JP2020034523A - 受光素子および測距システム - Google Patents

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Abstract

【課題】SPADの降伏電圧のバラツキを許容しつつ、画素特性を向上させることができるようにする。【解決手段】受光素子は、複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、画素アレイの各画素を、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御する画素駆動部とを備える。画素は、SPADと、SPADに直列に接続されているトランジスタと、SPADへの光子の入射を示す検出信号を出力するインバータと、アクティブ画素または非アクティブ画素の制御にしたがってオンオフされる第１トランジスタと、第１トランジスタと直列に接続される第２トランジスタとを備える。本技術は、例えば、被写体までの奥行き方向の距離を検出する測距システム等に適用できる。【選択図】図９

Description

本技術は、受光素子および測距システムに関し、SPADの降伏電圧のバラツキを許容しつつ、画素特性を向上させることができるようにした受光素子および測距システムに関する。
近年、ToF（Time-of-Flight）法により距離計測を行う距離画像センサが注目されている。距離画像センサでは、例えば、SPAD（Single Photon Avalanche Diode）を用いた画素を行列状に配置した画素アレイが採用される。SPADでは、降伏電圧よりも大きい電圧を印加した状態で、高電界のPN接合領域へ１個の光子が入ると、アバランシェ増幅が発生する。その際の瞬間的に電流が流れたタイミングを検出することで、高精度に距離を計測することができる。
SPADを用いた画素を行列状に配置した距離画像センサでは、一部の画素を、光子を検出するアクティブ画素に設定し、残りの画素を、光子を検出しない非アクティブ画素に設定する駆動が行われる（例えば、特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２０１６／０２８４７４３号明細書
非アクティブ画素に設定された画素では、SPADのアノード・カソード間電圧を降伏電圧以下にすることで、光が入っても反応しないように制御される。しかしながら、SPADの降伏電圧のバラツキにより、例えば、非アクティブ画素に大電流が流れる、などの現象が起こり得る。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、SPADの降伏電圧のバラツキを許容しつつ、画素特性を向上させることができるようにするものである。
本技術の第１の側面の受光素子は、複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、前記画素アレイの各画素を、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御する画素駆動部とを備え、前記画素は、SPADと、前記SPADに直列に接続されている抵抗成分と、前記SPADへの光子の入射を示す検出信号を出力する出力部と、前記アクティブ画素または前記非アクティブ画素の制御にしたがってオンオフされる第１トランジスタと、前記第１トランジスタと直列に接続される第２トランジスタとを備える。
本技術の第２の側面の測距システムは、照射光を照射する照明装置と、前記照射光に対する反射光を受光する受光素子とを備え、前記受光素子は、複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、前記画素アレイの各画素を、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御する画素駆動部とを備え、前記画素は、SPADと、前記SPADに直列に接続されている抵抗成分と、前記SPADへの光子の入射を示す検出信号を出力する出力部と、前記アクティブ画素または前記非アクティブ画素の制御にしたがってオンオフされる第１トランジスタと、前記第１トランジスタと直列に接続される第２トランジスタとを備える。
本技術の第１および第２の側面においては、受光素子には、複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、前記画素アレイの各画素を、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御する画素駆動部とが設けられ、前記画素には、SPADと、前記SPADに直列に接続されている抵抗成分と、前記SPADへの光子の入射を示す検出信号を出力する出力部と、前記アクティブ画素または前記非アクティブ画素の制御にしたがってオンオフされる第１トランジスタと、前記第１トランジスタと直列に接続される第２トランジスタとが設けられる。
受光素子及び測距システムは、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
本技術を適用した測距システムの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 図１の受光素子の構成例を示すブロック図である。 SPADを用いた基本画素回路を示す図である。 図３の画素の動作を説明する図である。 アクティブ画素と非アクティブ画素の設定例を示す図である。 降伏電圧VBDのばらつきによる問題を説明する図である。 降伏電圧VBDのばらつきによる問題を説明する図である。 降伏電圧VBDのばらつきによる問題を説明する図である。 図１の受光素子の画素の回路構成を示す図である。 図９の画素の等価回路を示す図である。 図９の画素がアクティブ画素に設定されている場合の動作を説明する図である。 図９の画素が非アクティブ画素に設定されている場合の動作を説明する図である。 測距システムの使用例を説明する図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．測距システムの構成例
２．受光素子の構成例
３．基本画素回路の構成例
４．アクティブ画素と非アクティブ画素の設定例
５．降伏電圧VBDのばらつきによる問題
６．画素の回路構成および動作
７．測距システムの使用例
８．移動体への応用例
＜１．測距システムの構成例＞
図１は、本技術を適用した測距システムの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
測距システム１１は、例えば、ToF法を用いて距離画像の撮影を行うシステムである。ここで、距離画像とは、測距システム１１から被写体までの奥行き方向の距離を画素毎に検出し、検出した距離に基づく距離画素信号からなる画像のことである。
測距システム１１は、照明装置２１及び撮像装置２２を備える。
照明装置２１は、照明制御部３１及び光源３２を備える。
照明制御部３１は、撮像装置２２の制御部４２の制御の下に、光源３２が光を照射するパターンを制御する。具体的には、照明制御部３１は、制御部４２から供給される照射信号に含まれる照射コードに従って、光源３２が光を照射するパターンを制御する。例えば、照射コードは、１（High）と０（Low）の２値からなり、照明制御部３１は、照射コードの値が１のとき光源３２を点灯させ、照射コードの値が０のとき光源３２を消灯させる。
光源３２は、照明制御部３１の制御の下に、所定の波長域の光を発する。光源３２は、例えば、赤外線レーザダイオードからなる。なお、光源３２の種類、及び、照射光の波長域は、測距システム１１の用途等に応じて任意に設定することが可能である。
撮像装置２２は、照明装置２１から照射された光（照射光）が被写体１２及び被写体１３等により反射された反射光を受光する装置である。撮像装置２２は、撮像部４１、制御部４２、表示部４３、及び、記憶部４４を備える。
撮像部４１は、レンズ５１、受光素子５２、及び、信号処理回路５３を備える。
レンズ５１は、入射光を受光素子５２の受光面に結像させる。なお、レンズ５１の構成は任意であり、例えば、複数のレンズ群によりレンズ５１を構成することも可能である。
受光素子５２は、例えば、各画素にSPAD（Single Photon Avalanche Diode）を用いたセンサからなる。受光素子５２は、制御部４２の制御の下に、被写体１２及び被写体１３等からの反射光を受光し、その結果得られた画素信号を信号処理回路５３に供給する。この画素信号は、照明装置２１が照射光を照射してから、受光素子５２が受光するまでの時間をカウントしたデジタルのカウント値を表す。光源３２が発光するタイミングを示す発光タイミング信号は、制御部４２から受光素子５２にも供給される。
信号処理回路５３は、制御部４２の制御の下に、受光素子５２から供給される画素信号の処理を行う。例えば、信号処理回路５３は、受光素子５２から供給される画素信号に基づいて、画素毎に被写体までの距離を検出し、画素毎の被写体までの距離を示す距離画像を生成する。具体的には、信号処理回路５３は、光源３２が光を発光してから受光素子５２の各画素が光を受光するまでの時間（カウント値）を画素毎に複数回（例えば、数千乃至数万回）取得する。信号処理回路５３は、取得した時間に対応するヒストグラムを作成する。そして、信号処理回路５３は、ヒストグラムのピークを検出することで、光源３２から照射された光が被写体１２または被写体１３で反射して戻ってくるまでの時間を判定する。さらに、信号処理回路５３は、判定した時間と光速に基づいて、物体までの距離を求める演算を行う。信号処理回路５３は、生成した距離画像を制御部４２に供給する。
制御部４２は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の制御回路やプロセッサ等により構成される。制御部４２は、照明制御部３１、及び、受光素子５２の制御を行う。具体的には、制御部４２は、照明制御部３１に照射信号を供給するとともに、発光タイミング信号を受光素子５２に供給する。光源３２は、照射信号に応じて照射光を発光する。発光タイミング信号は、照明制御部３１に供給される照射信号でもよい。また、制御部４２は、撮像部４１から取得した距離画像を表示部４３に供給し、表示部４３に表示させる。さらに、制御部４２は、撮像部４１から取得した距離画像を記憶部４４に記憶させる。また、制御部４２は、撮像部４１から取得した距離画像を外部に出力する。
表示部４３は、例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置等のパネル型表示装置からなる。
記憶部４４は、任意の記憶装置や記憶媒体等により構成することができ、距離画像等を記憶する。
＜２．受光素子の構成例＞
図２は、受光素子５２の構成例を示すブロック図である。
受光素子５２は、画素駆動部１１１、画素アレイ１１２、MUX(マルチプレクサ)１１３、時間計測部１１４、および、入出力部１１５を備える。
画素アレイ１１２は、光子の入射を検出し、検出結果を示す検出信号を画素信号として出力する画素１２１が行方向及び列方向の行列状に２次元配置された構成となっている。ここで、行方向とは画素行の画素１２１の配列方向、即ち、水平方向を言い、列方向とは画素列の画素１２１の配列方向、即ち、垂直方向を言う。図２では、紙面の制約上、画素アレイ１１２が１０行１２列の画素配列構成で示されているが、画素アレイ１１２の行数および列数は、これに限定されず、任意である。
画素アレイ１１２の行列状の画素配列に対して、画素行ごとに画素駆動線１２２が水平方向に沿って配線されている。画素駆動線１２２は、画素１２１の駆動を行うための駆動信号を伝送する。画素駆動部１１１は、画素駆動線１２２を介して所定の駆動信号を各画素１２１に供給することにより、各画素１２１を駆動する。具体的には、画素駆動部１１１は、入出力部１１５を介して外部から供給される発光タイミング信号に合わせた所定のタイミングで、行列状に２次元配置された複数の画素１２１の一部をアクティブ画素とし、残りの一部を非アクティブ画素とする制御を行う。アクティブ画素は、光子の入射を検出する画素であり、非アクティブ画素は、光子の入射を検出しない画素である。画素１２１の詳細構成については後述する。
なお、図２では、画素駆動線１２２を１本の配線として示しているが、複数の配線で構成してもよい。画素駆動線１２２の一端は、画素駆動部１１１の各画素行に対応した出力端に接続されている。
MUX１１３は、画素アレイ１１２内のアクティブ画素と非アクティブ画素の切替えにしたがい、アクティブ画素からの出力を選択する。そして、MUX１１３は、選択したアクティブ画素から入力される画素信号を時間計測部１１４へ出力する。
時間計測部１１４は、MUX１１３から供給されるアクティブ画素の画素信号と、光源３２の発光タイミングを示す発光タイミング信号とに基づいて、光源３２が光を発光してからアクティブ画素が光を受光するまでの時間に対応するカウント値を生成する。時間計測部１１４は、TDC（Time to Digital Converter）とも呼ばれる。発光タイミング信号は、入出力部１１５を介して外部（撮像装置２２の制御部４２）から供給される。
入出力部１１５は、時間計測部１１４から供給されるアクティブ画素のカウント値を、画素信号として外部（信号処理回路５３）に出力する。また、入出力部１１５は、制御部４２から供給される発光タイミング信号を、画素駆動部１１１および時間計測部１１４に供給する。
＜３．基本画素回路の構成例＞
受光素子５２の画素１２１の回路構成を説明する前に、図３および図４を参照して、SPADを用いた基本となる画素回路（基本画素回路）と動作を説明する。
図３は、SPADを用いた基本画素回路を示している。
図３の画素２００は、SPAD２１１、トランジスタ２１２、トランジスタ２１３、及び、インバータ２１４を備える。トランジスタ２１２は、P型のMOSトランジスタで構成され、トランジスタ２１３は、N型のMOSトランジスタで構成される。
SPAD２１１のカソードは、トランジスタ２１２のドレインに接続されるとともに、インバータ２１４の入力端子、及び、トランジスタ２１３のドレインに接続されている。SPAD２１１のアノードは、電源VSPADに接続されている。
SPAD２１１は、入射光が入射されたとき、発生する電子をアバランシェ増幅させてカソード電圧VSの信号を出力するフォトダイオード（単一光子アバランシェフォトダイオード）である。SPAD２１１のアノードに供給される電源VSPADは、例えば、-20Vの負バイアス（負の電位）とされる。
トランジスタ２１２は、飽和領域で動作する定電流源であり、クエンチング抵抗として働くことにより、パッシブクエンチを行う。トランジスタ２１２のソースは電源電圧VEに接続され、ドレインがSPAD２１１のカソード、インバータ２１４の入力端子、及び、トランジスタ２１３のドレインに接続されている。これにより、SPAD２１１のカソードにも、電源電圧VEが供給される。SPAD２１１と直列に接続されたトランジスタ２１２の代わりに、プルアップ抵抗を用いることもできる。
SPAD２１１には、十分な効率で光（フォトン）を検出するため、SPAD２１１の降伏電圧VBDよりも大きな電圧（以下、過剰バイアス（ExcessBias）と称する。）が印加される。例えば、SPAD２１１の降伏電圧VBDが２０Vであり、それよりも３V大きい電圧を印加することとすると、トランジスタ２１２のソースに供給される電源電圧VEは、３Vとされる。
トランジスタ２１３のドレインは、SPAD２１１のカソード、インバータ２１４の入力端子、および、トランジスタ２１２のドレインに接続され、トランジスタ２１３のソースは、グランド（GND）に接続されている。トランジスタ２１３のゲートには、ゲーティング制御信号VGが、画素駆動部１１１から供給される。
画素２００がアクティブ画素とされる場合には、Lo（Low）のゲーティング制御信号VGが、画素駆動部１１１からトランジスタ２１３のゲートに供給される。一方、画素２００が非アクティブ画素とされる場合には、Hi(High)のゲーティング制御信号VGが、画素駆動部１１１からトランジスタ２１３のゲートに供給される。
インバータ２１４は、入力信号としてのカソード電圧VSがLoのとき、Hiの検出信号PFoutを出力し、カソード電圧VSがHiのとき、Loの検出信号PFoutを出力する。インバータ２１４は、SPAD２１１への光子の入射を検出信号PFoutとして出力する出力部である。
図４を参照して、画素２００がアクティブ画素とされた場合の動作について説明する。図４は、光子の入射に応じたSPAD２１１のカソード電圧VSの変化と検出信号PFoutを示すグラフである。
まず、画素２００がアクティブ画素である場合、トランジスタ２１３は、Loのゲーティング制御信号VGにより、オフに設定される。
SPAD２１１のカソードには電源電圧VE（例えば、３V）が供給され、アノードには電源VSPAD（例えば、−２０V）が供給されることから、SPAD２１１に降伏電圧VBD（＝２０V）より大きい逆電圧が印加されることにより、SPAD２１１がガイガーモードに設定される。この状態では、SPAD２１１のカソード電圧VSは、例えば図４の時刻t0のように、電源電圧VEと同じである。
ガイガーモードに設定されたSPAD２１１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、SPAD２１１に電流が流れる。
図４の時刻t1において、アバランシェ増倍が発生し、SPAD２１１に電流が流れたとすると、時刻t1以降、SPAD２１１に電流が流れることにより、トランジスタ２１２にも電流が流れ、トランジスタ２１２の抵抗成分により電圧降下が発生する。
時刻t2において、SPAD２１１のカソード電圧VSが0Vよりも低くなると、降伏電圧VBDよりも低い状態となるので、アバランシェ増幅が停止する。ここで、アバランシェ増幅により発生する電流がトランジスタ２１２に流れることで電圧降下を発生させ、発生した電圧降下に伴って、カソード電圧VSが降伏電圧VBDよりも低い状態となることで、アバランシェ増幅を停止させる動作がクエンチ動作である。
アバランシェ増幅が停止するとトランジスタ２１２の抵抗に流れる電流が徐々に減少して、時刻t4において、再びカソード電圧VSが元の電源電圧VEまで戻り、次の新たなフォトンを検出できる状態となる（リチャージ動作）。
インバータ２１４は、入力電圧であるカソード電圧VSが所定の閾値電圧Vth以上のとき、Loの検出信号PFoutを出力し、カソード電圧VSが所定の閾値電圧Vth未満のとき、Hiの検出信号PFoutを出力する。従って、SPAD２１１に光子が入射し、アバランシェ増倍が発生してカソード電圧VSが低下し、閾値電圧Vthを下回ると、検出信号PFoutは、ローレベルからハイレベルに反転する。一方、SPAD２１１のアバランシェ増倍が収束し、カソード電圧VSが上昇し、閾値電圧Vth以上になると、検出信号PFoutは、ハイレベルからローレベルに反転する。
なお、画素２００が非アクティブ画素とされる場合には、Hiのゲーティング制御信号VGが、画素駆動部１１１からトランジスタ２１３のゲートに供給され、トランジスタ２１３がオンされる。これにより、SPAD２１１のカソード電圧VSが０V(GND)となり、SPAD２１１のアノード・カソード間電圧が降伏電圧VBD以下となるので、SPAD２１１に光子が入ってきても反応しない。
＜４．アクティブ画素と非アクティブ画素の設定例＞
図５は、画素アレイ１１２の複数の画素１２１に対するアクティブ画素と非アクティブ画素の設定例を示している。
図５の画素アレイ１１２は、１６行１６列の２５６個の画素１２１で構成されている。その２５６個の画素１２１のうち、ハッチングを付した画素１２１がアクティブ画素を表し、ハッチングが付されていない画素１２１が非アクティブ画素を表している。
画素駆動部１１１は、例えば、２×２の４画素を１つのスポット（塊）SPとして、画素アレイ１１２内の複数個所を、スポットSP単位で選択し、アクティブ画素とする。図５の例では、スポットSP１乃至SP９の９個のスポットSPが選択され、アクティブ画素とされている。なお、スポットSP単位を構成する複数画素は、図５に示される２×２の４画素に限定されず、例えば、２×１の２画素、３×３の９画素など、任意に設定することができる。画素駆動部１１１は、さらに、各スポットSPの位置を画素アレイ１１２内で時間ごとに移動させることにより、測距エリアの分解能を所定値以上に保っている。
このように、画素アレイ１１２内の一部分のみをアクティブ画素とすることにより、瞬間的な動作電流が大きくなりすぎて電源変動を招き、測距精度に影響してしまうことを防止することができる。また、対象物に照射するレーザ光もSPOT照射となるため、アクティブ画素をレーザ照射に合わせて、一部のスポットSPに限定しておくことで、消費電力も低減することができる。
＜５．降伏電圧VBDのばらつきによる問題＞
SPAD２１１のアノードに供給される電源VSPADは、回路を簡素化するため、全ての画素２００で共通化される。上述したように、SPAD２１１の降伏電圧VBDが、２０Vであるとすると、電源VSPADを、例えば、−２０Vとすることで、画素２００を非アクティブ画素とする場合には、Hiのゲーティング制御信号VGによりトランジスタ２１３をオンすることで、SPAD２１１のアノード・カソード間電圧が降伏電圧VBD以下となり、光子が入ってきてもSPAD２１１が反応しないようにすることができる。
しかしながら、SPAD２１１の降伏電圧VBDには、多少なりともバラツキがある。この降伏電圧VBDのバラツキによって、図６に示されるような状況が考えられる。
図６は、複数の画素２００のSPAD２１１の降伏電圧VBDがバラツキを持つ例を示している。
図６には、３つの画素２００１乃至２００３が示されている。画素２００１のSPAD２１１の降伏電圧VBD1は、２０Vであり、画素２００２のSPAD２１１の降伏電圧VBD2は、１９．５Vであり、画素２００３のSPAD２１１の降伏電圧VBD3は、２０．５Vである。また、SPAD２１１のアノードに供給される電源VSPADは、−２０Vである。
カソード電圧VS１乃至VS３は、３つの画素２００１乃至２００３がアクティブ画素に設定された場合に、インバータ２１４に入力される電圧を示している。
３つの画素２００１乃至２００３が非アクティブ画素に設定される場合、トランジスタ２１３がオンとされ、SPAD２１１のカソード電圧VS１乃至VS３が０V(GND)に制御される。３つの画素２００１乃至２００３において、SPAD２１１のアノード・カソード間電圧は、２０Vとなる。画素２００１と画素２００３のSPAD２１１の降伏電圧VBDは、それぞれ、２０Vおよび２０．５Vであるので、アノード・カソード間電圧は降伏電圧VBD以下となり、画素２００１と画素２００３のSPAD２１１は光子が入ってきても反応しない。一方、画素２００２のSPAD２１１の降伏電圧VBDは１９．５Vであるので、アノード・カソード間電圧はSPAD２１１の降伏電圧VBDより未だ大きい状態である。したがって、画素２００２では、光子が入ってきた場合、図６に示されるように、トランジスタ２１３を介して大電流が流れる。
図６の画素２００２の現象を防ぐためには、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD２１１に合わせて、電源VSPADを設定することが考えられる。
図７は、図６の３つの画素２００１乃至２００３に対して、電源VSPADを−１９．５Vに設定した例を示している。
このように、電源VSPADを、降伏電圧VBDが最も低い画素２００２の降伏電圧VBD2（１９．５V）に合わせ、−１９．５とすると、３つの画素２００１乃至２００３のトランジスタ２１３をオンとし、非アクティブ画素に設定した場合のSPAD２１１のアノード・カソード間電圧は１９．５Vとなり、全てのSPAD２１１の降伏電圧VBD以下となるので、光子が入ってきてもSPAD２１１が反応することはない。
しかしながら、図７のように最も低い降伏電圧VBDに電源VSPADを合わせると、画素特性が悪化してしまうという側面がある。
図８は、３つの画素２００１乃至２００３がアクティブ画素に設定され、光子が入射された場合の、カソード電圧VSの変化を模式的に示した図である。
図８のAは、電源VSPADを−２０Vとした図６の画素２００１乃至２００３のカソード電圧VS１乃至VS３の変化を示すグラフである。
図８のBは、電源VSPADを−１９．５Vとした図７の画素２００１乃至２００３のカソード電圧VS１乃至VS３の変化を示すグラフである。
過剰バイアスが大きいほど、画素特性は向上する。ここで、画素特性とは、例えば、入射された１光子が検出される確率を表すPDE(photon detection efficiency)である。
電源VSPADを−２０Vに設定した図６の画素２００１乃至２００３では、図８のAに示されるように、３つの画素２００１乃至２００３のなかで、最も大きい降伏電圧VBD＝２０．５を持つ画素２００３においても降伏電圧VBD以上の過剰バイアスは２．５V＝（VE-0.5）が確保される。
これに対して、電源VSPADを−１９．５Vに設定した図７の画素２００１乃至２００３では、図８のBに示されるように、最も大きい降伏電圧VBD＝２０．５を持つ画素２００３における降伏電圧VBD以上の過剰バイアスは２．０V＝（VE-1.0）となり、低くなる。
即ち、電源VEも全画素で共通化されていることから、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD２１１に合わせて電源VSPADを設定すると、実質的に過剰バイアスを下げることにつながり、画素特性を悪化させる要因となる。
また、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD２１１に合わせて、電源VSPADを設定するためには、全画素のSPAD２１１の降伏電圧VBDを測定する必要があるため、工数が非常に大きく、現実的ではない。
そこで、受光素子５２の画素１２１では、図６乃至図８を参照して説明した問題を解決すべく、図３の基本画素回路から改良した回路が搭載されている。
＜６．画素の回路構成および動作＞
図９は、受光素子５２の画素１２１の回路構成を示している。
図９において、図４の基本画素回路と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
図９の画素１２１は、SPAD２１１、トランジスタ２１２、トランジスタ２１３、及び、インバータ２１４を備える点で、図４の基本画素回路と共通する。インバータ２１４は、P型のMOSトランジスタ１６１とN型のMOSトランジスタ１６２のCMOSインバータで構成されている。
画素１２１は、スイッチ１５１、インバータ１５２、および、トランジスタ１５３をさらに備える点で、図４の基本画素回路と相違する。トランジスタ１５３は、N型のMOSトランジスタで構成される。
スイッチ１５１は、トランジスタ２１２と直列接続となるように挿入されている。具体的には、スイッチ１５１は、トランジスタ２１２のドレインと、SPAD２１１のカソード、インバータ２１４の入力端子、及び、トランジスタ２１３のドレインの接続点との間に配置されている。スイッチ１５１には、画素１２１をアクティブ画素または非アクティブ画素に制御するためのゲーティング信号GTNGが供給される。スイッチ１５１は、Hiのゲーティング信号GTNGが供給されたときオン（接続）し、Loのゲーティング信号GTNGが供給されたときオフ（開放）する。
インバータ１５２は、トランジスタ２１３の前段に配置され、インバータ１５２の出力がトランジスタ２１３のゲートに供給される。インバータ１５２の入力には、ゲーティング信号GTNGが供給される。これにより、トランジスタ２１３は、Hiのゲーティング信号GTNGが供給されたときオフし、Loのゲーティング信号GTNGが供給されたときオンする。
トランジスタ１５３は、トランジスタ２１３と直列接続となるように挿入されている。より具体的には、トランジスタ１５３は、ダイオード接続とされ、トランジスタ２１３のソースとグランド（GND）の間に配置されている。トランジスタ１５３のドレインは、トランジスタ２１３のソース、および、自身のゲートに接続され、トランジスタ１５３のソースはグランドに接続されている。また、トランジスタ１５３および２１３のボディも、グランドに接続されている。
トランジスタ１５３としては、閾値電圧Vgsが、インバータ２１４（のMOSトランジスタ１６１および１６２）の閾値電圧Vthよりも小さい、低閾値トランジスタ（LVTトランジスタ）が用いられる。これにより、ゲーティング信号GTNGがHiからLoに変更され、画素１２１がアクティブ画素から非アクティブ画素に変更される場合、トランジスタ１５３がインバータ２１４よりも先に動作する（トランジスタ１５３がオンに制御される）ので、インバータ２１４において貫通電流が流れることを防止することができる。
図１０は、図９の画素１２１の等価回路を示している。
図１０では、図９のトランジスタ２１３が、スイッチ１７１とボディダイオード１７２とで表現されている。また、図９のダイオード接続されたトランジスタ１５３が、ダイオード１７３で表現されている。ここで、ボディダイオード１７２とダイオード１７３の電流が流れる方向は反対方向であり、ボディダイオード１７２の順方向電圧は、０．５V以上であり、ダイオード１７３の順方向電圧は、０．４V以下とされている。図９で示したように、トランジスタ２１３と１５３のいずれのボディも、グランドに接続されているので、ボディダイオード１７２とダイオード１７３は、並列接続となる。
図１１および図１２を参照して、アクティブ画素および非アクティブ画素それぞれにおける画素１２１の動作について説明する。
なお、画素１２１において、電源VSPADおよびSPAD２１１の降伏電圧VBDは、図６の非アクティブ画素状態において大電流が流れた画素２００２と同一であるとする。すなわち、画素１２１のSPAD２１１の降伏電圧VBDは１９．５Vであり、電源VSPADは−２０Vであるとする。電源電圧VEも、図６と同条件の３Vとする。
図１１は、画素１２１がアクティブ画素に設定されている場合の等価回路を示している。
画素１２１がアクティブ画素に設定される場合、ゲーティング信号GTNGはHiとなっているので、スイッチ１５１がオン、スイッチ１７１がオフとなる。
SPAD２１１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、SPAD２１１に電流が流れる。SPAD２１１の降伏電圧VBDは１９．５Vであるから、SPAD２１１のカソード電圧VSが−０．５Vよりも低くなると、降伏電圧VBDよりも低い状態となる。したがって、画素１２１は、図１１に示されるように、SPAD２１１のカソード電圧VSが−０．５Vよりも低くなると、アバランシェ増幅が停止し、リチャージ動作に遷移する。
図１２は、画素１２１が非アクティブ画素に設定されている場合の等価回路を示している。
画素１２１が非アクティブ画素に設定される場合、ゲーティング信号GTNGはLoとなっているので、スイッチ１５１がオフ、スイッチ１７１がオンとなる。
スイッチ１７１がオンとなった状態においても、SPAD２１１のカソード電圧と、グランドとの間には、ボディダイオード１７２およびダイオード１７３（ダイオード接続されたトランジスタ１５３）が存在する。
ダイオード１７３の介在によってSPAD２１１のカソード電圧VSがグランドに直接接続されていないため、SPAD２１１のカソード電圧VSが負になっても大電流が流れることはない。図６の画素２００２のように、大電流が流れるためには、ボディダイオード１７２の順方向電圧０．５V以上の電圧が必要となる。このことは、SPAD２１１のアノード電位、即ち、電源VSPADを、ボディダイオード１７２の順方向電圧（いまの例では、０．５V）だけ、下げられることを意味する。
SPAD２１１のカソードとグランドとの間には、ボディダイオード１７２およびダイオード１７３が挿入されているため、基本的には、SPAD２１１のカソードはフローティングとなる。
しかし、トランジスタ１５３を、リーク電流が大きい特性を持つ低閾値トランジスタ（LVTトランジスタ）とすることにより、ダイオード１７３のリーク電流が、SPAD２１１のカソード電圧VSをグランドにプルダウンする。その結果、SPAD２１１のカソード電圧VSは、完全にフローティングになることはなく、GND電位に収束する。
SPAD２１１のカソード電圧VSの負のリミットは、ボディダイオード１７２で決定され、ボディダイオード１７２の特性によりSPAD２１１へのサージ（ESD）がかかった場合に対するカソード接続素子の保護が可能になる。
以上のように、画素１２１の構成によれば、ゲーティングを行うトランジスタ２１３のソースとグランド（GND）の間に、ダイオード接続のトランジスタ１５３を設けることにより、非アクティブ画素時に、０Vフォースをせずに、Vgsクランプをさせることができる。０Vフォースしないため、SPAD２１１のカソード電圧VSが降伏電圧VBDよりも低い値、例えば負になっても、大電流が流れることはない。また、ボディダイオード１７２の順方向電圧（いまの例では、０．５V）だけ、電源VSPADを下げることができる。電源VSPADを下げることは、相対的に過剰バイアスを上げることと等価であるので、画素特性を向上させることができる。すなわち、SPADの降伏電圧のバラツキを許容しつつ、画素特性を向上させることができる。
また、トランジスタ１５３を、リーク電流が大きい特性を持つ低閾値トランジスタ（LVTトランジスタ）とすることにより、SPAD２１１のカソード電圧VSをグランドにプルダウンする効果も奏することができる。
＜７．測距システムの使用例＞
図１３は、上述の測距システム１１の使用例を示す図である。
上述した測距システム１１は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、Ｘ線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・デジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
＜８．移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図１４は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図１４に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図１４の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図１５は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図１５では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図１５には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１等に適用され得る。具体的には、例えば、図１の測距システム１１は、撮像部１２０３１に適用することができる。撮像部１２０３１は、例えばＬＩＤＡＲであり、車両１２１００の周囲の物体及び物体までの距離の検出に用いられる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、車両１２１００の周囲の物体及び物体までの距離の検出精度が向上する。その結果、例えば、車両の衝突警告を適切なタイミングで行うことができ、交通事故を防止することが可能となる。
なお、本明細書において、システムとは、複数の構成要素（装置、モジュール（部品）等）の集合を意味し、すべての構成要素が同一筐体中にあるか否かは問わない。したがって、別個の筐体に収納され、ネットワークを介して接続されている複数の装置、及び、１つの筐体の中に複数のモジュールが収納されている１つの装置は、いずれも、システムである。
また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、
前記画素アレイの各画素を、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御する画素駆動部と
を備え、
前記画素は、
SPADと、
前記SPADに直列に接続されている抵抗成分と、
前記SPADへの光子の入射を示す検出信号を出力する出力部と、
前記アクティブ画素または前記非アクティブ画素の制御にしたがってオンオフされる第１トランジスタと、
前記第１トランジスタと直列に接続される第２トランジスタと
を備える
受光素子。
（２）
前記第２トランジスタは、ダイオード接続されたトランジスタである
前記（１）に記載の受光素子。
（３）
前記第２トランジスタは、前記第１トランジスタのボディダイオードと並列に接続されて構成されている
前記（２）に記載の受光素子。
（４）
前記第２トランジスタの電流が流れる方向は、前記ボディダイオードの電流が流れる方向と反対に構成されている
前記（３）に記載の受光素子。
（５）
前記出力部は、CMOSインバータで構成され、
前記第２トランジスタの閾値電圧は、前記CMOSインバータの閾値電圧よりも小さい
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の受光素子。
（６）
照射光を照射する照明装置と、
前記照射光に対する反射光を受光する受光素子と
を備え、
前記受光素子は、
複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、
前記画素アレイの各画素を、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御する画素駆動部と
を備え、
前記画素は、
SPADと、
前記SPADに直列に接続されている抵抗成分と、
前記SPADへの光子の入射を示す検出信号を出力する出力部と、
前記アクティブ画素または前記非アクティブ画素の制御にしたがってオンオフされる第１トランジスタと、
前記第１トランジスタと直列に接続される第２トランジスタと
を備える
測距システム。
１１ 測距システム， ２１ 照明装置， ２２ 撮像装置， ３１ 照明制御部， ３２ 光源， ４１ 撮像部， ４２ 制御部， ５２ 受光素子， ５３ 信号処理回路， １１１ 画素駆動部， １１２ 画素アレイ， １２１ 画素， １５１ スイッチ， １５２ インバータ， １５３ トランジスタ， １６１，１６２ MOSトランジスタ， １７１ スイッチ， １７２ ボディダイオード， １７３ ダイオード， ２１１ SPAD， ２１２，２１３ トランジスタ， ２１４ インバータ

Claims (6)

  1. 複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、
    前記画素アレイの各画素を、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御する画素駆動部と
    を備え、
    前記画素は、
    SPADと、
    前記SPADに直列に接続されている抵抗成分と、
    前記SPADへの光子の入射を示す検出信号を出力する出力部と、
    前記アクティブ画素または前記非アクティブ画素の制御にしたがってオンオフされる第１トランジスタと、
    前記第１トランジスタと直列に接続される第２トランジスタと
    を備える
    受光素子。
  2. 前記第２トランジスタは、ダイオード接続されたトランジスタである
    請求項１に記載の受光素子。
  3. 前記第２トランジスタは、前記第１トランジスタのボディダイオードと並列に接続されて構成されている
    請求項２に記載の受光素子。
  4. 前記第２トランジスタの電流が流れる方向は、前記ボディダイオードの電流が流れる方向と反対に構成されている
    請求項３に記載の受光素子。
  5. 前記出力部は、CMOSインバータで構成され、
    前記第２トランジスタの閾値電圧は、前記CMOSインバータの閾値電圧よりも小さい
    請求項１に記載の受光素子。
  6. 照射光を照射する照明装置と、
    前記照射光に対する反射光を受光する受光素子と
    を備え、
    前記受光素子は、
    複数の画素が行列状に配置された画素アレイと、
    前記画素アレイの各画素を、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御する画素駆動部と
    を備え、
    前記画素は、
    SPADと、
    前記SPADに直列に接続されている抵抗成分と、
    前記SPADへの光子の入射を示す検出信号を出力する出力部と、
    前記アクティブ画素または前記非アクティブ画素の制御にしたがってオンオフされる第１トランジスタと、
    前記第１トランジスタと直列に接続される第２トランジスタと
    を備える
    測距システム。
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