KR20230066550A - 측거 시스템 및 광 검출 장치 - Google Patents

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KR20230066550A
KR20230066550A KR1020237005484A KR20237005484A KR20230066550A KR 20230066550 A KR20230066550 A KR 20230066550A KR 1020237005484 A KR1020237005484 A KR 1020237005484A KR 20237005484 A KR20237005484 A KR 20237005484A KR 20230066550 A KR20230066550 A KR 20230066550A
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light
current
pixel
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KR1020237005484A
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다케시 오카와
아키토 세키야
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

애벌란시 포토다이오드에 공급되는 바이어스 전압을 적정화하는 것이 가능한 측거 시스템을 제공한다. 본 개시의 일 실시 형태에 관한 측거 시스템은, 측거광을 조사하는 발광 장치와, 측거광의 반사광을 수광하는 광 검출 장치를 구비한다. 광 검출 장치는, 반사광을 검출하는 복수의 애벌란시 포토다이오드를 각각 포함하는 복수의 화소가 배열된 화소 어레이와, 화소 어레이의 전체 화소 전류를 측정하는 전류 측정 회로와, 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용하여, 복수의 애벌란시 포토다이오드에 공급하는 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 전압 제어부를 갖는다. 발광 장치는, 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용해서 측거광의 광량을 제어하는 발광 제어부를 갖는다.

Description

측거 시스템 및 광 검출 장치
본 개시는, 측거 시스템 및 광 검출 장치에 관한 것이다.
APD(Avalanche Photo Diode) 또는 SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 등으로 대표되는 복수의 애벌란시 포토다이오드를 사용한 측거 시스템이 알려져 있다. 이 측거 시스템은, 애벌란시 포토다이오드를 포함하는 복수의 화소로 구성된 화소 어레이를 구비한다. 화소 어레이에는, 입사광에 반응하도록 설정된 액티브 화소와, 입사광에 반응하지 않도록 설정된 비액티브 화소가 존재한다.
화소 어레이에서는, 비액티브 화소수가 지배적이다. 그 때문에, 비액티브 화소를 흐르는 누설 전류를 측정한 결과에 기초하여, 각 애벌란시 포토다이오드에 공급하는 바이어스 전압을 조정하는 기술이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2020-048019호 공보
예를 들어, 근거리 또는 배경광이 큰 환경 하에서 포토다이오드가 광에 반응하는 경우가 있다. 이 경우, 액티브 화소의 비율은 적지만, 화소 어레이 전체의 합계 전류가, 누설 전류의 합계 전류에 대하여 크게 괴리되는 경우가 상정된다. 그 때문에, 누설 전류만의 측정 결과에 기초하여 설정한 바이어스 전압에서는, 측거 성능의 저하나, 소비 전력의 증대와 같은 사태를 일어날 수 있다.
본 개시는, 애벌란시 포토다이오드에 공급되는 바이어스 전압을 적정화하는 것이 가능한 측거 시스템 및 광 검출 장치를 제공한다.
본 개시의 일 실시 형태에 관한 측거 시스템은, 측거광을 조사하는 발광 장치와, 측거광의 반사광을 수광하는 광 검출 장치를 구비한다. 광 검출 장치는, 반사광을 검출하는 복수의 애벌란시 포토다이오드를 각각 포함하는 복수의 화소가 배열된 화소 어레이와, 화소 어레이의 전체 화소 전류를 측정하는 전류 측정 회로와, 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용하여, 복수의 애벌란시 포토다이오드에 공급하는 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 전압 제어부를 갖는다. 발광 장치는, 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용해서 측거광의 광량을 제어하는 발광 제어부를 갖는다.
상기 전류 측정 회로는,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 평활화하는 저역 통과 필터를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 저역 통과 필터의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제1 목표값의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
상기 발광 제어부는, 상기 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 전류 측정 회로는,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
상기 발광 제어부는, 상기 보유값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 광 검출 장치는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 정전압원을 더 갖고,
상기 전류 측정 회로는,
상기 정전압원을 통해서 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로와,
상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압 및 상기 정전압원을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
상기 발광 제어부는, 상기 보유값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 정전압원은,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 제1 트랜지스터와, 상기 저항 소자에 직렬로 접속되는 제2 트랜지스터를 갖는 커런트 미러 회로와,
상기 전체 화소 전류와, 상기 제2 연산 증폭기의 출력값의 차분에 따라서 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 제어하는 제4 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 광 검출 장치는,
상기 복수의 화소를, 액티브 화소 또는 비액티브 화소로 각각 전환하는 복수의 스위치 소자와,
상기 비액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 비액티브 화소 전류를 측정하는 비액티브 화소 전류 측정 회로와,
상기 전류 측정 회로의 검출값으로부터 상기 비액티브 화소 전류 측정 회로의 검출값을 감산해서 상기 액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 액티브 화소 전류를 측정하는 액티브 화소 전류 측정 회로를 또한 갖고 있어도 된다.
상기 액티브 화소 전류 측정 회로는,
상기 측거광의 조사 전에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제1 검출값을 일시적으로 보유하는 제1 샘플링 홀드 회로와,
상기 측거광의 조사 후에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제2 검출값을 일시적으로 보유하는 제2 샘플링 홀드 회로를 갖고,
상기 발광 제어부는, 상기 제1 검출값과 상기 제2 검출값의 차분을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값과 미리 설정된 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치의 일부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있어도 된다.
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치 전부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있어도 된다.
상기 전류 측정 회로는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드 각각의 애노드에 접속되어 있어도 된다.
상기 전류 측정 회로는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드 각각의 캐소드에 접속되어 있어도 된다.
본 개시의 일 실시 형태에 관한 광 검출 장치는, 측거광의 반사광을 검출하는 복수의 애벌란시 포토다이오드를 각각 포함하는 복수의 화소가 배열된 화소 어레이와, 화소 어레이의 전체 화소 전류를 측정하는 전류 측정 회로와, 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용하여, 복수의 애벌란시 포토다이오드에 공급하는 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 전압 제어부를 구비한다.
상기 전류 측정 회로는,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 평활화하는 저역 통과 필터를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 저역 통과 필터의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제1 목표값의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 전류 측정 회로는,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 정전압원을 더 구비하고,
상기 전류 측정 회로는,
상기 정전압원을 통해서 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로와,
상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압 및 상기 정전압원을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 정전압원은,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 제1 트랜지스터와, 상기 저항 소자에 직렬로 접속되는 제2 트랜지스터를 갖는 커런트 미러 회로와,
상기 전체 화소 전류와, 상기 제2 연산 증폭기의 출력값의 차분에 따라서 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 제어하는 제3 연산 증폭기를 갖고 있어도 된다.
상기 복수의 화소를, 액티브 화소 또는 비액티브 화소로 각각 전환하는 복수의 스위치 소자와,
상기 비액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 비액티브 화소 전류를 측정하는 비액티브 화소 전류 측정 회로와,
상기 전류 측정 회로의 검출값으로부터 상기 비액티브 화소 전류 측정 회로의 검출값을 감산해서 상기 액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 액티브 화소 전류를 측정하는 액티브 화소 전류 측정 회로를 더 구비하고 있어도 된다.
상기 액티브 화소 전류 측정 회로는,
상기 측거광의 조사 전에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제1 검출값을 일시적으로 보유하는 제1 샘플링 홀드 회로와,
상기 측거광의 조사 후에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제2 검출값을 일시적으로 보유하는 제2 샘플링 홀드 회로를 갖고 있어도 된다.
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치의 일부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있어도 된다.
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치 전부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있어도 된다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 측거 시스템의 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 2는 제1 실시 형태에서의 발광 장치 및 광 검출 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 바이어스 전원의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 5는 제2 실시 형태에서의 발광 장치 및 광 검출 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 제2 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 7은 제3 실시 형태에서의 발광 장치 및 광 검출 장치의 회로 구성의 일부를 도시하는 도면이다.
도 8은 제4 실시 형태에서의 발광 장치 및 광 검출 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 제4 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 10은 제4 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 광 검출 소자와 인버터의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 12는 제5 실시 형태에서의 발광 장치 및 광 검출 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 13은 제6 실시 형태에서의 발광 장치 및 광 검출 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 14는 각 실시 형태에 관한 측거 시스템의 배치 구성의 일례를 도시하는 레이아웃도이다.
도 15는 각 실시 형태에 관한 측거 시스템의 배치 구성의 다른 일례를 도시하는 레이아웃도이다.
도 16은 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 블록도이다.
도 17은 차밖 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 일례를 도시하는 설명도이다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 제1 실시 형태에 관한 측거 시스템의 구성예를 도시하는 블록도이다. 도 1에 도시하는 측거 시스템(1)은, ToF(Time of Flight)법을 사용해서 거리 화상의 촬영을 행하는 시스템이며, 발광 장치(10) 및 촬상 장치(20)를 구비한다.
발광 장치(10)는, 발광 제어부(11) 및 발광 소자(12)를 구비한다. 발광 제어부(11)는, 제어부(22)의 제어에 기초하여, 발광 소자(12)가 측거광을 조사하는 패턴을 제어한다. 구체적으로는, 발광 제어부(11)는, 제어부(22)로부터 공급되는 조사 신호에 포함되는 조사 코드에 따라서, 발광 소자(12)가 측거광을 조사하는 패턴을 제어한다. 예를 들어, 조사 코드는, 「1」(High)과 「0」(Low)의 2값을 포함한다. 발광 제어부(11)는, 조사 코드의 값이 「1」일 때 발광 소자(12)를 점등시키고, 조사 코드의 값이 「0」일 때 발광 소자(12)를 소등시킨다.
발광 소자(12)는, 발광 제어부(11)의 제어에 기초하여, 소정의 파장 영역의 측거광을 발한다. 발광 소자(12)는, 예를 들어 적외선 레이저 다이오드이다. 발광 소자(12)의 종류, 및 측거광의 파장 영역은, 측거 시스템(1)의 용도 등에 따라서 임의로 설정하는 것이 가능하다.
촬상 장치(20)는, 측거광이 피사체(102) 및 피사체(103)에 의해 반사된 반사광을 수광한다. 촬상 장치(20)는, 촬상부(21), 제어부(22), 표시부(23), 및 기억부(24)를 구비한다.
촬상부(21)는, 렌즈(30), 광 검출 장치(40), 및 신호 처리 회로(50)를 갖는다. 렌즈(30)는, 입사광을 광 검출 장치(40)에 결상시킨다. 또한, 렌즈(30)의 구성은 임의이며, 예를 들어 복수의 렌즈군에 의해 렌즈(30)를 구성하는 것도 가능하다.
광 검출 장치(40)는, 제어부(22)의 제어에 기초하여 피사체(102) 및 피사체(103) 등의 촬상을 행한다. 또한, 광 검출 장치(40)는, 촬상에 의해 얻어진 신호를 신호 처리 회로(50)에 출력한다.
신호 처리 회로(50)는, 제어부(22)의 제어에 기초하여, 광 검출 장치(40)의 출력 신호를 처리한다. 예를 들어, 신호 처리 회로(50)는, 광 검출 장치(40)의 출력 신호에 기초하여, 피사체까지의 거리를 검출하여, 피사체까지의 거리를 나타내는 거리 화상을 생성한다.
제어부(22)는, 예를 들어 FPGA(Field Programmable Gate Array), DSP(Digital Signal Processor) 등의 제어 회로나 프로세서 등에 의해 구성된다. 제어부(22)는, 발광 제어부(11), 광 검출 장치(40), 및 신호 처리 회로(50)의 제어를 행한다.
표시부(23)는, 예를 들어 액정 표시 장치나 유기 EL(Electro Luminescence) 표시 장치 등의 패널형 표시 장치를 포함한다.
기억부(24)는, 임의의 기억 장치나 기억 매체 등에 의해 구성할 수 있고, 거리 화상 등을 기억한다.
도 2는, 제1 실시 형태에서의 발광 장치(10) 및 광 검출 장치(40)의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
먼저, 발광 장치(10)의 회로 구성을 설명한다. 발광 장치(10)에서, 발광 제어부(11)가 발광 소자(12)에 직렬로 접속되어 있다. 발광 소자(12)는, 측거광(L1)을 피사체(102)를 향해서 조사한다. 이때, 측거광(L1)의 광량은, 발광 제어부(11)에 의해 제어된다.
발광 제어부(11)는, 가변 전류원(111) 및 연산 증폭기(112)를 갖는다. 가변 전류원(111)은, 직류의 발광 전류를 발광 소자(12)에 공급한다. 발광 전류는, 측거광(L1)의 광량에 대응하여, 연산 증폭기(112)에 의해 조정된다. 연산 증폭기(112)의 비반전 입력 단자(+)에는, 후술하는 LPF(저역 통과 필터)(423)로부터 얻어진 화소 전류 평균값을 나타내는 신호가 입력된다. 반전 입력 단자(-)의 전위는, 목표값(V10)으로 설정되어 있다.
연산 증폭기(112)는, 신호값(화소 전류 평균값)과 목표값(V10)의 차분에 따라서 가변 전류원(111)의 발광 전류를 조정한다. 예를 들어, 신호값(화소 전류 평균값)이 목표값(V10)보다도 큰 경우에는, 가변 전류원(111)으로부터 공급되는 발광 전류는 커진다. 반대로, 신호값(화소 전류 평균값)이 목표값(V10)보다도 작은 경우에는, 발광 전류는 작아진다.
이어서, 광 검출 장치(40)의 회로 구성을 설명한다. 광 검출 장치(40)는, 화소 어레이(401)와, 전류 측정 회로(402)와, 바이어스 전압 제어부(403)와, 바이어스 전원(404)을 갖는다.
화소 어레이(401)는, 이차원상으로 배열된 복수의 화소(401a) 및 복수의 화소(401b)를 갖는다. 각 화소(401a) 및 각 화소(401b)는, 광 검출 소자(411)와, 스위치 소자(412)와, 전류원(413)과, 인버터(414)를 갖는다.
광 검출 소자(411)는, APD 또는 SPAD 등으로 대표되는 애벌란시 포토다이오드이다. 광 검출 소자(411)의 캐소드는, 전류원(413) 및 인버터(414)에 접속되어 있다. 광 검출 소자(411)의 애노드는, 전류 측정 회로(402)에 접속되어 있다.
스위치 소자(412)는, 각 화소를 액티브 화소 또는 비액티브 화소로 전환하는 N형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 스위치 소자(412)의 게이트에는, 제어부(22)로부터 제어 신호가 입력된다. 스위치 소자(412)가 제어 신호에 기초해서 오프하면, 광 검출 소자(411)가 반사광(L2)에 반응하는 액티브 화소로 전환된다. 반대로, 스위치 소자(412)가 제어 신호에 기초해서 온하면, 광 검출 소자(411)가 반사광(L2)에 반응하지 않는 비액티브 화소로 전환된다. 본 실시 형태에서는, 화소(401a)가 액티브 화소로 설정되고, 화소(401b)가 비액티브 화소로 설정되어 있다.
본 실시 형태에서는, 측거 시스템(1)이 통상 동작할 때, 액티브 화소수는, 비액티브 화소수보다도 적다.
전류원(413)은, 광 검출 소자(411)의 캐소드에 가변 전압을 공급하는 P형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 전류원(413)에 의해, 항복 전압 이상의 역 전압이 광 검출 소자(411)의 애노드-캐소드간에 인가되면, 광 검출 소자(411)가 가이거 모드로 설정된다. 가이거 모드로 설정된 광 검출 소자(411)에 광자가 입사되면, 애벌란시 증배가 발생하여, 광 검출 소자(411)에 전류가 흐른다. 이 전류는, 인버터(414)에 입력된다.
인버터(414)는, 입력 단자의 전압, 환언하면 광 검출 소자(411)의 캐소드 전압과, 기준 전압을 비교한다. 또한, 인버터(414)는, 캐소드 전압이 기준 전압보다도 높은지 또는 낮은지를 나타내는 신호를 출력 단자로부터 신호 처리 회로(50)에 출력한다. 신호 처리 회로(50)는, 이 신호에 의해 캐소드 전압의 전압 변화를 검지할 수 있다.
전류 측정 회로(402)는, 저항 소자(421)와, 연산 증폭기(422)와, LPF(423)를 갖는다. 저항 소자(421)는, 화소(401a) 및 화소(401b)에 마련된 모든 광 검출 소자(411)에 직렬로 접속되어 있다. 연산 증폭기(422)의 비반전 입력 단자(+)는, 저항 소자(421)의 일단부에 접속되고, 반전 입력 단자(-)는, 저항 소자(421)의 타단부에 접속되어 있다. 연산 증폭기(422)는, 저항 소자(421)의 양단부의 전압을 출력 단자로부터 바이어스 전압 제어부(403)에 출력한다. 연산 증폭기(422)의 출력값은, 화소 어레이(401)의 전체 화소 전류에 상당한다. LPF(423)는, 연산 증폭기(422)의 출력값을 평활화한다. 이에 의해, 화소 어레이(401)의 전체 화소 전류의 평균에 상당하는 화소 전류 평균값이 얻어진다.
또한, 본 실시 형태에서는 전류 측정 회로(402)는, 아날로그 회로로 구성되어 있지만, 일부가 디지털 회로로 구성되어 있어도 된다. 구체적으로는, 전류 측정 회로(402)는, ADC(아날로그-디지털 변환기)와, 디지털 LPF와, DAC(디지털-아날로그 변환기)를 갖는다. ADC는, 연산 증폭기(422)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 디지털 LPF는, 이 디지털 신호에 대하여 평활화 처리를 행한다. DAC는, 평활화 처리된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다.
본 실시 형태에서는, LPF(423)의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값은, 발광 제어부(11)의 연산 증폭기(112)의 비반전 입력 단자(+)에도 입력된다. 화소 전류 평균값이 목표값(V10)에 일치하도록, 연산 증폭기(112)는, 가변 전류원(111)으로부터 발광 소자(12)에 공급되는 발광 전류를 조정한다.
바이어스 전압 제어부(403)는, 연산 증폭기(431)를 갖는다. 연산 증폭기(431)의 비반전 입력 단자(+)에는, 상기 화소 전류 평균값이 입력된다. 연산 증폭기(431)의 반전 입력 단자(-)의 전위는, 목표값(V20)으로 설정되어 있다. 화소 전류 평균값이 목표값(V20)에 일치하도록, 연산 증폭기(431)는, 바이어스 전원(404)을 제어한다. 즉, 연산 증폭기(431)는, 화소 전류 평균값과 목표값(V20)의 차분에 따라서 바이어스 전원(404)으로부터 각 광 검출 소자(411)의 애노드에 공급되는 바이어스 전압을 조정한다.
도 3은, 바이어스 전원(404)의 구성을 도시하는 회로도이다. 바이어스 전원(404)은, 연산 증폭기(441) 및 전류원(442)을 갖는다. 연산 증폭기(441)의 비반전 입력 단자(+)는, 저항 소자(421)를 통해서 각 광 검출 소자(411)의 애노드에 접속되어 있다. 한편, 반전 입력 단자(-)는, 상술한 연산 증폭기(431)의 출력 단자에 접속되어 있다. 전류원(442)은, N형 MOS 트랜지스터로 구성되어 있다. N형 MOS 트랜지스터의 게이트는, 연산 증폭기(441)의 출력 단자에 접속되어 있다. 드레인은, 연산 증폭기(441)의 비반전 입력 단자(+)에 접속되어 있다. 소스는 접지되어 있다. 바이어스 전원(404)에서는, 연산 증폭기(441)가 N형 MOS 트랜지스터의 게이트 전위를 제어함으로써, 각 광 검출 소자(411)의 애노드에 공급되는 바이어스 전압이 조정된다.
도 4는, 본 실시 형태에 관한 측거 시스템(1)의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다. 이하, 도 4를 참조하여, 상기와 같이 구성된 측거 시스템(1)의 동작에 대해서 설명한다.
발광 소자(12)가 주기(T)로 발광할 때마다, 측거광(L1)이 피사체(102)에 조사된다. 또한, 반사광(L2)이 각 화소(401a)의 광 검출 소자(411)에 검출된다. 이 광 검출 소자(411)는, 피사체(102)의 설치 환경의 배경광(L3)(도 2 참조)도 검출한다. 배경광(L3)의 광량은, 반사광(L2)의 광량보다도 작다.
전류 측정 회로(402)에서 측정되는 화소 어레이(401)의 전체 화소의 전류를 합계한 전체 화소 전류에는, 배경광(L3)의 광량을 나타내는 전류 성분과, 배경광(L3)의 광량에 반사광(L2)의 광량이 더해진 전류 성분이 포함된다. 전체 화소 전류에는, 각 화소(401b)(비액티브 화소)의 누설 전류(IL)의 성분도 포함된다. 광 검출 소자(411)의 항복 전압은, 온도 변화에 대한 변동이나 개체 차가 있다. 그 때문에, 비액티브 화소(화소(401b))에서는, 광 검출 소자(411)의 애노드-캐소드간 전압이 항복 전압까지 강하하지 않아, 광자에 반응해서 누설 전류가 발생할 수 있다.
전체 화소 전류는, LPF(423)로 평활화된다. 이에 의해, 화소 전류 평균값이 얻어진다. 그 후, 바이어스 전압 제어부(403)의 연산 증폭기(431)에 의해, 전체 화소 전류가 일정해지도록 바이어스 전압이 조정된다. 예를 들어 배경광(L3)의 광량이 큰 환경 하에서는, 전체 화소 전류도 커진다. 이 경우, 바이어스 전원(404)에서는, 연산 증폭기(441)가 전류원(442)(N형 MOS 트랜지스터)의 게이트 전위를 낮춘다. 그 결과, 바이어스 전압이 상승한다.
한편, 배경광(L3)의 광량이 작은 환경 하에서는, 전체 화소 전류도 작아진다. 이 경우, 바이어스 전원(404)에서는, 연산 증폭기(441)가 전류원(442)(N형 MOS 트랜지스터)의 게이트 전위를 높인다. 그 결과, 바이어스 전압이 강하한다.
따라서, 본 실시 형태에 따르면, 액티브 화소(화소(401a)) 및 비액티브 화소(화소(401b)) 양쪽의 화소 전류를 측정해서 바이어스 전압을 조정하고 있다. 그 때문에, 배경광(L3)의 광량에 따라, 바이어스 전압을 적정화하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 발광 제어부(11)가, LPF(423)의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값에 기초하여 발광 전류를 조정한다. 예를 들어 배경광(L3)의 광량이 큰 환경 하에서는, 화소 전류 평균값도 커진다. 이 경우, 연산 증폭기(112)는, 발광 전류를 높이도록 가변 전류원(111)을 조정한다. 그 결과, 배경광(L3)의 광량이 큰 환경 하이어도, 측거 성능을 유지하는 것이 가능하게 된다.
한편, 배경광(L3)의 광량이 작은 환경 하에서는, 화소 전류 평균값도 작아진다. 이 경우, 연산 증폭기(112)는, 발광 전류를 낮추는 가변 전류원(111)을 조정한다. 이에 의해, 배경광(L3)의 광량이 작은 환경 하에서는, 발광 장치(10)의 소비 전력을 저감하는 것이 가능하게 된다.
(제2 실시 형태)
도 5는, 제2 실시 형태에서의 발광 장치(10) 및 광 검출 장치(40)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
본 실시 형태에서는, 전류 측정 회로(402)의 구성이 제1 실시 형태와 다르다. 본 실시 형태에 관한 전류 측정 회로(402)에는, 적분 회로(424) 및 보유 회로(425)가, LPF(423) 대신에 마련되어 있다.
적분 회로(424)는, 전류 측정 회로(402)의 연산 증폭기(422)의 출력 단자에 접속되어 있다. 적분 회로(424)는, 연산 증폭기(422)의 출력값, 즉 전체 화소 전류를 적분해서 보유 회로(425)에 출력한다. 보유 회로(425)는, 적분 회로(424)의 적분값, 즉 전체 화소 전류의 적분값을 일시적으로 보유한다.
도 6은, 본 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다. 이하, 도 6을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 발광 소자(12)는, 주기(T)로 측거광(L1)을 피사체(102)에 조사할 때마다, 각 화소(401a)의 광 검출 소자(411)가, 반사광(L2) 및 배경광(L3)을 검출한다. 또한, 전류 측정 회로(402)에서 검출되는 전체 화소 전류에도, 배경광(L3)의 광량을 나타내는 전류 성분, 반사광(L2)의 광량을 나타내는 전류 성분, 및 각 화소(401b)(비액티브 화소)의 누설 전류(IL)의 성분이 포함된다.
상기 전체 화소 전류는, 적분 회로(424)에서 적분된다. 적분 회로(424)는, 제어부(22)로부터 발광 소자(12)의 발광 주기와 동일한 주기(T)로 입력되는 제어 신호에 기초하여 전체 화소 전류를 적분한다. 즉, 적분 회로(424)의 적분 구간은, 주기(T)로 설정되어 있다.
계속해서, 적분 회로(424)의 적분값은 보유 회로(425)에서 보유된다. 보유 회로(425)도, 상기 제어 신호에 기초하여 적분값을 보유한다. 즉, 보유 회로(425)의 보유 구간은, 주기(T)로 설정되어 있다.
그 후, 연산 증폭기(431)가, 상기 적분값과 목표값(V21)의 차분에 따라서 바이어스 전압을 조정한다. 또한, 이 목표값(V21)은, 제1 실시 형태에서 설명한 목표값(V20)과는 다른 값이다. 이와 같이 하여, 전체 화소 전류가 일정해지도록 바이어스 전압이 조정된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 발광 제어부(11)가, 보유 회로(425)에서 일시적으로 보유된 화소 전류의 적분값과, 목표값(V11)의 차분에 따라서 발광 전류를 조정한다. 또한, 이 목표값(V11)은, 제1 실시 형태에서 설명한 목표값(V10)과는 다른 값이다. 이와 같이 하여 발광 전류가 조정되므로, 배경광(L3)의 광량에 따라서 측거광(L1)의 광량이 적정화된다.
이상 설명한 본 실시 형태에 따르면, 화소 어레이(401)의 전체 화소 전류를 사용해서 바이어스 전압을 조정하고 있기 때문에, 배경광(L3)의 광량에 따라서 광 검출 성능을 적정화하는 것이 가능하게 된다. 이에 더하여, 상기 전체 화소 전류를 사용해서 발광 전류도 조정하고 있기 때문에, 배경광(L3)의 광량에 따라서 발광 성능도 적정화하는 것이 가능하게 된다.
(제3 실시 형태)
도 7은, 제3 실시 형태에서의 발광 장치(10) 및 광 검출 장치(40)의 회로 구성의 일부를 도시하는 도면이다. 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 관한 광 검출 장치(40)는, 정전압원(405)을 더 갖는다. 본 실시 형태에 관한 정전압원(405)은, 전류 검출 기능을 갖는 바이어스 전원이며, 제1 트랜지스터(451)와, 제2 트랜지스터(452)와, 연산 증폭기(453)와, 정전압 마이너스 전원(454)을 갖는다. 제1 트랜지스터(451) 및 제2 트랜지스터(452)는, N형 MOS 트랜지스터이며, 커런트 미러 회로를 구성한다.
제1 트랜지스터(451)의 드레인은, 각 광 검출 소자(411)의 애노드에 접속되고, 소스는 정전압 마이너스 전원(454)에 접속되어 있다. 한편, 제2 트랜지스터(452)의 드레인은, 전류 측정 회로(402)의 저항 소자(421)에 직렬로 접속되고, 소스는 정전압 마이너스 전원(454)에 접속되어 있다. 각 트랜지스터의 게이트는, 연산 증폭기(453)의 출력 단자에 접속되어 있다.
연산 증폭기(453)의 비반전 입력 단자(+)는, 각 광 검출 소자(411)의 애노드에 접속되고, 반전 입력 단자(-)는 바이어스 전압 제어부(403)의 연산 증폭기(431)의 출력 단자에 접속되어 있다.
본 실시 형태에서는, 전체 화소 전류는, 제1 트랜지스터(451)를 흐른다. 이때, 제2 트랜지스터(452)는, 제1 트랜지스터(451)와 커런트 미러 회로를 구성하기 때문에, 전체 화소 전류와 동일한 전류가, 제2 트랜지스터(452)를 흘러서 저항 소자(421)에서 검출된다. 또한, 연산 증폭기(422)에서는, 저항 소자(421)의 검출 전류를 출력한다.
계속해서, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 전체 화소 전류가 적분 회로(424)에서 적분되어, 적분값이 보유 회로(425)에서 일시적으로 보유된다. 그 후, 연산 증폭기(431)가, 보유 회로(425)에서 일시적으로 보유된 적분값과 목표값(V20)의 차분에 따라서 바이어스 전압을 조정한다. 또한, 정전압원(405)의 연산 증폭기(453)에 있어서, 제1 트랜지스터(451)를 흐르는 전류와, 연산 증폭기(431)의 출력값의 차분에 따라, 제1 트랜지스터(451) 및 제2 트랜지스터(452) 각각의 게이트 전위가 조정된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 적분 회로(424) 및 보유 회로(425) 대신에 제1 실시 형태에서 설명한 LPF(423)가 마련되어 있어도 된다. 이 경우, 전체 화소 전류는 평활화된다.
이상 설명한 본 실시 형태에 따르면, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 배경광(L3)의 광량에 따라서 광 검출 성능 및 발광 성능을 적정화하는 것이 가능하게 된다. 이에 더하여, 본 실시 형태에서는, 바이어스 전원을, 전류 검출 기능을 갖는 바이어스 전원(405)으로 함으로써, 광 검출 소자(411)와 바이어스 전원의 사이에서의 전류 경로에 저항 소자(421)를 배치하지 않는 회로 구성으로, 전체 화소 전류를 측정할 수 있다.
(제4 실시 형태)
도 8은, 제4 실시 형태에서의 발광 장치(10) 및 광 검출 장치(40)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다. 본 실시 형태에 관한 광 검출 장치(40)는, 비액티브 화소 전류 측정 회로(406) 및 액티브 화소 전류 측정 회로(407)를 더 갖는다.
비액티브 화소 전류 측정 회로(406)는, 비액티브 화소에 설정된 화소(401b)의 화소 전류의 합계를 나타내는 비액티브 화소 전류를 측정하기 위한 회로이다. 구체적으로는, 비액티브 화소 전류 측정 회로(406)는, 저항 소자(461)와, 연산 증폭기(462)와, LPF(463)를 갖는다. 저항 소자(461)의 일단부는, 전류로(예를 들어 스위치 소자(412)의 소스)에 접속되고, 타단부는 접지되어 있다.
연산 증폭기(462)의 비반전 입력 단자(+)에는, 저항 소자(461)의 일단부가 접속되고, 반전 입력 단자(-)의 전위는, 접지되어 있다. 연산 증폭기(462)는, 저항 소자(461)의 전압을 비액티브 화소 전류로서 LPF(463)에 출력한다. LPF(463)는, 비액티브 화소 전류를 평활화한다. 이에 의해, 비액티브 화소 전류의 평균값이 얻어진다.
한편, 액티브 화소 전류 측정 회로(407)는, 액티브 화소에 설정된 화소(401a)의 화소 전류의 합계를 나타내는 액티브 화소 전류를 측정하기 위한 회로이다. 구체적으로는, 액티브 화소 전류 측정 회로(407)는, 연산 증폭기(471)와, 제1 샘플링 홀드(S/H) 회로(472)와, 제2 샘플링 홀드(S/H) 회로(473)를 갖는다.
연산 증폭기(471)의 비반전 입력 단자(+)에는, LPF(423)로 측정된 전체 화소 전류의 평균값이 입력되고, 반전 입력 단자(-)에는, 비액티브 화소 전류 측정 회로(406)에서 측정된 비액티브 화소 전류의 평균값이 입력된다. 연산 증폭기(471)는, 전체 화소 전류의 평균값으로부터 비액티브 화소 전류의 평균값을 감산하여, 액티브 화소 전류를 측정한다.
제1 샘플링 홀드 회로(472)는, 발광 소자(12)가 측거광(L1)을 조사하기 전의 연산 증폭기(471)의 제1 검출값을 일시적으로 보유한다. 한편, 제2 샘플링 홀드 회로(473)는, 발광 소자(12)가 측거광(L1)을 조사한 후의 연산 증폭기(471)의 제2 검출값을 일시적으로 보유한다. 제1 검출값 및 제2 검출값은, 동시에 발광 제어부(11)에 출력된다.
본 실시 형태에 관한 발광 제어부(11)는, 연산 증폭기(113)를 더 갖는다. 연산 증폭기(113)의 비반전 입력 단자(+)에는 제2 검출값이 입력되고, 반전 입력 단자(-)에는 제1 검출값이 입력된다. 연산 증폭기(113)는, 제2 검출값과 제1 검출값의 차분을 출력한다. 이 차분은, 측거광(L1)에 대한 화소(401a)의 광 검출 소자(411)의 반응 전류에 상당한다. 이 반응 전류는, 연산 증폭기(112)의 비반전 입력 단자(+)에 입력된다. 연산 증폭기(112)는, 반응 전류와 목표값(V12)의 차분에 따라서 발광 전류를 조정한다.
도 9는, 본 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다. 또한, 도 10은, 본 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작 수순을 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 측거 시스템의 동작에 대해서 설명한다.
먼저, 발광 소자(12)가, 발광 제어부(11)의 제어에 기초하여 소등된다(스텝 S1). 이 경우, 배경광(L3)이 화소(401a)(액티브 화소) 및 화소(401b)(비액티브 화소)의 각 광 검출 소자(411)에 입사된다.
이어서, 전류 측정 회로(402)가 전체 화소 전류(I10)를 측정한다(스텝 S2). 스텝 S2에 병행하여, 비액티브 화소 전류 측정 회로(406)가 비액티브 화소 전류(I20)를 측정한다(스텝 S3). 전체 화소 전류(I10) 및 비액티브 화소 전류(I20)는, 배경광(L3)의 전류 성분만을 포함한다.
이어서, 액티브 화소 전류 측정 회로(407)가, 전체 화소 전류(I10)로부터 비액티브 화소 전류(I20)를 감산해서 액티브 화소 전류(I30)를 측정한다(스텝 S4). 액티브 화소 전류(I30)는, 제1 샘플링 홀드 회로(472)에 홀딩된다(스텝 S5).
이어서, 발광 소자(12)가, 발광 제어부(11)의 제어에 기초하여 점등된다(스텝 S6). 이 경우, 측거광(L1)이 발광 소자(12)로부터 피사체(102)를 향해서 조사되고, 반사광(L2) 및 배경광(L3)이 화소(401a)(액티브 화소) 및 화소(401b)(비액티브 화소)의 각 광 검출 소자(411)에 입사된다.
이어서, 전류 측정 회로(402)가 전체 화소 전류(I11)를 측정한다(스텝 S7). 스텝 S7에 병행하여, 비액티브 화소 전류 측정 회로(406)가 비액티브 화소 전류(I22)를 측정한다(스텝 S8). 전체 화소 전류(I11) 및 비액티브 화소 전류(I22)는, 배경광(L3)의 전류 성분뿐만 아니라 반사광(L2)의 전류 성분도 포함한다.
이어서, 액티브 화소 전류 측정 회로(407)가, 전체 화소 전류(I11)로부터 비액티브 화소 전류(I21)를 감산해서 액티브 화소 전류(I31)를 측정한다(스텝 S9). 액티브 화소 전류(I31)는, 제2 샘플링 홀드 회로(472)에 홀딩된다(스텝 S10).
계속해서, 액티브 화소 전류(I30) 및 액티브 화소 전류(I31)가, 발광 제어부(11)에 동시에 입력된다. 발광 제어부(11)는, 액티브 화소 전류(I31)로부터 액티브 화소 전류(I30)를 감산하여, 액티브 화소 전류(I32)를 측정한다(스텝 S11). 액티브 화소 전류(I32)는, 반사광(L2)의 전류 성분만을 포함하기 때문에, 측거광(L1)에 대한 액티브 화소의 광 검출 소자(411)의 반응 전류에 상당한다.
마지막으로, 발광 제어부(11)가, 액티브 화소 전류(I32)에 기초하여 발광 전류를 조정한다(스텝 S12). 또한, 바이어스 전압 제어부(403)가, 전체 화소 전류(I11)에 기초하여 바이어스 전압을 조정한다. 이에 의해, 전체 화소 전류 및 액티브 화소 전류가, 각각 타깃 전류(Itgt1) 및 타깃 전류(Itgt1)로 되도록 제어된다.
본 실시 형태에 따르면, 상기한 바와 같이, 화소 어레이(401) 전체의 소비 전류가 소정의 전류 목표값으로 되도록 바이어스 전압을 제어하고, 반사광(L2)에 의한 액티브 화소 전류가 소정의 전류 목표값으로 되도록 발광 전류를 제어한다. 이에 의해, 배경광(L3)의 전류 성분과 누설 전류(IL)를 억제한 분만큼, 반사광(L3)의 전류 성분이 증가하고, 측거광(L1)의 광량이 증가한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 각 화소의 인버터(414)에서는 검출할 수 없는 광 검출 소자(411)의 포톤 반응을 검출할 수 있다. 이하, 이 효과에 대해서 도 11을 참조하여 설명한다.
도 11은, 광 검출 소자(411)와 인버터(414)의 동작 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다. 도 11은, 액티브 화소의 광 검출 소자(411)의 애노드와 캐소드간의 전압(VD) 및 전류(ID)의 변화를 나타낸다.
먼저, 시각 t1에서의 입사광(L11)에 대한 광 검출 소자(411)의 포톤 반응에 의해, 애벌란시 증배에 의한 전류가 흐른다. 그 때문에, 애노드-캐소드간 전압(VD)은, 항복 전압(Vbd)과, 직렬 기생 저항(Rs)과 전류(Iq)를 적산한 전압을 가산한 전압까지 저하된다. 이에 의해, 애벌란시 증배가 멈춘다(가이거 모드에서 벗어남).
계속해서, 전류원(413)으로부터 전류가 흘러서 애노드-캐소드간 전압(VD)이 회복되는, 소위 리차지 동작이 행해진다. 이때, 배경광(L31)의 광량은 충분히 작기 때문에, 리차지 동작 중에 포톤 반응은 일어나지 않는다.
그 후, 시각 t2에서의 입사광(L12)에 대한 광 검출 소자(411)의 포톤 반응에 의해, 애벌란시 증배에 의한 전류(Iq)가 흐른다. 포톤 반응에 의해, 애노드-캐소드간 전압(VD)은 다시 전압 강하하고, 계속해서 리차지 동작이 개시된다. 이때, 배경광(L32)의 광량은 배경광(L31)보다도 크기 때문에, 포톤 반응이 복수회 일어난다. 그 때문에, 전류가 포톤 반응마다 흐른다.
그러나, 애노드-캐소드간 전압(VD)이 인버터(414)의 기준 전압을 초과하기 전에 이 포톤 반응이 발생했을 경우, 인버터(414)의 출력 펄스의 레벨이 변화하지 않기 때문에, 포톤 반응을 검출할 수 없다.
한편, 본 실시 형태에서는, 배경광(L3)만의 전류 성분을 포함한 액티브 화소 전류를 측정할 수 있다. 그 때문에, 인버터(414)에서 검출할 수 없는 광 검출 소자(411)의 포톤 반응을 검출할 수 있다.
(제5 실시 형태)
도 12는, 제5 실시 형태에서의 발광 장치(10) 및 광 검출 장치(40)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 관한 광 검출 장치(40)의 화소 어레이(401)에서는, 광 검출 소자(411)의 애노드가 인버터(414)에 접속되고, 캐소드가 전류 측정 회로(402)에 접속되어 있다. 인버터(414)는, 애노드 전압이 변화했는지 여부를 나타내는 디지털 신호를 신호 처리 회로(50)에 출력한다. 또한, 광 검출 소자(411)의 애노드에는, N형 MOS 트랜지스터로 구성된 전류원(413a)과, P형 MOS 트랜지스터로 구성된 스위치 소자(412a)가 접속되어 있다.
전류 측정 회로(402)는, 광 검출 소자(411)의 캐소드측에서 전체 화소 전류의 평균값을 측정한다. 또한, 전류 측정 회로(402)에서는, 제2 실시 형태에서 설명한 적분 회로(424) 및 보유 회로(425)가 LPF(423) 대신에 마련되어 있어도 된다.
바이어스 전압 제어부(403)는, LPF(423)의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값과 목표값(V22)의 차분에 따라, 바이어스 전원(404)으로부터 각 광 검출 소자(411)의 캐소드에 공급되는 바이어스 전압을 조정한다. 또한, 발광 제어부(11)의 연산 증폭기(112)는, 상기 화소 전류 평균값과 목표값(V13)의 차분에 따라, 발광 소자(12)의 발광 전류를 조정한다.
이상 설명한 본 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 액티브 화소(401a) 및 비액티브 화소(화소(401b)) 양쪽의 화소 전류를 측정해서 바이어스 전압을 조정하고 있다. 그 때문에, 배경광(L3)의 광량에 따라, 바이어스 전압을 적정화하는 것이 가능하게 된다. 또한, 발광 제어부(11)가, 화소 전류 평균값에 기초하여 발광 전류를 조정하기 때문에, 측거 성능을 유지하고, 소비 전력을 저감하는 것이 가능하게 된다.
(제6 실시 형태)
도 13은, 제6 실시 형태에서의 발광 장치(10) 및 광 검출 장치(40)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 상술한 제5 실시 형태와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 관한 광 검출 장치(40)는, 비액티브 화소 전류 측정 회로(406) 및 액티브 화소 전류 측정 회로(407)를 더 갖는다. 비액티브 화소 전류 측정 회로(406)는, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 화소(401b)(비액티브 화소)의 비액티브 화소 전류를 측정한다. 또한, 액티브 화소 전류 측정 회로(407)도, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 측거광(L1)의 조사 전후의 액티브 화소 전류를 측정한다.
또한, 발광 제어부(11)도, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 측거광(L1)에 대한 광 검출 소자(411)의 반응 전류를 측정하여, 그 반응 전류와 목표값(V14)의 차분에 따라서 발광 전류를 조정한다.
따라서, 본 실시 형태에서도, 바이어스 전압을 적정화하여, 측거 성능을 유지하고, 소비 전력을 저감하는 것이 가능하게 된다. 이에 더하여, 각 화소의 인버터(414)에서는 검출할 수 없는 광 검출 소자(411)의 포톤 반응도 검출할 수 있다.
(제1 변형예)
도 14는, 상술한 각 실시 형태에 관한 측거 시스템의 배치 구성의 일례를 도시하는 레이아웃도이다.
도 14에 도시하는 변형예에서는, 이차원상으로 배열된 복수의 광 검출 소자(411)가 제1 반도체 기판(501)에 마련되어 있다. 제1 반도체 기판(501)에는, 구리 패드로 제2 반도체 기판(502)이 접합되어 있다. 이에 의해, 제1 반도체 기판(501) 및 제2 반도체 기판(502)은, 서로 적층된 1개의 반도체 칩으로서 형성된다.
제2 반도체 기판(502)에는, 각 광 검출 소자(411)의 판독 회로(512)와, 제어부(22)가 마련되어 있다. 판독 회로(512)에는, 예를 들어 화소 어레이(401)의 광 검출 소자(411) 이외의 부품이나 전류 측정 회로(402)와 같은 광 검출 장치(40)의 일부에 더하여, 신호 처리 회로(50) 등이 포함된다.
또한, 제1 반도체 기판(501) 및 제2 반도체 기판(502)과는 별도 칩으로서 형성되는 제3 반도체 기판(503)에는, 가변 전원 회로(513)가 마련되어 있다. 가변 전원 회로(513)에는, 예를 들어 바이어스 전압 제어부(403)나 바이어스 전원(404)과 같은 광 검출 장치(40)의 나머지 부분 등이 마련되어 있다.
또한, 본 변형예에서는, 제1 반도체 기판(501) 및 제2 반도체 기판(502)과는 별도 칩으로서 형성되는 제4 반도체 기판(504) 및 제5 반도체 기판(505)도 마련되어 있다. 제4 반도체 기판(504)에는, 구동 회로(514)가 마련되어 있다. 구동 회로(514)에는, 예를 들어 상술한 발광 제어부(11) 등의 발광 소자(12)의 구동에 관한 부품이 마련되어 있다. 한편, 제5 반도체 기판(505)에는, 이차원상으로 배열된 복수의 발광 소자(12)가 마련되어 있다.
이상 설명한 본 변형예에 의하면, 광 검출 소자(411)를 독립된 1개의 반도체 기판에 배치함으로써, 반도체 기판에서 차지하는 수광 영역의 비율(Fill Factor)이 향상된다. 그 결과, 광 검출 소자(411)에 입사된 광자를 높은 확률로 검출하는 것이 가능하게 된다. 또한, 발광 소자(12)도, 독립된 1개의 반도체 기판에 배치되어 있으므로, 반도체 기판에서 차지하는 발광 영역의 비율이 향상된다.
(제2 변형예)
도 15는, 상술한 각 실시 형태에 관한 측거 시스템의 배치 구성의 다른 일례를 도시하는 레이아웃도이다. 상술한 제1 변형예와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
본 변형예에서는, 가변 전원 회로(513)가 제2 반도체 기판(502)에 마련되어 있다. 즉, 광 검출 장치(40) 전부가, 제2 반도체 기판(502)에 집약되어 있다.
따라서, 본 실시 형태에 따르면, 제3 반도체 기판(503)이 불필요해지므로, 시스템을 소형화할 수 있다.
<이동체에의 응용예>
본 개시에 관한 기술(본 기술)는, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들어, 본 개시에 관한 기술은, 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동 이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 것의 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 된다.
도 16은, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 일례인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성예를 도시하는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은, 통신 네트워크(12001)를 통해서 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 16에 도시한 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은, 구동계 제어 유닛(12010), 보디계 제어 유닛(12020), 차밖 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 차량 탑재 네트워크 I/F(Interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은, 각종 프로그램에 따라서 차량의 구동계에 관련하는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들어, 구동계 제어 유닛(12010)은, 내연 기관 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 따라서 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들어, 보디계 제어 유닛(12020)은, 키리스 엔트리 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 혹은 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 방향 지시등 또는 포그 램프 등의 각종 램프의 제어 장치로서 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, 이러한 전파 또는 신호의 입력을 접수하여, 차량의 도어록 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차밖 정보 검출 유닛(12030)은, 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량 외부의 정보를 검출한다. 예를 들어, 차밖 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차밖 정보 검출 유닛(12030)은, 촬상부(12031)에 차밖의 화상을 촬상시킴과 함께, 촬상된 화상을 수신한다. 차밖 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 기초하여, 사람, 차, 장해물, 표지 또는 노면 상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행해도 된다.
촬상부(12031)는, 광을 수광하여, 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 들어 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들어 운전자를 촬상하는 카메라를 포함하고, 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, 차밖 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 대하여 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 혹은 충격 완화, 차간 거리에 기초하는 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 레인 일탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차밖 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량의 주위 정보에 기초하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함으로써, 운전자의 조작에 따르지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차밖 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차밖의 정보에 기초하여, 보디계 제어 유닛(12030)에 대하여 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차밖 정보 검출 유닛(12030)에서 검지한 선행 차 또는 대향 차의 위치에 따라서 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 방현을 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
음성 화상 출력부(12052)는, 차량의 탑승자 또는 차밖에 대하여, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력 장치에 음성 및 화상 중 적어도 한쪽의 출력 신호를 송신한다. 도 16의 예에서는, 출력 장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되어 있다. 표시부(12062)는, 예를 들어 온보드 디스플레이 및 헤드업 디스플레이의 적어도 하나를 포함하고 있어도 된다.
도 17은, 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 도시하는 도면이다.
도 17에서는, 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들어 차량(12100)의 프론트 노즈, 사이드미러, 리어 범퍼, 백 도어 및 차실내의 프론트 글래스의 상부 등의 위치에 마련된다. 프론트 노즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실내의 프론트 글래스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방 화상을 취득한다. 사이드미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는, 주로 차량(12100)의 측방 화상을 취득한다. 리어 범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는, 주로 차량(12100)의 후방 화상을 취득한다. 차실내의 프론트 글래스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 선행 차량, 또는 보행자, 장해물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 사용된다.
또한, 도 17에는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 일례가 도시되어 있다. 촬상 범위(12111)는, 프론트 노즈에 마련된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드미러에 마련된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는, 리어 범퍼 또는 백 도어에 마련된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들어, 촬상부(12101 내지 12104)에서 촬상된 화상 데이터가 중첩되어짐으로써, 차량(12100)을 상방에서 본 부감 화상이 얻어진다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 거리 정보를 취득하는 기능을 갖고 있어도 된다. 예를 들어, 촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 복수의 촬상 소자를 포함하는 스테레오 카메라이어도 되고, 위상차 검출용 화소를 갖는 촬상 소자이어도 된다.
예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대 속도)를 구함으로써, 특히 차량(12100)의 진행로 상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 대략 동일한 방향으로 소정의 속도(예를 들어, 0km/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행 차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 선행 차의 앞쪽에 미리 확보해야 하는 차간 거리를 설정하여, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함함)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함함) 등을 행할 수 있다. 이렇게 운전자의 조작에 따르지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 바탕으로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 2륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전신주 등 기타 입체물로 분류해서 추출하여, 장해물의 자동 회피에 사용할 수 있다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량(12100)의 주변의 장해물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장해물과 시인 곤란한 장해물로 식별한다. 그리고, 마이크로컴퓨터(12051)는, 각 장해물과의 충돌 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하여, 충돌 리스크가 설정값 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황일 때는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통해서 드라이버에게 경보를 출력하는 것이나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통해서 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라이어도 된다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지 여부를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들어 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에서의 특징점을 추출하는 수순과, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행해서 보행자인지 여부를 판별하는 수순에 의해 행해진다. 마이크로컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하고, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에 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 관한 기술이 적용될 수 있는 차량 제어 시스템의 일례에 대해서 설명했다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 예를 들어 촬상부(12031)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 촬상부(21)는, 촬상부(12031)에 적용할 수 있다. 본 개시에 관한 기술을 적용함으로써, 보다 측거 정밀도가 높은 촬영 화상을 얻을 수 있기 때문에, 안전성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성을 취할 수 있다.
(1) 측거광을 조사하는 발광 장치와,
상기 측거광의 반사광을 수광하는 광 검출 장치를 구비하고,
상기 광 검출 장치는,
상기 반사광을 검출하는 복수의 애벌란시 포토다이오드를 각각 포함하는 복수의 화소가 배열된 화소 어레이와,
상기 화소 어레이의 전체 화소 전류를 측정하는 전류 측정 회로와,
상기 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용하여, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 공급하는 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 전압 제어부를 갖고,
상기 발광 장치는, 상기 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용해서 상기 측거광의 광량을 제어하는 발광 제어부를 갖는, 측거 시스템.
(2) 상기 전류 측정 회로는,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 평활화하는 저역 통과 필터를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 저역 통과 필터의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제1 목표값의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
상기 발광 제어부는, 상기 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖는, (1)에 기재된 측거 시스템.
(3) 상기 전류 측정 회로는,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
상기 발광 제어부는, 상기 보유값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖는, (1)에 기재된 측거 시스템.
(4) 상기 광 검출 장치는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 정전압원을 더 갖고,
상기 전류 측정 회로는,
상기 정전압원을 통해서 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로와,
상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압 및 상기 정전압원을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
상기 발광 제어부는, 상기 보유값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖는, (1)에 기재된 측거 시스템.
(5) 상기 정전압원은,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 제1 트랜지스터와, 상기 저항 소자에 직렬로 접속되는 제2 트랜지스터를 갖는 커런트 미러 회로와,
상기 전체 화소 전류와, 상기 제2 연산 증폭기의 출력값의 차분에 따라서 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 제어하는 제4 연산 증폭기를 갖는, (4)에 기재된 측거 시스템.
(6) 상기 광 검출 장치는,
상기 복수의 화소를, 액티브 화소 또는 비액티브 화소로 각각 전환하는 복수의 스위치 소자와,
상기 비액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 비액티브 화소 전류를 측정하는 비액티브 화소 전류 측정 회로와,
상기 전류 측정 회로의 검출값으로부터 상기 비액티브 화소 전류 측정 회로의 검출값을 감산해서 상기 액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 액티브 화소 전류를 측정하는 액티브 화소 전류 측정 회로를 또한 갖는, (1)에 기재된 측거 시스템.
(7) 상기 액티브 화소 전류 측정 회로는,
상기 측거광의 조사 전에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제1 검출값을 일시적으로 보유하는 제1 샘플링 홀드 회로와,
상기 측거광의 조사 후에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제2 검출값을 일시적으로 보유하는 제2 샘플링 홀드 회로를 갖고,
상기 발광 제어부는, 상기 제1 검출값과 상기 제2 검출값의 차분을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값과 미리 설정된 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖는, (6)에 기재된 측거 시스템.
(8) 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치의 일부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있는, (1)에 기재된 측거 시스템.
(9) 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치 전부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있는, (1)에 기재된 측거 시스템.
(10) 상기 전류 측정 회로는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드 각각의 애노드에 접속되어 있는, (1)에 기재된 측거 시스템.
(11) 상기 전류 측정 회로는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드 각각의 캐소드에 접속되어 있는, (1)에 기재된 측거 시스템.
(12) 측거광의 반사광을 검출하는 복수의 애벌란시 포토다이오드를 각각 포함하는 복수의 화소가 배열된 화소 어레이와,
상기 화소 어레이의 전체 화소 전류를 측정하는 전류 측정 회로와,
상기 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용하여, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 공급하는 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 전압 제어부를 구비하는, 광 검출 장치.
(13) 상기 전류 측정 회로는,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 평활화하는 저역 통과 필터를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 저역 통과 필터의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제1 목표값의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖는, (12)에 기재된 광 검출 장치.
(14) 상기 전류 측정 회로는,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖는, (12)에 기재된 광 검출 장치.
(15) 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 정전압원을 더 구비하고,
상기 전류 측정 회로는,
상기 정전압원을 통해서 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 저항 소자와,
상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기를 갖고,
상기 바이어스 전압 제어부는,
상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로와,
상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압 및 상기 정전압원을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖는, (12)에 기재된 광 검출 장치.
(16) 상기 정전압원은,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 제1 트랜지스터와, 상기 저항 소자에 직렬로 접속되는 제2 트랜지스터를 갖는 커런트 미러 회로와,
상기 전체 화소 전류와, 상기 제2 연산 증폭기의 출력값의 차분에 따라서 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 제어하는 제3 연산 증폭기를 갖는, (15)에 기재된 광 검출 장치.
(17) 상기 복수의 화소를, 액티브 화소 또는 비액티브 화소로 각각 전환하는 복수의 스위치 소자와,
상기 비액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 비액티브 화소 전류를 측정하는 비액티브 화소 전류 측정 회로와,
상기 전류 측정 회로의 검출값으로부터 상기 비액티브 화소 전류 측정 회로의 검출값을 감산해서 상기 액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 액티브 화소 전류를 측정하는 액티브 화소 전류 측정 회로를 더 구비하는, (12)에 기재된 광 검출 장치.
(18) 상기 액티브 화소 전류 측정 회로는,
상기 측거광의 조사 전에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제1 검출값을 일시적으로 보유하는 제1 샘플링 홀드 회로와,
상기 측거광의 조사 후에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제2 검출값을 일시적으로 보유하는 제2 샘플링 홀드 회로를 갖는, (17)에 기재된 광 검출 장치.
(19) 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치의 일부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있는, (12)에 기재된 광 검출 장치.
(20) 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치 전부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있는, (12)에 기재된 광 검출 장치.
10: 발광 장치 11: 발광 제어부
40: 광 검출 장치 112: 연산 증폭기
113: 연산 증폭기 401: 화소 어레이
402: 전류 측정 회로 403: 바이어스 전압 제어부
405: 전류 검출 기능을 갖는 바이어스 전원
406: 비액티브 화소 전류 측정 회로
407: 액티브 화소 전류 측정 회로 412, 412a: 스위치 소자
421: 저항 소자 422: 연산 증폭기
423: LPF 424: 적분 회로
425: 보유 회로 431: 연산 증폭기
451: 제1 트랜지스터 452: 제2 트랜지스터
453: 연산 증폭기 472: 제1 샘플링 홀드 회로
473: 제2 샘플링 홀드 회로

Claims (20)

  1. 측거광을 조사하는 발광 장치와,
    상기 측거광의 반사광을 수광하는 광 검출 장치를 구비하고,
    상기 광 검출 장치는,
    상기 반사광을 검출하는 복수의 애벌란시 포토다이오드를 각각 포함하는 복수의 화소가 배열된 화소 어레이와,
    상기 화소 어레이의 전체 화소 전류를 측정하는 전류 측정 회로와,
    상기 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용하여, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 공급하는 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 전압 제어부를 갖고,
    상기 발광 장치는, 상기 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용해서 상기 측거광의 광량을 제어하는 발광 제어부를 갖는, 측거 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 측정 회로는,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
    상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
    상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 평활화하는 저역 통과 필터를 갖고,
    상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 저역 통과 필터의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제1 목표값의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
    상기 발광 제어부는, 상기 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖는, 측거 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 측정 회로는,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
    상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
    상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
    상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로를 갖고,
    상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
    상기 발광 제어부는, 상기 보유값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖는, 측거 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광 검출 장치는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 정전압원을 더 갖고,
    상기 전류 측정 회로는,
    상기 정전압원을 통해서 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 저항 소자와,
    상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기를 갖고,
    상기 바이어스 전압 제어부는,
    상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
    상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로와,
    상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압 및 상기 정전압원을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖고,
    상기 발광 제어부는, 상기 보유값과 미리 설정된 제2 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제3 연산 증폭기를 갖는, 측거 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 정전압원은,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 제1 트랜지스터와, 상기 저항 소자에 직렬로 접속되는 제2 트랜지스터를 갖는 커런트 미러 회로와,
    상기 전체 화소 전류와, 상기 제2 연산 증폭기의 출력값의 차분에 따라서 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 제어하는 제4 연산 증폭기를 갖는, 측거 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광 검출 장치는,
    상기 복수의 화소를, 액티브 화소 또는 비액티브 화소로 각각 전환하는 복수의 스위치 소자와,
    상기 비액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 비액티브 화소 전류를 측정하는 비액티브 화소 전류 측정 회로와,
    상기 전류 측정 회로의 검출값으로부터 상기 비액티브 화소 전류 측정 회로의 검출값을 감산해서 상기 액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 액티브 화소 전류를 측정하는 액티브 화소 전류 측정 회로를 또한 갖는, 측거 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 액티브 화소 전류 측정 회로는,
    상기 측거광의 조사 전에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제1 검출값을 일시적으로 보유하는 제1 샘플링 홀드 회로와,
    상기 측거광의 조사 후에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제2 검출값을 일시적으로 보유하는 제2 샘플링 홀드 회로를 갖고,
    상기 발광 제어부는, 상기 제1 검출값과 상기 제2 검출값의 차분을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
    상기 제1 연산 증폭기의 출력값과 미리 설정된 목표값의 차분에 따라서 상기 광량을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖는, 측거 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치의 일부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있는, 측거 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치 전부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있는, 측거 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전류 측정 회로는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드 각각의 애노드에 접속되어 있는, 측거 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전류 측정 회로는, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드 각각의 캐소드에 접속되어 있는, 측거 시스템.
  12. 측거광의 반사광을 검출하는 복수의 애벌란시 포토다이오드를 각각 포함하는 복수의 화소가 배열된 화소 어레이와,
    상기 화소 어레이의 전체 화소 전류를 측정하는 전류 측정 회로와,
    상기 전류 측정 회로의 검출 결과를 사용하여, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 공급하는 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 전압 제어부를 구비하는, 광 검출 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전류 측정 회로는,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
    상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
    상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 평활화하는 저역 통과 필터를 갖고,
    상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 저역 통과 필터의 평활화에 의해 얻어진 화소 전류 평균값과 미리 설정된 제1 목표값의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖는, 광 검출 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 전류 측정 회로는,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 저항 소자와,
    상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기와,
    상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
    상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로를 갖고,
    상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖는, 광 검출 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 정전압원을 더 구비하고,
    상기 전류 측정 회로는,
    상기 정전압원을 통해서 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 접속되는 저항 소자와,
    상기 저항 소자의 전압을 출력하는 제1 연산 증폭기를 갖고,
    상기 바이어스 전압 제어부는,
    상기 제1 연산 증폭기의 출력값을 적분하는 적분 회로와,
    상기 적분 회로의 적분값을 일시적으로 보유하는 보유 회로와,
    상기 보유 회로의 보유값과 미리 설정된 제1 목표 전압의 차분에 따라서 상기 바이어스 전압 및 상기 정전압원을 조정하는 제2 연산 증폭기를 갖는, 광 검출 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 정전압원은,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드에 직렬로 접속되는 제1 트랜지스터와, 상기 저항 소자에 직렬로 접속되는 제2 트랜지스터를 갖는 커런트 미러 회로와,
    상기 전체 화소 전류와, 상기 제2 연산 증폭기의 출력값의 차분에 따라서 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 제어하는 제3 연산 증폭기를 갖는, 광 검출 장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 복수의 화소를, 액티브 화소 또는 비액티브 화소로 각각 전환하는 복수의 스위치 소자와,
    상기 비액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 비액티브 화소 전류를 측정하는 비액티브 화소 전류 측정 회로와,
    상기 전류 측정 회로의 검출값으로부터 상기 비액티브 화소 전류 측정 회로의 검출값을 감산해서 상기 액티브 화소의 화소 전류의 합계를 나타내는 액티브 화소 전류를 측정하는 액티브 화소 전류 측정 회로를 더 구비하는, 광 검출 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 액티브 화소 전류 측정 회로는,
    상기 측거광의 조사 전에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제1 검출값을 일시적으로 보유하는 제1 샘플링 홀드 회로와,
    상기 측거광의 조사 후에 상기 액티브 화소 전류 측정 회로에서 검출된 제2 검출값을 일시적으로 보유하는 제2 샘플링 홀드 회로를 갖는, 광 검출 장치.
  19. 제12항에 있어서, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치의 일부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있는, 광 검출 장치.
  20. 제12항에 있어서, 상기 복수의 애벌란시 포토다이오드가 제1 반도체 기판에 마련되고,
    상기 복수의 애벌란시 포토다이오드를 제외한 상기 광 검출 장치 전부가, 상기 제1 반도체 기판에 접합되는 제2 반도체 기판에 마련되어 있는, 광 검출 장치.
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