DE102020202764A1

DE102020202764A1 - Lichtdetektionseinrichtung und elektronikvorrichtung

Info

Publication number: DE102020202764A1
Application number: DE102020202764.1A
Authority: DE
Inventors: Tuan Thanh TA; Akihide Sai; Hidenori Okuni; Toshiki Sugimoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2021-03-11
Also published as: JP2021039066A; US11652116B2; CN112540385A; JP7133523B2; CN112540385B; US20210074743A1

Abstract

Eine Licht-Detektionseinrichtung weist ein Feld erster Lichtdetektoren auf, die in ersten Intervallen angeordnet sind und konfiguriert sind, Empfangslicht in erste Signale umzuwandeln, zweite Lichtdetektoren, die eine erste Übersprechrate umfassen und konfiguriert sind, Empfangslicht in zweite Signale umzuwandeln, wobei Oberflächen der zweiten Lichtdetektoren vor Licht abgeschirmt sind, dritte Lichtdetektoren, die eine zweite Übersprechrate umfassen, die sich von der ersten Übersprechrate unterscheidet, und konfiguriert sind, Empfangslicht in dritte Signale umzuwandeln, wobei Oberflächen der dritten Lichtdetektoren vor Licht abgeschirmt sind, und eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, einen Betriebspunkt des Felds basierend auf den zweiten Signalen und den dritten Signalen zu steuern.

Description

GEBIET
Hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf eine Licht-Detektionseinrichtung und eine Elektronikvorrichtung.
HINTERGRUND
Licht-Detektionsvorrichtungen, wie etwa Licht-Empfangsvorrichtungen, werden breit in Automatikantriebs-Technologien und dergleichen eingesetzt. In der Automatik-Antriebstechnologie wird ein reflektiertes Licht von einem Objekt durch eine Licht-Detektionseinrichtung empfangen, wird eine Distanz zum Objekt gemessen und wird ein Distanzbild erzeugt. Um die Auflösung des Distanzbilds zu vergrößern, ist es notwendig, die Anzahl von Lichtempfangselementen pro Einheitsfläche zu vergrößern, die in der Licht-Detektionseinrichtung enthalten sind. Jedoch, wenn die Distanz zwischen Lichtempfangselementen sinkt, tritt ein Übersprechen zwischen den Lichtempfangselementen auf, was dazu führt, dass ein Verschmieren des Distanzbilds und Rauschen verursacht wird.
Weiter ist es notwendig, eine Vorspannung an das Lichtempfangselement in der Licht-Detektionseinrichtung anzulegen. Jedoch ändern sich das Übersprechen, das Rauschen, die Sensitivität und ein Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (SNR) durch die reverse Vorspannung. Da es wünschenswert ist, dass das SNR so groß wie möglich ist, ist es notwendig, die reverse Vorspannung zu optimieren.
Weiterhin, wenn eine Operation in einem Geiger-Modus durchgeführt wird, der eine Lawinen-Photodiode als das Lichtempfangselement verwendet, ist eine Rücksetzoperation erforderlich, wann immer Licht empfangen wird, und wird eine Periode, während welcher neues Licht nicht empfangen werden kann (Totzeit), auftreten, bis das Rücksetzen abgeschlossen ist. Wie oben beschrieben, ist es notwendig, verschiedene Bedingungen zu erfüllen, um das SNR zu optimieren.
Figurenliste

Fig. list ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Graph, der ein Beispiel von elektrischen Charakteristika einer SPAD zeigt;
3 ist ein Graph, der ein Beispiel von Ausgabe-Charakteristika einer SPAD zeigt;
4 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
5A ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, bei dem nur zweite Lichtempfangselemente an vier Ecken in einem ersten Modus eingeschaltet werden;
5B ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, bei dem alle zweiten Lichtempfangselemente in einem zweiten Modus eingeschaltet werden;
6 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
7 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt;
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in welchem eine Durchbruchspannung sich abhängig von einem Anordnungsort eines ersten Lichtempfangselements ändert;
9 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt;
10 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer elektronischen Vorrichtung zeigt, die eine Lichtempfangseinheit beinhaltet, welche die Licht-Detektionseinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform inkorporiert; und
11 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Beispiel zeigt, in welchem eine Lichtempfangseinheit und eine Signalverarbeitungseinheit auf einem Halbleitersubstrat montiert sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Licht-Detektionseinrichtung ein Feld von ersten Lichtdetektoren, die in einem ersten Intervall angeordnet sind, und konfiguriert sind, Empfangslicht in erste Signale umzuwandeln, zweiten Lichtdetektoren, die eine erste Übersprechrate umfassen und konfiguriert sind, Empfangslicht in zweite Signale umzuwandeln, wobei Oberflächen der zweiten Lichtdetektoren vor Licht abgeschirmt sind, dritten Lichtdetektoren, die eine zweite Übersprechrate umfassen, die sich von der ersten Übersprechrate unterscheidet, und konfiguriert sind, Empfangslicht in dritte Signale umzuwandeln, wobei Oberflächen der dritten Lichtdetektoren gegenüber Licht abgeschirmt sind, und eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, einen Betriebspunkt des Felds, basierend auf den zweiten Signalen und den dritten Signalen zu steuern, auf.
Nachfolgend werden Ausführungsformen einer Licht-Detektionseinrichtung, einer Elektronikvorrichtung und eines Lichtdetektions-Verfahrens unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung fokussiert auf Hauptkomponenten der Licht-Detektionseinrichtung, der Elektronikvorrichtung und dem Licht-Detektionsverfahren. Jedoch können die Licht-Detektionseinrichtung, die Elektronikvorrichtung und das Licht-Detektionsverfahren Komponenten und Funktionen aufweisen, die nicht gezeigt oder beschrieben sind.
(Erste Ausführungsform)
1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Wie später beschrieben wird, wird die Licht-Detektionseinrichtung 1 von 1 verwendet, um von einem Objekt reflektiertes Licht beispielsweise zu empfangen. Die Licht-Detektionseinrichtung 1 von 1 beinhaltet ein erstes Lichtempfangsfeld (Feld) 2, ein zweites Lichtempfangsfeld 3, ein drittes Lichtempfangsfeld 4, eine Erfassungseinheit 5 und eine Steuereinheit (Steuerschaltungen) 6.
Das erste Lichtempfangsfeld (erstes Feld) 2 weist eine Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen (ersten Lichtdetektoren) 2a auf, die in Intervallen angeordnet sind. In einem Beispiel von 1 weist das erste Lichtempfangsfeld 2 eine Vielzahl von Pixeln 2b auf, die in einer zweidimensionalen Richtung angeordnet sind. Jedes Pixel 2b weist eine Vielzahl erster Lichtempfangselemente 2a, die in einer zweidimensionalen Richtung angeordnet sind, auf. In der vorliegenden Spezifikation wird ein Beispiel, in welchem eine Silizium-Photonen-Lawinendiode (SPAD, silicon photon avalanche diode) als das erste Lichtempfangselement 2a verwendet wird, beschrieben. SPAD ist eine Lawinen-Photodiode (APD), die in einem Geiger-Modus betrieben wird und kann ein elektrisches Signal durch Empfangen eines einzelnen Photons ausgeben. Im Beispiel von 1 ist ein Pixel 2b durch 4 x 4 SPADs gebildet. Jedoch sind Anzahl und Anordnung von einem Pixel 2b bildenden SPADs beliebig. Eine Einheit eines Pixels 2b wird auch ein Silizium-Photomultiplier (SiPM) genannt.
Das erste Lichtempfangsfeld 2 von 1 weist eine Vielzahl von Pixeln 2b auf, die in einer zweidimensionalen Richtung angeordnet sind, kann aber eine Vielzahl von Bildern aufweisen, die in einer eindimensionalen Richtung, das heißt in einer Linie, angeordnet sind. Eine Vielzahl von SPADs, die in jedem Pixel 2b angeordnet sind, kann ebenfalls in einer zweidimensionalen Richtung oder einer eindimensionalen Richtung angeordnet sein.
Das zweite Lichtempfangsfeld 3 und das dritte Lichtempfangsfeld 4 sind zum Kalibrieren des ersten Lichtempfangsfelds 2 vorgesehen. Die zweite Lichtempfangsfeld 3 weist eine Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen (zweiten Lichtdetektoren) 3a auf, deren Lichtempfangsoberflächen vor Licht abgeschirmt sind. Da die Lichtempfangsoberfläche des zweiten Lichtempfangselementes 3a vor Licht abgeschirmt ist, kann das zweite Lichtempfangsfeld 3 kein Einfallslicht empfangen. Jedoch gibt jedes zweite Lichtempfangselement 3a ein Signal aus, das auch ein Dunkelstrom genannt wird. Das Ausgangssignal jedes zweiten Lichtempfangselements 3a weist einen Signalpegel gemäß Rauschen und Übersprechrate auf. Hier ist die Übersprechrate die Wahrscheinlichkeit, dass ein angrenzendes Lichtempfangselement emittiertes Licht wahrnimmt, wenn ein gewisses Lichtempfangselement Licht empfängt und einen großen Strom ausgibt, und gibt den großen Strom aus. Die Übersprechrate wird im Detail später beschrieben.
Beispielsweise ist die Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a im zweiten Lichtempfangsfeld 3 bei breiteren Intervallen als die Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 angeordnet. Der Grund, warum die Intervalle zwischen der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a vergrößert sind, besteht darin, zu verhindern, dass die angrenzenden zweiten Lichtempfangselemente 3a durch das Übersprechen beeinträchtigt werden. Wie später beschrieben wird, ist auch eine Modifikation, in welcher die Intervalle zwischen den ersten Lichtempfangselementen 2a und die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a gleich sind, vorstellbar. Daher ist, ob die Intervalle zwischen dem ersten Lichtempfangselement 2a und die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a gleich oder unterschiedlich sind, eine Design-Angelegenheit.
Die Lichtabschirmung der Lichtempfangsoberfläche des zweiten Lichtempfangselements 3a kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Lichtempfangsoberfläche mit einem Licht abschirmenden Film, der in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, bedeckt wird. Der Lichtabschirmungsfilm kann unter Verwendung einer Metallverdrahtung durch einen Metallverdrahtungsprozess in einem Herstellprozess eines Halbleiter-Chips, der die Licht-Detektionseinrichtung 1 enthält, gebildet werden. Alternativ kann der Lichtabschirmungsfilm durch einen anderen Herstellprozess als die Metallverdrahtung gebildet werden. Weiter kann der Lichtabschirmungsfilm ein Abdichtteil sein, das ein Lichteinfallsfenster abschirmt, das in einem Halbleiterpaket vorgesehen ist, statt durch einen Filmbildungsprozess zum Zeitpunkt der Herstellung des Halbleiter-Chips gebildet zu werden. Im Beispiel von 1 sind insgesamt vier zweite Lichtempfangselemente 3a in denselben Intervallen wie die ersten Lichtempfangselemente 2a an den vier Eckenpositionen in dem ersten Lichtempfangsfeld 2 vorgesehen. Die Anzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a im zweiten Lichtempfangsfeld 3 ist nicht notwendigerweise vier und die zweiten Lichtempfangselemente 3a können mit anderen Intervallen als denen der ersten Lichtempfangselemente 2a an den vier Eckenpositionen in dem ersten Lichtempfangsfeld 2 angeordnet sein.
Das dritte Lichtempfangsfeld 4 weist eine Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen (dritten Lichtdetektoren) 4a auf, deren Lichtempfangsoberflächen vor Licht abgeschirmt sind. Die Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a weist eine andere Übersprechrate als diejenige der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a auf. Beispielsweise sind die dritten Lichtempfangselemente 4a in dem dritten Lichtempfangsfeld 4 im selben Intervall angeordnet wie die Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a. Als solche sind die Anordnung und Größe jedes Pixels 2b in dem dritten Lichtempfangsfeld 4 und die Anordnung und Größe jeder SPAD in jedem Pixel 2b dem zweiten Lichtempfangsfeld 2 gemein. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Intervalle zwischen der Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a die gleiche wie die Intervalle zwischen der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a. Als Ergebnis weisen das erste Lichtempfangsfeld 2 und das dritte Lichtempfangsfeld 4 fast dieselbe Übersprechrate auf.
In der vorliegenden Spezifikation sind die Elementstrukturen und Größen den ersten, zweiten und dritten Lichtempfangselementen 4a gemein, außer dass die Lichtempfangsoberfläche vor Licht abgeschirmt ist. Wie oben beschrieben, weist das erste Lichtempfangsfeld 2 die in einem ersten Intervall angeordneten ersten Lichtempfangselemente 2a auf und ist konfiguriert, Empfangslicht in erste Signale umzuwandeln. Die zweiten Lichtempfangselemente 3a weisen eine erste Übersprechrate auf und sind konfiguriert, Empfangslicht in zweite Signale umzuwandeln. Oberflächen der zweiten Lichtempfangselemente 3a sind vor Licht abgeschirmt. Die dritten Lichtempfangselemente 4a weisen eine zweite Übersprechrate auf, die sich von der ersten Übersprechrate unterscheidet, und sind konfiguriert, Empfangslicht in dritte Signale umzuwandeln. Oberflächen der dritten Lichtdetektoren sind vor Licht abgeschirmt. Die Steuereinheit 6 ist konfiguriert, einen Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 zu steuern, basierend auf den zweiten Signalen und den dritten Signalen. Die zweiten Lichtdetektoren können in zweiten Intervallen angeordnet sein, die sich vom ersten Intervall unterscheiden, und die dritten Lichtdetektoren können im ersten Intervall angeordnet sein.
Wenn die Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a Licht mit einer vorbestimmten angelegten Reversvorspannung empfangen, geben die ersten Lichtempfangselemente 2a photoelektrisch umgewandelte, elektrische Signale aus. Wie später beschrieben wird, wenn die reverse Vorspannung erhöht wird, wird die Sensitivität des ersten Lichtempfangselements 2a verbessert. Jedoch wird das Rauschen erhöht und wird auch die Übersprechrate erhöht.
Die Erfassungseinheit 5 erfasst ein Ausgangssignal des zweiten Lichtempfangsfelds 3 und ein Ausgangssignal des dritten Lichtempfangsfelds 4 und sendet die erfassten Ausgangssignale an die Steuereinheit 6. Es ist anzumerken, dass die Erfassungseinheit 5 in die Steuereinheit 6 integriert sein kann.
Die Steuereinheit 6 steuert einen Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 auf Basis der Ausgangssignale der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a und den Ausgangssignalen der Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a. Beispielsweise legt die Steuereinheit 6 eine reverse Vorspannung an die Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a und die Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a an und schätzt die Größe des Rauschens und die Größe des Übersprechens des ersten Lichtempfangsfelds 2 ab und steuert den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 auf Basis der Ausgangssignale der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a und der Ausgangssignale der Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a. Spezifischer schätzt die Steuereinheit 6 den Rauschpegel und die Übersprechrate des zweiten Lichtempfangsfelds 3 ab, während die an die Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a und die Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a anzulegende reverse Vorspannung abgelenkt wird, und steuert den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2, so dass das Signal-zu-Rauschverhältnis maximiert wird.
Der Betriebspunkt ist beispielsweise die reverse Vorspannung des ersten Lichtempfangsfeld 2. In diesem Fall steuert die Steuereinheit 6 die reverse Vorspannung, die an das erste Lichtempfangsfeld 2 anzulegen ist, auf Basis der Ausgabesignale der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a und der Ausgangssignale der Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a. Wie später beschrieben wird, ist der Betriebspunkt nicht notwendigerweise auf die reverse Vorspannung beschränkt. Der Betriebspunkt ist ein Wert, der eine Betriebsbedingung des ersten Lichtempfangsfelds 2 angibt.
Die Steuereinheit 6 muss nicht notwendigerweise die Übersprechrate abschätzen und kann einen Index abschätzen, der die Größe des Übersprechens angibt, statt der Übersprechrate. Daher steuert die Steuereinheit 6 den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 auf Basis der Größe des Übersprechens den zweiten Lichtempfangselementen, die durch die Ausgangssignale der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a berechnet werden. Alternativ steuert die Steuereinheit 6 den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 auf Basis der Größe des Übersprechens zwischen den zweiten Lichtempfangselementen, welche durch die Ausgangssignale der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a berechnet wird, und den Ausgangssignalen der Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a. Weiter kann die Steuereinheit 6 den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfeld 2 auf Basis der Rauschpegel der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a steuern, berechnet durch die Ausgangssignale der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a.
Als Nächstes wird das Betriebsprinzip der vorliegenden Ausrührungsform im Detail beschrieben. Die Anzahl der Vielzahl von zwei Lichtempfangselementen 3a im zweiten Lichtempfangsfeld 3 ist als M1 definiert, die Anzahl der Vielzahl von dritten Lichtempfangselementen 4a im dritten Lichtempfangsfeld 4 ist als M2 definiert, die Übersprechraten zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a sind als a1 definiert, die Übersprechraten zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a sind als a2 definiert, und das Rauschen der zweiten Lichtempfangselemente 3a und des dritten Lichtempfangselements 4a sind als N definiert. Da das zweite Lichtempfangselement 3a und das dritte Lichtempfangselement 4a mit derselben Struktur und derselben Größe in einem gemeinsamen Halbleiterprozess gebildet sind, wird das Rauschen N gleich. Ein Ausgangssignal S1 des zweiten Lichtempfangsfelds 3 und ein Ausgangssignal S2 des dritten Lichtempfangsfeld 4 werden durch die nachfolgenden Formeln (1) bzw. (2) repräsentiert. $S 1 = M 1 \times N \times (a + a 1)$
$S2 = M2 \times N \times (1 + a2)$
Diese M1, M2, S1 und S2 sind bekannte Werte. Das Rauschen N und die Übersprechraten a1 und a2 sind Variablen. Da angenommen wird, dass die Intervalle zwischen der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 3a in dem zweiten Lichtempfangsfeld 3 groß ist, so dass das Übersprechen ignoriert werden kann, kann im Falle von M1 = 1, a1 = 0 erhalten werden. Zu dieser Zeit kann die Übersprechrate a2 und das Rauschen N aus den Messwerten S1 und S2 der Ausgangssignale durch die nachfolgende Formel (3) abgeschätzt werden. $a2 = S 2 \times M 1 / (S 1 \times M 2) - 1$
$N = S 1 /M 1$
Die Übersprechraten a1 und a2 hängen von der Fertigungs-Technologie oder der Temperatur der SPAD und dem Betriebspunkt, wie etwa der Reversvorspannung ab. Ein Verhältnis von = α = a1/a2 der Übersprechraten hängt nur von den Intervallen zwischen den SPADs ab. Daher, indem das Verhältnis ain vorab ermittelt wird, selbst falls die Temperatur oder die Einstellbedingung der SPADs verändert werden, kann die Übersprechrate a2 und das Rauschen N aus dem Verhältnis α, den Formeln (1) und (2) erhalten werden, und werden die Übersprechrate a2 und das Rauschen N durch die Formeln (5) bzw. (6) repräsentiert. $A 2 = (1 - a) * M 1 * S 2 / (M 2 * S 1 - a * M 1 * S 2) - 1$
$N = S 2 / (M2 * (1 + a 2))$
Da die Intervalle zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a im dritten Lichtempfangsfeld 4 die gleichen sind wie die Intervalle zwischen den ersten Lichtempfangselementen 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2, sind die Übersprechraten zwischen den ersten Lichtempfangselementen 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 die gleichen wie die Übersprechraten a2 zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a im dritten Lichtempfangsfeld 4. Daher verwendet die Steuereinheit 6 die Steuereinheit 6 zum Berechnen von optimalen Einstellwerten der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 aus der Übersprechrate a2 und dem Rauschen N, welches durch die Formeln (5) und (6) ermittelt werden, und steuert das erste Lichtempfangselement 2a auf Basis der berechneten Werte.
Als Nächstes wird ein Beispiel einer durch die Steuereinheit 6 durchgeführten Rechnung beschrieben. 2 ist ein Graph, der ein Beispiel von elektrischen Charakteristika der SPAD zeigt. In 2 repräsentiert eine horizontale Achse eine reverse Vorspannung und repräsentiert eine vertikale Achse elektrische Charakteristik-Werte der SPAD. 2 zeigt Graphen w1, w2 und w3 des Rauschens N, der Wahrscheinlichkeit PDE und der Übersprechrate als die elektrischen Charakteristika der SPAD. Wenn die reverse Vorspannung gleich oder höher als die Durchbruchspannung an die SPAD angelegt wird, gibt die SPAD ein Signal eines großen Stroms mit der vorbestimmten Wahrscheinlichkeit PDE zum Zeitpunkt des Empfangens von Licht aus. Dass die SPAD das Signal des großen Stroms ausgibt, wird auch Zündung genannt. Jedoch kann die SPAD ohne Empfangslicht gezündet werden und dies ist das Rauschen N. Das Rauschen N und die Wahrscheinlichkeit PDE steigen, wenn die reverse Vorspannung ansteigt.
Weiterhin, wenn die SPAD gezündet wird, emittiert die SPAD Licht mit der vorbestimmten Wahrscheinlichkeit und kann eine andere SPAD aufgrund des Lichtes gezündet werden. Die synthetisierte Wahrscheinlichkeit des obigen Prozesses ist die Übersprechrate.
3 ist ein Graph, der ein Beispiel von Ausgabe-Charakteristika der SPAD zeigt. In 3 repräsentiert eine horizontale Achse eine reverse Vorspannung und repräsentiert eine vertikale Achse jeden Ausgangswert der SPAD. 3 zeigt Graphen w4, w5 und w6 von PDE × Smin, Smax × PDE × Übersprechrate, und SNR. Der Graph des Rauschens N Graphen ist derselbe wie derjenige in 2. Smin und Smax sind ein Minimalwert bzw. ein Maximalwert der Einfallslicht-Intensität der SPAD.
Der Minimalwert des Ausgangssignals der SPAD ist PDE × Smin. Der Maximalwert des Rauschens ist ein Wert, wenn die Einfallslicht-Intensität der angrenzenden SPAD zum Maximalwert Smax wird, wenn die Einfallslicht-Intensität der SPAD der Minimalwert Smin ist, und der Maximalwert wird durch die nachfolgende Formel (7) repräsentiert. $\begin{array}{l} Maximalwert von Rauschen = N + Smax \times PDE \\ \times Übersprechrate \end{array}$
Ein Minimalwert des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses SNR des empfangenen Lichtsignals wird durch die nachfolgende Formel (8) repräsentiert. $SNR = PDE \times Smin/(N + Smax \times PDE \times Übersprechrate$
Um das SNR in der Formel (8) zu maximieren, sollten nicht nur die Wahrscheinlichkeit PDE und das Rauschen N der SPAD, sondern auch die Übersprechrate berücksichtigt werden.
Die Leistung der SPAD ändert sich abhängig von der Temperatur der Licht-Detektionseinrichtung 1. Beispielsweise sinkt im Allgemeinen, wenn die Temperatur steigt, die Durchbruchspannung der SPAD, verschieben sich die Charakteristika von 2 und 3 zur rechten Seite und steigt der optimale Einstellwert der SPAD an.
Weiter, wenn die Temperatur steigt, steigt die kinetische Energie von Elektronen, steigt die Wahrscheinlichkeit PDE des Zündens der SPAD mit der kinetischen Energie der Elektronen an und steigt das Rauschen N an. Wenn die Durchbruchspannung steigt, erstreckt sich eine Kurve des Rauschens N aufwärts, während sie zur rechten Seite verschoben wird.
Andererseits, selbst falls sich die Temperatur ändert, ändert sich die Kurvenform der PDE und der Übersprechrate im Allgemeinen kaum. Der Grund ist, dass Hauptfaktoren, welche PDE und Übersprechrate bestimmen, Licht-Absorbtivität eines Bestandteilmaterials der SPAD, die das Lichtempfangselement sein soll, und eine Struktur der SPAD sind und sich kaum mit der Temperatur ändern. Daher, falls eine Relation zwischen PDE und Übersprechrate vorab erhalten wird, kann die PDE aus der Übersprechrate ermittelt werden. Daher kann das SNR aus der Formel (8) durch Ermitteln des Rauschens N und der Übersprechrate berechnet werden. Verschiedene Verfahren zum Ermitteln eines Optimalwerts des Signal-zu-Rauschverhältnisses SNR aus der Formel (8) kann erwogen werden. Zwei typische Verfahren werden unten beschrieben.
Beim ersten Verfahren werden die Einstellwerte (beispielsweise die reverse Vorspannung) des zweiten Lichtempfangselements 3a und des dritten Lichtempfangselements 4a im zweiten Lichtempfangsfeld 3 und dem dritten Lichtempfangsfeld 4 abgelenkt, um das Rauschen und die Übersprechrate zu ermitteln, und wird das SNR durch Formel (8) berechnet. Das heißt, während die Einstellwerte des zweiten Lichtempfangsfelds 3a und des dritten Lichtempfangsfelds 4a abgelenkt werden, wird der Einstellwert, wenn das SNR maximiert wird, auf einen optimalen Einstellwert eingestellt und wird ein optimaler Einstellwert des ersten Lichtempfangsfelds 2 auf Basis des Einstellwerts zu dieser Zeit bestimmt. Als ein Ablenkverfahren wird beim Anfangseinstellen eine Ablenkbreite der reversen Vorspannung erhöht und nach ermitteln des optimalen Einstellwerts kann die Ablenkbreite zum Temperaturverfolgen gesenkt werden oder kann ein Ablenken durchgeführt werden mit derselben Ablenkbreite zu allen Zeiten.
Als Beispiel wird das erste Verfahren auf Basis von 3 beschrieben. Wenn die reverse Vorspannung des zweiten Lichtempfangselements 3a und des dritten Lichtempfangselements 4a graduell von der Durchbruchspannung erhöht wird und der Maximalwert des SNR detektiert wird, wird die reverse Vorspannung zu dieser Zeit als der optimale Einstellwert eingestellt und wird als der optimale Einstellwert der reversen Vorspannung der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a in dem ersten Lichtempfangsfeld 2 verwendet.
Beim zweiten Verfahren werden das zweite Lichtempfangselement 3a und das dritte Lichtempfangselement 4a so gesteuert, dass ein Nenner der Formel (8) zu einem vorbestimmten Wert wird. Beispielsweise wird die an das zweite Lichtempfangselement 3a und das dritte Lichtempfangselement 4a anzulegende reverse Vorspannung gesteuert und wird der Nenner der Formel (8) als der vorbestimmte Wert eingestellt. Obwohl die Genauigkeit niedriger als diejenige des ersten Verfahrens ist, ist es nicht notwendig, einen Zähler der Formel (7) zu berechnen und wird die Berechnung einfach.
Das Verfahren des Ermittelns des Optimalwerts des SNR aus Formel (8) durch die Steuereinheit 6 ist nicht notwendigerweise auf das erste Verfahren oder das zweite Verfahren beschränkt, die oben beschrieben sind. Dies liegt daran, dass ein optimales Einstellverfahren der SPAD und der APD zum Maximieren des SNR anhand verschiedener Charakteristika der SPAD und der APD geändert werden kann.
Beispielsweise, falls die SPAD Licht bei angelegter reverser Vorspannung empfängt, fließt ein großer Strom und sinkt eine Kathodenspannung, so dass in diesem Zustand neues Licht nicht empfangen werden kann. Aus diesem Grund wird eine Quench-Schaltung (in der Zeichnung nicht gezeigt) zum zwangsweisen Erhöhen der Kathodenspannung bereitgestellt. Eine Periode ab dann, wenn die SPAD Licht detektiert und die Kathodenspannung abnimmt bis dann, wenn die Kathodenspannung zu einem gewünschten Wert durch die Quench-Schaltung rückkehrt, wird auch als eine Totzeit bezeichnet und die Periode ist eine Periode, während welcher die SPAD Licht nicht empfangen kann. Um die Totzeit zwangsweise zu verkürzen, wird eine aktive Quench-Schaltung, die rasch die Kathodenspannung unter Verwendung eines Transistors oder dergleichen steigert, verwendet. Jedoch, falls Licht während eines Betriebs des Erhöhens der Kathodenspannung durch die aktive Quench-Schaltung einfällt, fließt eine große Menge an Strom durch die SPAD und emittiert Licht und fließt ein Strom aufgrund des Übersprechens durch die in der Nähe vorkommende SPAD.
Wie oben beschrieben, ändert das SNR sich durch steuern der Totzeit der SPAD. Daher kann die Steuereinheit 6 die Totzeit der SPAD steuern, um das SNR der Formel (8) zu maximieren. Daher kann die Steuerung des Betriebspunkts des ersten Lichtempfangsfelds 2, der oben beschrieben wird, die Totzeit steuern.
In 1 ist das Beispiel, in welchem die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a im zweiten Lichtempfangsfeld 3 breiter sind als die Intervalle zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a im dritten Lichtempfangsfeld 4, beschrieben worden. Jedoch können sich die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a und die Intervalle zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a voneinander unterscheiden und können Intervalle zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a breiter sein als die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a. Wenn eine Struktur (beispielsweise eine Abschirmschicht) zum Reduzieren des Übersprechens zwischen den aneinander angrenzenden zweiten Lichtempfangselementen 3a vorgesehen ist, können die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a und die Intervalle zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a die gleichen sein. Wie oben beschrieben, unterscheiden sich die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a und die Intervalle zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a nicht notwendigerweise. Die Übersprechraten des zweiten Lichtempfangsfelds 3a und des dritten Lichtempfangselements 4a können sich voneinander unterscheiden.
Wie oben beschrieben, sind in der ersten Ausführungsform zusätzlich zum das reflektierte Licht vom Objekt empfangenden ersten Lichtempfangsfeld 2 das zweite Lichtempfangsfeld 3 und das dritte Lichtempfangsfeld 4 zur Kalibrierung vorgesehen. Das Rauschen und die Übersprechrate des ersten Lichtempfangsfelds 2 werden aus dem Ausgangssignal des zweiten Lichtempfangsfelds 3 und dem Ausgangssignal des dritten Lichtempfangsfelds 4 abgeschätzt und der Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 wird so gesteuert, dass das Signal-zu-Rauschverhältnis des ersten Lichtempfangsfelds 2 maximiert wird. Als Ergebnis ist es möglich, den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 zum Optimieren des Signalrauschverhältnisses des ersten Lichtempfangsfelds 2 einzustellen, während ein Einfluss des Rauschens und der Übersprechrate des ersten Lichtempfangsfelds 2 minimiert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist beschrieben worden, dass die Übersprechrate einfach unter Verwendung des zweiten Lichtempfangselements und des dritten Lichtempfangselements berechnet wird und das erste Lichtempfangsfeld 2 gesteuert wird. Jedoch kann die Übersprechrate des dritten Lichtempfangsfelds 4 durch Durchführen von Signalverarbeitung auf Basis nur des Ergebnisses des dritten Lichtempfangsfelds 4 ermittelt werden. Daher ist es möglich, nur das dritte Lichtempfangsfeld 4 vorzubereiten und die Übersprechrate durch die Signalverarbeitung zum Steuern des ersten Lichtempfangsfelds zu berechnen.
(Zweite Ausführungsform)
In einer zweiten Ausführungsform wird nur ein Lichtempfangsfeld zur Kalibrierung bereitgestellt.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Die Licht-Detektionseinrichtung 1 von 4 beinhaltet ein erstes Lichtempfangsfeld 2, ein zweites Lichtempfangsfeld 11, eine Erfassungseinheit 5 und eine Steuereinheit 6. Da das erste Lichtempfangsfeld 2 von 4 das gleiche wie das erste Lichtempfangsfeld 2 von 1 ist, wird dessen Beschreibung weggelassen.
Das zweite Lichtempfangsfeld 11 von 4 weist eine Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a auf, deren Lichtempfangsoberflächen vor Licht abgeschirmt sind. Die Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a sind im selben Intervall wie eine Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a angeordnet. Jedes der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a kann individuell zwischen einem EIN-Zustand, wo eine Lichtempfangsoperation durchgeführt wird, und einem AUS-Zustand, wo die Lichtempfangsoperation gestoppt wird, gemäß einer Anweisung aus der Steuereinheit 6 umschalten. Wenn das zweite Lichtempfangselement 11a im AUS-Zustand ist, zündet das Lichtempfangselement nicht und emittiert kein Rauschen. Daher führt das Lichtempfangselement keine Lichtemission aufgrund von Zündung durch, die Übersprechen verursacht. Jedes der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a weist einen Lichtabschirmfilm auf, der beispielsweise die Lichtempfangsoberfläche abdeckt.
Die Erfassungseinheit 5 erfasst ein Ausgangssignal des zweiten Lichtempfangsfelds 11 und sendet das Ausgangssignal an die Steuereinheit 6. Die Steuereinheit 6 kann zwischen einem ersten Modus, in welchem ein Teil der zweiten Lichtempfangselemente 11a, die durch Ausdünnen der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a in vorbestimmten Intervallen (beispielsweise gleiche Intervalle) erhalten werden, eingeschaltet wird, und einem zweiten Modus, in welchem alle der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a eingeschaltet sind, umschalten. Wie oben beschrieben, steuert die Steuereinheit 6 den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 auf Basis der Ausgangssignale der zweiten Lichtempfangselemente zu dem Zeitpunkt, zu dem nicht zumindest eines der anderen angrenzenden zweiten Lichtempfangselement aus der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a angetrieben wird, und der Ausgangssignale zum Zeitpunkt des Antreibens aller angrenzenden zweiten Lichtempfangselemente aus der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a.
Wenn die Steuereinheit 6 den ersten Modus von der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a aussucht, werden beispielsweise nur die zweiten Lichtempfangselemente 11a an den vier Ecken eingeschaltet. Die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 11a im EIN-Zustand im ersten Modus sind die gleichen wie die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 3a von 1. 5A zeigt einen Zustand, bei dem nur die zweiten Lichtempfangselemente 11a an den vier Ecken im ersten Modus eingeschaltet sind. 5B zeigt einen Zustand, bei dem alle zweiten Lichtempfangselemente 11a im zweiten Modus eingeschaltet sind.
Wenn die Steuereinheit 6 den zweiten Modus auswählt, werden alle der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a eingeschaltet, so dass die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 11a enger sind als die Intervalle im ersten Modus, und die Übersprechrate ansteigt. Die Intervalle zwischen den zweiten Lichtempfangselementen 11a im EIN-Zustand im zweiten Modus sind die gleichen wie die Intervalle zwischen den dritten Lichtempfangselementen 4a in 1.
Das zweite Lichtempfangsfeld 11 von 4 führt dieselbe Operation wie das zweite Lichtempfangsfeld 3 von 1 durch, wenn der erste Modus ausgewählt wird, und führt dieselbe Operation wie das dritte Lichtempfangsfeld 4 von 1 durch, wenn der zweite Modus ausgewählt wird. Durch Umschalten zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus während des Ablenkens einer Revers-Vorspannung schätzt die Steuereinheit 6 das Rauschen N und die Übersprechrate ab und stellt die Steuereinheit 6 eine reverse Vorspannung ein, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis SNR maximiert wird, als eine reverse Vorspannung des ersten Lichtempfangsfelds 2, auf Basis der Formel (8). Wie oben beschrieben, legt die Steuereinheit 6 die reverse Vorspannung an die Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a an und schätzt die Steuereinheit 6 die Größe des Rauschens des Übersprechens des ersten Lichtempfangsfelds 2 ab und steuert den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 auf Basis der Ausgangssignale der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a. Alternativ kann die Steuereinheit 6 das Timing steuern, zu welchem eine Quench-Schaltung, die in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, eine Spannung des entsprechenden ersten Lichtempfangsfelds 2a auf eine Anfangsspannung einstellt, auf Basis der Ausgangssignale aller der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a und der Ausgangssignale eines Teils der zweiten Lichtempfangselemente 11, die durch Ausdünnen der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a in den vorbestimmten Intervallen erhalten werden. Das heißt, dass eine Totzeit des ersten Lichtempfangselements 2a gesteuert werden kann.
Wie oben beschrieben, ist es in der zweiten Ausführungsform durch Umschalten zwischen Einschalten eines Teils der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a in dem zweiten Lichtempfangsfeld 11 zur Kalibrierung und Einschalten aller der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 11a ähnlich zur ersten Ausführungsform möglich, den Betriebspunkt des ersten Lichtempfangsfelds 2 zum Optimieren des Signal-Rausch-Verhältnisses des ersten Lichtempfangsfelds 2 einzustellen, während ein Einfluss des Rauschens und der Übersprechrate des ersten Lichtempfangsfelds 2 minimiert wird.
Weiter kann in der zweiten Ausführungsform im Vergleich zur ersten Ausführungsform die Anzahl von Lichtempfangsfeldern zur Kalibrierung reduziert werden und kann eine Größe der Lichtdetektionseinrichtung 1, Bauteilkosten und Stromverbrauch reduziert werden.
(Dritte Ausführungsform)
In einer dritten Ausführungsform wird ein Signal-zu-Rauschverhältnis eines ersten Lichtempfangsfelds 2 durch ein anderes Verfahren als das der zweiten Ausführungsform optimiert.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Die Licht-Detektionseinrichtung 1 von 6 beinhaltet ein erstes Lichtempfangsfeld 2, ein zweites Lichtempfangsfeld 12, eine Erfassungseinheit 5 und eine Steuereinheit 6. Da das erste Lichtempfangsfeld 2 von 2 das gleiche wie das erste Lichtempfangsfeld 2 von 1 ist, wird dessen Basis weggelassen.
Das zweite Lichtempfangsfeld 12 von 6 weist eine Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 12a, 12b und 12c auf, deren Lichtempfangsoberflächen mit einem Lichtabschirmungsfilm abgedeckt sind. Die Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 12a, 12b, und 12c sind in denselben Intervallen wie die Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a angeordnet. Die Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 12a, 12b und 12c werden gleichzeitig angeschaltet. Jedoch werden Ausgangssignale, die Lichtempfangsergebnisse der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 12a, 12b und 12c angeben, in drei Ausgangssysteme unterteilt, abhängig von Anordnungsplätzen der Vielzahl von zweiten Lichtempfangselementen 12a, 12b und 12c.
In 6 werden die mit den drei Ausgangssystemen verbundenen zweiten Lichtempfangselemente 12a, 12b und 12c durch Anhängen von I, II und III klassifiziert. Das zweite Lichtempfangselement 12a von I gelangt in Kontakt mit zwei anderen zweiten Lichtempfangselementen 12b und 12c. Das zweite Lichtempfangselement 12b von II gelangt in Kontakt mit drei anderen zweiten Lichtempfangselementen 12a, 12b und 12c.
Das zweite Lichtempfangselement 12c von III gelangt in Kontakt mit vier anderen zweiten Lichtempfangselementen 12b und 12c. Da eine Übersprechrate mit wachsender Zahl anderer zweiter Lichtempfangselemente, die in Kontakt miteinander gelangen, steigt, weist das zweite Lichtempfangselement 12c von III die höchste Wahrscheinlichkeit der Zündung aufgrund von Übersprechen auf, weist das zweite Lichtempfangselement 12a von I die niedrigste Wahrscheinlichkeit von Zündung aufgrund von Übersprechen auf, und weist das zweite Lichtempfangselement 12b von II eine mittlere Wahrscheinlichkeit der Zündung aufgrund des Übersprechens auf.
Falls die Übersprechraten von I, II und III a1, a2 bzw. a3 sind und die Hauptursache des Übersprechens die Anwesenheit angrenzender SPADs ist, wird die nachfolgende Formel (9) etabliert. $a 1 / 2 = a 2 / 3 = a 3 / 4$
Wenn die Anzahlen von SPADs von I, II und III, die oben beschrieben sind, M1, M2 bzw. M3 sind, werden Ausgaben S1, S2 und S3 der entsprechenden SPADs durch die nachfolgenden Formeln (10) bis (12) repräsentiert. $S 1 = M 1 * N * (1 + a 1)$
$S2 = M2 * N * (1 + a2)$
$S3 = M3 * N * (1 + a3)$
Es gibt vier Variablen a1, a2, a3 und N in den Formeln (9) bis (12) und es gibt auch vier Formeln. Durch Lösen dieser Formeln können diese Variablen a1, a2, a3 und N ermittelt werden.
Die Übersprechrate des ersten Lichtempfangsfelds 2 hängt von der Anordnung der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 ab. Jedoch wird allgemein angenommen, dass ein Verhältnis eines ersten Lichtempfangselements 2a Kontakt mit den vier ersten Lichtempfangselementen 2a gelangend hoch ist, wie III von 6, und die Übersprechrate a3 angewendet wird. Daher, indem die Formeln (9) bis (12) gelöst werden, kann das Rauschen und die Übersprechrate des ersten Lichtempfangsfelds 2 abgeschätzt werden und durch Verwenden desselben Verfahrens wie in der ersten Ausführungsform kann eine reverse Vorspannung und eine Totzeit des ersten Lichtempfangsfelds 2 eingestellt werden, um ein Signal-Rausch-Verhältnis des ersten Lichtempfangsfelds 2 zu optimieren.
Wie oben beschrieben, werden in der dritten Ausführungsform die Ausgangssignale des zweiten Lichtempfangsfelds 12 in die Vielzahl von Ausgabesystemen unterteilt, entsprechend dem, mit wie vielen Lichtempfangselementen jedes Lichtempfangselement im zweiten Lichtempfangsfeld 12 zur Kalibrierung in Kontakt gelangt. Als Ergebnis kann das Rauschen und die Übersprechrate des ersten Lichtempfangsfelds 2 durch die Formeln (9) bis (12) abgeschätzt werden und kann das Signal-Rausch-Verhältnis des ersten Lichtempfangsfelds 2 unter Verwendung des Schätzergebnisses optimiert werden.
(Vierte Ausführungsform)
In einer vierten Ausführungsform wird eine reverse Vorspannung oder dergleichen jedes der ersten Lichtempfangselemente 2a unter Berücksichtigung von Anordnungsorten der ersten Lichtempfangselemente 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 eingestellt.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. Die Licht-Detektionseinrichtung 1 von 7 beinhaltet ein erstes Lichtempfangsfeld 2 mit einer Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a, die in einer zweidimensionalen Richtung angeordnet sind, einer Vielzahl von Kalibrierungseinheiten (Kalibrierungsschaltungen) 8 und einer Kalibrierungsjustiereinheit (Kalibrierungsjustierer) 9.
Die Vielzahl von Kalibrierungseinheiten 8 sind an drei oder mehr Orten um das erste Lichtempfangsfeld 2 herum angeordnet. Jede Kalibrierungseinheit 8 kann unter Verwendung der Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß den ersten bis dritten Ausführungsformen konfiguriert sein.
Die Kalibrierungsjustiereinheit 9 kalibriert die Betriebspunkte der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a auf Basis von Information eines optimalen Betriebspunkts des ersten Lichtempfangsfelds 2, welcher durch die entsprechenden Steuereinheiten 6 der Vielzahl von Kalibrierungseinheiten 8 ermittelt wird, Positionen der Vielzahl von Kalibrierungseinheiten 8 und Positionen der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a.
Zuerst wird das Betriebsprinzip der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Falls eine Größe des ersten Lichtempfangsfelds 2 ansteigt, sind Charakteristika der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a nicht notwendigerweise konstant, aufgrund von Variationen bei der Herstellung und dergleichen, und die Charakteristika ändern sich abhängig von Anordnungsorten der ersten Lichtempfangselemente 2a. Es gibt zwei Typen von Charakteristik-Änderungen, einschließlich einer Zufalls-Fehlpassung und einer Gradienten-Fehlpassung. Bei der Zufalls-Fehlpassung, da sich die Charakteristika willkürlich ändern, sind genaue Charakteristik-Werte nicht bekannt, bis nicht die Charakteristika der einzelnen ersten Lichtempfangselemente 2a gemessen werden. Jedoch ist allgemein ein Wert der zufälligen Fehlpassung kleiner als ein Wert der Gradienten-Fehlpassung. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Ausführungsform die Zufalls-Fehlpassung ignoriert.
Andererseits ändern sich in der Gradienten-Fehlpassung die Charakteristik-Werte abhängig von den Anordnungsorten der ersten Lichtempfangselemente 2a. 8 ist ein Diagramm, welches die Gradienten-Fehlpassung illustriert. 8 zeigt ein Beispiel, in welchem eine Durchbruchspannung sich abhängig von den Anordnungsorten der ersten Lichtempfangselemente 2a ändert. 7 und 8 zeigen ein Beispiel, in welchem die Kalibrierungseinheiten 8 an den vier Ecken des ersten Lichtempfangsfelds 2 angeordnet sind. Jedoch kann die Anzahl von Kalibrierungseinheiten 8 drei oder mehr betragen und müssen die Kalibrierungseinheiten 8 nicht an den vier Ecken des ersten Lichtempfangsfelds 2 angeordnet sein.
Im Beispiel von 8 ist ein Beispiel, in welchem sich die Durchbruchspannung linear ändert, durch eine unterbrochene Linie gezeigt. Die unterbrochene Linie wird auch eine Gradienten-Fehlpassungsebene 10 genannt. Durch das in den ersten bis dritten Ausführungsformen beschriebene Verfahren verwendet die Vielzahl von Kalibrierungseinheiten 8 das zweite Lichtempfangsfeld 3 (und das dritte Lichtempfangsfeld 4), um Einstellinformationen des optimalen Betriebspunkts des ersten Lichtempfangsfelds 2 zu berechnen und teilt der Kalibrierungsjustiereinheit 9 ein Rechenergebnis mit.
Auf Basis der Einstellinformation des optimalen Betriebspunkts des durch die Vielzahl von Kalibrierungseinheiten 8 berechneten ersten Lichtempfangsfelds 2, den Positionen der Vielzahl von Kalibrierungseinheiten 8 und den Positionen der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a, berechnet die Kalibrierungsjustiereinheit 9 die in 8 gezeigte Gradienten-Fehlpassungsebene 10 und berechnet optimale Einstellinformation anhand der Position jedes ersten Lichtempfangselements 2a.
Die Kalibrierungsjustiereinheit 9 muss keine Berechnung unter Verwendung der Gradienten-Fehlpassungsebene 10 für jedes erste Lichtempfangselement 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 durchführen und die Berechnungen können kollektiv für die Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a, die in engen Orten angeordnet sind, durchgeführt werden. Wie oben beschrieben, indem die Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 in mehrere Gruppen klassifiziert wird und die optimale Einstellinformation unter Verwendung der Gradienten-Fehlpassungsebene für jede Gruppe berechnet wird, kann die Anzahl von Steuersignalleitungen, die aus dem ersten Lichtempfangsfelds 2 ausgegeben werden, reduziert werden, und kann der Rechenbetrag der Kalibrierungsjustiereinheit 9 reduziert werden.
Wie oben beschrieben, wird in der vierten Ausführungsform im Hinblick auf die Tatsache, dass die elektrischen Charakteristika der ersten Lichtempfangselemente 2a sich abhängig von den Anordnungsorten der ersten Lichtempfangselemente 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 ändern, die optimale Einstellinformation des ersten Lichtempfangsfelds 2, welche durch die Kalibrierungseinheiten 8 berechnet wird, die um das erste Lichtempfangsfelds 2 herum angeordnet sind, anhand von Anordnungsorten der ersten Lichtempfangselemente 2a kalibriert. Daher, selbst falls die Größe des ersten Lichtempfangsfelds 2 groß ist, kann eine reverse Vorspannung oder dergleichen für jedes der ersten Lichtempfangselemente 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 unter Berücksichtigung der Anordnungsorte eingestellt werden.
(Fünfte Ausführungsform)
In der vierten Ausführungsform ist ein Beispiel des Kalibrierens einer Gradienten-Fehlpassung, wenn eine Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 in einer zweidimensionalen Richtung angeordnet sind, gezeigt worden. Jedoch ist in einer fünften Ausführungsform ein Beispiel des Kalibrierens der Gradienten-Fehlpassung, wenn die Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 in einer eindimensionalen Richtung angeordnet sind, das heißt in einer Linie, gezeigt.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß der fünften Ausführungsform zeigt. Das erste Lichtempfangsfeld 2 in der Licht-Detektionseinrichtung 1 von 9 weist eine Vielzahl von ersten in einer Linie angeordneten Lichtempfangselementen 2a auf. Die Licht-Detektionseinrichtung 1 von 9 weist zwei Kalibrierungseinheiten 8 auf, die an beiden Enden der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a angeordnet sind, die in einer Linie angeordnet sind, und eine Kalibrierungsjustiereinheit 9. Jede Kalibrierungseinheit 8 kann unter Verwendung der Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß den ersten bis dritten Ausführungsformen konfiguriert sein.
Die Kalibrierungsjustiereinheit 9 kalibriert Operationspunkte der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a auf Basis der Information eines optimalen Betriebspunkts des ersten Lichtempfangsfelds 2, der durch die jeweiligen Steuereinheiten 6 der zwei Kalibrierungseinheiten 8 ermittelt wird, Positionen der Kalibrierungseinheiten 8, und Positionen der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a.
Charakteristik-Werte der Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a, die in einer Linie angeordnet sind, ändern sich abhängig von den linearen Positionen. Die Charakteristik-Änderung ist die Gradienten-Fehlpassung und die Gradienten-Fehlpassung kann anhand der linearen Position jedes der ersten Lichtempfangselemente 2a kalibriert werden. Daher berechnet die Kalibrierungsjustiereinheit 9 optimale Einstellinformation anhand der Position jedes ersten Lichtempfangselements 2a auf Basis der Linearposition jedes ersten Lichtempfangselements 2a, der Einstellinformation des optimalen Betriebspunkts des ersten Lichtempfangsfelds 2, berechnet durch die zwei Kalibrierungseinheiten 8, und der Positionen der zwei Kalibrierungseinheiten 8.
Die Kalibrierungsjustiereinheit 9 muss nicht die optimale Einstellinformation unter Berücksichtigung der Gradienten-Fehlpassung für alle der ersten Lichtempfangselemente 2a im ersten Lichtempfangsfeld 2 berechnen und nach Berechnen der optimalen Einstellinformation unter Berücksichtigung der Gradienten-Fehlpassung für das repräsentative erste Lichtempfangselement 2a kann die Kalibrierungsjustiereinheit 9 die optimale Einstellinformation der anderen ersten Lichtempfangselemente 2a durch Interpolations-Verarbeitung berechnen.
Wie oben beschrieben, in der fünften Ausführungsform, wenn die Vielzahl von ersten Lichtempfangselementen 2a in dem ersten Lichtempfangsfeld 2 in einer Linie angeordnet sind, sind die zwei Kalibrierungseinheiten 8 auf beiden Enden derselben angeordnet, so dass es möglich ist, die optimale Einstellinformation jedes ersten Lichtempfangselements 2a unter Berücksichtigung der Gradienten-Fehlpassung leichter als die vierte Ausführungsform zu berechnen.
Die Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß den ersten bis fünften Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, können in eine Elektronikvorrichtung inkorporiert werden, die eine Distanzmessung unter vorzugsweise eines Flugzeit-(ToF, Time of Flight)-Verfahrens durchführt. 10 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Elektronikvorrichtung 21 zeigt, die eine Lichtempfangseinheit (Lichtdetektor) 24, in welchem die Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform gebaut ist, beinhaltet. Die Elektronikvorrichtung 21 von 10 beinhaltet eine Licht-Projektionseinheit 22, eine Lichtsteuereinheit 23, eine Lichtempfangseinheit 24, eine Signal-Verarbeitungseinheit 25 und eine Bildverarbeitungseinheit 26. Von diesen Einheiten bilden die Licht-Projektionseinheit 22, die Lichtsteuereinheit 23, die Lichtempfangseinheit 24 und die Signal-Verarbeitungseinheit 25 eine Distanzmessvorrichtung 27. Die Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß der ersten bis fünften Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, wird an zumindest einem Teil der Lichtempfangseinheit 24 montiert.
Zumindest ein Teil der Elektronikvorrichtung 21 von 10 kann durch ein oder mehrere integrierte Halbleiterschaltungen ICs) konfiguriert sein. Beispielsweise können die Signal-Verarbeitungseinheit 25 und die Bildverarbeitungseinheit 26 in einem Halbleiter-Chip integriert sein oder kann die Lichtempfangseinheit 24 weiter in den Halbleiter-Chip integriert sein. Die Licht-Projektionseinheit 22 kann weiter in den Halbleiter-Chip integriert sein.
Die Licht-Projektionseinheit 22 projiziert erstes Licht. Das erste Licht ist beispielsweise ein Laserstrahl in einem vorbestimmten Frequenzband. Der Laserstrahl ist kohärentes Licht mit derselben Phase und Frequenz. Die Licht-Projektionseinheit 22 projiziert das gepulste Licht intermittent in einem vorbestimmten Zyklus. Der Zyklus, mit welchem die Licht-Projektionseinheit 22 das erste Licht projiziert, ist ein Zeitintervall, das gleich oder länger als eine Zeit ist, die erforderlich ist, eine Distanz durch die Distanzmessvorrichtung 27 auf Basis eines Pulses des ersten Lichts zu messen.
Die Licht-Projektionseinheit 22 weist einen Oszillator 31, eine Lichtprojektions-Steuereinheit 32, eine Lichtquelle 33, eine erste Antriebseinheit 34 und eine zweite Antriebseinheit 35 auf. Der Oszillator 31 erzeugt ein Oszillationssignal anhand des Zyklus, mit welchem das erste Licht projiziert wird. Die erste Antriebseinheit 34 liefert intermittent Strom an die Lichtquelle 33 synchron zum Oszillationssignal. Lichtquelle 33 intermittent das erste Licht auf Basis des Stroms aus der ersten Antriebseinheit 34. Die Lichtquelle 33 kann ein Laserelement sein, das einen einzelnen Laserstrahl emittiert oder kann eine Lasereinheit sein, die eine Vielzahl von Laserstrahlen simultan emittiert. Die Lichtprojektions-Steuereinheit 32 steuert die zweite Antriebseinheit 35 synchron zum Oszillationssignal. Die zweite Antriebseinheit 35 liefert ein mit dem Oszillationssignal synchronisiertes Antriebssignal an die Lichtsteuereinheit 23 gemäß einer Anweisung aus der Lichtprojektions-Steuereinheit 32.
Die Lichtsteuereinheit 23 steuert eine Ausbreitungsrichtung des aus der Lichtquelle 33 emittierten ersten Lichts. Weiter steuert die Lichtsteuereinheit 23 eine Ausbreitungsrichtung des empfangenen zweiten Lichts.
Die Lichtsteuereinheit 23 weist eine erste Linse 41, einen Strahlteiler 42, eine zweite Linse 43 und einen Abtastspiegel 44 auf.
Die erste Linse 41 sammelt das aus der Licht-Projektionseinheit 22 emittierte erste Licht und führt das erste Licht zum Strahlteiler 42. Der Strahlteiler 42 verzweigt das erste Licht aus der ersten Linse 41 in zwei Richtungen und führt das verzweigte Licht zur zweiten Linse 43 und dem Abtastspiegel 44. Die zweite Linse 43 führt das abgezweigte Licht aus dem Strahlteiler 42 an die Lichtempfangseinheit 24. Der Grund, warum das erste Licht zur Lichtempfangseinheit 24 geführt wird, ist, das Lichtprojektions-Timing in der Lichtempfangseinheit 24 zu detektieren.
Der Abtastspiegel 44 treibt rotational eine Spiegelebene synchron mit dem Antriebssignal aus der zweiten Antriebseinheit 35 in der Licht-Projektionseinheit 22. Dadurch wird eine Reflektionsrichtung des abgezweigten Lichts (erstes Licht), das auf die Spiegelebene des Abtastspiegels 44 nach Passieren des Strahlteilers 42 einfällt, gesteuert. Durch Steuern des Antriebs der Spiegelebene des Abtastspiegels 44 in einem konstanten Zyklus kann das aus der Lichtsteuereinheit 23 emittierte erste Licht in zumindest einer eindimensionalen Richtung abgetastet werden. Durch Bereitstellen von Wellen zum rotationalen Antreiben der Spiegelebene in zwei Richtungen kann das aus der Lichtsteuereinheit 23 emittierte erste Licht in einer zweidimensionalen Richtung abgetastet werden. 10 zeigt ein Beispiel, in welchem der Abtastspiegel 44 das aus der Elektronikvorrichtung 21 projizierte erste Licht in einer X-Richtung und eine Y-Richtung abtastet.
Wenn ein Objekt 20 innerhalb eines Abtastbereichs des aus der Elektronikvorrichtung 21 projizierten ersten Lichts existiert, wird das erste Licht durch das Objekt 20 reflektiert. Zumindest ein Teil des durch das Objekt 20 reflektierten Reflektionslichts läuft in einer reversen Richtung längs des im wesentlichen gleiche Fahrziel des ersten Lichts und fällt auf den Abtastspiegel 44 in der Lichtsteuereinheit 23 ein. Die Spiegelebene des Abtastspiegels 44 wird rotational bei einem vorbestimmten Zyklus angetrieben. Jedoch, da der Laserstrahl sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, fällt das vom Objekt 20 reflektierte Licht auf die Spiegelebene ein, während ein Winkel der Spiegelebene des Abtastspiegels 44 sich kaum ändert. Das vom Objekt 20 reflektierte, auf die Spiegelebene einfallende Licht wird durch die Lichtempfangseinheit 24 empfangen.
Die Lichtempfangseinheit 24 weist einen Lichtdetektor 51, einen Verstärker 52, eine dritte Linse 53, einen Lichtempfangssensor 54 und einen A/D-Wandler 55 auf. Der Lichtdetektor 51 empfängt das durch den Strahlteiler 42 abgezweigte Licht und wandelt das Licht in ein elektrisches Signal um. Der Lichtdetektor 51 kann das Licht-Projektions-Timing des ersten Lichts detektieren. Der Verstärker 52 verstärkt das aus dem Lichtdetektor 51 ausgegebene elektrische Signal.
Diese dritte Linse 53 veranlasst den durch das Objekt 20 reflektierten Laserstrahl, ein Bild auf den Lichtempfangssensor 54 zu bilden. Der Lichtempfangssensor 54 empfängt den Laserstrahl und wandelt den Laserstrahl in ein elektrisches Signal um. Als Lichtempfangssensor 54 kann die Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß den ersten bis fünften oben beschriebenen Ausführungsformen angewendet werden. Der Lichtempfangssensor 54 wird auch ein Silizium-Photomultiplizierer (SiPM) genannt.
Der A/D-Wandler 55 sampelt das aus dem Lichtempfangssensor 54 ausgegebene elektrische Signal bei einer vorgegebenen Sampling-Rate, führt A/D-Wandlung durch und erzeugt ein Digitalsignal.
Die Signalverarbeitungseinheit 25 misst die Distanz zum Objekt 20, welches das erste Licht reflektiert hat, und speichert ein dem zweiten Licht entsprechendes Digitalsignal in der Speichereinheit 61. Die Signalverarbeitungseinheit 25 weist eine Speichereinheit 61, eine Distanzmesseinheit 52 und eine Steuereinheit 63 auf.
Die Distanzmesseinheit 62 misst die Distanz zum Objekt 20 auf Basis des ersten Lichts und des reflektierten Lichts. Spezifischer misst die Distanzmesseinheit 62 die Distanz zum Objekt auf Basis einer Zeitdifferenz zwischen der Lichtprojektionszeit des ersten Lichts und dem Lichtempfangszeitpunkt des reflektierten Lichts, das in dem durch den Lichtempfangssensor 54 empfangenen zweiten Licht enthalten ist. Das heißt, dass die Distanzmesseinheit 62 die Distanz auf Basis der nachfolgenden Formel (13) misst. $\begin{array}{l} Distanz = Lichtgeschwindigkeit \times (Lichtempfangszeitpunkt \\ von reflektiertem Licht - Lichtprojektionszeitpunkt \\ ersten Lichts)/ 2 \end{array}$
Der Lichtempfangszeitpunkt des reflektierten Lichts in Formel (13) ist genauer der Lichtempfangszeitpunkt einer Spitzenposition des reflektierten Lichts. Die Distanzmesseinheit 62 detektiert die Spitzenposition des in dem zweiten Licht enthaltenen reflektierten Lichts auf Basis des durch den A/D-Wandler 55 erzeugten Digitalsignals.
Zumindest ein Teil der Elektronikvorrichtung 21 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann durch Silizium im Gehäuse (SiP, Silicon in Package) montiert werden. 11 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Beispiel zeigt, in welchem die Lichtempfangseinheit 24 und die Signalverarbeitungseinheit 25 auf einem Substrat eines Gehäuses bzw. einer Packung montiert sind. Ein erster Die 72 und ein zweiter Die 73 sind auf einem Substrat 71 von 11 vorgesehen. Der Lichtempfangssensor 54 in der Lichtempfangseinheit 24 von 1 ist auf dem ersten Die 72 angeordnet. Der Lichtempfangssensor 54 ist ein SiPM 74 mit der Licht-Detektionseinrichtung 1 gemäß den ersten bis vierten Ausführungsformen, die oben beschrieben sind. Eine Vielzahl von SiPMs 74 sind in der X-Richtung und der Y-Richtung angeordnet. Der A/D-Wandler (ADC) 55 und die Signalverarbeitungseinheit 25 in der Lichtempfangseinheit 24 von 1 sind auf diesem zweiten Die 73 angeordnet. Ein Pad 76 auf dem ersten Die 72 und ein Pad 77 auf dem zweiten Die 73 sind durch einen Bondierdraht 78 verbunden.
Im Layout-Diagramm von 11 sind die Mehrzahl von SiPMs 74 auf dem ersten Die 72 angeordnet. Jedoch kann eine aktive Quench-Schaltung oder eine passive Quench-Schaltung zum Verkürzen der Totzeit der APD in Assoziierung mit jedem SiPM 74 angeordnet sein.
Während gewisse Ausführungsformen beschrieben worden sind, sind diese Ausführungsformen nur beispielhaft präsentiert worden und sie sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken. Tatsächlich können die neuen Verfahren und Systeme, die hierin beschrieben sind, in einer Vielzahl von anderen Formen ausgeführt werden; darüber hinaus können verschiedene Weglassungen, Austäusche und Änderungen in Form der Verfahren und Systeme, die hierin beschrieben sind, vorgenommen werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Formen oder Modifikationen abdecken, wenn sie innerhalb des Schutzumfangs und Geists der Erfindung fallen.

Claims

Licht-Detektionseinrichtung, umfassend: ein Feld von ersten Lichtdetektoren, die in einem ersten Intervall angeordnet sind, und konfiguriert sind, Empfangslicht in erste Signale umzuwandeln; zweite Lichtdetektoren, die eine erste Übersprechrate umfassen und konfiguriert sind, Empfangslicht in zweite Signale umzuwandeln, wobei Oberflächen der zweiten Lichtdetektoren vor Licht abgeschirmt sind; dritte Lichtdetektoren, die eine zweite Übersprechrate umfassen, die sich von der ersten Übersprechrate unterscheidet, und konfiguriert sind, Empfangslicht in dritte Signale umzuwandeln, wobei Oberflächen der dritten Lichtdetektoren vor Licht abgeschirmt sind; und eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, einen Betriebspunkt des Felds, basierend auf den zweiten Signalen und den dritten Signalen, zu steuern.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die zweiten Lichtdetektoren in einem zweiten Intervall, das sich vom ersten Intervall unterscheidet, angeordnet sind und die dritten Lichtdetektoren im ersten Intervall angeordnet sind.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl von ersten Lichtdetektoren, die Vielzahl von zweiten Lichtdetektoren und die Vielzahl von dritten Lichtdetektoren die ersten, zweiten und dritten Signale ausgeben, die photoelektrisch zum Zeitpunkt des Empfangens von Licht in einem Zustand, bei dem eine reverse Vorspannung angelegt ist, umgewandelt werden, und die Steuerschaltung die reverse Vorspannung an die Vielzahl von zweiten Lichtdetektoren und die Vielzahl von dritten Lichtdetektoren anlegt und die Größen von Rauschen und Übersprechen des Felds abschätzt und den Betriebspunkt des Felds steuert, auf Basis der zweiten Signale der Vielzahl von zweiten Lichtdetektoren und der dritten Signale der Vielzahl von dritten Lichtdetektoren.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung die reverse Vorspannung, die an das Feld anzulegen ist, auf Basis der zweiten Signale der Vielzahl von zweiten Lichtdetektoren und der dritten Signale der Vielzahl von Lichtdetektoren steuert.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend eine Rücksetzschaltung, die vorgesehen ist, zumindest einer der Vielzahl von ersten Lichtdetektoren zu entsprechen, und eine Spannung an einem Ende des entsprechenden ersten Lichtempfangselements auf einen Anfangswert einstellt, nachdem das entsprechende erste Lichtempfangselement Licht empfängt, wobei die Steuerschaltung einen Betriebspunkt steuert, um die Rücksetzschaltung zu veranlassen, die Spannung des entsprechenden ersten Lichtempfangselements auf die Anfangsspannung auf Basis der zweiten Signale der Vielzahl von zweiten Lichtdetektoren und der dritten Signale der Vielzahl von durch dritten Lichtdetektoren einzustellen.
Licht-Detektionseinrichtung, umfassend: ein Feld, das eine Vielzahl von ersten Lichtdetektoren, die in einem ersten Intervall angeordnet sind, umfasst und konfiguriert sind, Empfangslicht in erste Signale umzuwandeln; zweite Lichtdetektoren, die im ersten Intervall angeordnet sind und konfiguriert sind, Empfangslicht in zweite Signale umzuwandeln, wobei Oberflächen der zweiten Lichtdetektoren vor Licht abgeschirmt sind; und eine Steuerschaltung, welche einen Betriebspunkt des Felds steuert, auf Basis der zweiten Signale der zweiten Lichtdetektoren zum Zeitpunkt des Nichtantreibens zumindest eines der anderen angrenzenden zweiten Lichtdetektoren von den zweiten Lichtdetektoren, und der zweiten Signale zum Zeitpunkt des Antreibens aller angrenzender zweiter Lichtdetektoren von den zweiten Lichtdetektoren.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die ersten Lichtdetektoren und die zweiten Lichtdetektoren die ersten und zweiten Signale, welche photoelektrisch umgewandelt sind, zum Zeitpunkt des Empfangens von Licht in einem Zustand, bei dem eine vorbestimmte reverse Vorspannung angelegt wird, ausgeben, und die Steuerschaltung die reverse Vorspannung an die zweiten Lichtdetektoren anlegt und die Größen von Rauschen und Übersprechen des Felds abschätzt und den Betriebspunkt des Felds steuert, auf Basis der zweiten Signale der zweiten Lichtdetektoren.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Steuerschaltung die reverse Vorspannung des Felds steuert, auf Basis der zweiten Signale der zweiten Lichtdetektoren zum Zeitpunkt des Nichtantreibens zumindest eines der anderen angrenzenden zweiten Lichtdetektoren von den zweiten Lichtdetektoren und der zweiten Signale zum Zeitpunkt des Antreibens aller angrenzenden zweiten Lichtdetektoren von den zweiten Lichtdetektoren.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 6, weiter umfassend: eine Rücksetzschaltung, die vorgesehen ist, zumindest einem der ersten Lichtdetektoren zu entsprechen, und eine Spannung an einem Ende des entsprechenden ersten Lichtempfangselements auf eine Anfangsspannung, nachdem das entsprechende erste Lichtempfangselement Licht empfängt, einstellt, wobei die Steuerschaltung einen Betriebspunkt steuert, um die Rücksetzschaltung zu veranlassen, die Spannung des entsprechenden ersten Lichtempfangselements auf die Anfangsspannung einzustellen, auf Basis der zweiten Signale aller zweiten Signaldetektoren und der zweiten Signale eines Teils der zweiten Lichtdetektoren, die erhalten werden durch Ausdünnen der zweiten Lichtdetektoren in vorbestimmten Intervallen.
Licht-Detektionseinrichtung, umfassend: ein Feld, das erste Lichtdetektoren umfasst, die in einem ersten Intervall angeordnet sind, und konfiguriert sind, Empfangslicht in erste Signale umzuwandeln; zweite Lichtdetektoren, die im ersten Intervall angeordnet sind, wobei Oberflächen der zweiten Lichtdetektoren vor Licht abgeschirmt sind; und eine Steuerschaltung, die einen Betriebspunkt des Felds steuert, auf Basis der Ausgangssignale einer ersten zweiten Lichtempfangselementgruppe, einer zweiten Lichtempfangselementgruppe und einer dritten zweiten Lichtempfangselementgruppe, die alle eine andere Anzahl von angrenzenden Lichtdetektoren aufweisen, von den zweiten Lichtdetektoren.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die ersten Lichtdetektoren und die zweiten Lichtdetektoren die ersten und zweiten Signale, die photoelektrisch umgewandelt sind, zum Zeitpunkt des Empfangens von Licht in einem Zustand, bei dem eine vorbestimmte reverse Vorspannung angelegt ist, ausgeben, und die Steuerschaltung die reverse Vorspannung an die zweiten Lichtdetektoren anlegt und die Größe von Rauschen und Übersprechen des Felds abschätzt und den Betriebspunkt des Feldes steuert, auf Basis der zweiten Signale der zweiten Lichtdetektoren.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Steuerschaltung die reverse Vorspannung, die an das Feld anzulegen ist, steuert, auf Basis der Ausgangssignale der ersten zweiten Lichtempfangselementgruppe, der zweiten Lichtempfangselementgruppe und der dritten zweiten Lichtempfangselementgruppe.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 10, weiter umfassend: eine Rücksetzschaltung, die vorgesehen ist, zumindest einem der ersten Lichtdetektoren zu entsprechen und die eine Spannung an einem Ende des entsprechenden ersten Lichtempfangselements auf einen Anfangswert einstellt, nachdem das entsprechende erste Lichtempfangselement Licht empfängt, wobei die Steuerschaltung einen Betriebspunkt steuert, um die Rücksetzschaltung zu veranlassen, die Spannung des entsprechenden ersten Lichtempfangselements auf eine Anfangsspannung einzustellen, auf Basis der Ausgangssignale der ersten zweiten Lichtempfangselementgruppe, der zweiten Lichtempfangselementgruppe und der dritten zweiten Lichtempfangselementgruppe.
Licht-Detektionseinrichtung, umfassend: ein Feld, das erste Lichtdetektoren umfasst und konfiguriert ist, das Empfangslicht in erste Signale umzuwandeln; zweite Lichtdetektoren, die konfiguriert sind, Empfangslicht in zweite Signale umzuwandeln, wobei Oberflächen der zweiten Lichtdetektoren vor Licht abgeschirmt sind; und eine Steuerschaltung, die einen Betriebspunkt des Felds steuert, auf Basis der Größe von Übersprechen zwischen den zweiten Lichtdetektoren, berechnet aus den zweiten Signalen der zweiten Lichtdetektoren.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die Steuerschaltung den Betriebspunkt des Felds auf Basis von Rauschpegeln der zweiten Lichtdetektoren, berechnet aus den zweiten Signalen der zweiten Lichtdetektoren, steuert.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: Kalibrierungs-Schaltungen, die an drei oder mehr Orten um das Feld herum angeordnet sind, wobei jede Kalibrierungs-Schaltung die zweiten Lichtdetektoren und die Steuerschaltung aufweist; und einen Kalibrierungs-Justierer, der Betriebspunkte der ersten Lichtdetektoren kalibriert, auf Basis von Information eines optimalen Betriebspunkts des Felds, der ermittelt wird durch die Steuerschaltung jeder der Kalibrierungs-Schaltungen, Positionen der Kalibrierungs-Schaltungen, und Positionen der ersten Lichtdetektoren.
Licht-Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die ersten Lichtdetektoren in dem Feld in einer Richtung angeordnet sind und die Licht-Detektionseinrichtung weiter umfasst: Kalibrierungs-Schaltungen, die an beiden Enden der Vielzahl von ersten Lichtdetektoren angeordnet sind, die in einer Richtung angeordnet sind, wobei jede Kalibrierungs-Schaltung die zweiten Lichtdetektoren und die Steuerschaltung aufweist; und einen Kalibrierungs-Justierer, der Betriebspunkte der ersten Lichtdetektoren durch proportionale Verteilung von Positionen der zwei Kalibrierungs-Schaltungen kalibriert, die an beiden Enden der ersten Lichtdetektoren angeordnet sind, und Positionen der ersten Lichtdetektoren.
Elektronikeinrichtung, umfassend: eine Licht-Detektionseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt zu messen, auf Basis einer Zeit ab dem Zeitpunkt, zu welchem Licht auf das Objekt projiziert wird, bis zum Zeitpunkt, zu welchem das durch das Objekt reflektierte Licht durch die Licht-Detektionseinrichtung empfangen wird.
Elektronikeinrichtung gemäß Anspruch 18, weiter umfassend: einen Lichtprojektor, der Licht intermittent projiziert.
Elektronikeinrichtung gemäß Anspruch 19, weiter umfassend: einen Scanner, der eine Ausbreitungsrichtung des aus der Lichtprojektionseinheit projizierten Lichts innerhalb eines vorbestimmten Bereichs abtastet.