WO2022074939A1 - 受光素子、測距モジュール、測距システム、および、受光素子の制御方法 - Google Patents

受光素子、測距モジュール、測距システム、および、受光素子の制御方法 Download PDF

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Abstract

反射光の受光タイミングに基づいて測距を行う受光素子において、測距精度を向上させる。 充電部（３３０）は、アバランシェフォトダイオード（３４０）のカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す。ソースフォロワートランジスタ（３２０）のソースは、アバランシェフォトダイオード（３４０）の一方の端子に接続される。論理ゲート（３５０）は、アバランシェフォトダイオード（３４０）の一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する。ソースフォロワー遮断スイッチ（３１０）は、出力信号に基づいてソースフォロワートランジスタ（３２０）のドレインと所定電圧との間の経路を開閉する。

Description

受光素子、測距モジュール、測距システム、および、受光素子の制御方法
　本技術は、受光素子に関する。詳しくは、光子の有無を検出する受光素子、測距モジュール、測距システム、および、受光素子の制御方法に関する。
　従来より、測距機能を持つ電子装置において、ＴｏＦ（Time of Flight）方式と呼ばれる測距方式が知られている。このＴｏＦ方式は、照射光を電子装置から物体に照射し、その照射光が反射して電子装置に戻ってくるまでの往復時間を求めて距離を測定する方式である。照射光に対する反射光の検出には、ＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）が用いられることが多い。例えば、ＳＰＡＤと、ＳＰＡＤを充電する電流源と、ＳＰＡＤのカソード電圧が降下してから一定時間経過後にＳＰＡＤの充電を開始するアクティブリチャージ回路とを設けた測距装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０２０－９４８４９号公報
　上述の従来技術では、電流源に加えて、アクティブリチャージ回路が充電を行うことにより、カソード電圧が降下してから降下前の電圧に復帰するまでの時間の短縮を図っている。しかしながら、アクティブリチャージ回路による充電中に光子が入射すると、ＳＰＡＤからの信号の波形が乱れて測距する際の誤差が大きくなり、測距精度が低下してしまうという問題がある。
　本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、反射光の受光タイミングに基づいて測距を行う受光素子において、測距精度を向上させることを目的とする。
　本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、アバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、上記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、上記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、上記出力信号に基づいて上記ソースフォロワートランジスタのドレインと上記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチとを具備する受光素子、および、その制御方法である。これにより、測距精度が向上するという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記ソースフォロワー遮断スイッチは、所定レベルの上記出力信号が出力されたときに開状態に移行し、上記開状態に移行したときから所定の遅延時間が経過したときに閉状態に移行し、上記ソースフォロワートランジスタは、上記ソースフォロワー遮断スイッチが閉状態に移行したときから上記一方の端子の電圧が所定のカットオフ電圧になるときまでの期間内にドレイン電流を生成してもよい。これにより、高照度の際に測距精度が向上するという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記ソースフォロワートランジスタのゲートには、上記ソースフォロワートランジスタの閾値電圧と上記ソースフォロワー遮断スイッチが開状態から閉状態に移行したときの上記一方の端子の電圧との和から、上記参照電圧と上記閾値電圧との和までの範囲内のバイアス電圧が印加されてもよい。これにより、ソースフォロワー遮断スイッチが閉状態に移行したときから出力信号が所定レベルになるときまでの期間内にドレイン電流が生成されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記論理ゲートに入力される信号の振幅を制限する電圧制限トランジスタをさらに具備してもよい。これにより、素子サイズの小さなトランジスタが使用可能になるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記論理ゲートの入力端子は、上記充電部および上記電圧制限トランジスタの接続ノードに接続されてもよい。これにより、素子サイズの小さなトランジスタが使用可能になるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記論理ゲートの入力端子は、上記電圧制限トランジスタおよび前記アバランシェフォトダイオードの接続ノードに接続されてもよい。これにより、クウェンチ検出時間誤差の増加を抑制しつつ、電流源などの面積を削減することができるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記ソースフォロワートランジスタのゲートには、上記所定電圧が印加されてもよい。
　また、この第１の側面において、発光源からの照射光の発光タイミングと上記出力信号の立下りおよび立ち上りの一方のタイミングとの間の時間に基づいて物体までの距離を計算する距離計算部をさらに具備してもよい。これにより、物体までの距離が測定されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記アバランシェフォトダイオード、上記充電部、上記ソースフォロワートランジスタ、上記論理ゲートおよびソースフォロワー遮断スイッチは、複数の画素のそれぞれに設けられてもよい。これにより、画素ごとに光子の有無が検出されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記アバランシェフォトダイオードは、所定の受光基板に設けられ、上記充電部、上記ソースフォロワートランジスタ、上記論理ゲートおよびソースフォロワー遮断スイッチは、所定のロジック基板に設けられてもよい。これにより、基板毎の回路規模が削減されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記アバランシェフォトダイオードは、所定の受光基板に設けられ、上記ソースフォロワートランジスタおよびソースフォロワー遮断スイッチを含む読出し回路の一部は、所定の高耐圧基板に設けられ、上記読出し回路の残りは、所定のロジック基板に設けられてもよい。これにより、画素サイズの小型化が容易になるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記充電部は、上記所定電圧と上記一方の端子との間に挿入された電流制限抵抗を備えてもよい。これにより、配線数が削減されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記出力信号に基づいて上記充電部と上記所定電圧との間の経路を開閉する充電部遮断スイッチをさらに具備してもよい。これにより、電流源からの定電流が遮断されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記出力信号の立下りおよび立下りのいずれかのタイミングから所定の遅延時間が経過したときまでの期間に亘って上記ソースフォロワー遮断スイッチを開状態にするための第１の論理レベルのパルス信号を出力するパルス整形回路をさらに具備し、上記ソースフォロワー遮断スイッチは、上記パルス信号が上記第１の論理レベルレベルの期間内に開状態に移行し、上記パルス信号が上記第１の論理レベルと異なる第２の論理レベルの期間内に閉状態に移行してもよい。これにより、遅延時間が経過したときにソースフォロワートランジスタのドレイン電流が生成されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記出力信号の立下りおよび立下りのいずれかのタイミングから所定の遅延時間が経過したときにパルス幅の期間に亘って上記ソースフォロワー遮断スイッチを閉状態にするための第１の論理レベルのパルス信号を出力するパルス整形回路をさらに具備し、上記ソースフォロワー遮断スイッチは、上記パルス信号が上記第１の論理レベルと異なる第２の論理レベルの期間内に開状態に移行し、上記パルス信号が上記第１の論理レベルの期間内に閉状態に移行してもよい。これにより、遅延時間が経過したときにソースフォロワートランジスタのドレイン電流が生成されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記一方の端子は、カソードであり、上記所定電圧は、電源電圧であり、上記充電部は、上記電源電圧から上記カソードへ上記定電流を供給してもよい。これにより、カソード電圧の降下により光子が検出されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記一方の端子は、アノードであり、上記所定電圧は、読出し回路グラウンドであり、上記充電部は、上記アノードから上記読出し回路グラウンドへ上記定電流を供給してもよい。これにより、アノード電圧の上昇により光子が検出されるという作用をもたらす。
　また、本技術の第２の側面は、照射光を照射する照明装置と、前記照射光に対する反射光を受光する受光素子とを具備し、前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、前記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、前記出力信号に基づいて前記ソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチと
を備える測距システムである。これにより、測距システムの測距精度が向上するという作用をもたらす。
　また、本技術の第３の側面は、アバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、上記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、上記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、上記出力信号に基づいて上記ソースフォロワートランジスタのドレインと上記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチと、上記出力信号を処理する信号処理部とを具備する測距モジュールである。これにより、測距モジュールの測距精度が向上するという作用をもたらす。
本技術の第１の実施の形態における測距モジュールの一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第１の実施の形態における画素の実装例を示す回路図である。 本技術の第１の実施の形態における信号処理部の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における信号処理部の別の構成例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における測距モード中の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第１の実施の形態におけるスタンバイモードから測距モードに移行する際の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第１の実施の形態における測距モジュールの動作の一例を示すフローチャートである。 本技術の第２の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第３の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第４の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第４の実施の形態の変形例における画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第５の実施の形態における測距モード中の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第５の実施の形態におけるスタンバイモードから測距モードに移行する際の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本技術の第６の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第７の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第７の実施の形態に第４の実施の形態を適用した場合の画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第７の実施の形態に第４の実施の形態の変形例を適用した場合の画素の一構成例を示す回路図である。 本技術の第８の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。 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。 撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
　以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
　１．第１の実施の形態（ソースフォロワートランジスタを設けた例）
　２．第２の実施の形態（ソースフォロワートランジスタおよび抵抗を設けた例）
　３．第３の実施の形態（ソースフォロワートランジスタを設け、定電流を遮断する例）
　４．第４の実施の形態（ソースフォロワートランジスタを設け、振幅を制限する例）
　５．第５の実施の形態（ソースフォロワートランジスタを設け、ローレベルのパルス信号を生成する例）
　６．第６の実施の形態（ソースフォロワートランジスタを設け、そのゲートに電源電圧を印加する例）
　７．第７の実施の形態（ソースフォロワートランジスタを設け、３枚の基板に画素内の素子を配置する例）
　８．第８の実施の形態（ソースフォロワートランジスタを設け、ＳＰＡＤのアノード、カソードの接続先を逆にした例）
　９．移動体への応用例
　＜１．第１の実施の形態＞
　［測距モジュールの構成例］
　図１は、本技術の第１の実施の形態における測距モジュール１００の一構成例を示すブロック図である。この測距モジュール１００は、物体までの距離を測定するものであり、発光源１１０、タイミング生成部１２０および固体撮像素子２００を備える。測距モジュール１００は、スマートフォン、パーソナルコンピュータや車載機器などに搭載され、距離を測定するために用いられる。なお、測距モジュール１００を設けたシステムは、特許請求の範囲に記載の測距システムの一例である。
　タイミング生成部１２０は、発光源１１０および固体撮像素子２００を同期して動作させるためのタイミング信号を生成するものである。このタイミング生成部１２０は、タイミング信号として、所定周波数（１００メガヘルツ乃至１０ギガヘルツなど）のクロック信号ＣＬＫｐを生成し、固体撮像素子２００に信号線１２９を介して供給する。また、タイミング生成部１２０は、クロック信号ＣＬＫｐと同期して生成されたクロック信号ＣＬＫｄを発光源１１０に信号線１２８を介して供給する。クロック信号ＣＬＫｄの周波数は、クロック信号ＣＬＫｐの１／Ｎ（Ｎは、整数）である。
　発光源１１０は、タイミング生成部１２０からのクロック信号ＣＬＫｄに同期して間欠光を照射光として供給するものである。例えば、照射光として近赤外光などが用いられる。なお、発光源１１０は、特許請求の範囲に記載の照射装置の一例である。
　固体撮像素子２００は、照射光に対する反射光を受光し、クロック信号ＣＬＫｄの示す発光タイミングから反射光を受光したタイミングまでの往復時間を測定するものである。この固体撮像素子２００は、物体までの距離を往復時間から算出し、その距離を示す距離データを生成して出力する。なお、固体撮像素子２００は、特許請求の範囲に記載の受光素子の一例である。
　［固体撮像素子の構成例］
　図２は、本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子２００の一構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子２００は、制御回路２１０、画素アレイ部２２０および信号処理部２３０を備える。画素アレイ部２２０には、複数の画素３００が二次元格子状に配列される。
　制御回路２１０は、タイミング生成部１２０からのクロック信号ＣＬＫｐに基づいて画素アレイ部２２０内の画素３００のそれぞれを制御するものである。
　信号処理部２３０は、画素３００からの信号とクロック信号ＣＬＫｐとに基づいて画素３００ごとに往復時間を測定し、距離を算出するものである。この信号処理部２３０は、距離を示す距離データを測距点に対応する画素群ごとに生成し、それらを外部に出力する。なお、画素アレイ部２２０内に配置されても構わないし、画素アレイ部２２０の外に配置されても構わない。
　［画素の構成例］
　図３は、本技術の第１の実施の形態における画素３００の一構成例を示す断面図および回路図である。この画素３００は、ＳＰＡＤ３４０および読出し回路３０５を備える。ＳＰＡＤ３４０は、受光基板２０１に配置される。一方、ＳＰＡＤ３４０以外の回路、すなわち、読出し回路３０５、制御回路２１０および信号処理部２３０（不図示）は、受光基板２０１に積層されたロジック基板２０２に配置される。ＳＰＡＤ３４０のみを受光基板２０１に配置することにより、ＳＰＡＤ３４０の開口率を最大化することができ、受光性能を向上させることができる。ただし、画素３００の容量は増大するため、その分、充電速度が低下する。
　受光基板２０１とロジック基板２０２とは、ビアなどの接続部を介して電気的に接続される。なお、ビアの他、Ｃｕ－Ｃｕ接合やバンプにより接続することもできる。
　読出し回路３０５は、ＳＦ（Source Follower）遮断スイッチ３１０、ソースフォロワートランジスタ３２０、電流源３３０、アンプ３５０およびパルス整形回路３６０を備える。ソースフォロワートランジスタ３２０として、例えば、ｎＭＯＳ（n-channel Metal Oxide Semiconductor）トランジスタが用いられる。
　電流源３３０は、電源電圧ＶＤＤと、ＳＰＡＤ３４０のカソードとの間に挿入される。ＳＰＡＤ３４０のアノードは、所定の負バイアスＶＳＰＡＤのノードに接続される。また、ＳＦ遮断スイッチ３１０およびソースフォロワートランジスタ３２０は、電源電圧ＶＤＤと、ＳＰＡＤ３４０のカソードとの間に直列に接続される。また、アンプ３５０の入力端子は、ＳＰＡＤ３４０のカソードに接続され、アンプ３５０の出力端子は、パルス整形回路３６０および信号処理部２３０に接続される。
　ＳＰＡＤ３４０は、入射光に対する光電変換により電荷（電子など）を生成し、アバランシェ増倍してカソードから出力するものである。ＳＰＡＤ３４０のアノードとカソードとの間には、アバランシェ降伏するときの降伏電圧よりも絶対値が大きな逆バイアスが印加されている。逆バイアスと降伏電圧との差分は、超過バイアスと呼ばれる。光子が入射した際に、ＳＰＡＤ３４０のカソード電圧Ｖｃａは超過バイアスの分だけ降下し、このときのカソード電圧をボトム電位Ｖｂｔｍとする。なお、ＳＰＡＤ３４０は、特許請求の範囲に記載のアバランシェフォトダイオードの一例である。
　電流源３３０は、電源電圧ＶＤＤからＳＰＡＤ３４０のカソードへの経路に一定の定電流を流すものである。なお、電流源３３０は、特許請求の範囲に記載の充電部の一例である。
　アンプ３５０は、ＳＰＡＤ３４０のカソード電圧Ｖｃａと所定の参照電圧Ｖｒｅｆとの比較結果に基づいて出力信号ＯＵＴを出力するものである。カソード電圧Ｖｃａが参照電圧Ｖｒｅｆ以下の場合にローレベルの出力信号ＯＵＴが出力され、カソード電圧Ｖｃａが参照電圧Ｖｒｅｆより高い場合にハイレベルの出力信号ＯＵＴが出力される。
　パルス整形回路３６０は、出力信号ＯＵＴに基づいてパルス信号ＰＳＷを生成し、ＳＦ遮断スイッチ３１０に供給するものである。例えば、パルス整形回路３６０は、出力信号ＯＵＴの立下りから所定の遅延時間が経過するまでの期間に亘ってハイレベルのパルス信号ＰＳＷを生成する。遅延期間には、例えば、光子の入射によりアンプ３５０の出力が反転してから、カソード電圧Ｖｃａがボトム電位Ｖｂｔｍに達するまでの時間に略一致する値が設定される。
　ＳＦ遮断スイッチ３１０は、パルス信号ＰＳＷに従って、ソースフォロワートランジスタ３２０のドレインと電源電圧ＶＤＤとの間の経路を開閉するものである。例えば、ＳＦ遮断スイッチ３１０は、パルス信号ＰＳＷがハイレベルの期間内に開状態に移行し、パルス信号ＰＳＷがローレベルの期間内に閉状態に移行する。なお、ＳＦ遮断スイッチ３１０は、特許請求の範囲に記載のソースフォロワー遮断スイッチの一例である。
　ソースフォロワートランジスタ３２０のゲートには、所定のバイアス電圧Ｖｂ１が印加される。このバイアス電圧Ｖｂ１の設定方法については後述する。
　上述の接続構成により、画素３００に光子が入射されると、ＳＰＡＤ３４０は、その光子を光電変換した電荷をアバランシェ増倍し、光電流を生成する。この光電流に応じてＳＰＡＤ３４０のカソード電圧Ｖｃａが降下する。そして、カソード電圧Ｖｃａがアンプ３５０の参照電圧Ｖｒｅｆ以下になると、アンプ３５０は、ローレベルの出力信号ＯＵＴを出力する。これにより、光子の入射が検出される。
　また、パルス整形回路３６０は、出力信号ＯＵＴの立下りから遅延時間が経過するまでの期間に亘ってハイレベルのパルス信号ＰＳＷを生成する。このハイレベルのパルス信号ＰＳＷにより、ＳＦ遮断スイッチ３１０は、開状態に移行する。
　そして、出力信号ＯＵＴの立下りから遅延時間が経過すると、パルス信号ＰＳＷがローレベルになり、ＳＦ遮断スイッチ３１０が閉状態に移行する。このとき、ソースフォロワートランジスタ３２０はオン状態となり、バイアス電圧Ｖｂ１に応じたドレイン電流Ｉｄを生成する。また、カソード電圧Ｖｃａはボトム電位Ｖｂｔｍに達しているため、電流源３３０からの定電流とドレイン電流ＩｄとによりＳＰＡＤ３４０が充電され、カソード電圧Ｖｃａが上昇する。ただし、カソード電圧Ｖｃａがアンプ３５０の参照電圧Ｖｒｅｆに達する前に、ソースフォロワートランジスタ３２０はオフ状態に移行する。
　ここで、バイアス電圧Ｖｂ１には、次の式を満たす値が設定される。
　　Ｖｂｔｍ＜Ｖｂ１－Ｖｔｈｎ　　　　　　　　　　　　　　・・・式１
　　Ｖｒｅｆ＞Ｖｂ１－Ｖｔｈｎ　　　　　　　　　　　　　　・・・式２
上式において、Ｖｔｈｎは、ソースフォロワートランジスタ３２０の閾値電圧である。
　式１を満たすバイアス電圧Ｖｂ１により、ソースフォロワートランジスタ３２０は、ドレイン側のＳＦ遮断スイッチ３１０が閉状態に移行した際にオン状態となる。また、式２を満たすバイアス電圧Ｖｂ１により、ソースフォロワートランジスタ３２０は、カソード電圧Ｖｃａがアンプ３５０の参照電圧Ｖｒｅｆに達する前にオフ状態に移行する。
　式１および式２をまとめると、次の式が得られる。
　　Ｖｂｔｍ＋Ｖｔｈｎ＜Ｖｂ１＜Ｖｒｅｆ＋Ｖｔｈｎ
　図４は、本技術の第１の実施の形態における画素３００の実装例を示す回路図である。例えば、ＳＦ遮断スイッチ３１０として、ｐＭＯＳトランジスタ３１１が用いられる。また、電流源３３０として、ゲートにバイアス電圧Ｖｂ２が印加されたｐＭＯＳトランジスタ３３１が用いられる。
　なお、ｎＭＯＳトランジスタをＳＦ遮断スイッチ３１０として用いることもできる。この場合には、パルス信号ＰＳＷの極性を逆にすればよい。
　また、アンプ３５０の代わりに、インバータを用いることもできる。この場合には、パルス信号ＰＳＷの極性を逆にするか、あるいは、ｎＭＯＳトランジスタをＳＦ遮断スイッチ３１０として用いればよい。なお、アンプ３５０は、特許請求の範囲に記載の論理ゲートの一例である。
　［信号処理部の構成例］
　図５は、本技術の第１の実施の形態における信号処理部２３０の一構成例を示すブロック図である。この信号処理部２３０は、列ごと、または、所定数の画素毎ににＴＤＣ（Time-to-Digital Converter）２３１および距離計算部２３２を備える。
　ＴＤＣ２３１は、クロック信号ＣＬＫｐの示す発光タイミングから、対応する列からの出力信号ＯＵＴの立下り（すなわち、受光タイミング）までの時間を計測するものである。このＴＤＣ２３１は、測定した時間を示すデジタル信号を距離計算部２３２に供給する。
　距離計算部２３２は、ＴＤＣ結果毎にヒストグラムを蓄積するものである。この距離計算部２３２は、クロック信号ＣＬＫｐよりも低い周波数の周期ごとに、その周期内でＴＤＣ２３１により計測されたヒストグラムを出力する。なお、距離計算部２３２は、次の式を用いて距離Ｄを算出し、その距離Ｄを示す距離データを出力することもある。
　　Ｄ＝ｃ×ｄｔ／２
上式において、ｃは光速であり、単位は、メートル毎秒（ｍ／ｓ）である。また、距離Ｄの単位は、例えば、メートル（ｍ）であり、往復時間ｄｔの単位は、例えば、秒（ｓ）である。
　なお、図６に例示するように、画素アレイ部２２０内に信号処理部２３０を配置することもできる。この場合には、所定数（４個など）の画素３００ごとに、その下部にＴＤＣ２３１が配置される。同図においては、距離計算部２３２は省略されている。
　図７は、本技術の第１の実施の形態における測距モード中の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。タイミングＴ０の直前に光子が入射すると、カソード電圧Ｖｃａは、初期状態のトップ電位Ｖｔｏｐから降下を開始し、タイミングＴ０でアンプ３５０の閾値以下となる。これにより、アンプ３５０の出力信号ＯＵＴがローレベルになる。
　タイミングＴ０から遅延時間が経過したタイミングＴ１でカソード電圧Ｖｃａがボトム電位Ｖｂｔｍに達する。また、タイミングＴ０からＴ１までの期間内に、パルス整形回路３６０はハイレベルのパルス信号ＰＳＷを出力する。この期間内にＳＦ遮断スイッチ３１０は、開状態に移行する。
　タイミングＴ１でパルス信号ＰＳＷがローレベルになると、ＳＦ遮断スイッチ３１０は閉状態に移行し、ソースフォロワートランジスタ３２０はドレイン電流Ｉｄを供給する。タイミングＴ１以降において、電流源３３０からの定電流とドレイン電流ＩｄとによりＳＰＡＤ３４０が充電され、カソード電圧Ｖｃａが上昇する。このように、定電流より大きな充電電流よる充電を以下、「急速充電」と称する。
　そして、カソード電圧Ｖｃａが参照電圧Ｖｒｅｆに達するタイミングＴ３の前のタイミングＴ２において、カソード電圧Ｖｃａがカットオフ電圧Ｖｃｕｔに達し、ソースフォロワートランジスタ３２０がオフ状態に移行する。これにより、急速充電が停止する。ここで、カットオフ電圧Ｖｃｕｔは、式２の右辺、すなわちバイアス電圧Ｖｂ１および閾値電圧Ｖｔｈｎの差分に該当する。
　タイミングＴ３で出力信号ＯＵＴがハイレベルになり、次の光子の入射の検出が可能となる。タイミングＴ１乃至Ｔ３の期間は、画素３００が光子の入射に反応することができず、この期間は、デッドタイムと呼ばれる。タイミングＴ３からｄｔ２が経過したときに、カソード電圧Ｖｃａが元のトップ電位Ｖｔｏｐに復帰し、充電が終了する。
　ここで、ソースフォロワートランジスタ３２０を設けず、ＳＦ遮断スイッチ３１０と同様のスイッチにより、電源電圧ＶＤＤとＳＰＡＤ３４０のカソードとの間の経路を開閉する構成の画素を第１の比較例として想定する。
　第１の比較例では、ソースフォロワートランジスタ３２０がタイミングＴ２でオフ状態になることが無いため、急速充電が継続する。このため、ソースフォロワートランジスタ３２０を設けた場合よりも、カソード電圧Ｖｃａの上昇速度が速くなる。同図における一定鎖線は、第１の比較例のカソード電圧の変動を示す。
　第１の比較例では、ソースフォロワートランジスタ３２０を設けた場合よりもデッドタイムが短くなるものの、測距の際に距離データに誤差が生じるおそれがある。例えば、充電によりカソード電圧Ｖｃａが参照電圧Ｖｒｅｆを超えてから、充電が終了するまでの期間ｄｔ１は、定電流よりも充電電流が大きい。このため、この期間ｄｔ１内に光子が入射された場合、クウェンチ波形が鈍ってしまい、ソースフォロワートランジスタ３２０を設けた場合よりもクウェンチまでの時間が長くなる。この結果、本来と異なるタイミングでクウェンチが観測され、距離データの誤差が大きくなる。
　これに対し、ソースフォロワートランジスタ３２０を設けた場合、カソード電圧Ｖｃａが参照電圧Ｖｒｅｆに達する（すなわち、出力信号ＯＵＴがローレベルになる）前にソースフォロワートランジスタ３２０のドレイン電流Ｉｄが停止する。このため、カソード電圧Ｖｃａが参照電圧Ｖｒｅｆを超えてから、充電が終了するまでの期間ｄｔ２において、定電流により充電が行われる。このため、この期間ｄｔ２内に光子が入射された場合、クウェンチまでの時間が第１の比較例よりも短くなり、距離データの誤差が低減される。
　特に、高照度の際に、デッドタイム直後の期間ｄｔ１やｄｔ２に光子が入射されることが多い。このため、ソースフォロワートランジスタ３２０を設けることにより、高照度の際に測距精度を向上させることができる。
　次に、ＳＦ遮断スイッチ３１０およびソースフォロワートランジスタ３２０の両方を設けない構成の画素を第２の比較例として想定する。第２の比較例では、電流源３３０からの定電流のみにより充電が行われ、急速充電が行われない。このため、ＳＦ遮断スイッチ３１０およびソースフォロワートランジスタ３２０を設けた場合よりも、カソード電圧Ｖｃａの上昇速度が遅くなる。同図における点線は、第２の比較例のカソード電圧の変動を示す。第２の比較例では、デッドタイムが長くなってしまう。
　これに対し、ＳＦ遮断スイッチ３１０およびソースフォロワートランジスタ３２０を設けた場合、ドレイン電流Ｉｄがさらに供給されるため、カソード電圧Ｖｃａの上昇速度は速くなる。これにより、第２の比較例よりもデッドタイムを短くすることができる。
　図８は、本技術の第１の実施の形態におけるスタンバイモードから測距モードに移行する際の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。ここで、スタンバイモードは、所定の画素３００の光検出動作が無効に設定されるモードである。一方、測距モードは、所定の画素３００の光検出動作が有効に設定されるモードである。スタンバイモードにおいて、パルス信号ＰＳＷは、ハイレベルに設定される。
　タイミングＴ０において、測距モジュール１００がスタンバイモードから測距モードへ移行すると、制御回路２１０は、画素３００内のパルス整形回路３６０を制御して、ローレベルのパルス信号ＰＳＷを出力させる。
　タイミングＴ０でパルス信号ＰＳＷがローレベルになると、ＳＦ遮断スイッチ３１０は閉状態に移行し、ソースフォロワートランジスタ３２０はドレイン電流Ｉｄを供給する。タイミングＴ１以降において、電流源３３０からの定電流とドレイン電流ＩｄとによりＳＰＡＤ３４０が急速充電され、カソード電圧Ｖｃａが上昇する。
　そして、カソード電圧Ｖｃａが参照電圧Ｖｒｅｆに達するタイミングＴ２の前のタイミングＴ１において、カソード電圧Ｖｃａがカットオフ電圧Ｖｃｕｔに達し、ソースフォロワートランジスタ３２０がオフ状態に移行する。
　ＳＦ遮断スイッチ３１０およびソースフォロワートランジスタ３２０を設けた場合、急速充電されるため、それらを設けない第２の比較例よりもカソード電圧Ｖｃａの上昇速度は速くなる。これにより、測距モードに移行してからカソード電圧Ｖｃａが復帰して測距可能になるまでの時間を短くすることができる。この結果、第２の比較例よりも最短測距距離を短くすることができる。
　図９は、本技術の第１の実施の形態における測距モジュール１００の動作の一例を示すフローチャートである。この動作は、測距を行うための所定のアプリケーションが実行されたときに開始される。
　測距モジュール１００は、照射光の発光と、反射光の受光とを開始する（ステップＳ９０１）。また、測距モジュール１００は、往復時間を測定し（ステップＳ９０２）、物体までの距離を算出する（ステップＳ９０３）。ステップＳ９０３の後に、測距モジュール１００は、測距のための動作を終了する。
　このように、本技術の第１の実施の形態では、ＳＦ遮断スイッチ３１０が閉状態に移行してからカソード電圧Ｖｃａがカットオフ電圧Ｖｃuｔになるまでの期間にソースフォロワートランジスタ３２０がドレイン電流を供給する。これにより、画素３００の出力信号ＯＵＴがハイレベルになってから充電が終了するまでの充電電流が少なくなり、その期間内の充電電流が多いことにより生じる距離データの誤差を低減することができる。
　＜２．第２の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、電流源３３０によりＳＰＡＤ３４０を充電していたが、この構成では、電流源３３０にバイアス電圧Ｖｂ２を供給するための配線が画素ごとに必要となり、多画素化が困難になるおそれがある。この第２の実施の形態の固体撮像素子２００は、電流源３３０の代わりに抵抗を設け、配線数を削減した点において第１の実施の形態と異なる。
　図１０は、本技術の第２の実施の形態における画素３００の一構成例を示す回路図である。この第２の実施の形態の画素３００は、電流源３３０の代わりに電流制限抵抗３７０が配置される点において第１の実施の形態と異なる。電流制限抵抗３７０は、電源電圧ＶＤＤとＳＰＡＤ３４０のカソードとの間に挿入される。なお、電流制限抵抗３７０は、特許請求の範囲に記載の充電部の一例である。
　電流源３３０の代わりに電流制限抵抗３７０を設けることにより、バイアス電圧Ｖｂ２が不要となり、その電圧を供給するための配線を削減することができる。
　このように、本技術の第２の実施の形態によれば、電源電圧ＶＤＤとＳＰＡＤ３４０のカソードとの間に電流制限抵抗３７０を設けたため、バイアス電圧Ｖｂ２を供給するための配線を削減することができる。
　＜３．第３の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、バイアス電圧Ｖｂ２の静定に時間を要するため、測距モードに移行して画素を有効にしてから光子の検出が可能になるまでの期間を短縮することが困難であった。この第３の実施の形態の固体撮像素子２００は、電流源遮断スイッチ３８０を追加した点において第１の実施の形態と異なる。
　図１１は、本技術の第３の実施の形態における画素３００の一構成例を示す回路図である。この第３の実施の形態の画素３００は、電流源遮断スイッチ３８０をさらに備える点において第１の実施の形態と異なる。
　電流源遮断スイッチ３８０は、パルス信号ＰＳＷに従って、電源電圧ＶＤＤと電流源３３０との間の経路を開閉するものである。電流源遮断スイッチ３８０として、例えば、ｐＭＯＳトランジスタ３８１が用いられる。なお、電流源遮断スイッチ３８０は、特許請求の範囲に記載の充電部遮断スイッチの一例である。また、電流源遮断スイッチ３８０を電源側、電流源３３０を接地側に配置しているが、逆に、電流源遮断スイッチ３８０を接地側、電流源３３０を電源側に配置することもできる。
　パルス信号ＰＳＷがハイレベルの期間内に電流源遮断スイッチ３８０が電流源３３０の定電流を遮断する。このため、固体撮像素子２００は、例えば、スタンバイモードから測距モードに移行する前に予め、バイアス電圧Ｖｂ２の供給を開始しておき、そのバイアス電圧Ｖｂ２が静定してから測距モードに移行して画素３００を有効にすることができる。これにより、スタンバイモードから測距モードに移行した際に、光子の検出が可能となるまでの時間を短縮することができる。
　なお、第３の実施の形態に第２の実施の形態を適用することができる。
　このように、本技術の第３の実施の形態によれば、電流源遮断スイッチ３８０が定電流を遮断するため、バイアス電圧Ｖｂ２の静定を待たずに急速充電を開始し、測距モードに移行してから光子の検出が可能になるまでの時間を短縮することができる。
　＜４．第４の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、アンプ３５０が出力信号ＯＵＴを出力していたが、そのアンプ３５０以降のトランジスタのサイズを小型化することが困難なことがある。この第４の実施の形態の固体撮像素子２００は、振幅を制限するトランジスタを追加した点において第１の実施の形態と異なる。
　図１２は、本技術の第４の実施の形態における画素３００の一構成例を示す回路図である。この第４の実施の形態の画素３００は、電圧制限トランジスタ３９０をさらに備える点において第１の実施の形態と異なる。
　電圧制限トランジスタ３９０として、例えば、ｐＭＯＳトランジスタが用いられる。電圧制限トランジスタ３９０は、電流源３３０とＳＰＡＤ３４０との間に挿入される。電圧制限トランジスタ３９０のゲートにはバイアス電圧Ｖｂ３が印加される。また、電流源３３０および電圧制限トランジスタ３９０の接続ノードは、アンプ３５０の入力端子に接続される。
　電圧制限トランジスタ３９０は、電流源３３０および電圧制限トランジスタ３９０の接続ノード、すなわち、アンプ３５０の入力信号の振幅を制限するものである。例えば、バイアス電圧Ｖｂ３には、次の式を満たす値が設定される。
　　Ｖｂ３＞ＶＤＤ－（Ｖ０＋Ｖ１）　　　　　　　　　　・・・式３
上式において、Ｖ０は、薄膜トランジスタの耐圧である。Ｖ１は、電圧制限トランジスタ３９０のゲート－ソース間電圧である。
　式３を満たすバイアス電圧Ｖｂ３により、アンプ３５０の入力信号の振幅をＳＡＰＤ３４０の超過バイアス未満に低下させることができる。これにより、アンプ３５０以降のトランジスタとして、薄膜トランジスタなどの素子サイズの小さなものを用いることができる。
　なお、第４の実施の形態に、第２、第３の実施の形態を適用することができる。
　このように、本技術の第４の実施の形態によれば、電圧制限トランジスタ３９０がアンプ３５０の入力信号の振幅を制限するため、アンプ３５０以降のトランジスタの素子サイズを小さくすることができる。
　［変形例］
　上述の第４の実施の形態では、電流源３３０および電圧制限トランジスタ３９０の接続ノードをアンプ３５０の入力端子に接続していた。この構成では、アンプ３５０を含む回路を薄膜化することができ、小面積化が実現できる反面、接続ノードのカソード電圧Ｖｃａの振幅が小さくなることに伴ってスルーレートが低下してしまう。このことによってアンプ３５０の閾値の製造ばらつきによるクウェンチ検出時間誤差が増大する欠点がある。この第４の変形例の固体撮像素子２００は、ＳＰＡＤ３４０のカソードを直接アンプ３５０の入力端子に接続する点において第４の実施の形態と異なる。
　図１３は、本技術の第４の実施の形態の変形例における画素３００の一構成例を示す回路図である。この第４の実施の形態の変形例の画素３００は、ＳＰＡＤ３４０のカソードがアンプ３５０の入力端子に接続される点において第４の実施の形態と異なる。同図では、電圧制限の無いカソードの電圧をモニタすることでクウェンチ検出時間誤差の増加を抑えつつ、電流源３３０などの面積削減を可能としている。
　このように、本技術の第４の実施の形態の変形例では、ＳＰＡＤ３４０のカソードをアンプ３５０の入力端子に接続したため、クウェンチ検出時間誤差の増加を抑制しつつ、電流源３３０などの面積を削減することができる。
　＜５．第５の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、パルス整形回路３６０が、出力信号ＯＵＴの立下りから遅延時間が経過するまでの間にハイレベルのパルス信号ＰＳＷを生成していた。しかしながら、この構成では、ＳＰＡＤ３４０の電子増倍時に、充電電流によりクウェンチが阻害されることがある。この第５の実施の形態における画素３００は、遅延時間が経過したときにローレベルのパルス信号ＰＳＷを生成する点において第１の実施の形態と異なる。
　図１４は、本技術の第５の実施の形態における測距モード中の固体撮像素子２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。
　カソード電圧Ｖｃａが参照電圧Ｖｒｅｆ未満となるタイミングＴ０から遅延時間が経過したタイミングＴ１において、第５の実施の形態のパルス整形回路３６０は、所定のパルス幅のローレベルのパルス信号ＰＳＷを生成する。同図において、タイミングＴ１から、タイミングＴ４までの期間がパルス幅に該当する。同図に例示するように光の入射タイミングからタイミングＴ０までの期間内は、ＳＦ遮断スイッチ３１０が開状態となる。この制御により、ＳＰＡＤ３４０の電子増倍中にソースフォロワートランジスタ３２０からの充電電流により、クウェンチが阻害されることを防止し、クウェンチに要する時間を短くすることができる。
　図１５は、本技術の第５の実施の形態におけるスタンバイモードから測距モードに移行する際の固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。
　タイミングＴ０において、測距モジュール１００がスタンバイモードから測距モードへ移行すると、制御回路２１０は、画素３００内のパルス整形回路３６０を制御して、所定のパルス幅のローレベルのパルス信号ＰＳＷを出力させる。同図においてタイミングＴ０からＴ３までの期間がパルス幅に該当する。
　なお、第５の実施の形態に、第２乃至第４の実施の形態のそれぞれを適用することもできる。
　このように、本技術の第５の実施の形態では、遅延時間が経過したタイミングでパルス整形回路３６０が、所定のパルス幅のローレベルのパルス信号ＰＳＷを生成する。これにより、ＳＰＡＤ３４０の電子増倍時に、ソースフォロワートランジスタ３２０からの充電電流によりクウェンチが阻害されることを防止し、クウェンチに要する時間を短くすることができる。
　＜６．第６の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、ソースフォロワートランジスタ３２０のゲートにバイアス電圧Ｖｂ１を印加していたが、この構成では、バイアス電圧Ｖｂ１を供給するための配線が画素ごとに必要となり、多画素化が困難になるおそれがある。この第６の実施の形態の固体撮像素子２００は、ソースフォロワートランジスタ３２０のゲートに電源電圧ＶＤＤを印加することにより、配線数を削減した点において第１の実施の形態と異なる。
　図１６は、本技術の第６の実施の形態における画素３００の一構成例を示す回路図である。この第６の実施の形態の画素３００は、ソースフォロワートランジスタ３２０のゲートに電源電圧ＶＤＤが印加される点において第１の実施の形態と異なる。これにより、バイアス電圧Ｖｂ１が不要となり、バイアス電圧Ｖｂ１を供給するための配線を削減することができる。また、電源電圧ＶＤＤは、次の式を満たすものとする。
　　Ｖｂｔｍ＋Ｖｔｈｎ＜ＶＤＤ＜Ｖｒｅｆ＋Ｖｔｈｎ
　なお、第６の実施の形態に、第２乃至第５の実施の形態のそれぞれを適用することもできる。
　このように、本技術の第６の実施の形態では、ソースフォロワートランジスタ３２０のゲートに電源電圧ＶＤＤが印加されるため、バイアス電圧Ｖｂ１が不要となり、バイアス電圧Ｖｂ１を供給するための配線を削減することができる。
　＜７．第７の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、受光基板２０１およびロジック基板２０２に、固体撮像素子２００内の回路を分散して配置していたが、この構成では、ロジック基板２０２のプロセスの最適化が困難になるおそれがある。この第７の実施の形態の固体撮像素子２００は、３枚の積層基板に固体撮像素子２００内の回路を分散して配置する点において第１の実施の形態と異なる。
　図１７は、本技術の第７の実施の形態における画素３００の一構成例を示す回路図である。この第７の実施の形態の画素３００は、読出し回路３０５の一部が高耐圧基板２０３に配置され、残りがロジック基板２０２に配置される点において第１の実施の形態と異なる。例えば、読出し回路３０５内のＳＦ遮断スイッチ３１０およびソースフォロワートランジスタ３２０が高耐圧基板２０３に配置される。読出し回路３０５の残りと、その後段（信号処理部２３０など）は、ロジック基板２０２に配置される。
　高耐圧であることが要求される素子を分離して高耐圧基板２０３に対応するウェハーに形成することにより、薄膜トランジスタに最適化したロジック基板２０２のプロセスを選択することができる。これにより、画素サイズの小型化が容易となる。
　なお、第７の実施の形態に、第４の実施の形態や、その変形例を適用することもできる。第４の実施の形態を適用する場合、図１８に例示するように、読出し回路３０５内のＳＦ遮断スイッチ３１０、電圧制限トランジスタ３９０およびソースフォロワートランジスタ３２０が高耐圧基板２０３に配置される。また、第４の実施の形態の変形例を適用する場合、図１９に例示するように、アンプ３５０がさらに高耐圧基板２０３に配置される。
　このように本技術の第７の実施の形態によれば、読出し回路３０５の一部を高耐圧基板２０３に配置するため、ロジック基板２０２のプロセスを最適化することができる。これにより、画素サイズの小型化が容易となる。
　＜８．第８の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態では、ＳＰＡＤ３４０のカソードに電流源３３０およびアンプ３５０を接続していたが、ＳＰＡＤ３４０のアノードに電流源３３０およびアンプ３５０を接続することもできる。この第８の実施の形態の固体撮像素子２００は、ＳＰＡＤ３４０のアノード、カソードの接続先を変更した点において第１の実施の形態と異なる。
　図２０は、本技術の第８の実施の形態における画素３００の一構成例を示す回路図である。この第８の実施の形態の画素３００において、ＳＰＡＤ３４０のカソードが降伏電圧＋超過バイアスの電圧に接続される。電流源３３０は、ＳＰＡＤ３４０のアノードと読出し回路グラウンドＧＮＤとの間に挿入される。また、ｎＭＯＳのソースフォロワートランジスタ３２０の代わりに、ｐＭＯＳのソースフォロワートランジスタ３２１が設けられる。ＳＦ遮断スイッチ３１０は、パルス信号ＰＳＷに従って、ソースフォロワートランジスタ３２１のドレインと負バイアスＶＳＰＡＤとの間の経路を開閉する。同図に例示した接続により、アノード電圧の降下により、光子を検出することができる。
　なお、第８の実施の形態に、第２乃至第７の実施の形態を適用することができる。
　このように、本技術の第８の実施の形態によれば、ＳＰＡＤ３４０のアノードに電流源３３０およびアンプ３５０を接続したため、アノード電圧の降下により、光子を検出することができる。
　＜９．移動体への応用例＞
　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２１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２１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２１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２２は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
　図２２では、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。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２２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、具体的には、図１の測距モジュール１００を、車外情報検出ユニット１２０３０に適用することができる。車外情報検出ユニット１２０３０に本開示に係る技術を適用することにより、測距精度を向上させ、車両制御システムの安全性を高くすることができる。
　なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
　また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray（登録商標）Disc）等を用いることができる。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）アバランシェフォトダイオードと、
　アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、
　前記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、
　前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、
　前記出力信号に基づいて前記ソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチと
を具備する受光素子。
（２）前記ソースフォロワー遮断スイッチは、所定レベルの前記出力信号が出力されたときに開状態に移行し、前記開状態に移行したときから所定の遅延時間が経過したときに閉状態に移行し、
　前記ソースフォロワートランジスタは、前記ソースフォロワー遮断スイッチが閉状態に移行したときから前記一方の端子の電圧が所定のカットオフ電圧になるときまでの期間内にドレイン電流を生成する
前記（１）記載の受光素子。
（３）前記ソースフォロワートランジスタのゲートには、前記ソースフォロワートランジスタの閾値電圧と前記ソースフォロワー遮断スイッチが開状態から閉状態に移行したときの前記一方の端子の電圧との和から、前記参照電圧と前記閾値電圧との和までの範囲内のバイアス電圧が印加される
前記（１）または（２）に記載の受光素子。
（４）前記論理ゲートに入力される信号の振幅を制限する電圧制限トランジスタをさらに具備する前記（１）から（３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）前記論理ゲートの入力端子は、前記充電部および前記電圧制限トランジスタの接続ノードに接続される
前記（４）記載の受光素子。
（６）前記論理ゲートの入力端子は、前記電圧制限トランジスタおよび前記アバランシェフォトダイオードの接続ノードに接続される
前記（４）記載の受光素子。
（７）前記ソースフォロワートランジスタのゲートには、前記所定電圧が印加される
前記（１）から（６）のいずれかに記載の受光素子。
（８）発光源からの照射光の発光タイミングと前記出力信号の立下りおよび立ち上りの一方のタイミングとの間の時間に基づいて物体までの距離を計算する距離計算部をさらに具備する前記（１）から（７）のいずれかに記載の受光素子。
（９）前記アバランシェフォトダイオード、前記充電部、前記ソースフォロワートランジスタ、前記論理ゲートおよびソースフォロワー遮断スイッチは、複数の画素のそれぞれに設けられる
前記（１）から（８）のいずれかに記載の受光素子。
（１０）前記アバランシェフォトダイオードは、所定の受光基板に設けられ、
　前記充電部、前記ソースフォロワートランジスタ、前記論理ゲートおよびソースフォロワー遮断スイッチは、所定のロジック基板に設けられる
前記（１）から（９）のいずれかに記載の受光素子。
（１１）前記アバランシェフォトダイオードは、所定の受光基板に設けられ、
　前記ソースフォロワートランジスタおよびソースフォロワー遮断スイッチを含む読出し回路の一部は、所定の高耐圧基板に設けられ、
　前記読出し回路の残りは、所定のロジック基板に設けられる
前記（１）から（９）のいずれかに記載の受光素子。
（１２）前記充電部は、前記所定電圧と前記一方の端子との間に挿入された電流制限抵抗を備える
前記（１）から（１１）のいずれかに記載の受光素子。
（１３）前記出力信号に基づいて前記充電部と前記所定電圧との間の経路を開閉する充電部遮断スイッチをさらに具備する
前記（１）から（１２）のいずれかに記載の受光素子。
（１４）前記出力信号の立下りおよび立下りのいずれかのタイミングから所定の遅延時間が経過したときまでの期間に亘って前記ソースフォロワー遮断スイッチを開状態にするための第１の論理レベルのパルス信号を出力するパルス整形回路をさらに具備し、
　前記ソースフォロワー遮断スイッチは、前記パルス信号が前記第１の論理レベルの期間内に開状態に移行し、前記パルス信号が前記第１の論理レベルと異なる第２の論理レベルの期間内に閉状態に移行する
前記（１）から（１３）のいずれかに記載の受光素子。
（１５）前記出力信号の立下りおよび立下りのいずれかのタイミングから所定の遅延時間が経過したときにパルス幅の期間に亘って前記ソースフォロワー遮断スイッチを閉状態にするための第１の論理レベルのパルス信号を出力するパルス整形回路をさらに具備し、
　前記ソースフォロワー遮断スイッチは、前記パルス信号が前記第１の論理レベルと異なる第２の論理レベルの期間内に開状態に移行し、前記パルス信号が前記第１の論理レベルの期間内に閉状態に移行する
前記（１）から（１３）のいずれかに記載の受光素子。
（１６）前記一方の端子は、カソードであり、
　前記所定電圧は、電源電圧であり、
　前記充電部は、前記電源電圧から前記カソードへ前記定電流を供給する
前記（１）から（１５）のいずれかに記載の受光素子。
（１７）前記一方の端子は、アノードであり、
　前記所定電圧は、読出し回路グラウンドであり、
　前記充電部は、前記アノードから前記読出し回路グラウンドへ前記定電流を供給する
前記（１）から（１５）のいずれかに記載の受光素子。
（１８）アバランシェフォトダイオードと、
　アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、
　前記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、
　前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、
　前記出力信号に基づいて前記ソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチと、
　前記出力信号を処理する信号処理部と
を具備する測距モジュール。
（１９）照射光を照射する照明装置と、
　前記照射光に対する反射光を受光する受光素子と
　を具備し、
　前記受光素子は、
　アバランシェフォトダイオードと、
　アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、
　前記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、
　前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、
　前記出力信号に基づいて前記ソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチと
を備える
　測距システム。
（２０）アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電手順と、
　前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する出力手順と、
　前記出力信号に基づいて前記一方の端子の電圧にソースが接続されたソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断手順と
を具備する受光素子の制御方法。
　１００　測距モジュール
　１１０　発光源
　１２０　タイミング生成部
　２００　固体撮像素子
　２０１　受光基板
　２０２　ロジック基板
　２０３　高耐圧基板
　２１０　制御回路
　２２０　画素アレイ部
　２３０　信号処理部
　２３１　ＴＤＣ
　２３２　距離計算部
　３００　画素
　３０５　読出し回路
　３１０　ＳＦ遮断スイッチ
　３１１、３３１、３８１　ｐＭＯＳトランジスタ
　３２０、３２１　ソースフォロワートランジスタ
　３３０　電流源
　３４０　ＳＰＡＤ
　３５０　アンプ
　３６０　パルス整形回路
　３７０　電流制限抵抗
　３８０　電流源遮断スイッチ
　３９０　電圧制限トランジスタ
　１２０３０　車外情報検出ユニット

Claims (20)

  1. 　アバランシェフォトダイオードと、
    　アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、
    　前記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、
    　前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、
    　前記出力信号に基づいて前記ソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチと
    を具備する受光素子。
  2. 　前記ソースフォロワー遮断スイッチは、所定レベルの前記出力信号が出力されたときに開状態に移行し、前記開状態に移行したときから所定の遅延時間が経過したときに閉状態に移行し、
    　前記ソースフォロワートランジスタは、前記ソースフォロワー遮断スイッチが閉状態に移行したときから前記一方の端子の電圧が所定のカットオフ電圧になるときまでの期間内にドレイン電流を生成する
    請求項１記載の受光素子。
  3. 　前記ソースフォロワートランジスタのゲートには、前記ソースフォロワートランジスタの閾値電圧と前記ソースフォロワー遮断スイッチが開状態から閉状態に移行したときの前記一方の端子の電圧との和から、前記参照電圧と前記閾値電圧との和までの範囲内のバイアス電圧が印加される
    請求項１記載の受光素子。
  4. 　前記論理ゲートに入力される信号の振幅を制限する電圧制限トランジスタをさらに具備する請求項１記載の受光素子。
  5. 　前記論理ゲートの入力端子は、前記充電部および前記電圧制限トランジスタの接続ノードに接続される
    請求項４記載の受光素子。
  6. 　前記論理ゲートの入力端子は、前記電圧制限トランジスタおよび前記アバランシェフォトダイオードの接続ノードに接続される
    請求項４記載の受光素子。
  7. 　前記ソースフォロワートランジスタのゲートには、前記所定電圧が印加される
    請求項１記載の受光素子。
  8. 　発光源からの照射光の発光タイミングと前記出力信号の立下りおよび立ち上りの一方のタイミングとの間の時間に基づいて物体までの距離を計算する距離計算部をさらに具備する請求項１記載の受光素子。
  9. 　前記アバランシェフォトダイオード、前記充電部、前記ソースフォロワートランジスタ、前記論理ゲートおよびソースフォロワー遮断スイッチは、複数の画素のそれぞれに設けられる
    請求項１記載の受光素子。
  10. 　前記アバランシェフォトダイオードは、所定の受光基板に設けられ、
    　前記充電部、前記ソースフォロワートランジスタ、前記論理ゲートおよびソースフォロワー遮断スイッチは、所定のロジック基板に設けられる
    請求項１記載の受光素子。
  11. 　前記アバランシェフォトダイオードは、所定の受光基板に設けられ、
    　前記ソースフォロワートランジスタおよびソースフォロワー遮断スイッチを含む読出し回路の一部は、所定の高耐圧基板に設けられ、
    　前記読出し回路の残りは、所定のロジック基板に設けられる
    請求項１記載の受光素子。
  12. 　前記充電部は、前記所定電圧と前記一方の端子との間に挿入された電流制限抵抗を備える
    請求項１記載の受光素子。
  13. 　前記出力信号に基づいて前記充電部と前記所定電圧との間の経路を開閉する充電部遮断スイッチをさらに具備する
    請求項１記載の受光素子。
  14. 　前記出力信号の立下りおよび立下りのいずれかのタイミングから所定の遅延時間が経過したときまでの期間に亘って前記ソースフォロワー遮断スイッチを開状態にするための第１の論理レベルのパルス信号を出力するパルス整形回路をさらに具備し、
    　前記ソースフォロワー遮断スイッチは、前記パルス信号が前記第１の論理レベルの期間内に開状態に移行し、前記パルス信号が前記第１の論理レベルと異なる第２の論理レベルの期間内に閉状態に移行する
    請求項１記載の受光素子。
  15. 　前記出力信号の立下りおよび立下りのいずれかのタイミングから所定の遅延時間が経過したときにパルス幅の期間に亘って前記ソースフォロワー遮断スイッチを閉状態にするための第１の論理レベルパルス信号を出力するパルス整形回路をさらに具備し、
    　前記ソースフォロワー遮断スイッチは、前記パルス信号が前記第１の論理レベルと異なる第２の論理レベルの期間内に開状態に移行し、前記パルス信号が前記第１の論理レベルレベルの期間内に閉状態に移行する
    請求項１記載の受光素子。
  16. 　前記一方の端子は、カソードであり、
    　前記所定電圧は、電源電圧であり、
    　前記充電部は、前記電源電圧から前記カソードへ前記定電流を供給する
    請求項１記載の受光素子。
  17. 　前記一方の端子は、アノードであり、
    　前記所定電圧は、読出し回路グラウンドであり、
    　前記充電部は、前記アノードから前記読出し回路グラウンドへ前記定電流を供給する
    請求項１記載の受光素子。
  18. 　アバランシェフォトダイオードと、
    　アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、
    　前記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、
    　前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、
    　前記出力信号に基づいて前記ソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチと、
    　前記出力信号を処理する信号処理部と
    を具備する測距モジュール。
  19. 　照射光を照射する照明装置と、
    　前記照射光に対する反射光を受光する受光素子と
    　を具備し、
    　前記受光素子は、
    　アバランシェフォトダイオードと、
    　アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電部と、
    　前記一方の端子にソースが接続されたソースフォロワートランジスタと、
    　前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する論理ゲートと、
    　前記出力信号に基づいて前記ソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断スイッチと
    を備える
    　測距システム。
  20. 　アバランシェフォトダイオードのカソードおよびアノードのいずか一方の端子と所定電圧との間に定電流を流す充電手順と、
    　前記一方の端子の電圧と所定の参照電圧との比較結果に基づいて出力信号を出力する出力手順と、
    　前記出力信号に基づいて前記一方の端子の電圧にソースが接続されたソースフォロワートランジスタのドレインと前記所定電圧との間の経路を開閉するソースフォロワー遮断手順と
    を具備する受光素子の制御方法。
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