WO2021090691A1 - センシングデバイスおよび測距装置 - Google Patents

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Abstract

[課題]環境の照度に関わらず、高い精度でフォトンを検出することが可能なセンシングデバイスを提供する。 [解決手段]本開示によるセンシングデバイスは、光検出器と、前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、前記光検出器と前記負荷素子との間のノードの電圧に応じてオンする第1導電型の第1トランジスタと、前記第1トランジスタの電流または第2信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第1トランジスタとの間をオンする第1導電型の第2トランジスタと、前記第2信号線の電圧に応じて前記第1トランジスタと第2基準電位との間をオンする第2導電型の第3トランジスタと、前記第1トランジスタと前記第3トランジスタとの間のノードと第4信号線との間に接続された第1インバータとを備える。

Description

センシングデバイスおよび測距装置
 本開示は、センシングデバイスおよび測距装置に関する。
 車載、モバイルなど複数の分野において、光源からの照射光が物体で反射し、検出器に戻ってくるまでの飛行時間(ToF)に基づき、物体までの距離を測定するセンシングデバイスの応用が進められている。センシングデバイスで使われる受光素子として、アバランシェフォトダイオード(APD)が知られている。ガイガーモードのAPDでは、端子間に降伏電圧以上の電圧が印加され、単一フォトンの入射でアバランシェ現象が発生する。単一フォトンをアバランシェ現象で増倍させるAPDは、シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD)とよばれる。
 SPADでは、端子間の電圧を降伏電圧まで下げることによって、アバランシェ現象を止めることができる。端子間の電圧を下げ、アバランシェ現象を止めることは、クエンチとよばれる。そして、SPADの端子間の電圧を降伏電圧以上のバイアス電圧にリチャージすると、再びフォトンの検出が行えるようになる。
 例えば、高照度の環境では、センシングデバイスのリチャージができなくなったり、リチャージ時間が長くなったりする場合がある。この場合、フォトン検出の精度が低下してしまう。高い精度で測距をするために、幅広いダイナミックレンジに対応したセンシングデバイスおよび測距装置が求められている。
 そこで、本開示は、環境の照度に関わらず、高い精度でフォトンを検出することが可能なセンシングデバイスおよび測距装置を提供する。
 本開示の一態様によるセンシングデバイスは、光検出器と、前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、前記光検出器と前記負荷素子との間の第1信号線の電圧に応じてオンする第1導電型の第1トランジスタと、前記第1トランジスタの電流または第2信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第1トランジスタとの間をオンする第1導電型の第2トランジスタと、前記第2信号線の電圧に応じて前記第1トランジスタと第2基準電位との間をオンする第2導電型の第3トランジスタと、前記第1トランジスタと前記第3トランジスタとの間の第3信号線と第4信号線との間に接続された第1インバータとを備えていてもよい。
 前記第4信号線の電圧に応じて前記第2信号線にパルスを出力するように構成されたパルス生成器をさらに備えていてもよい。
 前記パルス生成器は、前記第4信号線の電圧レベルが変化すると時間遅れをもって前記第2信号線にパルスを出力するように構成されていてもよい。
 前記負荷素子と前記光検出器との間に接続された第1抵抗器と、前記第1抵抗器に直列に接続された第1導電型の第4トランジスタとをさらに備えていてもよい。
 前記第2信号線に接続された第2インバータをさらに備え、前記負荷素子は、第1導電型の第5トランジスタであり、前記第5トランジスタは、前記第2インバータの出力電圧に応じてオンするものであってもよい。
 前記第2信号線の電圧に応じて前記第2基準電位と前記第2信号線との間をオンする第2導電型の第6トランジスタとをさらに備え、前記負荷素子は、前記第2信号線の電圧に応じてオンする第1導電型の第5トランジスタであってもよい。
 前記パルス生成器は、第1遅延器と、前記第1遅延器に直列に接続された第2遅延器と、前記第2遅延器の後段に接続されたAND回路と、前記第1遅延器と前記AND回路との間に接続された第3インバータとを含み、前記第1遅延器は、前記第4信号線に接続され、前記AND回路の後段は、前記第2信号線に接続されていてもよい。
 前記パルス生成器は、インバータチェインを含んでいてもよい。
 前記パルス生成器は、フリップフロップと、前記フリップフロップのQ端子に接続された第4インバータをと含み、前記フリップフロップのD端子は、前記第4信号線に接続され、前記第4インバータの出力側は、前記第2信号線に接続されていてもよい。
 前記パルス生成器は、ソース接地の2段増幅回路と、前記2段増幅回路の初段に接続された第1電流源と、前記2段増幅回路の第2段に接続された第2電流源と、前記2段増幅回路の初段と前記2段増幅回路の第2段との間を接続するコンデンサと、前記2段増幅回路の初段に接続された第5インバータとを含み、前記2段増幅回路の入力端子は、前記第4信号線に接続され、前記第5インバータの出力端子は、前記第2信号線に接続されていてもよい。
 前記光検出器が実装されている第1基板は、その他の素子が実装されている第2基板と、Cu-Cu接続を介して電気的に接続されていてもよい。
 前記光検出器は、アバランシェフォトダイオードであってもよい。
 本開示の一態様による測距装置は、複数のセンシングデバイスを備える測距装置であって、光源と、複数の前記センシングデバイスの出力電圧の論理和を出力するように構成された論理回路と、前記光源より光が照射されたタイミングと前記論理回路から出力される信号とに基づき、物体との距離を計測するように構成された計測回路とを備えていてもよい。
 複数の前記センシングデバイスの前記第2信号線に接続されており、少なくともいずれかの前記センシングデバイスの前記第4信号線から前記計測回路に入力される信号に基づき、前記第2信号線にパルスを出力するように構成された制御回路をさらに備えていてもよい。
 本開示の一態様によるセンシングデバイスは、光検出器と、前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、第5信号線の電圧に応じて前記光検出器と第6信号線との間をオンする第2導電型の第7トランジスタと、前記第5信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第7トランジスタとの間をオンする第1導電型の第8トランジスタと、前記第6信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と第7信号線との間をオンする第1導電型の第9トランジスタと、第8信号線の電圧に応じて前記第7信号線と第2基準電位との間をオンする第2導電型の第10トランジスタと、前記第7信号線と第9信号線の間に接続された第6インバータとを備え、前記第5信号線は、前記第9信号線に接続されていてもよい。
 前記第9信号線の電圧に応じて前記第8信号線にパルスを出力するように構成されたパルス生成器をさらに備えていてもよい。
 前記負荷素子と前記光検出器との間に接続された第1抵抗器と、前記第1抵抗器に直列に接続された第1導電型の第4トランジスタとをさらに備えていてもよい。
 第1制御電極に印加される電圧に応じて前記第1基準電位と前記第9トランジスタとの間をオンする第11トランジスタをさらに備えていてもよい。
 第2制御電極に印加される電圧に応じて前記第7信号線と前記第10トランジスタとの間をオンする第12トランジスタをさらに備えていてもよい。
 本開示の一態様によるセンシングデバイスは、光検出器と、前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、第5信号線の電圧に応じて前記光検出器と第6信号線との間をオンする第2導電型の第7トランジスタと、前記第5信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第7トランジスタとの間をオンする第1導電型の第8トランジスタと、前記第6信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と第7信号線との間をオンする第1導電型の第9トランジスタと、第8信号線の電圧に応じて前記第7信号線と第2基準電位との間をオンする第2導電型の第10トランジスタと、前記第7信号線に接続された第6インバータと、前記第6インバータと第9信号線の間に接続された第7インバータと、前記第9信号線に接続された第3遅延器と、前記第3遅延器の出力電圧および第10信号線の電圧のNORを前記第8信号線に出力するように構成されたNOR回路と、前記第9信号線の電圧および前記第8信号線の電圧のNANDを前記第5信号線に出力するように構成されたNAND回路とを備えていてもよい。
本開示によるセンシングデバイスの例を概略的に示したブロック図。 センシングデバイスを用いた測距の例を模式的に示した図。 本開示によるセンシングデバイスの例を詳細に示した回路図。 本開示によるセンシングデバイスにおける電圧信号およびフォトンカウント数の例を示したグラフ。 極性を反転したセンシングデバイスの例を示したブロック図。 一部の構成要素が省略されたセンシングデバイスの例を示したブロック図。 図3のセンシングデバイスの例を詳細に示した回路図。 図3のセンシングデバイスにおける電圧信号およびフォトンカウント数の例を示したグラフ。 図3のセンシングデバイスにおけるパルスの例を示したグラフ。 本開示によるセンシングデバイスにおけるパルスの例を示したグラフ。 変形例1によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 変形例2によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 変形例3によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 変形例4によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 変形例5によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 遅延器を含むパルス生成器の例を示した回路図。 図16のパルス生成器を含むセンシングデバイスにおける信号波形の例を示すグラフ。 インバータチェインを含むパルス生成器の例を示した回路図。 フリップフロップを含むパルス生成器の例を示した回路図。 図19のパルス生成器を含むセンシングデバイスにおける信号波形の例を示すグラフ。 ソース接地の増幅器を含むパルス生成器の例を示した回路図。 変形例6によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 変形例6によるセンシングデバイスの信号波形の例を示したグラフ。 変形例7によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 変形例8によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 変形例9によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 変形例9によるセンシングデバイスの例を示した回路図。 Cu-Cu接続によってセンシングデバイスを実装した例を示す斜視図。 dToFによる測距に対応した回路の例を示した回路図。 カウンタおよびTDCを含む回路の例を概略的に示した図。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
 以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
 図1のブロック図は、本開示によるセンシングデバイスの例を概略的に示している。図1のセンシングデバイス1は、検出器5と、クエンチ部6と、検出部9とを備えている。検出部D1は、内部の構成要素として、切替部2と、初期化部3と、増幅部4とを備えている。検出器5として、例えば、フォトダイオードなどの光検出器を使うことができる。以下では、検出器5として、シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD)が使われた場合を例に説明をする。ただし、検出器5として、その他の物理的な情報を検出するセンサを使ってもよい。センシングデバイス1を計測回路7と組み組み合わせた測距装置90を実装することが可能である。
 図2は、センシングデバイスを用いた測距の例を模式的に示している。図2には、光源91および測距装置90を用いて、物体80までの距離を求める場合が示されている。光源91は、光emを物体80に向けて照射する。測距装置90は、センシングデバイス1によって光emの物体80上での反射光rlを検出する。図2に示した物体80は、自動車となっているが、物体の種類については、問わない。以下では、図1および図2を参照しながら、本開示によるセンシングデバイスを説明する。
 検出器5にフォトンが入射されると、アバランシェ現象が発生し、信号線Vi1における電圧が変化する。クエンチ部6では、電流に応じた電圧降下が発生するため、検出器5の端子間電圧は、降伏電圧まで低下し、アバランシェ現象が停止する。切替部2は、フォトンの応答信号の検出を行う検出動作と、自身の内部状態をリセットするリセット動作との切り替えを行う。初期化部3は、リセット動作時に検出部9内の電圧レベルを変更し、検出部9が再度フォトンを検出できるようにする。
 検出部9は、検出動作時に検出器5でフォトンとの反応が起こると、信号線Voutより対応するパルスを出力する。検出部9(センシングデバイス1)の後段には、バッファBufを介して計測回路7が接続されている。バッファBufは、サンプラ回路ともよばれ、検出部9から出力された信号をデジタル化する。図1に示したように、複数のセンシングデバイスおよびバッファBufが計測回路7に接続されていてもよい。
 計測回路7は、例えば、TDC(Time to Digital Converter)およびヒストグラム生成器を備えている。TDCは、信号線TIMから入力された光の照射時刻tに関する情報に基づき、光の照射時刻tからフォトンの入射時刻tまでの時間を計測する。この時間は、光源91から照射された光emが物体80で反射し、検出器5に戻ってくるまでの飛行時間(ToF)に相当する。ヒストグラム生成器は、複数回にわたる飛行時間の計測結果を蓄積し、ヒストグラムを生成する。複数回にわたって飛行時間の計測を行うことにより、背景光(外乱光)と、光源から照射した光の反射光rlとを識別することが可能となる。ヒストグラムの生成時には、複数回にわたる飛行時間の計測結果の平均などの演算が行われてもよい。ヒストグラムのピークを求めることにより、センシングデバイス1と、物体80との間の距離を計算することが可能となる。例えば、光速度をcとすると、センシングデバイス1と物体80までの距離をL=c/2(t-t)の式によって計算することができる。なお、ここで述べた計測回路7の処理は一例にしかすぎない。したがって、計測回路7は、これとは異なる内容の処理を行ってもよい。
 例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)などのハードウェア回路をよって計測回路7を実装することができる。ただし、計測回路7の機能は、CPU(中央処理装置)と、CPU上で実行されるプログラムによって実装されていてもよい。計測回路7は、プログラムおよびプログラムの実行に必要なデータを保存するメモリまたはストレージを含んでいてもよい。
 図3の回路図は、センシングデバイス1に相当する回路の例を示している。図3の回路100は、フォトダイオードPDと、パルス生成器8と、トランジスタ10と、トランジスタ11と、トランジスタ12と、トランジスタ13と、トランジスタ14と、インバータ30とを備えている。トランジスタ10、トランジスタ11およびトランジスタ13は、P-MOSトランジスタである。トランジスタ12およびトランジスタ14は、N-MOSトランジスタである。フォトダイオードPDは、上述の検出器5の一例である。トランジスタ10は、上述のクエンチ部6に相当する。なお、トランジスタ10は、フォトダイオードPDの負荷素子に相当する。負荷素子として、トランジスタ10に代わり、抵抗器を配置してもよい。また、回路100の信号線Vi1より後段の部分は、上述の検出部9に相当する。
 はじめに、回路100の構成について説明する。
 トランジスタ10、トランジスタ11およびトランジスタ13のソースは、電源電位Vddに接続されている。一方、トランジスタ10のドレインは、フォトダイオードPDのカソードに接続されている。また、フォトダイオードPDのカソードは、信号線Vi1を介してトランジスタ12のソースに接続されている。フォトダイオードPDのアノードには、電圧Vanが印加されている。フォトダイオードPDのカソード/アノード間(端子間)に、降伏電圧以上の逆電圧が印加されるよう、電圧Vanの値を決めることができる。トランジスタ12のドレインは、トランジスタ11のドレインおよびトランジスタ13のゲートに接続されている。信号線Vi2は、トランジスタ11のドレインおよびトランジスタ12のドレインの間のノードと、トランジスタ13のゲートとを接続する。
 トランジスタ13のドレインは、信号線Vi3を介してインバータ30の入力端子およびトランジスタ14のドレインに接続されている。インバータ30の出力端子には、信号線Voutが接続されている。また、インバータ30の出力端子は、パルス生成器8の入力端子にも接続されている。さらに、インバータ30の出力端子は、信号線FBを介してトランジスタ11のゲートおよびトランジスタ12のゲートにも接続されている。一方、トランジスタ14のゲートは、信号線INIを介してパルス生成器8の出力端子に接続されている。トランジスタ14のソースは、グラウンド電位に接続されている。グラウンド電位として、例えば、回路100の基準電位、信号線の基準電位、接地電位を用いることができる。ただし、グラウンド電位として使われる電位の種類については、問わない。なお、回路100には、信号線Vi3と、グラウンド電位との間の寄生容量Cpが示されている。なお、トランジスタ10、トランジスタ11およびトランジスタ13のソースは、いずれも共通の電源電位Vddに接続されていてもよい。また、トランジスタ10、トランジスタ11およびトランジスタ13のうち、少なくともいずれかのソースは、異なる電源電位に接続されていてもよい。
 図4は、センシングデバイス1における電圧信号およびフォトンカウント数の例を示している。図4のグラフ61は、回路100の信号線Vi1における電圧波形を示している。グラフ61の線thは、インバータ30のしきい値電圧を示している。グラフ62は、回路100の信号線Vi2における電圧波形を示している。グラフ63は、回路100の信号線Voutにおける電圧波形を示している。一方、グラフ64は、回路100の計測回路7におけるフォトンカウント数の例を示している。図17、図20および図23も、信号線Vi1、信号線Vi2および信号線Vi3における電圧波形の例を示している。
 次に、回路100の動作を説明する。
 フォトダイオードPDがフォトンと反応し、フォトダイオードPDのカソード/アノード間の電流が増えると、トランジスタ10のソース/ドレイン間における電圧降下に応じて、信号線Vi1の電圧が低下する(グラフ61)。このため、信号線Vi1に、トランジスタ12を介して接続された信号線Vi2の電圧がHIGHからLOWに変化する(グラフ62)。トランジスタ13のゲートにLOWの電圧が印加されると、トランジスタ13のソース/ドレイン間がオンとなり、信号線Vi3の電圧が電源電位VddによってHIGHに引き上げられる。信号線Vi3よりHIGHの信号を入力されたインバータ30は、LOWの信号を出力する。回路100では、フォトンの検出時に信号線VoutよりLOWレベル(負極性)のパルスが出力される。後段の計測回路7は、当該パルスに基づき、上述の測距処理を実行することができる。
 このとき、トランジスタ11のゲートおよびトランジスタ12のゲートにLOWの電圧が印加される。トランジスタ11のソース/ドレイン間は、オンとなる。また、トランジスタ12のドレイン/ソース間は、オフになる。このため、信号線Vi2は、信号線Vi1より電気的に切り離され、電源電位Vddによって電圧がHIGHに引き上げられる。HIGHの電圧がトランジスタ13のゲートに印加されるため、トランジスタ13のソース/ドレイン間は、オフになる。
 パルス生成器8は、インバータ30の出力電圧がLOWになると、所定の時間遅れをもって、信号線INIにHIGHレベル(正極性)のパルスを出力する。これにより、トランジスタ14のゲートにHIGHレベルの電圧が印加され、トランジスタ14のドレイン/ソース間がオンになる。このため、信号線Vi3は、グラウンド電位の電位によって初期化され、LOWの電圧になる。信号線Vi3の電圧がLOWになると、インバータ30の出力電圧は、HIGHになる。このため、信号線VoutにおけるLOWレベルのパルスは、終了する。
 パルス生成器8にインバータ30よりLOWレベルのパルスが入力されてから、パルス生成器8がHIGHレベルのパルスを生成するまでの時間遅れを調整することによって、信号線Voutから出力されるLOWレベルのパルスの長さを変えることができる。インバータ30の出力電圧がHIGHになると、トランジスタ11のゲートおよびトランジスタ12のゲートに、HIGHの電圧が印加される。このため、トランジスタ11のソース/ドレイン間は、オフになる。また、トランジスタ12のドレイン/ソース間は、オンにする。信号線Vi1/Vi2間が導通するため、再びフォトンの検出を行うことが可能となる。
 回路100では、フォトンとの反応後にパルスが出力されるたびに、回路内の電圧がリセットされる。このため、グラフ61~64のLh1に示したような高照度の環境であっても、フォトンを検出することができる。回路100を使うと、照度に応じて、計測回路7におけるフォトンカウント数が絶対単調増加する(グラフ64)。
 図5のブロック図は、極性を反転したセンシングデバイスの例を示している。図5のセンシングデバイス1Aでは、クエンチ部6Aおよび検出器5Aがセンシングデバイス1とは逆の順序で接続されている。すなわち、本開示によるセンシングデバイスとして、図3の回路100の極性を反転させた回路を使ってもよい。極性を反転させる場合、回路100におけるN-MOSトランジスタをP-MOSトランジスタに、P-MOSトランジスタをN-MOSトランジスタにそれぞれ置き換えればよい。検出器5Aがアバランシェフォトダイオード(APD)などのフォトダイオードである場合、フォトダイオードのカソードには、正のバイアス電圧が印加される。回路100に限らず、以下で説明する複数の回路についても、極性を反転させた構成を採用することが可能である。
 本開示によるセンシングデバイスは、光検出器と、負荷素子と、第2導電型の第7トランジスタと、第1導電型の第8トランジスタと、第1導電型の第9トランジスタと、第2導電型の第10トランジスタと、第6インバータとを備えていてもよい。負荷素子は、光検出器と第1基準電位との間に接続されている。第7トランジスタは、第5信号線の電圧に応じて光検出器と第6信号線との間をオンする。第8トランジスタは、第5信号線の電圧に応じて第1基準電位と第7トランジスタとの間をオンする。第9トランジスタは、第6信号線の電圧に応じて第1基準電位と第7信号線との間をオンする。第10トランジスタは、第8信号線の電圧に応じて第7信号線と第2基準電位との間をオンする。第6インバータは、第7信号線と第9信号線の間に接続されている。また、第5信号線は、第9信号線に接続されている。
 例えば、第1導電型のトランジスタとして、P-MOSトランジスタを使い、第2導電型のトランジスタとして、N-MOSトランジスタを使うことができる。この場合、第1基準電位として、電源電位を使い、第2基準電位として、グラウンド電位を使うことができる。また、第1導電型のトランジスタとして、N-MOSトランジスタを使い、第2導電型のトランジスタとして、P-MOSトランジスタを使うことも可能である。この場合、第1基準電位として、グラウンド電位を使い、第2基準電位として、電源電位を使うことができる。
 図3のトランジスタ10は、負荷素子の一例である。ただし、負荷素子は、抵抗器などの受動素子であってもよい。トランジスタ12は、第7トランジスタの一例である。信号線FBは、第5信号線の一例である。図3の信号線Vi2は、第6信号線の一例である。トランジスタ11は、第8トランジスタの一例である。トランジスタ13は、第9トランジスタの一例である。図3の信号線Vi3は、第7信号線の一例である。トランジスタ14は、第10トランジスタの一例である。図3の信号線INIは、第8信号線の一例である。図3のインバータ30は、第6インバータの一例である。図3の信号線Voutは、第9信号線の一例である。光検出器として、例えば、アバランシェフォトダイオードを使うことができる。
 また、本開示によるセンシングデバイスは、第9信号線の電圧に応じて第8信号線にパルスを出力するように構成されたパルス生成器をさらに備えていてもよい。
 図6は、一部の構成要素が省略されたセンシングデバイスの例を示している。図3のセンシングデバイス1Bは、検出器5と、クエンチ部6と、検出部9Bとを備えている。図1と同様、センシングデバイス1Bの後段には、バッファBufを介して計測回路7が接続されている。
 図7の回路図は、センシングデバイス1Bに相当する回路を示している。図7の回路50は、フォトダイオードPDと、トランジスタ10と、トランジスタ18と、トランジスタ19と、インバータ30とを備えている。トランジスタ10およびトランジスタ18は、P-MOSトランジスタである。トランジスタ19は、N-MOSトランジスタである。トランジスタ10のソースは、電源電位Vddに接続されている。また、トランジスタ10のドレインは、フォトダイオードPDのカソードに接続されている。フォトダイオードのアノードには、電圧Vanが印加されている。フォトダイオードPDのカソード/アノード間(端子間)に、降伏電圧以上の逆電圧が印加されるよう、電圧Vanの値を決めることができる。
 また、トランジスタ18のゲートは、信号線Vi1を介して、トランジスタ10のドレインとフォトダイオードPDのカソードとの間のノードに接続されている。トランジスタ18のソースは、電源電位Vddに接続されている。トランジスタ18のドレインは、信号線Vi4を介してインバータ30の入力端子に接続されている。また、トランジスタ18のドレインは、トランジスタ19のドレインにも接続されている。インバータ30の出力端子は、信号線Voutに接続されている。トランジスタ19のソースは、グラウンド電位に接続されている。回路50では、フォトダイオードPDが検出器5に、トランジスタ10がクエンチ部6に、それぞれ対応している。また、トランジスタ18、トランジスタ19およびインバータ30は、検出部9Bに相当している。
 フォトダイオードPDでフォトンとの反応が起こると、カソード/アノード間の電流が増える。このため、トランジスタ10のソース/ドレイン間の電圧降下に応じて、フォトダイオードPDのカソードが低下する。このため、信号線Vi1の電圧は、LOWとなり、トランジスタ18のゲートにLOWの電圧が印加される。このため、トランジスタ18のソース/ドレイン間がオンとなり、信号線Vi4の電圧が電源電位VddによってHIGHに引き上げられる。HIGHの電圧を入力されたインバータ30は、LOWの電圧を出力する。こうして、回路50では、フォトンの検出時にLOW(負極性)のパルスが出力される。
 カソード/アノード間の電圧が降伏電圧まで下がると、アバランシェ電流が停止する。このため、トランジスタ10のソースドレイン間における電圧降下が抑制され、信号線Vi1の電圧は、HIGHになる。トランジスタ18のゲートに、HIGHの電圧が印加されると、トランジスタ18のソースドレイン間がオフとなる。トランジスタ19のゲートに、外部の制御回路からHIGHの電圧Vbnが印加されると、トランジスタ19のドレイン/ソース間は、オンとなる。このため、信号線Vi4は、電源電位Vddから切り離され、グラウンド電位に接続される。信号線Vi4の電圧がLOWになると、インバータ30は、HIGHの電圧を出力する。したがって、回路50は、LOWのパルスの出力を終了する。
 図8は、センシングデバイス1Bにおける電圧波形およびフォトンカウント数の例を示している。図8のグラフ65は、回路50の信号線Vi1における電圧波形の例を示している。グラフ66は、回路50の信号線Voutにおける電圧波形の例を示している。グラフ67は、回路50の計測回路7におけるフォトンカウント数の例を示している。センシングデバイス1Bでは、切替部2および初期化部3が省略されているため、上述のリセット動作が行われない。高照度の環境でセンシングデバイス1Bを使用すると、クエンチ部6によって検出器5の端子間電圧が降伏電圧まで低下する前に、検出器5でフォトンとの再反応が発生する可能性がある。この場合、信号線Vi1の電圧が下がったままとなり(グラフ65のLh2)、パルスを生成することができなくなってしまう(グラフ66のLh2)。このため、グラフ67のLh2に示したように、照度に応じて、フォトンカウント数が単調増加せず、フォトンを正しく検出することができなくなってしまう。なお、比較のため、グラフ65~67のLrに、センシングデバイス1Bの正常動作時に相当するグラフを示している。
 図9のグラフは、センシングデバイス1Bにおけるパルスの例を示している。図9のグラフ68は、回路50の信号線Vi1における電圧波形の例を示している。グラフ68は、プロセス起因する特性のばらつきによって、リチャージ時間の短いセンシングデバイスと、リチャージ時間の長いセンシングデバイスが発生しうることを示している。信号線Vi1に出力されるパルスの幅は、リチャージ時間に比例している。このため、グラフ69に示したように、信号線Vi1における電圧波形がばらつくと、信号線Voutに出力されるパルス幅もばらついてしまう。フォトンの検出漏れを防ぐためには、デッドタイムを短くし、リチャージ時間を短くすることが好ましい。ただし、信号線Voutに出力されるパルスの幅が小さくなりすぎると、後段の計測回路7でパルスを捕捉することが難しくなる。
 一方、図10のグラフは、本開示によるセンシングデバイス(回路100)におけるパルスの例を示している。図10のグラフ70は、回路100の信号線Vi1における電圧波形の例を示している。グラフ70でも、センシングデバイスによってリチャージ時間にばらつきが発生している。しかし、回路100では、信号線Vi1における電圧信号の立ち下がりを検出し、その後、一定時間幅(Td)のパルスを信号線Voutに出力している。このため、センシングデバイスにおけるリチャージ時間のばらつきに関わらず、後段の計測回路7に一定の幅のパルスを出力することができる。パルス幅Tdを調整できるように、回路100を構成することができる。このため、計測回路7に合わせて、パルス幅と、パルスの出力タイミングを制御することができる。また、回路100は、パルスを出力するたびに、内部の電圧をリセットしているため、短時間で次のフォトンを検出可能な状態に復帰することができる。
 図11の回路図は、変形例1によるセンシングデバイスの例を示している。図11の回路101は、回路100に、抵抗器R1を追加した回路である。抵抗器R1は、フォトダイオードPDと直列に接続されている。抵抗器R1を追加することにより、フォトンとの反応時におけるフォトダイオードPDの端子間の電圧を小さくし、フォトダイオードPDに流れる電流を制限することができる。抵抗器R1の抵抗値は、フォトダイオードPDのカソードの寄生容量の放電時におけるクエンチが可能な値に設定されている。回路101では、フォトンとの反応時から、クエンチが行われるまでの電圧振幅が小さくなる。したがって、回路の消費電力を削減することができる。回路101のその他の部分の構成は、回路100と同様である。また、回路101の基本的な動作は、回路100と同様である。
 図12の回路図は、変形例2によるセンシングデバイスの例を示している。図12の回路102は、回路100に、抵抗器R1とトランジスタ15を追加した回路である。抵抗器R1およびトランジスタ15は、フォトダイオードPDと直列に接続されている。トランジスタ15は、P-MOSトランジスタである。トランジスタ15のゲートには、トランジスタ15のゲート/ソース間電圧Vgsがしきい値以上となる、負の電圧Vclpが印加されている。フォトダイオードPDにフォトンが入射する前、トランジスタ15のソース/ドレイン間は、オンとなっている。しかし、フォトダイオードPDがフォトンに反応し、信号線Vi1の電圧が低下すると、トランジスタ15のゲート/ソース間電圧Vgsが小さくなる。したがって、トランジスタ15のソース/ドレイン間の抵抗値が大きくなる。このため、信号線Viにおける電圧振幅を抑え、消費電力を減らすことができる。なお、図示していないが、回路102の抵抗器R1を省略した構成を用いてもよい。回路102のその他の部分の構成は、回路100と同様である。また、回路102の基本的な動作は、回路100と同様である。
 すなわち、本開示によるセンシングデバイスは、負荷素子と光検出器との間に接続された第1抵抗器と、第1抵抗器に直列に接続された第1導電型の第4トランジスタとをさらに備えていてもよい。図12の抵抗器R1は、第1抵抗器の一例である。また、トランジスタ15は、第4トランジスタの一例である。
 図13の回路図は、変形例3によるセンシングデバイスの例を示している。図13の回路103は、回路102のパルス生成器8を省略した回路である。回路103の信号線INITは、例えば、外部の制御回路150に接続されている。パルス生成器8に代わり、外部の制御回路150がリセット用のパルスを生成する。回路103の構成を採用する場合、画素(フォトダイオード)ごとにパルス生成器を用意する必要がなくなり、複数の画素で制御回路150を共有することができる。制御回路150は、必ず接続されたすべての画素にパルスを供給しなくてもよい。計測回路7に接続された少なくともいずれかの画素(センシングデバイス)でフォトンが検出された場合、制御回路150は、該当する画素の信号線INITにパルスを出力する。複数の画素で制御回路150を共有すると(すなわち、複数の検出部で初期化部を共有すると)、全体の回路規模を削減することができる。例えば、回路103と、回路102を比較すると、パルス生成を行う回路ブロックの面積を約1/4に減らすことができる。回路103のその他の部分の構成は、回路102と同様である。リセット用のパルスが制御回路150によって生成される点を除けば、回路103の動作は、上述の回路100と同様である。
 図14の回路図は、変形例4によるセンシングデバイスの例を示している。図14の回路104は、回路102にトランジスタ16を追加した回路である。トランジスタ16のソースは、電源電位Vddに接続されている。一方、トランジスタ16のドレインは、トランジスタ13のソースに接続されている。トランジスタ16は、P-MOSトランジスタである。例えば、回路102では、パルス生成器8または外部の制御回路より信号線INIにリセット用のパルスが入力されるタイミングと、信号線Vi2の電圧がLOWになるタイミングが重なると、電源電位Vddと、グラウンド電位との間で貫通電流が発生する可能性がある。回路104では、トランジスタ16のゲートに印加する電圧Vbp2を制御し、貫通電流の発生を防止することができる。これにより、回路の消費電力を減らすことができる。回路104のその他の部分の構成は、回路102と同様である。また、回路104の基本的な動作は、上述の回路100と同様である。
 本開示によるセンシングデバイスは、第1制御電極に印加される電圧に応じて第1基準電位と第9トランジスタとの間をオンする第11トランジスタをさらに備えていてもよい。図14のトランジスタ13は、第9トランジスタの一例である。図14のトランジスタ16は、第11トランジスタの一例である。トランジスタ16のゲートは、第1制御電極の一例である。
 図15の回路図は、変形例5によるセンシングデバイスの例を示している。図15の回路105は、回路102にトランジスタ17を追加した回路である。トランジスタ17のドレインは、信号線Vi3に接続されている。一方、トランジスタ17のソースは、トランジスタ14のドレインに接続されている。トランジスタ17は、N-MOSトランジスタである。回路105では、トランジスタ17のゲートに印加する電圧Vbn2を制御することによって、貫通電流の発生を防止し、回路の消費電力を減らすことができる。回路105のその他の部分の構成は、回路102と同様である。また、回路105の基本的な動作は、上述の回路100と同様である。
 本開示によるセンシングデバイスは、第2制御電極に印加される電圧に応じて第7信号線と第10トランジスタとの間をオンする第12トランジスタをさらに備えていてもよい。図15の信号線Vi3は、第7信号線の一例である。図15のトランジスタ14は、第10トランジスタの一例である。また、図15のトランジスタ17は、第12トランジスタの一例である。トランジスタ17のゲートは、第2制御電極の一例である。
 次に、パルス生成器8の具体的な構成について説明する。
 図16の回路図は、パルス生成器の第1の例を示している。図16のパルス生成器8Aは、遅延器D1と、遅延器D2と、インバータ31と、AND回路P1とを備えている。信号線Voutと、信号線INIとの間には、遅延器D1、遅延器D2およびAND回路P1が直列に接続されている。信号線Vd1は、遅延器D1と、遅延器D2とを接続している。また、信号線Vd2は、遅延器D2と、AND回路P1の一方の入力端子とを接続している。インバータ31は、信号線Vd1と、AND回路P1の他方の入力端子とを接続している。
 図17は、パルス生成器8Aが使われた場合における、回路の電圧波形の例を示している。AND回路P1の一方の入力端子には、遅延器D1および遅延器D2によって遅延させられた信号が信号線Vd2より入力される。一方、AND回路P1の他方の入力端子には、遅延器D1によって遅延させられた後、インバータ31によって反転された信号が入力される。AND回路P1は、両方の入力端子から入力された信号の論理積(AND)に相当する信号を信号線INIに出力する。図17の電圧波形を参照すると、信号線VoutにおけるLOWレベルのパルスに対して、時間遅れをもって信号線INIより所定の幅をもつHIGHレベルのパルスが出力されている。
 図18の回路図は、パルス生成器の第2の例を示している。図18のパルス生成器8Bは、インバータチェイン300を含んでいる。インバータチェイン300では、信号線Voutと信号線INIとの間に5つのインバータが直列に接続されている。ただし、インバータチェインに含まれるインバータの数は、これとは異なっていてもよい。回路で使われるリセット用のパルスの極性に応じてインバータの数を偶数にしてもよい。また、インバータの数を奇数にしてもよい。
 図19の回路図は、パルス生成器の第3の例を示している。図19のパルス生成器8Cは、フリップフロップF1と、インバータ31とを備えている。フリップフロップF1は、Dフリップフロップである。信号線Voutは、フリップフロップF1のD端子に接続されている。信号線CKは、フリップフロップF1のクロック端子に接続されている。フリップフロップF1のQ端子と、信号線INIとの間には、インバータ32が接続されている。
 図20は、パルス生成器8Cが使われた場合における、回路の電圧波形の例を示している。図20を参照すると、信号線CKに供給されるクロック信号を制御することによって、信号線VoutよりLOWレベルのパルスが入力されてから、信号線INIにHIGHレベルが出力されるまでの時間遅れを調整することができる。例えば、クロック信号におけるパルスの間隔を大きくすると、時間遅れを大きくすることができる。また、クロック信号におけるパルスの間隔を小さくすると、時間遅れを小さくすることができる。すなわち、パルス生成器8Cを使うと、外部から供給されるクロック信号によって、時間遅れを制御することが容易となる。
 図21の回路図は、パルス生成器の第4の例を示している。図21のパルス生成器8Dは、トランジスタ40と、トランジスタ41と、トランジスタ42と、トランジスタ43と、インバータ33と、コンデンサC1とを備えている。トランジスタ40およびトランジスタ41は、P-MOSトランジスタである。トランジスタ42およびトランジスタ43は、N-MOSトランジスタである。
 はじめに、パルス生成器8Dにおける各素子間の接続について説明する。トランジスタ40のソースと、トランジスタ41のソースは、いずれも電源電位Vddに接続されている。トランジスタ40のゲートと、トランジスタ41のゲートは、いずれも端子Vbpに接続されている。また、トランジスタ40のドレインは、信号線s1を介してトランジスタ42のドレインに接続されている。トランジスタ41のドレインは、信号線s2を介してトランジスタ43のドレインに接続されている。信号線s1と、信号線INIとの間には、インバータ33が接続されている。すなわち、パルス生成器8Dの出力端子は、信号線INIに接続されている。信号線s1と、信号線s2との間には、コンデンサC1が接続されている。さらに、トランジスタ43のゲートは、信号線s1に接続されている。トランジスタ42のゲートには、信号線Poutが接続されている。すなわち、パルス生成器8Dの入力端子は、信号線Poutに接続されている。例えば、信号線Poutは、インバータ30の出力端子に接続される。トランジスタ42のソースと、トランジスタ43のソースは、いずれもグラウンド電位に接続されている。
 次に、パルス生成器8Dの動作について説明する。トランジスタ40およびトランジスタ41は、端子Vbpに印加される電圧によって制御される電流源として動作する。これにより、信号線s1および信号線s2に電流が流れ、帰還容量に相当するコンデンサC1に電荷が蓄えられる。トランジスタ42およびトランジスタ43は、ソース接地の2段増幅回路を形成している。2段増幅回路の増幅率がAであるとすると、ミラー効果によりコンデンサC1の静電容量が(1+A)倍になるのと等価になる。したがって、コンデンサC1として、静電容量が小さいコンデンサを使ったとしても、大きな時間遅れを得ることができる。パルス生成器8Dを使うと、コンデンサC1の実装面積を抑えることができる。また、端子Vbqに印加する電圧を制御することによって、信号線VoutよりLOWレベルのパルスが入力されてから、信号線INIにHIGHの信号が出力されるまでの時間遅れを調整することができる。例えば、上述の制御回路150は、端子Vbpに印加される電圧を制御することができる。
 本開示によるセンシングデバイスでは、パルス生成器をセンシングデバイスの出力段に統合してもよい。以下で説明する図22の回路では、パルス生成器がセンシングデバイスの出力段と一体化している。
 図22は、変形例6によるセンシングデバイスの例を示している。図12の回路102と比較すると、図22の回路106は、信号線Vi3と信号線Voutとの間の部分の構成が異なっている。ここでは、上述の回路102との相違点を中心に、回路106について説明する。
 回路106では、信号線Vi3と信号線Voutとの間に、パルス生成器8Eが接続されている。パルス生成器8Eは、インバータ34と、インバータ35と、遅延器D3と、NAND回路NPと、NOR回路NSとを含む。インバータ34と、インバータ35は、信号線Vi3と信号線Voutとの間に、直列に接続されている。また、遅延器D3は、信号線Voutと、NAND回路NPの一方の入力端子との間に接続されている。NAND回路NPの他方の入力端子には、端子DET_ENが接続されている。NAND回路NPの出力端子は、トランジスタ14のゲートおよびNOR回路NSの一方の入力端子に接続されている。なお、NOR回路NSの他方の入力端子は、信号線Voutに接続されている。NOR回路NSの出力端子は、信号線FBを介して、トランジスタ11のゲートおよびトランジスタ12のゲートに接続される。
 次に、回路106の動作について説明する。なお、図23のグラフは、回路106における電圧波形の例を示している。図23のグラフは、信号線Vi1、信号線Vi2、信号線Vi3、信号線Vout、端子DET_ENおよび信号線INIにおける電圧波形の例を示している。
 フォトダイオードPDがフォトンと反応すると、カソード/アノード間の電流増加に伴う電圧降下によって、信号線Vi1の電圧が低下する。これにより、信号線Vi1とトランジスタ12を介して接続された信号線Vi2の電圧がHIGHからLOWに変化する。トランジスタ13のゲートにLOWの電圧が印加されると、トランジスタ13のソース/ドレイン間がオンとなる。したがって、信号線Vi3の電圧は、電源電位VddによってHIGHに引き上げられる。そして、インバータ35は、信号線VoutにHIGHの信号を出力する。このため、回路106は、図23に示されているように、フォトンの検出時に信号線Voutから後段の計測回路7へHIGHレベル(正極性)のパルスを出力する。なお、本開示によるセンシングデバイスが後段の計測回路に出力するパルスの極性については、限定しない。
 NOR回路NSの一方の入力端子には、信号線VoutよりHIGHの信号が入力される。このため、NOR回路NSは、LOWの電圧を出力し、信号線FBの電圧は、LOWとなる。よって、トランジスタ11のゲートおよびトランジスタ12のゲートには、いずれもLOWの電圧が印加される。トランジスタ11のソース/ドレイン間は、オンとなる。一方、トランジスタ12のドレイン/ソース間は、オフになる。信号線Vi2は、信号線Vi1と電気的に切り離され、電源電位Vddによって電圧がHIGHに引き上げられる。
 信号線Voutの電圧がHIGHになると、遅れて、NAND回路NPの一方の入力端子の電圧もHIGHになる。このため、端子DET_ENにHIGHの電圧が印加されていない限り、NAND回路NPは、HIGHの電圧を出力する。トランジスタ14のゲートには、HIGHの電圧が印加され、ドレイン/ソース間がオンになる。したがって、信号線Vi3は、グラウンド電位の電位によってリセットされ、LOWの電圧になる。このとき、インバータ35は、信号線VoutにLOWの電圧を出力する。
 よって、NOR回路NSの一方の入力端子の電圧は、LOWになる。また、端子DET_ENにLOWの電圧が印加されていると、遅れてNOR回路NSの他方の入力端子の電圧もLOWになる。NOR回路NSの両方の入力端子の電圧がLOWになっているため、NOR回路NSは、HIGHの電圧を出力する。信号線FBの電圧がHIGHになるため、トランジスタ11のゲートおよびトランジスタ12のゲートには、いずれもHIGHの電圧が印加される。したがって、トランジスタ11のソース/ドレイン間は、オフに変化する。また、トランジスタ12のドレイン/ソース間は、オンに変化する。信号線Vi1と信号線Vi2との間が電気的に導通するため、フォトンの検出を行うことができるようになる。
 回路106では、信号がインバータ34、インバータ35、遅延器D3、NAND回路NPおよびトランジスタ14によって形成されているループ部分を2回通過すると、フォトン検出後における回路のリセット動作が完了する。すなわち、遅延器D3は、ひとつの遅延器で2つの遅延器に相当する時間遅れを実現している。回路106のパルス生成器8Eを実装すると、図16のパルス生成器8Aのように、複数の遅延器を使う必要がなくなる。このため、回路の実装面積を削減することができる。
 本開示によるセンシングデバイスは、光検出器と、第2導電型の第7トランジスタと、第1導電型の第8トランジスタと、第1導電型の第9トランジスタと、第2導電型の第10トランジスタと、第6インバータと、第7インバータと、第3遅延器と、NOR回路と、NAND回路とを備えていてもよい。光検出器は、光検出器と第1基準電位との間に接続されている。第7トランジスタは、第5信号線の電圧に応じて光検出器と第6信号線との間をオンする。第8トランジスタは、第5信号線の電圧に応じて第1基準電位と第7トランジスタとの間をオンする。第9トランジスタは、第6信号線の電圧に応じて第1基準電位と第7信号線との間をオンする。第10トランジスタは、第8信号線の電圧に応じて第7信号線と第2基準電位との間をオンする。第6インバータは、第7信号線に接続されている。第7インバータは、第6インバータと第9信号線の間に接続されている。第3遅延器は、第9信号線に接続されている。NOR回路は、第3遅延器の出力電圧および第10信号線の電圧のNORを第8信号線に出力するように構成されている。NAND回路は、第9信号線の電圧および第8信号線の電圧のNANDを第5信号線に出力するように構成されている。
 例えば、第1導電型のトランジスタとして、P-MOSトランジスタを使い、第2導電型のトランジスタとして、N-MOSトランジスタを使うことができる。この場合、第1基準電位として、電源電位を使い、第2基準電位として、グラウンド電位を使うことができる。また、第1導電型のトランジスタとして、N-MOSトランジスタを使い、第2導電型のトランジスタとして、P-MOSトランジスタを使うことも可能である。この場合、第1基準電位として、グラウンド電位を使い、第2基準電位として、電源電位を使うことができる。
 図22のトランジスタ12は、第7トランジスタの一例である。図22の信号線FBは、第5信号線の一例である。図22の信号線Vi2は、第6信号線の一例である。トランジスタ11は、第8トランジスタの一例である。トランジスタ13は、第9トランジスタの一例である。図22の信号線Vi3は、第7信号線の一例である。トランジスタ14は、第10トランジスタの一例である。図22の信号線INIは、第8信号線の一例である。インバータ34は、第6インバータの一例である。インバータ35は、第7インバータの一例である。図22の信号線Voutは、第9信号線の一例である。
 図24の回路図は、変形例7によるセンシングデバイスの例を示している。図24の回路107では、トランジスタの数が削減されている。回路107は、フォトダイオードPDと、抵抗器R1と、トランジスタ10と、トランジスタ15と、トランジスタ21と、トランジスタ23と、トランジスタ24と、インバータ36と、パルス生成器8Fとを備えている。パルス生成器D3は、内部の構成要素として、遅延器D3と、NAND回路NPとを備えている。トランジスタ10、トランジスタ15、トランジスタ21およびトランジスタ23は、P-MOSトランジスタである。一方、トランジスタ24は、N-MOSトランジスタである。トランジスタ10は、フォトダイオードPDの負荷素子に相当する。負荷素子として、トランジスタ10に代わり、抵抗器を配置してもよい。
 はじめに、回路107の構成について説明する。トランジスタ10およびトランジスタ21のソースは、電源電位Vddに接続されている。トランジスタ10のドレインは、信号線Vi1を介してトランジスタ23のゲートに接続されている。また、トランジスタ10のドレインは、トランジスタ15のソースにも接続されている。トランジスタ15のドレインと、フォトダイオードPDのカソードとの間には、抵抗器R1が接続されている。フォトダイオードPDのアノードには、電圧Vanが印加されている。フォトダイオードPDのカソード/アノード間(端子間)に、降伏電圧以上の逆電圧が印加されるよう、電圧Vanの値を決定することができる。
 トランジスタ23のソースは、トランジスタ21のドレインに接続されている。一方、トランジスタ23のドレインは、信号線Vi3を介してインバータ36に接続されている。また、トランジスタ23のドレインは、トランジスタ24のドレインにも接続されている。トランジスタ24のソースは、グラウンド電位に接続されている。トランジスタ24のゲートは、NAND回路NPの出力端子およびトランジスタ21のゲートに接続されている。インバータ36の出力端子は、信号線Voutに接続されている。遅延器D3は、信号線Voutと、NAND回路NPの一方の入力端子との間に接続されている。NAND回路NPの他方の入力端子は、端子xRSTに接続されている。
 次に、回路107の動作について説明する。フォトダイオードPDがフォトンと反応すると、カソード/アノード間の電流が増加し、トランジスタ10のソース/ドレイン間の電圧降下により、信号線Vi1(フォトダイオードPDとトランジスタ10との間の信号線)の電圧がLOWになる。このため、トランジスタ23のゲートにLOWの電圧が印加され、トランジスタ23のソース/ドレイン間は、オンとなる。これに伴い、トランジスタ21のソース/ドレイン間に電流が流れる電流が増える。このため、Id-Vgs特性によってトランジスタ21のゲート/ソース間電圧が大きくなる。
 すなわち、トランジスタ23のソース/ドレイン間がオンになるのとほぼ同時に、トランジスタ21のゲート/ソース間もオンとなる。トランジスタ21と、トランジスタ23の両方がオンになるため、信号線Vi3の電圧が電源電位VddによってHIGHに引き上げられる。インバータ36は、HIGHの電圧を入力されると、信号線VoutにLOWの電圧を出力する。このように、回路107では、フォトンの検出時に、信号線Voutから後段の計測回路7にLOWレベル(負極性)のパルスを出力する。ただし、本開示によるセンシングデバイスが出力するパルスの極性については、問わない。
 信号線Voutの電圧がLOWになると、遅れてNAND回路NPの一方の入力端子の電圧もLOWになる。このため、NAND回路NPは、信号線INIにHIGHの電圧を出力する。トランジスタ24のゲートにHIGHの電圧が印加され、トランジスタ24のドレイン/ソース間がオンになる。また、トランジスタ21もドレイン/ソース間がオフとなり、電源からグランドへの貫通電流が抑制される。したがって、信号線Vi3(トランジスタ23とトランジスタ24との間の信号線)の電圧は、グラウンド電位の電位によって、初期化され、LOWになる。信号線Vi3の電圧がLOWになると、インバータ36は、信号線VoutにHIGHの電圧を出力する。このため、回路108は、LOWレベルのパルスの出力を終了する。
 なお、図24のパルス生成器8Fの構成は、一例にしかすぎない。したがって、これとは異なる構成のパルス生成器を使ってもよい。例えば、パルス生成器8Fの代わりに、上述の各回路図(図16、図18、図19、図21、図22)に示したパルス生成器を使ってもよい。また、パルス生成器8Fを省略し、信号線INIに、外部の制御回路150を接続してもよい。この場合、外部の制御回路は、ひとつまたは複数のセンシングデバイスからの出力信号に応じ、HIGHレベルのパルスを生成することができる。なお、回路107においてトランジスタ15または抵抗器R1の少なくともいずれかを省略することが可能である。
 図25の回路図は、変形例8によるセンシングデバイスの例を示している。図25の回路108は、回路107のトランジスタ15、抵抗器R1およびパルス生成器8Fを省略した回路に相当する。回路108の信号線INITは、例えば、外部の制御回路150に接続されている。パルス生成器8に代わり、外部の制御回路150がリセット用のパルスを生成する。回路108の構成を採用する場合、画素(フォトダイオード)ごとにパルス生成器を用意する必要がなくなり、複数の画素で制御回路150を共有することができる。制御回路150は、必ず接続されたすべての画素にパルスを供給しなくてもよい。例えば、計測回路7に接続された少なくともいずれかの画素(センシングデバイス)でフォトンが検出された場合、制御回路150は、該当する画素の信号線INITにパルスを出力する。複数の画素で制御回路150を共有すると(すなわち、複数の検出部で初期化部を共有すると)、全体の回路規模を削減することができる。回路108のその他の部分の構成は、回路107と同様である。リセット用のパルスが制御回路150によって生成される点を除けば、回路108の基本的な動作は、上述の回路107と同様である。
 本開示によるセンシングデバイスは、光検出器と、負荷素子と、第1導電型の第1トランジスタと、第1導電型の第2トランジスタと、第2導電型の第3トランジスタと、第1インバータとを備えていてもよい。負荷素子は、光検出器と第1基準電位との間に接続されている。第1トランジスタは、光検出器と負荷素子との間の第1信号線の電圧に応じてオンする。第2トランジスタは、第1トランジスタの電流または第2信号線の電圧に応じて第1基準電位と第1トランジスタとの間をオンする。第3トランジスタは、第2信号線の電圧に応じて第1トランジスタと第2基準電位との間をオンする。第1インバータは、第1トランジスタと第3トランジスタとの間の第3信号線と第4信号線との間に接続されている。
 例えば、第1導電型のトランジスタとして、P-MOSトランジスタを使い、第2導電型のトランジスタとして、N-MOSトランジスタを使うことができる。この場合、第1基準電位として、電源電位を使い、第2基準電位として、グラウンド電位を使うことができる。また、第1導電型のトランジスタとして、N-MOSトランジスタを使い、第2導電型のトランジスタとして、P-MOSトランジスタを使うことも可能である。この場合、第1基準電位として、グラウンド電位を使い、第2基準電位として、電源電位を使うことができる。
 図24および図25のトランジスタ10は、負荷素子の一例である。ただし、負荷素子は、抵抗器などの受動素子であってもよい。トランジスタ23は、第1トランジスタの一例である。トランジスタ21は、第2トランジスタの一例である。トランジスタ24は、第3トランジスタの一例である。図24および図25の信号線INIは、第2信号線の一例である。また、信号線Vi3は、第3信号線の一例である。信号線Voutは、第4信号線の一例である。光検出器として、例えば、アバランシェフォトダイオードを使うことができる。
 また、本開示によるセンシングデバイスは、第4信号線の電圧に応じて第2信号線にパルスを出力するように構成されたパルス生成器をさらに備えていてもよい。また、パルス生成器は、第4信号線の電圧レベルが変化すると時間遅れをもって第2信号線にパルスを出力するように構成されていてもよい。センシングデバイスは、負荷素子と光検出器との間に接続された第1抵抗器と、第1抵抗器に直列に接続された第1導電型の第4トランジスタとをさらに備えていてもよい。図24のトランジスタ15は、第4トランジスタの一例である。また、抵抗器R1は、第1抵抗器の一例である。
 また、図16の例のように、パルス生成器は、第1遅延器と、第1遅延器に直列に接続された第2遅延器と、第2遅延器の後段に接続されたAND回路と、第1遅延器とAND回路との間に接続された第3インバータとを含むことができる。図16の遅延器D1は、第1遅延器の一例である、遅延器D2は、第2遅延器の一例である。インバータ31は、第3インバータの一例である。この場合、第1遅延器を第4信号線に接続し、AND回路の後段を第2信号線に接続することができる。ここで、図24および図25の信号線Voutは、第4信号線の一例である。また、信号線INIは、第2信号線の一例である。さらに、図18の例のように、パルス生成器は、インバータチェインを含んでいてもよい。
 また、図19の例のように、パルス生成器は、フリップフロップと、フリップフロップのQ端子に接続された第4インバータをと含んでいてもよい。この場合、フリップフロップのD端子を第4信号線に接続し、第4インバータの出力側を第2信号線に接続することができる。
 また、図21の例のように、パルス生成器は、ソース接地の2段増幅回路と、第1電流源と、第2電流源と、コンデンサと、第5インバータとを含んでいてもよい。ここで、第1電流源は、2段増幅回路の初段に接続される。第2電流源は、2段増幅回路の第2段に接続される。コンデンサは、2段増幅回路の初段と2段増幅回路の第2段との間を接続する。第5インバータは、2段増幅回路の初段に接続されている。図21のトランジスタ42およびトランジスタ43は、ソース接地の2段増幅回路の一例である。トランジスタ40は、第1電流源の一例である。トランジスタ41は、第2電流源の一例である。この場合、2段増幅回路の入力端子を第4信号線に接続し、第5インバータの出力端子を、第2信号線に接続することができる。
 図26の回路図は、変形例9によるセンシングデバイスの例を示している。図26の回路109は、回路107のトランジスタ15および抵抗器R1を省略し、インバータ37を追加した回路である。インバータ37の入力端子は、信号線INIを介してNAND回路NPの出力端子に接続されている。また、トランジスタ10のゲートは、端子Vbqに代わり、インバータ37の出力端子に接続されている。回路109のその他の部分の構成は、回路107と同様である。
 回路109は、回路107と同様、フォトダイオードPDがフォトンと反応し、信号線Vi1の電圧がLOW、信号線Vi3の電圧がHIGH、信号線Voutの電圧がLOWとなったとき(信号線VoutにLOWレベルのパルスが出力されているとき)、NAND回路NPは、信号線INIにHIGHの電圧を出力する。この場合、インバータ37は、LOWの電圧を出力するため、トランジスタ10のゲートにLOWの電圧が印加される。これにより、トランジスタ10のソース/ドレイン間は、オンとなる。したがって、信号線Vi1およびフォトダイオードPDのカソードの電位は、電源電位VddによってHIGHに引き上げられる。これにより、フォトダイオードPDの端子間電圧を降伏電圧まで下げ、アバランシェ現象を停止させる(フォトダイオードPDのクエンチが行われる)。
 また、信号線INIの電圧がHIGHであると、トランジスタ21とトランジスタ24のゲートにHIGHの電圧が印加される。よって、トランジスタ21のドレイン/ソース間は、オフとなり、トランジスタ24のドレイン/ソース間は、オンとなる。このため、信号線Vi3の電圧は、グラウンド電位によって初期化され、LOWになる。信号線Vi3の電圧がLOWになると、インバータ36は、信号線VoutにHIGHの電圧を出力する。これにより、遅延器D3による遅れをもってNAND回路NPの一方の入力端子の電圧は、HIGHになる。さらに、端子xRSTにHIGHの電圧が印加されていると、NAND回路NPは、信号線INIにLOWの電圧を出力する。このとき、トランジスタ10のゲートには、インバータ37より反転されたHIGHの電圧が印加される。トランジスタ10のソース/ドレイン間は、オフとなるため、信号線Vi1は、電源電位Vddと電気的に切り離される。フォトダイオードPDの端子間電圧は、降伏電圧以上となるため、回路100は、再びフォトンを検出できるようになる。
 回路109のように、トランジスタ10を使って、パルス駆動のアクティブクエンチを行ってもよい。回路109では、短期間で高速なクエンチを行うことが可能である。また、回路109では、フォトダイオードPDと直列に、抵抗器や電流源トランジスタが接続されていないため、フォトダイオードPDは、高速に応答することが可能である。なお、上述の回路107のように、トランジスタ10を電流源として使い、パッシブクエンチを行ってもよい。また、出力クエンチ回路、High-Zクエンチ回路などを組み合わせて使ってもよい。本開示によるセンシングデバイスでは、どのような種類のクエンチ方法を採用してもよい。なお、インバータ37が出力するHIGHの電圧レベルおよびLOWの電圧レベルをフォトダイオードPDの特性に合わせて調整できるように、回路を実装してもよい。例えば、HIGHの電圧レベルをVbq、LOWの電圧レベルを0Vに設定することができる。
 本開示によるセンシングデバイスは、第2信号線に接続された第2インバータをさらに備えていてもよい。この場合、負荷素子は、第1導電型の第5トランジスタであり、第5トランジスタは、第2インバータの出力電圧に応じてオンする。図26の信号線INIは、第2信号線の一例である。インバータ37は、第2インバータの一例である。トランジスタ10は、第5トランジスタの一例である。
 図27の回路図は、変形例10によるセンシングデバイスの例を示している。図27の回路110は、回路109にトランジスタ25を追加した回路である。なお、図27では、説明の簡略化のため、インバータ37が省略されている。トランジスタ25は、N-MOSトランジスタである。トランジスタ10のゲートは、信号線INIを介して、NAND回路NPの出力端子に接続されている。トランジスタ25のゲートも、信号線INIを介して、NAND回路NPの出力端子に接続されている。また、トランジスタ25のドレインは、信号線Vi1に接続されている。トランジスタ25のソースは、グラウンド電位に接続されている。回路110のその他の部分の構成は、回路109と同様である。
 回路110では、回路107および回路109と同様、フォトダイオードPDがフォトンと反応し、信号線Vi1の電圧がLOW、信号線Vi3の電圧がHIGH、信号線Voutの電圧がLOWになったとき(信号線VoutにLOWレベルのパルスが出力されているとき)、NAND回路NPは、信号線INIにHIGHの電圧を出力する。よって、トランジスタ25のゲートには、HIGHの電圧が印加され、トランジスタ25のドレイン/ソース間がオンになる。したがって、フォトダイオードPDのカソードは、グラウンド電位に接続され、アバランシェ現象が停止する。このように、回路110は、アクティブクエンチを行う回路である。
 また、回路110では、トランジスタ24のドレイン/ソース間が導通し、信号線Vi3の電圧がLOW、信号線Voutの電圧がHIGHになる。端子xRSTにHIGHの電圧が印加されている場合、遅延器D3による遅れをもってNAND回路NPの一方の入力端子の電圧がHIGHに変化すると、NAND回路NPは、信号線INIにLOWの電圧を出力する。トランジスタ10のゲートにLOWの電圧が印加されるため、トランジスタ10のソース/ドレイン間は、オンになる。これにより、フォトダイオードPDのカソードの電位が、電源電位Vddによって引き上げられる。フォトダイオードPDの端子間電圧は、降伏電圧以上となるため、回路110は、再びフォトンを検出できる。
 回路110では、フォトンに対応する信号がVoutより出力されると、フォトダイオードPDのカソードがグラウンド電位に接続されるため、高速なクエンチを行うことができる。また、トランジスタ10もパルスによって駆動されるため、フォトダイオードPDのカソード電圧も、電流源トランジスタが使われる場合と比べて短時間で引き上げられる。
 本開示によるセンシングデバイスは、第2信号線の電圧に応じて第2基準電位と第2信号線との間をオンする第2導電型の第6トランジスタとをさらに備えていてもよい。この場合、負荷素子は、第2信号線の電圧に応じてオンする第1導電型の第5トランジスタである。図27の信号線INIは、第2信号線の一例である。グラウンド電位は、第2基準電位の一例である。トランジスタ25は、第6トランジスタの一例である。また、トランジスタ10は、第5トランジスタの一例である。
 図28の斜視図は、Cu-Cu接続によってセンシングデバイスを実装した例を示している。図28には、基板51と、基板52が示されている。基板51および基板52は、例えば、シリコン基板である。ただし、基板51および基板52の材質については、問わない。基板51には、複数の画素510が形成されている。それぞれの画素510内には、フォトダイオードPD(例えば、SPAD)が形成されている。画素510内のフォトダイオードPDの表面の少なくとも一部は、開放されているため、フォトダイオードPDは、入射するフォトンに反応することができる。基板52には、それぞれの画素510に対応する回路ブロック520が形成されている。回路ブロック520は、例えば、図1の検出部9または検出部9A(例えば、上述の回路100~110)に相当する回路を含んでいる。そして、基板51の画素510と、基板52の回路ブロック520は、Cu-Cu接続(カッパー・カッパー接続)によって、電気的に接合されている。Cu-Cu接続を採用することによって、センシングデバイスの小型化と、生産コストの削減を実現することができる。
 画素510には、フォトダイオードPDのみが形成されていてもよい。これにより、フォトダイオードPDの面積を最大化することができる。また、画素510には、フォトダイオードPDに加えてその他の素子が形成されていてもよい。例えば、画素510に抵抗器R1を形成してもよいし、トランジスタ15を形成してもよい。この場合、回路ブロック520の面積を削減したり、回路ブロック520に実装できる機能を増やしたりすることができる。また、Cu-Cu配線における信号の振幅が抑制されるため、消費電力を抑えることができる。要求される使用に応じて、画素510に配置される素子と、回路ブロック520される素子に割り当てを調整することが可能である。なお、図28では、Cu-Cu接続を使ってセンシングデバイスが実装されているが、この実装方法は、一例にしかすぎない。例えば、Si貫通電極(TSV)などによってセンシングデバイスを実装してもよい。すなわち、センシングデバイスの実装方式については、問わない。また、図28の例では、基板が2層積層であった。ただし、基板の層数を限定するものではない。
 本開示によるセンシングデバイスでは、光検出器が実装されている第1基板は、その他の素子が実装されている第2基板と、Cu-Cu接続を介して電気的に接続されていてもよい。
 図29の回路図は、dToFによる測距に対応した回路の例を示している。図29では、複数の回路109が、回路TR1を介して後段の計測回路7に接続されている。回路TR1は、複数の回路109の出力信号(信号線Voutの電圧信号)についてOR演算を行う。これにより、計測回路7は、出力されたパルス数をカウントすることができる。計測回路7は、パルスの時間相関に基づき、光源91が照射した光emの反射光rlが検出されたか否かを判定することができる。反射光rlが検出されていると判定された場合、上述のように、飛行時間に基づいてセンシングデバイスから物体80までの距離を計算することが可能である。
 図30は、カウンタおよびTDCを含む回路の例を概略的に示している。図30は、上述の計測回路7の一例を示している。図30の回路200は、回路ブロック54と、複数のバッファ55と、回路TR2と、AND回路P2と、トリガ回路56と、論理回路P3と、フリップフロップF2と、複数のフリップフロップ57とを含んでいる。回路ブロック54は、複数のセンシングデバイス(例えば、上述の回路100~110)に相当する。複数のバッファ55は、それぞれのセンシングデバイスから出力された信号をデジタル化する。回路TR2は、OR回路をツリー状に接続した回路であり、複数のバッファ55から出力された信号のOR演算を行う。AND回路P2は、信号線CTR1から入力される信号と、回路TR2の出力信号のANDをトリガ回路56に入力する。なお、回路TR2は、OR演算ではなく、EXOR演算を行う回路であってもよい。これにより、同時検出のフォトンを信号波形の立下りおよび信号波形の立ち上がりの両方のタイミングでカウントすることができる。
 トリガ回路56は、所定の期間内にしきい値以上の数の時間相関を有するパルスを検出したら、TDC58にトリガ信号を出力するように構成されている。なお、信号線CTR1、信号線CTR2および信号線CTR3には、デジタルの制御信号が供給される。TDC58は、計測した時間差TDC_cntの情報を後段の回路に供給する。複数のフリップフロップ57は、互いに接続されている。複数のフリップフロップ57は、所定の期間内に検出されたフォトンの数countを後段の回路に供給する。なお、回路200は、計測回路の一例にしかすぎない。したがって、これとは異なる構成の計測回路をセンシングデバイスに接続してもよい。
 図1、図2、図13、図25、図29および図30に例示したように、本開示による測距装置は、光源と、複数のセンシングデバイスと、論理回路と、計測回路を備えていてもよい。論理回路は、複数のセンシングデバイスの出力電圧の論理和を出力するように構成されている。計測回路は、光源より光が照射されたタイミングと論理回路から出力される信号とに基づき、物体との距離を計測するように構成されている。ここで、図29の回路TR1および図30の回路TR2は、論理回路の一例である。計測回路7および図20の回路200のうち、回路TR2より後段の部分は、計測回路の一例である。
 また、図25に示したように、本開示による測距装置は、複数のセンシングデバイスの第2信号線に接続されている制御回路を備えていてもよい。制御回路は、少なくともいずれかのセンシングデバイスの第4信号線から計測回路に入力される信号に基づき、第2信号線にパルスを出力するように構成されている。
 本開示によるセンシングデバイスおよび測距装置では、フォトダイオードPDのフォトンとの反応後にパルスが生成されるたびに、回路内の電圧がリセットされる。このため、短期間で次のフォトンを検出することが可能となる。このため、本開示によるセンシングデバイスおよび測距装置を使うと、高照度の環境においても、フォトンを単調増加特性で検出することができる。本開示によるセンシングデバイスおよび測距装置は、幅広い明るさダイナミックレンジに対応している。このため、照度の環境に関わらず、高い精度で物体との距離の測定を行うことが可能である。また、本開示によるセンシングデバイスおよび測距装置は、リチャージ時間の長さに関わらず、後段の回路に一定幅のパルスを出力することが可能である。また、リセット用のパルスが生成される時間遅れと、後段の回路に出力されるパルスのパルス幅を調整可能な構成を採用することも可能である。この場合、使用する計測回路に応じて、パルスの出力タイミングと、パルス幅を調整することができる。
 本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
 図31は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
 車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図31に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(interface)12053が図示されている。
 駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
 ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
 車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
 撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
 車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
 マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
 また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
 また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
 音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図31の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
 図32は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
 図32では、車両12100は、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。
 撮像部12101,12102,12103,12104,12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102,12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。撮像部12101及び12105で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
 なお、図32には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
 撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
 例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
 例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
 撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
 以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、撮像部12031に適用され得る。具体的には、撮像部12031に、上述のセンシングデバイス(例えば、上述の回路100~109)を含む測距装置90と、光源91を実装することができる。撮像部12031に、本開示に係る技術を適用することにより、幅広い明るさダイナミックレンジの環境において、正確な距離情報を得ることができ、車両12100の機能性および安全性を高めることができる。
 なお、本技術は、以下のような構成をとることができる。
(1)
 光検出器と、
 前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、
 前記光検出器と前記負荷素子との間の第1信号線の電圧に応じてオンする第1導電型の第1トランジスタと、
 前記第1トランジスタの電流または第2信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第1トランジスタとの間をオンする第1導電型の第2トランジスタと、
 前記第2信号線の電圧に応じて前記第1トランジスタと第2基準電位との間をオンする第2導電型の第3トランジスタと、
 前記第1トランジスタと前記第3トランジスタとの間の第3信号線と第4信号線との間に接続された第1インバータとを備える、
 センシングデバイス。
(2)
 前記第4信号線の電圧に応じて前記第2信号線にパルスを出力するように構成されたパルス生成器をさらに備える、
 (1)に記載のセンシングデバイス。
(3)
 前記パルス生成器は、前記第4信号線の電圧レベルが変化すると時間遅れをもって前記第2信号線にパルスを出力するように構成されている、
 (2)に記載のセンシングデバイス。
(4)
 前記負荷素子と前記光検出器との間に接続された第1抵抗器と、
 前記第1抵抗器に直列に接続された第1導電型の第4トランジスタとをさらに備える、 (1)ないし(3)のいずれか一項に記載のセンシングデバイス。
(5)
 前記第2信号線に接続された第2インバータをさらに備え、
 前記負荷素子は、第1導電型の第5トランジスタであり、
 前記第5トランジスタは、前記第2インバータの出力電圧に応じてオンする、
 (1)ないし(4)のいずれか一項に記載のセンシングデバイス。
(6)
 前記第2信号線の電圧に応じて前記第2基準電位と前記第2信号線との間をオンする第2導電型の第6トランジスタとをさらに備え、
 前記負荷素子は、前記第2信号線の電圧に応じてオンする第1導電型の第5トランジスタである、
 (1)ないし(4)のいずれか一項に記載のセンシングデバイス。
(7)
 前記パルス生成器は、第1遅延器と、前記第1遅延器に直列に接続された第2遅延器と、前記第2遅延器の後段に接続されたAND回路と、前記第1遅延器と前記AND回路との間に接続された第3インバータとを含み、前記第1遅延器は、前記第4信号線に接続され、前記AND回路の後段は、前記第2信号線に接続されている、
 (2)または(3)に記載のセンシングデバイス。
(8)
 前記パルス生成器は、インバータチェインを含む、
 (2)または(3)に記載のセンシングデバイス。
(9)
 前記パルス生成器は、フリップフロップと、前記フリップフロップのQ端子に接続された第4インバータをと含み、前記フリップフロップのD端子は、前記第4信号線に接続され、前記第4インバータの出力側は、前記第2信号線に接続されている、
 (2)または(3)に記載のセンシングデバイス。
(10)
 前記パルス生成器は、ソース接地の2段増幅回路と、前記2段増幅回路の初段に接続された第1電流源と、前記2段増幅回路の第2段に接続された第2電流源と、前記2段増幅回路の初段と前記2段増幅回路の第2段との間を接続するコンデンサと、前記2段増幅回路の初段に接続された第5インバータとを含み、前記2段増幅回路の入力端子は、前記第4信号線に接続され、前記第5インバータの出力端子は、前記第2信号線に接続される、 (2)または(3)に記載のセンシングデバイス。
(11)
 前記光検出器が実装されている第1基板は、その他の素子が実装されている第2基板と、Cu-Cu接続を介して電気的に接続されている、
 (1)ないし(10)のいずれか一項に記載のセンシングデバイス。
(12)
 前記光検出器は、アバランシェフォトダイオードである、
 (1)ないし(10)のいずれか一項に記載のセンシングデバイス。
(13)
 (1)ないし(12)のいずれか一項に記載のセンシングデバイスを複数備える測距装置であって、
 光源と、
 複数の前記センシングデバイスの出力電圧の論理和を出力するように構成された論理回路と、
 前記光源より光が照射されたタイミングと前記論理回路から出力される信号とに基づき、物体との距離を計測するように構成された計測回路とを備える、
 測距装置。
(14)
 複数の前記センシングデバイスの前記第2信号線に接続されており、
 少なくともいずれかの前記センシングデバイスの前記第4信号線から前記計測回路に入力される信号に基づき、前記第2信号線にパルスを出力するように構成された制御回路をさらに備える、
 (13)に記載の測距装置。
(15)
 光検出器と、
 前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、
 第5信号線の電圧に応じて前記光検出器と第6信号線との間をオンする第2導電型の第7トランジスタと、
 前記第5信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第7トランジスタとの間をオンする第1導電型の第8トランジスタと、
 前記第6信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と第7信号線との間をオンする第1導電型の第9トランジスタと、
 第8信号線の電圧に応じて前記第7信号線と第2基準電位との間をオンする第2導電型の第10トランジスタと、
 前記第7信号線と第9信号線の間に接続された第6インバータとを備え、
 前記第5信号線は、前記第9信号線に接続されている、
 センシングデバイス。
(16)
 前記第9信号線の電圧に応じて前記第8信号線にパルスを出力するように構成されたパルス生成器をさらに備える、
 (15)に記載のセンシングデバイス。
(17)
 前記負荷素子と前記光検出器との間に接続された第1抵抗器と、
 前記第1抵抗器に直列に接続された第1導電型の第4トランジスタとをさらに備える、 (15)または(16)に記載のセンシングデバイス。
(18)
 第1制御電極に印加される電圧に応じて前記第1基準電位と前記第9トランジスタとの間をオンする第11トランジスタをさらに備える、
 (15)ないし(17)のいずれか一項に記載のセンシングデバイス。
(19)
 第2制御電極に印加される電圧に応じて前記第7信号線と前記第10トランジスタとの間をオンする第12トランジスタをさらに備える、
 (15)ないし(18)のいずれか一項に記載のセンシングデバイス。
(20)
 光検出器と、
 前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、
 第5信号線の電圧に応じて前記光検出器と第6信号線との間をオンする第2導電型の第7トランジスタと、
 前記第5信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第7トランジスタとの間をオンする第1導電型の第8トランジスタと、
 前記第6信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と第7信号線との間をオンする第1導電型の第9トランジスタと、
 第8信号線の電圧に応じて前記第7信号線と第2基準電位との間をオンする第2導電型の第10トランジスタと、
 前記第7信号線に接続された第6インバータと、
 前記第6インバータと第9信号線の間に接続された第7インバータと、
 前記第9信号線に接続された第3遅延器と、
 前記第3遅延器の出力電圧および第10信号線の電圧のNORを前記第8信号線に出力するように構成されたNOR回路と、
 前記第9信号線の電圧および前記第8信号線の電圧のNANDを前記第5信号線に出力するように構成されたNAND回路とを備える、
 センシングデバイス。
 本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
C1 コンデンサ
D1、D2、D3 遅延器
F1、F2 フリップフロップ
NP NAND回路
NS NOR回路
P1、P2、P3 AND回路
PD フォトダイオード
R1 抵抗器
1、1A,1B センシングデバイス
2、2A 切替部
3、3A 初期化部
4、4A 増幅部
5,5A 検出器
6 クエンチ部
7 計測回路
8、8A、8B、8C、8D、8E、8F パルス生成器
9、9A,9B 検出部
10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、21、23、24、2540、41、42、43 トランジスタ
30、31、32、33、34、35、36、37 インバータ
51、52 基板
53 Cu-Cu接続
54、520 回路ブロック
55 バッファ
56 トリガ回路
57 複数のフリップフロップ
58 TDC
61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71 グラフ
80 物体
90 測距装置
91 光源
TR1、TR2、50、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、200 回路
150 制御回路
300 インバータチェイン
510 画素

Claims (20)

  1.  光検出器と、
     前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、
     前記光検出器と前記負荷素子との間の第1信号線の電圧に応じてオンする第1導電型の第1トランジスタと、
     前記第1トランジスタの電流または第2信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第1トランジスタとの間をオンする第1導電型の第2トランジスタと、
     前記第2信号線の電圧に応じて前記第1トランジスタと第2基準電位との間をオンする第2導電型の第3トランジスタと、
     前記第1トランジスタと前記第3トランジスタとの間の第3信号線と第4信号線との間に接続された第1インバータとを備える、
     センシングデバイス。
  2.  前記第4信号線の電圧に応じて前記第2信号線にパルスを出力するように構成されたパルス生成器をさらに備える、
     請求項1に記載のセンシングデバイス。
  3.  前記パルス生成器は、前記第4信号線の電圧レベルが変化すると時間遅れをもって前記第2信号線にパルスを出力するように構成されている、
     請求項2に記載のセンシングデバイス。
  4.  前記負荷素子と前記光検出器との間に接続された第1抵抗器と、
     前記第1抵抗器に直列に接続された第1導電型の第4トランジスタとをさらに備える、 請求項1に記載のセンシングデバイス。
  5.  前記第2信号線に接続された第2インバータをさらに備え、
     前記負荷素子は、第1導電型の第5トランジスタであり、
     前記第5トランジスタは、前記第2インバータの出力電圧に応じてオンする、
     請求項1に記載のセンシングデバイス。
  6.  前記第2信号線の電圧に応じて前記第2基準電位と前記第2信号線との間をオンする第2導電型の第6トランジスタとをさらに備え、
     前記負荷素子は、前記第2信号線の電圧に応じてオンする第1導電型の第5トランジスタである、
     請求項1に記載のセンシングデバイス。
  7.  前記パルス生成器は、第1遅延器と、前記第1遅延器に直列に接続された第2遅延器と、前記第2遅延器の後段に接続されたAND回路と、前記第1遅延器と前記AND回路との間に接続された第3インバータとを含み、前記第1遅延器は、前記第4信号線に接続され、前記AND回路の後段は、前記第2信号線に接続されている、
     請求項2に記載のセンシングデバイス。
  8.  前記パルス生成器は、インバータチェインを含む、
     請求項2に記載のセンシングデバイス。
  9.  前記パルス生成器は、フリップフロップと、前記フリップフロップのQ端子に接続された第4インバータをと含み、前記フリップフロップのD端子は、前記第4信号線に接続され、前記第4インバータの出力側は、前記第2信号線に接続されている、
     請求項2に記載のセンシングデバイス。
  10.  前記パルス生成器は、ソース接地の2段増幅回路と、前記2段増幅回路の初段に接続された第1電流源と、前記2段増幅回路の第2段に接続された第2電流源と、前記2段増幅回路の初段と前記2段増幅回路の第2段との間を接続するコンデンサと、前記2段増幅回路の初段に接続された第5インバータとを含み、前記2段増幅回路の入力端子は、前記第4信号線に接続され、前記第5インバータの出力端子は、前記第2信号線に接続される、 請求項2に記載のセンシングデバイス。
  11.  前記光検出器が実装されている第1基板は、その他の素子が実装されている第2基板と、Cu-Cu接続を介して電気的に接続されている、
     請求項1に記載のセンシングデバイス。
  12.  前記光検出器は、アバランシェフォトダイオードである、
     請求項1に記載のセンシングデバイス。
  13.  請求項1に記載のセンシングデバイスを複数備える測距装置であって、
     光源と、
     複数の前記センシングデバイスの出力電圧の論理和を出力するように構成された論理回路と、
     前記光源より光が照射されたタイミングと前記論理回路から出力される信号とに基づき、物体との距離を計測するように構成された計測回路とを備える、
     測距装置。
  14.  複数の前記センシングデバイスの前記第2信号線に接続されており、
     少なくともいずれかの前記センシングデバイスの前記第4信号線から前記計測回路に入力される信号に基づき、前記第2信号線にパルスを出力するように構成された制御回路をさらに備える、
     請求項13に記載の測距装置。
  15.  光検出器と、
     前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、
     第5信号線の電圧に応じて前記光検出器と第6信号線との間をオンする第2導電型の第7トランジスタと、
     前記第5信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第7トランジスタとの間をオンする第1導電型の第8トランジスタと、
     前記第6信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と第7信号線との間をオンする第1導電型の第9トランジスタと、
     第8信号線の電圧に応じて前記第7信号線と第2基準電位との間をオンする第2導電型の第10トランジスタと、
     前記第7信号線と第9信号線の間に接続された第6インバータとを備え、
     前記第5信号線は、前記第9信号線に接続されている、
     センシングデバイス。
  16.  前記第9信号線の電圧に応じて前記第8信号線にパルスを出力するように構成されたパルス生成器をさらに備える、
     請求項15に記載のセンシングデバイス。
  17.  前記負荷素子と前記光検出器との間に接続された第1抵抗器と、
     前記第1抵抗器に直列に接続された第1導電型の第4トランジスタとをさらに備える、 請求項15に記載のセンシングデバイス。
  18.  第1制御電極に印加される電圧に応じて前記第1基準電位と前記第9トランジスタとの間をオンする第11トランジスタをさらに備える、
     請求項15に記載のセンシングデバイス。
  19.  第2制御電極に印加される電圧に応じて前記第7信号線と前記第10トランジスタとの間をオンする第12トランジスタをさらに備える、
     請求項15に記載のセンシングデバイス。
  20.  光検出器と、
     前記光検出器と第1基準電位との間に接続された負荷素子と、
     第5信号線の電圧に応じて前記光検出器と第6信号線との間をオンする第2導電型の第7トランジスタと、
     前記第5信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と前記第7トランジスタとの間をオンする第1導電型の第8トランジスタと、
     前記第6信号線の電圧に応じて前記第1基準電位と第7信号線との間をオンする第1導電型の第9トランジスタと、
     第8信号線の電圧に応じて前記第7信号線と第2基準電位との間をオンする第2導電型の第10トランジスタと、
     前記第7信号線に接続された第6インバータと、
     前記第6インバータと第9信号線の間に接続された第7インバータと、
     前記第9信号線に接続された第3遅延器と、
     前記第3遅延器の出力電圧および第10信号線の電圧のNORを前記第8信号線に出力するように構成されたNOR回路と、
     前記第9信号線の電圧および前記第8信号線の電圧のNANDを前記第5信号線に出力するように構成されたNAND回路とを備える、
     センシングデバイス。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022190788A1 (ja) * 2021-03-09 2022-09-15 ソニーグループ株式会社 センサ装置
WO2023195262A1 (ja) * 2022-04-07 2023-10-12 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出装置、測距装置、および電子機器

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7401211B2 (ja) * 2019-06-25 2023-12-19 ファナック株式会社 外光照度測定機能を備えた測距装置及び外光照度測定方法
CN115902835B (zh) * 2021-09-30 2024-02-27 深圳市速腾聚创科技有限公司 一种雷达数据收发装置、测距方法及激光雷达

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140124652A1 (en) * 2012-11-02 2014-05-08 The University Court Of The University Of Edinburgh Pixel circuit with controlled capacitor discharge time of flight measurement
JP2016161438A (ja) * 2015-03-03 2016-09-05 株式会社デンソー 演算装置
CN106338339A (zh) * 2016-10-17 2017-01-18 东南大学 应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路
JP2019007877A (ja) * 2017-06-27 2019-01-17 キヤノン株式会社 光検出装置及び撮像システム

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6695364B2 (ja) * 2018-01-17 2020-05-20 シャープ株式会社 シングルフォトンアバランシェダイオード制御回路

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140124652A1 (en) * 2012-11-02 2014-05-08 The University Court Of The University Of Edinburgh Pixel circuit with controlled capacitor discharge time of flight measurement
JP2016161438A (ja) * 2015-03-03 2016-09-05 株式会社デンソー 演算装置
CN106338339A (zh) * 2016-10-17 2017-01-18 东南大学 应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路
JP2019007877A (ja) * 2017-06-27 2019-01-17 キヤノン株式会社 光検出装置及び撮像システム

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4057621A4 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022190788A1 (ja) * 2021-03-09 2022-09-15 ソニーグループ株式会社 センサ装置
WO2023195262A1 (ja) * 2022-04-07 2023-10-12 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出装置、測距装置、および電子機器

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