DE112022002376T5

DE112022002376T5 - Lichtempfangseinrichtung und entfernungsbestimmungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112022002376T5
Application number: DE112022002376.7T
Authority: DE
Inventors: Koichi Fukuda; Kohei Okamoto; Shunichi Wakashima; Takashi Hanasaka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2024-03-14
Also published as: GB2620898A; US20240053451A1; WO2022230521A1; GB202317275D0; JP2022168741A

Abstract

Es ist eine Lichtempfangseinrichtung mit einem großen Dynamikbereich offenbart. Die Lichtempfangseinrichtung weist ein Pixelarray auf, in dem ein erstes Pixel, das mit einem ersten optischen Bandpassfilter ausgestattet ist und eine erste Empfindlichkeit aufweist, und ein zweites Pixel, das mit einem zweiten optischen Bandpassfilter bereitgestellt ist und eine zweite Empfindlichkeit aufweist, die niedriger als die erste Empfindlichkeit ist, zweidimensional angeordnet sind. Eine volle Breite bei halbem Maximum des zweiten optischen Bandpassfilters ist schmaler als eine volle Breite bei halbem Maximum des ersten optischen Bandpassfilters.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lichtempfangseinrichtung und eine Entfernungsbestimmungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Es gibt bekannte ToF (‚Time-of-flight‘ bzw. Laufzeit)-Entfernungsbestimmungsverfahren zur Messung der Entfernung bzw. der Distanz zu einem Objekt, das Licht reflektiert hat, durch Messung einer Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem Licht ausgesendet wurde, und dem Zeitpunkt, zu dem reflektiertes Licht erfasst wurde. Die Genauigkeit der ToF-Entfernungsbestimmung hängt von der Messgenauigkeit der Zeitdifferenz ab. Um die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung zu erhöhen, muss daher die Messgenauigkeit der Zeitdifferenz erhöht werden.
Als ein Verfahren zur Erhöhung der Messgenauigkeit der Zeitdifferenz ist es denkbar, eine Verzögerungszeit vom Empfang des reflektierten Lichts bis zur Erfassung des Lichts zu verkürzen. In PTL1 werden in einem Lichtdetektor, in dem eine Vielzahl von Lichtempfangselementen zweidimensional angeordnet sind, SPADs („Single Photon Avalange Diodes“; Einzel-Photonlawinendioden) in den Lichtempfangselementen verwendet.
Jede SPAD erzeugt einen Lawinen-Strom, wenn ein Photon einfällt, da eine Lawinen-Photodiode im Geiger-Modus betrieben wird. Da eine Zeitperiode zwischen dem Einfall eines Photons und der Erzeugung eines Lawinen-Stroms kurz ist, nämlich in der Größenordnung von 10^-12 Sekunden, kann ein Zeitpunkt des Empfangs von reflektiertem Licht genau erfasst werden.
Darüber hinaus offenbart PTL2 ein Pixelarray, in dem zwei Arten von Lichtempfangselementen (SPADs) mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten angeordnet sind, um den Dynamikbereich zu vergrößern.
ZITATLISTE
PATENTLITERATUR

PTL1: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2014-081254
PTL2: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2019-190892

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Zwei Arten von SPADs, die in PTL2 verwendet werden, haben unterschiedliche physikalische Strukturen, und es werden unterschiedliche Spannungen an diese angelegt, so dass sich Eigenschaften der SPADs, wie z.B. die zeitlichen Ansprechcharakteristiken, für jede Art von SPAD unterscheiden. Aus diesem Grund ist eine erhaltene Messzeit je nach SPAD-Typ unterschiedlich, was sich nachteilig auf die Entfernungsbestimmungsgenauigkeit auswirkt. Wenn SPADs mit unterschiedlichen physikalischen Strukturen auf einem Chip hergestellt werden, besteht außerdem die Gefahr, dass der Herstellungsprozess kompliziert wird und die Eigenschaften der SPADs stark variieren.
Die vorliegende Erfindung stellt unter einem Gesichtspunkt eine neue Technologie zur Realisierung einer Lichtempfangseinrichtung mit einem großen Dynamikbereich bereit.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Lichtempfangseinrichtung gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Pixelarray, in dem ein erstes Pixel, das mit einem ersten optischen Bandpassfilter ausgestattet ist und eine erste Empfindlichkeit aufweist, und ein zweites Pixel, das mit einem zweiten optischen Bandpassfilter ausgestattet ist und eine zweite Empfindlichkeit aufweist, die niedriger als die erste Empfindlichkeit ist, zweidimensional angeordnet sind. Dabei ist eine volle Breite bei halbem Maximum des zweiten optischen Bandpassfilters schmaler als eine volle Breite bei halbem Maximum des ersten optischen Bandpassfilters.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine neue Technologie zur Realisierung einer Lichtempfangseinrichtung bereitzustellen, die einen großen Dynamikbereich aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Blockdarstellung, die eine beispielhafte funktionelle Konfiguration einer Entfernungsbestimmungsvorrichtung 100 zeigt, die eine Lichtempfangseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet.
2A ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Konfiguration einer Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
2B ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Konfiguration der Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
2C ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Konfiguration der Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
3A ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Lichtabstrahlungsmuster der Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
3B ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Lichtabstrahlungsmuster der Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die schematisch ein Montagebeispiel der Messeinheit 120 zeigt.
5A ist eine Darstellung, die sich auf ein Beispiel für die Konfiguration des Lichtempfangsteils 121 bezieht.
5B ist eine Darstellung, die sich auf ein Beispiel für die Konfiguration des Lichtempfangsteils 121 bezieht.
6A ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die spektroskopischen Eigenschaften eines optischen Bandpassfilters zeigt, der in einem Pixel 511 bereitgestellt wird.
6B ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die spektroskopischen Eigenschaften eines optischen Bandpassfilters zeigt, der in einem Pixel 511 bereitgestellt wird.
7 ist eine vertikale Sektion, die ein Beispiel für die Konfiguration des Lichtempfangselements eines Pixels 511 zeigt.
8A ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Potentialverteilung in einem Querschnitt in 7 zeigt.
8B ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Potentialverteilung in einem Querschnitt in 7 zeigt.
8C ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Potentialverteilung in einem Querschnitt in 7 zeigt.
9 ist eine Darstellung einer beispielhaften Konfiguration eines Pixels 511.
10 ist eine Darstellung eines Beispiels für die Konfiguration einer TDC-Arrayeinheit 122.
11 ist eine Darstellung einer beispielhaften Konfiguration eines hochauflösenden TDC 1501.
12 ist eine Darstellung des Betriebs des hochauflösenden TDC 1501.
13 ist ein Zeitdiagramm, das sich auf eine Entfernungsbestimmung bezieht.
14 ist ein Zeitdiagramm, das durch Vergrößerung eines Teils von 13 erhalten wurde.
15 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration der Schaltung eines zweiten Oszillators 1512 eines TDC 1502 mit niedriger Auflösung.
16 ist eine Blockdarstellung, die eine beispielhafte funktionale Konfiguration einer ersten Oszillationsanpassungsschaltung 1541 und einer zweiten Oszillationsanpassungsschaltung 1542 zeigt.
17 ist ein Flussdiagramm zu einem Beispiel einer Entfernungsbestimmung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
18A ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Histogramm der Ergebnisse der Entfernungsbestimmung zeigt.
18B ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Histogramm der Ergebnisse der Entfernungsbestimmung zeigt.
18C ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Histogramm der Ergebnisse der Entfernungsbestimmung zeigt.
18D ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Histogramm der Ergebnisse der Entfernungsbestimmung zeigt.
18E ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Histogramm der Ergebnisse der Entfernungsbestimmung zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist zu beachten, dass die folgenden Ausführungsbeispiele den Umfang der beanspruchten Erfindung nicht einschränken sollen. In den Ausführungsbeispielen wird eine Vielzahl von Merkmalen beschrieben, die jedoch nicht notwendigerweise für die vorliegende Erfindung wesentlich sind, und einige Merkmale können in geeigneter Weise kombiniert werden. Außerdem sind in den beigefügten Zeichnungen gleiche oder ähnliche Konfigurationen mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und eine redundante Beschreibung derselben entfällt.
Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Spezifikation die Gleichheit der Eigenschaften der Lichtempfangselemente bedeutet, dass die physikalischen Konfigurationen und Vorspannungen der Lichtempfangselemente nicht proaktiv verändert werden. Daher kann es aufgrund unvermeidlicher Faktoren, wie z.B. Fertigungsschwankungen, zu Unterschieden in den Eigenschaften kommen.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 ist eine Blockdarstellung, die eine beispielhafte funktionale Konfiguration einer Entfernungsbestimmungsvorrichtung zeigt, die eine Lichtempfangseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Eine Entfernungsbestimmungsvorrichtung 100 umfasst eine Lichtabstrahleinheit 110, eine Messeinheit 120, eine Lichtempfangslinse 132 und eine Gesamtsteuerungseinheit 140. Die Lichtabstrahleinheit 110 umfasst eine Lichtquelleneinheit 111, in der Lichtabstrahlelemente in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, eine Lichtquellenansteuereinheit 112, eine Lichtquellensteuerungseinheit 113 und eine Lichtabstrahllinse 131. Die Messsteuerungseinheit 120 umfasst einen Lichtempfangsteil 121, eine Time-to-Digital-Converter bzw. Zeit-Digital-Wandler (TDC)-Arrayeinheit 122, eine Signalverarbeitungseinheit 123 und eine Messsteuerungseinheit 124. Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Beschreibung eine Kombination aus der Lichtempfangslinse 132 und dem Lichtempfangsteil 121 als „Lichtempfangseinheit 133“ bezeichnet werden kann.
Die Gesamtsteuerungseinheit 140 steuert den Gesamtbetrieb der Entfernungsbestimmungsvorrichtung 100. Die Gesamtsteuerungseinheit 140 umfasst beispielsweise eine CPU, einen ROM und einen RAM und steuert die Bestandteile der Entfernungsbestimmungsvorrichtung 100, indem ein im ROM gespeichertes Programm in den RAM geladen wird und die CPU das Programm ausführt. Zumindest ein Teil der Gesamtsteuerungseinheit 140 kann durch eine dedizierte Hardware-Schaltung realisiert werden.
Indem eine Vielzahl von Lichtabstrahlelementen 211 (2B), die in der Lichtquelleneinheit 111 angeordnet sind, veranlasst wird, für kurze Zeit Licht zu emittieren, wird über die Lichtabstrahllinse 131 gepulstes Licht (Pulslicht) abgestrahlt. Die von den einzelnen Lichtabstrahlelementen ausgesandten Pulslichtstrahlen beleuchten jeweils unterschiedliche Räume. Ein Teil des von der Lichtquelleneinheit 111 abgestrahlten Pulslichts wird von einem Gegenstand bzw. einem Subjekt reflektiert und fällt über die Lichtempfangslinse 132 auf das Lichtempfangsteil 121. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Konfiguration angenommen, bei der die Lichtabstrahlelemente 211, die Licht emittieren, und spezifische Pixel aus einer Vielzahl von Pixeln, die im Lichtempfangsteil 121 angeordnet sind, optisch einander entsprechen. Hier ist ein Pixel, das optisch einem bestimmten lichtemittierenden Element 211 entspricht, ein Pixel, das sich in einer solchen Positionsbeziehung zu diesem befindet, dass der größte Teil des reflektierten Lichts des von dem lichtemittierenden Element 211 emittierten Lichts in dem Pixel erfasst wird.
Eine Zeitperiode von der Aussendung des Lichts durch die Lichtquelleneinheit 111 bis zum Auftreffen des reflektierten Lichts auf das lichtempfangende Teil 121 wird von der TDC-Arrayeinheit 122 als ToF (Time-of-Flight) gemessen. Es sei angemerkt, dass eine ToF („Time-of-Flight“; Laufzeit) eine Vielzahl von Malen gemessen wird, um den Einfluss von Rauschkomponenten wie Umgebungslicht und Dunkelzählung oder Rauschen der TDC-Arrayeinheit 122 auf ein Messergebnis zu reduzieren.
Die Signalverarbeitungseinheit 123 erzeugt ein Histogramm von Messergebnissen, die von der TDC-Arrayeinheit 122 erhalten werden, die eine Vielzahl von Messungen durchführt, und entfernt Rauschkomponenten auf der Grundlage des Histogramms. Die Signalverarbeitungseinheit 123 berechnet dann eine Distanz bzw. Entfernung L eines Gegenstands bzw. Subjekts, indem diese eine ToF (Laufzeit), die durch Mittelwertbildung der Messergebnisse, aus denen die Rauschkomponenten entfernt wurden, erhalten wird, beispielsweise in den folgenden Ausdruck (1) einsetzt. $L [m] = ToF [s] * c [m / s] / 2$
Es sei angemerkt, dass „c“ die Lichtgeschwindigkeit angibt. Auf diese Weise berechnet die Signalverarbeitungseinheit 123 die Entfernungsinformationen für jedes Pixel.
Lichtabstrahleinheit 110
Ein Beispiel für die Konfiguration der Lichtabstrahleinheit 110 wird unter Bezugnahme auf die 2A bis 2C beschrieben. 2A ist eine Seitenansicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines Kollimatorlinsenarrays 220 zeigt, das die Lichtquelleneinheit 111 bildet, und 2B ist eine Seitenansicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines Lichtquellenarrays 210 zeigt, das die Lichtquelleneinheit 111 bildet.
Das Lichtquellenarray 210 weist eine Konfiguration auf, bei der die Lichtabstrahlelemente 211, bei denen es sich beispielsweise um Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VCSELs) handelt, in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind. Das Ein- und Ausschalten des Lichtquellenarrays 210 wird von der Steuerungseinheit 113 für die Lichtquelle gesteuert. Die Lichtquellensteuerungseinheit 113 kann das Ein- und Ausschalten des Lichtquellenarrays 210 in Einheiten von Lichtabstrahlelementen 211 steuern.
Als Lichtabstrahlelemente 211 können auch andere Elemente als VCSEL, wie z.B. oberflächenemittierende Laserelemente an der Kante oder Leuchtdioden (LEDs), verwendet werden. Wenn oberflächenemittierende Laser-Elemente an der Kante als lichtemittierende Elemente 211 verwendet werden, kann eine Laserleiste, auf dem Elemente eindimensional auf einer Platine angeordnet sind, oder ein Laserleistenstapel mit einer zweidimensionalen Konfiguration, in der Laserleisten gestapelt sind, als Lichtquellenarray 210 verwendet werden. Bei der Verwendung von LEDs als Lichtabstrahlelemente 211 ist es darüber hinaus möglich, das Lichtquellenarray 210 zu verwenden, bei dem LEDs in einem zweidimensionalen Array auf einer Platine angeordnet sind.
Obwohl es keine besondere Einschränkung gibt, ist es möglich, den Einfluss des Umgebungslichts zu unterdrücken, wenn die Emissionswellenlänge der Lichtabstrahlelemente 211 eine Wellenlänge im nahen Infrarotbereich ist. VCSELs können mit einem Material hergestellt werden, das in einem oberflächenemittierenden Laser mit Kante oder einem oberflächenemittierenden Laser verwendet wird, indem ein Halbleiterprozess durchgeführt wird. Wenn eine Konfiguration zur Entladung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich gewählt wird, kann ein Halbleitermaterial auf GaAs-Basis verwendet werden. In diesem Fall kann ein dielektrischer Mehrschichtfilm, der einen Reflexionsspiegel mit verteilter Bragg-Reflexion (DBR) bildet, der einen VCSEL darstellt, konfiguriert werden, indem abwechselnd zwei dünne Filme aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes (GaAs/AlGaAs) periodisch übereinandergeschichtet werden. Die Wellenlänge des vom VCSEL emittierten Lichts kann durch Anpassung der Elementkombination eines Verbindungshalbleiters oder der Zusammensetzung verändert werden.
Eine Elektrode zur Injektion von Strom und Hall in eine aktive Schicht ist in jedem der VCSEL bereitgestellt, die ein VCSEL-Array bilden. Durch die Steuerung des Timings für die Injektion von Strom und Hall in die aktive Schicht können beliebige Lichtpulse und moduliertes Licht abgegeben werden. Die Steuerungseinheit 113 für die Lichtquelle kann die Lichtabstrahlelemente 211 einzeln ansteuern und das Lichtquellenarray 210 in Einheiten von Reihen, Spalten oder rechteckigen Bereichen ansteuern.
Darüber hinaus weist das Kollimatorlinsenarray 220 eine Konfiguration auf, bei der eine Vielzahl von Kollimatorlinsen 221 in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, so dass jede Kollimatorlinse 221 einem lichtemittierenden Element 211 entspricht. Ein von dem lichtemittierenden Element 211 emittierter Lichtstrahl wird durch die entsprechende Kollimatorlinse 221 in einen parallelen Lichtstrahl konvertiert.
2C ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Anordnungsbeispiels der Lichtquellenansteuereinheit 112, der Lichtquelleneinheit 111 und der Lichtabstrahleinheit 131. Die Lichtabstrahllinse 131 ist ein optisches System zur Anpassung eines Lichtabstrahlungsbereichs von parallelem Licht, das von der Lichtquelleneinheit 111 (dem Array 210) abgestrahlt wird. In 2C ist die Lichtprojektionslinse 131 eine konkave Linse, kann aber auch eine konvexe Linse oder eine asphärische Linse sein, oder ein optisches System, das aus einer Vielzahl von Linsen besteht.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Lichtabstrahllinse 131 beispielsweise so konfiguriert, dass das Licht in einem Bereich von ± 45 Grad von der Lichtabstrahleinheit 110 abgestrahlt wird. Es ist zu beachten, dass die Lichtprojektionslinse 131 weggelassen werden kann, indem eine Richtung gesteuert wird, in der das Licht unter Verwendung der Kollimatorlinsen 221 ausgestrahlt wird.
3A zeigt ein Lichtprojektionsmuster, das durch 3 Reihen × 3 Spalten von Lichtabstrahlelementen des Lichtquellenarrays 210 auf einer Ebene gebildet wird, die direkt einer Lichtabstrahlebene der Lichtquelleneinheit 110 gegenüberliegt und sich in einer vorbestimmten Entfernung befindet. Neun Lichtprojektionsflächen 311 stellen auf einer Ebene 310 Bereiche dar, deren Durchmesser etwa der vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM) der Intensitätsverteilung des Lichts der einzelnen Lichtabstrahlelemente entspricht.
Das parallele Licht, das durch die Kollimatorlinsen 221 erhalten wird, die das von den Lichtabstrahlelementen 211 abgestrahlte Licht konvertieren, wird durch die Lichtprojektionslinse 131 mit einem leichten Divergenzwinkel versehen, so dass auf einer Bestrahlungsebene (der Ebene 310) ein begrenzter Bereich gebildet wird. Wenn die Positionsbeziehung zwischen dem Kollimatorlinsenarray 220 und dem Lichtquellenarray 210 konstant ist, werden die Lichtprojektionsbereiche 311 auf der Ebene 310 so gebildet, dass sie jeweils den Lichtabstrahlelementen 211 entsprechen, die das Lichtquellenarray 210 bilden.
Die Lichtabstrahleinheit 110 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Lichtquellenansteuereinheit 112, die die Lichtquelleneinheit 111 in der gleichen Ebene bewegen kann. Indem die Lichtquellenansteuereinheit 112 die Position der Lichtquelleneinheit 111 bewegt, ist es möglich, die relative Positionsbeziehung zwischen den Lichtabstrahlelementen 211 und den Kollimatorlinsen 221 oder der Lichtabstrahleinheit 131 zu verändern. Ein Verfahren für die Lichtquellenansteuereinheit 112, um die Lichtquelleneinheit 111 anzusteuern bzw. anzutreiben, ist nicht besonders begrenzt, aber es ist möglich, einen Mechanismus zu verwenden, der elektromagnetische Induktion oder piezoelektrische Elemente verwendet, wie z.B. einen Mechanismus, der für den Antrieb bzw. die Ansteuerung von Bilderfassungselementen verwendet wird, um das Zittern der Hand zu korrigieren.
Wenn die Lichtquellenansteuereinheit 112 die Lichtquelleneinheit 111 auf einer Ebene parallel zur Platine der Lichtquelleneinheit 111 (eine Ebene senkrecht zur optischen Achse der Lichtprojektionslinse 131) bewegt, ist es beispielsweise möglich, die Lichtprojektionsbereiche 311 auf der Ebene 310 im Wesentlichen parallel zu bewegen. Indem man die Lichtquelleneinheit 111 veranlasst, eine Vielzahl von Malen Licht zu emittieren, während man die Lichtquelleneinheit 111 auf einer Ebene parallel zur Platine der Lichtquelleneinheit 111 bewegt, kann beispielsweise die Raumauflösung der Lichtabstrahleinheiten pseudo erhöht werden.
3B zeigt eine Raumauflösung von Lichtprojektionsbereichen 411 auf einer Ebene 410, wenn die Lichtquelleneinheit 111 viermal in einem konstanten Zyklus eingeschaltet wird, während die Lichtquelleneinheit 111, die das Lichtquellenarray 210 umfasst, ähnlich wie in 3A bewegt wird, so dass sie sich einmal in einer Ebene parallel zur Platine der Lichtquelleneinheit 111 im Kreis dreht. Man erhält eine viermal höhere Raumauflösung als in dem in 3A dargestellten Fall, in dem die Lichtquelleneinheit 111 nicht bewegt wird.
Daher ist es möglich, die Dichte der Entfernungsmesspunkte zu erhöhen, wenn die Entfernungsmessung in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die relativen Positionen zwischen der Lichtquelleneinheit 111 und der Lichtabstrahleinheit 131 unterschiedlich sind. Es ist möglich, die räumliche Auflösung des Lichtprojektionsbereichs 411 zu erhöhen, ohne einen Lichtstrom zu trennen, und somit wird die messbare Entfernung nicht verkürzt, und die Entfernungsgenauigkeit nimmt nicht aufgrund einer Abnahme der Intensität des reflektierten Lichts ab.
Es sei angemerkt, dass die relativen Positionen zwischen der Lichtquelleneinheit 111 und der Lichtabstrahleinheit 131 verändert werden können, indem die Lichtabstrahleinheit 131 auf einer Ebene parallel zur Platine der Lichtquelleneinheit 111 bewegt wird. Wenn die Lichtprojektionslinse 131 eine Vielzahl von Linsen umfasst, kann die gesamte Lichtprojektionslinse 131 bewegt werden, oder es können nur einige Linsen bewegt werden.
Darüber hinaus kann auch eine Konfiguration angenommen werden, bei der die Lichtquelleneinheit 111 durch die Lichtquellenansteuereinheit 112 in einer Richtung senkrecht zur Platte des Lichtquellenarrays 210 (Richtung der optischen Achse der Lichtabstrahllinse 131) bewegt werden kann. Dementsprechend ist es möglich, den Lichtdivergenzwinkel und den Lichtprojektionswinkel zu steuern.
Die Lichtquellensteuerungseinheit 113 steuert die Lichtemission der Lichtquelleneinheit 111 (das Lichtquellenarray 210) gemäß einem Lichtempfangszeitpunkt oder der Lichtempfangsauflösung der Lichtempfangseinheit 133.
Messeinheit 120
Als nächstes wird eine Konfiguration der Messeinheit 120 beschrieben. 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch ein Montagebeispiel der Messeinheit 120 zeigt. 4 zeigt das Lichtempfangsteil 121, die TDC-Arrayeinheit 122, die Signalverarbeitungseinheit 123 und die Messsteuerungseinheit 124. Das Lichtempfangsteil 121 und die TDC-Arrayeinheit 122 bilden eine Lichtempfangseinrichtung.
Die Messeinheit 120 weist eine Konfiguration auf, in der eine Lichtempfangselementplatine 510, die den Lichtempfangsteil 121 umfasst, in dem die Pixel 511 in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, und eine Logikplatine 520, die die TDC-Array-Einheit 122, die Signalverarbeitungseinheit 123 und die Messsteuerungseinheit 124 umfasst, gestapelt sind. Die Lichtempfangselementplatine 510 und die Logikplatine 520 sind über eine Zwischenplatinenverbindung 530 elektrisch miteinander verbunden. 4 zeigt die Lichtempfangselementplatine 510 und die Logikplatine 520 in einem Zustand, in dem diese voneinander beabstandet sind, um die Beschreibung zu erleichtern.
Es ist zu beachten, dass die auf den Platinen montierten Funktionsblöcke nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt sind. Es kann auch eine Konfiguration angenommen werden, bei der drei oder mehr Platinen gestapelt sind, oder alle Funktionsblöcke können auf einer Platine montiert sein. Die Zwischenplatinenverbindung 530 ist beispielsweise als Cu-Cu-Verbindung konfiguriert, und eine oder mehrere Zwischenplatinenverbindungen 530 können für jede Reihe der Pixel 511 angeordnet sein, oder eine Zwischenplatinenverbindung 530 kann für jedes Pixel 511 angeordnet sein.
Der Lichtempfangsteil 121 umfasst ein Pixelarray, in dem die Pixel 511 in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Lichtempfangselemente der Pixel 511 Lawinen-Photodioden (APD) oder SPAD-Elemente. Außerdem sind, wie in 5A gezeigt, Pixel H (erste Pixel) mit einer ersten Empfindlichkeit und Pixel L (zweite Pixel) mit einer zweiten Empfindlichkeit, die niedriger als die erste Empfindlichkeit ist, abwechselnd in der Zeilen- und Spaltenrichtung angeordnet. Durch die Anordnung der Pixel H und der Pixel L benachbart zueinander wird eine Versatzkorrektur eines Pixels H, die auf einem Messergebnis eines Pixels L basiert, ermöglicht. In der vorliegenden Spezifikation können die Pixel H auch als „hochempfindliche Pixel H“ und die Pixel L auch als „niedrigempfindliche Pixel L“ bezeichnet werden.
5B ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel von Pixeln H und Pixeln L zeigt. Hier wird eine Resonanzwellenlänge mit λc, ein Brechungsindex einer Schicht mit hohem Brechungsindex 901 mit nH und ein Brechungsindex einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit nL (<nH) bezeichnet. Die optischen Resonatoren 911 bis 914 sind mehrschichtige Filminterferenzspiegel, die (jeweils) eine Schicht mit hohem Brechungsindex 901 mit einer Schichtdicke dH=0,25λc/nH und eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit einer Schichtdicke dL=0,25λc/nL umfassen. Es wird eine Konfiguration angenommen, bei der eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit einer Schichtdicke dE1 (bis dE4) = m1 (bis m4) × 0,5λc/nL (m1 bis m4 sind natürliche Zahlen) von beiden Seiten von Schichten mit hohem Brechungsindex 901 umschlossen wird.
Jedes Pixel L weist eine Konfiguration auf, bei der ein zweiter optischer Bandpassfilter über einer Dimmschicht 903 bereitgestellt wird, die aus einer dünnen Wolframschicht mit einer Schichtdicke von 30 nm besteht und eine Durchlässigkeit bzw. Transmissivität von etwa 45 % aufweist. Der zweite optische Bandpassfilter weist eine Konfiguration auf, bei der die optischen Resonatoren 911 bis 914 in Schichten angeordnet sind, die die Schicht 902 mit niedrigem Brechungsindex und der Schichtdicke dL einschließen. Der zweite optische Bandpassfilter hat die in 6A dargestellten spektroskopischen Eigenschaften und ist ein Beispiel für eine optische Komponente, die einem Lichtempfangselement hinzugefügt wird.
Jedes Pixel H hat eine Konfiguration, in der ein mehrschichtiger Filminterferenzspiegel 915, eine Schicht zur Anpassung der Filmdicke 905, die aus einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex besteht und die Filmdicke dE4 hat, und ein erster optischer Bandpassfilter auf einer Transmissivitätsschicht 904 bereitgestellt werden, die aus einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex besteht, die eine Filmdicke von 30 nm hat und eine Transmissivität von etwa 100 % aufweist. Der erste optische Bandpassfilter ist ein Beispiel für eine optische Komponente, die zu einem Lichtempfangselement hinzugefügt wird, und hat die in 6B gezeigten spektroskopischen Eigenschaften.
Der erste optische Bandpassfilter weist eine Konfiguration auf, bei der die optischen Resonatoren 911 bis 913 geschichtet sind und die Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit der Schichtdicke dL sandwichartig umschließen. Die Durchlassbänder des ersten optischen Bandpassfilters und des zweiten Bandes haben im Wesentlichen die gleiche zentrale Wellenlänge, und in den ist λcL = λcH. Die zentrale Wellenlänge kann die Spitzenwellenlänge des von der Lichtquelleneinheit 111 emittierten Lichts sein. Andererseits ist die volle Breite bei halbem Maximum WL der spektroskopischen Eigenschaften des zweiten optischen Bandpassfilters schmaler als die volle Breite bei halbem Maximum WH der spektroskopischen Eigenschaften des ersten optischen Bandpassfilters.
Die Halbwertsbreite WL ist schmaler eingestellt als die Halbwertsbreite WH, da vorgesehen ist, dass die Entfernungsbestimmung im Nahbereich hauptsächlich in den hochempfindlichen Pixeln H erfolgt, während die Entfernungsbestimmung im Fernbereich hauptsächlich in den niedrigempfindlichen Pixeln L erfolgt. In den niedrigempfindlichen Pixeln L ist die Halbwertsbreite WL schmaler eingestellt, um eine lange ToF bewältigen zu können, und es wird verhindert, dass Störlicht gemessen wird, bevor reflektiertes Licht eintrifft.
Darüber hinaus sind die Pixel L so konfiguriert, dass sie eine geringere Empfindlichkeit als die Pixel H aufweisen, weil sie mit der Dimmschicht 903 ausgestattet sind. Die Dimmschicht 903 ist ein Beispiel für eine optische Komponente zur Verringerung der Empfindlichkeit eines Pixels. Es ist zu beachten, dass anstelle der Dimmschicht 903 eine andere optische Komponente, wie z.B. Masken mit unterschiedlichen Öffnungsbeträgen, verwendet werden kann, so dass die Pixel H und die Pixel L unterschiedliche Empfindlichkeiten haben.
Indem für jedes Pixel L eine Maske bereitgestellt wird, deren Öffnungsgrad kleiner ist als der einer für jedes Pixel H bereitgestellten Maske, kann der Lichtempfangsbereich des Lichtempfangselements des Pixels L beispielsweise schmaler gemacht werden als der Lichtempfangsbereich des Lichtempfangselements des Pixels H. Es ist nicht notwendig, das Pixel H mit einer Maske zu versehen, und in diesem Fall reicht es aus, das Pixel L mit einer Maske zu versehen, deren Öffnungsverhältnis kleiner als 100 % ist. Die Maske kann aus einem beliebigen Material gebildet werden, das einen lichtabschirmenden Film bilden kann.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird anstelle der Einstellung unterschiedlicher Konfigurationen von Lichtempfangselementen selbst oder unterschiedlicher Spannungen, die daran angelegt werden, eine optische Komponente, die zu einem Lichtempfangselement hinzugefügt wird, verwendet, um unterschiedliche Empfindlichkeiten von Pixeln einzustellen. Aus diesem Grund können das Pixel H und das Pixel L eine gemeinsame Konfiguration eines Lichtempfangselements haben oder eine gemeinsame Spannung kann an das Pixel H und das Pixel L angelegt werden. Daher ist es einfach, das Array von Lichtempfangselementen herzustellen, und außerdem ist es möglich, die Variation der Eigenschaften von Lichtempfangselementen zu unterdrücken.
7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiterschicht eines Lichtempfangselements umfasst, die den Pixeln H und den Pixeln L gemeinsam ist. Das Bezugszeichen 1005 bezeichnet eine Halbleiterschicht der Lichtempfangselementplatine 510, das Bezugszeichen 1006 bezeichnet eine Verdrahtungsschicht der Lichtempfangselementplatine 510, und das Bezugszeichen 1007 bezeichnet eine Verdrahtungsschicht der Logikplatine 520. Die Lichtempfangselementplatine 510 und die Verdrahtungsschicht der Logikplatine 520 sind so miteinander verbunden, dass sie einander gegenüberliegen. Die Halbleiterschicht 1005 der Lichtempfangselementplatine 510 umfasst einen Lichtempfangsbereich (photoelektrischer Umwandlungsbereich) 1001 und einen Lawinen-Bereich 1002 zur Erzeugung eines Lawinen-Stroms gemäß einer durch photoelektrische Umwandlung erzeugten Signalladung.
Außerdem ist eine Lichtabschirmwand 1003 zwischen benachbarten Pixeln bereitgestellt, um zu verhindern, dass Licht, das schräg auf den Lichtempfangsbereich 1001 eines Pixels einfällt, den Lichtempfangsbereich 1001 eines benachbarten Pixels erreicht. Die Lichtabschirmwand 1003 besteht aus Metall, und zwischen der Lichtabschirmwand 1003 und dem Lichtempfangsbereich 1001 ist ein Isolatorbereich 1004 bereitgestellt.
8A ist eine Darstellung der Potentialverteilung eines Halbleiterbereichs im Querschnitt a-a' in 7. 8B ist eine Darstellung der Potentialverteilung im Querschnitt b-b' in 7. 8C ist eine Darstellung der Potentialverteilung der Sektion c-c' in 7.
Licht, das auf die Halbleiterschicht 1005 der Lichtempfangselementplatine 510 auftrifft, wird im Lichtempfangsbereich 1001 photoelektrisch umgewandelt, und es werden ein Elektron und ein positives Loch erzeugt. Ein positives Loch, das eine positive elektrische Ladung trägt, wird über eine Anodenelektrode Vbd entladen. Wie in den 8A, 8B und 8C gezeigt, wird ein Elektron, das eine negative elektrische Ladung trägt, als Signalladung in den Lawinen-Bereich 1002 aufgrund eines elektrischen Feldes übertragen, das so eingestellt wurde, dass das Potenzial in Richtung des Lawinen-Bereichs 1002 abnimmt.
Die Signalladung, die den Lawinen-Bereich 1002 erreicht hat, verursacht aufgrund des starken elektrischen Feldes des Lawinen-Bereichs 1002 einen Lawinen-Durchbruch und erzeugt einen Lawinen-Strom. Dieses Phänomen tritt nicht nur durch Signallicht (reflektiertes Licht des von der Lichtquelleneinheit 111 emittierten Lichts) auf, sondern auch durch einfallendes Umgebungslicht, das Störlicht ist, und erzeugt Störkomponenten. Darüber hinaus wird ein Ladungsträger nicht nur durch einfallendes Licht, sondern auch thermisch erzeugt. Ein Lawinen-Strom, der durch einen thermisch erzeugten Träger verursacht wird, wird als „Dark Count“ bzw. Dunkelzählung bezeichnet und wird zu einer Rauschkomponente.
9 ist eine äquivalente Darstellung eines Pixels 511. Das Pixel 511 umfasst ein SPAD-Element 1401, einen Lasttransistor 1402, einen Inverter 1403, einen Pixel-Auswahlschalter 1404 und eine Pixel-Ausgabeleitung 1405. Das SPAD-Element 1401 entspricht einem Bereich, der durch Kombination des Lichtempfangsbereichs 1001 und des Lawinen-Bereichs 1002 in 7 erhalten wird.
Wenn der Pixelwahlschalter 1404 durch ein von außen zugeführtes Steuersignal eingeschaltet wird, wird ein Ausgangssignal des Inverters 1403 als Pixelausgangssignal an die Pixelausgangsleitung 1405 ausgegeben.
Wenn kein Lawinen-Strom fließt, wird die Spannung der Anodenelektrode Vbd so eingestellt, dass an das SPAD-Element 1401 eine Sperrvorspannung angelegt wird, die größer oder gleich einer Durchbruchspannung ist. Zu diesem Zeitpunkt fließt kein Strom durch den Lasttransistor 1402, so dass die Spannung des Kathodenpotenzials Vc nahe an der Energieversorgungsspannung Vdd liegt und ein Pixel-Ausgangssignal „0“ ist.
Wenn im SPAD-Element 1401 aufgrund des Eintreffens eines Photons ein Lawinen-Strom erzeugt wird, fällt das Kathodenpotential Vc ab, und die Ausgabe des Inverters 1403 wird umgekehrt. Das heißt, das Pixel-Ausgangssignal wechselt von „0“ auf „1“.
Wenn das Kathodenpotential Vc abfällt, sinkt eine Sperrvorspannung, die an das SPAD-Element 1401 angelegt wird, und wenn die Sperrvorspannung auf eine Durchbruchspannung oder darunter fällt, stoppt die Erzeugung eines Lawinenstroms.
Danach steigt infolge eines positiven Lochstroms, der von der Energieversorgungsspannung Vdd über den Lasttransistor 1402 fließt, das Kathodenpotential Vc an, die Ausgabe des Inverters 1403 (Pixelausgang) kehrt von „1“ auf „0“ zurück, und der Zustand kehrt in den Zustand vor dem Eintreffen des Photons zurück. Ein auf diese Weise von den Pixeln 511 ausgegebenes Signal wird über einen Relaispuffer (nicht abgebildet) in die TDC-Arrayeinheit 122 eingegeben.
TDC-Arrayeinheit 122
Die TDC-Arrayeinheit 122 misst als ToF eine Zeitperiode von einem Zeitpunkt, an dem die Lichtquelleneinheit 111 Licht aussendet, bis zu einem Zeitpunkt, an dem das Ausgangssignal des Pixels 511 von „0“ auf „1“ wechselt.
10 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für die Konfiguration der TDC-Arrayeinheit 122. In der TDC-Arrayeinheit 122 ist ein hochauflösender TDC 1501 mit einer ersten Messauflösung für die Hälfte der Pixel bereitgestellt, die jede Pixelreihe des Pixelarrays bilden, und ein niedrigauflösender TDC 1502 mit einer zweiten Messauflösung ist für die andere Hälfte bereitgestellt, wodurch ToFs in Einheiten von Pixeln gemessen werden. Die zweite Messauflösung ist niedriger als die erste Messauflösung. Zusätzlich wird ein Synchrontakt z.B. von der übergeordneten Steuerungseinheit 140 geliefert.
Hier wird ein Ausgangssignal eines hochempfindlichen Pixels H durch den Relaispuffer angesteuert, um in den TDC 1501 mit hoher Auflösung eingegeben zu werden, und ein Ausgangssignal eines Pixels L mit niedriger Empfindlichkeit wird durch den Relaispuffer angesteuert, um in den TDC 1502 mit niedriger Auflösung eingegeben zu werden. Insbesondere wird in Bezug auf das hochempfindliche Pixel H eine Zeitperiode mit einer höheren Messauflösung gemessen als die des niedrigempfindlichen Pixels L. In 10 ist eine ungerade Pixelausgabe die Ausgabe eines Pixels H und eine gerade Pixelausgabe die Ausgabe eines Pixels L. Um die Verzögerungszeiten in den Relaispuffern im Wesentlichen auszugleichen, sind die hochauflösenden TDCs 1501 und die niedrigauflösenden TDCs 1502 abwechselnd angeordnet.
Jeder hochauflösende TDC 1501 umfasst einen ersten Oszillator 1511, eine erste Oszillations-Zählerschaltung 1521 und eine erste Synchrontakt-Zählerschaltung 1531. Der TDC 1502 mit niedriger Auflösung umfasst einen zweiten Oszillator 1512, eine zweite Oszillations-Zählerschaltung 1522 und eine zweite Synchrontakt-Zählerschaltung 1532. Die erste Oszillations-Zählerschaltung 1521 und die zweite Oszillations-Zählerschaltung 1522 sind zweite Zähler, die Änderungen der Ausgabewerte der entsprechenden Oszillatoren zählen. Die erste Synchrontakt-Zählerschaltung 1531 und die zweite Synchrontakt-Zählerschaltung 1532 sind erste Zähler, die synchrone Takte zählen.
Bei den Ausgaben der TDCs belegen die Zählergebnisse der Synchrontakt-Zählerschaltungen die höheren Bits, die internen Signale der Oszillatoren die niedrigeren Bits und die Zählergebnisse der Oszillations-Zählerschaltungen die Zwischenbits. Das heißt, es wird eine Konfiguration angenommen, in der die Synchrontakt-Zählerschaltungen eine Grobmessung durchführen, interne Signale der Oszillatoren für eine Feinmessung verwendet werden und die Oszillations-Zählerschaltungen eine Zwischenmessung durchführen. Es sei angemerkt, dass jedes Messbit ein redundantes Bit umfassen kann.
11 ist eine schematische Darstellung eines Konfigurationsbeispiels des ersten Oszillators 1511 des hochauflösenden TDC 1501. Der erste Oszillator 1511 umfasst eine Schaltung zur Erzeugung eines Oszillations-Start-Stopp-Signals 1640, Puffer 1611 bis 1617, einen Inverter 1618, einen Oszillationsschalter 1630 und Stromquellen zur Anpassung der Verzögerung 1620. Außerdem sind die Puffer 1611 bis 1617 und der Inverter 1618, die Verzögerungselemente sind, abwechselnd mit den Oszillationsschaltern 1630 ringförmig in Reihe verbunden. Die verzögerungseinstellenden Stromquellen 1620 sind jeweils für die Puffer 1611 bis 1617 und den Inverter 1618 bereitgestellt und passen die Verzögerungszeiten der entsprechenden Puffer und des Inverters gemäß einer Anpassungsspannung an.
12 zeigt die Änderungen der Ausgaben der Puffer 1611 bis 1617 und des Inverters 1618 sowie ein internes Signal des Oszillators zum Zeitpunkt des Zurücksetzens und nach Ablauf jeder Verzögerungszeit t_buff, die einer Oszillationsstufe entspricht, nachdem der Oszillationsschalter 1630 eingeschaltet wurde. Die Ausgaben Will bis WI18 stellen jeweils Ausgangssignale der Puffer 1611 bis 1617 und des Inverters 1618 dar.
Zum Zeitpunkt des Zurücksetzens sind die Ausgabewerte der Puffer 1611 bis 1617 „0“ und der Ausgabewert des Inverters 1618 „1“. Nachdem eine Verzögerungszeit t_buff, die einer Oszillationsstufe entspricht, seit dem Einschalten des Oszillationsschalters 1630 verstrichen ist, ändern sich die Ausgabewerte der Puffer 1612 bis 1617 und des Wechselrichters 1618, die eingangs- und ausgangskonsistent sind, nicht. Dagegen ändert sich die Ausgabe des Puffers 1611, der nicht ein- und ausgangskonsistent ist, von „0“ auf „1“ (das Signal geht um eine Stufe weiter).
Wenn t_buff weiter verstrichen ist (nach 2 × t_buff), ändern sich die Ausgabewerte der Puffer 1611 und 1613 bis 1617 und des Inverters 1618, die ein- und ausgangskonsistent sind, nicht. Dagegen ändert sich der Ausgangswert des Puffers 1612, der nicht ein- und ausgangskonsistent ist, von „0“ auf „1“ (das Signal wird um eine Stufe weitergeschaltet).
Auf diese Weise ändert sich jedes Mal, wenn eine einer Pufferstufe entsprechende Verzögerungszeit t_buff verstrichen ist, der Ausgangswert eines der Puffer 1611 bis 1617 und des Inverters 1618, der nicht eingangs/ausgangskonsistent ist, der Reihe nach von „0“ auf „1“. Nachdem 8 × t_buff seit dem Einschalten des Oszillationsschalters 1630 verstrichen sind, ändern sich die Ausgabewerte aller Puffer und des Wechselrichters auf „1“ (ein Zyklus ist abgeschlossen). Wenn weitere 8 × t_buff verstrichen sind (nachdem 16 × t_buff verstrichen sind), wechseln die Ausgabewerte aller Puffer und des Wechselrichters auf „0“ (zwei Signalzyklen abgeschlossen), und der Zustand kehrt in den ursprünglichen Zustand zurück.
Danach ändert sich die Ausgabe in ähnlicher Weise in einem Zyklus von 16 × t_buff. Auf diese Weise entspricht die Zeitauflösung des hochauflösenden TDC 1501 t_buff. Zusätzlich wird die Zeitauflösung t_buff durch eine später beschriebene erste Oszillationsanpassungsschaltung 1541 auf 2^-7 (1/128) × den Zyklus eines Synchrontakts angepasst.
Darüber hinaus wird die Oszillatorausgabe, d.h. die Ausgabe des Inverters 1618, in die erste Oszillations-Zählerschaltung 1521 eingegeben. Die erste Oszillations-Zählerschaltung 1521 misst eine Zeitperiode mit der Zeitauflösung von 16 × t_buff, indem diese eine steigende Kante der Oszillator-Ausgabe zählt.
13 ist ein Zeitdiagramm zum Ende der Messung einer Zeitperiode von der Lichtemission bis zur Erfassung des reflektierten Lichts durch das SPAD-Element 1401. Das Zeitdiagramm zeigt Änderungen des Kathodenpotentials Vc des SPAD-Elements 1401, ein Pixel-Ausgangssignal, einen Synchrontakt, einen Zählwert der Synchrontakt-Zählerschaltung, die Ausgabe der Oszillations-Start-Stopp-Signal-Erzeugungsschaltung, den Oszillatorausgang und einen Zählwert der Oszillations-Zählerschaltung.
Das Kathodenpotential Vc des SPAD-Elements 1401 ist eine analoge Spannung, und der obere Teil des Zeitdiagramms in der Abbildung zeigt eine höhere Spannung an. Der Synchrontakt, die Ausgabe der Schaltung zur Erzeugung des Oszillations-Start-Stopp-Signals und der Oszillatorausgang sind digitale Signale, und die oberen Abschnitte der Zeitdiagramme in der Abbildung zeigen an, dass die Signale eingeschaltet sind, und die unteren Abschnitte zeigen an, dass sie ausgeschaltet sind. Die Zählwerte der Synchrontakt-Zählerschaltung und der Oszillator-Zählerschaltung sind digitale Werte, die in Dezimalzahlen ausgedrückt sind.
14 ist eine Darstellung, die in vergrößerter Form die Ausgabe der Oszillations-Start-Stopp-Signalerzeugungsschaltung, die Oszillatorausgabe und den Zählwert der Oszillator-Zählerschaltung von dem Zeitpunkt 1803 bis zum Zeitpunkt 1805 in 13 sowie das oszillatorinterne Signal zeigt. Das interne Signal des Oszillators hat einen digitalen Wert und wird als Dezimalzahl ausgedrückt.
Ein Verfahren zur Messung mit dem hochauflösenden TDC 1501 einer Zeitperiode von dem Zeitpunkt 1801, wenn die Lichtquelleneinheit 111 Licht emittiert, bis zum Zeitpunkt 1803, wenn ein Photon auf das SPAD-Element 1401 eines Pixels auftrifft und das Pixel-Ausgangssignal von 0 auf 1 wechselt, wird unter Bezugnahme auf die 13 und 14 beschrieben.
Die Lichtquellensteuerungseinheit 113 steuert die Lichtquelleneinheit 111 so, dass die Lichtabstrahlelemente 211 zum Zeitpunkt 1801, der mit einem Anstieg eines über die Gesamtsteuerungseinheit 140 gelieferten Synchrontakts synchronisiert ist, Licht abstrahlen. Wenn zum Zeitpunkt 1801, wenn das lichtemittierende Element 211 Licht aussendet, von der übergeordneten Steuerungseinheit 140 ein Befehl zum Starten der Messung gegeben wird, beginnt die erste Synchrontakt-Zählerschaltung 1531 mit dem Zählen einer steigenden Kante eines Synchrontakts.
Wenn reflektiertes Licht des zum Zeitpunkt 1801 emittierten Lichts zum Zeitpunkt 1803 auf ein Pixel trifft, fällt das Kathodenpotential Vc des SPAD-Elements 1401 ab, und das Pixel-Ausgangssignal ändert sich von „0“ auf „1“. Wenn das Pixel-Ausgangssignal auf „1“ wechselt, wechselt die Ausgabe der Schaltung zur Erzeugung des Oszillations-Start-Stopp-Signals 1640 von „0“ auf „1“, und der Oszillationsschalter 1630 wird eingeschaltet.
Wenn der Oszillationsschalter 1630 eingeschaltet wird, wird ein Oszillationsvorgang gestartet und eine Signalschleife innerhalb des Oszillators, wie in 12 gezeigt, gestartet. Jedes Mal, wenn 16 × t_buff seit dem Einschalten des Oszillationsschalters 1630 verstrichen ist und zwei Signalzyklen im Oszillator abgeschlossen sind, entsteht an der Ausgabe des Oszillators eine steigende Kante, und die erste Zählerschaltung für Oszillationen 1521 misst die Anzahl der steigenden Kanten. Darüber hinaus stoppt die erste Synchrontakt-Zählerschaltung 1531 zum Zeitpunkt 1803 die Zählung und hält den Zählwert fest.
Zum Zeitpunkt 1803, als der erste Oszillator 1511 eingeschaltet wurde, und ab dem Zeitpunkt 1803 ist ein erster Zeitpunkt, an dem der Synchrontakt ansteigt, der Zeitpunkt 1805. Wenn der Synchrontakt zum Zeitpunkt 1805 ansteigt, ändert sich der Ausgabewert der Oszillations-Start-Stopp-Signalerzeugungsschaltung 1640 auf „0“, und der Oszillationsschalter 1630 wird ausgeschaltet. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Oszillationsschalter 1630 auf „0“ wechselt, endet die Oszillation des ersten Oszillators 1511, und ein internes Signal der Oszillationsschaltung wird unverändert gehalten. Da die Oszillation endet, stoppt auch die erste Zählerschaltung 1521 die Zählung.
Ein Zählergebnis D_Gclk der Synchrontakt-Zählerschaltung ist ein Wert, der durch Messung einer Zeitperiode von Zeit 1801 bis Zeit 1802 in Einheiten von 2⁷ × t_buff erhalten wird. Außerdem ist ein Zählergebnis D_ROclk der Oszillator-Zählerschaltung ein Wert, der durch Messung einer Zeitperiode von Zeit 1803 bis Zeit 1804 in Einheiten von 2⁴ × t_buff erhalten wird. Darüber hinaus ist ein oszillatorinternes Signal D_ROin ein Wert, der durch Messung einer Zeitperiode von dem Zeitpunkt 1804 bis zum Zeitpunkt 1805 in Einheiten von t_buff erhalten wird. Der hochauflösende TDC 1501 führt die folgende Verarbeitung dieser Werte durch und gibt die Ergebnisse an die Signalverarbeitungseinheit 123 aus, wodurch ein Messvorgang abgeschlossen wird.
Das Zählergebnis D_ROclk der Zählerschaltung des Oszillators und das oszillatorinterne Signal D_ROin werden gemäß Ausdruck 2 unten addiert. $D_{RO} = 2^{4} \times D_{ROclk} + D_{ROln}$
D_RO, das mit Hilfe von Ausdruck 2 erhalten wird, ist ein Wert, der durch Messung einer Zeitperiode von dem Zeitpunkt 1803 bis zum Zeitpunkt 1805 in Einheiten von t_buff erhalten wird. Außerdem entspricht eine Zeitperiode von dem Zeitpunkt 1802 bis zum Zeitpunkt 1805 einem Zyklus der Synchrontaktuhr und ist somit 2⁷ × t_buff. Aus diesem Grund erhält man durch Subtraktion von D_RO von einem Zyklus der Synchrontaktuhr die Zeitperiode von dem Zeitpunkt 1802 bis zum Zeitpunkt 1803. Addiert man zu D_Gclk die Zeitperiode von 1802 bis 1803, d.h. eine Zeitperiode von 1801 bis 1802, erhält man den Wert D_ToF, der die Zeitperiode von 1801 bis 1803, gemessen in Einheiten von t_buff, angibt (Ausdruck 3). $D_{ToF} = 2^{7} \times D_{Gclk} + (2 - D_{RO}^{7}) = 2^{7} \times D_{Gclk} + (2^{7} - 24 \times D_{ROclk} - D_{ROln})$
15 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration der Schaltung des zweiten Oszillators 1512 des TDC 1502 mit niedriger Auflösung. In dem zweiten Oszillator 1512 sind Puffer 2011 bis 2013 und ein Inverter 2014 abwechselnd mit Oszillationsschaltern 2030 ringförmig in Reihe verbunden. Darüber hinaus sind den Puffern 2011 bis 2013 und dem Inverter 2014 jeweils verzögerungsanpassende Stromquellen 2020 bereitgestellt, die die Verzögerungszeiten der entsprechenden Puffer und des Inverters gemäß einer Anpassungsspannung anpassen.
Verglichen mit dem hochauflösenden TDC 1501 sind die Anzahl der Puffer und die Anzahl der Oszillationsschalter geringer und betragen drei statt sieben. Andererseits wird eine Verzögerungszeit t_buff der Puffer 2011 bis 2013 und des Wechselrichters 2014 durch eine zweite Oszillationsanpassungsschaltung 1542 an 2 × t_buff des hochauflösenden TDC 1501 angepasst.
Dementsprechend entspricht der Zählzyklus der zweiten Oszillations-Zählerschaltung 1522 dem Zählzyklus der ersten Oszillations-Zählerschaltung 1521. Daher ist die Anzahl der Ausgaben der zweiten Oszillations-Zählerschaltung 1522 gleich der Anzahl der Ausgaben der ersten Oszillations-Zählerschaltung 1521. Andererseits kann die Anzahl der Bits des Oszillatorinternen Signals des zweiten Oszillators 1512 um ein Bit kleiner als die des ersten Oszillators 1511 gemacht werden.
Wie vorstehend beschrieben, ist vorgesehen, dass die Pixel L mit geringer Empfindlichkeit hauptsächlich für die Entfernungsbestimmung in großer Entfernung verwendet werden. Bei einer großen Entfernung ist der Einfluss der ToF-Messauflösung auf die Genauigkeit einer Entfernungsbestimmung bei einer kurzen Entfernung größer als bei einer großen Entfernung. Aus diesem Grund ist die ToF-Messauflösung, mit der der niedrig auflösende TDC 1502 die ToFs der niedrig empfindlichen Pixel L misst, niedriger als die des hoch auflösenden TDC 1501, wobei die Reduzierung der Schaltung und des Energieverbrauchs im Vordergrund steht.
Eine Verzögerungszeit t_buff variiert aufgrund eines Faktors wie z.B. eines Herstellungsfehlers eines Transistors, der durch einen Herstellungsprozess verursacht wird, einer Änderung einer Spannung, die an eine TDC-Schaltung angelegt wird, und einer Temperatur. Aus diesem Grund sind die erste Oszillationsanpassungsschaltung (1541) und die zweite Oszillationsanpassungsschaltung (1542) für jeweils acht TDCs bereitgestellt.
16 ist eine Blockdarstellung, die eine beispielhafte funktionale Konfiguration der ersten Schaltung zur Oszillationsanpassung 1541 und der zweiten Schaltung zur Oszillationsanpassung 1542 zeigt. Die erste Schaltung zur Oszillationsanpassung 1541 und die zweite Schaltung zur Oszillationsanpassung 1542 haben die gleiche Konfiguration, weshalb die erste Schaltung zur Oszillationsanpassung 1541 im Folgenden beschrieben wird. Die erste Schaltung zur Oszillationsanpassung 1541 umfasst einen Dummy-Oszillator 2101, einen 1/2³ (1/8) Frequenzteiler 2102 und einen Phasenkomparator 2103.
Der Dummy-Oszillator 2101 ist ein Oszillator mit der gleichen Konfiguration wie der Oszillator eines damit verbundenen TDC. Daher hat der Dummy-Oszillator 2101 der ersten Schaltung zur Oszillationsanpassung 1541 die gleiche Konfiguration wie der erste Oszillator 1511. Der Dummy-Oszillator 2101 der zweiten Schaltung zur Oszillationsanpassung 1542 hat die gleiche Konfiguration wie der zweite Oszillator 1512.
Die Ausgabe des Dummy-Oszillators 2101 wird in den 1/2³ Frequenzteiler 2102 eingegeben. Der 1/2³ -Frequenzteiler 2102 gibt ein Taktsignal aus, das durch Änderung der Frequenz eines Eingangstaktsignals auf 1/2³ erhalten wird. Ein Synchrontakt und die Ausgabe des 1/2³ -Frequenzteilers 2102 werden in den Phasenkomparator 2103 eingegeben. Der Phasenkomparator 2103 vergleicht die Frequenz des Synchrontakts und die Frequenz des vom 1/2³ -Frequenzteiler 2102 ausgegebenen Taktsignals miteinander.
Dann erhöht der Phasenkomparator 2103 eine Ausgangsspannung, wenn die Frequenz des Synchrontaktsignals höher ist, und senkt die Ausgangsspannung, wenn die Frequenz des Synchrontakts niedriger ist. Die Ausgabe des Phasenkomparators 2103 wird als Anpassungsspannung in die verzögerungsanpassende Stromquelle 1620 des ersten Oszillators 1511 eingegeben, und die Verzögerung wird so angepasst, dass die Oszillationsfrequenz des ersten Oszillators 1511 2³ mal so hoch ist wie der Synchrontakt. Dasselbe gilt für die zweite Oszillationsanpassungsschaltungsanpassung (1542).
Auf diese Weise wird eine Oszillationsfrequenz des Oszillators bestimmt, indem eine Synchrontaktfrequenz als Referenz verwendet wird. Aus diesem Grund ist es durch die Erzeugung eines Synchrontaktsignals unter Verwendung eines externen ICs, das unabhängig von einer Prozess-/Spannungs-/Temperaturänderung eine feste Frequenz ausgeben kann, möglich, die Variation der Oszillationsfrequenz des Oszillators aufgrund einer Prozess-/Spannungs-/Temperaturänderung zu unterdrücken.
Wird beispielsweise ein Taktsignal von 160 MHz als Synchrontaktsignal eingegeben, betragen die Oszillationsfrequenzen sowohl für den hochauflösenden TDC 1501 als auch für den niedrigauflösenden TDC 1502 das Achtfache der Synchrontaktfrequenz, nämlich 1,28 GHz. Eine Verzögerungszeit t_buff für eine Pufferstufe, die der zeitlichen Auflösung eines TDC entspricht, beträgt 48,8 ps für den hochauflösenden TDC 1501 und 97,7 ps für den niedrigauflösenden TDC 1502.
Sequenz zur Entfernungsbestimmung
17 ist ein Flussdiagramm, das sich auf ein Ausführungsbeispiel einer Entfernungsbestimmung gemäß der vorliegenden Ausführungsform bezieht.
In Schritt S2201 setzt die Gesamtsteuerungseinheit 140 eine Histogramm-Schaltung und einen Zähler i der Signalverarbeitungseinheit 123 zurück. Außerdem ändert die Gesamtsteuerungseinheit 140 den Anschluss des Relaispuffers (nicht dargestellt), so dass die Ausgabe der Pixel 511, die optisch den Lichtabstrahlelementen 211 entsprechen, die In Schritt S2202 Licht emittieren, in die TDC-Arrayeinheit 122 eingegeben wird.
In Schritt S2202 veranlasst die Gesamtsteuerungseinheit 140, dass einige der Lichtabstrahlelemente 211, die das Lichtquellenarray 210 der Lichtquelleneinheit 111 bilden, Licht abstrahlen. Gleichzeitig weist die Gesamtsteuerungseinheit 140 die TDC-Arrayeinheit 122 an, die Messung zu starten.
Die hochauflösenden TDCs 1501 und die niedrigauflösenden TDCs 1502 der TDC-Array-Einheit 122 geben Messergebnisse an die Signalverarbeitungseinheit 123 aus, wenn eine Änderung der Ausgabe der entsprechenden Pixel 511 von „0“ auf „1“ erfasst wird. Wenn eine Zeit, die einem vorbestimmten maximalen Entfernungsbestimmungsbereich entspricht, ab dem Zeitpunkt der Lichtemission verstrichen ist, wird der Schritt S2204 ausgeführt.
In Schritt S2204 fügt die Signalverarbeitungseinheit 123 die in Schritt S2203 erhaltenen Messergebnisse zu den Histogrammen der jeweiligen Pixel hinzu. Die Signalverarbeitungseinheit 123 fügt kein Messergebnis zu einem Histogramm in Bezug auf ein Pixel hinzu, für das kein Messergebnis erhalten wurde.
In Schritt S2205 addiert die Signalverarbeitungseinheit 123 1 zum Wert eines Zählers i für die Anzahl der Messungen.
In Schritt S2206 bestimmt die Signalverarbeitungseinheit 123, ob der Wert des Zählers i für die Anzahl der Messungen größer ist als die aktuelle Anzahl von Malen N_total. Die Signalverarbeitungseinheit 123 führt Schritt S2207 aus, wenn bestimmt wird, dass der Wert des Zählers i für die Anzahl der Messungen größer ist als die voreingestellte Anzahl von Malen N_total, und führt 2202 aus, wenn nicht bestimmt wird, dass der Wert des Zählers i für die Anzahl der Messungen größer ist als die voreingestellte Anzahl von Malen N_total.
In Schritt S2207 entfernt die Signalverarbeitungseinheit 123 Zählergebnisse, die als Rauschkomponenten betrachtet werden, basierend auf den Histogrammen der einzelnen Pixel und führt Schritt S2208 aus.
In Schritt S2208 mittelt die Signalverarbeitungseinheit 123 die in Schritt S2207 nicht entfernten Messergebnisse über die Histogramme der einzelnen Pixel, gibt den Mittelwert als gemessene ToF aus und beendet einmalig eine Entfernungsbestimmung.
Unterdrückung von Störlicht durch Verwendung von Pixeln mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten
Hier wird die Rauschentfernung in Schritt S2207 und die Mittelwertbildung in Schritt S2208 beschrieben, und danach werden die Effekte zur Reduzierung des Störlichts beschrieben, die durch die Verwendung von Pixeln H und Pixeln L mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten erzielt werden.
18A ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Histogramm der Ergebnisse einer TDC-Messung zeigt, die in einem hochempfindlichen Pixel H insgesamt N_total durchgeführt wurde. Die horizontale Achse zeigt das TDC-Messergebnis (Zeitperiode) an, und die vertikale Achse zeigt die Frequenz/die Anzahl der Messungen an. Es sei angemerkt, dass die Bin-Breite des TDC-Messergebnisses der Einfachheit halber eingestellt ist.
Da die in einer Sektion 2302 enthaltenen Messergebnisse eine Frequenzspitze/einen Peak in der Anzahl der Messzeitpunkte umfassen, ist es denkbar, dass es sich bei den Messergebnissen um korrekte Messergebnisse von Zeitperioden vom Aussenden bis zum Empfang von Licht handelt. Da andererseits die in einer Sektion 2304 enthaltenen Messergebnisse unregelmäßig und spärlich verteilt sind, ist es denkbar, dass Störlicht wie zufällig auftretendes Umgebungslicht oder eine durch Dunkelzählung verursachte Rauschkomponente umfasst ist. Daher werden die in der Sektion 2304 umfassten Messergebnisse entfernt und nur der Durchschnitt 2303 der in der Sektion 2302 umfassten Messergebnisse als Entfernungsbestimmung verwendet.
Ähnlich wie 18A ist auch 18B eine Darstellung, die ein Beispiel eines Histogramms der Ergebnisse einer TDC-Messung zeigt, die so oft wie N_total in einem hochempfindlichen Pixel H durchgeführt wurde. Der Gegenstand bzw. das Subjekt in 18B ist das gleiche wie in 18A, aber 18B zeigt ein Beispiel eines Histogramms von TDC-Messungsergebnissen, die in einer Situation erhalten wurden, in der es mehr Umgebungslicht als bei den in 18A gezeigten Messungen gibt. Die TDC-Messung wurde beendet, als die Anzahl N_total aufgrund des Störlichts, das die Sektion 2304 umfasst, durchgeführt wurde, und es wurde kein TDC-Messergebnis für reflektiertes Licht vom Gegenstand bzw. Subjekt erhalten.
18C ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Histogramm der Ergebnisse der TDC-Messung zeigt, die in einem Pixel L mit geringer Empfindlichkeit in derselben Umgebung wie in 18B so oft wie N_total durchgeführt wurde. Da das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit eine geringere Empfindlichkeit hat als das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit, ist die Anzahl der TDC-Messungen bei Störlicht geringer. Infolgedessen ist die Anzahl der in der Sektion 2302 enthaltenen Messergebnisse größer, und ähnlich wie in 18A kann der Durchschnittswert der in der Sektion 2302 enthaltenen Messergebnisse als Ergebnis der Entfernungsbestimmung berechnet werden. Auf diese Weise ist das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit in einer Situation mit starkem Umgebungslichtrauschen widerstandsfähiger als das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit.
Es ist zu beachten, dass hier eine Situation beschrieben wurde, die in einer Umgebung mit starkem Störlicht auftreten kann. Ein ähnliches Problem kann jedoch auch auftreten, wenn ein Objekt, das ein Ziel für die Entfernungsbestimmung ist, weit entfernt ist. Dies liegt daran, dass bei einem weit entfernten Objekt die Zeitperiode von der Lichtemission bis zur Rückkehr des reflektierten Lichts (d.h. die Zeitperiode, in der Störlicht erfasst wird) lang ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch die Verwendung der hochempfindlichen Pixel H und der niedrigempfindlichen Pixel L eine stabile Entfernungsbestimmung durchgeführt werden, bei der der Einfluss des Störlichts unterdrückt wird, selbst wenn die Menge des Störlichts groß ist oder die Entfernungsbestimmung auf ein weit entferntes Objekt durchgeführt wird. Darüber hinaus sind die Konfiguration der Lichtempfangselemente (SPADs) (Lichtempfangsbereich und die Dicke des Lichtempfangsteils) und eine Spannung, die an die Lichtempfangselemente angelegt wird, für die hochempfindlichen Pixel H und die niedrigempfindlichen Pixel L gleich. Aus diesem Grund ist die Abweichung zwischen einem Entfernungsbestimmungsergebnis, das in einem hochempfindlichen Pixel H erhalten wird, und einem Entfernungsbestimmungsergebnis, das in einem niedrigempfindlichen Pixel L erhalten wird, gering, und ein genaues Entfernungsbestimmungsergebnis wird erhalten.
HDR-Ansteuerverfahren
Als Nächstes wird die HDR-Ansteuerung eines hochempfindlichen Pixels H und eines niedrigempfindlichen Pixels L unter Bezugnahme auf 18D und 18E beschrieben. 18D zeigt ein Beispiel eines Histogramms von Messergebnissen für ein hochempfindliches Pixel H, und 18E zeigt ein Beispiel eines Histogramms von Messergebnissen für ein niedrigempfindliches Pixel L benachbart zu dem hochempfindlichen Pixel H in 18D.
Die Lichtemissionsperiode des lichtemittierenden Elements 211, das dem hochempfindlichen Pixel H entspricht, wird mit 2602 bezeichnet, und die Lichtemissionsperiode des lichtemittierenden Elements 211, das dem niedrigempfindlichen Pixel L entspricht, wird mit 2702 bezeichnet. Die Lichtemissionsperiode 2702 ist das Vierfache der Lichtemissionsperiode 2602. Aus diesem Grund ist die Anzahl der Entfernungsbestimmungen, die während derselben Zeitperiode für das hochempfindliche Pixel H durchgeführt werden können, viermal größer als die Anzahl der Entfernungsbestimmungen, die für das niedrigempfindliche Pixel L durchgeführt werden können. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Anzahl der Entfernungsbestimmungsergebnisse für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit, die gemittelt werden, größer ist als für das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit, und die Messung für das Pixel H mit einer günstigen Empfindlichkeit wird durch den hochauflösenden TDC 1501 durchgeführt, und daher ist die Entfernungsbestimmungsgenauigkeit in einem Raum, der dem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit entspricht, höher als die Entfernungsbestimmungsgenauigkeit in einem Raum, der dem Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit entspricht.
Wenn sich ein Objekt, das ein Ziel für die Entfernungsbestimmung ist, in großer Entfernung befindet, ist eine ToF lang, und es ist daher sehr wahrscheinlich, dass Störlicht gemessen wird. Die Lichtabstrahlelemente 211, die den Pixeln L mit geringer Empfindlichkeit entsprechen und eine hohe Störlichtunterdrückung aufweisen, strahlen erst wieder Licht aus, wenn reflektiertes Licht erfasst wird. Andererseits führen die Lichtabstrahlelemente 211, die den hochempfindlichen Pixeln H entsprechen, die eine rauscharme Lichtunterdrückung haben, die nächste Lichtemission durch, bevor reflektiertes Licht erfasst wird. Dementsprechend ist es möglich, eine Zeitperiode von dem Zeitpunkt, an dem der TDC die Messung beginnt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem reflektiertes Licht erfasst wird, zu verkürzen und die Wahrscheinlichkeit zu unterdrücken, dass Störlicht während der Zeitperiode von der Lichtemission bis zu dem Zeitpunkt, an dem reflektiertes Licht eintrifft, gemessen wird, und selbst in einer Umgebung, in der Störlicht signifikant ist, kann eine genaue Zeitperiodenmessung für die hochempfindlichen Pixel H durchgeführt werden.
Die Signalverarbeitungseinheit 123 wendet eine Offset-Korrektur, die auf Messergebnissen basiert, die für das benachbarte Pixel L mit geringer Empfindlichkeit erhalten wurden, auf Messergebnisse an, die für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit erhalten wurden. Die Offset-Korrektur besteht darin, einen Wert, der durch Multiplikation der Lichtemissionsperiode (Messperiode) 2602 des Pixels H mit hoher Empfindlichkeit mit einer Konstanten erhalten wird, zu einem Messergebnis 2611 für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit zu addieren, das auf einem Messergebnis 2711 für das benachbarte Pixel L mit geringer Empfindlichkeit basiert.
Da das Messergebnis 2711 für das dem hochempfindlichen Pixel H benachbarte Pixel L mit geringer Empfindlichkeit erhalten wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine Zeitperiode, bis das reflektierte Licht des emittierten Lichts im hochempfindlichen Pixel H eintrifft, nahe am Messergebnis 2711 liegt. In den Beispielen in 18D und 18E ist das Messergebnis 2711 für das Pixel L mit geringer Empfindlichkeit höher als das Doppelte der Zeitperiode 2602 für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit und kleiner als das Dreifache. Aus diesem Grund addiert die Signalverarbeitungseinheit 123 bei der Offsetkorrektur eine Zeitperiode, die das Doppelte der Lichtemissionsperiode 2602 beträgt, zum Messergebnis 2611 für das hochempfindliche Pixel H.
Es ist zu beachten, dass ein Offset-Korrekturbetrag auf der Grundlage von Messergebnissen bestimmt werden kann, die für zwei oder mehr niedrigempfindliche Pixel L benachbart zu einem hochempfindlichen Pixel H, das ein Korrekturziel ist, erhalten wurden. Der Offset-Korrekturbetrag kann beispielsweise auf der Grundlage von Messergebnissen bestimmt werden, die für vier oder zwei niedrigempfindliche Pixel L benachbart zu dem hochempfindlichen Pixel H in horizontaler und/oder vertikaler Richtung erhalten wurden.
Darüber hinaus kann auch eine Konfiguration angenommen werden, bei der eine Bildaufnahmeeinheit bereitgestellt wird, die ein Bild im Lichtabstrahlungsbereich der Lichtabstrahleinheit 110 aufnimmt, und Pixel L mit geringer Empfindlichkeit, die zur Bestimmung eines Offset-Korrekturbetrags verwendet werden sollen, unter Verwendung eines aufgenommenen Bildes festgelegt werden. Die Signalverarbeitungseinheit 123 bestimmt auf der Grundlage eines aufgenommenen Bildes ein oder mehrere benachbarte Pixel L mit geringer Empfindlichkeit, bei denen davon ausgegangen wird, dass die Entfernungsbestimmung für dasselbe Subjekt wie das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt wird, das z.B. ein Korrekturziel ist. Die Signalverarbeitungseinheit 123 kann dann einen Offset-Korrekturbetrag (oder einen Koeffizienten, mit dem die Leuchtdauer des hochempfindlichen Pixels H zu multiplizieren ist) unter Verwendung von Messergebnissen bestimmen, die für die angegebenen niedrigempfindlichen Pixel L erhalten wurden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, durch die Verwendung von Lichtempfangselementen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten eine Lichtempfangseinrichtung mit einem großen Dynamikbereich zu realisieren. Darüber hinaus unterscheiden sich die Empfindlichkeiten der Lichtempfangselemente aufgrund von optischen Komponenten, die den Lichtempfangselementen hinzugefügt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, Lichtempfangselemente mit der gleichen Konfiguration zu verwenden, was aus Sicht der einfachen Herstellung und der Unterdrückung von Schwankungen in den Eigenschaften vorteilhaft ist. Darüber hinaus wird für die Pixel mit niedriger Empfindlichkeit eine geringere Auflösung der Zeitmessung eingestellt als für die Pixel mit hoher Empfindlichkeit, und dadurch ist es möglich, die Größe der Schaltung und den Energieverbrauch effizient zu reduzieren und gleichzeitig eine Verringerung der Entfernungsbestimmung zu unterdrücken.
Weitere Ausführungsbeispiele
Die vorstehend beschriebene Entfernungsbestimmungsvorrichtung kann in jede elektronische Einrichtung eingebaut werden, die Verarbeitungsmittel zum Ausführen einer vorbestimmten Verarbeitung unter Verwendung von Entfernungsinformationen umfasst. Beispiele für eine solche elektronische Vorrichtung umfassen Bilderfassungsvorrichtungen, Computergeräte (Personalcomputer, Tablet-Computer, Media Player, PDAs usw.), Mobiltelefone, Smartphones, Spielmaschinen, Roboter, Drohnen und Fahrzeuge. Diese sind beispielhaft, und die Entfernungsbestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch in andere elektronische Einrichtungen eingebaut werden.
Die vorliegende Erfindung kann realisiert werden, indem eine Verarbeitung zur Bereitstellung eines Programms zur Realisierung einer oder mehrerer Funktionen der vorstehenden Ausführungsbeispiele an ein System oder eine Vorrichtung über ein Netzwerk oder ein Speichermedium durchgeführt wird und ein oder mehrere Prozessoren in dem Computer des Systems oder der Vorrichtung veranlasst werden, das Programm auszulesen und auszuführen. Die vorliegende Erfindung kann auch durch eine Schaltung (z.B. einen ASIC) zur Realisierung einer oder mehrerer Funktionen realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Inhalt der vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt, und es können verschiedene Änderungen und Modifikationen im Rahmen des Grundgedankens und des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden. Daher sind die folgenden Ansprüche beigefügt, um den Umfang der vorliegenden Erfindung öffentlich zugänglich zu machen.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-74414 , die am 26. April 2021 eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2021074414 [0120]

Claims

Lichtempfangseinrichtung, gekennzeichnet durch ein Pixelarray, in dem ein erstes Pixel, das mit einem ersten optischen Bandpassfilter ausgestattet ist und eine erste Empfindlichkeit aufweist, und ein zweites Pixel, das mit einem zweiten optischen Bandpassfilter ausgestattet ist und eine zweite Empfindlichkeit aufweist, die niedriger als die erste Empfindlichkeit ist, zweidimensional angeordnet sind, wobei eine volle Breite bei halbem Maximum des zweiten optischen Bandpassfilters schmaler ist als eine volle Breite bei halbem Maximum des ersten optischen Bandpassfilters.
Lichtempfangseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dimmeinrichtung oder eine Maske zu einem Lichtempfangselement des zweiten Pixels als ein optisches Element hinzugefügt ist.
Lichtempfangseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtempfangselemente des ersten Pixels und des zweiten Pixels Lawinen-Photodioden sind.
Lichtempfangseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zentrale Wellenlängen von Durchlassbändern des ersten optischen Bandpassfilters und des zweiten optischen Bandpassfilters gleich sind.
Lichtempfangseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pixel und das zweite Pixel abwechselnd angeordnet ind.
Entfernungsbestimmungsvorrichtung, gekennzeichnet durch: die Lichtempfangseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, eine Messeinrichtung zum Messen von Zeitperioden von einem vorbestimmten Zeitpunkt bis zu Zeitpunkten, zu denen Licht auf das erste Pixel bzw. das zweite Pixel einfällt, und eine Recheneinrichtung zum Berechnen von Entfernungsinformationen für das erste Pixel und Entfernungsinformationen für das zweite Pixel auf der Grundlage der gemessenen Zeitperioden.
Entfernungsbestimmungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Zeitpunkt ist ein Zeitpunkt ist, zu dem die Lichtabstrahleinrichtung Licht aussendet.
Entfernungsbestimmungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtabstrahleinrichtung eine Vielzahl von Lichtabstrahlelementen umfasst, die zweidimensional angeordnet sind, und jedes der Vielzahl von Lichtabstrahlelementen konfiguriert ist, um einem spezifischen Pixel der Lichtempfangseinrichtung zu entsprechen.
Entfernungsbestimmungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtabstrahlungszyklus eines Lichtabstrahlelements, das dem ersten Pixel aus der Vielzahl von Lichtabstrahlelementen entspricht, kürzer ist als ein Lichtabstrahlungszyklus eines Lichtabstrahlelements, das dem zweiten Pixel entspricht.
Entfernungsbestimmungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die für das erste Pixel gemessene Zeitperiode auf der Grundlage der für das zweite Pixel, das dem ersten Pixel benachbart ist, gemessenen Zeitperiode korrigiert wird.
Elektronische Einrichtung, gekennzeichnet durch: die Entfernungsbestimmungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10; und Verarbeitungsmittel zum Ausführen einer vorbestimmten Verarbeitung unter Verwendung von Entfernungsinformationen, die von der Entfernungsbestimmungsvorrichtung erhalten werden.