TWI820184B - 受光元件及測距系統 - Google Patents

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TWI820184B TW108129396A TW108129396A TWI820184B TW I820184 B TWI820184 B TW I820184B TW 108129396 A TW108129396 A TW 108129396A TW 108129396 A TW108129396 A TW 108129396A TW I820184 B TWI820184 B TW I820184B
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Abstract

本技術係關於一種可減低消耗電力之受光元件及測距系統。 受光元件具備像素，該像素具有：SPAD；第1電晶體，其將SPAD之陰極電壓設定為第1負電壓；電壓轉換電路，其將光子入射時之SPAD之陰極電壓加以轉換而輸出；及輸出部，其基於轉換後之陰極電壓，輸出表示光子向SPAD入射之檢測信號。本技術可應用於例如檢測至被攝體之深度方向之距離之測距系統等。

Description

受光元件及測距系統
本技術係關於一種受光元件及測距系統，且係關於可使消耗電力減少之受光元件及測距系統。
近年來，藉由ToF(Time-of-Flight：飛行時間)法進行距離計測之距離圖像感測器備受矚目。於距離圖像感測器，採用例如將使用SPAD(Single Photon Avalanche Diode：單光子崩潰二極體)之像素配置為矩陣狀之像素陣列。於SPAD，於施加大於擊穿電壓之電壓之狀態下，若向高電場之PN接合區域輸入1個光子，則產生雪崩放大。藉由檢測此時瞬間電流流通之時序，可高精度地計測距離。
於將使用SPAD之像素配置為矩陣狀之距離圖像感測器，進行將一部分之像素設定為檢測光子之作用像素，將其餘像素設定為不檢測光子之非作用像素之驅動(例如，參照專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]美國專利申請公開第2016/0284743號說明書
如上所述，因需對SPAD施加大於擊穿電壓之電壓，故驅動SPAD之驅動電路或SPAD之後段之信號處理電路之消耗電力亦容易變大，而期待進一步低電力消耗化。
本技術係鑒於此種狀況而完成者，其係可減低消耗電力者。
本技術之第1態樣之受光元件具備像素，該像素具有：SPAD；第1電晶體，其將上述SPAD之陰極電壓設定為第1負電壓；電壓轉換電路，其將光子入射時之上述SPAD之陰極電壓加以轉換而輸出；及輸出部，其基於轉換後之上述陰極電壓，輸出表示光子向上述SPAD入射之檢測信號。
本技術之第2態樣之測距系統具備：照明裝置，其照射照射光；及受光元件，其接收對於上述照射光之反射光；且上述受光元件具備像素，其具有：SPAD；第1電晶體，其將上述SPAD之陰極電壓設定為第1負電壓；電壓轉換電路，其將光子入射時之上述SPAD之陰極電壓加以轉換而輸出；及輸出部，其基於轉換後之上述陰極電壓，輸出表示光子向上述SPAD入射之檢測信號。
於本技術之第1及第2態樣中，設置有：SPAD；第1電晶體，其將上 述SPAD之陰極電壓設定為第1負電壓；電壓轉換電路，其將光子入射時之上述SPAD之陰極電壓加以轉換而輸出；及輸出部，其基於轉換後之上述陰極電壓，輸出表示光子向上述SPAD入射之檢測信號。
受光元件及測距系統可為獨立之裝置，亦可為組裝於其他裝置之模組。
11:測距系統
12:被攝體
13:被攝體
21:照明裝置
22:攝像裝置
31:照明控制部
32:光源
41:攝像部
42:控制部
43:顯示部
44:記憶部
51:透鏡
52:受光元件
53:信號處理電路
111:像素驅動部
112:像素陣列
113:MUX(多工器)
114:時間計測部
115:輸入輸出部
121:像素
122:像素驅動線
211:SPAD
212、213:電晶體
214:反相器
215:電壓轉換電路
216、216’:輸出緩衝器
241、242:信號線
261(261A~261D):縱配線
271(271A~271D):信號線
311:電晶體
321:區域
322:區域
12000:車輛控制系統
12001:通信網路
12010:驅動系統控制單元
12020:車體系統控制單元
12030:車外資訊檢測單元
12031:攝像部
12040:車內資訊檢測單元
12041:駕駛者狀態檢測部
12050:整合控制單元
12051:微電腦
12052:聲音圖像輸出部
12053:車輛網路I/F
12061:擴音器
12062:顯示部
12063:儀錶面板
12100:車輛
12101:攝像部
12102:攝像部
12103:攝像部
12104:攝像部
12105:攝像部
12111:攝像範圍
12112:攝像範圍
12113:攝像範圍
12114:攝像範圍
A~D:SP構成像素
PFout:檢測信號
SP(SP1~SP9):點
t0~t4:時間
t11、t12:時間
U(U1~U16):單元
VBD:擊穿電壓
VDD:電源電壓
VE:電源電壓
Vin:電壓
VG:選通控制信號
VNEG:電源
VNEG1:電源
VNEG2:電源
VS:陰極電壓
Vth:閾值電壓
VSINV:信號
VSPAD:電源
圖1係顯示應用本技術之測距系統之一實施形態之構成例之方塊圖。
圖2係顯示圖1之受光元件之構成例之方塊圖。
圖3係顯示第1像素電路之構成例之圖。
圖4係說明圖3之像素之動作之圖。
圖5係顯示作用像素與非作用像素之設定例之圖。
圖6係顯示信號線之第1配線例之圖。
圖7係顯示1個單元之圖。
圖8係顯示信號線之第2配線例之圖。
圖9係說明根據間隔規則之點SP設定之圖。
圖10係顯示將輸出緩衝器共通化之單元之電路構成之圖。
圖11係顯示第2像素電路之構成例之圖。
圖12係說明圖11之像素之動作之圖。
圖13係說明測距系統之使用例之圖。
圖14係顯示車輛控制系統之概略性構成之一例之方塊圖。
圖15係顯示車外資訊檢測部及攝像部之設置位置之一例之說明圖。
以下，對用以實施本技術之形態(以下，稱為實施形態)進行說明。另，說明係依照以下順序進行。
1.測距系統之構成例
2.受光元件之構成例
3.第1像素電路構成例
4.作用像素與非作用像素之設定例
5.檢測信號線之第1配線例
6.檢測信號線之第2配線例
7.第2像素電路構成例
8.測距系統之使用例
9.對移動體之應用例
<1.測距系統之構成例>
圖1係顯示應用本技術之測距系統之一實施形態之構成例之方塊圖。
測距系統11係使用例如ToF法進行距離圖像之攝像之系統。此處，距離圖像係包含於每像素檢測測距系統11至被攝體之深度方向之距離，基於檢測之距離之距離像素信號之圖像者。
測距系統11具備照明裝置21及攝像裝置22。
照明裝置21具備照明控制部31及光源32。
照明控制部31於攝像裝置22在控制部42之控制之下，控制光源32照射光之圖案。具體而言，照明控制部31根據由控制部42供給之照射信號所包含之照射碼，控制光源32照射光之圖案。例如，照射碼包含1(高)與0(低)之2個值，照明控制部31於照射碼之值為1時使光源32點亮，於照射碼之值為0時使光源32熄滅。
光源32於照明控制部31之控制之下，發出特定波長域之光。光源32包含例如紅外線雷射二極體。另，光源32之種類、及照射光之波長域可根據測距系統11之用途等任意地設定。
攝像裝置22係接收自照明裝置21照射之光(照射光)由被攝體12及被攝體13等反射之反射光之裝置。攝像裝置22具備攝像部41、控制部42、顯示部43、及記憶部44。
攝像部41具備透鏡51、受光元件52、及信號處理電路53。
透鏡51使反射光成像於受光元件52之受光面。另，透鏡51之構成為任意，且亦可藉由例如複數個透鏡群構成透鏡51。
受光元件52包含例如於各像素使用SPAD(Single Photon Avalanche Diode)之感測器。受光元件52於控制部42之控制之下，接收來自被攝體 12及被攝體13等之反射光，並將其結果所得之像素信號供給至信號處理電路53。該像素信號表示計數自照明裝置21照射照射光起至受光元件52接收為止之時間之數位的計數值。亦自控制部42對受光元件52供給顯示光源32發光之時序之發光時序信號。
信號處理電路53於控制部42之控制之下，進行自受光元件52供給之像素信號之處理。例如，信號處理電路53基於自受光元件52供給之像素信號，對每像素檢測至被攝體之距離，並產生顯示每像素至被攝體之距離之距離圖像。具體而言，信號處理電路53於每像素複數次(例如，數千至數萬次)取得光源32發出光至受光元件52之各像素接收光為止之時間(計數值)。信號處理電路53製作對應於取得之時間之柱狀圖。且，信號處理電路53藉由檢測柱狀圖之峰值，判定自光源32照射之光由被攝體12或被攝體13反射而返回之時間。進而，信號處理電路53基於判定之時間與光速，進行求出距物體之距離之運算。信號處理電路53將產生之距離圖像供給至控制部42。
控制部42藉由例如FPGA(Field Programmable Gate Array：場可程式化閘陣列)、DSP(Digital Signal Processor：數位信號處理器)等之控制電路或處理器等構成。控制部42進行照明控制部31及受光元件52之控制。具體而言，控制部42對照明控制部31供給照射信號，且將發光時序信號供給至受光元件52。光源32根據照射信號發出照射光。發光時序信號亦可為供給至照明控制部31之照射信號。又，控制部42使自攝像部41取得之距離圖像供給至顯示部43，並顯示於顯示部43。進而，控制部42 使自攝像部41取得之距離圖像記憶於記憶部44。又，控制部42將自攝像部41取得之距離圖像輸出至外部。
顯示部43包含例如液晶顯示裝置或有機EL(Electro Luminescence：電致發光)顯示裝置等之面板型顯示裝置。
記憶部44可藉由任意之記憶裝置或記憶媒體等構成，並記憶距離圖像等。
<2.受光元件之構成例>
圖2係顯示受光元件52之構成例之方塊圖。
受光元件52具備像素驅動部111、像素陣列112、MUX(多工器)113、時間計測部114、及輸入輸出部115。
像素陣列112成為將檢測光子之入射，並將顯示檢測結果之檢測信號作為像素信號輸出之像素121二維配置為列方向及行方向之矩陣狀之構成。此處，將列方向稱為像素列之像素121之排列方向，即水平方向，將行方向稱為像素行之像素121之排列方向，即垂直方向。於圖2，受紙面之制約，像素陣列112以10列12行之像素排列構成而顯示，但像素陣列112之列數及行數不限定於此，而為任意。
對於像素陣列112之矩陣狀之像素排列，像素驅動線122對每像素列 沿水平方向配線。像素驅動線122傳送用於進行像素121之驅動之驅動信號。像素驅動部111藉由經由像素驅動線122對各像素121供給特定之驅動信號，而驅動各像素121。具體而言，像素驅動部111於與經由輸入輸出部115自外部供給之發光時序信號符合之時序，進行將二維配置為矩陣狀之複數個像素121之一部分之像素121設為作用像素，將其餘像素121設為非作用像素之控制。作用像素係檢測光子入射之像素，非作用像素係不檢測光子入射之像素。針對像素121之詳細構成予以後述。
另，於圖2，雖顯示將像素驅動線122作為1條配線，但亦可由複數條配線構成。像素驅動線122之一端連接於與像素驅動部111之各像素列對應之輸出端。
MUX113隨著像素陣列112內之作用像素與非作用像素之切換，選擇來自作用像素之輸出。且，MUX113將自選擇之作用像素輸入之像素信號輸出至時間計測部114。
時間計測部114基於自MUX113供給之作用像素之像素信號與顯示光源32之發光時序之發光時序信號，產生與光源32發出光起至作用像素接收光為止之時間對應之計數值。經由輸入輸出部115自外部(攝像裝置22之控制部42)供給發光時序信號。
輸入輸出部115將自時間計測部114供給之作用像素之計數值作為像素信號輸出至外部(信號處理電路53)。又，輸入輸出部115將自控制部42 供給之發光時序信號供給至像素驅動部111及時間計測部114。
<3.第1像素電路構成例>
圖3顯示排列於像素陣列112之像素121之第1像素電路之構成例。
圖3所示之像素121具備SPAD211、電晶體212、電晶體213、反相器214、電壓轉換電路215、及輸出緩衝器216。電晶體212由P型MOS電晶體構成，電晶體213由N型MOS電晶體構成。
SPAD211之陰極連接於電晶體212之汲極，且亦連接於反相器214之輸入端子、及電晶體213之汲極。SPAD211之陽極連接於電源VSPAD。
SPAD211係於入射光入射時，使產生之電子雪崩放大並輸出陰極電壓VS之信號之光電二極體(單一光子雪崩光二極體)。將供給至SPAD211之陽極之電源VSPAD設為例如-20V之負偏壓(負電位)。
電晶體212係於飽和區域動作之定電流源，且藉由作為淬熄電阻而作用，進行被動淬熄。電晶體212之源極連接於電源電壓VE，汲極連接於SPAD211之陰極、反相器214之輸入端子、及電晶體213之汲極。藉此，亦對SPAD211之陰極，供給電源電壓VE。亦可取代與SPAD211串聯連接之電晶體212，而使用上拉電阻(pull-up resistor)。
為了以充分之效率檢測光(光子)，而對SPAD211施加較SPAD211之 擊穿電壓VBD更大之電壓(以下，稱為過剩偏壓(Excess Bias))。例如，SPAD211之擊穿電壓VBD為20V，若施加較此大3V之電壓，則供給至電晶體212之源極之電源電壓VE為3V。
電晶體213之汲極連接於SPAD211之陰極、反相器214之輸入端子、及電晶體212之汲極，電晶體213之源極連接為接地(GND)。對電晶體213之閘極，自像素驅動部111供給選通控制信號VG。
於像素121設為作用像素之情形時，自像素驅動部111對電晶體213之閘極供給Lo(低)選通控制信號VG。另一方面，於像素121設為非作用像素之情形時，自像素驅動部111對電晶體213之閘極供給Hi(高)選通控制信號VG。
反相器214於作為輸入信號之陰極電壓VS為Lo時，輸出Hi之信號VSINV，於陰極電壓VS為Hi時，輸出Lo之信號VSINV。以下，亦將反相器214輸出之信號VSINV稱為反相信號VSINV。
電壓轉換電路215使自反相器214輸入之反相信號VSINV轉換為低電壓之信號VSLOW，並輸入至輸出緩衝器216。反相信號VSINV雖成為具有0V至3V之電壓振幅之信號，但電壓轉換電路215將具有該0V至3V之電壓振幅之信號VSINV轉換為具有0V至1V之電壓振幅之信號VSLOW。輸出緩衝器216係將自電壓轉換電路215輸入之信號VSLOW作為顯示光子向SPAD211入射之檢測信號PFout輸出之輸出部。
於圖3，虛線之區域221所包含之電晶體212、電晶體213、反相器214、及電壓轉換電路215係以第1電源電壓即電源電壓VE進行動作之元件(群)。另一方面，一點鏈線之區域222所包含之輸出緩衝器216係以低於第1電源電壓之第2電源電壓即電源電壓VDD進行動作之元件(群)。電源電壓VDD設為例如1V。
其次，參照圖4，對將像素121設為作用像素之情形之動作進行說明。圖4係顯示對應於光子入射之SPAD211之陰極電壓VS之變化與檢測信號PFout之圖表。
首先，於像素121為作用像素之情形時，電晶體213藉由Lo之選通控制信號VG，設定為斷開。
於圖4之時刻t0之前之時刻，因對SPAD211之陰極供給電源電壓VE(例如，3V)，對陽極供給電源VSPAD(例如，-20V)，故對SPAD211施加大於擊穿電壓VBD(=20V)之反向電壓，藉此SPAD211設定為蓋革模式。於此狀態下，SPAD211之陰極電極VS與電源電壓VE相同。
若對設定為蓋革模式之SPAD211入射光子，則產生雪崩放大，且電流流通於SPAD211。
於時刻t0，若產生雪崩放大，且電流流通於SPAD211，則於時刻t0之 後，電流流通於SPAD211，藉此電流亦流通於電晶體212，由於電晶體212之電阻成分而產生電壓下降。
於時刻t2，若SPAD211之陰極電壓VS低於0V，則成為低於擊穿電壓VBD之狀態，故雪崩放大停止。此處，藉由因雪崩放大而產生之電流流通於電晶體212而產生電壓下降，隨著產生之電壓下降，陰極電壓VS成為低於擊穿電壓VBD之狀態，藉此使雪崩放大停止之動作為淬熄動作。
若雪崩放大停止則流通於電晶體212之電阻之電流慢慢減少，於時刻t4，陰極電壓VS再次返回至原來之電源電壓VE，成為可檢測後續之新二極體之狀態(再充電動作)。
反相器214於輸入電壓即陰極電壓VS為特定之閾值電壓Vth(=VE/2)以上時，輸出Lo之反相信號VSINV，於陰極電壓VS不滿特定之閾值電壓Vth時，輸出Hi之反相信號VSINV。輸出緩衝器216亦於陰極電壓VS為特定之閾值電壓Vth(=VE/2)以上時，輸出Lo之檢測信號PFout，於陰極電壓VS不滿特定之閾值電壓Vth時，輸出Hi之檢測信號PFout。於圖4之例，時刻t1至時刻t3之期間，輸出Hi之檢測信號PFout。
另，於像素121設為非作用像素之情形時，自像素驅動部111對電晶體213之閘極供給Hi之選通控制信號VG，並導通電晶體213。藉此，因SPAD211之陰極電壓VS成為0V(GND)，SPAD211之陽極．陰極間電壓成為擊穿電壓VBD以下，故即使對SPAD211輸入光子亦不進行反應。
<4.作用像素與非作用像素之設定例>
其次，對作用像素與非作用像素之設定例進行說明。
像素驅動部111將相鄰之複數個像素121設為1個點(塊)SP，於像素陣列112內決定預先決定之特定個數之點SP，並設定為作用像素。於本實施形態，像素驅動部111將例如2×2之4像素作為1個點SP，並於像素陣列112內設定9個點SP。
圖5之像素陣列112由16列16行之256個像素121構成。該256個像素121中，附加陰影線之像素121表示作用像素，未附加陰影線之像素121表示非作用像素。
像素驅動部111將例如2×2之4像素作為1個點SP，將像素陣列112內之特定之點SP1至點SP9作為作用像素。另，以下，將構成1個點SP之2×2之各像素亦稱為SP構成像素。又，於區別構成1個點SP之各SP構成像素之情形時，如圖5所示，根據SP構成像素之點SP內之位置，稱為SP構成像素A、SP構成像素B、SP構成像素C、及SP構成像素D。
另，於本實施形態，雖對1個點SP由2×2之4像素構成，且點SP之個數為9個之例進行說明，但構成點SP之像素之構成不限定於2×2之4像素。又，對於像素陣列112設定之點SP之個數亦不限定於9個。例如，點SP可設定為2×1之2像素、3×3之9像素等，且對於像素陣列112設定之點SP之個 數亦可設定為4個、6個等。
像素驅動部111藉由進而使如圖5般設定之各點SP之位置於每一時間移動，而使作為攝像裝置22之測距區域之解析度保持為特定值以上。
如此，藉由將像素陣列112內之僅一部分作為作用像素，可防止瞬間之動作電流過大導致電源變動，對測距精度造成影響。又，因照射至對象物之雷射光亦成為SPOT照射，故藉由將作用像素配合雷射照射，不限定於一部分之點SP，亦可降低消耗電力。
<5.檢測信號線之第1配線例>
對像素陣列112之各像素121傳送作為像素信號輸出之檢測信號PFout之信號線之配線佈局進行說明。
圖6係顯示傳送檢測信號PFout之信號線之第1配線例之圖。
第1配線例係將傳送檢測信號PFout之信號線個別地設置於每像素之情形之信號線之配置例。
於將信號線個別地設置於每像素之情形時，因像素陣列112由16列16行之256個像素121構成，故於像素陣列112整體需256條信號線241，於1列需16條信號線241。於圖6，受紙面之制約，配置為1列之16條信號線241以1條圖示。
MUX113選擇256個像素121中設定為作用像素之像素121之信號線241，取得來自作用像素之檢測信號PFout。因作用像素之像素數成4像素(1點SP之像素數)×9(點SP數)=36個，故自MUX113向時間計測部114輸出之信號線242之條數成36條。於圖6，受紙面之制約，4條信號線242以1條圖示。
時間計測部114具備與自36個作用像素輸出之檢測信號PFout對應之TDC(Time to Digital Converter：時間數位轉換器)電路。具體而言，時間計測部114具備點SP1之SP構成像素A至D之TDC電路(TDC_SP1_PixA至TDC_SP1_PixD)、點SP2之SP構成像素A至D之TDC電路(TDC_SP2_PixA至TDC_SP2_PixD)、點SP3之SP構成像素A至D之TDC電路(TDC_SP3_PixA至TDC_SP3_PixD)、．．．、點SP9之SP構成像素A至D之TDC電路(TDC_SP9_PixA至TDC_SP9_PixD)。各TDC電路自輸入之作用像素之檢測信號PFout與發光時序信號，產生與光源32發出光起至作用像素接收光為止之時間對應之計數值。
如上所述，藉由將信號線241個別地設置於每個像素，可與於像素陣列112內設定之任意9個點SP1至SP9對應。然而，由於配線條數變得非常多，故將信號線241個別地設置於每個像素並不實際。又，若信號線241變密，則亦有檢測信號PFout於像素間發生串擾或偏移、信號延遲等之疑慮。
<6.檢測信號線之第2配線例>
因此，對削減傳送檢測信號PFout之信號線之第2配線例進行說明。
於第2配線例中，將像素陣列112內相鄰之複數個像素設定為1個單元U。
圖7係顯示將4×4之16像素作為1個單元U之情形之1個單元U之圖。
於1個單元U由4×4之16像素構成之情形時，因於1個單元U包含4個由2×2之4像素構成之點SP，故SP構成像素A至D各者於1個單元U各包含4個。
1個單元U所包含之4個SP構成像素A之輸出端子使用縱配線261A連接，於單元U內之特定之SP構成像素A之像素列，配置傳送1個單元U所包含之4個SP構成像素A之檢測信號PFout之信號線271A。
1個單元U所包含之4個SP構成像素B之輸出端子使用縱配線261B連接，於單元U內之特定之SP構成像素B之像素列，配置傳送1個單元U所包含之4個SP構成像素B之檢測信號PFout之信號線271B。
1個單元U所包含之4個SP構成像素C之輸出端子使用縱配線261C連接，於單元U內之特定之SP構成像素C之像素列，配置傳送1個單元U所包含之4個SP構成像素C之檢測信號PFout之信號線271C。
1個單元U所包含之4個SP構成像素D之輸出端子使用縱配線261D連接，於單元U內之特定之SP構成像素D之像素列，配置傳送1個單元U所包含之4個SP構成像素D之檢測信號PFout之信號線271D。
又，1個單元U所包含之信號線271A至271D配置於互不相同之像素列。
如此，藉由使用縱配線261，將1個單元U內之同種之SP構成像素之輸出匯集於1條信號線271，可於1個單元U中將各像素列所需之對MUX113之信號線271設為1條。每1單元U之信號線271之條數為4條。
圖8顯示將如圖7所示於單元U內之SP構成像素A至D單位匯集信號線271之情形之信號線271之配線例。
圖8係削減傳送檢測信號PFout之信號線之第2配線例。
如圖7所示於以單元U內之SP構成像素A至D單位匯集信號線271之情形時，如圖8所示，向MUX113之信號線271之條數於像素陣列112整體成64條。因此，根據第2配線例，與圖6所示之第1配線例比較，可大幅度削減向MUX113之信號線271之條數。藉此，亦可改善各像素121之檢測信號PFout之串擾或偏移、信號延遲等。
於第2配線例，單元U內之同種(SP構成像素A至D之任一者)之複數個SP構成像素因共通地利用1條信號線271，故無法同時設定為作用像素。
因此，像素驅動部111根據如下之間隔規則對像素陣列112設定複數個點SP。像素驅動部111於1個單元U由4×4之16像素構成之情形時，以點SP之各SP構成像素(SP構成像素A至D)與相鄰之其他點SP之同種之SP構成像素於水平方向及垂直方向之任一者，均成為第4像素以後之像素之方式，決定相鄰之點SP。換言之，像素驅動部111係以像素陣列112內之第1點SP之特定之SP構成像素(例如，SP構成像素A)與和此相鄰之第2點SP之同種之SP構成像素(例如，SP構成像素A)之間隔分離3像素以上之方式，決定各點SP。
參照圖9，說明依據間隔規則之點SP之設定。
例如，點SP1之SP構成像素D與於水平方向相鄰之點SP2之同種之SP構成像素D分離3像素。換言之，相對於點SP1之SP構成像素D，相鄰之點SP2之同種之SP構成像素D於水平方向成為第4像素之像素。
又，點SP1之SP構成像素D與於垂直方向相鄰之點SP4之同種之SP構成像素D分離3像素。換言之，相對於點SP1之SP構成像素D，相鄰之點SP4之同種之SP構成像素D於垂直方向成為第4像素之像素。
例如，點SP5之SP構成像素B與於水平方向相鄰之點SP6之同種之SP 構成像素B分離3像素。換言之，相對於點SP5之SP構成像素B，相鄰之點SP6之同種之SP構成像素B於水平方向成為第4像素之像素。
又，點SP5之SP構成像素B與於垂直方向相鄰之點SP8之同種之SP構成像素B分離3像素。換言之，相對於點SP5之SP構成像素B，相鄰之點SP5之同種之SP構成像素B於垂直方向成為第4像素之像素。
於根據此種間隔規則對像素陣列112設定複數個點SP之情形時，自圖9可知，於各單元U內作為作用像素選擇之SP構成像素A至D之個數必須成1個以下。因此，如圖7所示，於單元U內之同種之SP構成像素單位(SP構成像素A至D)，可使信號線271共通化。
雖對上述之例為構成1個點SP之像素(SP構成像素)為2×2之4像素之例進行說明，但於點SP之構成單位不同之情形時亦同樣。例如，即使於1個點SP由2×1之2像素(SP構成像素A與SP構成像素B)構成之情形，或由2×3之6像素(SP構成像素A、SP構成像素B、SP構成像素C、SP構成像素D、SP構成像素E、及SP構成像素F)構成之情形時，亦根據上述間隔規則設定複數個點SP，藉此於4×4之各單元U內作為作用像素選擇之同種之SP構成像素之個數必須為1個以下。
其次，對構成1個單元U之像素數並非4×4之16像素之情形進行說明。
例如，對1個單元U由5×5之25像素構成之情形進行說明。1個點SP與上述之例同樣，設為2×2之4像素(SP構成像素A至D)。
像素驅動部111於由5×5之25像素構成1個單元U之情形時，以點SP之各SP構成像素A至D與相鄰之其他點SP之同種之SP構成像素於水平方向及垂直方向之任一者，均成為第5像素以後之像素之方式，決定相鄰之點SP。換言之，像素驅動部111係以像素陣列112內之第1點SP之特定之SP構成像素(例如，SP構成像素A)與和此相鄰之第2點SP之同種之SP構成像素(例如，SP構成像素A)之間隔分離4像素以上之方式，決定各點SP。藉由根據該間隔規則設定複數個點SP，於5×5之各單元U內作為作用像素而選擇之同種之SP構成像素之個數必須為1個以下。
其次，對1個單元U由6×6之36像素構成之情形進行說明。1個點SP與上述之例同樣，為2×2之4像素(SP構成像素A至D)。
像素驅動部111於由6×6之36像素構成1個單元U之情形時，以點SP之各SP構成像素A至D與相鄰之其他點SP之同種之SP構成像素於水平方向及垂直方向之任一者，均成為第6像素以後之像素之方式，決定相鄰之點SP。換言之，像素驅動部111係以像素陣列112內之第1點SP之特定之SP構成像素(例如，SP構成像素A)與和此相鄰之第2點SP之同種之SP構成像素(例如，SP構成像素A)之間隔分離5像素以上之方式，決定各點SP。藉由根據該間隔規則設定複數個點SP，於6×6之各單元U內作為作用像素而選擇之同種之SP構成像素之個數必須為1個以下。
於單元U內共通化之信號線271與間隔規則之關係可如以下般言之。於像素陣列112，於由N×M像素構成1點SP(N>0，M>0，但N與M不能同時為1)，且由L×L構成1個單元U之情形時(L>1)，1個單元U內之同種之複數個SP構成像素之輸出使用1條以上之縱配線261以1條信號線271共通化。像素驅動部111係以點SP之各SP構成像素與相鄰之其他點SP之同種之SP構成像素於水平方向及垂直方向之任一者，均成為第L像素以後之像素之方式，於像素陣列112內決定複數個點SP。藉此，可大幅度削減自像素陣列112向MUX113之信號線271之條數，亦可改善檢測信號PFout之串擾或偏移、信號延遲等。
另，不僅使單元U內之同種之SP構成像素彼此之信號線271共通化，各SP構成像素所包含之1以上之元件亦可藉單元U內之同種之SP構成像素彼此而共通化。
例如，可以單元U內之同種之SP構成像素彼此將圖3所示之像素121之第1像素電路中，設置於最終段之輸出緩衝器216共通化。
圖10顯示以單元U內之同種之SP構成像素彼此將輸出緩衝器216共通化之單元U之電路構成。
於圖10，取代設置於每像素之輸出緩衝器216，而於1個單元U內之4個SP構成像素A設置共通地使用之1個輸出緩衝器216’。
又，雖省略SP構成像素B至D之像素內之電路之圖示，但針對SP構成像素B至D而言亦同樣，對同種之4個SP構成像素設置1個輸出緩衝器216’。
另，於圖10，為了容易理解，雖將輸出緩衝器216’圖示於單元U之外，但可設置於單元U內之特定之SP構成像素內。
圖10雖為將各像素121之輸出緩衝器216共通化之例，但於其他元件，例如MUX或暫存器、OR電路等之運算電路等包含於各像素之情形時，亦可以同種之SP構成像素彼此將該等元件共通化。即，對單元U內之同種之SP構成像素共通化之元件不限定於輸出緩衝器。
<7.第2像素電路構成例>
圖11顯示像素121之第2像素電路之構成例。
另，於圖11，對與圖3所示之第1像素電路共通之部分標註相同之符號，且適當省略該部分之說明。
圖11所示之像素121具備SPAD211、電晶體212、電晶體213、反相器214、及電晶體311。電晶體213由N型MOS電晶體構成，電晶體212及311由P型MOS電晶體構成。
圖11之第2像素電路於具有SPAD211、電晶體212、電晶體213、及反相器214之點而言，與圖3之第1像素電路共通。但，供給至各元件之電源電壓與第1像素電路不同。
更詳細而言，於第1像素電路，電晶體213之源極連接為接地，但於第2像素電路，連接於負偏壓即電源VNEG1。電源VNEG1設為例如-2V。又，因構成為於藉由Hi之選通控制信號VG，使電晶體213導通時，SPAD211之陽極．陰極間電壓成為擊穿電壓VBD以下，故供給至SPAD211之陽極之電源VSPAD亦低於第1像素電路之電位(於上述之例，為-20V)，設定為-22V。
進而，於第1像素電路，電晶體212之源極雖與第1電源電壓即電源電壓VE(3V)連接，但於第2像素電路，連接於低於第1電源電壓之第2電源電壓即電源電壓VDD(1V)。於像素121控制為作用像素之情形時，對SPAD211之陰極，經由電晶體311與電晶體212供給電源電壓VDD(1V)，故SPAD211之陽極．陰極間電壓成為與第1像素電路相同之23V之反向電壓。
又，於圖11之第2像素電路，於SPAD211與反相器214之間，新追加由P型MOS電晶體構成之電晶體311之點與第1像素電路不同。更詳細而言，電晶體311之汲極與SPAD211之陰極及電晶體213之汲極連接，電晶體311之源極與電晶體212之汲極及反相器214之輸入端子連接。於電晶體311之增益，連接於負偏壓即電源VNEG2。電源VNEG2設為例如-1V。
電晶體311作為電壓轉換電路發揮功能，將供給至汲極之SPAD211之陰極電壓VS之信號轉換為正的範圍之電壓VIN之信號，並輸入至反相器214。對電晶體311之閘極，施加與電晶體311之電晶體閾值相同之負偏壓(-Vgs)即電源VNEG2(-1V)。若輸入至反相器214之信號即電壓VIN自電源VNEG2(-1V)到達至電晶體閾值上升之電壓值(0V)則電晶體311切斷。因此，電晶體311作為電壓箝位電路發揮功能。
反相器214於輸入至反相器214之電壓VIN為Lo時，輸出Hi之檢測信號PFout，於電壓VIN為Hi時，輸出Lo之檢測信號PFout。反相器214係輸出顯示光子向SPAD211入射之檢測信號PFout之輸出部。
圖12係顯示將圖11之像素121設為作用像素，且光入射之情形之電位變化之圖表。
於光入射之情形時，如圖12所示，SPAD211之陰極電壓VS雖以自VDD(1V)於-2V之範圍變動，但輸入至反相器214之電壓VIN成為自VDD(1V)至0V之正之範圍。
反相器214於輸入之電壓VIN為特定之閾值電壓Vth(=VDD/2)以上時，輸出Lo之檢測信號PFout，於電壓VIN不滿特定之閾值電壓Vth時，輸出Hi之檢測信號PFout。於圖12之例，時刻t11至時刻t12之期間，輸出Hi之檢測信號PFout。
藉由以上，圖11之第2像素電路中，虛線之區域321所包含之電晶體213及電晶體311與第1像素電路同樣，為施加較SPAD211之擊穿電壓VBD大3V之過剩偏壓之元件(群)。另一方面，一點鏈線之區域322所包含之電晶體212及反相器214係以電源電壓VDD進行動作之元件(群)。
因此，於第2像素電路，可消除高於電源電壓VDD之電源電壓即電源電壓VE，並可將高電源之動作所需之元件之數自第1像素電路之區域221內之4個減少至區域321內之2個。藉由高電源動作元件之削減，可實現零件數之削減、電路面積之削減、及消耗電力之降低。藉由電路削減，亦可改善檢測信號PFout到達時間計測部114之前之信號特性(延遲或偏移等)。
<8.測距系統之使用例>
圖13係顯示上述測距系統11之使用例之圖。
上述之測距系統11可使用於例如如下般之感測可見光、紅外光、紫外光、X射線等光之各種例中。
．數位相機、或附照相機功能之行動機器等之拍攝供鑒賞用之圖像之裝置
．為了自動停止等安全駕駛、或識別駕駛者之狀態等，而拍攝汽車之前方或後方、周圍、車內等之車載用感測器、監視行駛車輛或道路之監視相機、進行車輛間等之測距之測距感測器等之供交通用之裝置
．為了拍攝使用者之姿勢而進行遵照該姿勢之機器操作，而供用於TV、冰箱、空調等家電之裝置
．內視鏡、或利用紅外光之受光進行血管攝影之裝置等之供醫療或保健用之裝置
．防盜用途之監視相機、或人物認證用途之照相機等之供保全用之裝置
．拍攝皮膚之皮膚檢測器、或拍攝頭皮之顯微鏡等之供美容用之裝置
．適於運動用途等之運動相機或穿戴式相機等之供運動用之裝置
．用於監視農田或作物之狀態之照相機等之供農業用之裝置
<9.對移動體之應用例>
本揭示之技術(本技術)可應用於各種產品。例如，本揭示之技術亦可實現作為搭載於汽車、電動汽車、油電混合電動汽車、機車、自行車、個人移動裝置、飛機、無人機、船、及機器人等任一種移動體之裝置。
圖14係顯示可應用本揭示之技術之移動體控制系統之一例即車輛控制系統之概略構成例之方塊圖。
車輛控制系統12000具備經由通信網路12001連接之複數個電子控制單元。於圖14所示之例中，車輛控制系統12000具備驅動系統控制單元12010、車體系統控制單元12020、車外資訊檢測單元12030、車內資訊檢測單元12040、及整合控制單元12050。又，作為整合控制單元12050之功 能構成，圖示出微電腦12051、聲音圖像輸出部12052、及車輛網路I/F(interface：介面)12053。
驅動系統控制單元12010根據各種程式控制與車輛之驅動系統關聯之裝置之動作。例如，驅動系統控制單元12010作為內燃機或驅動用馬達等之用於產生車輛之驅動力之驅動力產生裝置、用於將驅動力傳遞至車輪之驅動力傳遞機構、調節車輛之舵角之轉向機構、及產生車輛之制動力之制動裝置等之控制裝置發揮功能。
車體系統控制單元12020根據各種程式控制車體所裝備之各種裝置之動作。例如，車體系統控制單元12020作為無鑰匙門禁系統、智慧鑰匙系統、電動車窗裝置、或者前照燈、尾燈、煞車燈、方向燈或霧燈等各種燈之控制裝置發揮功能。於此情形時，對車體系統控制單元12020，可輸入自替代鑰匙之可攜帶機發送之電波或各種開關之信號。車體系統控制單元12020受理該等電波或信號之輸入，控制車輛之門鎖裝置、電動車窗裝置、燈等。
車外資訊檢測單元12030檢測搭載有車輛控制系統12000之車輛之外部之資訊。例如，於車外資訊檢測單元12030連接攝像部12031。車外資訊檢測單元12030使攝像部12031拍攝車外之圖像，並接收拍攝到之圖像。車外資訊檢測單元12030亦可基於接收到之圖像，進行人、車、障礙物、標識或路面上之文字等之物體檢測處理或距離檢測處理。
攝像部12031係接收光且輸出與該光之受光量對應之電性信號之光感測器。攝像部12031可將電性信號作為圖像輸出，亦可作為測距之資訊輸出。又，攝像部12031接收之光可為可見光，亦可為紅外線等不可見光。
車內資訊檢測單元12040檢測車內之資訊。於車內資訊檢測單元12040，連接例如檢測駕駛者之狀態之駕駛者狀態檢測部12041。駕駛者狀態檢測部12041包含例如拍攝駕駛者之相機，車內資訊檢測單元12040可基於自駕駛者狀態檢測部12041輸入之檢測資訊，算出駕駛者之疲勞度或集中度，亦可判別駕駛者是否打瞌睡。
微電腦12051可基於由車外資訊檢測單元12030或車內資訊檢測單元12040取得之車內外之資訊，運算驅動力產生裝置、轉向機構或控制裝置之控制目標值，對驅動系統控制單元12010輸出控制指令。例如，微電腦12051可進行以實現包含避免車輛之碰撞或緩和碰撞、基於車間距離之追隨行駛、維持車速行駛、車輛之碰撞警告、或車輛之脫離車道警告等之ADAS(Advanced Driver Assistance System：先進駕駛輔助系統)之功能為目的之協調控制。
又，微電腦12051可藉由基於由車外資訊檢測單元12030或車內資訊檢測單元12040取得之車輛之周圍之資訊而控制驅動力產生裝置、轉向機構或控制裝置等，而進行以不受限於駕駛者之操作而自律地行駛之自動駕駛等為目的之協調控制。
又，微電腦12051可基於由車外資訊檢測單元12030取得之車外之資訊，對車體系統控制單元12020輸出控制指令。例如，微電腦12051可根據由車外資訊檢測單元12030檢測出之前方車或對向車之位置而控制前照燈，進行以謀求將遠光切換為近光等之防眩為目的之協調控制。
聲音圖像輸出部12052向可對車輛之搭乘者或車外通知視覺性或聽覺性之資訊之輸出裝置發送聲音及圖像中之至少一者之輸出信號。於圖14之例中，作為輸出裝置，例示擴音器12061、顯示部12062及儀錶面板12063。顯示部12062亦可包含例如車載顯示器及抬頭顯示器之至少一者。
圖15係顯示攝像部12031之設置位置之例之圖。
圖15中，車輛12100具有攝像部12101、12102、12103、12104、12105作為攝像部12031。
攝像部12101、12102、12103、12104、12105設置於例如車輛12100之前鼻、側視鏡、後保險桿、後門及車室內之擋風玻璃之上部等位置。前鼻所具備之攝像部12101及車室內之擋風玻璃之上部所具備之攝像部12105主要取得車輛12100前方之圖像。側視鏡所具備之攝像部12102、12103主要取得車輛12100側方之圖像。後保險桿或後門所具備之攝像部12104主要取得車輛12100後方之圖像。由攝像部12101及12105取得之前方之圖像主要使用於檢測前方車輛或行人、障礙物、號誌機、交通標識或 車道線等。
另，圖15中顯示攝像部12101至12104之攝像範圍之一例。攝像範圍12111顯示設置於前鼻之攝像部12101之攝像範圍，攝像範圍12112、12113分別表示設置於側視鏡之攝像部12102、12103之攝像範圍，攝像範圍12114表示設置於後保險桿或後門之攝像部12104之攝像範圍。藉由例如將由攝像部12101至12104拍攝到之圖像資料重合，可獲得自上方觀察車輛12100之俯瞰圖像。
攝像部12101至12104之至少1個亦可具有取得距離資訊之功能。例如，攝像部12101至12104之至少1個可為由複數個攝像元件構成之立體攝影機，亦可為具有相位差檢測用之像素之攝像元件。
例如，微電腦12051藉由以自攝像部12101至12104所得到之距離資訊為基礎，求得與攝像範圍12111至12114內之各立體物之距離及該距離之時間變化(相對於車輛12100之相對速度)，藉此可尤其將處於車輛12100之行進路上最接近立體物、且於與車輛12100大致相同之方向以特定速度(例如，0km/h以上)行駛之立體物擷取作為前方車。進而，微電腦12051可設定於前方車之近前側應預先確保之車間距離，進行自動煞車控制(亦包含停止追隨控制)或自動加速控制(亦包含追隨起步控制)等。如此可進行以不受限於駕駛者之操作而自律地行駛之自動駕駛等為目的之協調控制。
例如，微電腦12051以自攝像部12101至12104所得到之距離資訊為基礎，將與立體物相關之立體物資料分類為機車、普通車輛、大型車輛、行人、電線桿等其他立體物而加以擷取，可使用於障礙物之自動迴避。例如，微電腦12051將車輛12100之周邊之障礙物識別為車輛12100之駕駛可視認之障礙物與難以視認之障礙物。且，微電腦12051判斷表示與各障礙物碰撞之危險度之碰撞風險，當碰撞風險為特定值以上而有碰撞可能性之狀況時，經由擴音器12061或顯示部12062向駕駛輸出警報，或經由驅動系統控制單元12010進行強制減速或迴避轉向，藉此可進行用於避免碰撞之駕駛支援。
攝像部12101至12104之至少1個亦可為檢測紅外線之紅外線相機。例如，微電腦12051可藉由判定行人是否存在於攝像部12101至12104之攝像圖像中而辨識行人。該行人之辨識係藉由擷取作為例如紅外線相機之攝像部12101至12104之攝像圖像之特徵點之順序、及對表示物體之輪廓之一連串之特徵點進行圖案匹配處理而判別是否為行人之順序進行。若微電腦12051判定行人存在於攝像部12101至12104之攝像圖像中，且辨識出行人，則聲音圖像輸出部12052以對該辨識出之行人重疊顯示用於強調之方形輪廓線之方式控制顯示部12062。又，聲音圖像輸出部12052亦可以將表示行人之圖標等顯示於所期望之位置之方式控制顯示部12062。
以上，對可應用本揭示之技術之車輛控制系統之一例進行說明。本揭示之技術可應用於以上說明之構成中之攝像部12031等。具體而言，例如，圖1之測距系統11可應用於攝像部12031。攝像部12031係例如 LIDAR，用於檢測車輛12100周圍之物體及至物體之距離。藉由將本揭示之技術應用於攝像部12031，提高車輛12100周圍之物體及至物體之距離之檢測精度。其結果，例如可於適當之時序進行車輛之碰撞警告，並可防止交通事故。
又，於本說明書中，所謂系統，係指複數個構成要素(裝置、模組(零部件)等)之集合，不管所有構成要素是否位於同一殼體內。因此，收納於不同殼體而經由網路連接之複數個裝置，及於1個殼體中收納有複數個模組之1個裝置均為系統。
又，本技術之實施形態並非限定於上述實施形態，亦可於不脫離本技術之主旨之範圍內進行各種變更。
再者，本說明書所記載之效果僅為例示而非限定性者，亦可具有本說明書所記載內容以外之效果。
另，本技術亦可採取如下構成。
(1)
一種受光元件，其具備像素，該像素具有：SPAD；第1電晶體，其將上述SPAD之陰極電壓設定為第1負電壓；電壓轉換電路，其將光子入射時之上述SPAD之陰極電壓加以轉換而輸出；及 輸出部，其基於轉換後之上述陰極電壓，輸出表示光子向上述SPAD入射之檢測信號。
(2)
如上述(1)之受光元件，其中當上述像素被控制為不檢測光子入射之非作用像素之情形時，上述第1電晶體將上述SPAD之陰極電壓設定為上述第1負電壓。
(3)
如上述(1)或(2)之受光元件，其中上述電壓轉換電路將上述SPAD之陰極電壓之信號轉換為正的電壓範圍之信號。
(4)
如上述(1)至(3)中任一項之受光元件，其中上述電壓轉換電路由與上述第1電晶體不同之第2電晶體構成，對上述第2電晶體之閘極供給與電晶體閾值相同之第2負電壓。
(5)
如上述(4)之受光元件，其中上述第1電晶體由NMOS電晶體構成，上述第2電晶體由PMOS電晶體構成。
(6)
如上述(1)至(5)中任一項之受光元件，其中上述SPAD之陰極構成為，於被控制為檢測上述光子入射之作用像素之情形時，經由上述電壓轉換電路與電阻成分連接於正的電源電壓。
(7)
如上述(1)至(6)中任一項之受光元件，其中上述輸出部由反相器構成。
(8)
如上述(1)至(7)中任一項之受光元件，其進而具備：像素陣列，其將複數個上述像素配置為矩陣狀；及像素驅動部，其將上述像素陣列之各像素控制為檢測上述光子入射之作用像素或不檢測上述光子入射之非作用像素。
(10)
一種測距系統，其具備：照明裝置，其照射照射光；及受光元件，其接收對於上述照射光之反射光；且上述受光元件具備像素，該像素具有：SPAD；第1電晶體，其將上述SPAD之陰極電壓設定為第1負電壓；電壓轉換電路，其將光子入射時之上述SPAD之陰極電壓加以轉換而輸出；及輸出部，其基於轉換後之上述陰極電壓，輸出表示光子向上述SPAD入射之檢測信號。
121:像素
211:SPAD
212:電晶體
213:電晶體
214:反相器
215:電壓轉換電路
216:輸出緩衝器
221:區域
222:區域
VDD:電源電壓
VE:電源電壓
VG:選通控制信號
VS:陰極電壓
VSINV:信號
VSPAD:電源
PFout:檢測信號

Claims (9)

  1. 一種受光元件，其具備像素，該像素具有： SPAD； 第1電晶體，其將上述SPAD之陰極電壓設定為第1負電壓； 電壓轉換電路，其將光子入射時之上述SPAD之陰極電壓加以轉換而輸出；及 輸出部，其基於轉換後之上述陰極電壓，輸出表示光子向上述SPAD入射之檢測信號。
  2. 如請求項1之受光元件，其中 當上述像素被控制為不檢測光子入射之非作用像素之情形時，上述第1電晶體將上述SPAD之陰極電壓設定為上述第1負電壓。
  3. 如請求項1之受光元件，其中 上述電壓轉換電路將上述SPAD之陰極電壓之信號轉換為正的電壓範圍之信號。
  4. 如請求項1之受光元件，其中 上述電壓轉換電路由與上述第1電晶體不同之第2電晶體構成，對上述第2電晶體之閘極供給與電晶體閾值相同之第2負電壓。
  5. 如請求項4之受光元件，其中 上述第1電晶體由NMOS電晶體構成， 上述第2電晶體由PMOS電晶體構成。
  6. 如請求項1之受光元件，其中 上述SPAD之陰極構成為，於上述像素被控制為檢測上述光子入射之作用像素之情形時，經由上述電壓轉換電路與電阻成分而連接於正的電源電壓。
  7. 如請求項1之受光元件，其中 上述輸出部由反相器構成。
  8. 如請求項1之受光元件，其進而具備： 像素陣列，其將複數個上述像素配置為矩陣狀；及 像素驅動部，其將上述像素陣列之各像素控制為檢測上述光子入射之作用像素或不檢測上述光子入射之非作用像素。
  9. 一種測距系統，其具備： 照明裝置，其照射照射光；及 受光元件，其接收對於上述照射光之反射光；且 上述受光元件具備像素，該像素具有： SPAD； 第1電晶體，其將上述SPAD之陰極電壓設定為第1負電壓； 電壓轉換電路，其將光子入射時之上述SPAD之陰極電壓加以轉換而輸出；及 輸出部，其基於轉換後之上述陰極電壓，輸出表示光子向上述SPAD入射之檢測信號。
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