JP2023504359A - サイズの異なるセルを使用したｓｉｐｍ - Google Patents

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Abstract

Figure 2023504359000001
本開示は、デバイス、光検出および測距（ライダー）システム、およびソリッドステート単一光子検出器を含む車両に関する。例示的なデバイスは、一次平面を規定する基板と、一次平面に沿って配置された複数の光検出器セルとを含む。複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セルおよび少なくとも１つの小面積セルを含む。大面積セルは第１の面積を有し、小面積セルは第２の面積を有し、第１の面積は第２の面積よりも大きい。このデバイスはまた、複数の光検出器セルに結合された読み出し回路を含む。読み出し回路は、複数の光検出器セルによって検出された入射光に基づいて出力信号を提供するように構成される。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年１２月９日に出願された米国特許出願第１６／７０７，１２７号の利益を主張し、上記特許出願の内容を参照により本明細書に援用する。
シリコン光電子増倍管デバイス（例えば、ＳｉＰＭ）などのソリッドステート単一光子検出器は、約２５００個の単一光子検出器またはセルのアレイを含み得る。このようなシナリオでは、各セルは、ガイガーモードで動作する単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、光検出器の所望のダイナミックレンジ（例えば、飽和する前の最大１０７個の光子を検出する能力）を提供するために、複数のセルを並列に（または別のタイプの結合構成で）結合することができる。
しかし、さらに広いダイナミックレンジにわたって光を感知する能力を備えたソリッドステート単一光子検出器が必要とされている。
例示的な実施形態は、広いダイナミックレンジにわたって単一光子分解能で光を検出するための方法、デバイス、およびシステムに関する。
第１の態様では、デバイスが提供される。デバイスは、一次平面を規定する基板と、一次平面に沿って配置された複数の光検出器セルとを含む。複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セルおよび少なくとも１つの小面積セルを含む。大面積セルは第１の面積を有し、小面積セルは第２の面積を有する。第１の面積は、第２の面積よりも大きい。このデバイスはまた、複数の光検出器セルに結合された読み出し回路を含む。読み出し回路は、複数の光検出器セルによって検出された入射光に基づいて出力信号を提供するように構成される。
第２の態様では、光検出および測距（ライダー）システムが提供される。ライダーシステムは、少なくとも１つの発光デバイスおよび受信機サブシステムを含む。受信機サブシステムは、一次平面を規定する基板と、一次平面に沿って配置された複数の光検出器セルとを含む。複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セルおよび少なくとも１つの小面積セルを含む。大面積セルは第１の面積を有し、小面積セルは第２の面積を有する。第１の面積は、第２の面積よりも大きい。ライダーシステムは、複数の光検出器セルに結合された読み出し回路も含む。読み出し回路は、複数の光検出器セルによって検出された入射光に基づいて出力信号を提供するように構成される。
第３の態様では、車両が提供される。車両は、少なくとも１つの光検出および測距（ライダー）システムを含む。ライダーシステムは、少なくとも１つの発光デバイスおよび受信機サブシステムを含む。受信機サブシステムは、一次平面を規定する基板を含む。ライダーシステムはまた、一次平面に沿って配置された複数の光検出器セルを含む。複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セルおよび少なくとも１つの小面積セルを含む。大面積セルは第１の面積を有し、小面積セルは第２の面積を有する。第１の面積は、第２の面積よりも大きい。ライダーシステムは、複数の光検出器セルに結合された読み出し回路も含む。読み出し回路は、複数の光検出器セルによって検出された入射光に基づいて出力信号を提供するように構成される。
他の態様、実施形態、および実装形態は、当業者には、以下の詳細な説明を添付の図面を適宜参照して読み取ることにより明らかになるであろう。
例示的な実施形態による、デバイスを示す。 例示的な実施形態による、デバイス断面を示す。 例示的な実施形態による、デバイスレイアウトを示す。 例示的な実施形態による、デバイスレイアウトを示す。 例示的な実施形態による、デバイスレイアウトを示す。 例示的な実施形態による、デバイスレイアウトを示す。 例示的な実施形態による、デバイスレイアウトを示す。 例示的な実施形態による、光検出および測距システムを示す。 例示的な実施形態による、図３の光検出および測距システムの部分を示す。 例示的な実施形態による、車両を示す。 例示的な実施形態による、車両を示す。 例示的な実施形態による、車両を示す。 例示的な実施形態による、車両を示す。 例示的な実施形態による、車両を示す。
例示的な方法、デバイス、およびシステムが、本明細書に記載されている。「例」および「例示的」という語は、本明細書においては、「例、事例、または例示としての役割を果たす」ことを意味するために使用されることを理解されたい。本明細書において「例」または「例示的」であるとして説明されるいずれの実施形態または特徴も、他の実施形態または特徴よりも好ましい、または有利であると必ずしも解釈されるべきではない。本明細書に提示される主題の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、他の変更を行うことができる。
したがって、本明細書に記載される例示的な実施形態は、限定的であることを意味するものではない。本明細書において概略説明され、図に示される本開示の態様は、多種多様な異なる構成で配置、置換、組み合わせ、分離、および設計が可能であり、これらの構成のすべてが、本明細書で想定される。
さらに、文脈上特段の示唆がある場合を除き、各図に示された特徴を、互いに組み合わせて使用することができる。このように、図は一般に、例示されるすべての特徴が実施形態ごとに必要であるわけではないという理解の下に、１つ以上の全体的な実施形態の構成要素の態様として見られるべきである。
Ｉ．概要
ＳｉＰＭは、電気的に並列に接続された単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイを含む。ＳＰＡＤは、ガイガーモードで動作するように設計された単一光子感応デバイスである。いくつかの動作シナリオ（例えば、低照度動作）では、比較的少数の光子（例えば、１０光子のオーダー）を検出するとき、ＳｉＰＭの応答が実質的に線形であることが望ましい場合がある。所望の応答およびダイナミックレンジを提供するために、例示的な実施形態は、比較的大きな（例えば、約３０ミクロンのエッジ長を有する）光検出器の中心近くに配置された１つ以上の「大面積」セル、および比較的小さい（例えば、約１０ミクロンのエッジ長を有する）、光検出器のエッジの近くの「小面積」セルを含み得る。いくつかの実施形態では、「大面積」セルは、「小面積」セルの同様の活性領域と比較して、より高い感度を提供することができる。一方、「小面積」セルは、「大面積」セルと比較して改善されたダイナミックレンジを提供するのに役立つ可能性がある。なぜならば、「小面積」セルは、「ブルーミング」に対する耐性が高い、および／またはより迅速なセル回復時間を提供し得るからである。
いくつかの実施形態では、「大面積」セルは、それぞれの出力を第１の１２ビットアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）に提供するように構成することができ、「小面積」セルは、それぞれの出力を第２の１２ビットＡＤＣに提供するように構成することができる。第１および第２の１２ビットＡＤＣからのデジタル出力は、光検出器によって受信した光の高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）（例えば、１６ビット信号）表現を形成するように圧伸（伸張および／または圧縮）またはその他の方法で処理することができる。
代替的または追加的に、いくつかの実施形態は、各セルまたはセルのグループ上のマイクロレンズを含み得る。いくつかの実施形態では、大面積セルおよび小面積セルの位置は、入射光の所定のビーム強度プロファイル（例えば、フラットトップ、ガウス、またはスーパーガウスプロファイル）に基づいて選択することができる。
例示的な実施形態では、「大面積」セルおよび「小面積」セルの配置は、ピンホールアレイ内の１つ以上のアパーチャの位置に対応することができる。例えば、「大面積」セルは、ピンホールアレイのそれぞれのアパーチャの中心の周りに実質的に位置決めすることができる。いくつかの実施形態では、小面積セル（より低いＰＤＥ、より高いダイナミックレンジを有する）を大面積セルと混合することができる。いくつかの実施形態では、混合領域光検出器を備えた設計は、より高い感度および改善された全体的なダイナミックレンジのためにいくつかの小さなＰＤＥをトレードオフする設計の自由度を提供し得る。
ＩＩ．例示的なデバイス
図１は、例示的な実施形態による、デバイス１００を示す。デバイス１００は、一次平面１１２を規定する基板１１０を含む。一次平面１１２は、基板１１０の表面（例えば、前面）に沿った平面であり得るか、または一次平面１１２は、基板１１０内の平面であることができる。いくつかの実施形態では、基板１１０は、シリコン基板（例えば、シリコンウェーハ）、ガリウムヒ素基板（例えば、ＧａＡｓウェーハ）などの半導体基板材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板１１０は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）材料またはプリント回路基板（ＰＣＢ）を含むことができる。代替的に、基板１１０は、様々な他の堅固なおよび／または可撓性の材料から形成することができ、それらの各々が本開示で企図される。
いくつかの実施形態では、基板１１０は、約２００ミクロンの厚さであることができる。例えば、基板１１０は、１００ミクロン～５００ミクロンの厚さを有することができる。しかしながら、他の厚さも可能であり、企図される。
デバイス１００はまた、一次平面１１２に沿って配置された複数の光検出器セル１２０を含む。例えば、光検出器セル１２０は、正方形アレイまたは六角形アレイのうちの少なくとも１つに従って、一次平面１１２に沿って配置することができる。複数の光検出器セル１２０は、少なくとも１つの大面積セル１２２および少なくとも１つの小面積セル１２４を含む。大面積セル１２２は第１の面積を有し、小面積セル１２４は第２の面積を有する。このようなシナリオでは、第１の面積は、第２の面積よりも大きい。
例示的な実施形態では、光検出器セル１２０は、正方形または長方形の形状を有することができる。そのようなシナリオでは、第１の面積は、１５ミクロン～５０ミクロンの第１のエッジ長を有する大面積セル１２２に基づく。さらに、第２の面積は、２ミクロン～１５ミクロンの第２のエッジ長を有する小面積セル１２４に基づくことができる。他の実施形態では、光検出器セル１２０は、円形、六角形、または別のタイプの形状を有することができる。一例として、円形光検出器セルの場合、大面積セル１２２は、１５ミクロン～５０ミクロンの第１の直径に基づく第１の面積を有することができる。さらに、小面積セル１２４は、２ミクロン～１５ミクロンの第２の直径に基づく第２の面積を有することができる。
いくつかの例では、複数の光検出器セル１２０は、基板１１０の裏面１１４を通過する入射光１０によって照射されるように構成することができる。他の例では、複数の光検出器セル１２０は、前面を介して入射光１０によって照射することができる。
様々な実施形態において、複数の光検出器セル１２０の少なくともいくつかは、それぞれのマイクロレンズ１２８に光学的に結合することができる。一例として、マイクロレンズ１２８は、それぞれの光検出器セルの表面に直接結合され得る半球レンズを含むことができる。一例として、マイクロレンズ１２８は、光をそれぞれの光検出器セルに集束させるように、入射光１０を屈折させるように構成された球面凸面を含むことができる。追加的または代替的に、マイクロレンズ１２８は、複数の光検出器セルに光学的に結合することができる。そのようなシナリオでは、マイクロレンズ１２８は、入射光１０を関連する複数の光検出器セル１２０上に均等に拡散させるように構成することができる。複数の光検出器セル１２０と共に１つ以上のマイクロレンズ１２８を利用する他の方法が考えられ、可能である。
いくつかの実施形態では、マイクロレンズ１２８は、１ミリメートル未満（例えば、５～５０ミクロン）の一辺の長さおよび／または直径を有することができる。マイクロレンズ１２８は、球形および／または非球形の光学要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ１２８は、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを含むことができる。さらに、マイクロレンズ１２８は、光回折を利用し得るフレネルタイプのレンズ（例えば、二元光学レンズ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ１２８は、各マイクロレンズが独立した光検出器セルに対応するように配置することができる。したがって、マイクロレンズ１２８は、図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、および２Ｆを参照して記載されたレイアウトに従って配置することができる。他の実施形態では、単一のマイクロレンズをいくつかの光検出器セルに光学的に結合することができる。
いくつかの例では、マイクロレンズ１２８は、プラスチック、ガラス、ポリカーボネート、または他の光学材料から形成することができる。様々な例において、マイクロレンズ１２８は、フォトリソグラフィー、エッチング、および／または選択的堆積技術によって、光検出器セル１２０上に形成することができる。
いくつかの実施形態では、複数の光検出器セル１２０の各光検出器セルは、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）１２６を含むことができる。このようなシナリオでは、各ＳＰＡＤ１２６をガイガー動作モードで動作させることができる。このような形式で、光検出器セル１２０のアレイは、所与の期間にわたって光検出器セル１２０に入射する光子の数（例えば、光子束）に比例して実質的に線形である出力信号を提供することができる。しかしながら、他のタイプの光検出器セルおよび動作モードが考えられ、可能である。
いくつかの例では、複数の光検出器セル１２０は、並列配置で電気的に結合することができる。しかしながら、複数の光検出器セル１２０を電気的に結合する他の方法が考えられ、可能である。
デバイス１００はまた、複数の光検出器セル１２０に結合された読み出し回路１３０を含む。読み出し回路１３０は、複数の光検出器セル１２０によって検出された入射光１０に基づいて出力信号１３２を提供するように構成される。
様々な実施形態において、読み出し回路１３０は、各ＳＰＡＤ１２６のためのそれぞれのクエンチング回路１３４を含む。いくつかの実施形態では、それぞれのクエンチング回路１３４は、アクティブまたはパッシブクエンチング回路を含むことができる。例えば、パッシブクエンチング回路は、ＳＰＡＤ１２６と直列に結合されたクエンチング抵抗器１３５を含むことができる。追加的または代替的に、アクティブクエンチング回路は、高速弁別器回路または同期バイアス電圧低減回路を含むことができる。
追加的または代替的に、読み出し回路１３０は、１つ以上の増幅器１３６を含むことができる。例えば、少なくとも１つの第１の増幅器１３６ａを大面積セル１２２に結合することができ、少なくとも１つの第２の増幅器１３６ｂを小面積セル１２４に結合することができる。いくつかの実施形態では、増幅器１３６は、単一または複数チャネルの低雑音増幅器を含むことができる。ただし、他のタイプの読み出し増幅器（例えば、ＣＭＯＳインバータ増幅器、カスコード演算増幅器、および／またはトランスインピーダンス増幅器など）も考えられ、可能である。
さらに、読み出し回路１３０は、１つ以上のアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）デバイス１３８を含み得る。一例として、少なくとも１つの第１の１２ビットアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）１３８ａを大面積セル１２２に結合することができる。また、少なくとも１つの第２の１２ビットＡＤＣ１３８ｂを小面積セル１２４に結合することができる。そのようなシナリオでは、読み出し回路１３０は、圧伸するように（例えば、コンパンダ１３９で）、またはそうでなければ、第１の１２ビットＡＤＣ１３８ａの出力と第２の１２ビットＡＤＣ１３８ｂの出力とを組み合わせて出力信号１３２を形成するように構成することができる。例えば、出力信号１３２は、光検出器によって受信された光の１６ビット表現を含むことができる。言い換えれば、出力信号１３２は、同じ面積を有する光検出器が利用された場合よりも、光検出器によって受信される光のより高いビット解像度の表現を含むことができる。このような形式で、本明細書において考えられるデバイスおよびシステムは、より高いダイナミックレンジ出力を提供し、より広範囲の背景光条件下でより信頼性の高い動作を可能にすることができる。
いくつかの例では、複数の光検出器セル１２０および読み出し回路１３０の組み合わせは、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）などのソリッドステート、多要素、単一光子検出器を規定し得る。本開示はＳＰＡＤおよびＳｉＰＭの使用を説明しているが、他のタイプの光検出器が可能であり、考えられることが理解されよう。例えば、ガイガーモードで動作するように設計された他の光検出器が可能であり、考えられる。さらに、本明細書に記載のＳｉＰＭはシリコンベースのデバイスに関連し得るが、他の材料を利用する光検出器が可能であり、考えられることが理解されるであろう。例えば、本明細書に記載の様々な光検出素子は、ゲルマニウムなどの他の半導体材料、またはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、またはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰなどの化合物半導体材料を使用して形成することができる。他の光検出器材料が考えられる。
いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤ１２６は、接合部の降伏電圧ＶＢよりも高い電圧Ｖａで逆バイアスされたときに動作するように設計されたｐｎ接合を含む半導体デバイスを含むことができる。例えば、Ｖａは、３ｘ１０５Ｖ／ｃｍを超える電界を提供するために、厚さが約１～５ミクロンであることができるｐｎ接合を横切って印加することができる。他の電界および降伏電圧が可能であり、考えられる。
いくつかの実施形態では、光検出器セル１２０は、赤外光（例えば、９０５ｎｍまたは１５５０ｎｍ）を検出するように構成することができる。ただし、他の波長の光も検出することもできる。光検出器セル１２０は、単一光子の吸収に応答してミリアンペア以上の光電流を提供するように構成するおよび／またはバイアスすることができる。他の構成および／または光電流が可能であり、企図される。
例えば、各ＳｉＰＭ１４０は、少なくとも１０００個の光検出器セル１２０を含むことができる。多かれ少なかれＳＰＡＤ１２６は、各ＳｉＰＭ１４０に関連することができることが理解されよう。いくつかの実施形態では、複数のＳｉＰＭ１４０を、基板１１０に沿って、約０．４ＳｉＰＭ／ｍｍ２の密度で配置することができる。
図２Ａは、例示的な実施形態による、デバイス２００の断面図を示す。いくつかの実施形態では、システム２００は、図１を参照して図示および説明したシステム１００と同様または同一であることができる。デバイス２００は、複数の光検出器セル１２０を含むことができる。例えば、デバイス２００は、大面積セル１２２および小面積セル１２４を含み得る。いくつかの実施形態では、光検出器セル１２０は、それぞれ、それぞれのｐドープ領域２１０、アバランシェ領域２１２、およびｎドープ本体領域２１４を含むことができる。示されるように、各光検出器１２０のｐドープ領域２１０は、基板１１０の前面に対応する一次平面１１２に沿って配置され得、ｎドープ本体領域２１４は、基板１１０の裏面１１４に沿って配置され得る。
いくつかの実施形態では、大面積セル１２２および小面積セル１２４は、それぞれのマイクロレンズ１２８に光学的に結合することができる。本明細書の他の場所で説明されているように、マイクロレンズ１２８は、半球形の凸レンズを含むことができる。しかしながら、他のタイプのマイクロレンズ（例えば、回折光学マイクロレンズ）が可能であり、考えられる。
いくつかの実施形態では、大面積セル１２２および小面積セル１２４は、それぞれ、クエンチング抵抗器１３５ａおよび１３５ｂに電気的に結合することができる。いくつかの実施形態では、デバイス２００は、接地ノード２０４に関して定電圧および／または定電流バイアス回路（例えば、電圧／電流分割器または同等物）を含むことができる電圧バイアス源２０２ａおよび２０２ｂを含むことができる。そのようなシナリオでは、電圧バイアス源２０２ａは、大面積セル１２２およびそのクエンチング抵抗器１３５ａに定電圧を提供することができる。追加的または代替的に、電圧バイアス源２０２ｂは、小面積セル１２２およびそのクエンチング抵抗器１３５ｂに定電圧を提供することができる。いくつかの例では、デバイス２００は、大面積セル出力ノード２０６ａおよび小面積セル出力ノード２０６ｂを含むことができる。そのようなノード２０６ａおよび２０６ｂは、出力信号１３２が取得または決定されるノードであることができる。
図２Ａに示されるように、デバイス２００は、大面積セル１２２および小面積セル１２４にそれぞれ結合され得るそれぞれの増幅器１３６ａおよび１３６ｂを含み得る。増幅器１３６ａおよび１３６ｂのアナログ出力は、それぞれのＡＤＣ１３８ａおよび１３８ｂを用いてデジタル信号に変換され得る。いくつかの実施形態では、ＡＤＣ１３８ａおよび１３８ｂは、１２ビットの分解能を提供するように構成することができる。
さらに、デバイス２００は、デジタル信号入力を受信し、それらを伸張してより高いダイナミックレンジの信号を提供するように構成されたコンパンダ１３９または別のタイプの信号処理ハードウェアを含み得る。そのような形式で、出力信号１３２は、所与の期間中の複数の光検出器セル上の光子束を示す１６ビット（またはより高い分解能）のデジタル信号を含むことができる。
図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、および２Ｆは、それぞれ、例示的な実施形態による、デバイスレイアウト２２０、２３０、２４０、２５０、および２６０を示している。様々なデバイスレイアウト２２０、２３０、２４０、２５０、および２６０は、それぞれ図１および２Ａを参照して示し、説明したように、デバイス１００または２００の一部またはすべての要素の様々な空間レイアウトを示すことができる。
図２Ｂに示されるデバイスレイアウト２２０は、本明細書において考えられるような複数の光検出器セル１２０の可能なレイアウトを示すことができる。例えば、大面積セル１２２は、全体的なレイアウト２２０の中央部分の近くに局在化するように配置することができ、いくつかの小面積セル１２４も中央部分内に散在している。
本明細書に記載されるように、大面積セル１２２は、１５ミクロン～５０ミクロンであることができる第１のエッジ長２２２を有し得る。追加的または代替的に、小面積セル１２４は、２ミクロン～１５ミクロンの第２のエッジ長２２４を有することができる。他のエッジ長（ならびに大面積および小面積セルの他の寸法）が可能であり、考えられることが理解されよう。
図２Ｃは、例示的な実施形態による、代替的なデバイスレイアウト２３０を示す。デバイスレイアウト２３０は、レイアウト２３０の外側部分に配置された小面積セル１２４を備えた、全体レイアウト２３０の中央部分の近くの大面積セル１２２のグループ化を含むことができる。
図２Ｄは、例示的な実施形態による、代替的なデバイスレイアウト２４０を示す。本明細書では、大面積セル１２２および小面積セル１２４が考えられているが、他の面積を有するセルも同様に可能であることが理解されよう。例えば、デバイスレイアウト２４０は、５０ミクロンを超えるエッジ長２４４を有することができる超大面積セル２４２を含むことができる。追加的または代替的に、エッジ長が２ミクロン未満の超小面積セル（図示せず）も可能であり、考えられる。
図２Ｅは、例示的な実施形態による、代替的なデバイスレイアウト２５０を示す。レイアウト２５０は、複数の光検出器セルのエッジの近くに配置された超大面積セル２４２を含むことができる。そのようなシナリオでは、超大面積セル２４２は、アバランシェモード（例えば、非ガイガーモード）で動作することができる。そのようなシナリオでは、超大面積セル２４２は、小面積セル１２４と比較して光子に対する感度が低く、さもなければ多要素検出器を飽和させ得る非常に明るい光信号の検出器として利用することができる。
図２Ｆは、例示的な実施形態による、代替的なデバイスレイアウト２６０を示す。レイアウト２６０は、円形を有する光検出器セルを含むことができるが、他のセル形状が考えられ、可能である。さらに、光検出器セルの少なくとも一部は、大面積セル２６２および小面積セル２６４を含むことができる。例えば、大面積セル２６２は、１５ミクロン～５０ミクロンの直径２６３を有することができる。さらに、小面積セル２６４は、２ミクロン～１５ミクロンの直径２６５を有することができる。他の寸法が可能であり、考えられることが理解されるであろう。
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、および２Ｆは、様々な電気回路、構成要素の配置、およびレイアウトを示しているが、様々な異なる電気構成、構成要素、および配置が可能であり、考えられることが理解されよう。ここで説明するように、様々なレイアウトは、大面積または小面積のセルを単独で使用する場合と比較して、どのように大面積および小面積のセルの空間混合が、高光子束のバックグラウンドによるブルーミングの影響を受けにくく、より高いダイナミックレンジを提供することができるかを説明するのに役立ち得る。言い換えれば、大面積セルよりも低い光子検出効率（ＰＤＥ）を有するが、より高いダイナミックレンジを有する小面積セルを使用することは、全体的なデバイスダイナミックレンジを改善することができる。さらに、大面積セルを使用すると、低光子フラックスにおいて高感度を提供することができる。したがって、異なる要素サイズを混合することにより、デバイスは、所望の多要素検出器特性（例えば、最小ダイナミックレンジ、最小検出可能光子束など）に基づいて「調整」され得る。
ＩＩＩ．ライダーシステムの例
図３は、例示的な実施形態による、光検出および測距（ライダー）システム３００を示す。いくつかの実施形態では、ライダーシステム３００は、車両に結合され、車両が自律もしくは半自律モードにあるとき、または車両が完全自律車両であるときなど、車両の動作において使用され得る。
ライダーシステム３００は、少なくとも１つの発光デバイス３１０および受信機サブシステム３２０を含む。受信機サブシステム３２０は、一次平面（例えば、一次平面１１２）を規定する基板（例えば、基板１１０）を含む。
受信機サブシステム３２０はまた、複数の多要素ソリッドステート光検出器デバイス（例えば、ＳｉＰＭ １４０）を含むことができる。そのようなシナリオでは、各多要素光検出器は、一次平面に沿って配置された複数の光検出器セル（例えば、光検出器セル１２０）を含み得る。複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セル１２２および少なくとも１つの小面積セル１２４を含む。大面積セル１２２は第１の面積を有し、小面積セル１２４は第２の面積を有する。第１の面積は、第２の面積よりも大きい。
さらに、受信機サブシステム３２０は、複数の光検出器セルに結合された読み出し回路１３０を含む。読み出し回路１３０は、複数の光検出器セル１２０によって検出された入射光１０に基づいて出力信号１３２を提供するように構成される。
いくつかの例では、ライダーシステム３００は、複数のアパーチャ３３２を含むアパーチャアレイ３３０をさらに含み得る。それぞれの光検出器セル１２０およびアパーチャアレイ３３０は、複数の受信機チャネルを画定するように整列させられている。各受信機チャネルは、複数のアパーチャ３３２のそれぞれのアパーチャに光学的に結合された光検出器セル１２０のそれぞれのグループを含む。
さらに、読み出し回路１３０は、大面積セル１２２に結合された少なくとも１つの第１の１２ビットアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）１３８ａと、小面積セル１２４に結合された少なくとも１つの第２の１２ビットＡＤＣ１３８ｂとを含むことができる。そのようなシナリオでは、読み出し回路１３０は、第１の１２ビットＡＤＣ１３８ａの出力と第２の１２ビットＡＤＣ１３８ｂの出力とを組み合わせて出力信号１３２を形成するように構成することができる。出力信号１３２は、光検出器によって受信される光の１６ビット表現を含む。
図４は、例示的な実施形態による、図３のライダーシステム３００の部分４００を示している。図示のように、図４は、少なくとも１つのアパーチャ３３２を備えたアパーチャアレイ３３０を含む。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのアパーチャ３３２は、アパーチャアレイ３３０における円形の開口部を含むことができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのアパーチャ３３２は、約２００ミクロンの直径を有することができる。ただし、より大きな開口部およびより小さな開口部が可能であり、考えられる。
さらに、部分４００は、図１および２を参照して図示および説明されたように、複数の光検出器セル１２０を含む。図示のように、複数の光検出器セル１２０は、大面積セル１２２と、２つの小面積セル１２４ａおよび１２４ｂとを含む。いくつかの実施形態では、図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、および２Ｆを参照して図示および説明される様々なデバイスレイアウト２２０、２３０、２４０、２５０、および２６０は、部分４００の複数の光検出器１２０の可能な構成であることができる。アパーチャアレイ３３０は、複数のアパーチャ３３２を含むことができることが理解されよう。したがって、複数の光検出器セル１２０は、１つ以上の大面積セルが、各アパーチャのそれぞれの光軸に対して実質的に中心合わせされたレイアウトを含むことができる。ダイナミックレンジ、背景光非感受性、および低光感度の多要素光検出器特性を有利にバランスさせるために、他のレイアウトまたは構成を選択できることが理解されよう。
ＩＶ．例示的車両
図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、および５Ｅは、例示的な実施形態による、車両５００を示す。いくつかの実施形態では、車両５００は、半自律または完全自律車両であってもよい。図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、および５Ｅは、車両５００を自動車（例えば、乗用バン）として示しているが、車両５００は、センサおよびその環境に関する他の情報を使用してその環境内で航行するように構成された別のタイプの自律型車両、ロボット、またはドローンを含むことができることが理解されよう。車両５００は、例えば、自動車、トラック、トラクタートレーラー、倉庫ロボット、配送ロボット、または自律型ブルドーザーなどの建設機械であり得る。
車両５００は、１つ以上のセンサシステム５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０を含み得る。いくつかの実施形態では、センサシステム５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０は、それぞれ図１、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、および３に関連して図示および説明されるように、デバイス１００または２００および／またはデバイスレイアウト２２０、２３０、２４０、２５０、または２６０および／またはライダーシステム３００を含むことができる。言い換えれば、本明細書の他の箇所で説明されているデバイス、デバイスレイアウト、およびシステムは、車両５００に結合することができ、かつ／または車両５００の様々な動作に関連して利用することができる。一例として、デバイス１００または２００および／またはライダーシステム３００は、車両５００の自己運転もしくは他のタイプのナビゲーション、計画、知覚、および／またはマッピング操作において利用され得る。
１つ以上のセンサシステム５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０が、車両５００の特定の場所に示されているが、より多くのまたはより少ないセンサシステムが、車両５００で利用され得ることが理解されよう。さらに、そのようなセンサシステムの場所は、図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、および５Ｅに示されているセンサシステムの場所と比較して、調整、修正、または他の方法で変更することができる。
いくつかの実施形態では、１つ以上のセンサシステム５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０は、画像センサを含むことができる。追加的または代替的に、１つ以上のセンサシステム５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０は、ライダーセンサを含むことができる。例えば、ライダーセンサは、所与の平面（例えば、ｘ－ｙ平面）に対してある範囲の角度にわたって配置された複数の発光体デバイスを含むことができる。例えば、センサシステム５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０のうちの１つ以上は、車両５００の周りの環境を光パルスで照らすように、所与の平面に垂直な軸（例えば、ｚ軸）の周りを回転するように構成され得る。反射光パルスの様々な要因（例えば、経過飛行時間、偏光、強度など）を検出することに基づいて、環境に関する情報が決定され得る。
例示的な実施形態では、センサシステム５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０は、車両５００の環境内の物理的物体に関連し得るそれぞれの点群情報を提供するように構成され得る。車両５００ならびにセンサシステム５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０は、特定の特徴を含むものとして示されているが、他のタイプのセンサシステムが本開示の範囲内で想定されることが理解されよう。
本明細書では、１つ以上の発光体デバイスを備えたライダーシステムが説明および図示されている。いくつかのシナリオでは、複数の発光体デバイスを備えたライダーシステム（例えば、単一のレーザーダイ上に複数のレーザーバーを備えた発光体デバイス）が考えられる。例えば、１つ以上のレーザダイオードによって放射される光パルスは、システムの環境の周りに制御可能に向けられ得る。光パルスの放射の角度は、例えば、機械的走査ミラーおよび／または回転モータなどの走査デバイスによって調整することができる。例えば、走査デバイスは、所与の軸（例えば、水平軸）の周りを往復運動で回転する、および／または垂直軸の周りを回転することができる。別の実施形態では、発光デバイスは、各光パルスと相互作用するときのプリズムミラー角度の角度に基づいて光パルスを環境に放射させることができる、回転するプリズムミラーに向けて光パルスを放射することができる。追加的にまたは代替的に、走査光学系および／または他のタイプの電気光学機械デバイスは、環境内の異なる位置に向かって光パルスを方向付けることが可能である。
図５Ａ～５Ｅは、車両５００に取り付けられた様々なセンサを示しているが、車両５００は、他のタイプのセンサを組み込むことができることが理解されよう。
例示的な実施形態として、車両５００は、少なくとも１つの光検出および測距（ライダー）システム（例えば、ライダーシステム３００）を含むことができる。ライダーシステムは、少なくとも１つの発光体デバイス（例えば、発光体デバイス３１０）および受信機サブシステム（例えば、受信機サブシステム３２０）を含むことができる。
受信機サブシステムは、一次平面（例えば、一次平面１１）を規定する基板（例えば、基板１１０）と、一次平面に沿って配置された複数の光検出器セル（例えば、光検出器セル１２０）とを含む。複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セル（例えば、大面積セル１２２）および少なくとも１つの小面積セル（例えば、小面積セル１２４）を含む。大面積セルは第１の面積を有し、小面積セルは第２の面積を有し、第１の面積は第２の面積よりも大きい。
受信機サブシステムはまた、複数の光検出器セルに結合された読み出し回路（例えば、読み出し回路１３０）を含む。読み出し回路は、複数の光検出器セルによって検出された入射光に基づいて出力信号（例えば、出力信号１３２）を提供するように構成される。
いくつかの実施形態では、読み出し回路は、大面積セルに結合された少なくとも１つの第１の１２ビットアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）および小面積セルに結合された少なくとも１つの第２の１２ビットＡＤＣを含むことができる。
このようなシナリオでは、読み出し回路は、第１の１２ビットＡＤＣの出力と第２の１２ビットＡＤＣの出力を組み合わせて出力信号を形成するように構成することができる。例えば、出力信号は、光検出器によって受信された光の１６ビット表現を含むことができる。
図に示されている特定の配置は、限定であるとみなされるべきではない。他の実施形態が、所与の図に示される各要素をより多く、またはより少なく含んでもよいことを理解されたい。さらに、図示される要素のうちのいくつかは、組み合わされ、または省略されてもよい。なおもさらには、例示的な実施形態は、図に示されていない要素を含み得る。
情報の処理を表すステップまたはブロックは、本明細書において説明される方法または技術の特定の論理機能を実行するように構成することができる回路に対応することができる。代替的または追加的に、情報の処理を表すステップまたはブロックは、モジュール、セグメント、またはプログラムコード（関連データを含む）の一部に対応することができる。プログラムコードは、特定の論理機能または論理動作を方法または技術において実装するための、プロセッサにより実行可能な１つ以上の命令を含むことができる。プログラムコードおよび／または関連データは、ディスク、ハードドライブ、または他の記憶媒体を含む、ストレージデバイスのような任意のタイプのコンピュータ可読媒体に格納することができる。
コンピュータ可読媒体は、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のような、データを短期間にわたって格納するコンピュータ可読媒体のような非一時的なコンピュータ可読媒体を含むこともできる。コンピュータ可読媒体はまた、プログラムコードおよび／またはデータを長期間にわたって記憶する非一時的コンピュータ可読媒体も含むことができる。このように、コンピュータ可読媒体は、例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、光ディスクまたは磁気ディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）のような二次的なまたは長期永続的な記憶装置を含むことができる。コンピュータ可読媒体はまた、任意の他の揮発性または不揮発性の記憶システムとすることもできる。コンピュータ可読媒体は、例えばコンピュータ可読記憶媒体、または有形のストレージデバイスであると考えることができる。
様々な例および実施形態が開示されてきたが、他の例および実施形態が当業者には明らかであろう。様々な開示された例および実施形態は、例示の目的のためであり、限定することを意図するものではなく、その真の範囲は、以下の特許請求の範囲により示される。

Claims (20)

  1. デバイスであって、
    一次平面を規定する基板と、
    前記一次平面に沿って配置された複数の光検出器セルであって、前記複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セルおよび少なくとも１つの小面積セルを含み、前記大面積セルは第１の面積を有し、前記小面積セルは第２の面積を有し、前記第１の面積は前記第２の面積よりも大きい、光検出器セルと、
    前記複数の光検出器セルに結合された読み出し回路であって、前記読み出し回路は、前記複数の光検出器セルによって検出された入射光に基づいて出力信号を提供するように構成されている、読み出し回路と、を含む、デバイス。
  2. 前記複数の光検出器セルの各光検出器セルが、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む、請求項１に記載のデバイス。
  3. 各ＳＰＡＤがガイガー動作モードで動作させられる、請求項２に記載のデバイス。
  4. 前記読み出し回路が各ＳＰＡＤのそれぞれのクエンチング回路を含み、それぞれの前記クエンチング回路がクエンチング抵抗器を含む、請求項２に記載のデバイス。
  5. 前記複数の光検出器セルと前記読み出し回路との組み合わせが、少なくとも１つのソリッドステート、多要素、単一光子検出器を規定する、請求項１に記載のデバイス。
  6. 前記複数の光検出器セルと前記読み出し回路との組み合わせが、少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を規定する、請求項１に記載のデバイス。
  7. 前記複数の光検出器セルが、並列配置で電気的に結合されている、請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記第１の面積は、１５ミクロン～５０ミクロンの第１のエッジ長または第１の直径に基づいており、前記第２の面積は、２ミクロン～１５ミクロンの第２のエッジ長または第２の直径に基づいている、請求項１に記載のデバイス。
  9. 前記複数の光検出器セルは、前記基板の裏面を通過する入射光によって照射されるように構成されている、請求項１に記載のデバイス。
  10. 前記複数の光検出器セルが、正方形アレイまたは六角形アレイのうちの少なくとも１つに従って配置されている、請求項１に記載のデバイス。
  11. 前記読み出し回路が、
    前記大面積セルに結合された少なくとも１つの増幅器と、
    前記小面積セルに結合された少なくとも１つの増幅器と、を含む、請求項１に記載のデバイス。
  12. 前記読み出し回路が、
    前記大面積セルに結合された少なくとも１つのアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、
    前記小面積セルに結合された少なくとも１つのＡＤＣであって、前記大面積セルに結合されたＡＤＣは第１の１２ビットＡＤＣであり、前記大面積セルに結合されたＡＤＣは第２の１２ビットＡＤＣであり、前記読み出し回路は、前記第１の１２ビットＡＤＣの出力と前記第２の１２ビットＡＤＣの出力を組み合わせて出力信号を形成するように構成されており、前記出力信号は、前記光検出器セルによって受信される光の１６ビット表現を含む、少なくとも１つのＡＤＣと、を含む、請求項１に記載のデバイス。
  13. 前記複数の光検出器セルの光検出器セルまたは光検出器セルのグループの上に配置された少なくとも１つのマイクロレンズをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
  14. 前記少なくとも１つの大面積セルおよび前記少なくとも１つの小面積セルの位置が、前記入射光の所定のビーム強度プロファイルに基づいて選択される、請求項１に記載のデバイス。
  15. 光検出および測距（ライダー）システムであって、
    少なくとも１つの発光体デバイスと、
    受信機サブシステムと、を含み、前記受信機サブシステムが、
    複数の光検出器セルであって、前記複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セルおよび少なくとも１つの小面積セルを含み、前記大面積セルは第１の面積を有し、前記小面積セルは第２の面積を有し、前記第１の面積は前記第２の面積よりも大きい、複数の光検出器セルと、
    前記複数の光検出器セルに結合された読み出し回路であって、前記読み出し回路は、前記複数の光検出器セルによって検出された入射光に基づいて出力信号を提供するように構成されている、読み出し回路と、を含む、光検出および測距（ライダー）システム。
  16. 複数のアパーチャを含むアパーチャアレイであって、前記それぞれの光検出器セルおよび前記アパーチャアレイが、複数の受信機チャネルを画定するように整列させられており、各受信機チャネルが、前記複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された光検出器セルのそれぞれのグループを含む、アパーチャアレイをさらに含む、請求項１５に記載のライダーシステム。
  17. 前記読み出し回路が、
    前記大面積セルに結合された少なくとも１つのアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、
    前記小面積セルに結合された少なくとも１つのＡＤＣであって、前記大面積セルに結合されたＡＤＣは第１の１２ビットＡＤＣであり、前記小面積セルに結合されたＡＤＣは第２の１２ビットＡＤＣであり、前記読み出し回路は、前記第１の１２ビットＡＤＣの出力と前記第２の１２ビットＡＤＣの出力を組み合わせて出力信号を形成するように構成されており、前記出力信号は、前記光検出器によって受信される光の１６ビット表現を含む、少なくとも１つのＡＤＣと、を含む、請求項１５に記載のライダーシステム。
  18. 車両であって、
    少なくとも１つの光検出および測距（ライダー）システムと、
    少なくとも１つの発光体デバイスと、
    受信機サブシステムと、を含み、前記受信機サブシステムが、
    複数の光検出器セルであって、前記複数の光検出器セルは、少なくとも１つの大面積セルおよび少なくとも１つの小面積セルを含み、前記大面積セルは第１の面積を有し、前記小面積セルは第２の面積を有し、前記第１の面積は前記第２の面積よりも大きい、複数の光検出器セルと、
    前記複数の光検出器セルに結合された読み出し回路であって、前記読み出し回路は、前記複数の光検出器セルによって検出された入射光に基づいて出力信号を提供するように構成されている、読み出し回路と、を含む、車両。
  19. 前記読み出し回路が、
    前記大面積セルに結合された少なくとも１つの第１の１２ビットアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、
    前記小面積セルに結合された少なくとも１つの第２の１２ビットＡＤＣと、を含む、請求項１８に記載の車両。
  20. 前記読み出し回路が、前記第１の１２ビットＡＤＣの出力と前記第２の１２ビットＡＤＣの出力とを組み合わせて出力信号を形成するように構成されており、前記出力信号が、前記光検出器によって受信される光の１６ビット表現を含む、請求項１９に記載の車両。
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