(57)【要約】  本明細書で提供する技法は、LIDARレシーバのセンサのアクティブ領域を変えることによって、LIDARトランスミッタ以外の光源からのノイズを低減する光センサを提供することを対象とする。光センサは、行選択および列選択トランジスタを有する単一光子アバランシェデバイス(SPAD: Single Photon Avalanche Device)の2次元アレイを含んでもよく、LIDARレシーバで検出される反射されたレーザー光の予測されるスポットサイズおよび角度に基づいて行および列が選択される。とりわけこれは、LIDARレシーバ内の可動部の必要性をなくす、または減らすことができる。
2019518200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサであって、
複数の行および複数の列を有する単一光子アバランシェデバイス(SPAD)のアレイ
を備え、
各SPADが、抵抗素子と、容量素子と、光検出素子とを有し、第1の入力と、第2の入力と、出力とをさらに備え、
前記複数の行の各行が、アクティブにされると、前記行における各SPADの前記第1の入力にバイアス電圧を受け取らせる、対応する行選択トランジスタを有し、
前記複数の行の各列が、前記列における各SPADの前記第2の入力と接続された、対応する列選択トランジスタを有し、
各列について、前記列における各SPADの前記出力が、その列のための列出力と接続される、
光センサ。
【請求項２】
各SPADの前記光検出素子が、アバランシェフォトダイオード(APD)を含む、請求項1に記載の光センサ。
【請求項３】
前記行選択トランジスタおよび列選択トランジスタが、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)を含む、請求項1に記載の光センサ。
【請求項４】
前記行選択トランジスタおよび列選択トランジスタが、電界効果トランジスタ(FET)を含む、請求項1に記載の光センサ。
【請求項５】
各SPADが、前記容量素子と前記SPADの前記出力との間に結合された抵抗器を備える、請求項1に記載の光センサ。
【請求項６】
各列出力が、トランスインピーダンスアンプの入力にさらに接続される、請求項1に記載の光センサ。
【請求項７】
複数の行および複数の列を有する単一光子アバランシェデバイス(SPAD)のアレイの一部分をアクティブにする方法であって、
前記複数の行のサブセットおよび前記複数の列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給することによって前記SPADのアレイの前記一部分をアクティブにするステップと、
前記SPADのアレイ中の前記複数の列の各々の出力を読み取るステップと
を含む、方法。
【請求項８】
各SPADが、アバランシェフォトダイオード(APD)を備える、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の行の前記サブセットおよび前記複数の列の前記サブセットで各SPADに前記バイアス電圧を供給するために、行選択バイポーラ接合トランジスタ(BJT)および列選択BJTを使用するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の行の前記サブセットおよび前記複数の列の前記サブセットで各SPADに前記バイアス電圧を供給するために、行選択電界効果トランジスタ(FET)および列選択FETを使用するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
【請求項１１】
各SPADが、容量素子と前記SPADの前記出力との間に結合された抵抗器を備える、請求項7に記載の方法。
【請求項１２】
前記SPADのアレイ中の前記複数の列の各々の前記出力を読み取るステップが、トランスインピーダンスアンプを用いて前記SPADのアレイ中の前記複数の列の各々の前記出力を増幅するステップを含む、請求項7に記載の方法。
【請求項１３】
行選択および列選択トランジスタをアクティブにすることによって前記複数の行の前記サブセットおよび前記複数の列の前記サブセットで各SPADに前記バイアス電圧を供給するために処理ユニットを使用するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
【請求項１４】
装置であって、
複数の行および複数の列の単一光子アバランシェデバイス(SPAD)を有するSPADのアレイの一部分を、前記複数の行のサブセットおよび前記複数の列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給することによって、アクティブにするための手段と、
前記SPADのアレイ中の前記複数の列の各々の出力を読み取るための手段と
を備える、装置。
【請求項１５】
各SPADが、アバランシェフォトダイオード(APD)を備える、請求項14に記載の装置。
【請求項１６】
SPADのアレイの前記一部分をアクティブにするための前記手段が、行選択バイポーラ接合トランジスタ(BJT)と、列選択BJTとを備える、請求項14に記載の装置。
【請求項１７】
SPADのアレイの前記一部分をアクティブにするための前記手段が、行選択電界効果トランジスタ(FET)と、列選択FETとを備える、請求項14に記載の装置。
【請求項１８】
各SPADが、容量手段と前記SPADの前記出力との間に結合された電気抵抗を与えるための手段を備える、請求項14に記載の装置。
【請求項１９】
前記SPADのアレイ中の前記複数の列の各々の前記出力を読み取るための前記手段が、前記SPADのアレイ中の前記複数の列の各々の前記出力を増幅するための手段をさらに備える、請求項14に記載の装置。
【請求項２０】
SPADのアレイの前記一部分をアクティブにするための前記手段が、行選択および列選択トランジスタをアクティブにすることによって、前記複数の行の前記サブセットおよび前記複数の列の前記サブセットで各SPADに前記バイアス電圧を供給するための処理手段を備える、請求項14に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＩＤＡＲレシーバのためのアクティブ領域選択に関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出と測距(LIDAR: Light Detection And Ranging)は、レーザー光をターゲットに照射し、反射されたレーザー光に対応するパルスを読み取ることによって距離を測定する測量技術である。LIDARは、しばしば地形のトポロジーを決定するために利用され、LIDARは、一般的に最新の車両において使用され、車両と周囲にある物体との距離を決定するのに役立つ。しかしながら、LIDARレシーバのセンサは非常に高感度であることがあるので、LIDARトランスミッタ以外の光源の光からのノイズの影響を受けやすい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本明細書で提供する技法は、LIDARレシーバのセンサのアクティブ領域を変えることによって、LIDARトランスミッタ以外の光源からのノイズを低減する光センサを提供することを対象とする。光センサは、行選択および列選択トランジスタを有する単一光子アバランシェデバイス(SPAD: Single Photon Avalanche Device)の2次元アレイを含んでもよく、LIDARレシーバで検出される反射されたレーザー光の予測されるスポットサイズおよび角度に基づいて行および列が選択される。とりわけこれは、LIDARレシーバ内の可動部の必要性をなくす、または減らすことができる。
【０００４】
本開示による例示的な光センサは、複数の行および複数の列を有するSPADのアレイを備える。各SPADが、抵抗素子と、容量素子と、光検出素子とを有し、第1の入力と、第2の入力と、出力とをさらに備える。複数の行の各行が、対応する行選択トランジスタを有してもよく、行選択トランジスタは、アクティブにされると、その行における各SPADの第1の入力にバイアス電圧を受け取らせる。複数の行の各列が、その列における各SPADの第2の入力と接続された対応する列選択トランジスタを有してもよい。各列について、列における各SPADの出力が、その列の列出力と接続されてもよい。
【０００５】
光センサの実施形態は、以下の特徴のうちの1つまたは複数を含むことができる。各SPADの光検出素子は、アバランシェフォトダイオード(APD)を含んでもよい。行選択トランジスタおよび列選択トランジスタは、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)を含んでもよい。行選択トランジスタおよび列選択トランジスタは、電界効果トランジスタ(FET)を含んでもよい。各SPADは、容量素子とSPADの出力との間に結合された抵抗器を備えてもよい。各列出力は、トランスインピーダンスアンプの入力にさらに接続されてもよい。
【０００６】
本開示による、複数の行および複数の列を有する単一光子アバランシェデバイス(SPAD)のアレイの一部分をアクティブにする例示的な方法は、複数の行のサブセットおよび複数の列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給することによってSPADのアレイの一部分をアクティブにするステップと、SPADのアレイ中の複数の列の各々の出力を読み取るステップとを含む。
【０００７】
方法は、以下の特徴のうちの1つまたは複数をさらに含んでもよい。各SPADは、アバランシェフォトダイオード(APD)を含んでもよい。方法はさらに、複数の行のサブセットおよび複数の列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給するために、行選択バイポーラ接合トランジスタ(BJT)および列選択BJTを使用するステップを含んでもよい。方法はさらに、複数の行のサブセットおよび複数の列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給するために、行選択電界効果トランジスタ(FET)および列選択FETを使用するステップを含んでもよい。各SPADは、容量素子とSPADの出力との間に結合された抵抗器を備えてもよい。SPADのアレイ中の複数の列の各々の出力を読み取るステップは、トランスインピーダンスアンプを用いてSPADのアレイ中の複数の列の各々の出力を増幅するステップを含んでもよい。方法はさらに、行選択および列選択トランジスタをアクティブにすることによって複数の行のサブセットおよび複数の列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給するために処理ユニットを使用するステップを含んでもよい。
【０００８】
本開示による例示的な装置は、複数の行および複数の列を有する単一光子アバランシェデバイス(SPAD)のアレイの一部分を、複数の行のサブセットおよび複数の列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給することによって、アクティブにするための手段と、SPADのアレイ中の複数の列の各々の出力を読み取るための手段とを備える。
【０００９】
装置はさらに、以下の特徴のうちの1つまたは複数を備えてもよい。各SPADは、アバランシェフォトダイオード(APD)を含んでもよい。SPADのアレイの一部分をアクティブにするための手段は、行選択バイポーラ接合トランジスタ(BJT)と、列選択BJTとを備えてもよい。SPADのアレイの一部分をアクティブにするための手段は、行選択電界効果トランジスタ(FET)と、列選択FETとを備えてもよい。各SPADは、容量手段とSPADの出力との間に結合された電気抵抗を与えるための手段を備えてもよい。SPADのアレイ中の複数の列の各々の出力を読み取るための手段はさらに、SPADのアレイ中の複数の列の各々の出力を増幅するための手段を備えてもよい。SPADのアレイの一部分をアクティブにするための手段は、行選択および列選択トランジスタをアクティブにすることによって、複数の行のサブセットおよび複数の列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給するための処理手段を備えてもよい。
【００１０】
以下の図を参照することによって様々な実施形態の性質および利点の理解を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態による、本明細書で説明する技法を利用できるLIDARシステムの簡略ブロック図である。
【図２】一実施形態によるシリコン光電子増倍管(SiPM)の簡略図である。
【図３】異なる実施形態によるSiPMの簡略図である。
【図４】一実施形態による単一光子アバランシェデバイス(SPAD)の概略図である。
【図５】いくつかの実施形態による、SiPMの一部分のアクティブ化を可能にするための方法400のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次の記載は、実施形態のみを提供し、本開示の範囲、適用可能性または構成を制限する意図はない。むしろ、実施形態の次の記載は、当業者に、実施形態を実装することを可能にする記載を提供することになる。要素の機能および配置には、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われる場合があることは理解されたい。
【００１３】
本開示は、一般的に、選択可能な領域および光検出と測距(LIDAR)レシーバが、より好ましい信号対雑音比を実現することを可能にすることに関係するが、実施形態はそのように限定されない。本明細書で提供される技法は、他の用途(たとえば、3Dおよび/または医療撮像)において、他の所望の結果を求めて利用できることは理解されよう。
【００１４】
LIDARは、レーザー光(たとえば、LIDARトランスミッタからの1つまたは複数のレーザービーム)をターゲットに照射し、反射されたレーザー光に対応するパルスを読み取ることによって距離を測定する測量技術である。LIDARは、しばしば地形のトポロジーを決定するために利用され、LIDARは、最新の車両において(たとえば、自動運転および/または他の機能を実施するために)一般的に使用され、車両と周囲にある物体との距離を決定するのに役立つ。いくつかの実装形態では、たとえば、パルスは、約300psとすることができる。
【００１５】
図1は、LIDARシステムの一実施形態の簡略ブロック図であり、LIDARシステムの基本機能を示す。図示のように、LIDARシステム100は、LIDARトランスミッタ130(レーザー135およびビームステアリング光学系133を含む)と、LIDARレシーバ120(フィルタリング光学系122、フォーカシング光学系124、およびセンサ126を含む)と、処理ユニット110とを備えることができる。LIDARシステム100の代替実施形態は、図1に示す構成要素に対する追加または代替の構成要素を含む場合があることは当業者には認識されよう。たとえば、構成要素は、所望の機能、製造会社、および/または他の要因に応じて、追加、削除、結合、または分離される場合がある。いくつかの実施形態では、たとえば、LIDARレシーバおよびLIDARトランスミッタは、別個の処理ユニットまたはそれの動作を制御する他の回路を有する場合がある。
【００１６】
一般に、LIDARシステム100の動作は、次のようになる。処理ユニット110により、レーザー135は、ビームステアリング光学系に供給されるレーザービーム137を生成する。ビームステアリング光学系133は、LIDARシステム100の視野(FOV)をスキャンする伝送レーザービーム140を作り出すために、(たとえば、リズレープリズムペア、微小電子機械システム(MEMS: Micro Electromechanical Systems)反射鏡、および/または他の手段を使用して)レーザービーム137の方向および/またはスポットサイズを調整する。(伝送レーザービーム140の方向は、ビームステアリング光学系133の軸からの角度170で測定されてもよいことに留意されたい。)軸は、任意に決定されてもよいこと、およびこのアイデアを2つ(またはそれより多い)次元で拡張するために複数の角度が使用されてもよいことにさらに留意されたい。そうする際に、伝送レーザービーム140は、FOV内の物体150で反射し、LIDARレシーバ120によって検出される反射レーザービーム160を作り出す。フィルタリング光学系122は、不要な光(たとえば、レーザー135によって生成された波長以外の光の波長)をフィルタで除去するために使用することができ、フォーカシング光学系124は、センサ126の光感知面に反射レーザービーム160を投影するために使用することができる。センサ126は、次いで、処理ユニット110に情報を提供することができ、情報により処理ユニット110は、物体の距離を決定することができる。ビームステアリング光学系133がLIDARシステム100のFOV全体をスキャンすると、反射されたレーザー光がLIDARレシーバによって受け取られ、処理ユニット110は、LIDARシステム100のFOV全体内の多くの物体の距離を決定することができる。
【００１７】
LIDARレシーバのセンサ126は、アバランシェフォトダイオード(APD)またはシリコン光電子増倍管などの高速センサを含んでもよい。LIDARトランスミッタ以外のソースからの光が光検出器に当たると、信号対雑音比(SNR)は低下する。たとえば、太陽からの光が、ショット雑音を作り出す。優れたSNRを求めて、フィルタリング光学系122およびフォーカシング光学系124は、LIDARトランスミッタから発せられた光をできるだけ多くセンサ126に入れ、他のソースからの光を最小限にするように設計することができる。
【００１８】
センサ126は、単一光子アバランシェデバイス(SPAD、本明細書では「SPADマイクロセル」または「SPADセル」とも呼ぶ)のアレイを含むシリコン光電子増倍管(SiPM)を含むことができ、単一光子が短い時間期間の間SPADをトリガすることができる。SPADがトリガされるときに、もはや光に反応しない場合がある。すなわち、光子がSPADによって検出されるとき、SPADは、飽和状態になり、SPADの容量素子が放電されるまでそこにとどまり、したがって(処理ユニット110などの下流の回路によって、たとえば、測定距離を決定するために測定される)出力においてスパイクを作り出す。SPADが小型に作成され、クエンチング抵抗器と一緒に接続される場合、SiPMの出力は、光検出器に到達する光と相関関係にある。本明細書で説明する実施形態はSPADを利用するが、他の実施形態は他の光子検出手段を利用する場合があることが諒解されよう。
【００１９】
SiPMが非常に高感度であることがあるので、センサ126は、雑音(すなわち、反射レーザービーム160以外の光)に影響を受けやすいことがある。またフィルタリング光学系122はこの雑音の量を減らすのに役立つが、それをなくすことはない。さらに、LIDARシステム100の近傍で他のLIDARシステムが動作している状況(複数の車両ベースのLIDARシステムが高密度トラフィックで使用中であるときなど)では、フィルタリング光学系122が、他のLIDARシステム100のLIDARトランスミッタから生成された光をフィルタで除去しない場合がある。
【００２０】
本明細書で提示する技法によれば、反射レーザービーム160によって照射されると予想されるセンサ126の一部分のみを選択的にアクティブにすることによって、SNRがさらに増加する場合がある。言い換えれば、ビームステアリング光学系133が、LIDARシステム100の動作中の所与の時間に伝送レーザービーム140の角度170およびスポットサイズを決定するので、LIDARシステム100は、反射レーザービーム160の予想される角度およびスポットサイズをさらに決定することができる。この情報を用いて、LIDARシステム100は次いで、センサ126のどのSPADが反射されたレーザー光によって照射される可能性があるかを決定することができる。したがって、本明細書で開示する技法によれば、センサ126のSNRは、そのアクティブ領域を位置とサイズの両方において動的に変えることができるSiPMを有するセンサ126を利用することによってさらに改善され得る。とりわけこれは、LIDARレシーバ内の可動部の必要性をなくす、または減らすことができる。
【００２１】
図2は、一実施形態によるSiPM200の簡略図である。上述のように、SiPM200は、図1のセンサ126に組み込まれてもよい。ここでは、SiPMは、SPADのアレイを含み、各SPAD210が、抵抗器、キャパシタ、フォトダイオードなどの、それぞれ抵抗素子、容量素子、および感光素子を備える。所望の機能に応じて変わる場合があるこれらの素子の一般的な値および/または他の特性は、当業者には認識されよう。いくつかの実施形態では、たとえば、キャパシタンスの値は、フェムトファラドレンジであってもよく、実装形態で使用される抵抗は、アレイ設計がどのように最適化されるかに応じて、広範な値にわたることがある。たとえば、いくつかの実施形態では、クエンチ抵抗器に抗するキャパシタンスのRC時定数は、10nS以下であってもよい。これらの実施形態では、図3の各キャパシタと直列の抵抗器は、0(たとえば、抵抗器が省かれる)から10nSよりも短いRC時定数を生み出す任意の値までのどこにあってもよい。他の実施形態は、この例の値より上および/または下の値を有してもよい。
【００２２】
アレイのサイズは所望の機能に応じて変わり得ることは理解されよう。すなわち、図2に示すSiPM200は25個のSPADしか示していないが、実施形態は、所望の機能に応じて、より多数のまたはより少数のSPADを有する場合がある。いくつかの実施形態は、たとえば、数百、数千、または数百万のSPAD、またはそれ以上を含む場合がある。いくつかの実施形態では、SiPM全体(および場合によっては図2に示す追加の回路の一部)は、単一の半導体ダイ上に実装されてもよい。図2に示す基本的レイアウトに様々な変更が行われ得ることは、当業者には諒解されよう。アレイはSiPM200として説明されるが、いくつかの実施形態は、シリコンに加えてまたはシリコンの代替として材料を利用する光電子増倍管アレイを利用する場合があることにさらに留意されたい。
【００２３】
この実施形態では、SiPM200は、複数の行選択トランジスタ220、ならびに列選択トランジスタ230を利用し、制御回路(マイクロプロセッサまたは他の処理回路など)が、これらのトランジスタをアクティブにすることによって、アレイ中のどのSPADを特定の瞬間に検知に使用するかを選択することを可能にする。言い換えれば、これらの行選択トランジスタ220および列選択トランジスタ230は、アクティブにされると、制御回路がSiPM200のあるサブセットを「アクティブにする」ことを可能にすることができる。所望の機能、製造会社、および/または他の要因に応じて、これらのトランジスタは、NPN、PNP、NチャネルもしくはPチャネルMOSFET、または他のタイプを含むことがある。概して、トランジスタのサイズは、そのトランジスタによって駆動される並列のすべてのクエンチ抵抗器よりも実質的に小さい、ドレインとソース間のオン抵抗(RDS(on))を有する十分に大きいものであるか、または、数ボルトを超える降下なしで、行もしくは列によって必要とされる最悪の場合の電流を駆動する十分に小さいものであってもよい。いくつかの実施形態では、定格電圧は、30V、または場合によってはそれ以上であってもよい。しかしながら、これは、使用される光検出器に応じて変わってもよい。
【００２４】
SPADおよびAPDはともに、バイアス電圧240によって設定されるバイアス電圧の量に反応する。センサの降伏電圧まで、SPADおよびAPDの利得は、光子当たり最大1電子であってもよい。センサの効率により、実際の感度は、実質的に光子当たり1電子未満である場合がある。しかし、バイアス電圧が降伏電圧およびそれ以上に上がるにつれて、APDおよびSPADの感度は上がる。(図2に示すように)カソードを行に接続し、アノードを列に接続したマトリックスにSiPM SPADマイクロセルを配列する場合、高利得を有するアクティブ領域を選択するために行および列にバイアス電圧を駆動することによって、高利得セルの領域が実現され得る。高い逆バイアスのない選択されないセルは、非常に低い利得を有し、(行および列選択トランジスタを使用して選択される)アクティブ領域は、20^5以上の利得を有する。複数の隣接する行および複数の隣接する列の選択によって、所望の正方形または長方形の領域を選択することができる。代替的に、いくつかの実施形態は、非矩形領域が選択され得るように変更されてもよい。
【００２５】
SPADセルのグループ分けは、列ごと、行ごと、または同じ行もしくは列に入るすべてのセルを考慮しないSPADセルの任意のグループ分けとすることができる。図2に示す構造(ならびに以下の図3の構造)は、SPADセルにおける駆動の極性が逆バイアスされる限り、アノードおよびカソードが交換される、または行および列が入れ替えられる場合、機能することに留意されたい。
【００２６】
各SPADからの信号レベルは、極めて高い場合がある。この値は、いくつのSPADセルが互いに接続されているかによって決まる。たとえば、単一のSPADセルは単独で、5Vを作り出す場合があるが、これが1000個の他のSPADセルと同じ列に互いに接続される場合、他のセルの搭載により、その電圧を5mVまで落とすことになる。他の実施形態は、所望の機能に応じて、より高いまたはより低い信号レベルを含んでもよい。いくつかの実施形態では、より小さいSPADのアレイの場合、容量結合したセル出力のすべてが、互いに結び付けられて、単一の出力を形成することがある。非バイアスSPADセルは、光子によってヒットされることへの最小応答を作り出し、バイアスされたセルは、光子当たりの電子に換算すると非常に高い利得を有することになる。アレイサイズが大きくなるにつれて、容量結合した出力は、マイクロセルのグループに分割され、接続されたセルの間での電圧分割により信号レベルが小さくなりすぎるのを防ぐために、マルチプレクサまたはピーク検出器に接続される必要がある場合がある。いくつかの実施形態によれば、スイッチのセットまたはマルチプレクサが使用される場合、それは図3では各行の出力に(増幅器の後に)あってもよい。代替実施形態は、各増幅器の前で行を接続してもよいが、アクティブセルからの信号は、セルの総数で分割される。極めて大きいアレイ(たとえば、数百のマイクロセルまたはそれ以上を有するアレイ)の場合、マイクロセルグループは、加算または多重化される前に増幅されることがある。これは、信号が増幅の前に弱くなりすぎることを防ぐことによって、信号対雑音比をさらに改善する。
【００２７】
図2では、結合回路(マルチプレクサおよび/または増幅器など)は示されていないが、所望の機能に応じて使用されてもよいことに留意されたい。SiPM200の列は各々が、SiPM200の出力を検出するために利用される出力(図2では「OUT」と標示される)を有する。結合回路が利用される場合、結合回路は、これらの列出力のうちの1つまたは複数を、図3に示す実施形態と同様の方法で結合することができる。
【００２８】
図3は、異なる実施形態によるSiPM300の簡略図である。ここでは、行選択トランジスタ320および列選択トランジスタ330は、電界効果トランジスタ(FET)である。他の実施形態は、追加または代替として、製造会社、所望の機能、および/または他の要因に応じて、他のタイプのトランジスタを含んでもよい。各SPADセル310は、図3のSPADセル310が他のSPADのキャパシタンスの影響を低減させるために追加の出力抵抗器素子を含むという点において、図2のSPADセル210とはわずかに異なる。より低い駆動強度の信号は、次いで、検出に回される前に、駆動強度を上げるためにトランスインピーダンスアンプ(TIA)350の層によって増幅される。TIA350に加えてまたはTIA350の代替として、広帯域増幅器が利用される場合があることに留意されたい。図2のSiPM200は、同様にTIA350を利用する場合があることにさらに留意されたい。
【００２９】
しかしながら、そのような出力抵抗素子は任意であることに留意すべきである。バイポーラ接合トランジスタ(BJT)および/またはFET(それぞれ図2および図3に示すものなど)を利用する実施形態は、所望の機能に応じて、そのような追加の抵抗素子を含む、または省く場合がある。そのような追加の抵抗素子の存在および/または値は、出力パルスがどのように成形されるかを決定することができる。そのような追加の抵抗素子を含むかどうか、およびそれらはどのような値であり得るかを決定する際に利用され得る係数は、当業者には諒解されよう。いくつかの実施形態では、これらの抵抗素子は、単に寄生抵抗素子であってもよい。
【００３０】
図2と同様に、実施形態は、所望の機能に応じて、図3に示すSiPM300に示すよりも多数のまたは少数のSPADを採用してもよい。同じく、実施形態は、たとえば、数百、数千、または数百万のSPAD(またはそれ以上)を含む場合がある。
【００３１】
すでに示したように、図2および図3においてそれぞれ利用されるバイアス電圧240および340は、(行および列選択トランジスタにより)アクティブにされるとき、SPADの感度を決定するように選択することができる。いくつかの実施形態では、これらのバイアス電圧は、動的であって、たとえば照明条件および/または他の要因に応じてSiPMが可変感度の出力を供給することを可能にしてもよい。SPADのバイアス電圧を調整して、感度を変えることができる。バイアスの値は、(アクティブでないセルを非バイアスにして)アクティブであるセルのすべてに対して同じものである可能性が高い。他の実施形態では、これらのバイアス電圧は、静的および/または工場出荷時設定であってもよい。
【００３２】
LIDAR適用において、アクティブな行および列は、レーザーが発光する1マイクロ秒以上前に選択することができる。すでに示したように、行選択トランジスタ220、320および列選択トランジスタ230、330をアクティブにするために使用される行および/または列選択信号は、LIDAR伝送回路と通信しているおよび/またはLIDAR伝送回路の制御である場合がある処理ユニットまたは他のロジック(たとえば、図1の処理ユニット110)によって生成することができる。したがって、処理ユニットまたは他のロジックは、LIDAR伝送回路がレーザービームを伝送する角度および/またはスポットサイズをわかる場合があり、わかっている角度および/またはスポットサイズに対応するSiPMにおけるSPADの行および列を選択することができる。LIDAR伝送回路がレーザービームを発光するとき、SiPMの対応するSPADをアクティブに(およびSPADの残りは非アクティブのままに)すると、これによりSiPMはより高いSNRを実現することができ、より正確なLIDAR機能がもたらされることになる。
【００３３】
図4は、一実施形態による単一のSPADの概略図である。ここでは、SPADは、電流制限またはバイアス/クエンチ抵抗器410と、高速容量構造体420と、任意の出力抵抗器430と、フォトダイオード440とを含む。上記のように、入力バイアス電圧は、光検出の感度を決定することができる。電流制限またはバイアス/クエンチ抵抗器410の値は、フォトダイオード440が光を検出するとき引き込まれる電流の量を制限するように決定することができる。容量構造体420および任意の出力(減結合)抵抗器430の値は、SPADの出力を結合および/または測定するために利用される回路の要件に基づいて既知の技法によって決定されてもよい。いくつかの実施形態によれば、SPADのすべての構成要素(ならびに実際にはSiPM全体および場合によってはTIAなどの支持回路)が、単一の半導体ダイ上に実装されてもよい。そのようなダイが、集積回路(IC)パッケージにパッケージ化され、より大きいLIDARまたは他の撮像デバイスにおいて利用されてもよい。
【００３４】
図5は、いくつかの実施形態による、SiPMの一部分のアクティブ化を可能にする方法500のフロー図である。代替実施形態は図5に示すものからの追加または代替の機能を利用する場合があることは理解されよう。
【００３５】
ブロック510において、複数の行および複数の列を有するSPADのアレイでは、行のサブセットおよび列のサブセットで各SPADにバイアス電圧を供給することによって、SPADのアレイの一部分がアクティブにされる。図2〜図3に示す実施形態で説明したように、バイアス電圧は、対応する行選択および/または列選択トランジスタをアクティブにすることによって各SPADの入力に供給されてもよい。いくつかの実施形態では、各SPADは、第1の入力、第2の入力、および出力と電気的に接続された抵抗素子、容量素子、および光検出素子を備え、複数の行の各行が、対応する行選択トランジスタを有し、行選択トランジスタがアクティブにされると、行における各SPADの第1の入力がバイアス電圧を受け取ることになり、複数の行の各列が、列における各SPADの第2の入力と接続された対応する列選択トランジスタを有し、各列について、列における各SPADの出力が、その列のための列出力と接続される。前述のように、そのようなトランジスタのアクティブ化は、トランジスタをアクティブにするための信号を生成するように構成された、処理ユニット(マイクロプロセッサなど)および/または他のロジックを用いて行うことができる。アクティブ化に選択される行および列は、反射されたレーザー光を受け取ると予想されるSPADに対応してもよい(この決定もまた、処理ユニットおよび/または他のロジックによって行われてもよい)。
【００３６】
ブロック520において、SPADのアレイの列の各々の出力が読み取られる。すでに示したように、これは、様々なタイプの回路のいずれかによって行われてもよい。いくつかの実施形態では、これらの出力が正確に読み取られることを保証するために、マルチプレクサが利用されて、ブロック510において選択されたSPADの列の出力のみを読み取るようにしてもよい。追加または代替として、これらの出力は、TIAおよび/または他のタイプの増幅器によって増幅されてもよい。いくつかの実施形態では、出力は、処理ユニット(図1の処理ユニット110など)および/または他の処理回路に供給されてもよい。
【００３７】
本明細書で説明する他の実施形態と同様に、図5に示す方法500は、所望の機能に応じて変わる場合がある。たとえば、ブロック510において利用されるトランジスタが、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)および/または電界効果トランジスタ(FET)を含んでもよい。各SPADが、SPADの出力と結合された出力抵抗器を含んでもよい。
【００３８】
特定の要件に従って、実質的な変更が行われ得ることは、当業者には明らかであろう。たとえば、カスタマイズされたハードウェアが使用される場合もあり、かつ/または、特定の要素は、ハードウェア、ソフトウェア(アプレットなどのポータブルソフトウェアを含む)、もしくは両方において実装される場合がある。さらに、ネットワーク入出力デバイスなどの他のコンピューティングデバイスへの接続が使用されてもよい。
【００３９】
添付図面を参照すると、メモリを含むことができる構成要素は、非一時的機械可読媒体を含むことができる。本明細書で使用する「機械可読媒体」および「コンピュータ可読媒体」という用語は、機械に特定の様式で動作させるデータを提供することに関与する任意の記憶媒体を指す。上記で提供した実施形態では、実行のために処理ユニットおよび/または他のデバイスに命令/コードを提供する際に、様々な機械可読媒体が含まれる場合がある。追加または代替として、機械可読媒体は、そのような命令/コードを記憶および/または携帯するために使用される場合がある。多くの実施形態では、コンピュータ可読媒体は、物理的および/または有形の記憶媒体である。そのような媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体、および送信媒体を含む多くの形態をとることができるが、これらに限定されない。コンピュータ可読媒体の通常の形としては、たとえば、磁気および/もしくは光学媒体、パンチカード、紙テープ、穴のパターンを有する任意の他の物理的媒体、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、以降で記載されるような搬送波、またはコンピュータが命令および/もしくはコードを読み取ることができる任意の他の媒体があげられる。
【００４０】
本明細書で説明した方法、システム、およびデバイスは、例である。様々な実施形態は、適宜、様々なプロシージャまたは構成要素を省略、代替、または追加することができる。たとえば、ある種の実施形態に関して記載された特徴を、様々な他の実施形態に組み合わせることができる。実施形態の異なる態様および要素は、同様にして組み合わされてもよい。本明細書に提供される図の様々な構成要素は、ハードウェアおよび/またはソフトウェアで具体化することができる。また、技術は進化し、したがって、要素の多くは、本開示の範囲をそれらの特定の例に限定しない例である。
【００４１】
主に一般的に使用するために、そのような信号を、ビット、情報、値、要素、シンボル、キャラクタ、変数、項、数、数値などと呼ぶのが、ときには好都合であることが証明されている。ただし、これらまたは同様の用語はすべて、適切な物理量に関連すべきものであり、便利なラベルにすぎないことを理解されたい。別段に明記されていない限り、上の検討から明らかなように、本明細書での検討の全体を通して、「処理する」、「算出する」、「計算する」、「決定する」、「確定する」、「識別する」、「関連付ける」、「測定する」、「実行する」などの用語を利用することは、専用コンピュータまたは同様の専用電子コンピューティングデバイスのような、特定の装置の動作または処理を指すことは理解されよう。したがって、本明細書の文脈においては、専用コンピュータまたは同様の専用電子コンピューティングデバイスは、専用コンピュータまたは同様の専用電子コンピューティングデバイスのメモリ、レジスタ、もしくは他の情報記憶デバイス、送信デバイス、または表示デバイス内の電子的な,電気的な、または磁気的な物理量として一般に表される信号を操作または変換することができる。
【００４２】
本明細書で使用する「および」および「または」という用語は、そのような用語が使用される文脈に、少なくとも部分的に依存することがやはり予想される、様々な意味を含む場合がある。通常、「または」は、A、BまたはCなどのリストを関連付けるために使用される場合、本明細書において包含的な意味で使用される場合の、A、B、およびC、ならびに本明細書において排他的な意味で使用される場合の、A、BまたはCを意味することが意図される。加えて、本明細書で使用する「1つまたは複数」という用語は、単数の任意の特徴、構造、もしくは特性について説明するために使用される場合があるか、または、特徴、構造もしくは特性の何らかの組合せについて説明するために使用される場合がある。しかしながら、これは例示的な例にすぎず、特許請求される主題がこの例に限定されないことに留意されたい。さらに、「のうちの少なくとも1つ」という用語は、A、B、またはCなどのリストを関連付けるために使用される場合、A、AB、AA、AAB、AABBCCCなどの、A、B、および/またはCの任意の組合せを意味するように解釈することができる。
【００４３】
いくつかの実施形態について説明したが、本開示の趣旨を逸脱することなく、様々な変更形態、代替構成、および等価物が使用される場合がある。たとえば、上記の要素は、単により大きいシステムの構成要素であってよく、他のルールが、本発明の適用例よりも優先するか、または本発明の適用例を別様に修正してよい。また、上記の要素が考慮される前、考慮される間、または考慮された後に、いくつかのステップに着手してもよい。したがって、上記の説明は本開示の範囲を限定しない。
【符号の説明】
【００４４】
100  LIDARシステム
110  処理ユニット
120  LIDARレシーバ
122  フィルタリング光学系
124  フォーカシング光学系
126  センサ
130  LIDARトランスミッタ
133  ビームステアリング光学系
135  レーザー
137  レーザービーム
140  伝送レーザービーム
150  物体
160  反射レーザービーム
200  シリコン光電子増倍管(SiPM)
210  単一光子アバランシェデバイス(SPAD)
220  行選択トランジスタ
230  列選択トランジスタ
240  バイアス電圧
320  行選択トランジスタ
330  列選択トランジスタ
340  バイアス電圧
350  トランスインピーダンスアンプ(TIA)
410  バイアス/クエンチ抵抗器
420  高速容量構造体
430  任意の出力抵抗器
440  フォトダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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