KR20210119972A - 수광 장치 및 측거 시스템 - Google Patents

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KR20210119972A
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야스노리 츠쿠다
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 기술은, 참조용 화소에서 확실하게 수광할 수 있도록 하는 수광 장치 및 측거 시스템에 관한 것이다. 수광 장치는, 수광면을 갖는 수광 소자와, 수광 소자에 대해, 수광면과는 반대측에 설치되는 발광원을 갖는 복수의 화소를 구비한다. 복수의 화소는, 수광 소자와 발광원의 사이에 설치된 차광 부재를 갖는 제1 화소와, 수광 소자와 발광원의 사이에, 광자를 전파시키는 도광부를 갖는 제2 화소를 구비한다. 본 기술은, 예를 들면, 예를 들면, 피사체까지의 깊이 방향의 거리를 검출하는 측거 시스템 등에 적용할 수 있다.

Description

수광 장치 및 측거 시스템
본 기술은 수광 장치 및 측거(測距) 시스템에 관한 것으로, 특히, 참조용 화소에서 확실하게 수광할 수 있도록 한 수광 장치 및 측거 시스템에 관한 것이다.
최근, ToF(Time-of-Flight)법에 의해 거리 계측을 행하는 측거 센서가 주목받고 있다. 이러한 측거 센서에는, 예를 들면, 화소에 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)를 사용한 것이 있다. SPAD에서는, 항복 전압보다 큰 전압을 인가한 상태에서, 고전계의 PN 접합 영역으로 1개의 광자가 들어가면, 애벌랜치 증폭(avalanche amplification)이 발생한다. 그 때의 순간적으로 전류가 흐른 타이밍을 검출함으로써, 고정밀도로 거리를 계측할 수 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, SPAD를 사용한 측거 센서에 있어서, 측정용 화소와 참조용 화소를 설치하고, 참조용 화소에서 배경 광 강도를 계측하여, SPAD의 바이어스 전압을 변화시키는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본특허공개 제2014-81254호 공보
그러나, 특허문헌 1의 기술에서는, 참조용 화소가 검출하는 광으로 배경 광을 사용하고 있으므로, 불확실하였다.
본 기술은, 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 참조용 화소에서 확실하게 수광할 수 있도록 하는 것이다.
본 기술의 제1 측면의 수광 장치는, 수광면을 갖는 수광 소자와, 상기 수광 소자에 대해, 상기 수광면과는 반대측에 설치되는 발광원을 갖는 복수의 화소를 구비하고, 상기 복수의 화소는, 상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에 설치된 차광 부재를 갖는 제1 화소와, 상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에, 광자를 전파시키는 도광부를 갖는 제2 화소를 구비한다.
본 기술의 제2 측면의 측거 시스템은, 조사광을 조사하는 조명 장치와, 상기 조사광에 대한 반사광을 수광하는 수광 장치를 구비하고, 상기 수광 장치는, 수광면을 갖는 수광 소자와, 상기 수광 소자에 대해, 상기 수광면과는 반대측에 설치되는 발광원을 갖는 복수의 화소를 구비하고, 상기 복수의 화소는, 상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에 설치된 차광 부재를 갖는 제1 화소와, 상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에, 광자를 전파시키는 도광부를 갖는 제2 화소를 구비한다.
본 기술의 제1 내지 제3 측면에 있어서는, 수광면을 갖는 수광 소자와, 상기 수광 소자에 대해, 상기 수광면과는 반대측에 설치되는 발광원을 갖는 복수의 화소가 설치된다. 상기 복수의 화소는, 상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에 설치된 차광 부재를 갖는 제1 화소와, 상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에, 광자를 전파시키는 도광부를 갖는 제2 화소가 포함된다.
수광 장치 및 측거 시스템은, 독립된 장치이어도 되고, 다른 장치에 통합되는 모듈이어도 된다.
도 1은 본 기술을 적용한 측거 시스템의 일 실시형태의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 수광 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 화소의 회로 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 화소의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 광원과 화소 어레이의 평면도이다.
도 6은 화소의 단면도이다.
도 7은 비교예로서의 다른 측거 시스템에 있어서의 광원과 화소 어레이의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 8은 화소의 다른 배열예를 나타내는 단면도이다.
도 9는 측거 시스템의 사용예를 설명하는 도면이다.
도 10은 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 11은 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 일례를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 실시형태라고 함)에 대해 설명한다. 한편, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 측거 시스템의 구성예
2. 수광 장치의 구성예
3. 화소 회로의 구성예
4. 광원과 화소 어레이의 평면도
5. 화소 단면도
6. 비교예
7. 화소의 다른 배열예
8. 측거 시스템의 사용예
9. 이동체에의 응용예
<1. 측거 시스템의 구성예>
도 1은 본 기술을 적용한 측거 시스템의 일 실시형태의 구성예를 나타내는 블록도이다.
측거 시스템(11)은, 예를 들면, ToF법을 사용하여 거리 화상의 촬영을 행하는 시스템이다. 여기서, 거리 화상이란, 측거 시스템(11)으로부터 피사체까지의 깊이 방향의 거리를 화소 단위로 검출하여, 각 화소의 신호가, 검출된 거리에 기초하는 거리 화소 신호로 이루어지는 화상인 것이다.
측거 시스템(11)은 조명 장치(21) 및 촬상 장치(22)를 구비한다.
조명 장치(21)는 조명 제어부(31) 및 광원(32)을 구비한다.
조명 제어부(31)는, 촬상 장치(22)의 제어부(42)의 제어 하에서, 광원(32)이 광을 조사하는 패턴을 제어한다. 구체적으로는, 조명 제어부(31)는, 제어부(42)로부터 공급되는 조사 신호에 포함되는 조사 코드에 따라, 광원(32)이 광을 조사하는 패턴을 제어한다. 예를 들면, 조사 코드는, 1(High)과 0(Low)의 2개 값으로 이루어지고, 조명 제어부(31)는, 조사 코드의 값이 1일 때 광원(32)을 점등시키고, 조사 코드의 값이 0일 때 광원(32)을 소등시킨다.
광원(32)은, 조명 제어부(31)의 제어 하에서, 소정의 파장 영역의 광을 발한다. 광원(32)은, 예를 들면, 적외선 레이저 다이오드로 이루어진다. 한편, 광원(32)의 종류 및 조사광의 파장 영역은, 측거 시스템(11)의 용도 등에 따라 임의로 설정하는 것이 가능하다.
촬상 장치(22)는, 조명 장치(21)로부터 조사된 광(조사광)이 피사체(12) 및 피사체(13) 등에 의해 반사된 반사광을 수광하는 장치이다. 촬상 장치(22)는 촬상부(41), 제어부(42), 표시부(43), 및 기억부(44)를 구비한다.
촬상부(41)는 렌즈(51) 및 수광 장치(52)를 구비한다.
렌즈(51)는 입사광을 수광 장치(52)의 수광면에 결상시킨다. 한편, 렌즈(51)의 구성은 임의이며, 예를 들면, 복수의 렌즈군에 의해 렌즈(51)를 구성하는 것도 가능하다.
수광 장치(52)는, 예를 들면, 각 화소에 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)를 사용한 센서로 이루어진다. 수광 장치(52)는, 제어부(42)의 제어 하에서, 피사체(12) 및 피사체(13) 등으로부터의 반사광을 수광하고, 그 결과 얻어진 화소 신호를 거리 정보로 변환하여 제어부(42)에 출력한다. 수광 장치(52)는, 행방향 및 열방향의 행렬 형상으로 화소가 2차원 배치된 화소 어레이의 각 화소의 화소값(거리 화소 신호)으로서, 조명 장치(21)가 조사광을 조사하고 나서 수광 장치(52)가 수광할 때까지의 시간을 카운트한 디지털 카운트 값이 저장된 거리 화상을, 제어부(42)에 공급한다. 광원(32)이 발광하는 타이밍을 나타내는 발광 타이밍 신호는, 제어부(42)로부터 수광 장치(52)에도 공급된다.
한편, 측거 시스템(11)은, 광원(32)의 발광과, 그 반사광의 수광을 복수 회(예를 들면, 수천 내지 수만 회) 반복함으로써, 촬상부(41)가, 외란 광이나 멀티패스 등의 영향을 제거한 거리 화상을 생성하여, 제어부(42)에 공급한다.
제어부(42)는, 예를 들면, FPGA(Field Programmable Gate Array), DSP(Digital Signal Processor) 등의 제어 회로나 프로세서 등에 의해 구성된다. 제어부(42)는 조명 제어부(31) 및 수광 장치(52)의 제어를 행한다. 구체적으로는, 제어부(42)는, 조명 제어부(31)에 조사 신호를 공급함과 함께, 발광 타이밍 신호를 수광 장치(52)에 공급한다. 광원(32)은 조사 신호에 따라 조사광을 발광한다. 발광 타이밍 신호는, 조명 제어부(31)에 공급되는 조사 신호이어도 된다. 또한, 제어부(42)는, 촬상부(41)로부터 취득한 거리 화상을 표시부(43)에 공급하여, 표시부(43)에 표시시킨다. 나아가, 제어부(42)는, 촬상부(41)로부터 취득한 거리 화상을 기억부(44)에 기억시킨다. 또한, 제어부(42)는, 촬상부(41)로부터 취득한 거리 화상을 외부에 출력한다.
표시부(43)는, 예를 들면, 액정 표시 장치나 유기 EL(Electro Luminescence) 표시 장치 등의 패널형 표시 장치로 이루어진다.
기억부(44)는, 임의의 기억 장치나 기억 매체 등에 의해 구성할 수 있고, 거리 화상 등을 기억한다.
<2. 수광 장치의 구성예>
도 2는 수광 장치(52)의 구성예를 나타내는 블록도이다.
수광 장치(52)는, 화소 구동부(71), 화소 어레이(72), MUX(멀티플렉서)(73), 시간 계측부(74), 신호 처리부(75), 및 입출력부(76)를 구비한다.
화소 어레이(72)는 광자의 입사를 검출하고, 검출 결과를 나타내는 검출 신호를 화소 신호로서 출력하는 화소(81)가 행방향 및 열방향의 행렬 형상으로 2차원 배치된 구성으로 되어 있다. 여기서, 행방향이란 수평 방향의 화소(81)의 배열 방향을 말하고, 열방향이란 수직 방향의 화소(81)의 배열 방향을 말한다. 도 2에서는, 지면의 제약상, 화소 어레이(72)가 10행 12열의 화소 배열 구성으로 나타내어져 있지만, 화소 어레이(72)의 행수 및 열수는, 이것에 한정되지 않고, 임의이다.
화소 어레이(72)의 행렬 형상의 화소 배열에 대해, 화소행마다 화소 구동선(82)이 수평 방향으로 배선되어 있다. 화소 구동선(82)은, 화소(81)의 구동을 행하기 위한 구동 신호를 전송한다. 화소 구동부(71)는, 화소 구동선(82)을 통해 소정의 구동 신호를 각 화소(81)에 공급함으로써, 각 화소(81)를 구동한다. 구체적으로는, 화소 구동부(71)는, 입출력부(76)를 통해 외부로부터 공급되는 발광 타이밍 신호에 맞춘 소정의 타이밍에서, 행렬 형상으로 2차원 배치된 복수의 화소(81)의 적어도 일부를 액티브 화소로 하고, 나머지의 화소(81)를 비액티브 화소로 하는 제어를 행한다. 액티브 화소는 광자의 입사를 검출하는 화소이며, 비액티브 화소는 광자의 입사를 검출하지 않는 화소이다. 물론, 화소 어레이(72)의 모든 화소(81)를 액티브 화소로 해도 된다. 화소(81)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.
한편, 도 2에서는, 화소 구동선(82)을 1개의 배선으로 하여 나타내고 있지만, 복수의 배선으로 구성해도 된다. 화소 구동선(82)의 일단은, 화소 구동부(71)의 각 화소행에 대응한 출력단에 접속되어 있다.
MUX(73)는, 화소 어레이(72) 내의 액티브 화소와 비액티브 화소의 스위칭에 따라, 액티브 화소로부터의 출력을 선택한다. 그리고, MUX(73)는, 선택한 액티브 화소로부터 입력되는 화소 신호를 시간 계측부(74)에 출력한다.
시간 계측부(74)는, MUX(73)로부터 공급되는 액티브 화소의 화소 신호와, 광원(32)의 발광 타이밍을 나타내는 발광 타이밍 신호에 기초하여, 광원(32)이 광을 발광하고 나서 액티브 화소가 광을 수광할 때까지의 시간에 대응하는 카운트 값을 생성한다. 시간 계측부(74)는, TDC(Time to Digital Converter)라고도 불린다. 발광 타이밍 신호는, 입출력부(76)를 통해 외부(촬상 장치(22)의 제어부(42))로부터 공급된다.
신호 처리부(75)는, 소정의 횟수(예를 들면, 수천 내지 수만 회) 반복하여 실행되는 광원(32)의 발광과, 그 반사광의 수광에 기초하여, 반사광을 수광할 때까지의 시간(카운트 값)의 히스토그램을 화소마다 작성한다. 그리고, 신호 처리부(75)는, 히스토그램의 피크를 검출함으로써, 광원(32)으로부터 조사된 광이 피사체(12) 또는 피사체(13)에서 반사되어 되돌아올 때까지의 시간을 판정한다. 신호 처리부(75)는, 수광 장치(52)가 수광할 때까지의 시간을 카운트한 디지털 카운트 값이 각 화소에 저장된 거리 화상을 생성하여, 입출력부(76)에 공급한다. 또는, 신호 처리부(75)는, 판정된 시간과 광속에 기초하여, 물체까지의 거리를 구하는 연산을 행하고, 그 연산 결과를 각 화소에 저장한 거리 화상을 생성하여, 입출력부(76)에 공급해도 된다.
입출력부(76)는, 신호 처리부(75)로부터 공급되는 거리 화상의 신호(거리 화상 신호)를 외부(제어부(42))에 출력한다. 또한, 입출력부(76)는, 제어부(42)로부터 공급되는 발광 타이밍 신호를 취득하여, 화소 구동부(71) 및 시간 계측부(74)에 공급한다.
<3. 화소 회로의 구성예>
도 3은 화소 어레이(72)에 행렬 형상으로 복수 배치된 화소(81)의 회로 구성예를 나타내고 있다.
도 3의 화소(81)는 SPAD(101), 트랜지스터(102), 스위치(103), 및 인버터(104)를 구비한다. 또한, 화소(81)는, 래치 회로(105)와 인버터(106)도 구비한다. 트랜지스터(102)는 P형 MOS 트랜지스터로 구성된다.
SPAD(101)의 캐소드는, 트랜지스터(102)의 드레인에 접속됨과 함께, 인버터(104)의 입력 단자 및 스위치(103)의 일단에 접속되어 있다. SPAD(101)의 애노드는, 전원 전압(VA)(이하에서는, 애노드 전압(VA)이라고도 칭함)에 접속되어 있다.
SPAD(101)는, 입사광이 입사되었을 때, 발생하는 전자를 애벌랜치 증폭시켜 캐소드 전압(VS)의 신호를 출력하는 포토다이오드(단일 광자 애벌런치 포토다이오드)이다. SPAD(101)의 애노드에 공급되는 전원 전압(VA)은, 예를 들면, -20V 정도의 음의 바이어스(음의 전위)로 된다.
트랜지스터(102)는, 포화 영역에서 동작하는 정전류원이며, ??칭 저항(quenching resistor)으로서 작용함으로써 패시브 ??치를 행한다. 트랜지스터(102)의 소스는 전원 전압(VE)에 접속되고, 드레인이 SPAD(101)의 캐소드, 인버터(104)의 입력 단자, 및 스위치(103)의 일단에 접속되어 있다. 이에 의해, SPAD(101)의 캐소드에도 전원 전압(VE)이 공급된다. SPAD(101)와 직렬로 접속된 트랜지스터(102) 대신에, 풀업 저항을 사용할 수도 있다.
SPAD(101)에는, 충분한 효율로 광(광자)을 검출하기 위해, SPAD(101)의 항복 전압(VBD)보다 큰 전압(이하, 과잉 바이어스(ExcessBias)라고 칭함)이 인가된다. 예를 들면, SPAD(101)의 항복 전압(VBD)이 20V이며, 그것보다 3V 큰 전압을 인가하는 것으로 하면, 트랜지스터(102)의 소스에 공급되는 전원 전압(VE)은 3V로 된다.
한편, SPAD(101)의 항복 전압(VBD)은 온도 등에 따라 크게 변화된다. 그 때문에, 항복 전압(VBD)의 변화에 따라, SPAD(101)에 인가되는 인가 전압이 제어(조정)된다. 예를 들면, 전원 전압(VE)을 고정 전압으로 하면, 애노드 전압(VA)이 제어(조정)된다.
스위치(103)는, 양단 중 일단이 SPAD(101)의 캐소드, 인버터(104)의 입력 단자, 및 트랜지스터(102)의 드레인에 접속되고, 타단이, 그라운드(GND)에 접속되어 있는 그라운드 접속선(107)에 접속되어 있다. 스위치(103)는, 예를 들면, N형 MOS 트랜지스터로 구성할 수 있고, 래치 회로(105)의 출력인 게이팅 제어 신호(VG)를, 인버터(106)에 의해 반전시킨 게이팅 반전 신호(VG_I)에 따라 온/오프시킨다.
래치 회로(105)는, 화소 구동부(71)로부터 공급되는 트리거 신호(SET)와, 어드레스 데이터(DEC)에 기초하여, 화소(81)를 액티브 화소 또는 비액티브 화소 중 어느 하나로 제어하는 게이팅 제어 신호(VG)를 인버터(106)에 공급한다. 인버터(106)는, 게이팅 제어 신호(VG)를 반전시킨 게이팅 반전 신호(VG_I)를 생성하여, 스위치(103)에 공급한다.
트리거 신호(SET)는 게이팅 제어 신호(VG)를 스위칭하는 타이밍을 나타내는 타이밍 신호이며, 어드레스 데이터(DEC)는, 화소 어레이(72) 내의 행렬 형상으로 배치된 복수의 화소(81) 중 액티브 화소로 설정되는 화소의 어드레스를 나타내는 데이터이다. 트리거 신호(SET)와 어드레스 데이터(DEC)는, 화소 구동선(82)을 통해 화소 구동부(71)로부터 공급된다.
래치 회로(105)는, 트리거 신호(SET)가 나타내는 소정의 타이밍에서, 어드레스 데이터(DEC)를 판독한다. 그리고, 래치 회로(105)는, 어드레스 데이터(DEC)가 나타내는 화소 어드레스에 자신(의 화소(81))의 화소 어드레스가 포함되어 있는 경우에는, 자신의 화소(81)를 액티브 화소로 설정하기 위한 Hi(1)의 게이팅 제어 신호(VG)를 출력한다. 한편, 어드레스 데이터(DEC)가 나타내는 화소 어드레스에 자신(의 화소(81))의 화소 어드레스가 포함되어 있지 않은 경우에는, 자신의 화소(81)를 비액티브 화소로 설정하기 위한 Lo(0)의 게이팅 제어 신호(VG)를 출력한다. 이에 의해, 화소(81)가 액티브 화소로 되는 경우에는, 인버터(106)에 의해 반전된 Lo(0)의 게이팅 반전 신호(VG_I)가 스위치(103)에 공급된다. 한편, 화소(81)가 비액티브 화소로 되는 경우에는, Hi(1)의 게이팅 반전 신호(VG_I)가 스위치(103)에 공급된다. 따라서, 스위치(103)는, 화소(81)가 액티브 화소로 설정되는 경우에 오프되고(비접속으로 되고), 비액티브 화소로 설정되는 경우에 온된다(접속된다).
인버터(104)는, 입력 신호로서의 캐소드 전압(VS)이 Lo일 때, Hi의 검출 신호(PFout)를 출력하고, 캐소드 전압(VS)이 Hi일 때, Lo의 검출 신호(PFout)를 출력한다. 인버터(104)는, SPAD(101)에의 광자의 입사를 검출 신호(PFout)로서 출력하는 출력부이다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 화소(81)가 액티브 화소로 설정된 경우의 동작에 대해 설명한다.
도 4는 광자의 입사에 따른 SPAD(101)의 캐소드 전압(VS)의 변화와 검출 신호(PFout)를 나타내는 그래프이다.
먼저, 화소(81)가 액티브 화소인 경우, 전술한 바와 같이, 스위치(103)는 오프로 설정된다.
SPAD(101)의 캐소드에는 전원 전압(VE)(예를 들면, 3V)이 공급되고, 애노드에는 전원 전압(VA)(예를 들면, -20V)이 공급되기 때문에, SPAD(101)에 항복 전압(VBD)(=20V)보다 큰 역전압이 인가됨으로써, SPAD(101)가 가이거 모드(Geiger mode)로 설정된다. 이 상태에서는, SPAD(101)의 캐소드 전압(VS)은, 예를 들면 도 4의 시각(t0)에서와 같이, 전원 전압(VE)과 동일하다.
가이거 모드로 설정된 SPAD(101)에 광자가 입사하면, 애벌랜치 증배가 발생하여, SPAD(101)에 전류가 흐른다.
도 4의 시각(t1)에 있어서, 애벌랜치 증배가 발생하여, SPAD(101)에 전류가 흐른 것으로 하면, 시각(t1) 이후, SPAD(101)에 전류가 흐름으로써, 트랜지스터(102)에도 전류가 흐르고, 트랜지스터(102)의 저항 성분에 의해 전압 강하가 발생한다.
시각(t2)에 있어서, SPAD(101)의 캐소드 전압(VS)이 0V보다 낮아지면, SPAD(101)의 애노드-캐소드간 전압이 항복 전압(VBD)보다 낮은 상태가 되므로, 애벌랜치 증폭이 정지한다. 여기서, 애벌랜치 증폭에 의해 발생하는 전류가 트랜지스터(102)에 흐름으로써 전압 강하를 발생시키고, 발생된 전압 강하에 따라, 캐소드 전압(VS)이 항복 전압(VBD)보다 낮은 상태가 됨으로써 애벌랜치 증폭을 정지시키는 동작이 ??치 동작이다.
애벌랜치 증폭이 정지하면, 트랜지스터(102)의 저항에 흐르는 전류가 서서히 감소하고, 시각(t4)에 있어서, 다시 캐소드 전압(VS)이 원래의 전원 전압(VE)까지 돌아가고, 다음 새로운 광자를 검출할 수 있는 상태가 된다(리차지(recharge) 동작).
인버터(104)는, 입력 전압인 캐소드 전압(VS)이 소정의 임계값 전압(Vth) 이상일 때, Lo의 검출 신호(PFout)를 출력하고, 캐소드 전압(VS)이 소정의 임계값 전압(Vth) 미만일 때, Hi의 검출 신호(PFout)를 출력한다. 따라서, SPAD(101)에 광자가 입사하고, 애벌랜치 증배가 발생하여 캐소드 전압(VS)이 저하되어, 임계값 전압(Vth)을 하회하면, 검출 신호(PFout)는 로우 레벨로부터 하이 레벨로 반전한다. 한편, SPAD(101)의 애벌랜치 증배가 수습되고, 캐소드 전압(VS)이 상승하여, 임계값 전압(Vth) 이상이 되면, 검출 신호(PFout)는 하이 레벨로부터 로우 레벨로 반전한다.
한편, 화소(81)가 비액티브 화소로 되는 경우에는, Hi(1)의 게이팅 반전 신호(VG_I)가 스위치(103)에 공급되어, 스위치(103)가 온된다. 스위치(103)가 온되면, SPAD(101)의 캐소드 전압(VS)이 0V가 된다. 그 결과, SPAD(101)의 애노드-캐소드간 전압이 항복 전압(VBD) 이하가 되므로, SPAD(101)에 광자가 들어와도 반응하지 않는 상태가 된다.
<4. 광원과 화소 어레이의 평면도>
도 5의 A는 광원(32)의 평면도를 나타내고 있다.
광원(32)은, 발광부(121)가 행렬 형상으로 복수 배치되어 구성되어 있다. 발광부(121)는, 예를 들면, 수직 공진기 면발광 레이저(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER)로 구성된다. 조명 제어부(31)는, 제어부(42)로부터 공급되는 조사 신호에 포함되는 조사 코드에 따라, 행렬 형상으로 배열된 발광부(121)를 개별로 점등 및 소등시킬 수 있다.
도 5의 B는 화소 어레이(72)의 평면도를 나타내고 있다.
화소 어레이(72)는, 전술한 바와 같이, 화소(81)를 행렬 형상으로 2차원 배치하여 구성되지만, 각 화소(81)는, 기능적으로, 화소(81M), 화소(81R), 또는 화소(81D) 중 어느 하나로 분류된다.
화소(81M)는, 광원(32)(의 발광부(121))으로부터 조사된 광이 피사체(12) 및 피사체(13) 등에서 반사된 반사광을 수광하는 화소이며, 피사체까지의 거리를 측정하는 측정용(측거용) 화소이다.
화소(81R)는, SPAD(101)에의 적정한 인가 전압을 확인하거나, 거리 데이터를 보정하기 위해 사용되는 참조용 화소이다.
화소(81D)는, 측정용 화소(81M)와 참조용 화소(81R)를 분리하기 위한 더미 화소이다. 더미용 화소(81D)는, 예를 들면, 측정용 화소(81M)와 동일한 화소 구조로 구성되며, 단지, 구동되지 않는 점만이 상이한 화소로 할 수 있다. 또는, 측정용 화소(81M)와 동일한 화소 구조로 구성되며, 내부 전압 모니터용으로서 구동해도 된다.
측정용 화소(81M)가 행렬 형상으로 복수 배열되고, 측정용 화소(81M)와 참조용 화소(81R)의 사이에 더미용 화소(81D)가 배치되어 있으면, 화소(81M), 화소(81R), 및 화소(81D)의 개수는 특별히 한정되지 않는다. 측정용 화소(81M)는 N1xN2(N1, N2는 1 이상의 정수)로 배열할 수 있고, 참조용 화소(81R)는 M1xM2(M1, M2는 1 이상의 정수)로 배열할 수 있고, 더미용 화소(81D)는 L1xL2(L1, L2는 1 이상의 정수)로 배열할 수 있다.
또한, 도 5의 예에서는, 참조용의 복수의 화소(81R)가 나란히 배치되어 있지만, 참조용 화소(81R)가 더미용 화소(81D) 중에 독립적으로 배치되고, 화소(81R)와, 다른 화소(81R)의 사이에, 더미용 화소(81D)가 배치되어 있어도 된다.
<5. 화소 단면도>
도 6의 A는 측정용 화소(81M)의 단면도를 나타내고 있다.
화소(81M)는 제1 기판(201)과 제2 기판(202)이 접합되어 구성되어 있다. 제1 기판(201)은, 실리콘 등으로 구성되는 반도체 기판(211)과, 배선층(212)을 갖는다. 이하, 배선층(212)을, 후술하는 제2 기판(202) 측의 배선층(312)과의 구별을 용이하게 하기 위해, 센서측 배선층(212)이라고 칭한다. 제2 기판(202) 측의 배선층(312)은 로직측 배선층(312)이라고 칭한다. 반도체 기판(211)에 대해, 센서측 배선층(212)이 형성된 면이 표면이며, 도면 중, 상측이 되는 센서측 배선층(212)이 형성되어 있지 않은 이면이, 반사광이 입사되는 수광면이다.
반도체 기판(211)의 화소 영역은, N 웰(221), P형 확산층(222), N형 확산층(223), 홀 축적층(224), 및 고농도 P형 확산층(225)을 포함한다. 그리고, P형 확산층(222)과 N형 확산층(223)이 접속되는 영역에 형성되는 공핍층에 의해, 애벌랜치 증배 영역(257)이 형성된다.
N 웰(221)은, 반도체 기판(211)의 불순물 농도가 n형으로 제어됨으로써 형성되고, 화소(81M)에 있어서의 광전 변환에 의해 발생되는 전자를 애벌랜치 증배 영역(257)으로 전송하는 전계를 형성한다. N 웰(221)의 중앙부에서, P형 확산층(222)에 접하도록, N 웰(221)보다 고농도의 N형 영역(258)이 형성되어 있고, N 웰(221)에서 발생된 캐리어(전자)가 주위로부터 중앙을 향해 드리프트(drift)하기 쉬워지도록 한 포텐셜의 구배가 형성되어 있다. 한편, N 웰(221) 대신에, 반도체 기판(211)의 불순물 농도를 p형으로 제어한 P웰을 형성해도 된다.
P형 확산층(222)은, 평면 방향에 있어서, 화소 영역의 거의 전체면에 걸쳐 형성되는 고농도 P형 확산층(P+)이다. N형 확산층(223)은, 반도체 기판(211)의 표면 근방으로서 P형 확산층(222)과 마찬가지로, 화소 영역의 거의 전체면에 걸쳐 형성되는 고농도 N형 확산층(N+)이다. N형 확산층(223)은, 애벌랜치 증배 영역(257)을 형성하기 위한 음의 전압을 공급하기 위한 캐소드 전극으로서의 컨택트 전극(281)과 접속하는 컨택트층이며, 그 일부가 반도체 기판(211)의 표면 컨택트 전극(281)까지 형성되도록 한 볼록 형상으로 되어 있다.
홀 축적층(224)은, N 웰(221)의 측면 및 저면을 둘러싸도록 형성되는 P형 확산층(P)이며, 홀을 축적한다. 또한, 홀 축적층(224)은, SPAD(101)의 애노드 전극으로서의 컨택트 전극(282)과 전기적으로 접속되는 고농도 P형 확산층(225)과 접속되어 있다.
고농도 P형 확산층(225)은, 반도체 기판(211)의 표면 근방에서 N 웰(221)의 외주를 둘러싸도록 형성되는 고농도 P형 확산층(P++)이며, 홀 축적층(224)을 SPAD(101)의 컨택트 전극(282)과 전기적으로 접속하기 위한 컨택트층을 구성한다.
반도체 기판(211)의 인접 화소와의 경계인 화소 경계부에는, 화소간을 분리하는 화소 분리부(259)가 형성되어 있다. 화소 분리부(259)는, 예를 들면, 절연층만으로 구성되어도 되고, 텅스텐 등의 금속층의 외측(N 웰(221) 측)을, SiO2 등의 절연층으로 덮는 이중 구조이어도 된다.
센서측 배선층(212)에는, 컨택트 전극(281 및 282), 금속 배선(283 및 284), 컨택트 전극(285 및 286), 및 금속 배선(287 및 288)이 형성되어 있다.
컨택트 전극(281)은 N형 확산층(223)과 금속 배선(283)을 접속시키고, 컨택트 전극(282)은 고농도 P형 확산층(225)과 금속 배선(284)을 접속시킨다.
금속 배선(283)은, 평면 영역에서, 적어도 애벌랜치 증배 영역(257)을 덮도록, 애벌랜치 증배 영역(257)보다 넓게 형성된다. 또한, 금속 배선(283)은, 반도체 기판(211)의 화소 영역을 투과한 광을, 반도체 기판(211) 측으로 반사시키는 구조이어도 상관없다.
금속 배선(284)은, 평면 영역에서, 금속 배선(283)의 외주를 둘러싸도록, 고농도 P형 확산층(225)과 겹치도록 형성된다.
컨택트 전극(285)은 금속 배선(283)과 금속 배선(287)을 접속시키고, 컨택트 전극(286)은 금속 배선(284)과 금속 배선(288)을 접속시킨다.
한편, 제2 기판(202)은, 실리콘 등으로 구성되는 반도체 기판(311)과, 배선층(312)(로직측 배선층(312))을 갖는다.
도면 중, 상측이 되는 반도체 기판(311)의 표면측에는, 복수의 MOS 트랜지스터(Tr)(Tr1, Tr2 등)가 형성됨과 함께, 로직측 배선층(312)이 형성되어 있다.
로직측 배선층(312)은, 금속 배선(331 및 332), 금속 배선(333 및 334), 및 컨택트 전극(335 및 336)을 갖는다.
금속 배선(331)은, 센서측 배선층(212)의 금속 배선(287)과, Cu-Cu 등의 금속 접합에 의해, 전기적 및 물리적으로 접속되어 있다. 금속 배선(332)은, 센서측 배선층(212)의 금속 배선(288)과, Cu-Cu 등의 금속 접합에 의해, 전기적 및 물리적으로 접속되어 있다.
컨택트 전극(335)은 금속 배선(331)과 금속 배선(333)을 접속시키고, 컨택트 전극(336)은 금속 배선(332)과 금속 배선(334)을 접속시킨다.
로직측 배선층(312)은, 금속 배선(333 및 334)의 층과, 반도체 기판(311)의 사이에, 복수층의 금속 배선(341)을 더 갖는다.
제2 기판(202)에는, 반도체 기판(311)에 형성된 복수의 MOS 트랜지스터(Tr)와, 복수층의 금속 배선(341)에 의해, 화소 구동부(71), MUX(73), 시간 계측부(74), 신호 처리부(75) 등에 대응하는 로직 회로가 형성되어 있다.
예를 들면, 제2 기판(202)에 형성된 로직 회로를 통해, N형 확산층(223)에 인가되는 전원 전압(VE)이, 금속 배선(333), 컨택트 전극(335), 금속 배선(331 및 287), 컨택트 전극(285), 금속 배선(283), 및 컨택트 전극(281)을 통해, N형 확산층(223)에 공급되고 있다. 또한, 전원 전압(VA)이, 금속 배선(334), 컨택트 전극(336), 금속 배선(332 및 288), 컨택트 전극(286), 금속 배선(284), 및, 컨택트 전극(282)을 통해, 고농도 P형 확산층(225)에 공급되고 있다. 한편, N 웰(221) 대신에, 반도체 기판(211)의 불순물 농도를 p형으로 제어한 P웰을 형성한 경우, N형 확산층(223)에 인가되는 전압은 전원 전압(VA)이 되고, 고농도 P형 확산층(225)에 인가되는 전압은 전원 전압(VE)이 된다.
측정용 화소(81M)의 단면 구조는, 이상과 같이 구성되어 있고, 수광 소자로서의 SPAD(101)는, 반도체 기판(211)의 N 웰(221), P형 확산층(222), N형 확산층(223), 홀 축적층(224), 및 고농도 P형 확산층(225)을 포함하고, 홀 축적층(224)이 애노드 전극으로서의 컨택트 전극(282)과 접속되고, N형 확산층(223)이 캐소드 전극으로서의 컨택트 전극(281)과 접속되어 있다.
화소(81M)의 평면 방향의 전체 영역의, 제1 기판(201)의 반도체 기판(211)과 제2 기판(202)의 반도체 기판(311)의 사이에는, 차광 부재로서의 금속 배선(283, 284, 287, 288, 331 내지 334, 또는, 341) 중 적어도 1층이 배치되어 있다. 이에 의해, 제2 기판(202)의 반도체 기판(311)의 MOS 트랜지스터(Tr)의 핫 캐리어에 의한 발광이 있었던 경우라도, 그 광은, 광전 변환 영역인 반도체 기판(211)의 N 웰(221) 및 N형 영역(258)에는 도달하지 않도록 구성되어 있다.
화소(81M)에 있어서, 수광 소자로서의 SPAD(101)는, N 웰(221) 및 홀 축적층(224)의 평면으로 이루어지는 수광면을 가지며, 핫 캐리어 발광을 행하는 발광원인 MOS 트랜지스터(Tr)가, SPAD(101)의 수광면과는 반대측에 설치되어 있다. 그리고, 수광 소자로서의 SPAD(101)와, 발광원인 MOS 트랜지스터(Tr)의 사이에 차광 부재로서의 금속 배선(283)이나 금속 배선(341)을 가지며, 핫 캐리어에 의한 발광이, 광전 변환 영역인 반도체 기판(211)의 N 웰(221)이나 N형 영역(258)에는 도달하지 않도록 구성되어 있다.
더미용 화소(81D)의 화소 구조도, 측정용 화소(81M)와 동일한 구조에 의해 형성되어 있다.
도 6의 B는 참조용 화소(81R)의 단면도를 나타내고 있다.
도 6의 B에 있어서, 도 6의 A와 대응하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 부분의 설명은 적절히 생략한다.
도 6의 B에 나타내어지는 참조용 화소(81R)의 단면 구조에 있어서, 도 6의 A에 나타낸 측정용 화소(81M)와 다른 점은, 수광 소자로서의 SPAD(101)와, 핫 캐리어 발광을 행하는 발광원인 MOS 트랜지스터(Tr)의 사이에, 핫 캐리어 발광에 의한 광(광자)을 전파시키는 도광부(361)가 설치되어 있는 점이다.
즉, 화소(81R)의 제1 기판(201)의 반도체 기판(211)과, 제2 기판(202)의 반도체 기판(311)의 사이의, 평면 방향의 전체 영역 중 일부의 영역에, 광을 차광하는 금속 배선(283, 284, 287, 288, 331 내지 334, 및, 341)의 어느 것도 형성되어 있지 않은 영역이 설치되고, 금속 배선의 적층 방향으로, 광을 전파시키는 도광부(361)가 형성되어 있다.
이에 의해, 평면 방향의 위치에 관하여, 도광부(361)와, 적어도 일부가 겹치는 위치에 형성된 MOS 트랜지스터(Tr1)에 있어서 핫 캐리어 발광이 일어나면, 화소(81R)의 SPAD(101)는, 도광부(361)를 통과해 오는 핫 캐리어 발광에 의한 광을 수광하여, 검출 신호(화소 신호)를 출력할 수 있다. 한편, 도광부(361)는, 전술한 바와 같이 모든 금속 배선(283, 341) 등이 완전히 개구되어 있지 않아도, 광이 통과할 정도로 개구하고 있으면 된다.
또한, 화소(81R)의 수광면측인 홀 축적층(224)의 상면에는, 홀 축적층(224)의 수광면을 덮도록 차광 부재(차광층)(362)가 형성되어 있다. 차광 부재(362)는, 수광면 측으로부터 입사되는 외란 광 등을 차단한다. 한편, 전술한 바와 같이, 히스토그램의 생성 처리에 의해, 외란 광 등의 영향은 제거할 수 있으므로, 차광 부재(362)는 필수가 아니고, 생략할 수 있다.
도광부(361)를 전파하여 화소(81R)의 광전 변환 영역에 도달하는 광을 발하는 MOS 트랜지스터(Tr1)는, 발광원으로서 측정용 화소(81M)에는 없는 회로 소자로서 설치한 MOS 트랜지스터이어도 되고, 측정용 화소(81M)에서도 형성되어 있는 MOS 트랜지스터이어도 된다.
따라서, MOS 트랜지스터(Tr1)를, 발광원으로서 특별히 참조용 화소(81R)에 설치한 경우에는, 제2 기판(202)에 형성되는 화소 영역 내의 회로는, 참조용 화소(81)와 측정용 화소(81M)에서 서로 다르다. 이 경우, 발광원으로서 특별히 설치한 MOS 트랜지스터(Tr1)는, 예를 들면, 발광원을 제어하는 회로에 상당한다.
발광원으로서 특별히 설치한 MOS 트랜지스터(Tr1)를 발광시키는 발광 타이밍은, 예를 들면, 광원(32)의 발광부(121)가 광을 조사하는 타이밍과 동일한 타이밍으로 할 수 있다. 이 경우, 예를 들면, 참조용 화소(81R)가 발광원(MOS 트랜지스터(Tr1))의 광을 수광한 타이밍을 거리 제로의 기준으로 함으로써, 측정용 화소(81M)가 수광한 타이밍으로부터 산출하는 거리를 보정할 수 있다. 즉, 참조용 화소(81R)는 거리 데이터의 보정에 사용할 수 있다.
또한, 예를 들면, 참조용 화소(81R)는, SPAD(101)에의 인가 전압의 적정 확인에 사용할 수 있다. 이 경우, 화소(81R)에 있어서, 발광원으로서 특별히 설치한 MOS 트랜지스터(Tr1)를 발광시켜, ??치 동작시의 SPAD(101)의 캐소드 전압(VS), 즉, 도 4의 시각(t2)에 있어서의 캐소드 전압(VS)를 확인하여, 애노드 전압(VA)을 조정하기 위해 사용할 수 있다.
한편, 발광원으로서의 MOS 트랜지스터(Tr1)가, 측정용 화소(81M)에서도 형성되어 있는 MOS 트랜지스터인 경우에는, 제2 기판(202)에 형성되는 화소 영역 내의 회로는, 참조용 화소(81)와 측정용 화소(81M)에서 동일하게 할 수 있다.
한편, 참조용 화소(81R)의 발광원은, MOS 트랜지스터에 한정되지 않고, 다이오드나 저항 소자 등의 그 밖의 회로 소자이어도 된다.
또한, 수광 장치(52)는, 전술한 바와 같이, 제1 기판(201)과 제2 기판(202)을 접합한 적층 구조로 구성하는 것으로 하였지만, 1매의 기판(반도체 기판)으로 구성해도 되고, 3매 이상의 적층 구조로 구성해도 된다. 나아가, 제1 기판(201)의 센서측 배선층(212)이 형성된 표면과 반대의 이면측을 수광면으로 하는 이면형 수광 센서 구조로 하였지만, 표면형 수광 센서 구조로 해도 된다.
<6. 비교예>
도 7은 측거 시스템(11)의 광원(32)과 화소 어레이(72)의 구조와 비교하는 비교예로서의 다른 측거 시스템에 있어서의 광원과 화소 어레이의 구성예를 나타내고 있다.
도 7의 광원(401)은, 행렬 형상으로 복수 배치되는 발광부(411M)와, 복수의 발광부(411R)를 구비한다. 발광부(411M) 및 발광부(411R)는, 광원(32)의 발광부(121)와 마찬가지로, 예를 들면, 수직 공진기 면발광 레이저(VCSEL)로 구성된다.
도 5에 나타낸 측거 시스템(11)의 광원(32)의 구성과 비교하면, 발광부(411M)가 발광부(121)에 대응하고, 광원(401)은, 발광부(121)에 더하여, 발광부(411R)를 더 구비한 구성이다. 발광부(411R)는, 화소 어레이(402)의 참조용 화소(412R)에 조사하기 위해 설치된 참조용 발광부(411)이다.
도 7의 화소 어레이(402)는, 측정용 화소(412M), 참조용 화소(412R), 및 더미용 화소(412D)가, 도 5의 화소 어레이(72)과 마찬가지의 배치로 배열되어 있다. 다만, 화소(412M), 화소(412R), 및 화소(412D)의 화소 구조는, 모두, 도 6의 A에 나타낸 측정용 화소(81M)의 구조와 동일하게 구성되어 있다.
즉, 참조용 화소(412R)는, 측정용 화소(412M)와 마찬가지로, SPAD(101)와, 발광원인 MOS 트랜지스터(Tr)의 사이에, 핫 캐리어에 의한 발광이, 광전 변환 영역에 도달하지 않도록 차단하는 차광 부재를 가지며, 참조용 발광부(411R)로부터 조사된 광을, 수광면 측으로부터 수광하는 구성으로 되어 있다.
이러한 구성에서는, 도 5에 나타낸 측거 시스템(11)과 비교하면, 참조용 화소(412R)를 위한 발광부(411R)가 추가적으로 필요하게 되므로, 발광부(411R)의 실장 면적이 필요하고, 발광부(411R)를 구동하는 전력이 증가하므로, 소비 전력도 증가한다. 또한, 발광부(411R)로부터 조사된 광이, 참조용 화소(412R)에서 수광되도록 광축의 조정이 필요하고, 광축 어긋남에도 약하다.
반면, 측거 시스템(11)의 광원(32)과 화소 어레이(72)의 구조에 의하면, 참조용 화소(412R)를 위한 발광부(411R)가 불필요하게 되므로, 전력 삭감으로 이어질 뿐만 아니라, 광축 어긋남의 조정도 불필요하다. 그리고, 참조용 화소(81R)의 화소 영역 내, 구체적으로는, SPAD(101)의 수광면과는 반대측에 발광원이 설치되고, 광을 전파시키는 도광부(361)가 설치되어 있으므로, 확실하게 수광할 수 있다.
<7. 화소의 다른 배열예>
도 8은 화소 어레이(72)에 있어서의 화소의 다른 배열예를 나타내는 단면도이다.
도 8의 단면도에서는, 도 6과 대응하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있지만, 도 6에 나타낸 구조를 더욱 간략화하여 나타내고 있고, 부호의 일부가 생략되어 있다.
도 5에 나타낸 화소 어레이(72)의 배열예에서는, 참조용 화소(81R)가, 측정용 화소(81M)로부터 떨어진 화소행 또는 화소열에, 더미용 화소(81D)를 사이에 두고 배치되어 있었지만, 참조용 화소(81R)와 측정용 화소(81M)가, 동일한 화소행 또는 화소열에 배치되어도 된다.
도 8의 단면도는, 1개의 화소행 또는 화소열에 배치된 화소(81)의 단면도를 나타내고 있다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 참조용 화소(81R)와 측정용 화소(81M)는, 동일한 화소행 또는 화소열에 배치할 수 있다. 이 경우에도, 참조용 화소(81R)와 측정용 화소(81M)의 사이에, 더미용 화소(81D)를 사이에 두고 배치되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 참조용 화소(81R)의 발광원인 MOS 트랜지스터(Tr)로부터의 광이, 인접한 화소(81)에 새어들어간 경우에도, 측정용 화소(81M)에의 영향을 억제할 수 있다. 한편, 참조용 화소(81R)와 측정용 화소(81M) 사이의 더미용 화소(81D)가 생략되어도 된다.
<8. 측거 시스템의 사용예>
본 기술은 측거 시스템에의 적용에 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 기술은, 예를 들면, 스마트폰, 태블릿형 단말, 휴대전화기, 퍼스널 컴퓨터, 게임기, 텔레비전 수상기, 웨어러블 단말, 디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카메라 등의 전자기기 전반에 대하여 적용 가능하다. 전술한 촬상부(41)는, 렌즈(51) 및 수광 장치(52)가 함께 패키징된 모듈 형상의 형태이어도 되고, 렌즈(51)와 수광 장치(52)가 별도로 구성되고, 수광 장치(52)만을 원칩(one chip)으로서 구성해도 된다.
도 9는 전술한 측거 시스템(11) 또는 수광 장치(52)의 사용예를 나타내는 도면이다.
전술한 측거 시스템(11)은, 예를 들면, 이하와 같이, 가시광, 적외광, 자외광, X선 등의 광을 센싱하는 다양한 경우에 사용할 수 있다.
·디지털 카메라나, 카메라 기능을 가진 휴대기기 등의, 감상용으로 제공되는 화상을 촬영하는 장치.
·자동 정지 등의 안전 운전이나, 운전자의 상태의 인식 등을 위해, 자동차의 전방이나 후방, 주위, 차내 등을 촬영하는 차재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 측거(測距)를 행하는 측거 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치.
·사용자의 제스처를 촬영하여, 그 제스처에 따른 기기 조작을 행하기 위해, TV나, 냉장고, 에어컨 등의 가전에 제공되는 장치.
·내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 헬스케어용으로 제공되는 장치.
·방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 보안용으로 제공되는 장치.
·피부를 촬영하는 피부 측정기나, 두피를 촬영하는 현미경 등의, 미용용으로 제공되는 장치.
·스포츠 용도 등을 위한 액션 카메라나 웨어러블 카메라 등의, 스포츠용으로 제공되는 장치.
·밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업용으로 제공되는 장치.
<9. 이동체에의 응용예>
본 개시에 따른 기술(본 기술)은 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 기술은 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 하나의 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 된다.
도 10은 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 일례인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성예를 나타내는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은 통신 네트워크(12001)를 거쳐 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 10에 나타낸 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은 구동계 제어 유닛(12010), 보디계 제어 유닛(12020), 차외 정보 검출 유닛(12030), 차내 정보 검출 유닛(12040), 및 통합 제어 유닛(12050)을 구비한다. 또한, 통합 제어 유닛(12050)의 기능 구성으로서, 마이크로컴퓨터(12051), 음성 화상 출력부(12052), 및 차재 네트워크 I/F(Interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은 각종 프로그램에 따라 차량의 구동계에 관련하는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 구동계 제어 유닛(12010)은, 내연기관 또는 구동용 모터 등의 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 장치, 구동력을 차륜에 전달하기 위한 구동력 전달 기구, 차량의 타각을 조절하는 스티어링 기구, 및 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어 장치로서 기능한다.
보디계 제어 유닛(12020)은 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 보디계 제어 유닛(12020)은 키리스 엔트리(keyless entry) 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 또는 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 깜빡이 또는 안개등 등의 각종 램프의 제어장치로서 기능한다. 이 경우, 보디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 보디계 제어 유닛(12020)은 이들 전파 또는 신호의 입력을 수신하여, 차량의 도어록 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부의 정보를 검출한다. 예를 들면, 차외 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은 촬상부(12031)에 차 밖의 화상을 촬상 시키고, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 기초하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면 상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행해도 된다.
촬상부(12031)는 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 따른 전기 신호를 출력하는 광 센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 측거의 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은 가시광이어도 되고, 적외선 등의 비가시광이어도 된다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은, 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들면, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들면, 운전자를 촬상하는 카메라를 포함한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 기초하여 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 되고, 운전자가 졸고 있지 않은지를 판별해도 된다.
마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내외의 정보에 기초하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치의 제어 목표값을 연산하여, 구동계 제어 유닛(12010)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 또는 충격 완화, 차간거리에 기초하는 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 차선 일탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량 주위의 정보에 기초하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함으로써, 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차외의 정보에 기초하여, 보디계 제어 유닛(12020)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)으로 검지한 선행차 또는 대향차의 위치에 따라 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 눈부심 방지를 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
음성 화상 출력부(12052)는, 차량의 탑승자 또는 차외에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력장치로 음성 및 화상 중 적어도 일방의 출력 신호를 송신한다. 도 10의 예에서는, 출력장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되고 있다. 표시부(12062)는, 예를 들면, 온 보드 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이 중 적어도 하나를 포함하고 있어도 된다.
도 11은 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 나타내는 도면이다.
도 11에서는, 차량(12100)은, 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들면, 차량(12100)의 프런트 노즈, 사이드 미러, 리어범퍼, 백 도어 및 차실내의 프런트 글래스의 상부 등의 위치에 설치된다. 프런트 노즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실내의 프런트 글래스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방의 화상을 취득한다. 사이드 미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는, 주로 차량(12100)의 측방의 화상을 취득한다. 리어범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는, 주로 차량(12100)의 후방의 화상을 취득한다. 촬상부(12101 및 12105)에서 취득되는 전방의 화상은, 주로 선행 차량 또는 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 이용된다.
또한, 도 11에는 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 일례가 도시되어 있다. 촬상 범위(12111)는, 프런트 노즈에 설치된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타낸다. 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드 미러에 설치된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는, 리어범퍼 또는 백 도어에 설치된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)로 촬상된 화상 데이터가 중첩됨으로써, 차량(12100)을 상방으로부터 본 부감 화상을 얻을 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는 거리 정보를 취득하는 기능을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라여도 되고, 위상차 검출용의 화소를 가지는 촬상 소자여도 된다.
예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어지는 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에 있어서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대속도)를 구함으로써, 특히 차량(12100)의 진행로 상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 대략 같은 방향으로 소정의 속도(예를 들면, 0km/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 선행차와의 사이에서 미리 확보해야 하는 차간거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함함)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함함) 등을 행할 수 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 바탕으로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 이륜차, 보통 차량, 대형차량, 보행자, 전신주 등 그 외의 입체물로 분류하여 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량(12100) 주변의 장애물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하여, 충돌 리스크가 설정값 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황일 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통해 드라이버에 경보를 출력하거나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통해 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라여도 된다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지 아닌지를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들면, 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에 있어서의 특징점을 추출하는 절차와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지 아닌지를 판별하는 절차에 의해 행해진다. 마이크로컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하여, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에게 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 원하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어해도 된다.
이상, 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 차량 제어 시스템의 일례에 대해 설명하였다. 본 개시에 따른 기술은, 이상 설명한 구성 중, 촬상부(12031) 등에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 도 1의 측거 시스템(11)은, 촬상부(12031)에 적용할 수 있다. 촬상부(12031)는, 예를 들면 LIDAR이며, 차량(12100)의 주위의 물체 및 물체까지의 거리의 검출에 사용된다. 촬상부(12031)에 본 개시에 따른 기술을 적용함으로써, 차량(12100)의 주위의 물체 및 물체까지의 거리의 검출 정밀도가 향상된다. 그 결과, 예를 들면, 차량의 충돌 경고를 적절한 타이밍에서 행할 수 있어, 교통 사고를 방지하는 것이 가능해진다.
한편, 본 명세서에 있어서, 시스템이란, 복수의 구성요소(장치, 모듈(부품) 등)의 집합을 의미하고, 모든 구성요소가 동일한 케이싱 중에 있는지 여부는 묻지 않는다. 따라서, 별개의 케이싱에 수납되며, 네트워크를 통해 접속되어 있는 복수의 장치, 및 1개의 케이싱 내에 복수의 모듈이 수납되어 있는 1개의 장치는, 모두, 시스템이다.
또한, 본 기술의 실시형태는, 전술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
한편, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이며 한정되는 것이 아니고, 본 명세서에 기재된 것 이외의 효과가 있어도 된다.
한편, 본 기술은 이하의 구성을 취할 수 있다.
(1)
수광면을 갖는 수광 소자와,
상기 수광 소자에 대해, 상기 수광면과는 반대측에 설치되는 발광원
을 갖는 복수의 화소를 구비하고,
상기 복수의 화소는,
상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에 설치된 차광 부재를 갖는 제1 화소와,
상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에, 광자를 전파시키는 도광부를 갖는 제2 화소를 구비하는 수광 장치.
(2)
상기 제2 화소는, 상기 수광 소자의 수광면을 덮는 차광 부재를 더 구비하는 상기 (1)에 기재된 수광 장치.
(3)
상기 제2 화소의 상기 발광원은, 상기 제1 화소의 상기 수광 소자가 수광하는 반사광이 조사되는 조사 타이밍과 동일한 타이밍에서 발광되는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 수광 장치.
(4)
제1 기판과 제2 기판을 포함하는 2매 이상의 접합으로 구성되고,
상기 수광 소자는 상기 제1 기판에 형성되고,
상기 발광원은 상기 제2 기판에 형성되어 있는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 수광 장치.
(5)
상기 제2 기판의 화소 영역 내의 회로는, 상기 제1 화소와 상기 제2 화소에서 서로 다른 상기 (4)에 기재된 수광 장치.
(6)
상기 제1 화소와 상기 제2 화소에서 서로 다른 회로는, 상기 제2 화소에 형성된 상기 발광원을 제어하는 회로인 상기 (5)에 기재된 수광 장치.
(7)
상기 제2 기판의 화소 영역 내의 회로는, 상기 제1 화소와 상기 제2 화소에서 동일한 상기 (4)에 기재된 수광 장치.
(8)
상기 수광 소자는 SPAD인 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 수광 장치.
(9)
상기 화소의 신호는, 측거, 거리 데이터의 보정, 또는 상기 SPAD의 인가 전압의 적정 확인 중 어느 하나에 사용되는 상기 (8)에 기재된 수광 장치.
(10)
상기 SPAD의 인가 전압의 적정 확인에서는, 상기 제2 화소의 상기 SPAD에의 인가 전압이 계측되는 상기 (9)에 기재된 수광 장치.
(11)
계측된 상기 SPAD의 인가 전압을 기초로, 상기 SPAD의 애노드 전압이 제어되는 상기 (10)에 기재된 수광 장치.
(12)
평면 방향에 있어서 상기 제1 화소와 상기 제2 화소의 사이에, 측거에 사용되지 않는 제3 화소를 더 구비하는 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 수광 장치.
(13)
상기 제3 화소는 구동되지 않는 화소인 상기 (12)에 기재된 수광 장치.
(14)
상기 제3 화소는, 내부 전압 모니터용으로서 구동되는 화소인 상기 (12)에 기재된 수광 장치.
(15)
상기 제1 화소가 N1xN2(N1, N2는 1 이상의 정수)로 배열되어 있는 상기 (1) 내지 (14) 중 어느 하나에 기재된 수광 장치.
(16)
상기 제2 화소가 M1xM2(M1, M2는 1 이상의 정수)로 배열되어 있는 상기 (1) 내지 (15) 중 어느 하나에 기재된 수광 장치.
(17)
상기 발광원은 트랜지스터, 다이오드, 또는 저항 소자 중 어느 하나로 구성되는 상기 (1) 내지 (16) 중 어느 하나에 기재된 수광 장치.
(18)
조사광을 조사하는 조명 장치와,
상기 조사광에 대한 반사광을 수광하는 수광 장치를 구비하고,
상기 수광 장치는,
수광면을 갖는 수광 소자와,
상기 수광 소자에 대해, 상기 수광면과는 반대측에 설치되는 발광원
을 갖는 복수의 화소를 구비하고,
상기 복수의 화소는,
상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에 설치된 차광 부재를 갖는 제1 화소와,
상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에, 광자를 전파시키는 도광부를 갖는 제2 화소를 구비하는 측거 시스템.
11: 측거 시스템 21: 조명 장치
22: 촬상 장치 31: 조명 제어부
32: 광원 41: 촬상부
42: 제어부 52: 수광 장치
71: 화소 구동부 72: 화소 어레이
73: MUX 74: 시간 계측부
75: 신호 처리부 76: 입출력부
81(81R, 81M, 81D): 화소 101: SPAD
102: 트랜지스터 103: 스위치
104: 인버터 201: 제1 기판
202: 제2 기판 211: 반도체 기판
Tr: MOS 트랜지스터 361: 도광부
362: 차광 부재

Claims (18)

  1. 수광 장치로서,
    수광면을 갖는 수광 소자와,
    상기 수광 소자에 대해, 상기 수광면과는 반대측에 설치되는 발광원
    을 갖는 복수의 화소를 구비하고,
    상기 복수의 화소는,
    상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에 설치된 차광 부재를 갖는 제1 화소와,
    상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에, 광자를 전파시키는 도광부를 갖는 제2 화소를 구비하는, 수광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 화소는, 상기 수광 소자의 수광면을 덮는 차광 부재를 더 구비하는, 수광 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 화소의 상기 발광원은, 상기 제1 화소의 상기 수광 소자가 수광하는 반사광이 조사되는 조사 타이밍과 동일한 타이밍에서 발광되는, 수광 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 기판과 제2 기판을 포함하는 2매 이상의 기판이 접합되어 구성되고,
    상기 수광 소자는 상기 제1 기판에 형성되고,
    상기 발광원은 상기 제2 기판에 형성되어 있는, 수광 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 기판의 화소 영역 내의 회로는, 상기 제1 화소와 상기 제2 화소에서 서로 다른, 수광 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 화소와 상기 제2 화소에서 서로 다른 회로는, 상기 제2 화소에 형성된 상기 발광원을 제어하는 회로인, 수광 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 기판의 화소 영역 내의 회로는, 상기 제1 화소와 상기 제2 화소에서 동일한, 수광 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수광 소자는 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)인, 수광 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 화소의 신호는, 측거(測距), 거리 데이터의 보정, 또는 상기 SPAD의 인가 전압의 적정 확인 중 어느 하나에 사용되는, 수광 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 SPAD의 인가 전압의 적정 확인에서는, 상기 제2 화소의 상기 SPAD에의 인가 전압이 계측되는, 수광 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    계측된 상기 SPAD의 인가 전압을 기초로, 상기 SPAD의 애노드 전압이 제어되는, 수광 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    평면 방향에 있어서 상기 제1 화소와 상기 제2 화소의 사이에, 측거에 사용되지 않는 제3 화소를 더 구비하는, 수광 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 화소는 구동되지 않는 화소인, 수광 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제3 화소는 내부 전압 모니터용으로서 구동되는 화소인, 수광 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화소가 N1xN2(N1, N2는 1 이상의 정수)로 배열되어 있는, 수광 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2 화소가 M1xM2(M1, M2는 1 이상의 정수)로 배열되어 있는, 수광 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 발광원은 트랜지스터, 다이오드, 또는 저항 소자 중 어느 하나로 구성되는, 수광 장치.
  18. 측거 시스템으로서,
    조사광을 조사하는 조명 장치와,
    상기 조사광에 대한 반사광을 수광하는 수광 장치를 구비하고,
    상기 수광 장치는,
    수광면을 갖는 수광 소자와,
    상기 수광 소자에 대해, 상기 수광면과는 반대측에 설치되는 발광원
    을 갖는 복수의 화소를 구비하고,
    상기 복수의 화소는,
    상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에 설치된 차광 부재를 갖는 제1 화소와,
    상기 수광 소자와 상기 발광원의 사이에, 광자를 전파시키는 도광부를 갖는 제2 화소를 구비하는, 측거 시스템.
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