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技術 固体撮像素子、および、電子装置

出願人 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
発明者 西野辰樹樋山拓己松本静徳三浦隆裕宮之原明彦松本智宏
出願日 2017年10月12日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2017-198122
公開日 2019年5月16日 (3ヶ月経過) 公開番号 2019-075394
状態 未査定
技術分野 光信号から電気信号への変換
主要キーワード 間欠光 疲労度合 集中度合い パーソナルモビリティ 移動体制御システム 統合制御ユニット カウント率 距離検出処理
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

光を検出する装置において超過バイアスを適切な値に制御する。

解決手段

固体撮像素子は、フォトダイオード抵抗および制御回路具備する。この固体撮像素子において、フォトダイオードは、入射光光電変換して光電流を出力する。また、固体撮像素子において、抵抗は、フォトダイオードのカソードに接続される。制御回路は、抵抗に光電流が流れたときのカソードの電位が高いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する。

概要

背景

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。例えば、SPAD(Single-Photon Avalanche Diode)により反射光を検出するToF方式のカメラが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。このSPADは、光電流増幅することにより感度を向上させたフォトダイオードである。

ここで、SPADは、逆バイアスをある電圧以上に印加するガイガーモードで用いられる。このガイガーモードでは、アノード側に電源カソード側に抵抗もしくは定電流をかけた状態で一定電位がかかるようにプルアップさせておく制御が行われる。そして、光が検出されると、インパクトイオン化によりブレイクダウン電圧までアノード・カソード間電圧が低下し、SPADは、ハイインピーダンスから低インピーダンスの状態に移行する。固体撮像素子は、そのときのカソード電位の変化を検出することでToFデータを作成することができる。アノード・カソード間電圧がブレイクダウン電圧まで低下すると、SPADは再びハイインピーダンスになり、ハイインピーダンスになったことでプルアップにより再びガイガーモードに移行する。このような固体撮像素子において、画素特性超過バイアスにより決定される。ここで、超過バイアスは、ガイガーモード時のアノード・カソード間電圧からブレイクダウン電圧を差し引いた値である。

概要

光を検出する装置において超過バイアスを適切な値に制御する。固体撮像素子は、フォトダイオード、抵抗および制御回路具備する。この固体撮像素子において、フォトダイオードは、入射光光電変換して光電流を出力する。また、固体撮像素子において、抵抗は、フォトダイオードのカソードに接続される。制御回路は、抵抗に光電流が流れたときのカソードの電位が高いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する。

目的

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、光を検出する装置において超過バイアスを適切な値に制御することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

入射光光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、前記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、前記抵抗に前記光電流が流れたときの前記カソードの電位が高いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路とを具備する固体撮像素子

請求項2

前記抵抗に前記光電流が流れたときの前記カソードの電位を検出して前記制御回路に供給する検出回路をさらに具備する請求項1記載の固体撮像素子。

請求項3

前記抵抗および前記フォトダイオードは、複数の画素回路のそれぞれに配置され、前記複数の画素回路のそれぞれの前記カソードは、前記検出回路に共通に接続され、前記検出回路は、前記抵抗に前記光電流が流れたときの前記カソードのそれぞれの電位のうち最小値を検出する請求項2記載の固体撮像素子。

請求項4

前記カソードに接続された可変コンデンサをさらに具備する請求項2記載の固体撮像素子。

請求項5

リフレッシュパルス信号に従って前記抵抗の両端を短絡するトランジスタをさらに具備し、前記制御回路は、前記入射光入射直前に前記リフレッシュパルス信号を前記トランジスタにさらに供給する請求項2記載の固体撮像素子。

請求項6

前記抵抗の抵抗値は、前記カソードの電位が固定される値である請求項1記載の固体撮像素子。

請求項7

前記カソードの電位と所定電位とを比較して比較結果を出力するコンパレータをさらに具備し、前記制御回路は、前記比較結果に基づいて前記カソードの電位が前記所定電位より高い場合に前記カソードの電位が前記所定電位に満たない場合よりも低い電位を前記アノードに供給する請求項1記載の固体撮像素子。

請求項8

前記制御回路は、所定の周期内において前記カソードの電位が所定の閾値よりも低くなった回数計数して前記回数が所定回数に満たない場合には前記回数が前記所定回数より多い場合よりも低い電位を前記アノードに供給する請求項1記載の固体撮像素子。

請求項9

前記カソードの電位の信号を反転してパルス信号として出力するインバータをさらに具備し、前記制御回路は、前記パルス信号のパルス幅が短いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する請求項1記載の固体撮像素子。

請求項10

前記抵抗の一端は、前記カソードに接続され、他端は所定電位の端子に接続され、前記制御回路は、前記カソードの電位と前記所定電位との間の電圧を測定し、前記電圧が高いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する請求項1記載の固体撮像素子。

請求項11

前記抵抗および前記フォトダイオードは、複数の画素回路のそれぞれに配置され、前記制御回路は、前記複数の画素回路のいずれかを有効に設定して当該設定した画素回路の前記カソードの電位と前記所定電位との間の電圧を測定する請求項10記載の固体撮像素子。

請求項12

入射光を光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、前記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、温度を測定して前記温度が低いほど、低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路とを具備する固体撮像素子。

請求項13

照射光を供給する発光部と、前記照射光に対する反射光を光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、前記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、前記抵抗に前記光電流が流れたときの前記カソードの電位が高いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路とを具備する電子装置

技術分野

0001

本技術は、固体撮像素子、および、電子装置に関する。詳しくは、フォトダイオードにより光を検出する固体撮像素子、および、電子装置に関する。

背景技術

0002

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。例えば、SPAD(Single-Photon Avalanche Diode)により反射光を検出するToF方式のカメラが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。このSPADは、光電流増幅することにより感度を向上させたフォトダイオードである。

0003

ここで、SPADは、逆バイアスをある電圧以上に印加するガイガーモードで用いられる。このガイガーモードでは、アノード側に電源カソード側に抵抗もしくは定電流をかけた状態で一定電位がかかるようにプルアップさせておく制御が行われる。そして、光が検出されると、インパクトイオン化によりブレイクダウン電圧までアノード・カソード間電圧が低下し、SPADは、ハイインピーダンスから低インピーダンスの状態に移行する。固体撮像素子は、そのときのカソード電位の変化を検出することでToFデータを作成することができる。アノード・カソード間電圧がブレイクダウン電圧まで低下すると、SPADは再びハイインピーダンスになり、ハイインピーダンスになったことでプルアップにより再びガイガーモードに移行する。このような固体撮像素子において、画素特性超過バイアスにより決定される。ここで、超過バイアスは、ガイガーモード時のアノード・カソード間電圧からブレイクダウン電圧を差し引いた値である。

先行技術

0004

Larry Li、"Time-of-Flight Camera - An Introduction"、テキサスインスツルメンツ、Technical White PaperSLOA190B January 2014 Revised May 2014

発明が解決しようとする課題

0005

上述の従来技術では、高感度アバランシェフォトダイオードを用いるため、微弱な反射光であっても検出することができる。しかしながら、ブレイクダウン電圧のばらつきや温度により、超過バイアスが変動してしまうことがある。この結果、超過バイアスが小さくなりすぎてフォトダイオードの感度が低下するおそれや、逆に超過バイアスが大きすぎて暗電流ノイズが増大するおそれがある。ブレイクダウン電圧のばらつき等による超過バイアスの変動を抑制するには、作業者製品ごとに調整を行えばよいが、手間が大きくなってしまう。このため、上述の従来技術では、ブレイクダウン電圧のばらつき等による超過バイアスの変動を抑制することが困難である。

0006

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、光を検出する装置において超過バイアスを適切な値に制御することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

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、入射光光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、上記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、上記抵抗に上記光電流が流れたときの上記カソードの電位が高いほど低い電位を上記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路とを具備する固体撮像素子である。これにより、抵抗に光電流が流れたときのカソードの電位が高いほど低い電位がフォトダイオードのアノードに供給されて超過バイアスが適切な値に制御されるという作用をもたらす。

0008

また、この第1の側面において、上記抵抗に上記光電流が流れたときの上記カソードの電位を検出して上記制御回路に供給する検出回路をさらに具備することもできる。これにより、光電流が流れたときのカソードの電位が検出されるという作用をもたらす。

0009

また、この第1の側面において、上記抵抗および上記フォトダイオードは、複数の画素回路のそれぞれに配置され、上記複数の画素回路のそれぞれの上記カソードは、上記検出回路に共通に接続され、上記検出回路は、上記抵抗に上記光電流が流れたときの上記カソードのそれぞれの電位のうち最小値を検出してもよい。これにより、カソードのそれぞれの電位のうち最小値に応じた電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

0010

また、この第1の側面において、上記カソードに接続された可変コンデンサをさらに具備することもできる。これにより、可変コンデンサによってカソード電位の誤差が軽減されるという作用をもたらす。

0011

また、この第1の側面において、リフレッシュパルス信号に従って上記抵抗の両端を短絡するトランジスタをさらに具備し、上記制御回路は、上記入射光入射直前に上記リフレッシュパルス信号を上記トランジスタにさらに供給することもできる。これにより、入射光の入射の直前にリフレッシュパルス信号により抵抗の両端が短絡されるという作用をもたらす。

0012

また、この第1の側面において、上記フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードであり、上記抵抗の抵抗値は、上記カソードの電位が固定される値であってもよい。これにより、固定されたカソードの電位に応じた電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

0013

また、この第1の側面において、上記カソードの電位と所定電位とを比較して比較結果を出力するコンパレータをさらに具備し、上記制御回路は、上記比較結果に基づいて上記カソードの電位が上記所定電位より高い場合に上記カソードの電位が上記所定電位に満たない場合よりも低い電位を上記アノードに供給してもよい。これにより、カソードの電位と所定電位との比較結果に応じた電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

0014

また、この第1の側面において、上記制御回路は、所定の周期内において上記カソードの電位が所定の閾値よりも低くなった回数計数して上記回数が所定回数に満たない場合には上記回数が上記所定回数より多い場合よりも低い電位を上記アノードに供給してもよい。これにより、カソードの電位が所定の閾値よりも低くなった回数に応じた電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

0015

また、この第1の側面において、上記カソードの電位の信号を反転してパルス信号として出力するインバータをさらに具備し、上記制御回路は、上記パルス信号のパルス幅が短いほど低い電位を上記フォトダイオードのアノードに供給してもよい。これにより、パルス信号のパルス幅に応じた電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

0016

また、この第1の側面において、上記抵抗の一端は、上記カソードに接続され、他端は所定電位の端子に接続され、上記制御回路は、上記カソードの電位と上記所定電位との間の電圧を測定し、上記電圧が高いほど低い電位を上記フォトダイオードのアノードに供給することもできる。これにより、上記カソードの電位と所定電位との間の電圧に応じた電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

0017

また、この第1の側面において、上記抵抗および上記フォトダイオードは、複数の画素回路のそれぞれに配置され、上記制御回路は、上記複数の画素回路のいずれかを有効に設定して当該設定した画素回路の上記カソードの電位と上記所定電位との間の電圧を測定することもできる。これにより、有効に設定した画素回路のカソードの電位に応じた電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

0018

また、本技術の第2の側面は、入射光を光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、上記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、温度を測定して上記温度が低いほど、低い電位を上記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路とを具備する固体撮像素子である。これにより、温度が低いほど、低い電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

0019

また、本技術の第3の側面は、照射光を供給する発光部と、上記照射光に対する反射光を光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、上記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、上記抵抗に上記光電流が流れたときの上記カソードの電位が高いほど低い電位を上記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路とを具備する電子装置である。これにより、反射光を光電変換した光電流が抵抗に流れたときのカソードの電位が高いほど低い電位がフォトダイオードのアノードに供給されるという作用をもたらす。

発明の効果

0020

本技術によれば、光を検出する装置においてフォトダイオードのアノード電位の適正値からの変動を抑制することができるという優れた効果を奏し得る。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

図面の簡単な説明

0021

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アレイ部の平面図の一例である。
本技術の第1の実施の形態における制御回路、遮光画素回路およびモニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の第1の実施の形態における非モニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の第1の実施の形態におけるフォトダイオードの電圧−電流特性の一例を示すグラフである。
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カソード電位およびボトム電位の変動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ボトム電位が高いときのカソード電位、アノード電位およびパルス信号の変動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ボトム電位が低いときのカソード電位、アノード電位およびパルス信号の変動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発光制御信号およびパルス信号の変動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アレイ部の平面図の一例である。
本技術の第2の実施の形態における遮光画素回路およびモニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の第3の実施の形態における制御回路およびモニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の第4の実施の形態におけるモニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の第4の実施の形態における制御回路の一構成例を示すブロック図である。
本技術の第4の実施の形態におけるカソード電位とアノード電位との関係の一例を示すグラフである。
本技術の第5の実施の形態におけるモニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の第5の実施の形態における制御回路の一構成例を示すブロック図である。
本技術の第5の実施の形態におけるカウント値とアノード電位との関係の一例を示すグラフである。
本技術の第6の実施の形態における制御回路の一構成例を示すブロック図である。
本技術の第6の実施の形態における制御回路およびモニター画素回路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7の実施の形態における制御回路の一構成例を示すブロック図である。
本技術の第8の実施の形態におけるモニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の第9の実施の形態におけるモニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の比較例および第9の実施の形態におけるボトム電位の一例を示すタイミングチャートである。
本技術の第10の実施の形態におけるモニター画素回路の回路図の一例である。
本技術の第10の実施の形態における制御回路の一構成例を示すブロック図である。
本技術の第10の実施の形態における発光制御信号、リフレッシュパルス信号およびボトム電位の変動の一例を示すタイミングチャートである。
本技術の第11の実施の形態における画素アレイ部の平面図の一例である。
本技術の第11の実施の形態における制御回路の一構成例を示すブロック図である。
本技術の第11の実施の形態における温度とアノード電位との関係の一例を示すグラフである。
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。

実施例

0022

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(カソード電位に応じてアノード電位を制御する例)
2.第2の実施の形態(複数のモニター画素のカソード電位の最小値に応じてアノード電位を制御する例)
3.第3の実施の形態(モニター画素が出力する固定のカソード電位に応じてアノード電位を制御する例)
4.第4の実施の形態(カソード電位と所定電位との比較結果に応じてアノード電位を制御する例)
5.第5の実施の形態(カソード電位に関連するカウント値に応じてアノード電位を制御する例)
6.第6の実施の形態(カソード電位に関連するパルス幅に応じてアノード電位を制御する例)
7.第7の実施の形態(カソード電位に関連する超過バイアスに応じてアノード電位を制御する例)
8.第8の実施の形態(有効にしたモニター画素のカソード電位に応じてアノード電位を制御する例)
9.第9の実施の形態(可変コンデンサを追加したモニター画素のカソード電位に応じてアノード電位を制御する例)
10.第10の実施の形態(パルス信号を供給したモニター画素のカソード電位に応じてアノード電位を制御する例)
11.第11の実施の形態(温度に応じてアノード電位を制御する例)
12.移動体への応用例

0023

<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、発光部110、同期制御部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。

0024

同期制御部120は、発光部110および固体撮像素子200を同期して動作させるものである。この同期制御部120は、所定周波数(10乃至20メガヘルツなど)のクロック信号を発光制御信号CLKpとして、発光部110および固体撮像素子200に信号線128および129を介して供給する。

0025

発光部110は、同期制御部120からの発光制御信号CLKp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。

0026

固体撮像素子200は、照射光に対する反射光を受光し、発光制御信号CLKp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。

0027

[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240および信号処理部230を備える。画素アレイ部240には、複数の画素回路が二次元格子状に配列される。

0028

制御回路210は、画素アレイ部240内の画素回路のそれぞれの電位を制御するものである。制御内容の詳細については後述する。

0029

信号処理部230は、画素回路からの信号と、同期制御部120からの発光制御信号CLKpとに基づいて画素回路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画素回路ごとに生成し、それらを外部に出力する。

0030

図3は、本技術の第1の実施の形態における画素アレイ部240の平面図の一例である。画素アレイ部240の一部は遮光されており、その遮光された部分に遮光画素回路250が配列され、遮光されていない部分にモニター画素回路260および非モニター画素回路280が配列される。同図において斜線部分は、画素アレイ部240のうち遮光画素回路250が配列された部分である。また、モニター画素回路260および非モニター画素回路280の総数はN(Nは2以上の整数)個であり、それらは二次元格子状に配列される。また、N個のうち1つはモニター画素回路260であり、残りは非モニター画素回路280である。

0031

以下、水平方向に配列された画素回路の集合を「行」と称し、行に垂直な方向に配列された画素回路の集合を「列」と称する。

0032

[画素回路の構成例]
図4は、本技術の第1の実施の形態における制御回路210、遮光画素回路250およびモニター画素回路260の回路図の一例である。

0033

モニター画素回路260は、抵抗261、フォトダイオード262、インバータ263およびトランジスタ264を備える。

0034

抵抗261の一端は、フォトダイオード262のカソードに接続され、他端は、電位VEの端子に接続される。トランジスタ264として、例えば、N型のMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタが用いられる。このトランジスタ264のゲートには、所定電位のゲート信号GATが印加され、ソースは、バックゲートおよび接地端子と接続され、ドレインはフォトダイオード262のカソードとインバータ263の入力端子とに接続される。ゲート信号GATには、例えば、行の読出し期間においてローレベルが設定される。

0035

フォトダイオード262は、反射光が入射されると、その入射光を光電変換して光電流Imを出力するものである。このフォトダイオード262として、例えば、SPADが用いられる。SPADまた、フォトダイオード262のアノード電位VSPADは、制御回路210により制御される。

0036

インバータ263は、フォトダイオード262のカソード電位Vsの信号を反転してパルス信号OUTとして、信号処理部230に出力するものである。このインバータ263は、カソード電位Vsが所定の閾値より高い場合にローレベルのパルス信号OUTを出力し、その閾値以下の場合にハイレベルのパルス信号OUTを出力する。

0037

反射光の入射時において、フォトダイオード262からの光電流Imが抵抗261に流れ、その電流値に応じてカソード電位Vsが降下する。降下時のカソード電位Vsが閾値以下であるとインバータ263はハイレベルのパルス信号OUTを出力する。このため、信号処理部230は、パルス信号OUTの立上りのタイミングを受光タイミングとして検出することができる。また、モニター画素回路260のカソード電位Vsは、遮光画素回路250により監視される。

0038

また、遮光画素回路250は、抵抗251、ダイオード252およびコンデンサ253を備える。抵抗251およびコンデンサ253は、電位VEの端子と接地端子との間に直列に接続される。また、ダイオード252のカソードは、フォトダイオード262のカソードに接続され、アノードは、抵抗251およびコンデンサ253の接続点に接続される。

0039

上述の構成により、遮光画素回路250は、入射光が入射された際のカソードの電位をボトム電位Vbtmとして検出する。なお、遮光画素回路250は、特許請求の範囲に記載の検出回路の一例である。

0040

また、制御回路210は、コンパレータ211および補正ダイオード212を備える。コンパレータ211の反転入力端子(−)は、抵抗251およびコンデンサ253の接続点に接続され、非反転入力端子(+)は、補正ダイオード212のアノードに接続される。補正ダイオード212のカソードには、所定の電源が接続される。この補正ダイオード212の温度特性は、ダイオード252と同一であるものとする。補正ダイオード212の挿入により、ダイオード252の温度特性によるボトム電位Vtmの誤差を補正することができる。

0041

コンパレータ211は、次の式により、ボトム電位Vbtmが高いほど低い電位をVSPADとして生成し、フォトダイオード262のアノードに供給するものである。
VSPAD=Av(VDD−Vbtm)
上式において、Avは、コンパレータ211の利得であり、VDDは、電源電位である。

0042

図5は、本技術の第1の実施の形態における非モニター画素回路280の回路図の一例である。この非モニター画素回路280は、抵抗281、フォトダイオード282、インバータ283およびトランジスタ284を備える。これらの素子接続構成は、モニター画素回路260と同様である。ただし、非モニター画素回路280においてフォトダイオード282のカソードは、遮光画素回路250と接続されず、カソードの電位が監視されない。

0043

図6は、本技術の第1の実施の形態におけるフォトダイオード262の電圧−電流特性の一例を示すグラフである。同図における横軸は、フォトダイオード262のアノード−カソード間に印加される電圧であり、縦軸は、フォトダイオード262からの光電流である。ガイガーモードで動作させる場合、フォトダイオード262のアノード−カソード間電圧には、マイナス値、すなわち逆バイアスが印加される。フォトダイオード262として上述のSPADを用いる場合、逆バイアスが所定の降伏電圧より低いと、フォトダイオード262においてアバランシェ降伏が発生し、光電流が増幅される。その降伏電圧より、数ボルト低い電圧をアノード−カソード間に印加すると、増幅におけるゲインは、実質的に無限大となり、1個のフォトンを検出することができるようになる。

0044

[信号処理部の構成例]
図7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、列ごとにTDC(Time-to-Digital Converter)231および距離データ生成部232を備える。

0045

TDC231は、発光制御信号CLKpの示す発光タイミングから、対応する列からのパルス信号OUTの立上り(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データ生成部232に供給する。

0046

距離データ生成部232は、物体までの距離Dを算出するものである。この距離データ生成部232は、発光制御信号CLKpよりも低い周波数(30ヘルツなど)の垂直同期信号SYNCの周期ごとに、その周期内でTDC231により計測された時間のうち最頻値を往復時間dtとして求める。そして、距離データ生成部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。
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。

0047

図8は、本技術の第1の実施の形態におけるカソード電位Vsおよびボトム電位Vbtmの変動の一例を示すタイミングチャートである。

0048

あるタイミングT0において反射光が入射されると、フォトダイオード262からの光電流が抵抗261に流れて電圧降下が生じ、カソード電位Vsが低下する。遮光画素回路250は、このときの電位をボトム電位Vbtmとして制御回路210へ出力する。

0049

そして、タイミングT0から一定のリチャージ時間が経過すると、カソード電位Vsは、低下前の電位に戻る。その後のタイミングT2において反射光が入射すると、カソード電位Vsは再度低下する。以下、同様の動作が繰り返される。

0050

また、ボトム電位Vbtmは、コンデンサ253の容量に応じて、タイミングT0からタイミングT2までの間に若干増大する。ここで、カソード電位Vsの実際の最小値を真値とすると、ボトム電位Vbtmには、真値に対して若干の誤差が生じるものの、コンデンサ253の容量を十分に大きくすることにより、その真値に近い値を出力することができる。

0051

図9は、本技術の第1の実施の形態におけるボトム電位が高いときのカソード電位、アノード電位およびパルス信号の変動の一例を示すタイミングチャートである。あるタイミングT0において反射光が入射すると、カソード電位Vsは、閾値VTより高いボトム電位Vbtmまで降下し、リチャージにより元の電位VEに戻る。ここで、閾値VTは、入射光が入射されたか否かを判定するための電圧であり、カソード電位Vsが閾値VTより低いときに、インバータ263は、ハイレベルのパルス信号OUTを出力する。

0052

そして、ボトム電位Vbtmとアノード電位VSPADとの差の電圧(ブレイクダウン電圧)をVBDとすると、超過バイアスは、ブレイクダウン電圧VBDのばらつきや温度により変動する。ブレイクダウン電圧VBDが高いほど、超過バイアスは大きくなる。通常は、超過バイアスは、ボトム電位Vbtmが閾値VTより小さくなるような値となる。

0053

しかしながら、電圧VBDのばらつきや温度の要因により超過バイアスが変動して、ボトム電位Vbtmが閾値VTより低くならないことがある。この場合には、光が入射されたにも関わらず、パルス信号OUTがハイレベルにならず、後段の信号処理部230は、入射光を検出することができなくなるおそれがある。このため、仮にアノード電位を固定値とすると、光子検出効率(PDE:Photon Detection Efficiency)が低下する可能性がある。ここで、光子検出効率は、光を入射してフォトンカウンティングを行った際において、入射したフォトン数に対するカウントされたフォトン数の割合を示す。光子検出効率が高いほど、フォトダイオード262の感度が高くなる。

0054

そこで、制御回路210は、ボトム電位Vbtmが高いほど、アノード電位VSPADの電位を低くする。これにより、電圧VBDが高くなり、光電流が増大して超過バイアスが大きくなる。したがって、タイミングT1において再度光が入射すると、カソード電位Vsは、タイミングT2において閾値VTより低くなる。そしてボトム電位まで達するとリチャージによりカソード電位Vsは上昇し、タイミングT3において閾値VT以上となる。また、インバータ263は、タイミングT2からタイミングT3までの間にハイレベルのパルス信号OUTを出力する。このように、アノード電位VSPADを高く制御することにより、光の入射時にパルス信号OUTが立ち上がるため、信号処理部230は、光を検出することができ、光子検出効率(PDE)が十分に高くなる。

0055

図10は、本技術の第1の実施の形態におけるボトム電位が低いときのカソード電位、アノード電位およびパルス信号の変動の一例を示すタイミングチャートである。あるタイミングT0において反射光が入射すると、カソード電位Vsは降下し、タイミングT1で閾値VTより低くなる。そして、カソード電位Vsは、0ボルトよりも低いボトム電位Vbtmまで降下し、その後はリチャージにより上昇してタイミングT2で閾値VTよりも高くなる。また、インバータ263は、タイミングT1からタイミングT2までの間にハイレベルのパルス信号OUTを出力する。

0056

電圧VBDが十分に高いとボトム電位Vbtmが閾値VTより低くなるため、上述のように入射光を検出することができる。しかしながら、温度などの要因により電圧VBDが高くなりすぎると、暗電流ノイズの影響を受けやすくなる。この結果、仮に、アノード電位を固定値にすると、暗電流ノイズによる誤カウント率を示すDCR(Dark Count Rate)が大きくなるおそれがある。また、ラッチアップが生じるおそれや、フォトダイオード262が故障する確率が高くなる。

0057

そこで、制御回路210は、ボトム電位Vbtmが低いほど、アノード電位VSPADの電位を高くする。これにより、電圧VBDが低くなり、超過バイアスが小さくなってボトム電位Vbtmが高くなる。この結果、誤カウント率(DCR)の増大等の悪影響が抑制される。

0058

ただし、ボトム電位Vbtmは、閾値VTよりも低くなる程度に制御される。したがって、タイミングT3において再度光が入射すると、カソード電位Vsは、タイミングT4において閾値VTより低くなる。そしてボトム電位まで達するとリチャージによりカソード電位Vsは上昇し、タイミングT5において閾値VT以上となる。また、インバータ263は、タイミングT4からタイミングT5までの間にハイレベルのパルス信号OUTを出力する。したがって、光子検出効率は十分に高い値に維持される。

0059

図11は、本技術の第1の実施の形態における発光制御信号およびパルス信号の変動の一例を示すタイミングチャートである。発光部110は、発光制御信号CLKpに同期して発光し、固体撮像素子200は、反射光を受光してパルス信号OUTを生成する。発光制御信号CLKpの立上りのタイミングTsから、パルス信号の立上りのタイミングTeまでの時間は、距離に応じた値となる。固体撮像素子200は、その時間の統計量(最頻値など)から物体までの距離Dを算出する。

0060

[測距モジュールの動作例]
図12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、例えば、距離を測定する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。

0061

発光部110は発光を開始し、固体撮像素子200内の画素回路は反射光の受光を開始する(ステップS901)。また、制御回路210は、ボトム電位Vbtmに応じてアノード電位VSPADを制御する(ステップS902)。また、信号処理部230は、往復時間を測定し(ステップS903)、その往復時間から距離データを算出する(ステップS904)。ステップS904の後に、固体撮像素子200は、測距のための動作を終了する。複数回数に亘って測距を行う場合には、垂直同期信号VSYNCに同期してステップS901乃至S904が繰り返し実行される。

0062

このように、本技術の第1の実施の形態では、固体撮像素子200は、ボトム電位Vbtmが高いほど低いアノード電位VSPADを供給するため、ボトム電位Vbtmが高いほどフォトダイオード262からの光電流を増大することができる。これにより、ブレイクダウン電圧(VBD)のばらつきや温度による超過バイアスのの変動を抑制することができる。

0063

<2.第2の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、固体撮像素子200は、モニター画素回路260を1つのみ画素アレイ部240に配置していたが、経年劣化などによりモニター画素回路260が故障して、その画素欠陥画素となるおそれがある。この第2の実施の形態の画素アレイ部240は、複数のモニター画素回路260を配置した点において第1の実施の形態と異なる。

0064

図13は、本技術の第2の実施の形態における画素アレイ部240の平面図の一例である。この画素アレイ部240には、2つ以上のモニター画素回路260が配置される点において第1の実施の形態と異なる。

0065

例えば、画素アレイ部240の1行は、M(Mは、2以上、N未満の整数)個のモニター画素回路260からなり、残りの行には、非モニター画素回路280が配列される。

0066

図14は、本技術の第2の実施の形態における遮光画素回路250およびモニター画素回路260の回路図の一例である。M個のモニター画素回路260は、遮光画素回路250に共通に接続される。遮光画素回路250には、モニター画素回路260ごとにダイオード252が設けられる。

0067

それぞれのダイオード252のカソードは、対応するモニター画素回路260に接続され、アノードは、抵抗251およびコンデンサ253の接続点に共通に接続される。

0068

上述の構成により、遮光画素回路250は、複数のモニター画素回路260のそれぞれのカソード電位のうち最小値をボトム電位Vbtmとして検出することができる。

0069

このように、本技術の第2の実施の形態によれば、固体撮像素子200は、複数のモニター画素回路260のそれぞれのカソード電位の最小値を検出するため、いずれかのモニター画素回路260が故障しても、超過バイアスを適切な値に制御することができる。

0070

<3.第3の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、固体撮像素子200は、コンデンサ253やダイオード252を設けた遮光画素回路250によりボトム電位Vbtmを検出していたが、コンデンサ253等の回路の追加により、回路規模が増大するおそれがある。固体撮像素子200の実装面積を小さくする観点から、回路規模は小さいことが望ましい。この第3の実施の形態の画素アレイ部240は、遮光画素回路250の代わりにモニター画素回路260がボトム電位Vbtmを検出する点において第1の実施の形態と異なる。

0071

図15は、本技術の第3の実施の形態における制御回路210およびモニター画素回路260の回路図の一例である。この第3の実施の形態のモニター画素回路260は、抵抗261の代わりに、抵抗265が設けられている点において第1の実施の形態と異なる。また、フォトダイオード262のカソードは、コンパレータ211の反転入力端子(−)に接続される。また、制御回路210には、補正ダイオード212が設けられず、遮光画素回路250には、コンデンサ253およびダイオード252が設けられない。

0072

抵抗265の抵抗値は、非モニター画素回路280内の抵抗281より小さく、フォトダイオード262に光が入射されない暗状態においてもアバランシェ降伏が生じる程度の値に設定される。これにより、光電流ILの値は、暗状態においても光の入射時と同様の値に固定(言い換えれば、ラッチ)される。したがって、カソードの電位はボトム電位Vbtmに固定され、制御回路210は、その電位に応じてアノード電位VSPADを制御することができる。

0073

このように、本技術の第3の実施の形態によれば、モニター画素回路260がボトム電位Vbtmを検出するため、コンデンサ253やダイオード252を削減することができる。これにより、画素アレイ部240の回路規模を小さくすることができる。

0074

<4.第4の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、固体撮像素子200は、コンデンサ253やダイオード252を設けた遮光画素回路250によりボトム電位Vbtmを検出していたが、コンデンサ253等の回路の追加により、回路規模が増大するおそれがある。固体撮像素子200の実装面積を小さくする観点から、回路規模は小さいことが望ましい。この第4の実施の形態の固体撮像素子200は、制御回路210が、モニター画素回路260の出力値からボトム電位Vbtmを推測する点において第1の実施の形態と異なる。

0075

図16は、本技術の第4の実施の形態におけるモニター画素回路260の回路図の一例である。この第4の実施の形態のモニター画素回路260は、インバータ263の代わりにコンパレータ266を備える点において第1の実施の形態と異なる。また、フォトダイオード262のカソードは、遮光画素回路250と接続されず、遮光画素回路250には、コンデンサ253およびダイオード252が設けられない。

0076

コンパレータ266の非反転入力端子(+)は、フォトダイオード262のカソードと接続され、反転入力端子(−)は、所定電位(0.1ボルトなど)の電源端子に接続される。このコンパレータ266は、カソードの電位と所定電位とを比較して比較結果を切替信号SWとして制御回路210に供給する。この切替信号SWは、カソード電位Vsが所定電位より高い場合にハイレベルとなり、所定電位以下の場合にローレベルとなる。

0077

図17は、本技術の第4の実施の形態における制御回路210の一構成例を示すブロック図である。この制御回路210は、コンパレータ211および補正ダイオード212の代わりに、コントローラ213およびパワーIC(IntegratedCircuit)214を備える。

0078

コントローラ213は、切替信号SWに応じて、パワーIC214が供給する電位を制御するものである。制御内容の詳細については後述する。パワーIC214は、コントローラ213の制御に従ってアノード電位VSPADを供給するものである。

0079

図18は、本技術の第4の実施の形態におけるカソード電位とアノード電位との関係の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、カソード電位Vsを示し、横軸は、アノード電位VSPADを示す。

0080

切替信号SWがハイレベルである(すなわち、カソード電位Vsが所定電位より高い)場合、ボトム電位Vbtmは、閾値VT未満でないものと推測される。この際に、コントローラ213は、パワーIC214に目標値VLを供給させる。一方、切替信号SWがローレベル(すなわち、カソード電位Vsが所定電位以下)である場合、ボトム電位Vbtmは、閾値VT未満であるものと推測される。この際にコントローラ213は、パワーIC214に目標値VHを供給させる。この目標値VHは、目標値VLより高い値に設定される。切替信号SWに応じた制御により、ボトム電位Vbtmが高いほど低いアノード電位VSPADが供給される。

0081

このように、本技術の第4の実施の形態によれば、制御回路210が、カソード電位Vsと所定電位との比較結果からボトム電位Vbtmを推測するため、コンデンサ253やダイオード252を削減することができる。これにより、画素アレイ部240の回路規模を小さくすることができる。

0082

<5.第5の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、固体撮像素子200は、コンデンサ253やダイオード252を設けた遮光画素回路250によりボトム電位Vbtmを検出していたが、コンデンサ253等の回路の追加により、回路規模が増大するおそれがある。固体撮像素子200の実装面積を小さくする観点から、回路規模は小さいことが望ましい。この第5の実施の形態の固体撮像素子200は、制御回路210が、モニター画素回路260のパルス信号OUTのカウント値からボトム電位Vbtmを推測する点において第1の実施の形態と異なる。

0083

図19は、本技術の第5の実施の形態におけるモニター画素回路260の回路図の一例である。この第5の実施の形態におけるモニター画素回路260は、抵抗261の代わりにトランジスタ267を備え、インバータ263がパルス信号OUTを制御回路210に供給する点において第1の実施の形態と異なる。また、フォトダイオード262のカソードは、遮光画素回路250と接続されず、遮光画素回路250には、コンデンサ253およびダイオード252が設けられない。

0084

トランジスタ267として、例えば、P型MOSトランジスタが用いられる。また、トランジスタ267のゲートには、ローレベルのバイアス電圧Vbが印加される。なお、トランジスタ267のオン抵抗は、特許請求の範囲に記載の抵抗の一例である。

0085

図20は、本技術の第5の実施の形態における制御回路210の一構成例を示すブロック図である。この第5の実施の形態の制御回路210は、コンパレータ211および補正ダイオード212の代わりに、コントローラ213、パワーIC214、比較部215およびカウンタ216を備える点において第1の実施の形態と異なる。

0086

カウンタ216は、垂直同期信号VSYNCの周期内において、パルス信号OUTがハイレベルになった回数を計数するものである。このカウンタ216は、カウント値を比較部215に供給する。

0087

比較部215は、カウント値と所定の固定値とを比較するものである。この比較部215は、比較結果を切替信号SWとしてコントローラ213に供給する。この切替信号SWは、例えば、カウント値が固定値より大きい場合にハイレベルとなり、固定値以下の場合にローレベルとなる。

0088

コントローラ213は、切替信号SWに応じて、パワーIC214が供給する電位を制御するものである。制御内容の詳細については後述する。パワーIC214は、コントローラ213の制御に従ってアノード電位VSPADを供給するものである。

0089

図21は、本技術の第5の実施の形態におけるカウント値とアノード電位との関係の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、カウント値を示し、横軸は、アノード電位VSPADを示す。

0090

切替信号SWがローレベル(すなわち、カウント値が固定値以下)であることは、ボトム電位Vbtmが閾値VT未満になった回数が少ないことを意味する。この際に、コントローラ213は、パワーIC214に目標値VLを供給させる。一方、切替信号SWがハイレベルである(すなわち、カウント値が固定値より大きい)ことは、ボトム電位Vbtmが閾値VT未満となった回数が多いことを意味する。この際にコントローラ213は、パワーIC214に目標値VHを供給させる。この目標値VHは、目標値VLより高い値に設定される。

0091

このように、本技術の第5の実施の形態によれば、制御回路210が、ボトム電位Vbtmに応じたカウント値と固定値との比較結果に基づいてアノード電位VSPADを制御するため、コンデンサ253やダイオード252を削減することができる。これにより、画素アレイ部240の回路規模を小さくすることができる。

0092

<6.第6の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、固体撮像素子200は、コンデンサ253やダイオード252を設けた遮光画素回路250によりボトム電位Vbtmを検出していたが、コンデンサ253等の回路の追加により、回路規模が増大するおそれがある。固体撮像素子200の実装面積を小さくする観点から、回路規模は小さいことが望ましい。この第6の実施の形態の固体撮像素子200は、制御回路210が、モニター画素回路260のパルス幅からボトム電位Vbtmを推測する点において第1の実施の形態と異なる。

0093

図22は、本技術の第6の実施の形態における制御回路210の一構成例を示すブロック図である。この第6の実施の形態の制御回路210は、コンパレータ211および補正ダイオード212の代わりに、コントローラ213、パワーIC214およびパルス幅検出部217を備える点において第1の実施の形態と異なる。また、フォトダイオード262のカソードは、遮光画素回路250と接続されず、遮光画素回路250には、コンデンサ253およびダイオード252が設けられない。

0094

パルス幅検出部217は、モニター画素回路260からのパルス信号OUTのパルス幅を検出するものである。このパルス幅検出部217は、検出したパルス幅をコントローラ213に供給する。

0095

コントローラ213は、パルス幅に基づいて、パワーIC214が供給する電位を制御するものである。制御内容の詳細については後述する。パワーIC214は、コントローラ213の制御に従ってアノード電位VSPADを供給するものである。

0096

図23は、本技術の第6の実施の形態における制御回路210およびモニター画素回路260の動作の一例を示すタイミングチャートである。

0097

パルス幅検出部217は、測距開始時または測距開始の前に、所定のパルス期間に亘ってハイレベルのゲート信号GATを供給する。このときにパルス幅検出部217により検出されたパルス幅を、コントローラ213は、基準値として保持する。

0098

そして、反射光が受光されるたびにパルス幅検出部217はパルス幅を検出し、コントローラ213は、そのパルス幅と基準値とを比較する。このパルス幅は、ボトム電位Vbtmが低いほど、広くなる傾向がある。この傾向に基づいてコントローラ213は、パルス幅が基準値より広い場合に、パワーIC214に目標値VLを供給させる。一方、パルス幅が基準値以下の場合にコントローラ213は、パワーIC214に目標値VHを供給させる。この目標値VHは、目標値VLより高い値に設定される。

0099

このように、本技術の第6の実施の形態によれば、制御回路210が、ボトム電位Vbtmに応じたパルス幅と基準値との比較結果に基づいてアノード電位VSPADを制御するため、コンデンサ253やダイオード252を削減することができる。これにより、画素アレイ部240の回路規模を小さくすることができる。

0100

<7.第7の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、制御回路210は、アナログ回路であるコンパレータ211を用いてアノード電位VSPADを制御していた。しかし、一般にアナログ回路は、デジタル回路よりも回路規模が大きいため、実装面積が増大するおそれがある。この第7の実施の形態の制御回路210は、デジタル回路によりアノード電位VSPADを制御する点において第1の実施の形態と異なる。

0101

図24は、本技術の第7の実施の形態における制御回路210の一構成例を示すブロック図である。この制御回路210は、コンパレータ211および補正ダイオード212の代わりに、コントローラ213、パワーIC214およびADC(Analog to Digital Converter)218を備える点において第1の実施の形態と異なる。

0102

ADC218には、電位VEとボトム電位Vbtmとの差分の超過バイアスdVが入力される。このADC218は、超過バイアスdVをAD(Analog to Digital)変換してデジタル信号をコントローラ213に供給する。電位VEは一定であるため、超過バイアスdVは、ボトム電位Vbtmが低いほど、高い値となる。

0103

コントローラ213は、超過バイアスdVに基づいて、パワーIC214が供給する電位を制御するものである。このコントローラ213は、超過バイアスdVが低い(すなわち、ボトム電位Vbtmが高い)ほど、低いアノード電位VSPADをパワーIC214に供給させる。パワーIC214は、コントローラ213の制御に従ってアノード電位VSPADを供給するものである。

0104

このように、本技術の第7の実施の形態では、制御回路210は、コントローラ213およびパワーIC214によりアノード電位VSPADを制御するため、アナログ回路を用いる場合と比較して回路規模を削減することができる。

0105

<8.第8の実施の形態>
上述の第7の実施の形態では、固体撮像素子200は、モニター画素回路260を1つのみ画素アレイ部240に配置していたが、経年劣化などによりモニター画素回路260が故障して、その画素が欠陥画素となるおそれがある。この第8の実施の形態の画素アレイ部240は、複数のモニター画素回路260を配置し、それらのいずれかを有効にする点において第7の実施の形態と異なる。

0106

第8の実施の形態の画素アレイ部240には、図13に例示した第2の実施の形態と同様に、複数のモニター画素回路260が配列される。

0107

図25は、本技術の第8の実施の形態におけるモニター画素回路260の回路図の一例である。この第8の実施の形態のモニター画素回路260は、抵抗261の代わりにトランジスタ267を備える点において第7の実施の形態と異なる。また、第8の実施の形態のモニター画素回路260は、トランジスタ264の代わりにスイッチ268および270とインバータ269とダイオード271とラッチ回路272とを備える点において第7の実施の形態と異なる。

0108

トランジスタ267として、例えば、P型のMOSトランジスタが用いられる。また、トランジスタ267のゲートには、ローレベルのバイアス電圧Vbが印加される。なお、トランジスタ267のオン抵抗は、特許請求の範囲に記載の抵抗の一例である。

0109

ラッチ回路272は、制御回路210からのイネーブル信号ENを保持するものである。イネーブル信号ENは、モニター画素回路260を有効または無効にするための信号である。例えば、有効にする場合にイネーブル信号ENにハイレベルが設定され、無効にする場合にローレベルが設定される。

0110

インバータ269は、ラッチ回路272に保持されたイネーブル信号ENを反転して反転信号としてスイッチ268に出力するものである。

0111

スイッチ268は、フォトダイオード262のカソードと接地端子との間の経路をインバータ269からの反転信号に従って開閉するものである。例えば、スイッチ268は、反転信号がハイレベルの場合に閉状態に移行し、ローレベルの場合に開状態に移行する。

0112

スイッチ270は、ラッチ回路272に保持されたイネーブル信号ENに従ってフォトダイオード262のカソードと、ダイオード271のカソードとの間の経路を開閉するものである。例えば、スイッチ270は、イネーブル信号ENがハイレベルの場合に閉状態に移行し、ローレベルの場合に開状態に移行する。ダイオード271のアノードは、遮光画素回路250に接続される。

0113

第8の実施の形態のコントローラ213は、イネーブル信号ENにより複数のモニター画素回路260のいずれかを選択して有効にし、残りを無効にする。有効なモニター画素回路260は、入射光により電位が降下するカソード電位Vsを遮光画素回路250に供給する。一方、無効なモニター画素回路260は、閉状態のスイッチ268からの放電によりフォトダイオード262がアバランシェ降伏せず、開状態のスイッチ270によりカソード電位Vsを出力しない。

0114

また、コントローラ213は、定期的に有効なモニター画素回路260を切り替える。例えば、垂直同期信号VSYNCの周期毎に、有効なモニター画素回路260を切り替える。無効なモニター画素回路260のフォトダイオード262はアバランシェ降伏しないため、定期的にいずれかのみを有効にすることにより、全てを常に有効にする場合と比較してフォトダイオード262の劣化を抑制することができる。

0115

このように、本技術の第8の実施の形態では、制御回路210が複数のモニター画素回路260のいずれかを有効にしてアノード電位VSPADを制御するため、それらの全てを有効にする場合と比較してフォトダイオード262の劣化を抑制することができる。

0116

<9.第9の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、遮光画素回路250がボトム電位Vbtmを検出していたが、図8に例示したようにボトム電位Vbtmの値には誤差が生じるおそれがある。この第9の実施の形態のモニター画素回路260は、可変コンデンサを追加してボトム電位Vbtmの誤差を軽減した点において第1の実施の形態と異なる。

0117

図26は、本技術の第9の実施の形態におけるモニター画素回路260の回路図の一例である。この第9の実施の形態のモニター画素回路260は、抵抗261の代わりにトランジスタ267を備え、可変コンデンサ273をさらに備える点において第1の実施の形態と異なる。

0118

トランジスタ267として、例えば、P型のMOSトランジスタが用いられる。また、トランジスタ267のゲートには、ローレベルのバイアス電圧Vbが印加される。なお、トランジスタ267のオン抵抗は、特許請求の範囲に記載の抵抗の一例である。

0119

可変コンデンサ273は、容量値可変のコンデンサである。この可変コンデンサ273の一端は、フォトダイオード262のカソードに接続され、他端は、接地端子に接続される。

0120

可変コンデンサ273は、遮光画素回路250内のコンデンサ253と並列に接続されるため、それらの合成容量は、コンデンサ253のみの場合よりも大きくなる。このため、可変コンデンサ273の追加によりボトム電位Vbtmの誤差を軽減することができる。この可変コンデンサ273の容量値は、測距前にユーザなどにより調節される。

0121

図27は、本技術の比較例および第9の実施の形態におけるボトム電位の一例を示すタイミングチャートである。同図におけるaは、可変コンデンサ273の無い比較例において検出されるボトム電位の一例を示すタイミングチャートである。同図におけるbは、第9の実施の形態において検出されるボトム電位の一例を示すタイミングチャートである。

0122

比較例では、遮光画素回路250により検出されたボトム電位Vbtmは、カソード電位Vsの実際の最小値(すなわち、真値)と一致せず、誤差が生じている。一方、第9の実施の形態では、ボトム電位Vbtmは、真値とほぼ一致し、誤差が軽減されている。

0123

このように、本技術の第9の実施の形態では、コンデンサ253と並列に可変コンデンサ273を接続したため、コンデンサ253のみの場合よりも回路の容量を増大させることができる。これにより、ボトム電位Vbtmの誤差を軽減することができる。

0124

<10.第10の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、遮光画素回路250がボトム電位Vbtmを検出していたが、図8に例示したようにボトム電位Vbtmの値には誤差が生じるおそれがある。この第10の実施の形態のモニター画素回路260は、リフレッシュパルス信号の印加によりボトム電位Vbtmの誤差を軽減した点において第1の実施の形態と異なる。

0125

図28は、本技術の第10の実施の形態におけるモニター画素回路260の回路図の一例である。この第10のモニター画素回路260は、トランジスタ274をさらに備える点において第1の実施の形態と異なる。

0126

トランジスタ274として、例えば、P型のMOSトランジスタが用いられる。トランジスタ274は、リフレッシュパルス信号REFに従って、抵抗261の両端を短絡するものである。

0127

図29は、本技術の第10の実施の形態における制御回路210の回路図の一例である。この第10の実施の形態の制御回路210は、リフレッシュパルス供給部219をさらに備える点において第1の実施の形態と異なる。

0128

リフレッシュパルス供給部219は、発光制御信号CLKpに同期してリフレッシュパルス信号REFをモニター画素回路260に供給するものである。

0129

図30は、本技術の第10の実施の形態における発光制御信号CLKp、リフレッシュパルス信号REFおよびボトム電位Vbtmの変動の一例を示すタイミングチャートである。

0130

発光制御信号CLKpの立上りのタイミングTpの直前のタイミングTrにおいて、リフレッシュパルス供給部219は、一定のパルス期間に亘ってローレベルのリフレッシュパルス信号REFを供給する。そのパルス期間以外は、リフレッシュパルス信号REFはハイレベルに設定される。ローレベルのリフレッシュパルス信号REFにより、ボトム電位Vbtmが電位VEまで上昇し、コンデンサ253が充電される。タイミングTr乃至Tpの期間の分、コンデンサ253の放電時間が短くなるため、その放電によるボトム電位Vbtmの変動量が小さくなり、ボトム電位Vbtmの誤差が軽減される。

0131

このように、本技術の第10の実施の形態では、制御回路210がリフレッシュパルス信号REFを供給してコンデンサ253を充電させるため、その分、コンデンサ253の放電時間を短くすることができる。これにより、ボトム電位Vbtmの誤差を軽減することができる。

0132

<11.第11の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、制御回路210は、ボトム電位Vbtmに応じてアノード電位VSPADを制御していたが、温度変化により、フォトダイオード262の感度が変動することがある。この感度の変動により、入射光の検出効率が低下するおそれがある。この第11の実施の形態の制御回路210は、温度に応じてアノード電位VSPADを制御する点において第1の実施の形態と異なる。

0133

図31は、本技術の第11の実施の形態における画素アレイ部240の平面図の一例である。この第11の実施の形態の画素アレイ部240は、モニター画素回路260が配列されていない点において第1の実施の形態と異なる。

0134

図32は、本技術の第11の実施の形態における制御回路210の一構成例を示すブロック図である。この第11の実施の形態の制御回路210は、コントローラ213、パワーIC214、比較部215、温度センサ220および逆バイアス設定値保持部221を備える。

0135

温度センサ220は、測距モジュール100内の温度を測定するものである。温度センサ220は、測定値を比較部215に供給する。比較部215は、測定値と所定の固定値とを比較し、比較結果を切替信号SWとしてコントローラ213に供給するものである。温度が固定値より高い場合に、例えば、切替信号SWにハイレベルが設定され、温度が固定値以下の場合にローレベルが設定される。

0136

逆バイアス設定値保持部221は、予め測定しておいたブレイクダウン電圧を設定値VBDとして保持するものである。

0137

コントローラ213は、温度と設定値VBDとに基づいて、パワーIC214が供給する電位を制御するものである。制御内容の詳細については後述する。パワーIC214は、コントローラ213の制御に従ってアノード電位VSPADを供給するものである。

0138

図33は、本技術の第11の実施の形態における温度とアノード電位との関係の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、測定された温度を示し、横軸は、アノード電位VSPADを示す。

0139

切替信号SWがハイレベルである(すなわち、温度が固定値より高い)場合に、コントローラ213は、次の式により目標値VLを設定し、パワーIC214に供給させる。
VL=VE−(VBD+dVH)
上式において、dVHは、温度が比較的高いときの超過バイアスである。

0140

一方、切替信号SWがローレベル(すなわち、温度が固定値以下)の場合に、コントローラ213は、次の式により目標値VHを設定し、パワーIC214に供給させる。
VH=VE−(VBD+dVL)
上式において、dVLは、温度が比較的低いときの超過バイアスであり、dVHよりも低い値が設定される。

0141

このように、本技術の第11の実施の形態では、制御回路210が、温度に応じてアノード電位VSPADを制御するため、温度変化によりフォトダイオード262の感度が変動しても、入射光の検出効率を維持することができる。

0142

<12.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。

0143

図34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。

0144

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34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。

0145

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。

0146

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。

0147

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。

0148

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。

0149

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。

0150

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。

0151

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。

0152

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。

0153

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34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。

0154

図35は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。

0155

図35では、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。

0156

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。

0157

なお、図35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。

0158

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。

0159

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。

0160

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。

0161

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。

0162

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、車外情報検出ユニット12030に適用され得る。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、誤カウント率が小さく、光子検出効率が十分に高くなる適切な値にアノード電位を制御して、正確な距離情報を取得することができる。

0163

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。

0164

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。

0165

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。

0166

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)入射光を光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、
前記抵抗に前記光電流が流れたときの前記カソードの電位が高いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路と
を具備する固体撮像素子。
(2)前記抵抗に前記光電流が流れたときの前記カソードの電位を検出して前記制御回路に供給する検出回路をさらに具備する
前記(1)記載の固体撮像素子。
(3)前記抵抗および前記フォトダイオードは、複数の画素回路のそれぞれに配置され、
前記複数の画素回路のそれぞれの前記カソードは、前記検出回路に共通に接続され、
前記検出回路は、前記抵抗に前記光電流が流れたときの前記カソードのそれぞれの電位のうち最小値を検出する
前記(2)記載の固体撮像素子。
(4)前記カソードに接続された可変コンデンサをさらに具備する
前記(2)または(3)に記載の固体撮像素子。
(5)リフレッシュパルス信号に従って前記抵抗の両端を短絡するトランジスタをさらに具備し、
前記制御回路は、前記入射光の入射の直前に前記リフレッシュパルス信号を前記トランジスタにさらに供給する
前記(2)から(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(6)前記抵抗の抵抗値は、前記カソードの電位が固定される値である
前記(1)記載の固体撮像素子。
(7)前記カソードの電位と所定電位とを比較して比較結果を出力するコンパレータをさらに具備し、
前記制御回路は、前記比較結果に基づいて前記カソードの電位が前記所定電位より高い場合に前記カソードの電位が前記所定電位に満たない場合よりも低い電位を前記アノードに供給する
前記(1)記載の固体撮像素子。
(8)前記制御回路は、所定の周期内において前記カソードの電位が所定の閾値よりも低くなった回数を計数して前記回数が所定回数に満たない場合には前記回数が前記所定回数より多い場合よりも低い電位を前記アノードに供給する
前記(1)記載の固体撮像素子。
(9)前記カソードの電位の信号を反転してパルス信号として出力するインバータをさらに具備し、
前記制御回路は、前記パルス信号のパルス幅が短いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する
前記(1)記載の固体撮像素子。
(10)前記抵抗の一端は、前記カソードに接続され、他端は所定電位の端子に接続され、
前記制御回路は、前記カソードの電位と前記所定電位との間の電圧を測定し、前記電圧が高いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する
前記(1)記載の固体撮像素子。
(11)前記抵抗および前記フォトダイオードは、複数の画素回路のそれぞれに配置され、
前記制御回路は、前記複数の画素回路のいずれかを有効に設定して当該設定した画素回路の前記カソードの電位と前記所定電位との間の電圧を測定する
前記(10)記載の固体撮像素子。
(12)入射光を光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、
温度を測定して前記温度が低いほど、低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路と
を具備する固体撮像素子。
(13)照射光を供給する発光部と、
前記照射光に対する反射光を光電変換して光電流を出力するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードのカソードに接続された抵抗と、
前記抵抗に前記光電流が流れたときの前記カソードの電位が高いほど低い電位を前記フォトダイオードのアノードに供給する制御回路と
を具備する電子装置。

0167

100 測距モジュール
110発光部
120同期制御部
200固体撮像素子
210制御回路
211、266コンパレータ
212補正ダイオード
213コントローラ
214パワーIC
215比較部
216カウンタ
217パルス幅検出部
218ADC
219リフレッシュパルス供給部
220温度センサ
221逆バイアス設定値保持部
230信号処理部
231 TDC
232距離データ生成部
240画素アレイ部
250遮光画素回路
251、261、265、281抵抗
252、271 ダイオード
253コンデンサ
260モニター画素回路
262、282フォトダイオード
263、269、283インバータ
264、267、274、284トランジスタ
268、270 スイッチ
272ラッチ回路
273可変コンデンサ
280 非モニター画素回路
12030車外情報検出ユニット

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