JP7174591B2 - 距離測定のための時間分解型センサー及びその時間分解方法並びに3次元イメージセンサー - Google Patents
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Description
101、601、901 PPD
103、151、603 第1トランジスタ
105、153、605、905 第2トランジスタ
107、155、607、907 第3トランジスタ
109、157、609、909 第4トランジスタ
111、403 SPAD
113、401 抵抗
115、405 キャパシター
117、407 P型MOSFETトランジスタ
119、409 バッファ
159、611、911 第5トランジスタ
161、913 第6トランジスタ
163、915 第7トランジスタ
165、917 第8トランジスタ
167、919 第9トランジスタ
169 第10トランジスタ
171 第11トランジスタ
173 第12トランジスタ
175 第13トランジスタ
200、1000 信号タイミング図
300、800 時間分解型センサー
301、801、1101a、1101n SPAD回路
303、803、1103 論理回路
305、805、1105 PPD回路
501 ラッチ
503 2入力ORゲート
DE 検出イベント
FD フローティング拡散(ノード)
PIXB ピクセル出力ライン
PIXOUT 画素出力
PPD ピン型フォトダイオード
RST リセット信号(PPD回路の第3入力)
SC キャパシターデバイス
SEL ピクセルの出力選択信号(PPD回路の第5入力)
SHUTTER シャッターの開閉を制御する信号(SPAD回路の第2入力)
SPAD 単一光子アバランシェダイオード
TX 電荷を伝達するための信号(VTX)
TXEN 論理回路の出力
TXENB TXENの反転信号
TXRMD PPDの残留電荷をFDノードに伝達するための信号(論理回路の第2入力)
VDD SPADの回路の電源(SPAD回路の第3入力)
VPIX 画素電圧
VSPAD SPADの電源(SPAD回路の第1入力)
VTX PPDの電荷をFDノードに伝達するための信号(PPD回路の第2入力)
Claims (17)
- 時間分解型センサーであって、
各々がアクティブシャッター信号に応答し、物体から反射されて入射する1つ以上の光子を検出することに基づいて出力信号を生成する1つ以上の単一光子アバランシェダイオード(SPAD)と、
前記1つ以上のSPADの出力信号に結合され、前記アクティブシャッター信号の開始に応答して活性化され、前記1つ以上のSPADの出力信号に応答して非活性化される第1イネーブル信号、及び前記1つ以上のSPADの出力信号に応答して活性化され、前記アクティブシャッター信号の終了に応答して非活性化される第2イネーブル信号を生成する論理回路と、
前記第1イネーブル信号及び前記第2イネーブル信号に連結されるディファレンシャル時間・電荷コンバーター(DTCC)回路と、を備え、
前記DTCC回路は、
第1端子及び接地電圧に連結された第2端子を有するキャパシターデバイスと、
第1端子、第2端子、及び第3端子を有する第1スイッチングデバイスと、
第1端子、第2端子、及び第3端子を有する第2スイッチングデバイスと、
第1フローティング拡散ノードの第1電荷に対応する第1電圧、及び第2フローティング拡散ノードの残留電荷に対応する第2電圧を出力する出力回路と、を有し、
前記第1スイッチングデバイスの第1端子は、前記キャパシターデバイスの第1端子に連結され、
前記第1スイッチングデバイスの第2端子は、前記第1フローティング拡散ノードに連結され、
前記第1スイッチングデバイスの第3端子は、前記第1イネーブル信号により活性化されるスイッチングデバイスの出力端子に連結され、
前記第1スイッチングデバイスは、前記第1イネーブル信号に応答して前記キャパシターデバイスの第1電荷を前記第1フローティング拡散ノードに伝達し、
前記第2スイッチングデバイスの第1端子は、前記キャパシターデバイスの第1端子に連結され、
前記第2スイッチングデバイスの第2端子は、前記第2フローティング拡散ノードに連結され、
前記第2スイッチングデバイスの第3端子は、前記第2イネーブル信号により活性化されるスイッチングデバイスの出力端子に連結され、
前記第2スイッチングデバイスは、前記第2イネーブル信号に応答して前記キャパシターデバイスの残留電荷を前記第2フローティング拡散ノードに伝達し、
前記第1電圧と前記第2電圧との和に対する前記第1電圧の比率は、前記1つ以上の検出された光子の飛行時間と遅延時間との間の差に比例し、
前記遅延時間は、前記1つ以上の光子が検出される光パルスの送信開始時点とランプ関数に従って変化する駆動信号の変化の開始時点との間の時間を示し、
前記飛行時間は、前記光パルスの送信開始時点と前記1つ以上のSPADの出力信号に相当する帰還光パルスが受信される時点との間の時間を示すことを特徴とする時間分解型センサー。 - 前記駆動信号は、
前記1つ以上の光子が検出される光パルスの送信開始時点に応答して前記アクティブシャッター信号の終了時点まで変化を開始し、
前記第1イネーブル信号が活性化されると、前記第1スイッチングデバイスの第3端子に連結され、
前記第2イネーブル信号が活性化されると、前記第2スイッチングデバイスの第3端子に連結されることを特徴とする請求項1に記載の時間分解型センサー。 - 前記キャパシターデバイスは、キャパシターを含むことを特徴とする請求項2に記載の時間分解型センサー。
- 前記キャパシターデバイスは、ピン型フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項2に記載の時間分解型センサー。
- 前記第1及び第2スイッチングデバイスは、トランジスタを含むことを特徴とする請求項4に記載の時間分解型センサー。
- 前記時間分解型センサーは、3次元イメージングシステムの一部を含むことを特徴とする請求項5に記載の時間分解型センサー。
- 3次元イメージセンサーであって、
各々がアクティブシャッター信号に応答し、物体から反射されて入射する1つ以上の光子を検出することに基づいて出力信号を生成する1つ以上の単一光子アバランシェダイオード(SPAD)を含むアレイと、
前記1つ以上のSPADの出力信号に結合され、前記アクティブシャッター信号の開始に応答して活性化され、前記1つ以上のSPADの出力信号に応答して非活性化される第1イネーブル信号、及び前記1つ以上のSPADの出力信号に応答して活性化され、前記アクティブシャッター信号の終了に応答して非活性化される第2イネーブル信号を生成する1つ以上の論理回路と、
各々が対応する前記論理回路の第1及び2イネーブル信号に連結されるディファレンシャル時間・電荷コンバーター(DTCC)回路と、を含む1つ以上の時間分解型センサーを備え、
前記DTCC回路は、
第1端子及び接地電圧に連結された第2端子を有するキャパシターデバイスと、
第1端子、第2端子、及び第3端子を有する第1スイッチングデバイスと、
第1端子、第2端子、及び第3端子を有する第2スイッチングデバイスと、
第1フローティング拡散ノードの第1電荷に対応する第1電圧、及び第2フローティング拡散ノードの残留電荷に対応する第2電圧を出力する出力回路と、を有し、
前記第1スイッチングデバイスの第1端子は、前記キャパシターデバイスの第1端子に連結され、
前記第1スイッチングデバイスの第2端子は、前記第1フローティング拡散ノードに連結され、
前記第1スイッチングデバイスの第3端子は、前記第1イネーブル信号により活性化されるスイッチングデバイスの出力端子に連結され、
前記第1スイッチングデバイスは、前記第1イネーブル信号に応答して前記キャパシターデバイスの第1電荷を前記第1フローティング拡散ノードに伝達し、
前記第2スイッチングデバイスの第1端子は、前記キャパシターデバイスの第1端子に連結され、
前記第2スイッチングデバイスの第2端子は、前記第2フローティング拡散ノードに連結され、
前記第2スイッチングデバイスの第3端子は、前記第2イネーブル信号により活性化されるスイッチングデバイスの出力端子に連結され、
前記第2スイッチングデバイスは、前記第2イネーブル信号に応答して前記キャパシターデバイスの残留電荷を前記第2フローティング拡散ノードに伝達し、
前記第1電圧と前記第2電圧との和に対する前記第1電圧の比率は、前記1つ以上の検出された光子の飛行時間と遅延時間との間の差に比例し、
前記遅延時間は、前記1つ以上の光子が検出される光パルスの送信開始時点とランプ関数に従って変化する駆動信号の変化の開始時点との間の時間を示し、
前記飛行時間は、前記光パルスの送信開始時点と前記1つ以上のSPADの出力信号に相当する帰還光パルスが受信される時点との間の時間を示すことを特徴とする3次元イメージセンサー。 - 前記駆動信号は、
前記1つ以上の光子が検出される光パルスの送信開始時点に応答して前記アクティブシャッター信号の終了時点まで変化を開始し、
前記第1イネーブル信号が活性化されると、前記第1スイッチングデバイスの第3端子に連結され、
前記第2イネーブル信号が活性化されると、前記第2スイッチングデバイスの第3端子に連結されることを特徴とする請求項7に記載の3次元イメージセンサー。 - 前記キャパシターデバイスは、キャパシターを含むことを特徴とする請求項8に記載の3次元イメージセンサー。
- 前記キャパシターデバイスは、ピン型フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項8に記載の3次元イメージセンサー。
- 前記第1及び第2スイッチングデバイスは、トランジスタを含むことを特徴とする請求項10に記載の3次元イメージセンサー。
- 前記時間分解型センサーは、3次元イメージングシステムの一部を含むことを特徴とする請求項11に記載の3次元イメージセンサー。
- 時間分解型センサーの時間分解方法であって、
ランプ関数に従って駆動信号を変化させるステップと、
アクティブシャッター信号を生成するステップと、
前記アクティブシャッター信号の間に物体から反射されて1つ以上の単一光子アバランシェダイオード(SPAD)に入射する1つ以上の光子を検出するステップと、
前記1つ以上の光子の検出に基づいて出力信号を生成するステップと、
前記出力信号に基づいて、前記アクティブシャッター信号の開始に応答して活性化され、前記出力信号に応答して非活性化される第1イネーブル信号、及び前記出力信号に応答して活性化され、前記アクティブシャッター信号の終了に応答して非活性化される第2イネーブル信号を生成するステップと、
前記第1イネーブル信号が活性化されると、第1フローティング拡散ノードに第1電荷を形成するためにキャパシターデバイスの電荷を前記第1フローティング拡散ノードに伝達するステップと、
前記第2イネーブル信号が活性化されると、第2フローティング拡散ノードに第2電荷を形成するために前記キャパシターデバイスの残留電荷を前記第2フローティング拡散ノードに伝達するステップと、
前記第1電荷に基づいて第1電圧を出力し、前記第2電荷に基づいて第2電圧を出力するステップと、を有し、
前記第1電圧と前記第2電圧との和に対する前記第1電圧の比率は、前記1つ以上の光子の飛行時間と遅延時間との間の差に比例し、
前記遅延時間は、前記1つ以上の光子が検出される光パルスの送信開始時点とランプ関数に従って変化する駆動信号の変化の開始時点との間の時間を示し、
前記飛行時間は、前記光パルスの送信開始時点と前記1つ以上のSPADの出力信号に相当する帰還光パルスが受信される時点との間の時間を示すことを特徴とする時間分解方法。 - 前記駆動信号は、前記1つ以上の光子が検出される光パルスの送信開始時点に応答して前記アクティブシャッター信号の終了時点まで変化を開始し、
前記第1フローティング拡散ノードに第1電荷を形成するためにキャパシターデバイスの電荷を前記第1フローティング拡散ノードに伝達するステップは、前記第1イネーブル信号が活性化されるときの前記駆動信号のレベルに更に基づいて行われ、
前記第2フローティング拡散ノードに第2電荷を形成するために前記キャパシターデバイスの残留電荷を前記第2フローティング拡散ノードに伝達するステップは、前記第2イネーブル信号が活性化されるときの前記駆動信号のレベルに更に基づいて行われることを特徴とする請求項13に記載の時間分解方法。 - 前記キャパシターデバイスは、キャパシターを含むことを特徴とする請求項14に記載の時間分解方法。
- 前記キャパシターデバイスは、ピン型フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項14に記載の時間分解方法。
- 前記キャパシターデバイスの電荷を前記第1フローティング拡散ノードに伝達するステップ及び前記キャパシターデバイスの残留電荷を前記第2フローティング拡散ノードに伝達するステップは、活性化される前記第1イネーブル信号に応答する第1スイッチングデバイス及び活性化される前記第2イネーブル信号に応答する第2スイッチングデバイスにより、それぞれ遂行されることを特徴とする請求項16に記載の時間分解方法。
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