CN115023625A - 光接收装置和光接收电路 - Google Patents

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Abstract

[问题]为了提供一种能够在宽视野(FOV)进行高精度的测距的光接收装置和光接收电路。[解决方案]该光接收装置包括：光检测器阵列，包括多个像素，每个像素被配置为响应于光检测器与光子的反应而输出脉冲；计数器电路，被配置为对从光检测器阵列的至少一个像素输出的脉冲进行计数；以及控制电路，被配置为基于计数器电路的计数的脉冲数量从光检测器阵列中选择要启用的像素和要停用的像素。

Description

光接收装置和光接收电路
技术领域
本公开涉及光接收装置和光接收电路。
背景技术
在车辆安装、移动电话、FA等的多个领域中，已经越来越多地应用基于飞行时间(ToF)来测量与物体的距离的技术，飞行时间是由从光源输出的光在物体上反射之后返回到光检测器所花费的时间。这些应用要求在更远的距离处以能够测距的宽视场(FOV)对对象进行测距。例如，阵列单光子雪崩二极管(SPAD阵列)用于检测反射光。
[引用列表]
[专利文献]
[PTL 1]
日本专利公开号2019-32305
发明内容
[技术问题]
为了获得增加的视场，光源(Tx)包括广角准直透镜。然而，由于像差(例如，彗形像差)而出现离轴特性的劣化。通常难以完全校正透镜的离轴像差。相反，光检测器(Rx)包括具有短焦距和小F值的聚光透镜以确保视场和光量。具有短焦距的聚光透镜具有增强的透视。这使得光的光斑直径随着距视野中心的距离的增加而增加。
因此，在确保大视野时，视野周边附近的成像性能劣化。具体地，与 SPAD阵列的中心部分相比，在SPAD阵列的周边附近，由于入射光量的减少，所以测距精度和最大测距距离减小。
因此，本公开提供了能够以增加的视场(FOV)执行高精度测距的光接收装置和光接收电路。
[问题的解决方案]
根据本公开的一方面的光接收装置可包括：光检测器阵列，包括多个像素，每个像素被配置为响应于光检测器与光子的反应而输出脉冲；计数器电路，被配置为对从光检测器阵列的至少一个像素输出的脉冲进行计数；以及控制电路，被配置为基于来自计数器电路的脉冲的计数数量，从光检测器阵列中选择要启用的像素和要停用的像素。
控制电路可被配置以使光检测器阵列内脉冲的计数的数量超过阈值的像素启用，以及使脉冲的计数的数量等于或小于阈值的像素停用。
光接收装置可进一步包括TDC，多个像素可通过公共引线彼此连接并且经由硬线OR耦接至TDC。
光检测器阵列内彼此不相邻的多个像素可通过公共引线连接。
TDC可耦接到偶数列中的多个像素或奇数列中的多个像素。
多个引线可经由或门耦接到TDC。
光接收装置可进一步包括耦接在像素之间或者或门的输入端与像素之间的单触发电路。
单触发电路可以包括与门和耦接到与门的一个输入端的反相器链。
光检测器阵列的光检测器可包括雪崩光电二极管。
雪崩光电二极管可以被配置成以盖革模式操作，并且光检测器阵列中的像素可以各自包括淬灭电路。
根据本公开的一方面的光接收电路可包括：光检测器；负载元件，耦接在光检测器与第一基准电位之间；锁存电路，被配置为输出与状态对应的第一电压；以及第一反相器，被配置为响应于施加至控制端的第二电压而接通并且反转并输出光检测器的输出电压，其中，施加至控制端的第二电压可根据第一电压而变化。
光接收电路可以进一步包括与门，与门具有耦接到锁存电路的输出侧的第一输入端、耦接到使能线的第二输入端、以及耦接到第一反相器的控制端的输出端。
光接收电路可进一步包含：NAND门，其具有耦接到锁存电路的输出侧的第一输入端及耦接到使能线的第二输入端；及第二反相器，其耦接在 NAND门与控制端之间。
光接收电路可进一步包含：NAND门，其具有耦接到锁存电路的输出侧的第一输入端及耦接到使能线的第二输入端；第一导电类型的第一晶体管，第一晶体管耦接在第一基准电位与负载元件之间且响应于NAND门的输出电压而接通；第二导电类型的第二晶体管，第二晶体管耦接在光检测器的输出侧与第二基准电位之间且响应于NAND门的输出电压而接通；及第二反相器，其耦接在NAND门的输出端与第一反相器的控制端之间。
光检测器可以包括雪崩光电二极管。
根据本公开的一方面的光接收装置可包括：光检测器阵列，其中布置多个光接收电路；以及控制电路，被配置为改变光检测器阵列内的光接收电路中的至少一个的锁存电路的状态。
光接收装置可进一步包含计数器电路，其被配置以对从光检测器阵列内的光接收电路中的至少一个输出的脉冲的数量进行计数，其中控制电路可被配置以基于脉冲的数量来改变锁存电路的状态。
控制电路可以被配置为在选择的状态下设定其中脉冲的计数数量超过阈值的光接收电路之一的锁存电路，并且在未选择的状态下设定其中脉冲的计数数量等于或小于阈值的光接收电路之一的锁存电路。
光接收装置可进一步包括TDC，其中，多个光接收电路可通过公共引线连接并且经由硬线OR耦接至TDC。
光检测器阵列内彼此不相邻的多个光接收电路可通过公共引线连接。
附图说明
图1是示意性地示出了根据本公开的测距装置的示例的示图。
图2是示出光源装置和光接收装置的示例的框图。
图3是示出了光源装置的发光元件的布置示例的平面图。
图4是示出了入射在SPAD阵列上的光的图案的示例的平面图。
图5是示出光的光斑直径和宏像素的示例的平面图。
图6是示出了光的光斑直径和宏像素的示例的平面图。
图7是示出光的光斑直径与最大测距距离之间的关系的示例的曲线图。
图8是示出将TDC一对一分配给SPAD阵列的像素的情况的示例的示图。
图9是示出将TDC一对一分配给SPAD阵列的像素的情况的示例的示图。
图10是示出了在根据本公开的光接收装置中像素与TDC之间的耦接关系的示例的示图。
图11是示出光子检测概率的期望值的示例的表格。
图12是示出光子检测计数的期望值与距离之间的关系的示例的曲线图。
图13是示出了指定宏像素的方法的示例的示图。
图14是示出了指定宏像素的方法的示例的示图。
图15是示出了SPAD阵列的像素与TDC之间的连接的示例的示图。
图16是示出了根据本公开的光接收电路的示例的电路图。
图17是示出了根据本公开的光接收电路的操作条件的示例的表格。
图18是示出了根据变形例1的光接收装置中的连接的示例的示图。
图19是示出了根据变形例1的单触发电路和信号波形的示例的示图。
图20是示出了根据变形例1的信号波形的示例的曲线图。
图21是示出了根据变形例2的光接收电路的示例的电路图。
图22是示出了宏像素的形状的示例的平面图。
图23是示出了宏像素的形状的示例的平面图。
图24是示出了宏像素的形状的示例的平面图。
图25是示出了与宏像素设置过程相关的组件的示图。
图26是示出了宏像素设置过程的示例的流程图。
图27是示出在全像素扫描期间的光子计数的数量的示例的示图。
图28是描述车辆控制系统的示意性配置的示例的框图。
图29是辅助说明车外信息检测单元和成像部的安装位置的示例的示图。
具体实施方式
[实施方式的描述]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。应注意，具有大致相同功能配置的组件以相同参考标号表示并且相应地省略其冗余描述。
图1是示意性地示出了根据本公开的测距装置的示例的示图。图1中的测距装置1包括光源装置2、准直透镜3、聚光透镜4、带通滤波器5以及光接收装置10。光接收装置10包括SPAD阵列11。SPAD阵列11是光检测器阵列的示例。此外，例如，光源装置2包括诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的发光元件和用于发光元件的驱动电路。
光源装置2向对象OBJ输出光EM。准直透镜3使光EM变为平行光束。光EM被对象OBJ部分反射而成为入射在光接收装置10上的反射光 RL。聚光透镜4将反射光RL会聚到SPAD阵列11的表面上。带通滤波器5选择性地使与从光源装置2输出的波长频带对应的光通过。应注意，可以使用集成有带通滤波器功能的聚光透镜。或者，可以省略光接收装置的带通滤波器。
例如，测距装置1测量在将用于发光的触发信号输入至光源装置2的时间t0与SPAD阵列11的SPAD作出反应的时间t1之间的时间差。然后，测距装置1可以基于时间差计算测距装置1和对象OBJ之间的距离。例如，测距装置1和对象OBJ之间的距离可以通过表达式L＝c/2(t1-t0) 计算，其中c是光速。该方法通常被称为飞行时间(ToF)测距。
图2的框图示出了光源装置2和光接收装置10的示例。图2中的光源装置2包括驱动电路6和光源部7。图3的平面图示出了光源部的示例。作为光源部7，例如可以使用包括排列有多个发光元件8的阵列光源7A。例如，阵列光源7A可以通过在基本上相同的平面将多个发光元件8排列成网格(诸如矩形网格、平行四边形网格或三角形网格)来形成。下面以图2中的阵列光源7A用作光源部7的情况为例进行描述。然而，并没有指定阵列光源7A的发光元件8的排列方式和发光元件8的数量。
应注意，包括多个线性排列的发光元件8的光源7B(图3)可用作光源部7。例如，VCSEL可用作发光元件8。然而，发光元件8的类型不受限制。例如，边缘发射半导体激光器可用作发光元件8。应注意，图3中示出的光源部的配置仅通过示例的方式。例如，可以使用在其整个表面上发光的LED光源、有机EL光源等作为光源部。
图2中的光接收装置10包括SPAD阵列11、读出电路12、TDC块 13、计算电路14、控制电路16、触发生成电路18和接口电路19。计算电路14包括作为内部组件的直方图生成器15。此外，控制电路16包括作为内部组件的寄存器17。
SPAD阵列11包括布置在基本上相同平面中的多个SPAD。例如，多个SPAD可以布置成网格，诸如矩形网格、平行四边形网格或三角形网格。此处，通过采用包括布置成正方形网格的多个SPAD的SPAD阵列用作示例的情况进行描述。然而，SPAD阵列的SPAD的布置方式不受限制。
响应于SPAD阵列11内的SPAD与光子反应，读出电路12将脉冲输出至其下游的电路。例如，读出电路12可以包括停止SPAD的雪崩现象的淬灭电路或者重置电压电平的再充电电路中的至少任一个。例如，为 SPAD阵列11内的每个SPAD安装读出电路12。在这种情况下，SPAD阵列11内的像素各自包括SPAD和对应于该SPAD的读出电路12。这里将假设SPAD阵列11在平面图中包括基本上正方形的像素进行描述。然而， SPAD阵列11中的像素的形状可以与上述不同。
下面以SPAD(单光子雪崩二极管)作为光检测器为例进行说明。然而，可以使用与此不同类型的光检测器。例如，任何其他类型的光电二极管、光电管等可被用作光检测器。
TDC块13是包含多个TDC(时间数字转换器)的电路块。例如，TDC 块13内的TDC各自耦接至SPAD阵列11内的至少一个像素。TDC各自测量例如从读出电路12(像素)输出的脉冲的时间t1和触发生成电路18 将触发信号LT输出到驱动电路6的时间t0之间的时间差。
计算电路14基于从TDC块13输入的信号进行各种计算处理等。例如，在光接收装置10执行测距的情况下，计算电路14可计算对象OBJ与光接收装置10之间的距离。然而，外部装置可以执行对象OBJ和光接收装置10之间的距离的计算。例如，诸如微处理器、ASIC或FPGA的硬件电路可用作计算电路14。应注意，计算电路14可包括硬件电路和在硬件电路上运行的程序的组合。
直方图生成器15例如累积由TDC块13内的TDC多次测量的飞行时间的结果并且生成直方图。通过多次测量飞行时间，能够区别背景光(干扰光)与从光源部7输出的光的反射光RL。应当注意，直方图生成器15 可以平均多次测量的飞行时间以生成直方图。只要获得直方图的峰值，就可以通过上述表达式L＝c/2(t1-t0)计算从测距装置1到对象OBJ的距离。应当注意，在将由外部装置执行直方图生成处理的情况下，可以省略直方图生成器。
例如，控制电路16启用/停用SPAD阵列11的像素。例如，控制电路 16可以通过启用SPAD阵列11内的多个像素中的多个相邻像素来设置宏像素。根据入射在SPAD阵列11上的光斑(点光，spotlight)的位置和范围可以确定将被启用的像素(宏像素)，如稍后所描述的。SPAD阵列11 上的光斑与从光源部7的发光元件8输出的光的反射光RL的光射线一一对应。例如，计算电路14可以基于从宏像素内的像素输出的信号来计算到距离图像内的每个测距点的距离。
另外，控制电路16控制触发生成电路18，以使光EM在预定定时朝向对象OBJ输出。触发生成电路18响应于接收来自控制电路16的控制信号，将触发信号LT提供给光源装置2的驱动电路6。然后，驱动电路6 基于触发信号LT使光源部7的发光元件8操作。
应注意，控制电路16也可以具有寄存器17。可以使用寄存器17来设置SPAD阵列11内的像素的操作条件。像素的操作条件的示例包括光电二极管的偏置电压、SPAD阵列11内的采样频率、再充电电流、生成用于淬灭的脉冲的延迟以及生成用于再充电的脉冲的延迟。另外，也可以通过寄存器17设定光源装置2的发光定时或发光条件。
作为控制电路16，能够使用诸如微处理器、ASIC、FPGA等硬件电路。或者，控制电路16可以包括硬件电路和在硬件电路上运行的程序的组合。控制电路16和上述计算电路14可由共用电路或单独电路提供。
接口电路19实现光接收装置10与外部装置的数据通信。例如，控制电路16可以经由接口电路19从外部装置接收控制信号。此外，计算电路 14可以经由接口电路19将测量数据传输至外部装置。应注意，应用于接口电路19的通信标准、通信协议的种类没有规定。
图4的平面图示出了入射在SPAD阵列11上的光图案的示例。为了增加可检测光子的视场(FOV)，在一些情况下，广角准直透镜位于光源侧 (Tx)，并且具有短焦距和小F值的聚光透镜位于光检测器(Rx)侧。然而，透镜系统的离轴特性劣化，这导致与入射在SPAD阵列11上的反射光RL对应的光斑SL变形。
例如，将图4中的SPAD阵列11的中间附近的位置L1处的光斑和 SPAD阵列11的外围附近的位置L2处的光斑进行比较，由于成像性能的劣化，后者具有更大的光斑直径。因此，假设阵列光源7A的多个发光元件8的输出光量大致相等，则入射在每个像素上的光量随着距SPAD阵列 11的中间的距离的增加而减少。
在不考虑SPAD阵列11内的位置而将包含在宏像素中的像素的数量设置为相等的情况下，与位置L1处的宏像素的光量相比，入射在位置L2 处的宏像素上的光量较小。因此，在使用SPAD阵列11生成距离图像的情况下，在视场的外围附近的测距点处的测距精度和最大测距距离(测距性能)减小。
图5和图6的平面图示出了光斑与SPAD阵列11内的多个像素11P 之间的位置关系的示例。图5是示出光斑SL1入射在SPAD阵列11内的部分的放大图。同时，图6是示出光斑SL2入射在SPAD阵列11内的部分的放大图。成像性能的降低导致光斑SL2大于光斑SL1。
控制电路16可以通过启用SPAD阵列11内的像素中的自由选择的像素来调整宏像素的位置、大小和形状中的至少任一个。例如，可以基于 SPAD阵列11内的各个位置处的相应的光斑直径来设置宏像素。例如，根据光的光斑直径在位置L1处设置具有2×2＝4个像素的宏像素MP1(图 5)。此外，在位置L2处，光的光斑直径大于在位置L1处的光斑直径，并且因此，可以设置具有4×4＝16个像素的宏像素MP2(图6)。通过增加宏像素的大小，可以实现高测距性能，同时确保必要量的光，而与成像性能的降低无关。
图7的曲线图示出了入射在SPAD阵列11上的光斑直接与最大测距距离之间的关系的示例。图7中的横坐标轴表示以微米(μm)为单位的光的光斑直径Φ。此外，图7中的纵轴表示以米(m)为单位的最大测距距离。在位置L1处，入射直径Φ＝20μm的光斑，并且因此，使用包含四个10μm方形像素的宏像素执行光子检测。
相反，在位置L2处入射直径Φ＝40μm的光斑。如果如在位置L1处一样在位置L2处使用包含四个像素的宏像素来执行光子检测，则与在位置L1处相比，最大测距距离将减小约40％。因此，在位置L2处使用包含 16(4×4)个像素的宏像素MP2执行光子检测，如图中由L2′所示，这使得可以确保与位置L1处的测距距离相当的最大测距距离。
根据测距装置1所需要的视场，预期使用不同类型的透镜。例如，SPAD阵列11上的成像性能随着光学系统的焦距而变化。因此，用户可以根据使用的透镜的类型来调整宏像素。
图8和图9各自示出了将TDC一对一分配给SPAD阵列的像素的情况的示例。在图8中，将单独的TDC 13A分配给宏像素MP1的对应的四个像素。然而，在将单独的TDC 13A分配给相应像素的情况下，宏像素的像素数量的增加需要增加TDC 13A的必要数量。例如，在设置图9中的宏像素MP2的情况下，16个TDC变得必要。随着安装在TDC块13中的TDC 13A的数量的增加，电路面积和功耗不可避免地增加。因此，如在根据本公开的光接收装置中，可以以能够减少TDC的必要数量而不考虑包含在宏像素中的像素的数量的增加的方式安装TDC。
图10示出了根据本公开的光接收装置中的像素与TDC之间的耦接关系的示例。如图10所示，TDC 13A可以由SPAD阵列11内在行方向或列方向上不相邻的多个像素共享。在属于图10中的宏像素MP3中的每行的像素中，以偶数列布置的像素的输出侧耦接至一个或门32。此外，在属于宏像素MP3中的每行的像素中，以奇数列布置的像素的输出侧耦接至一个或门32。此外，或门32的输出侧耦接至相应的TDC 13A。换言之，信号将被输入至每个TDC，该信号对应于从布置在一行像素中的偶数列或奇数列中的像素输出的信号之间的或。应注意，硬线OR可通过信号线之间的连接形成，而不是使用或门。
图10中的宏像素MP3包含与图9中的宏像素MP2相似的16个像素。然而，在图10中，与图9相比，TDC的必要数量减少了一半。在图 10中的示例中，共享TDC的像素通过偶数列/奇数列划分以共享TDS。然而，可以不同于此的模式共享TDC。例如，在每行中，TDC可以由数量为 n的倍数(n是2或更大的整数)的列中的像素共享。此外，在SPAD阵列11内的每行中，多个像素与TDC之间的耦接关系可以不同。
下面将通过采用SPAD阵列11内彼此不相邻的像素共享TDC的情况作为示例进行描述。然而，不禁止由SPAD阵列11内的相邻像素共享TDC。此外，在根据本公开的光接收装置中的SPAD阵列内的多个像素和TDC 之间的耦接关系可以不同于在此描述的样式。
图11的表格指示在两个像素(像素A和像素B)共享一个TDC的情况下的光子检测概率的期望值的示例。表中的p对应于在单个脉冲重复间隔(PRI)的每个像素的光子检测概率。光子检测概率p可通过例如将计数率除以PRI频率来计算。在从两个像素输出的信号之间不取OR的情况下，光子检测概率的期望值是2p。相反，在对从两个像素输出的信号之间取或的情况下，光子检测概率的期望值是2p-p2。
图12的曲线图示出了光子检测计数的期望值与距离之间的关系的示例。图12的曲线图的横坐标轴表示测距装置1与对象之间的距离。同时，图12的曲线图的纵轴表示光子检测计数的期望值。实线表示与从两个像素输出的信号之间不取OR的情况有关的数据。同时，虚线表示关于从两个像素输出的信号之间取OR的情况的数据。
例如，在可检测足够量的反射光RL的情况下，p的值较大。在对从两个像素输出的信号之间取OR的情况下，如图12的曲线图所示，在高光子检测概率(p值较大)，光子检测计数减少。在较大的p值时，光子检测计数显著增加。即使在光子检测计数显著增加的情况下光子部分地未能被计算，测距性能由于足够量的光子而受到有限程度的影响。
相反，在入射在SPAD阵列11上的反射光RL的量较小的情况下，p 的值较小。例如，在测距装置1与对象之间的距离较大的情况下或者在对象上的光EM的反射率较低的情况下，p的值较小。参照图12的曲线图，即使对从两个像素输出的信号之间取OR，只要p的值不大，光子检测计数几乎不减少。因而，在对一定距离的对象进行测距时，可以忽略对从多个像素输出的信号之间取OR的影响。
因此，使用根据本公开的光接收装置使得能够在保持高测距性能的情况下减少TDC的数量。接下来，将描述由控制电路16指定宏像素的方法的示例。
图13和图14各自示出了指定宏像素的方法的示例。在地址被分配给 SPAD阵列11内的每个像素的情况下，控制电路16可以基于该地址指定宏像素。例如，在使用矩形形状的宏像素的情况下，可以通过使用(1)基础地址、(2)水平方向(列方向)上的像素数、以及(3)垂直方向(行方向)上的像素数来指定宏像素。例如，与宏像素的角之一相对应的像素的地址可用作基础地址。在图13和图14的示例中，位于具有最小行号和列号的角处的像素的地址被用作基础地址。然而，与此不同的任何像素的地址可用作基础地址。图13和图14中的每个中的基准像素是指对应于基础地址的像素。这里，假设地址表示为“(列号，行号)”。
图13中的宏像素MP4包括基础地址(基准像素)为(2，1)、水平方向上的像素数为2、并且垂直方向上的像素数为3的宏像素。相比而言，图14中的宏像素MP5包括基础地址(基准像素)为(2，2)、水平方向上的像素数量为4并且垂直方向上的像素数量为4的宏像素。
应注意的是，控制电路16可以指定除了矩形形状之外的任何形状的宏像素。例如，控制电路16可以不选择矩形形状的区域中对应于四个角的像素中的任何像素。此外，控制电路16可以指定宏像素以便使被启用的像素围绕被停用的像素分布。此外，由控制电路16指定的宏像素可以是非对称形状。
图15示出了SPAD阵列11的像素与TDC之间的连接的示例。图15 示出了信号线(引线)对PXOUT[0,2]、PXOUT[1，3]、PXOUT[4，6]、 PXOUT[5，7]、PXOUT[8，10]和PXOUT[9，11]。其中，信号线对PXOUT[0,2]、 PXOUT[4，6]和PXOUT[8，10]耦接至偶数列中的像素的输出侧。相反，信号线对PXOUT[1，3]、PXOUT[5，7]和PXOUT[9，11]耦接至奇数列中的像素的输出侧。
在图15的示例中，信号线各自连接相同行中的多个像素以采用硬线 OR。这里，多个像素对应于列ci+4n(ci＝0,1,2,或3,n＝0,1,2...)中的像素。然而，信号线可以各自以与此不同的样式连接至多个像素。成对的信号线均耦接至同一个或门32的输入端。此外，TDC13A耦接在每个或门32的下游。因此，或门32均将信号输入至对应的一个TDC 13A，该信号对应于从其中一行中的奇数列中的像素或偶数列中的像素输出的信号之间的或。
接下来，将描述与SPAD阵列11的每个像素对应的光接收电路的示例。
图16的电路图示出根据本公开的光接收电路的示例。图16中的光接收电路20包括光电二极管PD、晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、锁存电路21、NAND门22、反相器23和反相器24。晶体管M1和晶体管 M2是PMOS晶体管。相反，晶体管M3是NMOS晶体管。光电二极管 PD例如是雪崩光电二极管。例如，包括逻辑门、触发器等的数字电路可用作锁存电路。然而，锁存电路的配置不受限制。
在光电二极管PD的阳极施加电压Van。电压Van可以设定为在光电二极管PD的端子间施加等于或大于击穿电压的反向电压。相反，光电二极管PD的阴极耦接到反相器24的输入侧、晶体管M2的漏极和晶体管 M3的漏极。晶体管M3的源极耦接到地电位。地电位例如是信号的基准电位、基板的基准电位或接地电位。然而，用作地电位的电位的类型没有规定。偏置电压VB被施加到晶体管M2的栅极。晶体管M2的源极耦接至晶体管M1的漏极。另外，晶体管M1的源极耦接到电源电位VDDH。
晶体管M2对应于淬灭光电二极管PD的负载元件LE。在图16中的光接收电路20中，晶体管用作负载元件；然而，可以使用任何其他类型的元件作为负载元件。例如，负载元件可包括电阻器或电阻器和晶体管的组合。
锁存电路21的输出端通过信号线PXSEL耦接到NAND门22的第一输入端。同时，该列的使能线YE耦接到NAND门22的第二输入端。此外，NAND门22的输出端通过信号线Len耦接至晶体管M1的栅极、晶体管M3的栅极以及反相器23的输入端。此外，反相器23的输出端耦接至反相器24的控制端。反相器24的输出端耦接至信号线(引线)PXOUT。反相器24的输出端对应于光接收电路20的输出侧。信号线PXOUT与多个光接收电路20的输出侧连接，以对来自多个光接收电路20的输出信号取硬线OR。反相器24被配置为响应于施加于控制端的电压而接通/断开。
接下来，将描述光接收电路20的操作。
控制电路16将具有要启用的像素的列的使能线YE的电压设置为高。另外，控制电路16将与要启用的像素对应的接收电路20的锁存电路21 设定为选择状态，并且将与要停用的像素对应的光接收电路20的锁存电路21设定为非选择状态。锁存电路21被配置为在选择状态下将高电压施加至信号线PXSEL并且在非选择状态下将低电压施加至信号线PXSEL。
首先，将描述像素被控制电路16启用(激活)且信号线PXSEL的电压变为高的情况。此时，该列的使能线YE的电压也被设置为高，这导致 NAND门22的输出电压变为低。低电压通过信号线Len施加到晶体管M1 的栅极，这使得晶体管M1的源极/漏极部分导通。此外，低电压被施加到晶体管M3的栅极，这使得晶体管M3的漏极/源极部分断开。此外，反相器23的输入电压变为低，这导致高电压被施加到反相器24的控制端。
这使得晶体管M2的源极端的电压由电源电位VDDH升高。另外，光电二极管PD的阴极电位VC与接地电位分离，由此能够在光电二极管PD 的端子间施加过量的偏压。这允许盖革模式下的光子检测。此外，反相器 24接通，这使得可以响应于光子的检测将脉冲输出到信号线PXOUT。
响应于光子入射在光电二极管PD上，在光电二极管PD的端子之间流动的电流由于雪崩倍增而增大。此时，随着电流的增加，在晶体管M2 的漏极/源极部分或负载元件中发生电压降。雪崩现象响应于光电二极管 PD的端子之间的电压下降到击穿电压而停止，从而导致在光电二极管PD 的端子之间流动的电流减小。响应于光电二极管PD的端子之间的电压达到等于或大于击穿电压的值，光子检测可再次变得可能。
光电二极管PD的端子间流动的电流增大使得阴极电位VC从高变为低。此时，与反相器24的输出对应的信号线PXOUT的电压从低变为高。然后，响应于随着雪崩现象的停止阴极电位VC返回至高，反相器24将低电压输出至信号线PXOUT。因此，光接收电路20响应于光电二极管PD 与光子的反应将脉冲输出至信号线PXOUT。
图16中的光接收电路20将具有正极性的脉冲输出至信号线PXOUT。然而，从根据本公开的光接收电路输出的脉冲的极性并未规定如此。此外，还可使用其中光接收电路20的极性反转的电路。在极性反转的情况下，光接收电路20中的NMOS晶体管和PMOS晶体管分别替换为PMOS晶体管和NMOS晶体管替换就足够。在这种情况下，将正偏置电压施加至光电二极管的阴极并且光电二极管的阳极耦接至反相器的输出侧。除了光接收电路20以外，极性反转的配置也适用于后述的光接收电路。
图16中的光接收电路20被配置为执行无源淬灭；然而，光电二极管 PD的淬灭方法不限于此。例如，低电压可以在脉冲被输出到信号线PXSEL 时被施加到晶体管M2的栅极以执行有源淬灭。此外，根据本公开的光接收电路不必耦接至使能线。因此，可以使用具有省略使能线的配置的光接收装置。
接下来，将描述在由控制电路16停用像素(非激活)并且信号线 PXSEL的电压变为低的情况下的操作。应当注意，在使能线YE的电压变为低的情况下的操作与此类似。在这种情况下，NAND门22的输出电压变为高。高电压通过信号线Len施加到晶体管M1的栅极，这使得晶体管 M1的源极/漏极部分断开。此外，高电压被施加到晶体管M3的栅极，这使得晶体管M3的漏极/源极部分导通。此外，反相器23的输入电压变为高，这导致低电压被施加到反相器24的控制端。
这使得晶体管M2的源极与电源电位VDDH分离。另外，光电二极管 PD的阴极耦接到地电位。由此，在光电二极管PD的端子间不施加过量的偏压。此外，反相器24断开，使得没有信号输出到信号线PXOUT。关断状态下的反相器24的输出阻抗变高。这使得可以最小化与耦接至信号线 PXOUT的任何其他光接收电路20(像素)的电干扰。这允许使用相同的信号线PXOUT作为多个光接收电路20的引线。图17的表格列出光接收电路20的操作。
在如上的图10或图15中那样采用对来自多个光接收电路(像素)的输出信号取OR并将其输入到TDC 13A的连接的情况下，即使发生多个反应，共享同一TDC 13A的多个光接收电路内的SPAD的顺序反应也可能实现输出脉冲数量的减少。因此，根据本公开的光接收装置可配备有防止多个脉冲重叠的功能。
图18示出了根据变形例1的光接收装置中的连接的示例。通过将多个单触发电路(oneshot circuit)26添加到图15中的光接收装置10来提供图18中的光接收装置10A。例如，单触发电路26可位于各个信号线 PXOUT中。在光接收装置10A中，单触发电路26各自耦接在多个光接收电路与或门32的输入端之间。然而，单触发电路26可各自耦接在与此不同的位置处。例如，单触发电路26可各自耦接在光接收电路20和光接收电路20之间。此外，单触发电路26的数量可以不同于图18中的示例中的数量。例如，多个单触发电路26可以耦接到信号线PXOUT中的每一个。
图19示出了根据变形例1的单触发电路和信号波形的示例。图19的 (a)是示出单触发电路的示例的电路图。图19的(a)中的单触发电路26 包括与门27和反相器链28。单触发电路26的输入侧信号线Lin耦接到与门27的输入端之一。此外，反相器链28耦接在信号线Lin的分支点和与门27的另一输入端之间。在图19的(a)中的反相器链28中，三个反相器串联连接。然而，反相器链中的反相器的数量可以不同于此。例如，能够根据在TDC 13A等下游电路中所需的脉冲宽度来确定反相器的数量。
在此，以在光接收电路中产生具有正极性的脉冲的情况为例说明每个单触发电路26的操作。
响应于从光接收电路输出的脉冲，与门27的输入端之一的电压从低变为高。然后，与门的另一输入端的电压由于反相器链28而延迟地从低变成高。在与门27的两个输入端的电压变为高时，与门27的输出电压从低变为高。而且，响应于与门27的输入端之一的电压在经过脉冲时间后从高变为低，与门27的输出电压也从低变为高。
因此，单触发电路26输出的脉冲的宽度短于输入的脉冲的宽度，如图19的(b)的曲线图所示。即，单触发电路26将在光接收电路中产生的脉冲转换为宽度短的脉冲。这使得可以降低在多个光接收电路中生成的脉冲在信号线PXOUT中重叠的概率，以保持测距性能。
图20的曲线图示出光接收装置中的信号波形的示例。在图20中的示例中，耦接至信号线PXOUT[0]的光接收电路和耦接至信号线PXOUT[1] 的光接收电路中的每一个的SPAD与光子反应。因此，在持续时间内重叠的脉冲被输出至信号线PXOUT[0]和信号线PXOUT[1]。在不设置单触发电路的情况下，信号线PXOUT[0]中的脉冲和信号线PXOUT[1]中的脉冲通过或门32而被取OR。因此，两个脉冲被合成为单个脉冲，并且在下游电路中的光子计数的数量变成“1”。
相反，在如图18中的光接收装置10A中单触发电路26耦接在或门 32的上游的情况下，信号线PXOUT[0]中的脉冲和信号线PXOUT[1]中的脉冲在被输入至或门32之前分别被转换成具有较短宽度的脉冲。这防止两个脉冲重叠，即使通过或门32取这两个信号的或，这使得可以在下游电路中获得光子的正确计数数量“2”。
图21的电路图示出了根据变形例2的光接收电路的示例。图21中的光接收电路20A对应于省略图16中的光接收电路20的晶体管M1和晶体管M3的电路。图21中的光接收电路20A包括光电二极管PD、晶体管M2、锁存电路21、NAND门22、反相器23和反相器24。晶体管M2包括PMOS晶体管。光电二极管PD例如包括雪崩光电二极管。
电压Van被施加到光电二极管PD的阳极。电压Van可以设定为在光电二极管PD的端子间施加等于或大于击穿电压的反向电压。同时，光电二极管PD的阴极耦接到反相器24的输入侧和晶体管M2的漏极。晶体管 M2的源极耦接到电源电位VDDH。偏置电压VB被施加到晶体管M2的栅极。
锁存电路21的输出端通过信号线PXSEL耦接到NAND门22的第一输入端。同时，该列的使能线YE耦接到NAND门22的第二输入端。此外，NAND门22的输出端耦接至反相器23的输入端。此外，反相器23 的输出端耦接至反相器24的控制端。反相器24的输出端耦接至信号线 (引线)PXOUT。反相器24的输出端对应于光接收电路20A的输出侧。信号线PXOUT耦接到多个光接收电路的输出侧，以对来自多个光接收电路的输出信号取硬线OR。反相器24被配置为响应于施加于控制端的电压而接通/断开。应注意，在图21中的光接收电路20A中，可以使用与门22A 来代替NAND门22和反相器23。
接下来，将描述光接收电路20A的操作。
控制电路16将具有要启用的像素的列的使能线YE的电压设置为高。另外，控制电路16将与要启用的像素对应的光接收电路20A的锁存电路21设置在选择状态，并将与要停用的像素对应的光接收电路20A的锁存电路21设置在非选择状态。锁存电路21被配置为在选择状态下将高电压施加至信号线PXSEL并且在非选择状态下将低电压施加至信号线PXSEL。
首先，将描述像素被控制电路16启用(激活)且信号线PXSEL的电压变为高的情况。此时，该列的使能线YE的电压也被设置为高，这使得 NAND门22的输出电压变为低。反相器23的输入电压变为低，这使得高电压被施加到反相器24的控制端。反相器24接通，这使得可以响应于光子的检测将脉冲输出到信号线PXOUT。
响应于光子入射在光电二极管PD上，在光电二极管PD的端子之间流动的电流由于雪崩倍增而增大。此时，随着电流的增加，在晶体管M2 的漏极/源极部分或负载元件中发生电压降。雪崩现象响应于光电二极管 PD的端子之间的电压下降到击穿电压而停止，从而导致在光电二极管PD 的端子之间流动的电流减小。光子检测可以响应于光电二极管PD的端子之间的电压达到等于或大于击穿电压的值而再次变得可能。
在光电二极管PD的端子间流动的电流增大，使得阴极电位VC从高变为低。此时，与反相器24的输出对应的信号线PXOUT的电压从低变为高。然后，响应于随着雪崩现象的停止阴极电位VC返回至高，反相器 24将低电压输出至信号线PXOUT。这允许光接收电路20响应于光电二极管PD与光子的反应将具有正极性的脉冲输出至信号线PXOUT。
接下来，将描述在由控制电路16停用(不激活)像素并且信号线 PXSEL的电压变为低的情况下的操作。应当注意，在使能线YE的电压变为低的情况下的操作与此类似。在这种情况下，NAND门22的输出电压变为高。反相器23的输入电压变为高，这使得低电压被施加到反相器24 的控制端。反相器24断开，使得没有信号输出到信号线PXOUT。反相器 24在断开状态下的输出阻抗变高，这使得可以最小化与耦接至信号线 PXOUT的任何其他光接收电路(像素)的电干扰。这允许使用相同的信号线PXOUT作为多个光接收电路的引线。
由于省略图16中的晶体管M1和晶体管M3，所以图21中的光接收电路20A可具有安装面积减小的简化电路配置。然而，在使用光接收电路 20A的情况下，即使在对应于由控制电路16停用的像素的光接收电路中，也保持将过量偏压施加到光电二极管PD的端子之间。因此，在光电二极管PD与光子发生反应时消耗电力。
应注意，SPAD阵列11的像素可以各自包括上述光接收电路20和光接收电路20A的混合。此外，上述光接收电路20和20A仅是可用作SPAD 阵列11的每个像素的电路的示例。因此，与上述光接收电路20和20A配置不同的光接收电路可以安装作为SPAD阵列11的每个像素。
此处，将对根据本公开的光接收电路的配置进行组织。
根据本公开的光接收电路可以包括光检测器、负载元件、锁存电路和第一反相器。负载元件耦接在光检测器与第一基准电位之间。锁存电路被配置为输出与状态对应的第一电压。第一反相器被配置为响应于施加于控制端的第二电压而接通并且反转和输出光检测器的输出电压。待施加至控制端的第二电压可根据第一电压而变化。
上述光电二极管PD是光检测器的示例。负载元件LE或晶体管M2 是负载元件的示例。反相器24是第一反相器的示例。电源电位VDDH是第一基准电位的示例。
根据本公开的光接收电路可以进一步包括与门，与门具有耦接至锁存电路的输出侧的第一输入端、耦接至使能线的第二输入端、以及耦接至第一反相器的控制端的输出端。图21中的与门22A是与门的示例。该列的使能线YE是使能线的示例。
根据本公开的光接收电路可以进一步包括：NAND门，具有耦接至锁存电路的输出侧的第一输入端和耦接至使能线的第二输入端；以及第二反相器，耦接在NAND门与控制端之间。NAND门22是NAND门的示例。反相器23是第二反相器的示例。
此外，根据本公开的光接收电路可以进一步包括NAND门、第一导电类型的第一晶体管、第二导电类型的第二晶体管以及第二反相器。 NAND门具有耦接到锁存电路的输出侧的第一输入端以及耦接到使能线的第二输入端。第一晶体管耦接在第一基准电位与负载元件之间，并且响应于NAND门的输出电压而接通。第二晶体管耦接在光检测器的输出侧与第二基准电位之间，并且响应于NAND门的输出电压而接通。第二反相器耦接在NAND门的输出端与第一反相器的控制端之间。
PMOS晶体管可用作第一导电类型的晶体管，而NMOS晶体管可用作第二导电类型的晶体管。在这种情况下，电源电位可用作第一基准电位并且地电位可用作第二基准电位。此外，将NMOS晶体管用作第一导电类型的晶体管并且将PMOS晶体管用作第二导电类型的晶体管也是可接受的。在这种情况下，地电位可用作第一基准电位，并且电源电位可用作第二基准电位。图16中的晶体管M1是第一晶体管的示例。图16中的晶体管M3是第二晶体管的示例。此外，光检测器可以是雪崩光电二极管。
通过使用根据本公开内容的光接收电路，可以仅启用SPAD阵列11 内的像素中的必要像素，而其余像素被停用。这使得可以降低光接收装置的功耗。例如，控制电路16可启用反射光RL的量较大的像素并停用反射光RL的量较小的像素。这使得可以最小化背景光(干扰光)的影响，以增加亮度动态范围和可以进行测距的测距距离。因而，以下将对能够根据光斑设置的宏像素的形状进行描述。
图22至图24的平面图均示出了宏像素的形状的示例。图22中的光斑SL3为圆形。在这种情况下，如果设置正方形形状或矩形形状的宏像素，则反射光RL的量小的像素被无意地启用。因此，如在图22中的示例中，控制电路16可以将宏像素MP6设置为十字形。
SPAD阵列11上的光斑的形状可能由于诸如光学系统的失准的因素而变形。例如，可形成椭圆形的光斑，例如，图23中的光斑SL4。在这种情况下，控制电路16可以将宏像素设置为覆盖光斑的区域的多边形形状，诸如图23中的宏像素MP7。
在SPAD阵列11上用光斑照射的区域内的光量不总是恒定的。例如，照射区域可能具有光量较少的部分。例如，图24中的光斑SL5是环形的形状。在这种情况下，控制电路16可以设置被停用的像素区域由被启用的像素区域包围的宏像素MP8。
图22至图24中展示的宏像素的形状仅仅是通过举例的方式。因此，控制电路16可以将宏像素设置为与这些像素不同的形状。如上所述，控制电路16可以根据光斑的形状或量来设置宏像素。这使得可以降低功耗并且以较少的噪声执行高度精确的测距。使用根据本公开的光接收装置使得能够灵活地启用/停用各个像素，而不管多个像素(光接收电路)的输出侧连接如何。
接下来，将对根据本公开的光接收装置中的宏像素设置过程进行详细描述。
图25示出了与启用和停用像素相关的组件的示例。如图25所示，根据本公开的光接收装置可进一步包括计数器电路30和存储部31。例如，计数器电路30可以耦接在SPAD阵列11内的多个光接收电路(像素)中的至少一个的下游。计数器电路30对由光接收电路检测到的光子的数量进行计数。计数器电路30使存储部31存储光子计数数量以及与光接收电路的地址有关的信息。控制电路16能够访问存储部31，参照各地址的光接收电路(像素)的光子数。
图26中的表格示出了SPAD阵列11内的多个光接收电路(像素)中的光子计数数量的示例。例如，控制电路16可以通过启用SPAD阵列11 内的所有或至少一个像素在预定时间段期间获得光子计数数据。
如图25中的示例，可为每个光接收电路准备计数器电路30。然而，计数器电路可以由多个光接收电路共享。例如，单个计数器电路可以对在多个光接收电路中检测到的光子的数量进行计数。在这种情况下，计数器电路可以对在计数器电路耦接到的多个光接收电路(像素)中检测到的光子的总数进行计数。可替代地，计数器电路可以对在每个光接收电路(像素)中检测到的光子的数量进行计数。
控制电路16的寄存器17可以用作上述存储部31。可替代地，存储部 31可以是任何其他易失性存储器、非易失性存储器、或存储设备。非易失性存储器的示例是NOR闪存、NAND闪存、电阻随机存取存储器、或磁阻随机存取存储器。此外，易失性存储器的示例是SRAM或DRAM。存储设备的示例是硬盘驱动器、磁带或光学芯片。然而，在存储部31中使用的存储器/存储装置的类型没有规定。
应注意，为了便于说明，在图25中省略了光接收装置的组件的一部分。因此，根据本公开的光接收装置可进一步包括如在图2、图15和图18 中通过示例的方式示出的另一个组件。
图27的流程图示出了宏像素设置过程的示例。下面将参照图27的流程图对该过程进行描述。
控制电路16首先启用SPAD阵列11内作为光子计数的目标的像素 (步骤S101)。在步骤S101中，控制电路16可以启用SPAD阵列11内的所有像素或SPAD阵列11内的一部分像素。例如，控制电路16可启用具有光学未遮蔽上表面和反射光RL可能入射的像素。然而，在步骤S101 中要启用的像素的范围不受限制。在多个定时部分地执行宏像素设置过程的情况下，控制电路16可以使能SPAD阵列11内的划分区域的一部分。
光接收装置然后在预定时间段期间执行光子计数并检测光斑的位置和范围(步骤S102)。在预定时间段内执行光子计数并且将光子计数数据 (例如，图26)存储在存储部31中。要执行光子计数的时段的长度没有被规定。控制电路16可在步骤S102中确定光斑入射在光子计数数量超过阈值th的像素上。在图26的示例中，250被用作阈值th。控制电路16所使用的阈值th不一定是固定值。
例如，控制电路16可以根据光子计数数据内的计数的数量来调整阈值th，从而使得SPAD阵列11内的像素中的连续像素可以被选择为启用的像素(宏像素)。应当注意，假设计数数量少的像素主要与背景光(干扰光)的光子发生反应。
接着，控制电路16识别对应于光斑的像素的地址(步骤S103)。例如，控制电路16可以识别计数数量超过阈值th的像素的地址。在图26中的示例中，控制电路16识别对应于SPAD阵列11中步骤S103中的计数数量超过阈值th的连续像素区域的宏像素MP9。
最后，控制电路16启用SPAD阵列11内与光斑相对应的像素并且停用其余的像素(步骤S104)。在图26中的示例中，控制电路16可以启用与宏像素MP9相对应的像素并且停用其余的像素。应注意的是，控制电路16可以根据计数数量超过阈值th的像素的分布来选择预先限定的宏像素的形状之一并且启用与该形状相对应的像素。
控制电路16可以通过例如在接收电路20和20A的以上说明中描述的方法启用/停用SPAD阵列11内的像素。然而，可通过任何其他方法来启用/停用像素。光接收装置可以被配置为启用/停用SPAD阵列11内的单独像素。可替代地，光接收装置可以以组为单位启用/停用SPAD阵列11 内的像素。
图26示出了SPAD阵列11内的一部分像素。图26因此展示了除了宏像素MP9之外没有宏像素。然而，毋庸置疑，根据本公开的光接收装置可以同时设置多个宏像素。在包括SPAD阵列11的周边附近的区域中，可以通过执行图27的流程图来设置其位置、尺寸或形状与斑点像差相对应的宏像素。
例如，图27的流程图的过程可(1)在光接收装置的装运之前的调整期间，(2)在光接收装置开启时，(3)在光接收装置的操作期间用户提供测试命令时，或(4)在光接收装置的操作期间以预定的周期执行。在SPAD 阵列11内启用的像素和光斑可能由于诸如由于振动、冲击或温度引起的构件变化或者在产品装运之后构件随时间的变化等因素而未对准。因此，通过在上述定时(2)至(4)执行图27的流程图的处理可以防止测距性能降低。
这里，根据本公开的光接收装置的配置将被组织。
根据本公开的光接收装置可以包括其中布置了多个上述光接收电路的光检测器阵列和被配置为改变光检测器阵列内的光接收电路中的至少一个中的锁存电路的状态的控制电路。上述SPAD阵列11是光检测器阵列的示例。
此外，根据本公开的光接收装置可进一步包括计数器电路，该计数器电路被配置为对从光检测器阵列内的光接收电路中的至少一个输出的脉冲的数量进行计数。控制电路可被配置为基于脉冲数量改变锁存电路的状态。此外，控制电路可以被配置为将其中脉冲的计数数量超过阈值的光接收电路的锁存电路设置在选择状态(启用)，并且将其中脉冲的计数数量等于或小于阈值的光接收电路的锁存电路设置在非选择状态(停用)。
此外，根据本公开内容的光接收装置可以进一步包括TDC。多个光接收电路可通过公共引线彼此连接，并且经由硬线OR耦接至TDC。此外，光检测器阵列内彼此不相邻的多个光接收电路可以通过公共引线连接。上述信号线PXOUT是引线的示例。
根据本公开内容的光接收装置可以包括光检测器阵列、计数器电路和控制电路。光检测器阵列可包括多个像素，每个像素被配置为响应于光检测器与光子的反应而输出脉冲。计数器电路被配置以对从光检测器阵列的像素中的至少一个输出的脉冲进行计数。控制电路被配置为基于由计数器电路计数的脉冲计数数量，从光检测器阵列中选择要启用的像素和要停用的像素。
另外，控制电路可被配置以启用光检测器阵列内脉冲的计数数量超过阈值的像素中的一个像素以及停用脉冲的计数数量等于或小于阈值的像素中的一个。
此外，根据本公开的光接收装置可以进一步包括TDC。多个像素可以通过公共引线彼此连接，并且经由硬线OR耦接至TDC。光检测器阵列内彼此不相邻的多个像素可通过公共引线连接。TDC可耦接到偶数列中的多个像素或奇数列中的多个像素。多个引线可经由或门耦接到TDC。
此外，根据本公开的光接收装置可进一步包括耦接在像素之间或者或门的输入端与像素之间的单触发电路。单触发电路可以包括与门和耦接到与门的一个输入端的反相器链。
光检测器阵列的光检测器可包括雪崩光电二极管。此外，雪崩光电二极管可以被配置成用于以盖革模式操作，并且光检测器阵列中的像素可以各自包括淬灭电路。
在以大视场(FOV)进行测距时，由于对光学系统的限制，视场外围附近的成像性能劣化。随着反射光的光斑直径增加，与光检测器阵列的中心部分相比，这减少了在光检测器阵列的周边附近入射的光量。在光检测器阵列中的有效像素或启用像素被固定到在光检测器阵列内的预定位置和区域的像素的情况下，包括测距精度和最大测距距离的测距性能降低。
在根据本公开的光接收装置中，能够执行启用/停用的光接收电路提供光检测器阵列中的像素。这使得可以通过根据与入射的反射光相对应的光斑的位置、形状和大小来启用这些像素之一来设置宏像素。这使得可以最小化背景光(干扰光)的影响，以增加亮度动态范围和可能测距的距离。换言之，通过使用根据本公开的光接收装置和光接收电路，可以以大视场 (FOV)执行长距离测距。
此外，在根据本公开的光接收装置中，多个像素(光接收电路)可共享其下游的TDC。例如，借助于彼此不相邻的像素并且共享其下游的TDC，即使宏像素中包含的像素的数量增加，也可以减少TDC的必要数量。这使得可以保持测距性能并降低诸如电路尺寸的成本。
根据本公开的技术(本技术)可应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可实现为安装在任何类型的移动体中的装置，移动体诸如汽车、电动车辆、混合电动车辆、摩托车、自行车、个人移动性、飞机、无人机、船舶、机器人等。
图28是示出了作为可应用根据本公开的实施方式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配置的示例的框图。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图28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以及综合控制单元12050。另外，作为综合控制单元 12050的功能结构，例示了微型计算机12051、声音/图像输出部12052、车载网络接口(I/F)12053。
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相关的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作用于产生车辆的驱动力的驱动力产生装置(诸如内燃机、驱动电机等)、用于将驱动力传递到车轮的驱动力传动机构、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。
车身系统控制单元12020根据各种程序来控制设置在车身上的各种装置的操作。例如，车身系统控制单元12020用作用于无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗装置或诸如前照灯、后备灯、制动灯、转向信号灯、雾灯等的各种灯的控制装置。在这种情况下，从作为按键的替代物的移动装置发送的无线电波或各种开关的信号可以被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、灯等。
车外信息检测单元12030检测包含车辆控制系统12000的车外的信息。例如，车外信息检测单元12030连接有成像部12031。车外信息检测单元12030使成像部12031拍摄车外的图像，并接收拍摄的图像。另外，车外信息检测单元12030也可以基于接收到的图像，进行检测诸如人、车辆、障碍物、标志、路面上的文字等对象的处理、或者检测其距离的处理等。
成像部12031是接收光并且输出对应于接收到的光的光量的电信号的光学传感器。成像部12031可以输出电信号作为图像，或者可以输出电信号作为关于测量距离的信息。此外，成像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是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。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测单元12041连接。驾驶员状态检测单元12041例如包括拍摄驾驶员的照相机。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驾驶员的集中度，或者可以确定驾驶员是否打瞌睡。
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获得的关于车辆内部或外部的信息来计算用于驱动力生成装置、转向机构或制动装置的控制目标值，并且向驱动系统控制单元12010 输出控制命令。例如，微型计算机12051可以执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协作控制，该功能包括用于车辆的防碰撞或减震、基于跟随距离的跟随驾驶、维持驾驶的车辆速度、车辆碰撞的警告、车辆与车道的偏离的警告等。
另外，微型计算机12051通过基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车外或车内信息的信息来控制驱动力产生装置、转向机构、制动装置等，可以执行用于自动驾驶的协作控制，这使得车辆能够不依赖于驾驶员的操作等而自主行驶。
另外，微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030获得的关于车外的信息，将控制命令输出到车身系统控制单元12020。例如，微型计算机12051可以通过根据由车外信息检测单元12030检测的前方车辆或对面车辆的位置，控制前照灯以从远光改变为近光，来执行旨在防止眩光的协作控制。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一个的输出信号发送到输出装置，该输出装置能够视觉地或听觉地将信息通知给车辆的乘员或车辆外部。在图28的示例中，音频扬声器12061、显示部12062和仪表板 12063被示出为输出设备。例如，显示部12062可包括板上显示器和平视显示器中的至少一个。
图29是示出成像部12031的安装位置的示例的图示。
在图29中，车辆12100包括成像部12101、12102、12103、12104和 12105作为成像部12031。
成像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100 的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门上的位置以及车辆内部挡风玻璃的上部的位置上。设置在前鼻的成像部12101和设置在车辆内部内的挡风玻璃的上部的成像部12105主要获得车辆12100的前方的图像。设置到侧视镜的成像部12102和12103主要获得车辆12100的侧面的图像。设置到后保险杠或后门的成像部12104主要获得车辆12100的后部的图像。通过成像部 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、车道等。
顺便提及，图29描述了成像部12101至12104的拍摄范围的示例。成像范围12111表示设置到前鼻的成像部12101的成像范围。成像范围 12112和12113分别表示设置到侧视镜的成像部12102和12103的成像范围。成像范围12114表示设置到后保险杠或后门的成像部12104的成像范围。例如，通过叠加由成像部12101至12104成像的图像数据来获得从上方观看的车辆12100的鸟瞰图像。
成像部12101至12104中的至少一个可具有获得距离信息的功能。例如，成像部12101至12104中的至少一个可以是由多个成像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的成像元件。
例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息确定在成像范围12111至12114内到每个三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，并且由此提取最近的三维物体作为前方车辆，该最近的三维物体具体地存在于车辆12100的行驶路径上并且以预定速度(例如，等于或大于0km/小时)在与车辆12100基本相同的方向上行驶。另外，微型计算机12051可以预先设定与前方车辆保持的跟随距离，并且执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随起动控制)等。因此，可以执行用于自动驾驶的协作控制，该自动驾驶使车辆不依赖于驾驶员的操作等而自主行驶。
例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息将与三维物体有关的三维物体数据分类为二轮车、标准车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体的三维物体数据，提取分类的三维物体数据，并且将所提取的三维物体数据用于自动躲避障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员可以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确定指示与每个障碍物碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设定值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机 12051经由音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并且经由驱动系统控制单元12010执行强制减速或躲避转向。微型计算机12051 可由此辅助驾驶以避免碰撞。
成像部12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051例如可以通过确定在成像部12101至12104的拍摄图像中是否存在行人来识别行人。行人的这种识别例如通过提取作为红外照相机的成像部12101至12104的成像图像中的特征点的过程以及通过对表示物体的轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理来确定是否是行人的过程来执行。当微型计算机12051确定在成像部12101到12104的成像图像中存在行人并因此识别出行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得用于强调的正方形轮廓线被显示为叠加在识别出的行人上。声音/图像输出部12052还可控制显示部12062，使得在期望位置处显示表示行人的图标等。
在上文中，描述了根据本公开的技术可适用的车辆控制系统的示例。根据本公开的技术可应用于上面解释的组件中，例如，成像部12031。具体而言，成像部12031可以配备有上述光接收电路、光接收装置或测距装置。通过将根据本公开的技术应用于成像部12031，可以在大的FOV(视场)上获得精确的距离信息并且增强车辆12100的功能和安全性。
应注意，本技术可采取以下配置。
(1)一种光接收装置，包括：
光检测器阵列，包括多个像素，每个像素被配置为响应于光检测器与光子的反应而输出脉冲；
计数器电路，被配置以对从光检测器阵列的像素中的至少一个输出的脉冲进行计数；以及
控制电路，被配置成用于基于来自计数器电路的脉冲的计数数量从光检测器阵列选择多个像素中要启用的像素和多个像素中要停用的像素。
(2)根据(1)的光接收装置，其中，
控制电路被配置以在光检测器阵列内启用多个像素中脉冲的计数数量超过阈值的像素，且停用多个像素中脉冲的计数数量等于或小于阈值的像素。
(3)根据(1)或(2)的光接收装置，进一步包括：
TDC，其中，
多个像素通过公共引线彼此连接，并且经由硬线OR耦接至TDC。
(4)根据(3)的光接收装置，其中，
在光检测器阵列内彼此不相邻的多个像素通过公共引线连接。
(5)根据(3)或(4)的光接收装置，其中，
TDC耦接至偶数列中的多个像素或奇数列中的多个像素。
(6)根据(3)至(5)中任一项的光接收装置，其中，
多条引线通过或门连接到TDC。
(7)根据(6)的光接收装置，进一步包括：
单触发电路，至少耦接在像素之间或者耦接在或门的输入端与像素之间。
(8)根据(7)的光接收装置，其中，
单触发电路包括与门和耦接到与门的一个输入端的反相器链。
(9)根据(1)至(8)中任一项的光接收装置，其中，
光检测器阵列的光检测器包括雪崩光电二极管。
(10)根据(9)的光接收装置，其中，
雪崩光电二极管被配置为在盖革模式下操作，并且光检测器阵列中的像素各自包括淬灭电路。
(11)一种光接收电路，包括：
光检测器；
负载元件，耦接在光检测器与第一基准电位之间；
锁存电路，被配置为输出与状态对应的第一电压；以及
第一反相器，被配置为响应于第二电压施加至控制端而接通并且反转和输出光检测器的输出电压，其中，
施加至控制端的第二电压根据第一电压可变。
(12)根据(11)的光接收电路，进一步包括：
与门，具有耦接到锁存电路的输出侧的第一输入端、耦接到使能线的第二输入端、以及耦接到第一反相器的控制端的输出端。
(13)根据(11)的光接收电路，进一步包括：
NAND门，具有耦接到锁存电路的输出侧的第一输入端以及耦接到使能线的第二输入端；以及
第二反相器，第二反相器耦接在NAND门与控制端之间。
(14)根据(11)的光接收电路，进一步包括：
NAND门，具有耦接到锁存电路的输出侧的第一输入端以及耦接到使能线的第二输入端；
第一导电类型的第一晶体管，第一晶体管耦接在第一基准电位与负载元件之间并且响应于NAND门的输出电压而接通；
第二导电类型的第二晶体管，第二晶体管耦接在光检测器的输出侧与第二基准电位之间并且响应于NAND门的输出电压而被接通；以及
第二反相器，第二反相器耦接在NAND门的输出端与第一反相器的控制端之间。
(15)根据(11)至(14)中任一项的光接收电路，其中，
光检测器包括雪崩光电二极管。
(16)一种光接收装置，包括：
光检测器阵列，其中布置了多个根据(11)至(15)中任一项的光接收电路；以及
控制电路，被配置以改变光检测器阵列内的光接收电路中的至少一者的锁存电路的状态。
(17)根据(16)的光接收装置，进一步包括：
计数器电路，被配置为对从光检测器阵列内的光接收电路中的至少一个输出的脉冲的数量进行计数，其中
控制电路被配置为基于脉冲数量改变锁存电路的状态。
(18)根据(17)的光接收装置，其中，
控制电路被配置为将脉冲的计数数量超过阈值的光接收电路中的一个光接收电路的锁存电路设置在选择状态，并且将脉冲的计数数量等于或小于阈值的光接收电路中的一个光接收电路的锁存电路设置在非选择状态。
(19)根据(16)至(18)中任一项的光接收装置，进一步包括：
TDC，其中，
多个光接收电路通过公共引线彼此连接，并且经由硬线OR耦接至 TDC。
(20)根据(19)的光接收装置，其中，
在光检测器阵列内彼此不相邻的多个光接收电路通过公共引线连接。
(21)一种测距装置，包括：
阵列光源，包括排列成阵列的多个发光元件；
光检测器阵列，包括多个像素，每个像素被配置为响应于光检测器与光子的反应而输出脉冲；
控制电路，被配置以启用或停用光检测器阵列的像素中的至少一个像素的脉冲的输出；以及
计数器电路，计数器电路被配置成用于对从光检测器阵列的像素中的至少一个像素输出的脉冲进行计数，其中，
控制电路被配置成用于基于来自计数器电路的脉冲的计数数量确定光检测器阵列中的待启用像素和待停用像素。
本公开的一方面不限于上述单独的实施例，其包括本领域技术人员能够想到的各种变形，并且本公开的效果不限于上述内容。换言之，在不背离从权利要求及其等同物中限定的内容获得的本公开的概念构思和范围的情况下，各种添加、改变和部分删除是可接受的。
[参考标号列表]
PD：光电二极管
1：测距装置
2：光源装置
3：准直透镜
4：聚光透镜
5：带通滤波器
10、10A：光接收装置
11：SPAD阵列(光检测器阵列)
11P：像素
12：读出电路
13A：TDC
16：控制电路
20、20A：光接收电路
21：锁存电路
22：NAND门
23、24：反相器
30：计数器电路
31：存储部。

Claims (20)

1.一种光接收装置，包括：
光检测器阵列，包括多个像素，每个像素被配置为响应于光检测器与光子的反应而输出脉冲；
计数器电路，被配置以对从所述光检测器阵列的至少一个所述像素输出的所述脉冲进行计数；以及
控制电路，被配置成用于基于来自所述计数器电路的所述脉冲的计数数量从所述光检测器阵列选择所述多个像素中要启用的像素和所述多个像素中要停用的像素。
2.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
所述控制电路被配置以启用所述光检测器阵列内的所述多个像素中所述脉冲的计数数量超过阈值的像素，且停用所述多个像素中所述脉冲的计数数量等于或小于所述阈值的像素。
3.根据权利要求1所述的光接收装置，进一步包括：
TDC，其中，
多个所述像素通过公共引线彼此连接并且经由硬线OR耦接至所述TDC。
4.根据权利要求3所述的光接收装置，其中，
在所述光检测器阵列内彼此不相邻的多个所述像素通过所述公共引线连接。
5.根据权利要求3所述的光接收装置，其中，
所述TDC耦接至偶数列中的多个所述像素或奇数列中的多个所述像素。
6.根据权利要求3所述的光接收装置，其中，
多条所述公共引线通过或门耦接到所述TDC。
7.根据权利要求6所述的光接收装置，进一步包括：
单触发电路，至少耦接在所述像素之间或者耦接在所述或门的输入端与所述像素之间。
8.根据权利要求7所述的光接收装置，其中，
所述单触发电路包括与门和耦接到所述与门的一个输入端的反相器链。
9.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
所述光检测器阵列的所述光检测器包括雪崩光电二极管。
10.根据权利要求9所述的光接收装置，其中，
所述雪崩光电二极管被配置为在盖革模式下操作，并且所述光检测器阵列中的所述像素各自包括淬灭电路。
11.一种光接收电路，包括：
光检测器；
负载元件，耦接在所述光检测器与第一基准电位之间；
锁存电路，被配置为输出与状态对应的第一电压；以及
第一反相器，被配置为响应于施加至控制端的第二电压而接通并且反转并输出所述光检测器的输出电压，其中，
施加至所述控制端的所述第二电压能够随着所述第一电压变化。
12.根据权利要求11所述的光接收电路，进一步包括：
与门，具有耦接到所述锁存电路的输出侧的第一输入端、耦接到使能线的第二输入端以及耦接到所述第一反相器的所述控制端的输出端。
13.根据权利要求11所述的光接收电路，进一步包括：
NAND门，具有耦接到所述锁存电路的输出侧的第一输入端以及耦接到使能线的第二输入端；以及
第二反相器，耦接在所述NAND门与所述控制端之间。
14.根据权利要求11所述的光接收电路，进一步包括：
NAND门，具有耦接到所述锁存电路的输出侧的第一输入端以及耦接到使能线的第二输入端；
第一导电类型的第一晶体管，所述第一晶体管耦接在所述第一基准电位与所述负载元件之间并且响应于所述NAND门的输出电压而接通；
第二导电类型的第二晶体管，所述第二晶体管耦接在所述光检测器的输出侧与第二基准电位之间并且响应于所述NAND门的所述输出电压而被接通；以及
第二反相器，耦接在所述NAND门的输出端与所述第一反相器的所述控制端之间。
15.根据权利要求11所述的光接收电路，其中，
所述光检测器包括雪崩光电二极管。
16.一种光接收装置，包括：
光检测器阵列，其中布置了多个根据权利要求11所述的光接收电路；以及
控制电路，被配置以改变所述光检测器阵列内的所述光接收电路中的至少一个的所述锁存电路的所述状态。
17.根据权利要求16所述的光接收装置，进一步包括：
计数器电路，被配置为对从所述光检测器阵列内的所述光接收电路中的至少一个输出的脉冲的数量进行计数，其中，
所述控制电路被配置为基于所述脉冲的数量改变所述锁存电路的所述状态。
18.根据权利要求17所述的光接收装置，其中，
所述控制电路被配置为将所述光接收电路中所述脉冲的计数数量超过阈值的所述光接收电路的所述锁存电路设定在选择状态，并且将所述光接收电路中所述脉冲的计数数量等于或小于所述阈值的所述光接收电路的所述锁存电路设定在非选择状态。
19.根据权利要求16所述的光接收装置，进一步包括：
TDC，其中，
多个所述光接收电路通过公共引线彼此连接，并且经由硬线OR耦接至所述TDC。
20.根据权利要求19所述的光接收装置，其中，
在所述光检测器阵列内彼此不相邻的多个所述光接收电路通过所述公共引线连接。
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