DE112020006064T5

DE112020006064T5 - Lichtempfangsvorrichtung und lichtempfangsschaltung

Info

Publication number: DE112020006064T5
Application number: DE112020006064.0T
Authority: DE
Inventors: Noboru Sakimura; Fumihiko Hanzawa; Yasunori Tsukuda
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-12-01
Also published as: WO2021117359A1; CN115023625A; JP2021092437A; US20220413108A1

Abstract

[Gegenstand]Bereitgestellt werden eine Lichtempfangsvorrichtung und eine Lichtempfangsschaltung, die imstande sind, eine hochgenaue Entfernungsmessung mit einem vergrößerten Sichtfeld (FOV) durchzuführen.[Mittel zum Lösen]Eine Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Lichtdetektor-Array, das eine Vielzahl von Pixeln enthält, die jeweils dafür konfiguriert sind, als Antwort auf eine Reaktion eines Lichtdetektors mit einem Photon einen Impuls auszugeben, eine Zählerschaltung, die dafür konfiguriert ist, den von zumindest einem der Pixel des Lichtdetektor-Arrays ausgegebenen Impuls zu zählen, und eine Steuerungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, aus dem Lichtdetektor-Array eines der Pixel, das freigegeben werden soll, und eines der Pixel, das gesperrt werden soll, auf der Basis der Anzahl an Zählungen des Impulses von der Zählerschaltung auszuwählen.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Lichtempfangsvorrichtung und eine Lichtempfangsschaltung.
[Hintergrundtechnik]
In einer Vielzahl von Bereichen der Fahrzeuginstallation, Mobiltelefone, FA etc. wird zunehmend eine Technologie zum Messen eines Abstands zu einem Objekt auf der Basis der Laufzeit (ToF) angewendet, die das von einer Lichtquelle abgegebene Licht benötigt, das zu einem Lichtdetektor zurückkehrt, nachdem es auf dem Objekt reflektiert ist. Diese Anwendungen erfordern eine Entfernungsmessung eines Gegenstands in größerer Entfernung mit einem vergrößerten Sichtfeld (FOV), in dem eine Entfernungsmessung möglich ist. Beispielsweise werden in einem Array angeordnete Einzelphoton-Lawinendioden (ein SPAD-Array) verwendet, um reflektiertes Licht zu detektieren.
[Zitatliste]
[Patentliteratur]
[PTL 1] Offengelegtes japanisches Patent Nr. 2019-32305
[Zusammenfassung]
[Technische Probleme]
Um ein vergrößertes Sichtfeld zu erhalten, enthält eine Lichtquelle (Tx) eine Weitwinkel-Kollimatorlinse. Jedoch tritt eine einer Aberration (zum Beispiel einer Coma-Aberration) zugeschriebene Verschlechterung der außeraxialen Eigenschaften auf. Gewöhnlich ist es schwierig, eine außeraxiale Aberration einer Linse vollständig zu korrigieren. Im Gegensatz dazu enthält ein Lichtdetektor (Rx) eine Kondensorlinse mit einer kurzen Brennweite und einem kleinen F-Wert, um Sichtfeld und Lichtmenge zu gewährleisten. Die Kondensorlinse mit einer kurzen Brennweite hat eine verbesserte Perspektive. Dies bewirkt, dass ein Durchmesser eines Lichtflecks bzw. ein Punktdurchmesser von Licht mit zunehmendem Abstand von der Mitte des Sichtfeldes größer wird.
Deshalb verschlechtert sich bei Gewährleistung eines großen Sichtfeldes die Abbildungsleistung in der Nähe einer Peripherie des Sichtfeldes. Insbesondere in der Nähe einer Peripherie eines SPAD-Arrays werden aufgrund einer Abnahme der Menge an einfallendem Licht verglichen mit jener in einem zentralen Bereich des SPAD-Arrays eine Entfernungsmessgenauigkeit und ein maximaler Abstand für eine Entfernungsmessung reduziert.
Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung eine Lichtempfangsvorrichtung und eine Lichtempfangsschaltung bereit, die imstande sind, eine hochgenaue Entfernungsmessung mit einem vergrößerten Sichtfeld (FOV) durchzuführen.
[Lösung der Probleme]
Eine Lichtempfangsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Lichtdetektor-Array, das eine Vielzahl von Pixeln enthält, die jeweils dafür konfiguriert sind, als Antwort auf eine Reaktion eines Lichtdetektors mit einem Photon einen Impuls auszugeben, eine Zählerschaltung, die dafür konfiguriert ist, den von zumindest einem der Pixel des Lichtdetektor-Arrays ausgegebenen Impuls zu zählen, und eine Steuerungsschaltung enthalten, die dafür konfiguriert ist, aus dem Lichtdetektor-Array eines der Pixel, das freigegeben werden soll, und eines der Pixel, das gesperrt werden soll, auf der Basis der Anzahl an Zählungen des Impulses von der Zählerschaltung auszuwählen.
Die Steuerungsschaltung kann dafür konfiguriert sein, innerhalb des Lichtdetektor-Arrays eines der Pixel freizugeben, bei dem die Anzahl an Zählungen des Impulses eine Schwelle überschreitet, und eines der Pixel zu sperren, bei dem die Anzahl an Zählungen des Impulses gleich der oder geringer als die Schwelle ist.
Die Lichtempfangsvorrichtung kann ferner einen TDC enthalten, worin eine Vielzahl der Pixel über eine gemeinsame Zuleitung miteinander verbunden und über ein verdrahtetes ODER bzw. eine verdrahtete ODER-Verknüpfung mit dem TDC gekoppelt sein kann.
Eine Vielzahl der Pixel, die innerhalb des Lichtdetektor-Arrays einander nicht benachbart sind, kann über die gemeinsame Zuleitung verbunden sein.
Der TDC kann mit einer Vielzahl der Pixel in einer geradzahligen Spalte oder der Pixel in einer ungeradzahligen Spalte gekoppelt sein.
Eine Vielzahl der Zuleitungen kann über ein ODER-Gatter mit dem TDC gekoppelt sein.
Die Lichtempfangsvorrichtung kann ferner eine monostabile Kippschaltung bzw. Oneshot-Schaltung enthalten, die zumindest entweder zwischen die Pixel oder zwischen einen Eingangsanschluss des ODER-Gatters und die Pixel gekoppelt ist.
Die Oneshot-Schaltung kann ein UND-Gatter und eine mit einem der Eingangsanschlüsse des UND-Gatters gekoppelte Inverter-Kette enthalten.
Der Lichtdetektor des Lichtdetektor-Arrays kann eine Lawinen-Fotodiode enthalten.
Die Lawinen-Fotodiode kann dafür konfiguriert sein, im Geiger-Modus zu arbeiten, und die Pixel im Lichtdetektor-Array können jeweils eine Quenching- bzw. Löschschaltung enthalten.
Eine Lichtempfangsschaltung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann einen Lichtdetektor, ein Lastelement, das zwischen den Lichtdetektor und ein erstes Referenzpotential gekoppelt ist, eine Latch-Schaltung, die dafür konfiguriert ist, eine erste Spannung entsprechend einem Zustand abzugeben, und einen ersten Inverter enthalten, der dafür konfiguriert ist, als Antwort auf eine an einen Steuerungsanschluss angelegte zweite Spannung eingeschaltet zu werden und eine Ausgangsspannung des Lichtdetektors zu invertieren und abzugeben, worin die zweite Spannung, die an den Steuerungsanschluss angelegt werden soll, entsprechend der ersten Spannung variabel sein kann.
Die Lichtempfangsschaltung kann ferner ein UND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Enable- bzw. Freigabeleitung gekoppelt ist, und einen Ausgangsanschluss enthalten, der mit dem Steuerungsanschluss des ersten Inverters gekoppelt ist.
Die Lichtempfangsschaltung kann ferner ein NAND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, und einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Freigabeleitung gekoppelt ist, und einen zweiten Inverter enthalten, der zwischen das NAND-Gatter und den Steuerungsanschluss gekoppelt ist.
Die Lichtempfangsschaltung kann überdies ein NAND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, und einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Freigabeleitung gekoppelt ist, einen ersten Transistor eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der erste Transistor zwischen das erste Referenzpotential und das Lastelement gekoppelt ist und als Antwort auf eine Ausgangsspannung des NAND-Gatters eingeschaltet wird, einen zweiten Transistor eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei der zweite Transistor zwischen eine Ausgangsseite des Lichtdetektors und ein zweites Referenzpotential gekoppelt ist und als Antwort auf die Ausgangsspannung des NAND-Gatters eingeschaltet wird, und einen zweiten Inverter enthalten, der zwischen einen Ausgangsanschluss des NAND-Gatters und den Steuerungsanschluss des ersten Inverters gekoppelt ist.
Der Lichtdetektor kann eine Lawinen-Fotodiode enthalten.
Eine Lichtempfangsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Lichtdetektor-Array, bei dem eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen angeordnet ist, und eine Steuerungsschaltung enthalten, die dafür konfiguriert ist, den Zustand der Latch-Schaltung von zumindest einer der Lichtempfangsschaltungen innerhalb des Lichtdetektor-Arrays zu ändern.
Die Lichtempfangsvorrichtung kann ferner eine Zählerschaltung enthalten, die dafür konfiguriert ist, die Anzahl an Impulsen zu zählen, die von zumindest einer der Lichtempfangsschaltungen innerhalb des Lichtdetektor-Arrays ausgegeben werden, worin die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert sein kann, den Zustand der Latch-Schaltung auf der Basis der Anzahl an Impulsen zu ändern.
Die Steuerungsschaltung kann dafür konfiguriert sein, die Latch-Schaltung von einer der Lichtempfangsschaltungen, bei der die gezählte Anzahl an Impulsen eine Schwelle überschreitet, in einen ausgewählten Zustand zu versetzen und die Latch-Schaltung von einer der Lichtempfangsschaltungen, bei der die gezählte Anzahl an Impulsen gleich der oder geringer als die Schwelle ist, in einen nicht ausgewählten Zustand zu versetzen.
Die Lichtempfangsvorrichtung kann ferner einen TDC enthalten, worin eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen über eine gemeinsame Zuleitung verbunden und über ein verdrahtetes ODER mit dem TDC gekoppelt sein kann.
Eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen, die innerhalb des Lichtdetektor-Arrays einander nicht benachbart sind, kann über die gemeinsame Zuleitung verbunden sein.
Figurenliste

[1] 1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Entfernungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht.
[2] 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Lichtquellenvorrichtung und einer Lichtempfangsvorrichtung veranschaulicht.
[3] 3 ist eine Draufsicht, die ein Anordnungsbeispiel lichtemittierender Elemente der Lichtquellenvorrichtung veranschaulicht.
[4] 4 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel eines Musters von auf ein SPAD-Array einfallendem Licht veranschaulicht.
[5] 5 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel eines Punktdurchmessers von Licht und eines Makropixels veranschaulicht.
[6] 6 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel des Punktdurchmessers von Licht und des Makropixels veranschaulicht.
[7] 7 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Punktdurchmesser von Licht und einem maximalen Abstand für eine Entfernungsmessung veranschaulicht.
[8] 8 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel eines Falls veranschaulicht, in dem TDCs Pixeln des SPAD-Arrays Eins zu Eins zugeordnet sind.
[9] 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Falls veranschaulicht, in dem die TDCs den Pixeln des SPAD-Arrays Eins zu Eins zugeordnet sind.
[10] 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Kopplungsbeziehung zwischen den Pixeln und den TDCs in der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
[11] 11 ist eine Tabelle, die ein Beispiel erwarteter Werte einer Photonendetektionswahrscheinlichkeit veranschaulicht.
[12] 12 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel einer Beziehung zwischen einem erwarteten Wert einer Photonendetektionszählung und einem Abstand veranschaulicht.
[13] 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Spezifizieren eines Makropixels veranschaulicht.
[14] 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Verfahrens zum Spezifizieren eines Makropixels veranschaulicht.
[15] 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Verbindung zwischen den Pixeln des SPAD-Arrays und den TDCs veranschaulicht.
[16] 16 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
[17] 17 ist eine Tabelle, die ein Beispiel von Betriebsbedingungen für die Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
[18] 18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Verbindung in einer Lichtempfangsvorrichtung gemäß einem Modifikationsbeispiel 1 veranschaulicht.
[19] 19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Oneshot-Schaltung und einer Signalwellenform einer Oneshot-Schaltung gemäß dem Modifikationsbeispiel 1 veranschaulicht.
[20] 20 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel der Signalwellenform gemäß dem Modifikationsbeispiel 1 veranschaulicht.
[21] 21 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Lichtempfangsschaltung gemäß einem Modifikationsbeispiel 2 veranschaulicht.
[22] 22 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der Form des Makropixels veranschaulicht.
[23] 23 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der Form des Makropixels veranschaulicht.
[24] 24 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der Form des Makropixels veranschaulicht.
[25] 25 ist ein Diagramm, das Komponenten in Bezug auf einen Makropixel einstellenden Prozess veranschaulicht.
[26] 26 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Anzahl an Zählungen von Photonen während eines Scanvorgangs aller Pixel veranschaulicht.
[27] 27 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Makropixel einstellenden Prozesses veranschaulicht.
[28] 28 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer schematischen Konfiguration eines Fahrzeugsteuerungssystems darstellt.
[29] 29 ist ein Diagramm zur Unterstützung beim Erläutern eines Beispiels von Installationspositionen einer Informationen außerhalb des Fahrzeugs detektierenden Sektion und einer Bildgebungssektion.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es sollte besonders erwähnt werden, dass auf Komponenten mit im Wesentlichen derselben funktionellen Konfiguration mit dem gleichen Bezugszeichen verwiesen wird und deren redundante Beschreibung dementsprechend weggelassen wird.
1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Entfernungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulicht. Eine Entfernungsmessvorrichtung 1 in 1 umfasst eine Lichtquellenvorrichtung 2, eine Kollimatorlinse 3, eine Kondensorlinse 4, ein Bandpassfilter 5 und eine Lichtempfangsvorrichtung 10. Die Lichtempfangsvorrichtung 10 enthält ein SPAD-Array 11. Das SPAD-Array 11 ist ein Beispiel eines Lichtdetektor-Arrays. Außerdem enthält die Lichtquellenvorrichtung 2 beispielsweise ein lichtemittierendes Element wie etwa einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) und eine Treiberschaltung für das lichtemittierende Element.
Die Lichtquellenvorrichtung 2 gibt ein Licht EM in Richtung eines Gegenstands OBJ ab. Die Kollimatorlinse 3 macht das Licht EM zu einem parallelen Strahl. Das Licht EM wird vom Gegenstand OBJ teilweise reflektiert, so dass es reflektiertes Licht RL wird, das auf die Lichtempfangsvorrichtung 10 fällt. Die Kondensorlinse 4 bündelt das reflektierte Licht RL auf eine Oberfläche des SPAD-Arrays 11. Das Bandpassfilter 5 lässt Licht entsprechend einem von der Lichtquellenvorrichtung 2 abgegebenen Wellenlängenband selektiv hindurch. Es sollte besonders erwähnt werden, dass eine mit einer Funktion eines Bandpassfilters integrierte Kondensorlinse verwendet werden kann. Alternativ dazu kann das Bandpassfilter der Lichtempfangsvorrichtung weggelassen werden.
Die Entfernungsmessvorrichtung 1 misst beispielsweise eine Zeitdifferenz zwischen einer Zeit t0, zu der ein Trigger- bzw. Auslösesignal für eine Lichtemission in die Lichtquellenvorrichtung 2 eingespeist wird, und einer Zeit t1, zu der SPADs des SPAD-Arrays 11 reagieren. Die Entfernungsmessvorrichtung 1 kann dann einen Abstand zwischen der Entfernungsmessvorrichtung 1 und dem Gegenstand OBJ auf der Basis der Zeitdifferenz berechnen. Beispielsweise kann der Abstand zwischen der Entfernungsmessvorrichtung 1 und dem Gegenstand OBJ mittels eines Ausdrucks L = c/2 (t1 - t0) berechnet werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Auf dieses Verfahren wird gewöhnlich als Entfernungsmessung mittels Laufzeit (ToF) verwiesen.
Ein Blockdiagramm von 2 veranschaulicht ein Beispiel der Lichtquellenvorrichtung 2 und der Lichtempfangsvorrichtung 10. Die Lichtquellenvorrichtung 2 in 2 enthält eine Treiberschaltung 6 und eine Lichtquellensektion 7. Eine Draufsicht von 3 veranschaulicht ein Beispiel der Lichtquellensektion. Beispielsweise ist eine Array-Lichtquelle 7A, die eine Vielzahl von in einem Array angeordneten lichtemittierenden Elementen 8 enthält, als die Lichtquellensektion 7 verwendbar. Beispielsweise kann die Array-Lichtquelle 7A gebildet werden, indem die Vielzahl lichtemittierender Elemente 8 in einem Gitter wie etwa einem rechteckigen Gitter, einem Parallelotop-Gitter oder einem dreieckigen Gitter im Wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet wird. Die folgende Beschreibung wird für einen Fall vorgenommen, in dem als Beispiel die Array-Lichtquelle 7A in 2 als die Lichtquellensektion 7 verwendet wird. Die Anordnung der lichtemittierenden Elemente 8 der Array-Lichtquelle 7A und die Anzahl der lichtemittierenden Elemente 8 ist jedoch nicht spezifiziert.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass eine Lichtquelle 7B (3), die eine Vielzahl von linear angeordneten lichtemittierenden Elementen 8 umfasst, als die Lichtquellensektion 7 verwendet werden kann. Beispielsweise sind VCSELs als die lichtemittierenden Elemente 8 verwendbar. Die Art der lichtemittierenden Elemente 8 ist jedoch nicht eingeschränkt. Beispielsweise können als die lichtemittierenden Elemente kantenemittierende Halbleiterlaser verwendet werden. Es sollte besonders erwähnt werden, dass die Konfiguration der Lichtquellensektion, die in 3 veranschaulicht ist, nur beispielhaft ist. Beispielsweise kann als die Lichtquellensektion eine LED-Lichtquelle, eine organische EL-Lichtquelle oder dergleichen verwendet werden, die Licht über deren gesamte Oberfläche emittiert.
Die Lichtempfangsvorrichtung 10 in 2 umfasst das SPAD-Array 11, eine Ausleseschaltung 12, einen TDC-Block 13, eine Berechnungsschaltung 14, eine Steuerungsschaltung 16, eine Auslöser-Erzeugungsschaltung 18 und eine Schnittstellenschaltung 19. Die Berechnungsschaltung 14 enthält einen Histogramm-Generator 15 als innere Komponente. Außerdem enthält die Steuerungsschaltung 16 als innere Komponente ein Register 17.
Das SPAD-Array 11 enthält eine Vielzahl von SPADs, die im Wesentlichen in der gleichen Ebene angeordnet sind. Beispielsweise kann die Vielzahl von SPADs in einem Gitter wie etwa einem rechteckigen Gitter, einem Parallelotop-Gitter oder einem dreieckigen Gitter angeordnet sein. Hier wird eine Beschreibung für einen Fall vorgenommen, in dem als Beispiel ein SPAD-Array verwendet wird, das eine Vielzahl von in einem quadratischen Gitter angeordneten SPADs enthält. Die Anordnung der SPADs des SPAD-Arrays ist jedoch nicht eingeschränkt.
Die Ausleseschaltung 12 gibt als Antwort auf die mit einem Photon reagierenden SPADs innerhalb des SPAD-Arrays 11 einen Impuls an eine ihr nachgeschaltete Schaltung ab. Beispielsweise kann die Ausleseschaltung 12 zumindest irgendeine einer Löschschaltung, die ein Lawinenphänomen der SPADs stoppt, oder einer Wiederaufladeschaltung enthalten, die einen Spannungspegel zurücksetzt. Beispielsweise ist die Ausleseschaltung 12 für jede der SPADs innerhalb des SPAD-Arrays 11 montiert. In diesem Fall enthalten Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 jeweils die SPAD und die dieser SPAD entsprechende Ausleseschaltung 12. Eine Beschreibung wird hier unter der Annahme vorgenommen, dass das SPAD-Array 11 in Draufsicht im Wesentlichen quadratische Pixel enthält. Die Form der Pixel im SPAD-Array 11 kann jedoch von der obigen verschieden sein.
Im Folgenden wird als Beispiel eine Beschreibung für einen Fall vorgenommen, in dem eine SPAD (Einzelphoton-Lawinendiode) als Lichtdetektor verwendet wird. Jedoch kann ein von diesem verschiedener Typ eines Lichtdetektors verwendet werden. Beispielsweise kann jeder beliebige andere Typ einer Fotodiode, einer Fotoröhre oder dergleichen als Lichtdetektor genutzt werden.
Der TDC-Block 13 ist ein Schaltungsblock, der eine Vielzahl von TDCs (Zeit-Digital-Wandler) (engl.: Time to Digital Converters) enthält. Beispielsweise sind die TDCs innerhalb des TDC-Blocks 13 jeweils mit zumindest einem der Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 gekoppelt. Die TDCs messen jeweils beispielsweise eine Zeitdifferenz zwischen der Zeit t1 des von der Ausleseschaltung 12 (dem Pixel) abgegebenen Impulses und der Zeit t0, zu der die Auslöser-Erzeugungsschaltung 18 ein Auslösesignal LT an die Treiberschaltung 6 abgibt.
Die Berechnungsschaltung 14 führt beispielsweise eine Vielzahl von Berechnungsprozessen auf der Basis eines vom TDC-Block 13 eingespeisten Signals durch. Falls beispielsweise die Lichtempfangsvorrichtung 10 eine Entfernungsmessung durchführt, kann die Berechnungsschaltung 14 einen Abstand zwischen dem Gegenstand OBJ und der Lichtempfangsvorrichtung 10 berechnen. Jedoch kann eine externe Vorrichtung die Berechnung des Abstands zwischen dem Gegenstand OBJ und der Lichtempfangsvorrichtung 10 durchführen. Beispielsweise ist als die Berechnungsschaltung 14 eine Hardware-Schaltung wie etwa ein Mikroprozessor, ein ASIC oder ein FPGA verwendbar. Es sollte besonders erwähnt werden, dass die Berechnungsschaltung 14 eine Kombination aus einer Hardware-Schaltung und einem Programm, das man auf der Hardware-Schaltung laufen lässt, umfassen kann.
Der Histogramm-Generator 15 akkumuliert beispielsweise Ergebnisse der Laufzeit, die für eine Vielzahl von Zeiten bzw. Zeitpunkten durch die TDCs innerhalb des TDC-Blocks 13 gemessen wurden, und erzeugt ein Histogramm. Aufgrund der für eine Vielzahl von Malen gemessenen Laufzeit ist es möglich, zwischen einem Hintergrundlicht (einem Störlicht) und dem reflektierten Licht RL des von der Lichtquellensektion 7 abgegebenen Lichts zu unterscheiden. Es sollte besonders erwähnt werden, dass der Histogramm-Generator 15 die für eine Vielzahl von Malen gemessene Laufzeit mitteln kann, um ein Histogramm zu erzeugen. Solange eine Spitze des Histogramms erhalten wird, kann ein Abstand von der Entfernungsmessvorrichtung 1 zum Gegenstand OBJ durch den obigen Ausdruck L = c/2 (t1 - t0) berechnet werden. Es sollte besonders erwähnt werden, dass in einem Fall, in dem der Histogramm-Erzeugungsprozess von einer externen Vorrichtung durchzuführen ist, der Histogramm-Generator weggelassen werden kann.
Die Steuerungsschaltung 16 gibt frei/sperrt die Pixel des SPAD-Arrays 11. Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel festlegen bzw. einstellen, indem eine Vielzahl benachbarter der Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 freigegeben werden. Die Pixel (ein Makropixel), die freigegeben werden sollen, können gemäß einer Position und einem Umfang eines Spotlights bzw. Punktlichts bestimmt werden, das auf das SPAD-Array 11 fällt, wie später beschrieben wird. Punktlichter auf dem SPAD-Array 11 entsprechen Eins zu Eins Strahlen des reflektierten Lichts RL des von den lichtemittierenden Elementen 8 der Lichtquellensektion 7 abgegebenen Lichts. Beispielsweise kann die Berechnungsschaltung 14 einen Abstand zu jedem Entfernungsmesspunkt innerhalb eines Abstandsbilds auf der Basis von von den Pixeln innerhalb des Makropixels abgegebenen Signalen berechnen.
Außerdem steuert die Steuerungsschaltung 16 die Auslöser-Erzeugungsschaltung 18, um zu veranlassen, dass das Licht EM zu einem vorbestimmten Zeitpunkt in Richtung des Gegenstands OBJ abgegeben wird. Die Auslöser-Erzeugungsschaltung 18 stellt als Antwort auf einen Empfang eines Steuerungssignals von der Steuerungsschaltung 16 der Treiberschaltung 6 der Lichtquellenvorrichtung 2 das Auslösesignal LT bereit. Die Treiberschaltung 6 veranlasst dann, dass die lichtemittierenden Elemente 8 der Lichtquellensektion 7 auf Basis des Auslösesignals LT arbeiten.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass die Steuerungsschaltung 16 das Register 17 enthalten kann. Betriebsbedingungen für die Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 können unter Verwendung des Registers 17 eingestellt werden. Beispiele der Betriebsbedingungen für die Pixel umfassen eine Vorspannung einer Fotodiode, eine Abtastfrequenz innerhalb des SPAD-Arrays 11, einen Wiederaufladestrom, eine Verzögerung beim Erzeugen eines Impulses zum Löschen und eine Verzögerung beim Erzeugen eines Impulses zur Wiederaufladung. Außerdem kann Lichtemissionszeitpunkt oder können Lichtemissionsbedingungen für die Lichtquellenvorrichtung 2 mittels des Registers 17 eingestellt werden.
Eine Hardware-Schaltung wie etwa ein Mikroprozessor, ein ASIC oder ein FPGA sind als die Steuerungsschaltung 16 verwendbar. Alternativ dazu kann die Steuerungsschaltung 16 eine Kombination einer Hardware-Schaltung und eines Programms, das man auf der Hardware-Schaltung laufen lässt, enthalten. Die Steuerungsschaltung 16 und die oben beschriebene Berechnungsschaltung 14 können von einer gemeinsamen Schaltung oder separaten Schaltung bereitgestellt werden.
Die Schnittstellenschaltung 19 realisiert eine Datenkommunikation der Lichtempfangsvorrichtung 10 mit einer externen Vorrichtung. Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 16 ein Steuerungssignal von der externen Vorrichtung über die Schnittstellenschaltung 19 empfangen. Außerdem kann die Berechnungsschaltung 14 über die Schnittstellenschaltung 19 gemessene Daten zur externen Vorrichtung übertragen. Es sollte besonders erwähnt werden, dass Typen eines Kommunikationsstandards und Kommunikationsprotokolls, die auf die Schnittstellenschaltung 19 angewendet werden, nicht spezifiziert sind.
Eine Draufsicht von 4 veranschaulicht ein Beispiel eines Musters eines auf das SPAD-Array 11 fallenden Lichts. Um das Sichtfeld (FOV) zu vergrößern, in dem ein Photon detektiert werden kann, befindet sich in einigen Fällen auf einer Lichtquellenseite (Tx) eine Weitwinkel-Kollimatorlinse und befindet sich auf einer Seite des Lichtdetektors (Rx) eine Kondensorlinse mit kurzer Brennweite und kleinem F-Wert. Jedoch verschlechtern sich außeraxiale Eigenschaften eines Linsensystems, was bewirkt, dass sich ein Punktlicht SL, das dem reflektierten Licht RL entspricht, das auf das SPAD-Array 11 fällt, verformt.
Beim Vergleich mit einem Punktlicht an einer Position L1 in der Nähe einer Mitte des SPAD-Arrays 11 und einem Punktlicht an einer Position L2 in der Nähe einer Peripherie des SPAD-Arrays 11 in 4 beispielsweise weist das letztgenannte einen größeren Fleck- bzw. Punktdurchmesser aufgrund einer Verschlechterung der Abbildungsleistung auf. Unter der Annahme, dass die Vielzahl von lichtemittierenden Elementen 8 der Array-Lichtquelle 7A im Wesentlichen die gleiche Menge an abgegebenem Licht aufweist, nimmt somit mit Zunahme des Abstands von der Mitte des SPAD-Arrays 11 die Menge an Licht ab, die auf jedes der Pixel fällt.
Sind die Anzahlen an Pixeln, die in Makropixeln enthalten sind, ungeachtet der Positionen innerhalb des SPAD-Arrays 11 gleich festgelegt, ist die Menge an Licht, die auf das Makropixel an der Position L2 fällt, gering verglichen mit jener des Makropixels an der Position L1. Aus diesem Grund werden in einem Fall, in dem ein Abstandsbild unter Verwendung des SPAD-Arrays 11 erzeugt wird, eine Entfernungsmessgenauigkeit und ein maximaler Abstand für eine Entfernungsmessung (Entfernungsmessleistung) an einem Entfernungsmesspunkt in der Nähe der Peripherie des Sichtfeldes reduziert.
Draufsichten von 5 und 6 veranschaulichen Beispiele einer Positionsbeziehung zwischen einem Punktlicht und einer Vielzahl von Pixeln 11P innerhalb des SPAD-Arrays 11. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil veranschaulicht, auf den ein Punktlicht SL1 innerhalb des SPAD-Arrays 11 fällt. Indes ist 6 eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil veranschaulicht, auf den ein Punktlicht SL2 innerhalb des SPAD-Arrays 11 fällt. Eine Reduzierung der Abbildungsleistung bewirkt, dass das Punktlicht SL2 größer als das Punktlicht SL1 ist.
Die Steuerungsschaltung 16 kann die Position, Größe und/oder Form eines Makropixels einstellen, indem frei ausgewählte der Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 freigegeben werden. Beispielsweise kann ein Makropixel auf der Basis jeweiliger Punktdurchmesser von Licht an Positionen innerhalb des SPAD-Arrays 11 eingestellt werden. Beispielsweise wird ein Makropixel MP1 mit 2 × 2 = 4 Pixeln an der Position L1 entsprechend dem Punktdurchmesser des Lichts eingestellt (5). Außerdem ist an der Position L2 der Punktdurchmesser des Lichts größer als an der Position L1, und dementsprechend kann ein Makropixel MP2 mit 4 × 4 = 16 Pixeln eingestellt werden (6). Aufgrund einer Vergrößerung des Makropixels ist es möglich, eine hohe Entfernungsmessleistung zu erzielen, wobei ungeachtet einer Reduzierung der Abbildungsleistung eine notwendige Lichtmenge gewährleistet ist.
Eine grafische Darstellung in 7 veranschaulicht ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Punktdurchmesser eines auf das SPAD-Array 11 einfallenden Lichts und dem maximalen Abstand für eine Entfernungsmessung. Eine Abszissenachse in 7 repräsentiert den Punktdurchmesser des Lichts Φ in Mikrometern (µm). Außerdem repräsentiert eine Ordinatenachse in 7 den maximalen Abstand für eine Entfernungsmessung in Metern (m). An der Position L1 fällt ein Punktlicht mit einem Durchmesser Φ = 20 µm ein, und dementsprechend wird eine Photonendetektion unter Verwendung eines vier Pixel von 10 µm im Quadrat enthaltenden Makropixels durchgeführt.
Im Gegensatz dazu fällt an der Position L2 ein Punktlicht mit einem Durchmesser Φ = 40 µm ein. Falls eine Photonendetektion unter Verwendung eines Makropixels durchgeführt wird, das vier der Pixel an der Position L2 wie an der Position L1 enthält, wird der maximale Abstand für eine Entfernungsmessung verglichen mit der Position L1 um annähernd 40% reduziert. Dementsprechend wird eine Photonendetektion an der Position L2 unter Verwendung des Makropixels M2 durchgeführt, der 16 (4 × 4) der Pixel enthält, wie durch L2' in der grafischen Darstellung angegeben ist, was ermöglicht, den maximalen Abstand für eine Entfernungsmessung sicherzustellen, der mit jenem an der Position L1 vergleichbar ist.
Man erwartet, dass entsprechend einem für die Entfernungsmessvorrichtung 1 erforderlichen Sichtfeld ein anderer Linsentyp verwendet wird. Beispielsweise variiert die Abbildungsleistung auf dem SPAD-Array 11 mit einer Brennweite eines optischen Systems. Dementsprechend kann ein Nutzer ein Makropixel entsprechend der Art einer verwendeten Linse einstellen.
8 und 9 veranschaulichen jeweils ein Beispiel eines Falls, in dem TDCs Pixeln des SPAD-Arrays Eins zu Eins zugeordnet sind. In 8 sind separate TDCs 13A jeweiligen vier Pixeln des Makropixels MP1 zugeordnet. Falls die separaten TDCs 13A den jeweiligen Pixeln zugeordnet sind, erfordert jedoch eine Zunahme der Anzahl der Pixel des Makropixels eine Erhöhung der notwendigen Anzahl der TDCs 13A. Falls beispielsweise das Makropixel MP2 in 9 festgelegt bzw. eingestellt wird, werden 16 TDCs notwendig. Die Schaltungsfläche und der Leistungsverbrauch nehmen mit Zunahme der Anzahl der im TDC-Block 13 montierten TDCs 13A unweigerlich zu. Wie in der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es dementsprechend möglich, TDCs in einer Art und Weise zu montieren, in der man deren notwendige Anzahl ungeachtet einer Zunahme der Anzahl an in einem Makropixel enthaltenen Pixeln reduzieren kann.
10 veranschaulicht ein Beispiel einer Kopplungsbeziehung zwischen den Pixeln und den TDCs in der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die TDCs 13A können von einer Vielzahl von Pixeln gemeinsam genutzt werden, die weder in einer Reihen- noch Spaltenrichtung innerhalb des SPAD-Arrays 11 benachbart sind, wie in 10 veranschaulicht ist. Unter den Pixeln, die zu jeder Reihe in einem Makropixel MP3 in 10 gehören, weisen in geradzahligen Spalten angeordnete Pixel Ausgangsseiten auf, die mit einem von ODER-Gattern 32 gekoppelt sind. Außerdem weisen unter den zu jeder Reihe im Makropixel MP3 gehörenden Pixeln in ungeradzahligen Spalten angeordnete Pixel Ausgangsseiten auf, die mit einem der ODER-Gatter 32 gekoppelt sind. Ferner sind Ausgangsseiten der ODER-Gatter 32 mit den jeweiligen TDCs 13A gekoppelt. Mit anderen Worten ist ein Signal in jeden der TDCs einzuspeisen, wobei das Signal dem ODER bzw. der ODER-Verknüpfung zwischen Signalen entspricht, die von den in den geradzahligen Spalten oder ungeradzahligen Spalten angeordneten Pixeln unter den Pixeln in einer der Reihen abgegeben werden. Es sollte besonders erwähnt werden, dass durch eine Verbindung zwischen Signalleitungen anstelle der Nutzung der ODER-Gatter ein verdrahtetes ODER bzw. eine verdrahtete ODER-Verknüpfung gebildet werden kann.
Das Makropixel MP3 in 10 enthält ähnlich dem Makropixel MP2 in 9 16 der Pixel. Jedoch ist in 10 die notwendige Anzahl der TDCs verglichen mit 9 um die Hälfte reduziert. Im Beispiel in 10 sind die Pixel, die die TDCs gemeinsam nutzen, durch geradzahlige Spalten/ungeradzahlige Spalten geteilt, um die TDCs gemeinsam zu nutzen. Jedoch können die TDCs in einem von diesem verschiedenen Muster gemeinsam genutzt werden. Beispielsweise kann der TDC in jeder Reihe von den Pixeln in Spalten gemeinsam genutzt werden, deren Zahlen ein Vielfaches von n (n ist eine ganze Zahl zwei oder größer) ist. Außerdem kann eine Kopplungsbeziehung zwischen der Vielzahl von Pixeln und dem TDC in jeder Reihe innerhalb des SPAD-Arrays 11 unterschiedlich sein.
Im Folgenden wird als Beispiel ein Fall beschrieben, in dem die innerhalb des SPAD-Arrays 11 einander nicht benachbarten Pixel die TDCs gemeinsam nutzen. Jedoch ist eine gemeinsame Nutzung der TDCs durch die benachbarten Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 nicht verboten. Außerdem kann die Kopplungsbeziehung zwischen der Vielzahl von Pixeln innerhalb des SPAD-Arrays und dem TDC in der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung von einem oben beschriebenen Muster verschieden sein.
Eine Tabelle von 11 gibt ein Beispiel erwarteter Werte einer Photonendetektionswahrscheinlichkeit in einem Fall an, in dem zwei der Pixel (Pixel A und Pixel B) einen der TDCs gemeinsam nutzen. p in der Tabelle entspricht einer Photonendetektionswahrscheinlichkeit pro Pixel in einem einzelnen Impulswiederholungsintervall (PRI). Die Photonendetektionswahrscheinlichkeit p kann berechnet werden, indem beispielsweise eine Zählrate durch eine PRI-Frequenz bzw. -Häufigkeit dividiert wird. Falls keine ODER-Verknüpfung zwischen von den zwei Pixeln abgegebenen Signalen genommen wird, ist ein erwarteter Wert der Photonendetektionswahrscheinlichkeit 2p. Im Gegensatz dazu ist in einem Fall, in dem das ODER zwischen von den beiden Pixeln abgegebenen Signalen genommen wird, ein erwarteter Wert der Photonendetektionswahrscheinlichkeit 2p - p².
Eine grafische Darstellung von 12 veranschaulicht ein Beispiel einer Beziehung zwischen einem erwarteten Wert einer Photonendetektionszählung und einem Abstand. Eine Abszissenachse der grafischen Darstellung von 12 repräsentiert einen Abstand zwischen der Entfernungsmessvorrichtung 1 und einem Gegenstand. Indes repräsentiert eine Ordinatenachse der grafischen Darstellung von 12 einen erwarteten Wert einer Photonendetektionszählung. Eine durchgezogene Linie gibt Daten in Bezug auf einen Fall an, in dem kein ODER zwischen von den zwei Pixeln abgegebenen Signalen genommen wird. Indes gibt eine gestrichelte Linie Daten in Bezug auf einen Fall an, in dem das ODER zwischen von den zwei Pixeln abgegebenen Signalen genommen wird.
Falls beispielsweise eine adäquate Menge des reflektierten Lichts RL detektierbar ist, ist ein Wert von p groß. Wird das ODER zwischen von den zwei Pixeln abgegebenen Signalen genommen, wird eine Photonendetektionszählung bei einer hohen Photonendetektionswahrscheinlichkeit (bei einem großen Wert von p) reduziert, wie in der grafischen Darstellung von 12 veranschaulicht ist. Die Photonendetektionszählung wird bei einem großen Wert von p beträchtlich erhöht. Selbst wenn Photonen in einer Situation, in der die Photonendetektionszählung beträchtlich erhöht ist, teilweise nicht gezählt werden, wird die Entfernungsmessleistung aufgrund einer ausreichenden Menge an Photonen in einem begrenzten Ausmaß beeinflusst.
Falls im Gegensatz dazu die Menge des auf das SPAD-Array 11 einfallenden reflektierten Lichts RL gering ist, ist der Wert von p gering. Falls beispielsweise der Abstand zwischen der Entfernungsmessvorrichtung 1 und dem Gegenstand groß ist oder falls ein Reflexionsgrad des Lichts EM auf dem Gegenstand gering ist, ist der Wert von p klein. Bezugnehmend auf die grafische Darstellung von 12 wird, selbst wenn das ODER zwischen von den beiden Pixeln abgegebenen Signalen genommen wird, die Photonendetektionszählung kaum reduziert, solange der Wert von p nicht groß ist. Dementsprechend kann bei einer Entfernungsmessung eines Objekts in einem Abstand ein Einfluss davon, dass das ODER von von der Vielzahl von Pixeln abgegebenen Signalen genommen wird, ignoriert werden.
Daher ermöglicht die Verwendung der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung, die Anzahl an TDCs zu reduzieren, wobei eine hohe Entfernungsmessleistung aufrechterhalten wird. Als Nächstes wird ein Beispiel eines Verfahrens zum Spezifizieren eines Makropixels durch die Steuerungsschaltung 16 beschrieben.
13 und 14 veranschaulichen jeweils ein Beispiel eines Verfahrens zum Spezifizieren eines Makropixels. Falls jedem der Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 eine Adresse zugeordnet ist, kann die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel auf der Basis der Adresse spezifizieren. Falls beispielsweise ein Makropixel in einer rechteckigen Form verwendet werden soll, kann das Makropixel spezifiziert werden, indem (1) eine Basisadresse, (2) die Anzahl an Pixeln in einer horizontalen Richtung (der Spaltenrichtung) und (3) die Anzahl an Pixeln in der vertikalen Richtung (der Reihenrichtung) verwendet werden. Beispielsweise ist die Adresse des Pixels entsprechend einer der Ecken des Makropixels als die Basisadresse verwendbar. In den Beispielen in 13 und 14 wird als die Basisadresse die Adresse des Pixels an der Ecke mit der kleinsten Reihennummer und Spaltennummer verwendet. Jedoch kann die Adresse jedes beliebigen, von diesem verschiedenen Pixels als die Basisadresse verwendet werden. Ein Referenzpixel in sowohl 13 als auch 14 bezieht sich auf ein der Basisadresse entsprechendes Pixel. Hier wird unterstellt, dass eine Adresse als „(Spaltennummer, Reihennummer)“ ausgedrückt wird.
Ein Makropixel MP4 in 13 umfasst ein Makropixel, in dem eine Basisadresse (ein Referenzpixel) (2, 1) ist, die Anzahl an Pixeln in der horizontalen Richtung 2 beträgt und die Anzahl an Pixeln in der vertikalen Richtung 3 beträgt. Im Gegensatz dazu umfasst ein Makropixel MP5 in 14 ein Makropixel, in dem eine Basisadresse (ein Referenzpixel) (2, 2) ist, die Anzahl an Pixeln in der horizontalen Richtung 4 beträgt und die Anzahl an Pixeln in der vertikalen Richtung 4 beträgt.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel in jeder beliebigen anderen Form als einer rechteckigen Form spezifizieren kann. Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 16 innerhalb einer Region in einer rechteckigen Form keines der den vier Ecken entsprechenden Pixeln auswählen. Außerdem kann die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel spezifizieren, um zu veranlassen, dass freigegebene Pixel um gesperrte Pixel herum verteilt werden. Außerdem kann ein durch die Steuerungsschaltung 16 spezifiziertes Makropixel eine asymmetrische Form haben.
15 veranschaulicht ein Beispiel einer Verbindung zwischen den Pixeln des SPAD-Arrays 11 und den TDCs. 15 veranschaulicht Paare von Signalleitungen (Zuleitungen) PXOUT [0,2], PXOUT [1,3], PXOUT [4,6], PXOUT [5,7], PXOUT [8,10] und PXOUT [9,11]. Unter den Obigen sind die Paare von Signalleitungen PXOUT [0,2], PXOUT [4,6] und PXOUT [8,10] mit den Ausgangsseiten der Pixel in den geradzahligen Spalten gekoppelt. Im Gegensatz dazu sind die Paare von Signalleitungen PXOUT [1,3], PXOUT [5,7] und PXOUT [9,11] mit den Ausgangsseiten der Pixel in den ungeradzahligen Spalten gekoppelt.
Im Beispiel in 15 verbinden die Signalleitungen jeweils eine Vielzahl der Pixel in der gleichen Reihe, um eine verdrahtete ODER-Verknüpfung zu bilden. Die Vielzahl von Pixeln entspricht hier Pixeln in Spalten c_i + 4n (c_i = 0, 1, 2, oder 3, n = 0, 1, 2...). Jedoch können die Signalleitungen jeweils mit einer Vielzahl der Pixel in einem von diesem verschiedenen Muster verbunden sein. Die gepaarten Signalleitungen sind jeweils mit einem Eingangsanschluss desselben der oDER-Gatter 32 gekoppelt. Außerdem ist der TDC 13A jedem der ODER-Gatter 32 nachgeschaltet gekoppelt. Die ODER-Gatter 32 speisen somit jeweils ein Signal in einen entsprechenden der TDCs 13A ein, wobei das Signal dem ODER zwischen in einer der Reihen von den Pixeln in den geradzahligen Spalten der ungeradzahligen Spalten abgegebenen Signalen entspricht.
Als Nächstes wird ein Beispiel einer Lichtempfangsschaltung beschrieben, die jedem der Pixel des SPAD-Arrays 11 entspricht.
Ein Schaltungsdiagramm von 16 veranschaulicht ein Beispiel einer Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Eine Lichtempfangsschaltung 20 in 16 umfasst eine Fotodiode PD, einen Transistor M1, einen Transistor M2, einen Transistor M3, eine Latch-Schaltung 21, ein NAND-Gatter 22, einen Inverter 23 und einen Inverter 24. Der Transistor M1 und der Transistor M2 sind PMOS-Transistoren. Im Gegensatz dazu ist der Transistor M3 ein NMOS-Transistor. Die Fotodiode PD ist beispielsweise eine Lawinen-Fotodiode. Eine digitale Schaltung, die ein logisches Gatter, ein Flip-Flop etc. enthält, ist beispielsweise als die Latch-Schaltung verwendbar. Jedoch ist eine Konfiguration der Latch-Schaltung nicht eingeschränkt.
Eine Spannung Van wird an eine Anode der Fotodiode PD angelegt. Die Spannung Van kann eingestellt werden, um zu bewirken, dass eine inverse Spannung, die gleich einer oder höher als eine Durchbruchspannung ist, zwischen Anschlüssen der Fotodiode PD angelegt wird. Im Gegensatz dazu ist eine Kathode der Fotodiode PD mit einer Eingangsseite des Inverters 24, einem Drain des Transistors M2 und einem Drain des Transistors M3 gekoppelt. Eine Source des Transistors M3 ist mit einem Massepotential gekoppelt. Das Massepotential ist beispielsweise ein Referenzpotential eines Signals, ein Referenzpotential eines Substrats oder ein Massepotential. Jedoch ist die Art von Potential, das als das Massepotential genutzt wird, nicht spezifiziert. Eine Vorspannung VB wird an ein Gate des Transistors M2 angelegt. Eine Source des Transistors M2 ist mit einem Drain des Transistors M1 gekoppelt. Außerdem ist eine Source des Transistors M1 mit einem Stromquellenpotential VDDH gekoppelt.
Der Transistor M2 entspricht einem Lastelement LE, das die Fotodiode PD löscht. In der Lichtempfangsschaltung 20 in 16 wird ein Transistor als das Lastelement genutzt, jedoch kann jede andere Art von Element als das Lastelement genutzt werden. Beispielsweise kann das Lastelement einen Widerstand oder eine Kombination eines Widerstands und eines Transistors umfassen.
Ein Ausgangsanschluss der Latch-Schaltung 21 ist über eine Signalleitung PXSEL mit einem ersten Eingangsanschluss des NAND-Gatters 22 gekoppelt. Indes ist eine Enable- bzw. Freigabeleitung YE der Spalte mit einem zweiten Eingangsanschluss des NAND-Gatters 22 gekoppelt. Darüber hinaus ist ein Ausgangsanschluss des NAND-Gatters 22 über eine Signalleitung Len mit einem Gate des Transistors M1, einem Gate des Transistors M3 und einem Eingangsanschluss des Inverters 23 gekoppelt. Ferner ist ein Ausgangsanschluss des Inverters 23 mit einem Steuerungsanschluss des Inverters 24 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des Inverters 24 ist mit einer Signalleitung (einer Zuleitung) PXOUT gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des Inverters 24 entspricht einer Ausgangsseite der Lichtempfangsschaltung 20. Die Signalleitung PXOUT ist mit den Ausgangsseiten einer Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen 20 gekoppelt, um verdrahtete ODER-Verknüpfungen von Ausgangssignalen von der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen 20 zu nehmen. Der Inverter 24 ist dafür konfiguriert, als Antwort auf eine an den Steuerungsanschluss angelegte Spannung ein-/ausgeschaltet zu werden.
Als Nächstes wird ein Betrieb der Lichtempfangsschaltung 20 beschrieben.
Die Steuerungsschaltung 16 setzt eine Spannung der Freigabeleitung YE einer Spalte mit einem Pixel, das freigegeben werden soll, auf HOCH. Außerdem versetzt die Steuerungsschaltung 16 die Latch-Schaltung 21 der Empfangsschaltung 20 entsprechend dem Pixel, das freigegeben werden soll, in einen ausgewählten Zustand und versetzt die Latch-Schaltung 21 der Lichtempfangsschaltung 20, die einem Pixel entspricht, das gesperrt werden soll, in einen nicht ausgewählten Zustand. Die Latch-Schaltung 21 ist dafür konfiguriert, im ausgewählten Zustand eine HOCH-Spannung an die Signalleitung PXSEL anzulegen und im nicht ausgewählten Zustand eine NIEDRIG-Schaltung an die Signalleitung PXSEL anzulegen.
Zunächst wird ein Fall beschrieben, in dem ein Pixel durch die Steuerungsschaltung 16 freigegeben (aktiviert) wird und die Spannung der Signalleitung PXSEL HOCH wird. Zu dieser Zeit wird die Spannung der Freigabeleitung YE der Spalte ebenfalls auf HOCH gesetzt, was bewirkt, dass eine Ausgangsspannung des NAND-Gatters 22 NIEDRIG wird. Die NIEDRIG-Spannung wird über die Signalleitung Len an das Gate des Transistors M1 angelegt, was bewirkt, dass ein Source-/Drain-Bereich des Transistors M1 eingeschaltet wird. Außerdem wird die NIEDRIG-Spannung an das Gate des Transistors M3 angelegt, was bewirkt, dass ein Drain-/Source-Bereich des Transistors M3 ausgeschaltet wird. Ferner wird eine Eingangsspannung des Inverters 23 NIEDRIG, was bewirkt, dass die HOCH-Spannung an den Steuerungsanschluss des Inverters 24 angelegt wird.
Dies bewirkt, dass eine Spannung eines Source-Anschlusses des Transistors M2 durch das Stromquellenpotential VDDH angehoben wird. Außerdem ist das Kathodenpotential VC der Fotodiode PD vom Massepotential getrennt, was ermöglicht, eine Überschussvorspannung zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD anzulegen. Dies ermöglicht eine Photonendetektion im Geiger-Modus. Ferner wird der Inverter 24 EIN-geschaltet, was ermöglicht, als Antwort auf eine Detektion eines Photons an die Signalleitung PXOUT einen Impuls auszugeben.
Als Antwort auf ein Photon, das auf die Fotodiode PD fällt, nimmt ein zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD fließender Strom aufgrund einer Lawinenmultiplikation zu. Zu dieser Zeit tritt mit der Zunahme des Stroms ein Spannungsabfall in einem Drain-/Source-Bereich des Transistors M2, oder einem Lastelement, auf. Das Lawinenphänomen stoppt als Antwort darauf, dass die Spannung zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD auf die Durchbruchspannung abfällt, was bewirkt, dass der zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD fließende Strom abnimmt. Die Photonendetektion kann als Antwort darauf wieder möglich werden, dass die Spannung zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD einen Wert gleich der oder größer als die Durchbruchspannung erreicht.
Eine Zunahme des zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD fließenden Stroms bewirkt, dass sich das Kathodenpotential VC von HOCH auf NIEDRIG ändert. Zu dieser Zeit ändert sich die Spannung der Signalleitung PXOUT entsprechend einer Ausgabe des Inverters 24 von NIEDRIG auf HOCH. Als Antwort darauf, dass das Kathodenpotential VC mit dem Stopp des Lawinenphänomens zu HOCH zurückkehrt, gibt dann der Inverter 24 die NIEDRIG-Spannung an die Signalleitung PXOUT ab. Die Lichtempfangsschaltung 20 gibt somit als Antwort auf eine Reaktion der Fotodiode PD mit dem Photon an die Signalleitung PXOUT einen Impuls aus.
Die Lichtempfangsschaltung 20 in 16 gibt einen Impuls mit einer positiven Polarität an die Signalleitung PXOUT aus. Die Polarität des Impulses, der von der Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgegeben werden soll, ist jedoch nicht spezifiziert. Außerdem ist auch eine Schaltung verwendbar, in der die Polarität der Lichtempfangsschaltung 20 invertiert ist. Falls die Polarität invertiert ist, reicht es aus, falls der NMOS-Transistor und der PMOS-Transistor in der Lichtempfangsschaltung 20 durch einen PMOS-Transistor bzw. einen NMOS-Transistor ersetzt werden. In diesem Fall wird eine positive Vorspannung an die Kathode der Fotodiode angelegt und wird die Anode der Fotodiode mit dem ausgangsseitigen Inverter gekoppelt. Die Konfiguration, bei der die Polarität invertiert ist, ist zusätzlich zur Lichtempfangsschaltung 20 auch für eine später beschriebene Lichtempfangsschaltung verwendbar.
Die Lichtempfangsschaltung 20 in 16 ist dafür konfiguriert, passives Löschen (engl.: quenching) durchzuführen; jedoch ist ein Löschverfahren der Fotodiode PD nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die NIEDRIG-Spannung an das Gate des Transistors M2 zu einem Zeitpunkt angelegt werden, zu dem ein Impuls an die Signalleitung PXSEL ausgegeben wird, um aktives Löschen durchzuführen. Außerdem ist die Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht notwendigerweise mit einer Freigabeleitung gekoppelt. Dementsprechend kann eine Lichtempfangsschaltung mit einer Konfiguration verwendet werden, bei der eine Freigabeleitung weggelassen ist.
Als Nächstes wird ein Betrieb in einem Fall beschrieben, in dem ein Pixel durch die Steuerungsschaltung 16 gesperrt (deaktiviert) wird und die Spannung der Signalleitung PXSEL NIEDRIG wird. Es sollte besonders erwähnt werden, dass ein Betrieb in einem Fall, in dem die Spannung der Freigabeleitung YE NIEDRIG wird, diesem ähnlich ist. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung des NAND-Gatters 22 HOCH. Die HOCH-Spannung wird über die Signalleitung Len an das Gate des Transistors M1 angelegt, was bewirkt, dass der Source-/Drain-Bereich des Transistors M1 ausgeschaltet wird. Außerdem wird die HOCH-Spannung an das Gate des Transistors M3 angelegt, was bewirkt, dass der Drain-/Source-Bereich des Transistors M3 eingeschaltet wird. Ferner wird die Eingangsspannung des Inverters 23 HOCH, was bewirkt, dass die NIEDRIG-Spannung an den Steuerungsanschluss des Inverters 24 angelegt wird.
Dies bewirkt, dass die Source des Transistors M2 vom Stromquellenpotential VDDH getrennt wird. Darüber hinaus wird die Kathode der Fotodiode PD mit dem Massepotential gekoppelt. Dies bewirkt, dass keine Überschussvorspannung zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD angelegt wird. Ferner wird der Inverter 24 AUS-geschaltet, was bewirkt, dass kein Signal an die Signalleitung PXOUT abgegeben wird. Eine Ausgangsimpedanz des Inverters 24 in einem AUS-Zustand wird hoch. Dies ermöglicht, eine elektrische Interferenz mit irgendeiner anderen, mit der Signalleitung PXOUT gekoppelten Lichtempfangsschaltung 20 (Pixel) zu minimieren. Dies ermöglicht die Verwendung derselben Signalleitung PXOUT als Zuleitungen der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen 20. Eine Tabelle von 17 listet Funktionen bzw. Arbeitsvorgänge der Lichtempfangsschaltung 20 auf.
Falls eine Verbindung, bei der die ODER-Verknüpfung von Ausgangssignalen von der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen (Pixeln) genommen und in den TDC 13A eingegeben wird, wie in 10 oder 15, die oben beschrieben wurden, verwendet wird, bewirken sequentielle Reaktionen der SPADs innerhalb der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen, die denselben TDC 13A gemeinsam nutzen, wahrscheinlich eine Reduzierung der Anzahl ausgegebener Impulse, selbst wenn die Vielzahl von Reaktionen auftritt. Dementsprechend kann die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer Funktion, um eine Überlappung einer Vielzahl von Impulsen zu verhindern, ausgestattet sein.
18 veranschaulicht ein Beispiel einer Verbindung in einer Lichtempfangsvorrichtung gemäß einem Modifikationsbeispiel 1. Eine Lichtempfangsvorrichtung 10A in 18 wird bereitgestellt, indem der Lichtempfangsvorrichtung 10 in 15 eine Vielzahl von Oneshot-Schaltungen 26 hinzugefügt wird. Beispielsweise können die Oneshot-Schaltungen 26 in den jeweiligen Signalleitungen PXOUT gelegen sein. In der Lichtempfangsvorrichtung 10A sind die Oneshot-Schaltungen 26 jeweils zwischen eine Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen und den Eingangsanschluss des ODER-Gatters 32 gekoppelt. Die Oneshot-Schaltungen 26 können jedoch jeweils an einer von dieser verschiedenen Position gekoppelt sein. Beispielsweise können die Oneshot-Schaltungen 26 zwischen die Lichtempfangsschaltung 20 und die Lichtempfangsschaltung 20 jeweils gekoppelt sein. Außerdem kann die Anzahl der Oneshot-Schaltungen 26 von jener im Beispiel in 18 verschieden sein. Die Vielzahl von Oneshot-Schaltungen 26 kann beispielsweise mit jeder der Signalleitungen PXOUT gekoppelt sein.
19 veranschaulicht ein Beispiel der Oneshot-Schaltung und einer Signalwellenform gemäß dem Modifikationsbeispiel 1. 19 (a) ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel der Oneshot-Schaltung veranschaulicht. Die Oneshot-Schaltung 26 in 19 enthält ein UND-Gatter 27 und eine Inverter-Kette 28. Eine eingangsseitige Signalleitung Lin der Oneshot-Schaltung 26 ist mit einem der Eingangsanschlüsse des UND-Gatters 27 gekoppelt. Außerdem ist die Inverter-Kette 28 zwischen einen Verzweigungspunkt der Signalleitung Lin und den anderen Eingangsanschluss des UND-Gatters 27 gekoppelt. In der Inverter-Kette 28 in 19 sind drei Inverter in Reihe gekoppelt. Jedoch kann die Anzahl der Inverter der Inverter-Kette von dieser verschieden sein. Beispielsweise kann die Anzahl der Inverter entsprechend einer notwendigen Impulsbreite in einer nachgeschalteten Schaltung wie etwa dem TDC 13A bestimmt werden.
Beschrieben wird hier ein Betrieb von jeder der Oneshot-Schaltungen 28, indem ein Fall als Beispiel genommen wird, in dem ein Impuls mit einer positiven Polarität in der Lichtempfangsschaltung erzeugt wird.
Als Antwort darauf, dass ein Impuls von der Lichtempfangsschaltung ausgegeben wird, ändert sich eine Spannung des einen der Eingangsanschlüsse des UND-Gatters 27 von NIEDRIG auf HOCH. Eine Spannung des anderen Eingangsanschlusses des UND-Gatters ändert sich dann mit einer Verzögerung aufgrund der Inverter-Kette 28 von NIEDRIG auf HOCH. Zu einem Zeitpunkt, zu dem die Spannungen beider Eingangsanschlüsse des UND-Gatters 27 HOCH werden, ändert sich eine Ausgangsspannung des UND-Gatters 27 von NIEDRIG auf HOCH. Als Antwort darauf, dass sich nach Ablauf einer Impulsdauer die Spannung des einen der Eingangsanschlüsse des UND-Gatters 27 von HOCH auf NIEDRIG ändert, ändert sich auch die Ausgangsspannung des UND-Gatters 27 von NIEDRIG auf HOCH.
Somit gibt die Oneshot-Schaltung 26 einen Impuls aus, dessen Breite kürzer als der eingegebene Impuls ist, wie in einer grafischen Darstellung von 19(b) veranschaulicht ist. Mit anderen Worten wandelt die Oneshot-Schaltung 26 einen in der Lichtempfangsschaltung erzeugten Impuls in einen Impuls mit kürzerer Breite um. Dies ermöglicht, eine Wahrscheinlichkeit dafür, dass in der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen erzeugte Impulse in der Signalleitung PXOUT überlappen, zu verringern, um eine Entfernungsmessleistung aufrechtzuerhalten.
Eine grafische Darstellung von 20 veranschaulicht ein Beispiel einer Signalwellenform in der Lichtempfangsvorrichtung. Im Beispiel in 20 reagiert die SPAD von sowohl der mit der Signalleitung PXOUT[0] gekoppelten Lichtempfangsschaltung als auch der mit der Signalleitung PXOUT[1] gekoppelten Lichtempfangsschaltung mit einem Photon. Somit werden Impulse, die sich in ihrer Dauer überlappen, an die Signalleitung PXOUT[0] und die Signalleitung PXOUT[1] ausgegeben. Falls keine Oneshot-Schaltung vorgesehen ist, wird durch das ODER-Gatter 32 die ODER-Verknüpfung des Impulses in der Signalleitung PXOUT[0] und des Impulses in der Signalleitung PXOUT[1] genommen. Somit werden die zwei Impulse zu einem einzigen Impuls integriert und wird die Anzahl an Zählungen von Photonen in einer nachgeschalteten Schaltung „1“.
Im Gegensatz dazu werden in einem Fall, in dem die Oneshot-Schaltungen 26 wie in der Lichtempfangsschaltung 10A in 18 den ODER-Gattern 32 vorgeschaltet gekoppelt sind, ein Impuls in der Signalleitung PXOUT[0] und ein Impuls in der Signalleitung PXOUT[1] jeweils in einen Impuls mit einer kürzeren Breite umgewandelt, bevor sie in das ODER-Gatter 32 eingegeben werden. Dies verhindert, dass sich die beiden Impulse überlappen, selbst wenn die ODER-Verknüpfung der beiden Signale durch das ODER-Gatter 32 vorgenommen wird, was ermöglicht, die korrekte Anzahl an Zählungen von Photonen „2“ in einer nachgeschalteten Schaltung zu erhalten.
Ein Schaltungsdiagramm von 21 veranschaulicht ein Beispiel einer Lichtempfangsschaltung gemäß einem Modifikationsbeispiel 2. Eine Lichtempfangsschaltung 20A in 21 entspricht einer Schaltung, aus der der Transistor M1 und der Transistor M3 der Lichtempfangsschaltung 20 in 16 weggelassen sind. Die Lichtempfangsschaltung 20A in 21 enthält die Fotodiode PD, den Transistor M2, die Latch-Schaltung 21, das NAND-Gatter 22, den Inverter 23 und den Inverter 24. Der Transistor M2 schließt einen PMOS-Transistor ein. Die Fotodiode PD schließt beispielsweise eine Lawinen-Fotodiode ein.
Die Spannung Van wird an die Anode der Fotodiode PD angelegt. Die Spannung Van kann eingestellt werden, um zu bewirken, dass eine inverse Spannung, die gleich einer oder höher als eine Durchbruchspannung ist, zwischen Anschlüssen der Fotodiode PD angelegt wird. Indes ist die Kathode der Fotodiode PD mit der Eingangsseite des Inverters 24 und dem Drain des Transistors M2 gekoppelt. Die Source des Transistors M2 ist mit dem Stromquellenpotential VDDH gekoppelt. Die Vorspannung VB wird an das Gate des Transistors M2 angelegt.
Der Ausgangsanschluss der Latch-Schaltung 21 ist über die Signalleitung PXSEL mit dem ersten Eingangsanschluss des NAND-Gatters 22 gekoppelt. Indes ist die Freigabeleitung YE der Spalte mit dem zweiten Eingangsanschluss des NAND-Gatters 22 gekoppelt. Außerdem ist der Ausgangsanschluss des NAND-Gatters 22 mit dem Eingangsanschluss des Inverters 23 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des Inverters 23 ist ferner mit dem Steuerungsanschluss des Inverters 24 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des Inverters 24 ist mit der Signalleitung (der Zuleitung) PXOUT gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des Inverters 24 entspricht einer Ausgangsseite der Lichtempfangsschaltung 20A. Die Signalleitung PXOUT ist mit den Ausgangsseiten einer Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen gekoppelt, um ODER-Verknüpfungen von Ausgangssignalen von der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen zu nehmen. Der Inverter 24 ist dafür konfiguriert, als Antwort auf eine an den Steuerungsanschluss angelegte Spannung ein-/ausgeschaltet zu werden. Es sollte besonders erwähnt werden, dass in der Lichtempfangsschaltung 20A in 21 anstelle des NAND-Gatters 22 und des Inverters 23 ein UND-Gatter 22A verwendet werden kann.
Als Nächstes wird ein Betrieb der Lichtempfangsschaltung 20A beschrieben.
Die Steuerungsschaltung 16 setzt die Spannung der Freigabeleitung YE einer Spalte mit einem Pixel, das freigegeben werden soll, auf HOCH. Außerdem versetzt die Steuerungsschaltung 16 die Latch-Schaltung 21 der Lichtempfangsschaltung 20A, die dem Pixel entspricht, das freigegeben werden soll, in einen ausgewählten Zustand und versetzt die Latch-Schaltung 21 der Lichtempfangsschaltung 20A, die einem Pixel entspricht, das gesperrt werden soll, in einen nicht ausgewählten Zustand. Die Latch-Schaltung 21 ist dafür konfiguriert, im ausgewählten Zustand eine HOCH-Spannung an die Signalleitung PXSEL anzulegen und im nicht ausgewählten Zustand eine NIEDRIG-Spannung an die Signalleitung PXSEL anzulegen.
Zunächst wird ein Fall beschrieben, bei dem ein Pixel durch die Steuerungsschaltung 16 freigegeben (aktiviert) wird und die Spannung der Signalleitung PXSEL HOCH wird. Zu dieser Zeit wird die Spannung der Freigabeleitung YE der Spalte ebenfalls auf HOCH gesetzt, was bewirkt, dass die Ausgangsspannung des NAND-Gatters 22 NIEDRIG wird. Die Eingangsspannung des Inverters 23 wird NIEDRIG, was bewirkt, dass die HOCH-Spannung an den Steuerungsanschluss des Inverters 24 angelegt wird. Der Inverter 24 wird EIN-geschaltet, was ermöglicht, als Antwort auf eine Detektion eines Photons an die Signalleitung PXOUT einen Impuls auszugeben.
Als Antwort darauf, dass ein Photon auf die Fotodiode PD fällt, nimmt ein zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD fließender Strom aufgrund einer Lawinenmultiplikation zu. Zu dieser Zeit tritt mit der Zunahme des Stroms ein Spannungsabfall in dem Drain-/Source-Bereich des Transistors M2, oder dem Lastelement, auf. Das Lawinenphänomen stoppt als Antwort darauf, dass die Spannung zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD auf die Durchbruchspannung abfällt, was bewirkt, dass der zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD fließende Strom abnimmt. Die Photonendetektion kann als Antwort darauf wieder möglich werden, dass die Spannung zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD einen Wert gleich der oder größer als die Durchbruchspannung erreicht.
Eine Zunahme des zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD fließenden Stroms bewirkt, dass sich das Kathodenpotential VC von HOCH auf NIEDRIG ändert. Zu dieser Zeit ändert die Spannung der Signalleitung PXOUT entsprechend einer Ausgabe des Inverters 24 von NIEDRIG auf HOCH. Als Antwort darauf, dass das Kathodenpotential VC mit dem Stopp des Lawinenphänomens zu HOCH zurückkehrt, gibt dann der Inverter 24 die NIEDRIG-Spannung an die Signalleitung PXOUT ab. Dies ermöglicht, dass die Lichtempfangsschaltung 20 als Antwort auf eine Reaktion der Fotodiode PD mit dem Photon einen Impuls mit einer positiven Polarität an die Signalleitung PXOUT ausgibt.
Als Nächstes wird ein Betrieb in einem Fall beschrieben, in dem ein Pixel durch die Steuerungsschaltung 16 gesperrt (deaktiviert) wird und die Spannung der Signalleitung PXSEL NIEDRIG wird. Es sollte besonders erwähnt werden, dass ein Betrieb in einem Fall, in dem die Spannung der Freigabeleitung YE NIEDRIG wird, diesem ähnlich ist. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung des NAND-Gatters 22 HOCH. Die Eingangsspannung des Inverters 23 wird HOCH, was bewirkt, dass die NIEDRIG-Spannung an den Steuerungsanschluss des Inverters 24 angelegt wird. Der Inverter 24 wird AUS-geschaltet, was bewirkt, dass kein Signal an die Signalleitung PXOUT abgegeben wird. Die Ausgangsimpedanz des Inverters 24 in einem AUS-Zustand wird hoch, was ermöglicht, eine elektrische Interferenz mit irgendeiner anderen, mit der Signalleitung PXOUT gekoppelten Lichtempfangsschaltung (Pixel) zu minimieren. Dies ermöglicht die Verwendung derselben Signalleitung PXOUT als Zuleitungen der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen.
Aufgrund der Weglassung des Transistors M1 und des Transistors M3 in 16 kann die Lichtempfangsschaltung 20A in 21 eine vereinfachte Schaltungskonfiguration aufweisen, wobei eine Montagefläche reduziert ist. Falls die Lichtempfangsschaltung 20A verwendet wird, wird jedoch eine Überschussvorspannung weiter zwischen den Anschlüssen der Fotodiode PD selbst in der Lichtempfangsschaltung angelegt, die dem durch die Steuerungsschaltung 16 gesperrten Pixel entspricht. Somit wird elektrische Leistung verbraucht, wenn die Fotodiode PD mit einem Photon reagiert.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass die Pixel des SPAD-Arrays 11 jeweils eine Mischung aus der oben beschriebenen Lichtempfangsschaltung 20 und der Lichtempfangsschaltung 20A umfassen können. Außerdem sind die oben beschriebenen Lichtempfangsschaltungen 20 und 20A nur Beispiele einer Schaltung, die für jedes der Pixel des SPAD-Arrays 11 verwendet werden können. Dementsprechend kann eine Lichtempfangsschaltung, die sich in der Konfiguration von den oben beschriebenen Lichtempfangsschaltungen 20 und 20A unterscheidet, als jedes der Pixel des SPAD-Arrays 11 montiert werden.
Die Konfiguration der Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird hier strukturiert.
Die Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann einen Lichtdetektor, ein Lastelement, eine Latch-Schaltung und einen ersten Inverter umfassen. Das Lastelement ist zwischen den Lichtdetektor und ein erstes Referenzpotential gekoppelt. Die Latch-Schaltung ist dafür konfiguriert, eine erste Spannung entsprechend einem Zustand abzugeben. Der erste Inverter ist dafür konfiguriert, als Antwort auf eine an einen Steuerungsanschluss angelegte zweite Spannung eingeschaltet zu werden und eine Ausgangsspannung des Lichtdetektors zu invertieren und abzugeben. Die an den Steuerungsanschluss anzulegende zweite Spannung ist entsprechend der ersten Spannung variabel.
Die oben beschriebene Fotodiode PD ist ein Beispiel des Lichtdetektors. Das Lastelement LE oder der Transistor M2 ist ein Beispiel des Lastelements. Der Inverter 24 ist ein Beispiel des ersten Inverters. Das Stromquellenpotential VDDH ist ein Beispiel des ersten Referenzpotentials.
Die Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ferner ein UND-Gatter umfassen, das einen mit einer Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelten ersten Eingangsanschluss, einen mit einer Freigabeleitung gekoppelten zweiten Eingangsanschluss und einen mit dem Steuerungsanschluss des ersten Inverters gekoppelten Ausgangsanschluss aufweist. Das UND-Gatter 22A in 21 ist ein Beispiel des UND-Gatters. Die Freigabeleitung YE der Spalte ist ein Beispiel der Freigabeleitung.
Die Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ferner ein NAND-Gatter mit einem mit der Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelten ersten Eingangsanschluss und einen mit der Freigabeleitung gekoppelten zweiten Eingangsanschluss und einen zwischen das NAND-Gatter und den Steuerungsanschluss gekoppelten zweiten Inverter umfassen. Das NAND-Gatter 22 ist ein Beispiel des NAND-Gatters. Der Inverter 23 ist ein Beispiel des zweiten Inverters.
Außerdem kann die Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner das NAND-Gatter, einen ersten Transistor eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Transistor eines zweiten Leitfähigkeitstyps und den zweiten Inverter enthalten. Das NAND-Gatter weist den mit der Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelten ersten Eingangsanschluss und den mit der Freigabeleitung gekoppelten zweiten Eingangsanschluss auf. Der erste Transistor ist zwischen das erste Referenzpotential und das Lastelement gekoppelt und wird als Antwort auf eine Ausgangsspannung des NAND-Gatters eingeschaltet. Der zweite Transistor ist zwischen die Ausgangsseite des Lichtdetektors und das zweite Referenzpotential gekoppelt und wird als Antwort auf die Ausgangsspannung des NAND-Gatters eingeschaltet. Der zweite Inverter ist zwischen einen Ausgangsanschluss des NAND-Gatters und den Steuerungsanschluss des ersten Inverters gekoppelt.
Ein P-MOS-Transistor ist als Transistor des ersten Leitfähigkeitstyps verwendbar, und ein N-MOS-Transistor ist als der Transistor des zweiten Leitfähigkeitstyps verwendbar. In diesem Fall kann ein Stromquellenpotential als das erste Referenzpotential verwendet werden und kann ein Massepotential als das zweite Referenzpotential verwendet werden. Darüber hinaus ist auch die Verwendung eines N-MOS-Transistors als der Transistor des ersten Leitfähigkeitstyps und eines P-MOS-Transistors als der Transistor des zweiten Leitfähigkeitstyps akzeptabel. In diesem Fall kann das Massepotential als das erste Referenzpotential genutzt werden und kann das Stromquellenpotential als das zweite Referenzpotential genutzt werden. Der Transistor M1 in 16 ist ein Beispiel des ersten Transistors. Der Transistor M3 in 16 ist ein Beispiel des zweiten Transistors. Außerdem kann der Lichtdetektor eine Lawinen-Fotodiode sein.
Aufgrund der Verwendung der Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann nur ein notwendiges der Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 freigegeben werden, während die restlichen Pixel gesperrt sind. Dies macht es möglich, den Leistungsverbrauch der Lichtempfangsvorrichtung zu reduzieren. Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 16 ein Pixel freigeben, bei dem die Menge des reflektierten Lichts RL groß ist, und ein Pixel sperren, bei dem die Menge des reflektierten Lichts RL gering ist. Dies ermöglicht, einen Einfluss von Hintergrundlicht (Störlicht) zu minimieren, um einen Helligkeitsdynamikbereich und einen Entfernungsmessabstand, wo eine Entfernungsmessung möglich ist, zu erhöhen. Dementsprechend wird im Folgenden eine Form eines Makropixels beschrieben, das gemäß einem Punktlicht eingestellt werden kann.
Draufsichten der 22 bis 24 veranschaulichen jeweils ein Beispiel der Form eines Makropixels. Ein Punktlicht SL3 in 22 liegt in einer Kreisform vor. Falls ein Makropixel in einer quadratischen Form oder in einer rechteckigen Form eingestellt wird, wird in diesem Fall ein Pixel, bei dem die Menge des reflektierten Lichts RL gering ist, unbeabsichtigt freigegeben. Dementsprechend kann die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel MP6 in einer Kreuzform wie im Beispiel in 22 einstellen.
Die Form eines Punktlichts auf dem SPAD-Array 11 wird sich aufgrund eines Faktors wie etwa einer Fehlausrichtung des optischen Systems wahrscheinlich verformen. Beispielsweise kann ein Punktlicht in einer ovalen Form wie etwa ein Punktlicht SL4 in 23 gebildet werden. In diesem Fall kann die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel in einer polygonalen Form, die eine Region des Punktlichts abdeckt, wie etwa ein Makropixel MP7 in 23 einstellen.
Die Lichtmenge innerhalb einer Region, die mit einem Punktlicht auf dem SPAD-Array 11 bestrahlt wird, ist nicht immer konstant. Beispielsweise kann die bestrahlte Region einen Teil mit einer geringeren Lichtmenge aufweisen. Das Punktlicht SL5 in 24 hat zum Beispiel eine Ringform. In diesem Fall kann die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel MP8 einstellen bzw. festlegen, bei dem eine gesperrte Pixel-Region von einer freigegebenen Pixel-Region umgeben ist.
Die in 22 bis 24 veranschaulichten Formen von Makropixeln sind nur beispielhaft. Dementsprechend kann die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel in einer von diesen verschiedenen Form einstellen. Wie oben beschrieben wurde, kann die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel gemäß der Form oder der Menge eines Punktlichts einstellen. Dies macht es möglich, den Leistungsverbrauch zu reduzieren und eine hochgenaue Entfernungsmessung mit geringem Rauschen durchzuführen. Die Verwendung der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglicht, ungeachtet einer ausgangsseitigen Verbindung einer Vielzahl von Pixeln (Lichtempfangsschaltungen) einzelne Pixel flexibel freizugeben/zu sperren.
Als Nächstes wird eine detaillierte Beschreibung eines Makropixel einstellenden Prozesses in der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgenommen.
25 veranschaulicht ein Beispiel von Komponenten in Bezug auf das Freigeben und Sperren von Pixeln. Wie in 25 veranschaulicht ist, kann die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner eine Zählerschaltung 30 und eine Speichersektion 31 enthalten. Beispielsweise kann die Zählerschaltung 30 zumindest einer der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen (Pixeln) innerhalb des SPAD-Arrays 11 nachgeschaltet gekoppelt sein. Die Zählerschaltung 30 zählt die Anzahl an Photonen, die von der Lichtempfangsschaltung detektiert werden. Die Zählerschaltung 30 lässt die Speichersektion 31 die Anzahl an Zählungen von Photonen zusammen mit Informationen in Bezug auf eine Adresse der Lichtempfangsschaltung speichern. Die Steuerungsschaltung 16 kann auf die Speichersektion 31 zugreifen und auf die Anzahl an Zählungen von Photonen in der Lichtempfangsschaltung (dem Pixel) an jeder Adresse Bezug nehmen.
Eine Tabelle von 26 veranschaulicht ein Beispiel der Anzahl an Zählungen von Photonen in der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen (Pixel) innerhalb des SPAD-Arrays 11. Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 16 Photonenzähldaten während eines vorbestimmten Zeitraums erhalten, indem alle oder zumindest einige der Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 freigegeben werden.
Die Zählerschaltung 30 kann für jede Lichtempfangsschaltung wie im Beispiel in 25 vorbereitet sein. Jedoch kann eine Zählerschaltung von einer Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen gemeinsam genutzt werden. Beispielsweise kann eine einzige Zählerschaltung die Anzahl an Photonen, die in einer Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen detektiert werden, zählen. In diesem Fall kann die Zählerschaltung die Gesamtzahl von Photonen zählen, die in der Vielzahl von Lichtempfangsschaltungen (Pixeln) detektiert werden, mit denen die Zählerschaltung gekoppelt ist. Alternativ dazu kann die Zählerschaltung die Anzahl an Photonen detektieren, die in jeder der Lichtempfangsschaltungen (Pixeln) detektiert werden.
Das Register 17 der Steuerungsschaltung 16 kann als die oben beschriebene Speichersektion 31 genutzt werden. Alternativ dazu kann die Speichersektion 31 jeder beliebige andere flüchtige Speicher, nicht-flüchtiger Speicher oder eine Speichervorrichtung sein. Ein Beispiel des nicht-flüchtigen Speichers ist ein NOR-Flash-Speicher, ein NAND-Flash-Speicher, resistiver Direktzugriffsspeicher (engl.: resistance random access memory) oder ein magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher. Außerdem ist ein Beispiel des nicht-flüchtigen Speichers ein SRAM oder ein DRAM. Ein Beispiel der Speichervorrichtung ist ein Festplattenlaufwerk, ein Magnetband oder eine optische Platte. Der Typ des Speichers/der Speichervorrichtung, der in der Speichersektion 31 genutzt wird, ist jedoch nicht spezifiziert.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass ein Teil von Komponenten der Lichtempfangsvorrichtung in 25 der zweckmäßigen Erläuterung halber weggelassen ist. Dementsprechend kann die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner eine Komponente wie beispielsweise in 2, 15 und 18 veranschaulicht enthalten.
Ein Flussdiagramm von 27 veranschaulicht ein Beispiel des Makropixel einstellenden Prozesses. Beschrieben wird im Folgenden der Prozess mit Verweis auf das Flussdiagramm von 27.
Die Steuerungsschaltung 16 gibt zunächst das Pixel frei, das ein Ziel für eine Photonenzählung innerhalb des SPAD-Arrays 11 ist (Schritt S101). In Schritt S101 kann die Steuerungsschaltung 16 all die Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 oder einen Teil der Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 freigeben. Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 16 das Pixel freigeben, das eine optisch nicht abgeschirmte obere Oberfläche aufweist und auf das das reflektierte Licht RL wahrscheinlich fällt bzw. trifft. Jedoch ist ein Umfang von in Schritt S101 freizugebenden Pixeln nicht begrenzt. Falls der Makropixel einstellende Prozess zu einer Vielzahl von Zeitpunkten in Teilen durchgeführt werden soll, kann die Steuerungsschaltung 16 einen Teil aufgeteilter Regionen innerhalb des SPAD-Arrays 11 freigeben.
Die Lichtempfangsvorrichtung führt dann eine Photonenzählung während eines vorbestimmten Zeitraums durch und detektiert Position und Umfang eines Punktlichts (Schritt S102). Die Photonenzählung wird während des vorbestimmten Zeitraums durchgeführt, und Photonenzähldaten (zum Beispiel 26) werden in der Speichersektion 31 gespeichert. Die Länge des Zeitraums, in dem die Photonenzählung durchgeführt werden soll, ist nicht spezifiziert. Die Steuerungsschaltung 16 kann bestimmen, dass ein Punktlicht auf das Pixel fällt, bei dem die Anzahl an Zählungen von Photonen eine Schwelle th in Schritt S102 überschreitet. Im Beispiel 26 wird 250 als die Schwelle th verwendet. Die von der Steuerungsschaltung 16 verwendete Schwelle th ist nicht notwendigerweise ein fester Wert.
Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 16 die Schwelle th gemäß der Anzahl an Zählungen innerhalb der Photonenzähldaten so einstellen, dass zusammenhängende Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 als freizugebende Pixel (ein Makropixel) ausgewählt werden können. Es sollte besonders erwähnt werden, dass angenommen wird, dass ein Pixel mit einer geringen Anzahl an Zählungen hauptsächlich mit einem Photon eines Hintergrundlichts (eines Störlichts) reagiert.
Als Nächstes identifiziert die Steuerungsschaltung 16 die Adresse des Pixels entsprechend dem Punktlicht (Schritt S103). Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 16 die Adresse des Pixels identifizieren, bei dem die Anzahl an Zählungen die Schwelle th überschreitet. Im Beispiel in 26 identifiziert die Steuerungsschaltung 16 ein Makropixel MP9 entsprechend einer zusammenhängenden Pixel-Region, in der die Anzahl an Zählungen in Schritt S103 die Schwelle th innerhalb des SPAD-Arrays 11 überschreitet.
Am Ende gibt die Steuerungsschaltung 16 das dem Punktlicht entsprechende Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 frei und sperrt den Rest der Pixel (Schritt S104). Im Beispiel in 26 kann die Steuerungsschaltung 16 die dem Makropixel MP9 entsprechenden Pixel freigeben und den Rest der Pixel sperren. Es sollte besonders erwähnt werden, dass die Steuerungsschaltung 16 eine der Formen eines Makropixels, die vorher definiert werden, entsprechend einer Verteilung der Pixel auswählen kann, bei denen die Anzahl an Zählungen die Schwelle th überschreitet, und die der Form entsprechenden Pixel freigeben kann.
Die Steuerungsschaltung 16 kann die Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 mittels beispielsweise des Verfahrens freigeben/sperren, das in der obigen Erläuterung der Empfangsschaltungen 20 und 20A beschrieben wurde. Jedoch können die Pixel durch jedes beliebige andere Verfahren freigegeben/gesperrt werden. Die Lichtempfangsvorrichtung kann dafür konfiguriert sein, die einzelnen Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 freizugeben/zu sperren. Alternativ dazu kann die Lichtempfangsvorrichtung die Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11 in Einheiten einer Gruppe bzw. gruppenweise freigeben/sperren.
26 veranschaulicht einen Teil der Pixel innerhalb des SPAD-Arrays 11. 26 veranschaulicht somit mit Ausnahme des Makropixels MP9 kein Makropixel. Selbstverständlich kann jedoch die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl von Makropixeln gleichzeitig einstellen bzw. festlegen. In einer Region, die die Nähe einer Peripherie des SPAD-Arrays 11 einschließt, kann ein Makropixel mit einer Position, einer Größe oder einer Form, die einer Punkt-Aberration entspricht, eingestellt werden, indem das Flussdiagramm von 27 ausgeführt wird.
Beispielsweise kann der Prozess des Flussdiagramms von 27 (1) während einer Einstellung vor dem Versand der Lichtempfangsvorrichtung, (2) wenn die Lichtempfangsvorrichtung eingeschaltet wird, (3) wenn ein Nutzer einen Testbefehl während eines Betriebs der Lichtempfangsvorrichtung gibt oder (4) in einem vorbestimmten Zyklus während eines Betriebs der Lichtempfangsvorrichtung durchgeführt werden. Das innerhalb des SPAD-Arrays 11 freigegebene Pixel und das Punktlicht werden durch einen Faktor wie etwa eine Änderung eines Bauteils aufgrund von Vibration, Stoß oder Temperatur oder einer Änderung in einem Bauteil im Laufe der Zeit nach dem Versand des Produkts wahrscheinlich fehlausgerichtet bzw. dejustiert. Dementsprechend kann eine Reduzierung der Entfernungsmessleistung verhindert werden, indem der Prozess des Flussdiagramms von 27 zu den oben beschriebenen Zeitpunkten (2) bis (4) durchgeführt wird.
Die Konfiguration der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird hier strukturiert.
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Lichtdetektor-Array, in dem eine Vielzahl der oben beschriebenen Lichtempfangsschaltungen angeordnet ist, und eine Steuerungsschaltung enthalten, die dafür konfiguriert ist, einen Zustand einer Latch-Schaltung in zumindest einer der Lichtempfangsschaltungen innerhalb des Lichtdetektor-Arrays zu ändern. Das oben beschriebene SPAD-Array 11 ist ein Beispiel des Lichtdetektor-Arrays.
Außerdem kann die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner eine Zählerschaltung enthalten, die dafür konfiguriert ist, die Anzahl an von zumindest einer der Lichtempfangsschaltungen innerhalb des Lichtdetektor-Arrays ausgegebenen Impulsen zu zählen. Die Steuerungsschaltung kann dafür konfiguriert sein, den Zustand der Latch-Schaltung auf der Basis der Anzahl an Impulsen zu ändern. Außerdem kann die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert sein, die Latch-Schaltung der Lichtempfangsschaltung, bei der die gezählte Anzahl an Impulsen eine Schwelle überschreitet, in einen ausgewählten Zustand (freigegeben) zu versetzen und die Latch-Schaltung der Lichtempfangsschaltung, bei der die gezählte Anzahl an Impulsen gleich der oder geringer als die Schwelle ist, in einen nicht ausgewählten Zustand (gesperrt) zu versetzen.
Darüber hinaus kann die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner einen TDC enthalten. Eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen kann über eine gemeinsame Zuleitung miteinander verbunden und über ein verdrahtetes ODER bzw. eine verdrahtete ODER-Verknüpfung mit dem TDC gekoppelt sein. Außerdem kann eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen, die innerhalb des Lichtdetektor-Arrays einander nicht benachbart sind, über eine gemeinsame Zuleitung verbunden sein. Die oben beschriebene Signalleitung PXOUT ist ein Beispiel der Zuleitung.
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Lichtdetektor-Array, eine Zählerschaltung und eine Steuerungsschaltung umfassen. Das Lichtdetektor-Array kann eine Vielzahl von Pixeln enthalten, die jeweils dafür konfiguriert sind, als Antwort auf eine Reaktion eines Lichtdetektors mit einem Photon einen Impuls auszugeben. Die Zählerschaltung ist dafür konfiguriert, einen von zumindest einem der Pixel des Lichtdetektor-Arrays ausgegebenen Impuls zu zählen. Die Steuerungsschaltung ist dafür konfiguriert, aus dem Lichtdetektor-Array eines der Pixel, das freigegeben werden soll, und eines der Pixel, das gesperrt werden soll, auf der Basis der Anzahl an Zählungen von durch die Zählerschaltung gezählten Impulsen auszuwählen.
Darüber hinaus kann die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert sein, innerhalb des Lichtdetektor-Arrays eines der Pixel, bei dem die Anzahl an Zählungen von Impulsen eine Schwelle überschreitet, freizugeben und eines der Pixel, bei dem die Anzahl an Zählungen von Impulsen gleich der oder geringer als die Schwelle ist, zu sperren.
Außerdem kann die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner einen TDC enthalten. Eine Vielzahl der Pixel kann über eine gemeinsame Zuleitung miteinander verbunden und über ein verdrahtetes ODER mit dem TDC gekoppelt sein. Eine Vielzahl der Pixel, die innerhalb des Lichtdetektor-Arrays einander nicht benachbart sind, kann über eine gemeinsame Zuleitung verbunden sein. Der TDC kann mit einer Vielzahl der Pixel in einer geradzahligen Spalte oder welchen der Pixel in einer ungeradzahligen Spalte gekoppelt sein. Eine Vielzahl von Zuleitungen kann über ein ODER-Gatter mit dem TDC gekoppelt sein.
Außerdem kann die Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner eine Oneshot-Schaltung enthalten, die zumindest entweder zwischen die Pixel oder zwischen einen Eingangsanschluss des ODER-Gatters und die Pixel gekoppelt ist. Die Oneshot-Schaltung kann ein UND-Gatter und eine mit einem der Eingangsanschlüsse des UND-Gatters gekoppelte Inverter-Kette enthalten.
Der Lichtdetektor des Lichtdetektor-Arrays kann eine Lawinen-Fotodiode umfassen. Außerdem kann die Lawinen-Fotodiode dafür konfiguriert sein, im Geiger-Modus zu arbeiten, und die Pixel im Lichtdetektor-Array können jeweils eine Lösch-Schaltung enthalten.
Beim Durchführen einer Entfernungsmessung mit einem großen Sichtfeld (FOV) verschlechtert sich aufgrund von Beschränkungen eines optischen Systems eine Abbildungsleistung in der Nähe einer Peripherie des Sichtfeldes. Dies reduziert die Lichtmenge, die in der Nähe einer Peripherie des Lichtdetektor-Arrays einfällt, verglichen mit einem zentralen Bereich des Lichtdetektor-Arrays, wobei ein Punktdurchmesser eines reflektierten Lichts vergrößert wird. Falls ein effektives Pixel oder ein freigegebenes Pixel im Lichtdetektor-Array auf ein Pixel an einer vorbestimmten Position und einer vorbestimmten Region innerhalb des Lichtdetektor-Array fixiert ist, wird eine Entfernungsmessleistung, die eine Entfernungsmessgenauigkeit und einen maximalen Abstand für eine Entfernungsmessung umfasst, reduziert.
In der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung stellen die Lichtempfangsschaltungen, die eine Freigabe/Sperre durchführen können, die Pixel im Lichtdetektor-Array bereit. Dies macht es möglich, ein Makropixel festzulegen bzw. einzustellen, indem eines der Pixel entsprechend der Position, Form und Größe eines einem einfallenden reflektierten Licht entsprechenden Punktlichts freigegeben wird. Dies ermöglicht, einen Einfluss von Hintergrundlicht (Störlicht) zu minimieren, um einen Helligkeitsdynamikbereich und einen Abstand, wo eine Entfernungsmessung möglich ist, zu vergrößern. Mit anderen Worten ist es aufgrund der Verwendung der Lichtempfangsvorrichtung und der Lichtempfangsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich, eine Entfernungsmessung über einen großen Abstand mit einem großen Sichtfeld (FOV) durchzuführen.
Darüber hinaus kann in der Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl der Pixel (der Lichtempfangsschaltungen) deren nachgeschalteten TDC gemeinsam nutzen. Da die Pixel einander nicht benachbart sind und deren nachgeschalteten TDC gemeinsam nutzen, ist es beispielsweise möglich, die notwendige Anzahl an TDCs zu reduzieren, selbst wenn die Anzahl an in einem Makropixel enthaltenen Pixeln erhöht wird. Dies macht es möglich, eine Entfernungsmessleistung aufrechtzuerhalten und Aufwände wie etwa Schaltungsgröße zu reduzieren.
Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung (die vorliegende Technologie) kann für eine Vielzahl von Produkten verwendet werden. Beispielsweise kann die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung als eine Vorrichtung realisiert werden, die in einer beliebigen Art von sich bewegendem Körper darunter einem Automobil, einem Elektrofahrzeug, einem Hybrid-Elektrofahrzeug, einem Motorrad, einem Fahrrad, einer Einrichtung für persönliche Mobilität, einem Flugzeug, einer Drohne, einem Schiff, einem Roboter und dergl4eichne montiert werden kann.
28 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer schematischen Konfiguration eines Fahrzeugsteuerungssystems als ein Beispiel eines Systems zur Steuerung beweglicher Körper veranschaulicht, für das die Technologie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann.
Das Fahrzeugsteuerungssystem 12000 umfasst eine Vielzahl elektronischer Steuereinheiten, die über ein Kommunikationsnetzwerk 12001 miteinander verbunden sind. In dem in 28 dargestellten Beispiel umfasst das Fahrzeugsteuerungssystem 12000 eine Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010, eine Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020, eine Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs, eine Einheit 12040 zur Detektion von Information im Fahrzeug und eine integrierte Steuereinheit 12050. Außerdem sind als eine funktionale Konfiguration der integrierten Steuereinheit 12050 ein Mikrocomputer 12051, eine Ton/Bild-Ausgabesektion 12052 und eine Schnittstelle (I/F) 12053 des im Fahrzeug montierten Netzwerks veranschaulicht.
Die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 steuert gemäß verschiedenen Arten von Programmen die Operation von Vorrichtungen in Bezug auf das Antriebssystem des Fahrzeugs. Beispielsweise dient die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 als Steuerungsvorrichtung für eine Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft des Fahrzeugs wie etwa einen Verbrennungsmotor, einen Antriebsmotor oder dergleichen, einen Antriebskraft-Übertragungsmechanismus, um die Antriebskraft auf Räder zu übertragen, einen Lenkmechanismus, um den Lenkwinkel des Fahrzeugs einzustellen, eine Bremsvorrichtung, um die Bremskraft des Fahrzeugs zu erzeugen, und dergleichen.
Die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 steuert die Operation verschiedener Arten von Vorrichtungen, die an einer Fahrzeugkarosserie vorgesehen sind, gemäß verschiedenen Arten von Programmen. Beispielsweise dient die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 als Steuerungsvorrichtung für ein schlüsselloses Zugangssystem, ein System für intelligente Schlüssel, eine automatische Fenstervorrichtung oder verschiedene Arten von Leuchten wie etwa einen Frontscheinwerfer, einen Heckscheinwerfer, eine Bremsleuchte, ein Fahrtrichtungssignal, eine Nebelleuchte oder dergleichen. In diesem Fall können Funkwellen, die von einer mobilen Vorrichtung als Alternative zu einem Schlüssel gesendet werden, oder Signale verschiedener Arten von Schaltern in die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 eingespeist werden. Die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 empfängt diese eingespeisten Funkwellen oder Signale und steuert eine Türverriegelungsvorrichtung, die automatische Fenstervorrichtung, die Leuchten oder dergleichen des Fahrzeugs.
Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs detektiert Information über die äußere Umgebung des das Fahrzeugsteuerungssystem 12000 enthaltenden Fahrzeugs. Beispielsweise ist die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs mit einer Bildgebungssektion 12031 verbunden. Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs veranlasst die Bildgebungssektion 12031, ein Bild der äußeren Umgebung des Fahrzeugs aufzunehmen, und empfängt das aufgenommene Bild. Die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs kann auf der Basis des empfangenen Bildes eine Verarbeitung zum Detektieren eines Objekts wie etwa einer Person, eines Wagens, eines Hindernisses, eines Verkehrsschilds, eines Zeichens auf einer Straßenoberfläche oder dergleichen oder eine Verarbeitung zum Detektieren eines Abstands dazu ausführen.
Die Bildgebungssektion 12031 ist ein optischer Sensor, der Licht empfängt und der entsprechend einer empfangenen Lichtmenge des Lichts ein elektrisches Signal abgibt. Die Bildgebungssektion 12031 kann auch das elektrische Signal als Bild ausgeben oder kann das elektrische Signal als Information über einen gemessenen Abstand abgeben. Außerdem kann das von der Bildgebungssektion 12031 empfangene Licht sichtbares Licht sein oder kann unsichtbares Licht wie etwa Infrarotstrahlen oder dergleichen sein.
Die Einheit 12040 zur Detektion von Information im Fahrzeug detektiert Information über das Innere bzw. aus dem Inneren des Fahrzeugs. Die Einheit 12040 zur Detektion von Information im Fahrzeug ist zum Beispiel mit einer Sektion 12041 zur Detektion eines Fahrerzustands verbunden, die den Zustand eines Fahrers detektiert. Die Sektion 12041 zur Detektion eines Fahrerzustands umfasst zum Beispiel eine Kamera, die den Fahrer aufnimmt. Die Einheit 12040 zur Detektion von Information im Fahrzeug kann auf der Basis einer von der Sektion 12041 zur Detektion eines Fahrerzustands eingegebenen Detektionsinformation einen Ermüdungsgrad des Fahrers oder einen Konzentrationsgrad des Fahrers berechnen oder kann bestimmen, ob der Fahrer eindöst.
Der Mikrocomputer 12051 kann einen Steuerungszielwert für die Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, den Lenkmechanismus oder die Bremsvorrichtung auf der Basis der Information über das Innere oder die äußere Umgebung des Fahrzeugs berechnen, welche Information durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs oder die Einheit 12040 zur Detektion von Information im Fahrzeug erhalten wird, und kann einen Steuerungsbefehl an die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 ausgeben. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung durchführen, die dazu gedacht ist, Funktionen eines fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystems (ADAS) zu realisieren, dessen Funktionen eine Vermeidung einer Kollision oder Aufprallabschwächung für das Fahrzeug, eine Nachfolgefahrt basierend auf einem Folgeabstand, eine Fahrt bei konstanter Geschwindigkeit, eine Warnung vor einer Kollision des Fahrzeugs, eine Warnung vor einer Spurabweichung des Fahrzeugs oder dergleichen einschließen.
Außerdem kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung ausführen, die für automatisches Fahren gedacht ist, die das Fahrzeug, ohne von einem Eingriff des Fahrers oder dergleichen abhängig zu sein, autonom fahren lässt, indem die Antriebskraft-Erzeugungsvorrichtung, der Lenkmechanismus, die Bremsvorrichtung oder dergleichen auf der Basis der Information über die äußere Umgebung oder das Innere des Fahrzeugs gesteuert werden, welche Information durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs oder die Einheit 12040 zur Detektion von Information im Fahrzeug erhalten wird.
Der Mikrocomputer 12051 kann außerdem einen Steuerungsbefehl an die Karosseriesystem-Steuerungseinheit 12020 auf der Basis der Information über die äußere Umgebung des Fahrzeugs ausgeben, welche Information durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs erhalten wird. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung ausführen, die dazu gedacht ist, eine Blendung zu verhindern, indem die Frontleuchte gemäß der Position eines vorausfahrenden Fahrzeugs oder eines entgegenkommenden Fahrzeugs, das durch die Einheit 12030 zur Detektion von Information von außerhalb des Fahrzeugs detektiert wird, gesteuert wird, um von Fernlicht auf Abblendlicht umzuschalten.
Die Ton/Bild-Ausgabesektion 12052 überträgt ein Ausgangssignal eines Tons und/oder eines Bildes an eine Ausgabevorrichtung, die eine Information einem Insassen des Fahrzeugs oder der äußeren Umgebung des Fahrzeugs optisch oder akustisch übermitteln kann. Im Beispiel von 28 sind als die Ausgabevorrichtung ein Lautsprecher 12061, eine Anzeigesektion 12062 und ein Armaturenbrett 12063 angegeben. Die Anzeigesektion 12062 kann beispielsweise eine bordeigene Anzeige und/oder ein Head-Up-Display umfassen.
29 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Installationsposition der Bildgebungssektion 12031 veranschaulicht.
In 29 umfasst Fahrzeug 12100 Bildgebungssektionen 12101, 12102, 12103, 12104 und 12105 als die Bildgebungssektion 12031.
Die Bildgebungssektionen 12101, 12102, 12103, 12104 und 12105 sind beispielsweise an Positionen an einer Frontpartie, von Seitenspiegeln, einer hinteren Stoßstange und einer Hecktür, des Fahrzeugs 12100 sowie einer Position an einem oberen Teil einer Windschutzscheibe im Inneren des Fahrzeugs angeordnet. Die an der Frontpartie vorgesehene Bildgebungssektion 12101 und die am oberen Teil der Windschutzscheibe im Inneren des Fahrzeugs vorgesehene Bildgebungssektion 12105 erhalten vorwiegend ein Bild von vor dem Fahrzeug 12100. Die an den Seitenspiegeln vorgesehenen Bildgebungssektionen 12102 und 12103 erhalten vorwiegend ein Bild von den Seiten des Fahrzeugs 12100. Die an der hinteren Stoßstange oder der Hecktür vorgesehene Bildgebungssektion 12104 erhält vorwiegend ein Bild von hinter dem Fahrzeug 12100. Das Bild voraus bzw. nach vorne, das mittels der Bildgebungssektionen 12101 und 12105 erhalten wird, wird vorwiegend genutzt, um ein vorausfahrendes Fahrzeug, einen Fußgänger, ein Hindernis, eine Verkehrsampel, ein Verkehrszeichen, eine Fahrspur oder dergleichen zu detektieren.
Im Übrigen stellt 29 ein Beispiel von Fotografierbereichen der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 dar. Ein Abbildungsbereich 12111 repräsentiert den Abbildungsbereich der an der Frontpartie vorgesehenen Bildgebungssektion 12101. Abbildungsbereiche 12112 und 12113 repräsentieren die Abbildungsbereiche der an den Seitenspiegeln vorgesehenen Bildgebungssektionen 12102 bzw. 12103. Ein Abbildungsbereich 12114 repräsentiert den Abbildungsbereich der an der hinteren Stoßstange oder der Hecktür vorgesehenen Bildgebungssektion 12104. Beispielsweise wird ein Bild aus der Vogelperspektive des Fahrzeugs 12100, wie es von oben gesehen wird, erhalten, indem beispielsweise durch die Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 abgebildete Bilddaten aufeinander gelegt werden.
Zumindest eine der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 kann eine Funktion zum Erhalten einer Abstandsinformation aufweisen. Beispielsweise kann zumindest eine der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 eine Stereokamera sein, die aus einer Vielzahl von Bildgebungselementen aufgebaut ist, oder kann ein Bildgebungselement sein, das Pixel für eine Detektion von Phasendifferenzen enthält.
Der Mikrocomputer 12051 kann beispielsweise einen Abstand zu jedem dreidimensionalen Objekt innerhalb der Abbildungsbereiche 12111 bis 12114 und eine zeitliche Änderung des Abstands (Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Fahrzeug 12100) auf der Basis der von den Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 erhaltenen Abstandsinformation bestimmen und dadurch insbesondere als ein vorausfahrendes Fahrzeug ein nächstgelegenes dreidimensionales Objekt extrahieren, das sich auf einem Fahrweg des Fahrzeugs 12100 befindet und das mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit (zum Beispiel gleich 0 km/h oder höher) in im Wesentlichen der gleichen Richtung wie das Fahrzeug 12100 fährt. Ferner kann der Mikrocomputer 12051 einen beizubehaltenden Folgeabstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug vorher festlegen und eine automatische Bremssteuerung (einschließlich einer Nachfolge-Stopp-Steuerung), eine automatische Beschleunigungssteuerung (einschließlich einer Nachfolge-Start-Steuerung) oder dergleichen durchführen. Folglich ist es möglich, eine kooperative Steuerung auszuführen, die für automatisches Fahren gedacht ist, was das Fahrzeug, ohne vom Eingriff des Fahrers oder dergleichen abhängig zu sein, autonom fahren lässt.
Der Mikrocomputer 12051 kann zum Beispiel dreidimensionale Objektdaten über dreidimensionale Objekte in dreidimensionale Objektdaten eines zweirädrigen Fahrzeugs, eines Fahrzeugs üblicher Größe, eines großen Fahrzeugs, eines Fußgängers, eines Telefonmasten und andere dreidimensionale Objekte auf der Basis der Abstandsinformation klassifizieren, die von den Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 erhalten werden, die klassifizierten dreidimensionalen Objektdaten extrahieren und die extrahierten dreidimensionalen Objekten zum automatischen Ausweichen eines Hindernisses nutzen. Beispielsweise identifiziert der Mikrocomputer 12051 Hindernisse um das Fahrzeug 12100 als Hindernisse, die der Fahrer des Fahrzeugs 12100 optisch erkennen kann, und Hindernisse, die für den Fahrer des Fahrzeugs 12100 optisch schwer zu erkennen sind. Der Mikrocomputer 12051 bestimmt dann ein Kollisionsrisiko, das ein Risiko einer Kollision mit jedem Hindernis angibt. In einer Situation, in der das Kollisionsrisiko gleich einem eingestellten Wert oder höher ist und somit eine Möglichkeit einer Kollision besteht, gibt der Mikrocomputer 12051 über den Lautsprecher 12061 oder die Anzeigesektion 12062 eine Warnung an den Fahrer aus und führt über die Antriebssystem-Steuerungseinheit 12010 eine erzwungene Abbremsung oder Ausweichlenkbewegung durch. Der Mikrocomputer 12051 kann dadurch beim Fahren unterstützen, um eine Kollision zu vermeiden.
Zumindest eine der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 kann eine Infrarotkamera sein, die Infrarotstrahlen detektiert. Beispielsweise kann der Mikrocomputer 12051 einen Fußgänger erkennen, indem bestimmt wird, ob sich in aufgenommenen Bildern der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 ein Fußgänger befindet oder nicht. Eine solche Erkennung eines Fußgängers wird beispielsweise mittels einer Prozedur zum Extrahieren charakteristischer Punkte in den aufgenommenen Bildern der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 als Infrarotkameras und einer Prozedur, um zu bestimmen, ob es der Fußgänger ist oder nicht, indem eine Verarbeitung zum Musterabgleich an einer Reihe charakteristischer Punkte durchgeführt wird, die die Kontur des Objekts angeben. Wenn der Mikrocomputer 12051 bestimmt, dass es in den aufgenommenen Bildern der Bildgebungssektionen 12101 bis 12104 einen Fußgänger gibt, und somit den Fußgänger erkennt, steuert die Ton/Bild-Ausgabesektion 12052 die Anzeigesektion 12062, so dass eine viereckige Konturlinie zur Hervorhebung so angezeigt wird, dass sie dem erkannten Fußgänger überlagert wird. Die Ton/Bild-Ausgabesektion 12052 kann auch die Anzeigesektion 12062 so steuern, dass ein Symbol oder dergleichen, das den Fußgänger repräsentiert, an einer gewünschten Position angezeigt wird.
Oben wurde hierin ein Beispiel eines Fahrzeugsteuerungssystems beschrieben, für das die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendbar ist. Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung ist unter den oben erläuterten Komponenten für beispielsweise die Bildgebungssektion 12031 verwendbar. Konkret kann die Bildgebungssektion 12031 mit der oben beschriebenen Lichtempfangsschaltung, Lichtempfangsvorrichtung oder Entfernungsmessvorrichtung ausgestattet sein. Durch die Anwendung der Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung auf die Bildgebungssektion 12031 können genaue Abstandsinformationen über ein großes FOV (Sichtfeld) erhalten werden und die Funktionalität und Sicherheit des Fahrzeugs 12100 verbessert werden.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass die vorliegende Technologie die folgenden Konfigurationen einnehmen kann.
(1)
Eine Lichtempfangsvorrichtung, aufweisend:

ein Lichtdetektor-Array, das eine Vielzahl von Pixeln enthält, die jeweils dafür konfiguriert sind, als Antwort auf eine Reaktion eines Lichtdetektors mit einem Photon einen Impuls auszugeben;
eine Zählerschaltung, die dafür konfiguriert ist, den von zumindest einem der Pixel des Lichtdetektor-Arrays ausgegebenen Impuls zu zählen; und
eine Steuerungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, aus dem Lichtdetektor-Array eines der Pixel, das freigegeben werden soll, und eines der Pixel, das gesperrt werden soll, auf der Basis der Anzahl an Zählungen des Impulses von der Zählerschaltung auszuwählen.

(2)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (1), worin die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert ist, innerhalb des Lichtdetektor-Arrays eines der Pixel freizugeben, bei dem die Anzahl an Zählungen des Impulses eine Schwelle überschreitet, und eines der Pixel zu sperren, bei dem die Anzahl an Zählungen des Impulses gleich der oder geringer als die Schwelle ist.
(3)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (1) oder (2), ferner aufweisend:

einen TDC, worin
eine Vielzahl der Pixel über eine gemeinsame Zuleitung miteinander verbunden und über ein verdrahtetes ODER mit dem TDC gekoppelt ist.

(4)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (3), worin eine Vielzahl der Pixel, die innerhalb des Lichtdetektor-Arrays einander nicht benachbart sind, über die gemeinsame Zuleitung verbunden sind.
(5)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (3) oder (4), worin der TDC mit einer Vielzahl der Pixel in einer geradzahligen Spalte oder der Pixel in einer ungeradzahligen Spalte gekoppelt ist.
(6)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß einem von (1) bis (3), worin

eine Vielzahl der Zuleitungen über ein ODER-Gatter mit dem TDC gekoppelt ist.

(7)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (6), ferner aufweisend:

eine Oneshot-Schaltung, die zumindest entweder zwischen die Pixel oder zwischen einen Eingangsanschluss des ODER-Gatters und die Pixel gekoppelt ist.

(8)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (7), worin

die Oneshot-Schaltung ein UND-Gatter und eine mit einem der Eingangsanschlüsse des UND-Gatters gekoppelte Inverter-Kette enthält.

(9)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß einem von (1) bis (8), worin

der Lichtdetektor des Lichtdetektor-Arrays eine Lawinen-Fotodiode enthält.

(10)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (9), worin

die Lawinen-Fotodiode dafür konfiguriert ist, in einem Geiger-Modus zu arbeiten, und die Pixel im Lichtdetektor-Array jeweils eine Löschschaltung enthalten.

(11)
Eine Lichtempfangsschaltung, aufweisend:

einen Lichtdetektor;
ein Lastelement, das zwischen den Lichtdetektor und ein erstes Referenzpotential gekoppelt ist;
eine Latch-Schaltung, die dafür konfiguriert ist, eine einem Zustand entsprechende erste Spannung abzugeben; und
einen ersten Inverter, der dafür konfiguriert ist, als Antwort auf eine an einen Steuerungsanschluss angelegte zweite Spannung eingeschaltet zu werden und eine Ausgangsspannung des Lichtdetektors zu invertieren und abzugeben, worin
die an den Steuerungsanschluss anzulegende zweite Spannung entsprechend der ersten Spannung variabel ist.

(12)
Die Lichtempfangsschaltung gemäß (11), ferner aufweisend:

ein UND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Freigabeleitung gekoppelt ist, und einem Ausgangsanschluss, der mit dem Steuerungsanschluss des ersten Inverters gekoppelt ist.

(13)
Die Lichtempfangsschaltung gemäß (11), ferner aufweisend:

ein NAND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgansseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, und einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Freigabeleitung gekoppelt ist; und
einen zweiten Inverter, der zwischen das NAND-Gatter und den Steuerungsanschluss gekoppelt ist.

(14)
Die Lichtempfangsschaltung gemäß (11), ferner aufweisend:

ein NAND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, und einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Freigabeleitung gekoppelt ist;
einen ersten Transistor eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der erste Transistor zwischen das erste Referenzpotential und das Lastelement gekoppelt ist und als Antwort auf eine Ausgangsspannung des NAND-Gatters eingeschaltet wird;
einen zweiten Transistor eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei der zweite Transistor zwischen eine Ausgangsseite des Lichtdetektors und ein zweites Referenzpotential gekoppelt ist und als Antwort auf die Ausgangsspannung des NAND-Gatters eingeschaltet wird; und
einen zweiten Inverter, der zwischen einen Ausgangsanschluss des NAND-Gatters und den Steuerungsanschluss des ersten Inverters gekoppelt ist.

(15)
Die Lichtempfangsschaltung gemäß einem von (11) bis (14), worin

der Lichtdetektor eine Lawinen-Fotodiode enthält.

(16)
Eine Lichtempfangsvorrichtung, aufweisend:

ein Lichtdetektor-Array, bei dem eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen gemäß einem von (11) bis (15) angeordnet ist; und
eine Steuerungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, den Zustand der Latch-Schaltung von zumindest einer der Lichtempfangsschaltungen innerhalb des Lichtdetektor-Arrays zu ändern.

(17)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (16), ferner aufweisend:

eine Zählerschaltung, die dafür konfiguriert ist, die Anzahl an Impulsen zu zählen, die von zumindest einer der Lichtempfangsschaltungen innerhalb des Lichtdetektor-Arrays ausgegeben werden, worin
die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert ist, den Zustand der Latch-Schaltung auf der Basis der Anzahl an Impulsen zu ändern.

(18)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (17), worin

die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert ist, die Latch-Schaltung von einer der Lichtempfangsschaltungen, bei der die gezählte Anzahl an Impulsen eine Schwelle überschreitet, in einen ausgewählten Zustand zu versetzen und die Latch-Schaltung von einer der Lichtempfangsschaltungen, bei der die gezählte Anzahl an Impulsen gleich der oder geringer als die Schwelle ist, in einen nicht ausgewählten Zustand zu versetzen.

(19)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß einem von (16) bis (18), ferner aufweisend:

einen TDC, worin
eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen über eine gemeinsame Zuleitung miteinander verbunden und über ein verdrahtetes ODER mit dem TDC gekoppelt ist.

(20)
Die Lichtempfangsvorrichtung gemäß (19), worin

eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen, die innerhalb des Lichtdetektor-Arrays einander nicht benachbart sind, über die gemeinsame Zuleitung verbunden ist.

(21)
Eine Entfernungsmessvorrichtung, aufweisend:

eine Array-Lichtquelle, die eine Vielzahl von in einem Array angeordneten lichtemittierenden Elementen enthält;
ein Lichtdetektor-Array, das eine Vielzahl von Pixeln enthält, die jeweils dafür konfiguriert sind, als Antwort auf eine Reaktion eines Lichtdetektors mit einem Photon einen Impuls auszugeben; und
eine Steuerungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, eine Ausgabe des Impulses von zumindest einem der Pixel des Lichtdetektor-Arrays freizugeben oder zu sperren; und
eine Zählerschaltung, die dafür konfiguriert ist, den von dem zumindest einen der Pixel des Lichtdetektor-Arrays ausgegebenen Impuls zu zählen, worin
die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert ist, im Lichtdetektor-Array eines der Pixel, das freigegeben werden soll, und eines der Pixel, das gesperrt werden soll, auf der Basis der Anzahl an Zählungen des Impulses von der Zählerschaltung zu bestimmen.

Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen einzelnen Ausführungsformen beschränkt; er schließt verschiedene Modifikationen ein, die für den Fachmann denkbar sind, und die Effekte der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die oben beschriebenen Effekte beschränkt. Mit anderen Worten sind verschiedene Hinzufügungen, Änderungen und partielle Weglassungen akzeptabel, ohne vom konzeptionellen Gedanken und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, die aus den in den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definierten Inhalten abgeleitet werden.
Bezugszeichenliste

PD: Fotodiode
1: Entfernungsmessvorrichtung
2: Lichtquellenvorrichtung
3: Kollimatorlinse
4: Kondensorlinse
5: Bandpassfilter
10, 10A: Lichtempfangsvorrichtung
11: SPAD-Array (Lichtdetektor-Array)
11P: Pixel
12: Ausleseschaltung
13A: TDC
16: Steuerungsschaltung
20, 20A: Lichtempfangsschaltung
21: Latch-Schaltung
22: NAND-Gatter
23, 24: Inverter
30: Zählerschaltung
31: Speichersektion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201932305 [0003]

Claims

Lichtempfangsvorrichtung, aufweisend: ein Lichtdetektor-Array, das eine Vielzahl von Pixeln enthält, die jeweils dafür konfiguriert sind, als Antwort auf eine Reaktion eines Lichtdetektors mit einem Photon einen Impuls auszugeben; eine Zählerschaltung, die dafür konfiguriert ist, den von zumindest einem der Pixel des Lichtdetektor-Arrays ausgegebenen Impuls zu zählen; und eine Steuerungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, aus dem Lichtdetektor-Array eines der Pixel, das freigegeben werden soll, und eines der Pixel, das gesperrt werden soll, auf Basis der Anzahl an Zählungen des Impulses von der Zählerschaltung auszuwählen.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert ist, innerhalb des Lichtdetektor-Arrays eines der Pixel freizugeben, bei dem die Anzahl an Zählungen des Impulses eine Schwelle überschreitet, und eines der Pixel zu sperren, bei dem die Anzahl an Zählungen des Impulses gleich der oder geringer als die Schwelle ist.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen TDC, wobei eine Vielzahl der Pixel über eine gemeinsame Zuleitung miteinander verbunden und über ein verdrahtetes ODER mit dem TDC gekoppelt ist.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine Vielzahl der Pixel, die innerhalb des Lichtdetektor-Arrays einander nicht benachbart sind, über die gemeinsame Zuleitung verbunden sind.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der TDC mit einer Vielzahl der Pixel in einer geradzahligen Spalte oder der Pixel in einer ungeradzahligen Spalte gekoppelt ist.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine Vielzahl der Zuleitungen über ein ODER-Gatter mit dem TDC gekoppelt ist.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 6, ferner aufweisend: eine Oneshot-Schaltung, die zumindest entweder zwischen die Pixel oder zwischen einen Eingangsanschluss des ODER-Gatters und die Pixel gekoppelt ist.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Oneshot-Schaltung ein UND-Gatter und eine mit einem der Eingangsanschlüsse des UND-Gatters gekoppelte Inverter-Kette enthält.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtdetektor des Lichtdetektor-Arrays eine Lawinen-Fotodiode enthält.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Lawinen-Fotodiode dafür konfiguriert ist, in einem Geiger-Modus zu arbeiten, und die Pixel im Lichtdetektor-Array jeweils eine Löschschaltung enthalten.
Lichtempfangsschaltung, aufweisend: einen Lichtdetektor; ein Lastelement, das zwischen den Lichtdetektor und ein erstes Referenzpotential gekoppelt ist; eine Latch-Schaltung, die dafür konfiguriert ist, eine einem Zustand entsprechende erste Spannung abzugeben; und einen ersten Inverter, der dafür konfiguriert ist, als Antwort auf eine an einen Steuerungsanschluss angelegte zweite Spannung eingeschaltet zu werden und eine Ausgangsspannung des Lichtdetektors zu invertieren und abzugeben, wobei die an den Steuerungsanschluss anzulegende zweite Spannung entsprechend der ersten Spannung variabel ist.
Lichtempfangsschaltung nach Anspruch 11, ferner aufweisend: ein UND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Freigabeleitung gekoppelt ist, und einem Ausgangsanschluss, der mit dem Steuerungsanschluss des ersten Inverters gekoppelt ist.
Lichtempfangsschaltung nach Anspruch 11, ferner aufweisend: ein NAND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgansseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, und einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Freigabeleitung gekoppelt ist; und einen zweiten Inverter, der zwischen das NAND-Gatter und den Steuerungsanschluss gekoppelt ist.
Lichtempfangsschaltung nach Anspruch 11, ferner aufweisend: ein NAND-Gatter mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer Ausgangsseite der Latch-Schaltung gekoppelt ist, und einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer Freigabeleitung gekoppelt ist; einen ersten Transistor eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der erste Transistor zwischen das erste Referenzpotential und das Lastelement gekoppelt ist und als Antwort auf eine Ausgangsspannung des NAND-Gatters eingeschaltet wird; einen zweiten Transistor eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei der zweite Transistor zwischen eine Ausgangsseite des Lichtdetektors und ein zweites Referenzpotential gekoppelt ist und als Antwort auf die Ausgangsspannung des NAND-Gatters eingeschaltet wird; und einen zweiten Inverter, der zwischen einen Ausgangsanschluss des NAND-Gatters und den Steuerungsanschluss des ersten Inverters gekoppelt ist.
Lichtempfangsschaltung nach Anspruch 11, wobei der Lichtdetektor eine Lawinen-Fotodiode enthält.
Lichtempfangsvorrichtung, aufweisend: ein Lichtdetektor-Array, bei dem eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen nach Anspruch 11 angeordnet ist; und eine Steuerungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, den Zustand der Latch-Schaltung von zumindest einer der Lichtempfangsschaltungen innerhalb des Lichtdetektor-Arrays zu ändern.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 16, ferner aufweisend: eine Zählerschaltung, die dafür konfiguriert ist, die Anzahl an Impulsen zu zählen, die von zumindest einer der Lichtempfangsschaltungen innerhalb des Lichtdetektor-Arrays ausgegeben werden, wobei die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert ist, den Zustand der Latch-Schaltung auf Basis der Anzahl an Impulsen zu ändern.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Steuerungsschaltung dafür konfiguriert ist, die Latch-Schaltung von einer der Lichtempfangsschaltungen, bei der die gezählte Anzahl an Impulsen eine Schwelle überschreitet, in einen ausgewählten Zustand zu versetzen und die Latch-Schaltung von einer der Lichtempfangsschaltungen, bei der die gezählte Anzahl an Impulsen gleich der oder geringer als die Schwelle ist, in einen nicht ausgewählten Zustand zu versetzen.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 16, ferner aufweisend: einen TDC, wobei eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen über eine gemeinsame Zuleitung miteinander verbunden und über ein verdrahtetes ODER mit dem TDC gekoppelt ist.
Lichtempfangsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei eine Vielzahl der Lichtempfangsschaltungen, die innerhalb des Lichtdetektor-Arrays einander nicht benachbart sind, über die gemeinsame Zuleitung verbunden ist.