DE112022002418T5

DE112022002418T5 - Entfernungsmessgerät und messeinheit

Info

Publication number: DE112022002418T5
Application number: DE112022002418.6T
Authority: DE
Inventors: Shunichi Wakashima; Koichi Fukuda; Kohei Okamoto; Takashi Hanasaka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2024-02-29
Also published as: GB2621767A; JP2022168739A; GB202318011D0; KR20230159709A; WO2022230522A1; US20240053481A1

Abstract

Ein Entfernungsmessgerät verwendet eine lichtempfangende Vorrichtung, in der ein erstes Pixel mit einer ersten Empfindlichkeit und ein zweites Pixel mit einer zweiten Empfindlichkeit, die niedriger ist als die erste Empfindlichkeit, zweidimensional angeordnet sind. Das Entfernungsmessgerät umfasst eine Messeinheit, die Zeitspannen von einer vorbestimmten Zeit bis zu Zeiten misst, wenn Licht auf jedes des ersten Pixels und des zweiten Pixels einfällt, und eine Recheneinheit, die basierend auf den gemessenen Zeitspannen Abstandsinformationen für das erste Pixel und das zweite Pixel errechnet. Die Messauflösung, mit der die Messeinheit die Zeitspanne für das zweite Pixel misst, ist geringer als eine Messauflösung für die Zeitspanne für das erste Pixel.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Entfernungsmessgerät und eine Messeinheit.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Es sind Verfahren zur Entfernungsmessung mittels Lichtlaufzeit (Time-of-Flight, ToF) bekannt, um einen Abstand zu einem Objekt, das Licht reflektiert hat, zu messen, indem eine Zeitdifferenz zwischen einer Zeit, zu der Licht emittiert wurde, und einer Zeit, zu der reflektiertes Licht erfasst wurde, gemessen wird. Die Genauigkeit der ToF-Entfernungsmessung hängt von der Messgenauigkeit der Zeitdifferenz ab. Aus diesem Grund muss die Messgenauigkeit der Zeitdifferenz erhöht werden, um die Genauigkeit der Entfernungsmessung zu erhöhen.
Als ein Verfahren zur Erhöhung der Messgenauigkeit der Zeitdifferenz ist es denkbar, eine Verzögerungszeit vom Empfangen des reflektierten Lichts bis zum Erfassen des Lichts zu verkürzen. In PTL1 werden in einem Lichtdetektor, in dem eine Vielzahl von lichtempfangenden Elementen zweidimensional angeordnet sind, SPADs (Einzelphoton-Avalanche-Dioden, engl. Single Photon Avalanche Diodes) in den lichtempfangenden Elementen verwendet.
Jede SPAD erzeugt einen Avalanche-Strom, wenn ein Photon einfällt, als Resultat davon, dass eine Avalanche-Photodiode im Geiger-Modus betrieben wird. Da eine Zeitspanne von einem Einfall eines Photons bis zu einem Erzeugen eines Avalanche-Stroms kurz ist, nämlich in der Größenordnung von 10^-12 Sekunden, kann ein Timing eines Empfangens von reflektiertem Licht genau erfasst werden.
Darüber hinaus offenbart PTL2 eine Pixelanordnung, in der zwei Arten von lichtempfangenden Elementen (SPADs) mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten angeordnet sind, um den dynamischen Bereich zu vergrößern.
ZITATIONSLISTE
PATENTLITERATUR

PTL1: Japanisches Patent Offenlegungsnummer 2014-081254
PTL2: Japanisches Patent Offenlegungsnummer 2019-190892

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
PTL2 offenbart eine Verwendung verschiedener Bauarten von SPADs mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten, zeigt aber nicht und deutet auch nicht an, dass die Empfindlichkeiten bei einem Verfahren zur Handhabung einer Ausgabe, bzw. von Ausgaben der SPADs berücksichtigt werden. Eine hochempfindliche SPAD wird mit größerer Wahrscheinlichkeit durch Störlicht beeinträchtigt als eine weniger empfindliche SPAD, aber PTL2 zeigt nicht und deutet auch nichts dahingehend an, einen Unterschied in den Eigenschaften zu berücksichtigen, der beispielsweise durch einen solchen Unterschied in der Empfindlichkeit verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt als ihren einen Aspekt ein Entfernungsmessgerät bereit, das eine lichtempfangende Vorrichtung verwendet, die Pixel mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten aufweist, und das in der Lage ist, eine geeignete Verarbeitung durchzuführen, die einen Unterschied in der Empfindlichkeit zwischen Pixeln in Betracht zieht.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein Entfernungsmessgerät gemäß einem Modus der vorliegenden Erfindung umfasst: eine lichtempfangende Vorrichtung, in der ein erstes Pixel, das eine erste Empfindlichkeit aufweist, und ein zweites Pixel, das eine zweite Empfindlichkeit, die geringer als die erste Empfindlichkeit ist, aufweist, zweidimensional angeordnet sind, eine Messeinrichtung zum Messen von Zeitspannen von einer vorbestimmten Zeit bis zu Zeiten, wenn Licht auf jedes des ersten Pixels und des zweiten Pixels einfällt, und eine Recheneinrichtung zum Berechnen von Abstandsinformationen für das erste Pixel und von Abstandsinformationen für das zweite Pixel basierend auf den gemessenen Zeitspannen. Dabei ist eine Messauflösung, mit der die Messeinrichtung die Zeitspanne für das zweite Pixel misst, geringer als eine Messauflösung für die Zeitspanne für das erste Pixel.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Entfernungsmessgerät und eine Messeinheit bereitzustellen, die eine lichtempfangende Vorrichtung verwenden, die Pixel mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten umfasst, wobei das Entfernungsmessgerät in der Lage ist, eine geeignete Verarbeitung durchzuführen, die den Unterschied in einer Empfindlichkeit zwischen den Pixeln in Betracht zieht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte funktionale Konfiguration eines Entfernungsmessgerätes 100 zeigt, das eine lichtempfangende Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet.
2A zeigt ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
2B zeigt ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
2C zeigt ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
3A zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Lichtprojektionsmuster der Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
3B zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Lichtprojektionsmuster der Lichtquelleneinheit 111 zeigt.
4 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch ein Montagebeispiel für die Messeinheit 120 zeigt.
5A zeigt ein Diagramm, das sich auf ein Konfigurationsbeispiel des lichtempfangenden Teils 121 bezieht.
5B zeigt ein Diagramm, das sich auf ein Konfigurationsbeispiel des lichtempfangenden Teils 121 bezieht.
6A zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die spektroskopischen Eigenschaften eines optischen Bandpassfilters zeigt, der in einem Pixel 511 bereitgestellt ist.
6B zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die spektroskopischen Eigenschaften eines optischen Bandpassfilters zeigt, der in einem Pixel 511 bereitgestellt ist.
7 zeigt eine vertikale Schnittansicht, die ein Konfigurationsbeispiel des lichtempfangenden Elements eines Pixels 511 zeigt.
8A zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Potentialverteilung auf einem Querschnitt in 7 zeigt.
8B zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Potentialverteilung auf einem Querschnitt in 7 zeigt.
8C zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Potentialverteilung auf einem Querschnitt in 7 zeigt.
9 zeigt ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Pixels 511 zeigt.
10 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel für eine TDC-Array-Einheit 122 zeigt.
11 zeigt ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel für einen TDC mit hoher Auflösung 1501 zeigt.
12 zeigt ein Diagramm, das sich auf Betriebe des TDC mit hoher Auflösung 1501 bezieht.
13 zeigt ein Zeitdiagramm, das sich auf einen Entfernungsmessbetrieb bezieht.
14 zeigt ein Zeitdiagramm, das durch Vergrößerung eines Abschnitts von
13 erhalten wird.
15 zeigt ein Diagramm, das schematisch eine beispielhafte Schaltungskonfiguration eines zweiten Oszillators 1512 eines TDC mit niedriger Auflösung 1502 zeigt.
16 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte funktionale Konfiguration einer ersten Oszillationseinstellschaltung 1541 und einer zweiten Oszillationseinstellschaltung 1542 zeigt.
17 zeigt ein Flussdiagramm, das sich auf ein Beispiel eines Entfernungsmessbetriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht.
18A zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Histogramm von Entfernungsmessergebnissen zeigt.
18B zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Histogramm von Entfernungsmessergebnissen zeigt.
18C zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Histogramm von Entfernungsmessergebnissen zeigt.
18D zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Histogramm von Entfernungsmessergebnissen zeigt.
18E zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Histogramm von Entfernungsmessergebnissen zeigt.
19 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer TDC-Array-Einheit 122 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
20 zeigt ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines TDC mit hoher Auflösung 2801 zeigt.
21 zeigt ein Diagramm, das sich auf Betriebe des TDC mit hoher Auflösung 2801 bezieht.
22 zeigt ein Schaltungsdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines zweiten Oszillators 2812 und einer zweiten Kodierschaltung 2822 eines TDC 2802 mit niedriger Auflösung zeigt.
23 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer TDC-Array-Einheit 122 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.
24 zeigt ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines TDC mit hoher Auflösung 3201 zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend ist die vorliegende Erfindung basierend auf beispielhaften Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es gibt zu beachten, dass die folgenden Ausführungsbeispiele nicht dazu dienen, den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken. In den Ausführungsbeispielen ist eine Vielzahl von Merkmalen beschrieben, die jedoch nicht alle notwendigerweise für die vorliegende Erfindung wesentlich sind, und einige Merkmale können in geeigneter Weise kombiniert werden. Darüber hinaus sind in den beigefügten Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Konfigurationen angegeben, und eine redundante Beschreibung derselben ist ausgelassen.
Es gilt zu beachten, dass, in der vorliegenden Spezifikation, das Gleich sein der Eigenschaften von lichtempfangenden Elementen, bzw. Lichtempfangselementen angibt, dass die physikalischen Konfigurationen und Vorspannungen der lichtempfangenden Elemente nicht in einer proaktiven Weise unterschiedlich gemacht werden. Daher kann es aufgrund unvermeidlicher Faktoren, wie zum Beispiel einer Fertigungsschwankung, zu einem Unterschied in den Eigenschaften kommen.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte funktionale Konfiguration eines Entfernungsmessgeräts zeigt, das eine lichtempfangende Vorrichtung, bzw. Lichtempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein Entfernungsmessgerät 100 umfasst eine Lichtprojektionseinheit 110, eine Messeinheit 120, ein lichtempfangendes Objektiv 132 und eine Gesamtsteuerungseinheit 140. Die Lichtprojektionseinheit 110 umfasst eine Lichtquelleneinheit 111, in der lichtemittierende Elemente in einem zweidimensionalen Array, bzw. einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind, eine Lichtquelleneinheitsantriebseinheit 112, eine Lichtquellensteuerungseinheit 113 und ein Lichtprojektionsobjektiv 131. Die Messeinheit 120 umfasst einen lichtempfangenden Teil, bzw. lichtempfangenden Abschnitt 121, eine TDC-Array-Einheit (TDC für Zeit-Digital-Wandler, engl. Timeto-Digital-Converter) 122, eine Signalverarbeitungseinheit 123 und eine Messsteuerungseinheit 124. Es gilt zu beachten, dass in der vorliegenden Spezifikation eine Kombination aus dem lichtempfangenden Objektiv 132 und dem lichtempfangenden Teil 121 als eine „lichtempfangende Einheit 133“ bezeichnet werden kann.
Die Gesamtsteuerungseinheit 140 steuert die Gesamtbetriebe des Entfernungsmessgeräts 100. Die Gesamtsteuerungseinheit 140 umfasst beispielsweise eine CPU, einen ROM und einen RAM, und steuert die einzelnen Elemente, bzw. Bestandteile des Entfernungsmessgeräts 100, indem sie ein im ROM gespeichertes Programm in den RAM lädt und die CPU das Programm ausführt. Zumindest ein Abschnitt der Gesamtsteuerungseinheit 140 kann durch eine dedizierte Hardwareschaltung realisiert werden.
Indem eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen 211 (2B), die in der Lichtquelleneinheit 111 angeordnet sind, veranlasst wird, für eine kurze Zeit Licht zu emittieren, bzw. auszustrahlen, wird über das Lichtprojektionsobjektiv 131 gepulstes Licht (Impulslicht) emittiert. Die von den einzelnen lichtemittierenden Elementen emittierten Impulslichtstrahlen beleuchten jeweils unterschiedliche Räume. Ein Abschnitt des von der Lichtquelleneinheit 111 emittierten Impulslichts wird von einem Objekt reflektiert und fällt über das lichtempfangende Objektiv 132 auf den lichtempfangenden Teil 121. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Konfiguration angenommen, bei der die lichtemittierenden Elemente 211, die Licht emittieren, und bestimmte Pixel aus einer Vielzahl von Pixeln, die im lichtempfangenden Teil 121 angeordnet sind, optisch einander entsprechen. Hier ist ein Pixel, das optisch einem bestimmten lichtemittierenden Element 211 entspricht, ein Pixel, das sich in einer Position, bzw. Positionsbeziehung dazu befindet, so dass ein größter Abschnitt von reflektiertem Licht des vom lichtemittierenden Element 211 emittierten Lichts im Pixel erfasst wird.
Eine Zeitspanne von da an, bzw. ab dann, wenn die Lichtquelleneinheit 111 Licht emittiert, bis dahin, bzw. bis dann, wenn reflektiertes Licht des Lichts auf den lichtempfangenden Teil 121 einfällt, wird von der TDC-Array-Einheit 122 als ToF (Time-of-Flight) gemessen. Es gilt zu beachten, dass eine ToF (Time-of-Flight) eine Vielzahl von Malen gemessen wird, um den Einfluss, den Störkomponenten bzw. Rauschkomponenten wie Umgebungslicht und Dunkelzählung (engl. dark count) oder Rauschen der TDC-Array-Einheit 122 auf ein Messergebnis haben, zu reduzieren.
Die Signalverarbeitungseinheit 123 erzeugt ein Histogramm von Messergebnissen, die von der TDC-Array-Einheit 122 erhalten wurden, die eine Messung eine Vielzahl von Malen durchführt, und Rauschkomponenten basierend auf dem Histogramm entfernt. Die Signalverarbeitungseinheit 123 berechnet dann einen Abstand L eines Objekts, indem sie beispielsweise eine ToF (Time-of-Flight), die durch eine Mittelwertbildung der Messergebnisse, aus denen die Rauschkomponenten entfernt wurden, erhalten wurde, in den folgenden Ausdruck (1) einsetzt $L [m] = ToF [sec] * c [m / sec] / 2$
Es gilt zu beachten, dass „c“ die Lichtgeschwindigkeit angibt. Auf diese Weise berechnet die Signalverarbeitungseinheit 123 Abstandsinformationen für jedes Pixel.
Lichtprojektionseinheit 110
Ein Konfigurationsbeispiel der Lichtprojektionseinheit 110 ist mit Bezug auf die 2A bis 2C beschrieben. 2A zeigt eine Seitenansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer Kollimatorlinsenanordnung, bzw. eines Kollimatorlinsenarrays 220 zeigt, die/das die Lichtquelleneinheit 111 bildet, und 2B zeigt eine Seitenansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer Lichtquellenanordnung, bzw. eines Lichtquellenarrays 210 zeigt, die/das die Lichtquelleneinheit 111 bildet.
Die Lichtquellenanordnung 210 weist eine Konfiguration auf, bei der die lichtemittierenden Elemente 211, die beispielsweise oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität (vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs) sind, in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind. Ein Einschalten und Ausschalten der Lichtquellenanordnung 210 wird von der Lichtquellensteuerungseinheit 113 gesteuert. Die Lichtquellensteuerungseinrichtung 113 kann ein Einschalten und Ausschalten der Lichtquellenanordnung 210 in Einheiten von lichtemittierenden Elementen 211 steuern.
Es gilt zu beachten, dass auch andere Elemente als VCSELs, wie zum Beispiel kantenoberflächenemittierende Laserelemente (engl. edge surface emitting laser elements) oder lichtemittierende Dioden (LEDs), als die lichtemittierenden Elemente 211 verwendet werden können. Wenn kantenoberflächenemittierende Laserelemente als die lichtemittierenden Elemente 211 verwendet werden, kann ein Laserbarren, auf dem Elemente eindimensional auf einer Platine (engl. board) angeordnet sind, oder ein Laserbarrenstapel mit einer zweidimensionalen Array-Konfiguration, in der Laserbarren gestapelt sind, als die Lichtquellenanordnung 210 verwendet werden. Wenn LEDs als die lichtemittierenden Elemente 211 verwendet werden, ist es außerdem möglich, die Lichtquellenanordnung 210 zu verwenden, bei der LEDs in einem zweidimensionalen Array, bzw. einer zweidimensionalen Anordnung auf einer Platine angeordnet sind.
Es gilt zu beachten, dass, obwohl es keine besondere Einschränkung gibt, es möglich ist, den Einfluss von Umgebungslicht zu unterdrücken, wenn die Emissionswellenlänge der lichtemittierenden Elemente 211 eine Wellenlänge im Nahinfrarotbereich ist. VCSELs können unter Verwendung eines Materials hergestellt werden, das in einem kantenoberflächenemittierenden Laser oder einem oberflächenemittierenden Laser verwendet wird, indem ein Halbleitervorgang durchgeführt wird. Wenn eine Konfiguration zur Entladung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge eines Nahinfrarotbands angenommen wird, kann ein Halbleitermaterial auf GaAs-Basis verwendet werden. In diesem Fall kann ein dielektrischer Mehrschichtfilm, der einen Reflexionsspiegel mit verteilter Bragg-Reflexion (distributed Bragg reflection, DBR, reflection mirror) bildet, der einen VCSEL darstellt, dazu eingerichtet sein, indem abwechselnd zwei Dünnfilme aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes (GaAs/AlGaAs) in regelmäßiger Weise geschichtet werden. Die Wellenlänge des vom VCSEL emittierten Lichts kann durch Anpassung, bzw. Einstellung der Elementkombination eines Verbindungshalbleiters oder der Zusammensetzung verändert werden.
In jedem der VCSELs, die eine VCSEL-Anordnung, bzw. ein VCSEL-Array bilden, ist eine Elektrode zum Einspeisen von Strom und Hall (engl. hall) in eine aktive Schicht bereitgestellt. Durch Steuerung des Timings für die Einspeisung von Strom und Hall in die aktive Schicht können ein beliebiges Impulslicht und moduliertes Licht abgegeben werden. Die Lichtquellensteuerungseinheit 113 kann die lichtemittierenden Elemente 211 einzeln ansteuern, bzw. antreiben und kann die Lichtquellenanordnung 210 in Einheiten von Reihen, Spalten oder rechteckigen Regionen ansteuern, bzw. antreiben.
Darüber hinaus weist die Kollimatorlinsenanordnung 220 eine Konfiguration auf, bei der eine Vielzahl von Kollimatorlinsen 221 in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind, sodass 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 umgewandelt.
2C zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Anordnungsbeispiels der Lichtquelleneinheitsantriebseinheit 112, der Lichtquelleneinheit 111 und des Lichtprojektionsobjektivs 131. Das Lichtprojektionsobjektiv 131 ist ein optisches System zum Einstellen eines Lichtprojektionsbereichs von parallelem Licht, das von der Lichtquelleneinheit 111 (der Lichtquellenanordnung 210) emittiert wird. In 2C ist das Lichtprojektionsobjektiv 131 eine konkave Linse, es kann aber auch eine konvexe Linse oder eine asphärische Linse sein, oder es kann ein optisches System sein, das aus einer Vielzahl von Linsen besteht.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise ist das Lichtprojektionsobjektiv 131 derart eingerichtet, dass das Licht in einem Bereich von ± 45 Grad von der Lichtprojektionseinheit 110 emittiert wird. Es gilt zu beachten, dass das Lichtprojektionsobjektiv 131 durch die Steuerung einer Richtung, in die das Licht emittiert wird, unter Verwendung der Kollimatorlinsen 221 weggelassen werden kann.
3A zeigt ein Lichtprojektionsmuster, das durch 3 Reihen × 3 Spalten von lichtemittierenden Elementen der Lichtquellenanordnung 210 auf einer Ebene gebildet wird, die direkt einer Lichtemissionsebene der Lichtprojektionseinheit 110 zugewandt ist und sich in einem vorbestimmten Abstand befindet. Neun Lichtprojektionsgebiete 311 stellen auf einer Ebene 310 Regionen dar, deren Durchmesser etwa der vollen Breite bei halbem Maximum (full width at half maximum, FWHM) einer Intensitätsverteilung von Licht von den einzelnen lichtemittierenden Elementen entspricht.
Ein leichter Divergenzwinkel (engl. slight divergence angle) wird durch das Lichtprojektionsobjektiv 131 zu parallelem Licht hinzugefügt, das als ein Ergebnis der Kollimatorlinsen 221 erhalten wird, die von den lichtemittierenden Elementen 211 emittiertes Lichts umwandeln, und somit wird eine begrenzte Region auf einer Bestrahlungsebene (der Ebene 310) gebildet. Wenn die Positionsbeziehung zwischen der Kollimatorlinsenanordnung 220 und der Lichtquellenanordnung 210 konstant ist, werden die Lichtprojektionsgebiete 311 auf der Ebene 310 so gebildet, dass sie jeweils den lichtemittierenden Elementen 211 entsprechen, die die Lichtquellenanordnung 210 bilden.
Die Lichtprojektionseinheit 110 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Lichtquelleneinheitsantriebseinheit 112, die die Lichtquelleneinheit 111 in der gleichen Ebene bewegen kann. Indem die Lichtquelleneinheitsantriebseinheit 112 die Position der Lichtquelleneinheit 111 bewegt, ist es möglich, die relative Positionsbeziehung zwischen den lichtemittierenden Elementen 211 und den Kollimatorlinsen 221 oder dem Lichtprojektionsobjektiv 131 zu ändern. Ein Verfahren für die Lichtquelleneinheitsantriebseinheit 112, um die Lichtquelleneinheit 111 anzutreiben, ist nicht besonders beschränkt, aber es ist möglich, einen Mechanismus zu verwenden, der elektromagnetische Induktion oder piezoelektrische Elemente verwendet, wie ein Mechanismus, der für einen Antrieb von Bildaufnahmeelementen verwendet wird, um ein Wackeln der Hand zu korrigieren.
Wenn die Lichtquelleneinheitsantriebseinheit 112 die Lichtquelleneinheit 111 auf einer Ebene parallel zur Platine der Lichtquelleneinheit 111 (eine Ebene senkrecht zur optischen Achse des Lichtprojektionsobjektivs 131) bewegt, ist es zum Beispiel möglich, die Lichtprojektionsgebiete 311 auf der Ebene 310 im Wesentlichen parallel zu bewegen. Indem die Lichtquelleneinheit 111 veranlasst wird, eine Vielzahl von Malen Licht zu emittieren, während die Lichtquelleneinheit 111 auf einer Ebene parallel zur Platine der Lichtquelleneinheit 111 bewegt wird, kann zum Beispiel die räumliche Auflösung von Lichtprojektionsgebieten auf eine Pseudo-Art erhöht werden.
3B zeigt eine räumliche Auflösung von Lichtprojektionsgebieten 411 auf einer Ebene 410, wenn die Lichtquelleneinheit 111 viermal in einem konstanten Zyklus eingeschaltet wird, während die Lichtquelleneinheit 111, die die Lichtquellenanordnung 210 enthält, ähnlich wie in 3A bewegt wird, um sich einmal auf einer Ebene parallel zur Platine der Lichtquelleneinheit 111 im Kreis zu drehen. Es wird eine räumliche Auflösung erzielt, die viermal höher ist als die räumliche Auflösung in einem in 3A gezeigten Fall, in dem die Lichtquelleneinheit 111 nicht bewegt wird.
Daher ist es möglich, die Dichte von Abstandsmesspunkten zu erhöhen, wenn eine Abstandsmessung in einem Zustand durchgeführt wird, in dem sich relative Positionen zwischen der Lichtquelleneinheit 111 und dem Lichtprojektionsobjektiv 131 unterscheiden. Es ist möglich, die räumliche Auflösung des Lichtprojektionsgebiets 411 zu erhöhen, ohne einen Lichtstrom zu separieren, und somit wird der messbare Abstand nicht verkürzt, und die Abstandsgenauigkeit nimmt nicht aufgrund einer Abnahme der Intensität des reflektierten Lichts ab.
Es gilt zu beachten, dass die relativen Positionen zwischen der Lichtquelleneinheit 111 und dem Lichtprojektionsobjektiv 131 verändert werden können, indem das Lichtprojektionsobjektiv 131 auf einer Ebene parallel zur Platine der Lichtquelleneinheit 111 bewegt wird. Es gilt zu beachten, dass, wenn das Lichtprojektionsobjektiv 131 eine Vielzahl von Linsen umfasst, das gesamte Lichtprojektionsobjektiv 131 bewegt werden kann, oder nur einige Linsen bewegt werden können.
Darüber hinaus kann auch eine Konfiguration angenommen werden, bei der die Lichtquelleneinheit 111 durch die Lichtquelleneinheitsantriebseinheit 112 in einer Richtung senkrecht zur Platine der Lichtquellenanordnung 210 (Richtung der optischen Achse des Lichtprojektionsobjektivs 131) bewegt werden kann. Dementsprechend ist es möglich, den Lichtdivergenzwinkel und den Lichtprojektionswinkel zu steuern.
Die Lichtquellensteuerungseinheit 113 steuert eine Lichtemission der Lichtquelleneinheit 111 (der Lichtquellenanordnung 210) in Übereinstimmung mit einem lichtempfangenden Timing oder der lichtempfangenden Auflösung, bzw. Lichtempfangsauflösung der lichtempfangenden Einheit 133.
Messeinheit 120
Als nächstes ist eine Konfiguration der Messeinheit 120 beschrieben. 4 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch ein Montagebeispiel der Messeinheit 120 zeigt. 4 zeigt den lichtempfangenden Teil 121, die TDC-Array-Einheit 122, die Signalverarbeitungseinheit 123 und die Messsteuerungseinheit 124. Das lichtempfangende Teil 121 und die TDC-Array-Einheit 122 bilden eine lichtempfangende Vorrichtung.
Die Messeinheit 120 weist eine Konfiguration auf, in der eine lichtempfangende Elementplatine, bzw. eine Lichtempfangselementplatine oder eine Platine für lichtempfangende Elemente 510, die den lichtempfangenden Teil 121 enthält, in dem die Pixel 511 in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind, und eine Logikplatine 520, die die TDC-Array-Einheit 122, die Signalverarbeitungseinheit 123 und die Messsteuerungseinrichtung 124 enthält, gestapelt sind. Die lichtempfangende Elementplatine 510 und die Logikplatine 520 sind über eine Zwischenplatinenverbindung 530 elektrisch miteinander verbunden. 4 zeigt die lichtempfangende Elementplatine 510 und die Logikplatine 520 in einem Zustand, in dem sie voneinander beabstandet sind, um die Beschreibung zu erleichtern.
Es gilt zu beachten, dass auf den Platinen montierte 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 eingerichtet, und eine oder mehrere Zwischenplatinenverbindungen 530 können für jede Reihe der Pixel 511 eingerichtet sein, oder eine Zwischenplatinenverbindung 530 kann für jedes Pixel 511 eingerichtet sein.
Der lichtempfangende Teil 121 umfasst eine Pixelanordnung, in dem die Pixel 511 in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die lichtempfangenden Elemente der Pixel 511 Avalanche-Photodioden (avalanche photodiodes, APD), bzw. Lawinenphotodioden oder SPAD-Elemente. Darüber hinaus sind, wie in 5A gezeigt, Pixel H (erste Pixel), die eine erste Empfindlichkeit aufweisen, und Pixel L (zweite Pixel), die eine zweite Empfindlichkeit aufweisen, die niedriger als die erste Empfindlichkeit ist, abwechselnd in Zeilenrichtung und Spaltenrichtung angeordnet. Durch die Anordnung der Pixel H und der Pixel L nebeneinander wird eine Versatzkorrektur, bzw. Offset-Korrektur eines Pixels H, die auf einem Messergebnis eines Pixels L basiert, ermöglicht. In der vorliegenden Spezifikation können die Pixel H auch als „Pixel H mit hoher Empfindlichkeit“ bezeichnet werden und die Pixel L auch als „Pixel L mit niedriger, bzw. geringer Empfindlichkeit“ bezeichnet werden.
5B zeigt eine vertikale Schnittansicht, die ein Strukturbeispiel von Pixeln H und Pixeln L zeigt. Hier wird eine Resonanzwellenlänge mit λc bezeichnet, wird ein Brechungsindex einer Schicht mit hohem Brechungsindex 901 mit nH bezeichnet, und wird ein Brechungsindex einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit nL (<nH) bezeichnet. Optische Resonatoren 911 bis 914 sind mehrschichtige Filminterferenzspiegel, die (jeweils) eine Schicht mit hohem Brechungsindex 901 mit einer Filmdicke dH=0,25λc/nH und eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit einer Filmdicke dL=0,25λc/nL umfassen.
Eine Konfiguration ist angenommen, bzw. eingerichtet, bei der eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit einer Filmdicke dE1 (bis dE4) = m1 (bis m4) × 0,5λc/nL (m1 bis m4 sind natürliche Zahlen) von den beiden Seiten von Schichten mit hohem Brechungsindex 901 sandwichartig umgeben ist.
Jedes Pixel L weist eine Konfiguration auf, bei der ein zweiter optischer Bandpassfilter oben auf einer Abblendschicht, bzw. Dimmschicht 903 bereitgestellt ist, die aus einem dünnen Wolframfilm mit einer Filmdicke von 30nm besteht und eine Transmissivität von etwa 45% aufweist. Der zweite optische Bandpassfilter weist eine Konfiguration auf, bei der die optischen Resonatoren 911 bis 914 geschichtet sind und die Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit der Filmdicke dL sandwichartig umgeben. Der zweite optische Bandpassfilter weist in 6A dargestellte spektroskopische Eigenschaften auf und ist ein Beispiel für eine optische Komponente, die zu einem lichtempfangenden Element hinzugefügt wird.
Jedes Pixel H weist eine Konfiguration auf, in der ein mehrschichtiger Filminterferenzspiegel 915, eine Filmdickeneinstellschicht 905, die aus einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex besteht und die Filmdicke dE4 aufweist, und ein erster optischer Bandpassfilter oben auf einer Transmissivitätsschicht 904 bereitgestellt sind, die aus einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex besteht, die eine Filmdicke von 30nm aufweist und die eine Transmissivität von etwa 100% aufweist. Der erste optische Bandpassfilter ist ein Beispiel einer optischen Komponente, die zu einem lichtempfangenden Element hinzugefügt wird, und weist in 6B dargestellte spektroskopische Eigenschaften auf.
Der erste optische Bandpassfilter weist eine Konfiguration auf, in der die optischen Resonatoren 911 bis 913 geschichtet sind und die Schicht mit niedrigem Brechungsindex 902 mit der Filmdicke dL sandwichartig umgeben. Die Passbänder des ersten optischen Bandpassfilters und des zweiten Bandes weisen im Wesentlichen die gleiche zentrale Wellenlänge auf, und in 6 ist λcL = λcH. Die zentrale Wellenlänge kann die Spitzenwellenlänge des von der Lichtquelleneinheit 111 emittierten Lichts sein. Andererseits ist eine volle Breite bei halbem Maximum WL der spektroskopischen Eigenschaften des zweiten optischen Bandpassfilters schmaler als eine volle Breite bei halbem Maximum WH der spektroskopischen Eigenschaften des ersten optischen Bandpassfilters.
Die volle Breite bei halbem Maximum WL ist schmaler eingestellt als die volle Breite bei halbem Maximum WH, da vorgesehen ist, dass eine Entfernungsmessung auf kurzem Abstand hauptsächlich in den Pixeln H mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt wird, während eine Entfernungsmessung auf langem Abstand hauptsächlich in den Pixeln L mit niedriger Empfindlichkeit durchgeführt wird. In den Pixeln L mit niedriger Empfindlichkeit ist die volle Breite bei halbem Maximum WL geschmälert, um in der Lage zu sein, eine lange ToF handzuhaben, und Rauschlicht wird davon abgehalten gemessen zu werden, bevor reflektiertes Licht eintrifft.
Darüber hinaus sind die Pixel L so eingerichtet, dass sie eine geringere Empfindlichkeit als die Pixel H aufweisen, als ein Resultat davon, dass sie mit der Dimmschicht 903 bereitgestellt sind. Die Dimmschicht 903 ist ein Beispiel einer optischen Komponente zur Verringerung der Empfindlichkeit eines Pixels. Es gilt zu beachten, dass anstelle der Dimmschicht 903 eine andere optische Komponente, wie z. B. Masken mit unterschiedlichen Öffnungsausmaßen (engl. opening amounts), verwendet werden kann, so dass die Pixel H und die Pixel L unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen.
Indem für jedes Pixel L eine Maske bereitgestellt wird, die ein Öffnungsausmaß aufweist, das kleiner als das einer Maske ist, die in jedem Pixel H bereitgestellt ist, kann die lichtempfangende Region des lichtempfangenden Elements des Pixels L beispielsweise schmaler gemacht werden als die lichtempfangende Region des lichtempfangenden Elements des Pixels H. Es ist nicht notwendig, dem Pixel H eine Maske bereitzustellen, und in diesem Fall genügt es, dem Pixel L eine Maske mit einem Blendenverhältnis, das kleiner als 100% ist, bereitzustellen. 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 lichtempfangenden Elementen selbst oder unterschiedlicher Spannungen, die daran angelegt werden, eine optische Komponente, die zu einem lichtempfangenden Element hinzugefügt wird, verwendet, um unterschiedliche Empfindlichkeiten von Pixeln einzustellen. Aus diesem Grund können das Pixel H und das Pixel L eine gemeinsame Konfiguration eines lichtempfangenden Elements aufweisen oder eine gemeinsame Spannung kann an das Pixel H und das Pixel L angelegt werden. Daher ist es einfach, die lichtempfangende Elementanordnung herzustellen, und außerdem ist es möglich, eine Variation der Eigenschaften von lichtempfangenden Elementen zu unterdrücken.
7 zeigt eine Schnittansicht, die eine Halbleiterschicht eines lichtempfangenden Elements enthält, die den Pixeln H und den Pixeln L gemeinsam ist. Bezugszeichen 1005 gibt eine Halbleiterschicht der lichtempfangenden Elementplatine 510 an, Bezugszeichen 1006 gibt eine Verdrahtungsschicht der lichtempfangenden Elementplatine 510 an, und Bezugszeichen 1007 gibt eine Verdrahtungsschicht der Logikplatine 520 an. Die lichtempfangende Elementplatine 510 und die Verdrahtungsschicht der Logikplatine 520 sind so miteinander verbunden, dass sie einander zugewandt sind. Die Halbleiterschicht 1005 der lichtempfangenden Elementplatine 510 umfasst eine lichtempfangende Region (photoelektrische Umwandlungsregion) 1001 und eine Avalanche-Region 1002 zur Erzeugung eines Avalanche-Stroms, bzw. Lawinenstroms in Übereinstimmung mit einer durch photoelektrische Umwandlung erzeugten Signalladung.
Darüber hinaus ist eine lichtabschirmende Wand 1003 zwischen benachbarten Pixeln bereitgestellt, um zu verhindern, dass Licht, das schräg auf die lichtempfangende Region 1001 eines Pixels einfällt, die lichtempfangende Region 1001 eines benachbarten Pixels erreicht. Die lichtabschirmende Wand 1003 besteht aus Metall, und zwischen der lichtabschirmenden Wand 1003 und der lichtempfangenden Region 1001 ist eine Isolatorregion 1004 bereitgestellt.
8A zeigt ein Diagramm, das eine Potentialverteilung einer Halbleiterregion im Querschnitt a-a' in 7 zeigt. 8B zeigt ein Diagramm, das eine Potentialverteilung im Querschnitt b-b' in 7 zeigt. 8C zeigt ein Diagramm, das eine Potentialverteilung des Querschnitts c-c' in 7 zeigt.
Licht, das auf die Halbleiterschicht 1005 der lichtempfangenden Elementplatine 510 auftrifft, wird in der lichtempfangenden Region 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, aufgrund eines elektrischen Feldes, das so eingestellt wurde, dass das Potenzial in Richtung der Avalanche-Region 1002 abnimmt, als eine Signalladung in die Avalanche-Region 1002 übertragen.
Die in der Avalanche-Region 1002 angekommene Signalladung verursacht aufgrund des starken elektrischen Feldes der Avalanche-Region 1002 einen Lawinendurchbruch (engl. avalanche breakdown) und erzeugt einen Avalanche-Strom. Dieses Phänomen tritt nicht nur durch Signallicht (reflektiertes Licht des von der Lichtquelleneinheit 111 emittierten Lichts) auf, sondern auch durch einfallendes Umgebungslicht, das Rauschlicht ist, und erzeugt Rauschkomponenten. Darüber hinaus wird ein Träger nicht nur durch einfallendes Licht erzeugt, sondern auch thermisch erzeugt. Ein durch einen thermisch erzeugten Träger verursachter Avalanche-Strom wird als „Dunkelzählung“, bzw. „Dark Count“ bezeichnet und wird zu einer Rauschkomponente.
9 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Pixels 511. Das Pixel 511 umfasst ein SPAD-Element 1401, einen Lasttransistor 1402, einen Inverter 1403, einen Pixelauswahlschalter 1404 und eine Pixelausgangsleitung 1405. Das SPAD-Element 1401 entspricht einer Region, die durch Kombination der lichtempfangenden Region 1001 und der Avalanche-Region 1002 in 7 erhalten wird.
Wenn der Pixelauswahlschalter 1404 durch ein von außen zugeführtes Steuerungssignal eingeschaltet wird, wird ein Ausgabesignal, bzw. Ausgangssignal des Inverters 1403 an die Pixelausgangsleitung 1405 als ein Pixelausgabesignal, bzw. Pixelausgangssignal ausgegeben.
Wenn kein Avalanche-Strom fließt, wird die Spannung der Anodenelektrode Vbd so eingestellt, dass eine Sperrvorspannung, die größer als oder gleich wie eine Durchbruchspannung ist, an das SPAD-Element 1401 angelegt wird. Zu dieser Zeit fließt kein Strom durch den Lasttransistor 1402, und somit liegt die Spannung eines Kathodenpotentials Vc nahe an einer Energieversorgungsspannung, bzw. Leistungsversorgungsspannung Vdd, und ein Pixelausgangssignal davon ist „0“.
Wenn in dem SPAD-Element 1401 aufgrund des Ankommens eines Photons ein Avalanche-Strom erzeugt wird, fällt das Kathodenpotential Vc ab, und der Ausgang, bzw. die Ausgabe des Inverters 1403 wird umgekehrt. Das heißt, das Pixelausgangssignal wechselt von „0“ auf „1“.
Wenn das Kathodenpotential Vc abfällt, fällt eine Sperrvorspannung ab, die an das SPAD-Element 1401 angelegt ist, und wenn die Sperrvorspannung auf eine Durchbruchspannung oder darunter fällt, hört die Erzeugung eines Avalanche-Stroms auf.
Danach steigt infolge eines positiven Lochstroms, der von der Energieversorgungsspannung Vdd über den Lasttransistor 1402 fließt, das Kathodenpotenzial Vc an, ein Ausgang des Inverters 1403 (Pixelausgang) kehrt von „1“ auf „0“ zurück, und der Zustand kehrt in den Zustand vor dem Ankommen des Photons zurück. Ein auf diese Weise von den Pixeln 511 ausgegebenes Signal wird über einen Relaispuffer (nicht dargestellt) in die TDC-Array-Einheit 122 eingegeben.
TDC-Array-Einheit 122
Die TDC-Array-Einheit 122 misst als eine ToF eine Zeitspanne von einer Zeit, zu der die Lichtquelleneinheit 111 Licht emittiert, bis zu einer Zeit, zu der das Ausgangssignal des Pixels 511 von „0“ auf „1“ wechselt.
10 zeigt ein Diagramm, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel für die TDC-Array-Einheit 122 zeigt. In der TDC-Array-Einheit 122 wird ein hochauflösender TDC, bzw. ein TDC mit hoher Auflösung 1501, der eine erste Messauflösung aufweist, für eine Hälfte der Pixel bereitgestellt, aus denen jede Pixelreihe der Pixelanordnung besteht, und ein niedrigauflösender TDC, bzw. ein TDC mit niedriger Auflösung 1502, der eine zweite Messauflösung aufweist, für die andere Hälfte bereitgestellt, wodurch ToFs in Einheiten von Pixeln gemessen werden. Die zweite Messauflösung ist niedriger als die erste Messauflösung. Zusätzlich wird zum Beispiel von der Gesamtsteuerungseinheit 140 ein Synchrontakt (engl. synchronous clock) bereitgestellt.
Hier wird ein Ausgangssignal eines Pixels H mit hoher Empfindlichkeit durch den Relaispuffer angesteuert, bzw. angetrieben, um in den TDC mit hoher Auflösung 1501 eingegeben zu werden, und ein Ausgangssignal eines Pixels L mit niedriger Empfindlichkeit wird durch den Relaispuffer angetrieben, um in den TDC mit niedriger Auflösung 1502 eingegeben zu werden. Insbesondere wird in Bezug auf das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit eine Zeitspanne mit einer höheren Messauflösung gemessen als die des Pixels L mit niedriger Empfindlichkeit. In 10 wird ein Pixelausgang mit ungerader Zahl von einem Pixel H ausgegeben, und wird ein Pixelausgang mit gerader Zahl von einem Pixel L ausgegeben. Um Verzögerungszeiten in den Relaispuffern weitgehend auszugleichen, sind die TDCs mit hoher Auflösung 1501 und die TDCs mit niedriger Auflösung 1502 abwechselnd angeordnet.
Jeder TDC mit hoher Auflösung 1501 umfasst einen ersten Oszillator 1511, eine erste Oszillationszählschaltung 1521 und eine erste Synchrontakt-Zählschaltung 1531. Der TDC mit niedriger Auflösung 1502 umfasst einen zweiten Oszillator 1512, eine zweite Oszillationszählschaltung 1522 und eine zweite Synchrontakt-Zählschaltung 1532. Die erste Oszillationszählschaltung 1521 und die zweite Oszillationszählschaltung 1522 sind zweite Zähler, bzw. Zähleinrichtungen, die Änderungen in Ausgangswerten der entsprechenden Oszillatoren zählen. Die erste Synchrontakt-Zählschaltung 1531 und die zweite Synchrontakt-Zählschaltung 1532 sind erste Zähler, die Synchrontakte zählen.
Hinsichtlich der Ausgangswerte der TDCs belegen Zählergebnisse der Synchrontakt-Zählschaltungen höhere Bits, belegen interne Signale der Oszillatoren niedrigere Bits und belegen Zählergebnisse der Oszillationszählschaltungen Zwischenbits. Das heißt, es ist eine Konfiguration eingerichtet, bei der die Synchrontakt-Zählschaltungen eine Grobmessung durchführen, interne Signale der Oszillatoren für eine genaue Messung (engl. minute measurement) verwendet werden und die Oszillationszählschaltungen eine Zwischenmessung durchführen. Es gilt zu beachten, dass jedes Messbit ein redundantes Bit enthalten kann.
11 zeigt ein Diagramm, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel von dem ersten Oszillator 1511 des TDC mit hoher Auflösung 1501 zeigt. Der erste Oszillator 1511 umfasst eine Oszillationsstart/- stoppsignalerzeugungsschaltung, bzw. Oszillationsstart/-stoppsignalErzeugungsschaltung 1640, Puffer 1611 bis 1617, einen Inverter 1618, einen Oszillationsschalter 1630 und verzögerungseinstellende Stromquellen, bzw. Verzögerungseinstellstromquellen 1620. Darüber hinaus sind die Puffer 1611 bis 1617 und der Inverter 1618, die Verzögerungselemente sind, abwechselnd mit den Oszillationsschaltern 1630 in einer Ringform in Reihe geschaltet. Die Verzögerungseinstellstromquellen 1620 sind jeweils den Puffern 1611 bis 1617 und dem Inverter 1618 bereitgestellt und stellen die Verzögerungszeiten der entsprechenden Puffer und des Inverters in Übereinstimmung mit einer Einstellspannung ein.
12 zeigt Änderungen in Ausgangssignalen der Puffer 1611 bis 1617 und des Inverters 1618 und ein internes Signal des Oszillators zur Zeit eines Zurücksetzens und nachdem jede Verzögerungszeit t_buff, die einer Pufferstufe entspricht, von da an, bzw. ab dann verstrichen ist, wenn der Oszillationsschalter 1630 eingeschaltet wurde. WI11-Ausgang bis WI18-Ausgang stellen jeweils Ausgangssignale der Puffer 1611 bis 1617 und des Inverters 1618 dar.
Zur Zeit eines Zurücksetzens sind die Ausgangswerte der Puffer 1611 bis 1617 „0“ und der Ausgangswert des Inverters 1618 ist „1“. Nach Ablauf einer einer Pufferstufe entsprechenden Verzögerungszeit t_buff ab dem Einschalten des Oszillationsschalters 1630 ändern sich die Ausgangswerte der Puffer 1612 bis 1617 und des Inverters 1618, die eingangs- und ausgangskonsistent sind, nicht. Dagegen ändert sich der Ausgangswert des Puffers 1611, der nicht eingangs- und ausgangskonsistent ist, von „0“ auf „1“ (das Signal geht um eine Stufe weiter).
Wenn t_buff weiter abläuft, bzw. verstreicht (nach 2 × t_buff), ändern sich die Ausgangswerte der Puffer 1611 und 1613 bis 1617 und des Inverters 1618, die eingangs- und ausgangskonsistent sind, nicht. Dagegen ändert sich der Ausgangswert des Puffers 1612, der nicht eingangs- und ausgangskonsistent ist, von „0“ auf „1“ (das Signal geht um eine Stufe weiter).
Auf diese Weise wechselt jedes Mal, wenn eine einer Pufferstufe entsprechende Verzögerungszeit t_buff abläuft, der Ausgangswert, bzw. Ausgabewert eines der Puffer 1611 bis 1617 und des Inverters 1618, der nicht eingangs- und ausgangskonsistent ist, der Reihe nach von „0“ auf „1“. Nach Ablauf von 8 × t_buff von da an, wenn der Oszillationsschalters 1630 eingeschaltet wurde, wechseln die Ausgangswerte aller Puffer und des Inverters auf „1“ (ein Signalzyklus abgeschlossen). Wenn 8 × t_buff weiter ablaufen (nach Ablauf von 16 × t_buff) wechseln die Ausgangswerte aller Puffer und des Inverters auf „0“ (zwei Signalzyklen abgeschlossen), und der Zustand kehrt in den ursprünglichen Zustand zurück.
Danach ändert sich eine Ausgabe in ähnlicher Weise in einem Zyklus von 16 × t_buff. Auf diese Weise entspricht die Zeitauflösung des TDC mit hoher Auflösung 1501 gleich t_buff. Darüber hinaus wird die Zeitauflösung t_buff durch eine später beschriebene erste Oszillationseinstellschaltung 1541 auf 2^-7 (1/128) × den Zyklus eines Synchrontakts eingestellt.
Darüber hinaus wird ein Oszillatorausgang, bzw. eine Oszillatorausgabe, d.h. ein Ausgang, bzw. eine Ausgabe des Inverters 1618, in die erste Oszillationszählschaltung 1521 eingegeben. Die erste Oszillationszählschaltung 1521 misst eine Zeitspanne mit der Zeitauflösung von 16 × t_buff, indem sie eine steigende Flanke des Oszillatorausgangs zählt.
13 zeigt ein Zeitdiagramm zum Ende der Messung einer Zeitspanne von da an, wenn Licht emittiert wird, bis dahin, wenn reflektiertes Licht durch das SPAD-Element 1401 erfasst wird. Das Zeitdiagramm zeigt Änderungen des Kathodenpotentials Vc des SPAD-Elements 1401, ein Pixelausgangssignal, einen Synchrontakt, einen Zählwert der Synchrontakt-Zählschaltung, einen Ausgang der Oszillatorstart/-stoppsignalerzeugungsschaltung, einen Oszillatorausgang und einen Zählwert der Oszillationszählschaltung.
Das Kathodenpotential Vc des SPAD-Elements 1401 ist eine analoge Spannung, und ein oberer Abschnitt des Zeitdiagramms in der Figur gibt eine höhere Spannung an. Der Synchrontakt, der Ausgang der Oszillatorstart/- stoppsignalerzeugungsschaltung und der Oszillatorausgang, bzw. die Oszillatorausgabe sind digitale Signale, und obere Abschnitte der Zeitdiagramme in der Figur geben an, dass die Signale eingeschaltet sind, und untere Abschnitte geben an, dass sie ausgeschaltet sind. Die Zählwerte der Synchrontakt-Zählschaltung und der Oszillatorzählschaltung sind digitale Werte, die in Dezimalzahlen ausgedrückt sind.
14 zeigt ein Diagramm, das in vergrößerter Form den Ausgang der Oszillatorstart/-stoppsignalerzeugungsschaltung, den Oszillatorausgang und den Zählwert der Oszillatorzählschaltung von einer Zeit 1803 bis zu einer Zeit 1805 in 13 sowie das interne Oszillatorsignal, bzw. das oszillatorinterne Signal zeigt. Das oszillatorinterne Signal nimmt einen digitalen Wert an und wird in einer Dezimalzahl ausgedrückt.
Ein Betrieb einer Messung mit dem TDC mit hoher Auflösung 1501, einer Zeitspanne von einer Zeit 1801, wenn die Lichtquelleneinheit 111 Licht emittiert, bis zu einer Zeit 1803, wenn ein Photon auf das SPAD-Element 1401 eines Pixels einfällt und das Pixelausgangssignal von 0 auf 1 wechselt, ist mit Bezug zu 13 und 14 beschrieben.
Die Lichtquellensteuerungseinheit 113 treibt die Lichtquelleneinheit 111 so an, dass die lichtemittierenden Elemente 211 zu einer Zeit 1801 Licht emittieren, das mit einem Anstieg eines über die Gesamtsteuerungseinheit 140 gelieferten Synchrontakts synchronisiert ist. Wenn eine Anweisung zum Starten einer Messung von der Gesamtsteuerungseinheit 140 zur Zeit 1801 gegeben wird, wenn das lichtemittierende Element 211 Licht emittiert, beginnt die erste Synchrontakt-Zählschaltung 1531 mit dem Zählen einer steigenden Flanke eines Synchrontakts.
Wenn reflektiertes Licht des zur Zeit 1801 emittierten Lichts zur Zeit 1803 auf ein Pixel einfällt, fällt das Kathodenpotential Vc des SPAD-Elements 1401 ab, und das Pixelausgangssignal wechselt von „0“ auf „1“. Wenn das Pixelausgangssignal auf „1“ wechselt, wechselt der Ausgang, bzw. die Ausgabe der Oszillationsstart/-stoppsignalerzeugungsschaltung 1640 von „0“ auf „1“, und der Oszillationsschalter 1630 wird eingeschaltet.
Wenn der Oszillationsschalter 1630 eingeschaltet ist, wird ein Oszillationsbetrieb gestartet und eine Signalschleife innerhalb des Oszillators gestartet, wie in 12 gezeigt. Jedes Mal, wenn 16 × t_buff von da an verstreichen, wenn der Oszillationsschalter 1630 eingeschaltet wurde und zwei Signalzyklen im Oszillator abgeschlossen sind, entsteht am Oszillatorausgang eine steigende Flanke, und die erste Oszillationszählschaltung 1521 misst die Anzahl der steigenden Flanken. Darüber hinaus stoppt die erste Synchrontakt-Zählschaltung 1531 zur Zeit 1803 die Zählung und hält den Zählwert.
Zur Zeit 1803, als der erste Oszillator 1511 eingeschaltet wurde, und ab der Zeit 1803 ist ein erstes Timing, wenn der Synchrontakt ansteigt, eine Zeit 1805. Wenn der Synchrontakt zur Zeit 1805 ansteigt, ändert sich der Ausgangswert der Oszillationsstart/-stoppsignalerzeugungsschaltung 1640 auf „0“, und der Oszillationsschalter 1630 wird ausgeschaltet. Zu dem Timing, wenn der Oszillationsschalter 1630 auf „0“ wechselt, endet eine Oszillation des ersten Oszillators 1511, und ein oszillationsschaltungsinternes Signal wird wie es ist gehalten. Da die Oszillation endet, hört darüber hinaus auch die erste Oszillationszählschaltung 1521 auf zu zählen.
Ein Zählergebnis D_Gclk der Synchrontakt-Zählschaltung ist ein Wert, der durch Messen einer Zeitspanne von einer Zeit 1801 bis zu einer Zeit 1802 in Einheiten von 2⁷ × t_buff erhalten wird. Darüber hinaus ist ein Zählergebnis D_Roclk der Oszillationszählschaltung ein Wert, der durch Messen einer Zeitspanne von einer Zeit 1803 bis zu einer Zeit 1804 in Einheiten von 2⁴ × t_buff erhalten wird. Darüber hinaus nimmt ein oszillatorinternes Signal D_ROin einen Wert an, der durch Messen einer Zeitspanne von einer Zeit 1804 bis zu einer Zeit 1805 in Einheiten von t_buff erhalten wird. Der TDC mit hoher Auflösung 1501 führt an diesen Werten die folgende Verarbeitung durch und gibt die Ergebnisse an die Signalverarbeitungseinheit 123 aus, wodurch ein Messbetrieb abgeschlossen wird.
Das Zählergebnis D_ROclk der Oszillatorzählschaltung und das oszillatorinterne Signal D_ROin werden in Übereinstimmung mit dem folgenden Ausdruck 2 addiert. $D_{RO} = 2^{4} \times D_{ROclk} + D_{ROin}$
D_RO, das unter Verwendung von Ausdruck 2 erhalten wird, ist ein Wert, der durch Messen einer Zeitspanne von einer Zeit 1803 bis zu einer Zeit 1805 in Einheiten von t_buff erhalten wird. Außerdem ist eine Zeitspanne von einer Zeit 1802 bis zu einer Zeit 1805 gleich wie ein Zyklus des Synchrontakts und ist somit 2⁷ × t_buff. Aus diesem Grund wird durch Subtraktion von D_RO von einem Zyklus des Synchrontakts die Zeitspanne von einer Zeit 1802 bis zu einer Zeit 1803 erhalten. Wenn die Zeitspanne von einer Zeit 1802 bis zu einer Zeit 1803 zu D_Gclk addiert wird, d. h. eine Zeitspanne von einer Zeit 1801 bis zu einer Zeit 1802, wird ein Wert D_ToF erhalten, der die Zeitspanne von einer Zeit 1801 bis zu einer Zeit 1803, gemessen in Einheiten von t_buff, angibt (Ausdruck 3). $D_{ToF} = 2^{7} \times D_{Gclk} + (2^{7} - D_{RO}) = 2^{7} D_{Gclk} + (2^{7} - 2^{4} \times D_{ROclk} - D_{ROin})$
15 zeigt ein Diagramm, das schematisch eine beispielhafte Schaltungskonfiguration des zweiten Oszillators 1512 des TDC mit niedriger Auflösung 1502 zeigt. Im zweiten Oszillator 1512 sind Puffer 2011 bis 2013 und ein Inverter 2014 abwechselnd mit Oszillationsschaltern 2030 in einer Ringform in Reihe geschaltet. Darüber hinaus sind Verzögerungseinstellstromquellen 2020 jeweils den Puffern 2011 bis 2013 und dem Inverter 2014 bereitgestellt, und stellen die Verzögerungszeiten der entsprechenden Puffer und des Inverters in Übereinstimmung mit einer Einstellspannung ein.
Verglichen mit dem TDC mit hoher Auflösung 1501 sind die Anzahl von Puffern und die Anzahl von Oszillationsschaltern geringer und betragen drei anstelle von sieben. Andererseits wird eine Verzögerungszeit t_buff der Puffer 2011 bis 2013 und des Inverters 2014 durch eine zweite Oszillationseinstellschaltung 1542 auf 2 × t_buff des TDC mit hoher Auflösung 1501 eingestellt.
Dementsprechend ist der Zählzyklus der zweiten Oszillationszählschaltung 1522 gleich wie der Zählzyklus der ersten Oszillationszählschaltung 1521. Daher ist die Anzahl der Ausgangsbits der zweiten Oszillationszählschaltung 1522 gleich wie die Anzahl der Ausgangsbits der ersten Oszillationszählschaltung 1521. Andererseits kann die Anzahl der Bits des oszillatorinternen Signals des zweiten Oszillators 1512 um ein Bit kleiner gemacht werden als die des ersten Oszillators 1511.
Wie oben beschrieben, ist vorgesehen, dass die Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit hauptsächlich für die Entfernungsmessung mit großem, bzw. langem Abstand verwendet werden. Im Falle eines großen Abstands ist der Einfluss der ToF-Messauflösung auf die Genauigkeit eines Entfernungsmessergebnisses für einen kurzen Abstand größer als der für einen großen Abstand. Aus diesem Grund ist die ToF-Messauflösung, mit der der TDC mit niedriger Auflösung 1502 die ToFs der Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit misst, niedriger als die des TDC mit hoher Auflösung 1501, wobei die Reduzierung des Schaltungsumfangs und des Energieverbrauchs im Vordergrund steht.
Eine Verzögerungszeit t_buff variiert aufgrund eines Faktors wie z. B. eines Herstellungsfehlers eines Transistors, der durch einen Herstellungsvorgang verursacht wird, einer Änderung einer Spannung, die an eine TDC-Schaltung angelegt wird, und einer Temperatur. Aus diesem Grund sind die erste Oszillationseinstellschaltung 1541 und die zweite Oszillationseinstellschaltung 1542 für alle acht TDCs bereitgestellt.
16 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte funktionale Konfiguration der ersten Oszillationseinstellschaltung 1541 und der zweiten Oszillationseinstellschaltung 1542 zeigt. Die erste Oszillationseinstellschaltung 1541 und die zweite Oszillationseinstellschaltung 1542 weisen die gleiche Konfiguration auf, so dass die erste Oszillationseinstellschaltung 1541 im Folgenden beschrieben ist. Die erste Oszillationseinstellschaltung 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 TDC, der daran angeschlossen ist. Daher weist der Dummy-Oszillator 2101 der ersten Oszillationseinstellschaltung 1541 die gleiche Konfiguration wie der erste Oszillator 1511 auf. Der Dummy-Oszillator 2101 der zweiten Oszillationseinstellschaltung 1542 weist die gleiche Konfiguration wie der zweite Oszillator 1512 auf.
Der Ausgang des Dummy-Oszillators 2101 wird dem 1/2³-Frequenzteiler 2102 zugeführt. Der 1/2³-Frequenzteiler 2102 gibt ein Taktsignal aus, das durch Änderung der Frequenz eines Eingangstaktsignals auf 1/2³ erhalten wird. Ein Synchrontakt und ein Ausgang des 1/2³-Frequenzteilers 2102 werden in den Phasenkomparator 2103 eingegeben. Der Phasenkomparator 2103 vergleicht die Frequenz des Synchrontakts und die Frequenz des von dem 1/2³-Frequenzteiler 2102 ausgegebenen Taktsignals miteinander.
Dann erhöht der Phasenkomparator 2103 eine Ausgangsspannung, wenn die Frequenz des Synchrontaktsignals höher ist, und verringert die Ausgangsspannung, wenn die Frequenz des Synchrontakts niedriger ist. Der Ausgang des Phasenkomparators 2103 wird als eine Einstellspannung in die Verzögerungseinstellstromquelle 1620 des ersten Oszillators 1511 eingegeben, und eine Verzögerung wird so eingestellt, dass die Oszillationsfrequenz des ersten Oszillators 1511 2³ mal so hoch ist wie der Synchrontakt. Das Gleiche gilt für die zweite Oszillationseinstellschaltung 1542.
Auf diese Weise wird eine Oszillationsfrequenz des Oszillators unter Verwendung einer Synchrontaktfrequenz als eine Referenz bestimmt. Durch die Erzeugung eines Synchrontaktsignals unter Verwendung eines externen IC, das ungeachtet einer Änderung des Vorgangs/Spannung/Temperatur eine feste Frequenz ausgeben kann, ist es aus diesem Grund möglich, eine Variation der Oszillationsfrequenz des Oszillators aufgrund einer Änderung des Vorgangs/Spannung/Temperatur zu unterdrücken.
Durch Eingabe eines Taktsignals von 160 MHz als ein Synchrontaktsignal beispielsweise, sind Oszillationsfrequenzen sowohl für den TDC mit hoher Auflösung 1501 als auch für den TDC mit niedriger Auflösung 1502 das Achtfache der Synchrontaktfrequenz, nämlich 1,28 GHz. Eine Verzögerungszeit t_buff für eine Pufferstufe, die die zeitliche Auflösung eines TDC entspricht, ist 48,8 ps für den TDC mit hoher Auflösung 1501 und 97,7 ps für den TDC mit niedriger Auflösung 1502.
Entfernungsmesssequenz
17 zeigt ein Flussdiagramm, das sich auf ein Beispiel für einen Entfernungsmessbetrieb gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bezieht.
In Schritt S2201 setzt die Gesamtsteuerungseinheit 140 eine Histogrammschaltung und einen Messzähler i der Signalverarbeitungseinheit 123 zurück. Auch ändert die Gesamtsteuerungseinheit 140 einen Anschluss des Relaispuffers (nicht dargestellt), so dass eine Ausgabe, bzw. ein Ausgang von Pixeln 511, die optisch lichtemittierenden Elementen 211 entsprechen, die in Schritt S2202 Licht emittieren, in die TDC-Array-Einheit 122 eingegeben wird.
In Schritt S2202 veranlasst die Gesamtsteuerungseinheit 140 einige der lichtemittierenden Elemente 211, die die Lichtquellenanordnung 210 der Lichtquelleneinheit 111 bilden, Licht zu emittieren. Gleichzeitig weist die Gesamtsteuerungseinheit 140 die TDC-Array-Einheit 122 an, die Messung zu starten.
Die TDCs mit hoher Auflösung 1501 und die TDCs mit niedriger Auflösung 1502 der TDC-Array-Einheit 122 geben Messergebnisse an die Signalverarbeitungseinheit 123 aus, wenn eine Änderung eines Ausgangs der entsprechenden Pixel 511 von „0“ auf „1“ erfasst wird. Wenn eine Zeit, die einem vorbestimmten maximalen Entfernungsmessbereich entspricht, ab dann, wenn Licht emittiert wurde, verstrichen ist, wird der Schritt S2204 ausgeführt.
In Schritt S2204 addiert die Signalverarbeitungseinheit 123 die in Schritt S2203 erhaltenen Messergebnisse zu den Histogrammen der jeweiligen Pixel. 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 Anzahl-von-Messungen-Zählers i, bzw. 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 oder nicht. Die Signalverarbeitungseinheit 123 führt den 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 S2202 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 Messergebnisse, die in Schritt S2207 verblieben sind ohne entfernt zu werden, in Bezug auf die Histogramme der einzelnen Pixel, gibt den Mittelwert, bzw. Durchschnittswert als eine gemessene ToF aus und beendet einmalig eine Entfernungsmesssequenz.
Rauschlichtunterdrückungseffekte, die durch Verwendung von Pixeln mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten erreicht werden
Hier sind eine Rauschkomponentenentfernungsverarbeitung in Schritt S2207 und eine Mittelwertbildung in Schritt S2208 beschrieben, und danach sind Rauschlichtunterdrückungseffekte, bzw. Rauschlichtunterdrückungswirkungen beschrieben, die unter Verwendung der Pixel H und der Pixel L mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten erzielt werden.
18A zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Histogramm von Ergebnissen einer TDC-Messung zeigt, die so oft wie N_total in einem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt wurde. Die horizontale Achse gibt ein TDC-Messergebnis (Zeitspanne) an, und die vertikale Achse gibt eine Häufigkeit (engl. frequency)/die Anzahl von Messungen an. Es gilt zu beachten, dass die Bin-Breite des TDC-Messergebnisses der Einfachheit halber festgelegt ist.
Da in einem Abschnitt 2302 enthaltene Messergebnisse eine Häufigkeitsspitze (engl. frequency peak)/eine Spitze in der Anzahl von Malen von Messungen enthalten, ist es denkbar, dass die Messergebnisse korrekte Messergebnisse von Zeitspannen ab dann, wenn Licht emittiert wurde, bis dann, wenn Licht empfangen wurde, sind. Da andererseits die in einem Abschnitt 2304 enthaltenen Messergebnisse unregelmäßig und spärlich verteilt sind, ist es denkbar, dass Rauschlicht wie zufällig auftretendes Umgebungslicht oder eine durch eine Dunkelzählung verursachte Rauschkomponente enthalten ist. Daher werden die in dem Abschnitt 2304 enthaltenen Messergebnisse entfernt, und der Durchschnitt 2303 nur der in dem Abschnitt 2302 enthaltenen Messergebnisse wird als ein Entfernungsmessergebnis verwendet.
Ähnlich wie 18A zeigt auch 18B ein Diagramm, das ein Beispiel eines Histogramms von Ergebnissen einer TDC-Messung zeigt, die so oft wie N_total in einem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt wurde. Das Objekt in 18B ist das gleiche wie in 18A, aber 18B zeigt ein Beispiel eines Histogramms von TDC-Messergebnissen, die in einer Situation erhalten wurden, in der mehr Umgebungslicht als bei den in 18A gezeigten Messungen vorhanden ist. Die TDC-Messung endete, als die Anzahl der Male N_total aufgrund von im Abschnitt 2304 enthaltenen Rauschlichts durchgeführt wurde, und es wurde kein TDC-Messergebnis für von dem Objekt reflektiertes Licht erhalten.
18C zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel eines Histogramms der Ergebnisse einer TDC-Messung zeigt, die so oft wie N_total in einem Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit in der gleichen Umgebung wie in 18B durchgeführt wurde. Da das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit eine geringere Empfindlichkeit aufweist als das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit, ist die Anzahl der TDC-Messungen bei Rauschlicht geringer. Infolgedessen ist die Anzahl der im Abschnitt 2302 enthaltenen Messergebnisse größer, und ähnlich wie in 18A kann der Durchschnittswert der im Abschnitt 2302 enthaltenen Messergebnisse als Entfernungsmessergebnis berechnet werden. Auf diese Weise ist das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit in einer Situation mit starkem Umgebungslichtrauschen resistenter als das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit.
Es gilt zu beachten, dass hier eine Situation beschrieben wurde, die in einer Umgebung auftreten kann, in der starkes Lichtrauschen vorhanden ist. Ein ähnliches Problem kann jedoch auch auftreten, wenn ein Objekt, das ein Ziel für eine Entfernungsmessung ist, weit entfernt ist. Dies liegt daran, dass bei einem weit entfernten Objekt eine Zeitspanne von einer Lichtemission bis zu einer Rückkehr des reflektierten Lichts (d.h. eine Zeitspanne, in der Rauschlicht erfasst wird) lang ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch die Verwendung der Pixel H mit hoher Empfindlichkeit und der Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit eine stabile Entfernungsmessung durchgeführt werden, bei der der Einfluss von Rauschlicht, bzw. Störlicht unterdrückt wird, selbst wenn die Menge, bzw. das Ausmaß an Rauschlicht groß ist oder eine Entfernungsmessung an einem weit entfernten Objekt durchgeführt wird. Darüber hinaus sind die Konfiguration der lichtempfangenden Elemente (SPADs) (lichtempfangendes Gebiet und die Dicke des lichtempfangenden Teils) und eine Spannung, die an die lichtempfangenden Elemente angelegt wird, für die Pixel H mit hoher Empfindlichkeit und die Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit gemeinsam, bzw. gleich. Aus diesem Grund ist eine Variation zwischen einem Entfernungsmessergebnis, das in einem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit erhalten wird, und einem Entfernungsmessergebnis, das in einem Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit erhalten wird, gering, und ein genaues Entfernungsmessergebnis wird erhalten.
HDR-Antriebsverfahren
Als nächstes ist eine HDR-Ansteuerung, bzw. ein HDR-Antrieb eines Pixels H mit hoher Empfindlichkeit und eines Pixels L mit niedriger Empfindlichkeit mit Bezug auf die 18D und 18E beschrieben. 18D zeigt ein Beispiel eines Histogramms von Messergebnissen für ein Pixel H mit hoher Empfindlichkeit, und 18E zeigt ein Beispiel eines Histogramms von Messergebnissen für ein Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit, das zu dem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit in 18D benachbart ist.
Die Lichtemittierungsperiode des lichtemittierenden Elements 211, das dem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit entspricht, wird mit 2602 bezeichnet, und die Lichtemittierungsperiode des lichtemittierenden Elements 211, das dem Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit entspricht, wird mit 2702 bezeichnet. Die Lichtemittierungsperiode 2702 ist das Vierfache der Lichtemittierungsperiode 2602. Aus diesem Grund ist in der gleichen Zeitspanne die Anzahl von Malen, die eine Entfernungsmessung für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden kann, viermal größer als die Anzahl von Malen, die eine Entfernungsmessung für das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit durchgeführt werden kann. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Anzahl der Entfernungsmessergebnisse für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit, die gemittelt werden, größer sein wird als die für das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit, und die Messung für das Pixel H, das eine günstige Empfindlichkeit aufweist, wird von dem TDC mit hoher Auflösung 1501 durchgeführt, und daher ist die Entfernungsmessgenauigkeit in einem Raum, der dem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit entspricht, höher als die Entfernungsmessgenauigkeit in einem Raum, der dem Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit entspricht.
Wenn sich ein Objekt, das ein Ziel einer Entfernungsmessung ist, in einem großen Abstand befindet, ist eine ToF lang, und es ist daher sehr wahrscheinlich, dass Rauschlicht gemessen wird. Die lichtemittierenden Elemente 211, die den Pixeln L mit niedriger Empfindlichkeit entsprechen und eine hohe Rauschlichtunterdrückungswirkung aufweisen, führen keine nächste Lichtemission durch, bis reflektiertes Licht erfasst wird. Die lichtemittierenden Elemente 211, die den Pixeln H mit hoher Empfindlichkeit entsprechen, die eine niedrige Rauschlichtunterdrückungswirkung aufweisen, führen dagegen eine nächste Lichtemission durch, bevor reflektiertes Licht erfasst wird. Dementsprechend ist es möglich, eine Zeitspanne von ab dann, wenn der TDC eine Messung startet, bis dann, wenn reflektiertes Licht erfasst wird, zu verkürzen und die Wahrscheinlichkeit zu unterdrücken, dass Rauschlicht während der Zeitspanne ab dann, wenn Licht emittiert wird, bis dann, wenn reflektiertes Licht ankommt, bzw. eintrifft, gemessen wird, und selbst in einer Umgebung, in der Rauschlicht von Bedeutung, bzw. signifikant ist, kann eine genaue Zeitspannenmessung für die Pixel H mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden.
Die Signalverarbeitungseinheit 123 wendet eine Versatzkorrektur, bzw. Offset-Korrektur, die auf Messergebnissen basiert, die für das benachbarte Pixel L mit niedriger 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 Lichtemittierungsperiode (Messperiode) 2602 des Pixels H mit hoher Empfindlichkeit mit einer Konstanten erhalten wurde, zu einem Messergebnis 2611 für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit zu addieren, basierend auf einem Messergebnis 2711 für das benachbarte Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit.
Da das Messergebnis 2711 für das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit, das zu dem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit benachbart ist, erhalten wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine Zeitspanne, bis reflektiertes Licht des emittierten Lichts im Pixel H mit hoher Empfindlichkeit ankommt, nahe am Messergebnis 2711 liegt. In den Beispielen in den 18D und 18E ist das Messergebnis 2711 für das Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit größer, bzw. höher als das Doppelte der Lichtemittierungsperiode 2602 für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit und kleiner als das Dreifache. Aus diesem Grund addiert die Signalverarbeitungseinheit 123 bei der Offset-Korrektur eine Zeitspanne, die das Doppelte der Lichtemittierungsperiode 2602 ist, zu dem Messergebnis 2611 für das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit.
Es gilt zu beachten, dass ein Offset-Korrekturausmaß basierend auf Messergebnissen bestimmt werden kann, die für zwei oder mehr Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit erhalten wurden, die zu einem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit benachbart sind, das ein Korrekturziel ist. Das Offset-Korrekturausmaß kann beispielsweise basierend auf Messergebnissen bestimmt werden, die für vier oder zwei Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit, die zu dem Pixel H mit hoher Empfindlichkeit in horizontaler und/oder vertikaler Richtung benachbart sind, erhalten wurden.
Darüber hinaus kann auch eine Konfiguration angenommen werden, bei der eine Bildaufnahmeeinheit bereitgestellt ist, die ein Bild im Lichtprojektionsbereich der Lichtprojektionseinheit 110 aufnimmt, und Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit, die zum Bestimmen eines Offset-Korrekturausmaßes verwendet werden sollen, unter Verwendung eines aufgenommenen Bildes festgelegt werden. Die Signalverarbeitungseinheit 123 legt basierend auf einem erfassten Bild ein oder mehrere benachbarte Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit fest, bei denen davon ausgegangen wird, dass eine Entfernungsmessung für dasselbe Objekt wie das Pixel H mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt wird, das beispielsweise ein Korrekturziel ist. Die Signalverarbeitungseinheit 123 kann dann ein Offset-Korrekturausmaß (oder einen Koeffizienten, mit dem die Lichtemittierungsperiode des Pixels H mit hoher Empfindlichkeit zu multiplizieren ist) unter Verwendung von Messergebnissen bestimmen, die für die festgelegten Pixel L mit niedriger Empfindlichkeit erhalten wurden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es durch die Verwendung von lichtempfangenden Elementen, die unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen, möglich, eine lichtempfangende Vorrichtung, die einen breiten, bzw. oder weiten dynamischen Bereich aufweist, zu realisieren. Darüber hinaus unterscheiden sich die Empfindlichkeiten der lichtempfangenden Elemente aufgrund von optischen Komponenten, die den lichtempfangenden Elementen hinzugefügt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, lichtempfangende Elemente zu verwenden, die die gleiche Konfiguration aufweisen, und es ist vom Standpunkt einer einfachen Herstellung und einer Unterdrückung einer Variation in den Eigenschaften vorteilhaft. Darüber hinaus wird eine geringere Auflösung einer Zeitmessung für die Pixel mit niedriger Empfindlichkeit eingestellt als für Pixel mit hoher Empfindlichkeit, wodurch es möglich ist, einen Schaltungsumfang und einen Energieverbrauch effizient zu reduzieren, während eine Abnahme der Genauigkeit der Entfernungsmessung unterdrückt wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
Als nächstes ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das vorliegende Ausführungsbeispiel kann mit einer Konfiguration ähnlich der des ersten Ausführungsbeispiels realisiert werden, mit Ausnahme der Konfiguration der TDC-Array-Einheit 122. Aus diesem Grund ist hauptsächlich die Konfiguration der TDC-Array-Einheit 122 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
19 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch eine beispielhafte funktionale Konfiguration der TDC-Array-Einheit 122 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt. Auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden in der TDC-Array-Einheit 122 hochauflösende TDCs, bzw. TDCs mit hoher Auflösung 2801 für die Hälfte der Pixel bereitgestellt, die jede Pixelreihe eines Pixelarrays, bzw. einer Pixelanordnung bilden, und niedrigauflösende TDCs, bzw. TDCs mit niedriger Auflösung 2802 für die andere Hälfte bereitgestellt, und dadurch werden ToFs in Einheiten von Pixeln gemessen. Die TDCs mit hoher Auflösung 2801 weisen eine höhere zeitliche Auflösung einer Messung auf als die TDCs mit niedriger Auflösung 2802. Zusätzlich wird ein Synchrontakt z.B. von der Gesamtsteuerungseinheit 140 geliefert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine dem ersten Oszillator 1511 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel äquivalente Konfiguration durch einen ersten Oszillator 2811 und eine erste Kodierschaltung 2821 gebildet. Darüber hinaus wird eine Konfiguration, die dem zweiten Oszillator 1512 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, durch einen zweiten Oszillator 2812 und eine zweite Kodierschaltung 2822 gebildet.
Eine erste Oszillationszählschaltung 2831 und eine zweite Oszillationszählschaltung 2832 weisen die gleichen Konfigurationen wie diejenigen mit den gleichen Namen in dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Darüber hinaus weisen eine erste Synchrontakt-Zählschaltung 2841 und eine zweite Synchrontakt-Zählschaltung 2842 ebenfalls die gleichen Konfigurationen wie diejenigen mit den gleichen Namen im ersten Ausführungsbeispiel auf.
20 zeigt ein Schaltdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel für den ersten Oszillator 2811 und die erste Kodierschaltung 2821 eines TDC mit hoher Auflösung 2801 zeigt. Der erste Oszillator 2811 umfasst eine Startsignalerzeugungsschaltung 2930, eine Signalsyntheseschaltung 2940 und acht in Reihe geschaltete Puffer 2911 bis 2918. Die erste Kodierschaltung 2821 umfasst eine Stoppsignalerzeugungsschaltung 2960 und acht Flip-Flop-Schaltungen 2951 bis 2958, denen ein Ausgang, bzw. eine Ausgabe der verschiedenen Puffer zugeführt werden. Die erste Kodierschaltung 2821 funktioniert als eine Halteschaltung, die ein internes Signal des ersten Oszillators 2811 hält.
Die Startsignalerzeugungsschaltung 2930 erzeugt einen kurzen Impuls als Reaktion auf eine Änderung einer Pixelausgabe, bzw. eines Pixelausgangs von „0“ auf „1“. Die Signalsyntheseschaltung 2940 empfängt eine Ausgabe der Startsignalerzeugungsschaltung 2930 und eine Ausgabe des Puffers 2918 in der letzten Stufe und gibt „1“ aus, wenn mindestens eines von ihnen „1“ ist.
Ähnlich wie in 12 zeigt 21 Änderungen in Ausgangssignalen der Puffer 2911 bis 2918 und eines internen Signals des Oszillators zur Zeit eines Zurücksetzens und nachdem jede Verzögerungszeit t_buff, die einer Pufferstufe entspricht, verstrichen ist. WS11-Ausgang bis WS18-Ausgang stellen jeweils Ausgangssignale der Puffer 2911 bis 2918 dar.
Zur Zeit des Zurücksetzens sind die Ausgangswerte aller Puffer 2911 bis 2918 „0“. Wenn ein kurzer Impuls von der Startsignalerzeugungsschaltung 2930 als Reaktion auf eine Änderung des Pixelausgangs von „0“ auf „1“ ausgegeben wird, ist der Ausgangswert des Puffers 2911 nach einer einer Pufferstufe entsprechenden Verzögerungszeit t_buff „1“. Die Ausgangswerte der anderen Puffer 2912 bis 2918 bleiben „0“.
Wenn t_buff weiter abläuft (nach 2 × t_buff), wechselt der Ausgangswert des Puffers 2912 auf „1“, und der Ausgangswert des Puffers 2911 kehrt zu „0“ zurück. Die Ausgangswerte der anderen Puffer 2913 bis 2918 bleiben „0“.
Auf diese Weise wechselt jedes Mal, wenn eine einer Pufferstufe entsprechende Verzögerungszeit t_buff abläuft, ein Puffer, der „1“ ausgibt, in der Reihenfolge. Nachdem 8 × t_buff ab dann verstrichen ist, wenn der erste Oszillator 2811 begonnen hat sich zu bewegen, bzw. in Bewegung gesetzt wurde, gibt der Puffer 2918 in der letzten Stufe „1“ aus. Wenn t_buff weiter verstreicht, bzw. abläuft, kehrt ein Zustand, in dem der Puffer 2911 „1“ ausgibt, wieder zurück. Auf diese Weise geben die Puffer 2911 bis 2918 in einem Zyklus von 8 × t_buff „1“ aus.
Die von den Ausgängen WS11 bis WS18 angegebenen Signale werden in die Flip-Flop-Schaltungen 2951 bis 2958 eingegeben, die eine Ausgabe, bzw. einen Ausgang der Puffer 2911 bis 2918 empfangen, in Übereinstimmung mit einer Zeit, die von da an verstrichen ist, wenn ein kurzer Impuls von der Startsignalerzeugungsschaltung 2930 ausgegeben wurde und eine Zeitmessung gestartet wurde. Die Stoppsignalerzeugungsschaltung 2960 gibt ein Signal aus, so dass die Flip-Flop-Schaltungen 2951 bis 2958 jeweils Eingangssignale zur Zeit eines Anstiegs eines Synchrontakts halten. Dementsprechend wird das oszillatorinterne Signal zur Zeit des Stopps in den Flip-Flop-Schaltungen 2951 bis 2958 gehalten.
In dem TDC mit hoher Auflösung 2801 wird eine Zeitmessung daher unter Verwendung von t_buff als zeitliche Auflösung durchgeführt. Die zeitliche Auflösung t_buff des TDC mit hoher Auflösung 2801 wird durch eine erste Oszillationseinstellschaltung 2851, die für alle acht TDCs bereitgestellt wird, auf 2^-6 (1/64) × den Zyklus eines Synchrontakts eingestellt.
22 zeigt ein Schaltdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des zweiten Oszillators 2812 und der zweiten Kodierschaltung 2822 des TDC mit niedriger Auflösung 2802 zeigt. Der zweite Oszillator 2812 umfasst eine Startsignalerzeugungsschaltung 3130, eine Signalsyntheseschaltung 3140 und vier in Reihe geschaltete Puffer 3111 bis 3114. Die zweite Kodierschaltung 2822 umfasst die Stoppsignalerzeugungsschaltung 2960 und vier Flip-Flop-Schaltungen 3151 bis 3154, in die eine Ausgabe, bzw. ein Ausgang der verschiedenen Puffer eingegeben wird. Die zweite Kodierschaltung 2822 funktioniert als eine Halteschaltung, die ein internes Signal des zweiten Oszillators 2812 hält.
Es wird eine Konfiguration angenommen, bei der die Anzahl der Pufferstufen des zweiten Oszillators 2812 des TDC 2802 mit niedriger Auflösung im Vergleich mit dem ersten Oszillator 2811 des TDC 2801 mit hoher Auflösung die Hälfte ist. Die zeitliche Auflösung t_buff des TDC 2802 mit niedriger Auflösung wird durch eine zweite Oszillationseinstellschaltung 2852, die für alle acht TDCs bereitgestellt wird, auf 2^-5 (1/32) × den Zyklus eines Synchrontakts eingestellt.
Der TDC mit hoher Auflösung 2801 und der TDC mit niedriger Auflösung 2802 weisen unterschiedliche Konfigurationen auf, aber ihre Funktionen, bzw. Betriebe sind denen des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich. Daher können auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel Effekte realisiert werden, die denen des ersten Ausführungsbeispiels ähneln.
Drittes Ausführungsbeispiel
Als nächstes ist ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das vorliegende Ausführungsbeispiel kann mit einer Konfiguration ähnlich der des ersten Ausführungsbeispiels realisiert werden, mit Ausnahme der Konfiguration der TDC-Array-Einheit 122. Aus diesem Grund ist hauptsächlich die Konfiguration der TDC-Array-Einheit 122 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
23 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch eine beispielhafte funktionale Konfiguration der TDC-Array-Einheit 122 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt. Auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden in der TDC-Array-Einheit 122 hochauflösende TDCs, bzw. TDCs mit hoher Auflösung 3201 für die Hälfte der Pixel bereitgestellt, die jede Pixelreihe eines Pixelarrays, bzw. einer Pixelanordnung bilden, und niedrigauflösende TDCs, bzw. TDCs mit niedriger Auflösung 3202 für die andere Hälfte bereitgestellt, wodurch ToFs in Einheiten von Pixeln gemessen werden. Die TDCs mit hoher Auflösung 3201 weisen eine höhere zeitliche Auflösung einer Messung auf als die TDCs mit niedriger Auflösung 3202. Zusätzlich wird z.B. von der Gesamtsteuerungseinheit 140 ein Synchrontakt geliefert.
Jeder TDC mit hoher Auflösung 3201 umfasst einen Oszillator 3211, eine Oszillationskodierschaltung 3221, eine Oszillationszählschaltung 3231, eine erste Verzögerungsschaltung 3261, eine zweite Verzögerungsschaltung 3262, eine Verzögerungskodierschaltung 3263 und eine Synchrontakt-Zählschaltung 3241. Jeder TDC mit niedriger Auflösung 3202 enthält im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die TDCs mit niedriger Auflösung 2802 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, so dass eine Beschreibung derselben ausgelassen ist. Der Oszillator 3211 ist äquivalent zum zweiten Oszillator 2812, die Oszillationszählschaltung 3231 ist äquivalent zur zweiten Oszillationszählschaltung 2832, und die Oszillationskodierschaltung 3221 ist äquivalent zur zweiten Kodierschaltung 2822.
24 zeigt ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des TDC mit hoher Auflösung 3201, des Oszillators 3211, der Oszillationskodierschaltung 3263, der ersten Verzögerungsschaltung 3261, der zweiten Verzögerungsschaltung 3262 und der Verzögerungskodierschaltung 3263 zeigt. Der Oszillator 3211 und die Oszillationskodierschaltung 3263 weisen die gleichen Konfigurationen wie die des TDC 3202 mit niedriger Auflösung auf. Daher sind auch Oszillationseinstellspannungen die gleichen, und die zeitliche Auflösung eines oszillatorinternen Signals für den TDC mit hoher Auflösung 3201 ist die gleiche wie die des TDC mit niedriger Auflösung 3202.
Der TDC mit hoher Auflösung 3201 realisiert eine Messung mit einer zeitlichen Auflösung, die höher ist als die des oszillatorinternen Signals, indem er eine sogenannte Nonius-Operation (engl. vernier operation) in der ersten Verzögerungsschaltung 3261, der zweiten Verzögerungsschaltung 3262 und der Verzögerungskodierschaltung 3263 durchführt.
Die erste Verzögerungsschaltung 3261 umfasst acht in Reihe geschaltete Puffer 3371 bis 3378. In ähnlicher Weise umfasst die zweite Verzögerungsschaltung 3262 acht in Reihe geschaltete Puffer 3381 bis 3388. Die Einstellung wird so vorgenommen, dass eine Verzögerungszeit t_{buff fast}, die einer Pufferstufe der zweiten Verzögerungsschaltung entspricht, kürzer ist als eine Verzögerungszeit t_{buff slow}, die einer Pufferstufe der ersten Verzögerungsschaltung 3261 entspricht. Dann wird die Anzahl der Pufferstufen, die ein Signal der zweiten Verzögerungsschaltung 3262 durchlaufen hat, bis es ein Signal der ersten Verzögerungsschaltung 3261 eingeholt hat, von einer Kodierschaltung 3263 erfasst.
Jedes Mal, wenn das Signal der zweiten Verzögerungsschaltung 3262 eine Pufferstufe durchläuft, nähert sich das Signal der zweiten Verzögerungsschaltung 3262 dem Signal der ersten Verzögerungsschaltung 3261 um t_{buff fast} - t_{buff slow}. Aus diesem Grund kann eine Messung unter Verwendung von t_{buff fast} - t_{buff slow} als eine zeitliche Auflösung durchgeführt werden.
Darüber hinaus gibt eine Verzögerungsstartsignalerzeugungsschaltung 3332 ein Verzögerungsstartsignal zu dem Timing aus, wenn eine Ausgabe, bzw. ein Ausgang eines der Puffer 3311 bis 3314 des Oszillators 3211 von „0“ auf „1“ wechselt. Darüber hinaus gibt eine Verzögerungsstoppsignalerzeugungsschaltung 3333 ein Verzögerungsstoppsignal zu dem Timing aus, wenn ein Synchrontakt ansteigt.
Eine Verzögerungszeit t_buff, die einer Stufe der Puffer 3311 bis 3314 des Oszillators 3211 entspricht, wird beispielsweise durch eine Oszillationseinstellschaltung 3251 auf 2^-5 (1/32) × den Zyklus des Synchrontakts eingestellt. Darüber hinaus wird eine Verzögerungszeit t_{buff slow}, die einer Stufe der Puffer 331 bis 3378 der ersten Verzögerungsschaltung 3261 entspricht, durch eine erste Verzögerungseinstellschaltung 3271 auf 2^-3/5 (1/40) × den Zyklus des Synchrontakts eingestellt. Außerdem wird eine Verzögerungszeit t_{buff fast}, die einer Stufe der Puffer 3381 bis 3388 der zweiten Verzögerungsschaltung 3262 entspricht, durch eine zweite Verzögerungseinstellschaltung 3272 auf 2^-3/6 (1/48) × den Zyklus des Synchrontakts eingestellt.
Angenommen, die Frequenz des Synchrontakts ist 160 MHz, dann ist t_buff 195,3 ps, ist t_{buff slow} 156,3 ps und ist t_{buff fast} 130,2 ps. In diesem Fall ist die zeitliche Auflösung des TDC 3201 mit hoher Auflösung 26,0 ps und ist die zeitliche Auflösung des TDC 3202 mit niedriger Auflösung 195,3 ps.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können die zeitlichen Auflösungen eines TDC mit hoher Auflösung und eines TDC mit niedriger Auflösung weitgehend unterschiedlich gemacht werden. Die anderen Effekte sind dem ersten Ausführungsbeispiel gemeinsam.
Anderes Ausführungsbeispiel
Das oben beschriebene Entfernungsmessgerät kann in jeder elektronischen Vorrichtung montiert werden, die eine Verarbeitungseinrichtung zum Ausführen von vorbestimmten Verarbeitungen unter Verwendung von Abstandsinformationen enthält. Beispiele für eine solche elektronische Vorrichtung umfassen Bildaufnahmegeräte, Computervorrichtungen (Personal Computer, Tablet-Computer, Media Player, PDAs usw.), Mobiltelefone, Smartphones, Spielmaschinen, Roboter, Drohnen und Fahrzeuge. Diese sind beispielhaft, und das Entfernungsmessgerät gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch in anderen elektronischen Vorrichtungen montiert werden.
Die vorliegende Erfindung kann realisiert werden, indem eine Verarbeitung zur Bereitstellung eines Programms zur Realisierung einer oder mehrerer Funktionen der obigen Ausführungsbeispiele an ein System oder ein Gerät über ein Netzwerk oder ein Speichermedium durchgeführt wird und ein oder mehrere Prozessoren in dem Computer des Systems oder des Geräts 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 obigen Ausführungsbeispiele beschränkt, und verschiedene Änderungen und Modifikationen können im Rahmen des Grundgedankens und des Umfangs 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. 2021-74412 , die am 26. April 2021 eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2014081254 [0005]
JP 2019190892 [0005]
JP 2021074412 [0146]

Claims

Entfernungsmessgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: eine lichtempfangende Vorrichtung, in der ein erstes Pixel, das eine erste Empfindlichkeit aufweist, und ein zweites Pixel, das eine zweite Empfindlichkeit, die niedriger als die erste Empfindlichkeit ist, aufweist, zweidimensional angeordnet sind; eine Messeinrichtung zum Messen von Zeitspannen von einer vorbestimmten Zeit bis zu Zeiten, wenn Licht auf jedes des ersten Pixels und des zweiten Pixels einfällt; und eine Recheneinrichtung zum Berechnen von Abstandsinformationen für das erste Pixel und das zweite Pixel basierend auf den gemessenen Zeitspannen, wobei eine Messauflösung, mit der die Messeinrichtung die Zeitspanne für das zweite Pixel misst, geringer als eine Messauflösung für die Zeitspanne für das erste Pixel ist.
Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung einen ersten Zeit-Digital-Wandler (TDC) umfasst, der die Zeitspanne für das erste Pixel mit einer ersten Messauflösung misst, und einen zweiten TDC, der die Zeitspanne für das zweite Pixel mit einer zweiten Messauflösung misst.
Entfernungsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder des ersten TDC und des zweiten TDC umfasst: einen ersten Zähler, der einen Synchrontakt zählt, einen Oszillator, dessen Ausgangswert sich mit einem Zyklus ändert, der kürzer als ein Zyklus des Synchrontakts ist, und einen zweiten Zähler, der Änderungen in einem Ausgangswert des Oszillators zählt, wobei der erste Zähler ab der vorbestimmten Zeit zu zählen beginnt, und Zeitspannen von der vorbestimmten Zeit bis zu Zeiten, wenn Licht auf jedes des ersten Pixels und des zweiten Pixels einfällt, erhalten werden, basierend auf: einer Zeitspanne von einem Zeitpunkt, wenn ein Lichteinfall in einem jeweiligen Pixel erfasst wird, bis der Synchrontakt ein nächstes Mal ansteigt, wobei die Zeitspanne durch den zweiten Zähler und den Oszillator erhalten wird, die dem jeweiligen Pixel entsprechen, und einer Zeitspanne, die basierend auf einem Wert des ersten Zählers zu dem Zeitpunkt erhalten wird, wenn ein Lichteinfall in dem jeweiligen Pixel erfasst wird.
Entfernungsmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner umfasst: eine Halteschaltung, die interne Signale der Oszillatoren hält, wobei Zeitspannen von der vorbestimmten Zeit bis zu Zeiten, wenn Licht auf jedes des ersten Pixels und des zweiten Pixels einfällt, erhalten werden, basierend auf: einer Zeitspanne von einem Zeitpunkt, wenn ein Lichteinfall in einem jeweiligen Pixel erfasst wird, bis zu einer Zeit, wenn der Synchrontakt ein nächstes Mal ansteigt, wobei die Zeitspanne durch die Halteschaltung und den zweiten Zähler, der dem jeweiligen Pixel entspricht, erhalten wird, und eine Zeitspanne, die basierend auf einem Wert des ersten Zählers zu dem Zeitpunkt erhalten wird, wenn ein Lichteinfall in dem jeweiligen Pixel erfasst wird.
Entfernungsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder des ersten TDC und des zweiten TDC einen Oszillator enthält, der eine Vielzahl von Verzögerungsfaktoren verwendet, die in einer Ringform verbunden sind, und die Anzahl von Verzögerungsfaktoren des Oszillators jedes der zweiten TDCs kleiner ist als die Anzahl von Verzögerungsfaktoren des Oszillators jedes der ersten TDCs.
Entfernungsmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzögerungszeit, die durch die Vielzahl von Verzögerungsfaktoren des Oszillators des zweiten TDC verursacht wird, gleich wie eine Verzögerungszeit ist, die durch die Vielzahl von Verzögerungsfaktoren des Oszillators des ersten TDC verursacht wird.
Entfernungsmessgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator des ersten TDC und der Oszillator des zweiten TDC die gleiche Konfiguration aufweisen, der erste TDC umfasst: eine erste Verzögerungsschaltung, in die eine Ausgabe des Oszillators eingegeben wird, und die einen Verzögerungsfaktor einer ersten Verzögerungszeit verwendet, und eine zweite Verzögerungsschaltung, in die der Synchrontakt eingegeben wird und die einen Verzögerungsfaktor einer zweiten Verzögerungszeit verwendet, die kürzer als die erste Verzögerungszeit ist, der zweite TDC eine Zeitspanne von der vorbestimmten Zeit bis zu einer Zeit erhält, wenn Licht auf das jeweilige zweite Pixel einfällt, basierend auf: einer Zeitspanne von einem Zeitpunkt, wenn ein Lichteinfall in dem jeweiligen Pixel erfasst wird, bis zu einer Zeit, wenn der Synchrontakt ein nächstes Mal ansteigt, wobei die Zeitspanne durch die Halteschaltung und den zweiten Zähler, der dem jeweiligen Pixel entspricht, erhalten wird, und eine Zeitspanne, die aus einem Wert des ersten Zählers zu dem Zeitpunkt erhalten wird, wenn ein Lichteinfall in dem jeweiligen Pixel erfasst wird, und der erste TDC eine Zeitspanne von der vorbestimmten Zeit bis zu einer Zeit erhält, wenn Licht auf das erste Pixel einfällt, basierend auf: einer Zeitspanne von einem Zeitpunkt, wenn ein Lichteinfall in einem jeweiligen Pixel erfasst wird, bis zu einer Zeit, wenn der Synchrontakt ein nächstes Mal ansteigt, wobei die Zeitspanne durch die Halteschaltung und den zweiten Zähler, der dem jeweiligen Pixel entspricht, erhalten wird, eine Zeitspanne, die basierend auf einem Wert des ersten Zählers zu dem Zeitpunkt erhalten wird, wenn ein Lichteinfall in dem jeweiligen Pixel erfasst wird, und eine Zeitspanne, die basierend auf Signalen erhalten wird, die von der ersten Verzögerungsschaltung und der zweiten Verzögerungsschaltung gehalten werden.
Entfernungsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messauflösung und die zweite Messauflösung auf einem Zyklus eines Synchrontakts basieren, der in den ersten TDC und den zweiten TDC eingegeben wird.
Entfernungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeit eine Zeit ist, wenn eine lichtemittierende Vorrichtung Licht emittiert.
Entfernungsmessgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Vorrichtung eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen umfasst, die zweidimensional angeordnet sind, und die Vielzahl von lichtemittierenden Elementen so eingerichtet sind, dass sie jeweils den Pixeln der lichtempfangenden Vorrichtung entsprechen.
Entfernungsmessgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtemittierungsperiode von lichtemittierenden Elementen, die den ersten Pixeln aus der Vielzahl von lichtemittierenden Elementen entsprechen, kürzer als eine Lichtemittierungsperiode von lichtemittierenden Elementen ist, die den zweiten Pixeln entsprechen.
Entfernungsmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die für jedes der ersten Pixel gemessene Zeitspanne basierend auf der Zeitspanne korrigiert wird, die für ein zweites Pixel gemessen wird, das dem ersten Pixel benachbart ist.
Elektronische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: das Entfernungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12; und eine Verarbeitungseinrichtung zum Ausführen einer vorbestimmten Verarbeitung unter Verwendung von Abstandsinformationen, die von dem Entfernungsmessgerät erhalten werden.
Messeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: eine lichtempfangende Vorrichtung, in der ein erstes Pixel, das eine erste Empfindlichkeit aufweist, und ein zweites Pixel, das eine zweite Empfindlichkeit, die niedriger als die erste Empfindlichkeit ist, aufweist, zweidimensional angeordnet sind; und eine Messeinrichtung zum Messen von Zeitspannen von einer vorbestimmten Zeit bis zu Zeiten, wenn Licht auf jedes des ersten Pixels und des zweiten Pixels einfällt, wobei eine Messauflösung, mit der die Messeinrichtung die Zeitspanne für das zweite Pixel misst, geringer als eine Messauflösung für die Zeitspanne für das erste Pixel ist.