JP6483725B2 - 光学的イベントを感知する方法とそのための光学的イベントセンサ、及び距離測定モバイル装置 - Google Patents

Description

本発明は集積回路分野において、光学的イベントを感知する方法とそのための光学的イベントセンサに係り、特に、物体の距離を測定するアバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ）に基づく、高解像度、高フレーム率、低電力イメージセンサに関する。

レンジング（ｒａｎｇｉｎｇ）は、検出器から関心物体までの距離を決定する方法である。従来のレンジングシステムは近接センシング、遠隔センシング、及び／又は３次元（３Ｄ）イメージングを含む１つ以上の機能を提供する。このシステムは一般的に関心物体を照らす情報獲得（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）ソース（例えば、光源）及び情報獲得ソース及び前記物体間の相互作用から復帰信号（ｒｅｔｕｒｎ ｓｉｇｎａｌ）を記録するためのイメージセンサアレイ（例えば、Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＣＭＯＳ）イメージセンサアレイ）を含む。
従来の光情報獲得システム（ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ）は、順次的フレーム基盤イメージセンサを利用してイメージをキャプチャし、キャプチャされたイメージにイメージ処理及びパターン認識アルゴリズムを適用する。前記アルゴリズムは典型的に投射放送パターン（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ｐａｔｔｅｒｎｓ、例えば、構造化光）又は情報獲得ソースの位相相関ビームスイープ（ｐｈａｓｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｂｅａｍ ｓｗｅｅｐｓ）に関する知識に基づく。
各々の画素の制限された感光度のため、典型的なイメージセンサは充分な信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ、ＳＮＲ）の光学的信号を設定するために各々の画素上に多数の光子（例えば、１０００個以上の光子）の集積を要求する。従来イメージセンサのＳＮＲ要件は結局光源のパワーに対する要求を生成する（例えば、情報獲得ビームは例示的に可視光線波長範囲及び／又は赤外線波長範囲である）。換言すると、スキャンした環境（又は物体）に関する意味ある情報を取出すためには、情報獲得ビームは感知のための充分な数の光子を提供しなければならない。

増加された感光度を有するイメージセンサ（例えば、アバランシェフォトダイオードを含む）は情報獲得ソースからの少数の入射光子に対する信号感知を可能にするが、また背景雑音（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ）に対して、よりに敏感になる。関心物体に対する距離が大きい時、情報獲得ソースからの光子は大きい飛行時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ、ＴＯＦ）を有する。
関心物体から反射（又は後方散乱）された光に基づくシステムにとって、情報獲得ソースの放射性消失減衰（１／Ｒ^４、ここでＲ＝往復経路（ｏｕｔ−ａｎｄ−ｂａｃｋ ｐａｔｈ）に起因する距離）は、長距離に亘り感知可能に充分なＳＮＲを提供するためには、大きい情報獲得ソースパワーを要求する。このようなシナリオで“場面”（即ち、関心物体）からの信号が背景（例えば、澄んだ晴れた日の大きい放射）によって覆われてしまい、これは関心物体から戻って来る情報獲得信号の受信に先立ってイメージセンサ内にあるフォトダイオードの活性化を引き起こす。
伝統的に、ＴＯＦレンジング問題（ｉｓｓｕｅ）、特に消耗パワー（典型的には、情報獲得物体までの距離に比例）問題は、他のシステム構成要素のサイズと並んで、特に、手に持って使うデバイス，ウェアラブル、及び／又は仮想現実及び／又は拡張現実のためのアプリケーションのような小形状因子（ｓｍａｌｌ＿ｆｏｒｍ＿ｆａｃｔｏｒ）デバイスの使用を制限する。従来のＴＯＦ基盤システムはモバイルフォン、ウェアラブル、及び他のモバイルアプリケーションに適用されるのにはあまりにも（待機時間及びフレーム率に関して）パワー消費が大きい（ｈｕｎｇｒｙ）か、速度が遅い。

従来のシステムでは、全体イメージセンサアレイ（即ち、全画素）が、グレースケールイメージを発達させるためにサンプリングされる。高画質（多数のピクセル、例えば、１２８０ｘ７２０）のイメージセンサを使用する時はデータ流れがあまりにも大きいので、このような方式において低いパワーで高フレーム率を達成することは不可能である。
さらに、高解像度を有するイメージセンサは一般的にメモリインスパイアドアレイアドレス（ｍｅｍｏｒｙ−ｉｎｓｐｉｒｅｄ ａｒｒａｙ ａｄｄｒｅｓｓ）及び読出し構造を利用しているので、利用可能な時間情報を厳格に制限し、この時間情報はセンサに光子が到着する時間と関係している。膨大な量の画素データが、従来のイメージセンサの場合、関心イベントを探すためにより分けられなければならず、パワーの面から見て非常に非効率的な方法である。さらに、光の非常に速い速度（約０．３ｍ／ｎｓ）を考慮すれば、微細なタイミング解像度（例えば、０．５ｎｓ）を達成できるシステムであっても空間的解像度が０．１５ｍに制限され、これは多くのアプリケーションに対してはあまりにも未解決のままの問題である。

本発明の目的は、対象物体迄の距離情報を獲得するために利用できる、高解像度、高フレーム率、低電力のイメージセンサを含む光学的イベントセンサを提供することにある。

本発明の一実施形態による光学的イベント感知方法は、光学的情報獲得ビームを用いて物体から情報獲得する（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）段階と、前記光子情報獲得ビームの活性化と実質的に同時に画素のアレイを活性化し、前記画素は、アバランシェフォトダイオードを含み、アバランシェフォトダイオードの電圧バイアスレベルは、ガイガーモード及びアバランシェモードの中の１つにおける画素駆動に対応する段階と、前記アレイにおいて、前記情報獲得された前記物体から反射されたビームを受信する段階と、前記反射されたビームが入射する位置に対応する信号を生成し、前記信号は、画素アレイアドレス、及び前記光子情報獲得ビームと前記反射されるビームとの間のＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）の内の少なくとも１つに対応する段階と、前記信号に基づいて物体までの距離を測定する段階と、含む。

好ましくは、
前記情報獲得する段階は、前記光子情報獲得ビームの制御された角度で遂行され、前記情報獲得ビームを放出する情報獲得ソースと、前記アレイとは、制御された距離だけ互いに離隔して配置され、前記物体迄の距離を決定する段階は、前記制御された角度、前記制御された距離、及び、前記反射されたビームの前記画素アレイアドレスによって決定される入射角度を三角測量することに基づく。
前記アレイを活性化することは、シャッタリング（ｓｈｕｔｔｅｒｉｎｇ）を含み、前記シャッタリングは、時変（時間と共に変化する）モードに従って前記アレイの複数の部分集合を活性化することを含み、前記複数の部分集合の内の各部分集合の活性化期間は、前記制御された角度の値及び前記制御された角度の変化率に基づく。
前記信号を生成することは、前記複数の部分集合の内のアクティブ（活性化された）部分集合によって構成される画素によって前記反射されたビームを受信することに基づき、さらに、前記アクティブ部分集合に含まれない残りの画素による前記反射されたビームの感知は、前記信号に含まれない。
本発明の一実施形態で、前記信号を生成することは、前記アレイの画素が前記反射されたビームを受信することに直接応答して前記画素のラッチ回路によりセット信号を生成することを含み、前記セット信号は、前記画素の行アドレス及び列アドレスの内の少なくとも１つを、列デコーダ回路及び行デコーダ回路の内の少なくとも１つに伝達する。
前記セット信号は接地電位を基準とするフォトダイオード電流によって生起されるポジティブ（正）電圧パルスである。
前記信号を生成することは、前記アレイの画素が前記反射されるビームを受信することに応答して前記アレイの画素に対する列デコード信号を生成することを含み、前記列デコード信号は前記画素の前記列アドレスを行ラッチ回路に伝達する。
前記アレイの画素は、少なくとも１つの電荷ストレージ素子を含み、前記光子情報獲得ビーム及び前記アバランシェフォトダイオードのアレイを活性化することは、前記情報獲得ビームの放出から、前記物体により反射されたるビームの受信に至る時間期間に、前記少なくとも１つの電荷ストレージ素子の電荷レベルの変化を開始及び終了し、前記電荷レベルは、ＴＯＦに対応する。

本発明の一実施形態による光学的イベントを感知するための光学的イベントセンサは、光子情報獲得ソースの活性化と実質的に同時に活性化されて動作可能な画素のアレイを含み、前記画素はアバランシェフォトダイオードを含み、前記アバランシェフォトダイオードの電圧バイアスレベルは、ガイガーモード及びアバランシェモードの中の１つにおける画素動作に対応し、前記画素のアレイは、物体から反射されたビームを前記アレイにおいて受信し、前記反射されたビームの前記アレイ上における入射位置に対応する信号を生成する動作が可能であり，前記信号は、画素アレイアドレス、及び前記情報獲得ビームと前記反射されたビームの間のＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）の内の少なくとも１つに対応し，前記画素のアレイは、前記信号に基づいて前記物体までの距離を決定する動作が可能である。

好ましくは、
前記物体は、前記光子情報獲得ソースの制御された角度で情報獲得され、前記光子情報獲得ソースと前記画素のアレイとは、制御された距離だけ互いに離隔して配置され、前記物体までの距離は、前記制御された角度、前記制御された距離、及び、前記反射されたビームの前記画素アレイアドレスによって決定される入射角度を三角測量することに基づいて決定される。
前記アレイは、シャッタ動作が可能であり、時変（時間と共に変化する）方法に従って前記アレイの複数の部分集合を活性化することを含み、前記複数の部分集合の内の各部分集合の活性化期間は、前記制御された角度の値及び前記制御された角度の変化率に基づく。
前記信号は、前記複数の部分集合の内のアクティブ（活性化された）部分集合によって構成される第１の画素によって前記反射されたビームの感知に基づいて生成され、さらに、前記アクティブ部分集合に含まれない残りの画素による前記反射されたビームの感知は、前記信号に含まれない。
前記信号は、前記アレイの画素のラッチ回路によるセット信号を含み、前記セット信号は、前記画素が前記反射されたビームを受信することに直接応答し、前記セット信号は、前記画素の行アドレス及び列アドレスの内の少なくとも１つを、列デコーダ回路及び行デコーダ回路の内の少なくとも１つに伝達する。
前記セット信号は、接地電位を基準とする（ｇｒｏｕｎｄ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ）フォトダイオード電流によって生起される（ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ）ポジティブ（正）電圧パルスである。
前記信号は、前記アレイの画素で列デコード信号を含み、前記列デコード信号は、前記画素が前記反射されたビームを受信することに応答し、前記列デコード信号は、前記画素の前記列アドレスを行ラッチ回路に伝達する。
前記画素のアレイは、第１電圧で動作する第１基板及び第２電圧で動作する第２基板を含み、前記第１電圧は、前記第２電圧より高く、前記アバランシェフォトダイオードは、前記第１基板に含まれて構成され、画素の前記アレイの論理及び制御回路は、前記第２基板に含まれて構成される。
前記アレイの画素は、少なくとも１つの電荷ストレージ素子を含み、前記光子情報獲得ビーム及び前記アバランシェフォトダイオードのアレイの活性化は、前記情報獲得ビームの放出から前記物体により反射されたビームの受信に至る時間期間に、前記少なくとも１つの電荷ストレージ素子の電荷レベルの変化を開始及び終了する動作を可能にし、前記電荷レベルは、ＴＯＦに対応する。

本発明の一実施形態による距離測定モバイル装置は、プロセッサ、メモリ、光子情報獲得ソース、及びイメージセンサを含む。前記メモリは前記プロセッサに動作可能に連結される。前記光子情報獲得ソースは物体を照明するための情報獲得ビームを放出するように構成される。前記イメージセンサは、画素のアレイと、対応する電荷ストレージ素子とを含み、前記情報獲得ソース及び前記プロセッサに動作可能に連結され、前記情報獲得ビームによる前記物体の照明によって生成される、反射されたビームを受信し、前記アレイ上に前記反射されたビームに基づく信号を生成する。前記情報獲得ソース及び前記イメージセンサの活性化は、前記情報獲得ビームの放出から、前記物体により反射されたビームの受信に至る時間期間に、前記電荷ストレージ素子の電荷レベルの変化を開始及び終了し、ここで、前記電荷レベルは前記信号に含まれる。前記プロセッサは前記信号を受信し、且つ、前記信号に基づいて前記物体の距離情報を出力する、動作が可能である。

好ましくは、
前記画素のアレイは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードのアレイを含む。
前記電荷ストレージ素子は、キャパシタを含み、前記キャパシタは、前記反射されたビームの受信に応答して対応する画素のフォトダイオードによって生成される信号を受信すると充電を終了する。

本発明の実施形態によれば、情報獲得ビームと、アバランシェフォトダイオード（特にガイガーモードのアバランシェフォトダイオード）を含む画素アレイとを、ビームの往復時間と受信位置に限って時間的、空間的に限定して活性化できるので、高解像度、高フレーム率、且つ、低電力で対象物体までの距離を測定できる。

本発明の一実施形態による例示的な光学的情報獲得システムを示した図面である。 本発明の一実施形態による例示的なアバランシェフォトダイオード画素を示した図面である。 本発明の一実施形態によるシングル−光子アバランシェフォトダイオードの例示的な電流−電圧関係を示した図面である。 背景放射ソース（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を含む環境にある本発明の一実施形態による例示的な光学的情報獲得システムを示した図面である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサ構造の例示的な回路図を示した図面である。 本発明の一実施形態による距離測定のための様々な物体を含む環境の図面である。 本発明の一実施形態による距離測定のための様々な物体を含む環境の図面である。 本発明の一実施形態による物体までの距離を測定する方法を示したフローチャートである。 本発明の一実施形態によるホスト装置と統合された例示的な光学的情報獲得システムを示した図面である。 本発明の一実施形態による例示的な画素回路のブロック図を示した図面である。 本発明の一実施形態による例示的な画素回路を示した図面である。 本発明の一実施形態によるバッファ及びデコーダ素子を含む例示的な画素回路を示した図面である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサカラムセルフタイミング（ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃｏｌｕｍｎ ｓｅｌｆ−ｔｉｍｉｎｇ）及び読出しリップル−通過機能（ｒｅａｄｏｕｔ ｒｉｐｐｌｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）のための例示的な回路ロジックを示した図面である。 本発明の一実施形態による連結された画素回路のブロック図を示した図面である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサ構造の回路図を示した図面である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサ構造の回路図を示した図面である。 本発明の一実施形態による第１及び第２電圧で動作するための構成部と少なくとも２つの層を含む半導体装置の回路図を示した図面である。 本発明の一実施形態による積層されたウエハーデザインを有するイメージングセンサアレイ（ｉｍａｇｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ）を示した図面である。 本発明の一実施形態による積層されたウエハーデザインを有するイメージングセンサアレイの製造のための工程段階を示した図面である。 本発明の一実施形態による積層されたウエハーデザイン及び減少された画素ピッチを有するイメージングセンサアレイを示した図面である。 本発明の一実施形態による半導体製造方法を示したフローチャートである。

１つの様態で、本発明の実施形態はイメージセンサに利用されるように連結された情報獲得（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）ソースを含むシステムを提供する。情報獲得ソース（例えば、赤外線（ＩＲ）波長同調レーザ）はシステムの視野にある単数又は複数の物体を照明し、イメージセンサは関心物体から反射された光を感知する。イメージセンサは高い感光性検出器のアレイを含む。一実施形態で、アバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）は降伏領域（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｒｅｇｉｏｎ）を超えて動作するｐ−ｎ接合（ｐ−ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）装置を含み、ｐ−ｎ接合（ｐ−ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）装置は単一光子アバランシェ（なだれ）ダイオード（ＳＰＡＤ、ｓｉｎｇｌｅ＿ｐｈｏｔｏｎ＿ａｖａｌａｎｃｈｅ＿ｄｉｏｄｅ）として動作して、入射光子が自己維持アバランシェを引き起こす（例えば、アバランシェフォトダイオードは所謂ガイガーモード（Ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅ）で動作する）。一実施形態で、イメージセンサは１つ（又は少数）の入射光子に反応し、特定のイメージセンサアレイアドレスに光子感知を指示する信号を発生させる。
換言すると、画素の感光性素子による光子の受信は少数でも画素によって感知されるのに十分であり、このような画素を使用する場合、光学的イベントを検出するのに必要である光子の数の低減に導ける（従来の方法で動作する画素と比較すれば、従来の場合は、フォトダイオードは光を感知し信号を発生させるために或る時間間隔に亘って数百の光子を合算する）。
予め知られている情報獲得ソーの角度及びイメージセンサまでの距離と並んで、画素アドレスによって導出される正確な位置情報により、物体まで距離は、最小の回路複雑性、費用、及びパワー消耗にも拘らず、優れた正確度でもって測定できる。
その上に、本イメージセンサは、情報獲得ソースの活性化と協調して、イメージアレイ画素（例えば、ローリング画素サブアレイ）の時変部分集合（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ ｓｕｂｓｅｔ）を活性化して動作するように構成されるので、背景雑音（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ）及びシステムパワー要求の双方を低減できる。例えば、このような方法によれば、非常に低い光学的出力パワーの、光情報獲得システムの対応する光ソースにおける利用を可能にし、このように光学的パワー要求が低いことは、人間の目に安全という別の長所の可能性がある。

単一又は少数の光子イベント感知画素は、レンジング（ｒａｎｇｉｎｇ）、ＴＯＦ、及び３Ｄイメージングアプリケーション等の多様な光学的情報獲得基盤センシング様態に適用できることは理解されよう。一実施形態で、イメージセンサアレイの各々の画素は、関心物体から反射（又は後方散乱）されて受信された光のＴＯＦ情報を決定する。
システム上に含まれる光パッケージは、イメージセンサに入射する放射の波長をフィルタリングし、及び／又は、画素の感光性部分上に入射する放射の焦点を絞る機能を果たす（例えば、画素の充填率を向上）。
一実施形態で、イメージセンサアレイは、情報獲得ソースの活性化と同期して照射光を受信する。本発明のシステムは、最小限のオンチップ回路、待機時間、及びパワー消耗にも拘らず、明るい周辺光（又は環境光）下でも、適当な距離に亘って、背景雑音からではなく情報獲得ソースから受信する光子バースト（ｐｈｏｔｏｎ ｂｕｒｓｔ）を識別できる。
図１は本発明の実施形態による光学的情報獲得システムの概要を提供する。単一又は少数の光子画素のようなことを活用する光学的情報獲得システムは、モバイル装置（例えば、スマートフォン、タブレット）等のホスト装置、又は他のホスト装置に組み込まれる。

以下に幾つかの実施形態を参照して詳細な説明を行うが、選択肢となる実施形態と結合して本発明の主題を説明する際に、このような実施形態に本願において請求する主題を制限する意図がないことは理解されるべきである。反面に、請求対象は、添付された特許請求範囲によって定義された請求された主題の思想及び範囲内に含まれ得る代案、変形、及び等価物を含むように意図される。

また、次の詳細な説明で、多数の特定細部事項が請求された主題の完全な理解を提供するために説明される。しかし、実施形態はこれらの特定細部事項無しで又はこれらの均等物と共に実施できることが当業者によって認識されるべきである。他の例で、広く公知された方法、手続、及び構成は詳細に説明されないのは、主題の様態及び特徴を不必要に曖昧にしないためである。

以下の詳細な説明の或る部分は、方法の観点から提示され論議される。段階及び順序は、本方法の動作を説明する図面（図８及び図２１、など）において開示されるが、このような段階及び順序は例示的である。実施形態は、多様な他の段階又は本明細書の図面の流れ図に記載された段階の変形及び本明細書に記載された以外の順序に遂行するのにも適合である。

本明細書に記載された実施形態は１つ以上のコンピュータ又は他のコンピューティング装置によって実行されるプログラムモジュールのようなコンピュータ使用可能媒体の一部形態に常駐するコンピュータ実行可能命令の一般的な文脈で説明される。一般的に、プログラムモジュールは特定タスクを遂行するか、或いは特定抽象データタイプを具現するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。多様な実施形態で望む通りプログラムモジュールの機能は結合されるか、或いは分散される。

例として、コンピュータ使用可能媒体はコンピュータ格納媒体及び通信媒体を含むが、これに制限されることではない。コンピュータ格納媒体はコンピュータ読出し可能命令語、データ構造、プログラムモジュール又は他のデータのような情報の格納のための任意の方法又は技術で具現される揮発性及び不揮発性、分離型及び非分離型媒体を含む。コンピュータ格納媒体はランダムアクセスメモリ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ、ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ又は他のメモリ技術、コンパクトディスクＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋｓ）又は他の光学的格納装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク格納装置又は他の磁気格納装置、又は望む程度を格納するのに使用できる任意の他の媒体を含むが、これに制限されない。

通信媒体は、搬送波（ｃａｒｒｉｅｒ ｗａｖｅ）又は他の伝送メカニズム等の変調されたデータ信号に、コンピュータ読出し可能命令語、データ構造、プログラムモジュール又は他のデータを具現化でき、任意の情報伝達媒体を含む。用語“変調されたデータ信号”は情報を信号としてエンコーディングする方式に設定又は変更された１つ以上の特性を有する信号を意味する。例えば、通信媒体は有線ネットワーク又は直接有線接続のような有線メディア及びアクースティック、無線周波数（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、ＲＦ）、赤外線、及び他の無線メディアなどの無線メディアを含む。前記の任意の組合せもコンピュータ読出し可能媒体の範囲内に含まれるべきである。

以下の実施形態で、高解像度、高フレーム率、低パワー消耗レンジングのための技術が説明される。実施形態は情報獲得ビームで物体を照らす段階、高感光性イメージセンサを利用して物体から反射された光を受信する段階、及び三角法及び／又は画素レベルで決定されたＴＯＦ情報を利用して活性化された画素のアドレスに基づいて物体までの距離を測定する段階を含む物体までの距離を測定する方法を含む。

［ＳＰＡＤ（単一光子なだれダイオード）制御］

本発明の一実施形態で、イメージセンサのアバランシェフォトダイオード（例えば、局所的変数（ｌｏｃａｌ ｖａｒｉａｂｌｅ）及び／又は全域的変数（ｇｌｏｂａｌ ｖａｒｉａｂｌｅ）の逆方向バイアス）は感度を向上させ、レンジング（ｒａｎｇｉｎｇ）及び３Ｄイメージアプリケーションで露出時間要求を減少させるために利用される。アバランシェフォトダイオードはガイガーモード（Ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅ、例えば、ＳＰＡＤ）で自然的な逆方向バイアスブレークダウンを超える非常に極端な逆方向バイアス条件下において作動し、イベントが（非常に急激に）電流が発生するようにトリガーする時まで一時的にこのようなバイアス電圧が維持される。従ってこのような装置を検出器として使用する時は、ＳＰＡＤが非常に長期間、極端な逆方向バイアス条件下で維持されないように、時間要素（ｔｉｍｅ ｆａｃｔｏｒ）が存在する。イベントトリガーに続くＳＰＡＤによる大きい電流の発生は破壊的であるので、多くの場合、電流を制限するために抵抗がダイオードに付加され、これに従ってＳＰＡＤが“発火（ｆｉｒｅ）”（例えば、急速に電流を生成）すれば、短い時間内に安全なレベルに電流を抑制しなければならない。即ち、一旦発火したならば、ＳＰＡＤアバランシェ電流は抵抗又は他の負荷メカニズムによって“消火（ｑｕｅｎｃｈ）”される。ＳＰＡＤでの電圧は画素作動のために緩和される（同様に、極性の変更が誘導される）。本発明によるアバランシェフォトダイオードの一例は図２に図示される。

ＳＰＡＤは光子イベントに、ピコ秒（ｐｉｃｏ−ｓｅｃｏｎｄｓ）程度に、非常に速く反応する。例えば、入射光子の波長、環境温度、ＳＰＡＤのセルサイズ（面積）、及び電圧バイアス（例えば、過電圧）、量子効率、及びダークカウント率（ＤＣＲ、Ｄａｒｋ Ｃｏｕｎｔ Ｒａｔｅ）などの要因がＳＰＡＤの機能に影響する。放電されたならば、ＳＰＡＤは充電されるまで所定の時間（所謂、不感時間、ｄｅａｄｔｉｍｅ）を要し、不感時間は、一般的に約２０〜４０ナノ秒（ｎａｎｏ−ｓｅｃｏｎｄｓ）の範囲にある。一般的に、光子の少ない数十光子（光子波長及び感知器セルサイズに依存するが、約２０光子）のみでＳＰＡＤの高速電流生成をトリガーするのに十分である。

本発明の一実施形態で、ＳＰＡＤを含む画素は局所的変数（ｌｏｃａｌ ｖａｒｉａｂｌｅ）及び／又は全域的変数（ｇｌｏｂａｌ ｖａｒｉａｂｌｅ）レベルで可変画素感度を構成し、周辺光（又は環境光）及び／又はフィールド条件の深さに従って調整される（即ち、逆方向電圧制御は露出制約及び／又は条件に従うようにフォトダイオード感度を調整するのに使用される）。この動作のシステムで、フォトダイオード感度によりセットされた距離限界が存在する。
ガイガーモードで動作する時、ＳＰＡＤはＳＰＡＤ雑音の尺度（ｍｅａｓｕｒｅ）であるダークカウント（黒い色の係数）率（ＤＣＲ）を有し、ＤＣＲ値は、ＳＰＡＤセルの大きさ、ＳＰＡＤの温度、及び過電圧（例えば、ブレークダウン限界点を超える電圧レベル）のような要素に依存する。何れの光も無い時、ＳＰＡＤのＤＣＲはＳＰＡＤがアバランシェイベント発生の前にガイガーモードに残存する時間の長さの統計的尺度を提供する。周辺光と結合した場合、ＤＣＲは意味ある信号が発生するために情報獲得ビームの伝送信号と区別されなければならない背景雑音（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ）信号を提供する。従って、ＤＣＲは、ＴＯＦの間に蓄積された周辺光子と結合する時、物体から情報獲得できる最大距離（ｒａｎｇｅ）の見積り（ｅｓｔｉｍａｔｅ）を提供する。

本発明の一実施形態によれば、光学的ノッチフィルタ（ｏｐｔｉｃａｌ ｎｏｔｃｈ ｆｉｌｔｅｒ、例えば、図１の光学的システム１３５）は、関心ある情報獲得波長の外部において過度な背景雑音光子が画素に影響を及ぼすのを防止するために利用される。情報獲得ソースは光学的ノッチフィルタの中心付近に波長を放出するように選択されるか、或いは微調される。他の実施形態で、例えば、約８５０ナノメートル又は９４０ナノメートルの強い大気吸収ライン（ｓｔｒｏｎｇ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｌｉｎｅ、例えば、水に起因する大気吸収ライン）と一致する中心波長を有する光学的ノッチフィルタが、太陽からの背景放射を最小化するために選択される。例えば、このように本発明を具現すると高いフォトダイオードゲインが可能になる。
光学的フィルタの幅を減少させるトレードオフ（ｔｒａｄｅｏｆｆ）は、システムの視野の減少もやはり発生することである。微調可能な情報獲得ソースは、潛在的に費用を追加する反面に、ＳＮＲをさらに向上させるのに寄与する。光学的総パワーは、波長のみならず、目の損傷が発生し得る環境での作動が予想される時、考慮しなければならない。付加的に、画像フレーム率は画素感度（例えば、露出時間要求）、及び／又は読出し率、及び／又は画素アレイサイズに基づいて決定されなければならない。高フレーム率リフレッシュ（Ｈｉｇｈ ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ ｒｅｆｒｅｓｈ）は、移動する物体の適切に高いナイキストサンプリング率（Ｎｙｑｕｉｓｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｒａｔｅｓ）を得るために利用される。

本発明の実施形態は、非常に敏感であるフォトダイオードを含むイメージセンサを提供し、その際、物体に対する距離決定は入射情報獲得光から生じる画素活性化のアレイアドレスを知らせる新しいアドレッシングスキームによって行われる。本発明はＳＰＡＤ技術に限定されず、充分な感度を有する何れの光子検出器にも使用できる。

［統合三角測量を介したレンジング］

１つの様態で、本発明による実施形態は物体までの距離を測定するための光子情報獲得システム（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）を提供する。図１は本発明の実施形態による物体までの距離を測定するための例示的な光子情報獲得装置１０５を含む光学的情報獲得システム１００の概略図である。情報獲得装置１０５は情報獲得ソース１１０及びイメージセンサ１１５を含む。情報獲得ソース１１０及びイメージセンサ１１５は所定の距離１２０によって離隔されている。所定の距離１２０は例えば５センチメートルであるが、これに限定されない。一実施形態で距離１２０は制御された方式に変更される。情報獲得ソース１１０は情報獲得ビーム１２５を放出し、イメージセンサ１１５は情報獲得装置１０５の視野で物体から戻って来る光１３０を感知する。イメージセンサ１１５は感光性ダイオードのアレイ１４０、例えばイメージセンサ１１５の画素を形成するアバランシェダイオードを含む。

本発明による実施形態で、アレイ１４０は最小限２つの積層されたウエハー（又は基板）によって形成されたＳＰＡＤ画素１４０ａを含む。ＳＰＡＤ画素１４０ａはバイアス電圧に基づいて線形アバランシェモード又はガイガーモードで動作する。ＳＰＡＤ画素１４０ａは感光性領域１４５ａ及び画素回路（例えば、高電圧ライン、画素入力／出力ライン）がある領域１５０ａを含む。一実施形態によれば、画素回路ロジックに対応する画素回路素子はＳＰＡＤセルから分離された基板上に形成される（例えば、感光性領域はｐ／ｎ接合に対応する基板上に形成される）。本明細書に記述されたように、即ち、複数のＳＰＡＤセルを有する基板は複数のロジック及び制御回路（例えば、トランジスタ、イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）ライン、等）を有するウエハーの上方に積層される。本発明による他の一実施形態でアレイ１４０は１つのウエハー上に形成されるＳＰＡＤ画素１４０ｂを含み、そこで感光性領域１４５ｂは画素回路ロジック１５０ｂ（例えば、高電圧ライン、画素入力／出力、ＴＯＦ情報格納素子）に隣接する。
画素１４０ａ、１４０ｂは、少なくとも１つのＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ、飛行時間）素子、即ち、リニアアバランシェ又はガイガーモードで動作し、且つ、例えば、ＴＯＦ値に対応する電荷を格納するストレージキャパシタを含むアバランシェフォトダイオードであり。光学的システム１３５は光学的情報獲得装置１０５に含まれ、光学的システム１３５はイメージセンサ１１５上に入射される反射光を集束及び／又はフィルタリングする。光学的情報獲得装置１０５は環境光センサ（図示せず）を含む。図１に示したように、情報獲得ビーム１２５は物体１５０に向かい、物体１５０から戻って来る光１３０はイメージセンサ１１５上に落ちる。

一実施形態で、情報獲得ソース１１０はレーザ、例えば、共振性の（ｒｅｓｏｎａｎｔ）ＭＥＭｓ走査（ｓｃａｎｎｉｎｇ）ミラーを含むレーザ（例えば、垂直キャビティ表面光放出レーザ、ＶＣＳＥＬ）である。情報獲得ソース１１０はＩＲ波長又は他の波長の放射線を放出する。一実施形態で、ミラーはｘ方向（例えば、イメージセンサアレイのカラムに沿って）に共振し、ｙ方向（例えば、イメージセンサアレイのローに沿って）に進行（ｓｔｅｐｐｅｄ）する。共振走査レーザは情報獲得装置１０５の全視野に亘って情報獲得ビーム１２５をスイープ（ｓｗｅｅｐ）する。一実施形態で、情報獲得ソース１１０はレーザから高強度の光子（例えば、情報獲得ビーム１２５）のラスタ走査（ｒａｓｔｅｒ＿ｓｃａｎ）を生成する。一実施形態で、視野を横切る情報獲得ソース１１０の共振モーションの生起要因となるために、情報獲得ビーム１２５の活性化は、イメージセンサ１１５全体に亘って実質的に同一の放射を提供するように制御される（例えば、情報獲得ソース角度１１１に基づいた、情報獲得ソース１１０のデューティサイクル（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）のサイン曲線的線形化（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ））。

コリメートされた（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）“スポット（ｓｐｏｔ）”モードにおける情報獲得ソース１１０の活性化は、特定の角度（例えば、情報獲得ソース角度１１１）及び定義されたパルス周期を有し、イメージセンサ１１５に対して１回に１つの画素にグリッドイメージを“ペイント”するのに寄与する。ここで説明されるように、ミラーの走査率（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｒａｔｅ）はシステムタイミング、特に画素活性化タイミングにおける重要な要素である。情報獲得ソース１１０及びイメージセンサ１１５は共平面であって、イメージセンサ１１５の場面視野を光学的情報獲得装置１０５の視野と同一の平面に限定する。従って、全ての物体から戻って来る光子（例えば、戻って来る光１３０）は情報獲得ビーム１２５と同一の平面にある。従って、イメージセンサ１１５のアレイに関しては、情報獲得ソース１１０の角度１１１に基づいて予想されるフォトダイオード励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）を有する行（ｒｏｗ）は既知となる。しかし、物体までの距離（そして戻って来る光１３０の帰還角度）が不明であるので、列（ｃｏｌｕｍｎ）内の特定行（ｒｏｗ）は未知である。物体１５０は装置１０５の視野内で多重の距離／位置に存在し得る。

戻って来る光１３０が光学的システム１３５に向かって入ってくる角度１１６は、フォトダイオードが活性化された行（ｒｏｗ）内での位置、即ち、イメージセンサアレイの列（ｃｏｌｕｍｎ）を決定し、従って距離（三角測量を通じて）を決定する。イメージセンサ１１５を含む光学的情報獲得装置１０５のレンズ系と光学系（例えば、光学的システム１３５）は視野の限界範囲まで遠隔地点（光の立体角（ｓｏｌｉｄ ａｎｇｌｅ））を見る。イメージセンサ１１５のアパーチャを合わせる低地点（物体１５０上の地点）からの光子は１つのアレイ素子（例えば、１つの画素）上に集束される。
他の実施形態で、情報獲得ソース１１０は、照明がストライプ（縞）状に放出される“ファン（ｆａｎ）”モードで作動する。実施形態で、ストライプは情報獲得ソース動きの軸（例えば、共鳴軸）と実質的に垂直である。このような実施形態で、戻って来る照明１３０はアレイ素子の全体的な列（又は行）上に入射され、情報獲得ビーム１２５の方向と平行である。情報獲得物体の特徴（例えば、物体の輪郭線）によって、戻って来る光１３０は、物体の輪郭線に対応して、非平面（ｎｏｎ−ｐｌａｎａｒ）に戻り、様々な列を通じて入射される。ファンモードで、全てのフォトダイオード行は同時に活性化される。情報獲得ソースの出力パワーは増加され、全てのライン（全ての行）を通じた分配のために補償することができる。このような装置のためのイメージセンサ１１５構造は明るい太陽光で情報獲得ソース１１０からの光子バースト（ｐｈｏｔｏｎ ｂｕｒｓｔ）を、最小の時間、最小のパワー消耗、及び高い再生周波数に、オンチップ回路の最小と共に、レポートする。一実施形態で、イメージセンサ１１５内の発火するフォトダイオードを通じた正確な位置の三角法を利用して、物体までの距離測定が決定される。ここで論議されるように、背景雑音の考慮事項のため、本発明の実施形態は特別な測定周期間情報獲得ビーム１２５の活性化と同期化された方法（例えば、“ｇａｔｅｄ”）で感知するために活性化されるイメージセンサ１１５の感光性ダイオードを含む。ここで説明されるシステムは画素アドレスに従って知られる高感光性画素イベントを通じて高い処理量を提供することができる。さらに、本発明による実施形態は画素レベルでＴＯＦ計算を通じて物体までの距離を計算する手段を提供し、このような情報は距離が三角法情報（例えば、三角測量）に従って計算される実施形態のためには必要としない。位置上の接近（例えば、画素アドレス）はＴＯＦ情報を生成するための画素内の高価な回路に対する必要を除去してシステムの費用を減少させることができる。さらに、例えば、ルックアップテーブルを通じて画素アドレスが検索できれば、計算要求が減少される。付加的に、各画素の感光性部分は全体画素の割当によって大きくなるので（例えば、充電率増加）、画素レベルの回路での最小化は同じサイズのアレイのためのシステムで解像度を増加させる。費用及びサイズのような要素は携帯性及び／又はウェアラブル装置のようなアプリケーションのために非常に重要である。

図２は本発明の一実施形態による例示的なＳＰＡＤ画素構造１４０を示した図面である。実施形態で、ＳＰＡＤ画素を活性化することはワードライン（ｗｏｒｄ ｌｉｎｅ）及びビットライン（ｂｉｔ ｌｉｎｅ）信号によって具現される。ＳＰＡＤ画素はフォトダイオード１４５を含む。ＳＰＡＤ画素の各々はアクティブ又は抵抗性の負荷２２０を通じたアクティブ及び／又はパッシブクエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を含む。ＳＰＡＤ画素はバッファ２２５を含む。一実施形態で、アクティブクエンチングはアクティブ負荷によって提供され、この活性化は選択的なフィードバッククエンチング回路２３０からのフィードバック（例えば、ＳＰＡＤアバランシェ電流の上昇エッジトリガー）に基づく。クエンチ（Ｑｕｅｎｃｈ）時間はマルチプレクサコードスイッチオーバヘッド時間に内装されることができる。実施形態で、統計的なノイズ（例えば、ＤＣＲ、周辺光）のリセットを活性化する回路の駆動リセットは内装される。実施形態で、高電圧供給ラインは静的であり、接地側ワードラインの活性化は高電圧電流通路を可能にする。

図３は本発明の一実施形態によるＳＰＡＤ電流−電圧特性３００を示した図面である。電流−電圧特性３００はＳＰＡＤ駆動の位相（段階）を示す矢印を含む。逆バイアスレベル（Ｖｇｅｉｇｅｒ）が半導体ｐ−ｎ接合のブレークダウン電圧（Ｖｂｒｅａｋｄｏｗｎ）を超える逆バイアス電圧であり、所謂アバランシェフォトダイオード（例えば、ＳＰＡＤ）のガイガーモードを示すところに、逆バイアスレベル（Ｖｇｅｉｇｅｒ）が図示される。電圧レベル（Ｖｇｉｇｅｒ）で、ＳＰＡＤは熱雑音のみならず、入射光子放射から電流（電子のバランシェ）を発生させる。ＳＰＡＤゲイン（例えば、電子増倍因子、ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｆａｃｔｏｒ）は過電圧及びＳＰＡＤセルサイズの面積に実質的に線形的に依存する。同様に、ＳＰＡＤの光子及び／又は温度活性化の可能性（例えば、ＤＣＲ）は過電圧増加と共に増加する。アバランシェ電流が開始されれば、ＳＰＡＤは過大電流の流れを防止するためにクエンチ（ｑｕｅｎｃｈ）される。ＳＰＡＤがクエンチされ、低い電圧バイアスに戻れば、さらに活性化のためのＳＰＡＤが準備されるために、ＳＰＡＤ電圧バイアスはＶｇｅｉｇｅｒに戻る。クエンチとリセットとが約２０−４０ナノ秒である反面に、ブレークダウンのためのＳＰＡＤに対する典型的なタイミング値は１ナノ秒より小さい。クエンチングはパッシブ又はアクティブの中で１つであり、望ましい一実施形態で、アクティブクエンチングはクエンチングタイムを最少化し、これにＳＰＡＤが様々な信号を生成する速度を増加させるために使用される。

図４は明るい光を含む場面４００を図示し、物体４４０を照明する背景放射ソース４０１を使って物体４４０までの距離を測定するために駆動する模範的な光子情報獲得装置１０５の概略図を含む。情報獲得ソース１１０は角度４１１に情報獲得ビーム４２５を放出し、これは角度４１６に戻って来る光４３０を形成するために物体４４０から反射される（又は後方散乱される）。戻って来る光４３０はイメージセンサ１１５（情報獲得ソース１１０から一定の距離１２０に位置する）によって受信され、光子情報獲得装置１０５によって作られた距離測定の根拠を形成する。太陽、放射が広いスペクトルであるケースで、情報獲得ビーム４２５と並行して、放射ソース４０１は放射ソース４０１の出力パワーに依存する光子の流れを利用して物体４４０を一定に照明する。放射ソース４０１からの光子は物体４４０を照明し、イメージセンサ１１５上に入射される反射光４３５を形成する。

高感光性フォトダイオードを含むイメージセンサ１１５は放射ソース４０１の光子からイメージソース１１０からの光子を識別しない。ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを含むイメージセンサで（例えば、ＳＰＡＤを含む）、個別的ダイオードは約２０光子に反応する。放射ソース４０１からの大きい光子の流れと同様にＳＰＡＤの黒い色の係数率はイメージセンサ２１５内のＳＰＡＤの速い発火を導く、これは装置１０５から適当な距離にある物体４４０のための戻って来る光４０３の受信に優先する。例えば、太陽（例えば、情報獲得ソース１１０のレーザ波長と同一、感知される波長で太陽の照明、光学的フィルタリングと共に）のような放射ソース４０１による物体４４０の照明と同様に、物体４４０上の情報獲得ソース１１０の光は（例えば、伝送信号）信号対背景雑音比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ、ＳＮＲ）を提供する。従って、縮小された画素活性化時間によってイメージセンサ１１５でノイズに対する全体的なＤＣＲ寄与を減少させることだけでなく、測定の間にイメージセンサ１１５上に充分な光子の入射数を最少化してＳＮＲを向上させるために、情報獲得ソース１１０の活性化に基づいたタイミングと共にイメージセンサ１１５のフォトダイオードを活性化させることは有用である。

背景雑音を考慮すれば、さらに長い測定長さは、対応するさらに大きいＴＯＦと共に、受信される周囲の光子及びダークカウント（ｄａｒｋ ｃｏｕｎｔｓ）の全ての増加に繋がる。光子は情報獲得ビーム４２５の全体ＴＯＦを超えてイメージセンサ１１５に到着する。物体４４０に対する範囲を測定するための意味ある信号を生成するために、戻って来る光４３０は周辺光及びＤＣＲによる活性化に優先して第１活性化フォトダイオードを活性化するために必要である数の光子を伝達しなければならない。典型的なレーザである情報獲得ソース１１０が有限であるパルス幅を有するパルスを放出するので、情報獲得ソース１１０から予想される伝達光子の数は計算されることができる。放射ソース４０１からの光子フラックス（即ち、光子受信率）が、時間の経過に対して安定である一方、情報獲得ソース１１０からの光子フラックスは、出力パワー及びデューティサイクル（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）に依存して、さらに高くなる。

背景雑音に応答して信号を生成する以前にＳＰＡＤが活性化される時間窓（ｔｉｍｅ ｗｉｎｄｏｗ）は、１つの測定期間に亘る画素活性化に対して意味ある時間窓を提供する。異なりに言えば、測定される物体（例えば、物体４４０）は、情報獲得ビーム４２５及び戻って来る光４３０の間のＴＯＦが背景雑音によってＳＰＡＤが発火される時間を超過しないような距離内になければならない。従って、物体距離測定の最大範囲に対応する最大の有用なＴＯＦが存在する（光は約、０．３ｍ／ｎｓｅｃの速度で移動するので、測定のアウト及びバック特性（ｏｕｔ−ａｎｄ−ｂａｃｋ ｎａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）により、物体距離測定の最大範囲は、半減する。情報獲得物体が公知された大略的な範囲の情報獲得シナリオで、周辺光子の蓄積（例えば、背景雑音）は情報獲得ビーム４２５及び戻って来る光４３０の予想される結合されたＴＯＦを利用するイメージセンサ１１５の調整する活性化によって最小化され、これは情報獲得物体に対する大略的な公知された範囲に基づく。異なりに言えば、情報獲得物体までの予想される視野の真ん中の外側範囲からの周辺光子を拒否するために、イメージセンサ１１５のフォトダイオードの活性化はＴＯＦ−駆動（ＴＯＦ−ｇａｔｅｄ）である。このＴＯＦはＴＯＦ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ回路によって直接的に測定される必要はなく、ここで説明されたように三角測量による距離測定に基づいて決定されることができる。

パルスウインドー及び画素ウインドーは１つの距離測定周期を定義する。このような方法で、情報獲得ビーム角度４１１は、距離１２０と共に物体４４０までの距離決定に資する、戻って来る角度４１６と相関性を持たせることができる。イメージセンサ１１５の受信される光子が曖昧でないことは重要であり、従って、角度４１６に受信される光子は、光子が放出される情報獲得ソース角度４１１に適切に帰着される。それと異なりに、非同期化が情報獲得ビーム角度４１１と戻って来る角度４１６の間に発生すれば、物体４４０まで誤った距離計算を引き起こす。しかし、各画素のために使用可能な時間は、情報獲得ソース（例えば、１１０）又は雑音に起因する発火の対象になるイメージセンサ１１５の各々のスイープのために許容される総時間のみならず、光子予算及び距離によって制限されなければならない。

理解できるように、本発明による光学的情報獲得システムのためにイメージセンサの機能及びタイミングは特に重要である。センサによって消耗されるパワー及び雑音によって高感光性アバランシェフォトダイオードのアレイが生成する偽の情報を最小化するために、三角測量に基づく物体までの距離を測定するコンセプトはセンサの構造によってさらに強調されることができる。例えば、イメージセンサの全体アレイがガイガーモード及び活性化で構成されれば、ＳＰＡＤの多い部分が概ね同時に発火されるが、恐らくただ１つ（又はそれ程度）は露出時間に依存する情報獲得ソース１１０によることである。逆に、アレイ内のＳＰＡＤの選択的な活性化は関心のイメージセンサ１１５領域に対するアレイ−根拠ＤＣＲ雑音を減少させ、このようにすることによって光学的情報獲得装置のＳＮＲを増加させる。

［プログラマブル・イメージセンサの、ロー＆カラム（行＆列）シャッタ］

図５は本発明の一実施形態による例示的なイメージセンサ構造５００の図面を示した図面である。イメージセンサ構造５００はフォトダイオードのアレイ１４０、開始（Ｓｔａｒｔ）５０５、設定（ｓｅｔｕｐ）５０５、レンジング制御入力（ｒａｎｇｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｐｕｔｓ）５０５、高電圧及び供給回路（ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｓｕｐｐｌｙ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）５１０、マルチプレクサバンク（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｂａｎｋｓ）５１５、センス増幅器（ｓｅｎｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）５２０、マルチプレクサ・シークェンサ（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｓｅｑｕｅｎｃｅｒ）５３０、アドレスラッチ（ａｄｄｒｅｓｓ ｌａｔｃｈｅｓ）５３５、及びアドレス及びエッジトリガー入力／出力回路（ａｄｄｒｅｓｓ ａｎｄ ｅｄｇｅ ｔｒｉｇｇｅｒ ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）５４０を含む。構造５００はイメージセンサ内の画素のアレイの画素の部分集合５５０をさらに含み、本明細書で“部分アレイ”又は“アレイの部分集合”のように、全てのアレイはＲ行及びＣ列のサイズを有する。

イメージセンサ（図１のイメージセンサ１１５）内の高感光性光検出器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）の使用と共に、低いパワー、高解像度光学的情報獲得システムは物体の範囲を決定する。一般的に、ＩＲ波長で及び小さいセルサイズと共に、ＳＰＡＤ画素１４０は発火されるために約２０光子の受信を要求する。一実施形態で、正確な位置三角法は、特別な時間フレーム内に（例えば、画素時間フレーム）、関心物体から反射される入射情報獲得ビームからの光子の受信に基づいて、ただ信号を発生する画素のアドレスをレポーティングして測定される。光学的情報獲得システムは情報獲得ソース活性化のタイミングを制御するので（装置は出力信号が何時に生成されるかを制御）、装置は戻って来る信号が到着しなければならない大略的な幾つの周期の間を予想するようにプログラムされる（公知された範囲に存在する物体のために、例えば公知されたフィールドの深さ（ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄ））。

低いパワーで光学的情報獲得システムを駆動するために、パワー節約は可能な多い部品で（相変わらず、適当な解像度能力を維持しながら）達成されなければならない。高感光性ＳＰＡＤに基づいた画素の使用が情報獲得ソースのパワー要求を減少させる反面に、ゲインはイメージセンサアレイ内の各々のＳＰＡＤが活性化される方法で慎重に考慮されることができる。ここで説明されたように、アバランシェダイオードはガイガーモードに入るために多い逆バイアスを要求し、これらの開始（例えば、高電圧及び供給回路５１０を通じて）は各々のダイオードのための特定なパワーを要求する。従って、情報獲得ソース以外にソースからの発火イベント発生の増加のように、フォトダイオードの活性化によるパワー消耗のように、イメージセンサアレイで同時に全てのフォトダイオードを活性化することは望ましくない。

非情報獲得ソースイベントに起因するパワー消耗及び画素活性化の可能性の全てを減らすための接近はただ測定期間の間にイメージセンサ内のフォトダイオードの部分集合を活性化させることである。異なりに言えば、イメージセンサアレイの他の画素が活動を中断する反面に、“ｐａｇｅ”（例えば、画素のサブアレイ）は一定期間の間に情報獲得ソース伝達を感知するために作動及び活性化される。フォトダイオードの減少された数の活性化は（例えば、ＤＣＲを除去することによって、アレイ内の非活性化画素から周辺光をトリガーリングすることによって）パワー消耗を減少させ、また背景雑音に起因する虚偽の自発的な活性化の可能性を減少させる。

物体存在の位置／距離に関する事前知識無い視野のために、イメージセンサ内の全ての画素は視野内の物体から反射される光を検出するための最も大きい機会を提供するために最適に活性化される。物体の以前位置／距離の幾つの知識を利用する視野の情報獲得はイメージセンサ内の画素のサブアレイを利用して遂行される。情報獲得システムから与えられた情報獲得ビーム角度で、視野内の物体に関する予想される位置／距離の知識が物体から反射される光の位置に関する予想（近似値）を提供するので、画素のサブアレイは利用されることができる。このようなシナリオはただ画素アレイの部分集合を活性化するためのイメージセンサを構成する情報獲得システムの能力の使用を示す。光学的情報獲得システムの結合で、これは再び情報獲得システムのフレーム率（ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ）を増加させパワー消費を減少させることができる。例えば、このシナリオは視野の公知された場面（例えば、最近測定された視野）のアップデートの間に存在することができる。

サブアレイ５５０のサイズは何処に光子が到着するかに関する予測に基づき、測定された体積空間に関する与えられた知識に基づく（例えば、最小及び最大距離）。視野以内の物体の位置、情報獲得システムのパワー、周辺光レベル、各々のＳＰＡＤの過電圧レベル、等のような要素に基づいて、サブアレイ５５０のサイズは増加又は減少される必要がある。特定な測定期間のためのフォトダイオード活性化の具体的な部分集合は測定から測定まで変化し（例えば、情報獲得ソースが視野の他の部分をサンプリングするために移動される）、これに従ってアクティブイメージセンサフォトダイオード５５０の“ローリングサブアレイ”を生成する。これは画素サブアレイ５５０の幾つのセットによって図５に図示され、点線矢印で表示されたように時間経過に従ってセンサアレイに沿って移動る。制限されない例として、サブアレイはイメージセンサアレイの３つの隣接する行及び４つの隣接する列（３ｘ４サブアレイデータサイズ）を利用して構成される。他の制限されない例として、アレイ−ハイ（ａｒｒａｙ−ｈｉｇｈ）サブアレイ５５０’は全ての行及び幾つの（例えば、３つ）隣接する列の活性化で構成される。例えば、サブアレイ５５０’はファン（例えば、ライン）モードで構成された情報獲得ビーム１２５と共に使用されることができる。

１つの側面で、このローリングサブアレイ５５０は光学的情報獲得システムのためのローリングシャッタの種類と考慮されることができる。サブアレイ５５０の動きは測定期間の間に画素が活性化／非活性化される同一の速度に一般的に増加され、また画素速度（ｐｉｘｅｌ ｒａｔｅ）と称される。本明細書で説明されたように、画素速度は測定視野内の情報獲得ソースの動きでの角速度（ａｎｇｕｌａｒ ｒａｔｅ、例えばスキャナーミラーに基づいたＭＥＭｓの共振周波数）、情報獲得ソースのモード（例えば、ステップモード又は“ファン”モード）、周辺光レベル、等のような要素によって決定される。さらに、ただ画素アドレスを通じた画素イベントレポーティングによって、高い情報処理量は達成される。

光学的情報獲得ソースの活性化に対して画素サブアレイ５５０の活性化のタイミングは様々な方法に導入されることができる。同期化モードで、情報獲得ソースの連続的なパルス間の時間は、周辺光レベル、情報獲得ソースのパワー、パルス時間、等のような要素によって、光学的情報獲得システムレベルで決定され、サブアレイ５５０は情報獲得ソースからのパルスが発火される同時に活性化される。異なりに言えば、情報獲得ソース及び画素サブアレイ５５０は、ｐｕｌｓｅ−ｂｙ−ｐｕｌｓｅ方式に、同期化されて制御される。パルス間の期間上の制限は物体の位置（感知された物体のための最大の範囲を指示）を決定するための最大のＴＯＦのみならず、画素サブアレイ５５０の部分集合内の各々のフォトダイオードを活性化するために要求される光子の数を含む。実施形態で、各々の画素は１つの情報獲得ソースパルスが活性化される時間期間内に、超過逆バイアス臨界値に到達、最大のＴＯＦまで臨界値を維持、発火（仮に光子が感知される場合）、及びクエンチングのシークェンスを完了する。仮に最大のＴＯＦが情報獲得ソースのパルス周期より大きければ、画素サブアレイ５５０の同一の測定期間の間に、距離測定曖昧さにつながる、情報獲得ソースの様々なパルスが存在することになる。距離の三角法測定は、特別な受信画素アドレスと同様に、特別な情報獲得ソース角度を要求する。従って、情報獲得ソースパルスの大きい周波数を活性化するように、微細なイメージセンサアレイ解像度と同様に、活性化／発火／リセットサイクルを完成するためのＳＰＡＤのために要求される時間を最小化することは光学的情報獲得システムの作動に有益である。ＳＰＡＤ駆動サイクルを減らす１つの方法はＳＰＡＤのクエンチング時間を最小化することである。これはＳＰＡＤの活性化クエンチングを通じて達成され、アクティブロードはＳＰＡＤからアバランシェ電流の開始時間に活性化される。実施形態で、仮にＴＯＦが（情報獲得ソース周波数）−１を超過する場合、情報獲得ソースパルス及び画素サブアレイ５５０は全て増加され、どのイベントも記録されない。

情報獲得ソース及び画素サブアレイ５５０が同時に活性化される反面に、画素サブアレイ５５０の代案的なタイミングは非同期演算（ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）であり、しかし、情報獲得ソースパルス間のタイミングは感知イベントのタイミングによって測定される。一実施形態で、情報獲得ソースはただ、画素サブアレイ５５０が戻って来る信号を受信する時、又はシステムタイムアウトが発生する時、１つのパルスを放出する。システムタイムアウトはシステムレベルで設定可能し、周辺光レベル、物体までの最大の距離、情報獲得ソースパルスパワー、及びパルス幅、等に基づく。このような方法で、光学的情報獲得システムの可変又はセルフ時間制限（ｓｅｌｆ−ｔｉｍｅｄ）駆動は具現されることができる。遠く離れて位置した（例えば、数メートル）物体のために、システムのフレーム率（ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ）は可変的である。測定のために隣接物体が存在する時、最大のＴＯＦタイムアウトが要因ではないように、近接した物体のための非同期モードでの駆動はさらに速い情報獲得ソースパルス及び画素サブアレイ速度を可能するようにする。

本発明の一実施形態よれば、マルチプレクサバンク５１５はイメージセンサアレイの行及び列に連結される。一実施形態で、マルチプレクサバンク５１５は現在活性化されたサブアレイに従って出力を選択する、例えば、現在サブアレイに従って、８−ｂｉｔ解像度７６８で３行を選択し、８−ｂｉｔ解像度１０２４で４列を選択する。他のマルチプレクサバンク構成も可能である。マルチプレクサバンク５１５の出力は行及び列センス増幅器５２０（又は比較器）に各々連結される。一実施形態で、信号を発生するための第１フォトダイオードは、行の中でいずれかでも、例えば、３つのアクティブ行の中で１つは感知信号に出力される、“勝者独食（ｗｉｎｎｅｒ−ｔａｋｅ−ａｌｌ）”感知及びラッチ５２５を生成する。同様に、シグナリングフォトダイオード（ｓｉｇｎａｌｉｎｇ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）に対応する列は感知及びラッチ５２５出力を生成する。本発明の一実施形態によれば、出力信号はただ発火された画素位置（例えば、ただ“勝者独食”感知及びラッチからの画素のアドレス）のみを伝達し、他の画素からの情報を含まない。感知及びラッチ５２５の他の組合が可能であり、本発明の思想及び範囲と一致する。活性化されるための第１行アドレスの及び活性化されるための第１列アドレスの組合は測定期間の間に活性化される情報獲得ソースビームの関連された固有の画素アドレスを与える。この画素アドレスは特別な情報獲得ソース角度に対応する出力信号を含む。例えば、イメージセンサの出力は２−ｂｉｔｓ行情報及び２−ｂｉｔｓ列情報であり、レンジング情報は測定されたサブアレイアドレスに基づくので、信号管理及び入力／出力チャレンジは伝統的なレンジングシステムと比較して著しく減少されることができる。

たとえシステム測定範囲で費用が掛かるが（例えば、最大フィールドの深さ）、ＳＰＡＤタイミングは雑音を減らすために外部で駆動されることができる。チップサイズを減らすために、外部タイミング及び制御電子装置が使用されるが、チップデザインレベルと印刷回路基板（ＰＢＣ）のデザインとの間にトレードオフが存在する。制御入力信号は、エッジトリガーリング、プログラム可能な設定、画素活性化、及びマルチプレクサ・シークェンシング５３０を通じて、セルフタイミングを生成するのに利用されることができる。マルチプレクサ・シークェンサ５３０は開始信号からトリガーされるタイミング及び制御ロジックを含む。

光学的情報獲得システムの測定段階の間に、情報獲得ソースが情報獲得ビームの伝達の角度を増加させるように、情報獲得システムから異なる距離にある２つの物体の存在は、物体位置の急激な明らかな変化が発生する状況か、或いはその代わりに物体の存在が適切に感知されない状況を惹起することができる。図６及び図７は近い物体が遠い物体の少なくとも一部を隠す時、このようなシナリオの一実施形態を示した図面である。

図６は近い物体６１０及び遠い物体６１５が光情報獲得装置１０５によって測定される環境６００を示した図面である。第１測定期間に、情報獲得ビーム６０が放出され、これは近い物体６１０が反射されて角度θ１にイメージセンサ上に入射される。第１測定期間に後続する第２測定期間に、情報獲得ビーム６２が放出され、これは遠い物体６１５に反射されて角度θ２にイメージセンサ上に入射される。物体６１０、６１５が互いに他の距離にあるので、戻って来る角度θ１、θ２は、２つの物体６１０、６１５の間の相対的な距離に依存して、異なる。このような互いに異なる、戻って来る角度の意味は、単なる１つの測定期間のコースを超えて、第２測定から戻って来る光が第１受信光の住所から除去されるアレイアドレス幾つの部分で受信され、受信角度で明白な移動につながり、物体の間の距離に比例する。このようなスキップ（ｓｋｉｐ）角度は図６においてθｓで表示される。このシナリオは装置１０５によって戻って来る物体の部分で段階関数（ｓｔｅｐ ｆｕｃｔｉｏｎ）を引き起こす。一般的に、情報獲得装置からイメージ化されない近い物体に比べて遠く存在する物体がある地域が存在する。

また、図７は測定のための様々な個の物体、近い物体７１０及び遠い物体７１５を含む環境７００を示した図面である。物体７１０及び７１５の幾何学的な構造は、従って、情報獲得ビーム角度の所定の範囲を超えて、遠い物体７１５上に入射光から起因する反射される光は近い物体７１０によって装置１０５イメージセンサでの受信から遮断される。このような状況は一般的に物体閉塞（ｏｂｊｅｃｔ ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ）と称される。実施形態で、第１情報獲得ビーム７０は遠い物体７１５上に入射され、そして、狭く欠落する物体７１０は反射されるビーム７２を形成し、反射されるビーム７２は装置１０５のイメージセンサ上に入射される。続ける情報獲得ビーム７１は物体７１５上に入射されるが、ビーム７１の反射は物体７１０によってイメージセンサの視野から遮断される。これが近い物体（７１０）によって隠される遠い物体７１５のこのような部分までの距離を測定するための装置１０５の失敗を引き起こす。スキャニングサイクル内の後の時点で、近い物体７１０上に入射する情報獲得ビーム７８が放出され、反射される光は情報獲得装置１０５のイメージセンサに再び受信される。一般的に、地域７５０は、戻って来る光の閉塞によって、情報獲得装置１０５からイメージ化されない物体７１０に比べてさらに遠く存在する物体がある地域である。

情報獲得ビームが戻って来る角度内に生じるこのような突然のジャンプを説明するための接近（アプローチ）方法は（例えば、図６及び図７）同時に画素のさらに大きいグループを可能であるようにする（例えば、画素サブアレイ又はページのサイズを増加させるために、例えば、図５のサブアレイ５５０）。大きいな範囲で、このサイズは（情報獲得ビーム走査のような規模で、例えば、列に沿って）視野の半分までである。この場合、画素のサブアレイの幅は列の半分までとする。さらに、イメージセンサと比較された情報獲得ソースの制御された位置と実際の位置との間の機械的／光学的整列不良（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を説明するために、及び／又は視野に対して光学的情報獲得システムの動きを説明するために、画素のサブアレイは走査方向直交（例えば、行）である程度の深さ（ｓｏｍｅ ｄｅｐｔｈ）を要求する。情報獲得ソース位置内の機械的／光学的整列不良のソースはＭＥＭｓ調整装置（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）及び応答線形性（ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）を含む。これらはアクティブ画素のサブアレイサイズの増加を説明することができる。
整列不良によって誘導される距離測定エラーは画素アレイの解像度と関連され、微細に解像されたアレイ（ｆｉｎｅｌｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ａｒｒａｙ、ｓｍａｌｌ ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ）の場合は、多数の画素がスキップオーバされるので、与えられた角度整列不良に対して、戻って来る位置のエラーがより大きくなる。このような接近が光学的情報獲得システムのためのさらに大きい回路複雑度及びパワー消費を引き起こす反面に、あまりにも広い地域を観察することに従う背景雑音を増加させることに対向して、あまりにも小さいデータ（サンプリング）サイズに起因する情報獲得ビームからの光子の戻って来る集合を欠落する可能性の間で、バランスが追求されなければならない。

近い物体及び遠い物体（例えば、物体６１０、物体６１５）間の距離はスキップ角度（ｓｋｉｐ ａｎｇｌｅ）に影響を及ぼし、さらに小さい物体間の距離（ｉｎｔｅｒ−ｏｂｊｅｃｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ）はさらに小さいスキップ角度（ｓｋｉｐ ａｎｇｌｅ）を提供し、これは縮小されたサブアレイデータサイズの要件とつながる。本発明の一実施形態によれば、光学的情報獲得装置（例えば、測定されたスキップ角度を通じて）の視野内の測定された物体間の距離に基づいて、サブアレイサイズは自動的に作られる。一実施形態によれば、例えば、視野内の動く物体又は新しく導入される物体によるスキップ角度内の変化を説明するために、サブアレイ５５０サイズは動的に調整される。

センサアレイ内の画素の部分集合（例えば、画素サブアレイ５５０のサイズ）の活性化を調整するための光学的情報獲得装置の能力は追加機能を提供する。本発明による実施形態で、光学的情報獲得装置がフレームを出力するフレーム率はイメージセンサアレイ（例えば、フレームズーム（ｆｒａｍｅ ｚｏｏｍ）内で活性化される行の数を減らして調節される。異なりに言えば、フレームサイズは総可能なアレイ行より少ないことを考慮して減少され（例えば、イメージセンサ構造５００内の７６８行よりさらに少なくように活性化）、これはフレーム率の増加を導く。フレーム率増加は走査された行の減少に比例する（情報獲得ソースの共振動きによって、列が維持されるための走査時間のように）。情報獲得ソースの全体走査（ｆｕｌｌ ｓｃａｎ）によって全体フレームは生成され、例えば情報獲得ソースはイメージセンサ行軸に平行に共振し、イメージセンサ列に平行である軸に沿って進行する。情報獲得ソースパルス活性化のパルスは縮小されたフレーム地域内に含まれるこのような地域に制限され、同様にローリング画素サブアレイ５５０はただ縮小されたフレーム地域で活性化される。一実施形態で、情報獲得ソースはパルススポットモード（ｐｕｌｓｅ ｓｐｏｔ ｍｏｄｅ）に活性化され、情報獲得ソースの段階的動き（ｓｔｅｐｐｅｄ ｍｏｔｉｏｎ）はフレームズーム地域内の行のみをカバーするように減少される。このような方法の情報獲得ソース及びイメージセンサの作動は情報獲得ソース及びイメージセンサアレイの全てのパワー消費の減少につながることができる。さらに、先に言及されたように、視野の特定地域がズームインされたように、フレーム率は増加される。

イメージセンサフォトダイオードの部分集合の活性化のための様々な実行が可能である。隣接する画素のローリングサブアレイに対する例示的な代案として、大略的な第１番目の走査（ｃｏａｒｓｅ ｆｉｒｓｔ ｓｃａｎ）は８列が離れた画素の活性化と共に遂行され、４列が離れた微細な走査、そして２、そして等が続く。このような方法で、視野内の配置された物体の位置の大略的な推定が確認される。個別的位置の改善は大略から微細まで（ｃｏａｒｓｅ−ｔｏ−ｆｉｎｅ）進行することによって行われ、それによって物体位置の微細な調整が可能であり、そしてまた情報獲得ソース角度のそれは“スキップ”角度を生成する。実施形態で、活性化される画素の大きい列−間隔と共に（例えば、列−間隔内の列の数）、後続する列スペーシング及び／又は走査の地域の微細調整と共に（例えば、イメージセンサアレイ内のローリングサブアレイ位置）、キャリブレーションモードは大略的な走査を含む。このような方法で、背景雑音は現在の視野で物体の位置に対してさらに正確に論理パルスをセッティングすることによって減少され、例えばロジックパルスは減少されるローリングサブアレイを形成するために決定された列上の画素を活性化する。

一実施形態で、最初の物体が位置されるところを決定する感知された受信信号の位置と共に、第１番目の走査は最大の解像度で第１番目のフレームを生成するために作られる。初期の高フレーム率走査に従って、画素（列）を活性化するために、遅延を露出させるために、タイミングのために、等のために、変化が作られる。本発明の実施形態によれば、このような変化は反複されるループ（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｌｏｏｐｓ）によって実行される。制限されない実施形態で、信号感知を中止する地点に対する決定は（例えば、減少露出を続けることによって）行われる。この地点から、露出は信号が再び始まる地点まで増加し、これはその時現在条件で物体をイメージ化するための実質的に最適化されたソリューションと連関される。このような方法で、光学的情報獲得範囲の増加に従って、背景雑音の実質的な減少が実現される。このような調整はシステムレベルで具現される。

イメージセンサのフレーム率を増加させる追加技術は全行の走査モード（ａｌｌ−ｒｏｗ ｓｃａｎ ｍｏｄｅ）を含む（例えば、アレイハイ、情報獲得ソース光“ファン”のスワイプ（ｓｗｉｐｅ））。このモードで、情報獲得ソースパルスと共に増加するアクティブ列の決定された部分集合を利用して、画素ページ（例えば、サブアレイ５５０）はアレイハイページである。全ての画素が情報獲得ソースの各々の角度のスイープを利用して活性化されるように、増加されたシステム帯域幅要件を利用して、フレーム率は実質的に増加されることができる。

［統合飛行時間を介したレンジング］

本発明の一実施形態によれば、ＴＯＦ及びレンジング情報が得られることを可能であるようにするために、単一及び／又は幾つの光子感知アレイは画素（例えば、画素１４０ｂ）単位に情報を発火する時間−符号化された（ｔｉｍｅ−ｅｎｃｏｄｅｄ）光子で構成され、情報獲得ソース（例えば、光ソース）及び感知器の間の同期化されたインタフェイスに結合される。例として、余裕空間解像度の１ｃｍを達成するために約３０ピコ秒の確度とイベント解像度（例えば、情報獲得システムの光ソースから目標場面及び情報獲得システムのイメージセンサまで戻るまでの光子移動時間）を必要とする。ここに説明された接近はｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を組合情報及びイベント時間を生成するために設計される高感光性光子感知器アレイを利用する低いパワー光子バーストのための高いパワー放送又は走査パターンから３Ｄイメージング及びレンジングシステムを発達させるために具現されることができ、従ってイメージデータのポスト−プロセシング（ｐｏｓｔ−ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）要求を減少させる必須的なデジタル光子感知器を達成する。

ここで説明されたように、ＳＰＡＤ画素アレイ（例えば、フォトダイオードのアレイ１４０）は３Ｄイメージング及びレンジングアプリケーションのためのパルス型（ｐｕｌｓｅｄ）及び／又は操縦型（ｓｔｅｅｒｅｄ）情報獲得ソース（例えば、レーザ光ソース）と結合されて利用されることができる。実施形態で、情報獲得ソース及びイメージセンサアレイは同じ光学的アパーチャ（ｏｐｔｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）を通じて同じ軸に置かれる。高感光性ＳＰＡＤ装置が情報獲得光のみならず、周辺光に反応するように、イメージセンサ及び情報獲得ソースの整列が慎重に遂行されなければならない。本発明の一実施形態で、光学的情報獲得システムはセンシング素子に影響を及びように結合された光ソースを含む。一実施形態として、光ソースは垂直キャビティ表面光放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）及び光子画素のアレイ内に含まれるＳＰＡＤベース型（ＳＰＡＤ−ｂａｓｅｄ）画素であるセンシング素子である。このようなシステムで画素による光ソースの放出及び感知の間の時間遅延は観察されることができ、時間遅延は光ソースから場面の部分及びセンシング素子に戻って来るまで少なくとも１つの光子の移動時間を反映し、移動時間はシステム及び場面の部分の間の距離と対応する。ＴＯＦ計算及びその後の読出しは画素がＴＯＦ情報を格納するような方法で電荷積分器をオフにすることができるＳＰＡＤ画素を利用してＳＰＡＤ画素機能で統合される（例えば、光学的強度情報の格納と対照的に）。

時間遅延の観察は、制限されないが、画素センサセル（例えば、キャパシタの電荷レベルの制御）に電荷格納能力を加えることを含む、他の計画を通じて遂行されることができる。キャパシタ電荷レベルは時間遅延に連関されることができ、従ってシステムから場面まで距離の計算を提供することができる。一実施形態で、光ソースの放出イベントはキャパシタの放電をトリガーし、画素感知イベントは同じキャパシタの放電を終了することができる。他の実施形態で、光ソースの放出イベントはキャパシタの充電をトリガーし、感知イベントは同じキャパシタの充電を終了することができる。その他の実施形態で、ＶＣＳＥＬからの光パルスの放出に対応するレーザターンオンエッジは時間測定活動を開始するために利用される（例えば、キャパシタの充電又は放電）。光ソース放出に対応するＳＰＡＤ画素による戻って来る光子を感知する時、アバランシェ電流増加のリーディングエッジ（ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ）は時間測定活動の終了をトリガーするために利用される（例えば、キャパシタの電荷レベル変化が中止され、従って自分の電荷が光子移動と関連する時間期間に比例するキャパシタを引き起こす）。容量性の電荷が時間測定手段として利用される場合に、ＳＰＡＤ画素アレイを横切って、各々の画素は各々のストレージキャパシタ内の若干の距離−関連された量の電荷を含み、これは場面の特定な部分と対応され、全体的に場面の時空間（ｓｐａｔｉｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ）情報を提供するために読出し及び進行される。このようなＳＰＡＤ画素は典型的なＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）画素アレイの読出しのために使用される技術と類似なアレイ形態に読み出される。

高価のＭＥＭｓ−ベースビーム操縦（ＭＥＭｓ−ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ）であり、他の要求は回避される反面、このような実施形態は高フレーム率を提供する。さらに、短くなり、低くなったレベルの光ソース照明はＳＰＡＤ画素の高くなる感度によって利用されることができる。実施形態でイメージシステムが情報獲得ビーム照明がタイミングレファレンスを提供するところに同期化及び／又は操縦可能な光子情報獲得ビーム（例えば、光ソース）と共に利用されることは認定されることができる。付加的に、アレイ内の画素の１つのグループのみがトリガーされ、アドレッシングイベントをトリガーするための空間の決定は遂行されることができる。現在実施形態はＳＰＡＤ画素アレイ内のイメージングの地域に対応する情報獲得ビームでの回折する光学的格子（ｏｐｔｉｃａｌ ｇｒａｔｉｎｇ）から所定の情報獲得パターンの使用まで延長される（例えば、構造がある光接近）。上述された実施形態は低い光ソースパワー要求及び例えば、プロセッサ（例えば、プロセシングユニット、９０２）にダイレクトイメージを生成する能力を有する。従って、上述されたイメージセンサの実施形態はホストプロセッサーと共にモバイル装置のようなホスト装置への統合に非常に適合である。

画素アレイは画素の充填率（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）を向上させるために画素スケールマイクロレンズアレイ（ｐｉｘｅｌ ｓｃａｌｅ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ）をさらに含み、即ち、画素の感光性地域上の入射光に焦点を合うことができる。画素アレイは列レベル、行レベル、画素レベル、グローバルレベル、又はこれらのいくつかの組合で遂行されることができる敏感である制御（例えば、逆バイアス電圧レベル制御を通じて）を含むことができる。パッシブ及び／又はアクティブクエンチング、時間駆動、フローティングゲートプログラミング（例えば、キャリブレーション及び／又は画素決定回路の不一致）もまた遂行されることができる。

本発明の実施形態によれば、イメージセンサはＴＯＦ−活性化及びＴＯＦ−非活性化画素（例えば、画素１４０ｂ及び１４０ａ）の組合を含むフォトダイオードのアレイを有する。制限されない例として、ＴＯＦ画素１４０ｂの部分集合は、画素１４０ａを含む、残っている画素と共に、イメージセンサアレイ内に大略的に格子状に整列される。このような整列はアレイ内のアドレッシング画素はためのシステム論理を簡易化するか、増強するために利用される（例えば、移動するサブアレイ５５０を生成するために）。情報獲得ソースから入力信号の制御を利用して、大略的な格子のキャリブレーションはＴＯＦ画素１４０ｂからＴＯＦ情報を利用して遂行され、イメージセンサアレイの画素１４０ａを利用する高解像度走査によって増加されることができる。様々な制御計画は可能し、これはイメージセンサアレイのための高い正確度及び／又は速いウィンドウイング（ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ）を提供することができる。さらに、周期的に、ＴＯＦ画素１４０ｂは光学的情報獲得装置に対する雑音減少を助けるために利用される（例えば、物体に直接的なＴＯＦ測定を提供することによって）。

図８は本発明の一実施形態に他の情報獲得ビームを利用する物体までの距離を測定する方法の流れ図８００である。段階８０１〜８０９は本明細書で説明される多様な実施形態による流れ図に図示された方法を含む例示的な段階を表示した図面である。一実施形態で、流れ図８００はコンピュータ読出し可能媒体（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）内に格納されてあるコンピュータ実行可能命令（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｅｘｅｃｕｔａｂｌｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）として遂行されることができ、物体までの距離を測定するための方法を実行するコンピューティングデバイスによって遂行されることができる。

段階８０１で、物体は光子情報獲得ビームを利用して情報獲得される。光学的情報獲得装置１０５の情報獲得ソース１１０から、情報獲得ビームは、例えば情報獲得ビーム１２５である。実施形態で、情報獲得ソースが共振ＭＥＭｓ走査ミラーを有するレーザである（例えば、垂直キャビティ表面光放出レーザ、ＶＣＳＥＬ）。情報獲得ソースはＩＲ波長又は他の波長で放射線を放出することができる。実施形態で、ミラーはｘ軸（例えば、イメージセンサアレイ列に沿って）に共振し、ｙ軸（例えば、イメージセンサアレイ行に沿って増加）に進行する。共振走査ミラーは情報獲得装置１０５の視野を横切って情報獲得ビーム１２５をスイープ（ｓｗｅｅｐ）し、従って視野の物体を情報獲得する。実施形態で、レーザは“スポット（ｓｐｏｔ）”モードで作動し、両者択一に子情報獲得ソースは“ファン（ｆａｎ）”で作動し、光の広いストライプを放出する。

段階８０３で、アバランシェフォトダイオードのアレイ（例えば、ＳＰＡＤフォトダイオードのアレイ）は活性化され、アバランシェフォトダイオードはガイガーモードで作動し、活性化は光子情報獲得ビームの活性化と実質的に同時に生じる。実施形態で、アレイのただ１つの部分集合のみが情報獲得ソースのパルスの間に活性化される。実施形態で、時変方式（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ ｍａｎｎｅｒ）内のアレイ変化の部分集合は情報獲得ビームの連続的なパルスと協力して増加される（例えば、ローリングサブアレイ、５５０）。サブアレイのサイズは変わることができ、他の要因の中で、情報獲得ソースの強さ及び動きの速度、そして視野内の物体の範囲に基づくことができる。

段階８０５で、反射されるビームは物体から受信される（例えば、ビーム１３０、イメージセンサ１１５に受信）。光学的システム（例えば、光学的システム１３５）はイメージセンサに含まれる。光学的装置はイメージセンサ上に入射する反射に焦点を合うこと及び／又はフィルタリングをすることができる。実施形態で、段階８０７で、信号を生成することに従って、アレイの非活性化は反射ビームの受信と実質的に同時に発生する。

段階８０７で、反射されるビームの特性に対応する信号が生成される。実施形態で、信号を生成することは複数の部分集合のアクティブ部分集合によって含まれる第１アレイ素子による反射されるビームを受信することに基づき、アクティブ部分集合によるアレイ内のアレイ素子の余りによる反射されるビームのいずれかの感知は信号に含まれない。実施形態で、アバランシェフォトダイオードのアレイの各々のフォトダイオードは少なくとも１つの電荷ストレージ（ｓｔｏｒａｇｅ）素子を含み、アレイを活性化することは情報獲得ビームからの放出及び物体から反射されるビームの受信する間の時間期間の間に少なくとも１つの電荷ストレージ素子の電荷レベルの変化を終了する。実施形態で、ストレージ素子はキャパシタであり、電荷レベルは信号によって含まれ情報獲得ソースの放出及び反射された光の受信（例えば、ＴＯＦ情報）の間の時間の測定を提供する。

段階８０９で、信号に基づく物体までの距離は決定される。実施形態で、光学的に戻って来る光の角度（例えば、角度１１６）はフォトダイオード活性化を有するイメージセンサアレイの列（ｃｏｌｕｍｎ）を決定する。光学的情報獲得ソース角度（例えば、１１１）と共に、画素アドレスは戻って来る光角度１１６及び情報獲得ソース及びイメージセンサの間の距離の計算を提供し、これらは距離測定を提供する（三角測量を通じて）。実施形態で、ＴＯＦ計算及び後続する読出しはＳＰＡＤ画素機能性に統合されることができ、ＳＰＡＤ画素は画素がＴＯＦ情報を格納することと同一の方法で積分の電荷積分器の駆動をトグル（ｔｏｇｇｌｅ）する。

［レンジング デバイスの例］

本発明による光学的情報獲得装置は多様な構成を含むことができ、光学的情報獲得装置を採用するホスト電子装置内で使用されることができる。このような装置はウェアラブル装置及び他の携帯及び非携帯コンピュータ装置、眼鏡、時計、携帯電話、スマートフォン、タブレット、及びラップトップのようなことを含むが、これに制限されない。図９に示したように、本発明の実施形態による例示的なホスト装置は一般的な目的のコンピュータシステム環境（ｇｅｎｅｒａｌ ｐｕｒｐｏｓｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）９００を含む。ホスト装置は光学的情報獲得システム９０７を含む。実施形態によれば、光学的情報獲得システム９０７はイメージキャプチャする間にターゲットになる場面を照明する（例えば、レーザ光を利用して）システム上の情報獲得ソース（例えば、情報獲得ソース１１０）と、制御された位置（例えば、情報獲得システム１１０から水平にオフセット）にシステム上に位置する単一及び／又は少数の光子画素アレイイメージセンサ（例えば、イメージセンサ１１５）と、イメージ処理のためにターゲットになる場面の光学的イメージを電気的な信号に変換するイメージセンサ内の回路を含む。光学的情報獲得システム９０７はイメージキャプチャする間に周辺光を拒絶するためにイメージレンズ（ｉｍａｇｉｎｇ ｌｅｎｓ）及び／又はマイクロレンズアレイ（ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ）及び／又はフィルタ（例えば、光学的波長帯域通過フィルタ）を選択的に含む。

最も基本的な構成として、コンピュータシステム９００は少なくとも１つのプロセッサ９０２（ＣＰＵ）及び少なくとも１つのメモリ９０４を含む。プロセッサ９０２は一般的にデータを処理するか、或いは命令語を解釈し、実行する能力を有するプロセシングユニットの所定のタイプ又は形態を示す。所定の実施形態で、プロセッサ９０２はソフトウェアアプリケーション又はモジュールから指示を受信することができる。このような指示はここに表示及び／又は図示された例示的な実施形態の１つ以上の機能を遂行するためのプロセッサ９０２を引き起こすことができる。本発明の実施形態によれば、プロセッサ９０２はイメージセンサからターゲットになる場面のイメージを受信し、イメージからターゲットになる場面の距離情報を計算する。

メモリ９０４は一般的にデータ及び／又は他のコンピュータ読出し可能指示を格納する能力を有する揮発性又は不揮発性格納装置又は媒体のいずれかのタイプ又は形態を示す。所定の実施形態で、コンピューティングシステム９００は不揮発性メモリユニット（例えば、メモリ９０４のような）及び不揮発性ストレージ装置（図示せず）を全て含むことができる。コンピュータシステム９００はまたプロセッサ９０２に結合されるディスプレイ装置９０６を含む。ディスプレイ装置９０６は一般的に使用者とコンピュータシステムとの間にインタフェイスを利用するための便宜性を提供するグラフィック使用者インタフェイス（ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ、ＧＵＩ）を表示する。

実施形態で、コンピュータシステム９００は本発明の様態に従う方法の遂行のための指示を含み、指示はメモリ９０４又はストレージ９０８上に格納されることができる。例えば、コンピュータシステム９００は物体距離測定指示９１３を含むことができ、物体距離測定指示９１３は本発明の実施形態に従って物体までの距離を測定する方法を遂行するためのコンピュータシステム９００を引き起こす指示を含む（例えば、方法８００）。

図９に図示されたように、コンピュータシステム９００はまた少なくとも１つの入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置９１０を含む。Ｉ／Ｏ装置９１０は一般的に、コンピュータ又は人間が生成したことがコンピュータシステム９００に対して／から、入力又は出力を提供／受信可能である入力装置のいずれかのタイプ又は形態を示す。Ｉ／Ｏ装置９１０の例として、制限されないが、ポインティング又はカーソル制御装置（例えば、タッチ−感知装置及び／又はマウス）、音声認識装置、キーボード、又は他の入力装置を含む。

図９のコミュニケーションインタフェイス９２２は大体に例示的なコンピュータシステム９００及び１つ以上の付加的な装置の間のコミュニケーションを容易にする能力があるコミュニケーション装置又はアダプタのいずれかのタイプ又は形態を示す。例えば、コミュニケーションインタフェイス９２２がコンピュータシステム９００及び追加的なホスト装置及び／又はコンピュータシステムを含む私的又は公的ネットワークの間のコミュニケーションを容易にすることができる。コミュニケーションインタフェイス９２２の実施形態は無線ネットワークインタフェイス（無線ネットワークインタフェイスカード及び／又はブルートゥース（登録商標）アダプタのような）、有線ネットワークインタフェイス（ネットワークインタフェイスカードのような）、モデム、及び他の適当なインタフェイスを含むが、これに制限されない。一実施形態で、コミュニケーションインタフェイス９２２は、携帯電話ネットワーク及び／又はインタネットのように、ネットワークに直接的に連結されるリンクを通じて遠く離れたサーバーに直接的な接続を提供する。コミュニケーションインタフェイス９２２はまた他の適切な連結を通じてこのような連結を間接的に提供することができる。コミュニケーションインタフェイス９２２はまた外部バス又はコミュニケーションチャンネルを通じたコンピュータシステム９００及び１つ以上の付加的なネットワーク又はストレージ装置の間のコミュニケーションを容易にするホストアダプタを示すことができる。

［画素回路］

図１０は本発明の一実施形態による例示的な画素回路１０００のブロックダイヤグラムを示した図面である。例示的な画素回路１０００はフォトダイオード１４５、 ラッチ回路１００５、及びデコード及び制御回路１０１０を含む。フォトダイオード１４５は光の受信の時に電流パルスを生成し、これは電気的に結合された抵抗によって電圧パルスに変換される（例えば、図２の２２０）。電圧パルスは画素回路１０００によって論理のために直接的に利用されることができ、例えば、ラッチ回路１００５でラッチを設定するためにフォトダイオード活性化イベントの直接的な利用を活性化する。

図１１は本発明の実施形態による例示的なトランジスタレベルの図式的な画素回路１１００を示した図面である。画素回路１１００はバッファーリング素子１１２５（例えば、図２のバッファ２２５に対応する）、ラッチ素子１１０５（例えば、ラッチ１００５に対応する）、及びデコード及び制御素子１１１０（例えば、デコード及び制御１０１０に対応する）を含む。図１１の画素回路は列及び行活性化信号（ＣｏｌＨＶｅｎ及びＲｏｗＥｎ）によって駆動され、接地電位を基準とするフォトダイオードを含む。実施形態で、フォトダイオードはガイガーモード（例えば、ＳＰＡＤのように駆動）で駆動する。接地電位を基準とするフォトダイオードは、充分な光照明が受信されれば、抵抗を通じて電圧パルスに変更される急激な電流パルスを生成する。電圧パルスは画素回路によって論理のために直接的に使用されることができ、これに従ってイメージセンサの制御機能性に対するフォトダイオード活性化イベント（例えば、発火）の直接的利用を可能であるようにする。例えば、電圧パルスはトランジスタのために入力を利用されるポジティブパルス（グランドと相対的に）である。本発明の実施形態に従って、フォトダイオードイベントから生成される電圧パルスは、例えば、素子１１０５の設定−再設定ラッチ回路を設定（又は再設定）するためにＣＭＯＳ論理に直接的に入力される論理レベル電圧を発達させる。

本発明の実施形態によるイメージセンサ（イメージセンサ１１５）は画素回路１１００のアレイを含み、ラッチ１１０５のための設定値はイメージセンサアレイが発火画素のアドレスをレポートするように引き起こし、これは物体から反射される情報獲得ビームの戻って来る角度を測定するように利用されることができる。本明細書で説明されたように、物体に対して決定された、戻って来る角度（図１の角度１１６）を通じて距離は三角測量を通じて発見される。制限されない例として、ポジティブ電圧スパイク（ａ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐｉｋｅ）はＶｃｃと比較されるネガティブ電圧を提供するためにソースフォロワ（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ）によって反転されることができ、これは設定−再設定ラッチに対する信号を設定することができる。図１１に従う画素構造は高いゲインアナログ感知増幅器（ｈｉｇｈ ｇａｉｎ ａｎａｌｏｇ ｓｅｎｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）又はアナログ時間−デジタルコンバーター（ａｎａｌｏｇ ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）を要求しなく、これはアナログ構成の不足のため、システムのためのパワー要求及び測定待機時間全ての減少を可能であるようにする。図１１に従う画素構造１１００は完全なデジタル画素である。

本発明の実施形態によれば、フォトダイオードはフォトダイオードの潜在的連続的な発火を間の時間期間を制御するために活発にクエンチ（ｑｕｅｎｃｈ）される（例えば、発火イベントの後にＳＰＡＤの再設定時間を最小化するために）。逆に、多い他の接近法で抵抗の位置はフォトダイオードの上部にあり、フォトダイオードはグランドに固定される。このような構造は光子感知イベントからＳＰＡＤが発火する時、ネガティブパルスを引き起こし、これはＣＭＯＳ論理のための直接的入力のようなフォトダイオード活性化イベントを直接的に利用するために設計されるシステムであまり有用（ｌｅｓｓ ｕｓｅｆｕｌ）である。通常的に、ＳＰＡＤはパッシブ回路でレベルシフティングための（ｓｈｉｆｔｉｎｇ）を遂行するためのＡＣ−ｃｏｕｐｌｅｄ（例えば、キャパシタと結合されたフォトダイオード）である。このような構造は本発明のことに比べて実質的に遅く、画素のアクティブクエンチング又は駆動を許諾しない。さらに、小さい電流を感知するために利用される感知増幅器は本発明の実施形態による構造で必要としない。

本発明の実施形態による画素回路１１００は駆動される（例えば、フォトダイオードは選択的に活性化される）。停止状態で、フォトダイオードはておらず、フォトダイオードを横切る電圧が無く、従ってフォトダイオードは甚だしく入射光子のイベント内でも発火されることができない。本明細書の実施形態によれば、フォトダイオードは高電圧 レール（ｒａｉｌ）による論理回路から別々にパワーされる。画素回路１１００の高電圧構成はボックス１１４５内の、即ち高電圧供給ライン、フォトダイオードカソード、及び接合点Ａ（例えば、フォトダイオードのアノードとの連結）のような素子に制限される。システムレベルで制御される制御ライン（ＣｏｌＨＶｅｎ及びＲｏｗＥｎ）によって画素が活性化される時、フォトダイオードに入射する光子は電圧パルスにつながる信号（例えば、アバランシェブレークダウンイベントからの電流パルス）を生成することができる。図１１に図示されたように、ＦｉｒｅＥｎ、ＣｏｌＨＶｅｎ、及びＲｏｗＥｎが高いレベルにある時、発火するパルスはただノードＢのみで生成される。構造は完成された画素駆動制御を提供し、従って各々の特定な測定期間の間に活性化されるイメージセンサアレイ内の画素の集合に対して制御する（例えば、可変画素ページサイズのための一般−目的の画素制御）。実施形態で電圧固定（ｖｏｌｔａｇｅ ｃｌａｍｐ）はバッファーリング素子１１２５で利用されて画素ダイオードの発火イベントの間にゲートで電圧スパイクを制限する。さらに、電圧スパイク制限することを通じて、電圧固定はターゲットになるフォトダイオードバイアスレベルに近いフォトダイオードの電圧レベルを維持するのに提供され、従って次の発火イベントのための準備の状態にフォトダイオードを再設定するために要求される時間を減らす。

このような方法に画素は駆動され、（活性化された）接地電位を基準とするフォトダイオードは発火イベントにラッチを設定することができる。実施形態によれば、ＲｏｗＥｎはＨＶモードでＨＶイメージセンサ列（ｃｏｌｕｍｎ）制御及び読出しモードで列（ｃｏｌｕｍｎ）に接近を許容する。ＲＥＡＤ信号がＨＶモードで列の競合（ｃｏｌｕｍｎ ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ）を防止する間に、ダイオードを横切るＨＶバイアスは行及び列によってアドレスされることができる。実施形態によれば、読出しは行によってアドレスされ、列はイメージセンサアレイフォトダイオードからイベント情報を発火するためにサンプリングされる。さらに、制御論理はラッチのグローバル再設定を活性化し（例えば、遅いレンジング測定）、ラッチ再設定信号（ＬｔｃｈＲｓｔ）は低いパルスによって活性化され、フォトダイオードを再設定するためにアクティブ行に適用される。

図１１に図示されたような画素構造は速さ、効率性、イメージセンサ構造のために発火された画素のセルフ配列読出し（ｓｅｌｆ−ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｒｅａｄｏｕｔ）を可能であるようにする。本発明の実施形態によれば、画素はレンジングシステムの情報獲得ソースによって情報獲得される物体から反射される光の受信に反応する発火するイベントをラッチ（ｌａｔｃｈ）する。このラッチは発火された画素のアドレスの読出しを可能であるようにし、これは情報獲得システムに対する知識に従い（例えば、情報獲得ビームの角度、情報獲得ソースとイメージセンサ間の距離）、情報獲得された物体までの距離を測定するのに必要である情報を提供する。

図１２を参照すれば、バッファ１２２５及びデコーダ１２１０を含む例示的な画素回路１２００が図示される。画素回路１２００はクエンチフィードバック回路１２３０をさらに含む。実施形態によれば、画素回路１２００は、イメージセンサアレイ１１５の画素が受信された光に基づいて活性化される時、列（ｃｏｌｕｍｎ）アドレスを生成するために実施可能である。デコード回路１２１０からの列（ｃｏｌｕｍｎ）アドレスは画素が存在する列の終わりで行ラッチを設定するために利用されることができる。さらに、画素の活性化は同一行（例えば、これらは行の他の列に対応する）上の他の画素（例えば、他の画素回路１２００）に対する非活性化信号を伝送し、このような方法で信号の競合は最小化されることができる。即ち、行上で活性化される第１番目の列（ｃｏｌｕｍｎ）はラッチをセッティングし、イメージセンサアレイ１１５の外側に格納され、また行の他の画素を非活性化する。画素回路１２００はファンモード（例えば、ライン走査モード）で情報獲得するイメージセンサ構造に非常に適合であり、例えば、イメージセンサ構造は図１６で表示される。

図１３はイメージセンサセルフタイミング活性化のための回路論理の実施形態を図示し、読出しリップル−通過機能性（ｒｅａｄｏｕｔ ｒｉｐｐｌｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）のみならず、図１１で図示されたような画素構造に基づく。本発明の実施形態によれば、回路論理はフォトダイオードから信号を直接的に受信することができ（例えば、ＳＰＡＤ発火イベント）、従って（迅速に）ラッチを設定することができる。イメージセンサ内の画素で第１番目の発火イベントは他の画素が非活性化されるように引き起こすことができる。制限されない例として、１回に１つのラッチがイメージセンサ内の行上に設定されれば、行上の全ての他の画素はセルフタイミングループ（ｓｅｌｆ−ｔｉｍｉｎｇ ｌｏｏｐ）を通じて非活性化される。この構造はイメージセンサアレイで入射する光子の位置の正確な測定を可能であるようにする。本実施形態を通じて説明されたように、この情報を利用して距離測定が遂行されることができる。信号を発達させるための隣接する画素のために電位が存在する間に（例えば、発火される隣接するフォトダイオードのために）、この電位は本明細書で説明されたように情報獲得ソースからの照明のためのタイミングの慎重な制御によって実質的に調整されることができ、それだけでなく、又はイメージセンサ活性化タイミングに従う（例えば、画素サブアレイ駆動）。

実施形態で、ＳＰＡＤ−ｂａｓｅｄ画素は読出し回路を駆動するために利用されるセルフタイムラッチ（ｓｅｌｆ−ｔｉｍｅｄ ｌａｔｃｈ）を含み、パワー消費を減らし、高い光子カウント環境で単一光子感知器を利用することと連関されるイベントパイルアップモード（ｅｖｅｎｔ ｐｉｌｅ−ｕｐ ｍｏｄｅ）を防止する。システムレベルタイミング命令は（例えば、行及び列活性化信号）、画素レベルで、セルフタイム非同期化論理をトリガーするのに利用されることができる。本発明の実施形態によれば、システムレベルタイミングはイメージセンサで１つ以上の画素の活性化を情報獲得ソースの活性化に同期化する（例えば、画素サブアレイ、これは１つの画素から最大に全体イメージセンサアレイまでサイズが変わることができる）。列（ｃｏｌｕｍｎ）活性化が設定されれば、タイミングループは設定−再設定ラッチを通じて画素のためにトリガーされる。仮にフォトダイオード活性化が感知されなければ、ラッチは設定されなく、次の活性化通路は活性化されて活性化された行上の次の画素でイメージセンサ読出しを続く（例えば、隣接する列の画素）。次の列は電流画素が自分の読出し周期を完成する時まで読み出されることから防止される。画素はセルフタイム読出し周期と共にイメージセンサで順次的にレポートする。特別に、活性化イベントを経験し、これに従ってラッチを設定する画素は与えられた結合される情報獲得パルスのためにレポートする画素である。異なりに言えば、ただイメージアレイから読出しレポートはラッチを設定するための第１番目の画素のアドレスであり、追加画素レポーティングは読出しの間に連続する画素を活性化しないことによって、防止される（例えば、後続する画素の読出しは現在画素がラッチを設定しない場合のみに活性化される）。特定な行（又は列、列別読出し構成（ｃｏｌｕｍｎ−ｂｙ−ｃｏｌｕｍｎ ｒｅａｄｏｕｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）のために）上に発火される第１番目の画素の住所のみがレポートされるように、従って設定されない画素アドレスは非同期化フィードスルー論理（ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｌｏｇｉｃ、例えば、ｒｉｐｐｌｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ）によって判読される間順次的にスキップ（ｓｋｉｐ）なり、従来のシステムより読出しはさらに速やかにしょうじ、データ帯域幅要求は小さくなる。

図１４は本発明の実施形態に他の連結された読出し論理回路（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｒｅａｄ ｌｏｇｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）のブロックダイヤグラム１４００を示した図面である（例えば、サイドバイサイド論理回路、グローバルタイミング回路と共に）。論理回路は列活性化のための外部タイミングパルス発生器に従う列バイパス論理（ｃｏｌｕｍｎ ｂｙｐａｓｓ ｌｏｇｉｃ）を含む。タイミングは類似な論理に従う次の列活性化及び読出しによって作られた電流列（ｃｏｌｕｍｎ）状態の読出しのように設定される。特別なタイミングはシステムレベルで設定され、条件（例えば、周辺光レベル、情報獲得ソースパワー、イメージ化された物体までの計算された距離、等）をイメージングするために適用されることができる。本発明の実施形態によれば、全ての列はフォトダイオードＲｅａｄ行が設定される時、入力される。１つの様態で、リップルスルー（ｒｉｐｐｌｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ）論理は列が行値を有する時（例えば、フォトダイオードがオフされる）、活性化される。読出しがアレイを通じて順次的に進行される時、高い値を返答する第１番目の列はリップルスルー（ｒｉｐｐｌｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ）論理を中止し、値は列の高い値に対応して設定されることができる。実施形態で、タイマー再設定し、次の活性化が設定される時まで、列（ｃｏｌｕｍｎ）高い値はＲＯＭ行が高い値を有するように設定する。アレイ内の最後の列に到達する時まで、この方法は次の（例えば、連続的な）列で反複される。このような設定された（例えば、列（ｃｏｌｕｍｎ）高い値から）フォトダイオードを有するＲＯＭ行はイメージセンサ入力／出力回路で読み出されることができる。読出しリップルスルー論理は様々なイメージセンサ実施形態で実行されることができ、図１５及び図１６に表示された実施形態を含み、ＲＯＭ列アドレス又は行列レジスターを各々読出す間に読出しリップルスルー論理が利用される。

図１５は本発明の実施形態によるイメージセンサ構造１５００の概略図を示した図面である。イメージセンサ構造１５００はフォトダイオードのアレイ、連続的なプログラム可能なインタフェイス（ｓｅｒｉａｌ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、ＳＰＩ）、列制御Ｍｕｘ（ｃｏｌｕｍｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｕｘ）、行Ｍｕｘ（ｒｏｗ ｍｕｘ）、入力／出力制御及びタイミング（Ｉ／Ｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｉｍｉｎｇ）回路、速いＲＯＭデコーダ（ｆａｓｔ ＲＯＭ ｄｅｃｏｄｅｒ）、及び行及び列シークェンサ（ｒｏｗ−ａｎｄ ｃｏｌｕｍｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｒｓ）のための構成の回路を含む。本明細書で説明されるように（例えば、図１０及び図１１）、イメージセンサアレイの各々の画素はゲート（ｇａｔｅ）され、セルフラッチング（ｓｅｌｆ−ｌａｔｃｈｉｎｇ）する。１つの様態で、イメージセンサはセルフレポーティング画素シークェンサであり、予めプログラムされたサブアレイデータサイズ５５０（最大に全体イメージセンサアレイまで）を有する。距離測定期間の間に、画素は自然的にデジタルであり、１又は０を選択的に有し、設定されるか、或いは設定されないラッチに各々対応する。イメージセンサアレイは使用者設定可能なページに分かれ、これは情報獲得ビームの角度が変化されるように連続的に増加されることができ、及び／又は活性化された画素のアドレスは３Ｄ空間の情報獲得ビーム送信空間と協力されることができる。後者は幾何学的に分離されたサブアレイを露出させる間に画素の露出されたサブアレイの同時に生じる読出しを許容し、これはフレーム率及び処理速度を増加させ、システムレベルで構成されることができる。

フォトダイオード活性化によって設定される時、ＲＯＭデコーダの前端（ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ）にある制御論理（例えば、図１３−１４）は画素が速いＲＯＭデコーダ上に駆動が可能であるようにし、全ての他の画素はこの時オフされる。本発明の実施形態によるイメージセンサの出力は速いＲＯＭデコーダに入る行ドライバー信号であり、信号は発火イベントを有するイメージセンサの列（ｃｏｌｕｍｎ）に対応し、ＲＯＭデコーダは、例えば、イメージセンサ位置測定のために活性化される列（ｃｏｌｕｍｎ）の住所を含むルックアップテーブルを含む。電流活性化された行は（イメージシステムによって制御される物として）知られており、ＲＯＭデコーダによって決定される列位置は活性化されたフォトダイオードの固有のアドレスを提供する。このような方法で、イメージセンサ構造１５００は画素で活性化イベントをラッチ（ｌａｔｃｈ）し、カラムで位置をデコード（ｄｅｃｏｄｅ）する（速いＲＯＭデコード通じて）。イメージセンサの全ての行は速いＲＯＭデコーダに対する入力であり、ここに画素は本明細書で説明されたように論理を含む。本発明によるイメージセンサ構造は測定期間の間に活性化される画素のアレイアドレスのみを出力し、行上の全てのさらに読み出されない画素は非活性化されスキップされ、従って雑音イベント（例えば、周辺光に露出）に従う発火のための機会及びデータ伝送の帯域幅要求の全ては最小化される。

高いレベル（例えば、システムレベル）タイミング命令は画素のイメージセンサ活性化と共に情報獲得ソースからの照明光パルスを同期化するために利用される。タイミング命令はイメージセンサ内でセルフタイム読出しをトリガーするために利用され、これは結合された光パルス期間内に発火される、このような画素のみの連続的なレポーティングを駆動する（例えば、非同期化された状態の機械のように画素作動）。全ての行が読み出された後に、グローバル再設定（システムレベルで制御される）は次の情報獲得ビームパルスのためのイメージセンサ内の全ての画素を再設定する（例えば、次の測定期間）。行読出しメカニズムは前述したパススルー論理機能性を利用して、各行のために、ただ活性化された画素（行）をレポートする。代案的に、レジスターバンクは、連続的な行走査に現れる読出しと共に、行走査をラッチするために利用されることができる。

図１６を参照すれば、本発明の実施形態によるイメージセンサ構造１６００のブロックダイヤグラムが図示された。イメージセンサ構造１５００と比較すれば、イメージセンサ構造１６００の速いＲＯＭデコーダ機能性が個別的画素レベルで含まれ、イメージセンサアレイの内部に作られる（例えば、図１２の画素構造）。しかし、設定−再設定ラッチ回路はアレイ内部に位置され、このようなラッチは行レベルで遂行され、ただ１つのラッチが行別に設定される。構造１６００は列アドレスラッチを含み（例えば、レジスターバンク）、行走査をラッチするための第１ラッチ及び第１ラッチから移動を通じて設定される第２ラッチを含む。第２ラッチは連続的な行走査の間に読み出されることができる。従って、イメージセンサは行レベルでラッチし、画素（セル）レベルでデコードする。本明細書内で説明されたように、リップルスルー論理はイメージセンサ回路内に含まれて、このようなイメージセンサアレイは行の終わりで行ラッチに従って読み出されることができる（列よりは、図１５に図示されたように）。

イメージセンサ構造１６００はライン走査情報獲得モードのために構成されることができ、ここで全てのイメージセンサ行は同時に活性化される。情報獲得ソースが活性化される時間に基づいて、イメージセンサアレイの１つ以上の行ラインは活性化される。イメージセンサ構造１６００に従って、行上で活性化される第１番目のフォトダイオードはその行のためのアドレスバスを要求することであり、そして固有のイメージセンサアレイ位置は情報獲得ソースから戻って来る光のために決定されることができる。実施形態で、行当たり１０個の列アドレスラインが存在し、配線によって接続された各画素のためのＲＯＭ住所、このようなことは画素が光子が対応するレジスターを設定するためのアドレスライン上の分離された（例えば、単一）列アドレス信号を始まることによって活性化される時である。仮に測定期間の間に１つが活性化されれば、これは最後に活性化される画素の列住所を識別する能力のイメージセンサを提供する。

この回路構成は本明細書に開示された他のイメージセンサ構造より空間効率性が小さいが、向上されたセンサ柔軟性が各行内に内装された行アドレスＲＯＭと共に実現されることができる。イメージセンサ構造１６００は測定期間の間に背景雑音及び他の要素を制御及び調整するためのサブアレイ接近（例えば、移動するサブアレイ５５０、５５０’）を使用することができる。実施形態によれば、ライン走査又は点走査情報獲得モードで、各行内の第１番目のフォトダイオード発火イベントをレポーティングするイメージセンサ能力と共に、イメージセンサ内の全体又は部分的な行は実質的に同時にシステム制御によって活性化されることができる。

図１６に図示されたような行レベルでラッチを有するイメージセンサはラッチ値の読出しがイメージセンサアレイ内の他のラインの露出と共に同時に行うことができるという意味で平行である駆動を可能であるようにする。本発明の実施形態によれば、イメージセンサは、ラッチカラムアドレス（集合は行当たり１つのレジスターを含む）のための第１レジスター集合、そして第１レジスター集合から値の変化を受信するための第２レジスター集合、レジスターの２つの集合を含む。このような方法で、第１番目の測定周期と共に、与えられた行のためのラッチ列アドレスの値はそれの行に対応する第１レジスターに書き込まれることができる。第２レジスターに移動する値は、次の、第１番目の読出し駆動（第１番目の測定周期から）と共に第２番目の測定（及びラッチ）の同時に生じる駆動を活性化する。このような方法で、本発明によるイメージセンサを使用するシステムの待機時間は十分に減少されることができる。

イメージセンサ構造１６００を利用するイメージ装置のための例示的なレンジングシナリオは照明の垂直ラインを放出する情報獲得ソースを含む（例えば、ライン走査モード）。３Ｄ輪郭光） を有する物体上に入射する情報獲得ビームはもはや厳密に垂直ではない、戻って来る光を有し、結果的な変化は３Ｄ物体の特定な輪郭線に対応して示される。従って、この戻って来る光は一定でない様相を有し（例えば、一定に垂直でない）、図１６での点線、曲線で示される。イメージセンサ構造は第１番目のフォトダイオードが活性化される時、行ラッチを設定するために動作し（例えば、ＳＰＡＤ発火イベント）、イメージセンサ回路はラッチの設定がマスター再設定が遂行される時まで活性化から他の隣接するフォトダイオードを防止するように構成される。マスター再設定は活性化されて次の測定期間のためのイメージセンサを準備する。本発明の実施形態によれば、判定論理（ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｌｏｇｉｃ）は行上に活性化イメージセンサアレイによって結合され、全体の行に対して、第１番目の感知されたフォトダイオードが測定期間のための列アドレスを要求する。この判定論理はイメージセンサの各行上に複製され、行ごと（ｒｏｗ−ｂｙ−ｒｏｗ）の集合が達成される。判定論理が行単位に表示される反面に、イメージセンサ構造はまた列ごとの論理及び測定（ｃｏｌｕｍｎ−ｂｙ−ｃｏｌｕｍｎ ｌｏｇｉｃ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）で構成されることは理解されるべきである。

従って、垂直である情報獲得ビームのために、イメージセンサ上に活性化されたフォトダイオードの輪郭線があり、行当たり１つ、これは読み出されることができる。イメージセンサを読み出す間に、仮にフォトダイオードが活性化されない行があれば、リップルスルー論理はスキップされなければならない行及び読み出さなければならない次の行の読出しを引き起こす。このような方法で、イメージセンサは読出し時間及びパワー要求の全てでさらに効果的になる。リップルスルー論理は測定期間が充足される間に、ラッチ集合を有する次の行まで続き、読出しを集中することは行上に活性化されたフォトダイオードのアドレスを出力することを引き起こす。リップルスルー論理がセルフタイムであり、イメージセンサアレイに対して単一入力トリガー信号を開始する。

本発明による他の実施形態で、伝統的なＣＩＳ画素と共に利用されるものとは異なるイメージプロセシング及びパターン認識パラダイムは高い光子敏感度によって可能になったローカル判定（ｌｏｃａｌ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｋｉｎｇ）の組合で二進法画素出力に基づいて利用されることができる。制限されない例として、逆バイアスのために高い電圧ピンを利用するＳＰＡＤ画素の場合に、不一致キャリブレーション及び画素判定回路のためのフローティングゲートプログラミング計画の実行が行われる。追加の実施形態で、各画素は画素アレイのようなアドレッシングデコーダ計画を利用する平行であるメモリアレイに対する不一致のために調整され、デジタル的に訂正される。本明細書に記述された実施形態は、例えば、十分に速いスピードの連結及び他の構成との結合で利用される時、大規模の平行である非同期化イベントバスと共に利用されることができる。本明細書に記述された実施形態はまた光子入力タイミング及び形状情報獲得光ソースと共に制御される方法で実行されることができ、画素判定反応は情報獲得ソース光タイプに従って調整される。実施形態で、ＳＰＡＤ画素は他の構成及び／又は作動の方法を利用して実行されることができ、例えば、電流ミラー（ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｉｒｒｏｒ）の利用（例えば、負荷条件に関わらず、一定な電流駆動）、ラッチング計画（ｌａｔｃｈｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）（例えば、イベント駆動活動を開始及び終了）、内部にトリガーされるアバランシェイベント（例えば、測定を活性化する開始時間）、及び等を含む。

本発明の実施形態によれば、半導体装置は１つの基板上、又は部分が他の電圧で動作する少なくとも２つの層を有する積層された基板上に組立される（例えば、図１の画素１４０ａ）。本発明の実施形態によれば、単一基板半導体装置の組立はフォトダイオード（図１の１４５ｂ）の組立を含み、これは接地電位を基準とするフォトダイオードであり、フォトダイオードのように同じ基板を共有する回路素子（図１の１５０ｂ）に沿って、回路素子は本明細書に記載された多様な実施形態のように論理及び制御（例えば、ラッチ、デコード及び制御、読出し論理、活性化信号）を提供する。

図１７を参照すれば、半導体装置１７００の部分が図示される。半導体装置は少なくとも２つ層、即ち第１層１７４０及び第２層１７５０を含む。第１層は第１部分１７４５を含み、第２層は第２部分１７５５を含む。本発明の実施形態によれば、第１部分１７４５は第１電圧で動作し、第２部分１７５５は第２電圧で動作する。実施形態によれば、第１電圧及び第２電圧は互いに異なる。実施形態によれば、第１電圧は第２電圧より大きい。実施形態によれば、第１層１７４０はフォトダイオード（例えば、図１の１４５ａ、アクティブフォトダイオード又はＳＰＡＤ）を形成するディフュージョンを含み、第２層１７５０は論理及び制御（例えば、図１の１５０ａ、ラッチ、デコード及び制御、読出し論理、活性化信号）に対応する回路を含む。制限されない実施形態として、第２層１７５０論理及び制御回路は高電圧部分１１４５に含まれない図１１の部分に図示されたように回路論理機能性を提供することができる。第２層１７５０はトランジスタ、抵抗、キャパシタ、及び当業界通常の技術者によって認識される他の構成を含んで、本明細書に記述された論理及び制御機能性を提供する。第１部分１７４５はフォトダイオードの配列を含むことができる。

本発明の一実施形態に従って、積層されたウエハーデザインを有するイメージセンサアレイは組立され、トップウエハー（例えば、入射光に露出されるイメージセンサアレイの上部面に対応するウエハー）はＳＰＡＤセル（例えば、ＳＰＡＤウエハー）を形成するために処理され、ボトムウエハーは本明細書内に記述されたようにイメージセンサ実施形態の構造及び機能性を提供するための論理及び制御回路を有するように提供される。図１８を参照すれば、感光性地域１４５と共にＳＰＡＤセルを含むウエハー１８４０を含むイメージセンサ１１５が図示される。ＳＰＡＤウエハー１８４０及び論理及び制御回路ウエハー１８５０が分離されたように図示される反面に、動作で（即ち、レンジングシステム内で遂行される）ＳＰＡＤウエハー１８４０及び論理及び制御回路ウエハー１８５０は互いに付着された２つの基板であり（点線矢印で示されたように）、又は本明細書に図示されるように、１つの基板であってもよい。

論理及び制御回路ウエハー１８５０を超えてＳＰＡＤウエハー１８４０の積層されたウエハー駆動は、同じウエハー上で、制御及び論理回路を含む各々のＳＰＡＤセルが駆動されるところと比較して減られた画素ピッチＰ（即ち、近いＳＰＡＤセル）を可能であるようにする。例えば、画素ピッチＰは３〜４ミクロン（ｍｉｃｒｏｎｓ）である。本発明の一実施形態によれば、論理及び制御回路ウエハーは低電圧ＬＶウエハーである反面に、ＳＰＡＤウエハーは高電圧ＨＶディフュージョンウエハーである。ＬＶウエハーはＨＶウエハーよりさらに微細な特徴を可能であるようにし、与えられた空間でウエハー上に形成されるトランジスタの数を増加させる。

図１９を参照すれば、本発明の実施形態による積層されたウエハーデザインを有するイメージセンサアレイ１１５の組立のための方法段階１９０５−１９１５が図示される。図１９で図示されたイメージセンサアレイ１１５の部分は図１８のＡ−Ａ部分と対応する。段階１９０５で、空乏領域（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）、連結１９２０、及びスルーシリコンビア（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉａ）１９３０を含む論理及び制御ウエハー１８５０が示される。実施形態によれば、論理及び制御回路ウエハーは低電圧ＣＭＯＳウエハー上に形成される。

また、段階１９０５で、ＳＰＡＤウエハー１８４０が示され、ＳＰＡＤウエハー１８４０は空乏されたｐ−ｎ接合を含む。ＳＰＡＤウエハー１８４０はＣＭＯＳウエハーであり、例えば、高電圧ＣＭＯＳウエハーである。ｐディフュージョンはＳＰＡＤセルの感光性領域に対応され、ｎ−ディフュージョンによって囲まれ、これは隣接するＳＰＡＤセルによるＳＰＡＤダイオードの活性化からバリアー（ｂａｒｒｉｅｒ）のように動作する。実施形態によれば、ＳＰＡＤダイオードはｎ−ウェル（ｎ−ｗｅｌｌ）を共有する。ＳＰＡＤウエハー１８４０の隣接するＳＰＡＤセルは分離トレンチ（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｔｒｅｎｃｈｅ）１９４０によってさらに分離される。ＳＰＡＤウエハー１８４０は金属連結１９２０を含む。ＳＰＡＤウエハー１８４０はシリコンオン絶縁体ウエハー（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ｗａｆｅｒ）のように生成される。例えば、絶縁体は酸化物層である。段階１９０５で、ＳＰＡＤウエハー１８４０は支持ウエハー（ｓｕｐｐｏｒｔ ｗａｆｅｒ）をさらに含む。ＳＰＡＤウエハー１８４０は論理及び制御回路ウエハー１８５０と共に設計され（例えば、連結等の位置）、同じダイ（ｄｉｅ）を有する。実施形態によれば、連結１９２０はカソード／アノードパッドのアレイである。実施形態によれば、高電圧配線はＳＰＡＤウエハー１８４０でただカソード配線に制限され、論理及び制御回路１８５０上に分離要件（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）を除去する。この実施形態でアレイ連結１９２０はただ低電圧アノードに減る。

段階１９１０でＳＰＡＤウエハー１８４０は積層された方向で論理及び制御回路ウエハー１８５０を超えてフェース・ツー・フェース（ｆａｃｅ−ｔｏ−ｆａｃｅ）にマウントされ、このような各々のウエハーの連結は積層の中心を向かう。複数のウエハーは互いに結合される。論理及び制御回路ウエハー１８５０及びＳＰＡＤウエハー１８４０の間の全ての連結は積層の中間でなされる（即ち、フェース（ｆａｃｅ）インタフェイスで）。従って、ＳＰＡＤウエハー１８４０の表面を横切って配列された全ての連結金属は入射光からディフュージョンを保護しない。ＳＰＡＤ画素はセル当たり１つの配線連結を有し、論理及び制御回路ウエハー１８５０にダウンする。全ての微細な特徴は（イメージセンサ論理のための）論理及び制御回路ウエハー１８５０に位置する。
実施形態によれば、ウエハーの層の間に形成される唯一の連結（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）はアノード連結である。例えば、トップ（ＳＰＡＤ）における高電圧カソード連結は、イメージセンサアレイの高電圧供給に対応する連結を提供し、一方、低電圧連結は、行活性化及び読出し信号に対応する。

段階１９１５で結合されたウエハー１８４０、１８５０は積層を薄くするために後面のグラインディングを経り、ＴＳＶ１９３０を露出させるために論理及び制御回路ウエハー１８５０から十分に除去される基板と共に、ＳＰＡＤウエハー１８４０から支持ウエハーを除去する。ＴＳＶ１９３０が現れる間に、他の連結（例えば、配線連結）が、他の接合計画で可能である。本発明に開示された実施形態に従って形成されるイメージセンサアレイの画素ピッチ（ｐｉｔｃｈ）は大略的に３ミクロン（ｍｉｃｒｏｎｓ）である。後面のグラインディングの後に、マイクロレンズアレイ１９５０は、イメージセンサアレイ１１５でＳＰＡＤ画素の充電率を向上させるために、ＳＰＡＤウエハー１８４０の後面に付着される。ＳＰＡＤウエハー１８４０は後面照明のために構成される。有利には、赤外線波長の感光性素子の感度が入射面から大きい深さで増加するように、赤外線スペクトルで光の感度は本明細書で記述されたような方法で配向されたＳＰＡＤウエハー１８４０と共に増加される。ＳＰＡＤウエハー１８４０の厚さ１７２５は、これはエピタキシャル成長基板の厚さであり、光学的情報獲得システムが動作する特定な光学的情報獲得波長に基づいて選択されることができる。

図２０を参照すれば、本発明の一実施形態による積層されたウエハーデザイン及び減少された画素ピッチＰ’を含むイメージセンサアレイ１１５ｂが図示されている。イメージセンサアレイ１１５ｂは感光性領域１４５と共にＳＰＡＤセルを含むウエハー２０４０を含み、ウエハー２０４０は論理及び制御回路ウエハー２０５０上に積層される。イメージセンサアレイ１１５ｂは減少されたピッチＰ’を有する画素を含み、分配されたＨＶｎ−ウェル及びインタセルｎディフュージョン（ｉｎｔｅｒ−ｃｅｌｌ ｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｓ）に起因する。これは一定なＨＶ入力を有するｎ−ウェルのため、活性化され、ただローカル接合がダイレクト光子発生と共にブレークダウンされる事実に従う。本発明の実施形態に他のイメージセンサアレイ構造が高電圧信号のグローバル制御を可能であるようにするので、ＨＶｎ−ｗｅｌｌ及びインタセルｎ−ディフュージョンは分配されることができる。図２０の実施形態によるイメージセンサは多数のｐディフュージョンによって分けられるｎディフュージョンを有する。これはイメージセンサアレイ構成が示され、画素ピッチＰ’を有し、例えば、２−３ミクロン（ｍｉｒｏｎｓ）、さらにレンジング装置でイメージセンサの解像能力を増加させる。図２０を参照すれば、本発明の実施形態による積層されたウエハーデザイン及び減少される画素ピッチＰ’を有するイメージセンサアレイ１１５ｂが図示される。イメージセンサアレイ１１５ｂは感光性領域１４５と共にＳＰＡＤセルを含むウエハー１８４０を含み、ウエハー１８４０は論理及び制御回路ウエハー１８５０上に積層される。イメージセンサアレイ１１５ｂは減少されたピッチＰ’を有する画素を含み、分配されたＨＶｎ−ウェル及びインタセルｎディフュージョン（ｉｎｔｅｒ−ｃｅｌｌ ｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｓ）に起因する。これは一定なＨＶ入力を有するｎ−ウェルのため、活性化され、ただローカル接合がダイレクト光子発生と共にブレークダウンされる事実に従う。本発明の実施形態に他のイメージセンサアレイ構造が高電圧信号のグローバル制御を可能であるようにするので、ＨＶｎ−ｗｅｌｌ及びインタセルｎ−ディフュージョンは分配されることができる。これはイメージセンサアレイ構成が示され、画素ピッチＰ’を有し、例えば、２〜３ミクロン（ｍｉｃｒｏｎｓ）、さらにレンジング装置でイメージセンサの解像能力を増加させる。

図２１を参照すれば、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法の流れ図２１００が図示される。半導体装置はイメージセンサ（例えば、イメージセンサ１１５）である。

段階２１０１で、第１部分は第１層に形成され、第１部分は第１電圧で駆動する。第１部分はフォトダイオードを含み、例えば、ＳＰＡＤである。

段階２１０３で、第２部分は第２層に形成され、第２部分は第２電圧で駆動する。第２電圧は第１電圧と異なる。一実施形態によれば、第１電圧は第２電圧より大きい（例えば、第１電圧は高電圧ＣＭＯＳウエハーに対応、第２電圧は低電圧ＣＭＯＳウエハーに対応）。第２部分は第１部分でフォトダイオードに活性化信号を選択的に伝送する論理及び制御回路を含み、フォトダイオードから活性化を受信する。

段階２１０５で論理及び制御回路はフォトダイオードと電気的に連結される。実施形態によれば、論理及び制御回路及びフォトダイオードはストライプがある連結を通じて電気的に連結されることができる。実施形態によれば、論理及び制御回路及びフォトダイオードは結合パッドを通じて電気的に結合される。

本発明の以下コンセプトは例示的な実施形態を提供する。

１． 物体までの距離を測定するシステムで、前記システムは、
制御された角度に情報獲得ビームを放出し、前記情報獲得ビームは前記物体を照明する光子情報獲得ソースと、
ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードのアレイを含み、前記イメージセンサは前記情報獲得ソースに影響を及ぶように連結され、前記情報獲得ビームによって前記物体の照明によって生成される反射されるビームを受信し、前記アレイ上に前記反射されるビームの入射の位置に基づいて信号を発達させるイメージセンサと、
前記情報獲得ソース及び前記イメージセンサに影響を及ぶように連結され、前記情報獲得ソースの前記制御された角度及び前記信号に基づいて前記物体までの距離を測定する分析回路と、を含むシステム。
２． 第１コンセプトにおいて、
前記イメージセンサは、前記情報獲得ソースから制御された距離に配置され、前記分析回路は、前記制御された角度、前記制御された距離、及び前記アレイ上で前記反射されるビームの前記位置によって測定される入射角度の三角測量に基づいて前記物体までの前記距離を測定するシステム。
３． 第１コンセプトにおいて、
前記イメージセンサは、シャッタであり、時変方式（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇｍａｎｎｅｒ）に前記アレイの複数の部分集合の活性化を含み、前記複数の部分集合の部分集合のための部分集合活性化期間は前記制御された角度が変わる時、前記制御された角度及び比率の値に基づくシステム。
４． 第３コンセプトにおいて、
前記信号は、前記複数の部分集合のアクティブ部分集合によって構成される第１アレイ素子による前記反射されるビームの感知に基づいて発達し、さらに前記アクティブ部分集合によって構成されるアレイ素子の余りによって前記反射されるビームの感知は前記信号に含まれないシステム。
５． 第３コンセプトにおいて、
前記情報獲得ソースは、パルス期間に前記情報獲得ビームを放出し、前記部分集合活性化期間は前記パルス期間に追加的に基づくシステム。
６． 第３コンセプトにおいて、
前記イメージセンサは、フレームズームであり、前記アレイの領域の非活性化を含み、前記シャッタは、前記アレイの前記領域のただ外側部分を発生するように構成されたシステム。
７． 第５コンセプトにおいて、
前記パルス周期は、セルフタイムパルス周期であり、最大の範囲で前記イメージセンサに戻って来る前記情報獲得ビームのＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）に基づくシステム。
８． 第５コンセプトにおいて、
前記システムは、周辺光レベルを感知する周辺光センサをさらに含み、さらに前記パルス周期は、感知された周辺光レベルに基づくシステム。
９． 第１コンセプトにおいて、
前記イメージセンサは、前記アレイの感光性領域上に前記放射されるビームに焦点を合うために配置される複数のフォーカッシング素子を完全に含むシステム。
１０． 第３コンセプトにおいて、
前記アレイ活性化は、フレームズーミング（ｆｒａｍｅ ｚｏｏｍｉｎｇ）を含み、フレームズーミングは、前記アレイの非活性化される領域を含み、前記シャッタリングは、ただ前記アレイの前記領域の外側に発生するシステム。
１１． 第３コンセプトにおいて、
前記アレイの前記活性化は、アレイ活性化期間の間であり、前記アレイ活性化期間の開始は、前記物体までの事前三角測量の距離測定（ｐｒｉｏｒ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）によって決定される距離に従って作られたＴＯＦに基づくシステム。
１２． プロセッサと、
前記プロセッサに影響を及ぶように結合されるメモリと、
制御された角度に情報獲得ビームを放射し、前記情報獲得ビームは、物体を照明する光子情報獲得ソースと、
フォトダイオードのアレイを含み、前記情報獲得ソース及び前記プロセッサに影響を及ぶように結合し、前記情報獲得ビームによる前記物体の照明によって生成される反射されるビームを受信し、前記アレイ上に前記反射されるビームの入射の位置に基づいて信号を発達させるイメージセンサと、を含み、
前記プロセッサは、前記光子情報獲得ソースの前記制御された角度及び前記信号に基づいて前記物体までの距離を測定する距離測定モバイル機器。
１３． 第１２コンセプトにおいて、
前記イメージセンサは、画素のアレイを含み、各画素はガイガーモードで駆動する少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードを含む距離測定モバイル機器。
１４． 第１２コンセプトにおいて、
フォトダイオードのアレイに含まれるフォトダイオードの光子敏感度は、可変電圧バイアスに従って設定可能な距離測定モバイル機器。
１５． 物体までの距離を測定するためのセンサで、前記センサは、
フォトダイオードのアレイを含み、情報獲得ソースに影響を及ぶように結合し、情報獲得ソースの情報獲得ビームによる前記物体の照明によって生成される反射されるビームを受信し、前記アレイ上に前記反射されるビームの入射によって活性化されるフォトダイオードの前記アレイのフォトダイオードのアレイアドレスに基づく信号を発達させるイメージセンサと、
前記反射されるビームを受信する前記フォトダイオードに直接的に反応するセット信号を生成するラッチ回路を含み、前記セット信号は、前記フォトダイオードのアレイアドレスをレポートするメモリと、
前記アレイアドレスを格納するアドレスデコード回路と、
前記アレイアドレスを読出しために前記アドレスデコード回路に影響を及ぶように結合するタイミング回路と、
前記情報獲得ソース及び前記イメージセンサに影響を及ぶように結合し、前記光子情報獲得ソースの前記制御された角度及び前記アレイアドレスに基づいて前記物体までの距離を測定する分析回路と、を含むセンサ。
１６． 第１５コンセプトにおいて、
前記アドレスデコード回路は、フォトダイオードの前記アレイの列（ｃｏｌｕｍｎ）アドレスを格納するためのメモリを含み、フォトダイオードの前記アレイのフォトダイオードの各々は、対応するラッチ回路に影響を及ぶように結合されるセンサ。
１７． 第１６コンセプトにおいて、
前記タイミング回路は、前記列アドレスの状態を順次的に測定し、前記レポートされたアレイアドレスに対応する前記列アドレスが到着する時まで次の列アドレスのための読出しのタイミングの活性化を維持するセンサ。
１８． 第１６コンセプトにおいて、
フォトダイオードの前記アレイのフォトダイオードの各々は対応する列アドレスを格納する対応するアドレスデコード回路に影響を及ぶように連結され、フォトダイオードの前記アレイの各行は、対応する行ラッチ回路に影響を及ぶように連結されるセンサ。
１９． 第１８コンセプトにおいて、
前記セット信号は、前記反射されるビームを受信する前記フォトダイオードのように同じ行上でフォトダイオードの前記アレイの他のフォトダイオードを非活性化するセンサ。
２０． 第１８コンセプトにおいて、
前記タイミング回路は、前記対応する行ラッチ回路の状態を順次的に測定し、前記レポートされたアレイアドレスに対応する前記行ラッチ回路が到達する時まで次の行ラッチ回路のための読出しタイミングの活性化を維持するセンサ。
２１． 第１５コンセプトにおいて、
フォトダイオードの前記アレイは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを含むセンサ。
２２． 第１５コンセプトにおいて、
フォトダイオードの前記アレイは、アクティブフォトダイオードを含み、フォトダイオードの前記アレイのフォトダイオードは、前記フォトダイオードの電圧が入射光子に基づいて閾値レベル（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｌｅｖｅｌ）に到達した時、活性化されるセンサ。
２３． 第１５コンセプトにおいて、
イメージセンサは、前記情報獲得ソースから制御された距離に配置され、前記分析回路は、前記制御された角度、前記制御された距離、及び前記フォトダイオードのアレイアドレスによって測定される入射角度の三角測量に基づいて前記物体までの距離を測定するイメージセンサ。
２４． 第１５コンセプトにおいて、
制御タイミング回路は、制御された活性化期間にフォトダイオードの前記アレイのフォトダイオードを活性化し、最大の範囲で前記イメージセンサに戻って来る前記情報獲得ビームのＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）及び戻って来る角度に基づくセンサ。
２５． 第２２コンセプトにおいて、
前記センサは、周辺光レベルを測定する周辺光センサをさらに含み、前記制御された活性化期間は、感知された周辺光レベルに基づくセンサ。
２６． 物体までの距離を測定する方法において、前記方法は、
光子情報獲得ビームで前記物体を情報獲得する段階と、
前記光子情報獲得ビームの活性化でフォトダイオードのアレイを実質的に同時に活性化する段階と、
前記アレイで、前記情報獲得される前記物体から反射されるビームを受信する段階と、
前記アレイ上で前記反射されるビームの入射によって活性化されるフォトダイオードの前記アレイの前記フォトダイオードのアレイアドレスに対応する信号を生成する段階と、
前記信号に基づいて前記物体までの距離を決定する段階を含む方法。
２７． 第２６コンセプトにおいて、
前記信号を生成する段階は、前記反射されるビームを受信する前記フォトダイオードに直接反応するセット信号を受信する前記フォトダイオードに影響を及ぶように結合するラッチ回路を含む方法。
２８． 第２７コンセプトにおいて、
前記反射されるビームを受信する前記フォトダイオードのように同じ行上でフォトダイオードの前記アレイの他のフォトダイオードを非活性させる段階をさらに含む方法。
２９． 第２８コンセプトにおいて、
前記アレイは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを含む方法。
３０． 第２６コンセプトにおいて、
前記アレイは、アクティブフォトダイオードを含み、フォトダイオードの前記アレイのフォトダイオードは、前記フォトダイオードの電圧が入射光子に基づいて閾値レベルに到達した時活性化される方法。
３１． 第２６コンセプトにおいて、
前記情報獲得する段階が前記光子情報獲得ビームの制御された角度で遂行され、前記情報獲得ソースは、前記情報獲得ビームを放出し、前記アレイ、互いから制御された距離に配置される方法。
３２． 第２８コンセプトにおいて、
前記距離を決定する段階は、前記制御された角度、前記制御された距離、及び前記フォトダイオードの前記アレイアドレスによって測定される入射角度の三角測量に基づく方法。
３３． フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに電気的に結合し、少なくとも１つのアクティブ及びパッシブ素子を含む負荷と、
前記フォトダイオードに電気的に結合し、ラッチ回路を含む複数のトランジスタと、を含み、
前記フォトダイオードの制御はグランドに参照され、選択的に前記フォトダイオードを活性化し、前記フォトダイオードはフォトダイオードに入射する光子に基づいて電流を発達させ、前記負荷は、前記電流を電圧パルスに変換し、前記電圧パルスは、前記ラッチ回路の論理レベルをセット（ｓｅｔ）する入力として機能する画素回路。
３４． 第３３コンセプトにおいて、
前記画素回路は、前記フォトダイオード及び前記制御に電気的に連結された電圧クランプ（ｃｌａｍｐ）回路をさらに含み、前記電圧クランプは、前記ラッチ回路に対する前記電圧パルス入力の電圧レベルを制限する画素回路。
３５． 第３３コンセプトにおいて、
前記フォトダイオードは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであり、前記電流は、前記光子によってトリガーされるアバランシェ電流である画素回路。
３６． 第３３コンセプトにおいて、
前記フォトダイオードは、アクティブフォトダイオードであり、前記電流は、前記フォトダイオードの電圧が前記フォトダイオードに入射される光子に基づく閾値レベルに到達する時、発達する画素回路。
３７． 第１電圧で動作する第１部分を含み、前記第１部分は単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）を含む第１層と、
第２電圧で動作する第２部分を含み、前記第２部分は前記ＳＰＡＤに電気的に結合し前記ＳＰＡＤに活性化信号を選択的に供給し、前記ＳＰＡＤから活性化信号を受信する第２層と、を含み、
前記第１電圧と前記第２電圧とは異なる半導体装置。
３８． 第３７コンセプトにおいて、
第１基板は、前記第１層を含み、第２基板は、前記第２層を含む半導体装置。
３９． 第３８コンセプトにおいて、
前記第１基板及び前記第２基板は、積層構造に配列される半導体装置。
４０． 第３８コンセプトにおいて、
前記第２基板は、前記第１基板及び前記第２基板に電気的コミュニケーションを提供するＴＳＶ（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｉｌｉｃｏｎ−ｖｉａ）を含む半導体装置。
４１． 第３７コンセプトにおいて、
前記第１電圧は、前記第２電圧より大きい半導体装置。
４２． 第３７コンセプトにおいて、
ＳＰＡＤのアレイは、前記ＳＰＡＤを含む半導体装置。
４３． 第４２コンセプトにおいて、
前記論理及び制御回路は、ＳＰＡＤの前記アレイのアレイアドレスを格納するアドレスデコード回路を含み、タイミング回路は、前記アレイアドレスを読出しために前記アドレスデコード回路に影響を及ぶように結合する半導体装置。
４４． 第４３コンセプトにおいて、
前記論理及び制御回路は、ラッチ回路を含み、前記ラッチ回路は、受信された光に反応する前記ＳＰＡＤの活性化に直接反応してセット信号を生成し、前記セット信号は、前記ＳＰＡＤのアレイアドレスをレポートする半導体装置。
４５． 第４２コンセプトにおいて、
ＳＰＡＤの前記アレイの隣接するＳＰＡＤの間に中心から中心までの距離は、３乃至５ｍｉｃｒｏｎｓ間である半導体装置。
４６． 第４２コンセプトにおいて、
ＳＰＡＤの前記アレイの隣接するＳＰＡＤの間に中心から中心までの距離は、約２ｍｉｃｒｏｎｓである半導体装置。
４７． 第４２コンセプトにおいて、
前記第１層上に配置されるマイクロレンズアレイをさらに含み、前記マイクロレンズアレイは、ＳＰＡＤの前記アレイ上に入射される光に焦点を合うために配置される半導体装置。
４８． 半導体装置を形成する方法において、前記方法は、
第１電圧で動作する第１層に第１部分を形成し、前記第１部分は単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）を含む段階と、
前記第１電圧とは異なる第２電圧で動作する第２層に第２部分を形成し、前記第２部分は前記ＳＰＡＤに活性化信号を選択的に送信し、前記ＳＰＡＤから活性化信号を受信する論理及び制御回路を含む段階と、
前記ＳＰＡＤに前記論理及び制御回路を電気的に結合する段階と、を含む方法。
４９． 第４８コンセプトにおいて、
第１基板は、第１層を含み、第２基板は第２層を含む方法。
５０． 第４９コンセプトにおいて、
前記第１基板及び前記第２基板を積層構造に配列する段階をさらに含む方法。
５１． 第４９コンセプトにおいて、
第２基板内に前記第１基板及び前記第２基板に電気的コミュニケーションを提供するＴＳＶ（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｉｌｉｃｏｎ−ｖｉａ）を形成する段階をさらに含む方法。
５２． 第４８コンセプトにおいて、
前記第１電圧は、前記第２電圧より大きい方法。
５３． 第４８コンセプトにおいて、
ＳＰＡＤの配列は、前記ＳＰＡＤを含む方法。
５４． 第５３コンセプトにおいて、
前記論理及び制御回路は、ＳＰＡＤの前記アレイのアレイアドレスを格納するアドレスデコード回路を含み、タイミング回路は、前記アレイアドレスを読み出すために前記アドレスデコード回路に影響を及ぶように結合する方法。
５５． 第５４コンセプトにおいて、
前記論理及び制御回路は、ラッチ回路を含み、前記ラッチ回路は、受信された光に応答するＳＰＡＤの活性化に直接応答してセット信号を生成し、前記セット信号は、前記ＳＰＡＤのアレイアドレスをレポートする方法。
５６． 第５３コンセプトにおいて、
ＳＰＡＤの前記アレイの隣接するＳＰＡＤの間に中心から中心までの距離は、３乃至５ｍｉｃｒｏｎｓである方法。
５７． 第５３コンセプトにおいて、
ＳＰＡＤの前記アレイの隣接するＳＰＡＤの間に中心から中心までの距離は、約２ｍｉｃｒｏｎｓである方法。
５８． 第５３コンセプトにおいて、
前記第１層上にマイクロレンズアレイを配置し、前記マイクロレンズアレイは、ＳＰＡＤの前記アレイ上に入射される光に焦点を合うために配置される段階をさらに含む方法。

本発明の主題は構造的特徴及び／又は方法実行に特定の言語を用いて説明されたが、添付された概念で定義された主題は、上述した特定の特徴又は作用により、必ずしも制限されない。むしろ、上述した特定の特徴及び作用は本願の特許請求の範囲を具現する例示的な形態として開示される。

１００ 光学的情報獲得システム
１０５ 光子情報獲得装置、光学的情報獲得装置
１１０ 情報獲得ソース
１１１ 情報獲得ソース角度
１１５ イメージセンサ
１１６ 戻ってくる角度
１２０ 距離
１２５ 情報獲得ビーム
１３０ 物体から戻って来る光、戻って来る光
１３５ 光学的システム、ノッチフィルタ
１４０ 感光性ダイオードのアレイ
１４０ａ、１４０ｂ ＳＰＡＤ画素
１４５ フォトダイオード
１４５ａ、１４５ｂ 感光性領域
１５０ 物体
１５０ａ、１５０ｂ 画素回路領域、画素回路ロジック
２２０ 抵抗
２２５ バッファ
２３０ フィードバック解消回路

Claims (18)

1. 光学的イベントを感知する方法において、
   光学的情報獲得ビームを用いて物体から情報獲得する（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）段階と、
   前記光学的情報獲得ビームの活性化と実質的に同時に画素のアレイを活性化し、前記画素は、アバランシェフォトダイオードを含み、アバランシェフォトダイオードの電圧バイアスレベルは、ガイガーモード及びアバランシェモードの中の１つにおける画素駆動に対応する段階と、ここで、
   前記画素のアレイは複数の部分集合（ｓｕｂｓｅｔ）を含み、
   前記画素のアレイにおいて、前記情報獲得された物体から反射されたビームを受信する段階と、
   前記反射されたビームが前記画素のアレイ上に入射する位置に対応する信号を生成し、前記信号は、画素アレイアドレス、及び前記光学的情報獲得ビームと前記反射されたビームとの間のＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）の内の少なくとも１つに対応する段階と、ここで、
   前記信号を生成することは、前記複数の部分集合の内のアクティブ（活性化された）部分集合に含まれる一つの画素によって前記反射されたビームを受信することに基づき、
   さらに、前記アクティブ部分集合に含まれる残りの画素による前記反射されたビームの感知は、前記信号に含まれず、
   前記信号に基づいて物体迄の距離を測定する段階と、を含むことを特徴とする方法。
2. 前記情報獲得する段階は、前記光学的情報獲得ビームの制御された角度で遂行され、
   前記光学的情報獲得ビームを放出する光学的情報獲得ソースと前記画素のアレイとは、制御された距離だけ互いに離隔して配置され、
   前記物体迄の距離を決定する段階は、前記制御された角度、前記制御された距離、及び、前記反射されたビームの前記画素アレイアドレスによって決定される入射角度を三角測量する（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅ）ことに基づく、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記画素のアレイを活性化することは、シャッタリング（ｓｈｕｔｔｅｒｉｎｇ）を含み、前記シャッタリングは、時変（時間と共に変化する、ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ）モードに従って前記画素のアレイの前記複数の部分集合を活性化することを含み、前記複数の部分集合の内の各部分集合の活性化期間は、前記制御された角度の値及び前記制御された角度の変化率に基づくことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記信号を生成することは、前記画素が前記反射されたビームを受信することに直接応答して前記画素のラッチ回路によりセット信号を生成することを含み、
   前記セット信号は、前記画素の行アドレス及び列アドレスの内の少なくとも１つを、列デコーダ回路及び行デコーダ回路の内の少なくとも１つに伝達することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記セット信号は、接地電位を基準とする（ｇｒｏｕｎｄ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ）フォトダイオード電流によって生起される（ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ）ポジティブ（正）電圧パルスであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記信号を生成することは、前記画素が前記反射されたビームを受信することに応答して前記画素に対する列デコード信号を生成することを含み、前記列デコード信号は、前記画素の列アドレスを行ラッチ回路に伝達することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記画素は、少なくとも１つの電荷ストレージ素子を含み、前記光学的情報獲得ビーム及び前記アバランシェフォトダイオードのアレイを活性化することは、前記光学的情報獲得ビームの放出から、前記物体により反射されたビームの受信に至る時間期間に、前記少なくとも１つの電荷ストレージ素子の電荷レベルの変化を開始及び終了し、前記電荷レベルは、前記ＴＯＦに対応することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 光学的イベントを感知するための光学的イベントセンサにおいて、
   光学的情報獲得ビームを放出する光学的情報獲得ソースの活性化と実質的に同時に活性化されて動作可能な画素のアレイを含み、前記画素はアバランシェフォトダイオードを含み、前記アバランシェフォトダイオードの電圧バイアスレベルは、ガイガーモード及びアバランシェモードの中の１つにおける画素動作に対応し、
   前記画素のアレイは、物体から反射されたビームを前記画素のアレイにおいて受信し、前記反射されたビームの前記画素のアレイ上における入射位置に対応する信号を生成する動作が可能であり、
   前記信号は、画素アレイアドレス、及び前記光学的情報獲得ビームと前記反射されたビームの間のＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）の内の少なくとも１つに対応し、前記画素のアレイは、前記信号に基づいて前記物体までの距離を決定する動作が可能であり、ここで、
   前記画素のアレイは、複数の部分集合を含み、
   前記信号は、前記複数の部分集合の内のアクティブ（活性化された）部分集合に含まれる第１の（ａ＿ｆｉｒｓｔ）画素によって前記反射されたビームの感知に基づいて生成され、
   さらに、前記アクティブ部分集合に含まれる残りの画素による前記反射されたビームの感知は、前記信号に含まれない、
   ことを特徴とする光学的イベントセンサ。
9. 前記物体は、前記光学的情報獲得ビームの制御された角度で情報獲得され、前記光学的情報獲得ソースと前記画素のアレイとは、制御された距離だけ互いに離隔して配置され、前記物体までの距離は、前記制御された角度、前記制御された距離、及び、前記反射されたビームの前記画素アレイアドレスによって決定される入射角度を三角測量することに基づいて決定されることを特徴とする請求項８に記載の光学的イベントセンサ。
10. 前記画素のアレイは、シャッタ動作が可能であり、時変（時間と共に変化する）方法に従って前記画素のアレイの前記複数の部分集合を活性化することを含み、前記複数の部分集合の内の各部分集合の活性化期間は、前記制御された角度の値及び前記制御された角度の変化率に基づくことを特徴とする請求項９に記載の光学的イベントセンサ。
11. 前記信号は、前記画素のラッチ回路によるセット信号を含み、前記セット信号は、前記画素が前記反射されたビームを受信することに直接応答し、前記セット信号は、前記画素の行アドレス及び列アドレスの内の少なくとも１つを、列デコーダ回路及び行デコーダ回路の内の少なくとも１つに伝達することを特徴とする請求項８に記載の光学的イベントセンサ。
12. 前記セット信号は、接地電位を基準とする（ｇｒｏｕｎｄ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ）フォトダイオード電流によって生起される（ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ）ポジティブ（正）電圧パルスであることを特徴とする請求項１１に記載の光学的イベントセンサ。
13. 前記信号は、前記画素における列デコード信号を含み、前記列デコード信号は、前記画素が前記反射されたビームを受信することに応答し、前記列デコード信号は、前記画素の列アドレスを行ラッチ回路に伝達することを特徴とする請求項８に記載の光学的イベントセンサ。
14. 前記画素のアレイは、第１電圧で動作する第１基板及び第２電圧で動作する第２基板を含み、前記第１電圧は、前記第２電圧より高く、前記アバランシェフォトダイオードは、前記第１基板に含まれて構成され、前記画素のアレイの論理及び制御回路は、前記第２基板に含まれて構成されることを特徴とする請求項１３に記載の光学的イベントセンサ。
15. 前記画素は、少なくとも１つの電荷ストレージ素子を含み、前記光学的情報獲得ビーム及び前記アバランシェフォトダイオードのアレイの活性化は、前記光学的情報獲得ビームの放出から前記物体により反射されたビームの受信に至る時間期間に、前記少なくとも１つの電荷ストレージ素子の電荷レベルの変化を開始及び終了する動作を可能にし、前記電荷レベルは、ＴＯＦに対応することを特徴とする請求項８に記載の光学的イベントセンサ。
16. プロセッサと、
    前記プロセッサに動作可能に連結されたメモリと、
    物体を照明するための光学的情報獲得ビームを放出するように構成された光学的情報獲得ソースと、
    画素のアレイと、対応する電荷ストレージ素子とを含み、前記光学的情報獲得ソース及び前記プロセッサに動作可能に連結され、前記光学的情報獲得ビームによる前記物体の照明によって生成される、反射されたビームを受信し、前記画素のアレイ上に前記反射ビームに基づく信号を生成するイメージセンサと、を含み、
    前記光学的情報獲得ソース及び前記イメージセンサの活性化は、前記光学的情報獲得ビームの放出から、前記物体により反射されたビームの受信に至る時間期間に、前記電荷ストレージ素子の電荷レベルの変化を開始及び終了し、ここで、前記電荷レベルは前記信号に含まれ、
    前記プロセッサは、前記信号を受信し、且つ、前記信号に基づいて前記物体の距離情報を出力する、動作が可能であり、ここで、
    前記画素のアレイは、複数の部分集合を含み、
    前記信号は、前記複数の部分集合の内のアクティブ（活性化された）部分集合に含まれる第１の（ａ＿ｆｉｒｓｔ）画素によって前記反射されたビームの感知に基づいて生成され、
    さらに、前記アクティブ部分集合に含まれる残りの画素による前記反射されたビームの感知は、前記信号に含まれない、
    ことを特徴とする距離測定モバイル装置。
17. 前記電荷ストレージ素子は、キャパシタを含み、前記キャパシタは、前記反射されたビームの受信に応答して対応する画素のフォトダイオードによって生成される信号を受信すると充電を終了することを特徴とする請求項１６に記載の距離測定モバイル装置。
18. 前記画素のアレイはガイガーモードにて動作するアバランシェフォトダイオードのアレイを含むことを特徴とする請求項１６に記載の距離測定モバイル装置。

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