KR20220011706A - 분산형 광전자증배관을 갖는 높은 공간 해상도 솔리드-스테이트 이미지 센서 - Google Patents

분산형 광전자증배관을 갖는 높은 공간 해상도 솔리드-스테이트 이미지 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20220011706A
KR20220011706A KR1020217042046A KR20217042046A KR20220011706A KR 20220011706 A KR20220011706 A KR 20220011706A KR 1020217042046 A KR1020217042046 A KR 1020217042046A KR 20217042046 A KR20217042046 A KR 20217042046A KR 20220011706 A KR20220011706 A KR 20220011706A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pixels
image sensor
logic unit
pixel
photons
Prior art date
Application number
KR1020217042046A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102707826B1 (ko
Inventor
마테오 페렌조니
Original Assignee
폰다지오네 브루노 케슬러
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 폰다지오네 브루노 케슬러 filed Critical 폰다지오네 브루노 케슬러
Publication of KR20220011706A publication Critical patent/KR20220011706A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102707826B1 publication Critical patent/KR102707826B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/4808—Evaluating distance, position or velocity data
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/487—Extracting wanted echo signals, e.g. pulse detection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

하나 이상의 광자들(F)을 검출하기 위한 솔리드-스테이트 이미지 센서(1)로서, 이러한 광자들(F)에 민감한 복수의 픽셀(4)들을 포함하고, 픽셀들(4)의 각각은 논리 유닛(41) 및 논리 유닛(41)에 작동가능하게 연결된 애벌랜치 포토다이오드(42)를 포함하고, 논리 유닛(41)은 나머지 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)에 의해 제공되는 전기 신호들(S)과 상이한 전기 신호(S)를 제공하도록 구성된다.
픽셀들(4) 각각의 논리 유닛(41)은 인접 픽셀(4)의 논리 유닛(41)에 작동가능하게 연결되어서, 이러한 논리 유닛(41)은 동일한 픽셀(4)에 속하는 애벌랜치 포토다이오드(42) 및 이러한 인접 픽셀(4)에 속하는 애벌랜치 포토다이오드(42)가 각각 시간 윈도우(WT) 내에서 적어도 하나의 광자(F)를 검출할 때 전기 신호(S)를 출력한다.

Description

분산형 광전자증배관을 갖는 높은 공간 해상도 솔리드-스테이트 이미지 센서
본 발명은 전술한 장치의 민감성 표면(sensitive surface) 상의 하나 이상의 광자의 충돌 위치 및 순간(instant)을 정확하게 결정할 수 있게 하는 분산형 광전자증배관(distributed photomultiplier)을 갖는 높은 공간 해상도 솔리드-스테이트 이미지 센서에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상기 충돌 위치를 정확하게 결정할 수 있는 본 발명의 그러한 높은 공간 해상도 이미지 센서를 관리하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 본 발명의 높은 공간 해상도 이미지 센서에 의해 하나 이상의 광자를 검출하는 방법에 관한 것이다.
빛의 비행 시간을 통해 거리를 측정하는 분야에서는 광자 빔의 도달 시간의 순간을 설정해야 하는 것으로 알려져 있다.
그것들은 실제로 관련 물체를 향하는 광 복사의 방출 그리고 관련 물체 자체에서 되돌아오는 전술한 광 복사의 검출을 기반으로 하는 거리를 측정하기 위한 알려진 장치들이다.
상세하게는, 그러한 측정 장치들은 그러한 광 복사를 방출하기 위한 수단 및 그러한 광 복사에 민감한 영역을 포함하는 수신 수단을 포함한다. 측정 장치들은 방출 수단에 의한 그러한 광 복사의 방출과 수신 수단에 의한 그의 검출 사이의 시간 간격을, 직접 또는 간접적으로, 결정할 수 있는 처리 유닛을 더 포함한다.
기술 용어로 "비행 시간(Time of Flight)" ToF로 알려져 있으며 일반적으로 전술한 광 복사에 속하는 광자들을 지칭하는, 전술한 시간 간격의 값은 측정 장치와 관련 물체 사이의 거리에 정비례한다.
이와 관련하여 알려진 측정 장치들의 처리 유닛은 일반적으로 ToF로부터의 거리 값을 결정하도록 구성된다. 부수적으로, "전술한 광 복사에 속하는 광자들"이라는 표현은, 배경 복사 즉 주변 광으로부터 생성된 광자들과는 구별되는, 전술한 방출 수단에 의해 생성된 광자들 만을 오직 그리고 독점적으로(only and exclusively) 나타내는 것을 의미한다는 점에 유의하는 것이 중요하다.
구현의 관점에서, 거리 이미지들을 검출할 수 있도록 하기 위해, 높은 해상도를 갖고 있고 내부 및/또는 외부 간섭에 대한 민감도에 문제가 거의 없거나 전혀 없는 이미지 센서들을 사용할 필요가 있다.
이러한 이미지 센서들은 일반적으로 단일 반도체 기판에 어레이로 배열된 "픽셀(pixels)"이라는 기술 용어로 알려진 복수의 감광성 마이크로-셀(photosensitive micro-cell)들을 포함한다. 단일 광자 구현들에서, 전술한 픽셀들의 각각은, 광자의 검출 시 원소 전하 팩(elemental charge pack)을 방출함으로써 다른 것들로부터 독립적으로 응답하는, SPAD(Single-Photon Avalanche Diode)라고도 알려진 역방향 바이어스 애벌랜치 포도다이오드(reverse biased avalanche photodiode)를 포함한다.
제1 유형의 이미지 센서는, 각각의 감광성 마이크로-셀이 애벌랜치 포토다이오드에 작동가능하게 연결되고 애벌랜치 포토다이오드에 의해 생성된 전술된 전하 팩을 입력으로서 획득하고 단일 감광성 마이크로-셀에 관련된 전술한 ToF를 나타내는 전기 신호를 출력하도록 구성된 처리 유닛을 포함하는 것을 제공한다.
다시 말해, 이러한 제1 유형의 이미지 센서에서, 각 픽셀은 다른 픽셀과 독립적이고 동일한 픽셀에 의해 검출된 광자의 ToF와 관련된 전기 신호를 출력한다.
복수의 픽셀들에 의해 생성된 이러한 전기 신호들은 이러한 전기 신호들을 처리하고 예를 들어 측정된 거리를 결정할 수 있는 이미지 센서 외부의 특정 전자 회로에 후속적으로 입력된다.
그러나, 이러한 유형의 이미지 센서들은, 나머지 픽셀들과 독립적인, 각 단일 픽셀에 의해 생성된 전기 신호들이 상호 관련되어 있다는 인식된 결점이 있다.
불리하게도, 이는 검출된 광자가 실제로 검출될 광선에 속하지 않는 배경 광자인 경우에도 이러한 픽셀들 각각이 전기 신호를 생성하고 이를 출력할 수 있다는 사실로 이어진다.
실질적으로 이러한 유형의 이미지 센서들에서는 섬광의 광자들의 검출이 배경 광자들의 배경에 중첩되는 캐주얼한 푸아송 유형의 1차 근사 프로세스(casual Poisson-type first-order approximation process)라는 사실로 인해 검출된 광자들의 분포에서 통계적 노이즈가 관찰된다. 이러한 노이즈는 불리하게도 동일한 이미지 센서들의 거리 측정의 정밀도, 정확도 및 강도 감소를 야기한다.
간단히 말해서, 이러한 유형의 이미지 센서들은 측정될 광선에 실제로 속하는 광자의 검출로 인한 이벤트를 배경에 속하는 광자와 구별할 수 없다.
이러한 결점을 극복하기 위해, 항상 복수의 픽셀들을 포함하지만 첫번째 광자가 검출될 때 시작하는 결정된 시간 윈도우에서 활성화된 포토다이오드들의 수에 비례하는 따라서 검출된 광자들의 수에 비례하는 단일 신호를 제공하기 위해 이 경우 서로 연결된 더 많은 애벌랜치 포토다이오드들을 포함하는 제2 유형의 이미지 센서들이 개발되었다. 이러한 유형의 이미지 센서들은, 관련이 없고 따라서 배경에 속할 가능성이 있는 것들을 버리면서, 전술한 시간 윈도우 내에 수신된 광자들을 연관시킬 수 있다. 따라서 선택된 광자들의 도달 시간이 측정되고, 그 후 ToF에 비례하는 신호를 이미지 센서의 출력으로 사용할 수 있다.
이러한 전기적 신호는 제1 유형의 이미지 센서의 경우와 같이 검색된 측정값을 결정하기 위해 더 이상 필터링될 필요가 없다.
그러나, 심지어 이러한 제2 유형의 이미지 센서들에도 이하에서 제시된 결점이 있다.
불리하게는, 실제로, 각각의 픽셀이 복수의 애벌랜치 포토다이오드들 및 상대적인 제어 전자장치들을 포함하기 때문에 이러한 이미지 센서의 공간 해상도를 증가시키기 위해 장치 자체의 민감성 표면을 증가시킬 필요가 있다.
본 발명은 언급된 모든 결점들을 극복하고자 한다.
특히, 본 발명의 목적은 동일한 센서들의 민감성 표면들의 물리적 치수가 동등한 공지 기술의 이미지 센서들보다 더 높은 공간 해상도를 보장할 수 있는 이미지 센서를 실현하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 시간 윈도우에서 광자 도달을 연관시킬 수 있는, 높은 공간 해상도와 동시에 간단한 구성 및 관리를 갖는 이미지 센서를 실현하는 것이다.
전술한 목적들은 메인 청구항에 따른 이미지 센서를 구현함으로써 달성된다.
본 발명의 이미지 센서의 추가 특징들은 종속항들에 기재되어 있다.
이러한 목적들은 또한 청구항 10에 따른 이러한 이미지 센서의 관리 방법 및 청구항 11에 따른 본 발명의 이미지 센서를 사용하여 하나 이상의 광자를 검출하는 방법에 의해 달성된다.
전술한 목적들은 이후에 언급될 이점들과 함께 첨부된 도면들을 참조하여 비제한적인 예로서 주어진 본 발명의 바람직한 실시예의 설명 중에 강조될 것이며, 여기서:
- 도 1에서 본 발명의 이미지 센서 및 이러한 이미지 센서에 속하는 인접 픽셀들의 연결도(connection diagram)의 세부사항이 위에서 본 모습으로 표현되고;
- 도 2에서 도 1의 이미지 센서에 속하는 단일 픽셀이 개략적으로 표현되고;
- 도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 이미지 센서에 의한 하나 이상의 광자의 검출과 관련된 신호들의 2개의 시간도(time diagram)을 표현하고;
- 도 4에서 본 발명의 이미지 센서에 속하는 인접 픽셀들의 연결도가 도 1의 바람직한 제1 실시예에 대한 실행 변형에 따라 표현된다.
하나 이상의 광자를 검출하기 위한 본 발명의 솔리드-스테이트 이미지 센서는 도 1에 바람직한 실시예에 따라 전체적으로 표현되고, 여기서 1로 표시된다.
이러한 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 이미지 센서(1)는 전술한 광자들에 민감한 복수의 픽셀들(4)을 포함하고, 여기서 이러한 픽셀들(4)은 제1 방향(X)을 따르는 복수의 컬럼(column)들 및 제2 방향(Y)을 따르는 복수의 라인(line)들을 결정하도록 어레이로 배열된다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예들에서 이러한 픽셀들(4)이 전술한 제1 방향(X)을 따라 독점적으로 또는 전술한 제2 방향(Y)을 따라 독점적으로 연장되는 단일 차원 어레이를 정의하도록 배열된다는 것이 배제되지 않는다.
도 2에서 볼 수 있듯이, 각 픽셀(4)은 논리 유닛(41) 및 전술한 논리 유닛(41)에 작동가능하게 연결된 애벌랜치 포토다이오드 또는 SPAD(42)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이러한 논리 유닛(41) 및 상대 애벌랜치 포토다이오드 또는 SPAD(42)는 상기 이미지 센서(1)에 속하는 단일 반도체 기판(3) 상에 만들어진다.
그러나, 실행 변형에 따라 이미지 센서(1)가 수직 방향으로 서로 중첩된(superimposed) 2개의 반도체 층들(3)을 포함하는 것이 배제되지 않으며, 여기서 픽셀(4)의 각 논리 유닛(41)이 동일한 픽셀(4)의 애벌랜치 포토다이오드(42)에 작동가능하게 연결되어 있는 한, 논리 유닛(41)은 더 많은 내부 반도체 기판 상에 정의되는 반면 전술한 애벌랜치 포토다이오드들(42)은 더 많은 외부 반도체 기판 상에 만들어진다.
각 픽셀(4)의 이러한 논리 유닛(41)은 예를 들어 광자들의 수 및/또는 도달 시간을 포함하는 캡처된 정보에 대한 신호(S)를 특정 출력 채널(7)을 통해 이미지 센서(1)에 출력하도록 구성된다. 이러한 출력 채널(7)로부터 출력되는 이러한 정보는 인터페이스 주변 회로에 제공될 것이다. 인터페이스 회로는 모든 픽셀들(4)의 출력 채널들(7)을 다중화(multiplex)할 수 있는 출력(OUT)을 갖는다.
각 픽셀(4)은 또한, 출력 채널(8)에 의해, 동일한 이미지 센서(1)에 속하는 나머지 픽셀들(4)에 의해 생성 및 출력되는 전기 신호들(TRIGOUT)과 상이한 전기 신호(TRIGOUT)를 생성한다. 이러한 TRIGOUT 신호는 적어도 광자(F)의 단일 픽셀(4)의 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 수행되는 검출에 대응한다.
본 발명의 대안적인 실시예들에 따르면, 각각의 픽셀(4)은 동일한 픽셀(4)의 동일한 논리 유닛(41)에 연결된 2개 이상의 애벌랜치 포토다이오드(42)를 "OR" 유형 논리(logic)에 따라 포함할 수 있어서, 이에 따라 논리 유닛(41)이 적어도 애벌랜치 포토다이오드(42)가 광자(F)를 검출할 때 신호(S) 및 전기 신호(TRIGOUT)를 출력하도록 구성되거나, 또는 대안적으로, "AND" 유형 논리에 따라 포함할 수 있어서, 이에 따라 전술한 모든 동일한 픽셀(4)의 애벌랜치 포토다이오드들(42)이 광자(F)를 검출할 때 이러한 신호(S) 및 그러한 전기 신호(TRIGOUT)가 출력된다.
각각 도 1 및 도 4에 표현된 본 발명의 두 가지 실시예에 따르면, 각 픽셀(4)의 논리 유닛(41)은 이러한 논리 유닛(41)이 속하는 전술한 픽셀(4)에 인접한 8개의 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)에도 작동가능하게 연결된다.
논리 유닛(41)은 광자들의 수 및/또는 도달 시간의 정보를 확인 및 저장하고, 전술한 논리 유닛(41)에 연결된 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 광자가 검출될 때 시작하는 미리 정의된 시간 윈도우(WT) 내에서 적어도 광자(F)를 검출하는, 동일한 논리 유닛(41)에 작동가능하게 연결된, 논리 유닛들(41)의 수가 미리 설정된 최소 개수 n 이상인 경우 전술한 전기 신호(S)를 최종적으로 출력하도록 구성된다.
예를 들어, 따라서 각 픽셀(4)의 논리 유닛(41)과 그 애벌랜치 포토다이오드(42) 및 인접한 픽셀들(4)의 8개의 논리 유닛들(41)의 작동적 연결을 제공하는 본 발명의 전술한 바람직한 실시예의 경우, 미리 설정된 최소 개수 n은 4일 수 있다. 따라서, 그러한 논리 유닛(41)은 관련 픽셀(4)에 의해 검출된 광자들의 수 및/또는 도달 시간의 정보를 확인 및 저장할 것이고, 관련 픽셀(4)과 8개의 인접한 픽셀들(4)을 포함하고 전술한 시간 윈도우(WT)에서 적어도 광자(F)를 검출하는 픽셀(4)의 수가 4 이상인 경우에만 오로지 그리고 독점적으로 그러한 전기 신호(S)를 출력할 것이다. 이러한 마지막 이벤트는 도 3의 (a)에 표현되어 있다.
도 3의 (b)는 대조적으로 적어도 광자(F)를 검출하는 미리 설정된 최소 픽셀 수에 도달하지 못한 경우를 나타낸다. 결과적으로, 이 경우, 시간 윈도우(WT)의 끝에서 논리 유닛(41)은 어떠한 전기 신호(S)도 출력하지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 관련된 픽셀(4)의 도달 시간에 대한 정보는 그것의 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 캡처된 광자/들에만 관련되며, 인접한 픽셀들(4)은 공간 평균(spatial average)을 실현하지 않고 픽셀 수준에서 공간 해상도를 실제로 유지할 수 있게 하는 검증 요소(validation element)만을 나타낸다.
그러나, 본 발명의 실행 변형들에 따르면, 각 픽셀(4)의 논리 유닛(41)이 픽셀들(4)의 8개 이외의 다른 수의 인접하고 인접하지 않은 논리 유닛(41)들에 연결될 수 있다는 것이 배제되지는 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예로 되돌아가면, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 픽셀(4)의 전술한 논리 유닛(41)과 인접한 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41) 사이의 연결은 영구적인 전기 연결이다.
그러나, 도 4에 나타난 본 발명의 대안적인 실행 변형에 따르면, 전술한 논리 유닛들(41)의 각 쌍 사이의 그러한 작동 연결은 도전성 트랙(5) 및 전술한 논리 유닛들(41)의 쌍 각각을 전기적으로 연결하거나 전기적으로 분리(disconnect)하도록 구성된 스위칭 소자(6)에 의해 만들어지는 것이 배제되지는 않는다.
이러한 구성은 인접 픽셀들(4)의 어떤 논리 유닛들(41)이 본 발명의 이미지 센서(1)를 사용하는 동안 실제로 각 픽셀들(4)의 논리 유닛(41)에 전기적으로 연결되어야 하는지를 동적으로(dynamically) 선택할 수 있게 한다.
따라서, 본 발명의 장치의 실행 변형들은 전술한 도전성 트랙(5) 및 전술한 스위칭 소자(6)에 의해 각 픽셀들(4)의 논리 유닛(41)을 인접한 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)과 뿐만 아니라 동일한 이미지 센서(1)에 속하는 다른 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)에도 작동가능하게 연결하도록 제공할 수 있다.
극단적인 경우는 각 픽셀(4)의 논리 유닛(41)이 전술한 도전성 트랙(5) 및 전술한 스위칭 소자(6)에 의해 본 발명의 동일한 이미지 센서(1)에 속하는 나머지 모든 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)에 작동가능하게 연결되는 것을 제공할 수 있다.
이러한 마지막 경우들에서, 이하에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 이미지 센서(1)의 사용을 제공하기 전에, 다른 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)이 전술한 픽셀(4)의 논리 유닛(41)에 반드시 전기적으로 연결되어야 하는 상대적 스위칭 소자들(6)에 의해 각 픽셀(4)에 대해 설정하는 것이 필요하다.
유리하게는, 이러한 실행 변형은 사용 요구에 기초하여 본 발명의 이미지 센서(1)의 아키텍처를 동적으로 변조하는 것을 허용한다.
첨부된 도면들에 설명되고 표현된 본 발명의 바람직한 실시예로 돌아가서, 각 픽셀(4)의 논리 유닛(41)에 의해 출력된 전기 신호(S)는 이러한 논리 유닛(41)의 동일한 픽셀(4)에 속하는 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 검출된 광자(F)의 도달 시간에 대응한다.
따라서 이 경우, 유리하게는, 각 픽셀(4)의 논리 유닛(41)은 인접한 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)과의 연결을 사용하여 오직, 자체 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 실제로 검출된 광자(F)가 검출될 광선에 속하는 광자인지 또는 특정 거리에서 관찰되는 물체가 더 인접한 픽셀들(4)에 의해 프레이밍(framed)될 가능성이 높다는 사실을 이용하여 그것이 배경 광자인지를 확인하도록 구성된다. 이러한 검증은 앞서 본 바와 같이, 사전 정의된 최소 숫자 n의 다른 애벌랜치 포토다이오드들(42)이 또한 전술한 시간 윈도우(WT) 내에서 광자를 검출했는지를 검사함으로써 본 발명에 따라 수행된다.
그러나, 출력 신호(S)는, 명백하게 그러한 검증이 성공한 경우에만, 검출된 광자(F)의 또는 특정 논리 유닛(41)의 동일한 픽셀(4)에 속하는 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 검출된 광자들(F)의 데이텀(datum)에 오로지 그리고 독점적으로 관련이 있다.
그러나, 대안적인 실행 변형에 따르면, 각 픽셀(4)의 논리 유닛(41)에 의해 출력되는 그러한 신호는 전술한 논리 유닛(41)의 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 전술한 시간 윈도우(WT) 내에서 검출된 광자들(F)의 수에 비례한다는 것이 배제되지는 않는다.
또한, 추가적인 실행 변형에 따르면, 각 픽셀(4)의 논리 유닛(41)에 의해 출력된 이러한 신호는 관련 픽셀(4)의 동일한 논리 유닛(41)에 연결된 모든 논리 유닛들(41)의 모든 애벌랜치 포토다이오드들(42)에 의해 전술한 시간 윈도우(WT) 내에서 검출된 광자들(F)의 수에 비례한다는 것이 배제되지는 않는다.
위의 기술된 모든 실행 변형들을 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 이미지 센서(1)의 구현은 각각의 감광성 마이크로-셀(4)이 예를 들어 검출된 광자의 ToF와 같은 데이텀을 제공할 수 있다는 점에서 이미 검증되고 따라서 이미 사용 가능한, 공지 기술의 이미지 센서들보다 훨씬 더 높은 다수의 데이터를 분명히 얻을 수 있게 하지만, 그러나 이전에 설명된 종래 기술의 이미지 센서들의 제1 유형과 달리, 이러한 데이텀은 인접한 픽셀들(4) 중 하나 이상이 또한 미리 정의된 시간 윈도우(WT) 내에서 광자(F)를 검출한 경우에만 오로지 그리고 독점적으로 제공될 것이다.
다시 말해서, 이러한 구현 및 이러한 접근은 픽셀들(4)의 수와 전체 민감성 표면(sensitive surface)(2)의 크기가 같기 때문에 이미지 센서(1)의 공간 해상도를 증가하게 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일부는 또한 본 발명의 이미지 센서(1)를 관리하는 방법이며, 이 경우 픽셀들(4) 각각의 논리 유닛(41)과 인접하거나 또는 인접하지 않은 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41) 중 하나 이상 사이의 작동 연결이 전술한 도전성 트랙(5) 및 전술한 스위칭 소자(6)에 의해 만들어지지 않는 경우를 제공한다.
이러한 방법은 특히, 동일한 이미지 센서(1)를 사용하기 전에, 그러한 논리 유닛들(41) 사이에 삽입된 스위칭 소자(6)를 폐쇄(closing)하여 픽셀들(4) 각각의 논리 유닛(41)과 적어도 인접 픽셀(또는 그 이하)의 적어도 논리 유닛(41)의 전기적 연결 작동을 수행하도록 제공한다.
본 발명의 일부는 또한, 논리 유닛(41)의 동일한 픽셀(4)에 속하는 애벌린치 포토다이오드(42) 및 인접 픽셀들(4)에 속하는 미리 정의된 최소 수의 애벌랜치 포토다이오드들(42)이 각각 전술한 시간 윈도우(WT) 내에서 적어도 하나의 광자(F)를 검출할 때, 각 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41) 각각에 의해 전술한 전기 신호(S)를 출력하도록 제공하는 이미지 센서(1)에 의해 하나 이상의 광자(F)를 검출하는 방법이다.
따라서, 전술한 것에 기초하여, 본 발명의 이미지 센서(1)는 모든 프리픽스된(prefixed) 물체들에 도달한다.
특히, 동일한 이미지 센서들의 민감성 표면들의 물리적 치수가 동일하므로, 공지 기술의 이미지 센서들보다 높은 공간 해상도를 보장할 수 있는 이미지 센서의 구현 목적이 달성된다.
시간 윈도우 내의 광자 도달을 연관시킬 수 있는, 높은 공간 해상도와 간단한 구성 및 관리를 동시에 갖는 이미지 센서를 실현하는 목적에도 도달했다.

Claims (11)

  1. 광자들(F)에 민감한 복수의 픽셀들(4)을 포함하는 유형의 하나 이상의 광자들(F)을 검출하기 위한 솔리드-스테이트 이미지 센서(1)로서, 상기 픽셀들(4)의 각각은 논리 유닛(41) 및 상기 논리 유닛(41)에 작동가능하게 연결된 애벌랜치 포토다이오드(42)를 포함하고, 상기 논리 유닛(41)은 나머지 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)에 의해 제공되는 전기 신호들(S)과 상이한 전기 신호(S)를 제공하도록 구성되고,
    상기 픽셀들(4) 각각의 상기 논리 유닛(41)은 적어도 인접한 픽셀(4)의 논리 유닛(41)에 작동가능하게 연결되고, 동일한 픽셀(4)에 속하는 상기 애벌랜치 포토다이오드(42)와 상기 적어도 인접한 픽셀(4)에 속하는 애벌랜치 포토다이오드(42)가 각각 시간 윈도우(WT) 내에서 상기 광자들(F) 중 적어도 하나를 검출할 때, 상기 논리 유닛(41)은 상기 전기 신호(S)를 출력하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시간 윈도우(WT)는 적어도 광자(F)가 상기 픽셀(4)에 의해 검출될 때 시작되는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들(4)은 제1 방향(X)을 따르는 복수의 컬럼들 및/또는 제2 방향(Y)을 따르는 복수의 라인들을 정의하도록 어레이로서 배열되는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 픽셀들(4) 각각의 상기 논리 유닛(41)은 상기 논리 유닛(41)이 속하는 상기 픽셀(4)에 인접한 복수의 픽셀들(4), 바람직하게는 8개의 픽셀들(4)의 논리 유닛들(41)에 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽셀들(4) 각각의 상기 논리 유닛(41)과 상기 적어도 인접한 픽셀(4)의 상기 논리 유닛(41)의 작동가능한 연결은 상기 논리 유닛들(41)을 전기적으로 연결하거나 전기적으로 분리하도록 구성된 도전성 트랙(5) 및 스위칭 소자(6)에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 픽셀들(4) 각각의 논리 유닛(41)은 상기 논리 유닛(41)을 전기적으로 연결하거나 전기적으로 분리하도록 구성된 도전성 트랙(5) 및 스위칭 소자(6)에 의해 상기 이미지 센서(1)에 속하는 모든 나머지 픽셀들(4)의 각 논리 유닛(41)에 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽셀들(4) 각각의 상기 논리 유닛(41)은 상기 시간 윈도우(WT) 내에서 적어도 광자(F)를 검출하는, 그 자체 논리 유닛들(41)에 의해 상기 픽셀(4)의 상기 논리 유닛(41)에 작동가능하게 연결된, 픽셀들(4)의 수가 미리 정의된 수(n) 이상일 때 상기 전기 신호(S)를 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽셀들(4) 각각의 상기 논리 유닛(41)에 의해 출력된 상기 전기 신호(S)는 상기 논리 유닛(41)의 동일한 픽셀(4)에 속하는 상기 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 검출된 광자(F)의 도달 시간에 대응하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽셀(4)들 각각의 상기 논리 유닛(41)에 의해 출력된 상기 전기 신호(S)는 상기 픽셀(4)의 상기 애벌랜치 포토다이오드(42)에 의해 상기 시간 윈도우(WT) 내에서 검출된 상기 광자들(F)의 수에 비례하는 것을 특징으로 하는, 이미지 센서(1).
  10. 제5항 또는 제6항에 따른 하나 이상의 광자(F)를 검출하기 위한 솔리드-스테이트 이미지 센서(1)의 관리 방법으로서,
    전술한 논리 유닛들(41) 사이에 삽입된 상기 스위칭 소자(6)를 폐쇄함으로써 상기 픽셀들(4) 각각의 논리 유닛(41)과 적어도 인접한 픽셀(4)의 적어도 논리 유닛(41)을 전기적으로 연결하는 작동을 제공하는 것을 특징으로 하는, 솔리드-스테이트 이미지 센서(1)의 관리 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(1)에 의해 하나 이상의 광자(F)를 검출하는 방법으로서,
    논리 유닛(41)의 동일한 픽셀(4)에 속하는 상기 애벌랜치 포토다이오드(42)와 상기 적어도 인접한 픽셀(4)에 속하는 애벌랜치 포토다이오드(42)가 각각 시간 윈도우(WT) 내에서 적어도 광자(F)를 검출할 때, 상기 픽셀들(4) 각각의 각 논리 유닛(41)에 의해 상기 전기 신호(S)를 출력하는 작동을 제공하며, 상기 시간 윈도우(WT)는 적어도 광자(F)가 상기 픽셀(4)에 의해 검출될 때 시작하는 것을 특징으로 하는, 솔리드-스테이트 이미지 센서(1)에 의해 하나 이상의 광자(F)를 검출하는 방법.
KR1020217042046A 2019-05-24 2020-04-23 분산형 광전자증배관을 갖는 높은 공간 해상도 솔리드-스테이트 이미지 센서 KR102707826B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102019000007225A IT201900007225A1 (it) 2019-05-24 2019-05-24 Sensore di immagine a stato solido con fotomoltiplicatore distribuito ad elevata risoluzione spaziale
IT102019000007225 2019-05-24
PCT/IB2020/053856 WO2020240302A1 (en) 2019-05-24 2020-04-23 High spatial resolution solid-state image sensor with distributed photomultiplier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220011706A true KR20220011706A (ko) 2022-01-28
KR102707826B1 KR102707826B1 (ko) 2024-09-19

Family

ID=

Also Published As

Publication number Publication date
CN113906313A (zh) 2022-01-07
JP7384931B2 (ja) 2023-11-21
US12094911B2 (en) 2024-09-17
JP2022535689A (ja) 2022-08-10
US20220208825A1 (en) 2022-06-30
WO2020240302A1 (en) 2020-12-03
IL288113A (en) 2022-01-01
IT201900007225A1 (it) 2020-11-24
EP3977157B1 (en) 2023-12-27
EP3977157A1 (en) 2022-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6823815B2 (ja) 固体撮像装置、距離測定装置および距離測定方法
CN108061603B (zh) 飞行时间光传感器
CN110308451B (zh) 适用于远程飞行时间应用的双模式堆叠光电倍增管
US10585174B2 (en) LiDAR readout circuit
US20210223398A1 (en) Imaging systems with single-photon avalanche diodes and ambient light level detection
CN113224090A (zh) 成像系统
US9134440B2 (en) Radiation detector, radiation detection module and radiation detection method
CN113039457A (zh) 通过透射盖使用光学飞行时间技术进行深度感测
CN105043539A (zh) 用于运行光电探测器的方法和装置
US20210092275A1 (en) Imaging devices with single-photon avalanche diodes having sub-exposures for high dynamic range
KR20190002013U (ko) LiDAR 장치
CN110622038A (zh) 光传感器、电子设备、运算装置及对光传感器与检测对象物之间的距离进行测量的方法
WO2018180660A1 (ja) 固体撮像装置
CN1971652A (zh) 用于处理检测器信号的方法和装置
US20220286664A1 (en) Detection device and detection method using avalanche diode array and calibration matrix generating method thereof
CN112117288A (zh) 硅光电倍增器的温度和不均匀补偿电路
CN113167905A (zh) 激光雷达系统以及机动车
CN110895336A (zh) 基于雪崩二极管的物体检测装置
JPWO2019050024A1 (ja) 距離測定方法および距離測定装置
KR102707826B1 (ko) 분산형 광전자증배관을 갖는 높은 공간 해상도 솔리드-스테이트 이미지 센서
KR20220011706A (ko) 분산형 광전자증배관을 갖는 높은 공간 해상도 솔리드-스테이트 이미지 센서
CN111624615A (zh) 光传感器
KR102373861B1 (ko) Ccd 라인 센서를 이용한 비접촉식 구조물 변위 측정 시스템
WO2009150235A2 (en) Method, device and system for localizing an interaction point
KR20240127731A (ko) 수광센서 및 그 제어방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right