JP2022007152A - 光検出装置および測距システム - Google Patents

光検出装置および測距システム Download PDF

Info

Publication number
JP2022007152A
JP2022007152A JP2020109911A JP2020109911A JP2022007152A JP 2022007152 A JP2022007152 A JP 2022007152A JP 2020109911 A JP2020109911 A JP 2020109911A JP 2020109911 A JP2020109911 A JP 2020109911A JP 2022007152 A JP2022007152 A JP 2022007152A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
semiconductor substrate
photodetector
voltage
avalanche photodiode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2020109911A
Other languages
English (en)
Inventor
恭範 佃
Yasunori Tsukuda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Semiconductor Solutions Corp
Original Assignee
Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Semiconductor Solutions Corp filed Critical Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority to JP2020109911A priority Critical patent/JP2022007152A/ja
Priority to PCT/JP2021/017009 priority patent/WO2021261079A1/ja
Publication of JP2022007152A publication Critical patent/JP2022007152A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

Figure 2022007152000001
【課題】光検出性能を向上させることが可能な光検出装置を提供する。
【解決手段】本開示の一実施形態に係る光検出装置は、複数の光検出回路と、複数の光検出回路と接続される信号処理回路と、を備える。各光検出回路は、アバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードの電圧変化を検知する読み出し回路と、を含む。信号処理回路は、複数の光検出回路の中で最初に電圧変化を検知した第１読み出し回路を検知する反応検知回路と、反応検知回路の検知結果に基づいて、各光検出回路の読み出し回路からそれぞれ出力されるアナログ信号のうち、第１読み出し回路から出力された第１アナログ信号を選択する信号選択回路と、第１アナログ信号をデジタル変換するＡＤ変換器と、を含む。
【選択図】図２

Description

本開示は、光検出装置および測距システムに関する。
ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）またはＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）等に代表されるアバランシェフォトダイオードを用いた測距装置や、光量測定装置が知られている。このような装置では、光がアバランシェフォトダイオードに入射すると、アノード電圧またはカソード電圧が変化する。その後、この電圧変化を示すアナログ信号が、ＡＤ変換器でデジタル変換される。
特開２０１９－７５３９４号公報
アバランシェフォトダイオードが光を検出してから、ＡＤ変換器が上記アナログ信号をデジタル変換するまでの時間が長くなると、例えばアバランシェフォトダイオードの光検出データの取得回数（反応回数）が少なくなるといった事態が起こり得る。この場合、測定精度が低下する可能性がある。
本開示は、光検出性能を向上させることが可能な光検出装置および測距システムを提供する。
本開示の一実施形態に係る光検出装置は、複数の光検出回路と、複数の光検出回路と接続される信号処理回路と、を備える。各光検出回路は、アバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードの電圧変化を検知する読み出し回路と、を含む。信号処理回路は、複数の光検出回路の中で最初に電圧変化を検知した第１読み出し回路を検知する反応検知回路と、反応検知回路の検知結果に基づいて、各光検出回路の読み出し回路からそれぞれ出力されるアナログ信号のうち、第１読み出し回路から出力された第１アナログ信号を選択する信号選択回路と、第１アナログ信号をデジタル変換するＡＤ変換器と、を含む。
前記信号処理回路は、前記ＡＤ変換器によるデジタル変換後、前記読み出し回路を初期化する初期化回路をさらに含んでいてもよい。
各光検出回路は、前記アバランシェフォトダイオードの電圧を一時的に保持する電圧保持回路をさらに含んでいてもよい。
前記電圧保持回路は、
コンデンサと、
前記コンデンサと前記アバランシェフォトダイオードとの間に設けられたスイッチと、
前記アバランシェフォトダイオードの電圧を検知した結果に応じて前記スイッチを制御する電圧検知回路と、を含んでいてもよい。
前記信号選択回路の前段に設けられた電圧平滑回路をさらに含んでいてもよい。
二次元状に配置された複数の画素から成る画素アレイをさらに備え、
前記複数の画素にそれぞれ配置された全ての光検出回路が、前記ＡＤ変換器に接続されてもよい。
二次元状に配置された複数の画素から成る画素アレイをさらに備え、
前記複数の画素のうち一部の画素に配置された光検出回路が、前記ＡＤ変換器に接続されてもよい。
前記画素アレイの画素間で、前記光検出回路と前記ＡＤ変換器とを接続する信号配線が共有されていてもよい。
前記光検出回路と前記信号処理回路は、１つの半導体基板に設けられていてもよい。
前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
前記アバランシェフォトダイオードを除く前記光検出回路および前記信号処理回路は、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられていてもよい。
前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
前記アバランシェフォトダイオードを除く前記光検出回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、
前記光検出回路の残りの部分および前記信号処理回路は、前記第２半導体基板に接合される第３半導体基板に設けられていてもよい。
前記信号処理回路は、前記ＡＤ変換器によるデジタル変換後、各光検出回路の前記アバランシェフォトダイオードへ印加するバイアス電圧を生成する電圧生成回路をさらに含んでいてもよい。
前記電圧生成回路は、前記ＡＤ変換器の出力値と目標値とを比較し、比較結果に基づいて前記バイアス電圧を生成してもよい。
前記電圧生成回路は、前記出力値の時間平均を求めて前記バイアス電圧を生成してもよい。
前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
前記電圧生成回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、前記電圧生成回路の前記一部を除く他の部分が、前記第２半導体基板に接合される第３半導体基板に設けられていてもよい。
前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
前記電圧生成回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、前記電圧生成回路の前記一部を除く他の部分が、第１半導体基板および前記第２半導体基板とは別の集積回路に設けられていてもよい。
前記信号処理回路において、前記電圧生成回路を除く部分は、第１電源回路から供給された電力で駆動し、前記電圧生成回路は、前記第１電源回路とは別の第２電源回路から供給された電力で駆動してもよい。
前記アバランシェフォトダイオードのカソードが前記読み出し回路に接続されていてもよい。
前記アバランシェフォトダイオードのアノードが前記読み出し回路に接続されていてもよい。
本開示の一実施形態に係る測距システムは、照射光を照射する光源と、照射光の反射光を受光する受光部と、を備える。受光部は、複数の光検出回路と、複数の光検出回路と接続される信号処理回路と、を備える。各光検出回路は、アバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードの電圧変化を検知する読み出し回路と、を含む。信号処理回路は、複数の光検出回路の中で最初に電圧変化を検知した第１読み出し回路を検知する反応検知回路と、反応検知回路の検知結果に基づいて、各光検出回路の読み出し回路からそれぞれ出力されるアナログ信号のうち、第１読み出し回路から出力された第１アナログ信号を選択する信号選択回路と、第１アナログ信号をデジタル変換するＡＤ変換器と、を含む。
第１実施形態に係る光検出装置を用いた撮像システムの構成例を示すブロック図である。 光検出装置の回路構成の一例を示すブロック図である。 電圧保持回路の回路構成の一例を示す図である。 光検出素子の電気的特性の一例を示すグラフである。 光検出装置の変形例に係る回路構成を示す図である。 ＡＤ変換器と画素アレイとの接続形態の一例を示すレイアウト図である。 ＡＤ変換器と画素アレイとの接続形態の他の一例を示すレイアウト図である。 電圧生成回路の配置に関する変形例を示すレイアウト図である。 電圧生成回路の配置に関する別の変形例を示すレイアウト図である。 電圧生成回路の駆動に関する変形例を示すレイアウト図である。 第１実施形態に係る光検出装置の動作内容を示すタイミングチャートである。 第１変形例に係る光検出装置の構造を示す斜視図である。 第２変形例に係る光検出装置の構造を示す斜視図である。 第２実施形態に係る光検出装置の構成例を示すブロック図である。 第２実施形態に係る光検出装置の動作内容を示すタイミングチャートである。 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。 車外情報検出部および撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光検出装置を用いた撮像システムの構成例を示すブロック図である。図１に示す撮像システム１０１は、ＴｏＦ(Time of Flight）法を用いて距離画像の撮影を行うシステムであり、照明装置１１１および撮像装置１１２を備える。
照明装置１１１は、照明制御部１２１および光源１２２を備える。照明制御部１２１は、撮像装置１１２の制御部１３２の制御に基づいて、光源１２２が照射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１２１は、制御部１３２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１２２が照射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値からなる。照明制御部１２１は、照射コードの値が「１」のとき光源１２２を点灯させ、照射コードの値が「０」のとき光源１２２を消灯させる。
光源１２２は、照明制御部１２１の制御に基づいて、所定の波長域の光（照射光）を発する。光源１２２は、例えば、赤外線レーザダイオードである。光源１２２の種類、および、照射光の波長域は、撮像システム１０１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１１２は、照射光が被写体１０２および被写体１０３により反射された反射光を受光する。撮像装置１１２は、光検出装置１３１、制御部１３２、表示部１３３、および、記憶部１３４を備える。撮像装置１１２は、光源１２２とともに測距システムを構成することができる。
光検出装置１３１は、レンズ１４１、光検出回路１４２、および、信号処理回路１４３を備える。レンズ１４１は、入射光を光検出回路１４２に結像させる。なお、レンズ１４１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１４１を構成することも可能である。
光検出回路１４２は、制御部１３２の制御に基づいて、被写体１０２および被写体１０３等の撮像を行う。また、光検出回路１４２は、撮像によって得られた信号を信号処理回路１４３へ出力する。
信号処理回路１４３は、制御部１３２の制御に基づいて、光検出回路１４２の出力信号を処理する。例えば、信号処理回路１４３は、光検出回路１４２の出力信号に基づいて、被写体までの距離を検出し、被写体までの距離を示す距離画像を生成する。
制御部１３２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１３２は、照明制御部１２１、光検出回路１４２、および、信号処理回路１４３の制御を行う。
表示部１３３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１３４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。
図２は、光検出装置１３１の回路構成の一例を示すブロック図である。
光検出回路１４２は、複数の光検出回路１４２と、信号処理回路１４３と、を含む。本実施形態では、これらは、１つの半導体基板上に設けられている。なお、１つの光検出回路１４２が１画素に対応するため、光検出回路１４２の数は画素数に応じて決まる。
各光検出回路１４２は、光検出素子１５１と、電流源１５２と、読み出し回路１５３と、を含む。
光検出素子１５１は、ＡＰＤまたはＳＰＡＤ等に代表されるアバランシェフォトダイオードである。光検出素子１５１のカソードは、電流源１５２および読み出し回路１５３に接続されている。光検出素子１５１のアノードには、バイアス電圧ＶＲＬが印加される。バイアス電圧ＶＲＬの電位は、信号処理回路１４３によって制御される。
電流源１５２は、光検出素子１５１のカソードに可変電圧を供給する充電回路の一例である。電流源１５２によって、降伏電圧以上の逆電圧が光検出素子１５１のアノード－カソード間に印加されると、光検出素子１５１がガイガーモードに設定される。ガイガーモードに設定された光検出素子１５１に光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生し、光検出素子１５１に電流が流れる。この電流は、読み出し回路１５３に入力される。
読み出し回路１５３は、入力アンプ１５４と、電圧保持回路１５５と、アンプ１５６と、を含む。
入力アンプ１５４は、入力端子の電圧、換言すると光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃと、基準電圧とを比較する。また、入力アンプ１５４は、カソード電圧Ｖｃが基準電圧よりも高いか低いかを示すデジタル信号ＳＩＧを出力端子から信号処理回路１４３へ出力する。デジタル信号ＳＩＧによって、カソード電圧Ｖｃの電圧変化を検知することができる。
電圧保持回路１５５は、カソード電圧Ｖｃを一時的に保持する。アンプ１５６は、電圧保持回路１５５で保持されたカソード電圧Ｖｃを増幅し、増幅したアナログ信号Ｖｓを信号処理回路１４３へ出力する。ここで、図３を参照して電圧保持回路１５５の構成について説明する。
図３は、電圧保持回路１５５の回路構成の一例を示す図である。図３に示す電圧保持回路１５５は、いわゆるサンプリングホールド回路であり、コンデンサ１５５ａと、スイッチ１５５ｂと、電圧検知回路１５５ｃと、を含む。コンデンサ１５５ａの一端は、スイッチとアンプ１５６との間に接続され、他端は接地されている。スイッチ１５５ｂは、例えば、ＭＯＳトランジスタである。このＭＯＳトランジスタのドレインは、光検出素子１５１のカソードに接続され、ソースは、コンデンサ１５５ａの一端に接続されている。また、ゲートは、電圧検知回路１５５ｃに接続されている。電圧検知回路１５５ｃは、カソード電圧Ｖｃの電圧を検知し、検知した電圧に応じてスイッチ１５５ｂをオンまたはオフさせる。
スイッチ１５５ｂがオンすると、コンデンサ１５５ａが充電される。カソード電圧Ｖｃがコンデンサ１５５ａの充電電圧に達すると、スイッチ１５５ｂがオフする。この場合、コンデンサ１５５ａによって、カソード電圧Ｖｃが一時的に保持される。電圧保持回路１５５によれば、例えば、カソード電圧Ｖｃの回復中に、光検出素子１５１に入射した光によって、回復電圧（クエンチ電圧）が低下することを回避できる。
図２に戻って、信号処理回路１４３について説明する。信号処理回路１４３は、反応検知回路１６１と、信号選択回路１６２と、ＡＤ変換器１６３と、初期化回路１６４と、電圧生成回路１６５と、を含む。
反応検知回路１６１には、デジタル信号ＳＩＧが各光検出回路１４２の読み出し回路１５３から個別に入力される。このとき、カソード電圧Ｖｃの変化を検知したデジタル信号ＳＩＧが１つでも入力されると、反応検知回路１６１は、トリガ信号ＴＲＧをＡＤ変換器１６３へ出力する。また、反応検知回路１６１は、トリガ信号ＴＲＧと同時に選択信号ＳＥＬを信号選択回路１６２および初期化回路１６４へ出力する。選択信号ＳＥＬは、最初に上記デジタル信号ＳＩＧを出力した読み出し回路１５３を示す信号である。
信号選択回路１６２には、アナログ信号Ｖｓが各光検出回路１４２の読み出し回路１５３から個別に入力される。入力されたアナログ信号Ｖｓのうち、信号選択回路１６２は、選択信号ＳＥＬに示された読み出し回路１５３（第１読み出し回路）から入力された１つのアナログ信号Ｖｓ（第１アナログ信号）を選択してＡＤ変換器１６３に出力する。信号選択回路１６２は、例えばマルチプレクサで構成することができる。
ＡＤ変換器１６３では、信号選択回路１６２で選択されたアナログ信号Ｖｓが入力端子Ａｉｎに入力され、反応検知回路１６１からのトリガ信号ＴＲＧが入力端子Ｂｉｎに入力される。ＡＤ変換器１６３は、トリガ信号ＴＲＧの入力によって上記アナログ信号Ｖｓをデジタル変換する処理を開始する。このとき、ＡＤ変換器１６３は、外部からのクロック信号に基づいてデジタル変換処理してもよいし、ＡＤ変換器１６３内で生成したタイミング信号に基づいてデジタル変換処理してもよい。
デジタル変換が完了すると、ＡＤ変換器１６３は、デジタル変換の完了を通知する通知信号ＤＯＮＥを出力端子Ｃｏｕｔから初期化回路１６４へ出力する。同時に、ＡＤ変換器１６３は、デジタル変換したデジタル信号ＣＴＬを出力端子Ｄｏｕｔから電圧生成回路１６５へ出力する。
初期化回路１６４は、ＡＤ変換器１６３から通知信号ＤＯＮＥが入力されると、反応検知回路１６１からの選択信号ＳＥＬに基づいて、最初に光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃの電圧変化を検知した光検出回路１４２へ初期化信号ＲＥＳＥＴを出力する。初期化信号ＲＥＳＥＴによって、光検出回路１４２は、光検出素子１５１の光検出を読み取り可能な状態にリセットされる。なお、初期化回路１６４は、予め指定された任意の光検出回路１４２または全ての光検出回路１４２へ初期化信号ＲＥＳＥＴを出力してもよい。
電圧生成回路１６５は、ＡＤ変換器１６３のデジタル信号ＣＴＬの値（ＡＤ変換器１６３の出力値）を基準電圧ＲＥＦの値（目標値）と比較する。デジタル信号ＣＴＬの値が基準電圧ＲＥＦの値を超えると、電圧生成回路１６５は、バイアス電圧ＶＲＬを生成して各光検出素子１５１のアノードに印加する。これにより、各光検出素子１５１は、光子を検出可能な状態にリセットされる。
なお、電圧生成回路１６５は、デジタル信号ＣＴＬと基準電圧ＲＥＦとを比較する回路に加えて、デジタル信号ＣＴＬの時間平均を求めるローパスフィルタ回路を備えていてもよい。この場合、電圧生成回路１６５がデジタル信号ＣＴＬの時間平均を用いてバイアス電圧ＶＲＬを生成することによって、バイアス電圧ＶＲＬが信号ノイズの影響を受けにくくなる。
また、光検出素子１５１の電圧特性は、温度に依存する。そのため、基準電圧ＲＥＦは、温度の関数に基づいて設定されてもよい。これにより、温度特性に応じて適切に光検出素子１５１をリセットすることが可能となる。
図４は、光検出素子１５１の電気的特性の一例を示すグラフである。図４において、横軸は、光検出素子１５１に照射される光の照射パワーを示す。縦軸は、読み出し回路１５３の連続的な読み出し頻度であるカウントレートである。また、実線は、基準電圧ＲＥＦが低値に設定された特性を示し、点線は基準電圧が高値に設定された特性を示す。
図４に示すように、光検出素子１５１への照射パワーが高くなると、光検出素子１５１が光に反応してから読み出し回路１５３がリセットされるまでの時間(いわゆるデッドタイム)の期間に再度、光検出素子１５１の反応が発生することによって、反応回数が減少する現象が起こり得る。
そこで、カウントレートが所定頻度を超えると、基準電圧ＲＥＦを高く設定する。これにより、バイアス電圧ＶＲＬも高くなって、光検出素子１５１の光子検出確率が下がる。その結果、上記現象を緩和することができる。なお、基準電圧ＲＥＦの変化に伴うカウントレートの変化によって再度、バイアス電圧ＶＲＬ電圧が変化しないようにヒステリシスを設定してもよい。また、上記のように、カウントレートのしきい値に基づいて基準電圧ＲＥＦ（バイアス電圧ＶＲＬ）を制御する代わりに、カウントレートの関数として基準電圧ＲＥＦを設定してもよい。これにより、光量変化に対して連続的なカウント変化を促し、安定した光検出が可能となる。
なお、信号処理回路１４３は、上述した回路要素に加えて、被写体までの距離を検出する回路要素も有する。例えば、信号処理回路１４３は、照明装置１１１が発光してから光検出素子１５１が受光するまでの時間（カウント値）を取得するＴＤＣ（Time to Digital Converter）、取得時間に対応するヒストグラムを作成するヒストグラム生成部、およびヒストグラムに基づいて被写体１０２、１０３までの距離を求める距離判定部などを有する。
図５は、光検出装置１３１の変形例に係る回路構成を示す図である。図５に示す変形例では、信号選択回路１６２の前段に電圧平滑回路１７０が設けられている。電圧平滑回路１７０は、複数の抵抗素子Ｒと容量素子Ｃとで構成される。抵抗素子Ｒは、各読み出し回路１５３のアンプ１５６の出力端子に直列に接続される。なお、抵抗素子Ｒは、読み出し回路１５３の回路構成に含まれていてもよい。容量素子Ｃの一端は、各抵抗素子Ｒと信号選択回路１６２との間に接続され、他端は接地される。本変形例に係る電圧平滑回路によれば、複数の光検出素子１５１でほぼ同時にカソード電圧Ｖｃの変化が生じた場合に、各光検出素子１５１の回復電圧（クエンチ電圧）を平均化し得る。
図６は、ＡＤ変換器１６３と画素アレイとの接続形態の一例を示すレイアウト図である。図６に示す画素アレイ２００では、複数の画素２０１が二次元状に配置されている。各画素２０１には、上述した光検出回路１４２が１つずつ配置されている。この画素アレイ２００では、全ての光検出回路１４２が、ＡＤ変換器１６３に接続されている。
図７は、ＡＤ変換器１６３と画素アレイ２００との接続形態の他の一例を示すレイアウト図である。図７に示す画素アレイ２００でも、各画素２０１には、上述した光検出回路１４２が１つずつ配置されている。ただし、この画素アレイ２００は、画素領域２１１と画素領域２１２に区切られ、画素領域２１１に配置された光検出回路１４２のみがＡＤ変換器１６３に接続されている。すなわち、画素アレイ２００を構成する複数の画素２０１のうち、一部の画素２０１に配置された光検出回路１４２がＡＤ変換器１６３に接続されている。
図６および図７に示す画素アレイ２００では、１行に対して６本の信号配線２０２が画素間で供給されているが、信号配線２０２の共有本数は特に制限されない。また、各画素アレイ２００では、画素２０１と信号配線２０２とは、規則的に接続されているが、不規則な接続形態であってもよい。また、図７に示す画素アレイ２００では、行単位でＡＤ変換器１６３に接続される画素２０１が配置されているが、接続対象の画素２０１は、画素アレイ２００の任意の位置に配置されていてもよい。さらに、図６および図７に示す画素アレイ２００は、測距用のＴｏＦセンサとしてだけでなく、光量計測用のフォトカウントセンサとして用いられててもよい。
図８Ａは、電圧生成回路１６５の配置に関する変形例を示すレイアウト図である。図８Ａに示す変形例では、二次元状に配列された複数の光検出素子１５１が第１半導体基板３０１に設けられている。また、第２半導体基板３０２には、各光検出回路１４２の電流源１５２および読み出し回路１５３と、信号処理回路１４３の反応検知回路１６１、信号選択回路１６２、ＡＤ変換器１６３、初期化回路１６４、および電圧生成回路１６５の一部が設けられている。さらに、第３半導体基板３０３には、電圧生成回路１６５の前記一部を除く他の部分が設けられている。図８Ａには、各半導体基板の平面図が記載されているが、実際には、第１半導体基板３０１、第２半導体基板３０２、および第３半導体基板３０３は、銅パッドで接合された３層構造となっている。なお、第２半導体基板３０２と第３半導体基板３０３の接合方法は、銅パッドに限定されず、例えばバンプ接合、またはＴＳＶ（Through Silicon Via）接合であってもよい。
本変形例では、例えば、上述したデジタル信号ＣＴＬの時間平均を求めるローパスフィルタ回路が電圧生成回路１６５の一部として第２半導体基板３０２に配置される。また、デジタル信号ＣＴＬと基準電圧ＲＥＦとを比較する回路が、電圧生成回路１６５の他の部分として第３半導体基板３０３に配置される。このように、電圧生成回路１６５の機能を２つの半導体基板に分散配置することによって、第２半導体基板３０２に光検出回路１４２等の配置スペースを十分に確保することができる。
図８Ｂは、電圧生成回路１６５の配置に関する別の変形例を示すレイアウト図である。上述した図８Ａに示す変形例では、接合する３つの半導体基板の１つでも不良品であれば、他の半導体基板が良品であっても全体として不良になるため、プロセスコストや不良率が増加することが懸念される。
そこで、図８Ｂに示す変形例では、電圧生成回路１６５の他の部分（機能）を集積回路３０４に配置する。集積回路３０４は、第１半導体基板３０１および第２半導体基板３０２には接合されないため、上記のような懸念事項を回避することができる。
図８Ｃは、電圧生成回路１６５の駆動に関する変形例を示すレイアウト図である。図８Ｃに示す変形例では、二次元状に配列された複数の光検出素子１５１が第１半導体基板３０１に設けられている。また、第１半導体基板３０１と接合される第２半導体基板３０２には、光検出素子１５１を除く光検出回路１４２（電流源１５２および読み出し回路１５３）および信号処理回路１４３が設けられている。
本変形例では、光検出回路１４２と、電圧生成回路１６５を除く信号処理回路１４３とは、第１電源回路ＶＤＤＣ１から供給される電力で駆動する。一方、電圧生成回路１６５は、第１電源回路ＶＤＤＣ１とは別の第２電源回路ＶＤＤＣ２から供給される電力で駆動する。
以下、図９を参照して、上記のように構成された光検出装置１３１の動作について説明する。図９は、本実施形態に係る光検出装置１３１の動作内容を示すタイミングチャートである。
まず、タイミングＴ１で、全ての光検出回路１４２が、初期化回路１６４から入力された初期化信号ＲＥＳＥＴによってリセットされる。
その後、タイミングＴ２で、最初に光を検出した光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃ［１］が変化すると、その電圧変化を検知したデジタル信号ＳＩＧが反応検知回路１６１に入力される。反応検知回路１６１は、入力されたデジタル信号ＳＩＧに応じてトリガ信号ＴＲＧをＡＤ変換器１６３へ出力する。また、反応検知回路１６１は、トリガ信号ＴＲＧと同時に選択信号ＳＥＬを信号選択回路１６２へ出力する。
信号選択回路１６２は、入力された選択信号ＳＥＬに応じてアナログ信号Ｖｓを選択してＡＤ変換器１６３に出力する。ＡＤ変換器１６３は、アナログ信号Ｖｓをデジタル変換する処理を開始する。このように、光検出素子１５１が光を検出すると、直ちにＡＤ変換器１６３がデジタル変換処理を行う。
また、ＡＤ変換器１６３のデジタル変換処理中、選択されたアナログ信号Ｖｓに対応する選択信号ＳＥＬ［１］はハイレベル（Ｈ）に維持され、他の選択信号ＳＥＬはローレベル（Ｌ）に維持される。そのため、例えばタイミングＴ３で、２番目に光検出した他の光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃ［０］の変化が検知されても、カソード電圧Ｖｃ［０］に対応するアナログ信号Ｖｓはデジタル変換されない。すなわち、最初に光検出した光検出素子１５１に対応するアナログ信号Ｖｓをデジタル変換処理していているときに、他の光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃの変化は無視される。
その後、タイミングＴ４でデジタル変換処理が完了すると、ＡＤ変換器１６３は、通知信号ＤＯＮＥをから初期化回路１６４へ出力する。初期化回路１６４は、初期化信号ＲＥＳＥＴを全ての光検出回路１４２へ出力する。これにより、全ての光検出回路１４２が、再びリセットされる。
以上説明した本実施形態によれば、反応検知回路１６１が最初に光を検出した光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃの変化を検知すると、信号選択回路１６２が、その電圧変化を示すアナログ信号Ｖｓを特定し、続いてＡＤ変換器１６３がそのアナログ信号Ｖｓをデジタル変換する。そのため、光の入射に伴う光検出素子１５１の電圧変化が生じると、直ちにデジタル変換処理が行われる。そのため、不要な待ち時間が短縮されて、高頻度に光検出データを取得することができる。よって、光検出性能を向上させることが可能となる。さらに、デジタル変換が完了すると、初期化回路１６４が初期化信号ＲＥＳＥＴを各光検出回路１４２へ出力するとともに、電圧生成回路１６５がバイアス電圧ＶＲＬを各光検出素子１５１に出力する。そのため、デジタル変換後、各光検出回路１４２は直ちにリセットされ、次の光検出が可能な状態となる。
また、光検出素子１５１の電圧変化直後にデジタル変換処理が行われることによって、回復（クエンチ）後の光電変換によるカソード電位の変化を抑制できる。加えて、ＡＤ変換器１６３までの伝送路におけるリーク電流によって生じる電圧保持回路１５５の保持電位の変動も抑制することができる。
また、光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃの変化が起きない場合にＡＤ変換器１６３は、デジタル変換処理を行うため、誤った電圧を観測するといった不具合を回避することができる。加えて、信号選択回路１６２は、デジタル変換中に他のアナログ信号ＶｓをＡＤ変換器１６３へ入力させないため、デジタル変換中に電位が変動するといった事態も回避することができる。
（第１変形例）
図１０Ａは、第１変形例に係る光検出装置の構造を示す斜視図である。なお、上述した第１実施形態に係る光検出装置１３１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
本変形例では、光検出装置１３１ａのうち、複数の光検出素子１５１が第１半導体基板３０１上で二次元状に配列されている。光検出素子１５１の形成面が、光検出装置１３１ａの受光面Ｓになる。
一方、第１半導体基板３０１に接合される第２半導体基板３０２には、第１半導体基板３０１に対向する領域３１２と、領域３１２に隣接する領域３２２とが設けられている。領域３１２には、光検出素子１５１を除く光検出回路１４２と、信号処理回路１４３の一部とが設けられている。領域３２２は、信号処理回路１４３の残りの部分が設けられている。
以上説明した本変形例の構造であっても、第１実施形態と同様に、反応検知回路１６１が最初に光を検出した光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃの変化を検知すると、信号選択回路１６２が、その電圧変化を示すアナログ信号Ｖｓを特定し、続いてＡＤ変換器１６３がそのアナログ信号Ｖｓをデジタル変換する。これにより、光検出素子１５１の光検出後、直ちにデジタル変換処理が行われるので、光検出性能を向上させることが可能となる。さらに、本変形例によれば、光検出素子１５１のみを別の半導体基板に配置することによって、半導体基板に占める受光領域の比率（Fill Factor）が向上する。その結果、光検出素子１５１に入射した光子を高い確率で検出することが可能となる。
（第２変形例）
図１０Ｂは、第２変形例に係る光検出装置の構造を示す斜視図である。なお、上述した第１変形例に係る光検出装置１３１ａと同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。図１０Ｂに示す光検出装置１３１ｂは、第１半導体基板３０１、第２半導体基板３０２、および第３半導体基板３０３を重ねた三層構造を有する。第３半導体基板３０３は、第２半導体基板３０２に接合される。
第１半導体基板３０１には、複数の光検出素子１５１が二次元状に配列されている。また、第２半導体基板３０２の領域３１２には、光検出素子１５１を除く光検出回路１４２の一部、例えば電流源１５２および入力アンプ１５４が設けられている。さらに、第３半導体基板３０３には、光検出回路１４２の残りの部分、信号処理回路１４３、および電源回路の一部が設けられている。
以上説明した本変形例の構造であっても、第１実施形態と同様に、反応検知回路１６１が最初に光を検出した光検出素子１５１のカソード電圧Ｖｃの変化を検知すると、信号選択回路１６２が、その電圧変化を示すアナログ信号Ｖｓを特定し、続いてＡＤ変換器１６３がそのアナログ信号Ｖｓをデジタル変換する。これにより、光検出素子１５１の光検出後、直ちにデジタル変換処理が行われるので、光検出性能を向上させることが可能となる。さらに、本変形例によれば、第１変形例と同様に、光検出素子１５１のみを別の半導体基板に配置することによって、受光領域の比率が向上する。その結果、光検出素子１５１に入射した光子を高い確率で検出することが可能となる。
（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態に係る光検出装置の構成例を示すブロック図である。上述した第１実施形態に係る光検出装置１３１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態に係る光検出装置は、光検出回路の構成が第１実施形態と異なる。以下、本実施形態に係る光検出回路について説明する。
図１１に示す光検出回路１４４では、光検出素子１５１のアノードが読み出し回路１５３の入力アンプ１５４に接続され、カソードは電源回路ＶＤＤＣに接続されている。そのため、読み出し回路１５３では、入力アンプ１５４は、アノード電圧Ｖａが変化したか否かを示すデジタル信号ＳＩＧを反応検知回路１６１へ出力する。また、電圧保持回路１５５は、アノード電圧Ｖａを一時的に保持し、アンプ１５６が、保持されたアノード電圧Ｖａを増幅したアナログ信号Ｖｓを信号選択回路１６２へ出力する。このアナログ信号Ｖｓは、ＡＤ変換器１６３によって、デジタル変換される。
図１２は、本実施形態に係る光検出装置１３１の動作内容を示すタイミングチャートである。
まず、タイミングＴ１で、全ての光検出回路１４２が、初期化回路１６４から入力された初期化信号ＲＥＳＥＴによってリセットされる。
その後、タイミングＴ２で、最初に光検出した光検出素子１５１のアノード電圧Ｖａ［１］が変化すると、その電圧変化を検知したデジタル信号ＳＩＧが反応検知回路１６１に入力される。反応検知回路１６１は、入力されたデジタル信号ＳＩＧに応じてトリガ信号ＴＲＧをＡＤ変換器１６３へ出力する。また、反応検知回路１６１は、トリガ信号ＴＲＧと同時に選択信号ＳＥＬを信号選択回路１６２へ出力する。
信号選択回路１６２は、入力された選択信号ＳＥＬに応じてアナログ信号Ｖｓを選択してＡＤ変換器１６３に出力する。ＡＤ変換器１６３は、アナログ信号Ｖｓをデジタル変換する処理を開始する。このデジタル変換処理中、第１実施形態と同様に、選択されたアナログ信号Ｖｓに対応する選択信号ＳＥＬ［１］はハイレベル（Ｈ）に維持され、他の選択信号ＳＥＬはローレベル（Ｌ）に維持される。そのため、例えばタイミングＴ３で、２番目に光検出した他の光検出素子１５１のアノード電圧Ｖａ［０］の変化が検知されても、アノード電圧Ｖａ［０］に対応するアナログ信号Ｖｓはデジタル変換されない。
その後、タイミングＴ４でデジタル変換処理が完了すると、ＡＤ変換器１６３は、通知信号ＤＯＮＥをから初期化回路１６４へ出力する。初期化回路１６４は、初期化信号ＲＥＳＥＴを全ての光検出回路１４２へ出力する。これにより、全ての光検出回路１４２が、再びリセットされる。
以上説明した本実施形態によれば、最初に光を検出した光検出素子１５１のアノード電圧Ｖａの変化が反応検知回路１６１で検知され、続いてその電圧変化を示すアナログ信号Ｖｓが信号選択回路１６２で特定される。そのため、光検出素子１５１の光検出直後にＡＤ変換器１６３によるデジタル変換が開始されるため、光検出性能を向上させることが可能となる。
＜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１３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１３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、およ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、およ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、および、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１２０３０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およ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１３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およ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およ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１４は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図１４では、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、バックドアおよ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およ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。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１４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１２１１２１２１１３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、例えば撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、光検出装置１３１、１３１ａは、撮像部１２０３１に適用することができる。本開示に係る技術を適用することにより、より測距精度の高い撮影画像を得ることができるため、安全性を向上することが可能になる。
なお、本技術は以下のような構成を取ることができる。
（１） 複数の光検出回路と、
前記複数の光検出回路と接続される信号処理回路と、を備え、
各光検出回路は、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの電圧変化を検知する読み出し回路と、を含み、
前記信号処理回路は、
前記複数の光検出回路の中で最初に前記電圧変化を検知した第１読み出し回路を検知する反応検知回路と、
前記反応検知回路の検知結果に基づいて、各光検出回路の読み出し回路からそれぞれ出力されるアナログ信号のうち、前記第１読み出し回路から出力された第１アナログ信号を選択する信号選択回路と、
前記第１アナログ信号をデジタル変換するＡＤ変換器と、を含む光検出装置。
（２） 前記信号処理回路は、前記ＡＤ変換器によるデジタル変換後、前記読み出し回路を初期化する初期化回路をさらに含む、（１）に記載の光検出装置。
（３） 各光検出回路は、前記アバランシェフォトダイオードの電圧を一時的に保持する電圧保持回路をさらに含む、（１）または（２）に記載の光検出装置。
（４） 前記電圧保持回路は、
コンデンサと、
前記コンデンサと前記アバランシェフォトダイオードとの間に設けられたスイッチと、
前記アバランシェフォトダイオードの電圧を検知した結果に応じて前記スイッチを制御する電圧検知回路と、を含む、（３）に記載の光検出装置。
（５） 前記信号選択回路の前段に設けられた電圧平滑回路をさらに含む、（１）から（４）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（６） 二次元状に配置された複数の画素から成る画素アレイをさらに備え、
前記複数の画素にそれぞれ配置された全ての光検出回路が、前記ＡＤ変換器に接続される、（１）から（５）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（７） 二次元状に配置された複数の画素から成る画素アレイをさらに備え、
前記複数の画素のうち一部の画素に配置された光検出回路が、前記ＡＤ変換器に接続される、（１）から（５）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（８） 前記画素アレイの画素間で、前記光検出回路と前記ＡＤ変換器とを接続する信号配線が共有されている、（６）または（７）に記載の光検出装置。
（９） 前記光検出回路と前記信号処理回路は、１つの半導体基板に設けられている、（１）から（８）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（１０） 前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
前記アバランシェフォトダイオードを除く前記光検出回路および前記信号処理回路は、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられている、（１）から（８）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（１１） 前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
前記アバランシェフォトダイオードを除く前記光検出回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、
前記光検出回路の残りの部分および前記信号処理回路は、前記第２半導体基板に接合される第３半導体基板に設けられている、（１）から（８）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（１２） 前記信号処理回路は、前記ＡＤ変換器によるデジタル変換後、各光検出回路の前記アバランシェフォトダイオードへ印加するバイアス電圧を生成する電圧生成回路をさらに含む、（１）から（８）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（１３） 前記電圧生成回路は、前記ＡＤ変換器の出力値と目標値とを比較し、比較結果に基づいて前記バイアス電圧を生成する、（１２）に記載の光検出装置。
（１４） 前記電圧生成回路は、前記出力値の時間平均を求めて前記バイアス電圧を生成する、（１３）に記載の光検出装置。
（１５） 前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
前記電圧生成回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、前記電圧生成回路の前記一部を除く他の部分が、前記第２半導体基板に接合される第３半導体基板に設けられている、（１４）に記載の光検出装置。
（１６） 前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
前記電圧生成回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、前記電圧生成回路の前記一部を除く他の部分が、第１半導体基板および前記第２半導体基板とは別の集積回路に設けられている、（１４）に記載の光検出装置。
（１７） 前記信号処理回路において、前記電圧生成回路を除く部分は、第１電源回路から供給された電力で駆動し、前記電圧生成回路は、前記第１電源回路とは別の第２電源回路から供給された電力で駆動する、（１２）に記載の光検出装置。
（１８） 前記アバランシェフォトダイオードのカソードが前記読み出し回路に接続されている、（１）から（１７）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（１９） 前記アバランシェフォトダイオードのアノードが前記読み出し回路に接続されている、（１）から（１７）のいずれか１項に記載の光検出装置。
（２０） 照射光を照射する光源と、
前記照射光の反射光を受光する受光部と、を備え、
前記受光部は、
複数の光検出回路と、
前記複数の光検出回路と接続される信号処理回路と、を備え、
各光検出回路は、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの電圧変化を検知する読み出し回路と、を含み、
前記信号処理回路は、
前記複数の光検出回路の中で最初に前記電圧変化を検知した第１読み出し回路を検知する反応検知回路と、
前記反応検知回路の検知結果に基づいて、各光検出回路の読み出し回路からそれぞれ出力されるアナログ信号のうち、前記第１読み出し回路から出力された第１アナログ信号を選択する信号選択回路と、
前記第１アナログ信号をデジタル変換するＡＤ変換器と、を含む測距システム。
１３１、１３１ａ：光検出装置
１４２、１４４：光検出回路
１４３：信号処理回路
１５１：光検出素子
１５３：読み出し回路
１５５：電圧保持回路
１５５ａ：コンデンサ
１５５ｂ：スイッチ
１５５ｃ：電圧検知回路
１６１：反応検知回路
１６２：信号選択回路
１６３：ＡＤ変換器
１６４：初期化回路
１６５：電圧生成回路
１７０：電圧平滑回路
２００：画素アレイ
２０１：画素
２０２：信号配線
３０１：第１半導体基板
３０２：第２半導体基板
３０３：第３半導体基板
３０４：集積回路
ＶＤＤＣ１：第１電源回路
ＶＤＤＣ２：第２電源回路

Claims (20)

  1. 複数の光検出回路と、
    前記複数の光検出回路と接続される信号処理回路と、を備え、
    各光検出回路は、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの電圧変化を検知する読み出し回路と、を含み、
    前記信号処理回路は、
    前記複数の光検出回路の中で最初に前記電圧変化を検知した第１読み出し回路を検知する反応検知回路と、
    前記反応検知回路の検知結果に基づいて、各光検出回路の読み出し回路からそれぞれ出力されるアナログ信号のうち、前記第１読み出し回路から出力された第１アナログ信号を選択する信号選択回路と、
    前記第１アナログ信号をデジタル変換するＡＤ変換器と、を含む光検出装置。
  2. 前記信号処理回路は、前記ＡＤ変換器によるデジタル変換後、前記読み出し回路を初期化する初期化回路をさらに含む、請求項１に記載の光検出装置。
  3. 各光検出回路は、前記アバランシェフォトダイオードの電圧を一時的に保持する電圧保持回路をさらに含む、請求項１に記載の光検出装置。
  4. 前記電圧保持回路は、
    コンデンサと、
    前記コンデンサと前記アバランシェフォトダイオードとの間に設けられたスイッチと、
    前記アバランシェフォトダイオードの電圧を検知した結果に応じて前記スイッチを制御する電圧検知回路と、を含む、請求項３に記載の光検出装置。
  5. 前記信号選択回路の前段に設けられた電圧平滑回路をさらに含む、請求項１に記載の光検出装置。
  6. 二次元状に配置された複数の画素から成る画素アレイをさらに備え、
    前記複数の画素にそれぞれ配置された全ての光検出回路が、前記ＡＤ変換器に接続される、請求項１に記載の光検出装置。
  7. 二次元状に配置された複数の画素から成る画素アレイをさらに備え、
    前記複数の画素のうち一部の画素に配置された光検出回路が、前記ＡＤ変換器に接続される、請求項１に記載の光検出装置。
  8. 前記画素アレイの画素間で、前記光検出回路と前記ＡＤ変換器とを接続する信号配線が共有されている、請求項６に記載の光検出装置。
  9. 前記光検出回路と前記信号処理回路は、１つの半導体基板に設けられている、請求項１に記載の光検出装置。
  10. 前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
    前記アバランシェフォトダイオードを除く前記光検出回路および前記信号処理回路は、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられている、請求項１に記載の光検出装置。
  11. 前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
    前記アバランシェフォトダイオードを除く前記光検出回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、
    前記光検出回路の残りの部分および前記信号処理回路は、前記第２半導体基板に接合される第３半導体基板に設けられている、請求項１に記載の光検出装置。
  12. 前記信号処理回路は、前記ＡＤ変換器によるデジタル変換後、各光検出回路の前記アバランシェフォトダイオードへ印加するバイアス電圧を生成する電圧生成回路をさらに含む、請求項１に記載の光検出装置。
  13. 前記電圧生成回路は、前記ＡＤ変換器の出力値と目標値とを比較し、比較結果に基づいて前記バイアス電圧を生成する、請求項１２に記載の光検出装置。
  14. 前記電圧生成回路は、前記出力値の時間平均を求めて前記バイアス電圧を生成する、請求項１３に記載の光検出装置。
  15. 前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
    前記電圧生成回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、前記電圧生成回路の前記一部を除く他の部分が、前記第２半導体基板に接合される第３半導体基板に設けられている、請求項１４に記載の光検出装置。
  16. 前記アバランシェフォトダイオードが第１半導体基板に設けられ、
    前記電圧生成回路の一部が、前記第１半導体基板に接合される第２半導体基板に設けられ、前記電圧生成回路の前記一部を除く他の部分が、第１半導体基板および前記第２半導体基板とは別の集積回路に設けられている、請求項１４に記載の光検出装置。
  17. 前記信号処理回路において、前記電圧生成回路を除く部分は、第１電源回路から供給された電力で駆動し、前記電圧生成回路は、前記第１電源回路とは別の第２電源回路から供給された電力で駆動する、請求項１２に記載の光検出装置。
  18. 前記アバランシェフォトダイオードのカソードが前記読み出し回路に接続されている、請求項１に記載の光検出装置。
  19. 前記アバランシェフォトダイオードのアノードが前記読み出し回路に接続されている、請求項１に記載の光検出装置。
  20. 照射光を照射する光源と、
    前記照射光の反射光を受光する受光部と、を備え、
    前記受光部は、
    複数の光検出回路と、
    前記複数の光検出回路と接続される信号処理回路と、を備え、
    各光検出回路は、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの電圧変化を検知する読み出し回路と、を含み、
    前記信号処理回路は、
    前記複数の光検出回路の中で最初に前記電圧変化を検知した第１読み出し回路を検知する反応検知回路と、
    前記反応検知回路の検知結果に基づいて、各光検出回路の読み出し回路からそれぞれ出力されるアナログ信号のうち、前記第１読み出し回路から出力された第１アナログ信号を選択する信号選択回路と、
    前記第１アナログ信号をデジタル変換するＡＤ変換器と、を含む測距システム。
JP2020109911A 2020-06-25 2020-06-25 光検出装置および測距システム Pending JP2022007152A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020109911A JP2022007152A (ja) 2020-06-25 2020-06-25 光検出装置および測距システム
PCT/JP2021/017009 WO2021261079A1 (ja) 2020-06-25 2021-04-28 光検出装置および測距システム

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020109911A JP2022007152A (ja) 2020-06-25 2020-06-25 光検出装置および測距システム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022007152A true JP2022007152A (ja) 2022-01-13

Family

ID=79282384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020109911A Pending JP2022007152A (ja) 2020-06-25 2020-06-25 光検出装置および測距システム

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2022007152A (ja)
WO (1) WO2021261079A1 (ja)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4389959B2 (ja) * 2007-04-23 2009-12-24 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の信号処理方法および撮像装置
JP2019134230A (ja) * 2018-01-29 2019-08-08 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Ｄａｃ回路、固体撮像素子、および、電子機器
JP2019186792A (ja) * 2018-04-12 2019-10-24 キヤノン株式会社 撮像装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021261079A1 (ja) 2021-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7044107B2 (ja) 光センサ、及び、電子機器
KR102103128B1 (ko) 애벌란시 포토 다이오드 센서
JP7414440B2 (ja) 測距センサ
US20210293958A1 (en) Time measurement device and time measurement apparatus
JPWO2020158401A1 (ja) 受光装置および測距システム
US20220128690A1 (en) Light receiving device, histogram generating method, and distance measuring system
WO2022059397A1 (ja) 測距システムおよび光検出装置
WO2022149388A1 (ja) 撮像装置および測距システム
WO2021261079A1 (ja) 光検出装置および測距システム
WO2021251057A1 (ja) 光検出回路および測距装置
US20230228875A1 (en) Solid-state imaging element, sensing system, and control method of solid-state imaging element
WO2022239459A1 (ja) 測距装置及び測距システム
WO2022269982A1 (ja) 受光素子
WO2023286403A1 (ja) 光検出装置および測距システム
WO2024075409A1 (en) Photodetection device
WO2022196139A1 (ja) 撮像装置および撮像システム
WO2021100593A1 (ja) 測距装置及び測距方法
US20240085177A1 (en) Photodetection device and photodetection system
WO2021100314A1 (ja) 固体撮像装置及び測距システム
US20230062562A1 (en) Sensing system and distance measuring system
US20230142762A1 (en) Sensing system
WO2023145261A1 (ja) 測距装置および測距装置の制御方法
JP2022185168A (ja) 受光素子およびその駆動方法、並びに、測距システム