WO2022210330A1 - 距離測定装置及び固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
-距離測定装置の構成-
図1は第1実施形態に係る距離測定装置の構成例を示す概略図である。図1に示すように、本実施形態に係る距離測定装置は、固体撮像装置1と、信号処理装置2と、計算機3と、光源4とを備える。
図2に示すように、画素100は、アバランシェフォトダイオード101と、一次蓄積領域102と、第1トランジスタ103と、記憶ユニット110と、第3トランジスタ104とを備える。
図3は、固体撮像装置1が露光処理及び読出処理を行う際における画素100の動作シーケンスを示す。図3に示すように、固体撮像装置1では、互いに異なる距離区間に対応するタイミングで第1トランジスタ103を複数回オンオフさせることにより複数回の露光を行う。それぞれの露光後には、複数の第2トランジスタ130をオンオフ制御してそれぞれの露光結果を互いに異なる記憶素子120に蓄積させる。そして、その後の読出期間、それぞれの記憶素子120に記憶された信号電荷を読みだして測定対象物までの距離を算出する。
まずは、図3に基づいて本実施形態に係る露光期間における固体撮像装置1の動作を説明する。露光期間では、光源4からパルス状の出射光が所定のパルス周期TPで繰り返し(例えば、1000パルス)発光されているものとする。図3では、時刻t100から時刻t110の間、及び、時刻t110から時刻t120の間が、1つのパルス周期TPの期間となる。パルス周期TPは測定距離範囲の最大値に対応する光の飛行時間より長く設定される。例えば測定距離範囲の最大値を250[m]とした場合、往復の500[m]を光が飛行する時間は約1.67[μsec]となり、パルス周期TPはこれ以上の時間を設定する。
所定パルス数の露光処理が終わると、次に読出処理が実行される。以下、図3に基づいて読出期間における固体撮像装置1の動作を説明する。まず、1回目の読出期間R1(t131~t135)において、第1距離区間D1の読出処理が実行される。
図4は、第1実施形態の変形例1に係る画素の回路図を示す。
図5は、第1実施形態の変形例2に係る画素の回路図を示す。
本実施形態では、第1実施形態で記載した画素100を駆動するドライバ回路14を含んだ固体撮像装置1について説明する。
図7に示すように、第1ドライバ回路141は、記憶素子121,122の数と対応する数(ここでは2つ)の第1バイアス回路300,310を備える。第1ドライバ回路141は、第1トランジスタ103のゲートにゲート電圧Vtrを与えることで、第1トランジスタ103をオンオフさせる。
図9に示すように、第2ドライバ回路142は、記憶素子121,122の数と対応する数(ここでは2つ)の第2バイアス回路400,410を備える。第2ドライバ回路142は、第3トランジスタ104のゲートにゲート電圧を与えることで、第3トランジスタ104をオンオフさせる。
図10に示すように、第3ドライバ回路143は、記憶素子121,122の数と対応する数(ここでは2つ)の第3バイアス回路500,510を備える。第3ドライバ回路143は、第4トランジスタ105のゲートにゲート電圧を与えることで、第4トランジスタ105をオンオフさせる。
図22に示すように、第4ドライバ回路144は、記憶素子121,122の数と対応する数(ここでは2つ)の第4バイアス回路700,710を備える。
図21は、他の固体撮像装置の構成例を示している。
本実施形態では、第1実施形態と画素の構成が異なっている例を示している。
図11は、本実施形態に係る画素100の回路図を示している。本実施形態において、画素100は、アバランシェフォトダイオード201と、複数の一次蓄積ユニット200とを備える。複数の一次蓄積ユニット200は、アバランシェフォトダイオード201のカソードに並列に接続される。
図12は、本実施形態に係る固体撮像装置1が露光処理及び読出処理を行う際における画素100の動作シーケンスを示す。図12に示すように、固体撮像装置1では、互いに異なる距離区間に対応するタイミングで互いに異なる一次蓄積ユニットの第1トランジスタオンオフさせることにより複数回の露光を行う。それぞれの露光後には、露光された一次蓄積領域に対応する第2トランジスタをオンオフ制御してそれぞれの露光結果を互いに異なる記憶素子に蓄積させる。そして、その後の読出期間、それぞれの記憶素子に記憶された信号電荷を読みだして測定対象物までの距離を算出する。
まずは、図12に基づいて露光期間における固体撮像装置1の動作を説明する。露光期間では、光源4からパルス状の出射光が所定のパルス周期TPで繰り返し(例えば、1000パルス)発光されているものとする。図13では、時刻t200から時刻t210の間、及び、時刻t210から時刻t220の間が、1つのパルス周期TPの期間となる。
所定パルス数の露光処理が終わると、次に読出処理が実行される。以下、図12に基づいて読出期間における固体撮像装置1の動作を説明する。まず、1回目の読出期間R3(t231~t235)において、第1距離区間D3の読出処理が実行される。
図13は、第3実施形態の変形例1に係る画素の回路図を示す。
本実施形態では、第1実施形態と画素100の構成が異なっている例を示している。
図15は、本実施形態に係る画素100の回路図を示している。本実施形態において、画素100は、アバランシェフォトダイオード201と、複数の一次蓄積ユニット200とを備える。複数の一次蓄積ユニット200は、アバランシェフォトダイオード201のカソードに並列に接続される。図15において、図11と共通の構成について、同じ符号を付している。ここでは、図11との相違点を中心に説明する。
図16は、本実施形態に係る固体撮像装置1が露光処理及び読出処理を行う際における画素100の動作シーケンスを示す。図16に示すように、固体撮像装置1では、互いに異なる距離区間に対応するタイミングで第1トランジスタ203を複数回オンオフさせることにより複数回の露光を行う。同様に、互いに異なる距離区間に対応するタイミングで第1トランジスタ243を複数回オンオフさせることにより複数回の露光を行う。さらに、本実施形態では、互いに異なるタイミングで互いに異なる一次蓄積ユニット211,212の第1トランジスタ203,243をオンオフさせることにより複数回の露光を行うことができるようになっている。そして、読出期間において、それぞれの記憶素子に記憶された信号電荷を読みだして測定対象物までの距離を算出する。
一次蓄積ユニット211において、時刻t401で光源4が発光された後、時刻t402において、第4トランジスタ205がオンされ、ノードN11の信号電荷が排出される。これにより、アバランシェフォトダイオード101のカソード側の電位がリセットされる。
前述のとおり、時刻t400から時刻t500の期間において、一次蓄積ユニット212では、時刻t400以前の露光処理で蓄積されたデータを読み出す読出処理が実行される。具体的には、時刻t400から時刻t500の読出期間で、以下の処理が実行される。なお、読出期間中は、一次蓄積ユニット212の第1トランジスタ243はオフされている。したがって、一次蓄積ユニット212では、一次蓄積ユニット211の露光処理の影響は受けない。
図17は、第4実施形態の変形例1に係る画素の回路図である。
図19は、第4実施形態の変形例2に係る画素の回路図である。
2 信号処理装置(制御部)
4 光源(発光部)
11 画素アレイ
100 画素
101 アバランシェフォトダイオード
102 一次蓄積領域
104 第3トランジスタ
105 第4トランジスタ
120 記憶素子
130 第2トランジスタ
141 第1ドライバ回路
142 第2ドライバ回路
143 第3ドライバ回路
144 第4ドライバ回路
300,310 第1バイアス回路
301,311 第1スイッチング素子
302,312 第2スイッチング素子
305,315 第1容量
306,316 第2容量
400,410 第2バイアス回路
401,411 第3スイッチング素子
402,412 第4スイッチング素子
405,415 第3容量
406,416 第4容量
501,511 第5スイッチング素子
502,512 第6スイッチング素子
505,515 第5容量
506,516 第6容量
701,711 第7スイッチング素子
702,712 第8スイッチング素子
705,715 第7容量
805,815 第8容量
Claims (33)
- 距離測定装置であって、
測定対象に向けて出射光を発光する発光部と、
複数の画素が行列上に配列され、前記出射光が前記測定対象で反射された反射光を入射光として受光する画素アレイと、
前記発光部と前記画素アレイを制御し、前記測定対象までの距離を算出する制御部と、
を備え、
前記複数の画素のそれぞれは、
前記入射光を光電変換して信号電荷を発生させるアバランシェフォトダイオードと、
前記信号電荷を一時的に保持する一次蓄積領域と、
前記一次蓄積領域に対して並列に設けられ、前記信号電荷を蓄積させるための複数の記憶素子と、
を備え、
前記制御部は、前記発光部から所定周期のパルス状の前記出射光を発光させ、前記出射光の光パルス1周期の時間内において、互いに異なる距離区間に対応するタイミングで複数回の露光を行い、それぞれの露光後に生成した信号電荷を互いに異なる前記記憶素子に蓄積させ、前記信号電荷を読みだして前記測定対象までの距離を算出する、
距離測定装置。 - 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記一次蓄積領域との間に設けられ、前記一次蓄積領域への前記信号電荷の転送をオンオフさせる第1トランジスタを備える、請求項1に記載の距離測定装置。
- 前記一次蓄積領域とそれぞれの前記記憶素子との間に設けられ、前記記憶素子への前記信号電荷の転送をオンオフさせる複数の第2トランジスタを備える、請求項2に記載の距離測定装置。
- 前記一次蓄積領域に接続され、前記一次蓄積領域の信号電荷を排出させる第3トランジスタを備える、請求項3に記載の距離測定装置。
- 前記一次蓄積領域、前記第1トランジスタ、前記複数の記憶素子、前記複数の第2トランジスタ及び前記第3トランジスタを備える一次蓄積ユニットが複数設けられ、
前記複数の一次蓄積ユニットは、前記アバランシェフォトダイオードのカソードに対して並列に接続される、請求項4に記載の距離測定装置。 - 前記記憶素子数に対応する数の第1バイアス回路で構成された第1ドライバ回路を備え、
それぞれの前記第1バイアス回路は、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子を介して前記第1トランジスタのゲートに接続された第1容量と、前記第2スイッチング素子を介して前記第1トランジスタのゲートに接続された第2容量とを備える、請求項3に記載の距離測定装置。 - 前記記憶素子数に対応する数の第2バイアス回路で構成された第2ドライバ回路を備え、
それぞれの前記第2バイアス回路は、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子と、前記第3スイッチング素子を介して前記第3トランジスタのゲートに接続された第3容量と、前記第4スイッチング素子を介して前記第3トランジスタのゲートに接続された第4容量とを備える、請求項4に記載の距離測定装置。 - 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記第1トランジスタとの間を接続する第1ノードに接続され、前記第1ノードを一定電位に初期化する第4トランジスタを備える、請求項2に記載の距離測定装置。
- 前記記憶素子数に対応する数の第3バイアス回路からなる第3ドライバ回路を備え、
それぞれの前記第3バイアス回路は、第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子と、前記第5スイッチング素子を介して前記第4トランジスタのゲートに接続された第5容量と、前記第6スイッチング素子を介して前記第4トランジスタのゲートに接続された第6容量とを備える、請求項8に記載の距離測定装置。 - 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと一定電位の第1電位線との間に設けられたクエンチング抵抗を備える、請求項1に記載の距離測定装置。
- 前記複数の記憶素子は、前記一次蓄積領域の記憶容量よりも記憶容量が小さい1または複数の第1記憶素子を含む、請求項1に記載の距離測定装置。
- 距離測定装置であって、
測定対象に向けて出射光を発光する発光部と、
複数の画素が行列上に配列され、前記測定対象からの反射光を受光する画素アレイと、
前記発光部と前記画素アレイを制御し、前記測定対象までの距離を算出する制御部とを備え、
前記複数の画素のそれぞれは、
受光した光を光電変換して信号電荷を発生させるアバランシェフォトダイオードと、
前記信号電荷を一時的に保持する複数の一次蓄積ユニットとを備え、
前記一次蓄積ユニットのそれぞれは、
前記信号電荷を一次的に保持する一次蓄積領域と、
前記一次蓄積領域の前記信号電荷を蓄積させるための記憶素子と、
を備え、
前記制御部は、前記発光部から所定周期のパルス状の前記出射光を発光させ、前記出射光の光パルス1周期の時間内において、互いに異なる距離区間に対応するタイミングで複数回の露光を行い、それぞれの露光後に生成した信号電荷を互いに異なる前記記憶素子に蓄積させ、前記信号電荷を読みだして前記測定対象までの距離を算出する、
距離測定装置。 - 前記一次蓄積ユニットのそれぞれは、前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記一次蓄積領域との間に設けられ、前記一次蓄積領域への前記信号電荷の転送をオンオフするための第1トランジスタを備える、請求項12に記載の距離測定装置。
- 前記一次蓄積ユニットのそれぞれは、前記一次蓄積領域と前記記憶素子との間に設けられ、前記記憶素子への前記信号電荷の転送をオンオフするための第2トランジスタを備える、請求項13に記載の距離測定装置。
- 前記一次蓄積ユニットのそれぞれは、前記一次蓄積領域に接続され、前記一次蓄積領域の信号電荷を排出するための第3トランジスタを備える、請求項14に記載の距離測定装置。
- 前記記憶素子と前記第2トランジスタとを備える記憶ユニットが複数設けられ、
前記複数の記憶ユニットは、前記一次蓄積領域に対して並列に接続される、請求項14に記載の距離測定装置。 - 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記複数の一次蓄積ユニットとの間を接続する第1信号線と一定電位の第1電位線との間に設けられ、前記第1信号線を一定電位に初期化する第4トランジスタを備える、請求項12に記載の距離測定装置。
- 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記複数の一次蓄積ユニットとの間を接続する第1信号線と一定電位の第1電位線との間に設けられたクエンチング抵抗を備える、請求項12に記載の距離測定装置。
- 前記記憶素子に記憶された信号電荷を読みだすソースフォロア回路を備え、
前記複数の一次蓄積ユニットは、前記ソースフォロア回路と前記一次蓄積領域との間に設けられた第5トランジスタを備える、請求項12に記載の距離測定装置。 - 前記複数の画素を所定数の画素ごとのユニットに分け、
前記画素アレイにおいて、前記ユニットが行列上に配置され、
それぞれの前記ユニットにおいて、それぞれの前記画素の前記第1トランジスタのゲートには、互いに異なるドライバ回路が接続される、請求項13に記載の距離測定装置。 - 固体撮像装置であって、
複数の画素が行列上に配列され、入射光を受光する画素アレイを備え、
前記複数の画素のそれぞれは、
前記入射光を光電変換して信号電荷を発生させるアバランシェフォトダイオードと、
前記信号電荷を一時的に保持するための一次蓄積領域と、
前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記一次蓄積領域との間に設けられ、前記一次蓄積領域への前記信号電荷の転送をオンオフするための第1トランジスタと、
前記一次蓄積領域に対して並列に設けられ、前記信号電荷を蓄積させるための複数の記憶素子と、
を備え、
1周期の時間内において、ドライバ回路の互いに異なるバイアス供給素子から互いに異なるタイミングでゲート電圧の供給を受け、前記第1トランジスタのオンオフを切り替えることにより複数回の露光を行い、それぞれの信号電荷を互いに異なる前記記憶素子に蓄積させる、
固体撮像装置。 - 前記一次蓄積領域とそれぞれの前記記憶素子との間に設けられ、前記記憶素子への前記信号電荷の転送をオンオフさせる複数の第2トランジスタと、
前記一次蓄積領域に接続され、前記一次蓄積領域の信号電荷を排出させる第3トランジスタとを備える、請求項21に記載の固体撮像装置。 - 前記一次蓄積領域、前記第1トランジスタ、前記複数の記憶素子、前記複数の第2トランジスタ及び前記第3トランジスタを備える一次蓄積ユニットが複数設けられ、
前記複数の一次蓄積ユニットは、前記アバランシェフォトダイオードのカソードに対して並列に接続される、請求項22に記載の固体撮像装置。 - 前記記憶素子数に対応する数の第1バイアス回路で構成された第1ドライバ回路を備え、
それぞれの前記第1バイアス回路は、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子を介して前記第1トランジスタのゲートに接続された第1容量と、前記第2スイッチング素子を介して前記第1トランジスタのゲートに接続された第2容量とを備える、請求項21に記載の固体撮像装置。 - 前記記憶素子数に対応する数の第2バイアス回路で構成された第2ドライバ回路を備え、
それぞれの前記第2バイアス回路は、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子と、前記第3スイッチング素子を介して前記第3トランジスタのゲートに接続された第3容量と、前記第4スイッチング素子を介して前記第3トランジスタのゲートに接続された第4容量とを備える、請求項22に記載の固体撮像装置。 - 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと前記第1トランジスタとの間を接続する第1ノードに接続され、前記第1ノードを一定電位に初期化する第4トランジスタを備える、請求項21に記載の固体撮像装置。
- 前記記憶素子数に対応する数の第3バイアス回路からなる第3ドライバ回路を備え、
それぞれの前記第3バイアス回路は、第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子と、前記第5スイッチング素子を介して前記第4トランジスタのゲートに接続された第5容量と、前記第6スイッチング素子を介して前記第4トランジスタのゲートに接続された第6容量とを備える、請求項26に記載の固体撮像装置。 - 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと一定電位の第1電位線との間に設けられたクエンチング抵抗を備える、請求項21に記載の固体撮像装置。
- 前記複数の記憶素子は、前記一次蓄積領域の記憶容量よりも記憶容量が小さい1または複数の第1記憶素子を含む、請求項21に記載の固体撮像装置。
- 前記記憶素子に記憶された信号電荷を読みだすソースフォロア回路を備え、
前記複数の一次蓄積ユニットは、前記ソースフォロア回路と前記一次蓄積領域との間に設けられた第5トランジスタを備える、請求項21に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の画素を所定数の画素ごとのユニットに分け、
前記画素アレイにおいて、前記ユニットが行列上に配置され、
それぞれの前記ユニットにおいて、それぞれの前記画素の前記第1トランジスタのゲートには、互いに異なるドライバ回路が接続される、請求項21に記載の固体撮像装置。 - 前記記憶素子数に対応する数の第4バイアス回路からなる第4ドライバ回路を備え、
それぞれの前記第4バイアス回路は、第7スイッチング素子及び第8スイッチング素子と、前記第7スイッチング素子を介して前記第2トランジスタのゲートに接続された第7容量と、前記第8スイッチング素子を介して前記第2トランジスタのゲートに接続された第8容量とを備える、請求項22に記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、複数の半導体基板を備え、
前記アバランシェフォトダイオードは、前記一次蓄積領域、前記第1トランジスタ、前記記憶素子、前記第2トランジスタ、及び前記第3トランジスタとは互いに異なる半導体基板に配置され、
前記アバランシェフォトダイオードと前記第1トランジスタとは、配線を介して接続される、請求項22に記載の固体撮像装置。
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