JP2020048019A - 受光素子および測距システム - Google Patents

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Abstract

【課題】温度変化に伴う降伏電圧の変化に対応し、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、SPADを含む画素が行列状に複数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、非アクティブ画素のリーク電流を検出するリーク電流検出部と、リーク電流が所定の範囲内の電流値となるように、SPADのアノード側またはカソード側に供給する電圧を制御する電圧制御部とを備える。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、温度変化に伴う降伏電圧の変化に対応し、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の降伏電圧は温度変化に対する変動や個体差があることから、非アクティブ画素に制御した画素において、SPADのアノード・カソード間電圧が降伏電圧以下にならず、光子に反応してリーク電流が流れる現象が起こり得る。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、温度変化に伴う降伏電圧の変化に対応し、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、SPADを含む画素が行列状に複数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、前記非アクティブ画素のリーク電流を検出するリーク電流検出部と、前記リーク電流が所定の範囲内の電流値となるように、前記SPADのアノード側またはカソード側に供給する電圧を制御する電圧制御部とを備える。
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、SPADを含む画素が行列状に複数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、前記非アクティブ画素のリーク電流を検出するリーク電流検出部と、前記リーク電流が所定の範囲内の電流値となるように、前記SPADのアノード側またはカソード側に供給する電圧を制御する電圧制御部とを備える。
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、SPADを含む画素が行列状に複数配置された画素アレイの各画素が、アクティブ画素または非アクティブ画素に制御され、前記非アクティブ画素のリーク電流が検出され、前記リーク電流が所定の範囲内の電流値となるように、前記SPADのアノード側またはカソード側に供給する電圧が制御される。
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。 画素の回路構成例を示す図である。 図３の画素の動作を説明する図である。 降伏電圧のばらつきによる問題を説明する図である。 降伏電圧のばらつきによる問題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。 電圧制御回路の第１構成例を示す図である。 温度の違いによる降伏電圧の変化を示す図である。 温度変化による降伏電圧の変化に応じた電圧制御回路の動作を示した概念図である。 受光素子の電圧制御回路による過剰バイアスの変化を示した概念図である。 電圧制御回路の第２構成例を示す図である。 電圧制御回路の第３構成例を示す図である。 電圧制御回路の第４構成例を示す図である。 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．画素回路の構成例
４．降伏電圧VBDのばらつきによる問題
５．アクティブ画素と非アクティブ画素の設定例
６．電圧制御回路の第１構成例
７．電圧制御回路の第２構成例
８．電圧制御回路の第３構成例
９．電圧制御回路の第４構成例
１０．測距システムの使用例
１１．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．画素回路の構成例＞
図３は、画素アレイ１１２に行列状に複数配置された画素１２１の回路構成例を示している。
図３の画素１２１は、SPAD１５１、トランジスタ１５２、スイッチ１５３、及び、インバータ１５４を備える。また、画素１２１は、ラッチ回路１５５とインバータ１５６も備える。トランジスタ１５２は、P型のMOSトランジスタで構成される。
SPAD１５１のカソードは、トランジスタ１５２のドレインに接続されるとともに、インバータ１５４の入力端子、及び、スイッチ１５３の一端に接続されている。SPAD１５１のアノードは、電源電圧VA（以下では、アノード電圧VAとも称する。）に接続されている。
SPAD１５１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。SPAD１５１のアノードに供給される電源電圧VAは、例えば、-２０V程度の負バイアス（負の電位）とされる。
トランジスタ１５２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１５２のソースは電源電圧VEに接続され、ドレインがSPAD１５１のカソード、インバータ１５４の入力端子、及び、スイッチ１５３の一端に接続されている。これにより、SPAD１５１のカソードにも、電源電圧VEが供給される。SPAD１５１と直列に接続されたトランジスタ１５２の代わりに、プルアップ抵抗を用いることもできる。
SPAD１５１には、十分な効率で光（フォトン）を検出するため、SPAD１５１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、SPAD１５１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１５２のソースに供給される電源電圧VEは、３Vとされる。
スイッチ１５３は、両端の一端がSPAD１５１のカソード、インバータ１５４の入力端子、および、トランジスタ１５２のドレインに接続され、他端がグランド接続線１５７に接続されている。グランド接続線１５７は、図８で後述するように所定の素子（リーク電流検出部２０１）を介してグランド（GND）に接続されている。スイッチ１５３は、例えば、N型のMOSトランジスタで構成することができ、ラッチ回路１５５の出力であるゲーティング制御信号VGを、インバータ１５６で反転させたゲーティング反転信号VG_Iに応じてオンオフさせる。
ラッチ回路１５５は、画素駆動部１１１から供給されるトリガ信号SETと、アドレスデータDECとに基づいて、画素１２１をアクティブ画素または非アクティブ画素のいずれかに制御するゲーティング制御信号VGをインバータ１５６に供給する。インバータ１５６は、ゲーティング制御信号VGを反転させたゲーティング反転信号VG_Iを生成し、スイッチ１５３に供給する。
トリガ信号SETは、ゲーティング制御信号VGを切り替えるタイミングを示すタイミング信号であり、アドレスデータDECは、画素アレイ１１２内の行列状に配置された複数の画素１２１のうち、アクティブ画素に設定する画素のアドレスを示すデータである。トリガ信号SETとアドレスデータDECは、画素駆動線１２２を介して画素駆動部１１１から供給される。
ラッチ回路１５５は、トリガ信号SETが示す所定のタイミングで、アドレスデータDECを読み込む。そして、ラッチ回路１５５は、アドレスデータDECが示す画素アドレスに自分（の画素１２１）の画素アドレスが含まれている場合には、自身の画素１２１をアクティブ画素に設定するためのHi（1)のゲーティング制御信号VGを出力する。一方、アドレスデータDECが示す画素アドレスに自分（の画素１２１）の画素アドレスが含まれていない場合には、自身の画素１２１を非アクティブ画素に設定するためのLo（0)のゲーティング制御信号VGを出力する。これにより、画素１２１がアクティブ画素とされる場合には、インバータ１５６によって反転されたLo(0)のゲーティング反転信号VG_Iがスイッチ１５３に供給される。一方、画素１２１が非アクティブ画素とされる場合には、Hi（1)のゲーティング反転信号VG_Iがスイッチ１５３に供給される。したがって、スイッチ１５３は、画素１２１がアクティブ画素に設定される場合にオフし（非接続とされ）、非アクティブ画素に設定される場合にオンされる（接続される）。
インバータ１５４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１５４は、SPAD１５１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。
次に、図４を参照して、画素１２１がアクティブ画素に設定された場合の動作について説明する。
なお、画素１２１において、SPAD１５１のアノードに供給される電源電圧VAは所定の振れ幅を持って変動するが、図４の説明では簡単のため、-２０Vの負バイアスで固定とする。また、スイッチ１５３のグランド接続線１５７側の電圧も、０Vとして説明する。
図４は、光子の入射に応じたSPAD１５１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１２１がアクティブ画素である場合、上述したように、スイッチ１５３はオフに設定される。
SPAD１５１のカソードには電源電圧VE（例えば、３V）が供給され、アノードには電源電圧VA（例えば、−２０V）が供給されることから、SPAD１５１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、SPAD１５１がガイガーモードに設定される。この状態では、SPAD１５１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SPAD１５１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、SPAD１５１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、SPAD１５１に電流が流れたとすると、時刻t1以降、SPAD１５１に電流が流れることにより、トランジスタ１５２にも電流が流れ、トランジスタ１５２の抵抗成分により電圧降下が発生する。
時刻t2において、SPAD１５１のカソード電圧VSが0Vよりも低くなると、SPAD１５１のアノード・カソード間電圧が降伏電圧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１５２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１５２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１５４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、SPAD１５１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、SPAD１５１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１２１が非アクティブ画素とされる場合には、Hi（1)のゲーティング反転信号VG_Iがスイッチ１５３に供給され、スイッチ１５３がオンされる。スイッチ１５３がオンされると、SPAD１５１のカソード電圧VSが０Vとなる。その結果、SPAD１５１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、SPAD１５１に光子が入ってきても反応しない状態となる。
＜４．降伏電圧VBDのばらつきによる問題＞
ところで、上述した説明では、SPAD１５１の降伏電圧VBDが２０Vであるとして説明したが、SPAD１５１の降伏電圧VBDには、個体差によるばらつきがある。例えば、SPAD１５１の降伏電圧VBDが、ある画素１２１では、１９Vであったり、１９．５Vや１９．７Vであったりする。
図５を参照して、SPAD１５１の降伏電圧VBDのばらつきにより起こり得る問題について説明する。
なお、図５の説明においても、SPAD１５１のアノードに供給される電源電圧VAは-２０Vの負バイアスで固定とし、スイッチ１５３のグランド接続線１５７側の電圧も０Vで固定とする。
図５には、４つの画素１２１１乃至１２１４が示されている。また、図５の画素１２１１乃至１２１４では、インバータ１５４が、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。
図５では、画素１２１１のSPAD１５１の降伏電圧VBDは、２０Vであり、画素１２１２のSPAD１５１の降伏電圧VBDは、１９Vであり、画素１２１３のSPAD１５１の降伏電圧VBDは、１９．５Vであり、画素１２１４のSPAD１５１の降伏電圧VBDは、１９．７Vである。
また、図５では、画素駆動部１１１は、左側２つの画素１２１１および画素１２１２を非アクティブ画素に設定し、右側２つの画素１２１３および画素１２１４をアクティブ画素に設定している。したがって、左側２つの画素１２１１および画素１２１２のスイッチ１５３はオンであり、右側２つの画素１２１３および画素１２１４のスイッチ１５３はオフとなっている。
アクティブ画素に設定された右側２つの画素１２１３および画素１２１４では、スイッチ１５３はオフとなっており、SPAD１５１のカソードには電源電圧VE（例えば、３V）が供給され、アノードには電源電圧VA（例えば、−２０V）が供給されている。したがって、SPAD１５１はガイガーモードに設定され、SPAD１５１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、SPAD１５１に電流が流れる。アクティブ画素の画素１２１３および画素１２１４において、光子の入射に応じてSPAD１５１に流れる電流は、アクティブ画素が意図したアクティブ電流である。
一方、非アクティブ画素に設定された左側２つの画素１２１１および画素１２１２では、スイッチ１５３はオフであるので、SPAD１５１のカソード電圧VSが０Vに制御される。これにより、画素１２１１および画素１２１２のSPAD１５１のアノード・カソード間電圧は、２０Vとなる。
画素１２１１のSPAD１５１の降伏電圧VBDは２０V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１２１１のSPAD１５１は光子が入ってきても反応しない。一方、画素１２１２のSPAD１５１の降伏電圧VBDは１９Vであるので、アノード・カソード間電圧はSPAD１５１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１２１２では、SPAD１５１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、SPAD１５１に電流が流れる。アクティブ画素の画素１２１２において、光子の入射に応じてSPAD１５１に流れる電流は、非アクティブ画素が意図しないリーク電流である。
図５の画素１２１２のリーク電流の発生を防ぐためには、最も低い降伏電圧VBDを持つ画素１２１２のSPAD１５１に合わせて、電源電圧VAを設定することが考えられる。しかしながら、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD１５１を特定するためには、全画素のSPAD１５１の降伏電圧VBDを測定する必要があり、工数が非常に大きい。また、SPAD１５１の降伏電圧VBDは、個体差によるばらつきの他、温度変化によっても変わり得る。例えば、１００℃の温度変化で、降伏電圧VBDは数Vオーダで変化する。
例えば、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD１５１を特定し、電源電圧VAを設定したとしても、温度変化により降伏電圧VBDが変化し、大きくなった場合、図６から明らかなように、相対的に過剰バイアスVEXが小さくなる。
図６は、電源電圧VAを固定して設定した場合のアクティブ画素の降伏電圧VBDの変化に応じた過剰バイアスVEXの変化を示した概念図である。
温度変化により降伏電圧VBDが変化し、過剰バイアスVEXが小さくなり過ぎると、SPAD１５１に光子が入射しても、SPAD１５１が反応しなくなる。過剰バイアスVEX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。
したがって、画素特性を向上させるためには、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD１５１に合わせて電源電圧VAを制御し、かつ、温度変化に伴う降伏電圧VBDの変化にも対応する必要がある。
しかし、全画素のSPAD１５１の降伏電圧VBDを測定する手間に加えて、温度に応じた降伏電圧VBDの変動特性を記憶し、温度を監視しながら高精度に制御するのは、制御回路が大規模となるため、現実的ではない。
そこで、受光素子５２の画素１２１では、温度変化を直接検出することなく、温度変化に伴う降伏電圧VBDの変化に応じて最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD１５１に合わせて電源電圧VAを制御する構成が採用されている。
＜５．アクティブ画素と非アクティブ画素の設定例＞
図７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。
受光素子５２の画素駆動部１１１は、上述したように、行列状に２次元配置された複数の画素１２１のうち、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。ここで、画素駆動部１１１がアクティブ画素に設定する画素数は、画素アレイ１１２全体の画素数に対して小さい。例えば、画素アレイ１１２におけるアクティブ画素の割合は、１％乃至数％とする。図７のAにおいて、ハッチングを付した画素１２１がアクティブ画素を表し、ハッチングを付していない画素１２１が非アクティブ画素を表している。
このように、画素アレイ１１２の全画素に対して小さい割合でアクティブ画素に設定することとすると、図７のBに示されるように、画素アレイ１１２の大部分の画素１２１は非アクティブ画素であるから、画素アレイ１１２内の非アクティブ画素のなかに、降伏電圧VBDが最も小さいSPAD１５１を有する画素１２１が存在すると仮定することができる。換言すれば、降伏電圧VBDが最も小さいSPAD１５１を有する画素１２１は、非アクティブ画素であると仮定することができる。
＜６．電圧制御回路の第１構成例＞
図８は、画素アレイ１１２の各画素１２１のアノード電圧VAを制御する電圧制御回路の第１構成例を示している。
図８には、画素アレイ１１２の一部の画素１２１である３×３（３行３列）の９個の画素１２１と、各画素１２１のアノード電圧VAを制御する電圧制御回路として、リーク電流検出部２０１およびアノード電源供給部２０２が示されている。
図８の３×３の９個の画素１２１のうち、真ん中に配置された画素１２１は、ラッチ回路１５５の出力がHi（1)であり、アクティブ画素に設定されている。その他の８個の画素１２１は、ラッチ回路１５５の出力がLo(0)であり、非アクティブ画素に設定されている。なお、図８では、図が煩雑になるのを防ぐため、画素内の符号の図示は省略されている。
画素アレイ１１２の水平方向に配線されたグランド接続線１５７は、リーク電流検出部２０１を介して、グランド（GND）に接続されている。リーク電流検出部２０１は、例えば、抵抗で構成される。
アノード電源供給部２０２は、画素アレイ１１２の各画素１２１のSPAD１５１のアノードに、電源電圧VAを供給する。アノード電源供給部２０２は、オペアンプ２１１を有し、オペアンプ２１１の＋入力端子（第１入力端子）にはリーク電流検出部２０１の出力が入力され、−入力端子（第２入力端子）には、電源２１２から所定の電源電圧V１が入力される。オペアンプ２１１は、＋入力端子の入力電圧と、−入力端子の入力電圧が等しくなるように、電源電圧VAを制御して出力する電圧制御部である。電源２１２が供給する電源電圧V１は、グランド接続線１５７に流すリーク電流の設定値によって決定される。電源電圧V１は、例えば、-１０mVとされる。
アノード電圧VAを制御するリーク電流検出部２０１およびアノード電源供給部２０２の動作について説明する。
初めに、画素アレイ１１２の非アクティブ画素に設定される画素１２１のスイッチ１５３がオフされる。非アクティブ画素に光が入射されない状態では、非アクティブ画素のSPAD１５１のカソード電圧VSが０Vに制御される。
この状態では、オペアンプ２１１の＋入力端子の入力電圧が０V、−入力端子の入力電圧が-１０mVとなるので、オペアンプ２１１は、SPAD１５１のアノードに供給する電源電圧VAを下げる方向に制御する。
オペアンプ２１１が非アクティブ画素のSPAD１５１のアノード電圧VAを下げる方向に制御すると、SPAD１５１のアノード・カソード間電圧は、大きくなる。これにより、画素アレイ１１２の複数の非アクティブ画素のなかで、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD１５１の非アクティブ画素において、アノード・カソード間電圧が降伏電圧VBDより大きい状態となり、SPAD１５１に光子が入射すると、図５の画素１２１２のように、SPAD１５１にリーク電流が流れる。
最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD１５１の非アクティブ画素においてリーク電流が流れると、グランド接続線１５７を介して接続されたリーク電流検出部２０１としての抵抗による電圧降下（IRドロップ）が発生し、オペアンプ２１１の＋入力端子の入力電圧が０Vから下降する。
そして、オペアンプ２１１の＋入力端子の入力電圧が、−入力端子の入力電圧である-１０mVより低くなると、今度、オペアンプ２１１は、SPAD１５１のアノードに供給する電源電圧VAを上げる方向に制御する。SPAD１５１のアノードに供給する電源電圧VAが上がることにより、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD１５１の非アクティブ画素において、アノード・カソード間電圧が降伏電圧VBD以下となり、リーク電流が流れなくなる。
以上のように、リーク電流検出部２０１が、画素アレイ１１２の複数の非アクティブ画素のなかで、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD１５１の非アクティブ画素において流れるリーク電流を検出する。アノード電源供給部２０２は、そのリーク電流が一定の電流（所定の範囲内の電流値）になるように、アノード電圧VAを制御する。リーク電流検出部２０１としての抵抗の抵抗値は、リーク電流の検出レベルに応じて設定される。例えば、電源電圧V１が-１０mVで、1mAのリーク電流で制御させたい場合、リーク電流検出部２０１の抵抗値は１０Ωに設定される。
以上のように、画素アレイ１１２内の最も低い降伏電圧VBDを持つ非アクティブ画素のSPAD１５１からリーク電流が流れ始め、電圧制御回路は、そのリーク電流を検出して、アノード電圧VAを制御する。電圧制御回路は、複数の非アクティブ画素のなかで、どの非アクティブ画素のSPAD１５１が最も低い降伏電圧VBDを持つ画素であるかは関係なく（知る必要がなく）、また、使用途中で、温度変化等によって、最も低い降伏電圧VBDを持つ画素が変わっても問題ない。最も低い降伏電圧VBDを持つ非アクティブ画素を検出したり、選択する必要もない。
図９は、温度の違いによる降伏電圧VBDの変化を示すグラフである。
図９のグラフの横軸は、アノード電圧を示し、縦軸は、SPAD１５１が反応したときのリーク電流を示している。
図９から分かるように、温度変化に応じて降伏電圧VBDも変化し、温度が高いと降伏電圧VBDは大きくなるが、電圧制御回路は、常に、一定のリーク電流（図９の固定リーク値以下）となるようにアノード電圧VAを制御する。
図１０は、温度変化による降伏電圧VBDの変化に応じた電圧制御回路の動作を示した概念図である。
電圧制御回路は、非アクティブ画素のなかの、最も低い降伏電圧VBD_Minを持つ画素１２１に応じてアノード電圧VAを変動させる。電圧制御回路は、最も低い降伏電圧VBD_Minが温度変化等によって大小が変化しても、最も低い降伏電圧VBD_Minを持つ画素１２１のカソード電圧VSが０V（VBT＝０V）となるように制御する。
図１１は、図６に対応して示した、受光素子５２の電圧制御回路による過剰バイアスVEXの変化を示した概念図である。
受光素子５２の電圧制御回路は、常にリーク電流が一定になるようにアノード電源電圧VAを制御することにより、図１１に示されるように、温度変化に伴い降伏電圧VBDが変化しても、最も低い降伏電圧VBD_Minを持つSPAD１５１に合わせて、過剰バイアスVEXが一定となるように、アノード電源電圧VAを制御する。
画素アレイ１１２の複数の非アクティブ画素のなかで、最も低い降伏電圧VBD_Minを持つ画素１２１において一定値以上のリーク電流が流れない範囲でSPAD１５１のアノード電圧VAを最大限下げた状態が、画素アレイ１１２内の全てのSPAD１５１に対する過剰バイアスVEXを最大化した状態である。したがって、電圧制御回路によれば、画素アレイ１１２内の全てのSPAD１５１に対する過剰バイアスVEXを最大化することができる。
以上より、電圧制御回路の第１構成例によれば、画素アレイ１１２の温度変化に伴うSPAD１５１の降伏電圧VBDの変化に対応して過剰バイアスVEXを最大化することで、画素特性を向上させることができる。
＜７．電圧制御回路の第２構成例＞
図１２は、画素アレイ１１２の各画素１２１のアノード電圧VAを制御する電圧制御回路の第２構成例を示している。
図１２では、アクティブ画素および非アクティブ画素それぞれ１画素と、第２構成例に係る電圧制御回路が示されている。
第２構成例に係る電圧制御回路は、リーク電流検出部２０１、コンパレータ３０１、および、アノード電源供給部３０３を有する。
画素アレイ１１２の水平方向に配線されたグランド接続線１５７は、リーク電流検出部２０１と、コンパレータ３０１の＋入力端子（第１入力端子）に接続されている。コンパレータ３０１の−入力端子（第２入力端子）には、電源３０２から所定の電源電圧V１が入力される。コンパレータ３０１は、＋入力端子の入力電圧と、−入力端子の入力電圧とを比較し、＋入力端子の入力電圧が、−入力端子の入力電圧より大きい場合に、Hi（1)の比較結果信号をアノード電源供給部３０３に出力する。換言すれば、コンパレータ３０１は、所定値より大きいリーク電流が流れたとき、それを検出し、Hiの比較結果信号を出力する。リーク電流が所定値以下の場合、コンパレータ３０１は、Loの比較結果信号をアノード電源供給部３０３に出力する。コンパレータ３０１は、アノード電源供給部３０３が出力する電源電圧VAを制御する電圧制御部である。
アノード電源供給部３０３は、コンパレータ３０１から供給される比較結果信号がHiのとき、SPAD１５１のアノードに供給する電源電圧VAをホールド制御し、比較結果信号がLoのとき、電源電圧VAを下げる方向に制御する。換言すれば、アノード電源供給部３０３は、所定値より大きいリーク電流が流れた場合、SPAD１５１のアノードに供給する電源電圧VAをホールド制御し、リーク電流が所定値以下の場合、電源電圧VAを下げる方向に制御する。これにより、画素アレイ１１２の複数の非アクティブ画素のなかで、最も低い降伏電圧VBD_Minを持つ画素１２１において一定値以上のリーク電流が流れない範囲でSPAD１５１のアノード電圧VAを最大限下げた状態に、電源電圧VAが制御される。したがって、電圧制御回路によれば、過剰バイアスVEXを最大化することができる。
以上より、電圧制御回路の第２構成例においても、画素アレイ１１２の温度変化に伴うSPAD１５１の降伏電圧VBDの変化に対応して過剰バイアスVEXを最大化することで、画素特性を向上させることができる。
＜８．電圧制御回路の第３構成例＞
図１３は、画素アレイ１１２の各画素１２１のアノード電圧VAを制御する電圧制御回路の第３構成例を示している。
図１３では、アクティブ画素および非アクティブ画素それぞれ１画素と、第３構成例に係る電圧制御回路が示されている。
上述した電圧制御回路の第１構成例および第２構成例では、SPAD１５１に流れるリーク電流を、カソード側で検出したが、図１３の第３構成例では、アノード側で検出する構成とされている。
第３構成例に係る電圧制御回路は、オペアンプ３３１とトランジスタ３３２とを含むアノード電源供給部３２１を有する。具体的には、各画素１２１のSPAD１５１のアノードに電源電圧VAを供給する電源供給線１５８がオペアンプ３３１の＋入力端子に入力され、−入力端子には、電源３３３から所定の電源電圧V１が入力される。オペアンプ３３１とトランジスタ３３２は、定電流回路を構成し、電源供給線１５８を流れる電流が一定になるように制御する。トランジスタ３３２は、第１構成例および第２構成例におけるリーク電流検出部２０１に相当する。画素アレイ１１２の水平方向に配線されたグランド接続線１５７は、直接、グランド（GND）に接続されており、スイッチ１５３は、オン時、SPAD１５１のアノードをグランドに直接接続する。
第３構成例では、SPAD１５１に流れるリーク電流をアノード側で検出する構成であるため、電源供給線１５８には、アクティブ画素からのアクティブ電流も流れ得る。そのため、アノード電源供給部３２１が制御する電流値を、アクティブ電流とリーク電流とを含めた値として電源電圧VAを制御するか、または、アクティブ画素の選択を停止し、全ての画素１２１を非アクティブ画素として、非アクティブ画素のリーク電流を検出するリーク電流検出モードとして動作させ、電源電圧VAを制御する必要がある。
以上のように、電源供給線１５８を流れる電流が一定になるように電源電圧VAを制御することで、過剰バイアスVEXを最大化することができる。したがって、電圧制御回路の第３構成例においても、画素アレイ１１２の温度変化に伴うSPAD１５１の降伏電圧VBDの変化に対応して過剰バイアスVEXを最大化することで、画素特性を向上させることができる。
＜９．電圧制御回路の第４構成例＞
図１４は、電圧制御回路の第４構成例を示している。
図１４では、画素１２１が画素１２１’へ変更されている。上述した画素１２１は、SPADのアノードに負バイアスを印加して、SPADをガイガーモードに設定する構成であったが、図１４の画素１２１’は、正の電圧範囲でSPADをガイガーモードに設定する構成に変更されている。
第４構成例に係る電圧制御回路は、画素１２１から画素１２１’への変更に対応して、図８に示した第１構成例に係る電圧制御回路を変更した回路構成であって、SPADのカソードに供給する電源電圧VCを制御する構成である。具体的には、第４構成例に係る電圧制御回路は、リーク電流検出部２７１およびカソード電源供給部２８１を有する。リーク電流検出部２７１は、例えば、抵抗で構成され、カソード電源供給部２８１は、オペアンプ２９１を有する。
画素１２１’は、SPAD２５１、トランジスタ２５２、スイッチ２５３、インバータ２５４、ラッチ回路２５５、および、インバータ２５６を備える。トランジスタ２５２は、N型のMOSトランジスタで構成される。
SPAD２５１のアノードは、トランジスタ２５２のドレインに接続されるとともに、インバータ２５４の入力端子、及び、スイッチ２５３の一端に接続されている。SPAD２５１のカソードは、電源電圧VCに接続されている。
SPAD２５１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。SPAD２５１のカソードに供給される電源電圧VCは、例えば、２３V程度の正バイアス（正の電位）とされる。SPAD２５１の降伏電圧VBDは、上述した例と同様、例えば２０Vであるとする。
トランジスタ２５２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２５２のソースはグランド（GND）に接続され、ドレインがSPAD２５１のアノード、インバータ２５４の入力端子、及び、スイッチ２５３の一端に接続されている。SPAD２５１と直列に接続されたトランジスタ２５２の代わりに、プルダウン抵抗を用いることもできる。
スイッチ２５３は、両端の一端がSPAD２５１のアノード、インバータ２５４の入力端子、および、トランジスタ２５２のドレインに接続され、他端が、配線２５７を介してリーク電流検出部２７１とオペアンプ２９１の−入力端子に接続されている。リーク電流検出部２７１は、配線２５７と、電源電圧VDDを供給する電源電圧２７２との間に配置されている。
スイッチ２５３は、例えば、N型のMOSトランジスタで構成することができ、インバータ２５６の出力であるゲーティング反転信号VG_Iに応じてオンオフする。
ラッチ回路２５５は、画素駆動部１１１から供給されるトリガ信号SETと、アドレスデータDECとに基づいて、画素１２１’をアクティブ画素または非アクティブ画素のいずれかに制御するゲーティング制御信号VGをインバータ２５６に供給する。インバータ２５６は、ゲーティング制御信号VGを反転させたゲーティング反転信号VG_Iを生成し、スイッチ２５３に供給する。ラッチ回路２５５の制御は、図３で説明したラッチ回路１５５と同様であるので、説明は省略する。
インバータ２５４は、入力信号としてのアノード電圧VS’がLoのとき、Hiの検出信号PFoutを出力し、アノード電圧VS’がHiのとき、Loの検出信号PFoutを出力する。インバータ２５４は、SPAD２５１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。
画素１２１’がアクティブ画素に設定された場合の動作は、画素１２１の動作と基本的に同様であるので、詳細説明は省略する。ただし、画素１２１では、アバランシェ増倍の発生により、カソード電圧VSが電源電圧VEから下降するが、画素１２１’では、アノード電圧VS’が０Vから上昇する。
カソード電源供給部２８１のオペアンプ２９１は、画素アレイ１１２の各画素１２１’のSPAD２５１のカソードに、電源電圧VCを供給する。オペアンプ２９１の＋入力端子には、電源２９２から所定の電源電圧V１が入力され、−入力端子には、配線２５７を介して流れるリーク電流に応じた電圧が入力される。オペアンプ２９１は、＋入力端子の入力電圧と、−入力端子の入力電圧が等しくなるように、電源電圧VCを制御して出力する電圧制御部である。電源２９２が供給する電源電圧V１は、配線２５７に流すリーク電流の設定値によって決定される。
最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD２５１の非アクティブ画素においてリーク電流が流れると、オペアンプ２９１の−入力端子の入力電圧が上昇する。オペアンプ２９１の−入力端子の入力電圧が、＋入力端子の入力電圧より高くなると、今度、オペアンプ２９１は、SPAD２５１のカソードに供給する電源電圧VCを下げる方向に制御する。SPAD２５１のカソードに供給する電源電圧VCが下がることにより、最も低い降伏電圧VBDを持つSPAD２５１の非アクティブ画素において、アノード・カソード間電圧が降伏電圧VBD以下となり、リーク電流が流れなくなる。これにより、画素アレイ１１２の複数の非アクティブ画素のなかで、最も低い降伏電圧VBD_Minを持つ画素１２１’において一定値以上のリーク電流が流れない範囲でSPAD２５１のカソードの電源電圧VCを最大限上げた状態に、電源電圧VCが制御される。したがって、第４構成例に係る電圧制御回路によれば、過剰バイアスVEXを最大化することができる。
以上より、電圧制御回路の第４構成例においても、画素アレイ１１２の温度変化に伴うSPAD２５１の降伏電圧VBDの変化に対応して過剰バイアスVEXを最大化することで、画素特性を向上させることができる。
なお、電圧制御回路の第４構成例は、画素１２１から画素１２１’への画素構成の変更に応じて、電圧制御回路の第１構成例を、SPAD２５１のカソード側の電源電圧VCを制御するように変更した構成である。第２構成例および第３構成例についても同様に、画素１２１から画素１２１’の変更とともに、SPAD２５１のカソード側の電源電圧VCを制御する構成とすることが可能である。
＜１０．測距システムの使用例＞
図１５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
＜１１．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１６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１６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１６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１７は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図１７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１７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）
SPADを含む画素が行列状に複数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、
前記非アクティブ画素のリーク電流を検出するリーク電流検出部と、
前記リーク電流が所定の範囲内の電流値となるように、前記SPADのアノード側またはカソード側に供給する電圧を制御する電圧制御部と
を備える受光素子。
（２）
前記画素は、
前記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スイッチと
を備える
前記（１）に記載の受光素子。
（３）
前記画素は、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スイッチを備え、
前記リーク電流検出部は、前記スイッチに接続された抵抗で構成され、
前記電圧制御部は、前記SPADのアノード側に供給する電圧を制御する
前記（１）または（２）に記載の受光素子。
（４）
前記電圧制御部は、前記リーク電流を入力の１つとするオペアンプを含み、
前記オペアンプは、前記SPADのアノード側に供給する電圧を制御する
前記（３）に記載の受光素子。
（５）
前記電圧制御部は、前記リーク電流を入力の１つとするコンパレータを含み、前記コンパレータの出力に応じて、前記SPADのアノード側に供給する電圧を制御する
前記（３）に記載の受光素子。
（６）
前記リーク電流検出部は、前記SPADのアノード側に接続されており、
前記電圧制御部は、前記SPADのアノード側に供給する電圧を制御する
前記（１）または（２）に記載の受光素子。
（７）
前記リーク電流検出部は、トランジスタで構成される
前記（６）に記載の受光素子。
（８）
前記画素は、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スイッチを備え、
前記スイッチは、オン時、前記SPADのアノードをグランドに接続する
前記（６）または（７）に記載の受光素子。
（９）
前記画素は、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スイッチを備え、
前記リーク電流検出部は、前記スイッチに接続された抵抗で構成され、
前記電圧制御部は、前記SPADのカソード側に供給する電圧を制御する
前記（１）または（２）に記載の受光素子。
（１０）
前記電圧制御部は、前記リーク電流を入力の１つとするオペアンプを含み、
前記オペアンプは、前記SPADのカソード側に供給する電圧を制御する
前記（９）に記載の受光素子。
（１１）
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、
SPADを含む画素が行列状に複数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、
前記非アクティブ画素のリーク電流を検出するリーク電流検出部と、
前記リーク電流が所定の範囲内の電流値となるように、前記SPADのアノード側またはカソード側に供給する電圧を制御する電圧制御部と
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， １２１，１２１’ 画素， １５１ SPAD， １５２ トランジスタ， １５３ スイッチ， １５４ インバータ， １５７ グランド接続線， １５８ 電源供給線， ２０１ リーク電流検出部， ２０２ アノード電源供給部， ２１１ オペアンプ， ２１２ 電源， ２７１ リーク電流検出部， ２８１ カソード電源供給部， ２９１ オペアンプ， ２９２ 電源， ３０１ コンパレータ， ３０２ 電源， ３０３ アノード電源供給部， ３２１ アノード電源供給部， ３３１ オペアンプ， ３３２ トランジスタ， ３３３ 電源

Claims (11)

  1. SPADを含む画素が行列状に複数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、
    前記非アクティブ画素のリーク電流を検出するリーク電流検出部と、
    前記リーク電流が所定の範囲内の電流値となるように、前記SPADのアノード側またはカソード側に供給する電圧を制御する電圧制御部と
    を備える受光素子。
  2. 前記画素は、
    前記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スイッチと
    を備える
    請求項１に記載の受光素子。
  3. 前記画素は、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スイッチを備え、
    前記リーク電流検出部は、前記スイッチに接続された抵抗で構成され、
    前記電圧制御部は、前記SPADのアノード側に供給する電圧を制御する
    請求項１に記載の受光素子。
  4. 前記電圧制御部は、前記リーク電流を入力の１つとするオペアンプを含み、
    前記オペアンプは、前記SPADのアノード側に供給する電圧を制御する
    請求項３に記載の受光素子。
  5. 前記電圧制御部は、前記リーク電流を入力の１つとするコンパレータを含み、前記コンパレータの出力に応じて、前記SPADのアノード側に供給する電圧を制御する
    請求項３に記載の受光素子。
  6. 前記リーク電流検出部は、前記SPADのアノード側に接続されており、
    前記電圧制御部は、前記SPADのアノード側に供給する電圧を制御する
    請求項１に記載の受光素子。
  7. 前記リーク電流検出部は、トランジスタで構成される
    請求項６に記載の受光素子。
  8. 前記画素は、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スイッチを備え、
    前記スイッチは、オン時、前記SPADのアノードをグランドに接続する
    請求項６に記載の受光素子。
  9. 前記画素は、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スイッチを備え、
    前記リーク電流検出部は、前記スイッチに接続された抵抗で構成され、
    前記電圧制御部は、前記SPADのカソード側に供給する電圧を制御する
    請求項１に記載の受光素子。
  10. 前記電圧制御部は、前記リーク電流を入力の１つとするオペアンプを含み、
    前記オペアンプは、前記SPADのカソード側に供給する電圧を制御する
    請求項９に記載の受光素子。
  11. 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、
    SPADを含む画素が行列状に複数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、
    前記非アクティブ画素のリーク電流を検出するリーク電流検出部と、
    前記リーク電流が所定の範囲内の電流値となるように、前記SPADのアノード側またはカソード側に供給する電圧を制御する電圧制御部と
    を備える
    測距システム。
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