JP2023099399A - Photoelectric conversion device and photo-detection system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置及び光検出システムに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device and a photodetection system.
特許文献1には、マトリクス状に配列されたアバランシェフォトダイオードを有する光電変換装置が開示されている。アバランシェフォトダイオードは、半導体のpn接合部に誘起された強電界により発生するアバランシェ増倍現象を用いることで、光子により励起された信号電荷を数倍~数百万倍程度に増幅するものである。 Patent Document 1 discloses a photoelectric conversion device having avalanche photodiodes arranged in a matrix. Avalanche photodiodes use the avalanche multiplication phenomenon generated by the strong electric field induced in the pn junction of a semiconductor to amplify the signal charge excited by photons several to several million times. .
特許文献2には、光量の変化等のイベントの検出に応じて動作する非同期型の固体撮像装置が開示されている。特許文献2の固体撮像装置は、イベントを検出する検出画素と、イベントが生じた場合にアバランシェフォトダイオードに入射された光子数をカウントして画素信号を出力する計数画素とを有する。 Patent Document 2 discloses an asynchronous solid-state imaging device that operates in response to detection of an event such as a change in the amount of light. The solid-state imaging device of Patent Document 2 has a detection pixel that detects an event, and a counting pixel that counts the number of photons incident on an avalanche photodiode and outputs a pixel signal when an event occurs.
特許文献2に記載されているような非同期型の光電変換装置において、消費電力の低減が求められている。 In an asynchronous photoelectric conversion device such as that described in Patent Document 2, reduction in power consumption is demanded.
本発明の目的は、消費電力が低減された光電変換装置及び光検出システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device and a photodetection system with reduced power consumption.
本明細書の一開示によれば、アバランシェフォトダイオードと、カウント期間に前記アバランシェフォトダイオードに入射する光子に基づくカウント値を生成するカウンタを含み、前記カウント値を前記カウント期間ごとに繰り返し出力する信号処理回路と、を含む画素を有し、前記画素は、前記カウント値と所定の閾値とに基づく判定を行った結果に応じて、第1状態から、前記カウント期間の長さが前記第1状態よりも短い第2状態に遷移することを特徴とする光電変換装置が提供される。 According to one disclosure of the present specification, a signal that includes an avalanche photodiode and a counter that generates a count value based on photons incident on the avalanche photodiode during a count period, and that repeatedly outputs the count value for each count period and a processing circuit, wherein the length of the count period changes from a first state to the first state according to a determination result based on the count value and a predetermined threshold value. Provided is a photoelectric conversion device characterized by transitioning to a second state shorter than .
本明細書の他の一開示によれば、アバランシェフォトダイオードと、カウント期間に前記アバランシェフォトダイオードに入射する光子に基づくカウント値を生成するカウンタを含み、前記カウント値を前記カウント期間ごとに繰り返し出力する信号処理回路と、を含む画素を有し、前記画素は、前記カウント値と所定の閾値とに基づく判定を行った結果に応じて、第1状態から、2つの前記カウント期間の間隔が前記第1状態よりも短い第2状態に遷移することを特徴とする光電変換装置が提供される。 According to another disclosure of this specification, an avalanche photodiode and a counter that generates a count value based on photons incident on the avalanche photodiode during a count period are repeatedly output for each count period. and a pixel including a signal processing circuit, wherein the pixel changes from a first state in accordance with a result of determination based on the count value and a predetermined threshold value so that the interval between the two count periods is the A photoelectric conversion device is provided that transitions to a second state that is shorter than the first state.
本発明によれば、消費電力が低減された光電変換装置及び光検出システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device and a photodetection system with reduced power consumption.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding elements are denoted by common reference numerals across multiple drawings, and their description may be omitted or simplified. The embodiments shown below are for embodying the technical idea of the present invention, and are not intended to limit the present invention. The sizes and positional relationships of members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation.
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による光電変換装置について、図1乃至図8を用いて説明する。図1及び図2は、本実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。図3は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示すブロック図である。図4は、本実施形態による光電変換装置の構成例を示す斜視図である。図5は、本実施形態による光電変換装置の光電変換部の基本動作を説明する図である。図6は、本実施形態による光電変換装置における画素のより具体的な構成例を示すブロック図である。図7は、本実施形態による光電変換装置における駆動方法の例を示すフローチャートである。図8は、本実施形態による光電変換装置における画素の駆動方法の例を示すタイミング図である。
[First embodiment]
A photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8. FIG. 1 and 2 are block diagrams showing a schematic configuration of a photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a pixel of the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 4 is a perspective view showing a configuration example of the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 5 is a diagram for explaining the basic operation of the photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 6 is a block diagram showing a more specific configuration example of pixels in the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 7 is a flow chart showing an example of a driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 8 is a timing chart showing an example of a pixel driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment.
本実施形態による光電変換装置100は、図1に示すように、画素部10と、垂直走査回路部40と、読み出し回路部50と、水平走査回路部60と、制御パルス生成部80と出力回路部90と、を有する。以下の説明において、光電変換装置は、アバランシェフォトダイオードを用いた非同期型の撮像装置であるものとするが、これに限られるものではない。光電変換装置の例としては、以下に述べる撮像装置の他に、測距装置(焦点検出やTOF(Time Of Flight)を用いた距離測定等の装置)、測光装置(入射光量の測定等の装置)等が挙げられる。
As shown in FIG. 1, the
画素部10には、複数の行及び複数の列をなすようにアレイ状に配された複数の画素12が設けられている。各々の画素12は、後述するように、光子検知素子を含む光電変換部と、光電変換部から出力される信号を処理する画素信号処理部と、により構成され得る。なお、画素部10を構成する画素12の数は、特に限定されるものではない。例えば、一般的なデジタルカメラのように数千行×数千列のアレイ状に配された複数の画素12により画素部10を構成することができる。或いは、1行又は1列に並べた複数の画素12により画素部10を構成してもよい。或いは、1つの画素12により画素部10を構成してもよい。
The
画素部10の画素アレイの各行には、第1の方向(図1において横方向)に延在して、制御線14が配されている。制御線14は、第1の方向に並ぶ画素12にそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。制御線14の延在する第1の方向は、行方向或いは水平方向と表記することがある。制御線14の各々は、複数種類の制御信号を画素12に供給するための複数の信号線を含み得る。
Each row of the pixel array of the
また、画素部10の画素アレイの各列には、第1の方向と交差する第2の方向(図1において縦方向)に延在して、データ線16が配されている。データ線16は、第2の方向に並ぶ画素12にそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。データ線16の延在する第2の方向は、列方向或いは垂直方向と表記することがある。データ線16の各々は、画素12から出力される複数ビットのデジタル信号をビット毎に転送するための複数の信号線を含み得る。
In each column of the pixel array of the
各行の制御線14は、垂直走査回路部40に接続されている。垂直走査回路部40は、制御パルス生成部80から出力される制御信号を受け、画素12を駆動するための制御信号を生成し、制御線14を介して画素12に供給する機能を備える制御部である。垂直走査回路部40には、シフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられ得る。垂直走査回路部40は、画素部10内の画素12を行単位で順次走査し、データ線16を介して各画素12の画素信号を読み出し回路部50へと出力する。
The
各列のデータ線16は、読み出し回路部50に接続されている。読み出し回路部50は、画素部10の画素アレイの各列に対応して設けられた複数の保持部(図示せず)を備え、データ線16を介して画素部10から行単位で出力される各列の画素12の画素信号を対応する列の保持部にて保持する機能を備える。
The
水平走査回路部60は、制御パルス生成部80から出力される制御信号を受け、読み出し回路部50の各列の保持部から画素信号を読み出すための制御信号を生成し、読み出し回路部50に供給する制御部である。水平走査回路部60には、シフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられ得る。水平走査回路部60は、読み出し回路部50の各列の保持部を順次走査し、各々に保持されている画素信号を順次出力回路部90へと出力する。
The horizontal
出力回路部90は、外部インターフェース回路を有し、読み出し回路部50から出力された画素信号を光電変換装置100の外部へ出力するための回路部である。出力回路部90が備える外部インターフェース回路は、特に限定されるものではない。外部インターフェース回路は、例えば、SerDes(SERializer/DESerializer)送信回路により構成され得る。SerDes送信回路は、例えば、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)回路、SLVS(Scalable Low Voltage Signaling)回路である。
The
制御パルス生成部80は、垂直走査回路部40、読み出し回路部50、水平走査回路部60の動作やそのタイミングを制御する制御信号を生成し、各機能ブロックに供給するための制御回路である。なお、垂直走査回路部40、読み出し回路部50、水平走査回路部60の動作やそのタイミングを制御する制御信号の少なくとも一部は、光電変換装置100の外部から供給してもよい。
The control
なお、光電変換装置100の各機能ブロックの接続態様は図1の構成例に限定されるものではなく、例えば図2に示すように構成することもできる。
The connection mode of each functional block of the
図2の構成例では、画素部10の画素アレイの各行に、第1の方向に延在するデータ線16を配している。データ線16は、第1の方向に並ぶ画素12にそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。また、画素部10の画素アレイの各列に、第2の方向に延在する制御線18を配している。制御線18は、第2の方向に並ぶ画素12にそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。
In the configuration example of FIG. 2, each row of the pixel array of the
各列の制御線18は、水平走査回路部60に接続されている。水平走査回路部60は、制御パルス生成部80から出力される制御信号を受け、画素12から画素信号を読み出すための制御信号を生成し、制御線18を介して画素12に供給する。具体的には、水平走査回路部60は、画素部10の複数の画素12を列単位で順次走査し、選択された列に属する各行の画素12の画素信号をデータ線16に出力する。
The control lines 18 of each column are connected to the horizontal
各行のデータ線16は、読み出し回路部50に接続されている。読み出し回路部50は、画素部10の画素アレイの各行に対応して設けられた複数の保持部(図示せず)を備え、データ線16を介して画素部10から列単位で出力される各行の画素12の画素信号を対応する行の保持部にて保持する機能を備える。
The data lines 16 of each row are connected to the
読み出し回路部50は、制御パルス生成部80から出力される制御信号を受け、各行の保持部に保持されている画素信号を順次出力回路部90へと出力する。図2の構成例におけるその他の構成は、図1の構成例と同様であり得る。
The
各々の画素12は、図3に示すように、光電変換部20と、画素信号処理部30(信号処理回路)と、を有する。光電変換部20は、光子検知素子22と、クエンチ素子24と、を有する。画素信号処理部30は、波形整形部32と、デジタル処理回路34と、画素出力回路36と、を有する。
Each
光子検知素子22は、アバランシェフォトダイオード(以下、「APD」と表記する)であり得る。光子検知素子22を構成するAPDのアノードは、電圧VLが供給されるノードに接続されている。光子検知素子22を構成するAPDのカソードは、クエンチ素子24の一方の端子に接続されている。光子検知素子22とクエンチ素子24との接続ノードが、光電変換部20の出力ノードである。クエンチ素子24の他方の端子は、電圧VLよりも高い電圧VHが供給されるノードに接続されている。電圧VL及び電圧VHは、APDがアバランシェ増倍動作をするに十分な逆バイアス電圧が印加されるように設定されている。一例では、電圧VLとして負の高電圧が与えられ、電圧VHとして電源電圧程度の正電圧が与えられる。例えば、電圧VLは-30Vであり、電圧VHは1Vである。
The
光子検知素子22は、前述のようにAPDにより構成され得る。アバランシェ増倍動作をするに十分な逆バイアス電圧をAPDに供給した状態とすることで、APDへの光入射によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ増倍電流が発生する。APDに逆バイアス電圧を供給した状態における動作モードには、ガイガーモードとリニアモードとがある。ガイガーモードは、アノードとカソードとの間に印加する電圧をAPDの降伏電圧よりも大きい逆バイアス電圧とする動作モードである。リニアモードは、アノードとカソードとの間に印加する電圧をAPDの降伏電圧近傍又はそれ以下の逆バイアス電圧とする動作モードである。ガイガーモードで動作させるAPDは、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)と呼ばれる。光子検知素子22を構成するAPDは、リニアモードで動作するようにしてもよいし、ガイガーモードで動作するようにしてもよい。特に、SPADはリニアモードのAPDに比べて電位差が大きくなり耐圧の効果が顕著となるため好ましい。
The
クエンチ素子24は、光子検知素子22で生じたアバランシェ増倍電流の変化を電圧信号に変換する機能を備える。また、クエンチ素子24は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路(クエンチ回路)として機能し、光子検知素子22に印加される電圧を低減してアバランシェ増倍を抑制する機能を備える。クエンチ素子24がアバランシェ増倍を抑制する動作は、クエンチ動作と呼ばれる。また、クエンチ素子24は、クエンチ動作によって電圧降下した分の電流を流すことにより、光子検知素子22に供給する電圧を電圧VHへと戻す機能を備える。クエンチ素子24が光子検知素子22に供給する電圧を電圧VHへと戻す動作は、リチャージ動作と呼ばれる。クエンチ素子24は、抵抗素子やMOSトランジスタなどにより構成され得る。
The quenching
波形整形部32は、光電変換部20の出力信号が供給される入力ノードと、出力ノードと、を有する。波形整形部32は、光電変換部20から供給されるアナログ信号をパルス信号に変換する機能を備える。図3に示されているように、波形整形部32は、インバータ回路などにより構成され得る。波形整形部32の出力ノードは、デジタル処理回路34に接続されている。
The
デジタル処理回路34は、波形整形部32の出力信号が供給される入力ノードと、制御線14に接続された入力ノードと、出力ノードと、を有する。デジタル処理回路34は、後述するカウンタを有する。カウンタは、波形整形部32から出力される信号に重畳するパルスのカウントを行い、カウントの結果であるカウント値を保持する機能を備える。垂直走査回路部40から制御線14を介してデジタル処理回路34に供給される信号には、パルスのカウント期間(露光期間)を制御するためのタイマクロック信号などが含まれ得る。デジタル処理回路34の出力ノードは、画素出力回路36を介してデータ線16に接続されている。
The
画素出力回路36は、デジタル処理回路34とデータ線16との間の電気的な接続状態(接続又は非接続)を切り替える機能を備える。画素出力回路36は、垂直走査回路部40から制御線14を介して供給される制御信号(図2の構成例にあっては、水平走査回路部60から制御線18を介して供給される制御信号)に応じて、デジタル処理回路34とデータ線16との間の接続状態を切り替える。画素出力回路36は、信号を出力するためのバッファ回路を含み得る。
The
画素12は、典型的には、画像を形成するための画素信号を出力する単位構造体である。ただし、TOF(Time of Flight)方式を用いた測距などを目的とする場合にあっては、画素12は、必ずしも画像を形成するための画素信号を出力する単位構造体である必要はない。すなわち、画素12は、光が到達した時刻と光量とを測定するための信号を出力する単位構造体でもあり得る。
A
なお、画素信号処理部30は、必ずしも各々の画素12に1つずつ設けられている必要はなく、複数の画素12に対して1つの画素信号処理部30を設けるようにしてもよい。この場合、1つの画素信号処理部30を用い、複数の画素12の信号処理を順次実行することができる。
One pixel
本実施形態による光電変換装置100は、1枚の基板に形成してもよいし、複数の基板を積層した積層型の光電変換装置として構成してもよい。後者の場合、例えば図4に示すように、センサ基板110と回路基板120とを積層して電気的に接続した積層型の光電変換装置として構成可能である。センサ基板110には、画素12の構成要素のうち少なくとも光子検知素子22を配置することができる。また、回路基板120には、画素12の構成要素のうち、クエンチ素子24と画素信号処理部30とを配置することができる。光子検知素子22とクエンチ素子24及び画素信号処理部30とは、画素12毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。また、回路基板120には、垂直走査回路部40、読み出し回路部50、水平走査回路部60、制御パルス生成部80、出力回路部90等を更に配置することができる。
The
各画素12の光子検知素子22とクエンチ素子24及び画素信号処理部30とは、平面視において重なるようにセンサ基板110と回路基板120とに設けられる。垂直走査回路部40、読み出し回路部50、水平走査回路部60、制御パルス生成部80、出力回路部90は、複数の画素12により構成される画素部10の周囲に配置することができる。
The
なお、本明細書において「平面視」とは、センサ基板110の光入射面に対して垂直な方向から視ることを指す。
In this specification, “planar view” refers to viewing from a direction perpendicular to the light incident surface of the
積層型の光電変換装置100を構成することにより、素子の集積度を上げ、高機能化を図ることができる。特に、光子検知素子22とクエンチ素子24及び画素信号処理部30とを別々の基板に配置することで、光子検知素子22の受光面積を犠牲にすることなく光子検知素子22を高密度で配置することができ、光子検知効率を向上することができる。
By configuring the stacked
なお、光電変換装置100を構成する基板の数は2枚に限定されるものではなく、3枚以上の基板を積層して光電変換装置100を構成するようにしてもよい。
Note that the number of substrates forming the
また、図4ではセンサ基板110及び回路基板120としてダイシングされたチップを想定しているが、センサ基板110及び回路基板120はチップに限定されるものではない。例えば、センサ基板110及び回路基板120の各々はウェーハであってもよい。また、センサ基板110及び回路基板120は、ウェーハ状態で積層した後にダイシングしてもよいし、各々をチップ化した後に積層・接合してもよい。
In FIG. 4, diced chips are assumed as the
図5は、光電変換部20及び波形整形部32の基本動作を説明する図である。図5(a)は光電変換部20及び波形整形部32の回路図であり、図5(b)は波形整形部32の入力ノード(ノードA)における信号の波形を示し、図5(c)は波形整形部32の出力ノード(ノードB)における信号の波形を示している。なお、ここでは説明の簡略化のため、波形整形部32がインバータ回路により構成されている場合を想定している。
FIG. 5 is a diagram for explaining the basic operations of the
時刻t0において、光子検知素子22には(VH-VL)に相当する電位差の逆バイアス電圧が印加されている。光子検知素子22を構成するAPDのアノードとカソードとの間にはアバランシェ増倍を生じるに十分な逆バイアス電圧が印加されているが、光子検知素子22に光子が入射していない状態ではアバランシェ増倍の種となるキャリアが存在しない。そのため、光子検知素子22においてアバランシェ増倍は起こらず、光子検知素子22に電流は流れない。
At time t0, a reverse bias voltage having a potential difference corresponding to (VH−VL) is applied to the
続く時刻t1において、光子検知素子22に光子が入射したものとする。光子検知素子22に光子が入射すると、光電変換によって電子-正孔対が生成され、これらキャリアを種としてアバランシェ増倍が生じ、光子検知素子22にアバランシェ増倍電流が流れる。このアバランシェ増倍電流がクエンチ素子24を流れることによりクエンチ素子24による電圧降下が生じ、ノードAの電圧が降下し始める。ノードAの電圧降下量が大きくなり、時刻t3においてアバランシェ増倍が停止すると、ノードAの電圧レベルはそれ以上降下しなくなる。
It is assumed that a photon is incident on the
光子検知素子22におけるアバランシェ増倍が停止すると、電圧VLが供給されるノードから光子検知素子22を介してノードAに電圧降下分を補う電流が流れ、ノードAの電圧は徐々に増加する。その後、時刻t5においてノードAは元の電圧レベルに整定する。
When the avalanche multiplication in the
波形整形部32は、ノードAから入力される信号を所定の判定閾値に応じて二値化し、ノードBから出力する。具体的には、波形整形部32は、ノードAの電圧レベルが判定閾値を超えているときはノードBからローレベルの信号を出力し、ノードAの電圧レベルが判定閾値以下のときはノードBからハイレベルの信号を出力する。例えば、図5(b)に示すように、時刻t2から時刻t4の期間においてノードAの電圧が判定閾値以下であるとする。この場合、図5(c)に示すように、ノードBにおける信号レベルは、時刻t0から時刻t2の期間及び時刻t4から時刻t5の期間においてローレベルとなり、時刻t2から時刻t4の期間においてハイレベルとなる。
こうして、ノードAから入力されたアナログ信号は、波形整形部32によってデジタル信号へと波形整形される。光子検知素子22への光子の入射に応じて波形整形部32から出力されるパルス信号が、光子検知パルス信号である。
Thus, the analog signal input from the node A is waveform-shaped by the
図6は、画素12の構成をより詳細に説明する図である。図6の説明において、図3又は図5と重複する部分の説明は省略又は簡略化する。デジタル処理回路34は、カウンタ342と、閾値判定部344と、露光制御部346と、を有している。
FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the
カウンタ342は、上述のように、光子検知素子22に入射された光子に基づくパルスのカウントを行い、カウントの結果であるカウント値を保持する。カウント値を保持するため、カウンタ342は、複数ビットのデジタル信号を保持可能なビットメモリを有している。カウンタ342に保持されたカウント値は、画素出力回路36を介してカウント値CNTとしてデータ線16に出力される。カウンタ342に保持されたカウント値は、閾値判定部344にも出力される。また、カウンタ342は、露光制御部346から入力されるリセット信号RESのパルスに応じたタイミングで保持しているカウント値を初期値にリセットする。
As described above, the
閾値判定部344は、カウンタ342から入力されたカウント値と所定の閾値とに基づいて、イベント検知結果の判定を行う機能を有する。閾値判定部344は、デジタル信号であるカウント値に基づく比較処理を行うことができるように構成されたデジタル回路であり得る。閾値判定部344は、判定結果を示すイベント検知結果信号EDRを画素信号処理部30の外部に出力する。このイベント検知結果信号EDRは、光電変換装置100内での処理に用いられてもよく、他の画素12に供給されてもよく、光電変換装置100外部での信号処理に用いられてもよい。また、閾値判定部344は、イベント検知結果信号EDRを露光制御部346に出力する。
The
なお、この処理で判定されるイベントとは、画素12の光子検知素子22に入射される光の光量が所定の条件を満たすことを意味する。この所定の条件とは、例えば、光量が所定の閾値を超えたことであってもよく、光量の変化量が所定の閾値を超えたことであってもよい。本実施形態の光電変換装置100は、カウント値と閾値とに基づいてこのイベントを検知し、画素12の状態を遷移させる機能を有している。
The event determined by this process means that the amount of light incident on the
露光制御部346は、イベント検知結果信号EDRに基づいてカウンタ342におけるカウント期間の長さ(露光時間)を変化させる機能を有する。露光制御部346は、タイマクロック信号TCLKをカウントするカウンタを含むデジタル回路であり得る。露光制御部346には、垂直走査回路部40、制御パルス生成部80又は光電変換装置100の外部からタイマクロック信号TCLKが入力される。露光制御部346は、タイマクロック信号TCLKのパルス数をカウントする。露光制御部346は、カウントされたパルス数が所定の閾値に達したときに、カウンタ342に保持されているカウント値をリセットするためのリセット信号RESのパルスをカウンタ342に出力する。露光制御部346は、イベント検知結果信号EDRに基づいてタイマクロック信号TCLKのパルス数のカウント閾値を変えることにより、カウント期間の長さを変化させることができる。
The
図7及び図8を相互に参照しつつ、イベント検知時における画素12の駆動方法を説明する。図7は、初期状態であるイベント検知状態(第1状態)において、ある1つの画素12がイベントを検知して撮像状態(第2状態)に遷移するまでの処理を示しているフローチャートである。図8は、図7の処理の過程における各信号のレベル等を示している。図8には、カウント値CNT、リセット信号RES、イベント検知結果信号EDR及びタイマクロック信号TCLKが示されている。
A method of driving the
ステップS11において、光電変換装置100内の各画素12は、イベント検知状態に設定されている。イベント検知状態とは、通常の撮像状態よりも消費電力を抑えた状態で入射光に基づく画素信号を取得するモードである。イベント検知状態で取得された画素信号は、主として撮像状態への遷移の可否の判定に用いられる。図8における時刻t12以前の期間は、各画素12がイベント検知状態である期間である。図8の期間T1は、リセット信号RESにより、時刻t11においてカウンタ342がリセットされてから、時刻t12において次にカウンタ342がリセットされるまでのカウント期間である。画素12は、1つのカウント期間が経過するごとに、そのカウント期間内に光子検知素子22に入射された光子に基づくカウント値を1つ出力する。例えば、期間T1の経過後には、期間T1内に検出された光子に基づくカウント値C2が画素12から出力される。このように、画素12は、カウント期間が経過するごとにカウント値を繰り返し出力する。
In step S11, each
ステップS12において、所定の画素12のカウンタ342においてカウント値が取得され、その画素の閾値判定部344にカウント値が入力される。ステップS12においてカウント値が取得される画素12は、画素部10のうちのすべての画素12であってもよく、その一部の画素12であってもよく、1つの画素12であってもよい。また、カウント値が取得される画素12は、画素部10のうちから順次選択されてもよい。
In step S12, the count value is acquired by the
ステップS13において、閾値判定部344は、カウント値が所定の閾値を超えているか否かを判定する。カウント値が所定の閾値を超えている場合(ステップS13におけるYES)、イベントが検知されたものとして、処理はステップS14に移行する。カウント値が所定の閾値を超えていない場合(ステップS13におけるNO)、イベントが検知されなかったものとして、処理はステップS12に戻り、イベント検知状態が継続する。なお、図8には、時刻t11においてカウント値C2が閾値を超えていないと判定され、時刻t12においてカウント値C2が閾値を超えていると判定された場合の動作タイミングが示されている。
In step S13, the
ステップS14において、閾値判定部344は、カウント値が所定の閾値を超えたことの判定結果に応じて、イベント検知結果信号EDRをハイレベルにする。この処理は図8の時刻t12に相当する。露光制御部346は、イベント検知結果信号EDRに基づいて、リセット信号RESのパルスの間隔を変化させる。これにより、カウンタ342におけるリセットの周期が変化し、カウント期間が変化する。以上のようにして、当該画素12は、イベント検知状態から撮像状態に遷移する。図8における時刻t12以降の期間は、各画素12が撮像状態である期間である。図8の期間T2は、リセット信号RESにより、時刻t12においてカウンタ342がリセットされてから、時刻t13において次にカウンタ342がリセットされるまでのカウント期間である。図8に示されているように、撮像状態におけるカウント期間である期間T2の長さは、イベント検知状態におけるカウント期間である期間T1の長さよりも短い。時刻t12以降の時刻t13、t14等においても撮像状態による動作が継続する。
In step S14, the
なお、ステップS14において撮像状態に遷移する画素12は、閾値を超えたと判定された1つの画素12のみであってもよく、その周辺の画素を含む一群の画素12であってもよく、画素部10内のすべての画素12であってもよい。閾値を超えたと判定された1つの画素12のみが撮像状態に遷移する構成は、低消費電力化の観点において望ましい。これに対し、画素部10内のすべての画素12が撮像状態に遷移する構成は、画素部10の全領域が高速に撮像可能な状態に遷移できるという観点において望ましい。一群の画素12が撮像状態に遷移する構成は、低消費電力化と処理の高速化のバランスの観点で望ましい。このように、ステップS14において撮像状態に遷移する画素12の個数は要求仕様等に応じて適宜選択可能である。
Note that the
以上のように、本実施形態の光電変換装置100は、カウント値と所定の閾値とに基づく判定を行った結果に応じて、イベント検知状態から撮像状態に遷移する画素12を含む。この構成による効果について説明する。非同期型の光電変換装置100においては、消費電力の低減が求められている。特に、光電変換装置100が電池駆動のように電力供給が制限された環境で用いられる場合には低消費電力化の要求が強い。本実施形態では、図8に示されているように、イベント検知状態において、撮像状態と比べてカウント期間が長く設定されている。これにより、カウント信号の出力頻度が低減され、イベント検知状態における光電変換装置100の消費電力が低減される。
As described above, the
特許文献2に開示されているようなイベント検出用の検出画素では、検出画素自体の消費電力を低減することについては考慮されていない。しかしながら、本実施形態の光電変換装置100では、各画素12がイベント検知状態及び撮像状態で動作可能であるため、イベント検知に用いられる画素自体の消費電力が低減される。
A detection pixel for event detection as disclosed in Patent Document 2 does not consider reducing the power consumption of the detection pixel itself. However, in the
以上のように、本実施形態によれば、消費電力が低減された光電変換装置100が提供される。
As described above, according to the present embodiment, the
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による光電変換装置について、図9及び図10を用いて説明する。図9は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示すブロック図である。図10は、本実施形態による光電変換装置における画素の駆動方法の例を示すタイミング図である。
[Second embodiment]
A photoelectric conversion device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a pixel of the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 10 is a timing chart showing an example of a pixel driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment.
本実施形態の光電変換装置は、クエンチ素子24がPMOSトランジスタであり、クエンチ素子24を非動作状態にすることができる点が第1実施形態の光電変換装置と異なっている。
The photoelectric conversion device of the present embodiment differs from the photoelectric conversion device of the first embodiment in that the quench
図9に示されているように、光電変換部20は、クエンチ素子24の一例として、クエンチトランジスタM1を有している。クエンチトランジスタM1は、PMOSトランジスタである。また、画素12は、クエンチトランジスタM1を制御する画素制御部42を有している。
As shown in FIG. 9, the
クエンチトランジスタM1のドレインは、光子検知素子22を構成するAPDのカソードに接続されている。クエンチトランジスタM1のソースは、電圧VHが供給されるノードに接続されている。クエンチトランジスタM1のゲートは、画素制御部42に接続されている。本実施形態では、露光制御部346は、画素制御部42に制御信号PENを出力する。画素制御部42は、制御信号PENに基づいてクエンチトランジスタM1のゲートに供給される電圧のレベルを変化させることにより、クエンチトランジスタM1をオン又はオフに制御する。画素制御部42は、例えば、インバータ回路を含み得る。
The drain of the quench transistor M1 is connected to the cathode of the APD that constitutes the
図10を参照しつつイベント検知時における画素12の駆動方法を説明する。駆動方法のフローは図7と同様であるため説明を省略する。図10には、図8と同様の信号に加えて、制御信号PENが示されている。
A method of driving the
時刻t21以前の期間、時刻t22から時刻t24の期間及び時刻t25以降の期間においては制御信号PENがハイレベルである。これらの期間において、クエンチトランジスタM1は、オンに制御されており、カウント値CNTが順次出力されている。また、時刻t21から時刻t22の期間及び時刻t24から時刻t25の期間においては制御信号PENがローレベルである。これらの期間において、クエンチトランジスタM1は、オフに制御されており、カウント値CNTの出力が停止されている。このように、一部の期間でカウント値CNTの出力を停止するような間引き動作が行われることにより、消費電力が低減される。 The control signal PEN is at high level during the period before time t21, the period from time t22 to time t24, and the period after time t25. During these periods, the quench transistor M1 is controlled to be ON, and the count value CNT is sequentially output. The control signal PEN is at low level during the period from time t21 to time t22 and the period from time t24 to time t25. During these periods, the quench transistor M1 is controlled to be off, and the output of the count value CNT is stopped. In this way, power consumption is reduced by performing a thinning operation that stops the output of the count value CNT during a part of the period.
また、図10には、時刻t21においてカウント値C1が閾値を超えていないと判定され、時刻t23においてカウント値C2が閾値を超えていると判定された場合の動作タイミングが示されている。したがって、時刻t23以前の期間においてイベント検知結果信号EDRはローレベルであり、時刻t23以降の期間においてイベント検知結果信号EDRはハイレベルである。すなわち、時刻t23以前の期間において画素12はイベント検知状態であり、時刻t23以降の期間において画素12は撮像状態である。
FIG. 10 also shows the operation timing when it is determined that the count value C1 does not exceed the threshold at time t21, and that the count value C2 exceeds the threshold at time t23. Therefore, the event detection result signal EDR is at low level during the period before time t23, and is at high level during the period after time t23. That is, the
図10に示されているように、撮像状態におけるカウント信号の停止期間である期間T4の長さは、イベント検知状態におけるカウント信号の停止期間である期間T3の長さよりも短い。すなわち、撮像状態におけるカウント期間の間隔は、イベント検知状態におけるカウント期間の間隔よりも短い。 As shown in FIG. 10, the length of the period T4, which is the stop period of the count signal in the imaging state, is shorter than the length of the period T3, which is the stop period of the count signal in the event detection state. That is, the count period interval in the imaging state is shorter than the count period interval in the event detection state.
本実施形態においては、図10に示されているように、イベント検知状態において、撮像状態と比べてカウント期間の間隔が長く設定されている。これにより、第1実施形態と同様にイベント検知状態におけるカウント信号の出力頻度が低減され、イベント検知状態における光電変換装置100の消費電力が低減される。
In this embodiment, as shown in FIG. 10, the interval of the count period is set longer in the event detection state than in the imaging state. As a result, the output frequency of the count signal in the event detection state is reduced as in the first embodiment, and the power consumption of the
以上のように、本実施形態によれば、消費電力が低減された光電変換装置100が提供される。
As described above, according to the present embodiment, the
なお、図10の例では、イベント検知状態と撮像状態の間でカウント期間の長さは同一である。しかしながら、第1実施形態のようにイベント検知結果信号EDRに基づいてカウント期間の長さを変化させることにより、イベント検知状態と撮像状態のカウント期間の長さを異ならせてもよい。 Note that in the example of FIG. 10, the length of the count period is the same between the event detection state and the imaging state. However, as in the first embodiment, by changing the length of the count period based on the event detection result signal EDR, the length of the count period in the event detection state and the imaging state may be made different.
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による光電変換装置について、図11乃至図13を用いて説明する。図11は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示すブロック図である。図12は、本実施形態による光電変換装置における画素の駆動方法の例を示すタイミング図である。図13は、本実施形態による光電変換装置における画素の駆動方法の変形例を示すタイミング図である。
[Third embodiment]
A photoelectric conversion device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 13. FIG. FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of a pixel of the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 12 is a timing chart showing an example of a pixel driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 13 is a timing chart showing a modification of the pixel driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment.
本実施形態の光電変換装置には、第2実施形態と同様にクエンチ素子24としてクエンチトランジスタM1が配されている。そして、クエンチトランジスタM1のゲートにパルス信号が入力されることにより、パルス信号の周波数で繰り返しリチャージ動作が行われる点が第2実施形態の光電変換装置と異なっている。
In the photoelectric conversion device of this embodiment, a quench transistor M1 is arranged as the quench
図11に示されているように、光電変換部20は、クエンチ素子24の一例として、クエンチトランジスタM1を有している。クエンチトランジスタM1は、PMOSトランジスタである。また、画素12は、クエンチトランジスタM1を制御するパルス生成部44を有している。
As shown in FIG. 11, the
クエンチトランジスタM1のゲートは、パルス生成部44に接続されている。本実施形態では、閾値判定部344は、パルス生成部44にイベント検知結果信号EDRを出力する。パルス生成部44は、クエンチトランジスタM1のゲートにパルス信号を出力することにより、クエンチトランジスタM1のオン及びオフをパルス信号の周波数で切り替える。これにより、クエンチトランジスタM1は、光子検知素子22を構成するAPDのカソードのノードの電圧を戻すリチャージ動作をパルス信号の周波数にて行うことができる。パルス生成部44は、例えば、光電変換装置100内のクロック信号を分周することにより可変の周波数のパルス信号を生成する分周回路等を含み得る。また、パルス生成部44は、イベント検知結果信号EDRに基づいて、出力するパルス信号の周波数を変えることができる。
A gate of the quench transistor M1 is connected to the
上述の構成による光電変換装置100においては、リチャージ動作が行われてから次にリチャージ動作が行われるまでの光子検出待機期間に光子検知素子22に少なくとも1つの光子が入射されると、カウンタ342に保持されているカウント値が1つ増加する。光子検出待機期間に光子検知素子22に1つも光子が入射されなかった場合には、カウンタ342に保持されているカウント値は増加しない。このように、カウンタ342は、複数の光子検出待機期間のうち、光子が入射されアバランシェ増倍が生じた期間の数をカウントすることができる。パルス信号の周波数に応じて光子検出待機期間の数と1つの光子検出待機期間の長さが変わるため、パルス信号の周波数を変化させることにより、カウンタ342による光子カウントの頻度が変化する。
In the
図12を参照しつつイベント検知時における画素12の駆動方法を説明する。駆動方法のフローは図7と同様であるため説明を省略する。図12には、図8と同様の信号に加えて、パルス信号PLが示されている。
A method of driving the
図12には、時刻t31においてカウント値C1が閾値を超えていないと判定され、時刻t32においてカウント値C2が閾値を超えていると判定された場合の動作タイミングが示されている。したがって、時刻t32以前の期間においてイベント検知結果信号EDRはローレベルであり、時刻t32以降の期間においてイベント検知結果信号EDRはハイレベルである。すなわち、時刻t32以前の期間において画素12はイベント検知状態であり、時刻t32以後の期間において画素12は撮像状態である。図12に示されているように、撮像状態におけるパルス信号PLの周波数は、イベント検知状態におけるパルス信号PLの周波数よりも高い。
FIG. 12 shows operation timings when it is determined that the count value C1 does not exceed the threshold at time t31 and that the count value C2 exceeds the threshold at time t32. Therefore, the event detection result signal EDR is at low level during the period before time t32, and is at high level during the period after time t32. That is, the
本実施形態においては、図12に示されているように、イベント検知状態において、撮像状態と比べてパルス信号PLの周波数が低く設定されている。これにより、イベント検知状態におけるカウントの頻度が低減され、イベント検知状態における光電変換装置100の消費電力が低減される。
In this embodiment, as shown in FIG. 12, the frequency of the pulse signal PL is set lower in the event detection state than in the imaging state. As a result, the frequency of counting in the event detection state is reduced, and the power consumption of the
以上のように、本実施形態によれば、消費電力が低減された光電変換装置100が提供される。
As described above, according to the present embodiment, the
また、撮像状態に遷移した後は、パルス信号PLの周波数を高くすることにより、光子のカウント周期を短くすることができる。これにより、暗所での監視状態における発光の検知等の、光量が短時間に変化するような状況に対応した撮像が可能となる。 Further, after transitioning to the imaging state, the frequency of the pulse signal PL can be increased to shorten the photon counting cycle. As a result, it is possible to capture an image corresponding to a situation in which the amount of light changes in a short period of time, such as detection of light emission in a monitoring state in a dark place.
なお、図12の例では、イベント検知状態と撮像状態の間でカウント期間の長さは同一である。しかしながら、第1実施形態のようにイベント検知結果信号EDRに基づいてカウント期間の長さを変化させることにより、イベント検知状態と撮像状態のカウント期間の長さを異ならせてもよい。 Note that in the example of FIG. 12, the length of the count period is the same between the event detection state and the imaging state. However, as in the first embodiment, by changing the length of the count period based on the event detection result signal EDR, the length of the count period in the event detection state and the imaging state may be made different.
次に、図13を参照して、本実施形態の変形例を説明する。図12の例では、時刻t32においてパルス信号PLの周波数を変化させたときに、パルス信号PLのパルス幅とパルス周期が同一の比率で変化している。言い換えるとパルス信号PLのデューティー比が一定である。このような周波数の変化は比較的単純な分周回路により実現可能であるため、パルス生成部44の回路構成の単純化の観点では望ましい。しかしながら、パルス信号PLは、デューティー比が一定であるものに限られない。
Next, a modification of this embodiment will be described with reference to FIG. In the example of FIG. 12, when the frequency of the pulse signal PL is changed at time t32, the pulse width and pulse period of the pulse signal PL change at the same ratio. In other words, the duty ratio of pulse signal PL is constant. Since such a frequency change can be realized by a relatively simple frequency dividing circuit, it is desirable from the viewpoint of simplification of the circuit configuration of the
図13の例では、パルス信号PLの周波数を変化させたときに、イベント検知状態と撮像状態の間でパルス信号PLのローレベルの期間の長さが同一である。上述のように、パルス信号のローレベルの期間は、クエンチトランジスタM1がオンになるリチャージ期間である。これにより、リチャージ動作の期間の長さが一定となり、リチャージ動作が安定化する。したがって、図13の変形例においては、信号品質が向上し得る。なお、クエンチトランジスタM1がNMOSである場合等、パルス信号PLがハイレベルのときにリチャージ動作が行われる構成であってもよい。その場合には、イベント検知状態と撮像状態の間でパルス信号PLのハイレベルの期間の長さを同一とすることが望ましい。 In the example of FIG. 13, when the frequency of the pulse signal PL is changed, the length of the low level period of the pulse signal PL is the same between the event detection state and the imaging state. As described above, the low level period of the pulse signal is the recharge period during which the quench transistor M1 is turned on. As a result, the length of the period of the recharge operation becomes constant, and the recharge operation is stabilized. Therefore, in the variant of FIG. 13, the signal quality can be improved. Note that the recharge operation may be performed when the pulse signal PL is at a high level, such as when the quench transistor M1 is an NMOS. In that case, it is desirable to make the length of the high level period of the pulse signal PL the same between the event detection state and the imaging state.
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による光電変換装置について、図14を用いて説明する。図14は、本実施形態による光電変換装置における画素の駆動方法の例を示すフローチャートである。
[Fourth embodiment]
A photoelectric conversion device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a flowchart showing an example of a pixel driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment.
本実施形態の光電変換装置は、撮像状態への遷移の判定がカウント値の変化量に基づいて行われる点が第1実施形態と異なっている。その他の回路構成、駆動方法については第1実施形態乃至第3実施形態のいずれかが適用可能であるため説明を省略する。 The photoelectric conversion device of this embodiment differs from that of the first embodiment in that the transition to the imaging state is determined based on the amount of change in the count value. Since any one of the first to third embodiments can be applied to other circuit configurations and driving methods, description thereof will be omitted.
図14を参照しつつ、イベント検知時における画素12の駆動方法を説明する。ステップS11、S12、S14の動作は図7と同様であるため説明を省略する。ステップS15において、閾値判定部344は、カウント値の時間変化が所定の閾値を超えているか否かを判定する。ここで時間変化とは、本判定がn回目のカウント期間に出力されたカウント値に対して行われるものであるとすると、n回目のカウント期間のカウント値から(n-1)回目のカウント期間のカウント値を減算して得られるカウント値の差分であり得る。カウント値が所定の閾値を超えている場合(ステップS15におけるYES)、イベントが検知されたものとして、処理はステップS14に移行する。カウント値が所定の閾値を超えていない場合(ステップS15におけるNO)、イベントが検知されなかったものとして、処理はステップS12に戻り、イベント検知状態が継続する。なお、上述のような差分処理を実現するため、閾値判定部344は、前回のカウント期間に出力されたカウント値を記憶するメモリを含み得る。
A method of driving the
以上のように、本実施形態の光電変換装置100は、カウント値の時間変化と所定の閾値とに基づく判定を行った結果に応じて、イベント検知状態から撮像状態に遷移する画素12を含む。非同期型の光電変換装置100においては、物体の輝度自体よりも、輝度の時間変化が重要である場合がある。そのような場合の例としては、静止している対象物を光電変換装置100により監視している際に、対象物の動きを検知するといった状況が挙げられる。本実施形態では、カウント値の時間変化を判定基準に用いているため、上述のような状況において、より適切に判定を行うことができる。したがって、本実施形態によれば、より適切な判定を行い得る光電変換装置100が提供される。
As described above, the
上述の説明では時間変化の算出例として、n回目のカウント期間のカウント値とn-1回目のカウント期間のカウント値を用いる例を示しているが、n-2回目以前のカウント期間のカウント値を更に用いてもよい。 In the above description, as an example of calculating the time change, an example using the count value in the n-th count period and the count value in the (n-1)th count period is shown. may also be used.
なお、物体の輝度自体が重要な場合には、図14のようなカウント値の時間変化に基づく判定基準よりも、図7のようなカウント値自体に基づく判定基準の方が望ましい場合もある。図7のようにカウント値と閾値との比較による判定を行うことで、撮像環境の明るさをイベントとして検知する等の状況においてはより適切に判定を行うことができる。 If the brightness of the object itself is important, the determination criterion based on the count value itself as shown in FIG. 7 may be preferable to the determination criterion based on the time change of the count value as shown in FIG. By performing determination by comparing the count value and the threshold value as shown in FIG. 7, it is possible to perform more appropriate determination in situations such as detecting the brightness of the imaging environment as an event.
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による光電変換装置について、図15乃至図17を用いて説明する。図15は、本実施形態による光電変換装置における画素の配置及び駆動順序の例を示す模式図である。図16は、本実施形態による光電変換装置における画素の駆動方法の例を示すタイミング図である。図17は、本実施形態による光電変換装置における画素の駆動方法の変形例を示すタイミング図である。
[Fifth embodiment]
A photoelectric conversion device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 to 17. FIG. FIG. 15 is a schematic diagram showing an example of pixel arrangement and driving order in the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 16 is a timing chart showing an example of a pixel driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 17 is a timing chart showing a modification of the pixel driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment.
本実施形態の光電変換装置は、イベント検知の処理が行われる画素12の選択方法に関する構成例である。その他の回路構成、駆動方法については第1実施形態乃至第4実施形態のいずれかが適用可能であるため説明を省略する。
The photoelectric conversion device of this embodiment is a configuration example related to a method of selecting the
図15は、画素部10における画素12の配置とイベント検知状態における駆動順序を模式的に示している。図15には、説明を単純化するために4行×4列の画素12のみが示されているがこれは例示であり、実際はこれよりも多い行数及び列数であってもよい。図15の画素12を示すボックス内に記された(PDEN11)等は、各画素12からカウント値を出力させるための制御信号を示している。制御信号名の末尾の「11」等の2桁の数値は行番号及び列番号をそれぞれ示している。図15の画素12を示すボックス上に示されている矢印は、画素12の走査順序を示している。すなわち、本実施形態のイベント検知状態における駆動順序は、1行1列の画素12→1行2列の画素12→1行3列の画素12→1行4列の画素12→2行1列の画素12→…のようになっている。このように、本実施形態においては、駆動順序が複数の画素12の配列に応じた順序となっている。
FIG. 15 schematically shows the arrangement of the
なお、カウント値を出力する画素12の選択は、垂直走査回路部40から出力される制御信号と水平走査回路部60から出力される制御信号との2種類の制御信号の組み合わせにより行われ得る。しかしながら、本実施形態においては単純化のため、1つの制御信号により画素12からの信号出力が制御されるものとして各図に制御信号を表記している。
Selection of the
図16は、図15の読み出し順序を実現する制御信号PDEN11、PDEN12、PDEN13、PDEN14のレベルとカウント値CNTが示されている。なお、図16の全期間において、各画素12はイベント検知状態であるものとする。時刻t41以前の期間において、制御信号PDEN11がハイレベルになり、1行1列の画素12が有効化される。時刻t41において、1行1列の画素12からカウント値C11が出力される。なお、カウント値の末尾の「11」等の2桁の数値は行番号及び列番号をそれぞれ示している。このとき、上述の実施形態で述べたものと同様の手法により、カウント値C11に基づくイベント検知の判定が行われる。時刻t41から時刻t42の期間において、制御信号PDEN12がハイレベルになり、1行2列の画素12が有効化される。時刻t42において、1行2列の画素12からカウント値C12が出力される。このとき、上述の実施形態で述べたものと同様の手法により、カウント値C11に基づくイベント検知の判定が行われる。以降も同様にして、カウント期間が経過するごとに、順次、対応する画素12においてカウント値の出力と判定が行われる。
FIG. 16 shows the levels of the control signals PDEN11, PDEN12, PDEN13 and PDEN14 and the count value CNT for realizing the read order of FIG. It is assumed that each
本実施形態によれば、同時に動作する画素12の数を少なく抑えることで消費電力を低減しつつ、画素部10の複数の画素12全体を順番に動作させることにより画素部10の全体をカバーした判定を行うことができる。これにより、消費電力の低減と高精度なイベント検知が両立された光電変換装置100が提供される。
According to this embodiment, the
図17は、図15及び図16の駆動順序の変形例である。図17に示されるように、本変形例における駆動順序は、1行1列の画素12→1行3列の画素12→1行4列の画素12→1行2列の画素12→…のようになっている。このように、本実施形態においては、駆動順序が複数の画素12の配列に対してランダムな順序となっている。なお、図17の例では1行の中での順序がランダムとなっている例を示しているが、行と列の両方がランダムになっていてもよい。
FIG. 17 is a modification of the driving order of FIGS. 15 and 16. In FIG. As shown in FIG. 17, the driving order in this modified example is as follows:
入射される光子の数が少ない暗所等の撮影環境においては、イベントを検知可能な画素部10の領域が極めて狭い場合がある。このような場合に、図15の例のように、画素12の配列に沿って順次走査を行うと、イベントを検知できる確率が低くなる場合があり得る。本変形例のように順序をランダムにすることで、イベントを検知可能な画素部10の領域が狭い場合における検知確率を向上させることができる。
In a shooting environment such as a dark place where the number of incident photons is small, the area of the
[第6実施形態]
本発明の第6実施形態による光電変換装置について、図18を用いて説明する。図18は、本実施形態による光電変換装置における画素の配置及び駆動方法の例を示す模式図である。
[Sixth embodiment]
A photoelectric conversion device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a schematic diagram showing an example of pixel arrangement and driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment.
本実施形態の光電変換装置は、イベント検知の処理が行われる画素12の選択方法に関する構成例である。その他の回路構成、駆動方法については第1実施形態乃至第5実施形態のいずれかが適用可能であるため説明を省略する。
The photoelectric conversion device of this embodiment is a configuration example related to a method of selecting
図18は、画素部10における画素12の配置と、イベント検知状態における動作の有無を模式的に示している。図18においてハッチングが付されているボックスは、当該画素12において、イベント検知状態ではカウント値の出力及びイベント検知の判定が行われないことを示している。ハッチングが付されていないボックスの画素12は、上述のいずれかの実施形態と同様にして、イベント検知状態におけるカウント値の出力及びイベント検知の判定が行われる。
FIG. 18 schematically shows the arrangement of the
このように、イベント検知状態においては、一部の画素12を間引いてカウント値の出力及びイベント検知の判定が行われることにより、イベント検知の動作の高速化又は低消費電力化が実現される。
In this way, in the event detection state, some
なお、図18において、ハッチングが付されているボックスは、画素部10内にチェッカーパターン状に分布している。このようにカウント値の出力及びイベント検知の判定が行われない画素12を配することにより、イベント検知の処理に用いられる画素12の分布が均一化する。しかしながら、カウント値の出力及びイベント検知の判定が行われない画素12の分布は図18に示すものに限定されるものではない。
In FIG. 18 , hatched boxes are distributed in a checkered pattern within the
[第7実施形態]
本発明の第7実施形態による光電変換装置について、図19乃至図21を用いて説明する。図19は、本実施形態による光電変換装置における画素の配置及び駆動方法の例を示す模式図である。図20は、本実施形態による光電変換装置における駆動方法の例を示すフローチャートである。図21は、本実施形態による光電変換装置における駆動方法の変形例を示すフローチャートである。
[Seventh embodiment]
A photoelectric conversion device according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 to 21. FIG. FIG. 19 is a schematic diagram showing an example of pixel arrangement and driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 20 is a flow chart showing an example of a driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 21 is a flow chart showing a modification of the driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment.
本実施形態の光電変換装置は、イベント検知後のイベント検知状態から撮像状態への遷移の処理に関する構成例である。その他の回路構成、駆動方法については第1実施形態乃至第6実施形態のいずれかが適用可能であるため説明を省略する。 The photoelectric conversion device of this embodiment is a configuration example related to processing of transition from an event detection state to an imaging state after event detection. Since any one of the first to sixth embodiments can be applied to other circuit configurations and driving methods, description thereof will be omitted.
図19は、画素部10における画素12の配置と、イベント検知状態から撮像状態への遷移の有無を模式的に示している。図19の上段は、画素部10内の画素ブロック10aの配置を示している。画素ブロック10aは、所定範囲内の複数の画素12を含む画素群である。図19の下段は、1つの画素ブロック10a内に含まれる複数の画素12の配置を示している。図19の下段の1つの画素ブロック10aにおいてハッチングが付されているボックスは、当該画素12において、判定結果が所定の条件(カウント値>閾値)を満たし、イベント検知の判定がなされたことを示している。図19の画素部10において、ハッチングが付されているボックスは、当該画素ブロック10aに含まれるすべての画素12が撮像状態に遷移することを示している。
FIG. 19 schematically shows the arrangement of the
図20を参照しつつ、イベント検知時における画素12の駆動方法を説明する。ステップS11、S12、S13の動作は図7と同様であるため説明を省略する。ステップS16において、カウント値が閾値を超えていることが検出された所定画素が属する画素ブロック10aとその周辺の画素ブロック10aに含まれるすべての画素12がイベント検知状態から撮像状態に遷移する。これにより、図19に示されているような、所定の条件を満たした画素12を含む画素ブロック10aとそれに隣接する画素ブロック10aが撮像状態に遷移するような駆動がなされる。
A method of driving the
以上のように、本実施形態の光電変換装置100においては、所定の条件を満たした画素12だけでなく、その周辺の画素12もイベント検知状態から撮像状態に遷移する。静止している対象物を光電変換装置100により監視している際に、対象物の動きを検知するといった状況においては、対象物の近傍の情報が重要である。一方、対象物から離れた場所の情報はあまり有用ではない。そのため、対象物に動きがある場合には、対象物の近傍の情報があれば十分である場合もある。本実施形態では、イベント検知の判定がなされた画素12の周辺の画素が撮像状態に遷移することにより、上述のような撮像に有用な領域を撮像状態に遷移させつつ、さほど有用でない領域はイベント検知状態のまま低消費電力な状態を維持することができる。したがって、本実施形態によれば、消費電力の低減と高精度な信号取得が両立された光電変換装置100が提供される。
As described above, in the
図21は、図20の駆動方法の変形例である。図21においては、図20の駆動方法の後にステップS17、S18、S19が追加されている。 FIG. 21 is a modification of the driving method of FIG. In FIG. 21, steps S17, S18, and S19 are added after the driving method of FIG.
ステップS17において、ステップS16において撮像状態に遷移した周辺の画素12のいずれかからカウント値が取得される。このカウント値の取得動作の詳細はステップS12におけるものと同様である。
In step S17, a count value is acquired from any of the surrounding
ステップS18において、閾値判定部344は、周辺画素から取得されたカウント値が所定の閾値を超えているか否かを判定する。カウント値が所定の閾値を超えている場合(ステップS18におけるYES)、イベントが検知されたものとして、処理はステップS19に移行する。カウント値が所定の閾値を超えていない場合(ステップS18におけるNO)、イベントが検知されなかったものとして、処理はステップS17に戻る。
In step S18, the
ステップS19において、画素部10内のすべての画素12がイベント検知状態から撮像状態に遷移する。
In step S19, all the
入射される光子の数が少ない暗所等の撮影環境においては、イベント検知がなされたとしても、それがノイズに起因する誤検出である可能性がある。この状態で全画素を撮像状態に遷移させると、誤検出が生じた場合に電力を浪費するおそれがある。そこで、本変形例では、イベント検知がなされた画素の周辺の画素の情報を更に用いてイベント検知を行うことで、より高精度にイベント検知の判定を行ってから全画素を撮像状態に遷移させる。これにより、誤検出による電力の浪費が生じる可能性を低減することができる。 In a shooting environment such as a dark place where the number of incident photons is small, even if an event is detected, it may be an erroneous detection due to noise. If all the pixels transition to the imaging state in this state, power may be wasted in the event of erroneous detection. Therefore, in this modified example, event detection is performed by further using information of pixels surrounding the pixel for which event detection has been performed, so that event detection is determined with higher accuracy, and then all pixels are transitioned to the imaging state. . This can reduce the possibility of wasting power due to erroneous detection.
[第8実施形態]
本発明の第8実施形態による光電変換装置について、図22及び図23を用いて説明する。図22は、本実施形態による光電変換装置における画素の配置及び駆動方法の例を示す模式図である。図23は、本実施形態による光電変換装置における駆動方法の例を示すフローチャートである。
[Eighth embodiment]
A photoelectric conversion device according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 22 and 23. FIG. FIG. 22 is a schematic diagram showing an example of pixel arrangement and driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment. FIG. 23 is a flow chart showing an example of a driving method in the photoelectric conversion device according to this embodiment.
本実施形態の光電変換装置は、イベント検知後のイベント検知状態から撮像状態への遷移の処理に関する構成例である。その他の回路構成、駆動方法については第1実施形態乃至第7実施形態のいずれかが適用可能であるため説明を省略する。 The photoelectric conversion device of this embodiment is a configuration example related to processing of transition from an event detection state to an imaging state after event detection. Since any one of the first to seventh embodiments can be applied to other circuit configurations and driving methods, description thereof will be omitted.
図22は、画素部10における画素12の配置と、イベント検知状態から撮像状態への遷移の有無を模式的に示している。画素部10及び画素ブロック10a内の画素12の配置等は図19と同様である。図22の下段の1つの画素ブロック10aにおいてハッチングが付されている複数のボックスの各々は、当該画素12において、判定結果が所定の条件(カウント値>閾値)を満たし、イベント検知の判定がなされたことを示している。すなわち、図22の例では、5個の画素12において、イベント検知の判定がなされている。図22の画素部10において、ハッチングが付されているボックスは、当該画素ブロック10aに含まれるすべての画素12が撮像状態に遷移することを示している。
FIG. 22 schematically shows the arrangement of the
図23を参照しつつ、イベント検知時における画素12の駆動方法を説明する。ステップS11、S13の動作は図7と同様であるため説明を省略又は簡略化する。
A method of driving the
ステップS20において、所定の画素ブロック10a内のすべての画素12からカウント値が取得される。その後、ステップS13において、各カウント値が所定の閾値を超えているか否かの判定が行われる。各カウント値に対する判定処理の内容は第1実施形態で述べたものと同様である。少なくとも1つの画素12から出力されたカウント値が所定の閾値を超えている場合(ステップS13におけるYES)、イベントが検知されたものとして、処理はステップS21に移行する。カウント値が所定の閾値を超えていない場合(ステップS13におけるNO)、イベントが検知されなかったものとして、処理はステップS20に戻り、イベント検知状態が継続する。
In step S20, count values are obtained from all
ステップS21において、上述のカウント値の取得及び判定が行われた画素ブロック10a内の各画素は、閾値を超えた画素12の検知数(図22の例では5個)に応じて異なる条件に設定された撮像状態に遷移する。第1実施形態の構成においては、「異なる条件」とは、期間T2の長さを検知数に応じて変えることに相当する。この場合、検知数が多いほど期間T2を短くしてカウント値の出力を高頻度化することにより、出力信号を高精度化することが好適である。第2実施形態の構成においては、「異なる条件」とは、期間T4の長さを検知数に応じて変えることに相当する。この場合、検知数が多いほど期間T4を短くしてカウント値が出力されない期間を短縮することにより、出力信号を高精度化することが好適である。第3実施形態の構成においては、「異なる条件」とは、時刻t32以降の周波数を検知数に応じて変えることに相当する。この場合、検知数が多いほど時刻t32以降の周波数を高く設定して、リチャージ動作の頻度を高くすることにより出力信号を高精度化することが好適である。
In step S21, each pixel in the
以上のように、本実施形態の光電変換装置100においては、画素ブロック10a内の検知数に応じて、画素12の状態が異なる条件に設定された撮像状態に遷移する。検知数が多い領域は、人物が多く集まっている場所等のように他とは異なる条件での撮像が要求される領域であることが多い。そのため、遷移後の撮像状態が検知数に応じて異なる条件に設定されていることが望ましい。本実施形態によれば、より適切な条件での信号取得が可能な光電変換装置100が提供される。
As described above, in the
また、上述のように、検知数が多いほど、遷移後の撮像状態がより高精度化するような条件であることがより望ましい。この例は、例えば、顔認識等のように特定部分の高精度化が要求される撮像環境において更に有効である。 Moreover, as described above, it is more desirable that the condition is such that the higher the number of detections, the higher the accuracy of the imaging state after the transition. This example is more effective in an imaging environment in which high accuracy of a specific portion is required, such as face recognition.
[第9実施形態]
本発明の第9実施形態に係る光検出システムについて、図24を用いて説明する。図24は、本実施形態に係る光検出システムのブロック図である。本実施形態の光検出システムは、入射光に基づく画像を取得する撮像システムである。
[Ninth Embodiment]
A photodetection system according to the ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 24 is a block diagram of a photodetection system according to this embodiment. The photodetection system of this embodiment is an imaging system that acquires an image based on incident light.
上述の実施形態における光電変換装置は種々の撮像システムに適用可能である。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、監視カメラ等があげられる。図24に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。 The photoelectric conversion devices in the above-described embodiments are applicable to various imaging systems. Examples of imaging systems include digital still cameras, digital camcorders, camera heads, copiers, facsimiles, mobile phones, on-vehicle cameras, observation satellites, surveillance cameras, and the like. FIG. 24 shows a block diagram of a digital still camera as an example of an imaging system.
図24に示す撮像システム7は、バリア706、レンズ702、絞り704、撮像装置70、信号処理部708、タイミング発生部720、全体制御・演算部718、メモリ部710、記録媒体制御I/F部716、記録媒体714、外部I/F部712を含む。バリア706はレンズを保護し、レンズ702は被写体の光学像を撮像装置70に結像させる。絞り704はレンズ702を通った光量を可変にする。撮像装置70は上述の実施形態の光電変換装置のように構成され、レンズ702により結像された光学像を画像データに変換する。信号処理部708は撮像装置70より出力された撮像データに各種の補正、データ圧縮等の処理を行う。
The
タイミング発生部720は、撮像装置70及び信号処理部708に、各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部718はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部710は画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御I/F部716は記録媒体714に画像データの記録又は読み出しを行うためのインターフェースであり、記録媒体714は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部I/F部712は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。タイミング信号等は撮像システム7の外部から入力されてもよく、撮像システム7は、少なくとも撮像装置70と、撮像装置70から出力された画像信号を処理する信号処理部708とを有すればよい。
The
本実施形態では、撮像装置70と信号処理部708とが同一の半導体基板に配されていてもよい。また、撮像装置70と信号処理部708とが別の半導体基板に配されていてもよい。
In this embodiment, the
また、撮像装置70のそれぞれの画素が第1光電変換部と、第2光電変換部を含んでもよい。信号処理部708は、第1光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号と、第2光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号とを処理し、撮像装置70から被写体までの距離情報を取得し得る。
Also, each pixel of the
[第10実施形態]
図25は、本実施形態に係る光検出システムのブロック図である。より具体的には、図25は、上述の実施形態に記載の光電変換装置を用いた距離画像センサのブロック図である。
[Tenth embodiment]
FIG. 25 is a block diagram of a photodetection system according to this embodiment. More specifically, FIG. 25 is a block diagram of a distance image sensor using the photoelectric conversion device described in the above embodiments.
図25に示すように、距離画像センサ401は、光学系402、光電変換装置403、画像処理回路404、モニタ405及びメモリ406を備える。距離画像センサ401は、光源装置411から被写体に向かって発光され、被写体の表面で反射された光(変調光、パルス光)を受光する。距離画像センサ401は、発光から受光までの時間に基づき、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。
As shown in FIG. 25, the
光学系402は、1枚又は複数枚のレンズを含み、被写体からの像光(入射光)を光電変換装置403に導き、光電変換装置403の受光面(センサ部)に結像させる。
The
光電変換装置403としては、上述した各実施形態の光電変換装置が適用され得る。光電変換装置403は、受光信号から求められる距離を示す距離信号を画像処理回路404に供給する。
As the
画像処理回路404は、光電変換装置403から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行う。画像処理により得られた距離画像(画像データ)は、モニタ405に表示され、メモリ406に記憶(記録)され得る。
The
このように構成されている距離画像センサ401は、上述した光電変換装置を適用することで、正確な距離画像を取得することができる。
The
[第11実施形態]
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、光検出システムの一例である内視鏡手術システムに適用されてもよい。
[Eleventh embodiment]
The technology according to the present disclosure can be applied to various products. For example, the technology according to the present disclosure may be applied to an endoscopic surgery system, which is an example of a light detection system.
図26は、本実施形態における内視鏡手術システムの概略図である。図26は、術者(医師)1131が、内視鏡手術システム1103を用いて、患者ベッド1133上の患者1132に手術を行っている様子を示している。図示するように、内視鏡手術システム1103は、内視鏡1100、術具1110、アーム1121、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート1134を備える。
FIG. 26 is a schematic diagram of an endoscopic surgery system in this embodiment. FIG. 26 shows an operator (doctor) 1131 performing surgery on a
内視鏡1100は、先端から所定の長さの領域が患者1132の体腔内に挿入される鏡筒1101と、鏡筒1101の基端に接続されるカメラヘッド1102とを備える。図26は、硬性の鏡筒1101を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡1100を示しているが、内視鏡1100は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
An
鏡筒1101の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡1100には光源装置1203が接続されている。光源装置1203によって生成された光は、鏡筒1101の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者1132の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡1100は、直視鏡であってもよく、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
The tip of the
カメラヘッド1102の内部には光学系及び光電変換装置が設けられており、観察対象からの反射光(観察光)は当該光学系によって当該光電変換装置に集光される。光電変換装置によって観察光は光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。光電変換装置としては、上述の各実施形態に記載の光電変換装置が用いられ得る。画像信号は、RAWデータとしてカメラコントロールユニット(CCU:Camera Control Unit)1135に送信される。
An optical system and a photoelectric conversion device are provided inside the
CCU1135は、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)等によって構成され、内視鏡1100及び表示装置1136の動作を統括的に制御する。更に、CCU1135は、カメラヘッド1102から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理(デモザイク処理)等、画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
The
表示装置1136は、CCU1135からの制御により、当該CCU1135によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
The
光源装置1203は、例えばLED(Light Emitting Diode)等の光源を備え、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡1100に供給する。
The
入力装置1137は、内視鏡手術システム1103に対する入力インターフェースである。ユーザは、入力装置1137を介して、内視鏡手術システム1103に対して各種の情報の入力及び指示入力を行うことができる。
処置具制御装置1138は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具1112の駆動を制御する。 The treatment instrument control device 1138 controls driving of the energy treatment instrument 1112 for tissue cauterization, incision, blood vessel sealing, or the like.
光源装置1203は、内視鏡1100に術部を撮影する際の照射光を供給可能であって、例えばLED、レーザ光源又はこれらの組み合わせによる白色光源であり得る。RGBレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色(各波長)の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができる。このため、光源装置1203において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、RGBレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド1102の撮像素子の駆動を制御してもよい。これにより、RGBそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。このような方法によれば、撮像素子にカラーフィルタが設けられることなく、カラー画像を得ることができる。
The
また、光源装置1203から出力される光の強度が所定の時間ごとに変更されるように、光源装置1203の駆動が制御されてもよい。光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド1102の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
Further, driving of the
更に、光源装置1203は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用することができる。具体的には、通常の観察時における照射光(すなわち、白色光)に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること、又はインドシアニングリーン(ICG)等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置1203は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び/又は励起光を供給可能に構成され得る。
Furthermore, the
[第12実施形態]
本実施形態の光検出システム及び移動体について、図27、図28(a)、図28(b)、図28(c)及び図29を用いて説明する。本実施形態では、光検出システムとして、車載カメラの一例を示す。
[Twelfth embodiment]
A photodetection system and a moving object according to this embodiment will be described with reference to FIGS. In this embodiment, an example of an in-vehicle camera is shown as a light detection system.
図27は、本実施形態における光検出システムの概略図であって、車両システム及び車両システムに搭載される光検出システムの一例を示している。光検出システム1301は、光電変換装置1302、画像前処理部1315、集積回路1303、光学系1314を含む。光学系1314は、光電変換装置1302に被写体の光学像を結像する。光電変換装置1302は、光学系1314により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。光電変換装置1302は、上述の各実施形態のいずれかの光電変換装置である。画像前処理部1315は、光電変換装置1302から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部1315の機能は、光電変換装置1302内に組み込まれていてもよい。光検出システム1301には、光学系1314、光電変換装置1302及び画像前処理部1315が、少なくとも2組設けられており、各組の画像前処理部1315からの出力が集積回路1303に入力される。
FIG. 27 is a schematic diagram of a photodetection system according to the present embodiment, showing an example of a vehicle system and a photodetection system mounted on the vehicle system. The
集積回路1303は、撮像システム用途向けの集積回路であり、記憶媒体1305を含む画像処理部1304、光学測距部1306、視差演算部1307、物体認知部1308、異常検出部1309を含む。画像処理部1304は、画像前処理部1315の出力信号に対して、現像処理、欠陥補正等の画像処理を行う。記憶媒体1305は、撮像画像の一次記憶を行い、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部1306は、被写体の合焦又は測距を行う。視差演算部1307は、複数の光電変換装置1302により取得された複数の画像データ(視差画像)から測距情報(距離情報)の算出を行う。物体認知部1308は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部1309は、光電変換装置1302の異常を検出すると、主制御部1313に異常を発報する。
The
集積回路1303は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
The
主制御部1313は、光検出システム1301、車両センサ1310、制御ユニット1320等の動作を統括・制御する。主制御部1313を持たず、光検出システム1301、車両センサ1310、制御ユニット1320が個別に通信インターフェースを有し、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を例えばCAN規格によって行ってもよい。
The
集積回路1303は、主制御部1313からの制御信号を受け、あるいは自身の制御部によって、光電変換装置1302へ制御信号又は設定値を送信する機能を有する。
The
光検出システム1301は、車両センサ1310に接続されており、車速、ヨーレート、舵角等の自車両走行状態、自車外環境及び他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ1310は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、光検出システム1301は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部1311に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、光検出システム1301、車両センサ1310の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。
The
また、光検出システム1301は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置1312にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部1313は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制する等の車両制御を行い、衝突の回避又は被害の軽減を実現する。警報装置1312は、音等の警報の発報、カーナビゲーションシステム及びメーターパネル等の表示部画面における警報情報の表示、シートベルト及びステアリングへの振動付与等の手段を用いて、ユーザに警告を発する。
The
本実施形態における光検出システム1301は、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮影可能である。図28(a)、図28(b)及び図28(c)は、本実施形態における移動体の概略図であって、車両前方を光検出システム1301で撮像する構成を示している。
The
2つの光電変換装置1302は、車両1300の前方に配される。具体的には、車両1300の進退方位又は外形(例えば車幅)に対する中心線を対称軸とみなし、対称軸に対して2つの光電変換装置1302が線対称に配されることが好ましい。これにより、車両1300と被写対象物との間の距離情報の取得及び衝突可能性の判定を効果的に行うことが可能となる。また、光電変換装置1302は、運転者が運転席から車両1300の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない位置に配されることが好ましい。警報装置1312は、運転者の視野に入りやすい位置に配されることが好ましい。
Two
次に、光検出システム1301における光電変換装置1302の故障検出動作について、図29を用いて説明する。図29は、本実施形態における光検出システムの動作を表すフローチャートである。光電変換装置1302の故障検出動作は、図29に示すステップS1410~S1480に従って実行され得る。
Next, failure detection operation of the
ステップS1410において、光電変換装置1302のスタートアップ時の設定が行われる。すなわち、光検出システム1301の外部(例えば主制御部1313)又は光検出システム1301の内部から、光電変換装置1302の動作のための設定情報が送信され、光電変換装置1302は撮像動作及び故障検出動作を開始する。
In step S1410, startup settings of the
次いで、ステップS1420において、光電変換装置1302は、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップS1430において、光電変換装置1302は、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換素子を備える。この光電変換素子には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出画素は、この光電変換素子に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップS1420とステップS1430とは逆の順に実行されてもよい。
Next, in step S1420, the
次いで、ステップS1440において、光検出システム1301は、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。ステップS1440における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、光検出システム1301は、ステップS1450の処理に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、ステップS1460の処理へと移行する。ステップS1460において、光検出システム1301は、走査行の画素信号を記憶媒体1305に送信して一次保存する。その後、光検出システム1301は、ステップS1420の処理に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップS1440における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、光検出システム1301はステップS1470の処理に移行する。ステップS1470において、光検出システム1301は、撮像動作に異常があると判定し、主制御部1313又は警報装置1312に警報を発報する。警報装置1312は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップS1480において、光検出システム1301は、光電変換装置1302を停止し、光検出システム1301の動作を終了する。
Next, in step S1440, the
なお、本実施形態では、1行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、1フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。ステップS1470の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。 In the present embodiment, an example in which the flowchart is looped for each line was exemplified, but the flowchart may be looped for each of a plurality of lines, or the failure detection operation may be performed for each frame. The issuance of the warning in step S1470 may be notified to the outside of the vehicle via a wireless network.
また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光検出システム1301は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体(移動装置)に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム(ITS)等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
In addition, in the present embodiment, the control that does not collide with another vehicle has been described, but it is also applicable to control that automatically drives following another vehicle, control that automatically drives so as not to stray from the lane, and the like. . Furthermore, the
本発明の光電変換装置は、更に、距離情報など各種情報を取得可能な構成であってもよい。 The photoelectric conversion device of the present invention may further have a configuration capable of acquiring various information such as distance information.
[第13実施形態]
図30(a)は、本実施形態における電子機器の具体例を示す図であって、眼鏡1600(スマートグラス)を示している。眼鏡1600には、上述の各実施形態に記載の光電変換装置1602が設けられている。すなわち、眼鏡1600は、上述の各実施形態に記載の光電変換装置1602が適用され得る光検出システムの一例である。レンズ1601の裏面側には、OLED、LED等の発光装置を含む表示装置が設けられていてもよい。光電変換装置1602は1つでもよいし、複数でもよい。また、複数種類の光電変換装置が組み合わされてもよい。光電変換装置1602の配置位置は図30(a)に限定されない。
[Thirteenth embodiment]
FIG. 30(a) is a diagram showing a specific example of the electronic device according to the present embodiment, showing spectacles 1600 (smart glasses). The
眼鏡1600は更に制御装置1603を備える。制御装置1603は、光電変換装置1602と上述の表示装置に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置1603は、光電変換装置1602と表示装置の動作を制御する。レンズ1601には、光電変換装置1602に光を集光するための光学系が配されている。
図30(b)は、1つの適用例に係る眼鏡1610(スマートグラス)を示している。眼鏡1610は、制御装置1612を有しており、制御装置1612に、光電変換装置1602に相当する光電変換装置と、表示装置とが搭載される。レンズ1611には、制御装置1612内の光電変換装置と、表示装置からの発光を投影するための光学系とが配されており、レンズ1611には画像が投影される。制御装置1612は、光電変換装置及び表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、光電変換装置及び表示装置の動作を制御する。制御装置1612は、装着者の視線を検知する視線検知部を有してもよい。視線の検知は赤外線を用いてよい。赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下が低減される。
FIG. 30(b) shows glasses 1610 (smart glasses) according to one application. The
制御装置1612は、赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から表示画像に対するユーザの視線を検出する。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。
The
より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き(回転角度)を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザの視線が検出される。 More specifically, line-of-sight detection processing based on the pupillary corneal reflection method is performed. The user's line of sight is detected by calculating a line-of-sight vector representing the orientation (rotational angle) of the eyeball based on the pupil image and the Purkinje image included in the captured image of the eyeball using the pupillary corneal reflection method. be.
本実施形態の表示装置は、受光素子を有する光電変換装置を有し、光電変換装置からのユーザの視線情報に基づいて表示装置の表示画像を制御してよい。 The display device of the present embodiment may have a photoelectric conversion device having a light receiving element, and may control a display image of the display device based on the user's line-of-sight information from the photoelectric conversion device.
具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザが注視する第1視界領域と、第1視界領域以外の第2視界領域とを決定する。第1の視界領域、第2視界領域は、表示装置の制御装置によって決定されてもよく、外部の制御装置によって決定されてもよい。表示装置の表示領域において、第1視界領域の表示解像度を第2視界領域の表示解像度よりも高く制御してよい。つまり、第2視界領域の解像度を第1視界領域よりも低くしてよい。 Specifically, the display device determines a first visual field area that the user gazes at and a second visual field area other than the first visual field area, based on the line-of-sight information. The first viewing area and the second viewing area may be determined by the control device of the display device, or may be determined by an external control device. In the display area of the display device, the display resolution of the first viewing area may be controlled to be higher than the display resolution of the second viewing area. That is, the resolution of the second viewing area may be lower than that of the first viewing area.
また、表示領域は、第1表示領域と、第1表示領域とは異なる第2表示領域とを含み得る。視線情報に基づいて、第1表示領域及び第2表示領域から優先度の高い領域が決定されてもよい。第1視界領域、第2視界領域は、表示装置の制御装置によって決定されもよく、外部の制御装置によって決定されてもよい。優先度の高い領域の解像度は、優先度の高い領域以外の領域の解像度よりも高くなるように制御されてよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度は低くされ得る。 Also, the display area may include a first display area and a second display area different from the first display area. A high priority area may be determined from the first display area and the second display area based on the line-of-sight information. The first viewing area and the second viewing area may be determined by the control device of the display device, or may be determined by an external control device. The resolution of the high priority area may be controlled to be higher than the resolution of the areas other than the high priority area. That is, the resolution of areas with relatively low priority can be reduced.
なお、第1視界領域、優先度が高い領域の決定において、AI(Artificial Intelligence)が用いられてもよい。AIは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。AIプログラムは、表示装置、光電変換装置のいずれに設けられてもよく、外部装置に設けられてもよい。外部装置がAIプログラムを有する場合は、通信を介して、サーバなどから表示装置に送信され得る。 AI (Artificial Intelligence) may be used to determine the first field of view area and the area with high priority. The AI is a model configured to estimate the angle of the line of sight from the eyeball image and the distance to the object ahead of the line of sight, using the image of the eyeball and the direction in which the eyeball of the image was actually viewed as training data. It's okay. The AI program may be provided in either the display device or the photoelectric conversion device, or may be provided in an external device. If the external device has an AI program, it can be sent from a server or the like to the display device via communication.
視認検知に基づいて表示制御する場合、本実施形態は、外部を撮像する光電変換装置を更に有するスマートグラスに好ましく適用され得る。スマートグラスは、撮像した外部情報をリアルタイムで表示することができる。 When display control is performed based on visual detection, the present embodiment can be preferably applied to smart glasses that further have a photoelectric conversion device that captures an image of the outside. Smart glasses can display captured external information in real time.
[変形実施形態]
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
[Modified embodiment]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, an example in which a part of the configuration of any one of the embodiments is added to another embodiment, and an example in which a part of the configuration of another embodiment is replaced are also embodiments of the present invention.
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention supplies a program that implements one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in the computer of the system or apparatus reads and executes the program. It can also be realized by processing to It can also be implemented by a circuit (for example, ASIC) that implements one or more functions.
なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 It should be noted that the above-described embodiments are merely examples of specific implementations of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed to be limited by these. That is, the present invention can be embodied in various forms without departing from its technical concept or its main features.
20…光電変換部
22…光子検知素子
24…クエンチ素子
30…画素信号処理部
32…波形整形部
34…デジタル処理回路
36…画素出力回路
100…光電変換装置
342…カウンタ
344…閾値判定部
346…露光制御部
20
Claims (23)
カウント期間に前記アバランシェフォトダイオードに入射する光子に基づくカウント値を生成するカウンタを含み、前記カウント値を前記カウント期間ごとに繰り返し出力する信号処理回路と、
を含む画素を有し、
前記画素は、前記カウント値と所定の閾値とに基づく判定を行った結果に応じて、第1状態から、前記カウント期間の長さが前記第1状態よりも短い第2状態に遷移する
ことを特徴とする光電変換装置。 an avalanche photodiode;
a signal processing circuit that includes a counter that generates a count value based on photons incident on the avalanche photodiode during a count period, and that repeatedly outputs the count value for each count period;
has a pixel containing
The pixel transitions from a first state to a second state in which the length of the count period is shorter than that of the first state, according to a result of determination based on the count value and a predetermined threshold. A photoelectric conversion device characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the cycle of resetting the counter in the second state is shorter than the cycle of resetting the counter in the first state.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換装置。 3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the interval between the two count periods in the second state is shorter than the interval between the two count periods in the first state.
カウント期間に前記アバランシェフォトダイオードに入射する光子に基づくカウント値を生成するカウンタを含み、前記カウント値を前記カウント期間ごとに繰り返し出力する信号処理回路と、
を含む画素を有し、
前記画素は、前記カウント値と所定の閾値とに基づく判定を行った結果に応じて、第1状態から、2つの前記カウント期間の間隔が前記第1状態よりも短い第2状態に遷移する
ことを特徴とする光電変換装置。 an avalanche photodiode;
a signal processing circuit that includes a counter that generates a count value based on photons incident on the avalanche photodiode during a count period, and that repeatedly outputs the count value for each count period;
has a pixel containing
The pixel transitions from a first state to a second state in which the interval between two count periods is shorter than that of the first state, according to a result of determination based on the count value and a predetermined threshold. A photoelectric conversion device characterized by:
前記第2状態における前記クエンチトランジスタがオフになる期間の長さは、前記第1状態における前記クエンチトランジスタがオフになる期間の長さよりも短い
ことを特徴とする請求項4に記載の光電変換装置。 The pixel further comprises a quench transistor that restores the avalanche photodiode after avalanche multiplication to a state in which the avalanche multiplication can occur;
5. The photoelectric conversion device according to claim 4, wherein the length of the period during which the quench transistor is turned off in the second state is shorter than the length of the period during which the quench transistor is turned off in the first state. .
アバランシェ増倍が生じた後の前記アバランシェフォトダイオードを再び前記アバランシェ増倍が生じ得る状態に戻すクエンチトランジスタと、
前記クエンチトランジスタのゲートに所定の周波数でレベルが変化するパルス信号を出力するパルス生成部と、
を更に有し、
前記第2状態における前記周波数は、前記第1状態における前記周波数よりも高い
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光電変換装置。 The pixels are
a quench transistor for returning the avalanche photodiode after avalanche multiplication to a state in which the avalanche multiplication can occur;
a pulse generator that outputs a pulse signal whose level changes at a predetermined frequency to the gate of the quench transistor;
further having
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein the frequency in the second state is higher than the frequency in the first state.
ことを特徴とする請求項6に記載の光電変換装置。 7. The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein the length of one of the high level period and the low level period of the pulse signal is the same between the first state and the second state. .
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 7, wherein the pixel transitions from the first state to the second state when the count value exceeds a predetermined threshold. .
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光電変換装置。 9. The pixel according to any one of claims 1 to 8, wherein the pixel transitions from the first state to the second state when a change in the count value with time exceeds a predetermined threshold. Photoelectric conversion device.
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光電変換装置。 10. The photoelectric conversion device according to claim 1, comprising a plurality of said pixels arranged in a plurality of rows and a plurality of columns.
ことを特徴とする請求項10に記載の光電変換装置。 11. The photoelectric conversion device according to claim 10, wherein all of the plurality of pixels perform the determination in the first state.
ことを特徴とする請求項10又は11に記載の光電変換装置。 12. The photoelectric conversion device according to claim 10, wherein in the first state, the plurality of pixels sequentially perform the determination in an order according to the arrangement of the plurality of pixels.
ことを特徴とする請求項10又は11に記載の光電変換装置。 12. The photoelectric conversion device according to claim 10, wherein in the first state, the plurality of pixels sequentially perform the determination in a random order with respect to the arrangement of the plurality of pixels.
ことを特徴とする請求項10乃至13のいずれか1項に記載の光電変換装置。 In the first state, some of the plurality of pixels perform the determination, and other portions of the plurality of pixels do not perform the determination.
14. The photoelectric conversion device according to any one of claims 10 to 13, characterized in that:
ことを特徴とする請求項10乃至14のいずれか1項に記載の光電変換装置。 15. The method according to any one of claims 10 to 14, wherein all of said plurality of pixels transition to said second state according to the result of said determination for one pixel among said plurality of pixels. photoelectric conversion device.
ことを特徴とする請求項10乃至14のいずれか1項に記載の光電変換装置。 Some pixels among the plurality of pixels including at least the one pixel transition to the second state according to the determination result for one pixel among the plurality of pixels. The photoelectric conversion device according to any one of claims 10 to 14.
ことを特徴とする請求項16に記載の光電変換装置。 17. The photoelectric conversion device according to claim 16, wherein two of said partial pixels are adjacent to each other.
ことを特徴とする請求項16又は17に記載の光電変換装置。 18. The photoelectric conversion device according to claim 16, wherein all of the plurality of pixels transition to the second state according to the determination result of one pixel out of the partial pixels. .
ことを特徴とする請求項10乃至14のいずれか1項に記載の光電変換装置。 All pixels belonging to the pixel block are placed in the second state according to the determination result of at least one pixel in a pixel block that is a part of the plurality of pixels and includes a plurality of pixels. 15. The photoelectric conversion device according to any one of claims 10 to 14, wherein the transition is made.
ことを特徴とする請求項19に記載の光電変換装置。 20. The method according to claim 19, wherein a condition after the transition to the second state is set according to the number of pixels in the pixel block for which the result of the determination satisfies a predetermined condition. Photoelectric conversion device.
前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理装置と
を有することを特徴とする光検出システム。 a photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 20;
and a signal processing device that processes a signal output from the photoelectric conversion device.
ことを特徴とする請求項21に記載の光検出システム。 22. The photodetection system according to claim 21, wherein the signal processing device generates a distance image representing distance information to an object based on the signal.
請求項1乃至20のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
を有することを特徴とする移動体。 being mobile,
a photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 20;
distance information acquisition means for acquiring distance information to an object from a parallax image based on a signal output from the photoelectric conversion device;
and control means for controlling the moving body based on the distance information.
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