光子检测率控制部108检测SPAD光子检测率。又，SPAD光子检测率控制部108基于SPAD光子检测率的检测结果将VCSEL103的发光量，以在距离测量期间502中，VCSEL驱动电流被控制得小，VCSEL103以低光量发光的方式设定。
在距离测量期间502中，光检测装置101以基于来自SPAD光子检测率控制部108的输出的VCSEL103的发光量发光，开始与光检测装置101和侦测对象物121的距离的测量相关的动作，以TDC110对于VCSEL脉冲驱动信号的来自SPAD前端电路106、107的脉冲信号的各脉冲的延迟时间(成为光检测装置101与侦测对象物121的距离信息来源的脉冲数据)分别被数字化。若测量光检测装置101与侦测对象物121的距离结束，则接下来移动到距离测量期间503。
在距离测量期间503中，首先，藉由直方图生成电路111，将以TDC110数字化的多个延迟时间的分布直方图化。图7是被直方图生成电路111生成的直方图。在图7中，在上段是参考侧的直方图的例子、在中段是SPAD光子检测率小的情况的返回侧的直方图的例子、在下段是SPAD光子检测率大的情况的返回侧的直方图的例子。也就是说，中段的直方图是藉由SPAD光子检测率控制部108，VCSEL103的发光量被调整后的直方图。下段的直方图是与中段的直方图的比较用，是VCSEL103的发光量未被调整的情况的直方图。
如此，如图7的中段的直方图所示般，藉由SPAD光子检测率控制部108，能够设为正常的直方图。又，VCSEL103的驱动电流下降，藉此也有所谓成为低耗电化的次要的效果。
另外，在图7的下段的直方图中，直方图歪斜，时间差变短，即，光检测装置101为TOF型测距传感器的情况，产生所谓与侦测对象物121的侦测距离比实际的距离短而输出的现象。
图8是表示本实施方式1的光检测装置的传感器输出与侦测对象物的距离的关系的例子的相关图。
图中的虚线是包括SPAD光子检测率控制部108而控制VCSEL103的发光量的光检测装置的特性，图中的实线是未包括SPAD光子检测率控制部108的光检测装置的特性。
接着，以距离演算电路112，将来自直方图生成电路111的直方图的重心的时间差演算成距离。由此，在光检测装置101中，可计算从光检测装置101到侦测对象物121的距离。
最后，将计算的距离数据存储在数据寄存器113。
连续测量光检测装置101与侦测对象物121的距离的情况，如图5所示，将以测量前设定期间501、距离测量期间502、距离测量期间503、休止期间的顺序经过的期间作为一组的序列重复测量。在测量距离前一定要进行猝熄阻抗值设定以及VHV电压设定，藉此精度高的藉由SPAD阵列104以及SPAD阵列105的反向偏置电压的控制成为可能。在休止期间中，配合进行光检测装置101与侦测对象物121的距离的测量的频率而任意地调整。由此，防止对光检测装置101施加过度的负担。
[实施方式2]
针对本发明的其他实施方式，若基于图9进行说明，则如以下所述。另外，为了便于说明，针对与在上述的实施方式1已说明的部件与具有相同功能的部件，标注相同图式标记，并省略其说明。
针对本实施方式2的光检测装置101的动作使用图9进行说明。图9是表示本发明的实施方式2的光检测装置101的动作的序列图。
在本实施方式2的光检测装置101，对于上述的实施方式1的光检测装置101，仅SPAD光子检测率设定期间501C’不同。
在本实施方式的SPAD光子检测率设定期间501C’中，是将VCSEL103的发光强度基于来自SPAD光子检测率控制部108的输出而在光子检测率到低于第一设定值为止阶段性地以VCSEL驱动器102使VCSEL驱动电流变化而调整VCSEL103的发光强度而设为小。
若具体地说明，则在本实施方式2中，在SPAD光子检测率设定期间501C’中，将SPAD光子检测率设定期间501C’每既定时间区分，每既定时间以SPAD光子检测率控制部108计算光子检测率，与第一设定值比较。并且，每个各既定时间的光子检测率比第一设定值大时，SPAD光子检测率控制部108为了使VCSEL103的发光量降低而输出控制信号到VCSEL驱动器102。并且，VCSEL驱动器102基于此控制信号使VCSEL103的发光量降低。将此动作在SPAD光子检测率设定期间501C’重复多次进行的例子在图9表示。另外，作为上述的既定时间，例如，将VCSEL103的输出十个脉冲光的时间设为一个既定时间。
根据本实施方式2，使SPAD阵列105的光子检测率在成为第一设定值以下为止阶段性地降低而对SPAD阵列105不在饱和动作域动作的VCSEL103的发光量进行优化，能够精密地进行控制，可进行进一步的高精度化。
以上说明的光检测装置101也可以被包括在电子设备。作为电子设备的例子，举出智能电话等的便携式信息终端。由此，电子设备包括光检测装置101，藉此能够谋求小型化，具有测量电子设备与侦测对象物121功能，进一步对于与侦测对象物121的距离、侦测对象物121的反射率具有泛用性。
例如，在使用了TOF方式的小型接近传感器的时候，作为智能电话的脸认证用的结构光照相机(Structured light camera)的起动用，即便是以低耗电，在比较近距离(例如，0cm～50cm)的范围内，反射率不同的侦测对象物也能够精密地侦测。此TOF方式的小型接近传感器由于也能够同时地侦测并且输出到侦测对象物的距离，能够迅速地进行脸认证用的结构光照相机的起动。
另外，本发明不限定为上述的实施方式而可变形，上述的构成能够以实质上相同的构成、起到相同的作用效果的构成或能够达成相同的目的的构成置换。
附图标记说明
101...光检测装置；102...VCSEL驱动器；103...VCSEL(发光部)；103a、103b...第一光；104...SPAD阵列(参考侧)；105...SPAD阵列(返回侧)；106、107...SPAD前端电路；108...SPAD光子检测率控制部；109...HV产生电路(电压产生部)；121...侦测对象物；121a...第二光；110...TDC；111...直方图生成电路；112...距离演算电路；113...数据寄存器；114...SPAD偏置控制模块(电压调整部)；115...脉冲计数器；116...判定部；117...VCSEL驱动器控制部；118...HV控制部；201...光检测装置本体；202、203...光学滤波器；204...遮光壁；205...聚光透镜；501...测量前设定期间；501A...猝熄阻抗值设定期间；501B...VHV电压设定期间；501C、501C'...SPAD光子检测率设定期间；502、503...距离测量期间；SPAD1、SPAD2、SPADn...SPAD；SW1、SW2、SWn...开关；CTL1、CTL2、CTLn、CTL_AQM、AQM_OUT、SPAD_OUT...端子；M1、M2、Mn、Maqm...NMOS晶体管；VHV、VS1...电源；IQ...电流源；VHV_v...电源VHV的电压；VS1_v...电源VS1的电压；AQM_OUT_v...端子AQM_OUT的电压；VS10～VS19、VS1A～VS1F、VHV0～VHV21、High...电压值；Vex...过电压；VBD...崩溃电压。

Claims (9)

1.一种光检测装置，其特征在于，包括：
第一SPAD阵列，从发光部出射的至少一个脉冲光即至少一个第一光入射，以盖革模式动作；
第二SPAD阵列，所述至少一个第一光被侦测对象物反射的至少一个第二光入射，以盖革模式动作；
电压产生部，施加反向偏置电压到所述第一SPAD阵列以及所述第二SPAD阵列；以及
SPAD光子检测率控制部，基于表示相对于从所述发光部出射的所述至少一个脉冲光的数量的藉由所述至少一个第二光的入射而所述第二SPAD阵列所输出的至少一个脉冲信号的数量的比例的第一光子检测率，调整控制SPAD光子检测率，
所述SPAD光子检测率控制部基于所述第一光子检测率是否超过预先设定的第一设定值，控制所述第一SPAD阵列以及所述第二SPAD阵列之中的至少一个SPAD阵列中用于检测激活状态的SPAD的数量。
2.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述SPAD光子检测率控制部基于所述第一光子检测率是否超过预先设定的第一设定值，控制所述发光部的发光量。
3.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述SPAD光子检测率控制部基于所述第一光子检测率是否超过预先设定的第一设定值，控制所述电压产生部。
4.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述SPAD光子检测率控制部基于所述第二SPAD阵列是否藉由所述至少一个第二光的入射，所述第二SPAD阵列超过通常动作域而在饱和动作域，控制所述发光部的发光量。
5.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述SPAD光子检测率控制部是以所述第一光子检测率成为30％以上70％以内的方式控制。
6.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述SPAD光子检测率控制部在测量所述光检测装置与所述侦测对象物的距离前，控制所述发光部的发光量。
7.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，还包括：
直方图生成部，生成：基于所述第一SPAD阵列所输出的至少一个脉冲信号的第一直方图、以及基于所述第二SPAD阵列所输出的所述至少一个脉冲信号的第二直方图；以及
距离演算部，基于以所述直方图生成部生成的所述第一直方图的重心与所述第二直方图的重心，计算所述光检测装置与所述侦测对象物的距离。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
权利要求1所述的光检测装置。
9.一种光检测装置，其特征在于，包括：
第一SPAD阵列，从发光部出射的至少一个脉冲光即至少一个第一光入射，以盖革模式动作；
第二SPAD阵列，所述至少一个第一光被侦测对象物反射的至少一个第二光入射，以盖革模式动作；
电压产生部，施加反向偏置电压到所述第一SPAD阵列以及所述第二SPAD阵列；以及
SPAD光子检测率控制部，基于表示相对于从所述发光部出射的所述至少一个脉冲光的数量的藉由所述至少一个第二光的入射而所述第二SPAD阵列所输出的至少一个脉冲信号的数量的比例的第一光子检测率，调整控制SPAD光子检测率，
所述SPAD光子检测率控制部基于表示相对于所述至少一个脉冲光的数量的藉由所述至少一个第一光的入射而所述第一SPAD阵列所输出的至少一个脉冲信号的数量的比例的第二光子检测率，控制所述发光部的发光量。
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