JP7246863B2 - 受光装置、車両制御システム及び測距装置 - Google Patents

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Description

本開示は、受光装置及び測距装置に関する。
受光部として、光子の受光に応じて信号を発生する素子を用いた測距装置がある（例えば、特許文献１参照）。この従来技術に係る測距装置では、ＴＯＦ（time of flight：飛行時間）の測定結果を所定の計測時間に亘って蓄積したヒストグラムの信号処理を工夫することでダイナミックレンジの拡大を図っている。具体的には、光量が低い場合は、パルスの数を検出し、光量が高い場合は、パルスの幅を検出するようにしている。
特開２０１４－８１２５４号公報
本開示は、ヒストグラムの信号処理を工夫することなく、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる受光装置、及び、当該受光装置を用いる測距装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本開示の受光装置は、
光子の受光に応じて信号を発生する受光部をそれぞれ含む複数の画素を有する画素アレイ部を備え、
画素アレイ部は、第１感度の画素、及び、第１感度の画素よりも感度が低い第２感度の画素を有する構成となっている。
また、上記の目的を達成するための本開示の測距装置（距離測定装置）は、
測定対象物に対して光を照射する光源、及び、
測定対象物で反射された光を受光する受光装置を備える。
そして、受光装置は、
光子の受光に応じて信号を発生する受光部をそれぞれ含む複数の画素を有する画素アレイ部を備え、
画素アレイ部は、第１感度の画素、及び、第１感度の画素よりも感度が低い第２感度の画素を有する構成となっている。
本開示によれば、ヒストグラムの信号処理を工夫することなく、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
尚、ここに記載された効果に必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であってもよい。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、これに限定されるものではなく、また付加的な効果があってもよい。
図１は、本開示の一実施形態に係る測距装置を示す概略構成図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、本開示の一実施形態に係る測距装置の具体的な構成を示すブロック図である。 図３Ａは、ＳＰＡＤ素子を用いた受光装置の基本的な画素回路の第１例を示す回路図であり、図３Ｂは、ＳＰＡＤ素子を用いた受光装置の基本的な画素回路の第２例を示す回路図である。 図４Ａは、ＳＰＡＤ素子のＰＮ接合の電流－電圧特性を示す特性図であり、図４Ｂは、画素回路の回路動作の説明に供する波形図である。 図５は、照射光量が相対的に少ない場合のＳＰＡＤ素子のデッドタイムＤＴについて説明する波形図である。 図６は、照射光量が相対的に多い場合のＳＰＡＤ素子のデッドタイムＤＴについて説明する波形図である。 図７Ａは、デッドタイムＤＴと入射光量－カウント値の特性との関係を示す特性図であり、図７Ｂは、光子を検出できる確率ＰＤＥと入射光量－カウント値の特性との関係を示す特性図である。 図８は、実施例１に係る画素アレイ部の構成の概略を示す平面図である。 図９Ａは、実施例２に係る画素アレイ部の構成の概略を示す平面図であり、図９Ｂは、受光部の断面構造を示す断面図である。 図１０Ａは、実施例３に係る画素アレイ部の構成の概略を示す平面図であり、図１０Ｂは、エクセスバイアス電圧ＶEXと、感度の指標となる確率ＰＤＥとの関係を示す特性図である。 図１１は、エクセスバイアス電圧ＶEXを小さく設定した場合のＳＰＡＤ素子の感度について説明する波形図である。 図１２は、実施例４に係る受光装置の構成の概略を示す回路ブロック図である。 図１３は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。 図１４は、測距装置の設置位置の例を示す図である。
以下、本開示の技術を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）について図面を用いて詳細に説明する。本開示の技術は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値などは例示である。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。尚、説明は以下の順序で行う。
１．本開示の受光装置及び測距装置、全般に関する説明
２．実施形態に係る測距装置
２－１．ＳＰＡＤ素子を用いた受光装置の基本構成
２－２．ＳＰＡＤ素子のデッドタイムＤＴについて
３．実施形態に係る受光装置
３－１．実施例１（受光面積を変える例）
３－２．実施例２（半導体層の厚みを変える例）
３－３．実施例３（エクセスバイアス電圧を変える例）
３－４．実施例４（実施例３の変形例：エクセスバイアス電圧を調整する例）
４．本開示に係る技術の適用例（移動体の例）
５．本開示がとることができる構成
＜本開示の受光装置及び測距装置、全般に関する説明＞
本開示の受光装置及び測距装置にあっては、第１感度について、所定の光強度よりも弱い入射光を検出できる感度とすることができるし、第２感度について、所定の光量以下で飽和しない感度とすることができる。
上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、第１感度の画素について、第２感度の画素よりも受光面積が広い構成とすることができるし、第２感度の画素よりも受光部の半導体層の厚みが厚い構成とすることができる。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、第１感度の画素について、第２感度の画素よりもエクセスバイアス電圧の電圧値が高い構成とすることができる。このとき、エクセスバイアス電圧の電圧値について、受光部のアノード電極に印加するアノード電圧の電圧値によって設定することができる。また、外乱光の大きさに応じて、アノード電圧の電圧値を設定することができる。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、受光部について、単一光子アバランシェダイオードから成る構成とすることができる。
＜実施形態に係る測距装置＞
図１は、本開示の一実施形態に係る測距装置を示す概略構成図である。本実施形態に係る測距装置１は、測定対象物である被写体１０までの距離を測定する測定法として、被写体１０に向けて照射した光（例えば、レーザ光）が、当該被写体１０で反射されて戻ってくるまでの時間を測定するＴＯＦ（time of flight：飛行時間）法を採用している。ＴＯＦ法による距離測定を実現するために、本実施形態に係る測距装置１は、光源２０及び受光装置３０を備えている。そして、受光装置３０として、後述する本開示の一実施形態に係る受光装置を用いる。
本実施形態に係る測距装置１の具体的な構成を図２Ａ及び図２Ｂに示す。光源２０は、例えば、レーザドライバ２１、レーザ光源２２、及び、拡散レンズ２３を有し、被写体１０に対してレーザ光を照射する。レーザドライバ２１は、制御部４０による制御の下に、レーザ光源２２を駆動する。レーザ光源２２は、例えば半導体レーザから成り、レーザドライバ２１によって駆動されることによりレーザ光を出射する。拡散レンズ２３は、レーザ光源２２から出射されたレーザ光を拡散し、被写体１０に対して照射する。
受光装置３０は、受光レンズ３１、光センサ３２、及び、論理回路３３を有し、レーザ照射部２０による照射レーザ光が被写体１０で反射されて戻ってくる反射レーザ光を受光する。受光レンズ３１は、被写体１０からの反射レーザ光を光センサ３２の受光面上に集光する。光センサ３２は、受光レンズ３１を経た被写体１０からの反射レーザ光を画素単位で受光し、光電変換する。
光センサ３２の出力信号は、論理回路３３を経由して制御部４０へ供給される。光センサ３２の詳細については後述する。制御部４０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理ユニット）等によって構成され、光源２０及び受光装置３０を制御するとともに、光源２０から被写体１０に向けて照射したレーザ光が、当該被写体１０で反射されて戻ってくるまでの時間ｔの計測を行う。この時間ｔを基に、被写体１０までの距離Ｌを求めることができる。時間計測の方法としては、光源２０からパルス光を照射したタイミングでタイマをスタートさせ、受光装置３０が当該パルス光を受光したタイミングでタイマをストップし、時間ｔを計測する。時間計測のその他の方法として、光源２０から所定の周期でパルス光を照射し、受光装置３０が当該パルス光を受光した際の周期を検出し、発光の周期と受光の周期との位相差から時間ｔを計測してもよい。時間計測は複数回実行され、複数回計測された時間を積み上げたヒストグラムのピークを検出することで時間ｔを計測する。
光センサ３２としては、受光部を含む画素が２次元アレイ状に配置されて成る２次元アレイセンサ（所謂、エリアセンサ）を用いることもできるし、受光部を含む画素が直線状に配置されて成る１次元アレイセンサ（所謂、ラインセンサ）を用いることもできる。
そして、本実施形態では、光センサ３２として、画素の受光部が、光子の受光に応じて信号を発生する素子、例えば、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode：単一光子アバランシェダイオード）素子から成るセンサを用いている。すなわち、本実施形態に係る受光装置３０は、画素の受光部がＳＰＡＤ素子から成る構成となっている。尚、受光部はＳＰＡＤ素子に限定されず、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）やＣＡＰＤ(Current Assisted Photonic Demodulator)等の種々の素子であってもよい。
［ＳＰＡＤ素子を用いた受光装置の基本回路］
ＳＰＡＤ素子を用いた受光装置３０の基本的な画素回路の第１例を図３Ａに示し、第２例を図３Ｂに示す。ここでは、１画素分の基本構成を図示している。
第１例に係る画素回路５０では、ＳＰＡＤ素子５１は、カソード電極が、負荷である抵抗素子Ｒを介して、電源電圧ＶDDが与えられる端子５２に接続され、アノード電極が、アノード電圧Ｖbdが与えられる端子５３に接続されている。アノード電圧Ｖbdとしては、アバランシェ増倍が発生する大きな負電圧が印加される。アノード電極とグランドとの間には容量素子Ｃが接続されている。そして、ＳＰＡＤ素子５１のカソード電圧ＶCAが、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱnが直列接続されて成るＣＭＯＳインバータ５４を介してＳＰＡＤ出力（画素出力）として導出される。
ＳＰＡＤ素子５１には、ブレークダウン電圧ＶBD以上の電圧が印加される。ブレークダウン電圧ＶBD以上の過剰電圧は、エクセスバイアス電圧ＶEXと呼ばれ、２－５Ｖ程度の電圧が一般的である。ＳＰＡＤ素子５１は、ＤＣ的な安定点が無いガイガーモードと呼ばれる領域で動作する。ＳＰＡＤ素子５１のＰＮ接合のＩ（電流）－Ｖ（電圧）特性を図４Ａに示す。
第２例に係る画素回路５０は、第１例に係る画素回路５０における負荷を、抵抗素子ＲからＰ型ＭＯＳトランジスタＱLに置き換えただけの違いであり、それ以外の回路構成は基本的に同じである。
続いて、上記の構成の画素回路５０の回路動作について、図４Ｂの波形図を用いて説明する。
ＳＰＡＤ素子５１に電流が流れていない状態では、ＳＰＡＤ素子５１には、ＶDD－Ｖbdの電圧が印加されている。この電圧値（ＶDD－Ｖbd）は、（ＶBD＋ＶEX）である。そして、ＳＰＡＤ素子５１のＰＮ接合部で暗電子の発生レートＤＣＲ（Dark Count Rate）や光照射によって発生した電子がアバランシェ増倍を生じ、アバランシェ電流が発生する。この現象は、遮光されている状態（即ち、光が入射していない状態）でも確率的に発生している。これが暗電子の発生レートＤＣＲである。
カソード電圧ＶCAが低下し、ＳＰＡＤ素子５１の端子間の電圧がＰＮダイオードのフレークダウン電圧ＶBDになると、アバランシェ電流が停止する。そして、アバランシェ増倍で発生し、蓄積された電子が、負荷の抵抗素子Ｒ（又は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＱL）によって放電し、カソード電圧ＶCAが電源電圧ＶDDまで回復し、再び初期状態に戻る。この動作が、所謂、クエンチング動作である。
ＳＰＡＤ素子５１に光が入射して１個でも電子－正孔対が発生すると、それが種となってアバランシェ電流が発生するので、光子１個の入射でも、ある確率ＰＤＥ（Photon Detection Efficiency）で検出することができる。この光子を検出できる確率ＰＤＥは、通常、数％～２０％程度のものが多い。
以上の動作が繰り返される。そして、この一連の動作において、カソード電圧ＶCAが、ＣＭＯＳインバータ５４で波形整形され、１フォトンの到来時刻を開始点とするパルス幅Ｔのパルス信号がＳＰＡＤ出力（画素出力）となる。
上述したように、ＳＰＡＤ素子５１は、単一光子の入射を、ある確率ＰＤＥで検出できる高性能な光センサである。しかし、一度光子の検出を行うと、数ｎｓ～数十ｎｓの間、光子に反応できない時間、即ち、デッドタイムＤＴ（Dead Time）が存在する。そのため、高光量条件になって光子の検出頻度が高くなり、デッドタイムＤＴのトータル時間が観測時間に対して無視できない大きさになると、光検出精度が低下する。
［光子に反応できないデッドタイムＤＴ］
ここで、ＳＰＡＤ素子５１の光子に反応できないデッドタイムＤＴについて、図５の波形図を用いてより具体的に説明する。上述したように、ＳＰＡＤ素子５１には、カソード電圧ＶCAが電源電圧ＶDDまで回復する時間に起因して、光入射があっても反応できないデッドタイムＤＴが存在する。例えば、領域ａでは、アバランシェ増倍が２回発生し、これに伴ってＳＰＡＤ出力として２つのパルス信号が生成されるが、領域ｂでは、アバランシェ増倍が２回発生しているが、パルス信号の生成は１つである。
理論的には、ＳＰＡＤ素子５１が一応反応してからカソード電圧ＶCAが、次段のＣＭＯＳインバータ５４の閾値電圧以上の電圧になるまでに発生した光入射に対しては、ＳＰＡＤ素子５１はＳＰＡＤ出力を生成しない。つまり、この期間がデッドタイムＤＴであり、パルス幅Ｔがその限界値となる。
図５の場合を、ＳＰＡＤ素子５１に対する照射光量が相対的に少ない場合とすると、照射光量が相対的に多く、光の反応数が多い場合は、図６に示すように、領域ｃや領域ｄでは、実際のＳＰＡＤ素子５１の反応回数は多くなるが、デッドタイムＤＴの影響によるパルス信号のカウントの取りこぼしの影響が大きくなる。この現象は、デッドタイムＤＴが大きく、光子を検出できる確率ＰＤＥの高い条件でより顕著になる。
より詳細な論理式を次式に示す。次式において、ｍはパルス信号のカウント値、ｎは入射光量に対する理想応答回数、ｔdeadはデッドタイムＤＴの時間である。
ｍ＝ｎ・exp（－ｎ・ｔdead）
デッドタイムＤＴの時間ｔdeadが長く、入射光量に対する理想応答回数ｎが多いほど、理論式との乖離が大きくなる。
ＳＰＡＤ素子５１の理想特性は、入射光量に対してパルス信号のカウント値ｍがリニアに変化することである。しかし、デッドタイムＤＴの大きなサンプル程、図７Ａに示すように、より弱い入射光で飽和してしまう傾向がある。この傾向は、図７Ｂに示すように、光子を検出できる確率ＰＤＥの高いＳＰＡＤほど（即ち、感度の高いＳＰＡＤほど）、起こり易いという問題がある。すなわち、図７Ｂの特性は、感度の高いＳＰＡＤほど早く飽和し易いことを表している。
ところで、ＳＰＡＤ素子５１を光センサ３２として用いる受光装置３０を有する測距装置１については、後述するように、自動車などの移動体に搭載して用いることができる。例えば、自動車の自動運転では、規制によって最大光量に制限のあるレーザ光の照射によって３００ｍ先の障害物を検出できる必要がある。そのため、ＳＰＡＤ素子５１の感度は高い必要がある。その一方で、朝日や強力な反射光などの条件下でも、ＳＰＡＤ素子５１は正常に動作する必要があり、図７Ａ及び図７Ｂに示す顧客要求最大光量以下で飽和してはいけない。そのため、ＳＰＡＤ素子５１を光センサ３２として用いる受光装置３０には、高ダイナミックレンジでの動作、即ち、弱い入射光にも反応でき、且つ、強い入射光で飽和しない動作が求められる。
＜実施形態に係る受光装置＞
そこで、本実施形態では、ダイナミックレンジの拡大を図るために、ＳＰＡＤ素子５１をそれぞれ含む複数の画素を有する画素アレイ部を備える受光装置３０において、画素アレイ部について、第１感度の画素（所謂、高感度画素）、及び、第１感度の画素よりも感度が低い第２感度の画素（所謂、低感度画素）を有する構成とする。これにより、弱い入射光に対して高感度画素が反応し、且つ、強い入射光に対して低感度画素が反応することになるため、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
高感度画素の感度（即ち、第１感度）については、所定の光強度よりも弱い入射光（所定の量よりも少ない光子）を検出できる感度とすることができる。また、低感度画素の感度（即ち、第２感度）については、所定の光量以下、具体的には、図７Ａ及び図７Ｂに示す顧客要求最大光量以下で飽和しない感度であることが好ましい。
ここでは、画素の感度について、第１の感度及び第２の感度の２段階に設定する場合を例に挙げているが、２段階の感度の設定に限られるものではなく、第１の感度及び第２の感度の一方あるいは両方を更に細分化し、３段階以上の感度の設定としてもよい。
以下に、ダイナミックレンジの拡大を図るための本実施形態の具体的な実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１は、画素アレイ部内の画素のサイズを変えることによってダイナミックレンジの拡大を図る例である。実施例１に係る画素アレイ部の構成の概略を図８に示す。
実施例１では、画素が行列状に２次元配置されて成る画素アレイ部６０において、当該画素アレイ部６０内に、画素サイズが相対的に大きい第１の画素６１と、第１の画素６１よりも画素サイズが小さい第２の画素６２とを設けた構成となっている。
尚、ここでは、第１の画素６１と、当該第１の画素６１と同サイズの領域に配置された４個の第２の画素６２とを格子状に並べた画素配置を例示したが、当該画素配置に限られるものではなく、要は、画素アレイ部６０内に第１の画素６１と第２の画素６２とが混在する画素配置であればよい。
第１の画素６１と第２の画素６２との画素サイズが異なるということは、第１の画素６１と第２の画素６２との受光面積が異なるということである。具体的には、図８から明らかなように、第１の画素６１は、第２の画素６２よりも受光面積が広く、従って、第１の画素６１は、第２の画素６２よりも高感度の画素である。
上述したように、実施例１に係る受光装置３０は、画素アレイ部６０内に、画素サイズ（受光面積）が相対的に大きい第１の画素６１と、画素サイズ（受光面積）が相対的に小さい第２の画素６２とを有する。これにより、第１の画素６１によって低い入射光量の条件下でも光子を確実に検出できるし、第２の画素６２によって高い入射光量の条件下でも飽和しないで検出動作を行うことができる。その結果、受光装置３０のダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
（実施例１の応用例）
実施例１については、以下の応用例とすることができる。
・応用例１
第１の画素６１及び第２の画素６２の各出力に対して、画素サイズに応じた重み付けを行い、その和を求めて光量判定を行うようすることができる。自動車などの移動体に搭載される測距装置、例えばＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）装置では、レーザ光が物体で反射して戻ってくるまでの時間を観測して、物体までの距離を計算する機能の他に、反射光の光量を把握して物体を認識する機能（例えば、道路の白線を認識する機能など）がある。このような機能では、反射光の光量の判定が必要になるため、その判定結果を用いて、第１の画素６１及び第２の画素６２の各出力に対して、画素サイズ（受光面積）によって重み付けを行い、その和で反射光の光量を判定するようにすることができる。
．応用例２
外乱光の大きさ（光量）によって、どちらかの画素サイズの画素のみ（第１の画素６１／第２の画素６２）を動作させるようにすることができる。自動車などの移動体に搭載される測距装置、例えばＬＩＤＡＲ装置では、レーザ光の発光を行う前に、非発光の状態で外乱光がどの程度あるのかを判定する準備モードがある。この準備モードでの判定結果を用いて、外乱光の大きさによって、画素サイズの大きい第１の画素６１、及び、画素サイズの小さい第２の画素６２のどちらを使用するか決めるようにすることができる。
・応用例３
画素サイズが相対的に大きい第１の画素６１、及び、画素サイズが相対的に小さい第２の画素６２を時系列で使い分けるようにすることができる。例えば、画素サイズの大きい第１の画素６１、及び、画素サイズの小さい第２の画素６２を交互に動作させたり、前回の評価結果に基づいて、画素サイズの大きい第１の画素６１、及び、画素サイズの小さい第２の画素６２のどちらを使用するか決めて使用するようにしたりすることができる。
［実施例２］
実施例２は、画素の受光部の半導体層の厚みを変えることによってダイナミックレンジの拡大を図る例である。実施例２に係る画素アレイ部の構成の概略を図９Ａに示し、受光部の断面構造を図９Ｂに示す。
図９Ｂに示すように、半導体基板、例えばｐ-基板７１内に、半導体層であるｎ-ウェル７２と、ｐ+拡散層７３の底面との間のｐｎ接合によってアバランシェ増倍を発生させるＳＰＡＤ素子が構成されている。ｐ+拡散層７３の周辺部には、ｐ-ウェル７４によってガードリングが形成されている。これにより、ブレークダウン電圧ＶBDよりも低い電圧でのソフトなブレークダウンが生じないようにしている。
上記の構造の受光部において、半導体層であるｎ-ウェル７２の厚みｔが厚いＳＰＡＤ素子ほど、光入射時に電子－正孔対が発生し易いので、光子を検出できる確率ＰＤＥが高く、感度が高くなる。そこで、実施例２では、ＳＰＡＤ素子のｎ-ウェル７２の厚みｔを変えることにより、図９Ａに示すように、画素アレイ部６０内に、感度が相対的に高い第１の画素６３と、感度が相対的に低い第２の画素６４とを設けた構成となっている。
尚、ここでは、高感度画素である第１の画素６３と、低感度画素である第２の画素６４とを格子状に並べた画素配置を例示したが、当該画素配置に限られるものではなく、要は、画素アレイ部６０内に第１の画素６３と第２の画素６４とが混在する画素配置であればよい。
画素アレイ部６０内に、高感度画素と低感度画素とを混在させるに当たって、実施例２では、高感度画素である第１の画素６３について、低感度画素である第２の画素６４よりもＳＰＡＤ素子のｎ-ウェル７２の厚みｔを厚くする構成を採っている。
上述したように、実施例２に係る受光装置３０は、画素アレイ部６０内に、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に厚い第１の画素６３と、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に薄い第２の画素６４とを有する。これにより、第１の画素６３によって低い入射光量の条件下でも光子を確実に検出できるし、第２の画素６４によって高い入射光量の条件下でも飽和しないで検出動作を行うことができる。その結果、受光装置３０のダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
（実施例２の応用例）
実施例２については、実施例１との組み合わせで用いることもできる。すなわち、画素アレイ部６０内に、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に厚い第１の画素６３、及び、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に薄い第２の画素６４に加えて、画素サイズが相対的に大きい第１の画素６１、及び、画素サイズが相対的に小さい第２の画素６２を有する受光装置３０とすることもできる。
また、実施例２についても、実施例１の応用例１乃至応用例３と同様の応用例を挙げることができる。
・応用例１
第１の画素６３及び第２の画素６４の各出力に対して、ｎ-ウェル７２の厚みｔに応じた重み付けを行い、その和を求めて光量判定を行うようすることができる。具体例については、実施例１の応用例１と同じである。
．応用例２
外乱光の大きさ（光量）によって、どちらかのｎ-ウェル７２の厚みｔの画素のみ（第１の画素６３／第２の画素６４）を動作させるようにすることができる。具体例については、実施例１の応用例２と同じである。
・応用例３
ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に厚い第１の画素６３、及び、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に薄い第２の画素６４を時系列で使い分けるようにすることができる。具体例については、実施例１の応用例３と同じである。
［実施例３］
実施例３は、画素の受光部、即ち、ＳＰＡＤ素子のエクセスバイアス電圧ＶEXを変えることによってダイナミックレンジの拡大を図る例である。エクセスバイアス電圧ＶEXは、ＳＰＡＤ素子に印加するブレークダウン電圧ＶBD以上の過剰電圧である。実施例３に係る画素アレイ部の構成の概略を図１０Ａに示し、エクセスバイアス電圧ＶEXと、感度の指標となる確率ＰＤＥとの関係を図１０Ｂに示す。
図１０Ｂから明らかなように、エクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値を小さくすると、光子を検出できる確率ＰＤＥ、即ちＳＰＡＤ素子の感度を落とすことができるため、高光量の条件下での光飽和が起こりにくくなる。また、エクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値を小さくすると、図１１に示すように、ＳＰＡＤ出力のパルス幅、即ち、光子に反応できないデッドタイムＤＴを短くすることができるため、前述の理論式から、高光量の条件下での光飽和特性を改善することができる。
エクセスバイアス電圧ＶEX、光子を検出できる確率ＰＤＥ、及び、光子に反応できないデッドタイムＤＴと、ＳＰＡＤ素子の特性との間には、次のような関係がある。すなわち、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に高い、確率ＰＤＥが相対的に高い、及び、デッドタイムＤＴが相対的に長いＳＰＡＤ素子は、感度が相対的に高いものの、相対的に飽和し易い。エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に低い、確率ＰＤＥが相対的に低い、及び、デッドタイムＤＴが相対的に短いＳＰＡＤ素子は、感度が相対的に低いものの、相対的に飽和しにくい。
このように、ＳＰＡＤ素子にあっては、当該ＳＰＡＤ素子に印加するエクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値によってＳＰＡＤ素子の感度を調整することができる。エクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値は、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、端子５３に与えるアノード電圧Ｖbdの電圧値によって変えることができる。アノード電圧Ｖbdの電圧値は、画素アレイ部内の画素間で共通の固定値に設定されることが一般的である。
そこで、実施例３では、ＳＰＡＤ素子に印加するエクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値を変えることにより、図１０Ａに示すように、画素アレイ部６０内に、感度が相対的に高い第１の画素６５と、感度が相対的に低い第２の画素６６とを設けた構成となっている。
尚、ここでは、高感度画素である第１の画素６５と、低感度画素である第２の画素６６とを格子状に並べた画素配置を例示したが、当該画素配置に限られるものではなく、要は、画素アレイ部６０内に第１の画素６５と第２の画素６６とが混在する画素配置であればよい。また、エクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値は、第１の画素６５と第２の画素６６との２段階での設定に限定されず、３段階以上に設定されてもよい。すなわち、高感度画素、中感度画素、低感度画素が混在する画素配置であってもよい。
上述したように、実施例３に係る受光装置３０は、画素アレイ部６０内に、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に高い第１の画素６５と、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に低い第２の画素６６とを有する。これにより、第１の画素６５によって低い入射光量の条件下でも光子を確実に検出できるし、第２の画素６６によって高い入射光量の条件下でも飽和しないで検出動作を行うことができる。その結果、受光装置３０のダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
（実施例３の応用例）
実施例３については、実施例１との組み合わせ、実施例２との組み合わせ、あるいは、実施例１及び実施例２との組み合わせで用いることもできる。すなわち、画素アレイ部６０内に、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に高い第１の画素６５、及び、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に低い第２の画素６６に加えて、画素サイズが相対的に大きい第１の画素６１、及び、画素サイズが相対的に小さい第２の画素６２を有する受光装置３０とすることもできる。
また、画素アレイ部６０内に、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に高い第１の画素６５、及び、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に低い第２の画素６６に加えて、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に厚い第１の画素６３、及び、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に薄い第２の画素６４を有する受光装置３０とすることもできる。
あるいは、画素アレイ部６０内に、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に高い第１の画素６５、及び、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に低い第２の画素６６に加えて、画素サイズが相対的に大きい第１の画素６１、及び、画素サイズが相対的に小さい第２の画素６２、並びに、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に厚い第１の画素６３、及び、ｎ-ウェル７２の厚みｔが相対的に薄い第２の画素６４を有する受光装置３０とすることもできる。
また、実施例３についても、実施例１の応用例１乃至応用例３と同様の応用例を挙げることができる。
・応用例１
第１の画素６５及び第２の画素６６の各出力に対して、エクセスバイアス電圧ＶEXに応じた重み付けを行い、その和を求めて光量判定を行うようすることができる。具体例については、実施例１の応用例１と同じである。
．応用例２
外乱光の大きさ（光量）によって、どちらかのエクセスバイアス電圧ＶEXの画素のみ（第１の画素６５／第２の画素６６）を動作させるようにすることができる。具体例については、実施例１の応用例２と同じである。
・応用例３
エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に高い第１の画素６５、及び、エクセスバイアス電圧ＶEXが相対的に低い第２の画素６６を時系列で使い分けるようにすることができる。具体例については、実施例１の応用例３と同じである。
［実施例４］
実施例４は、実施例３の変形例であり、外乱光の大きさ（光量）に応じてエクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値の大きさを調整する例である。実施例４に係る受光装置の構成の概略を図１２に示す。
実施例４では、実施例３の場合と同様に、ＳＰＡＤ素子のエクセスバイアス電圧ＶEXを変えることによってダイナミックレンジの拡大を図るとともに、外乱光の大きさ（光量）に応じてエクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値の大きさを調整するようにする。そのために、実施例４に係る受光装置は、画素回路５０の端子５３に印加するアノード電圧Ｖbdを設定するアノード電圧設定部７１、及び、外乱光の大きさ（光量）を検出する外乱光検出部７２を備えている。
アノード電圧設定部７１は、外乱光検出部７２が検出した外乱光の大きさに応じて、連続的に、あるいは、段階的に、アノード電圧Ｖbdの電圧値を設定する。これにより、エクセスバイアス電圧ＶEXの電圧値の大きさが、外乱光の大きさに応じて、連続的に、あるいは、段階的に調整される。その結果、画素のサイズ（受光面積）や、受光部の半導体層の厚みを変えたりしなくても、画素の感度を変えることができ、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
外乱光検出部７２としては、周知の光センサを用いることができる。あるいは、ＬＩＤＡＲ装置では、レーザ光の発光を行う前に、非発光の状態で外乱光がどの程度あるのかを判定する準備モードがある。従って、自動車などの移動体に搭載する測距装置の受光装置として、実施例４に係る受光装置を用いる場合には、準備モードで判定される外乱光の大きさを、アノード電圧設定部７１の入力として用いるようにすることができる。
尚、実施例４に係る受光装置の画素回路５０として、図３Ａに示す画素回路を用いる場合を例に挙げて説明したが、図３Ｂに示す画素回路を用いる場合も同じである。
＜本開示に係る技術の適用例＞
本開示に係る技術は、様々な製品に適用することができる。以下に、より具体的な適用例について説明する。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット、建設機械、農業機械（トラクター）などのいずれかの種類の移動体に搭載される測距装置として実現されてもよい。
［移動体］
図１３は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システム７０００の概略的な構成例を示すブロック図である。車両制御システム７０００は、通信ネットワーク７０１０を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図１３に示した例では、車両制御システム７０００は、駆動系制御ユニット７１００、ボディ系制御ユニット７２００、バッテリ制御ユニット７３００、車外情報検出ユニット７４００、車内情報検出ユニット７５００、及び統合制御ユニット７６００を備える。これらの複数の制御ユニットを接続する通信ネットワーク７０１０は、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）、ＬＡＮ（Local Area Network）又はＦｌｅｘＲａｙ（登録商標）等の任意の規格に準拠した車載通信ネットワークであってよい。
各制御ユニットは、各種プログラムにしたがって演算処理を行うマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータにより実行されるプログラム又は各種演算に用いられるパラメータ等を記憶する記憶部と、各種制御対象の装置を駆動する駆動回路とを備える。各制御ユニットは、通信ネットワーク７０１０を介して他の制御ユニットとの間で通信を行うためのネットワークＩ／Ｆを備えるとともに、車内外の装置又はセンサ等との間で、有線通信又は無線通信により通信を行うための通信Ｉ／Ｆを備える。図１３では、統合制御ユニット７６００の機能構成として、マイクロコンピュータ７６１０、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０、音声画像出力部７６７０、車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０及び記憶部７６９０が図示されている。他の制御ユニットも同様に、マイクロコンピュータ、通信Ｉ／Ｆ及び記憶部等を備える。
駆動系制御ユニット７１００は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット７１００は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。駆動系制御ユニット７１００は、ＡＢＳ（Antilock Brake System）又はＥＳＣ（Electronic Stability Control）等の制御装置としての機能を有してもよい。
駆動系制御ユニット７１００には、車両状態検出部７１１０が接続される。車両状態検出部７１１０には、例えば、車体の軸回転運動の角速度を検出するジャイロセンサ、車両の加速度を検出する加速度センサ、あるいは、アクセルペダルの操作量、ブレーキペダルの操作量、ステアリングホイールの操舵角、エンジン回転数又は車輪の回転速度等を検出するためのセンサのうちの少なくとも一つが含まれる。駆動系制御ユニット７１００は、車両状態検出部７１１０から入力される信号を用いて演算処理を行い、内燃機関、駆動用モータ、電動パワーステアリング装置又はブレーキ装置等を制御する。
ボディ系制御ユニット７２００は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット７２００は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット７２００には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット７２００は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
バッテリ制御ユニット７３００は、各種プログラムにしたがって駆動用モータの電力供給源である二次電池７３１０を制御する。例えば、バッテリ制御ユニット７３００には、二次電池７３１０を備えたバッテリ装置から、バッテリ温度、バッテリ出力電圧又はバッテリの残存容量等の情報が入力される。バッテリ制御ユニット７３００は、これらの信号を用いて演算処理を行い、二次電池７３１０の温度調節制御又はバッテリ装置に備えられた冷却装置等の制御を行う。
車外情報検出ユニット７４００は、車両制御システム７０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット７４００には、撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０のうちの少なくとも一方が接続される。撮像部７４１０には、ＴｏＦ（Time Of Flight）カメラ、ステレオカメラ、単眼カメラ、赤外線カメラ及びその他のカメラのうちの少なくとも一つが含まれる。車外情報検出部７４２０には、例えば、現在の天候又は気象を検出するための環境センサ、あるいは、車両制御システム７０００を搭載した車両の周囲の他の車両、障害物又は歩行者等を検出するための周囲情報検出センサのうちの少なくとも一つが含まれる。
環境センサは、例えば、雨天を検出する雨滴センサ、霧を検出する霧センサ、日照度合いを検出する日照センサ、及び降雪を検出する雪センサのうちの少なくとも一つであってよい。周囲情報検出センサは、超音波センサ、レーダ装置及びＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）装置のうちの少なくとも一つであってよい。これらの撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０は、それぞれ独立したセンサないし装置として備えられてもよいし、複数のセンサないし装置が統合された装置として備えられてもよい。
ここで、図１４は、撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０の設置位置の例を示す。撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６，７９１８は、例えば、車両７９００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部のうちの少なくとも一つの位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部７９１０及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部７９１８は、主として車両７９００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部７９１２，７９１４は、主として車両７９００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部７９１６は、主として車両７９００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部７９１８は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
尚、図１４には、それぞれの撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲ａは、フロントノーズに設けられた撮像部７９１０の撮像範囲を示し、撮像範囲ｂ，ｃは、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部７９１２，７９１４の撮像範囲を示し、撮像範囲ｄは、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部７９１６の撮像範囲を示す。例えば、撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両７９００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
車両７９００のフロント、リア、サイド、コーナ及び車室内のフロントガラスの上部に設けられる車外情報検出部７９２０，７９２２，７９２４，７９２６，７９２８，７９３０は、例えば超音波センサ又はレーダ装置であってよい。車両７９００のフロントノーズ、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部に設けられる車外情報検出部７９２０，７９２６，７９３０は、例えばＬＩＤＡＲ装置であってよい。これらの車外情報検出部７９２０～７９３０は、主として先行車両、歩行者又は障害物等の検出に用いられる。
図１３に戻って説明を続ける。車外情報検出ユニット７４００は、撮像部７４１０に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像データを受信する。また、車外情報検出ユニット７４００は、接続されている車外情報検出部７４２０から検出情報を受信する。車外情報検出部７４２０が超音波センサ、レーダ装置又はＬＩＤＡＲ装置である場合には、車外情報検出ユニット７４００は、超音波又は電磁波等を発信させるとともに、受信された反射波の情報を受信する。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、降雨、霧又は路面状況等を認識する環境認識処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、車外の物体までの距離を算出してもよい。
また、車外情報検出ユニット７４００は、受信した画像データに基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等を認識する画像認識処理又は距離検出処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した画像データに対して歪補正又は位置合わせ等の処理を行うとともに、異なる撮像部７４１０により撮像された画像データを合成して、俯瞰画像又はパノラマ画像を生成してもよい。車外情報検出ユニット７４００は、異なる撮像部７４１０により撮像された画像データを用いて、視点変換処理を行ってもよい。
車内情報検出ユニット７５００は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット７５００には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部７５１０が接続される。運転者状態検出部７５１０は、運転者を撮像するカメラ、運転者の生体情報を検出する生体センサ又は車室内の音声を集音するマイク等を含んでもよい。生体センサは、例えば、座面又はステアリングホイール等に設けられ、座席に座った搭乗者又はステアリングホイールを握る運転者の生体情報を検出する。車内情報検出ユニット７５００は、運転者状態検出部７５１０から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。車内情報検出ユニット７５００は、集音された音声信号に対してノイズキャンセリング処理等の処理を行ってもよい。
統合制御ユニット７６００は、各種プログラムにしたがって車両制御システム７０００内の動作全般を制御する。統合制御ユニット７６００には、入力部７８００が接続されている。入力部７８００は、例えば、タッチパネル、ボタン、マイクロフォン、スイッチ又はレバー等、搭乗者によって入力操作され得る装置によって実現される。統合制御ユニット７６００には、マイクロフォンにより入力される音声を音声認識することにより得たデータが入力されてもよい。入力部７８００は、例えば、赤外線又はその他の電波を利用したリモートコントロール装置であってもよいし、車両制御システム７０００の操作に対応した携帯電話又はＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の外部接続機器であってもよい。入力部７８００は、例えばカメラであってもよく、その場合搭乗者はジェスチャにより情報を入力することができる。あるいは、搭乗者が装着したウェアラブル装置の動きを検出することで得られたデータが入力されてもよい。さらに、入力部７８００は、例えば、上記の入力部７８００を用いて搭乗者等により入力された情報に基づいて入力信号を生成し、統合制御ユニット７６００に出力する入力制御回路などを含んでもよい。搭乗者等は、この入力部７８００を操作することにより、車両制御システム７０００に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりする。
記憶部７６９０は、マイクロコンピュータにより実行される各種プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、及び各種パラメータ、演算結果又はセンサ値等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでいてもよい。また、記憶部７６９０は、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス又は光磁気記憶デバイス等によって実現してもよい。
汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、外部環境７７５０に存在する様々な機器との間の通信を仲介する汎用的な通信Ｉ／Ｆである。汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、ＧＳＭ（登録商標）（Global System of Mobile communications）、ＷｉＭＡＸ、ＬＴＥ（Long Term Evolution）若しくはＬＴＥ－Ａ（LTE－Advanced）などのセルラー通信プロトコル、又は無線ＬＡＮ（Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）ともいう）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などのその他の無線通信プロトコルを実装してよい。汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、例えば、基地局又はアクセスポイントを介して、外部ネットワーク（例えば、インターネット、クラウドネットワーク又は事業者固有のネットワーク）上に存在する機器（例えば、アプリケーションサーバ又は制御サーバ）へ接続してもよい。また、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、例えばＰ２Ｐ（Peer To Peer）技術を用いて、車両の近傍に存在する端末（例えば、運転者、歩行者若しくは店舗の端末、又はＭＴＣ（Machine Type Communication）端末）と接続してもよい。
専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、車両における使用を目的として策定された通信プロトコルをサポートする通信Ｉ／Ｆである。専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、例えば、下位レイヤのＩＥＥＥ８０２．１１ｐと上位レイヤのＩＥＥＥ１６０９との組合せであるＷＡＶＥ（Wireless Access in Vehicle Environment）、ＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communications）、又はセルラー通信プロトコルといった標準プロトコルを実装してよい。専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、典型的には、車車間（Vehicle to Vehicle）通信、路車間（Vehicle to Infrastructure）通信、車両と家との間（Vehicle to Home）の通信及び歩車間（Vehicle to Pedestrian）通信のうちの１つ以上を含む概念であるＶ２Ｘ通信を遂行する。
測位部７６４０は、例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）衛星からのＧＮＳＳ信号（例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からのＧＰＳ信号）を受信して測位を実行し、車両の緯度、経度及び高度を含む位置情報を生成する。尚、測位部７６４０は、無線アクセスポイントとの信号の交換により現在位置を特定してもよく、又は測位機能を有する携帯電話、ＰＨＳ若しくはスマートフォンといった端末から位置情報を取得してもよい。
ビーコン受信部７６５０は、例えば、道路上に設置された無線局等から発信される電波あるいは電磁波を受信し、現在位置、渋滞、通行止め又は所要時間等の情報を取得する。尚、ビーコン受信部７６５０の機能は、上述した専用通信Ｉ／Ｆ７６３０に含まれてもよい。
車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、マイクロコンピュータ７６１０と車内に存在する様々な車内機器７７６０との間の接続を仲介する通信インタフェースである。車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＮＦＣ（Near Field Communication）又はＷＵＳＢ（Wireless USB）といった無線通信プロトコルを用いて無線接続を確立してもよい。また、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、図示しない接続端子（及び、必要であればケーブル）を介して、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＨＤＭＩ（登録商標）（High-Definition Multimedia Interface）、又はＭＨＬ（Mobile High-definition Link）等の有線接続を確立してもよい。車内機器７７６０は、例えば、搭乗者が有するモバイル機器若しくはウェアラブル機器、又は車両に搬入され若しくは取り付けられる情報機器のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。また、車内機器７７６０は、任意の目的地までの経路探索を行うナビゲーション装置を含んでいてもよい。車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、これらの車内機器７７６０との間で、制御信号又はデータ信号を交換する。
車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０は、マイクロコンピュータ７６１０と通信ネットワーク７０１０との間の通信を仲介するインタフェースである。車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０は、通信ネットワーク７０１０によりサポートされる所定のプロトコルに則して、信号等を送受信する。
統合制御ユニット７６００のマイクロコンピュータ７６１０は、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０及び車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０のうちの少なくとも一つを介して取得される情報に基づき、各種プログラムにしたがって、車両制御システム７０００を制御する。例えば、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット７１００に対して制御指令を出力してもよい。例えば、マイクロコンピュータ７６１０は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System）の機能実現を目的とした協調制御を行ってもよい。また、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行ってもよい。
マイクロコンピュータ７６１０は、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０及び車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０のうちの少なくとも一つを介して取得される情報に基づき、車両と周辺の構造物や人物等の物体との間の３次元距離情報を生成し、車両の現在位置の周辺情報を含むローカル地図情報を作成してもよい。また、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される情報に基づき、車両の衝突、歩行者等の近接又は通行止めの道路への進入等の危険を予測し、警告用信号を生成してもよい。警告用信号は、例えば、警告音を発生させたり、警告ランプを点灯させたりするための信号であってよい。
音声画像出力部７６７０は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図１３の例では、出力装置として、オーディオスピーカ７７１０、表示部７７２０及びインストルメントパネル７７３０が例示されている。表示部７７２０は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。表示部７７２０は、ＡＲ（Augmented Reality）表示機能を有していてもよい。出力装置は、これらの装置以外の、ヘッドホン、搭乗者が装着する眼鏡型ディスプレイ等のウェアラブルデバイス、プロジェクタ又はランプ等の他の装置であってもよい。出力装置が表示装置の場合、表示装置は、マイクロコンピュータ７６１０が行った各種処理により得られた結果又は他の制御ユニットから受信された情報を、テキスト、イメージ、表、グラフ等、様々な形式で視覚的に表示する。また、出力装置が音声出力装置の場合、音声出力装置は、再生された音声データ又は音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して聴覚的に出力する。
尚、図１３に示した例において、通信ネットワーク７０１０を介して接続された少なくとも二つの制御ユニットが一つの制御ユニットとして一体化されてもよい。あるいは、個々の制御ユニットが、複数の制御ユニットにより構成されてもよい。さらに、車両制御システム７０００が、図示されていない別の制御ユニットを備えてもよい。また、上記の説明において、いずれかの制御ユニットが担う機能の一部又は全部を、他の制御ユニットに持たせてもよい。つまり、通信ネットワーク７０１０を介して情報の送受信がされるようになっていれば、所定の演算処理が、いずれかの制御ユニットで行われるようになってもよい。同様に、いずれかの制御ユニットに接続されているセンサ又は装置が、他の制御ユニットに接続されるとともに、複数の制御ユニットが、通信ネットワーク７０１０を介して相互に検出情報を送受信してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６，７９１８や車外情報検出部７９２０，７９２２，７９２４，７９２６，７９２８，７９３０に適用され得る。そして、本開示に係る技術を適用することにより、受光装置のダイナミックレンジの拡大を図ることができ、弱い入射光にも反応でき、且つ、強い入射光で飽和しない動作を行うことができるため、例えば、撮像対象を高精度にて検出可能な車両制御システムを構築できる。
＜本開示がとることができる構成＞
本開示は、以下のような構成をとることもできる。
≪Ａ．受光装置≫
［Ａ－１］光子の受光に応じて信号を発生する受光部をそれぞれ含む複数の画素を有する画素アレイ部を備え、
画素アレイ部は、第１感度の画素、及び、第１感度の画素よりも感度が低い第２感度の画素を有する、
受光装置。
［Ａ－２］第１感度は、所定の光強度よりも弱い入射光を検出できる感度であり、
第２感度は、所定の光量以下で飽和しない感度である、
上記［Ａ－１］に記載の受光装置。
［Ａ－３］第１感度の画素は、第２感度の画素よりも受光面積が広い、
上記［Ａ－２］に記載の受光装置。
［Ａ－４］第１感度の画素は、第２感度の画素よりも受光部の半導体層の厚みが厚い、
上記［Ａ－２］に記載の受光装置。
［Ａ－５］第１感度の画素は、第２感度の画素よりもエクセスバイアス電圧の電圧値が高い、
上記［Ａ－２］に記載の受光装置。
［Ａ－６］エクセスバイアス電圧の電圧値は、受光部のアノード電極に印加するアノード電圧の電圧値によって設定される、
上記［Ａ－５］に記載の受光装置。
［Ａ－７］外乱光の大きさに応じて、アノード電圧の電圧値を設定する、
上記［Ａ－６］に記載の受光装置。
［Ａ－８］受光部は、単一光子アバランシェダイオードから成る、
上記［Ａ－１］乃至上記［Ａ－７］のいずれかに記載の受光装置。
≪Ｂ．測距装置≫
［Ｂ－１］測定対象物に対して光を照射する光源、及び、
測定対象物で反射された光を受光する受光装置を備え、
受光装置は、
光子の受光に応じて信号を発生する受光部をそれぞれ含む複数の画素を有する画素アレイ部を備え、
画素アレイ部は、第１感度の画素、及び、第１感度の画素よりも感度が低い第２感度の画素を有する、
測距装置。
［Ｂ－２］第１感度は、所定の光強度よりも弱い入射光を検出できる感度であり、
第２感度は、所定の光量以下で飽和しない感度である、
上記［Ｂ－１］に記載の測距装置。
［Ｂ－３］第１感度の画素は、第２感度の画素よりも受光面積が広い、
上記［Ｂ－２］に記載の測距装置。
［Ｂ－４］第１感度の画素は、第２感度の画素よりも受光部の半導体層の厚みが厚い、
上記［Ｂ－２］に記載の測距装置。
［Ｂ－５］第１感度の画素は、第２感度の画素よりもエクセスバイアス電圧の電圧値が高い、
上記［Ｂ－２］に記載の測距装置。
［Ｂ－６］エクセスバイアス電圧の電圧値は、受光部のアノード電極に印加するアノード電圧の電圧値によって設定される、
上記［Ｂ－５］に記載の測距装置。
［Ｂ－７］外乱光の大きさに応じて、アノード電圧の電圧値を設定する、
上記［Ｂ－６］に記載の測距装置。
［Ｂ－８］受光部は、単一光子アバランシェダイオードから成る、
上記［Ｂ－１］乃至上記［Ｂ－７］のいずれかに記載の測距装置。
１・・・測距装置、１０・・・被写体（測定対象物）、２０・・・光源、２１・・・レーザドライバ、２２・・・レーザ光源、２３・・・拡散レンズ、３０・・・受光装置、３１・・・受光レンズ、３２・・・光センサ、３３・・・回路部、４０・・・制御部、５０・・・画素回路、５１・・・ＳＰＡＤ素子、６０・・・画素アレイ部、６１，６３，６５・・・第１の画素（高感度画素）、６２，６４，６６・・・第２の画素（低感度画素）、７１・・・アノード電圧設定部、７２・・・外乱光検出部

Claims (11)

  1. 光子の検出に応じて信号を生成するように構成された単一の受光素子をそれぞれ含む複数の画素を有する画素アレイ部を備え、
    複数の画素は、第１の光子を検出する第１感度を有する第１の画素、第２の光子を検出する第２感度を有する第２の画素、第３の光子を検出する第３の感度を有する第３の画素、及び第４の光子を検出する第４の感度を有すると共に第ｎ行のうち第１の画素の列の隣の列に配置された第４の画素、を含み、
    第１の画素の受光面積は、第２の画素の受光面積および第３の画素の受光面積の各々よりも広く、
    第２の感度、第３の感度及び第４の感度の各々は第１の感度よりも低く、
    第１の画素、第２の画素、および第３の画素は、画素アレイ部の同じ列に配置され、
    第１の画素は第ｎ行目、第２の画素は第ｎ＋１行目、第３の画素は第ｎ－１行目に配置されている
    受光装置。
  2. 第１の画素の動作または第２の画素の動作は、周囲光の強度に応じて切り替わるように構成される
    請求項１に記載の受光装置。
  3. 第１の画素における受光素子の半導体層の厚さは、第２の画素における受光素子の半導体層の厚さよりも厚い
    請求項１に記載の受光装置。
  4. 少なくとも１つの電圧源をさらに備え、
    電圧源は、第１のエクセスバイアス電圧を第１の画素に供給すると共に第２のエクセスバイアス電圧を第２の画素に供給するように構成され、
    第１のエクセスバイアス電圧は第２のエクセスバイアス電圧よりも高い
    請求項１に記載の受光装置。
  5. 第１のエクセスバイアス電圧は、第１の画素内の受光素子のアノード電極に印加するアノード電圧によって設定される
    請求項４に記載の受光装置。
  6. 外乱光の強度を検出するように構成された外乱光検出部をさらに備え、
    アノード電圧は、外乱光の光量に応じて設定される
    請求項５に記載の受光装置。
  7. 受光素子は、単一光子アバランシェダイオードを含む
    請求項１に記載の受光装置。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の受光装置を備える車両制御システム。
  9. 測定対象物に対して光を照射する光源と、
    測定対象物によって反射された光を受信する受光装置と
    を備え、
    受光装置は、少なくとも１つの光子の受光に応じて信号を発生する単一の受光素子をそれぞれ含む複数の画素を有する画素アレイ部を備え、
    画素アレイ部は、第１の光子を検出する第１の感度を有する第１の画素、第２の光子を検出する第２感度を有する第２の画素、第３の光子を検出する第３の感度を有する第３の画素、及び第４の光子を検出する第４の感度を有すると共に第ｎ行のうち第１の画素の列の隣の列に配置された第４の画素、を含み、
    第１の画素の受光面積は、第２の画素の受光面積および第３の画素の受光面積の各々よりも広く、
    第２の感度、第３の感度及び第４の感度の各々は第１の感度よりも低く、
    第１の画素、第２の画素、および第３の画素は、画素アレイ部の同じ列に配置され、
    第１の画素は第ｎ行目、第２の画素は第ｎ＋１行目、第３の画素は第ｎ－１行目に配置されている
    測距装置。
  10. 第１の画素における受光素子の半導体層の厚さは、第２の画素における受光素子の半導体層の厚さよりも厚い
    請求項９に記載の測距装置。
  11. 少なくとも１つの電圧源をさらに備え、
    電圧源は、第１のエクセスバイアス電圧を第１の画素に供給すると共に第２のエクセスバイアス電圧を第２の画素に供給するように構成され、
    第１のエクセスバイアス電圧は第２のエクセスバイアス電圧よりも高い
    請求項９に記載の測距装置。
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