JP2023060730A - 光検出素子、及び光検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より小型化が可能な光検出素子、及び光検出装置を提供する。【解決手段】実施形態に従った光検出素子は、測定対象に第1方向の測定光を射出し、第1方向と異なる第2方向の参照光を射出する光射出部と、参照光を受光し、光電変換する光電変換素子と、を備える。【選択図】図4
Description
本発明の実施形態は、検出素子、及び光検出装置に関する。
従来の光検出方式には、光の往復時間を測定して測距するdToF(Direct ToF方式)、光の位相差を測定して測距するiToF(Indirect ToF)方式、光周波数を周波数変調(Chirp)して参照光と反射光のビート(Beat)周波数から測距する周波数連続変調(FMCW:Frequency Modulated Continuous Wave)方式等、複数の種類がある。その中でもFMCW方式は、低消費電力化、高精細化、測距精度の高度化、背景光耐性が高いなどの特徴があり、近年研究開発と実用化が進んでいる。
また、FMCW方式の中のFPA(Focal Plane Array)型FMCW方式では、光を射出するTX(transceiver)部と光を受信するRX(Receiver)部がチップの別々の箇所に配置されている。このため、大きなチップ面積が必要となり、光検出素子が大きくなってしまう。また、TX部とRX部が同一のLSPCW(格子シフト型PCW、lattice-shifted photonic crystal waveguides)から構成される装置も知られている。しかしながら、長辺方向には電子的に波長を変えて出射角度を制御できるものの、短辺方向には光を集めることが出来ないため、プリズムレンズをつけて光を集光する必要がある。このため、光検出装置が大きくなってしまう。
そこで、本開示では、より小型化が可能な光検出素子、及び光検出装置を提供するものである。
上記の課題を解決するために、本開示によれば、測定対象に第1方向の測定光を射出し、前記第1方向と異なる第2方向の参照光を射出する光射出部と、
前記参照光を受光し、光電変換する光電変換素子と、
を備える、光検出素子が提供される。
前記参照光を受光し、光電変換する光電変換素子と、
を備える、光検出素子が提供される。
前記光電変換素子は、前記測定対象からの前記測定光の戻り光を更に受光し、前記参照光と前記戻り光とを光電変換してもよい。
前記第2方向は、前記第1方向と反対の方向であってもよい。
前記光射出部は、第1領域から測定対象に前記測定光を射出し、前記第1領域と異なる第2領域から前記参照光を射出してもよい。
前記第2領域は、前記第1領域から出射される前記測定光の進行方向と反対側の面の領域であってもよい。
前記光射出部は700nmよりも長波長をもつ光を放射してもよい。
前記光射出部は放射される前記光の波長に相当するエネルギ―以上のバンドギャップを持つ材料であってもよい。
前記光射出部はシリコン(Si)、窒化ケイ素(Si3N4)、硝酸ガリウム(Ga2O3)、及びゲルマニウム(Ge)の少なくともいずれかを含んで構成されてもよい。
前記光射出部は回折部で構成される回折格子であり、
前記測定光は、前記回折格子から出射してもよい。
前記測定光は、前記回折格子から出射してもよい。
前記光射出部は微少機械システム(メムス)を使った光スイッチから構成されてもよい。
前記光射出部はチャープした周波数のチャープ光を前記測定光として出射してもよい。
前記光電変換素子に対して、複数のレンズを介して前記測定対象からの前記測定光の戻り光が受光されてもよい。
前記光電変換素子は、前記回折格子から出射される光を吸収する材料で構成されてもよい。
前記光電変換素子はゲルマニウム(Ge)、シリコンゲルマ二ウム(SiGe)、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、ゲイナス(GaInAsP)、エルビウム添加ヒ化ガリウム(GaAs:Er)、エルビウム添加イン化インジウム(InP:Er)、炭素添加シリコン(Si:C)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、ヒ化インジウム(InAs)、インジウムヒ素アンチモンリン(InAsSbP)、及び酸化ガリウム(Ga2O3)の少なくともいずれかを含み構成されてもよい。
前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換する読出し回路部を更に備え、
前記光射出部、前記光検出素子、前記読出し回路部の順番で積層構造を有してもよい。
前記光射出部、前記光検出素子、前記読出し回路部の順番で積層構造を有してもよい。
前記読出し回路部は、シリコン(Si)基板と表層のシリコン(Si)層との間に酸化シリコン(SiO2)を有する構造のシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成されてもよい。
前記読出し回路部は検出回路基板と電気的に接続されてもよい。
前記読出し回路部は、可視光を検出する検出素子と電気的に接続されてもよい。
前記光電変換素子はバランスドフォトダイオードから構成されてもよい。
前記光電変換素子の上部にレンズが形成されてもよい。
前記レンズは1つの前記光検出素子に対して1個以上配置されてもよい。
前記光電変換素子の上部に凹凸構造を有する曲面レンズが形成されてもよい。
前記光電変換素子の上部にメタレンズが形成されてもよい。
前記光電変換素子は2次元の格子状に複数配置されてもよい。
前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換する読出し回路部を更に備え、
前記読出し回路部は、前記光電変換素子の出力信号を増幅するトランスインピーダンスアンプリファイアと、
前記トランスインピーダンスアンプリファイアの出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、を有してもよい。
前記読出し回路部は、前記光電変換素子の出力信号を増幅するトランスインピーダンスアンプリファイアと、
前記トランスインピーダンスアンプリファイアの出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、を有してもよい。
前記トランスインピーダンスアンプリファイアと、前記アナログデジタル変換器とは、前記光電変換素子毎に配置されてもよい。
前記トランスインピーダンスアンプリファイアは、複数の前記光電変換素子毎に一つ配置されてもよい。
前記アナログデジタル変換器は、複数の前記光電変換素子毎に一つ配置されてもよい。
前記光射出部、前記光電変換素子、前記読出し回路部の順に積層されてもよい。
前記光射出部は、前記光電変換素子に対応し、一つの前記光電変換素子に対して少なくとも一つの前記光射出部が配置されてもよい。
前記光射出部は、複数の前記光電変換素子に対応し、前記複数の前記光電変換素子に対して少なくとも一つの行状の前記光射出部が配置されてもよい。
前記光射出部、前記光電変換素子、前記読出し回路部はシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成されてもよい。
前記光射出部、前記光電変換素子、及び前記読出し回路部は金属配線で接続されてもよい。
可視光を検出する第2光電変換素子と、を更に備え、
第2光電変換素子は、前記光電変換素子に対して光の入射側に配置されてもよい。
第2光電変換素子は、前記光電変換素子に対して光の入射側に配置されてもよい。
光検出素子と、
前記測定光の光源と、
を備えてもよい。
前記測定光の光源と、
を備えてもよい。
前記光電変換素子は2次元の格子状に複数配置され、
前記格子状に配置される複数の前記光電変換素子に対応して、前記光射出部が配置されてもよい。
前記格子状に配置される複数の前記光電変換素子に対応して、前記光射出部が配置されてもよい。
前記光電変換素子に対応して配置される、前記光射出部の発光を制御する制御部を更に備えてもよい。
前記制御部は、
前記複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部に対して、同一タイミングで発光させる制御を行ってもよい。
前記複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部に対して、同一タイミングで発光させる制御を行ってもよい。
前記制御部は、
行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御してもよい。
行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御してもよい。
前記制御部は、
複数の行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御してもよい。
複数の行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御してもよい。
前記制御部は、
複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を発光させ、更に前記複数の前記光電変換素子の中の一部の前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換されてもよい。
複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を発光させ、更に前記複数の前記光電変換素子の中の一部の前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換されてもよい。
本開示によれば、赤外光を検出する第1光電変換素子と、
可視光を検出する第2光電変換素子と、備え、
第2光電変換素子は、前記第1光電変換素子に対して光の入射側に配置される、光検出素子が提供される。
可視光を検出する第2光電変換素子と、備え、
第2光電変換素子は、前記第1光電変換素子に対して光の入射側に配置される、光検出素子が提供される。
前記第1光電変換素子と異なる波長帯域の赤外光を検出する第3光電変換素子を更に備えてもよい。
前記第3光電変換素子と、第2光電変換素子とは積層されてもよい。
逆ピラミッド形状を有する2次元アレイ状の光回折構造部を更に備え、
前記光回折構造部は、前記第2光電変換素子よりも、光の入射側に配置されてもよい。
前記光回折構造部は、前記第2光電変換素子よりも、光の入射側に配置されてもよい。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺及び縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
(第1実施形態)
(測距装置の構成)
図1は、本開示の第1実施形態に係る光検出素子を適用した光検出装置の構成の一例を示す概略構成図である。
(測距装置の構成)
図1は、本開示の第1実施形態に係る光検出素子を適用した光検出装置の構成の一例を示す概略構成図である。
第1の実施形態に係る光検出装置100は、例えば、光飛行時間に基づいて物体(被写体)までの距離を測定する光検出素子に適用することができる。また、光検出装置100は、撮像が可能である。この光検出装置100は、図1に示すように、光検出素子1と、レーザ光源11aと、レンズ光学系12と、制御部10と、信号処理部15と、モニタ60と、操作部70とを備える。なお、光検出装置100は、少なくとも光検出素子1と、レーザ光源11aと、制御部10と、モニタ60と、操作部70とを備えるものであってもよい。この場合、レンズ光学系12は、光検出装置100に対し外部から接続可能なものとなる。
レーザ光源11aは、制御部10の制御に従って、レーザ光を生成する。波長λ=700nm以上の波長が使用される。一例としては、波長λ=1550nm、1330nm、2000nm等の眼に影響がない眼安全(Eye safe)帯の光が用いられる。また、例えばAlGaAs系半導体レーザで、波長λ=940nmのレーザ光を発生してもよい。
レンズ光学系12は、光検出素子1から出射されたレーザ光を集光して、集光したレーザ光を被写体へ送出し、被写体からの光を光検出素子1に導き、光検出素子1の画素アレイ部20(図2参照)に結像させる。
また、レンズ光学系12は、制御部10の制御に従って、レンズの焦点調整や駆動制御を行う。さらに、レンズ光学系12は、制御部10の制御に従って、絞りを指定された絞り値にする。信号処理部15は、例えば画素アレイ部20(図2参照)が生成した距離情報を含む信号に対してフ-リエ変換処理などの信号処理を行う。これにより、画素アレイ部20を構成する画素ごとに対応する距離値の情報を含む距離画像データを生成する。また、信号処理部15は、画素アレイ部20が有する可視光電変換素子で光電変換した撮像信号を処理し、撮像画像データを生成することも可能である。
モニタ60は、光検出素子1により得られた距離画像データ、及び撮像画像データの少なくともいずれかを表示することが可能である。光検出装置100の利用者(例えば撮影者)は、画像データをモニタ60から観察することができる。制御部10は、CPUやメモリ等を用いて構成されており、操作部70からの操作信号に応答して、光検出素子1の駆動を制御し、レンズ光学系12を制御する。
(光検出デバイスの構成)
図2は、光検出素子1の構成の一例を示す図である。同図に示すように、光検出素子1は、例えば、画素アレイ部20と、垂直駆動部30と、水平駆動部40と、光変調部50(図3参照)とを含み構成される。垂直駆動部30及び水平駆動部40の動作は、制御部10により制御される。
図2は、光検出素子1の構成の一例を示す図である。同図に示すように、光検出素子1は、例えば、画素アレイ部20と、垂直駆動部30と、水平駆動部40と、光変調部50(図3参照)とを含み構成される。垂直駆動部30及び水平駆動部40の動作は、制御部10により制御される。
画素アレイ部20は、入射した光の強さに応じた電荷を生成し蓄積する、アレイ状(行列状)に配置された複数の画素200を含み構成される。画素の配列としては、例えば、クアッド(Quad)配列やベイヤー(Bayer)配列が知られているが、これに限られない。同図中、画素アレイ部20の上下方向を列方向ないしは垂直方向と称し、左右方向を行方向ないしは水平方向と定義する。なお、画素アレイ部20における画素の構成の詳細については、後述する。
垂直駆動部30は、シフトレジスタやアドレスデコーダ(図示せず)などを含み構成される。垂直駆動部30は、制御部10の制御の下、例えば、画素アレイ部20の複数の画素200を、行単位で順番に、垂直方向に駆動していく。本開示では、垂直駆動部30は、信号の読出しのための走査を行う読出し走査回路32と光電変換素子から不要な電荷を掃き出す(リセットする)走査を行う掃出し走査回路34を含み得る。
読出し走査回路32は、各画素200から電荷に基づく信号を読み出すために、画素アレイ部20の複数の画素200を行単位で順に選択走査を行う。掃出し走査回路34は、読出し走査回路32によって読出し動作が行われる読出し行に対して、その読出し動作よりも電子シャッターの動作速度の時間分だけ先行して掃出し走査を行う。掃出し走査回路34による不要電荷の掃き出し(リセット)により、いわゆる電子シャッター動作を行うことが可能である。
水平駆動部40は、シフトレジスタやアドレスデコーダ(図示せず)などを含み構成される。水平駆動部40は、制御部10の制御の下、例えば、画素アレイ部20の複数の画素200を、列単位で順番に、水平方向に駆動していく。垂直駆動部30及び水平駆動部40による画素の選択的な駆動により、選択された画素200に蓄積された電荷に基づく信号が信号処理部15に出力される。
(画素アレイ部20と光変調部50の構成例)
図3は、光検出素子1の画素アレイ部20と光変調部50の構成例を示す図である。図3に示すように、画素アレイ部20は、二次元状の行列に配置される複数の画素200を有する。なお、本実施形態に係る画素200は、光射出部202と、マイクロレンズ204とを有するが、これに限定されない。例えば、後述するように、マイクロレンズ204を有さない構成も可能である。
図3は、光検出素子1の画素アレイ部20と光変調部50の構成例を示す図である。図3に示すように、画素アレイ部20は、二次元状の行列に配置される複数の画素200を有する。なお、本実施形態に係る画素200は、光射出部202と、マイクロレンズ204とを有するが、これに限定されない。例えば、後述するように、マイクロレンズ204を有さない構成も可能である。
光射出部202は、光変調部50から導入される光を射出する。本実施形態に係る光射出部202は、画素アレイ部20の各行毎に配置され、例えば画素アレイ部20の一端から他端まで連続している。光射出部202の材料は、レーザ光の波長に相当するエネルギ以上のバンドギャップを持つ材料が使用される。この材料は、シリコン(Si)、窒化ケイ素(Si3N4)、硝酸ガリウム(Ga2O3)、及びゲルマニウム(Ge)などである。なお、本実施形態に係る光射出部202は、画素アレイ部20の一端から他端まで連続しているが、これに限定されない。また、各画素200には、光を射出し、且つ、集光するマイクロレンズ204が配置されている。なお、マイクロレンズ204はオンチップレンズ(OCL)と称する場合がある。
光変調部50は、複数の受光端部502a、502bと、周波数変調部504と、光スイッチ506と、を備える。複数の受光端部(入力ポート)502a、502bは、例えばスポットサイズ変換器(Spot Size Converter)である。複数の受光端部(入力ポート)502a、502bは、複数のレーザ光源11a、11bから導入される光を受光し、導波路を介して周波数変調部(FM:Frequency Modulation)504にレーザ光を導波する。導波路は例えば光ファイバにより構成される。
レーザ光源11aの波長は例えば1550nmであり、レーザ光源11bの波長は例えば1330nmである。これにより、光変調部50には、波長1550nm又は1330nmのレーザ光が制御部10(図1参照)の制御により導波される。光変調部50は、レーザ光の周波数を時系列に増減させたチャープ(Chirp)波を生成する。すなわち、このチャープ波は、周波数が時系列に増減する。そして、このチャープ波は、光スイッチ506を介して各行の光射出部202に導波される。また、レーザ光源11a、11bは、LED(Light Emitting Diode)などの発光ダイオードにより構成してもよい。
光スイッチ506は、例えば制御部10(図1参照)の制御により、光を透過させる行を変更させることが可能である。光スイッチ506は、例えば微少機械システム(メムス)(MEMS:Micro Electro Mechanical System)型の光スイッチなどで構成可能である。
各行の光射出部202から画素200毎に射出されたチャープ波は、測定光L10としてマイクロレンズ204及びレンズ光学系12を介して測定対象Tgに照射される。そして、測定対象Tgに反射された戻り光L11は、レンズ光学系12及びマイクロレンズ204を介して画素200毎に受光される。この場合、例えば測定光L10が測定対象Tgに照射され、測定対象Tgから反射して戻った戻り光L11は、測定光L10と同一の光路をたどり、射出した同一のマイクロレンズ204に受光される。
(画素200の構成例1)
図4は、画素200の構成例1を示す図である。図4に示すように、画素200は、例えば光回路部200aと、読出し回路部200bとを備える。なお、本実施形態に係る画素200は、読みだし回路部200bを備えるがこれに限定されない。例えば、読みだし回路部200bは、画素200外の共通基板に構成してもよい。
図4は、画素200の構成例1を示す図である。図4に示すように、画素200は、例えば光回路部200aと、読出し回路部200bとを備える。なお、本実施形態に係る画素200は、読みだし回路部200bを備えるがこれに限定されない。例えば、読みだし回路部200bは、画素200外の共通基板に構成してもよい。
光回路部200aは、測定光L12を射出し、参照光L14と戻り光L16とを受光し、第1ビート信号Sbaetaを生成する。より具体的には、光回路部200aは、光射出部(回折格子)202と、マクロレンズ(OCL)204と、光電変換素子206a、206bと、を備える。
このような構成により、光射出部202は、第1方向に測定光L12を射出する。一方で、光射出部202は、第1方向と異なる第2方向に、参照光L14を射出する。例えば、第2方向は、第1方向と反対の方向である。なお、本実施形態に係る第2方向は、第1方向と反対の方向であるがこれに限定されない。例えば、第2方向は、第1方向と例えば、90、120、150度などの異なる方向としてもよい。この場合、光電変換素子206aの受光範囲を移動させたり、鏡面で反射させたりして、光電変換素子206aに参照光L14を受光させてもよい。なお、参照光L14を漏れ光と称し、戻り光L16を反射光と称する場合がある。
また、図4に示すように、光射出部202において、測定光L12を射出する第1領域と、参照光L14を射出する第2領域とは異なる。例えば、第2領域は、第1領域から出射される測定光L12の進行方向と反対側の面の領域である。
光電変換素子206a、206bは、例えばバランスドフォトダイオード(B-PD)であり、光電変換素子206aと、光電変換素子206bとで構成される。光電変換素子206aと、光電変換素子206bとは共通の光電変換素子で構成され、光電変換素子206aは、主として参照光L14を受光し、光電変換素子206bは、主として戻り光L16を受光する。なお、光電変換素子206aも戻り光L16を受光し、光電変換素子206bも参照光L14を受光してもよい。これらから分かるように、光電変換素子206aと、光電変換素子206bとで参照光L14と戻り光L16とが合波され、光電変換素子206a、206bによる光電変換後の信号であるFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)信号として第1ビート信号Sbaetaが生成される。また、光電変換素子206a、206bは、ゲルマニウム(Ge)、シリコンゲルマ二ウム(SiGe)、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、ゲイナス(GaInAsP)、エルビウム添加ヒ化ガリウム(GaAs:Er)、エルビウム添加イン化インジウム(InP:Er)、炭素添加シリコン(Si:C)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、ヒ化インジウム(InAs)、インジウムヒ素アンチモンリン(InAsSbP)、及び酸化ガリウム(Ga2O3)の少なくともいずれかを含み構成される。
このように、光射出部202から第1方向に測定光L12を射出し、光射出部202から第1方向と異なる第2方向に参照光L14を射出することにより、光電変換素子206a、206bを測定光L12の射出を阻害しない位置に配置可能となる。さらに、参照光L14を直接的に光電変換素子206a、206bが受光するので、合波用の光ファイバや光学カプラなどを用いずに、光電変換素子206a、206bにより参照光L14と戻り光L16との合波が可能となる。このため、画素200を小型化することが可能となる。これにより、光検出素子1、及び光検出装置100をより小型化できる。
読出し回路部200bは、光電変換素子206a、206bが生成した第1ビート信号(Sbeata)を増幅し、デジタル信号に変換する。より具体的には、トランスインピーダンスアンプリファイア208(TIA:Trans-impedance Amplifier)と、アナログデジタル変換回路(ADC)210とを有する。すなわち、トランスインピーダンスアンプリファイア208は、光電変換素子206a、206bが生成した第1ビート信号(Sbeata)を増幅して第2ビート信号(Sbeatb)を生成する。そして、アナログデジタル変換回路210は、第2ビート信号(Sbeatb)をデジタル信号に変換し、信号処理部15に出力する。
(信号特性)
図5は、画素200における信号例を示す図である。図5Aは、参照光L14の光強度の周波数変化を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は光強度(パワー)を示す。図5Aに示すように、参照光L14は、時系列に周波数が増減するチャープ波である。測定光L12も光強度は異なるが、参照光L14と同等のチャープ波である。
図5は、画素200における信号例を示す図である。図5Aは、参照光L14の光強度の周波数変化を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は光強度(パワー)を示す。図5Aに示すように、参照光L14は、時系列に周波数が増減するチャープ波である。測定光L12も光強度は異なるが、参照光L14と同等のチャープ波である。
図5Bは、戻り光L16の光強度の変換を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は光強度(パワー)を示す。図5Bに示すように、戻り光L16は、空間伝搬の遅延をともなって時系列に周波数が増減する。
図5Cは、第1ビート信号(Sbeata)の光強度の変化を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は光強度(パワー)を示す。図5Cに示すように、第1ビート信号(Sbeata)は、参照光L14と、戻り光L16との合波により、空間伝搬の遅延の情報を有するビート信号となる。第1ビート信号(Sbeata)は、ビート周波数を発生する。
(信号処理結果例)
図6は、信号処理部15の信号処理結果の例を示す図である。横軸はビート周波数を示し、縦軸は出力密度を示す。図6に示すように、信号処理部15(図1参照)は、増幅しデジタル変換された第1ビート信号(Sbeata)の周波数が距離によって変化するのを利用し、例えばヘテロダイン検波により測距する。すなわち、信号処理部15は、デジタル変換された第2ビート信号(Sbeatb)をフーリエ変換などし、測定対象Tgまでの距離値22、66、110、154、198メートルなどを生成する。さらに、信号処理部15は、2つのビート周波数Fの差分はドップラー効果でシフトした周波数となることを利用し、測定対象TgのZ方向速度を生成することも可能である。
図6は、信号処理部15の信号処理結果の例を示す図である。横軸はビート周波数を示し、縦軸は出力密度を示す。図6に示すように、信号処理部15(図1参照)は、増幅しデジタル変換された第1ビート信号(Sbeata)の周波数が距離によって変化するのを利用し、例えばヘテロダイン検波により測距する。すなわち、信号処理部15は、デジタル変換された第2ビート信号(Sbeatb)をフーリエ変換などし、測定対象Tgまでの距離値22、66、110、154、198メートルなどを生成する。さらに、信号処理部15は、2つのビート周波数Fの差分はドップラー効果でシフトした周波数となることを利用し、測定対象TgのZ方向速度を生成することも可能である。
(画素200の積層構造例1)
図7は、画素200の断面図である。図7に示すように、画素200の光回路部200aは、例えばシリコン(Si)基板と酸化シリコン(SiO2)とを有する構造のシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成される。なお、シリコン(Si)基板を更にシリコンオンインシュレータ(SOI)基板として構成してもよい。図7に示すように、光射出部202の下に光電変換素子206aが配置されている。一方で、光電変換素子206bの上には、光射出部202が配置されていないので、光電変換素子206bは、光射出部202に阻害されることなく、戻り光を受光可能となる。
図7は、画素200の断面図である。図7に示すように、画素200の光回路部200aは、例えばシリコン(Si)基板と酸化シリコン(SiO2)とを有する構造のシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成される。なお、シリコン(Si)基板を更にシリコンオンインシュレータ(SOI)基板として構成してもよい。図7に示すように、光射出部202の下に光電変換素子206aが配置されている。一方で、光電変換素子206bの上には、光射出部202が配置されていないので、光電変換素子206bは、光射出部202に阻害されることなく、戻り光を受光可能となる。
(光検出素子1の構成例1)
図8は、図7で示した画素200を配置した光検出素子1の構成例を示す図である。シリコン貫通電極(TSV:Through Silicon Via)、カッパーカッパー接続(CCC:Cu-Cu Connection)などの接続技術によって、積層構造で形成される。例えば光回路部200aは、光回路部基板20aに構成され、読みだし回路部200bは、ROIC(Read-out Integrated Cuicuits)と呼ばれる読出し回路基板20bに構成される。このように、光回路部基板20aと、読出し回路基板20bとは、シリコン貫通電極(TSV:Through Silicon Via)、カッパーカッパー接続(CCC:Cu-Cu Connection)などの接続技術によって、積層される。また、レーザ光源11a、及びレーザ光源11bも光回路部基板20aが構成される共通基板上に構成される。
図8は、図7で示した画素200を配置した光検出素子1の構成例を示す図である。シリコン貫通電極(TSV:Through Silicon Via)、カッパーカッパー接続(CCC:Cu-Cu Connection)などの接続技術によって、積層構造で形成される。例えば光回路部200aは、光回路部基板20aに構成され、読みだし回路部200bは、ROIC(Read-out Integrated Cuicuits)と呼ばれる読出し回路基板20bに構成される。このように、光回路部基板20aと、読出し回路基板20bとは、シリコン貫通電極(TSV:Through Silicon Via)、カッパーカッパー接続(CCC:Cu-Cu Connection)などの接続技術によって、積層される。また、レーザ光源11a、及びレーザ光源11bも光回路部基板20aが構成される共通基板上に構成される。
(光検出素子1の構成例2)
図9は、図7で示した画素200を配置した光検出素子1の別の構成例を示す図である。光回路部基板20aと、読出し回路基板20bとは、シリコン貫通電極(TSV:Through Silicon Via)、カッパーカッパー接続(CCC:Cu-Cu Connection)などの接続技術によって、積層される。一方で、レーザ光源11a、及びレーザ光源11bは、光回路部基板20aが構成される共通基板と異なる基板上に、分離して構成される。右図は、光回路部基板20aのレーザ光源11a、及びレーザ光源11bとは反対側の端面に配置される光射出部202、マイクロレンズ204、光電変換素子206a、bの配置を模式的に示す図である。このように、各光射出部202は行方向(水平方向)に沿って並行に配置される。
図9は、図7で示した画素200を配置した光検出素子1の別の構成例を示す図である。光回路部基板20aと、読出し回路基板20bとは、シリコン貫通電極(TSV:Through Silicon Via)、カッパーカッパー接続(CCC:Cu-Cu Connection)などの接続技術によって、積層される。一方で、レーザ光源11a、及びレーザ光源11bは、光回路部基板20aが構成される共通基板と異なる基板上に、分離して構成される。右図は、光回路部基板20aのレーザ光源11a、及びレーザ光源11bとは反対側の端面に配置される光射出部202、マイクロレンズ204、光電変換素子206a、bの配置を模式的に示す図である。このように、各光射出部202は行方向(水平方向)に沿って並行に配置される。
(複数の画素200の構成例1)
図10は、同一行に配置される複数の画素200の構成例を示す図である。光回路部基板20aと、読出し回路基板20bとは、カッパーカッパー接続400cで接続される。これにより、画素アレイ部20の行毎に発光させることが可能である。
図10は、同一行に配置される複数の画素200の構成例を示す図である。光回路部基板20aと、読出し回路基板20bとは、カッパーカッパー接続400cで接続される。これにより、画素アレイ部20の行毎に発光させることが可能である。
(光射出部202の光学特性)
ここで、図11及び図12を用いて、光射出部202の光学特性を説明する。図11は、光射出部202を回折格子で構成した際の特性パラメータを示す図である。図12は、図11で示す特性パラメータに対するシミュレーション結果例を示す図である。図11に示すうように、回折格子(ピッチP、高さh、幅W)は、光が進行する主光路である導波路(コア、屈折率n1)と、回折格子を構成する格子部と、を有する。回折格子の光学特性は、導波路(コア)及び格子部の屈折率n1、導波路(コア)及び格子部を覆うクラッドの屈折率n2、格子部の高さh、幅W、及びピッチ(間隔)Pなどのパラメータにより変わる。
ここで、図11及び図12を用いて、光射出部202の光学特性を説明する。図11は、光射出部202を回折格子で構成した際の特性パラメータを示す図である。図12は、図11で示す特性パラメータに対するシミュレーション結果例を示す図である。図11に示すうように、回折格子(ピッチP、高さh、幅W)は、光が進行する主光路である導波路(コア、屈折率n1)と、回折格子を構成する格子部と、を有する。回折格子の光学特性は、導波路(コア)及び格子部の屈折率n1、導波路(コア)及び格子部を覆うクラッドの屈折率n2、格子部の高さh、幅W、及びピッチ(間隔)Pなどのパラメータにより変わる。
図12のA~C図は、横軸が格子部の高さを示し、縦軸が出射される光のパワー(強度)を示す。図12のA図は、格子部の幅Wが100マイクロメートルであり、B図は、格子部の幅Wが200マイクロメートルであり、C図は、格子部の幅Wが300マイクロメートルである。格子部の有る側である前方から射出された光のパワーをMonitor1で示し、後方から射出された光のパワーをMonitor2で示す。図Aでは、高さhが0.05マイクロメートルから0.2マイクロメートルに増加するにしたがい前方側のパワーMonitor1、後方側のパワーMonitor2共に増加し、その後減少する。
また、図Bでは前方側のパワーMonitor1は、高さhが0.05マイクロメートルから0.25マイクロメートルに増加するにしたがい増加或いは維持される。一方で、後方側のパワーMonitor2は、高さhが0.05マイクロメートルから0.25マイクロメートルに増加するにしたがい増加した後に一端減少し、その後に再び増加する。
また、図Cでは前方側のパワーMonitor1、後方側のパワーMonitor2共に、高さhが0.05マイクロメートルを除く範囲で、高さhが増加するにしたがい線形的に増加する。このように、光学系(マイクロレンズ204、及び光学系12)の特性、及びクラッドの屈折率n2に応じて、光射出部202の形状を設定することが可能である。
(画素200の積層構造例2)
図13は、マイクロレンズ204を配置しない場合の画素200の断面図である。図13に示すように、光学系12の特性、及びクラッドの屈折率n2に応じて、光射出部202の形状を設定する場合には、画素200の構造によれば、マイクロレンズ204を配置しない場合にも、光検出の性能条件を満たす場合がある。このように、光射出部202は、マイクロレンズ204と同程度の光の集光特性、或いは拡散特性を有するように設計可能である。
図13は、マイクロレンズ204を配置しない場合の画素200の断面図である。図13に示すように、光学系12の特性、及びクラッドの屈折率n2に応じて、光射出部202の形状を設定する場合には、画素200の構造によれば、マイクロレンズ204を配置しない場合にも、光検出の性能条件を満たす場合がある。このように、光射出部202は、マイクロレンズ204と同程度の光の集光特性、或いは拡散特性を有するように設計可能である。
(画素200の積層構造例3)
図14は、光回路部200aと、読出し回路部200bとを積層した画素200の断面図である。図14に示すように、読出し回路部200bを光回路部200aと、積層して構成してもよい。例えば、読出し回路部200bは、酸化シリコン(SiO2)層に構成される。この場合、酸化シリコン(SiO2)層を、シリコンオンインシュレータ(SOI)基板、又はシリコン(Si)基板上に積層してもよい。このような積層構造では、光回路部200aと、読出し回路部200bとは、カッパー(Cu)配線同士を接続したり、シリコン貫通電極TSVなどで接続したりすることにより、積層が可能となる。
図14は、光回路部200aと、読出し回路部200bとを積層した画素200の断面図である。図14に示すように、読出し回路部200bを光回路部200aと、積層して構成してもよい。例えば、読出し回路部200bは、酸化シリコン(SiO2)層に構成される。この場合、酸化シリコン(SiO2)層を、シリコンオンインシュレータ(SOI)基板、又はシリコン(Si)基板上に積層してもよい。このような積層構造では、光回路部200aと、読出し回路部200bとは、カッパー(Cu)配線同士を接続したり、シリコン貫通電極TSVなどで接続したりすることにより、積層が可能となる。
(画素200の積層構造例4)
図15は、図14の画素200とマイクロレンズ204とを積層した画素の断面図である。図15に示すように、図14に示す画素200にマイクロレンズ204を積層し、マイクロレンズ204と光射出部202とを組み合わせた例である。このように、マイクロレンズ204と光射出部202とを組み合わせることにより、光学系の光学特性を調整可能である。
図15は、図14の画素200とマイクロレンズ204とを積層した画素の断面図である。図15に示すように、図14に示す画素200にマイクロレンズ204を積層し、マイクロレンズ204と光射出部202とを組み合わせた例である。このように、マイクロレンズ204と光射出部202とを組み合わせることにより、光学系の光学特性を調整可能である。
(画素200の積層構造例5)
図16は、図13の画素の下層に読出し回路部200bを配置した画素の断面図である。図16に示すように、TSV(Through Silicon Via)等を使って、光電変換素子206a,206bと読出し回路部200bを電気的に接続できるため、デバイス構造を簡単化することが可能になる。
図16は、図13の画素の下層に読出し回路部200bを配置した画素の断面図である。図16に示すように、TSV(Through Silicon Via)等を使って、光電変換素子206a,206bと読出し回路部200bを電気的に接続できるため、デバイス構造を簡単化することが可能になる。
(画素200の積層構造例6)
図17は、図16の画素にマイクロレンズ204aを配置した画素の断面図である。図17に示すように、図16に示す画素200にマイクロレンズ204を積層し、マイクロレンズ204と光射出部202とを組み合わせた例である。このように、マイクロレンズ204と光射出部202とを組み合わせることにより、光学系の光学特性を調整可能である。
図17は、図16の画素にマイクロレンズ204aを配置した画素の断面図である。図17に示すように、図16に示す画素200にマイクロレンズ204を積層し、マイクロレンズ204と光射出部202とを組み合わせた例である。このように、マイクロレンズ204と光射出部202とを組み合わせることにより、光学系の光学特性を調整可能である。
(画素200の積層構造例7)
図18は、図16の画素の光電変換素子206b側のみにマイクロレンズ204bを配置した画素の断面図である。図18に示すように、光電変換素子206b側のみにマイクロレンズ204bを積層し、測定光の射出側(照射光)と、戻り光側で光学特性を変更することも可能である。これにより、マイクロレンズ204bの位置を最適化することが可能である。また、光射出部202からの光を、マイクロレンズ204bを透過させないので、より広い角度で光を発光可能となる。一方で、光電変換素子206b側はマイクロレンズ204bにより戻り光を効率的に集光させることが可能である。また、マイクロレンズ204bの位置は、一般的な撮像と同様に、瞳補正が実施されていてもよい。
図18は、図16の画素の光電変換素子206b側のみにマイクロレンズ204bを配置した画素の断面図である。図18に示すように、光電変換素子206b側のみにマイクロレンズ204bを積層し、測定光の射出側(照射光)と、戻り光側で光学特性を変更することも可能である。これにより、マイクロレンズ204bの位置を最適化することが可能である。また、光射出部202からの光を、マイクロレンズ204bを透過させないので、より広い角度で光を発光可能となる。一方で、光電変換素子206b側はマイクロレンズ204bにより戻り光を効率的に集光させることが可能である。また、マイクロレンズ204bの位置は、一般的な撮像と同様に、瞳補正が実施されていてもよい。
(マイクロレンズの構成例1)
図19は、マイクロレンズ204cの構成例を示す図であり、断面図と上面図を示す。マイクロレンズ204cは、曲面レンズ構造を有する。すなわち、このマイクロレンズ204cは、光射出部202側を凹レンズとして形成し、光電変換素子206b側を凸レンズとして形成している。このように、測定光の射出側(照射光)と、戻り光側で光学特性の異なるレンズ特性を持たせることができる。
図19は、マイクロレンズ204cの構成例を示す図であり、断面図と上面図を示す。マイクロレンズ204cは、曲面レンズ構造を有する。すなわち、このマイクロレンズ204cは、光射出部202側を凹レンズとして形成し、光電変換素子206b側を凸レンズとして形成している。このように、測定光の射出側(照射光)と、戻り光側で光学特性の異なるレンズ特性を持たせることができる。
(マイクロレンズの製造方法例1)
図20は、マイクロレンズ204cの製造方法例を示す図である。まず、光回路部200aを構成した酸化シリコン(SiO2)層502上に硝材500を配置する(S100)。次に、リソグラフィ技術によって、凹形上部をドライエッチング等で硝材500に対して形成する(S102)。そして、リフローすることにより、マイクロレンズ204cのなだらかな曲面を形成する(S104)。
図20は、マイクロレンズ204cの製造方法例を示す図である。まず、光回路部200aを構成した酸化シリコン(SiO2)層502上に硝材500を配置する(S100)。次に、リソグラフィ技術によって、凹形上部をドライエッチング等で硝材500に対して形成する(S102)。そして、リフローすることにより、マイクロレンズ204cのなだらかな曲面を形成する(S104)。
(マイクロレンズの構成例2)
図21は、メタレンズで構成したマイクロレンズ204dの構成例を示す図であり、断面図と上面図を示す。マイクロレンズ204dは、メタレンズで構成される。すなわち、光射出部202の直上ではメタレンズによる凹メタレンズを形成し、射出光を拡散させる。一方で、光電変換素子206bの直上ではメタレンズによる凸メタレンズを形成し、戻り光を集光させる。すなわち、凹メタレンズは柱状が疎、凸メタレンズは柱状が密の配置となる。このように、マイクロレンズ204dは、光射出部202側を凹レンズとして形成し、光電変換素子206b側を凸レンズとして形成している。これにより、測定光の射出側と、戻り光側で光学特性の異なるレンズ特性を持たせることができる。
図21は、メタレンズで構成したマイクロレンズ204dの構成例を示す図であり、断面図と上面図を示す。マイクロレンズ204dは、メタレンズで構成される。すなわち、光射出部202の直上ではメタレンズによる凹メタレンズを形成し、射出光を拡散させる。一方で、光電変換素子206bの直上ではメタレンズによる凸メタレンズを形成し、戻り光を集光させる。すなわち、凹メタレンズは柱状が疎、凸メタレンズは柱状が密の配置となる。このように、マイクロレンズ204dは、光射出部202側を凹レンズとして形成し、光電変換素子206b側を凸レンズとして形成している。これにより、測定光の射出側と、戻り光側で光学特性の異なるレンズ特性を持たせることができる。
(オンチップレンズの製造方法例2)
図22は、メタレンズで構成したマイクロレンズ204dの製造方法例を示す図である。まず、光回路部200aを構成した酸化シリコン(SiO2)層502上に硝材500を配置する(S200)。次に、リソグラフィにより粗密をパターニングし、硝材500をドライエッチングしてマイクロレンズ204dを形成する(S202)。メタレンズ(Piller)部分の材料は、より屈折率が高い材料で構成される。例えば、Si3N4、TiO2、Poly-Silicon、Amorphous-Silicon、TaOx、Al2O3などである。一方で、Piller状のメタレンズ間の材料は、より屈折率が低い材料で構成される。例えば、空気(air)、SiO2などである。
図22は、メタレンズで構成したマイクロレンズ204dの製造方法例を示す図である。まず、光回路部200aを構成した酸化シリコン(SiO2)層502上に硝材500を配置する(S200)。次に、リソグラフィにより粗密をパターニングし、硝材500をドライエッチングしてマイクロレンズ204dを形成する(S202)。メタレンズ(Piller)部分の材料は、より屈折率が高い材料で構成される。例えば、Si3N4、TiO2、Poly-Silicon、Amorphous-Silicon、TaOx、Al2O3などである。一方で、Piller状のメタレンズ間の材料は、より屈折率が低い材料で構成される。例えば、空気(air)、SiO2などである。
(画素アレイ部20の一行分の構成例1)
図23は、画素アレイ部20の一行分の構成例を模式的に示す図である。図23では、上述したように、光射出部202は、測定光(照射光)を照射する側に回折格子を形成し、参照光の出射側には、回折格子を形成しない例である。このように、回折格子の有無により、測定光と、参照光との光強度及び照射角の調整を異ならせることが可能となる。
図23は、画素アレイ部20の一行分の構成例を模式的に示す図である。図23では、上述したように、光射出部202は、測定光(照射光)を照射する側に回折格子を形成し、参照光の出射側には、回折格子を形成しない例である。このように、回折格子の有無により、測定光と、参照光との光強度及び照射角の調整を異ならせることが可能となる。
(画素アレイ部20の一行分の構成例2)
図24は、光射出部202aの参照光の出射側にも回折格子を形成した例を示す図である。図24に示すように、光射出部202aの参照光の出射側にも回折格子を形成する。これにより、参照光の光パワーを向上させることが可能となる。これにより参照光の強度を大きくすることによりの測定精度をより向上させることが可能となる。
図24は、光射出部202aの参照光の出射側にも回折格子を形成した例を示す図である。図24に示すように、光射出部202aの参照光の出射側にも回折格子を形成する。これにより、参照光の光パワーを向上させることが可能となる。これにより参照光の強度を大きくすることによりの測定精度をより向上させることが可能となる。
(画素アレイ部20の一行分の構成例3)
図25は、光射出部202bを微少機械システム(メムス)(MEMS:Micro Electro Mechanical System)で光スイッチを形成した例を示す図である。図25に示すように、制御部10の微少機械システムのON/OFF制御により、光射出部202bへの入射光が、上方向、又は下方向に反射、回折される。これにより、上方向に反射、回折された光は測定光となり、下方向に反射、回折された光は参照光となる。このように、光射出部202bを微少機械システムで構成してもよい。
図25は、光射出部202bを微少機械システム(メムス)(MEMS:Micro Electro Mechanical System)で光スイッチを形成した例を示す図である。図25に示すように、制御部10の微少機械システムのON/OFF制御により、光射出部202bへの入射光が、上方向、又は下方向に反射、回折される。これにより、上方向に反射、回折された光は測定光となり、下方向に反射、回折された光は参照光となる。このように、光射出部202bを微少機械システムで構成してもよい。
(画素アレイ部20の一行分の構成例4)
図26は、光射出部202cをホトニクス(Photonics)構造により構成した例を示す図である。図26に示すように、ホトニクス(Photonics)構造により、光射出部202cへの入射光を、上方向、又は下方向に出射させる。これにより、上方向に出射させた光は測定光となり、下方向に出射させた光は参照光となる。このように、光射出部202cをホトニクス構造で構成してもよい。
図26は、光射出部202cをホトニクス(Photonics)構造により構成した例を示す図である。図26に示すように、ホトニクス(Photonics)構造により、光射出部202cへの入射光を、上方向、又は下方向に出射させる。これにより、上方向に出射させた光は測定光となり、下方向に出射させた光は参照光となる。このように、光射出部202cをホトニクス構造で構成してもよい。
(複数の画素200の構成例2)
図27は、1行の隣接した2画素を示した画素200の構成例を示す図である。光回路部基板20aと、読出し回路基板20bとは、カッパーカッパー接続400cで接続される。
図27は、1行の隣接した2画素を示した画素200の構成例を示す図である。光回路部基板20aと、読出し回路基板20bとは、カッパーカッパー接続400cで接続される。
(画素200の構成例2)
図28は、画素200の構成例2を示す図である。読出し回路部200bのトランスインピーダンスアンプリファイア(TIA:Trans-impedance Amplifier)208bは、フォトダイオード206aの電流I1とフォトダイオード206bの電流I2の差電流を、電圧に変換する上述のように光電変換素子206a、bは、例えばバランスドフォトダイオード(Blanced PD)である。
図28は、画素200の構成例2を示す図である。読出し回路部200bのトランスインピーダンスアンプリファイア(TIA:Trans-impedance Amplifier)208bは、フォトダイオード206aの電流I1とフォトダイオード206bの電流I2の差電流を、電圧に変換する上述のように光電変換素子206a、bは、例えばバランスドフォトダイオード(Blanced PD)である。
図28に示すように、光電変換素子206aの一端はVSS電源に接続され、他端は光電変換素子206bの一端及びトランスインピーダンスアンプリファイア(TIA:Trans-impedance Amplifier)208bの入力端子Aに接続される。光電変換素子206bの他端はVDD電源に接続される。VSS電源は、グランド電圧であり、例えば0Vである。VDD電源は、高電圧側であり、例えば2.7Vである。上述のように、光回路部200aは、光回路部基板20a(図8、9参照)に構成され、読みだし回路部200bは、ROIC(Read-out Integrated Cuicuits)と呼ばれる読出し回路基板20b(図8、9参照)に構成される。
参照光は主として光電変換素子206aに入射する。戻り光(反射光)は、主として光電変換素子206bに入射する。これにより、光電変換素子206aは、主として参照光に基づく信号電流I1を生成する。また、光電変換素子206bは、主として戻り光に基づく信号電流I2を生成する。これにより、トランスインピーダンスアンプリファイア208bは、入力端子Aに入力した入力電流I1-I2を、抵抗Rを介して出力端子Bに電圧Vout=R×(I1-I2)として出力する。後は、図4で示した読出し回路部200bと同等の処理が行われる。
(画素200の構成例3)
図29は、画素200の構成例3を示す図である。光電変換素子206a、bへ入力する参照光と戻り光を、事前に合波しておくことが、図28で示す画素200と相違する。事前に合波することにより、信号電流I1と信号電流I2をほぼ同じ大きさにしておくことが可能になる。これにより、例えば入力端子Aの信号を2倍に大きくすることが可能となる。
図29は、画素200の構成例3を示す図である。光電変換素子206a、bへ入力する参照光と戻り光を、事前に合波しておくことが、図28で示す画素200と相違する。事前に合波することにより、信号電流I1と信号電流I2をほぼ同じ大きさにしておくことが可能になる。これにより、例えば入力端子Aの信号を2倍に大きくすることが可能となる。
(画素200の構成例4)
図30は、画素200の構成例4を示す図である。図29で示す画素200とは、光回路部基板20a(図8、9参照)と読出し回路基板20b(図8、9参照)の接続位置が相違する。すなわち、図30で示す画素200の構成例4では、光回路部基板20aは、光射出部202を有し、回路基板20bは、光電変換素子206a、bと、トランスインピーダンスアンプリファイア208bと、アナログデジタル変換回路210とを有する。
図30は、画素200の構成例4を示す図である。図29で示す画素200とは、光回路部基板20a(図8、9参照)と読出し回路基板20b(図8、9参照)の接続位置が相違する。すなわち、図30で示す画素200の構成例4では、光回路部基板20aは、光射出部202を有し、回路基板20bは、光電変換素子206a、bと、トランスインピーダンスアンプリファイア208bと、アナログデジタル変換回路210とを有する。
(信号処理部15の処理概念)
ここでは、信号処理部15(図1参照)の処理概念を説明する。
ここでは、信号処理部15(図1参照)の処理概念を説明する。
図31は、参照光L32aと戻り光L32bとの関係を示す図である。横軸は測定時間を示し、縦軸は周波数を示す。τは遅れ時間を示し、ΔFは掃引周波数幅fwに対応し、1/fmは掃引時間stに対応する。ビート周波数fBとすると、光速c、距離Lを用いると、fB=2×fw×L/(st×c)の関係があり、ビート周波数fBに基づき距離Lを求めることが可能となる。
図32は、送信波信号L31aと反射波信号L31bとの関係を示す図である。横軸は測定時間を示し、縦軸は周波数を示す。τは遅れ時間を示し、ΔFは周波数の変化範囲を示す。送信波信号L31aは、参照光L32a(図31参照)に対応する信号であり、反射波信号L31bは戻り光L32b(図31参照)に対応する信号である。すなわち、送信波信号L31aは、光電変換素子206a、bの参照光の受光に対応する信号であり、反射波信号L31bは、光電変換素子206a、bの戻り光の受光に対応する信号である。このため、上述のように送信波信号L31aは、信号電流I1として出力され、反射波信号L31bは、信号電流I2として出力される。
図33は、処理部15の演算したビート周波数fBを示す図である。横軸が周波数であり、縦軸が振幅である。上述のように送信波信号L31aは、信号電流I1として出力され、反射波信号L31bは、信号電流I2として出力される。これらから分かるように、電圧Vout=R×(I1-I2)に基づくビート信号の周波数分析を行うことで、ビート周波数fBが演算される。そして、上述のビート周波数fBと距離Lとの関係式により距離Lを演算可能となる。
ここで、図34から図43を用いて、画素アレイ部20の光射出部202の光照射の制御例を説明する。
(全面照射の制御例)
図34は、画素アレイ部20の全面照射の制御例を示す図である。図34に示すように、光スイッチ506を全行に光を透過させる状態にすることにより、全面照射が可能となる。レーザ光源11aの光は、複数の受光端部502a、502b(スポットサイズ変換器、Spot Size Converter)、周波数変調部504(FM :Frequency Modulation)を経由して、複数のスイッチで構成される光スイッチ506に入る。光スイッチ506の光は、それぞれ分波され画素アレイ部20の各行に配置される光射出部202に配られる。光スイッチ506により、均等の光として各行に配ることにより、すべての行からの光が測定対象Tgに放出される。各画素200の光は、各画素200の位置によって射出される時刻が異なる。しかし、画素200から出射される光が反射光となって画素200に戻ってくるため、出射時刻の画素の物理的な位置による差分はキャンセルされる。
図34は、画素アレイ部20の全面照射の制御例を示す図である。図34に示すように、光スイッチ506を全行に光を透過させる状態にすることにより、全面照射が可能となる。レーザ光源11aの光は、複数の受光端部502a、502b(スポットサイズ変換器、Spot Size Converter)、周波数変調部504(FM :Frequency Modulation)を経由して、複数のスイッチで構成される光スイッチ506に入る。光スイッチ506の光は、それぞれ分波され画素アレイ部20の各行に配置される光射出部202に配られる。光スイッチ506により、均等の光として各行に配ることにより、すべての行からの光が測定対象Tgに放出される。各画素200の光は、各画素200の位置によって射出される時刻が異なる。しかし、画素200から出射される光が反射光となって画素200に戻ってくるため、出射時刻の画素の物理的な位置による差分はキャンセルされる。
(1行照射の制御例)
図35から図37を用いて、画素アレイ部20の1行照射の制御例を説明する。図35は、矢印L60で示す1行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図36は、矢印L60で示す2行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図37は、矢印L60で示す3行目の光射出部202が出射している例を示す図である。これらの図で示すように、一行照射の制御では、画素アレイ部20の各行を一行ずつ順に照射させる。この場合、照射範囲となる照射される行数を限定してもよい。或いは、数行おきに照射させてもよい。
図35から図37を用いて、画素アレイ部20の1行照射の制御例を説明する。図35は、矢印L60で示す1行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図36は、矢印L60で示す2行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図37は、矢印L60で示す3行目の光射出部202が出射している例を示す図である。これらの図で示すように、一行照射の制御では、画素アレイ部20の各行を一行ずつ順に照射させる。この場合、照射範囲となる照射される行数を限定してもよい。或いは、数行おきに照射させてもよい。
図35から図37のように、レーザ光源11aの光は、画素アレイ部20の1行目しか分配されない駆動方法となる。このため、画素アレイ部20の全行であるN行に分配していた光を1行に集中させることが出来るので、光パワーを向上させることが可能となる。あるいは、光パワーを抑制可能な場合には、発光部(レーザ等)パワーを下げて低消費電力化を行うことが可能となる。
(2行照射の制御例)
図38から図40を用いて、画素アレイ部20の2行照射の制御例を説明する。図38は、矢印L60で示す1及び2行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図39は、矢印L60で示す3及び4行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図40は、矢印L60で示す5及び6行目の光射出部202が出射している例を示す図である。これらの図で示すように、2行照射の制御では、画素アレイ部20の各行を2行ずつ順に照射させる。この場合、照射範囲となる照射される行数を限定してもよい。或いは、数行おきに照射させてもよい。
図38から図40を用いて、画素アレイ部20の2行照射の制御例を説明する。図38は、矢印L60で示す1及び2行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図39は、矢印L60で示す3及び4行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図40は、矢印L60で示す5及び6行目の光射出部202が出射している例を示す図である。これらの図で示すように、2行照射の制御では、画素アレイ部20の各行を2行ずつ順に照射させる。この場合、照射範囲となる照射される行数を限定してもよい。或いは、数行おきに照射させてもよい。
図38から図40に示すように、レーザ光源11aの光は、画素アレイ部20の2行分にしか分配されない駆動方法となる。そのため、1行照射と比較して、全行を読み出す時間を半減でき、距離画像の撮像フレームレートを上げることが可能となる。
(3行照射の制御例)
図41から図43を用いて、画素アレイ部20の3行照射の制御例を説明する。図41は、矢印L60で示す1から3行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図42は、矢印L60で示す2から4行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図43は、矢印L60で示す3から5行目の光射出部202が出射している例を示す図である。これらの図で示すように、3行の画素が発光するため、例えば図35から図37と比較すると光の強度を3倍とすることが可能である。すなわち、信号の検出は真ん中の行のみで行うため、上下の光の反射光が真ん中の画素でも検出される成分があるため、検出感度を上げることが可能である。この場合、光の受光は1行ずつ、ずらしている。
図41から図43を用いて、画素アレイ部20の3行照射の制御例を説明する。図41は、矢印L60で示す1から3行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図42は、矢印L60で示す2から4行目の光射出部202が出射している例を示す図である。図43は、矢印L60で示す3から5行目の光射出部202が出射している例を示す図である。これらの図で示すように、3行の画素が発光するため、例えば図35から図37と比較すると光の強度を3倍とすることが可能である。すなわち、信号の検出は真ん中の行のみで行うため、上下の光の反射光が真ん中の画素でも検出される成分があるため、検出感度を上げることが可能である。この場合、光の受光は1行ずつ、ずらしている。
ここで、図44から図60を用いて、画素アレイ部20の構成例を説明する。
(図10に対応する回路構成例)
図44は、図10に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208b、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。図44に示すように、画素が行方向に並んでいる4画素分の等価回路を示している。それぞれの画素に対応する回路は独立しており、画素信号を独立に出力することが可能である。
図44は、図10に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208b、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。図44に示すように、画素が行方向に並んでいる4画素分の等価回路を示している。それぞれの画素に対応する回路は独立しており、画素信号を独立に出力することが可能である。
(アナログデジタル変換回路210を2画素で共有)
(複数の画素200の構成例3)
図45は、複数の画素200の構成例3を示す図である。図27に示した複数の画素200の構成と、アナログデジタル変換回路210を2画素で共有している点で相違する。
(複数の画素200の構成例3)
図45は、複数の画素200の構成例3を示す図である。図27に示した複数の画素200の構成と、アナログデジタル変換回路210を2画素で共有している点で相違する。
(図45に対応する回路構成例)
図46は、図45に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。アナログデジタル変換回路210には、スイッチSW1を介してA1側のトランスインピーダンスアンプリファイア208が接続され、スイッチSW2を介してA2側のトランスインピーダンスアンプリファイア208が接続される。また、A1側の光電変換素子206a、206bからの信号は、トランスインピーダンスアンプリファイア208を通して電圧信号B1に変換される。同様にA2側の光電変換素子206a、206bからの信号は、トランスインピーダンスアンプリファイア208を通して電圧信号B2に変換される。そして、スイッチSW1、SW2のON/OFFを切り変えることにより、電圧信号B1又は電圧信号B2がデジタル信号に変換される。このように、アナログデジタル変換回路210を共有化することより画素アレイ部20をより小型化可能となる。
図46は、図45に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。アナログデジタル変換回路210には、スイッチSW1を介してA1側のトランスインピーダンスアンプリファイア208が接続され、スイッチSW2を介してA2側のトランスインピーダンスアンプリファイア208が接続される。また、A1側の光電変換素子206a、206bからの信号は、トランスインピーダンスアンプリファイア208を通して電圧信号B1に変換される。同様にA2側の光電変換素子206a、206bからの信号は、トランスインピーダンスアンプリファイア208を通して電圧信号B2に変換される。そして、スイッチSW1、SW2のON/OFFを切り変えることにより、電圧信号B1又は電圧信号B2がデジタル信号に変換される。このように、アナログデジタル変換回路210を共有化することより画素アレイ部20をより小型化可能となる。
(複数の画素200の構成例4)
図47は、複数の画素200の構成例4を示す図である。例えば、図47は1行方向の画素断面図の例である。図45に示す複数の画素200の配置と、トランスインピーダンスアンプリファイア208を更に2画素で共有している点で相違する。
図47は、複数の画素200の構成例4を示す図である。例えば、図47は1行方向の画素断面図の例である。図45に示す複数の画素200の配置と、トランスインピーダンスアンプリファイア208を更に2画素で共有している点で相違する。
(図47に対応する回路構成例)
図48は、図47に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。トランスインピーダンスアンプリファイア208には、スイッチSW1を介してA1側の光電変換素子206a、206bが接続され、スイッチSW2を介してA2側の光電変換素子206a、206bが接続される。また、各信号はトランスインピーダンスアンプリファイア208を通して電圧信号Bこのように、トランスインピーダンスアンプリファイア208を共有化することより画素アレイ部20を更に小型化可能となる。
図48は、図47に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。トランスインピーダンスアンプリファイア208には、スイッチSW1を介してA1側の光電変換素子206a、206bが接続され、スイッチSW2を介してA2側の光電変換素子206a、206bが接続される。また、各信号はトランスインピーダンスアンプリファイア208を通して電圧信号Bこのように、トランスインピーダンスアンプリファイア208を共有化することより画素アレイ部20を更に小型化可能となる。
(複数の画素200の構成例5)
図49は、複数の画素200の構成例5を示す図である。例えば、図49は1行方向の画素断面図の例である。図47に示す複数の画素200の配置と、光電変換素子206a、206bを更に2画素で共有している点で相違する。光電変換素子206a、206bには2つのマイクロレンズ204を透過した光が同時に受光される。
図49は、複数の画素200の構成例5を示す図である。例えば、図49は1行方向の画素断面図の例である。図47に示す複数の画素200の配置と、光電変換素子206a、206bを更に2画素で共有している点で相違する。光電変換素子206a、206bには2つのマイクロレンズ204を透過した光が同時に受光される。
(図49に対応する回路構成例)
図50は、図49に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。トランスインピーダンスアンプリファイア208には、光電変換素子206a、206bが接続され、さらにアナログデジタル変換回路210には、トランスインピーダンスアンプリファイア208が接続される。光電変換素子206a、206bを複数の画素で共有化することより、解像度は低下するが、受光感度を向上させることが可能となる。なお、図50では2画素に対して、一つの光電変換素子206a、206bを構成しているが、これに限定されない。例えば、3画素以上に対して、一つの光電変換素子206a、206bを共有してもよい。
図50は、図49に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。トランスインピーダンスアンプリファイア208には、光電変換素子206a、206bが接続され、さらにアナログデジタル変換回路210には、トランスインピーダンスアンプリファイア208が接続される。光電変換素子206a、206bを複数の画素で共有化することより、解像度は低下するが、受光感度を向上させることが可能となる。なお、図50では2画素に対して、一つの光電変換素子206a、206bを構成しているが、これに限定されない。例えば、3画素以上に対して、一つの光電変換素子206a、206bを共有してもよい。
(アナログデジタル変換回路210を4画素で共有)
(複数の画素200の構成例6)
図51は、複数の画素200の構成例6を示す図である。図49に示す複数の画素200の配置と、光電変換素子206a、206bを4画素で共有している点で相違する。光電変換素子206a、206bには4つのマイクロレンズ204を透過した光が同時に受光される。
(複数の画素200の構成例6)
図51は、複数の画素200の構成例6を示す図である。図49に示す複数の画素200の配置と、光電変換素子206a、206bを4画素で共有している点で相違する。光電変換素子206a、206bには4つのマイクロレンズ204を透過した光が同時に受光される。
(図51に対応する回路構成例)
図52は、図51に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。トランスインピーダンスアンプリファイア208には、光電変換素子206a、206bが接続され、さらにアナログデジタル変換回路210には、トランスインピーダンスアンプリファイア208が接続される。光電変換素子206a、206bを4つの画素で共有化することより、解像度は低下するが、受光感度を更に向上させることが可能となる。
図52は、図51に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。トランスインピーダンスアンプリファイア208には、光電変換素子206a、206bが接続され、さらにアナログデジタル変換回路210には、トランスインピーダンスアンプリファイア208が接続される。光電変換素子206a、206bを4つの画素で共有化することより、解像度は低下するが、受光感度を更に向上させることが可能となる。
(アナログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有)
(複数の画素200の構成例7)
図53は、複数の画素200の構成例7を示す図である。図10に示す複数の画素200の配置と、光電変換素子206a、206bを列方向の画素で共有している点で相違する。また、図53に示す画素アレイ部20では、マイクロレンズ204の図示を省略している。
(複数の画素200の構成例7)
図53は、複数の画素200の構成例7を示す図である。図10に示す複数の画素200の配置と、光電変換素子206a、206bを列方向の画素で共有している点で相違する。また、図53に示す画素アレイ部20では、マイクロレンズ204の図示を省略している。
(図53に対応する回路構成例1)
図54は、図53に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。トランスインピーダンスアンプリファイア208には、列状に配置される各光電変換素子206a、206bがスイッチAを介して接続され、さらにアナログデジタル変換回路210には、トランスインピーダンスアンプリファイア208が接続される。これにより、出力信号VSL1(図53参照)は、トランスインピーダンスアンプリファイア208で信号Bに変換され、アナログデジタル変換回路210によりデジタル信号に変換される。このように、トランスインピーダンスアンプリファイア208及びアナログデジタル変換回路210を、画素アレイ部20の列状に配置される画素で共有化する。これにより、画素アレイ部20をより小型化できる。なお、トランスインピーダンスアンプリファイア208及びアナログデジタル変換回路210は、画素外のカラムに配置される。例えば、トランスインピーダンスアンプリファイア208及びアナログデジタル変換回路210を水平駆動部40(図2参照)に配置してもよい。
図54は、図53に対応する画素200の構成例を示す図である。画素アレイ部20内の四角形の範囲に対応する画素200の回路図を模式的に示す。ここでは光電変換素子206a、206b、トランスインピーダンスアンプリファイア208、及びアナログデジタル変換回路210の構成を図示している。トランスインピーダンスアンプリファイア208には、列状に配置される各光電変換素子206a、206bがスイッチAを介して接続され、さらにアナログデジタル変換回路210には、トランスインピーダンスアンプリファイア208が接続される。これにより、出力信号VSL1(図53参照)は、トランスインピーダンスアンプリファイア208で信号Bに変換され、アナログデジタル変換回路210によりデジタル信号に変換される。このように、トランスインピーダンスアンプリファイア208及びアナログデジタル変換回路210を、画素アレイ部20の列状に配置される画素で共有化する。これにより、画素アレイ部20をより小型化できる。なお、トランスインピーダンスアンプリファイア208及びアナログデジタル変換回路210は、画素外のカラムに配置される。例えば、トランスインピーダンスアンプリファイア208及びアナログデジタル変換回路210を水平駆動部40(図2参照)に配置してもよい。
(アナログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有する回路構成例2)
図55は、アナログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有する画素200の構成例2を示す図である。2つのトランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及び2つのアナログデジタル変換回路210a、bを列状に配置される各光電変換素子206a、206bがスイッチAを介して接続される点で、図54示す回路構成例と相違する。例えば、奇数行と偶数行に分けて、それぞれ2組のトランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及びアナログデジタル変換回路210a、bにより、信号をデジタル値に変換する。これにより、フレームレートを図54で示す回路構成例の約2倍に高速化することが可能である。この場合、トランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及びアナログデジタル変換回路210aへの接続方法(分担方法)は、偶数行と奇数行とに分けてもよい。或いは、1行と2行がトランスインピーダンスアンプリファイア208a、3行と4行がトランスインピーダンスアンプリファイア208のように、2行ずつに分けてもよい。このように、複数のトランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及びアナログデジタル変換回路210a、bを有することにより、回路設計の自由度をあげることが可能になる。これにより、回路特性をより高める回路配置(レイアウト)にすることが可能となる。
図55は、アナログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有する画素200の構成例2を示す図である。2つのトランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及び2つのアナログデジタル変換回路210a、bを列状に配置される各光電変換素子206a、206bがスイッチAを介して接続される点で、図54示す回路構成例と相違する。例えば、奇数行と偶数行に分けて、それぞれ2組のトランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及びアナログデジタル変換回路210a、bにより、信号をデジタル値に変換する。これにより、フレームレートを図54で示す回路構成例の約2倍に高速化することが可能である。この場合、トランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及びアナログデジタル変換回路210aへの接続方法(分担方法)は、偶数行と奇数行とに分けてもよい。或いは、1行と2行がトランスインピーダンスアンプリファイア208a、3行と4行がトランスインピーダンスアンプリファイア208のように、2行ずつに分けてもよい。このように、複数のトランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及びアナログデジタル変換回路210a、bを有することにより、回路設計の自由度をあげることが可能になる。これにより、回路特性をより高める回路配置(レイアウト)にすることが可能となる。
(ナログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有する回路構成例3)
図56は、アナログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有する画素200の構成例3を示す図である。2つのトランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及び2つのアナログデジタル変換回路210a、bを列状に配置される各光電変換素子206a、206bがスイッチAを介して接続される。この場合、トランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及び2つのアナログデジタル変換回路210a、bの内の一組が一方の端部に配置され、他方の一組が他方の端部に配置された点で、図55で示す回路構成例3と相違する。
図56は、アナログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有する画素200の構成例3を示す図である。2つのトランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及び2つのアナログデジタル変換回路210a、bを列状に配置される各光電変換素子206a、206bがスイッチAを介して接続される。この場合、トランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、及び2つのアナログデジタル変換回路210a、bの内の一組が一方の端部に配置され、他方の一組が他方の端部に配置された点で、図55で示す回路構成例3と相違する。
これにより、画素アレイ部20を上部に配置する画素グループと、下部に配置する画素グループに分け、上部に配置する画素グループはトランスインピーダンスアンプリファイア208a及びアナログデジタル変換回路210aで読み出す。下部に配置する画素グループはトランスインピーダンスアンプリファイア208及びアナログデジタル変換回路210bで読み出す。これにより、図54で示す構成例と比較して、フレームレートを約2倍に高速化することが可能となる。
(複数の画素200の構成例8)
図57は、複数の画素200の構成例8を示す図である。図53に示す複数の画素200の配置と、トランスインピーダンスアンプリファイア208aを各画素内に配置する点で相違する。このような回路にすることによって、各画素のサイズを小さくしたり、画素アレイ部20チップ面積を小さくしたりことが可能となる。
図57は、複数の画素200の構成例8を示す図である。図53に示す複数の画素200の配置と、トランスインピーダンスアンプリファイア208aを各画素内に配置する点で相違する。このような回路にすることによって、各画素のサイズを小さくしたり、画素アレイ部20チップ面積を小さくしたりことが可能となる。
(複数の画素200の構成例9)
図58は、複数の画素200の構成例9を示す図である。列方向に配置される各光電変換素子206a、206bは上層に積層され、トランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、アナログデジタル変換回路210a、b、及びスイッチング素子を下層に積層する点で、図57に示す構成例と相違する。
図58は、複数の画素200の構成例9を示す図である。列方向に配置される各光電変換素子206a、206bは上層に積層され、トランスインピーダンスアンプリファイア208a、b、アナログデジタル変換回路210a、b、及びスイッチング素子を下層に積層する点で、図57に示す構成例と相違する。
(図57、及び図58に対応する回路構成例)
図59は、図57、及び図58に対応する画素200の構成例を示す図である。アログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有する。各光電変換素子206a、206bは、同一画素内のトランスインピーダンスアンプリファイア208a及びスイッチング素子Aを介してアナログデジタル変換回路210に接続される。このような回路にすることによって、各画素のサイズを小さくしたり、画素アレイ部20チップ面積をより小さくしたりすることが可能となる。
図59は、図57、及び図58に対応する画素200の構成例を示す図である。アログデジタル変換回路210を列方向の画素で共有する。各光電変換素子206a、206bは、同一画素内のトランスインピーダンスアンプリファイア208a及びスイッチング素子Aを介してアナログデジタル変換回路210に接続される。このような回路にすることによって、各画素のサイズを小さくしたり、画素アレイ部20チップ面積をより小さくしたりすることが可能となる。
(複数の画素200の構成例10)
図60は、複数の画素200の構成例10を示す図である。光射出部202a、bの一画素分には周期的な回折格子が設けられていない点で、図51に示す構成例と相違する。このような、光射出部202a、bの構成にすることにより、4画素中の2画素から測定光と参照光が射出される。一方で、4画素中の他の2画素には、参照光が射出されないので、主として戻り光を受光することが可能となる。このように、光を射出する画素と、光を受光する画素とを分けて機能させることが可能となる。これにより、出射波と反射波の混色を抑えることが可能となる。
図60は、複数の画素200の構成例10を示す図である。光射出部202a、bの一画素分には周期的な回折格子が設けられていない点で、図51に示す構成例と相違する。このような、光射出部202a、bの構成にすることにより、4画素中の2画素から測定光と参照光が射出される。一方で、4画素中の他の2画素には、参照光が射出されないので、主として戻り光を受光することが可能となる。このように、光を射出する画素と、光を受光する画素とを分けて機能させることが可能となる。これにより、出射波と反射波の混色を抑えることが可能となる。
(可視撮像と赤外撮像が可能な光検出素子1の構成例)
図61から図72を用いて、可視撮像と赤外撮像とが可能な光検出素子1の構成例を説明する。
図61から図72を用いて、可視撮像と赤外撮像とが可能な光検出素子1の構成例を説明する。
図61は、可視撮像が可能な画素2000bの構成例を示す図である。図61に示すように、画素2000bは、マイクロレンズ204と、光電変換素子(光電変換部)206cと、フローティングディフュージョン(Fd)304とを少なくとも有する。光電変換素子206cは、例えば可視光センサであり、波長λ=400nm~700nmの範囲の光を光電変換する。フローティングディフュージョン304は、光電変換素子206cが光電変換した電子を蓄積可能である。
図62は、赤外撮像が可能な画素2000cの構成例を示す断面図である。図62で示すように、光回路部200aと読出し回路部200bとが積層して構成される。光回路部200aは、光電変換素子206a、206bを有する。光電変換素子206aと、光電変換素子206bは、感度を有する波長帯域がずれている。このため、光電変換素子206aと、光電変換素子206bで分光が可能である。より具体的には、光電変換素子206a及び光電変換素子206bは、別々の材料により構成されている。例えば、シリコンでは吸収されない波長帯1100nm以上の光で、1550nm、2000nmのような2種類の光を、この光電変換素子206a、光電変換素子206bで検出することが可能となる。これにより、これまで一般に実施困難であった、1550nm近傍の波長を分離して検出することが可能となる。
読出し回路部200bは、フローティングディフュージョン209と、アナログデジタル変換回路210とを有する。例えば、読出し回路部200bは、酸化シリコン(SiO2)層に構成される。この場合、酸化シリコン(SiO2)層を、シリコンオンインシュレータ(SOI)基板、又はシリコン(Si)基板上に積層してもよい。このような積層構造では、光回路部200aと、読出し回路部200bとは、カッパー(Cu)配線同士を接続したり、シリコン貫通電極TSVなどで接続したりすることにより、積層が可能となる。
図63は、可視撮像が可能な画素2000bと赤外撮像が可能な画素2000cとを更に積層した画素の断面図である。可視光である青(Blue)光、緑(Green)光、赤(Red)光は、画素2000b側で吸収される。しかしながら、波長の長い近赤外光は画素2000b側で吸収されないため、上チップを通過し、下チップの光検出素子で光電変換される。例えば、1550nm、1330nm、2000nm等の光は、可視光センサでは受光が出来ないため、下チップの光電変換素子206a、206bにより光電変換される。これにより、可視画像と赤外画像の撮像が可能となる。また、このような立体型の光検出素子1では、可視撮像が可能な画素2000bと赤外撮像が可能な画素2000cが積層されるので、平面型よりも高解像度化が可能である。
図64は、赤外撮像が可能な画素2000dの構成例を示す断面図である。図64で示すように、光電変換素子206aと、光素子206bとを積層する点で画素2000cと相違する。
図65は、赤外撮像が可能な画素2000eの構成例を示す断面図である。図65で示すように、光電変換素子206aと、光素子206bとを一体的に積層する点で画素2000dと相違する。これにより、光電変換素子206aと、光素子206bとの受光面積を更に広げることが可能である。
図66は、可視撮像が可能な画素2000bと赤外撮像が可能な画素2000dとを更に積層した画素の断面図である。可視光である青(Blue)光、緑(Green)光、赤(Red)光は、画素2000b側で吸収される。しかしながら、波長の長い近赤外光は画素2000b側で吸収されないため、上チップを通過し、下チップの光検出素子で光電変換される。例えば、1550nm、1330nm、2000nm等の光は、可視光センサでは受光が出来ないため、下チップの光電変換素子206a、206bにより光電変換される。これにより、可視画像と赤外画像の撮像が可能となる。また、このような立体型の光検出素子1では、可視撮像が可能な画素2000bと赤外撮像が可能な画素2000dが積層されるので、平面型よりも高解像度化が可能である。
同様に図67は、可視撮像が可能な画素2000bと赤外撮像が可能な画素2000eとを更に積層した画素の断面図である。可視光である青(Blue)光、緑(Green)光、赤(Red)光は、画素2000b側で吸収される。しかしながら、波長の長い近赤外光は画素2000b側で吸収されないため、上チップを通過し、下チップの光検出素子で光電変換される。なお、図61から図68で示した画素例では、画素外のレーザ光源の射出した戻り光を受光することが可能である。
図68は、赤外撮像が可能な画素2000fの構成例を示す断面図である。図68で示す画素2000fは、上端部と下端部を接続するシリコン貫通電極TSVやカッパーカッパーコネクション接合を有する点で、図14で示す画素200と相違する。
図69は、可視撮像が可能な画素2000bと赤外撮像が可能な画素2000fとを更に積層した画素の断面図である。可視光である青(Blue)光、緑(Green)光、赤(Red)光は、画素2000b側で吸収される。しかしながら、波長の長い近赤外光は画素2000b側で吸収されないため、上チップを通過し、下チップの光電変換素子206a、206bで光電変換される。これにより、光射出部202の戻り光は、下チップの光電変換素子206a、206bで受光される。
図70は、可視撮像が可能な画素2000gの構成例を示す図である。図70に示すように、イメージセンサ側に逆ピラミッド形状を有する2次元アレイ状の光回折構造(IPA、Inverted Pyramid Array)306を更に有する点で、図61で示した画素2000bと相違する。これにより、光検出素子206cは940nm、850nm程度の近赤外線にも感度を有する。なお、シリコンのバンドギャップ1100nm以上の波長はシリコンで吸収できないため、1330nm、1550nm、2000nmなどの赤外線は画素2000gでは吸収されずに透過する。
図71は、可視撮像が可能な画素2000gと赤外撮像が可能な画素2000fとを更に積層した画素の断面図である。可視光である青(Blue)光、緑(Green)光、赤(Red)光は、画素2000g側で吸収される。しかしながら、波長の長い近赤外光は画素2000b側で吸収されないため、上チップを通過し、下チップの光電変換素子206a、206bで光電変換される。これにより、光射出部202の戻り光は、下チップの光電変換素子206a、206bで受光される。
以上説明したように、本実施形態によれば、光射出部202が、第1領域から測定対象に第1方向の測定光を射出し、第1方向と異なる第2方向の参照光を射出して、光電変換素子206a、206bが参照光を受光し、電気信号に変換することとした。これにより、参照光を直接的に光電変換素子206a、206bが受光するので、画素200を小型化することが可能となる。さらに、戻り光を光電変換素子206a、206bが受光することが可能であり、合波用の光ファイバや光学カプラなどを用いずに、光電変換素子206a、206bにより参照光L14と戻り光L16との合波が可能となる。このため、画素200を更に小型化することが可能となる。これにより、光検出素子1、及び光検出装置100をより小型化できる。
(第2実施形態)
以下、本技術を実施するための形態例について説明する。
<<1.車両制御システムの構成例>>
図72は、本技術が適用される移動装置制御システムの一例である車両制御システム11の構成例を示すブロック図である。
以下、本技術を実施するための形態例について説明する。
<<1.車両制御システムの構成例>>
図72は、本技術が適用される移動装置制御システムの一例である車両制御システム11の構成例を示すブロック図である。
車両制御システム11は、車両1000に設けられ、車両1000の走行支援及び自動運転に関わる処理を行う。すなわち、車両制御システム11が有する後述のLiDAR53に上述の検出装置100が適用される。
車両制御システム11は、車両制御ECU(Electronic Control Unit)21、通信部22、地図情報蓄積部23、位置情報取得部24、外部認識センサ25、車内センサ26、車両センサ27、記憶部28、走行支援・自動運転制御部29、DMS(Driver Monitoring System)30、HMI(Human Machine Interface)31、及び、車両制御部32を備える。
車両制御ECU21、通信部22、地図情報蓄積部23、位置情報取得部24、外部認識センサ25、車内センサ26、車両センサ27、記憶部28、走行支援・自動運転制御部29、ドライバモニタリングシステム(DMS)30、ヒューマンマシーンインタフェース(HMI)31、及び、車両制御部32は、通信ネットワーク41を介して相互に通信可能に接続されている。通信ネットワーク41は、例えば、CAN(Controller Area Network)、LIN(Local Interconnect Network)、LAN(Local Area Network)、FlexRay(登録商標)、イーサネット(登録商標)といったデジタル双方向通信の規格に準拠した車載通信ネットワークやバス等により構成される。通信ネットワーク41は、伝送されるデータの種類によって使い分けられてもよい。例えば、車両制御に関するデータに対してCANが適用され、大容量データに対してイーサネットが適用されるようにしてもよい。なお、車両制御システム11の各部は、通信ネットワーク41を介さずに、例えば近距離無線通信(NFC(Near Field Communication))やBluetooth(登録商標)といった比較的近距離での通信を想定した無線通信を用いて直接的に接続される場合もある。
なお、以下、車両制御システム11の各部が、通信ネットワーク41を介して通信を行う場合、通信ネットワーク41の記載を省略するものとする。例えば、車両制御ECU21と通信部22が通信ネットワーク41を介して通信を行う場合、単に車両制御ECU21と通信部22とが通信を行うと記載する。
車両制御ECU21は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processing Unit)といった各種のプロセッサにより構成される。車両制御ECU21は、車両制御システム11全体又は一部の機能の制御を行う。
通信部22は、車内及び車外の様々な機器、他の車両、サーバ、基地局等と通信を行い、各種のデータの送受信を行う。このとき、通信部22は、複数の通信方式を用いて通信を行うことができる。
通信部22が実行可能な車外との通信について、概略的に説明する。通信部22は、例えば、5G(第5世代移動通信システム)、LTE(Long Term Evolution)、DSRC(Dedicated Short Range Communications)等の無線通信方式により、基地局又はアクセスポイントを介して、外部ネットワーク上に存在するサーバ(以下、外部のサーバと呼ぶ)等と通信を行う。通信部22が通信を行う外部ネットワークは、例えば、インターネット、クラウドネットワーク、又は、事業者固有のネットワーク等である。通信部22が外部ネットワークに対して行う通信方式は、所定以上の通信速度、且つ、所定以上の距離間でデジタル双方向通信が可能な無線通信方式であれば、特に限定されない。
また例えば、通信部22は、P2P(Peer To Peer)技術を用いて、自車の近傍に存在する端末と通信を行うことができる。自車の近傍に存在する端末は、例えば、歩行者や自転車等の比較的低速で移動する移動体が装着する端末、店舗等に位置が固定されて設置される端末、又は、MTC(Machine Type Communication)端末である。さらに、通信部22は、V2X通信を行うこともできる。V2X通信とは、例えば、他の車両との間の車車間(Vehicle to Vehicle)通信、路側器等との間の路車間(Vehicle to Infrastructure)通信、家との間(Vehicle to Home)の通信、及び、歩行者が所持する端末等との間の歩車間(Vehicle to Pedestrian)通信等の、自車と他との通信をいう。
通信部22は、例えば、車両制御システム11の動作を制御するソフトウエアを更新するためのプログラムを外部から受信することができる(Over The Air)。通信部22は、さらに、地図情報、交通情報、車両1000の周囲の情報等を外部から受信することができる。また例えば、通信部22は、車両1000に関する情報や、車両1000の周囲の情報等を外部に送信することができる。通信部22が外部に送信する車両1000に関する情報としては、例えば、車両1000の状態を示すデータ、認識部73による認識結果等がある。さらに例えば、通信部22は、eコール等の車両緊急通報システムに対応した通信を行う。
例えば、通信部22は、電波ビーコン、光ビーコン、FM多重放送等の道路交通情報通信システム(VICS(Vehicle Information and Communication System)(登録商標))により送信される電磁波を受信する。
通信部22が実行可能な車内との通信について、概略的に説明する。通信部22は、例えば無線通信を用いて、車内の各機器と通信を行うことができる。通信部22は、例えば、無線LAN、Bluetooth、NFC、WUSB(Wireless USB)といった、無線通信により所定以上の通信速度でデジタル双方向通信が可能な通信方式により、車内の機器と無線通信を行うことができる。これに限らず、通信部22は、有線通信を用いて車内の各機器と通信を行うこともできる。例えば、通信部22は、図示しない接続端子に接続されるケーブルを介した有線通信により、車内の各機器と通信を行うことができる。通信部22は、例えば、USB(Universal Serial Bus)、HDMI(High-Definition Multimedia Interface)(登録商標)、MHL(Mobile High-definition Link)といった、有線通信により所定以上の通信速度でデジタル双方向通信が可能な通信方式により、車内の各機器と通信を行うことができる。
ここで、車内の機器とは、例えば、車内において通信ネットワーク41に接続されていない機器を指す。車内の機器としては、例えば、運転者等の搭乗者が所持するモバイル機器やウェアラブル機器、車内に持ち込まれ一時的に設置される情報機器等が想定される。
地図情報蓄積部23は、外部から取得した地図及び車両1000で作成した地図の一方又は両方を蓄積する。例えば、地図情報蓄積部23は、3次元の高精度地図、高精度地図より精度が低く、広いエリアをカバーするグローバルマップ等を蓄積する。
高精度地図は、例えば、ダイナミックマップ、ポイントクラウドマップ、ベクターマップ等である。ダイナミックマップは、例えば、動的情報、準動的情報、準静的情報、静的情報の4層からなる地図であり、外部のサーバ等から車両1000に提供される。ポイントクラウドマップは、ポイントクラウド(点群データ)により構成される地図である。ベクターマップは、例えば、車線や信号機の位置といった交通情報等をポイントクラウドマップに対応付け、ADAS(Advanced Driver Assistance System)やAD(Autonomous Driving)に適合させた地図である。
ポイントクラウドマップ及びベクターマップは、例えば、外部のサーバ等から提供されてもよいし、カメラ51、レーダ52、LiDAR53等によるセンシング結果に基づいて、後述するローカルマップとのマッチングを行うための地図として車両1000で作成され、地図情報蓄積部23に蓄積されてもよい。また、外部のサーバ等から高精度地図が提供される場合、通信容量を削減するため、車両1000がこれから走行する計画経路に関する、例えば数百メートル四方の地図データが外部のサーバ等から取得される。
位置情報取得部24は、GNSS(Global Navigation Satellite System)衛星からGNSS信号を受信し、車両1000の位置情報を取得する。取得した位置情報は、走行支援・自動運転制御部29に供給される。なお、位置情報取得部24は、GNSS信号を用いた方式に限定されず、例えば、ビーコンを用いて位置情報を取得してもよい。
外部認識センサ25は、車両1000の外部の状況の認識に用いられる各種のセンサを備え、各センサからのセンサデータを車両制御システム11の各部に供給する。外部認識センサ25が備えるセンサの種類や数は任意である。
例えば、外部認識センサ25は、カメラ51、レーダ52、LiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)53、及び、超音波センサ54を備える。これに限らず、外部認識センサ25は、カメラ51、レーダ52、LiDAR53、及び、超音波センサ54のうち1種類以上のセンサを備える構成でもよい。カメラ51、レーダ52、LiDAR53、及び、超音波センサ54の数は、現実的に車両1000に設置可能な数であれば特に限定されない。また、外部認識センサ25が備えるセンサの種類は、この例に限定されず、外部認識センサ25は、他の種類のセンサを備えてもよい。外部認識センサ25が備える各センサのセンシング領域の例は、後述する。
なお、カメラ51の撮影方式は、特に限定されない。例えば、測距が可能な撮影方式であるToF(Time Of Flight)カメラ、ステレオカメラ、単眼カメラ、赤外線カメラといった各種の撮影方式のカメラを、必要に応じてカメラ51に適用することができる。これに限らず、カメラ51は、測距に関わらずに、単に撮影画像を取得するためのものであってもよい。
また、例えば、外部認識センサ25は、車両1000に対する環境を検出するための環境センサを備えることができる。環境センサは、天候、気象、明るさ等の環境を検出するためのセンサであって、例えば、雨滴センサ、霧センサ、日照センサ、雪センサ、照度センサ等の各種センサを含むことができる。
さらに、例えば、外部認識センサ25は、車両1000の周囲の音や音源の位置の検出等に用いられるマイクロフォンを備える。
車内センサ26は、車内の情報を検出するための各種のセンサを備え、各センサからのセンサデータを車両制御システム11の各部に供給する。車内センサ26が備える各種センサの種類や数は、現実的に車両1000に設置可能な種類や数であれば特に限定されない。
例えば、車内センサ26は、カメラ、レーダ、着座センサ、ステアリングホイールセンサ、マイクロフォン、生体センサのうち1種類以上のセンサを備えることができる。車内センサ26が備えるカメラとしては、例えば、ToFカメラ、ステレオカメラ、単眼カメラ、赤外線カメラといった、測距可能な各種の撮影方式のカメラを用いることができる。これに限らず、車内センサ26が備えるカメラは、測距に関わらずに、単に撮影画像を取得するためのものであってもよい。車内センサ26が備える生体センサは、例えば、シートやステアリングホイール等に設けられ、運転者等の搭乗者の各種の生体情報を検出する。
車両センサ27は、車両1000の状態を検出するための各種のセンサを備え、各センサからのセンサデータを車両制御システム11の各部に供給する。車両センサ27が備える各種センサの種類や数は、現実的に車両1000に設置可能な種類や数であれば特に限定されない。
例えば、車両センサ27は、速度センサ、加速度センサ、角速度センサ(ジャイロセンサ)、及び、それらを統合した慣性計測装置(IMU(Inertial Measurement Unit))を備える。例えば、車両センサ27は、ステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサ、ヨーレートセンサ、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ、及び、ブレーキペダルの操作量を検出するブレーキセンサを備える。例えば、車両センサ27は、エンジンやモータの回転数を検出する回転センサ、タイヤの空気圧を検出する空気圧センサ、タイヤのスリップ率を検出するスリップ率センサ、及び、車輪の回転速度を検出する車輪速センサを備える。例えば、車両センサ27は、バッテリの残量及び温度を検出するバッテリセンサ、並びに、外部からの衝撃を検出する衝撃センサを備える。
記憶部28は、不揮発性の記憶媒体及び揮発性の記憶媒体のうち少なくとも一方を含み、データやプログラムを記憶する。記憶部28は、例えばEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)として用いられ、記憶媒体としては、HDD(Hard Disc Drive)といった磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、及び、光磁気記憶デバイスを適用することができる。記憶部28は、車両制御システム11の各部が用いる各種プログラムやデータを記憶する。例えば、記憶部28は、EDR(Event Data Recorder)やDSSAD(Data Storage System for Automated Driving)を備え、事故等のイベントの前後の車両1000の情報や車内センサ26によって取得された情報を記憶する。
走行支援・自動運転制御部29は、車両1000の走行支援及び自動運転の制御を行う。例えば、走行支援・自動運転制御部29は、分析部61、行動計画部62、及び、動作制御部63を備える。
分析部61は、車両1000及び周囲の状況の分析処理を行う。分析部61は、自己位置推定部71、センサフュージョン部72、及び、認識部73を備える。
自己位置推定部71は、外部認識センサ25からのセンサデータ、及び、地図情報蓄積部23に蓄積されている高精度地図に基づいて、車両1000の自己位置を推定する。例えば、自己位置推定部71は、外部認識センサ25からのセンサデータに基づいてローカルマップを生成し、ローカルマップと高精度地図とのマッチングを行うことにより、車両1000の自己位置を推定する。車両1000の位置は、例えば、後輪対車軸の中心が基準とされる。
ローカルマップは、例えば、SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)等の技術を用いて作成される3次元の高精度地図、占有格子地図(Occupancy Grid Map)等である。3次元の高精度地図は、例えば、上述したポイントクラウドマップ等である。占有格子地図は、車両1000の周囲の3次元又は2次元の空間を所定の大きさのグリッド(格子)に分割し、グリッド単位で物体の占有状態を示す地図である。物体の占有状態は、例えば、物体の有無や存在確率により示される。ローカルマップは、例えば、認識部73による車両1000の外部の状況の検出処理及び認識処理にも用いられる。
なお、自己位置推定部71は、位置情報取得部24により取得される位置情報、及び、車両センサ27からのセンサデータに基づいて、車両1000の自己位置を推定してもよい。
センサフュージョン部72は、複数の異なる種類のセンサデータ(例えば、カメラ51から供給される画像データ、及び、レーダ52から供給されるセンサデータ)を組み合わせて、新たな情報を得るセンサフュージョン処理を行う。異なる種類のセンサデータを組合せる方法としては、統合、融合、連合等がある。
認識部73は、車両1000の外部の状況の検出を行う検出処理、及び、車両1000の外部の状況の認識を行う認識処理を実行する。
例えば、認識部73は、外部認識センサ25からの情報、自己位置推定部71からの情報、センサフュージョン部72からの情報等に基づいて、車両1000の外部の状況の検出処理及び認識処理を行う。
具体的には、例えば、認識部73は、車両1000の周囲の物体の検出処理及び認識処理等を行う。物体の検出処理とは、例えば、物体の有無、大きさ、形、位置、動き等を検出する処理である。物体の認識処理とは、例えば、物体の種類等の属性を認識したり、特定の物体を識別したりする処理である。ただし、検出処理と認識処理とは、必ずしも明確に分かれるものではなく、重複する場合がある。
例えば、認識部73は、レーダ52又はLiDAR53等によるセンサデータに基づくポイントクラウドを点群の塊毎に分類するクラスタリングを行うことにより、車両1000の周囲の物体を検出する。これにより、車両1000の周囲の物体の有無、大きさ、形状、位置が検出される。
例えば、認識部73は、クラスタリングにより分類された点群の塊の動きを追従するトラッキングを行うことにより、車両1000の周囲の物体の動きを検出する。これにより、車両1000の周囲の物体の速度及び進行方向(移動ベクトル)が検出される。
例えば、認識部73は、カメラ51から供給される画像データに基づいて、車両、人、自転車、障害物、構造物、道路、信号機、交通標識、道路標示等を検出又は認識する。また、認識部73は、セマンティックセグメンテーション等の認識処理を行うことにより、車両1000の周囲の物体の種類を認識してもよい。
例えば、認識部73は、地図情報蓄積部23に蓄積されている地図、自己位置推定部71による自己位置の推定結果、及び、認識部73による車両1000の周囲の物体の認識結果に基づいて、車両1000の周囲の交通ルールの認識処理を行うことができる。認識部73は、この処理により、信号機の位置及び状態、交通標識及び道路標示の内容、交通規制の内容、並びに、走行可能な車線等を認識することができる。
例えば、認識部73は、車両1000の周囲の環境の認識処理を行うことができる。認識部73が認識対象とする周囲の環境としては、天候、気温、湿度、明るさ、及び、路面の状態等が想定される。
行動計画部62は、車両1000の行動計画を作成する。例えば、行動計画部62は、経路計画、経路追従の処理を行うことにより、行動計画を作成する。
なお、経路計画(Global path planning)とは、スタートからゴールまでの大まかな経路を計画する処理である。この経路計画には、軌道計画と言われ、計画した経路において、車両1000の運動特性を考慮して、車両1000の近傍で安全かつ滑らかに進行することが可能な軌道生成(Local path planning)を行う処理も含まれる。
経路追従とは、経路計画により計画された経路を計画された時間内で安全かつ正確に走行するための動作を計画する処理である。行動計画部62は、例えば、この経路追従の処理の結果に基づき、車両1000の目標速度と目標角速度を計算することができる。
動作制御部63は、行動計画部62により作成された行動計画を実現するために、車両1000の動作を制御する。
例えば、動作制御部63は、後述する車両制御部32に含まれる、ステアリング制御部81、ブレーキ制御部82、及び、駆動制御部83を制御して、軌道計画により計算された軌道を車両1000が進行するように、加減速制御及び方向制御を行う。例えば、動作制御部63は、衝突回避又は衝撃緩和、追従走行、車速維持走行、自車の衝突警告、自車のレーン逸脱警告等のADASの機能実現を目的とした協調制御を行う。例えば、動作制御部63は、運転者の操作によ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。
DMS30は、車内センサ26からのセンサデータ、及び、後述するHMI31に入力される入力データ等に基づいて、運転者の認証処理、及び、運転者の状態の認識処理等を行う。認識対象となる運転者の状態としては、例えば、体調、覚醒度、集中度、疲労度、視線方向、酩酊度、運転操作、姿勢等が想定される。
なお、DMS30が、運転者以外の搭乗者の認証処理、及び、当該搭乗者の状態の認識処理を行うようにしてもよい。また、例えば、DMS30が、車内センサ26からのセンサデータに基づいて、車内の状況の認識処理を行うようにしてもよい。認識対象となる車内の状況としては、例えば、気温、湿度、明るさ、臭い等が想定される。
HMI31は、各種のデータや指示等の入力と、各種のデータの運転者等への提示を行う。
HMI31によるデータの入力について、概略的に説明する。HMI31は、人がデータを入力するための入力デバイスを備える。HMI31は、入力デバイスにより入力されたデータや指示等に基づいて入力信号を生成し、車両制御システム11の各部に供給する。HMI31は、入力デバイスとして、例えばタッチパネル、ボタン、スイッチ、及び、レバーといった操作子を備える。これに限らず、HMI31は、音声やジェスチャ等により手動操作以外の方法で情報を入力可能な入力デバイスをさらに備えてもよい。さらに、HMI31は、例えば、赤外線又は電波を利用したリモートコントロール装置や、車両制御システム11の操作に対応したモバイル機器又はウェアラブル機器等の外部接続機器を入力デバイスとして用いてもよい。
HMI31によるデータの提示について、概略的に説明する。HMI31は、搭乗者又は車外に対する視覚情報、聴覚情報、及び、触覚情報の生成を行う。また、HMI31は、生成された各情報の出力、出力内容、出力タイミング及び出力方法等を制御する出力制御を行う。HMI31は、視覚情報として、例えば、操作画面、車両1000の状態表示、警告表示、車両1000の周囲の状況を示すモニタ画像等の画像や光により示される情報を生成及び出力する。また、HMI31は、聴覚情報として、例えば、音声ガイダンス、警告音、警告メッセージ等の音により示される情報を生成及び出力する。さらに、HMI31は、触覚情報として、例えば、力、振動、動き等により搭乗者の触覚に与えられる情報を生成及び出力する。
HMI31が視覚情報を出力する出力デバイスとしては、例えば、自身が画像を表示することで視覚情報を提示する表示装置や、画像を投影することで視覚情報を提示するプロジェクタ装置を適用することができる。なお、表示装置は、通常のディスプレイを有する表示装置以外にも、例えば、ヘッドアップディスプレイ、透過型ディスプレイ、AR(Augmented Reality)機能を備えるウエアラブルデバイスといった、搭乗者の視界内に視覚情報を表示する装置であってもよい。また、HMI31は、車両1000に設けられるナビゲーション装置、インストルメントパネル、CMS(Camera Monitoring System)、電子ミラー、ランプ等が有する表示デバイスを、視覚情報を出力する出力デバイスとして用いることも可能である。
HMI31が聴覚情報を出力する出力デバイスとしては、例えば、オーディオスピーカ、ヘッドホン、イヤホンを適用することができる。
HMI31が触覚情報を出力する出力デバイスとしては、例えば、ハプティクス技術を用いたハプティクス素子を適用することができる。ハプティクス素子は、例えば、ステアリングホイール、シートといった、車両1000の搭乗者が接触する部分に設けられる。
車両制御部32は、車両1000の各部の制御を行う。車両制御部32は、ステアリング制御部81、ブレーキ制御部82、駆動制御部83、ボディ系制御部84、ライト制御部85、及び、ホーン制御部86を備える。
ステアリング制御部81は、車両1000のステアリングシステムの状態の検出及び制御等を行う。ステアリングシステムは、例えば、ステアリングホイール等を備えるステアリング機構、電動パワーステアリング等を備える。ステアリング制御部81は、例えば、ステアリングシステムの制御を行うステアリングECU、ステアリングシステムの駆動を行うアクチュエータ等を備える。
ブレーキ制御部82は、車両1000のブレーキシステムの状態の検出及び制御等を行う。ブレーキシステムは、例えば、ブレーキペダル等を含むブレーキ機構、ABS(Antilock Brake System)、回生ブレーキ機構等を備える。ブレーキ制御部82は、例えば、ブレーキシステムの制御を行うブレーキECU、ブレーキシステムの駆動を行うアクチュエータ等を備える。
駆動制御部83は、車両1000の駆動システムの状態の検出及び制御等を行う。駆動システムは、例えば、アクセルペダル、内燃機関又は駆動用モータ等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等を備える。駆動制御部83は、例えば、駆動システムの制御を行う駆動ECU、駆動システムの駆動を行うアクチュエータ等を備える。
ボディ系制御部84は、車両1000のボディ系システムの状態の検出及び制御等を行う。ボディ系システムは、例えば、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウインドウ装置、パワーシート、空調装置、エアバッグ、シートベルト、シフトレバー等を備える。ボディ系制御部84は、例えば、ボディ系システムの制御を行うボディ系ECU、ボディ系システムの駆動を行うアクチュエータ等を備える。
ライト制御部85は、車両1000の各種のライトの状態の検出及び制御等を行う。制御対象となるライトとしては、例えば、ヘッドライト、バックライト、フォグライト、ターンシグナル、ブレーキライト、プロジェクション、バンパーの表示等が想定される。ライト制御部85は、ライトの制御を行うライトECU、ライトの駆動を行うアクチュエータ等を備える。
ホーン制御部86は、車両1000のカーホーンの状態の検出及び制御等を行う。ホーン制御部86は、例えば、カーホーンの制御を行うホーンECU、カーホーンの駆動を行うアクチュエータ等を備える。
図73は、図72の外部認識センサ25のカメラ51、レーダ52、LiDAR53、及び、超音波センサ54等によるセンシング領域の例を示す図である。なお、図73において、車両1000を上面から見た様子が模式的に示され、左端側が車両1000の前端(フロント)側であり、右端側が車両1000の後端(リア)側となっている。
センシング領域101F及びセンシング領域101Bは、超音波センサ54のセンシング領域の例を示している。センシング領域101Fは、複数の超音波センサ54によって車両1000の前端周辺をカバーしている。センシング領域101Bは、複数の超音波センサ54によって車両1000の後端周辺をカバーしている。
センシング領域101F及びセンシング領域101Bにおけるセンシング結果は、例えば、車両1000の駐車支援等に用いられる。
センシング領域102F乃至センシング領域102Bは、短距離又は中距離用のレーダ52のセンシング領域の例を示している。センシング領域102Fは、車両1000の前方において、センシング領域101Fより遠い位置までカバーしている。センシング領域102Bは、車両1000の後方において、センシング領域101Bより遠い位置までカバーしている。センシング領域102Lは、車両1000の左側面の後方の周辺をカバーしている。センシング領域102Rは、車両1000の右側面の後方の周辺をカバーしている。
センシング領域102Fにおけるセンシング結果は、例えば、車両1000の前方に存在する車両や歩行者等の検出等に用いられる。センシング領域102Bにおけるセンシング結果は、例えば、車両1000の後方の衝突防止機能等に用いられる。センシング領域102L及びセンシング領域102Rにおけるセンシング結果は、例えば、車両1000の側方の死角における物体の検出等に用いられる。
センシング領域103F乃至センシング領域103Bは、カメラ51によるセンシング領域の例を示している。センシング領域103Fは、車両1000の前方において、センシング領域102Fより遠い位置までカバーしている。センシング領域103Bは、車両1000の後方において、センシング領域102Bより遠い位置までカバーしている。センシング領域103Lは、車両1000の左側面の周辺をカバーしている。センシング領域103Rは、車両1000の右側面の周辺をカバーしている。
センシング領域103Fにおけるセンシング結果は、例えば、信号機や交通標識の認識、車線逸脱防止支援システム、自動ヘッドライト制御システムに用いることができる。センシング領域103Bにおけるセンシング結果は、例えば、駐車支援、及び、サラウンドビューシステムに用いることができる。センシング領域103L及びセンシング領域103Rにおけるセンシング結果は、例えば、サラウンドビューシステムに用いることができる。
センシング領域104は、LiDAR53のセンシング領域の例を示している。センシング領域104は、車両1000の前方において、センシング領域103Fより遠い位置までカバーしている。一方、センシング領域104は、センシング領域103Fより左右方向の範囲が狭くなっている。
センシング領域104におけるセンシング結果は、例えば、周辺車両等の物体検出に用いられる。
センシング領域105は、長距離用のレーダ52のセンシング領域の例を示している。センシング領域105は、車両1000の前方において、センシング領域104より遠い位置までカバーしている。一方、センシング領域105は、センシング領域104より左右方向の範囲が狭くなっている。
センシング領域105におけるセンシング結果は、例えば、ACC(Adaptive Cruise Control)、緊急ブレーキ、衝突回避等に用いられる。
なお、外部認識センサ25が含むカメラ51、レーダ52、LiDAR53、及び、超音波センサ54の各センサのセンシング領域は、図73以外に各種の構成をとってもよい。具体的には、超音波センサ54が車両1000の側方もセンシングするようにしてもよいし、LiDAR53が車両1000の後方をセンシングするようにしてもよい。また、各センサの設置位置は、上述した各例に限定されない。また、各センサの数は、1つでもよいし、複数であってもよい。
なお、本技術は以下のような構成を取ることができる。
(1)
測定対象に第1方向の測定光を射出し、前記第1方向と異なる第2方向の参照光を射出する光射出部と、
前記参照光を受光し、光電変換する光電変換素子と、
を備える、光検出素子。
(1)
測定対象に第1方向の測定光を射出し、前記第1方向と異なる第2方向の参照光を射出する光射出部と、
前記参照光を受光し、光電変換する光電変換素子と、
を備える、光検出素子。
(2)
前記光電変換素子は、前記測定対象からの前記測定光の戻り光を更に受光し、前記参照光と前記戻り光とを光電変換する、(1)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子は、前記測定対象からの前記測定光の戻り光を更に受光し、前記参照光と前記戻り光とを光電変換する、(1)に記載の光検出素子。
(3)
前記第2方向は、前記第1方向と反対の方向である、(1)に記載の光検出素子。
前記第2方向は、前記第1方向と反対の方向である、(1)に記載の光検出素子。
(4)
前記光射出部は、第1領域から測定対象に前記測定光を射出し、前記第1領域と異なる第2領域から前記参照光を射出する、(1)に記載の光検出素子。
前記光射出部は、第1領域から測定対象に前記測定光を射出し、前記第1領域と異なる第2領域から前記参照光を射出する、(1)に記載の光検出素子。
(5)
前記第2領域は、前記第1領域から出射される前記測定光の進行方向と反対側の面の領域である、(4)に記載の光検出素子。
前記第2領域は、前記第1領域から出射される前記測定光の進行方向と反対側の面の領域である、(4)に記載の光検出素子。
(6)
前記光射出部は700nmよりも長波長をもつ光を放射する、(1)に記載の光検出素子。
前記光射出部は700nmよりも長波長をもつ光を放射する、(1)に記載の光検出素子。
(7)
前記光射出部は放射される前記光の波長に相当するエネルギ―以上のバンドギャップを持つ材料である、(6)に記載の光検出素子。
前記光射出部は放射される前記光の波長に相当するエネルギ―以上のバンドギャップを持つ材料である、(6)に記載の光検出素子。
(8)
前記光射出部はシリコン(Si)、窒化ケイ素(Si3N4)、硝酸ガリウム(Ga2O3)、及びゲルマニウム(Ge)の少なくともいずれかを含んで構成される、(1)に記載の光検出素子。
前記光射出部はシリコン(Si)、窒化ケイ素(Si3N4)、硝酸ガリウム(Ga2O3)、及びゲルマニウム(Ge)の少なくともいずれかを含んで構成される、(1)に記載の光検出素子。
(9)
前記光射出部は回折部で構成される回折格子であり、
前記測定光は、前記回折格子から出射される、(1)に記載の光検出素子。
前記光射出部は回折部で構成される回折格子であり、
前記測定光は、前記回折格子から出射される、(1)に記載の光検出素子。
(10)
前記光射出部は微少機械システム(メムス)を使った光スイッチから構成される、(1)に記載の光検出素子。
前記光射出部は微少機械システム(メムス)を使った光スイッチから構成される、(1)に記載の光検出素子。
(11)
前記光射出部はチャープした周波数のチャープ光を前記測定光として出射する、(1)に記載の光検出素子。
前記光射出部はチャープした周波数のチャープ光を前記測定光として出射する、(1)に記載の光検出素子。
(12)
前記光電変換素子に対して、複数のレンズを介して前記測定対象からの前記測定光の戻り光が受光される、(1)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子に対して、複数のレンズを介して前記測定対象からの前記測定光の戻り光が受光される、(1)に記載の光検出素子。
(13)
前記光電変換素子は、前記回折格子から出射される光を吸収する材料で構成される、(9)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子は、前記回折格子から出射される光を吸収する材料で構成される、(9)に記載の光検出素子。
(14)
前記光電変換素子はゲルマニウム(Ge)、シリコンゲルマ二ウム(SiGe)、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、ゲイナス(GaInAsP)、エルビウム添加ヒ化ガリウム(GaAs:Er)、エルビウム添加イン化インジウム(InP:Er)、炭素添加シリコン(Si:C)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、ヒ化インジウム(InAs)、インジウムヒ素アンチモンリン(InAsSbP)、及び酸化ガリウム(Ga2O3)の少なくともいずれかを含み構成される、(1)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子はゲルマニウム(Ge)、シリコンゲルマ二ウム(SiGe)、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、ゲイナス(GaInAsP)、エルビウム添加ヒ化ガリウム(GaAs:Er)、エルビウム添加イン化インジウム(InP:Er)、炭素添加シリコン(Si:C)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、ヒ化インジウム(InAs)、インジウムヒ素アンチモンリン(InAsSbP)、及び酸化ガリウム(Ga2O3)の少なくともいずれかを含み構成される、(1)に記載の光検出素子。
(15)
前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換する読出し回路部を更に備え、
前記光射出部、前記光検出素子、前記読出し回路部の順番での積層構造を有する、(1)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換する読出し回路部を更に備え、
前記光射出部、前記光検出素子、前記読出し回路部の順番での積層構造を有する、(1)に記載の光検出素子。
(16)
前記読出し回路部は、シリコン(Si)基板と表層のシリコン(Si)層との間に酸化シリコン(SiO2)を有する構造のシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成される、(15)に記載の光検出素子。
前記読出し回路部は、シリコン(Si)基板と表層のシリコン(Si)層との間に酸化シリコン(SiO2)を有する構造のシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成される、(15)に記載の光検出素子。
(17)
前記読出し回路部は検出回路基板と電気的に接続されている、(15)に記載の光検出素子。
前記読出し回路部は検出回路基板と電気的に接続されている、(15)に記載の光検出素子。
(18)
前記読出し回路部は、可視光を検出する検出素子と電気的に接続されることを特徴とする、(15)に記載の光検出素子。
前記読出し回路部は、可視光を検出する検出素子と電気的に接続されることを特徴とする、(15)に記載の光検出素子。
(19)
前記光電変換素子はバランスドフォトダイオードから構成される、(1)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子はバランスドフォトダイオードから構成される、(1)に記載の光検出素子。
(20)
前記光電変換素子の上部にレンズが形成されている、(1)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子の上部にレンズが形成されている、(1)に記載の光検出素子。
(21)
前記レンズは1つの前記光検出素子に対して1個以上配置される、(20)に記載の光検出素子。
前記レンズは1つの前記光検出素子に対して1個以上配置される、(20)に記載の光検出素子。
(22)
前記光電変換素子の上部に凹凸構造を有する曲面レンズが形成されている、(1)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子の上部に凹凸構造を有する曲面レンズが形成されている、(1)に記載の光検出素子。
(23)
前記光電変換素子の上部にメタレンズが形成されている、(1)に記載の光検出素子。
(24)
前記光電変換素子は2次元の格子状に複数配置されている、(1)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子の上部にメタレンズが形成されている、(1)に記載の光検出素子。
(24)
前記光電変換素子は2次元の格子状に複数配置されている、(1)に記載の光検出素子。
(25)
前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換する読出し回路部を更に備え、
前記読出し回路部は、前記光電変換素子の出力信号を増幅するトランスインピーダンスアンプリファイアと、
前記トランスインピーダンスアンプリファイアアンプの出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、を有する、(24)に記載の光検出素子。
前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換する読出し回路部を更に備え、
前記読出し回路部は、前記光電変換素子の出力信号を増幅するトランスインピーダンスアンプリファイアと、
前記トランスインピーダンスアンプリファイアアンプの出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、を有する、(24)に記載の光検出素子。
(26)
前記トランスインピーダンスアンプリファイアと、前記アナログデジタル変換器とは、前記光電変換素子毎に配置される、(25)に記載の光検出素子。
前記トランスインピーダンスアンプリファイアと、前記アナログデジタル変換器とは、前記光電変換素子毎に配置される、(25)に記載の光検出素子。
(27)
前記トランスインピーダンスアンプリファイアは、複数の前記光電変換素子毎に一つ配置される、(25)に記載の光検出素子。
前記トランスインピーダンスアンプリファイアは、複数の前記光電変換素子毎に一つ配置される、(25)に記載の光検出素子。
(28)
前記アナログデジタル変換器は、複数の前記光電変換素子毎に一つ配置される、(25)に記載の光検出素子。
前記アナログデジタル変換器は、複数の前記光電変換素子毎に一つ配置される、(25)に記載の光検出素子。
(29)
前記光射出部、前記光電変換素子、前記読出し回路部の順に積層される、(28)に記載の光検出素子。
前記光射出部、前記光電変換素子、前記読出し回路部の順に積層される、(28)に記載の光検出素子。
(30)
前記光射出部は、前記光電変換素子に対応し、一つの前記光電変換素子に対して少なくとも一つの前記光射出部が配置される、(29)に記載の光検出素子。
前記光射出部は、前記光電変換素子に対応し、一つの前記光電変換素子に対して少なくとも一つの前記光射出部が配置される、(29)に記載の光検出素子。
(31)
前記光射出部は、複数の前記光電変換素子に対応し、前記複数の前記光電変換素子に対して少なくとも一つの行状の前記光射出部が配置される、(29)に記載の光検出素子。
前記光射出部は、複数の前記光電変換素子に対応し、前記複数の前記光電変換素子に対して少なくとも一つの行状の前記光射出部が配置される、(29)に記載の光検出素子。
(32)
前記光射出部、前記光電変換素子、前記読出し回路部はシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成される、(28)に記載の光検出素子。
前記光射出部、前記光電変換素子、前記読出し回路部はシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成される、(28)に記載の光検出素子。
(33)
前記光射出部、前記光電変換素子、及び前記読出し回路部は金属配線で接続されている、(28)に記載の光検出素子。
前記光射出部、前記光電変換素子、及び前記読出し回路部は金属配線で接続されている、(28)に記載の光検出素子。
(34)
可視光を検出する第2光電変換素子と、を更に備え、
第2光電変換素子は、前記光電変換素子に対して光の入射側に配置される、(1)に記載の光検出素子。
可視光を検出する第2光電変換素子と、を更に備え、
第2光電変換素子は、前記光電変換素子に対して光の入射側に配置される、(1)に記載の光検出素子。
(35)
(1)に記載の光検出素子と、
前記測定光の光源と、
を備える、光検出装置。
(1)に記載の光検出素子と、
前記測定光の光源と、
を備える、光検出装置。
(36)
前記光電変換素子は2次元の格子状に複数配置され、
前記格子状に配置される複数の前記光電変換素子に対応して、前記光射出部が配置される、(35)に記載の光検出装置。
前記光電変換素子は2次元の格子状に複数配置され、
前記格子状に配置される複数の前記光電変換素子に対応して、前記光射出部が配置される、(35)に記載の光検出装置。
(37)
前記光電変換素子に対応して配置される、前記光射出部の発光を制御する制御部を更に備える、(36)に記載の光検出装置。
前記光電変換素子に対応して配置される、前記光射出部の発光を制御する制御部を更に備える、(36)に記載の光検出装置。
(38)
前記制御部は、
前記複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部に対して、同一タイミングで発光させる制御を行う、(37)に記載の光検出装置。
前記制御部は、
前記複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部に対して、同一タイミングで発光させる制御を行う、(37)に記載の光検出装置。
(39)
前記制御部は、
行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御する、(37)に記載の光検出装置。
前記制御部は、
行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御する、(37)に記載の光検出装置。
(40)
前記制御部は、
複数の行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御する、(37)に記載の光検出装置。
前記制御部は、
複数の行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御する、(37)に記載の光検出装置。
(41)
前記制御部は、
複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を発光させ、更に前記複数の前記光電変換素子の中の一部の前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換させる、(37)に記載の光検出装置。
前記制御部は、
複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を発光させ、更に前記複数の前記光電変換素子の中の一部の前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換させる、(37)に記載の光検出装置。
(42)
赤外光を検出する第1光電変換素子と、
可視光を検出する第2光電変換素子と、備え、
第2光電変換素子は、前記第1光電変換素子に対して光の入射側に配置される、光検出素子。
赤外光を検出する第1光電変換素子と、
可視光を検出する第2光電変換素子と、備え、
第2光電変換素子は、前記第1光電変換素子に対して光の入射側に配置される、光検出素子。
(43)
前記第1光電変換素子と異なる波長帯域の赤外光を検出する第3光電変換素子を更に備える、(42)に記載の光検出素子。
前記第1光電変換素子と異なる波長帯域の赤外光を検出する第3光電変換素子を更に備える、(42)に記載の光検出素子。
(44)
前記第3光電変換素子と、第2光電変換素子とは積層される、(43)に記載の光検出素子。
前記第3光電変換素子と、第2光電変換素子とは積層される、(43)に記載の光検出素子。
(45)
逆ピラミッド形状を有する2次元アレイ状の光回折構造部を更に備え、
前記光回折構造部は、前記第2光電変換素子よりも、光の入射側に配置される、(42)に記載の光検出素子。
逆ピラミッド形状を有する2次元アレイ状の光回折構造部を更に備え、
前記光回折構造部は、前記第2光電変換素子よりも、光の入射側に配置される、(42)に記載の光検出素子。
本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
1:光検出素子、11a、11b:レーザ光源、100:光検出装置、200:画素、200a:光回路部、200b:読みだし回路部、202:光射出部、204:マイクロレンズ、206a、206b、206c:光電変換素子、208:トランスインピーダンスアンプリファイア、210:アナログデジタル変換回路。
Claims (45)
- 測定対象に第1方向の測定光を射出し、前記第1方向と異なる第2方向の参照光を射出する光射出部と、
前記参照光を受光し、光電変換する光電変換素子と、
を備える、光検出素子。 - 前記光電変換素子は、前記測定対象からの前記測定光の戻り光を更に受光し、前記参照光と前記戻り光とを光電変換する、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記第2方向は、前記第1方向と反対の方向である、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光射出部は、第1領域から測定対象に前記測定光を射出し、前記第1領域と異なる第2領域から前記参照光を射出する、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記第2領域は、前記第1領域から出射される前記測定光の進行方向と反対側の面の領域である、請求項4に記載の光検出素子。
- 前記光射出部は700nmよりも長波長をもつ光を放射する、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光射出部は放射される前記光の波長に相当するエネルギ―以上のバンドギャップを持つ材料である、請求項6に記載の光検出素子。
- 前記光射出部はシリコン(Si)、窒化ケイ素(Si3N4)、硝酸ガリウム(Ga2O3)、及びゲルマニウム(Ge)の少なくともいずれかを含んで構成される、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光射出部は回折部で構成される回折格子であり、
前記測定光は、前記回折格子から出射される、請求項1に記載の光検出素子。 - 前記光射出部は微少機械システム(メムス)を使った光スイッチから構成される、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光射出部はチャープした周波数のチャープ光を前記測定光として出射する、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子に対して、複数のレンズを介して前記測定対象からの前記測定光の戻り光が受光される、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子は、前記回折格子から出射される光を吸収する材料で構成される、請求項9に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子はゲルマニウム(Ge)、シリコンゲルマ二ウム(SiGe)、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、ゲイナス(GaInAsP)、エルビウム添加ヒ化ガリウム(GaAs:Er)、エルビウム添加イン化インジウム(InP:Er)、炭素添加シリコン(Si:C)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、ヒ化インジウム(InAs)、インジウムヒ素アンチモンリン(InAsSbP)、及び酸化ガリウム(Ga2O3)の少なくともいずれかを含み構成される、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換する読出し回路部を更に備え、
前記光射出部、前記光検出素子、前記読出し回路部の順番での積層構造を有する、請求項1に記載の光検出素子。 - 前記読出し回路部は、シリコン(Si)基板と表層のシリコン(Si)層との間に酸化シリコン(SiO2)を有する構造のシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成される、請求項15に記載の光検出素子。
- 前記読出し回路部は検出回路基板と電気的に接続されている、請求項15に記載の光検出素子。
- 前記読出し回路部は、可視光を検出する検出素子と電気的に接続されることを特徴とする、請求項15に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子はバランスドフォトダイオードから構成される、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子の上部にレンズが形成されている、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記レンズは1つの前記光検出素子に対して1個以上配置される、請求項20に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子の上部に凹凸構造を有する曲面レンズが形成されている、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子の上部にメタレンズが形成されている、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子は2次元の格子状に複数配置されている、請求項1に記載の光検出素子。
- 前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換する読出し回路部を更に備え、
前記読出し回路部は、前記光電変換素子の出力信号を増幅するトランスインピーダンスアンプリファイアアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプリファイアアンプの出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、を有する、請求項24に記載の光検出素子。 - 前記トランスインピーダンスアンプリファイアアンプと、前記アナログデジタル変換器とは、前記光電変換素子毎に配置される、請求項25に記載の光検出素子。
- 前記トランスインピーダンスアンプリファイアアンプは、複数の前記光電変換素子毎に一つ配置される、請求項25に記載の光検出素子。
- 前記アナログデジタル変換器は、複数の前記光電変換素子毎に一つ配置される、請求項25に記載の光検出素子。
- 前記光射出部、前記光電変換素子、前記読出し回路部の順に積層される、請求項28に記載の光検出素子。
- 前記光射出部は、前記光電変換素子に対応し、一つの前記光電変換素子に対して少なくとも一つの前記光射出部が配置される、請求項29に記載の光検出素子。
- 前記光射出部は、複数の前記光電変換素子に対応し、前記複数の前記光電変換素子に対して少なくとも一つの行状の前記光射出部が配置される、請求項29に記載の光検出素子。
- 前記光射出部、前記光電変換素子、前記読出し回路部はシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に構成される、請求項28に記載の光検出素子。
- 前記光射出部、前記光電変換素子、及び前記読出し回路部は金属配線で接続されている、請求項28に記載の光検出素子。
- 可視光を検出する第2光電変換素子と、を更に備え、
第2光電変換素子は、前記光電変換素子に対して光の入射側に配置される、請求項1に記載の光検出素子。 - 請求項1に記載の光検出素子と、
前記測定光の光源と、
を備える、光検出装置。 - 前記光電変換素子は2次元の格子状に複数配置され、
前記格子状に配置される複数の前記光電変換素子に対応して、前記光射出部が配置される、請求項35に記載の光検出装置。 - 前記光電変換素子に対応して配置される、前記光射出部の発光を制御する制御部を更に備える、請求項36に記載の光検出装置。
- 前記制御部は、
前記複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部に対して、同一タイミングで発光させる制御を行う、請求項37に記載の光検出装置。 - 前記制御部は、
行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御する、請求項37に記載の光検出装置。 - 前記制御部は、
複数の行状に配置される複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を、発光しながら行が変わるように制御する、請求項37に記載の光検出装置。 - 前記制御部は、
複数の前記光電変換素子に対応する前記光射出部を発光させ、更に前記複数の前記光電変換素子の中の一部の前記光電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換させる、請求項37に記載の光検出装置。 - 赤外光を検出する第1光電変換素子と、
可視光を検出する第2光電変換素子と、備え、
第2光電変換素子は、前記第1光電変換素子に対して光の入射側に配置される、光検出素子。 - 前記第1光電変換素子と異なる波長帯域の赤外光を検出する第3光電変換素子を更に備える、請求項42に記載の光検出素子。
- 前記第3光電変換素子と、第2光電変換素子とは積層される、請求項43に記載の光検出素子。
- 逆ピラミッド形状を有する2次元アレイ状の光回折構造部を更に備え、
前記光回折構造部は、前記第2光電変換素子よりも、光の入射側に配置される、請求項42に記載の光検出素子。
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