JP2023076345A - 光検出装置、撮像装置および測距装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することの可能な光検出装置、撮像装置および測距装置を提供する。【解決手段】本開示の一側面に係る光検出装置は、パルス応答部と、アナログカウンタ部と、リセット部とを備えている。パルス応答部は、光入射に応じてパルス信号を生成する。アナログカウンタ部は、パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成する。リセット部は、第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき第1のカウント値をリセットする。【選択図】図3
Description
本開示は、アバランシェフォトダイオード(APD)を用いた光検出装置、撮像装置および測距装置に関する。
従来より、APDを用いた光検出装置において、APDの後段にアナログカウンタを設けることが行われている。しかし、このようにした場合には、画素内リークや、容量ばらつきの影響により、例えば、4V系のアナログカウンタの出力信号として7~9ビット程度の信号しか利用することができない。そのため、読み出し回数が多い用途では、A/D変換に要する時間に起因して、フレームレートが制限されてしまう問題があった。この問題に対して、例えば、アナログカウンタの他に1ビットのデジタルカウンタを用い、出力信号のビット数を1ビット拡大することが考えられる(特許文献1参照)。
しかし、特許文献1に記載の方法では、読み出しのタイミングでアナログ値を複数回読み出しており、フレームレートの制限を本質的に解決することができない。従って、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することの可能な光検出装置、撮像装置および測距装置を提供することが望ましい。
本開示の第1の側面に係る光検出装置は、パルス応答部と、アナログカウンタ部と、リセット部とを備えている。パルス応答部は、光入射に応じてパルス信号を生成する。アナログカウンタ部は、パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成する。リセット部は、第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき第1のカウント値をリセットする。
本開示の第2の側面に係る撮像装置は、行列状に配置された複数の画素と、各画素から得られた画素データに基づいて画像データを生成する信号処理部とを備えている。各画素は、パルス応答部と、アナログカウンタ部と、リセット部とを有している。パルス応答部は、光入射に応じてパルス信号を生成する。アナログカウンタ部は、パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成する。リセット部は、第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき第1のカウント値をリセットする。
本開示の第3の側面に係る測距装置は、光検出装置と、光検出装置の出力信号から測定対象物までの距離を算出する信号処理回路とを備えている。光検出装置は、パルス応答部と、アナログカウンタ部と、リセット部とを有している。パルス応答部は、光入射に応じてパルス信号を生成する。アナログカウンタ部は、パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成する。リセット部は、第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき第1のカウント値をリセットする。
本開示の第1の側面に係る光検出装置、本開示の第2の側面に係る撮像装置および本開示の第3の側面に係る測距装置では、アナログカウンタ部の後段に、アナログカウンタ部のカウント値が所定の閾値を超えたときアナログカウンタ部のカウント値がリセットされる。これにより、例えば、下位ビットをアナログカウンタ部でカウントし、上位ビットを他のカウンタ(例えばデジタルカウンタ)でカウントすることが可能となる。
以下、本開示を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(図1~図7)…撮像装置
2.変形例(図8~図29)
3.第2の実施の形態(図30,図31)…測距装置
4.適用例(図32,図33)
1.第1の実施の形態(図1~図7)…撮像装置
2.変形例(図8~図29)
3.第2の実施の形態(図30,図31)…測距装置
4.適用例(図32,図33)
<1.第1の実施の形態>
[構成]
図1は、本開示の第1の実施の形態に係る撮像装置100の機能ブロック例を表したものである。撮像装置100は、例えば、図1に示したように、撮像により画像データを取得する装置であり、光学系110、固体撮像素子120、制御部130および通信部140を備えている。
[構成]
図1は、本開示の第1の実施の形態に係る撮像装置100の機能ブロック例を表したものである。撮像装置100は、例えば、図1に示したように、撮像により画像データを取得する装置であり、光学系110、固体撮像素子120、制御部130および通信部140を備えている。
光学系110は、入射光を集光して固体撮像素子120に導くものである。固体撮像素子120は、撮像により画像データを取得するものであり、撮像により得られた画像データを、通信部140を介して外部に出力する。固体撮像素子120は、後述の複数の画素10を有している。複数の画素10は、有効画素領域において2次元配置されている。通信部140は、外部機器と通信を行うインターフェースであり、固体撮像素子120で得られた画像データを外部機器に出力する。
制御部130は、固体撮像素子120を制御して、撮像により固体撮像素子120に画像データを取得させるものである。制御部130は、例えば、行方向に並んで配置された複数の画素10(画素行)を同時に選択させることにより、選択された画素行で得られた複数の画素データを固体撮像素子120に保持させる。制御部130は、さらに、例えば、保持させた複数の画素データを順次、通信部140に出力させる。制御部130は、例えば、所定の周期で複数の画素行を順次、選択し、それにより得られた複数の画素データを順次、通信部140に出力させる。制御部130は、このようにして固体撮像素子120で得られた複数の画素データを画像データとして固体撮像素子120から通信部140に出力させる。
図2は、固体撮像素子120の概略構成例を表したものである。固体撮像素子120は、例えば、図2に示したように、画素アレイ部121、行駆動部122、A/D変換部123、デジタルカウント部124およびインターフェース部125を有している。
画素アレイ部121は、光電変換を行う複数の画素10を有している。複数の画素10は、有効画素領域においてs×m(s,mは正の整数)の行列状に配置されている。画素アレイ部121では、画素行ごとに2本の水平信号線HSL1,SHL2が行方向に沿って配線されており、画素列ごとに2本の垂直信号線VSL1,VSL2が列方向に沿って配線されている。水平信号線HSL1,SHL2は、画素10から信号を読み出すタイミングを制御するための配線である。水平信号線HSL1,SHL2の一端は行駆動部122に接続されている。垂直信号線VSL1,VSL2は、画素10から信号を読み出すための配線である。垂直信号線VSL1の一端はA/D変換部123に接続されており、垂直信号線VSL2の一端はデジタルカウント部124に接続されている。
各画素10は、例えば、図3に示したように、光パルス応答部11および検出部12を有している。
(光パルス応答部11)
光パルス応答部11は、光入射に応じてパルス信号を生成する。光パルス応答部11は、例えば、図3に示したように、受光部11bおよびクエンチ部11aを含む。
光パルス応答部11は、光入射に応じてパルス信号を生成する。光パルス応答部11は、例えば、図3に示したように、受光部11bおよびクエンチ部11aを含む。
受光部11bは、アバランシェフォトダイオード(APD)を含んでいる。ガイガーモードのAPDでは、端子間に降伏電圧以上の電圧が印可されると、単一フォトンの入射でアバランシェ現象が発生する。単一フォトンをアバランシェ現象で増倍させるAPDは、シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD)と呼ばれる。各画素10において、受光部11bは、例えば、SPADを含んでいる。クエンチ部11aは、受光部11bに印加される電圧を降伏電圧まで下げることによって、アバランシェ現象を止める機能(クエンチ)を有する。クエンチ部11aは、さらに、受光部11bに印加される電圧を降伏電圧以上のバイアス電圧にすることによって、受光部11bで再びフォトンの検出を行えるようにする機能を有する。クエンチ部11aは、例えば、MOSトランジスタを含む。クエンチ部11aは、例えば、抵抗器であってもよい。
クエンチ部11aの一端(例えば、MOSトランジスタのソース)は、固定電圧Vspadが印可される電源線に接続されている。一方、クエンチ部11aの他端(例えば、MOSトランジスタのドレイン)は、受光部11bの一端(例えば、SPADのカソード)に接続されている。図3には、クエンチ部11aと受光部11bとの接続点(接続ノード)としてN1が記載されている。受光部11bの他端(例えば、SPADのアノード)は、例えば、基準電圧Vanが印可される電源線に接続されている。受光部11bに、降伏電圧以上の電圧が印可されるよう、固定電圧Vspadおよび基準電圧Vanの値が設定されている。接続ノードN1は、検出部12のアナログカウンタ12a(後述)に接続されている。
(検出部12)
検出部12は、例えば、図3に示したように、アナログカウンタ12a、OVF(overflow)制御部12bおよびスイッチ部12c,12dを含んでいる。検出部12は、光パルス応答部11から入力されたパルス信号に基づいてカウント処理を行う。検出部12は、カウント処理により得られたアナログのカウント電圧Vout2およびデジタルのカウント電圧Vout1を出力する。検出部12は、例えば、垂直信号線VSL1にカウント電圧Vout1を出力し、垂直信号線VSL2にカウント電圧Vout2を出力する。カウント電圧Vout2に基づいて得られたカウント値Cnt2をロービット側とし、カウント電圧Vout1に基づいて得られたカウント値Cnt1をハイビット側としてカウント値Cnt1とカウント値Cnt2とを結合したカウント値Cntが画素データとなる。
検出部12は、例えば、図3に示したように、アナログカウンタ12a、OVF(overflow)制御部12bおよびスイッチ部12c,12dを含んでいる。検出部12は、光パルス応答部11から入力されたパルス信号に基づいてカウント処理を行う。検出部12は、カウント処理により得られたアナログのカウント電圧Vout2およびデジタルのカウント電圧Vout1を出力する。検出部12は、例えば、垂直信号線VSL1にカウント電圧Vout1を出力し、垂直信号線VSL2にカウント電圧Vout2を出力する。カウント電圧Vout2に基づいて得られたカウント値Cnt2をロービット側とし、カウント電圧Vout1に基づいて得られたカウント値Cnt1をハイビット側としてカウント値Cnt1とカウント値Cnt2とを結合したカウント値Cntが画素データとなる。
アナログカウンタ12aは、光パルス応答部11から入力されたパルスの数に応じたアナログの電圧(カウント電圧Vcnt)を出力する。アナログカウンタ12aは、例えば、光パルス応答部11からパルス信号が入力される度に、カウント電圧Vcntが初期電圧からステップ状に小さくなるカウントダウン方式のカウンタである。アナログカウンタ12aは、例えば、光パルス応答部11からパルス信号が入力される度に、カウント電圧Vcntが初期電圧からステップ状に大きくなるカウントアップ方式のカウンタであってもよい。アナログカウンタ12aから出力されたカウント電圧Vcntは、OVF制御部12bに入力される。
アナログカウンタ12aは、OVF制御部12bから入力される比較電圧Vcmpの反転信号に基づいてアナログカウンタ12aの出力(カウント電圧Vcnt)をリセットする。アナログカウンタ12aは、アナログカウンタ12aの出力をリセットすることにより、カウント電圧Vcntとして初期電圧を出力する。
OVF制御部12bは、アナログカウンタ12aの飽和の有無を検知し、その結果を飽和電圧Vovfとして出力する。OVF制御部12bは、飽和電圧Vovfをスイッチ部12cに出力するとともに、比較電圧Vcmpの反転信号をアナログカウンタ12aに出力する。スイッチ部12cは、オン時、入力端子に入力された飽和電圧Vovfを、出力端子を介して垂直信号線VSL1に出力する。スイッチ部12cは、オフ時、入力端子をフローティングにする。つまり、スイッチ部12cは、飽和電圧Vovfのうち、スイッチ部12cがオンしている期間の電圧だけを、カウント電圧Vout1として垂直信号線VSL1に出力する。スイッチ部12dは、オン時、入力端子に入力されたカウント電圧Vcntを、出力端子を介して垂直信号線VSL2に出力する。スイッチ部12dは、オフ時、入力端子をフローティングにする。つまり、スイッチ部12dは、カウント電圧Vcntのうち、スイッチ部12dがオンしている期間の電圧だけを、カウント電圧Vout2として垂直信号線VSL1に出力する。
次に、アナログカウンタ12aおよびOVF制御部12bの回路構成について詳細に説明する。図4は、アナログカウンタ12aおよびOVF制御部12bの回路構成例を表したものである。図5は、検出部12における信号波形の経時変化の一例を表したものである。
(アナログカウンタ12a)
アナログカウンタ12aは、例えば、図4に示したように、電荷引き抜き部12-1、保持部12-2およびリセット部12-3を有している。
アナログカウンタ12aは、例えば、図4に示したように、電荷引き抜き部12-1、保持部12-2およびリセット部12-3を有している。
電荷引き抜き部12-1は、キャパシタC1を有し、光パルス応答部11から入力されたパルス信号の電圧に応じた電荷をキャパシタC1に蓄積する回路である。キャパシタC1の容量Cと、蓄積される電荷Qと、キャパシタC1から取り出される電圧Vとの間には、V=Q/Cの関係があるので、アナログカウンタ12aは、入力されたパルスの数に応じた電圧を保持することができる。
保持部12-2は、キャパシタC2を有し、キャパシタC2に保持された初期電圧を、電荷引き抜き部12-1に保持されたキャパシタC1の電圧の分だけ減じる回路である。保持部12-2は、光パルス応答部11から電荷引き抜き部12-1にパルス信号が入力される度に、キャパシタC2の電圧(カウント電圧Vcnt)が初期電圧からステップ状に小さくなる。
リセット部12-3は、スイッチ素子を有し、OVF制御部12bから比較電圧Vcmpの反転信号がスイッチ素子をオンさせる信号として入力されると、スイッチ素子をオンし、キャパシタC2の電圧(カウント電圧Vcnt)を初期電圧(電源電圧Vdd)にする。つまり、リセット部12-3は、OVF制御部12bから比較電圧Vcmpの反転信号がスイッチ素子をオンさせる信号として入力されると、カウント電圧Vcntをリセットする。リセット部12-3は、OVF制御部12bから比較電圧Vcmpの反転信号がスイッチ素子をオフさせる信号として入力されると、スイッチ素子をオフする。
(OVF制御部12b)
OVF制御部12bは、例えば、図4に示したように、コンパレータ、インバータ、RSフリップフロップおよびAND回路を有している。OVF制御部12bは、例えば、コンパレータに入力されるカウント電圧Vcntおよび参照電圧Vrefを比較する。その結果、カウント電圧Vcntが参照電圧Vrefを下回ったとき(つまり、カウント電圧Vcntが参照電圧Vrefを上回る側から下回る側に超えたとき)、OVF制御部12bは、比較電圧Vcmpとして、Hiの電圧をRSフリップフロップおよびインバータに出力する。インバータは、入力された比較電圧Vcmpの反転信号をリセット部12-3に出力する。このとき、OVF制御部12bは、カウント電圧Vcntをリセットさせる。OVF制御部12bは、カウント電圧Vcntが参照電圧Vrefを上回ったとき(つまり、カウント電圧Vcntが参照電圧Vrefを下回る側から上回る側に超えたとき)、比較電圧Vcmpとして、Loの電圧をRSフリップフロップおよびインバータに出力する。
OVF制御部12bは、例えば、図4に示したように、コンパレータ、インバータ、RSフリップフロップおよびAND回路を有している。OVF制御部12bは、例えば、コンパレータに入力されるカウント電圧Vcntおよび参照電圧Vrefを比較する。その結果、カウント電圧Vcntが参照電圧Vrefを下回ったとき(つまり、カウント電圧Vcntが参照電圧Vrefを上回る側から下回る側に超えたとき)、OVF制御部12bは、比較電圧Vcmpとして、Hiの電圧をRSフリップフロップおよびインバータに出力する。インバータは、入力された比較電圧Vcmpの反転信号をリセット部12-3に出力する。このとき、OVF制御部12bは、カウント電圧Vcntをリセットさせる。OVF制御部12bは、カウント電圧Vcntが参照電圧Vrefを上回ったとき(つまり、カウント電圧Vcntが参照電圧Vrefを下回る側から上回る側に超えたとき)、比較電圧Vcmpとして、Loの電圧をRSフリップフロップおよびインバータに出力する。
RSフリップフロップは、メモリとして使用される。RSフリップフロップにおいて、S端子がコンパレータの出力端子に接続されており、Q端子がスイッチ部12cの入力端子およびAND回路の一方の入力端子に接続されており、R端子がAND回路の出力端子に接続されている。RSフリップフロップでは、S=0(Lo)→1(Hi)のとき、Q=0(Lo)→1(Hi)となる。このとき、RSフリップフロップはオン状態になっており、この後に、S=1(Hi)→0(Lo)となってもQ=1(Hi)を維持する。RSフリップフロップがオン状態になっているとき、R=0(Lo)→1(Hi)となった場合には、Q=1(Hi)→0(Lo)となる。このとき、RSフリップフロップはオフ状態になっている。
AND回路では、一方の入力端子がRSフリップフロップのQ端子に接続されており、他方の入力端子がスイッチ部12cをオンオフさせる制御信号Sel1を供給する配線に接続されており、出力端子がRSフリップフロップのR端子に接続されている。
RSフリップフロップは、Loの電圧からHiの電圧に変位する比較電圧VcmpがS端子に入力されると、Hiの電圧を飽和信号VovfとしてQ端子から出力する。このとき、リセット部12-3においてカウント電圧Vcntがリセットされ、Hiの電圧からLoの電圧に変位する比較電圧VcmpがS端子に入力される。しかし、RSフリップフロップはオン状態になっているので、RSフリップフロップは、引き続き、Hiの電圧を飽和信号VovfとしてQ端子から出力する。
制御信号Sel1がスイッチ部12cをオンさせる電圧(Hiの電圧)になると、Hiの電圧の飽和信号Vovfがカウント電圧Vout1として垂直信号線VSL1に出力される。このとき、AND回路は、入力端子の双方がHiの電圧となるので、Hiの電圧をR端子に入力する。その結果、RSフリップフロップはオフ状態となり、Loの電圧を飽和信号VovfとしてQ端子から出力する。このとき、垂直信号線VSL1の電圧(カウント電圧Vout1)は、Hiの電圧からLoの電圧に遷移する。その後、制御信号Sel1がスイッチ部12cをオフさせる電圧(Loの電圧)になると、スイッチ部12cがオフし、AND回路の出力端子やRSフリップフロップのR端子の電圧がHiの電圧からLoの電圧に遷移する。
(周辺回路)
次に、固体撮像素子120における、画素アレイ部121の周辺回路について説明する。周辺回路は、行駆動部122、A/D変換部123、デジタルカウント部124およびインターフェース部125を含んで構成されている。
次に、固体撮像素子120における、画素アレイ部121の周辺回路について説明する。周辺回路は、行駆動部122、A/D変換部123、デジタルカウント部124およびインターフェース部125を含んで構成されている。
行駆動部122は、複数の画素10から信号を読み出すタイミングを制御する。行駆動部122は、複数の画素10を画素行ごとに選択する制御信号を複数の水平信号線HSL1,HSL2に対して出力する。これにより、複数の画素10からの信号が画素行ごとに複数の垂直信号線VSLに順次、出力される。
A/D変換部123は、垂直信号線VSL2に接続されている。垂直信号線VSL2は、スイッチ部12dを介してアナログカウンタ12aの出力端に接続されている。A/D変換部123は、垂直信号線VSL2を介してアナログカウンタ12aの出力端の電圧(カウント電圧Vcnt)をA/D変換し、それによりカウント電圧Vcntに対応するデジタルのカウント値Cnt2(n-kビット)を生成する。
デジタルカウント部124は、垂直信号線VSL1に接続されている。デジタルカウント部124は、垂直信号線VSL1を介してデジタル信号(カウント電圧Vout1)を読み出し、読み出したカウント電圧Vout1についてカウント処理を行うことによりデジタルのカウント値Cnt1(kビット)を生成する。デジタルカウント部124は、図3に示したように、デジタル加算部124Aおよびメモリアレイ124Bを含んで構成されている。
デジタル加算部124Aは、露光期間の開始時に、メモリアレイ124Bを初期化する。その後、デジタル加算部124Aは、垂直信号線VSL1を介してある画素10(以下、「カウント処理対象の画素10」と称する。)のカウント電圧Vout1を所定の周期で読み出す。デジタル加算部124Aは、さらに、メモリアレイ124Bから、前回メモリアレイ124Bに書き込んだカウント処理対象の画素10のカウント電圧Vout1を読み出す。デジタル加算部124Aは、読み出した双方のカウント電圧Vout1を互いに加算し、それにより得られた値を、カウント処理対象の画素10のカウント電圧Vout1としてメモリアレイ124Bに書き込む(上書きする)。デジタル加算部124Aは、カウント処理対象の画素10からカウント電圧Vout1を読み出す度に、上記の加算処理(カウント処理)を繰り返し行うことにより、デジタルのカウント値Cnt1(kビット)を生成する。
インターフェース部125は、カウント値Cnt1をロービット側とし、カウント値Cnt2をハイビット側としてカウント値Cnt1とカウント値Cnt2とを結合することによりカウント値Cntを生成する(図6参照)。インターフェース部125は、生成したカウント値Cntを画素データとして外部に出力する。
次に、画素アレイ部121からの信号読み出し動作について説明する。図7は、画素アレイ部121からの信号読み出し動作の一例の概念図である。
制御部130は、例えば、画素アレイ部121を制御して、行方向に並んで配置された複数(m個)の画素10(行ライン)の各スイッチ12cを同時にオンさせる。これにより、信号処理部122は、制御部130によって選択された行ラインの各画素10からカウント電圧Vout1を読み出し、読み出したカウント電圧Vout1についてカウント処理を行うことによりデジタルのカウント値Cnt1を生成する。
ここで、カウント電圧Vout1は、「1」または「0」の値を採る1bitのデジタルデータである。カウント値Cnt1として例えば3bitが割り当てられているとする。このとき、信号処理部122は、デジタルのカウント電圧Vout1をカウント値Cnt1に加算する。カウント値Cnt1が初期値(000)となっている場合、信号処理部122は、読み出したカウント電圧Vout1(「1」または「0」)をカウント値Cnt1に加算することにより、カウント値Cnt1は001または000となる。
制御部130は、例えば、上述の制御を全て(s個)の行ラインに対して行ラインごとに行う。これにより、信号処理部122は、各行ラインから複数(m個)のカウント電圧Vout1を読み出し、読み出したカウント電圧Vout1についてカウント処理を行うことによりデジタルのカウント値Cnt1を生成する。これにより、1フレーム分のカウント値Cnt1が得られる。信号処理部122は、取得した1フレーム分のカウント値Cnt1をメモリに保持する。
制御部130は、例えば、上述の1フレーム分のカウント値Cnt1の取得を露光期間の間、繰り返し行い、露光期間が終了するタイミングで、上述の1フレーム分のカウント値Cnt1の取得と同時に、1フレーム分のカウント値Cnt2の取得を行う。
制御部130は、例えば、露光期間が終了するタイミングで、画素アレイ部121を制御して、行ラインに含まれる各スイッチ12dを同時にオンさせる。これにより、信号処理部122は、制御部130によって選択された行ラインの各画素10からアナログのカウント電圧Vout2を読み出し、読み出したカウント電圧Vout2をAD変換し、それにより、カウント電圧Vout2に対応するデジタルのカウント値Cnt2を生成する。ここで、カウント値Cnt2として例えば4bitが割り当てられているとする。このとき、カウント値Cnt2は、例えば、0101となっている。
制御部130は、例えば、上述の制御を全て(s個)の行ラインに対して行ラインごとに行う。これにより、信号処理部122は、各行ラインから複数(m個)のカウント電圧Vout2を読み出し、読み出したカウント電圧Vout2をAD変換し、それにより、カウント電圧Vout2に対応するデジタルのカウント値Cnt2を生成する。これにより、1フレーム分のカウント値Cnt2が得られる。信号処理部122は、取得した1フレーム分のカウント値Cnt2をメモリに保持する。
信号処理部122は、一方のメモリから読み出した1フレーム分のカウント値Cnt1と、他方のメモリから読み出した1フレーム分のカウント値Cnt2とを用いて、1フレーム分の画素データ(つまり、画像データ)を生成する。
[効果]
次に、撮像装置100の効果について説明する。
次に、撮像装置100の効果について説明する。
本実施の形態では、アナログカウンタ12aの後段に、アナログカウンタ12aのカウント値cnt1が所定の閾値を超えたときアナログカウンタ12aのカウント電圧VcntをリセットするOVF制御部12bが設けられている。これにより、例えば、下位ビットをアナログカウンタ12aでカウントし、上位ビットをデジタルカウンタ122aでカウントすることが可能となる。その結果、1つの画素10あたりのアナログ値の読み出し回数を1回に抑えることができ、さらに、デジタルカウンタ122aを設けた分だけビット数を増やすことができる。従って、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
本実施の形態では、OVF制御部12bから出力されるデジタル信号(カウント電圧Vout1)についてカウント処理を行うことによりデジタルのカウント値Cnt1が生成される。さらに、アナログカウンタ12aから出力されるアナログのカウント電圧Vout2をA/D変換することにより、デジタルのカウント値Cnt2が生成される。これにより、例えば、下位ビットをアナログカウンタ12aでカウントし、上位ビットをデジタルカウンタ122aでカウントすることが可能となる。その結果、1つの画素10あたりのアナログ値の読み出し回数を1回に抑えることができ、さらに、デジタルカウンタ122aを設けた分だけビット数を増やすことができる。従って、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
本実施の形態では、デジタルのカウント電圧Vout1をデジタル加算部124Aに伝送する垂直信号線VSL1と、アナログのカウント電圧Vout2をA/D変換部123に伝送する垂直信号線VSL2とが画素アレイ部121に設けられている。これにより、画素アレイ部121の外にデジタル加算部124AやA/D変換部123を設けることができ、画素10のサイズを小さくすることができる。
<2.変形例>
次に、上記実施の形態に係る撮像装置100の変形例について説明する。
<2.変形例>
次に、上記実施の形態に係る撮像装置100の変形例について説明する。
[変形例A]
上記実施の形態において、例えば、図8に示したように、デジタル加算部124Aおよびメモリアレイ124Bの代わりに、デジタルカウンタアレイ124Cが設けられていてもよい。
上記実施の形態において、例えば、図8に示したように、デジタル加算部124Aおよびメモリアレイ124Bの代わりに、デジタルカウンタアレイ124Cが設けられていてもよい。
デジタルカウンタアレイ124Cは、各画素10に対応したデジタルカウンタを有している。デジタルカウンタアレイ124Cは、露光期間の開始時に、デジタルカウンタアレイ124Cを初期化する。その後、デジタルカウンタアレイ124Cは、垂直信号線VSL1を介してカウント処理対象の画素10のカウント電圧Vout1(デジタルのカウント値)を所定の周期で読み出し、読み出したカウント電圧Vout1についてカウント処理を行うことによりデジタルのカウント値Cnt1(kビット)を生成する。デジタルカウンタアレイ124Cは、カウント処理対象の画素10からカウント電圧Vout1(デジタルのカウント値)を読み出す度に、上記のカウント処理を繰り返し行うことにより、デジタルのカウント値Cnt1(kビット)を生成する。デジタルカウンタアレイ124Cを設けた場合、上記実施の形態と比べて、デジタルカウント部124の占有面積が若干大きくなるが、それ以外の点については、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
[変形例B]
上記実施の形態において、OVF制御部12bは、例えば、図9に示したように、RSFFおよびAND回路の代わりにデジタルカウンタを有していてもよい。このとき、このデジタルカウンタは、1bitのデジタルカウンタであり、例えば、図10に示したように、比較電圧VcmpがHiの電圧となるたびに、デジタルカウンタの出力(飽和電圧Vovf)が「1」「0」「1」…と変位する。このようにした場合であっても、上記の実施の形態と同様のカウント値Cnt1,Cnt2が得られる。従って、上記の実施の形態と同様、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
上記実施の形態において、OVF制御部12bは、例えば、図9に示したように、RSFFおよびAND回路の代わりにデジタルカウンタを有していてもよい。このとき、このデジタルカウンタは、1bitのデジタルカウンタであり、例えば、図10に示したように、比較電圧VcmpがHiの電圧となるたびに、デジタルカウンタの出力(飽和電圧Vovf)が「1」「0」「1」…と変位する。このようにした場合であっても、上記の実施の形態と同様のカウント値Cnt1,Cnt2が得られる。従って、上記の実施の形態と同様、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
[変形例C]
上記実施の形態において、OVF制御部12bは、例えば、図11に示したように、コンパレータの代わりにインバータを有していてもよい。このとき、インバータの閾値を下回る値のカウント電圧Vcntがインバータに入力されると、インバータは、出力信号Vinvとして、Hiの電圧をRSフリップフロップおよびインバータに出力する。また、インバータの閾値を上回る値のカウント電圧Vcntがインバータに入力されると、インバータは、出力信号Vinvとして、Loの電圧をRSフリップフロップおよびインバータに出力する。このようにした場合であっても、上記の実施の形態と同様の機能を実現することができる。従って、上記の実施の形態と同様、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
上記実施の形態において、OVF制御部12bは、例えば、図11に示したように、コンパレータの代わりにインバータを有していてもよい。このとき、インバータの閾値を下回る値のカウント電圧Vcntがインバータに入力されると、インバータは、出力信号Vinvとして、Hiの電圧をRSフリップフロップおよびインバータに出力する。また、インバータの閾値を上回る値のカウント電圧Vcntがインバータに入力されると、インバータは、出力信号Vinvとして、Loの電圧をRSフリップフロップおよびインバータに出力する。このようにした場合であっても、上記の実施の形態と同様の機能を実現することができる。従って、上記の実施の形態と同様、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
[変形例D]
上記実施の形態において、A/D変換部122bは、例えば、図12に示したように、コンパレータおよびカウンタを含んで構成されていてもよい。このとき、コンパレータには、垂直信号線VSL2の電圧(カウント電圧Vout2)と、参照電圧Vref_adcが入力される。コンパレータは、カウント電圧Vout2および参照電圧Vref_adcを比較し、カウント電圧Vout2が参照電圧Vref_adcを下回ったとき、ハイレベルの電圧を出力する。コンパレータは、例えば、カウント電圧Vout2が参照電圧Vref_adcを上回ったとき、ローレベルの電圧を出力する。カウンタは、コンパレータから入力されるパルスの数をカウントし、それにより、カウント値Cnt2(n-kビット)を生成する。
上記実施の形態において、A/D変換部122bは、例えば、図12に示したように、コンパレータおよびカウンタを含んで構成されていてもよい。このとき、コンパレータには、垂直信号線VSL2の電圧(カウント電圧Vout2)と、参照電圧Vref_adcが入力される。コンパレータは、カウント電圧Vout2および参照電圧Vref_adcを比較し、カウント電圧Vout2が参照電圧Vref_adcを下回ったとき、ハイレベルの電圧を出力する。コンパレータは、例えば、カウント電圧Vout2が参照電圧Vref_adcを上回ったとき、ローレベルの電圧を出力する。カウンタは、コンパレータから入力されるパルスの数をカウントし、それにより、カウント値Cnt2(n-kビット)を生成する。
[変形例E]
上記実施の形態において、A/D変換部124cは、例えば、図13に示したように、コンパレータおよびラッチを含んで構成されていてもよい。このとき、コンパレータには、垂直信号線VSL2の電圧(カウント電圧Vout2)と、参照電圧Vref_adcが入力される。コンパレータは、カウント電圧Vout2および参照電圧Vref_adcを比較し、カウント電圧Vout2が参照電圧Vref_adcを下回ったとき、ハイレベルの電圧を出力する。コンパレータは、例えば、カウント電圧Vout2が参照電圧Vref_adcを上回ったとき、ローレベルの電圧を出力する。ラッチは、コンパレータの出力がハイレベルとなったときの時刻コードを記録(保持)する。
上記実施の形態において、A/D変換部124cは、例えば、図13に示したように、コンパレータおよびラッチを含んで構成されていてもよい。このとき、コンパレータには、垂直信号線VSL2の電圧(カウント電圧Vout2)と、参照電圧Vref_adcが入力される。コンパレータは、カウント電圧Vout2および参照電圧Vref_adcを比較し、カウント電圧Vout2が参照電圧Vref_adcを下回ったとき、ハイレベルの電圧を出力する。コンパレータは、例えば、カウント電圧Vout2が参照電圧Vref_adcを上回ったとき、ローレベルの電圧を出力する。ラッチは、コンパレータの出力がハイレベルとなったときの時刻コードを記録(保持)する。
[変形例F]
上記実施の形態およびその変形例において、アナログカウンタ12aのキャパシタC1,C2がMIM(Metal-Insulator-Metal)で構成されていてもよい。このとき、キャパシタC1,C2が、例えば、図14に示したように、信号処理部122およびインターフェース部123が形成されたロジックチップ100Bとは別のチップ(センサチップ100A)に形成されていてもよい。センサチップ100Aには、画素アレイ部121が形成されている。センサチップ100Aおよびロジックチップ100Bは、例えば、センサチップ100Aに形成されたCuパッドと、ロジックチップ100Bに形成されたCuパッドとが互いに接合されることにより積層されている。
上記実施の形態およびその変形例において、アナログカウンタ12aのキャパシタC1,C2がMIM(Metal-Insulator-Metal)で構成されていてもよい。このとき、キャパシタC1,C2が、例えば、図14に示したように、信号処理部122およびインターフェース部123が形成されたロジックチップ100Bとは別のチップ(センサチップ100A)に形成されていてもよい。センサチップ100Aには、画素アレイ部121が形成されている。センサチップ100Aおよびロジックチップ100Bは、例えば、センサチップ100Aに形成されたCuパッドと、ロジックチップ100Bに形成されたCuパッドとが互いに接合されることにより積層されている。
なお、キャパシタC1,C2が、例えば、図15に示したように、ロジックチップ100Bに形成されていてもよい。このとき、各画素10の、キャパシタC1,C2を除く部分がセンサチップ100Aに形成されていてもよい。このようにすることにより、面積を要するキャパシタC1,C2をセンサチップ100Aに形成しなくて済む分、センサチップ100Aを小型化することができる。
図16は、キャパシタC1,C2の平面構成例を表したものである。キャパシタC1,C2が、例えば、図16に示したような櫛歯形状となっている。このようにした場合、キャパシタC1,C2を厚さ方向に積層させた場合とあまり変わらない容量で、キャパシタC1,C2を同一層内に形成することができる。
[変形例G]
上記実施の形態およびその変形例において、各画素10が、例えば、図17に示したように、切替部13を有していてもよい。切替部13は、飽和信号Vovfの垂直信号線VSLへの出力と、カウント電圧Vcntの垂直信号線VSLへの出力とを切り替える。このとき、周辺回路は、例えば、図17に示したように、切替部126を有していてもよい。切替部126は、垂直信号線VSLに飽和信号Vovfが印可されているときは垂直信号線VSLをデジタル加算部124Aに接続し、垂直信号線VSLにカウント電圧Vcntが印可されているときは垂直信号線VSLをA/D変換部123に接続する。このようにした場合には、垂直信号線VSLの本数を減らすことができるので、画素アレイ部121の面積を小さくすることができる。
上記実施の形態およびその変形例において、各画素10が、例えば、図17に示したように、切替部13を有していてもよい。切替部13は、飽和信号Vovfの垂直信号線VSLへの出力と、カウント電圧Vcntの垂直信号線VSLへの出力とを切り替える。このとき、周辺回路は、例えば、図17に示したように、切替部126を有していてもよい。切替部126は、垂直信号線VSLに飽和信号Vovfが印可されているときは垂直信号線VSLをデジタル加算部124Aに接続し、垂直信号線VSLにカウント電圧Vcntが印可されているときは垂直信号線VSLをA/D変換部123に接続する。このようにした場合には、垂直信号線VSLの本数を減らすことができるので、画素アレイ部121の面積を小さくすることができる。
[変形例H]
上記実施の形態およびその変形例において、例えば、図18に示したように、A/D変換部123が省略されてもよい。このとき、A/D変換部123と同様の機能のA/D変換部12eが各画素10の検出部12に設けられ、垂直信号線VSL2の電圧を読み出す読み出し部127が周辺回路に設けられてもよい。このようにした場合には、各画素10からは、2つのデジタル信号(飽和信号Vovfおよびカウント電圧Vcnt)を垂直信号線VSL1,VSL2に出力することができるので、外部ノイズに強い撮像装置100を実現することができる。
上記実施の形態およびその変形例において、例えば、図18に示したように、A/D変換部123が省略されてもよい。このとき、A/D変換部123と同様の機能のA/D変換部12eが各画素10の検出部12に設けられ、垂直信号線VSL2の電圧を読み出す読み出し部127が周辺回路に設けられてもよい。このようにした場合には、各画素10からは、2つのデジタル信号(飽和信号Vovfおよびカウント電圧Vcnt)を垂直信号線VSL1,VSL2に出力することができるので、外部ノイズに強い撮像装置100を実現することができる。
[変形例I]
上記実施の形態およびその変形例において、検出部12が、例えば、図19に示したように、一組のアナログカウンタ12aおよびOVF制御部12bをアナログブロックとして複数段有していてもよい。
上記実施の形態およびその変形例において、検出部12が、例えば、図19に示したように、一組のアナログカウンタ12aおよびOVF制御部12bをアナログブロックとして複数段有していてもよい。
このとき、1段目のアナログブロックでは、アナログカウンタ12aは、アナログのカウント値Cnt1(カウント電圧Vcnt1)を生成する。さらに、1段目のアナログブロックでは、OVF制御部12bは、アナログカウンタ12aで生成されたカウント電圧Vcnt1が参照電圧Vrefを下回ったとき(つまり、カウント電圧Vcnt1が参照電圧Vrefを上回る側から下回る側に超えたとき)、Hiの電圧を飽和信号Vovfとして出力する。OVF制御部12bは、例えば、カウント電圧Vcnt1が参照電圧Vrefを上回ったとき(つまり、カウント電圧Vcnt1が参照電圧Vrefを上回る側から下回る側に超えたとき)、Loの電圧を飽和信号Vovfとして出力する。
2段目以降のアナログブロックでは、アナログカウンタ12aは、前段のアナログブロックにおけるOVF制御部12bから出力される飽和信号Vovfに基づいてカウント処理を行うことによりアナログのカウント値Cnt2(カウント電圧Vcnt2)を生成する。さらに、2段目以降のアナログブロックでは、OVF制御部12bは、アナログカウンタ12aで生成されたカウント電圧Vcnt2が参照電圧Vrefを下回ったとき(つまり、カウント電圧Vcnt2が参照電圧Vrefを上回る側から下回る側に超えたとき)、Hiの電圧を飽和信号Vovfとして出力する。OVF制御部12bは、例えば、カウント電圧Vcnt2が参照電圧Vrefを上回ったとき(つまり、カウント電圧Vcnt2が参照電圧Vrefを上回る側から下回る側に超えたとき)、Loの電圧を飽和信号Vovfとして出力する。
本変形例では、周辺回路は、デジタルカウント部124と、A/D変換部123,128とを有している。デジタル加算部124Aは、垂直信号線VSL1に接続されている。垂直信号線VSL1は、スイッチ部12cを介して2段目のOVF制御部12bに接続されている。デジタル加算部124Aは、垂直信号線VSL1を介して2段目の飽和信号Vovfを読み出し、読み出した飽和信号Vovfについてカウント処理を行うことによりデジタルのカウント値Cnt1(k1ビット)を生成する。
A/D変換部123は、垂直信号線VSL2に接続されている。垂直信号線VSL2は、スイッチ部12dを介して1段目のアナログカウンタ12aの出力端に接続されている。A/D変換部123は、垂直信号線VSL2を介して1段目のアナログカウンタ12aの出力端の電圧(カウント電圧Vcnt2)をA/D変換し、それによりカウント電圧Vcnt2に対応するデジタルのカウント値Cnt2(k2ビット)を生成する。
A/D変換部128は、垂直信号線VSL3に接続されている。垂直信号線VSL3は、スイッチ部12fを介して2段目のアナログカウンタ12aの出力端に接続されている。A/D変換部128は、垂直信号線VSL3を介して2段目のアナログカウンタ12aの出力端の電圧(カウント電圧Vcnt3)をA/D変換し、それによりカウント電圧Vcnt3に対応するデジタルのカウント値Cnt3(n-k1-k2ビット)を生成する。
インターフェース部125は、1段目および2段目のアナログカウンタ12aから得られたカウント値(カウント値Cnt2,Cnt3)をロービット側とし、デジタルカウンタ122aから得られたカウント値(カウントCnt1)をハイビット側としてカウント値Cnt1,Cnt2,Cnt3を結合することによりカウント値Cntを生成する(図20参照)。なお、カウント値Cnt2は、カウント値Cnt3よりもロービット側とする。インターフェース部125は、生成したカウント値Cntを画素データとして外部に出力する。
このように、一組のアナログカウンタ12aおよびOVF制御部12bをアナログブロックとして複数段設けることにより、より大きなビット数を扱うことができる。これにより、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
[変形例J]
上記実施の形態およびその変形例において、検出部12が、例えば、図21に示したように、OVF制御部12bの後段にデジタルカウンタ12gを有していてもよい。このとき、デジタルカウント部124は省略され、垂直信号線VSL1の電圧を読み出す読み出し部129が周辺回路に設けられ得る。
上記実施の形態およびその変形例において、検出部12が、例えば、図21に示したように、OVF制御部12bの後段にデジタルカウンタ12gを有していてもよい。このとき、デジタルカウント部124は省略され、垂直信号線VSL1の電圧を読み出す読み出し部129が周辺回路に設けられ得る。
デジタルカウンタ12gは、OVF制御部12bから出力されるデジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルのカウント値Cnt1を生成する。読出部122fは、垂直信号線VSL1を介してデジタルのカウント値Cnt1を読み出す。
図22は、画素10から得られるカウント値Cntの経時変化の一例を表したものである。低照度のときは、アナログカウンタ12aが飽和せず、デジタルカウンタ12gでのカウントがなされないことがある。中照度、高照度のときは、アナログカウンタ12aが飽和すると、デジタルカウンタ12gでのカウントも実行される。低照度のときは、カウント値Cntの時間変化が緩やかであるが、照度が高くなるにつれて、カウント値Cntの時間変化が急峻となる。
[変形例K]
上記変形例Jにおいて、検出部12が、例えば、図23に示したように、判定部12hを有していてもよい。判定部12hは、デジタルカウンタ12gで生成されるカウント値Cnt1に基づいて、参照電圧Vrefを設定する。判定部12hは、例えば、カウント値Cnt1に基づいて、参照電圧Vrefを設定するための制御信号Scodeを生成し、OVF制御部12bに出力する。
上記変形例Jにおいて、検出部12が、例えば、図23に示したように、判定部12hを有していてもよい。判定部12hは、デジタルカウンタ12gで生成されるカウント値Cnt1に基づいて、参照電圧Vrefを設定する。判定部12hは、例えば、カウント値Cnt1に基づいて、参照電圧Vrefを設定するための制御信号Scodeを生成し、OVF制御部12bに出力する。
OVF制御部12bにおいて、例えば、図24(A)に示したように、コンパレータの一方の入力端子に、切替部を介して複数の参照電圧線が接続されている。切替部は、判定部12hから入力される制御信号Scodeに基づいて、複数の参照電圧線の中から1つの参照電圧線を選択する。
OVF制御部12bにおいて、例えば、図24(B)に示したように、コンパレータの一方の入力端子に、切替部を介して複数の定電流源が接続されていてもよい。このとき、切替部は、判定部12hから入力される制御信号Scodeに基づいて、複数の参照電圧線の中から1つの参照電圧線を選択する。
図25は、画素10から得られるカウント値Cntの経時変化の一例を表したものである。図25に破線で示したように、カウント値Cntに対して複数の閾値が設定される。低照度のときは、カウント値Cntが最も低い値の閾値に達せず、最も低い値の参照電圧Vref1が印可される参照電圧線が選択される。中照度、高照度のときは、カウント値Cntが最も低い値の閾値に達すると、最も低い値の参照電圧線Vref1よりも高い参照電圧Vref2が印可される参照電圧線が選択される。このとき、さらに、カウント値Cntが2番目に低い閾値に達すると、参照電圧Vref2よりも高い参照電圧Vref3が印可される参照電圧線が選択される。
このように、カウント値Cntの大きさに応じて参照電圧の値が設定されることにより、カウント値Cntの時間変化を照度によらず、概ね一定にすることができる。
[変形例L]
上記変実施の形態およびその変形例において、固体撮像素子120は、例えば、図26に示したように、1つの半導体基板100C上に形成されていてもよい。このとき、半導体基板100Cの表面には、複数の画素10が行列状に配置された有効画素領域が形成されている。半導体基板100Cの表面において、有効画素領域の周囲には、例えば、行駆動部122、A/D変換部123、デジタルカウント部124およびインターフェース部125等が実装されている。
上記変実施の形態およびその変形例において、固体撮像素子120は、例えば、図26に示したように、1つの半導体基板100C上に形成されていてもよい。このとき、半導体基板100Cの表面には、複数の画素10が行列状に配置された有効画素領域が形成されている。半導体基板100Cの表面において、有効画素領域の周囲には、例えば、行駆動部122、A/D変換部123、デジタルカウント部124およびインターフェース部125等が実装されている。
[変形例M]
上記変実施の形態およびその変形例において、固体撮像素子120は、例えば、図27に示したように、複数の半導体基板(例えば、2枚の半導体基板100D、100E)が積層されて構成されていてもよい。このとき、半導体基板100Dの表面には、複数の受光部11bが行列状に配置されるとともに、半導体基板100Eの表面には、複数のクエンチ部11aが行列状に配置されていてもよい。半導体基板100D,100Eは、例えば、半導体基板100D側に設けられたCuからなるパッド部11cと、半導体基板100E側に設けられたCuからなるパッド部11dとが互いに接合されることにより、貼り合わされている。このようにした場合には、各画素10において、受光部11bとクエンチ部11aとを互いに積層して形成することができるので、1枚の半導体基板の表面に、受光部11bおよびクエンチ部11aを形成した場合と比べて、画素10の平面サイズを小さくすることができる。
上記変実施の形態およびその変形例において、固体撮像素子120は、例えば、図27に示したように、複数の半導体基板(例えば、2枚の半導体基板100D、100E)が積層されて構成されていてもよい。このとき、半導体基板100Dの表面には、複数の受光部11bが行列状に配置されるとともに、半導体基板100Eの表面には、複数のクエンチ部11aが行列状に配置されていてもよい。半導体基板100D,100Eは、例えば、半導体基板100D側に設けられたCuからなるパッド部11cと、半導体基板100E側に設けられたCuからなるパッド部11dとが互いに接合されることにより、貼り合わされている。このようにした場合には、各画素10において、受光部11bとクエンチ部11aとを互いに積層して形成することができるので、1枚の半導体基板の表面に、受光部11bおよびクエンチ部11aを形成した場合と比べて、画素10の平面サイズを小さくすることができる。
[変形例N]
上記変実施の形態およびその変形例において、例えば、図28に示したように、複数の画素10の出力に加算部20が接続されていてもよい。加算部20は、複数の画素10から入力されたカウント値Cntを加算する。これにより、感度の高い画像を得ることができる。
上記変実施の形態およびその変形例において、例えば、図28に示したように、複数の画素10の出力に加算部20が接続されていてもよい。加算部20は、複数の画素10から入力されたカウント値Cntを加算する。これにより、感度の高い画像を得ることができる。
[変形例O]
上記変実施の形態およびその変形例において、例えば、図29に示したように、各画素10において検出部12が省略され、このとき、複数の光パルス応答部11の出力に加算部20が接続され、加算部20の出力に検出部12が接続されていてもよい。加算部20は、複数の光パルス応答部11から入力されたパルスの数をカウントし、それにより得られたアナログのカウント値を検出部12に出力する。このようにした場合にも、感度の高い画像を得ることができる。
上記変実施の形態およびその変形例において、例えば、図29に示したように、各画素10において検出部12が省略され、このとき、複数の光パルス応答部11の出力に加算部20が接続され、加算部20の出力に検出部12が接続されていてもよい。加算部20は、複数の光パルス応答部11から入力されたパルスの数をカウントし、それにより得られたアナログのカウント値を検出部12に出力する。このようにした場合にも、感度の高い画像を得ることができる。
<3.第2の実施の形態>
[構成]
図30は、本開示の第2の実施の形態に係る測距装置200の機能ブロック例を表したものである。測距装置200は、ToF(Time Of Flight)センサであり、光を射出するとともに、検出対象物により反射された反射光を検出する。測距装置200は、発光部210と、光学系220と、光検出部230と、制御部240と、信号処理部250と、通信部260とを備えている。
[構成]
図30は、本開示の第2の実施の形態に係る測距装置200の機能ブロック例を表したものである。測距装置200は、ToF(Time Of Flight)センサであり、光を射出するとともに、検出対象物により反射された反射光を検出する。測距装置200は、発光部210と、光学系220と、光検出部230と、制御部240と、信号処理部250と、通信部260とを備えている。
発光部210は、制御部240からの指示に基づいて、検出対象物に向かって光パルスL0を射出する。発光部210は、制御部240からの指示に基づいて、発光および非発光を交互に繰り返す発光動作を行うことにより光パルスL0を射出する。発光部210は、例えば赤外光を射出する光源を有する。この光源は、例えば、レーザ光源やLED(Light Emitting Diode)などを用いて構成される。
光学系220は、光検出部230の受光面において像を結像させるレンズを含んで構成される。この光学系220には、発光部210から射出され、検出対象物により反射された光パルス(反射光パルスL1)が入射するようになっている。
光検出部230は、制御部240からの指示に基づいて、反射光パルスL1を検出する。信号処理部250は、光検出部230での検出結果に基づいて距離画像データを生成し、生成した距離画像データを、通信部250を介して外部に出力する。光検出部230は、例えば、図31に示したように、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像素子120と同様の構成となっている。
制御部240は、発光部210および光検出部230に制御信号を供給し、これらの動作を制御することにより、測距装置200の動作を制御する。
[効果]
本実施の形態では、上記実施の形態と同様、アナログカウンタ12aの後段に、アナログカウンタ12aのカウント値cnt1が所定の閾値を超えたときアナログカウンタ12aのカウント電圧VcntをリセットするOVF制御部12bが設けられている。これにより、例えば、下位ビットをアナログカウンタ12aでカウントし、上位ビットをデジタルカウンタ124bでカウントすることが可能となる。その結果、1つの画素10あたりのアナログ値の読み出し回数を1回に抑えることができ、さらに、デジタルカウンタ124bを設けた分だけビット数を増やすことができる。従って、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
本実施の形態では、上記実施の形態と同様、アナログカウンタ12aの後段に、アナログカウンタ12aのカウント値cnt1が所定の閾値を超えたときアナログカウンタ12aのカウント電圧VcntをリセットするOVF制御部12bが設けられている。これにより、例えば、下位ビットをアナログカウンタ12aでカウントし、上位ビットをデジタルカウンタ124bでカウントすることが可能となる。その結果、1つの画素10あたりのアナログ値の読み出し回数を1回に抑えることができ、さらに、デジタルカウンタ124bを設けた分だけビット数を増やすことができる。従って、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
本実施の形態では、OVF制御部12bから出力されるデジタル信号(カウント電圧Vout1)についてカウント処理を行うことによりデジタルのカウント値Cnt1が生成される。さらに、アナログカウンタ12aから出力されるアナログのカウント電圧Vout2をA/D変換することにより、デジタルのカウント値Cnt2が生成される。これにより、例えば、下位ビットをアナログカウンタ12aでカウントし、上位ビットをデジタルカウンタ124bでカウントすることが可能となる。その結果、1つの画素10あたりのアナログ値の読み出し回数を1回に抑えることができ、さらに、デジタルカウンタ124bを設けた分だけビット数を増やすことができる。従って、アナログカウンタを用いつつ、フレームレートの制限を低減することができる。
本実施の形態では、デジタルのカウント電圧Vout1をデジタル加算部124Aに伝送する垂直信号線VSL1と、アナログのカウント電圧Vout2をA/D変換部123に伝送する垂直信号線VSL2とが画素アレイ部121に設けられている。これにより、画素アレイ部121の外にデジタル加算部124AやA/D変換部123を設けることができ、画素10のサイズを小さくすることができる。
<4.適用例>
本開示に係る技術は、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、建設機械、農業機械(トラクター)など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。
本開示に係る技術は、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、建設機械、農業機械(トラクター)など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32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7000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7000は、通信ネットワーク7010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32に示した例では、車両制御システム7000は、駆動系制御ユニット7100、ボディ系制御ユニット7200、バッテリ制御ユニット7300、車外情報検出ユニット7400、車内情報検出ユニット7500、及び統合制御ユニット7600を備える。これらの複数の制御ユニットを接続する通信ネットワーク7010は、例えば、CAN(Controller Area Network)、LIN(Local Interconnect Network)、LAN(Local Area Network)又はFlexRay(登録商標)等の任意の規格に準拠した車載通信ネットワークであってよい。
各制御ユニットは、各種プログラムにしたがって演算処理を行うマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータにより実行されるプログラム又は各種演算に用いられるパラメータ等を記憶する記憶部と、各種制御対象の装置を駆動する駆動回路とを備える。各制御ユニットは、通信ネットワーク7010を介して他の制御ユニットとの間で通信を行うためのネットワークI/Fを備えるとともに、車内外の装置又はセンサ等との間で、有線通信又は無線通信により通信を行うための通信I/Fを備える。図32では、統合制御ユニット7600の機能構成として、マイクロコンピュータ7610、汎用通信I/F7620、専用通信I/F7630、測位部7640、ビーコン受信部7650、車内機器I/F7660、音声画像出力部7670、車載ネットワークI/F7680及び記憶部7690が図示されている。他の制御ユニットも同様に、マイクロコンピュータ、通信I/F及び記憶部等を備える。
駆動系制御ユニット7100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7100は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。駆動系制御ユニット7100は、ABS(Antilock Brake System)又はESC(Electronic Stability Control)等の制御装置としての機能を有してもよい。
駆動系制御ユニット7100には、車両状態検出部7110が接続される。車両状態検出部7110には、例えば、車体の軸回転運動の角速度を検出するジャイロセンサ、車両の加速度を検出する加速度センサ、あるいは、アクセルペダルの操作量、ブレーキペダルの操作量、ステアリングホイールの操舵角、エンジン回転数又は車輪の回転速度等を検出するためのセンサのうちの少なくとも一つが含まれる。駆動系制御ユニット7100は、車両状態検出部7110から入力される信号を用いて演算処理を行い、内燃機関、駆動用モータ、電動パワーステアリング装置又はブレーキ装置等を制御する。
ボディ系制御ユニット7200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7200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7200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7200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。
バッテリ制御ユニット7300は、各種プログラムにしたがって駆動用モータの電力供給源である二次電池7310を制御する。例えば、バッテリ制御ユニット7300には、二次電池7310を備えたバッテリ装置から、バッテリ温度、バッテリ出力電圧又はバッテリの残存容量等の情報が入力される。バッテリ制御ユニット7300は、これらの信号を用いて演算処理を行い、二次電池7310の温度調節制御又はバッテリ装置に備えられた冷却装置等の制御を行う。
車外情報検出ユニット7400は、車両制御システム7000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7400には、撮像部7410及び車外情報検出部7420のうちの少なくとも一方が接続される。撮像部7410には、ToF(Time Of Flight)カメラ、ステレオカメラ、単眼カメラ、赤外線カメラ及びその他のカメラのうちの少なくとも一つが含まれる。車外情報検出部7420には、例えば、現在の天候又は気象を検出するための環境センサ、あるいは、車両制御システム7000を搭載した車両の周囲の他の車両、障害物又は歩行者等を検出するための周囲情報検出センサのうちの少なくとも一つが含まれる。
環境センサは、例えば、雨天を検出する雨滴センサ、霧を検出する霧センサ、日照度合いを検出する日照センサ、及び降雪を検出する雪センサのうちの少なくとも一つであってよい。周囲情報検出センサは、超音波センサ、レーダ装置及びLIDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)装置のうちの少なくとも一つであってよい。これらの撮像部7410及び車外情報検出部7420は、それぞれ独立したセンサないし装置として備えられてもよいし、複数のセンサないし装置が統合された装置として備えられてもよい。
ここで、図33は、撮像部7410及び車外情報検出部7420の設置位置の例を示す。撮像部7910,7912,7914,7916,7918は、例えば、車両7900のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部のうちの少なくとも一つ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7910及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部7918は、主として車両7900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7912,7914は、主として車両7900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7916は、主として車両7900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7918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33には、それぞれの撮像部7910,7912,7914,7916の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲aは、フロントノーズに設けられた撮像部7910の撮像範囲を示し、撮像範囲b,cは、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部7912,7914の撮像範囲を示し、撮像範囲dは、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部7916の撮像範囲を示す。例えば、撮像部7910,7912,7914,7916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7900を上方から見た俯瞰画像が得られる。
車両7900のフロント、リア、サイド、コーナ及び車室内のフロントガラスの上部に設けられる車外情報検出部7920,7922,7924,7926,7928,7930は、例えば超音波センサ又はレーダ装置であってよい。車両7900のフロントノーズ、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部に設けられる車外情報検出部7920,7926,7930は、例えばLIDAR装置であってよい。これらの車外情報検出部7920~7930は、主として先行車両、歩行者又は障害物等の検出に用いられる。
図32に戻って説明を続ける。車外情報検出ユニット7400は、撮像部7410に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像データを受信する。また、車外情報検出ユニット7400は、接続されている車外情報検出部7420から検出情報を受信する。車外情報検出部7420が超音波センサ、レーダ装置又はLIDAR装置である場合には、車外情報検出ユニット7400は、超音波又は電磁波等を発信させるとともに、受信された反射波の情報を受信する。車外情報検出ユニット7400は、受信した情報に基づいて、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。車外情報検出ユニット7400は、受信した情報に基づいて、降雨、霧又は路面状況等を認識する環境認識処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット7400は、受信した情報に基づいて、車外の物体までの距離を算出してもよい。
また、車外情報検出ユニット7400は、受信した画像データに基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等を認識する画像認識処理又は距離検出処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット7400は、受信した画像データに対して歪補正又は位置合わせ等の処理を行うとともに、異なる撮像部7410により撮像された画像データを合成して、俯瞰画像又はパノラマ画像を生成してもよい。車外情報検出ユニット7400は、異なる撮像部7410により撮像された画像データを用いて、視点変換処理を行ってもよい。
車内情報検出ユニット7500は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット7500には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部7510が接続される。運転者状態検出部7510は、運転者を撮像するカメラ、運転者の生体情報を検出する生体センサ又は車室内の音声を集音するマイク等を含んでもよい。生体センサは、例えば、座面又はステアリングホイール等に設けられ、座席に座った搭乗者又はステアリングホイールを握る運転者の生体情報を検出する。車内情報検出ユニット7500は、運転者状態検出部7510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。車内情報検出ユニット7500は、集音された音声信号に対してノイズキャンセリング処理等の処理を行ってもよい。
統合制御ユニット7600は、各種プログラムにしたがって車両制御システム7000内の動作全般を制御する。統合制御ユニット7600には、入力部7800が接続されている。入力部7800は、例えば、タッチパネル、ボタン、マイクロフォン、スイッチ又はレバー等、搭乗者によって入力操作され得る装置によって実現される。統合制御ユニット7600には、マイクロフォンにより入力される音声を音声認識することにより得たデータが入力されてもよい。入力部7800は、例えば、赤外線又はその他の電波を利用したリモートコントロール装置であってもよいし、車両制御システム7000の操作に対応した携帯電話又はPDA(Personal Digital Assistant)等の外部接続機器であってもよい。入力部7800は、例えばカメラであってもよく、その場合搭乗者はジェスチャにより情報を入力することができる。あるいは、搭乗者が装着したウェアラブル装置の動きを検出することで得られたデータが入力されてもよい。さらに、入力部7800は、例えば、上記の入力部7800を用いて搭乗者等により入力された情報に基づいて入力信号を生成し、統合制御ユニット7600に出力する入力制御回路などを含んでもよい。搭乗者等は、この入力部7800を操作することにより、車両制御システム7000に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりする。
記憶部7690は、マイクロコンピュータにより実行される各種プログラムを記憶するROM(Read Only Memory)、及び各種パラメータ、演算結果又はセンサ値等を記憶するRAM(Random Access Memory)を含んでいてもよい。また、記憶部7690は、HDD(Hard Disc Drive)等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス又は光磁気記憶デバイス等によって実現してもよい。
汎用通信I/F7620は、外部環境7750に存在する様々な機器との間の通信を仲介する汎用的な通信I/Fである。汎用通信I/F7620は、GSM(登録商標)(Global System of Mobile communications)、WiMAX(登録商標)、LTE(登録商標)(Long Term Evolution)若しくはLTE-A(LTE-Advanced)などのセルラー通信プロトコル、又は無線LAN(Wi-Fi(登録商標)ともいう)、Bluetooth(登録商標)などのその他の無線通信プロトコルを実装してよい。汎用通信I/F7620は、例えば、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(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)上に存在する機器(例えば、アプリケーションサーバ又は制御サーバ)へ接続してもよい。また、汎用通信I/F7620は、例えばP2P(Peer To Peer)技術を用いて、車両の近傍に存在する端末(例えば、運転者、歩行者若しくは店舗の端末、又はMTC(Machine Type Communication)端末)と接続してもよい。
専用通信I/F7630は、車両における使用を目的として策定された通信プロトコルをサポートする通信I/Fである。専用通信I/F7630は、例えば、下位レイヤのIEEE802.11pと上位レイヤのIEEE1609との組合せであるWAVE(Wireless Access in Vehicle Environment)、DSRC(Dedicated Short Range Communications)、又はセルラー通信プロトコルといった標準プロトコルを実装してよい。専用通信I/F7630は、典型的には、車車間(Vehicle to Vehicle)通信、路車間(Vehicle to Infrastructure)通信、車両と家との間(Vehicle to Home)の通信及び歩車間(Vehicle to Pedestrian)通信のうちの1つ以上を含む概念であるV2X通信を遂行する。
測位部7640は、例えば、GNSS(Global Navigation Satellite System)衛星からのGNSS信号(例えば、GPS(Global Positioning System)衛星からのGPS信号)を受信して測位を実行し、車両の緯度、経度及び高度を含む位置情報を生成する。なお、測位部7640は、無線アクセスポイントとの信号の交換により現在位置を特定してもよく、又は測位機能を有する携帯電話、PHS若しくはスマートフォンといった端末から位置情報を取得してもよい。
ビーコン受信部7650は、例えば、道路上に設置された無線局等から発信される電波あるいは電磁波を受信し、現在位置、渋滞、通行止め又は所要時間等の情報を取得する。なお、ビーコン受信部7650の機能は、上述した専用通信I/F7630に含まれてもよい。
車内機器I/F7660は、マイクロコンピュータ7610と車内に存在する様々な車内機器7760との間の接続を仲介する通信インタフェースである。車内機器I/F7660は、無線LAN、Bluetooth(登録商標)、NFC(Near Field Communication)又はWUSB(Wireless USB)といった無線通信プロトコルを用いて無線接続を確立してもよい。また、車内機器I/F7660は、図示しない接続端子(及び、必要であればケーブル)を介して、USB(Universal Serial Bus)、HDMI(登録商標)(High-Definition Multimedia Interface、又はMHL(Mobile High-definition Link)等の有線接続を確立してもよい。車内機器7760は、例えば、搭乗者が有するモバイル機器若しくはウェアラブル機器、又は車両に搬入され若しくは取り付けられる情報機器のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。また、車内機器7760は、任意の目的地までの経路探索を行うナビゲーション装置を含んでいてもよい。車内機器I/F7660は、これらの車内機器7760との間で、制御信号又はデータ信号を交換する。
車載ネットワークI/F7680は、マイクロコンピュータ7610と通信ネットワーク7010との間の通信を仲介するインタフェースである。車載ネットワークI/F7680は、通信ネットワーク7010によりサポートされる所定のプロトコルに則して、信号等を送受信する。
統合制御ユニット7600のマイクロコンピュータ7610は、汎用通信I/F7620、専用通信I/F7630、測位部7640、ビーコン受信部7650、車内機器I/F7660及び車載ネットワークI/F7680のうちの少なくとも一つを介して取得される情報に基づき、各種プログラムにしたがって、車両制御システム7000を制御する。例えば、マイクロコンピュータ7610は、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7100に対して制御指令を出力してもよい。例えば、マイクロコンピュータ7610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ってもよい。また、マイクロコンピュータ7610は、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ってもよい。
マイクロコンピュータ7610は、汎用通信I/F7620、専用通信I/F7630、測位部7640、ビーコン受信部7650、車内機器I/F7660及び車載ネットワークI/F7680のうちの少なくとも一つを介して取得される情報に基づき、車両と周辺の構造物や人物等の物体との間の3次元距離情報を生成し、車両の現在位置の周辺情報を含むローカル地図情報を作成してもよい。また、マイクロコンピュータ7610は、取得される情報に基づき、車両の衝突、歩行者等の近接又は通行止めの道路への進入等の危険を予測し、警告用信号を生成してもよい。警告用信号は、例えば、警告音を発生させたり、警告ランプを点灯させたりするための信号であってよい。
音声画像出力部7670は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図32の例では、出力装置として、オーディオスピーカ7710、表示部7720及びインストルメントパネル7730が例示されている。表示部7720は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。表示部7720は、AR(Augmented Reality)表示機能を有していてもよい。出力装置は、これらの装置以外の、ヘッドホン、搭乗者が装着する眼鏡型ディスプレイ等のウェアラブルデバイス、プロジェクタ又はランプ等の他の装置であってもよい。出力装置が表示装置の場合、表示装置は、マイクロコンピュータ7610が行った各種処理により得られた結果又は他の制御ユニットから受信された情報を、テキスト、イメージ、表、グラフ等、様々な形式で視覚的に表示する。また、出力装置が音声出力装置の場合、音声出力装置は、再生された音声データ又は音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して聴覚的に出力する。
なお、図32に示した例において、通信ネットワーク7010を介して接続された少なくとも二つの制御ユニットが一つの制御ユニットとして一体化されてもよい。あるいは、個々の制御ユニットが、複数の制御ユニットにより構成されてもよい。さらに、車両制御システム7000が、図示されていない別の制御ユニットを備えてもよい。また、上記の説明において、いずれかの制御ユニットが担う機能の一部又は全部を、他の制御ユニットに持たせてもよい。つまり、通信ネットワーク7010を介して情報の送受信がされるようになっていれば、所定の演算処理が、いずれかの制御ユニットで行われるようになってもよい。同様に、いずれかの制御ユニットに接続されているセンサ又は装置が、他の制御ユニットに接続されるとともに、複数の制御ユニットが、通信ネットワーク7010を介して相互に検出情報を送受信してもよい。
なお、図1~図29等を用いて説明した撮像装置100の各機能や、図30,図31等を用いて説明した測距装置200の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを、いずれかの制御ユニット等に実装することができる。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体を提供することもできる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリ等である。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信されてもよい。
以上説明した車両制御システム7000において、図1~図29等を用いて説明した撮像装置100や、図30,図31等を用いて説明した測距装置200は、例えば,環境センサとしてのLIDARの光源ステアリング部として用いることができる。また,撮像部における画像認識を、図1~図29等を用いて説明した撮像装置100や、図30,図31等を用いて説明した測距装置200を用いた光コンピューティングユニットで行うこともできる。図1~図29等を用いて説明した撮像装置100や、図30,図31等を用いて説明した測距装置200を、高効率・高輝度なプロジェクションデバイスとして用いた場合は,地面に線や文字を投影することができる。具体的には、車が後退する際に車外の人が車の通る位置が分かるように線を表示したり、歩行者に道を譲る場合に横断歩道を光で表示したりすることができる。
また、図1~図29等を用いて説明した撮像装置100の少なくとも一部の構成要素は、図32に示した統合制御ユニット7600のためのモジュール(例えば、一つのダイで構成される集積回路モジュール)において実現されてもよい。あるいは、図1~図29等を用いて説明した撮像装置100が、図32に示した車両制御システム7000の複数の制御ユニットによって実現されてもよい。
また、図30,図31等を用いて説明した測距装置200の少なくとも一部の構成要素は、図32に示した統合制御ユニット7600のためのモジュール(例えば、一つのダイで構成される集積回路モジュール)において実現されてもよい。あるいは、図30,図31等を用いて説明した測距装置200が、図32に示した車両制御システム7000の複数の制御ユニットによって実現されてもよい。
以上、実施の形態およびその変形例、ならびに適用例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。
また、例えば、本開示は以下のような構成を取ることができる。
(1)
光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を備えた
光検出装置。
(2)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
当該光検出装置は、
前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成する第1デジタルカウンタと、
前記第1のカウント値をA/D変換することによりデジタルの第3のカウント値を生成するA/D変換部と
を更に備えた
(1)に記載の光検出装置。
(3)
前記第1デジタルカウンタへの前記デジタル信号の出力と、前記A/D変換部への前記第1のカウント値の出力が別々の制御信号によって制御されるスイッチを更に備えた
(1)または(2)に記載の光検出装置。
(4)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、前記デジタル信号を保持し、かつ、前記デジタル信号の出力時に前記第1のカウント値をリセットする
(3)に記載の光検出装置。
(5)
前記リセット部は、前記デジタル信号を保持するとともに出力する第2デジタルカウンタを含む
(3)に記載の光検出装置。
(6)
前記第1デジタルカウンタは、デジタル加算部およびメモリを有し、
前記デジタル加算部は、前記リセット部から出力される前記デジタル信号と、前記メモリから読み出したカウント値とを互いに加算し、それにより得られた値を前記第2のカウント値として前記メモリ内の前記カウント値に上書きする
(2)に記載の光検出装置。
(7)
前記パルス応答部は、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に直列接続されたクエンチ回路とを含む
(1)ないし(6)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(8)
前記第3のカウント値をロービット側とし、前記第2のカウント値をハイビット側として前記第3のカウント値と前記第2のカウント値とを結合することにより、第4のカウント値を生成し、出力する出力部を更に備えた
(2)に記載の光検出装置。
(9)
一組の前記アナログカウンタ部および前記リセット部をアナログブロックとして複数段備え、
1段目の前記アナログブロックでは、
前記リセット部は、前記アナログカウンタ部で生成された前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
2段目以降の前記アナログブロックでは、
前記アナログカウンタ部は、前段の前記アナログブロックにおける前記リセット部から出力される前記デジタル信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第5のカウント値を生成し、
前記リセット部は、当該リセット部に入力される前記第5のカウント値が第2の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力する
(2)ないし(8)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(10)
前記デジタルカウンタで生成される前記第2のカウント値に基づいて前記第1の閾値を設定する閾値設定部を更に備えた
(2)ないし(8)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(11)
行列状に配置された複数の画素と、
各前記画素から得られた画素データに基づいて画像データを生成する信号処理部と
を備え、
各前記画素は、
光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を有する
撮像装置。
(12)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
前記信号処理部は、
前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成するデジタルカウンタと、
前記第1のカウント値をA/D変換することによりデジタルの第3のカウント値を生成するA/D変換部と
を有する
(11)に記載の撮像装置。
(13)
前記第1デジタルカウンタへの前記デジタル信号の出力と、前記A/D変換部への前記第1のカウント値の出力が別々の制御信号によって制御されるスイッチを更に備えた
(11)に記載の撮像装置。
(14)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、前記デジタル信号を保持し、かつ、前記デジタル信号の出力時に前記第1のカウント値をリセットする
(13)に記載の撮像装置。
(15)
前記リセット部は、前記デジタル信号を保持するとともに出力する第2デジタルカウンタを含む
(13)に記載の撮像装置。
(16)
前記デジタル信号を前記デジタルカウンタに伝送する第1の配線と、
前記第1のカウント値を前記A/D変換部に伝送する第2の配線と
を更に備えた
(11)ないし(15)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(17)
各前記画素は、前記デジタル信号の出力と前記第1のカウント値の出力とを切り替える第1の切替部を更に有し、
当該撮像装置は、前記切替部の出力を前記デジタルカウンタおよび前記A/D変換部のいずれか一方に入力する第2の切替部を更に備えた
(11)ないし(16)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(18)
各前記画素は、一組の前記アナログカウンタ部および前記リセット部をアナログブロックとして複数段有し、
1段目の前記アナログブロックでは、
前記リセット部は、前記アナログカウンタ部で生成された前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
2段目以降の前記アナログブロックでは、
前記アナログカウンタ部は、前段の前記アナログブロックにおける前記リセット部から出力される前記デジタル信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第5のカウント値を生成し、
前記リセット部は、当該リセット部に入力される前記第5のカウント値が第2の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力する
(11)ないし(17)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(19)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
各前記画素は、前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成するデジタルカウンタを更に有する
(11)に記載の撮像装置。
(20)
前記デジタルカウンタで生成される前記第2のカウント値に基づいて前記第1の閾値を設定する閾値設定部を更に備えた
(19)に記載の撮像装置。
(21)
前記パルス応答部は、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に直列接続されたクエンチ回路とを含む
(11)ないし(20)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(22)
前記アナログカウンタ部の容量は、MIM(Metal-Insulator-Metal)で構成されている
(11)ないし(21)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(23)
前記アナログカウンタのうち、前記MIMで構成された容量が形成された第1のチップと、
前記パルス応答部、および、前記アナログカウンタのうち、前記MIMを除く回路が形成された第2のチップとを
備えた
(22)に記載の撮像装置。
(24)
光検出装置と、
前記光検出装置の出力信号から測定対象物までの距離を算出する信号処理回路と
を備え、
前記光検出装置は、
光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を有する
測距装置。
(1)
光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を備えた
光検出装置。
(2)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
当該光検出装置は、
前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成する第1デジタルカウンタと、
前記第1のカウント値をA/D変換することによりデジタルの第3のカウント値を生成するA/D変換部と
を更に備えた
(1)に記載の光検出装置。
(3)
前記第1デジタルカウンタへの前記デジタル信号の出力と、前記A/D変換部への前記第1のカウント値の出力が別々の制御信号によって制御されるスイッチを更に備えた
(1)または(2)に記載の光検出装置。
(4)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、前記デジタル信号を保持し、かつ、前記デジタル信号の出力時に前記第1のカウント値をリセットする
(3)に記載の光検出装置。
(5)
前記リセット部は、前記デジタル信号を保持するとともに出力する第2デジタルカウンタを含む
(3)に記載の光検出装置。
(6)
前記第1デジタルカウンタは、デジタル加算部およびメモリを有し、
前記デジタル加算部は、前記リセット部から出力される前記デジタル信号と、前記メモリから読み出したカウント値とを互いに加算し、それにより得られた値を前記第2のカウント値として前記メモリ内の前記カウント値に上書きする
(2)に記載の光検出装置。
(7)
前記パルス応答部は、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に直列接続されたクエンチ回路とを含む
(1)ないし(6)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(8)
前記第3のカウント値をロービット側とし、前記第2のカウント値をハイビット側として前記第3のカウント値と前記第2のカウント値とを結合することにより、第4のカウント値を生成し、出力する出力部を更に備えた
(2)に記載の光検出装置。
(9)
一組の前記アナログカウンタ部および前記リセット部をアナログブロックとして複数段備え、
1段目の前記アナログブロックでは、
前記リセット部は、前記アナログカウンタ部で生成された前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
2段目以降の前記アナログブロックでは、
前記アナログカウンタ部は、前段の前記アナログブロックにおける前記リセット部から出力される前記デジタル信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第5のカウント値を生成し、
前記リセット部は、当該リセット部に入力される前記第5のカウント値が第2の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力する
(2)ないし(8)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(10)
前記デジタルカウンタで生成される前記第2のカウント値に基づいて前記第1の閾値を設定する閾値設定部を更に備えた
(2)ないし(8)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(11)
行列状に配置された複数の画素と、
各前記画素から得られた画素データに基づいて画像データを生成する信号処理部と
を備え、
各前記画素は、
光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を有する
撮像装置。
(12)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
前記信号処理部は、
前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成するデジタルカウンタと、
前記第1のカウント値をA/D変換することによりデジタルの第3のカウント値を生成するA/D変換部と
を有する
(11)に記載の撮像装置。
(13)
前記第1デジタルカウンタへの前記デジタル信号の出力と、前記A/D変換部への前記第1のカウント値の出力が別々の制御信号によって制御されるスイッチを更に備えた
(11)に記載の撮像装置。
(14)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、前記デジタル信号を保持し、かつ、前記デジタル信号の出力時に前記第1のカウント値をリセットする
(13)に記載の撮像装置。
(15)
前記リセット部は、前記デジタル信号を保持するとともに出力する第2デジタルカウンタを含む
(13)に記載の撮像装置。
(16)
前記デジタル信号を前記デジタルカウンタに伝送する第1の配線と、
前記第1のカウント値を前記A/D変換部に伝送する第2の配線と
を更に備えた
(11)ないし(15)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(17)
各前記画素は、前記デジタル信号の出力と前記第1のカウント値の出力とを切り替える第1の切替部を更に有し、
当該撮像装置は、前記切替部の出力を前記デジタルカウンタおよび前記A/D変換部のいずれか一方に入力する第2の切替部を更に備えた
(11)ないし(16)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(18)
各前記画素は、一組の前記アナログカウンタ部および前記リセット部をアナログブロックとして複数段有し、
1段目の前記アナログブロックでは、
前記リセット部は、前記アナログカウンタ部で生成された前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
2段目以降の前記アナログブロックでは、
前記アナログカウンタ部は、前段の前記アナログブロックにおける前記リセット部から出力される前記デジタル信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第5のカウント値を生成し、
前記リセット部は、当該リセット部に入力される前記第5のカウント値が第2の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力する
(11)ないし(17)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(19)
前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
各前記画素は、前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成するデジタルカウンタを更に有する
(11)に記載の撮像装置。
(20)
前記デジタルカウンタで生成される前記第2のカウント値に基づいて前記第1の閾値を設定する閾値設定部を更に備えた
(19)に記載の撮像装置。
(21)
前記パルス応答部は、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に直列接続されたクエンチ回路とを含む
(11)ないし(20)のいずれか1つに記載の光検出装置。
(22)
前記アナログカウンタ部の容量は、MIM(Metal-Insulator-Metal)で構成されている
(11)ないし(21)のいずれか1つに記載の撮像装置。
(23)
前記アナログカウンタのうち、前記MIMで構成された容量が形成された第1のチップと、
前記パルス応答部、および、前記アナログカウンタのうち、前記MIMを除く回路が形成された第2のチップとを
備えた
(22)に記載の撮像装置。
(24)
光検出装置と、
前記光検出装置の出力信号から測定対象物までの距離を算出する信号処理回路と
を備え、
前記光検出装置は、
光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を有する
測距装置。
本開示の第1の側面に係る光検出装置、本開示の第2の側面に係る撮像装置および本開示の第3の側面に係る測距装置では、アナログカウンタ部の後段に、アナログカウンタ部のカウント値が所定の閾値を超えたときアナログカウンタ部のカウント値がリセットされる。これにより、例えば、下位ビットをアナログカウンタ部でカウントし、上位ビットを他のカウンタ(例えばデジタルカウンタ)でカウントすることが可能となる。このように、多段カウンタを用いることにより、アナログカウンタを用いつつ、アナログカウンタに起因するフレームレートの制限を低減することができる。
10,10i…画素、11…光パルス応答部、11a…クエンチ部、11b…受光部、11c,11d…パッド部、12…検出部、12-1…電荷引き抜き部、12-2…保持部、12-3…リセット部、12a…アナログカウンタ、12b…OVF制御部、12c,12d,12f…スイッチ部、12e…A/D変換部、12g…デジタルカウンタ、12h‥判定部、13…切替部、20…加算部、100…撮像装置、100A…センサチップ、100B…ロジックチップ、100C,100D,100E…半導体基板、110…光学系、120…固体撮像素子、121…画素アレイ部、122…行駆動部、123…A/D変換部、124…デジタルカウント部、124A…デジタル加算部、124B…メモリアレイ、124C…デジタルカウンタアレイ、125…インターフェース部、126…切替部、127…読み出し部、128…A/D変換部、129…読み出し部、130…制御部、140…通信部、200…測距装置、210…発光部、220…光学系、230…光検出部、240…制御部、250…信号処理部、260…通信部、C1,C2…容量、HSL,HSL1,HSL2,HSL3…水平信号線、L0…光パルス、L1…反射光パルス、N1,N2,N3…接続ノード、Vcnt…カウント電圧、Vout1,Vout2…カウント電圧、Vref,Vref1,Vref2,Vref3…基準電圧、VSL1,VSL2,VSL3…垂直信号線。
Claims (19)
- 光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を備えた
光検出装置。 - 前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
当該光検出装置は、
前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成する第1デジタルカウンタと、
前記第1のカウント値をA/D変換することによりデジタルの第3のカウント値を生成するA/D変換部と
を更に備えた
請求項1に記載の光検出装置。 - 前記第1デジタルカウンタへの前記デジタル信号の出力と、前記A/D変換部への前記第1のカウント値の出力が別々の制御信号によって制御されるスイッチを更に備えた
請求項1に記載の光検出装置。 - 前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、前記デジタル信号を保持し、かつ、前記デジタル信号の出力時に前記第1のカウント値をリセットする
請求項3に記載の光検出装置。 - 前記リセット部は、前記デジタル信号を保持するとともに出力する第2デジタルカウンタを含む
請求項3に記載の光検出装置。 - 前記第1デジタルカウンタは、デジタル加算部およびメモリを有し、
前記デジタル加算部は、前記リセット部から出力される前記デジタル信号と、前記メモリから読み出したカウント値とを互いに加算し、それにより得られた値を前記第2のカウント値として前記メモリ内の前記カウント値に上書きする
請求項2に記載の光検出装置。 - 前記パルス応答部は、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に直列接続されたクエンチ回路とを含む
請求項1に記載の光検出装置。 - 行列状に配置された複数の画素と、
各前記画素から得られた画素データに基づいて画像データを生成する信号処理部と
を備え、
各前記画素は、
光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を有する
撮像装置。 - 前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
前記信号処理部は、
前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成する第1デジタルカウンタと、
前記第1のカウント値をA/D変換することによりデジタルの第3のカウント値を生成するA/D変換部と
を有する
請求項8に記載の撮像装置。 - 前記第1デジタルカウンタへの前記デジタル信号の出力と、前記A/D変換部への前記第1のカウント値の出力が別々の制御信号によって制御されるスイッチを更に備えた
請求項8に記載の撮像装置。 - 前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、前記デジタル信号を保持し、かつ、前記デジタル信号の出力時に前記第1のカウント値をリセットする
請求項10に記載の撮像装置。 - 前記リセット部は、前記デジタル信号を保持するとともに出力する第2デジタルカウンタを含む
請求項10に記載の撮像装置。 - 前記デジタル信号を前記デジタルカウンタに伝送する第1の配線と、
前記第1のカウント値を前記A/D変換部に伝送する第2の配線と
を更に備えた
請求項8に記載の撮像装置。 - 各前記画素は、前記デジタル信号の出力と前記第1のカウント値の出力とを切り替える第1の切替部を更に有し、
当該撮像装置は、前記切替部の出力を前記デジタルカウンタおよび前記A/D変換部のいずれか一方に入力する第2の切替部を更に備えた
請求項8に記載の撮像装置。 - 各前記画素は、一組の前記アナログカウンタ部および前記リセット部をアナログブロックとして複数段有し、
1段目の前記アナログブロックでは、
前記リセット部は、前記アナログカウンタ部で生成された前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
2段目以降の前記アナログブロックでは、
前記アナログカウンタ部は、前段の前記アナログブロックにおける前記リセット部から出力される前記デジタル信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第5のカウント値を生成し、
前記リセット部は、当該リセット部に入力される前記第5のカウント値が第2の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力する
請求項8に記載の撮像装置。 - 前記リセット部は、前記第1のカウント値が前記第1の閾値を超えたとき、それを示すデジタル信号を出力し、
各前記画素は、前記リセット部から出力される前記デジタル信号についてカウント処理を行うことによりデジタルの第2のカウント値を生成するデジタルカウンタを更に有する
請求項8に記載の撮像装置。 - 前記デジタルカウンタで生成される前記第2のカウント値に基づいて前記第1の閾値を設定する閾値設定部を更に備えた
請求項16に記載の撮像装置。 - 前記パルス応答部は、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に直列接続されたクエンチ回路とを含む
請求項8に記載の撮像装置。 - 光検出装置と、
前記光検出装置の出力信号から測定対象物までの距離を算出する信号処理回路と
を備え、
前記光検出装置は、
光入射に応じてパルス信号を生成するパルス応答部と、
前記パルス信号に基づいてカウント処理を行うことによりアナログの第1のカウント値を生成するアナログカウンタ部と、
前記第1のカウント値が第1の閾値を超えたとき前記第1のカウント値をリセットするリセット部と
を有する
測距装置。
Priority Applications (2)
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