CN112540385B - 光检测装置以及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式涉及光检测装置以及电子装置。光检测装置具备：阵列，具有隔着第1间隔配置的多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；多个第2受光元件，具有第1串扰率，将接收到的光变换为第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；多个第3受光元件，具有与所述第1串扰率不同的第2串扰率，将接收到的光变换为第3信号，该多个第3受光元件的表面被遮光；以及控制部，根据所述第2信号和所述第3信号来控制所述阵列的动作点。

Description

光检测装置以及电子装置
本申请以日本专利申请(日本特愿2019-162235，申请日：5/9/2019)为基础，从该申请享有优先的利益。通过参照该申请，包含该申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及光检测装置以及电子装置。
背景技术
受光器件等光检测装置广泛用于自动驾驶技术等。在自动驾驶技术中，由光检测装置接收来自物体的反射光，测量直至物体为止的距离，生成距离图像。为了提高距离图像的分辨率，需要增加光检测装置所包含的每单位面积的受光元件的数量。然而，当受光元件间的距离变短时，受光元件彼此产生串扰，成为距离图像的模糊、噪声的主要原因。
另外，需要对光检测装置内的各受光元件施加预定的逆偏置电压，但串扰、噪声、灵敏度、信噪比(SNR)因逆偏置电压而变化。SNR最好尽可能大，所以需要使逆偏置电压最佳化。
进而，在作为受光元件而使用雪崩光电二极管来以盖革模式进行动作的情况下，每当接收到光时都需要进行复位动作，直至复位结束为止产生无法接收新的光的期间(死区时间)。死区时间能够通过复位期间的调整来变更，但串扰、噪声、灵敏度、SNR也因死区时间的长短而变化。这样，为了使SNR最佳化，需要满足各种条件。
发明内容
在本发明的一个实施方式中，提供能够使受光元件的信噪比最佳化的光检测装置以及电子装置。
根据本实施方式，提供一种光检测装置，具备：
阵列，具有隔着第1间隔配置的多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；
多个第2受光元件，具有第1串扰率，将接收到的光变换为第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；
多个第3受光元件，具有与所述第1串扰率不同的第2串扰率，将接收到的光变换为第3信号，该多个第3受光元件的表面被遮光；以及
控制部，根据所述第2信号和所述第3信号来控制所述阵列的动作点。
附图说明
图1是示出第1实施方式的光检测装置的概略结构的框图。
图2是示出SPAD的电特性的一个例子的曲线图。
图3是示出SPAD的输出特性的一个例子的曲线图。
图4是示出第2实施方式的光检测装置的概略结构的框图。
图5A是示出在第1模式时仅四个角的第2受光元件成为开启状态的状态的图。
图5B是示出在第2模式时所有的第2受光元件成为开启状态的状态的图。
图6是示出第3实施方式的光检测装置的概略结构的框图。
图7是示出第4实施方式的光检测装置的概略结构的框图。
图8是示出击穿电压因第1受光元件的配置部位而变化的例子的图。
图9是示出第5实施方式的光检测装置的概略结构的框图。
图10是示出具备内置有本实施方式的光检测装置的受光部的电子装置的概略结构的框图。
图11是示出将受光部和信号处理部安装于半导体基板上的例子的示意性的立体图。
(附图标记说明)
1：光检测装置；2：第1受光阵列；2a：第1受光元件；3：第2受光阵列；3a：第2受光元件；4：第3受光阵列；4a：第3受光元件；5：获取部；6：控制部；8：校正部；9：校正调整部；10：梯度失配面；11、12：第2受光阵列；21：电子装置；22：投射部；23：光控制部；24：受光部；25：信号处理部；26：图像处理部；27：距离测量装置；31：振荡器；32：投射控制部；33：光源；34：第1驱动部；35：第2驱动部；41：第1透镜；42：分束器；43：第2透镜；44：扫描反射镜；51：光检测器；52：放大器；53：第3透镜；54：受光传感器；55：A/D变换器；71：半导体基板；72：第1裸片；73：第2裸片；74：SiPM。
具体实施方式
以下，参照附图，说明光检测装置、电子装置以及光检测方法的实施方式。以下，以光检测装置、电子装置以及光检测方法的主要的结构部分为中心进行说明，但在光检测装置、电子装置以及光检测方法中可能存在未图示或者说明的结构部分、功能。
(第1实施方式)
图1是示出第1实施方式的光检测装置1的概略结构的框图。图1的光检测装置1如后所述例如用于接收来自物体的反射光。图1的光检测装置1具备第1受光阵列2、第2受光阵列3、第3受光阵列4、获取部5以及控制部6。
第1受光阵列2具有隔着间隔配置的多个第1受光元件2a。在图1的例子中，第1受光阵列2具有在二维方向上配置的多个像素2b。各像素2b具有在二维方向上配置的多个第1受光元件2a。在本说明书中，说明作为第1受光元件2a而利用SPAD(Single Photon AvalancheDiode，单光子雪崩二极管)的例子。SPAD使APD(Avalanche Photo－Diode，雪崩光电二极管)以盖革模式动作，能够输出对接收到的1个光子进行光电变换后的电信号。在图1的例子中，由纵横各4个的SPAD形成1个像素2b，但形成1个像素2b的SPAD的数量及其配置是任意的。1个像素2b的单位还被称为SiPM(Silicon Photomultiplier，硅光电倍增管)。
图1的第1受光阵列2具有在二维方向上各配置了多个的像素2b，但也可以具有在一维方向上即线状地配置的多个像素。另外，配置于各像素2b内的多个SPAD也能够在二维方向或者一维方向上配置。
第2受光阵列3和第3受光阵列4被设置成用于校正第1受光阵列2。第2受光阵列3具有受光面被遮光的多个第2受光元件3a。第2受光元件3a的受光面被遮光，所以第2受光阵列3无法接收入射的光。但是，各第2受光元件3a输出还被称为暗电流的信号。各第2受光元件3a的输出信号具有与噪声和串扰率相应的信号电平。在此，串扰率是指邻接的受光元件感知到在某个受光元件接收到光而输出大电流时发出的光而输出大电流的概率。关于串扰率，将在后面详细叙述。
例如，第2受光阵列3内的多个第2受光元件3a以比第1受光阵列2内的多个第1受光元件2a宽的间隔配置。增宽多个第2受光元件3a的间隔是为了使邻接的第2受光元件3a彼此不受到串扰的影响。此外，如后所述，还考虑将第1受光元件2a与第2受光元件3a的间隔设为相同的变形例，所以将第1受光元件2a与第2受光元件3a的间隔设为相同还是不同是设计事项。
第2受光元件3a的受光面的遮光例如能够通过用未图示的遮光膜覆盖受光面来实现。遮光膜也可以在包括光检测装置1的半导体芯片的制造工序中的金属布线工序中使用金属布线来形成。或者，也可以在金属布线以外的制造工序中形成遮光膜。另外，遮光膜也可以不在制造半导体芯片时的膜形成工序中形成，而是对设置于半导体封装体的光入射窗口进行遮光的密封构件。在图1的例子中，多个第2受光元件3a以与第1受光阵列2内的四个角的位置的第1受光元件2a相同的间隔设置合计4个。此外，第2受光阵列3内的各第2受光元件3a既可以未必为4个，另外也可以以与第1受光阵列2内的四个角的位置的第1受光元件2a不同的间隔配置。
第3受光阵列4具有受光面被遮光的多个第3受光元件4a。多个第3受光元件4a具有与多个第2受光元件3a不同的串扰率。第3受光阵列4例如以与多个第1受光元件2a相同的间隔配置。这样，第3受光阵列4内的各像素2b的配置以及尺寸和各像素2b内的各SPAD的配置以及尺寸与第1受光阵列2是共同的。在本实施方式中，将多个第3受光元件4a的间隔设为与多个第1受光元件2a的间隔相同。由此，在第1受光阵列2和第3受光阵列4中串扰率为相同程度。
此外，在本说明书中，除了受光面是否被遮光以外，将第1、第2以及第3受光元件4a的元件构造以及尺寸设为共同。
上述多个第1受光元件2a当在施加预定的逆偏置电压的状态下接收到光时，输出进行光电变换后的电信号。如后所述，越增大逆偏置电压，第1受光元件2a的灵敏度越提高，但噪声也增大，串扰率也增大。
获取部5获取第2受光阵列3的输出信号和第3受光阵列4的输出信号，将获取到的各输出信号传送到控制部6。此外，获取部5也可以合并到控制部6。
控制部6根据多个第2受光元件3a的输出信号和多个第3受光元件4a的输出信号，控制第1受光阵列2的动作点。例如，控制部6对多个第2受光元件3a以及多个第3受光元件4a施加逆偏置电压，根据多个第2受光元件3a的输出信号和多个第3受光元件4a的输出信号，推测第1受光阵列2的噪声的大小以及串扰的大小，并且控制第1受光阵列2的动作点。更具体而言，控制部6一边对施加到多个第2受光元件3a以及多个第3受光元件4a的逆偏置电压进行扫频(sweep)，一边推测第2受光阵列3的噪声电平以及串扰率，并且以使信噪比成为最大的方式控制第1受光阵列2的动作点。
动作点例如是指第1受光阵列2的逆偏置电压。在该情况下，控制部6根据多个第2受光元件3a的输出信号和多个第3受光元件4a的输出信号，控制施加到第1受光阵列2的逆偏置电压。此外，如后所述，动作点未必限于逆偏置电压。动作点为表示第1受光阵列2的动作条件的值。
控制部6不一定需要推测串扰率，也可以代替串扰率而推测表示串扰的大小的指标。因而，控制部6基于根据多个第2受光元件3a的输出信号计算的第2受光元件间的串扰的大小，控制第1受光阵列2的动作点。或者，控制部6基于根据多个第2受光元件3a的输出信号和多个第3受光元件4a的输出信号计算的第2受光元件间的串扰的大小，控制第1受光阵列2的动作点。另外，控制部6也可以还基于根据多个第2受光元件3a的输出信号计算的第2受光元件的噪声电平，控制第1受光阵列2的动作点。
接下来，详细地说明本实施方式的动作原理。将第2受光阵列3中的多个第2受光元件3a的数量设为M1，将第3受光阵列4中的多个第3受光元件4a的数量设为M2，将第2受光元件3a间的串扰率设为a1，将第3受光元件4a间的串扰率设为a2，将第2受光元件3a以及第3受光元件4a的噪声设为N。第2受光元件3a以及第3受光元件4a在共同的半导体工艺中按照相同构造以及相同尺寸形成，所以噪声N相等。第2受光阵列3的输出信号S1和第3受光阵列4的输出信号S2分别按照以下的式(1)和(2)表示。
S1＝M1×N×(1+a1)…(1)
S2＝M2×N×(1+a2)…(2)
这些M1、M2、S1、S2为已知的值。噪声N和串扰率a1、a2为变量。设想第2受光阵列3内的多个第2受光元件3a的间隔宽到能够忽略串扰的程度，所以如果设为M1＝1，则a1＝0。此时，能够通过以下的式(3)从输出信号的测定值S1、S2推测串扰率a2和噪声N。
a2＝S2×M1/(S1×M2)－1…(3)
N＝S1/M1…(4)
串扰率a1和a2取决于SPAD的制造技术、温度、逆偏置电压等动作点。串扰率的比率a＝a1/a2仅取决于SPAD间的间隔。因此，通过预先求出比率a，即使使SPAD的温度、设定条件等变化，也能够根据比率a、式(1)以及式(2)求出串扰率a2和噪声N，用式(5)以及(6)表示。
a2＝(1－a)＊M1＊S2/(M2＊S1－a＊M1＊S2)－1…(5)
N＝S2/(M2＊(1+a2))…(6)
第3受光阵列4内的第3受光元件4a的间隔与第1受光阵列2内的第1受光元件2a的间隔相同，所以第1受光阵列2的第1受光元件2a间的串扰率与第3受光阵列4内的第3受光元件4a间的串扰率a2相同。因而，控制部6根据通过式(5)和(6)求出的串扰率a2和噪声N，由控制部6计算第1受光阵列2内的多个第1受光元件2a的最佳设定值，根据该计算值来控制各第1受光元件2a。
接下来，说明控制部6进行的计算的一个例子。图2是示出SPAD的电特性的一个例子的曲线图。图2的横轴为逆偏置电压，纵轴为SPAD的电特性值。在图2中，作为SPAD的电特性，图示出噪声N、PDE、串扰率的各曲线图w1、w2、w3。当对SPAD施加击穿电压以上的逆偏置电压时，SPAD在接收到光时以预定的概率PDE输出大电流的信号。SPAD输出大电流的信号这一动作还被称为点火。然而，SPAD有时即使未接收到光也点火，其为噪声N。逆偏置电压越大，噪声N和概率PDE越增大。
另外，SPAD在点火时以预定的概率辐射光，由于该光的原因，有时其它SPAD点火。该过程的综合概率为串扰率。
图3是示出SPAD的输出特性的一个例子的曲线图。图3的横轴为逆偏置电压，纵轴为SPAD的各输出值。在图3中，图示出PDE×Smin、Smax×PDE×串扰率、SNR的各曲线图w4、w5、w6。噪声N的曲线图与图2相同。Smin和Smax为SPAD的入射光强度的最小值和最大值。
SPAD的输出信号的最小值为PDE×Smin。噪声的最大值为在SPAD的入射光强度为最小值Smin时相邻的SPAD的入射光强度成为最大值Smax的情况下的值，用以下的式(7)表示。
噪声的最大值＝N+Smax×PDE×串扰率…(7)
受光信号的信噪比SNR的最小值用以下的式(8)表示。
SNR＝PDE×Smin/(N+Smax×PDE×串扰率)…(8)
为了将式(8)的SNR设为最大，不仅必须考虑SPAD的概率PDE和噪声N，还必须考虑串扰率。
SPAD的性能因光检测装置1的温度而变化。例如，一般而言，温度越上升，SPAD的击穿电压越下降，图2和图3的特性向右侧偏移，SPAD的最佳设定值变高。
另外，当温度上升时，电子的运动能量变大，以电子的运动能量使SPAD点火的概率PDE上升，噪声N增加。与击穿电压的上升相匹配地，噪声N的曲线一边向右偏移，一边向上方延伸。
另一方面，即使温度发生变化，PDE、串扰率的曲线形状一般也几乎不改变。其理由在于，决定PDE、串扰率的主要原因是作为受光元件的SPAD的结构材料的光吸收率和SPAD的构造，相对于温度几乎不变化。因而，只要预先求出PDE与串扰率的关系，就能够从串扰率计算PDE。因而，通过求出噪声N和串扰率，能够根据式(8)来计算SNR。关于根据式(8)来求出信噪比SNR的最佳值的手法，考虑各种手法。以下，说明代表性的两个手法。
在第1手法中，对第2受光阵列3和第3受光阵列4内的第2受光元件3a以及第3受光元件4a的设定值(例如逆偏置电压)进行扫频，求出噪声和串扰率，通过式(8)来计算SNR。即，一边对第2受光元件3a以及第3受光元件4a的设定值进行扫频，将SNR成为最大时的设定值设为最佳的设定值，根据此时的设定值来决定第1受光阵列2的最佳设定值。作为扫频的方式，既可以在初始设定时增大逆偏置电压的扫频的宽度，在得到最佳的设定值之后为了追踪温度而缩窄扫频宽度，也可以始终以相同的扫频宽度进行扫频。
例如根据图3来说明第1手法，使第2受光元件3a以及第3受光元件4a的逆偏置电压从击穿电压逐渐变大，当检测到SNR的最大值时，将此时的逆偏置电压设为最佳的设定值，用作第1受光阵列2内的多个第1受光元件2a的逆偏置电压的最佳设定值。
在第2手法中，以使式(8)的分母成为预定值的方式控制第2受光元件3a以及第3受光元件4a。例如，控制施加到第2受光元件3a以及第3受光元件4a的逆偏置电压，将式(8)的分母设为预定值。精度比第1手法下降，但也可以不计算式(7)的分子，计算变简单。
此外，控制部6根据式(8)求出SNR的最佳值的手法未必限定于上述第1手法或者第2手法。这是因为用于使SNR最大化的SPAD、APD的最佳设定手法可能因SPAD、APD的各个特性而改变。
例如，SPAD当在施加了逆偏置电压的状态下接收到光时，流过大电流而阴极电压下降，这样的话无法接收新的光。因此，设置强制地提高阴极电压的未图示的淬火电路。从SPAD检测到光而阴极电压下降起至利用淬火电路阴极电压恢复到所期望的电压为止的期间还被称为死区时间，是SPAD无法接收光的期间。为了强制地缩短死区时间，使用晶体管等急速地提高阴极电压的有源淬火电路被使用。然而，当在正在进行利用有源淬火电路提高阴极电压的动作的过程中光入射时，在SPAD中流过大量的电流而发光，在存在于周边的SPAD中流过串扰所致的电流。
这样，通过控制SPAD的死区时间，SNR也变化。因而，控制部6也可以为了使式(8)的SNR最大化而控制SPAD的死区时间。因而，也可以在上述第1受光阵列2的动作点的控制中控制死区时间。
在图1中说明了将第2受光阵列3内的第2受光元件3a的间隔设为比第3受光阵列4内的第3受光元件4a的间隔宽的例子，但第2受光元件3a的间隔与第3受光元件4a的间隔互不相同即可，也可以将第3受光元件4a的间隔设为比第2受光元件3a的间隔宽。另外，在设置用于降低邻接的第2受光元件3a彼此的串扰的构造物(例如，屏蔽层)的情况下，第2受光元件3a的间隔与第3受光元件4a的间隔也可以相同。这样，第2受光元件3a的间隔与第3受光元件4a的间隔也可以未必不同。第2受光元件3a与第3受光元件4a的串扰率互不相同即可。
这样，在第1实施方式中，除了设置接收来自物体的反射光的第1受光阵列2以外，还设置校正用的第2受光阵列3和第3受光阵列4，从第2受光阵列3的输出信号和第3受光阵列4的输出信号推测第1受光阵列2的噪声和串扰率，以使第1受光阵列2的信噪比成为最大的方式控制第1受光阵列2的动作点。由此，能够尽可能不受到第1受光阵列2的噪声、串扰率的影响地设定用于使第1受光阵列2的信噪比最佳化的第1受光阵列2的动作点。
在本实施方式中，说明了使用第2受光阵列和第3受光阵列从而简易地计算串扰率来控制第1受光阵列2。但是，如果仅凭第3受光阵列4的结果进行信号处理，则能够求出第3受光阵列4的串扰率。因而，还能够仅准备第3受光阵列4，通过信号处理来计算串扰率，控制第1受光阵列。
(第2实施方式)
第2实施方式是仅具备一个校正用的受光阵列的实施方式。
图4是示出第2实施方式的光检测装置1的概略结构的框图。图4的光检测装置1具备第1受光阵列2、第2受光阵列11、获取部5以及控制部6。图4的第1受光阵列2与图1的第1受光阵列2相同，省略说明。
图4的第2受光阵列11具有受光面被遮光的多个第2受光元件11a。多个第2受光元件11a以与多个第1受光元件2a相同的间隔配置。多个第2受光元件11a分别能够根据来自控制部6的指示单独地切换进行受光动作的开启状态和使受光动作停止的关闭状态。在第2受光元件11a为关闭状态时，受光元件不点火，也不产生噪声，所以也不进行成为串扰的原因的点火所致的光释放。多个第2受光元件11a例如分别具有覆盖受光面的遮光膜。
获取部5获取第2受光阵列11的输出信号，传送到控制部6。控制部6能够切换使将多个第2受光元件11a以预定间隔(例如等间隔)剔除后的一部分的第2受光元件11a开启的第1模式、以及使多个第2受光元件11a全部开启的第2模式。控制部6通过切换第1模式和第2模式，根据将多个第2受光元件11a以预定间隔剔除后的一部分的第2受光元件11a的输出信号和多个第2受光元件11a的所有的输出信号，控制第1受光阵列2的动作点。这样，控制部6根据多个第2受光元件11a中的不驱动邻接的其它第2受光元件中的至少1个第2受光元件时的第2受光元件的输出信号、和多个第2受光元件11a中的驱动邻接的所有的第2受光元件时的输出信号，控制第1受光阵列2的动作点。
在控制部6选择出第1模式的情况下，仅多个第2受光元件11a中的例如四个角的第2受光元件11a成为开启状态。第1模式时的成为开启状态的第2受光元件11a间的间隔与图1的第2受光元件3a间的间隔相同。图5A示出在第1模式时仅四个角的第2受光元件11a成为开启状态的状态。图5B示出在第2模式时所有的第2受光元件11a成为开启状态的状态。
在控制部6选择出第2模式的情况下，多个第2受光元件11a全部成为开启状态，所以第2受光元件11a间的间隔比第1模式时的间隔窄，串扰率变高。第2模式时的成为开启状态的第2受光元件11a间的间隔与图1的第3受光元件4a间的间隔相同。
图4的第2受光阵列11在选择第1模式时进行与图1的第2受光阵列3同样的动作，在选择第2模式时进行与图1的第3受光阵列4同样的动作。控制部6一边对逆偏置电压进行扫频，一边切换第1模式和第2模式，从而推测噪声N和串扰率，根据式(8)，将信噪比SNR成为最大时的逆偏置电压设定成第1受光阵列2的逆偏置电压。这样，控制部6对多个第2受光元件11a施加逆偏置电压，根据多个第2受光元件11a的输出信号，推测第1受光阵列2的噪声的大小以及串扰的大小，并且控制第1受光阵列2的动作点。或者，控制部6也可以根据多个第2受光元件11a的所有的输出信号、和将多个第2受光元件11a以预定间隔剔除后的一部分的第2受光元件11a的输出信号，控制未图示的淬火电路将对应的第1受光元件2a设定为初始电压的定时。即，也可以控制第1受光元件2a的死区时间。
这样，在第2实施方式中，切换是使校正用的第2受光阵列11内的多个第2受光元件11a的一部分开启还是使全部开启，从而与第1实施方式同样地能够尽可能不受到第1受光阵列2的噪声、串扰率的影响地以使第1受光阵列2的信噪比最佳化的方式设定第1受光阵列2的动作点。
另外，第2实施方式与第1实施方式相比，能够减少校正用的受光阵列的数量，能够实现光检测装置1的小型化、构件成本削减以及低功耗化。
(第3实施方式)
第3实施方式利用与第2实施方式不同的手法，使第1受光阵列2的信噪比最佳化。
图6是示出第3实施方式的光检测装置1的概略结构的框图。图6的光检测装置1具备第1受光阵列2、第2受光阵列12、获取部5以及控制部6。图6的第1受光阵列2与图1的第1受光阵列2相同，省略说明。
图6的第2受光阵列12具有受光面被遮光膜覆盖的多个第2受光元件12a、12b、12c。多个第2受光元件12a、12b、12c以与多个第1受光元件2a相同的间隔配置。多个第2受光元件12a、12b、12c同时成为开启状态，但表示多个第2受光元件12a、12b、12c的受光结果的输出信号根据多个第2受光元件12a、12b、12c的配置部位而分为3个输出体系。
在图6中，对与3个输出体系连结的第2受光元件12a、12b、12c附加I、II、III而分类。I的第2受光元件12a与两个其它第2受光元件12b、12c相接。II的第2受光元件12b与3个其它第2受光元件12a、12b、12c相接。III的第2受光元件12c与4个其它第2受光元件12b、12c相接。相接的其它第2受光元件的数量越多，串扰率越高，所以III的第2受光元件12c的串扰所致的点火的概率最高，I的第2受光元件12a的串扰所致的点火的概率最低，II的第2受光元件12b的串扰所致的点火的概率为中间。
当将I、II、III的串扰率分别设为a1、a2、a3，将串扰的主要的原因设为是因为存在相邻的SPAD时，以下的式(9)成立。
a1/2＝a2/3＝a3/4…(9)
在将上述I、II、III的SPAD数分别设为M1、M2、M3时，各SPAD的输出S1、S2、S3用以下的式(10)～(12)表示。
S1＝M1＊N＊(1+a1)…(10)
S2＝M2＊N＊(1+a2)…(11)
S3＝M3＊N＊(1+a3)…(12)
式(9)～(12)的变量为a1、a2、a3和N这4个，公式也有4个，所以通过求解这些公式，能够求出这些变量a1、a2、a3和N。
第1受光阵列2的串扰率还基于第1受光阵列2内的多个第1受光元件2a的排列，但一般而言认为如图6的III那样，一个第1受光元件2a与4个第1受光元件2a相接的比例多，应用串扰率a3。因而，通过求解式(9)～(12)，能够推测第1受光阵列2的噪声和串扰率，能够为了利用与第1实施方式同样的手法使第1受光阵列2的信噪比最佳化而设定第1受光阵列2的逆偏置电压、死区时间。
这样，在第3实施方式中，根据校正用的第2受光阵列12内的各受光元件与几个受光元件相接，将第2受光阵列12的输出信号分成多个，所以能够根据上述式(9)～(12)来推测第1受光阵列2的噪声和串扰率，能够使用其推测结果来使第1受光阵列2的信噪比最佳化。
(第4实施方式)
在第4实施方式中，考虑第1受光阵列2内的第1受光元件2a的配置部位，设定各第1受光元件2a的逆偏置电压等。
图7是示出第4实施方式的光检测装置1的概略结构的框图。图7的光检测装置1具备具有在二维方向上配置的多个第1受光元件2a的第1受光阵列2、多个校正部8以及校正调整部9。
多个校正部8配置于第1受光阵列2的周围的3个部位以上。各校正部8能够使用第1至第3实施方式的光检测装置1来构成。
校正调整部9根据由多个校正部8各自的控制部6得到的第1受光阵列2的最佳的动作点的信息、多个校正部8的位置以及多个第1受光元件2a的位置，校正多个第1受光元件2a的动作点。
首先，说明本实施方式的动作原理。当第1受光阵列2的尺寸变大时，由于制造时的偏差等，多个第1受光元件2a的特性未必为恒定，特性因第1受光元件2a的配置部位而变化。作为特性的变化，有随机失配和梯度失配这两个种类。在随机失配中，特性随机地变化，所以只要不测定各个第1受光元件2a的特性，就不知晓准确的特性值。但是，随机失配的值一般比梯度失配的值小。因此，在本实施方式中忽略随机失配。
另一方面，梯度失配的特性值与第1受光元件2a的配置部位相应地变化。图8是说明梯度失配的图。图8示出了击穿电压因第1受光元件2a的配置部位而变化的例子。在图7以及图8中，示出了在第1受光阵列2的四个角处配置校正部8的例子，但为3个以上即可，另外，不一定必须在第1受光元件2a的四个角处配置各校正部8。
在图8的例子中，用虚线表示击穿电压线性地变化的例子。该虚线还被称为梯度失配面10。多个校正部8利用在第1～第3实施方式中说明的手法，使用第2受光阵列3(以及第3受光阵列4)，计算第1受光阵列2的最佳的动作点的设定信息，将其计算结果通知给校正调整部9。
校正调整部9根据由多个校正部8计算出的第1受光阵列2的最佳的动作点的设定信息、多个校正部8的位置以及多个第1受光元件2a的位置，计算图8所示的梯度失配面10，计算与各第1受光元件2a的位置相应的最佳设定信息。
校正调整部9无需关于第1受光阵列2内的各个第1受光元件2a进行使用了梯度失配面10的计算，关于配置于接近的部位的多个第1受光元件2a而集中地计算即可。这样，如果将第1受光阵列2内的多个第1受光元件2a分类成几个群组，针对各群组的每个群组使用梯度失配面10来计算最佳设定信息，则能够削减从第1受光阵列2输出的控制信号线的数量，并且能够削减校正调整部9的计算量。
这样，在第4实施方式中，把第1受光元件2a的电特性因第1受光阵列2内的第1受光元件2a的配置部位而变化放在心上，根据第1受光元件2a的配置部位来校正由配置于第1受光阵列2的周围的校正部8计算出的第1受光阵列2的最佳设定信息。因而，即使第1受光阵列2的尺寸大，也能够针对第1受光阵列2内的每个第1受光元件2a考虑配置部位而设定逆偏置电压等。
(第5实施方式)
第4实施方式示出了校正在二维方向上配置有第1受光阵列2内的多个第1受光元件2a的情况下的梯度失配的例子，但在第5实施方式中，校正在一维方向上即线状地配置有第1受光阵列2内的多个第1受光元件2a的情况下的梯度失配。
图9是示出第5实施方式的光检测装置1的概略结构的框图。图9的光检测装置1中的第1受光阵列2具有线状地配置的多个第1受光元件2a。图9的光检测装置1具有配置于线状地配置的多个第1受光元件2a的两端侧的两个校正部8、以及校正调整部9。各校正部8能够使用第1至第3实施方式的光检测装置1来构成。
校正调整部9根据由两个校正部8各自的控制部6得到的第1受光阵列2的最佳的动作点的信息、各校正部8的位置以及多个第1受光元件2a的位置，校正多个第1受光元件2a的动作点。
线状地配置的多个第1受光元件2a的特性值因线状的位置而变化。该特性变化为梯度失配，能够根据各第1受光元件2a位于线状的何处来校正。因而，校正调整部9根据各第1受光元件2a的线状的位置、由两个校正部8计算出的第1受光阵列2的最佳的动作点的设定信息以及两个校正部8的位置，计算与各第1受光元件2a的位置相应的最佳设定信息。
校正调整部9无需关于第1受光阵列2内的所有的第1受光元件2a而计算考虑了梯度失配的最佳设定信息，在关于代表性的第1受光元件2a而计算出考虑了梯度失配的最佳设定信息之后，通过插值处理来计算其它第1受光元件2a的最佳设定信息即可。
这样，在第5实施方式中，在线装地配置有第1受光阵列2内的多个第1受光元件2a的情况下，在其两端侧配置两个校正部8，从而能够比第4实施方式简易地计算考虑了梯度失配的各第1受光元件2a的最佳设定信息。
上述第1至第5实施方式的光检测装置1能够嵌入到进行ToF(Time of Flight，飞行时间)方式的距离测量的电子装置。图10是示出具备内置有本实施方式的光检测装置1的受光部24的电子装置21的概略结构的框图。图10的电子装置21具备投射部22、光控制部23、受光部24、信号处理部25以及图像处理部26。其中，距离测量装置27包括投射部22、光控制部23、受光部24以及信号处理部25。上述第1至第5实施方式的光检测装置1作为受光部24中的至少一部分而安装。
图1的电子装置21中的至少一部分能够包括1个或者多个半导体IC(IntegratedCircuit，集成电路)。例如，既可以将信号处理部25和图像处理部26集成于一个半导体芯片的内部，也可以连受光部24都包括地集成于该半导体芯片。另外，也可以连投射部22都包括地集成于该半导体芯片。
投射部22投射第1光。第1光例如为预定的频带的激光。激光是指相位以及频率一致的相干的光。投射部22以预定的周期间歇地投射脉冲状的第1光。投射部22投射第1光的周期为为了由距离测量装置27根据第1光的一个脉冲来测量距离所需的时间以上的时间间隔。
投射部22具有振荡器31、投射控制部32、光源33、第1驱动部34以及第2驱动部35。振荡器31生成与投射第1光的周期相应的振荡信号。第1驱动部34与振荡信号同步地间歇地将电力供给到光源33。光源33根据来自第1驱动部34的电力间歇地射出第1光。光源33既可以为射出单一的激光的激光元件，也可以为同时地射出多个激光的激光单元。投射控制部32与振荡信号同步地控制第2驱动部35。第2驱动部35根据来自投射控制部32的指示将与振荡信号同步的驱动信号供给到光控制部23。
光控制部23控制从光源33射出的第1光的行进方向。另外，光控制部23控制接收到的第2光的行进方向。
光控制部23具有第1透镜41、分束器42、第2透镜43以及扫描反射镜44。
第1透镜41使从投射部22射出的第1光聚光，引导到分束器42。分束器42使来自第1透镜41的第1光分支成两个方向，引导到第2透镜43和扫描反射镜44。第2透镜43将来自分束器42的分支光引导到受光部24。将第1光引导到受光部24的理由在于利用受光部24来检测投射定时。
扫描反射镜44与来自投射部22内的第2驱动部35的驱动信号同步地对反射镜面进行旋转驱动。由此，控制通过分束器42而入射到扫描反射镜44的反射镜面的分支光(第1光)的反射方向。通过以一定周期对扫描反射镜44的反射镜面进行旋转驱动，能够至少在一维方向上扫描从光控制部23射出的第1光。通过将对反射镜面进行旋转驱动的轴设置为两个方向，还能够在二维方向上扫描从光控制部23射出的第1光。在图1中示出了利用扫描反射镜44在X方向以及Y方向上扫描从电子装置21投射的第1光的例子。
在物体20存在于从电子装置21投射的第1光的扫描范围内的情况下，第1光被物体20反射。被物体20反射后的反射光中的至少一部分在与第1光大致相同的路径上相反地行进，入射到光控制部23内的扫描反射镜44。扫描反射镜44的反射镜面以预定的周期被旋转驱动，但激光以光速传播，所以在扫描反射镜44的反射镜面的角度几乎不变化的期间来自物体20的反射光入射到反射镜面。入射到反射镜面的来自物体20的反射光由受光部24接收。
受光部24具有光检测器51、放大器52、第3透镜53、受光传感器54以及A/D变换器55。光检测器51接收由分束器42分支后的光并变换为电信号。能够利用光检测器51来检测第1光的投射定时。放大器52放大从光检测器51输出的电信号。
第3透镜53使被物体20反射后的激光成像于受光传感器54。受光传感器54接收激光并变换为电信号。上述第1至第5实施方式的光检测装置1应用受光传感器54。受光传感器54还被称为SiPM(Silicon Photomultiplier，硅光电倍增管)。
A/D变换器55以预定的采样速率对从受光传感器54输出的电信号进行采样，进行A/D变换，生成数字信号。
信号处理部25测量直至反射第1光的物体20为止的距离，并且将与第2光相应的数字信号存储于存储部61。信号处理部25具有存储部61、距离测量部62以及控制部63。
距离测量部62根据第1光以及反射光来测量直至物体20为止的距离。更具体而言，距离测量部62根据第1光的投射定时与由受光传感器54接收到的第2光所包含的反射光的受光定时的时间差，测量直至物体为止的距离。即，距离测量部62根据以下的式(13)来测量距离。
距离＝光速×(反射光的受光定时－第1光的投射定时)/2…(13)
式(13)中的“反射光的受光定时”更准确而言是指反射光的峰值位置的受光定时。距离测量部62根据由A/D变换器55生成的数字信号来检测第2光所包含的反射光的峰值位置。
本实施方式的电子装置21中的至少一部分能够利用SiP(System in Package，系统封装)来安装。图11是示出将受光部24和信号处理部25安装于封装体的基板上的例子的示意性的立体图。在图11的基板71上设置有第1裸片(die)72和第2裸片73。在第1裸片72上配置有图1的受光部24内的受光传感器54。受光传感器54为具有上述第1～第4实施方式的光检测装置1的SiPM74。SiPM74在X方向以及Y方向上各配置有多个。在第2裸片73上配置有图1的受光部24内的A/D变换器(ADC)55和信号处理部25。第1裸片72上的焊盘76与第2裸片73上的焊盘77利用键合线78连接。
在图11的布局图中，在第1裸片72上配置有多个SiPM74，但也可以与各SiPM74对应起来配置用于缩短APD的死区时间的有源淬火电路、无源淬火电路。
此外，能够将上述实施方式总结成以下的技术方案。
技术方案1
光检测装置具备：
阵列，具有隔着第1间隔配置的多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；
多个第2受光元件，具有第1串扰率，将接收到的光变换为第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；
多个第3受光元件，具有与所述第1串扰率不同的第2串扰率，将接收到的光变换为第3信号，该多个第3受光元件的表面被遮光；以及
控制部，根据所述第2信号和所述第3信号来控制所述阵列的动作点。
技术方案2
根据技术方案1所记载的光检测装置，其中，
所述多个第2受光元件以与所述第1间隔不同的第2间隔配置，
所述多个第3受光元件以所述第1间隔配置。
技术方案3
根据技术方案1或者2所记载的光检测装置，其中，
所述多个第1受光元件、所述多个第2受光元件以及所述多个第3受光元件当在施加逆偏置电压的状态下接收到光时，输出进行光电变换得到的所述第1信号、所述第2信号以及所述第3信号，
所述控制部对所述多个第2受光元件以及所述多个第3受光元件施加逆偏置电压，根据所述多个第2受光元件的所述第2信号和所述多个第3受光元件的所述第3信号，推测所述阵列的噪声的大小以及串扰的大小，并且控制所述阵列的动作点。
技术方案4
根据技术方案3所记载的光检测装置，其中，
所述控制部根据所述多个第2受光元件的所述第2信号和所述多个第3受光元件的所述第3信号，控制施加到所述阵列的逆偏置电压。
技术方案5
根据技术方案1至3中的任意一项所记载的光检测装置，其中，
所述光检测装置具备复位电路，该复位电路与所述多个第1受光元件中的至少1个第1受光元件对应地设置，在对应的第1受光元件接收到光之后将所述对应的第1受光元件的一端侧电压设定为初始电压，
所述控制部根据所述多个第2受光元件的所述第2信号和所述多个第3受光元件的所述第3信号，控制用于所述复位电路将所述对应的第1受光元件设定为所述初始电压的动作点。
技术方案6
光检测装置具备：
阵列，具有隔着第1间隔配置的多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；
多个第2受光元件，隔着所述第1间隔配置，将接收到的光变换为第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；以及
控制部，根据所述多个第2受光元件中的不驱动邻接的其它第2受光元件中的至少1个第2受光元件时的第2受光元件的所述第2信号、以及所述多个第2受光元件中的驱动邻接的所有的第2受光元件时的所述第2信号，控制所述阵列的动作点。
技术方案7
根据技术方案6所记载的光检测装置，其中，
所述多个第1受光元件以及所述多个第2受光元件当在施加预定的逆偏置电压的状态下接收到光时，输出进行光电变换后得到的所述第1信号以及所述第2信号，
所述控制部对所述多个第2受光元件施加逆偏置电压，根据所述多个第2受光元件的所述第2信号，推测所述阵列的噪声的大小以及串扰的大小，并且控制所述阵列的动作点。
技术方案8
根据技术方案7所记载的光检测装置，其中，
所述控制部根据所述多个第2受光元件中的不驱动邻接的其它第2受光元件中的至少1个第2受光元件时的第2受光元件的所述第2信号、以及所述多个第2受光元件中的驱动邻接的所有的第2受光元件时的所述第2信号，控制所述阵列的逆偏置电压。
技术方案9
根据技术方案6或者7所记载的光检测装置，其中，
所述光检测装置具备复位电路，该复位电路与所述多个第1受光元件中的至少1个第1受光元件对应地设置，在对应的第1受光元件接收到光之后将所述对应的第1受光元件的一端侧电压设定为初始电压，
所述控制部根据所述多个第2受光元件的所有的所述第2信号、和将所述多个第2受光元件以预定间隔剔除后的一部分的第2受光元件的所述第2信号，控制用于所述复位电路将所述对应的第1受光元件设定为所述初始电压的动作点。
技术方案10
光检测装置具备：
阵列，具有隔着第1间隔配置的多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；
多个第2受光元件，隔着所述第1间隔配置，将接收到的光变换为第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；以及
控制部，根据所述多个第2受光元件中的邻接的第2受光元件的数量分别不同的第一第2受光元件群、第二第2受光元件群以及第三第2受光元件群的各输出信号，控制所述阵列的动作点。
技术方案11
根据技术方案10所记载的光检测装置，其中，
所述多个第1受光元件以及所述多个第2受光元件当在施加预定的逆偏置电压的状态下接收到光时，输出进行光电变换后得到的所述第1信号以及所述第2信号，
所述控制部对所述多个第2受光元件施加逆偏置电压，根据所述多个第2受光元件的所述第2信号，推测所述阵列的噪声的大小以及串扰的大小，并且控制所述阵列的动作点。
技术方案12
根据技术方案11所记载的光检测装置，其中，
所述控制部根据所述第一第2受光元件群、所述第二第2受光元件群以及所述第三第2受光元件群的各输出信号，控制施加到所述阵列的逆偏置电压。
技术方案13
根据技术方案10或者11所记载的光检测装置，其中，
所述光检测装置具备复位电路，该复位电路与所述多个第1受光元件中的至少1个第1受光元件对应地设置，在对应的第1受光元件接收到光之后将所述对应的第1受光元件的一端侧电压设定为初始电压，
所述控制部根据所述第一第2受光元件群、所述第二第2受光元件群以及所述第三第2受光元件群的各输出信号，控制用于所述复位电路将所述对应的第1受光元件设定为所述初始电压的动作点。
技术方案14
光检测装置具备：
阵列，具有多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；
多个第2受光元件，将接收到的光变换为第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；以及
控制部，根据从所述多个第2受光元件的所述第2信号计算出的所述第2受光元件间的串扰的大小，控制所述阵列的动作点。
技术方案15
根据技术方案14所记载的光检测装置，其中，
所述控制部还根据从所述多个第2受光元件的所述第2信号计算出的所述第2受光元件的噪声电平，控制所述阵列的动作点。
技术方案16
根据技术方案1至15中的任意一项所记载的光检测装置，其中，具备：
多个校正部，配置于所述阵列的周围的3个部位以上，分别具有所述多个第2受光元件和所述控制部；以及
校正调整部，根据由所述多个校正部各自的所述控制部得到的所述阵列的最佳的动作点的信息、所述多个校正部的位置以及所述多个第1受光元件的位置，校正所述多个第1受光元件的动作点。
技术方案17
根据技术方案1至15中的任意一项所记载的光检测装置，其中，
所述阵列内的所述多个第1受光元件在一个方向上配置，
多个校正部，配置于在一个方向上配置的所述多个第1受光元件的两端侧，分别具有所述多个第2受光元件和所述控制部；以及
校正调整部，根据配置于所述多个第1受光元件的两端侧的两个所述校正部的位置与所述多个第1受光元件的位置的比例分配来校正所述多个第1受光元件的动作点。
技术方案18
电子装置具备：
技术方案1至17中的任意一项所记载的光检测装置；以及
距离测量部，根据从对物体投射光的定时至由所述第1受光阵列接收到被所述物体反射后的光的定时为止的时间，测量直至所述物体为止的距离。
技术方案19
根据技术方案18所记载的电子装置，其中，
所述电子装置具备断续地投射光的投射部。
技术方案20
根据技术方案19所记载的电子装置，其中，
所述电子装置具备扫描控制部，该扫描控制部在预定的范围内扫描从所述投射部投射的光的行进方向。
说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提示的，未意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其它各种方式被实施，能够在不脱离发明的要旨的范围进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围、要旨，并且包含于专利权利要求书所记载的发明及与其等同的范围。

Claims (10)

1.一种光检测装置，具备：
第1受光阵列，具有隔着第1间隔配置的多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；
第2受光阵列，具有多个第2受光元件，该多个第2受光元件具有第1串扰率并输出第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；
第3受光阵列，具有多个第3受光元件，该多个第3受光元件具有与所述第1串扰率不同的第2串扰率，将接收到的光变换为第3信号，该多个第3受光元件的表面被遮光；以及
控制部，根据所述第2信号和所述第3信号来控制所述阵列的动作点。
2.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，
所述多个第2受光元件以与所述第1间隔不同的第2间隔配置，
所述多个第3受光元件以所述第1间隔配置。
3.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，
所述多个第1受光元件、所述多个第2受光元件以及所述多个第3受光元件当在施加逆偏置电压的状态下接收到光时，输出进行光电变换得到的所述第1信号、所述第2信号以及所述第3信号，
所述控制部对所述多个第2受光元件以及所述多个第3受光元件施加逆偏置电压，根据所述多个第2受光元件的所述第2信号和所述多个第3受光元件的所述第3信号，推测所述阵列的噪声的大小以及串扰的大小，并且控制所述阵列的动作点。
4.根据权利要求2所述的光检测装置，其中，
所述多个第1受光元件、所述多个第2受光元件以及所述多个第3受光元件当在施加逆偏置电压的状态下接收到光时，输出进行光电变换得到的所述第1信号、所述第2信号以及所述第3信号，
所述控制部对所述多个第2受光元件以及所述多个第3受光元件施加逆偏置电压，根据所述多个第2受光元件的所述第2信号和所述多个第3受光元件的所述第3信号，推测所述阵列的噪声的大小以及串扰的大小，并且控制所述阵列的动作点。
5.根据权利要求3所述的光检测装置，其中，
所述控制部根据所述多个第2受光元件的所述第2信号和所述多个第3受光元件的所述第3信号，控制施加到所述阵列的逆偏置电压。
6.根据权利要求4所述的光检测装置，其中，
所述控制部根据所述多个第2受光元件的所述第2信号和所述多个第3受光元件的所述第3信号，控制施加到所述阵列的逆偏置电压。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的光检测装置，其中，
所述光检测装置具备复位电路，该复位电路与所述多个第1受光元件中的至少1个第1受光元件对应地设置，在对应的第1受光元件接收到光之后将所述对应的第1受光元件的一端侧电压设定为初始电压，
所述控制部根据所述多个第2受光元件的所述第2信号和所述多个第3受光元件的所述第3信号，控制用于所述复位电路将所述对应的第1受光元件设定为所述初始电压的动作点。
8.一种光检测装置，具备：
第1受光阵列，具有隔着第1间隔配置的多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；
第2受光阵列，具有多个第2受光元件，该多个第2受光元件隔着所述第1间隔配置并输出第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；以及
控制部，根据所述多个第2受光元件中的不驱动邻接的其它第2受光元件中的至少1个第2受光元件时的第2受光元件的所述第2信号、以及所述多个第2受光元件中的驱动邻接的所有的第2受光元件时的所述第2信号，控制所述阵列的动作点。
9.根据权利要求8所述的光检测装置，其中，
所述多个第1受光元件以及所述多个第2受光元件当在施加预定的逆偏置电压的状态下接收到光时，输出进行光电变换后得到的所述第1信号以及所述第2信号，
所述控制部对所述多个第2受光元件施加逆偏置电压，根据所述多个第2受光元件的所述第2信号，推测所述阵列的噪声的大小以及串扰的大小，并且控制所述阵列的动作点。
10.一种光检测装置，具备：
第1受光阵列，具有隔着第1间隔配置的多个第1受光元件，该阵列将接收到的光变换为第1信号；
第2受光阵列，具有多个第2受光元件，该多个第2受光元件隔着所述第1间隔配置并输出第2信号，该多个第2受光元件的受光面被遮光；以及
控制部，根据所述多个第2受光元件中的邻接的第2受光元件的数量分别不同的第一第2受光元件群、第二第2受光元件群以及第三第2受光元件群的各输出信号，控制所述阵列的动作点。
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