(57)【要約】  光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置は、光信号を放出するパルス光源と、入射する複数の光子の到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力する単一光子検出器を備える検出器アレイと、それぞれの検出信号を受信する処理回路とを備える。処理回路は、光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたり、異なるそれぞれの遅延で、単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成された充電回路と、互いに対する所定相関時間内にある到達時間を有する光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を出力するように構成された相関器回路と、それぞれの相関信号又は検出信号に基づいてカウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路と積算時間値を発生させるように構成された時間積算器回路とを備える時間処理回路とのうちの１つ以上を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、
光信号を放出するように構成されたパルス光源と、
入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイであって、前記光子は、前記パルス光源からの前記光信号に対応する波長を有する信号光子と、少なくとも１つの他の光源に対応する波長を有する背景光子とを含む、検出器アレイと、
前記単一光子検出器から出力される前記それぞれの検出信号を受信するように構成された処理回路であって、
それぞれのストローブ信号に応じて、前記光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたり、前記パルスに関して異なるそれぞれの遅延で、前記単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成された充電回路と、
それぞれの到達時間が前記光子のうちの少なくとも１つの他の光子の到達時間に対して所定相関時間内にある前記光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を出力するように構成された相関器回路と、
前記それぞれの相関信号又は検出信号に応答してカウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路と、基準タイミング信号に対する前記それぞれの相関信号又は検出信号によって示される前記それぞれの到達時間に基づいて積算時間値を発生させるように構成された時間積算器回路とを備える時間処理回路と
のうちの１つ以上を備えており、
前記カウント値に対する前記積算時間値の比は、前記光子の平均到達時間を示すものである、処理回路と
を備えてなる、ＬＩＤＡＲ装置。
【請求項２】
前記検出器アレイに入射する前記光子を透過させるように配置された波長可変光フィルタ素子であって、前記パルス光源から出力される前記光信号のスペクトル、前記パルス光源の温度及び／又は前記波長可変光フィルタ素子の温度に基づいて変化するように構成されている透過帯域を有する、波長可変光フィルタ素子を更に備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項３】
前記処理回路は、
前記信号光子及び前記背景光子を含む前記複数の光子の前記それぞれの到達時間を示す前記検出信号の第１のサブセットに応答して出力値を提供するように構成されている第１のチャネルと、
前記背景光子の前記それぞれの到達時間を示す前記検出信号の第２のサブセットに応答して参照値を提供するように構成されている第２のチャネルと、
前記出力値と前記参照値との関係に基づいて前記光子の前記平均到達時間の推定値を計算するように構成されている制御回路と
を更に備える、請求項１又は２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項４】
前記処理回路は、前記検出器アレイとともに同じチップ又はパッケージ内に集積されており、任意選択的に、前記単一光子検出器は単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）である、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項５】
前記それぞれのストローブ信号を発生させ、及び／又は前記光子の前記平均到達時間の推定値を計算するように構成されている制御回路を更に備え、
任意選択的に、前記制御回路は、前記検出器アレイとともに同じチップ又はパッケージ内に集積されている、請求項４に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項６】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスであって、
入射する光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイであって、前記光子は、パルス光源から出力される光信号に対応する波長を有する信号光子を含む、検出器アレイと、
それぞれのストローブ信号に応じて、前記光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたり、前記パルスに関して異なるそれぞれの遅延で、前記単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成されている充電回路を備える処理回路と
を備えてなる、ＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項７】
前記それぞれのストローブ窓の持続時間は異なる、請求項６に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項８】
前記光信号の前記パルスの間の時間は距離範囲に対応し、前記それぞれのストローブ窓の前記持続時間は、前記距離範囲の部分範囲に従って異なり、
任意選択的に、前記ＬＩＤＡＲ測定デバイスに対する前記距離範囲の相対的に近い部分範囲に対応する前記それぞれのストローブ窓の前記持続時間は、前記ＬＩＤＡＲ測定デバイスに対する前記距離範囲の相対的に遠い部分範囲に対応する前記それぞれのストローブ窓の前記持続時間より長い、請求項７に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項９】
前記充電回路は、前記検出器アレイにおける前記単一光子検出器の前記サブセットの相対位置に基づいて、前記それぞれのストローブ信号に応答して前記それぞれのストローブ窓にわたり前記単一光子検出器の前記サブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成されており、
任意選択的に、前記相対位置は、異なる方位角及び高度に対応する、請求項６〜８のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１０】
前記充電回路は、前記それぞれのストローブ信号に応答して、前記それぞれのストローブ窓の前記持続時間を動的に調整するように構成され、
任意選択的に、前記それぞれのストローブ窓に対応する前記部分範囲の境界部を変更するように、又は先行する検出信号によって示されるターゲットの明度に基づいて調整するように構成されている、請求項６〜８のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１１】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスであって、
入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイであって、前記光子は、発光源から出力される光信号に対応する波長を有する信号光子と、少なくとも１つの他の光源に対応する波長を有する背景光子とを含む、検出器アレイと、
前記単一光子検出器から出力される前記それぞれの検出信号を受信するように構成された処理回路であって、
前記それぞれの検出信号に応答してカウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路と、基準タイミング信号に対する前記それぞれの検出信号によって示される前記それぞれの到達時間に基づいて積算時間値を発生させるように構成された時間積算器回路とを備える時間処理回路を備えており、
前記カウント値に対する前記積算時間値の比は、前記光子の平均到達時間を示すものである、処理回路と
を備えてなる、ＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１２】
前記処理回路は、
それぞれのストローブ信号に応答して、前記光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたり、前記パルスに関して異なるそれぞれの遅延で、前記単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成されている充電回路を更に備える、請求項１１に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１３】
前記処理回路は、
前記それぞれの検出信号を受信し、前記光子のうちの少なくとも１つの他の光子の到達時間に対して所定相関時間内のそれぞれの到達時間を有する前記光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を出力するように構成されている相関器回路を更に備え、
前記カウンタ回路は、前記相関信号に対応する前記それぞれの検出信号のサブセットに応答して前記カウント値をインクリメントするように構成され、前記時間積算器回路は、前記相関信号に対応する前記それぞれの検出信号の前記サブセットによって示される前記それぞれの到達時間を積算するように構成されている、請求項１１又は１２に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１４】
前記検出器アレイに入射する前記光子を透過させるように配置された波長可変光フィルタ素子であって、前記透過した光信号のスペクトル及び／又は前記発光源の温度に基づいて変化するように構成されている透過帯域を有する、波長可変光フィルタ素子を更に備える、請求項１１又は１２に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１５】
前記時間処理回路は、前記信号光子及び前記背景光子を含む前記複数の光子の前記それぞれの到達時間を示す前記検出信号の第１のサブセットに応答して前記カウント値及び前記積算時間値を提供するように構成されている第１のチャネルと、前記背景光子の前記それぞれの到達時間を示す前記検出信号の第２のサブセットに応答して参照カウント値及び参照積算時間値を提供するように構成されている第２のチャネルとを備え、
前記積算時間値と前記参照積算時間値との関係、及び前記カウント値と前記参照カウント値との関係に基づき、前記光子の前記平均到達時間の推定値を計算するように構成されている制御回路を更に備える、請求項１１又は１２に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１６】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスであって、
入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイと、
前記単一光子検出器から出力される前記それぞれの検出信号を受信するように構成された処理回路であって、
それぞれの到達時間が前記光子のうちの少なくとも１つの他の光子の到達時間に対して所定相関時間内にある前記光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を出力するように構成されている相関器回路を備える、処理回路と
を備えてなる、ＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１７】
前記相関器回路は、任意選択的に１つ以上のヒストグラムで前記それぞれの到達時間を記憶することなく、前記検出信号に基づいて前記それぞれの到達時間を示す記憶されたデータとは無関係に前記相関信号を出力するように構成されている、請求項１６に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１８】
前記所定相関時間は、前記光子のうちの前記１つ以上に対する前記それぞれの到達時間を示す前記それぞれの検出信号の立上りエッジに対するものであり、
任意選択的に、前記所定相関時間は、パルス光源から出力される光信号のパルス幅に対応する、請求項１６に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項１９】
前記相関器回路は、
前記所定相関時間だけ前記それぞれの検出信号を遅延させ、前記所定相関時間に対応するパルス幅を有するそれぞれのパルス信号を出力するように構成されているそれぞれのバッファ素子と、
前記それぞれのパルス信号のうちの少なくとも２つの前記パルス幅が時間的にオーバーラップするときに前記相関信号を出力するように構成されている論理回路と
を備える、請求項１６に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２０】
前記処理回路は、
前記相関信号の各々に応答してカウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路と、前記相関信号に対応する前記それぞれの到達時間に基づいて基準タイミング信号に対する積算時間値を発生させるように構成された時間積算器回路とを備える時間処理回路を更に備え、
前記カウント値に対する前記積算時間値の比は、前記光子の推定された平均到達時間を示し、
任意選択的に、前記処理回路は、前記相関器回路をバイパスし、所定閾値に対する前記それぞれの検出信号に基づいて前記時間処理回路に前記それぞれの検出信号を提供するように構成されている、請求項１６に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２１】
前記時間処理回路は、前記相関信号に応答して前記カウント値及び前記積算時間値を提供するように構成されている第１のチャネルと、それぞれの到達時間が互いに対する前記所定相関時間外である光子に対応するそれぞれの検出信号に応答して、参照カウント値及び参照積算時間値を提供するように構成されている第２のチャネルとを備え、
任意選択的に、前記相関器回路は、それぞれの到達時間が互いに対する前記所定相関時間外である光子に対応する前記それぞれの検出信号が閾値未満であるとき、前記所定相関時間を増大又は低減させるように構成されている、請求項２０に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２２】
前記処理回路は、
それぞれのストローブ信号に応じて、パルス光源から出力される光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたって、前記パルスに関して異なるそれぞれの遅延で、前記単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成されている充電回路を更に備える、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２３】
前記検出器アレイに入射する前記光子を透過させるように配置された波長可変光フィルタ素子であって、パルス光源から出力される光信号のスペクトル及び／又は前記パルス光源の温度に基づいて変化するように構成されている透過帯域を有する、波長可変光フィルタ素子を更に備える、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２４】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスであって、
波長可変光フィルタ素子であって、発光源から出力される光信号のスペクトル、前記発光源の温度及び／又は該波長可変光フィルタ素子の温度に基づいて変化するように構成されている透過帯域を有する、波長可変光フィルタ素子と、
前記波長可変光フィルタ素子を透過した出力光を受光するように配置された検出器アレイであって、入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている、検出器アレイと
を備えてなる、ＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２５】
基準角度に対する前記波長可変光フィルタ素子の傾斜角度を変更するように構成されている少なくとも１つのアクチュエータを更に備え、前記傾斜角度は、所定角度範囲にわたって連続的に可変であり、又は複数の不連続の傾斜角度の間で可変であり、前記透過帯域は、前記傾斜角度に基づいて変化するように構成されている、請求項２４に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２６】
前記波長可変光フィルタ素子のそれぞれの領域においてそれぞれのインピーダンスを測定するように構成されたインピーダンス測定回路と、
前記インピーダンス測定回路に結合され、かつ前記それぞれのインピーダンスに基づいて前記傾斜角度を変更するように前記少なくとも１つのアクチュエータを制御するように構成されている駆動回路と
を更に備える、請求項２５に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２７】
前記波長可変光フィルタ素子の温度が、前記発光源の前記温度によって変化するように構成されており、
任意選択的に、前記波長可変光フィルタ素子は、前記発光源に熱的に結合され、前記発光源と実質的に同じ基板を備え、前記発光源のスペクトル温度係数と実質的に同様のスペクトル温度係数を有するより多くの材料のうちの１つから構成され、及び／又は、温度制御ハウジング内に含まれる、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２８】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスであって、
入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイであって、前記光子は、発光源の光出力に対応する波長を有する信号光子と、少なくとも１つの他の光源に対応する波長を有する背景光子とを含む、検出器アレイと、
前記単一光子検出器から出力される前記それぞれの検出信号を受信するように構成された処理回路であって、
前記信号光子及び前記背景光子を含む前記複数の光子の前記それぞれの到達時間を示す前記検出信号の第１のサブセットに応答して出力値を提供するように構成されている第１のチャネルと、
前記信号光子なしに前記背景光子の前記それぞれの到達時間を示す前記検出信号の第２のサブセットに応答して参照値を提供するように構成されている第２のチャネルと
を備えており、
前記出力値と前記参照値との関係に基づいて前記光子の平均到達時間の推定値を計算するように構成されている制御回路を更に備える、処理回路と
を備えてなる、ＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項２９】
前記制御回路は、前記検出信号の前記第１のサブセット及び前記第２のサブセットを提供するように、前記検出器アレイの前記単一光子検出器のうちの１つ以上を逐次動作させるように構成されており、
任意選択的に、前記制御回路は、前記発光源のディアクティベーションと協働して前記第２のサブセットを提供するように前記単一光子検出器のうちの１つ以上を逐次動作させるように構成されている、請求項２８に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項３０】
前記制御回路は、前記第１のサブセットと同時に前記第２のサブセットを提供するように前記検出器アレイの１つ以上の単一光子検出器を動作させるように構成されており、前記単一光子検出器のうちの１つ以上は、その上に、該単一光子検出器のうちの該１つ以上への前記信号光子の通過を阻止するように構成されている透過帯域を有する光フィルタを備える、請求項２８に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【請求項３１】
前記処理回路は、
前記それぞれの検出信号を受光し、それぞれの到達時間が前記光子のうちの少なくとも１つの光子に対して所定相関時間内にある前記光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を、前記第１のサブセットとして出力するように構成されている相関器回路を更に備え、
任意選択的に、前記相関器回路は、前記検出信号の前記第２のサブセットが、前記少なくとも１つの他の光源からの光が閾値未満であることを示すとき、前記所定相関時間を増大又は低減させるように構成されている、請求項２８〜３０のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書における主題は、包括的には、３Ｄイメージングに関し、より具体的には、３Ｄイメージング用のＬＩＤＡＲ（光検出及び測距（Light Detection And Ranging）、本明細書では「ＬＩＤＡＲ」とも称する）システムに関する。
【０００２】
［優先権の主張］
本出願は、「Methods and Systems for High-resolution Long-range Flash Lidar」と題する、それぞれ２０１８年２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／６３０，０７９号、２０１８年３月１日に出願された同第６２／６３７，１２８号、２０１８年４月９日に出願された同第６２／６５５，０００号、及び２０１８年６月１４日に出願された同第６２／６８４，８２２号からの優先権を主張し、それらの開示内容は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【０００３】
３Ｄイメージングシステムは、マイクロ波放射（例えば、１ｍｍ〜１００ｃｍの波長範囲）に依存する場合があるレーダベースのシステム、及び光帯域（例えば、１００ナノメートル（ｎｍ）〜１ミリメートル（ｍｍ）の波長範囲）の電磁放射に依存する場合がある光学システムとして分類することができる。光学３Ｄイメージングシステムは、（視差効果に依存する場合がある）ステレオベースのシステムと、（ドップラ効果に依存する場合がある）干渉計イメージングシステムと、飛行時間（ＴＯＦ）システムとに分類することができる。
【０００４】
ＴＯＦ  ３Ｄイメージングシステムは、間接ＴＯＦシステム又は直接ＴＯＦシステムとして分類することができる。間接ＴＯＦシステムの一例は、送信された振幅変調光信号と受信された振幅変調光信号との間の位相遅延を測定することができるフォトニックミキサデバイス（ＰＭＤ：Photonic Mixer Device）である。ターゲットまでの距離ｄは、
【数１】
2021513087.tif 000003
として計算することができる（本明細書では、ｄ及びＲは同義で用いる）。位相は、ロックインピクセルと称される疑似ＣＣＤ（電荷結合素子）ピクセル内構成を使用して検出することができ、そこでは、光生成電荷は複数の（例えば、４つの）ウェルの間で分配され、各々、変調サイクルの１／４だけ遅延し、変調サイクルの半分だけ続く。収集された信号の位相シフトは、各１／４サイクルウェルに収集された電荷から抽出することができる。いくつかのＰＭＤの達成可能な最大距離分解能は、
【数２】
2021513087.tif 000004
として表すことができ、式中、ｃは光の速度であり、ｆｍｏｄは変調周波数であり、Ｂは、Ｂ＝Ａｓｉｇ＋ＢＧ（第１項は信号電子の数であり、第２項は積算時間における背景電子の数である）に等しいオフセットであり、ｃｄｅｍｏｄは復調コントラストである。
【０００５】
ＰＭＤデバイスにはいくつかの欠点がある可能性がある。例えば、ＰＭＤは、通常、非ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）デバイスを使用し、したがって、ＣＭＯＳイメージセンサ等のいくつかの一般的なＣＭＯＳデバイスより高価である可能性がある。ＰＭＤデバイスの別の欠点は、距離と距離分解能とのトレードオフに関連する可能性がある。例えば、４つの別個のかつ電気的に隔離されたタップが使用される場合、各ピクセルに必要なシリコン領域が増大し、それにより、チップ上のピクセルの最大数が減少する（その領域は、通常、半導体製造業者のフォトリソグラフィラインにおけるレチクルフィールドサイズによって制約される）とともにピクセル毎の実効価格が低下する。最大距離は、測定することができる最大位相（２πである）によって決まる可能性がある。最大距離を増大させるために、周波数を低下させる場合がある。一方、距離分解能は位相誤差によって制約される可能性があり、位相誤差は、エミッタと検出器との間の他の振幅及び位相ノイズに加えて、エミッタによるかつ４つの検出器タップにおけるノイズによる完全な正弦波変調からの逸脱によって決まる可能性がある。したがって、光パルスが横切る所与の距離に対して位相遅延を増大させるか又は最大化するために、より高い変調周波数が使用される場合がある。変調周波数が高くなると、より高価なエミッタドライバ、より高速のフレームレート検出器とともに、より高い感度が必要となる可能性があり、その理由は、周波数が高いほど、４つの位相の各々がより短い時間にわたる可能性があり、そのため、積算に対して利用可能な光が少なくなる可能性があり、信号対雑音比が低下する可能性がある。検出器の出力における信号が、タップの間の位相差が最小である可能性がある距離になる長距離のより低反射率のターゲットに対して最低である可能性があり、一方で、最大信号は、タップの間の位相差が最大である可能性がある距離になる短距離のより高反射率のターゲットで発生する可能性があるということにより、ダイナミックレンジの問題が悪化する可能性がある。さらに、直射日光がＰＭＤ検出器の性能を妨げる可能性がある。いくつかのデバイスでは、検出器に背景除去（background subtraction：背景差分）機能が統合されている場合があるが、タップの各々の飽和容量は、最低変調周波数（最長積算）での直射日光に起因する光子束に依然として対応しなければならず、この蓄積された電荷が付随するポワソンノイズにより、特に遠くの弱い反射に対して信号対雑音比が低下する可能性がある。
【０００６】
上述した欠点のうちのいくつかに対処する１つの方法は、周波数すなわちトーンを切り換えることによる。しかしながら、こうした切換えは、リフレッシュレートを事実上低下させる可能性があり、（自律走行車等の用途に望ましい場合があるような）何百メートルもの距離を達成するのに、通常、非常に細かい位相制御での非常に低い周波数が必要であるため、効果が限られる可能性がある。さらに、ダイナミックレンジの問題は、長距離で、かつ特に直射日光がある場合に深刻となる可能性がある。
【０００７】
ＴＯＦ  ３Ｄイメージャの他のカテゴリは直接ＴＯＦシステムであり、この直接ＴＯＦシステムは、光信号がターゲットに達しかつセンサに戻るのにかかる時間（すなわち、光信号の放出とセンサにおける反射光信号の到達の検出／時点との間の時間）を測定することにより、ターゲットまでの距離を測定する。ストローブ式直接ＴＯＦカメラは、通常、照明のために周期的なパルス光源を使用し、検出のためにＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサを使用する。イメージセンサは、光源に対する可変遅延で短い時間窓の間アクティベートされ（又は「ストローブされ」）、したがって、各フレームにおいて特定の距離からの反射信号のみを捕獲する。各収集画像は、その時間（及び距離）窓における全ての光子からの積算信号を含む。個々の光子の到達時間に関するいかなる情報も収集されない可能性がある。こうしたデバイスは、高速ストローブカメラを設計するために標準ＣＭＯＳプロセス技術を使用することができるが、それらの有効リフレッシュレート（ＲＲ）は、低速である可能性があり、ＲＲ＝（距離分解能／最大距離）×（１／フレーム時間）によって表される場合がある。したがって、１つの例では、許容可能な信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する信号を積算するために３３ミリ秒（ｍｓ）が必要であり、かつ２００ｍの最大距離及び５ｃｍの距離分解能が望ましい場合、リフレッシュレートは０．００７５フレーム／秒であり、これは通常許容不可能である。読出しノイズに起因して、積算時間を任意に短くすることができないことに留意されたい。
【０００８】
非ストローブ式直接ＴＯＦ  ３Ｄイメージングシステムは、限定されないが、単一素子走査システム（single-element scanning system）、リニアアレイ走査又は回転システム、及びステアリング（staring）Ｌｉｄａｒ又はフラッシュＬｉｄａｒシステムを含む、複数の検出素子を使用することができる。例えばビームステアリング(steering)に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を利用する単一素子走査システムは、通常、ビームが最も遠いターゲットから信号を取得するために必要なラウンドトリップ時間によって制約される。例えば、最大検出可能ターゲットが２００ｍ離れている場合、システムは、１つの方向へのパルスの送信と次の方向へのパルスの送信との間、１．３μ秒待機する場合があり、そうでなければ、その発信パルスに関する信号を受信するときに曖昧さがある可能性がある。これは、こうしたシステムの分解能及びリフレッシュレートに制限を加える可能性がある。例えば、２００ｍの最大距離で１２０度×３０度の視野を横切って０．１×０．１平方度の分解能が望まれる場合、システムのリフレッシュレートは２．１フレーム／秒となり、これは、通常、（非画像化領域があるか又は解像度が低下する可能性があるショートカットがとられない限り）多くの用途に対して低速すぎる。こうしたアレイの別のあり得る問題は、ＭＥＭＳミラーの位置ずれの可能性であり、これにより、視野率が不完全及び／又は不正確となる可能性がある。
【０００９】
Ｌｉｄａｒ用のリニアアレイは、ｐｉｎダイオード及びアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）ベースのアレイ等、サブガイガーモード（Sub-Geiger-mode）ダイオードアレイを使用する場合がある。各々の物理的動作は異なる（ｐｉｎダイオードは、時間分解能を犠牲にして量子効率を向上させるために広い空乏領域を使用する可能性があり、一方、ＡＰＤは、ノイズ増幅を犠牲にして利得を提供するために高い電界を使用する可能性がある）が、３Ｄイメージングシステムに関するそれらの動作は類似している。ｐｉｎダイオード及びＡＰＤは、本明細書では、全体として「フォトダイオード」と称するものとする。
【００１０】
こうしたフォトダイオードを利用するＬｉｄａｒシステムは、周期的なパルス光を放出することにより動作することができる。光子は、フォトダイオードにおいて、吸収され、ＡＰＤの場合は増幅され、光子の数におよそ線形に関連する可能性がある電流を発生させることができる。この線形性は、ｐｉｎダイオードでは十分に維持することができるが、応答は、ＡＰＤの高利得動作時、線形から逸脱する可能性がある。フォトダイオードの光電流を測定することにより、弱信号を測定することができ、これらのデバイスは電荷を積算しないため、それらのノイズ及び統計的ショットノイズを低く維持することができる限り、原理的には高い周囲光で動作することができる。アクティブ照明及びスペクトルフィルタリングと併せて、これにより、周囲光イメージングを可能にすることができる。さらに、発生した光電流のアナログ波形を処理することにより、多重反射を区別し識別することができる。
【００１１】
フォトダイオードの直接出力は、フォトダイオードの時間的応答及びその出力インピーダンスと畳み込み積分された時間変化する光子束に対応するアナログ電流である。小さい信号対背景比に対応するべきであるため、電流のデジタル化は、通常、検知接合部の非常に近くで発生する可能性がある。アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）は、所望の高いダイナミックレンジ及び非常に細かい分解能に対応するために比較的多数のビットを必要とする可能性がある。アレイに冗長性がない場合、すなわち、全てのピクセルが反射信号（又は「エコー」）を同時に記録する可能性がある場合、各ピクセルに１つのＡＤＣが割り当てられる可能性がある。これにより、ダイ面積が大きくなる可能性があり、そのため、多ピクセル２次元アレイの大規模集積化が小さいアレイに限定される可能性がある。さらに、高利得での動作により、デバイスの帯域幅が制限される可能性がある。
【００１２】
フォトダイオードの制限された時間分解能（例えば、或る特定のＡＰＤの場合は１０ナノ秒立上り）は、エコーの立上りエッジの正確な到達時間をサンプリングすることが、比較的大きい誤差を含む可能性があることを意味する可能性がある。これにより、センサの深さ分解能が制限される可能性があり、それにより、比較的低い空間分解能の低距離分解能システムとなる可能性がある。
【００１３】
いくつかのＬｉｄａｒシステムでは、ガイガーモードアバランシェダイオードが使用される場合がある。ガイガーモードアバランシェダイオードは、それらの降伏電圧を超えて逆バイアスがかけられるｐｎダイオードである。単一光子がアバランシェを引き起こす可能性があり、アバランシェは、その時点でバイナリイベント（そのアナログ情報が含まれる）として読み出すことができるため、これらのデバイスは、読出しノイズを受ける可能性はなく、したがって、高い時間分解能での高速な取得に適している可能性がある。信頼性の高い動作を提供し、ガイガーモードアバランシェダイオードの出力をサンプリングするために、適切な回路を設計することができる。
【００１４】
イメージングシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）ピクセルアレイ構成では、ガイガーモードアバランシェダイオードは、マイクロセルのクラスタとして編成することができ、ピクセルにおけるアバランシェの数は、１回の検出サイクルにおける検出された光子の数を計数するために使用することができ、適切なタイミング測定回路を使用して、光の放出パルスの時点等、基準時点に対するこれらのアバランシェの時点を検出することができる。これらのデバイスには複数の欠点がある可能性がある。例えば、所与のレーザサイクルに対して検出することができる光子の最大数は、ピクセルにおけるマイクロセルの数によって制限される可能性がある。したがって、電気又は光クロストークを低減させるか又は防止するために、ダイオードが電気的に隔離される場合、分解能が高いことにより面積が大きくなり、それにより、オンチップアレイにおけるピクセルの数が制限される可能性がある。さらに、アバランシェの数に対するピクセルの応答性は非線形である可能性があり、その結果、ダイナミックレンジが制限されるか又は大きい光子束においてより誤差が多くなる可能性がある。各光子の到達時間を記録する必要がある場合、多数のアナログデジタル計算が実施される可能性があり、その結果、チップ上の面積使用率が高くなり電流消費量が高くなる可能性がある。ダイオードの静電容量が共有される場合、ガイガーモードダイオードにおける相関するノイズ源であり、したがってノイズの原因である、アフターパルスが増加する可能性がある。したがって、イメージングＳｉＰＭアレイは、一般に、１×１６ＳｉＰＭ等、低ピクセル数アレイで使用される可能性がある。より細かい分解能が必要とされる場合、軸の周囲で１つ以上のアレイを回転させる必要がある場合があり、それにより、システムがより大型かつ高価になる。
【００１５】
ガイガーモードアバランシェフォトダイオードの別の構成は、時間相関単一光子計数法（ＴＣＳＰＣ：Time-Correlated Single-Photon Counting）構成におけるＳＰＡＤ（単一光子アバランシェ検出器（single photon avalanche detector））アレイである。例えば、図２６に示すように、コントローラが、レーザ等のパルス光源にトリガを送信し、それに応じて、パルス光源は、時点ｔ０でパルスを送信する。同時に、時間デジタル変換器（ＴＤＣ）又はそのアレイが、様々な方法を使用して、時点ｔ０で時間の測定を開始する。ターゲット（複数の場合もある）から反射される光子のうちの一部（本明細書では、エコー信号又は「エコー」とも称する）が、ＳＰＡＤアレイにおいて、受信時に１つ以上のアバランシェをトリガすることができる（図２６において、それぞれ時点ｔ１及びｔ２において検出される２つのエコーに関して示す）。各アバランシェは、そのＴＤＣを停止させ、レーザトリガとアバランシェの検出との間で経過した時間に対応するデジタル値が出力され、メモリに記憶される。通常、各ピクセルにおける光子の到達時間の統計的分布が生成され、そこから、画像化されるターゲットの３Ｄ位置を推断することができる（図２６において、エコー信号の到達時間ｔ１及びｔ２に基づいて物体１及び物体２として示す）。同様の「リバーススタート−ストップ（Reverse Start-Stop）」法が、アバランシェが検知されると時間測定を開始し、次のレーザトリガ時に時間測定を終了することができ、これにより、アバランシェが比較的まばらである場合に電力を節約することができる。
【００１６】
いくつかの従来の構成では、アレイにおけるＳＰＡＤは、エミッタパルスの発射に相関する時点でＳＰＡＤをその降伏電圧を超えてプリチャージすることによってストローブすることができる。ＳＰＡＤにおいて光子が吸収される場合、それがアバランシェ降伏をトリガすることができる。このイベントが、時間デジタル変換器における時間測定をトリガすることができ、それにより、時間デジタル変換器は、検出された光子の到達時間に対応するデジタル値を出力することができる。アバランシェは、周囲光により、ダイオード内の熱放射により、捕捉された電荷が解放されること（アフターパルス）により、及び／又はトンネリングを介してトリガされる可能性があるため、単一の到達時間はほとんど情報を伝えない。さらに、ＳＰＡＤデバイスは、それらの応答に固有のジッタを有する可能性がある。統計的デジタル処理は、通常、３Ｄ  ＳＰＡＤベースの直接ＴＯＦイメージャにおいて実施される。
【００１７】
こうした３Ｄ  ＳＰＡＤベースの直接ＴＯＦイメージャにおけるデータスループットは、通常高い。通常の取得は、背景ノイズ、信号レベル、検出器ジッタ及び／又は必要なタイミング精度に応じて、何十〜何万もの光子検出を必要とする可能性がある。到達時間（ＴＯＡ）をデジタル化するために必要なビットの数は、距離分解能に対する距離の比によって決まる可能性がある。例えば、２００ｍの距離と５ｃｍの距離分解能とを有するＬＩＤＡＲは、１２ビットを必要とする可能性がある。点群において３Ｄ点を決定するために５００回の取得が必要とされる場合、５００回の時間デジタル変換を実施することが必要である可能性があり、処理のために６キロビットを記憶する必要がある可能性がある。０．１×０．１度の分解能と１２０度（水平）×３０度（垂直）の範囲を有するＬＩＤＡＲシステム例の場合、イメージングサイクル毎に３６００００回の取得が実施される可能性がある。これには、１億８０００万回のＴＤＣ動作と２．１６ギガビットのデータとが必要である可能性がある。いくつかの用途（例えば、自律走行車）に対する通常のリフレッシュレートは、３０フレーム／秒であり得る。したがって、通常の目標性能仕様を達成するＳＰＡＤベースのＬＩＤＡＲは、６４．８ギガビットの情報を移動させかつ記憶し、１秒あたり３６００００×３０＝１０８０万個のヒストグラムを処理して、１秒あたり５４億回のＴＤＣ動作が必要である可能性がある。
【００１８】
こうした天文学的な処理要件に加えて、光子到達時間の直接デジタル化を使用するアーキテクチャは、自律走行車用等、移動体用途と適合性のない可能性がある面積及び電力要件を有する可能性がある。例えば、ＴＤＣが各ピクセルに統合される場合、例えば、ピクセルのフィルファクタが低いことに起因して、大きいダイが１６０×１２８ピクセルにしか適合しない可能性がある（面積の大部分が制御回路及びＴＤＣによって占有される）。ＴＤＣ及び付随する回路が提供するビットの数は、限られている可能性がある。
【００１９】
いくつかの既存のＳＰＡＤアレイの別の欠点は、ＳＰＡＤは、一旦放電すると、そのサイクルの残りは放電したままである、すなわち「受信不可(blind）」のままであるということである。直射日光は、通常、１００ｋルクスとされる。１つの例では、９４０ｎｍでは、直接ビーム太陽放射照度は０．３３Ｗ／ｍ２／ｎｍである。９４０ｎｍでは、光子エネルギーは２．１×１０−１９Ｊであり、そのため、１ｎｍ帯域で１秒あたり１ｍ２につき０．３３／２．１×１０−１９＝１．６×１０１８個の光子が突き当たる。通常のＬＩＤＡＲフィルタは、およそ２０ｎｍの通過帯域を有する可能性がある。１０μｍ径のＳＰＡＤの場合、これは、１秒あたり３．２×１０９個の光子となる。光は、２ｍ×２００ｍを横切るために４００／３×１０８＝１．３μｓかかる。この時間中、平均して３．２×１０９×１．３×１０−６＝４１６０個の光子がＳＰＡＤに突き当たることになる。第１の光子がアバランシェを引き起こすとすぐに、そのＳＰＡＤはディアクティベートされる。したがって、これらの条件下では、いくつかのＳＰＡＤ  ３Ｄカメラは直射日光で動作可能ではない可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
高い周囲光条件に対処する１つの方法は、時空間相関器を実施する。１つの例では、４ピクセルを使用して、周囲光ではなくパルス源に帰する可能性がある相関イベントをデジタルで検出することができる。精密及び粗のＴＤＣを使用して、１ピクセルあたり最大４つのＳＰＡＤの到達時間をデジタル化することができ、結果は、ＳＰＡＤ毎に１６ビットピクセル内メモリに記憶することができる。それらの結果は、ソフトウェアで処理されるようにチップからオフロードすることができる。ソフトウェアは、１フレーム毎に１ピクセルにつき到達時間のヒストグラムを形成するように同時に発生する到達を選択することができる。ヒストグラムを処理して、点群における単一点を提供することができる。この方式により、一般のイメージャに対して面積及び処理電力が４倍になる可能性がある。４つの相関する到達を使用することにより、このシステム例は、検出器において単一パルスが４つの検出光子を提供する可能性があるため、エミッタ出力、最大ターゲット距離及び／又はターゲット反射率に制限を加える可能性がある。さらに、回路に必要な面積により、可能なピクセルの数が限られる可能性があり、それは、ダイ全体の面積の非常にわずかな部分を含む可能性がある。したがって、この方式を使用して高分解能イメージャを実施することは困難であるか又は不可能である可能性がある。例えば、２×１９２ピクセルアレイを処理するデータスループットは３２０メガビット／秒である可能性があり、そのため、これらの２×１９２ピクセルをステアリングＬＩＤＡＲシステムに対して上述した３６００００ピクセルにスケーリングすることは現実的ではない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本開示のいくつかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置は、光信号を放出するように構成されたパルス光源と、入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイであって、光子は、パルス光源からの光信号に対応する波長を有する信号光子と、少なくとも１つの他の光源（例えば、周囲光）に対応する波長を有する背景光子とを含む、検出器アレイと、単一光子検出器から出力されるそれぞれの検出信号を受信するように構成された処理回路とを備える。処理回路は、それぞれのストローブ信号に応じて、光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたり、パルスに関して異なるそれぞれの遅延で、単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成された充電回路と、それぞれの到達時間が光子のうちの少なくとも１つの他の光子の到達時間に対して所定相関時間内にある光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を出力するように構成された相関器回路と、それぞれの相関信号又は検出信号に応答してカウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路と、基準タイミング信号に対するそれぞれの相関信号又は検出信号によって示されるそれぞれの到達時間に基づいて積算時間値を発生させるように構成された時間積算器回路とを備える時間処理回路とのうちの１つ以上を備え、カウント値に対する積算時間値の比は、光子の平均到達時間を示す。
【００２２】
いくつかの実施の形態では、波長可変光フィルタ素子は、検出器アレイに入射する光子を通過又は透過させるように配置することができる。波長可変光フィルタ素子は、パルス光源から出力される光信号のスペクトル及び／又はパルス光源の温度に基づいて変化するように構成されている透過帯域を有することができる。
【００２３】
いくつかの実施の形態では、処理回路は、信号光子及び背景光子を含む複数の光子のそれぞれの到達時間を示す検出信号の第１のサブセットに応答して出力値を提供するように構成されている第１のチャネルと、信号光子ではなく背景光子のそれぞれの到達時間を示す検出信号の第２のサブセットに応答して参照値を提供するように構成されている第２のチャネルと、出力値と参照値との数学的関係に基づいて光子の平均到達時間の推定値を計算するように構成されている制御回路とを更に備えることができる。
【００２４】
いくつかの実施の形態では、処理回路は、検出器アレイとともにオンチップで集積することができる。
【００２５】
いくつかの実施の形態では、単一光子検出器は、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）とすることができる。
【００２６】
いくつかの実施の形態では、制御回路は、それぞれのストローブ信号を発生させ及び／又は光子の平均到達時間を計算するように構成することができる。
【００２７】
いくつかの実施の形態では、制御回路は、検出器アレイとともにオンチップで集積することができる。
【００２８】
本開示のいくつかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスは、入射する光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイであって、光子は、パルス光源から出力される光信号に対応する波長を有する信号光子を含む、検出器アレイと、それぞれのストローブ信号に応じて、光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたり、パルスに関して異なるそれぞれの遅延で、単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成されている充電回路を備える処理回路とを備える。
【００２９】
いくつかの実施の形態では、それぞれのストローブ窓の持続時間は同じとすることができる。
【００３０】
いくつかの実施の形態では、それぞれのストローブ窓の持続時間は異なるものとすることができる。
【００３１】
いくつかの実施の形態では、光信号のパルスの間の時間は距離範囲に対応することができ、それぞれのストローブ窓の持続時間は、距離範囲の部分範囲に従って異なるものとすることができる。
【００３２】
いくつかの実施の形態では、距離範囲の相対的に近い部分範囲に対応するそれぞれのストローブ窓の持続時間は、距離範囲の相対的に遠い部分範囲に対応するそれぞれのストローブ窓の持続時間より長いものとすることができる。
【００３３】
いくつかの実施の形態では、充電回路は、検出器アレイにおける単一光子検出器のサブセットの相対位置に基づいて、それぞれのストローブ信号に応答してそれぞれのストローブ窓にわたって、単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成することができる。
【００３４】
いくつかの実施の形態では、相対位置は、検出器アレイの向きに対する動作環境の異なる方位角及び高度に対応することができる。
【００３５】
いくつかの実施の形態では、充電回路は、それぞれのストローブ信号に応答してそれぞれのストローブ窓の持続時間を動的に調整するように構成することができる。
【００３６】
いくつかの実施の形態では、充電回路は、それぞれのストローブ窓に対応する部分範囲の境界部を変更するように、又は先行する検出信号によって示されるターゲットの明度に基づいて、それぞれのストローブ信号に応答して、それぞれのストローブ窓の持続時間を動的に調整するように構成することができる。
【００３７】
本開示のいくつかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスは、入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイであって、光子は、発光源から出力される光信号に対応する波長を有する信号光子と、少なくとも１つの他の光源に対応する波長を有する背景光子とを含む、検出器アレイと、単一光子検出器から出力されるそれぞれの検出信号を受信するように構成された処理回路とを備える。処理回路は、それぞれの検出信号に応答してカウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路と、基準タイミング信号に対するそれぞれの検出信号によって示されるそれぞれの到達時間に基づいて積算時間値を発生させるように構成された時間積算器回路とを備える時間処理回路を備え、カウント値に対する積算時間値の比は、光子の平均到達時間を示す。
【００３８】
いくつかの実施の形態では、処理回路は、それぞれのストローブ信号に応答して、光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたり、パルスに関して異なるそれぞれの遅延で、単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成されている充電回路を更に備えることができる。
【００３９】
いくつかの実施の形態では、処理回路は、それぞれの検出信号を受信し、光子のうちの少なくとも１つの他の光子の到達時間に対して所定相関時間内のそれぞれの到達時間を有する光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を出力するように構成されている相関器回路を更に備えることができる。カウンタ回路は、相関信号を含むそれぞれの検出信号のサブセットに応答してカウント値をインクリメントするように構成することができ、時間積算器回路は、相関信号を含むそれぞれの検出信号のサブセットによって示されるそれぞれの到達時間を積算するように構成することができる。
【００４０】
いくつかの実施の形態では、波長可変光フィルタ素子は、検出器アレイに入射する光子を出力するように配置することができる。波長可変光フィルタ素子は、光信号のスペクトル及び／又は発光源の温度に基づいて変化するように構成されている透過帯域を有することができる。
【００４１】
いくつかの実施の形態では、時間処理回路は、信号光子及び背景光子を含む複数の光子のそれぞれの到達時間を示す検出信号の第１のサブセットに応答してカウント値及び積算時間値を提供するように構成されている第１のチャネルと、信号光子ではなく背景光子のそれぞれの到達時間を示す検出信号の第２のサブセットに応答して参照カウント値及び参照積算時間値を提供するように構成されている第２のチャネルとを備えることができる。制御回路は、積算時間値と参照積算時間値との関係、及びカウント値と参照カウント値との関係に基づき、光子の平均到達時間の推定値を計算するように構成することができる。
【００４２】
いくつかの実施の形態では、カウンタ回路は、それぞれの検出信号の各々に応答して電荷を蓄積し、カウント値に対応する電圧を出力するように構成された計数コンデンサを備えることができ、及び／又は、時間積算器回路は、それぞれの検出信号に応答して電荷を蓄積し、積算時間値に対応する電圧を出力するように構成された積算コンデンサを備えることができる。
【００４３】
本開示のいくつかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスは、入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器を備える検出器アレイと、単一光子検出器から出力されるそれぞれの検出信号を受信するように構成された処理回路とを備える。処理回路は、それぞれの到達時間が光子のうちの少なくとも１つの他の光子の到達時間に対して所定相関時間内にある光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を出力するように構成されている相関器回路を備える。
【００４４】
いくつかの実施の形態では、相関器回路は、いくつかの実施形態では、検出信号に基づいてそれぞれの到達時間を示す記憶されたデータとは無関係に、相関信号を出力するように構成することができる。
【００４５】
いくつかの実施の形態では、相関器回路は、１つ以上のヒストグラムでそれぞれの到達時間を記憶することなく、相関信号を出力するように構成することができる。
【００４６】
いくつかの実施の形態では、所定相関時間は、光子のうちの１つ以上に対するそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号の立上りエッジに対するものとすることができる。
【００４７】
いくつかの実施の形態では、所定相関時間は、パルス光源から出力される光信号のパルス幅に対応することができる。
【００４８】
いくつかの実施の形態では、相関器回路は、所定相関時間だけそれぞれの検出信号を遅延させ、所定相関時間に対応するパルス幅を有するそれぞれのパルス信号を出力するように構成されているそれぞれのバッファ素子と、それぞれのパルス信号のうちの少なくとも２つのパルス幅が時間的にオーバーラップするときに相関信号を出力するように構成されている論理回路とを備えることができる。
【００４９】
いくつかの実施の形態では、処理回路は、相関信号の各々に応答してカウント値をインクリメントするように構成されたカウンタ回路と、相関信号に対応するそれぞれの到達時間に基づいて積算時間値を発生させるように構成された時間積算器回路とを備える時間処理回路を更に備えることができ、カウント値に対する積算時間値の比は、光子の推定された平均到達時間を示す。
【００５０】
いくつかの実施の形態では、処理回路は、相関器回路をバイパスし、所定閾値に対するそれぞれの検出信号に基づいて時間処理回路にそれぞれの検出信号を提供するように構成することができる。
【００５１】
いくつかの実施の形態では、時間処理回路は、相関信号に応答してカウント値及び積算時間値を提供するように構成されている第１のチャネルと、それぞれの到達時間が互いに対する所定相関時間外である光子に対応するそれぞれの検出信号に応答して、参照カウント値及び参照積算時間値を提供するように構成されている第２のチャネルとを備えることができる。
【００５２】
いくつかの実施の形態では、相関器回路は、それぞれの到達時間が互いに対する所定相関時間外である光子に対応するそれぞれの検出信号が閾値未満であるとき、所定相関時間を増大又は低減させるように構成することができる。
【００５３】
いくつかの実施の形態では、処理回路は、それぞれのストローブ信号に応じて、パルス光源から出力される光信号のパルスの間のそれぞれのストローブ窓にわたって、パルスに関して異なるそれぞれの遅延で、単一光子検出器のサブセットをアクティベート及びディアクティベートするように構成されている充電回路を更に備えることができる。
【００５４】
いくつかの実施の形態では、波長可変光フィルタ素子は、検出器アレイに入射する光子を出力するように配置することができ、波長可変光フィルタ素子は、パルス光源から出力される光信号のスペクトル及び／又はパルス光源の温度に基づいて変化するように構成されている透過帯域を有する。
【００５５】
本開示のいくつかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスは、波長可変光フィルタ素子であって、発光源から出力される光信号のスペクトル及び／又は発光源の温度に基づいて変化するように構成されている透過帯域を有する波長可変光フィルタ素子と、波長可変光フィルタを透過した出力信号を受光するように配置された検出器アレイであって、入射する複数の光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている検出器アレイとを備える。
【００５６】
いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのアクチュエータは、基準角度（例えば、入射する光の入射角）に対する波長可変光フィルタ素子の傾斜角度を変更するように構成することができる。傾斜角度は、所定角度範囲にわたって連続的に可変とすることができ、又は複数の不連続の傾斜角度の間で可変とすることができ、透過帯域は、傾斜角度に基づいて変化することができる。
【００５７】
いくつかの実施の形態では、インピーダンス測定回路は、波長可変光フィルタ素子のそれぞれの領域においてそれぞれのインピーダンスを測定するように構成することができ、駆動回路は、インピーダンス測定回路に結合され、かつそれぞれのインピーダンスに基づいて傾斜角度を変更するように少なくとも１つのアクチュエータを制御するように構成することができる。
【００５８】
いくつかの実施の形態では、波長可変光フィルタ素子の温度は、発光源の温度によって変化するように構成することができる。
【００５９】
いくつかの実施の形態では、波長可変光フィルタ素子は、発光源に熱的に結合することができ、発光源と同じ材料を含み、及び／又は温度制御ハウジング内に含まれる。
【００６０】
本開示のいくつかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）測定デバイスは、入射する光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成された検出器アレイであって、光子は、発光源の光出力に対応する波長を有する信号光子と、少なくとも１つの他の光源に対応する波長を有する背景光子とを含む、検出器アレイと、単一光子検出器から出力されるそれぞれの検出信号を受信するように構成された処理回路とを備える。処理回路は、信号光子及び背景光子を含む複数の光子のそれぞれの到達時間を示す検出信号の第１のサブセットに応答して出力値を提供するように構成されている第１のチャネルと、信号光子なしに背景光子のそれぞれの到達時間を示す検出信号の第２のサブセットに応答して参照値を提供するように構成されている第２のチャネルとを備える。制御回路は、出力値と参照値との数学的関係に基づいて光子の平均到達時間の推定値を計算するように構成されている。
【００６１】
いくつかの実施の形態では、制御回路は、検出信号の第１のサブセット及び第２のサブセットを提供するように、検出器アレイの１つ以上の単一光子検出器を逐次動作させるように構成することができる。
【００６２】
いくつかの実施の形態では、制御回路は、発光源のディアクティベーションと協働して第２のサブセットを提供するように単一光子検出器のうちの１つ以上を逐次動作させるように構成することができる。
【００６３】
いくつかの実施の形態では、制御回路は、第１のサブセットと並行して第２のサブセットを提供するように検出器アレイの１つ以上の単一光子検出器を動作させるように構成することができる。単一光子検出器のうちの１つ以上は、その上に、単一光子検出器のうちの１つ以上への信号光子の通過を阻止するように構成されている透過帯域を有する光フィルタを備えることができる。
【００６４】
いくつかの実施の形態では、処理回路は、それぞれの検出信号を受光し、それぞれの到達時間が互いに対して所定相関時間内にある光子のうちの１つ以上の検出を表すそれぞれの相関信号を、第１のサブセットとして出力するように構成されている相関器回路を更に備えることができる。
【００６５】
いくつかの実施の形態では、相関器回路は、検出信号の第２のサブセットが、少なくとも１つの他の光源からの光が閾値未満であることを示すとき、所定相関時間を増大又は低減させるように構成することができる。
【００６６】
いくつかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）イメージングデバイスは、入射する光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を出力するように構成されている単一光子検出器（例えば、ＳＰＡＤ）のアレイと、単一光子検出器のアレイに集積された赤外線検出器及び／又はＣＭＯＳイメージセンサのアレイとを備える。
【００６７】
いくつかの実施の形態では、単一光子検出器は、同心円配置を有することができ（例えば、中心ダイオードが１つ以上のリング状ダイオードによって包囲されている）、１つ以上の電気接続部を共有することができ、又は、それら自体の電気接続部を有することができる。
【００６８】
いくつかの実施の形態では、単一光子検出器は、積層配置を有することができ（例えば、１つ以上のダイオードが第１のダイオードの下に配置されている）、１つ以上の電気接続部を共有することができ、又は、それら自体の電気接続部を有することができる。
【００６９】
いくつかの実施の形態では、アレイの単一光子検出器の電荷分布及び高速充電を可能にするように、イメージングデバイスの上に（例えば、アレイが積層されている同じ基板の上に）コンデンサのアレイを設けることができる。
【００７０】
いくつかの実施形態による他のデバイス、装置及び／又は方法は、以下の図面及び詳細な説明を検討することで当業者には明らかとなるであろう。全てのそのような追加の実施形態も、上記実施形態のありとあらゆる組合せに加えて、この説明内に含まれるとともに本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途における飛行時間測定システム又は回路のコンポーネント例を示すブロック図である。
【図２】本明細書に記載する更なる実施形態によるＬＩＤＡＲ用途における飛行時間測定システム又は回路のコンポーネント例を示すブロック図である。
【図３】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途において波長可変光フィルタを備えるイメージングシステムのコンポーネント例を示すブロック図である。
【図４Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途で使用することができる波長可変光フィルタの特徴を示すグラフである。
【図４Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途で使用することができる波長可変光フィルタの特徴を示すグラフである。
【図４Ｃ】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途で使用することができる波長可変光フィルタの特徴を示すグラフである。
【図４Ｄ】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途で使用することができる波長可変光フィルタの特徴を示すグラフである。
【図５Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、ＳＰＡＤベースの３Ｄイメージングシステムと実施することができる関連する動作とを示す図である。
【図５Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、ＳＰＡＤベースの３Ｄイメージングシステムと実施することができる関連する動作とを示す図である。
【図５Ｃ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、ＳＰＡＤベースの３Ｄイメージングシステムと実施することができる関連する動作とを示す図である。
【図６】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるピクセル内データ削減の動作を示すブロック図である。
【図７】本明細書に記載するいくつかの実施形態による画像フレーム、サブフレーム、レーザサイクル及びストローブ窓の間の関係を示す図である。
【図８Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による距離ストローブの例を示す図である。
【図８Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による距離ストローブの例を示す図である。
【図９】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ測定デバイス例を示すブロック図である。
【図１０】本明細書に記載するいくつかの実施形態による計数回路例を示すブロック図である。
【図１１Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による時間処理回路の例を示すブロック図である。
【図１１Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による時間処理回路の例を示すブロック図である。
【図１２Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による複数の検出器素子を備える検出器ピクセル例を示す平面図である。
【図１２Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による複数の検出器素子を備える検出器ピクセル例を示す断面図である。
【図１３】本明細書に記載する更なる実施形態による複数の検出器素子を備える検出器ピクセル例の断面図である。
【図１４】本明細書に記載するいくつかの実施形態による飽和制御回路例を示すブロック図である。
【図１５】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるパルス時間相関器（ＰＴＣ）回路例を示すブロック図である。
【図１６Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による図１５のＰＴＣ回路の動作例を示すタイミング図である。
【図１６Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による図１５のＰＴＣ回路の動作例を示すタイミング図である。
【図１６Ｃ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による図１５のＰＴＣ回路の動作例を示すタイミング図である。
【図１７】本明細書に記載するいくつかの実施形態による検出器サブアレイ例を示すブロック図である。
【図１８Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途で使用することができる波長可変光フィルタの特徴を示すグラフである。
【図１８Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による集積された可視ＴＯＦ−ＩＲイメージセンサデバイス例を示すブロック図である。
【図１９】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるアナログ時間処理回路例を示すブロック図である。
【図２０Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による信号光子と背景光子とを識別する動作例を示す図である。
【図２０Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による信号光子と背景光子とを識別する動作例を示す図である。
【図２１】本明細書に記載するいくつかの実施形態による信号光子と背景光子とを識別する動作例におけるノイズの影響を示すグラフである。
【図２２】本明細書に記載するいくつかの実施形態による相関器回路の動作例を示すブロック図である。
【図２３】本明細書に記載するいくつかの実施形態による背景光子補正動作のための二重ピクセル素子例を示すブロック図である。
【図２４Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による２つのサブフレームにわたる可能性がある検出された光子の分布を補正する位相シフトの動作を示すグラフである。
【図２４Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による２つのサブフレームにわたる可能性がある検出された光子の分布を補正する位相シフトの動作を示すグラフである。
【図２５Ａ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による波長可変光フィルタ構成の例を示すブロック図である。
【図２５Ｂ】本明細書に記載するいくつかの実施形態による波長可変光フィルタ構成の例を示すブロック図である。
【図２６】本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲシステム及び測定回路とともに使用することができるＳＰＡＤの動作原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
本開示の実施形態は、測定され及び／又はデータとしてメモリに記憶される入来光子の量を低減させるように構成される、光ベースの距離測定システム（ＬＩＤＡＲ等）及び関連する動作方法に関する。本明細書に記載するいくつかの実施形態は、１つ以上のエミッタ素子（面発光又は端面発光レーザダイオード等の半導体レーザを含む、本明細書では概してエミッタと称する）と、１つ以上の光検出器素子（アバランシェフォトダイオード及び単一光子アバランシェ検出器を含む、フォトダイオード等の半導体光検出器を含む、本明細書では概して検出器と称する）とを備えるＬＩＤＡＲシステムを提供する電子回路を備える、方法、システム及びデバイスを提供する。いくつかの実施形態では、光子は、互いに対するそれらのそれぞれの到達時間の間の時間相関に基づいて、検出器によって選択的に捕獲又は検出され、これにより、測定及び処理される入来光子の量を低減させることができる。例えば、パルスレーザからでありかつターゲットによって反射された光子は、比較的狭い時間窓で到達する可能性があるという認識に基づき、本明細書に記載する実施形態は、それにより、周囲光源（例えば、太陽）からの光子等の「無相関（uncorrelated）」光子を排除する一方で、これらの「相関」光子を選択的に捕獲することができる。いくつかの実施形態では、アナログカウンタ等のカウンタ回路が、時間相関窓内に入る光子を表すカウント値信号を発生させ、捕獲された光子を表すヒストグラム又は他のデータをデジタル化及び記憶することなくピクセル内平均化を提供する。したがって、データスループットを著しく低減させることができる。
【００７３】
周囲光の影響は、距離ゲートを非線形にストローブすることにより、及び／又はエミッタアレイによって出力された光及び／又は検出器アレイにおいて検出された光のスペクトルフィルタリングにより、更に低減させることができる。特に、更なる実施形態は、（例えば、エミッタ若しくは検出器アレイ温度及び／又はエミッタアレイスペクトル出力で変化する）波長可変スペクトルフィルタ、周囲光の光子カウントを更に減少させる（例えば、飛行時間で変化する）非線形データストローブを含むことができる。無相関すなわち「背景」光子の検出及び除去もまた実施することができる。必要なオフチップ処理を最小限にするか又は減少させることができ、それにより、全体的なシステムコストが削減される。本明細書における周囲光又は光源に関する考察は、本開示のＬＩＤＡＲシステムのパルスレーザ又は発光源以外の光源からの光にも同様に適用することができることが理解されよう。
【００７４】
すなわち、本開示のいくつかの実施形態は、時間相関器を用いるピクセル内計数及び平均化、並びに、いくつかの更なる実施形態では、検出器アレイの非線形ストローブ、背景光除去及び／又は波長可変スペクトルフィルタリングの組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、光子捕獲機構として、ＳＰＡＤベースアレイ等、アバランシェフォトダイオードを使用することができる。したがって、いくつかの実施形態は、直射日光条件において動作する長距離ステアリングＳＰＡＤベースＬＩＤＡＲシステムを提供することができる。こうした特徴のありとあらゆる組合せを含む本開示の更なる特徴は、添付図面と併せて、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかとなろう。
【００７５】
図１は、本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途における飛行時間測定システム又は回路１００のコンポーネント例を示す。本回路は、制御回路１０５、タイミング回路１０６、及び単一光子検出器のアレイ１１０（例えば、ＳＰＡＤアレイ）を備えることができる。タイミング回路１０６は、アレイ１１０の単一光子検出器のタイミングを制御するストローブ信号を発生させかつ出力することができる。エミッタアレイ１１５が、タイミング発生器又はドライバ回路１１６によって制御される時点で放射パルスを（例えば、ディフューザ又は光フィルタ１１４を通して）放出する。
【００７６】
いくつかの実施形態では、エミッタアレイ１１５におけるエミッタ素子の各々を、それぞれのドライバ回路１１６に接続しかつそれぞれのドライバ回路１１６によって制御することができる。他の実施形態では、エミッタアレイ１１５におけるエミッタ素子のそれぞれの群（例えば、互いに空間的に近接するエミッタ素子）は、同じドライバ回路１１６に接続することができる。ドライバ回路１１６は、発光信号のタイミング及び振幅を制御するように構成されている１つ以上のドライバトランジスタを備えることができる。タイミング回路１０６は、同様に、検出器アレイ１１０のタイミング及び利得／感度を制御することができる。いくつかの実施形態では、タイミング回路１０６及び／又はドライバ回路１１６は、制御回路１０５に含めることができる。
【００７７】
エミッタアレイ１１５のエミッタのうちの１つ以上から放出される光信号は、１つ以上のターゲット１５０に突き当たりかつターゲット１５０によって反射され、反射光は、検出器アレイ１１０の検出器のうちの１つ以上により（例えば、１つ以上のレンズ１１２を介して）光信号（本明細書ではエコー信号又はエコーとも称する）として検出され、電気信号表現に変換され、視野の３Ｄ点群表現１７０を規定するように（例えば、飛行時間に基づいて）処理される。より詳細には、検出器アレイ１１０は、反射光信号における光子のそれぞれの到達時間を示すそれぞれの検出信号を発生させ、それぞれの検出信号を制御回路１０５に出力する。いくつかの実施形態では、制御回路１０５は、エミッタアレイ１１０からターゲット１５０までかつ検出器アレイ１１０に戻る行程にわたり照明パルスの飛行時間（すなわち、エミッタアレイ１１５による光信号の放出と、それぞれの検出信号によって示されるような、検出器アレイ１１０における反射光信号又はエコーの到達時点との間の時間）を測定し、ターゲット１５０までの距離を計算するピクセルプロセッサを備えることができる。本明細書に記載するような本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの動作は、図１の制御回路１０５等、１つ以上のプロセッサ又はコントローラによって実施することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載する制御回路の一部又は全体を検出器アレイ１１０に統合することができる。
【００７８】
特定の実施形態では、エミッタアレイ１１５は、ＬＥＤ、レーザ、ＶＣＳＥＬ又はそれらのアレイ等、パルス光源を含むことができる。光源の総光パワー出力は、本明細書に記載する実施形態によって検出することができる最も明るい背景照明条件で最も遠い最も反射率の低いターゲットからのエコー信号の信号対雑音比を発生させるように選択することができる。放出される光は、比較的狭い帯域幅を有することができる。いくつかの非限定的な例では、総エミッタピーク出力は、０．０１ｋＷ、０．１ｋＷ、１ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ、２５ｋＷ、４０ｋＷ、６０ｋＷ又は６５ｋＷとすることができ、発光帯域幅が約０．１ｎｍ、０．５ｎｍ、１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ又は２０ｎｍ  ＦＷＨＭ（半値全幅）でありピーク波長が９４０ｎｍである。
【００７９】
いくつかの実施形態では、エミッタアレイ１１５はＶＣＳＥＬのアレイとすることができる。ウエハ上のＶＣＳＥＬの通常の発光波長スペクトルは、ＬＩＤＡＲ用途において通常望ましいものより広い可能性がある。例えば、ピーク発光波長は、ウエハにわたって約１０ｎｍ又は２０ｎｍだけ変化する可能性がある。また、ウエハ上のＶＣＳＥＬのピーク発光波長の間に高い空間相関がある可能性がある。言い換えれば、通常ウエハ上で近接するＶＣＳＥＬデバイスは、近い発光スペクトルを有し、これらのスペクトルは、ＶＣＳＥＬデバイスのダイシング又は個片化の前に、例えば光ポンピングにより、測定することができる。
【００８０】
本明細書に記載するいくつかの実施形態は、例えば、自律走行車等の車両で使用される特定の用途を有する、ＬＩＤＡＲシステムに関することができる。自律走行車用のＬＩＤＡＲシステムに関する実施形態の以下の考察は、本質的に単に例示的なものであり、開示又はその応用若しくは使用を限定するようには意図されていない。例えば、本明細書に記載するＬＩＤＡＲシステムのいくつかの実施形態は、当業者であれば理解されるように、車両で使用される特定の用途を有することができるが、本明細書に記載するＬＩＤＡＲシステムは、限定されないが、ロボットシステム、航空機及び倉庫ナビゲーション機器を含む、他の用途を有することができる。
【００８１】
ＬＩＤＡＲシステムは、全固体素子を備え、機械走査を必要としないことが望ましい可能性があり、それにより、コストが削減され頑強性が向上する。こうしたＬＩＤＡＲシステムは、数百メートルの距離、例えば、１５０メートル、２００メートル、２５０メートル又は３００メートルの距離を有することができ、直射日光（１００ｋルクス）でも、昼間及び夜間の照明条件の間に動作可能とすることができ、細かい距離分解能、例えば、３ｃｍ、５ｃｍ、７ｃｍ、１０ｃｍ又は１５ｃｍの距離分解能を提供することができる。視野の一部又は全ての領域を、所望の周波数、例えば、１０フレーム／秒、２０フレーム／秒、３０フレーム／秒、４０フレーム／秒又は５０フレーム／秒でリフレッシュすることができる。視野角は、車両用途の場合は比較的広く、例えば、０．１度の分解能で１２０度水平×３０度垂直の視野とすることができる。エミッタ（複数の場合もある）の波長、出力パワー及び発光特性は、眼損傷をもたらすものではない。ＬＩＤＡＲシステムは、屋外動作条件の場合は比較的広い温度範囲、例えば、摂氏−４０度（℃）〜摂氏１０５度環境で動作し、小さいフォームファクタを有し、費用高価が高いものとすることができる。
【００８２】
図２に示すように、こうしたＬＩＤＡＲシステム例２００は、所望の視野（ＦＯＶ）をカバーすることができる光信号を放出するビーム整形エミッタ光学系２１４とともにエミッタアレイとして狭発光帯域ＶＣＳＥＬアレイ２１５を備える。例えば、ＶＣＳＥＬアレイ２１５は、フレキシブル基板の上に印刷し、重ね合わされた金属−誘電体ステンシルを用いて相互接続して、ＶＣＳＥＬのアレイの実質的に同時の発射を確実にすることができる。相互接続されたアレイ及び基板は、熱伝導性の第２の基板の上に実装し、筐体内に封入することができる。筐体内の（又は、代替的に筐体外の）１つ以上の発光レンズが、ＶＣＳＥＬ発光を拡散して、所望の領域を照明する発光コーンを形成することができる。
【００８３】
ＬＩＤＡＲシステム例２００において、検出器アレイは、ＳＰＡＤアレイ２１０として実装される。本明細書においてより詳細に説明するように、ＳＰＡＤアレイ２１０は複数のピクセルを含むことができ、それらの各々が、２つ以上のＳＰＡＤ、時間相関器、アナログカウンタ及び／又は時間アキュムレータを含む。相関器、カウンタ及び／又はアキュムレータは、ＳＰＡＤ検出器のアレイ２１０とともにオンチップで集積化する（例えば、同じ基板上で下方に積層する）ことができる。各イメージングフレーム中、コントローラ２０５は、ＶＣＳＥＬアレイ２１５を駆動して、パルス列を含む光信号２１７を使用して視野の一部又は全体を照明する。イメージングフィルタ２１２は、到達するエコーＶＣＳＥＬ光子２１８の大部分又は実質的に全てを通過させるが、周囲光子（の大部分）は排除する。アレイ２１０のＳＰＡＤは、アレイ２１５のＶＣＳＥＬが発射するときに放電される可能性があり、光パルスの放出後の短時間で（完全に）充電される可能性がある。本明細書に記載するいくつかの実施形態は、所定時間内に検出されたアバランシェの対（又は３つ以上のアバランシェ）のみが測定されるように、時間相関器を実装する。いくつかの実施形態では、測定は、計数コンデンサへの（カウント値を示す）固定の第１の電荷の追加とともに、時間積算器への（到達時間の関数である）第２の電荷の追加を含むことができる。フレームの最後に、（読出し集積回路（ＲＯＩＣ）２０８及びＧＰＵ／点群プロセッサ２０９を含むものとして示す）回路が、ピクセルに対する光子の平均到達時間の推定値である、到達の回数に対する積算時間の比を計算する。この推定値は、積算時間分布の「中心」の計算に基づき、本明細書では質量中心の推定とも称する。プロセッサ２０９は、（本明細書では、検出器アレイ及び付随する処理回路を含むものとして述べる）イメージャモジュールから点群データを収集して、３Ｄ点群を発生させる。
【００８４】
図２の例に示すように、温度モニタ２１３は、ＶＣＳＥＬアレイ２１５の温度を測定し、温度を示す電気信号を出力する。ＶＣＳＥＬアレイ２１５は、大気による吸収が弱い波長の、例えば、約９４０ｎｍの波長のパルス列を含む光信号２１７として光を放出し、同時に、比較的広い視野、例えば、１２０度水平×３０度垂直の領域を照明するように構成することができる。放出光２１７の幾分かはターゲット２５０にぶつかり、この光の幾分かは反射されて、検出器／ＳＰＡＤアレイ２１０上にエコー信号２１８を提供する。この検出器／ＳＰＡＤアレイ２１０は、エミッタ／ＶＣＳＥＬアレイ２１５に近接して配置することができる。
【００８５】
周囲光の一部を遮断し、エミッタアレイ２１５から出力される放出光２１７の幾分か、大部分又は全てを検出器アレイ２１０の上に透過させるイメージングフィルタ２１２として、様々な光スペクトルイメージングフィルタを使用することができる。いくつかのスペクトルフィルタは、吸収材料を利用することができ、いくつかは、誘電体材料の積層体（誘電体フィルタ）を使用することができる。他のスペクトルフィルタは、周囲光の大部分を遮断しながら、ＬＩＤＡＲシステム２００の光放出２１７に対応する光の波長を選択的に透過させるように、ファブリ・ペロー干渉計等の空洞共振器を使用することができる。こうしたフィルタの透過帯域は、例えば、約２０ｎｍ又は１０ｎｍ又は１ｎｍ又は０．１ｎｍの帯域幅にわたって光を透過させるように、調整することができる。
【００８６】
図２において、イメージングフィルタは、波長可変光フィルタ素子２１２（本明細書では波長可変フィルタとも称する）として実装されており、この波長可変光フィルタ素子２１２は、ターゲット２５０からの受光した反射光２１８（例えば、受光した反射光の実質的に全て）を透過させるが、周囲光、及び／又は他のＬＩＤＡＲエミッタからの光、すなわち、ＶＣＳＥＬアレイ２１５からの放出光２１７の波長範囲外にある光の少なくとも一部の透過を、排除又は遮断するように構成されている。波長可変フィルタ２１２の透過帯域（又は「通過帯域」）は、比較的狭く、例えば、０．１ｎｍ、０．５ｎｍ、０．８ｎｍ、１ｎｍ、１．５ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、７ｎｍ、１０ｎｍ又は２０ｎｍ  ＦＷＨＭとすることができる。いくつかの実施形態では、波長可変フィルタ２１２の透過帯域は、エミッタアレイ２１５の温度の変化（及び／又はそのスペクトル出力２１７の結果としての変化）に基づいて、例えば、熱センサ／温度モニタ２１３からの電気信号に応答して、制御又は変更することができる。
【００８７】
いくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイ２１５を含むウエハをプロービングすることができ、発光波長マップを生成することができる。いくつかの実施形態では、微細転写印刷プロセス等の転写プロセスが、比較的狭いスペクトル分布でＶＣＳＥＬアレイ２１５を画定するようにＶＣＳＥＬ群を転写し、例えば、最大発光が互いの１ｎｍ帯域での発光であるＶＣＳＥＬを、単一基板に転写することができる。いくつかの実施形態では、ウエハマッピングは実施しない場合があり、転写されたＶＣＳＥＬの局所化に基づいて、狭いスペクトル拡散を確実にすることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上のドライバからアレイ２１５のＶＣＳＥＬ素子の各々までの時間遅延が比較的小さいように、ＶＣＳＥＬ素子のアレイ２１５の上又は上方に相互接続層を付与することができる。例えば、特定の実施形態では、単一のドライバ（図１のドライバ回路１１６等）が、相互接続「木（tree）」を駆動し、それにより、相互接続長と、ドライバからアレイ２１５のいくつか又は全てのＶＣＳＥＬ素子までのＲＣ遅延とは、約２５０ピコ秒（ｐｓ）又は５００ｐｓ又は７５０ｐｓ又は１ｎｓ未満とすることができる。ＶＣＳＥＬに対する発光を均質化し、所望の領域を所望の均一性で照明するようにビームを整形するために、１つ以上のレンズ（レンズ１１２等）を配置することができる。
【００８８】
図２に示すように、波長可変フィルタ２１２は、ＳＰＡＤアレイ２１０による検出の前にターゲット２５０から反射された光信号２１８をフィルタリングするように配置された狭帯域イメージングフィルタである。波長可変フィルタ２１２は、（温度モニタ２１３からの出力によって示されるような）ＶＣＳＥＬアレイ２１５の測定温度によって制御され、周囲光を排除しながら、放出されたＶＣＳＥＬエネルギー（の実質的に全て）に対応する狭スペクトル帯域をＳＰＡＤアレイ２１０まで透過させる。波長可変フィルタ２１２は、波長可変ファブリ・ペローフィルタ、音響光学フィルタ及び液晶波長可変フィルタを含むことができる。これらのフィルタのうちのいくつかは、透過帯域が広く、スペクトル帯域間の切換えが遅く、光スループットが低く、帯域外除去比が低く、及び／又は価格が高い可能性がある。いくつかの実施形態では、各ＳＰＡＤピクセルが０．１度×０．１度コーンを画像化するように、ＳＰＡＤアレイ２１０の上に反射光２１８を集束させるために、集光光学系（図１のレンズ１１２等）を使用することができる。
【００８９】
図３は、いくつかの実施形態による波長可変フィルタ３１２を備えるイメージングシステム３００の１つの例を示す。１つ以上の光学素子を含むことができる集光光学系３１８が、事前定義された受光コーン、例えば、システム３００の光軸に対して１２０度水平×３０度垂直のコーンからの光をコリメートする。バレル等、様々な形態で実装することができる空間フィルタ３１１が、比較的狭い光線角度の組のみがそこを透過することができるように配置されている。例えば、図３に示すように、（少なくとも部分的にコリメートされている）光線Ａは２瞳空間フィルタ３１１を通過し、一方、（受光コーンの角度範囲より大きいか又はその外側にある角度で入射する）光線Ｂは遮断される。所望のフィネスを有する波長可変フィルタ３１２が、アクチュエータ３４４（発光ＶＣＳＥＬアレイに取り付けられた熱センサによって駆動電圧を設定することができる、圧電アクチュエータ等）によって、固定基板３４５に取り付けられている。集束光学系３１６が、いくつかの実施形態ではＳＰＡＤアレイとすることができる、光センサ又は検出器アレイ３１０上に、空間的にかつスペクトル的にフィルタリングされた光を集束させる。
【００９０】
図３の例により詳細に示すように、波長可変フィルタ３１２は、周囲光、及び／又はエミッタアレイ（例えば、１１５、２１５）から出力されていない他の光を実質的に遮断するように、検出器アレイ３１０の正面に配置されている。特定の実施形態では、波長可変フィルタ３１２は、高フィネス波長可変ファブリ・ペロー干渉計、高フィネス液晶波長可変フィルタ、波長可変音響光学波長可変フィルタ又は誘電体フィルタとすることができ、それらの各々は、１つ以上のアクチュエータ３４４に取り付け、（任意選択的に）（瞳３１１によって画定されるような）空間フィルタの後方に配置して、フィルタ３１２に対して制御された角度でコリメート光を向けることができる。アクチュエータ（複数の場合もある）３４４は、アクチュエータ制御信号に応答して所望の傾斜角度で波長可変フィルタ３１２を傾斜させるように構成することができる。アクチュエータ３４４は、連続的に可変の角度範囲にわたって、又はそれぞれのアクチュエータ位置に対応する一組の離散した傾斜角度の間で、波長可変フィルタ３１２の傾斜角度を変更するように動作可能とすることができる。１つ以上の瞳３１１は、入来光の所望の伝播と同軸であり得る。
【００９１】
太陽光は排除するが、ＬＩＤＡＲ反射光は検出器に達するのを可能にするために、空間フィルタを使用することができる。こうしたフィルタの透過帯域は、通常、幅が１ｎｍ〜２０ｎｍである。図４Ａに、狭帯域ＬＩＤＡＲフィルタ例の透過帯域を示す。透過帯域中心波長は、以下のように、その光軸に対する入射光線角度の関数であり、
【数３】
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図４Ｂにおいて、例としてｎｅｆｆ＝１．８の場合を示す。ＶＣＳＥＬの中心発光波長は、およそ０．０８℃／ｎｍの速度で温度によりおよそ線形に変化する可能性がある。図４Ｃに、温度の関数としてのエミッタアレイ（例えば、ＶＣＳＥＬアレイ２１５）の発光スペクトルの一例を示す。いくつかの実施形態では、エミッタアレイの温度は（例えば、温度モニタ２１３によって）モニタリングされ、マイクロコントローラが、エミッタアレイの温度に応答して傾斜信号を発生させて、狭帯域フィルタ３１２に取り付けられたアクチュエータ素子３４４（例えば、圧電素子）を制御して、フィルタ３１２の透過波長が、例えば、図４Ｄに示す温度−角度関係に基づいて、エミッタアレイの狭発光帯域に追従するようにする。
【００９２】
図３の実施形態では、波長可変フィルタ３１２は、イメージングシステム３００のフーリエ面に配置されている。いくつかの実施形態では、システム３００の開口数が、開口数と開口径との一貫性を維持しながら、比較的狭い通過帯域（例えば、０．１ｎｍ、０．５ｎｍ、０．８ｎｍ、１ｎｍ、１．５ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、７ｎｍ、１０ｎｍ又は２０ｎｍのＦＷＨＭ）を提供するのに十分低いように、波長可変フィルタ３１２は焦点面に配置されている。いくつかの実施形態では、イメージングシステム３００は、所定温度範囲内で波長可変フィルタ３１２の環境の温度を維持するように構成することができる。
【００９３】
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、本明細書に記載する実施形態の理解を助けるようにいくつかのＳＰＡＤベース３Ｄイメージングシステムを示す。特に、図５Ａには、いくつかの３Ｄ直接ＴＯＦ  ＳＰＡＤアレイのデータフローを示す。例えば、約９４０ｎｍで出力されるエミッタアレイ光の場合、直接ビーム太陽放射照度は、約０．３３Ｗ／ｍ２／ｎｍであり得る。光子エネルギーはおよそ２．１×１０−１９Ｊであり、そのため、１ｎｍ通過帯域では、１秒あたり１ｍ２につき０．３３／２．１×１０−１９＝１．６×１０１８の光子が突き当たる可能性があり、２０ｎｍ通過帯域では、３．２×１０１９の光子が突き当たる可能性がある。１０μｍ径ＳＰＡＤの場合、これは、１秒あたり３．２×１０９の光子となる。光は、２×２００ｍを横切るために４００／３×１０８＝１．３μｓかかる。この時間中、平均して１３．２×１０９×１．３×１０−６＝４１６の光子が、レーザサイクル毎にＳＰＡＤに突き当たることになる。いくつかのアーキテクチャでは、ＳＰＡＤアレイは、１サイクルにつき１回充電され、そのため、アバランシェ時、ＳＰＡＤは、更なる光子に応答しなくなり、したがって、イメージングシステムは機能することができない。
【００９４】
平均光子検出を１回のレーザサイクルにつき１回まで減少するようにフィルタリングが実施される場合、各アバランシェの検出（ブロック５１０）は、時間デジタル変換器（ＴＤＣ）回路による時間デジタル化（ブロック５１５）を必要とする可能性がある。１秒につき１ピクセルあたり１／１．３×１０−６＝８０００００回のこうした変換と、１秒につきアレイ全体に対して８０００００×３６００００＝２８８０億回の時間デジタル変換とがある可能性がある。ＴＤＣ電力消費量は約２２．５ｎＷである可能性があり、そのため、検出器アレイは６．５ｋＷを必要とする可能性があり、これは、フォームファクタの小さい自律走行車用ＬＩＤＡＲでは達成できない可能性がある。さらに、１ナノ秒分解能（１５ｃｍ）及び１．３μ秒レンジでデジタル化するには、１１ビットの分解能が必要である可能性がある。この分解能を有する小型ＴＤＣのアレイは、信号の全てを高速でかつナノ秒未満のジッタでルーティングする方法を考慮する前であっても、２８ｎｍプロセス技術において４つのフルフォトリソグラフィレチクルダイを占有する可能性があり、これは、ステアリング３Ｄ長距離ＬＩＤＡＲシステムでは実際的ではない可能性がある。
【００９５】
本開示の実施形態は、太陽光背景から発生する光子が無相関で到達する一方で、パルス光源（例えば、パルスレーザ）によって照明されるターゲットからの光子が、本明細書では所定相関時間とも称する狭い時間相関窓（例えば、パルス幅に対応する時間窓）において２つ以上の群で検出される可能性がより高いという認識に基づいて、必要な時間デジタル変換の回数を減少させることができる。こうした実施形態（そのうちのいくつかは、（面、ステアリング検出器に対して）疑似線形ＳＰＡＤアレイにおいて実施することができる）を図５Ｂに示す。特に、図５Ｂに示すように、光子到達の検出（ブロック５１０）の後、時間相関器回路は、互いに対して所定相関時間内にあるそれぞれの到達時間を有する相関光子対の検出を示す信号を出力する（ブロック５２５）。これにより、時間デジタル変換の回数を減少させることができるが、各取得フレーム中に各ピクセルに対して、ＴＯＡヒストグラムが依然として生成され、それは、１フレームあたり１ピクセルにつき最大数百のＴＯＡのデジタル化（ブロック５１５）と、メモリにおけるデジタル化データの記憶（ブロック５３０）と、ヒストグラムの生成（ブロック５４０）とを含む。場合によっては、１秒あたり１０８０万のヒストグラムが必要である場合があり、これは、費用高価の高い移動体プラットフォームの計算能力を超える可能性がある。
【００９６】
図５Ｃは、１００ｋルクスの背景がありターゲットがエミッタから５５ｍである（ブロック５４０において生成されるような）到達時間ヒストグラム例を示す。３ｎｓ  ＴＯＡ相関窓が実施される場合、直射日光（１００ｋルクス）では、依然として、１ピクセルあたり３０ｍｓフレーム時間につきおよそ１２０００の相関到達イベントがある。さらに、１フレームあたりの１ピクセルについての情報は、単一の１２ビット出力（ｌｏｇ２（２００ｍ／５ｃｍ））で符号化されている可能性があり、これは、情報がそのピクセルにおいて極めて疎である可能性があることを意味する。
【００９７】
分子蛍光寿命の測定のための到達時間の平均化による何らかのピクセル内データ削減又は最小化が、実証された。しかしながら、こうした方法は、ＬＩＤＡＲ用途に対して不適切である可能性があり、その理由は、蛍光寿命イメージング顕微鏡法（ＦＬＩＭ：fluorescence lifetime imaging microscopy）用途において、蛍光光子の予期されるＴＯＡに関する先験的情報があるためである。例えば、０．５ｎｓ〜３．５ｎｓ程度の寿命を有する蛍光分子では、１μ秒のレーザサイクル時間が利用される場合があり、これにより、非常に短い時間窓を定義し、無相関（本明細書では、非相関（non-correlated）とも称する）アバランシェイベントの大部分を排除することが可能になる。一方、ＬＩＤＡＲでは、レーザサイクル時間内でエコーがいつでも到達する可能性がある。さらに、場合によっては、システムを光学的に隔離して維持することにより、無相関又は非相関光子放出を低減させ又は最小化することができ、そのため、光は、サイクル時間の長い持続時間（例えば、１μ秒のサイクル時間において０．５ｎｓのパルス幅）、放出していない可能性があるパルスレーザからのみ発生する。さらに、励起は、イメージングチップの上面の導波路のおよそ５０ｎｍ上方の、短いエバネッセント領域に維持することができる。対照的に、ＬＩＤＡＲ用途では、周囲光は、レーザサイクル全体を通してセンサに突き当たり、特定の発光のこうした空間的隔離を困難にする。また、蛍光寿命イメージングシステムでは、システムは、パイルアップと称される統計誤差を防止するために、レーザサイクル毎のアバランシェの可能性が非常に低く、通常、１％未満であるように、設計される可能性がある。ＬＩＤＡＲ用途では、多くの光子が、或る特定の環境並びにターゲットの距離及び反射率のシナリオでレーザパルス毎に到達することが期待される。したがって、本開示の実施形態によって対処されるいくつかの問題は、これまで対処されてこなかった可能性がある。
【００９８】
図６は、本開示の実施形態によるいくつかのピクセル内データ削減又は最小化動作を示すブロック図である。図６に示すように、入射光子を検出すると（ブロック６１０）、互いに対して所定相関時間内にあるそれぞれの到達時間を有する２つ以上の光子が、例えば、本明細書に記載するような時間相関器回路によって相関する（ブロック６２５）。相関光子の検出を示す信号は、ピクセル内平均化（ブロック６５０）のために出力され、ピクセル内平均化は、本明細書に記載するようなカウンタ及び時間積算器回路によって実施することができる。メモリ内に到達時間を示すデータを記憶することとは無関係に（例えば、図５Ｃに示すようなＴＯＡヒストグラムを記憶することなしに）、ピクセル内平均化の出力に基づいて点群を発生させることができる（ブロック６７０）。
【００９９】
本開示のいくつかの実施形態では、（例えば、波長可変フィルタ２１２、３１２等の１つ以上の光フィルタを使用する）スペクトルフィルタリングにより、ピクセル内平均化を可能にするように検出器（例えば、１１０、２１０、３１０）における周囲光光子カウントを減少させることができる。いくつかの実施形態では、この周囲光排除は、発光スペクトルが比較的狭い、光エミッタ（例えば、ＶＣＳＥＬ、本明細書では概してエミッタと称する）の１つ若しくは集団又はそれらのアレイ（例えば、１１５、２１５）を選択することによって実施される。いくつかの実施形態では、光エミッタ又はエミッタアレイは、熱伝導性基板に取り付けられる。いくつかの実施形態では、熱伝導性基板を使用して、光エミッタが本質的に等温であり、周囲環境から断熱されていることを確実にすることができる。いくつかの実施形態では、パッシブ冷却を使用して、光エミッタが熱平衡で及び／又は温度範囲内であり続けることを確実にすることができる。いくつかの実施形態では、光エミッタ及び／又は熱伝導性基板は、所望の温度範囲内でそれらを維持するようにアクティブに冷却又は加熱される。いくつかの実施形態では、温度センサ（例えば、２１３）が、エミッタ、エミッタ基板の温度、及び／又は周囲温度を測定し、温度（複数の場合もある）を示す電気出力信号を提供する。いくつかの実施形態では、電気出力信号は、ルックアップテーブル又は数学的アルゴリズムを介して、波長可変フィルタ素子（例えば、２１２、３１２）への駆動信号に変換される。いくつかの実施形態では、エミッタ（例えば、１１５、２１５）の発光波長ドリフトは、一般性を失うことなく分光計等のスペクトル測定デバイスを使用して追跡又は測定される。スペクトル測定デバイスの出力は、波長可変フィルタ素子（例えば、２１２、３１２）への駆動信号に変換することができる。この駆動信号を使用して、エミッタ（複数の場合もある）の温度及び／又はスペクトル出力の変化によってされるようなエミッタの発光波長の変化に基づき、波長可変フィルタ素子の透過帯域を調整することができる。いくつかの実施形態では、光フィルタは、エミッタ（複数の場合もある）から出力される光より狭い透過帯域を選択し出力するように、エミッタ又はエミッタアレイ（例えば、１１５、２１５）の正面に配置される。
【０１００】
いくつかの実施形態では、一般性を失うことなく、システムのエミッタ部分の代わりに又はそれと併せて、システムの検出器部分に関して本明細書で記載する閉ループ制御方式を同様に使用することができることが理解されよう。いくつかの実施形態では、エミッタの温度制御により、固定スペクトル狭帯域フィルタを通して透過する、より安定した発光帯域を提供することができる。いくつかの実施形態では、波長可変フィルタの透過帯域は、エミッタの発光帯域に追従するように調整される。いくつかの実施形態では、パッシブ及び／又はアクティブ温度制御と波長可変フィルタの透過帯域のアクティブ調整との組合せが、エミッタからの反射光を透過させながら、周囲光を排除することができる。いくつかの実施形態では、波長可変フィルタの透過帯域は、エミッタと同じ温度依存性に追従するように制御される。いくつかの実施形態では、波長可変フィルタの透過帯域は温度によって変化し、アクティブ制御信号は、エミッタの発光帯域と一致するように透過帯域を微調整することができる。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、直接ＴＯＦイメージングシステム（又は「イメージャ」）は、複数のピクセルを含む。ピクセルの各々は、光子の到達時間を正確に測定するように構成された応答時間で、１つ又は２つ又は３つ又は４つ又はそれより多くのＳＰＡＤ（又は他の光検出器）を含む。複数のＳＰＡＤを含むピクセルでは、ＳＰＡＤは、例えば同心円状に（例えば、中心ダイオードが１つ以上のリング状ダイオードによって包囲される）、又は積層（例えば、１つ以上のダイオードが第１のダイオードの下に配置される）配置で配置することができ、これらのダイオードは、１つ以上の電気接続部を共有するか、又は、各々、それら自体の電気接続部を有することができる。ＳＰＡＤは、少なくともＬＩＤＡＲシステムのエミッタ（複数の場合もある）の発射中、非アクティブである（非動作又は非検出状態にある、本明細書ではディアクティベート状態とも称する）ように、バイアスがかけられる。
【０１０２】
いくつかの実施形態は、ＳＰＡＤアレイの高速かつ同時の充電を提供し、ＳＰＡＤは、非アクティブであるとき降伏未満にバイアスがかけられたままであり、非アクティブであることに続き、アクティブ（動作又は検出状態である、本明細書ではアクティベート状態とも称する）であり、略即座に、例えば、０．１ｎｓ、０．５ｎｓ、１ｎｓ、２ｎｓ又は５ｎｓ以内に完全に充電される。いくつかの実施形態では、アレイの充電は、同時にではなく、例えば、行、列又はサブアレイ等、検出器アレイのピクセル群に対して（例えば、逐次）実行され、こうした群の各々が異なる距離の組から反射光信号を検出することができるようにし、したがって、検出器における電流スパイクを低減させる。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、電荷分布及びＳＰＡＤアレイの高速充電を可能にするように、イメージャに（例えば、ＳＰＡＤアレイと同じ基板上に）コンデンサのアレイが設けられる。いくつかの実施形態では、コンデンサのアレイは、デバイスの基板の上方に実装される。いくつかの実施形態では、コンデンサのアレイは、アクティブ検出領域ではないエリア（例えば、ＳＰＡＤに隣接する処理回路に割り当てられたエリア）にわたって分散される金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ：Metal-Insulator-Metal）又は金属−酸化物−金属（ＭＯＭ：Metal-Oxide-Metal）コンデンサのアレイとして実装される。いくつかの実施形態では、大きいコンデンサバンクが、ＳＰＡＤアレイの外側の検出器の領域の上方に実装され、一方で、より小さいコンデンサのアレイが、アレイのピクセルの間に及び／又は相互接続領域の上方に点在する。いくつかの実施形態では、検出器ダイの光にさらされない側に第２のダイが接合され、この第２のダイは、効率的かつ高速な電荷分布のためにコンデンサのアレイを備える。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤは、第１のトランジスタのゲートに接続されて、（入射光子の検出に応答する）ＳＰＡＤのアバランシェ出力により第１のトランジスタの状態が切り替わるようにする。第１のトランジスタはコンデンサに接続されている。第１のトランジスタと直列に、第２のトランジスタが接続されている。第２のトランジスタのゲートは、グローバルタイミング回路に接続されている。いくつかの実施形態では、第１のトランジスタは、その状態が（ＳＰＡＤが放電されることに応答して）変化すると、コンデンサ上に電流を通すように構成されている。グローバルタイミング回路は、ＳＰＡＤアレイのアクティベーション時に第２のトランジスタの状態を変化させ、それにより、第２のトランジスタは、電流を通すように構成される。いくつかの実施形態では、第２のトランジスタは、パルスエミッタと同期してグローバルタイミング回路によってオフにされる。いくつかの実施形態では、電流又は電圧の積算は、エミッタパルスのすぐ後にグローバルタイミング信号で開始するか又はグローバルタイミング信号に応答して引き起こされ、ＳＰＡＤのアバランシェ出力によるトリガ又はアクティブ時間窓に対するグローバルな終了の早い方の時点で終了する。いくつかの実施形態では、電流又は電圧の積算は、ＳＰＡＤからのアバランシェ出力で開始するか又はアバランシェ出力に応答して開始し、後続するエミッタパルスの発射の直前に終了する。いくつかの実施形態では、グローバルタイミング信号は、エミッタサイクルの開始又はエミッタサイクルの終了によってタイミングがとられない場合があり、サイクルの開始と終了との間でタイミングがとられる場合がある（本明細書ではストローブ信号とも称する）。いくつかの実施形態では、グローバル開始信号及び終了信号のタイミングは、全てのサイクル中で同一ではなく、例えば、距離の可変ストローブが可能である。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、入射光子とＳＰＡＤから出力される結果としてのアバランシェとの検出もまた、ピクセル毎のカウンタをインクリメントする。いくつかの実施形態では、カウンタはデジタルカウンタである。いくつかの実施形態では、カウンタは、カウントの総数の基準としての電圧が蓄積される、各カウントに対して或る量の電荷を受け取るアナログカウンタである。
【０１０６】
上述したように、ＳＰＡＤはｐ−ｎ接合に基づき、ｐ−ｎ接合は、例えば、所望のパルス幅を有するストローブ信号により又はそうしたストローブ信号に応答して、その降伏領域を超えてバイアスがかけられる。高い逆バイアス電圧により、デバイスの空乏層内に導入された単一の電荷キャリアが衝撃イオン化を介して自己持続型アバランシェをもたらすことができるように、十分な大きさの電界が発生する。アバランシェは、クエンチ回路により、アクティブに又はパッシブに消滅して、ＳＰＡＤが更なる光子を検出するように「リセット」されるようにする。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、処理回路は、本明細書に記載する実施形態によるカウンタ及び／又は積算器回路を実装することにより、検出器アレイに入射する光子に応答して動作するように構成されている。カウンタ及び積算器回路は、入射光子を検出する１つ以上の検出器回路の出力（複数の場合もある）に応答して、それぞれ、検出された光子の個々の到達時間を計数及び積算するように動作可能である。処理回路は、計数回路及び／又は積算器回路のアナログ実施態様及び／又はデジタル実施態様を含むことができる。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、処理回路は、本明細書では相関時間とも称する、事前定義された相関窓内で到達する入射光子に応答して出力信号を提供する相関器回路（本明細書ではパルス時間相関器とも称する）を備える。すなわち、本明細書に記載するようなピクセル内相関は、相関器回路によって定義されるものと同じ相関窓で受け取られる信号光子の到達時間（ＴＯＡ）の計算を含むことができる。したがって、アレイのＳＰＡＤに複数の光子のバーストが実質的に同時に到達する場合、それには、単一光子と同じ効果、すなわちそのＳＰＡＤを放電するという効果がある。ＳＰＡＤは、先行する光子によって放電されると、バースト内の他の全ての光子に気づかず、一方で、アレイ内の残りのＳＰＡＤは、バースト内の複数の光子に応答して同様に動作することができる。処理回路は、アレイにおけるそれぞれのＳＰＡＤによる光子の各々の（例えば、本明細書において時間積算回路によって提供されるような）積算された到達時間と（例えば、本明細書においてカウンタ回路によって提供されるような）検出のカウントとの比に基づいて、光子のバーストの推定到達時間を計算するように構成することができる。
【０１０９】
図９に、ＬＩＤＡＲ測定デバイス９００のいくつかの実施形態の動作を示す。この例では、分散電荷網９０１が、２つのＳＰＡＤ９１０を含むものとして示すＳＰＡＤアレイのピクセルの付近に電荷を送出する。グローバルタイミング発生及びリセット回路９０２が、各ＳＰＡＤ９１０に結合されたそれぞれの充電回路９０３を介してＳＰＡＤ９１０の充電のタイミングを制御する。いくつかの実施態様では、充電方式はパッシブであり、アバランシェ出力時、ＳＰＡＤ９１０は、それぞれの充電回路９０３によって即座にかつ迅速に充電される。いくつかの実施形態では、充電方式はアクティブであり、充電回路９０３の充電時間は、グローバルタイミング発生及びリセット回路９０２（アクティブ充電回路とも称する）から出力されるそれぞれのストローブ信号に応答して電気的に制御される。アクティブクエンチ回路９０４が、アバランシェの発生を検知し、アバランシェを迅速に消滅させるためにフィードバック信号を送出する。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、アクティブ充電回路９０２、９０３は、ＬＩＤＡＲシステムのＶＣＳＥＬから出力されるレーザパルス等、パルス光源から出力される光信号の発射と相関するそれぞれの時間に、降伏を超えてＳＰＡＤ９１０にバイアスをかける。いくつかの実施形態では、アクティブ充電回路９０２、９０３は、光のパルスが最も遠いターゲットまで行って戻るように往復するのに必要な時間の一部等、時間の一部（「時間ゲート」）に対してアクティベートされるようにＳＰＡＤ９１０にバイアスをかけ、この時間ゲートは、ＬＩＤＡＲシステムの距離をストローブするように変更することができる。いくつかの実施形態では、アクティブ充電回路９０２、９０３は、捕捉された電荷の比較的大きい割合を解放するのに十分な持続時間（例えば、１ｎｓ、２ｎｓ、３ｎｓ、５ｎｓ、７ｎｓ、１０ｎｓ、５０ｎｓ又は１００ｎｓ）、ＳＰＡＤ９１０をその充電状態で維持し、その後、ＳＰＡＤ９１０を急速に充電する。
【０１１１】
すなわち、本明細書に記載するいくつかの実施形態は、距離ストローブ（すなわち、レーザサイクルにわたる持続時間又は時間の窓、レーザの発射に対して可変遅延でアクティベート及びディアクティベートされるようにＳＰＡＤにバイアスをかけ、したがって、各窓／フレームにおいて或る特定の距離部分範囲（sub-range）に対応する反射された相関信号光子を捕獲すること）を利用して、各レーザサイクルで捕獲される周囲光子の数を制限することができる。レーザサイクルは、レーザパルスの間の時間を指す。いくつかの実施形態では、レーザサイクル時間は、放出される光のパルスが最も遠い可能なターゲットまで行って戻るように往復するのに必要な時間として、又は他の方法でそれに基づいて、すなわち、所望の距離範囲に基づいて設定される。約２００メートルの所望の距離範囲内のターゲットをカバーするために、レーザは、いくつかの実施形態では、最大でも７５０ｋＨｚの周波数で動作する（すなわち、約１．３マイクロ秒以上毎にレーザパルスを放出する）ことができる。
【０１１２】
図７は、本明細書に記載する実施形態による、画像フレーム、サブフレーム、レーザサイクル及び時間ゲート（本明細書ではストローブ窓とも称する）の間の関係を示す図である。図７に示すように、レーザサイクル例は、放出されるレーザパルスの間の時間にわたってそれぞれの持続時間を有する複数のストローブ窓に分割することができる。例えば、７５０ｋＨｚの動作周波数では、レーザサイクルは約１．３μｓであり得る。レーザサイクルは、例えば、２０個のストローブ窓等、それぞれのストローブ窓に分割することができる。ストローブ窓は、そのレーザサイクルにわたって時間的に相互に排他的であるか又はオーバーラップすることができ、単調に又は単調ではないように順序付けることができる。図７の例では、ストローブ窓は、レーザパルスの間の１．３μｓのレーザサイクル時間内で、各々６７ｎｓの等しくオーバーラップしない持続時間を有することができる。画像サブフレームは、複数のレーザパルスを含み、レーザパルスの間に複数のストローブ窓がある。例えば、各サブフレームに約１０００個のレーザサイクルがある場合がある。各サブフレームはまた、それぞれのストローブ窓に対して収集されたデータも表すことができる。各サブフレームの最後に、ストローブ窓読出し動作を実施することができ、（それぞれのストローブ窓に対応する）複数のサブフレームは各画像フレーム（例えば、各フレームに２０個のサブフレーム）を構成する。図７に示すタイミングは単に例としてのものであり、本明細書に記載する実施形態により他のタイミングが可能であり得る。
【０１１３】
図８Ａ及び図８Ｂは、本明細書に記載する実施形態による距離ストローブの例を示す。特に、図８Ａは、レーザパルスの間のｎ個のストローブ窓を示し、各ストローブ窓０〜ｎは、それぞれのストローブ信号Ｓｔｒｏｂｅ＃０〜Ｓｔｒｏｂｅ＃ｎに応答して、レーザパルスに関して異なるそれぞれの遅延で、ＳＰＡＤに対するアクティベーションの持続時間を規定する。いくつかの実施形態では、ストローブ窓０〜ｎは、図８Ａに示すように、持続時間が同じである。いくつかの実施形態では、図８Ｂに示すように、ストローブ窓は、例えば、（レーザパルス発射に対して遅延が相対的に短い）「相対的に近い」ストローブ窓は相対的に広い／大きい持続時間であり、（レーザパルス発射に対して遅延が相対的に長い）「相対的に遠い」ストローブ窓は相対的に狭い／短い持続時間であり、又はその逆も可能であるようにスケーリングすることができ、非線形ストローブ窓を提供する。
【０１１４】
光信号のパルスの間の時間（及び／又は対応するストローブ窓）は距離範囲に対応することができ、したがって、それぞれのストローブ窓は、その距離範囲の部分範囲に対応することができる。例えば、２００メートル（ｍ）の距離範囲を画像化するために、それぞれのストローブ窓は、１ｍ〜５０ｍ、５０ｍ〜９０ｍ、９０ｍ〜１２５ｍ、１２５ｍ〜１５５ｍ、１５５ｍ〜１７５ｍ、１７５ｍ〜１９０ｍ及び１９０ｍ〜２００ｍの距離部分範囲をカバーするように定義することができる。こうした方式により、（反射率が相対的に弱いか又は小さい）相対的に遠いターゲットから反射される光子を取得するためのストローブ窓は相対的に短く、したがって、相対的に短い取得窓にわたって到達する周囲光子を少なくすることができ、それにより、均一なストローブ窓持続時間と比較して平均到達時間を計算するときにより高い信号対背景比が達成される。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、時間ゲート毎に（例えば、図７に示すように、各サブフレームに対するストローブ窓読出し毎に（各サブフレームはそれぞれのストローブ窓に対するデータを示す））割り当てられたレーザサイクルの数は、調整又は変更することができる。いくつかの実施形態では、或る特定の距離範囲にわたる各フレーム又はサブフレームにおけるレーザサイクルの数は、ストローブゲート幅又は距離範囲とは無関係に又はそれから独立して、一定であり得る。すなわち、例として、７５０ｋＨｚレーザを使用する１０フレーム／秒での検出の場合、各フレームは、７５０００レーザサイクル（例えば、１ｍ〜５０ｍ、５０ｍ〜８０ｍ、８０ｍ〜１１０ｍ、１１０ｍ〜１２５ｍ、１２５ｍ〜１４０ｍ、１４０ｍ〜１５５ｍ、１５５ｍ〜１７０ｍ、１７０ｍ〜１８０ｍ、１８０ｍ〜１９０ｍ及び１９０ｍ〜２００ｍの距離部分範囲をカバーする１０個の時間ゲート（例えば、ストローブ窓読出し）の各々に対して７５０００レーザパルス）に対応することができる。いくつかの実施形態では、各フレーム又はサブフレームに対応するレーザサイクルの数は、距離時間ゲートが異なると異なる。例えば、時間ゲート又はサブフレーム毎にレーザサイクルの数を等しく割り当てるのではなく、（レーザパルス発射からの遅延が相対的に長い、例えば、１９０メートル〜２００メートルの相対的に遠い距離をカバーする）相対的に遠い時間ゲートに対するサブフレームは、（レーザパルス発射からの遅延が相対的に短い、例えば、０メートル〜５０メートルの相対的に近い距離をカバーする）相対的に近い時間ゲートに対するサブフレームより、レーザサイクルの数のより多くの部分（又はより少ない部分）に割り当てるか又は他の方法で対応させることができる。すなわち、いくつかの実施形態では、遠い時間ゲートに対するレーザサイクルの数は、より近い時間ゲートに対するレーザサイクルの数より大きく、又はその逆である。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、所与の時間ゲートに対するフレーム又はサブフレームにおけるレーザサイクルの相対的な数は、距離の二乗として増加する。いくつかの実施形態では、背景／無相関光子カウントは、信号光子なしに（例えば、レーザの発射を一時停止することにより、又は、いかなるターゲットも反射しない距離範囲に対応するストローブゲートにおいて光子カウントの数を測定し、ゲート幅に従ってスケーリングすることにより）選択的に記録／捕獲され、背景＋信号光子カウントが記録されメモリに記憶され、これを使用して（光子カウントレートがこれらのパラメータを独立したものとするのに十分低いと想定して、又は、それらが独立していない場合、この依存性を補正して（例えば、「パイルアップ補正」方式））信号光子カウントを計算することができる。ストローブゲートに対応するサブフレーム毎のレーザサイクルの相対的な数は、信号光子カウント若しくは背景光子カウント又は両方に基づいて調整することができる。例えば、検出器アレイのストローブは、ターゲットの検出された反射率に基づいて（例えば、先行する検出信号によって示されるフィードバックに基づいて）調整することができ、相対的に低い反射率のターゲットの検出に対してこうしたより多くのレーザサイクルを割り当てることができ（例えば、１９０メートル〜２００メートルの距離にあるターゲットに対して、７５００００のレーザサイクルのうちの１０００００を向けることができ）、相対的に高い反射率のターゲットの検出に対してより少ないレーザサイクルを割り当てることができ（例えば、０メートル〜５０メートルの距離にあるターゲットに対して７５００００のレーザサイクルのうち５００００を向けることができ）、その逆も可能である。より全体的には、時間ゲート／対応するサブフレーム毎に割り当てられるレーザサイクルの数は、相対的に暗い（相対的に反射率が低い）ターゲットにより多くのレーザサイクルを提供するか、又は相対的に明るい（相対的に反射率が高い）ターゲットにはより多くのレーザサイクルを提供するように、変更することができる。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、検出器アレイの異なる部分（例えば、異なる領域におけるＳＰＡＤ）は、異なる距離範囲を同時にストローブすることができる。いくつかの実施形態では、異なる時間間隔中にイメージャの１つおきの行を充電することができ、これにより、相対的に低い空間分解能を犠牲にして、同一のＳＮＲを達成しながらレーザ出力を低減させることができる。例えば、１つの例では、１２０の行が１０個のストローブ窓で走査し、全ての行が所与のサブフレームで同じストローブ窓を走査する。３０フレーム／秒のグローバルフレームレートの場合、読出しは、３００フレーム／秒である場合があり、そのため、各１／３００＝３ミリ秒のサブフレームでターゲットに十分なエネルギーを送出しなければならない。更なる例では、１つおきの行が１つおきのストローブ窓を画像化し、それにより、有効な行の数が１２０／２＝６０になる。３０フレーム／秒のグローバルフレームレートの場合、２／３００＝６ミリ秒の間に、ターゲットに同じエネルギーが送出されるべきであり、そのため、上述した先行する例に対して、平均及びピーク出力を半分にすることができる。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、図９に示すＬＩＤＡＲ測定デバイス９００は、プロセッサを更に備えることができ、プロセッサは、信号光子、又は熱によって発生したアバランシェ等の他のアバランシェの検出に応答して検出器アレイ９１０から信号を受信し、そうした受信信号に基づいてそれぞれのターゲットの明度を求め、ターゲットの求められた明度に基づいて、本明細書に記載するように、レーザサイクルの数、検出器に対する相関窓、検出器のストローブ窓、及び／又は背景除去／補正を動的に調整するように構成されている。
【０１１９】
図９のＬＩＤＡＲ測定デバイス９００は、パルス時間相関器９２５（本明細書では相関器回路とも称する）と、イベントカウンタ９５０ａ（本明細書ではカウンタ回路とも称する）及び時間積算器９５０ｂ（本明細書では時間積算器回路とも称する）を含む時間処理回路９５０と、飽和制御回路９５５と、アレイシーケンサ及び読出し回路９６０と、（オンチップ又はオフチップで設けることができる）プロセッサユニット９７０とを更に備える。いくつかの実施形態では、アレイシーケンサ及び読出し回路９６０は、ＬＩＤＡＲシステムのエミッタアレイ（及び／又は関連する制御回路）と協働して動作することができる。相関器回路９２５、カウンタ回路９５０ａ及び時間積算器回路９５０ｂについて、以下により詳細に説明する。
【０１２０】
本開示のいくつかの実施形態は、本明細書に記載するような相関器回路９２５及び／又は飽和制御回路９５５と組み合わせて、カウンタ回路９５０ａはアナログイベントカウンタとして実装され、及び／又は時間積算器回路９５０ｂはアナログ時間積算器として実装される、様々なアーキテクチャを提供する。例えば、図１０に示すように、ＳＰＡＤ１０１０は、パッシブクエンチ及び充電トランジスタ１００３に接続され、静的ＤＣバイアス電圧「ＶＱ」がＳＰＡＤ１０１０の充電又は「不動」時間を制御する。これは、２つのトランジスタグローバルシャッタ時間ゲート１０４７を介してアナログ計数電荷転送増幅器（ＣＴＡ：Charge Transfer Amplifier）回路１０５０ａに接続されている。ＣＴＡ回路１０５０ａは、主コンデンサ「Ｃ」を高リセット電圧ＶＲＴまで引くことによってリセットされる。ＣＴＡ回路１０５０ａは、入力ゲート電圧（この場合、ＳＰＡＤ１０１０のアノード電圧）が入力ソースフォロワの閾値電圧を超えて上昇することに応答して動作する。電荷は、主コンデンサ「Ｃ」から寄生コンデンサ「ＣＰ」まで流れ、寄生ノード上で電圧が上昇する。電圧の上昇により、ソースフォロワはカットオフ領域内に押し込まれ、電荷流は停止し、それにより、各入力パルスに対して主コンデンサから別個の電荷パケットが転送される。ＳＰＡＤ１０１０は充電を開始し、ＣＴＡ回路１０５０ａ内の下方のトランジスタ１０５１は、寄生容量を放電し、これは、印加される静的バイアス電圧「ＶＤＣ」がこのトランジスタを弱反転で閾値未満に維持することによって達成される。
【０１２１】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本明細書に記載する実施形態による、アナログカウンタ回路１１５０ａ及びアナログ時間積算器回路１１５０ｂを含む時間処理回路１１５０の動作を示すように例として提供される。関連するエミッタアレイのタイミング（レーザパルス）も示す。カウンタ回路１１５０ａは、コンデンサＣａの上に固定量の電荷を注入することによって動作する。したがって、コンデンサＣａにおける電圧（Ｖ＿ｅｖｅｎｔ＿ｃｏｕｎｔｅｒ）は、記録されたアバランシェの数に電荷量を掛けてＣａの静電容量で割った値である。アナログ時間積算器回路１１５０ｂは、アバランシェの開始時に異なるコンデンサＣｂへの電流の注入を開始し、グローバルに制御された時点で（例えば、基準タイミング信号に基づいて）停止することによって動作する。したがって、コンデンサＣｂにおける電圧（Ｖ＿ｔｉｍｅ＿ａｃｃｕｍ）は、流れる電流（Ｉ）に総積算時間を掛けてＣｂの静電容量で割った値に等しい。ピクセルは、サブフレームの最後に読み出され（Ｒｅａｄ＿ｐｉｘｅｌ＿ｃａｐｓ）、サブフレームに対してカウント値（ｎｕｍｂｅｒ＿ｏｆ＿ｅｖｅｎｔｓ）と到達時間の和（ｓｕｍ（ａｒｒｉｖａｌ＿ｔｉｍｅｓ））とを提供し、そこから、検出された光子の平均到達時間を推定することができる。
【０１２２】
本開示のいくつかの実施形態では、各ピクセルは２つのＳＰＡＤを備え、ＳＰＡＤは、それらのガードリングを備え、光学的にかつ電気的に隔離されている。アバランシェに応答するＳＰＡＤの出力の立上りエッジは、小型のピクセル内パルス時間相関器（ＰＴＣ）において時間相関する。立上りエッジが事前設定された又は調整可能な「相関時間」内に到達する場合、立上りエッジのうちの後の方が、イベントカウンタ及び時間積算器を備える時間処理回路に、比較的低いジッタで送信される。相関するアバランシェがない場合、いかなる信号も時間処理回路に到達しない。いくつかの実施形態では、エッジのうちの一方のみ（例えば、早い方のエッジ）が処理される。いくつかの実施形態では、両方のエッジが処理され、ピクセルにおいてイベントカウンタ及び時間積算器の２つの対応する組が実装される。いくつかの実施形態では、ＰＴＣは、２つの検出されたアバランシェが時間的に十分近接する（例えば、所定相関時間内にある）場合、１つの極性のデジタル信号のみを出力し、そうでない場合、他方の極性のデジタル信号のみを出力し、この相関信号は、相関するイベントの場合はタイミング及びイベント測定を可能にし、そうでない場合はこうした測定が発生しないようにするスイッチに対する制御としての役割を果たす。
【０１２３】
いくつかの実施形態では、デジタル回路が、時間積算コンデンサＣｂ及び／又はイベントカウンタコンデンサＣａに置き換わることができる。いくつかの実施形態では、相関器（例えば、９２５）の出力は、ストローブゲートの持続時間（例えば、１０メートル窓の場合は６６ナノ秒）と、通常、１２ビット〜１４ビットを必要とし、したがってピクセルのより多くの空間を占有する他のＬＩＤＡＲピクセルの場合より、著しく少なくすることができる（この例では５ビットのみが必要とされる）、測定についての必要な又は所望の時間分解能（例えば、２ナノ秒）との比に対応するダイナミックレンジを有する、時間デジタル変換器（ＴＤＣ）に供給される。ＴＤＣの出力は、ピクセルのメモリに記憶することができる。デジタルアキュムレータ（例えば、９５０ｂ）は、到達時間を加算する。同様に、デジタルカウンタ（例えば、９５０ａ）は、相関器（例えば、９２５）から出力される各相関イベントの後にインクリメントする。デジタル時間アキュムレータ及びデジタルイベントカウンタの値は、同様に、サブフレームの最後に読み出され、そこから、検出された光子の平均到達時間を推定することができる。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、イベントはメモリに、ストローブゲート持続時間と必要な又は所望の時間分解能との比に等しいビットの数の電信符号で記録される。例えば、ストローブゲートが６６ナノ秒であり、必要な又は所望の測定分解能が２ナノ秒である場合、各々に複数のメモリセルがある、３３のメモリビンが使用される。メモリセルの数は、時間ビン毎の予期される総カウントによって決定することができる。各到達に対して、適切なビンでのメモリ値がインクリメントされ、したがって、リアルタイムヒストグラムが生成される。いくつかの実施形態では、このメモリアレイへの入力は、直接ＳＰＡＤ出力ではなく相関イベントであり、したがって、無相関イベントが著しく少ない、はるかに「すっきりとし（cleaner）」かつ小さいヒストグラムとなる。メモリセルによって占有される領域は、実装における制限要因である可能性があり、したがって、（本明細書に記載する実施形態に従って相関器及び／又はストローブゲートを使用することにより）処理すべきイベントが著しく減少することが望ましい可能性があることが理解されよう。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、検出器アレイのピクセルにおける２つのＳＰＡＤ又はマイクロセルは、各々がガードリング内に封入される２つ以上のダイオードによって画定される。いくつかの実施形態では、それぞれ図１２Ａ及び図１２Ｂの平面図及び断面図に示すように、ピクセル１２００は、同心円状に配置された２つのダイオードＤ１及びＤ２を含み、例えば、第１の中心ダイオードＤ１が楕円形又は多角形であり、第２のダイオードＤ２が中心ダイオードＤ１を包囲する楕円形又は多角形のリングを画定し、したがって、ダイオードＤ１、Ｄ２の対によって占有される総ピクセル面積が縮小する。いくつかの実施形態では、２つのダイオードＤ１、Ｄ２をより十分に隔離するために、トレンチ又は注入構造体等の隔離構造体を形成することができる。より一般的には、第１のダイオードＤ１の周辺部又は周縁部に第２のダイオードＤ２を配置することができる。ダイオードＤ１、Ｄ２は、互いに十分に電気的にかつ光学的に隔離され、各々、本明細書に記載したような読出しノードを有する。いくつかの実施形態では、ピクセル１２００内に３つ以上の同心ダイオードを形成することができる。例えば、第３のダイオードは、ダイオードＤ２を包囲する楕円形又は多角形リングを同様に画定することができ、第４のダイオードは、第３のダイオードを包囲する楕円形又は多角形リングを画定することができ、以下同様である。
【０１２６】
いくつかの実施形態では、一ピクセルにおける２つ以上の相関するダイオードは、垂直に積層することができる。例えば、２つのダイオードＤ１、Ｄ２は、そのピクセルにおいて異なる接合部を使用して実装することができる。一例としてかつ一般性を失うことなく、ピクセル１３００は、図１３の断面図に示すように、Ｎウェル接合部（接合部１）へのソース−ドレイン拡散によって画定された一方のダイオードＤ１と、ディープＮウェル接合部（接合部２）へのＮウェルによって画定された他方のダイオードＤ２とを含むことができる。しかしながら、本開示の実施形態は、図示する接合構造体に限定されず、他の接合構造体を使用して、１つのダイオードにおけるアバランシェが第２のダイオードにアバランシェを誘起する可能性が低いように、十分な電気的隔離を提供することができることが理解されよう。いくつかの実施形態では、各ダイオードはそれ自体の読出し回路を有する。いくつかの実施形態では、ピクセル１２００、１３００又は他の構造体は単一の読出し回路を有し、そこでは、一方のダイオードのアバランシェは１つの電圧極性として読み出され、他方のアバランシェは第２の極性として読み出され、両方とも本明細書に記載したような読出し回路に供給される。それにより、ピクセル領域の縮小、したがって著しいピクセル領域の節約を達成することができる。いくつかの実施形態では、一ピクセルの２つ以上のダイオードは、ウエハ間ボンディングを介して適切な電気相互接続により積層される。適切な計算補正係数は、２つのダイオードの異なる検出可能性を考慮するように本明細書に記載するような処理回路によって作成することができる。
【０１２７】
本明細書に記載する信号及びゲート極性は、単に例として提供するものであり、本開示の実施形態による機能性を失うことなく変更することができることが理解されよう。時間処理回路（例えば、９５０）はカウンタ（例えば、９５０ａ）及び時間積算器（例えば、９５０ｂ）を備える。カウンタ及び時間積算器の両方を、フレーム毎に１回リセットすることができる。カウンタ及び時間積算器の両方を、飽和制御回路（例えば、９５５）によってディスエーブルにすることができる。
【０１２８】
図１４に、本開示による飽和制御回路例１４５５を示し、ここでその動作について説明する。図１４では、ピクセルに、ＤＣ電圧、Ｔｉｍｅ  ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ（時間飽和）及びＣｏｕｎｔ  ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ（カウント飽和）が提供される。比較器Ｘ１及びＸ２が、時間積算器１４５０ｂ及びイベントカウンタ１４５０ａそれぞれの電圧出力ＴＩ＿ｏｕｔ及びＥＣ＿ｏｕｔをモニタリングする。いずれかの電圧（ＴＩ＿ｏｕｔ又はＥＣ＿ｏｕｔ）が、外部電圧（Ｔｉｍｅ  ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ及びＣｏｕｎｔ  ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）によって設定された閾値に達すると、（飽和した）比較器回路Ｘ１、Ｘ２の出力が１に切り替わり、時間積算器１４５０ｂ及びイベントカウンタ１４５０ａの値を固定する。フレームの開始時、時間積算器１４５０ｂ及びイベントカウンタ１４５０ａは、それぞれのリセット信号によってリセットすることができる。外部Ｅｎｄ＿ｆｒａｍｅ信号がＯＲゲートＯ２に入力される。時間処理回路１４５０が飽和に達するか、又はＥｎｄ＿ｆｒａｍｅフラグが１である場合、データレディビットが１になる。いくつかの実施形態では、イベントカウンタ１４５０ａはアナログカウンタである。いくつかの実施形態では、イベントカウンタ１４５０ａはデジタルカウンタである。
【０１２９】
いくつかの実施形態では、ＰＴＣ（例えば、９２５）は、２つのＳＰＡＤ（例えば、９１０）の直接、反転又はバッファ出力であるその２つの入力が事前定義された又は所定の持続時間の時間（本明細書では「相関時間」又は「相関窓」とも称する）内に達した場合、相関信号として１つのバイナリデータを出力するように構成され、そうでない場合、別のバイナリ出力又は３ステート出力を出力するように構成される。いくつかの実施形態では、ＰＴＣは、検出器アレイの第１のＳＰＡＤ及び第２のＳＰＡＤの直接、反転又はバッファ出力を、エッジトリガ型Ｄフリップフロップのクロック入力及びデータ入力に提供することができる。
【０１３０】
図１５に、本開示によるパルス時間相関器（ＰＴＣ）回路例１５２５を示し、ここでその動作について説明する。本開示を通して、特定の実施形態ではゲートの極性を反転させることができる。図１５に示すように、ＰＴＣ１５２５は、検出器アレイ（例えば、９１０）の２つ以上のＳＰＡＤ（ＳＰＡＤ１、ＳＰＡＤ２）の各々のスイッチングノードの直接又はバッファ電圧を、それぞれのＡＮＤゲート（ＡＮＤ１、ＡＮＤ２）に直接または遅延素子（ＢＵＦ１、ＢＵＦ２）を介して提供する。いくつかの実施形態では、遅延素子ＢＵＦ１及びＢＵＦ２を通る遅延は、所望の相関時間に等しい。いくつかの実施形態では、遅延素子ＢＵＦ１及び／又はＢＵＦ２は、直列に接続された奇数のインバータとして実装することができる。いくつかの実施形態では、遅延素子ＢＵＦ１及び／又はＢＵＦ２は、直列に接続された偶数のインバータとして実装することができる。いくつかの実施形態では、素子ＢＵＦ１及び／又はＢＵＦ２によって提供される遅延は、外部回路を介して制御することができる。いくつかの実施形態では、素子ＢＵＦ１及び／又はＢＵＦ２によって提供される遅延は、複数の製造プロセス条件、供給電圧変動及び／又は温度（ＰＶＴ）にわたって所望のレベルを維持するように制御することができる。ＡＮＤゲート（ＡＮＤ１、ＡＮＤ２）からの出力（Ａ、Ｂ）は、ＯＲゲート（ＯＲ）及びＡＮＤゲート（ＡＮＤ）に供給され、それらは、それぞれエッジトリガ型Ｄフリップフロップ１５２０に対するＤａｔａ（データ）入力及びＣＬＫ（クロック）入力をそれぞれ発生させる。リセット信号（Ｒｅｓｅｔ）を使用して、フリップフロップ１５２０の出力がリセットされる。フリップフロップ１５２０は、そのセットアップ時間が、およそ、相関した検出に対応する最大相関時間以下であるように構成されている。いくつかの実施形態では、相関時間は、エミッタパルスのパルス持続時間より短い。いくつかの実施形態では、相関時間は、エミッタパルスのパルス持続時間より長い。ＰＴＣ回路１５２５は、データがその出力に伝播されるときにデータに低減した又は最小限のジッタを追加するように構成されている。
【０１３１】
図１６Ａ〜図１６Ｃに示す波形を含むタイミング図は、図１５に示すＰＴＣ回路１５２５の動作例を示す。図１６Ａ〜図１６Ｃでは、信号「Ｏｕｔ」は、本明細書では相関信号とも称する、ＰＴＣ回路１５２５の出力を指す。測定窓の最後に、信号Ｒｅｓｅｔによってフリップフロップ１５２０の状態がリセットされる。
【０１３２】
図１６Ａに示す波形を含むタイミング図は、検出信号ＳＰＡＤ＿１及びＳＰＡＤ＿２として出力される２つのＳＰＡＤ（ＳＰＡＤ１及びＳＰＡＤ２）におけるアバランシェの検出が、所定相関時間より長い、互いに対するラグタイムで発生する場合のＰＴＣ回路１５２５の動作を示す。検出信号ＳＰＡＤ＿１、ＳＰＡＤ＿２は、対応する検出器素子（ＳＰＡＤ１、ＳＰＡＤ２）におけるそれぞれの光子の到達時間を示す。バッファ（ＢＵＦ１、ＢＵＦ２）及びＡＮＤゲート（ＡＮＤ１、ＡＮＤ２）は、それぞれのアバランシェからの各検出信号ＳＰＡＤ＿１、ＳＰＡＤ＿２の立上りエッジを、相関時間に対応するパルス幅又は持続時間を有するパルス信号Ａ、Ｂに変換する。データ信号としてＯＲゲート（ＯＲ）からフリップフロップ１５２０に出力された信号Ａ＋Ｂは、パルス信号Ａ、Ｂがオーバーラップしないことを示す。ＣＬＫ信号Ａ×Ｂは、デジタル０をサンプリングし、Ｄフリップフロップ１５２０に提供され、ＰＴＣ回路１５２５によって発生する相関信号Ｏｕｔが０であり、ＳＰＡＤ１及びＳＰＡＤ２において検出されたそれぞれの光子の到達時間が相関していないことを示す。
【０１３３】
図１６Ｂに示す波形を含むタイミング図は、検出信号ＳＰＡＤ＿１及びＳＰＡＤ＿２として出力される２つのＳＰＡＤ（ＳＰＡＤ１、ＳＰＡＤ２）におけるアバランシェの検出がちょうど所定相関時間内で発生する場合のＰＴＣ回路１５２５の動作を示す。この場合、ＯＲゲート（ＯＲ）からデータ信号としてフリップフロップ１５２０に出力される信号Ａ＋Ｂは、パルス信号Ａ、Ｂがオーバーラップすることを示し、ＣＬＫ信号Ａ×Ｂの立上りエッジはデジタル１をサンプリングし、ＰＴＣ回路１５２５によって発生する相関信号Ｏｕｔが１であり、ＳＰＡＤ１及びＳＰＡＤ２において検出されたそれぞれの光子の到達時間が相関していることを示す。
【０１３４】
図１６Ｃに示す波形を含むタイミング図は、検出信号ＳＰＡＤ＿１及びＳＰＡＤ＿２として出力される２つのＳＰＡＤ（ＳＰＡＤ１及びＳＰＡＤ２）におけるアバランシェの検出が実質的に同時に起こる場合のシナリオを示す。この場合もまた、データ信号としてＯＲゲート（ＯＲ）からフリップフロップ１５２０に出力される信号Ａ＋Ｂは、パルス信号Ａ、Ｂがオーバーラップすることを示し、ＣＬＫ信号Ａ×Ｂの立上りエッジは、データ信号Ａ＋Ｂとともにフリップフロップ１５２０に提供される。フリップフロップ１５２０のセットアップ時間がゼロに設定されているため、データＡ＋Ｂは、依然として正確にサンプリングされ、ＰＴＣ回路１５２５によって発生する相関信号Ｏｕｔが１であり、ＳＰＡＤ１及びＳＰＡＤ２において検出されるそれぞれの光子の到達時間が相関していることを示す。
【０１３５】
本開示の実施形態による相関器回路の具体的な実施態様は、例として提供されており、そのように限定されるものではない。したがって、本開示の実施形態により、相関時間内でアバランシェが発生する場合には１つのタイプのバイナリ信号出力を提供し、相関時間内にいかなる２つのパルスも発生しない場合には別のバイナリ信号出力を提供する、他の相関器回路を実装することができる。
【０１３６】
いくつかの実施形態では、イベントの数及び時間の和は、コンデンサ（例えば、それぞれＣａ及びＣｂ）に電圧として蓄積される。
【０１３７】
いくつかの実施形態では、レーザサイクル毎に１回のＴＯＦ測定のみが行われる。いくつかの実施形態では、１つのレーザサイクルにおいて複数回のＴＯＦ測定が行われる。
【０１３８】
いくつかの実施形態では、一ピクセルに１つのイベントカウンタ及び時間積算器対のみ（例えば、９５０ａ及び９５０ｂ）が含まれる。いくつかの実施形態では、１つのピクセルにイベントカウンタ及び時間積算器の２つ以上の対が含まれ、時間及びイベントを記録するために１つの対がすでにトリガされた場合、次の対が使用される。
【０１３９】
いくつかの実施形態では、ローリングシャッタ読出し方式を使用して、一度に１行、ピクセルから電圧が読み出される。いくつかの実施形態では、グローバルシャッタ方式を使用して、一度に検出器アレイの全ての電圧が読み出される。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、関心領域（ＲＯＩ）が画定され、それにより、検出器アレイのサブセットのみが読み出される。
【０１４１】
いくつかの実施形態では、ピクセル内に、平均到達時間を導出するために積算時間とイベントの数との比を計算する回路が含められる。例えば、ピクセル内にギルバート（Gilbert）乗算器回路を統合することができる。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、読出し電圧は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を使用してデジタル化される。いくつかの実施形態では、ＡＤＣはオンチップである。いくつかの実施形態では、ＡＤＣはオフチップである。いくつかの実施形態では、読出しは、ボンディングチップ（例えば、読出し集積回路（ＲＯＩＣ））内にある。
【０１４３】
いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤアレイ（及びいくつかの実施形態では、ＣＩＳアレイ）を含むイメージングチップは、表面照射型である。いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤアレイを含むイメージングチップは、裏面照射型である。
【０１４４】
いくつかの実施形態では、オンチップ又はオフチップ処理ユニット（例えば、マイクロプロセッサ）は、ピクセル毎にイベントの数（電圧）に対する積算時間（電圧）の比を計算する。いくつかの実施形態では、処理ユニットは、全ての比を距離及び方位角−高さ座標に変換し、その結果を３Ｄ点群として記憶及び／又は表示する。
【０１４５】
本開示の実施形態の他の利点は、改善されたダイナミックレンジを含むことができる。ダイナミックレンジは、ＰＭＤを含む他の全てのモダリティに対する障害である可能性がある。以下、いくつかの計算例を提供するが、これらの例は非限定的であり、単に例示の目的で提供されることが理解されよう。
【０１４６】
ＬＩＤＡＲシステムに関する以下の例では、照明光子束（光子数／面積／時間）は、通常、距離の二乗として減少する（いくつかの場合、例えば、非発散ビームが使用される場合、照明光子束はおよそ一定のままであるが、これは、長距離ＬＩＤＡＲシステムに対する一般的な構成ではない）ことに留意されたい。したがって、２００ｍ離れたターゲットは、（５ｍが最短の所望検出距離であると想定すると）５ｍ離れたターゲットの（５／２００）２＝６．２５×１０−４倍で照明される場合がある。この例では、近い方のターゲットは鏡面反射体（１００％反射率）であり、遠い方のターゲットは、１０％の反射率を有し、ランベルト反射体である。検出器によって受け取られる反射パワーもまた、距離範囲の二乗となり、そのため、遠いターゲットからのエコーは、この場合もまた、近いターゲットからのエコーの６．２５×１０−４である可能性がある。したがって、周囲光を考慮する前であってもいくつかの積算検出器は、１：２５６０万のダイナミックレンジを扱う可能性がある。しかしながら、いくつかのイメージセンサでは、典型的な飽和容量は、約５０００〜１０００００である可能性がある（これらの仕様を満たすセンサは、１電子未満の読出しノイズで読み出すことができる場合、２５６０万電子の飽和容量が必要である可能性があり、これは可能ではない可能性がある）。サイクル毎に約５００光子の背景を追加する可能性がある太陽光の影響が含まれる場合、この問題は著しく悪化する可能性がある。
【０１４７】
対照的に、単一光子検出器を使用する本開示の実施形態は、ダイナミックレンジ問題を逆説的に（単一光子検出器は、ピンダイオード、ＡＰＤ、ＰＭＤ等より更に高い光子束を扱うことができるため、逆説的に）対処することができる。ＳＰＡＤに光子の大きいバーストが到達する場合、それには、単一光子と同じ効果があり、すなわち、ＳＰＡＤを放電する。ＳＰＡＤは、先行する光子によって放電されると、そのバーストにおける他の全ての光子に気付かない。多くの同時の光子は、相関対検出の確率を上昇させる可能性があるが、それ以外の点では、ＳＰＡＤの動作は影響を受けない可能性がある。したがって、本開示の実施形態は、特に、周囲光子が排除され、相対的に遠いターゲットの検出に感度が調整される場合、更なる利点を提供することができる。
【０１４８】
本明細書では、無相関光子が存在する場合の上述したピクセルによる質量中心の推定に対する更なる改善について説明する。以下の式では、ｔｃａｌｃはピクセルによって測定される時間であり、ｔｓｉｇｗｉｄｔｈ／２は、信号と相関するアバランシェの時間的広がりの半分であり、ｓ（ｔ）は、ｔｓｉｇｗｉｄｔｈ内の相関イベントの平均カウントレートであり、Ｓは、サブフレーム毎の相関イベントの総数であり、ｂ（ｔ）は、相関器を通過する無相関イベントの平均レートであり、Ｂは、サブフレーム毎に相関器を通過する無相関イベントの総数である。ｂ（ｔ）及びＢは、本明細書に記載するように、信号エコーを含まないストローブゲート中に、又はエミッタが発射していない間隔中に計算することができ、ｔｓは、（推定の目的である）ターゲットまでの現実の又は実際の飛行時間である。
【数４】
2021513087.tif 000006
式中、
【数５】
2021513087.tif 000007
である。平方根は時間的広がりである。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、アクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）ピクセル又はパッシブピクセルセンサ（ＰＰＳ）ピクセル等のＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）ピクセルを、ＳＰＡＤベース検出器アレイ内に統合することができ、ローリングシャッタ読出し又はグローバルシャッタ読出しのいずれかに使用することができるそれぞれのコントローラアレイを、同じダイに又は別個の読出し集積回路（ＲＯＩＣ）に設けることができる。図１７に、本開示のいくつかの実施形態による検出器サブアレイ１７１０を示す。この例では、ＳＰＡＤピクセル１７０２は、周囲のガードリング及び回路を備えるＳＰＡＤアクティブ領域１７０１を含む。検出器アレイ１７１０には、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）ピクセル１７０３もまた含まれる。したがって、検出器アレイ１７１０から２つの出力を発生させることができ、すなわち、一方は、（ＳＰＡＤ１７０２から出力される検出信号に基づく）３Ｄ点群であり、他方は、（ＣＩＳピクセル１７０３の出力に基づく）同じ視野のグレイスケールのアンダーサンプリングされた画像である。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、処理ユニットにより、ＣＩＳピクセル１７０３及びＳＰＡＤピクセル１７０２の出力を結合又は「融合」して、強度符号化３Ｄ点群を形成することができる。いくつかの実施形態では、別個の又は専用のイメージセンサデバイスが、モノクロ又はカラーの完全な画像を発生させることができる。いくつかの実施形態では、ＣＩＳピクセル１７０３からのアンダーサンプリングされた画像を、別個の又は専用のイメージセンサデバイスからの画像と融合することができ、アンダーサンプリングされた特徴は、別個の又は専用のイメージセンサデバイスからの画像に対する基準又は位置合わせ点としての役割を果たす。いくつかの実施形態では、この融合画像を、ＳＰＡＤピクセル１７０２によって発生する３Ｄ点群ともまた融合することができる。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤイメージャは、赤外線（ＩＲ）光子、例えば、１２００ｎｍより長い波長の光子に高感度であるイメージセンサとパッケージ化することができる。いくつかの実施形態では、赤外線イメージセンサをシリコンベースＳＰＡＤデバイスと接合して、可視光子はシリコンベースＳＰＡＤデバイスによって吸収されるが、（シリコンベース検出器は吸収することができない）赤外線光子はＩＲセンサまで通過するようにすることができる。こうした実施形態では、光学系は、両焦点面アレイの焦点が同時に合うことができるように十分に低い開口数及び／又は焦点深さを有することができること、及び／又は、いずれかの検出器（ＳＰＡＤ又はＩＲ）がシステムの焦点面にあり得るように調整可能な焦点を統合することができることが理解されよう。ＳＰＡＤデバイスにおけるメタライゼーションを、それによりＩＲ光子が接合されたＩＲセンサに達することができるように設計することができることも理解されよう。検出モジュール又はアレイの正面（又は入力）におけるフィルタを、可視範囲において、フィルタが、比較的狭いスペクトル帯域を透過させ、例えば、光９３０ｎｍ又は９４０ｎｍ波長の周囲の約１ｎｍ又は５ｎｍ又は２０ｎｍの透過帯域を有するように構成することができ、フィルタは、同時に、光のＩＲ波長に対してハイパスフィルタとして機能して、例えば図１８Ａのグラフに示すように、所望の１２００ｎｍを超える程度の広さの帯域を透過させることができることも理解されよう。
【０１５２】
図１８Ｂは、本開示の実施形態による集積された可視ＴＯＦ−ＩＲイメージセンサデバイス１８００の一例を示す。ＳＰＡＤダイ５（例えば、シリコンダイ）が、ウエハレベル又はダイレベルで、ＩＲ検出器ダイ又はウエハ６（例えば、ＩｎＧａＡｓダイ又はウエハ）と接合されている。ＳＰＡＤダイ５は、メタライゼーションライン２、ワイヤボンディングパッド１及び金属間誘電体を含む上部セクションを、フォトダイオード３を含む下部又は底部４とともに含む。ＩＲダイ６は、バックグラインドされた裏面照射型（ＢＳＩ）とすることができ、それにより、そのフォトダイオード７は、ダイ６の上部に面する側にある。いくつかの実施形態では、ＩＲダイ６は、バックグラインドされておらず、又は表面照射型である。ＢＳＩ  ＩＲセンサでは、メタライゼーションライン１０及びマイクロバンプを使用して、基板１１にＩＲアレイ６が電気的に相互接続される。いくつかの実施形態では、ワイヤボンド１２が、ＳＰＡＤアレイ５を同じ基板に相互接続する。いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤ検出器３からのアフターパルス率を十分に低く維持しながらＩＲ検出器７からの暗電流を十分に低いレベルまで低下させるために、熱制御を提供することができる。
【０１５３】
本開示のいくつかの更なる実施形態は、背景（ＢＧ）参照を用いる面積計算に基づいてＳＰＡＤピクセルに対する測定を遅延させるように仕向けられる。そのような実施形態は、（１）波長可変狭帯域バンドパスフィルタ、（２）検出器ストローブ又はゲート制御、特に飛行時間で変化するゲート幅、及び／又は、（３）計数を（例えば、周囲光源からの）背景光子と比較して（例えば、所望の光源からの）所望の信号光子に向かって偏らせる、（例えば、互いに対する所定相関時間内に到達する光子を検出する相関器回路を使用する）同時計数を含む、上述した特徴とともに、上述したように各ピクセル内部の飛行時間を計算するために使用されるアナログ又はデジタル回路（例えば、カウンタ及び時間積算器回路）と組み合わせて使用することができる。
【０１５４】
特定の実施形態では、背景光子（本明細書ではＢＧ又はｂｇ光子とも称する）が入るのを可能にするように構成される第２の「参照」チャネルを使用することができる。参照チャネルは、本明細書に記載するＶＣＳＥＬアレイ等、ＬＩＤＡＲシステム用のパルス光源によって放出される光信号の波長範囲外にある入射光子を検出するように構成された、１つ以上の単一光子検出器によって実装することができる。この参照チャネルは、背景光子のみに関連する統計値を推定し、それにより、「主」チャネル（信号＋背景）における飛行時間の推定値の補正を可能にするように構成されている。背景が増大すると、ＴＯＦ推定値は、ゲートの中心に向かって「引っ張られる」可能性があり、したがって、本明細書に記載する更なる実施形態による参照チャネルは、中心に向かう引張りを妨げるために使用することができるアナログ出力を提供する。
【０１５５】
いくつかの実施形態では、参照チャネルは、検出器アレイのそれぞれの単一光子検出器に入力光を提供するように配置される光フィルタによって実装することができる。光フィルタのうちのいくつかは、所望の信号波長及び背景波長の光を許可する透過帯域を有し、一方、他の光フィルタは、背景波長の光のみを許可する透過帯域を有する。すなわち、参照チャネルは、所望の信号光子の波長にない（すなわち、そうした波長に対応しない又は他の方法で透過を阻止するように構成されている）光バンドパスフィルタを含む。参照チャネルに所望の信号光子を与えない他の方法もまた実施することができる。いくつかの実施形態では、微細転写印刷を使用して、検出器アレイのそれぞれの単一光子検出器にそれぞれの光フィルタを適用することができる。
【０１５６】
本明細書においていくつかの例に記載するように、ＳＰＡＤは、極めて低いレベルの信号を検出するために使用することができる検出器の一例であり得る。しかしながら、ＳＰＡＤは、背景光子を含む、それが検出する全ての光子に対してイベントを登録することができる。これは、分析戦略が光子イベントの全てを使用する分析に依存する場合、信号を回復させることができた場合であっても、（光子イベントの全てをデジタル化／記録／分析するための）メモリ及び処理要件が、単一ピクセルに含めるには大きすぎる可能性があることを意味する。
【０１５７】
詳細に上述したように、本開示の実施形態は、本質的な情報（例えば、所望の信号光子の飛行時間を示す情報）を失うことなく、検出時点でのＳＰＡＤ出力のデータ負荷の低減を提供する光測距検出及び分析に関する。したがって、いくつかの実施形態は、全てのイベントを「動作中に」少数の「性能指数」に「統合する」ことができ、そこから、所望の飛行時間を推定することができる。
【０１５８】
例えば、いくつかの実施形態は、平均遅延（例えば、全てのＳＰＡＤアバランシェイベントからの飛行時間のヒストグラムの第１モーメント）を計算することができる。図１９は、アナログ時間処理回路例１９５０を示し、このアナログ時間処理回路例１９５０は、２つの量、すなわち（１）（例えば、コンデンサＣｂに積算された）全てのイベントのＴＯＦ（又はＴＯＡ）の和、及び（２）（例えば、コンデンサＣａに蓄積された）イベントの数のカウントを独立して計算することにより、平均飛行時間値を計算するように構成されている。この回路１９５０は、ＴＯＦを推定するのに好適である可能性があるが、背景光子（及び他の光源）により、検出イベントがレーザ信号エコーからではなくなる可能性があり、測定値にノイズを与えられる。したがって、追加の情報がなければ、回路１９５０によって発生する値は、場合によっては、所望の信号と背景光子とを同じ値に混合する可能性がある。
【０１５９】
したがって、いくつかの更なる実施形態は、所望の信号光子（例えば、レーザ信号エコー）に対応する値の抽出を改善することができる更なる情報を発生させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、主要チャネル＃１と同様のデバイスを使用して参照検出チャネル＃２を実装することにより、平均背景強度（及び遅延値）の独立した推定値を発生させることができる。参照検出チャネル＃２は、チャネル＃１と同時に／並列に動作することができ、又は、逐次／チャネル＃１の前若しくは後に動作することができる。チャネル＃２は、所望の信号光子を登録又は検出しないように構成されているという点で、チャネル＃１とは異なる。主要チャネル及び参照チャネルの両方において図１９に示す（ただし、（例えば、それぞれの光フィルタを使用して）異なる波長範囲に調整された）時間処理回路１９５０（又は同様の回路）を使用することにより、更なる実施形態は、主要チャネルから出力される値と参照チャネルから出力される値との関係に基づき、所望の信号光子を背景光子から識別することができる、検出分析を提供することができる。
【０１６０】
したがって、本明細書に記載するいくつかの更なる実施形態は、参照ＢＧチャネルを利用することにより積算器の平均によるピーク遅延のアナログ計算を可能にすることができる。このために、モンテカルロ分析を使用して、標準偏差（σ）が期待値（平均）の平方根に等しいガウス分布から引き出される確率変数として量を扱うことができる。この結果は、飛行時間の最も可能性の高い推定値とともにその推定値の分散に関して表すことができる。各（推定値及び分散）は、独立して変化する所望の信号（ｓ）及び背景（ｂ）の関数としてプロットされ、そこで、ｓ＝時間ゲート中の所望の信号光子の総数、及びｂ＝時間ゲート中の背景光子の総数である。
【０１６１】
図２０Ａ及び図２０Ｂは、時間ゲート（Ｔｇ、本明細書ではＴｇａｔｅとも称する）を横切る信号からの光子及び背景からの光子を識別する例を示す。所望の信号光子のみの平均遅延＜ｔ＞ｓを計算するために、本明細書に記載するようなアナログ回路は、所与の光検出器から、平均遅延＜ｔ＞及び総光子カウントＡを測定するように構成することができる。特に、２つのチャネルを使用することができ、すなわち、一方は、所望の信号光子及び背景光子の両方を含む帯域／波長範囲に対して光を取得するように構成されている検出器を備え、他方は、背景光子のみを含む帯域／波長範囲に対するものである。以下の式は、これらの測定値から、いかに信号の所望の量、平均遅延のみを導出することができるかを示す。
【数６】
2021513087.tif 000008
【０１６２】
図２１は、チャネル＃１における所与の数の信号光子及び背景光子に基づく、計算に対するノイズの追加を示すグラフであり、ここで、Ｓ＝所望の信号光子の量、及びＢ＝背景光子（又はダークカウント）の量である。（参照）チャネル＃２において、ランダムな数の背景光子カウントの数を引き出すことができ、すなわち、ｂ＿ｒｅｆ＝ｂ＋Ｘであり、ｂ＿ｒｅｆは必ずしもｂと同じ値ではない可能性があることに留意されたい。
【０１６３】
光子は、期待分布に従ってＴｇａｔｅにわたって分布される可能性があり、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６に対する値が計算され、ここで、ｂ＿ｒｅｆを使用してＭ５＝Ｍ３であり、ｂ＿ｒｅｆを使用してＭ６＝Ｍ４である。推定値は、以下の３つの異なる式に基づいて計算される。
【数７】
2021513087.tif 000009
【０１６４】
上記演算をＮ反復繰り返して、期待推定値と信号遅延ｔｓの不確実性とを生成することができる。したがって、本明細書に記載する実施形態によって背景ノイズが低減するため、ＴＯＦの計算の精度は向上することができる。パルス毎の光子を増大させるようにパルスパワーを増大させることにより、精度を更に向上させることができ、より多くのパルスを統合することにより、ＳＮＲを向上させることができる。
【０１６５】
（相関信号光子＋ＢＧ光子の集合体を検出するように構成される）「主」チャネルにおける飛行時間の推定値の補正のために、無相関背景（ＢＧ）光子を検出するように構成される単一光子検出器ベースの参照チャネルを含む実施形態では、システムは３つの形態で動作することができる。第１の形態では、背景カウントは、ピクセルにおける質量中心計算に対して与える影響が十分にごくわずかであるという意味でごくわずかである。第２の形態では、背景カウントは、本明細書に記載する背景収集動作を適用することができるほど十分に高く、信号レベルが十分に高い場合、動作は、十分に低い誤差で正確な距離を推定することができる。第３の形態では、背景レベルは、測定誤差に悪影響を与えるのに十分高いが、サイクルにわたる均一な背景カウントを示すには低すぎる。本明細書に記載するいくつかの実施形態では、第１の形態又は第３の形態で動作し、第２の形態を回避することが望ましい可能性がある。
【０１６６】
信号レベルが十分に高い場合に、システムを第３の形態から第１の形態にする１つの方法は、より多くの周囲光の検出を可能にすることである。これは、直観に反している可能性があり、その理由は、従来のイメージセンサでは、これにより、背景ノイズが増加し、したがって信号対雑音比が低下するためである。しかしながら、本明細書に記載するいくつかの実施形態による背景補正を採用するピクセル実施態様では、より高い均一性での背景光子の検出により、背景補正動作の誤差が低減する。
【０１６７】
したがって、本明細書に記載するいくつかの実施形態は、背景（無相関）光子の検出されたレベル、信号（相関）光子の検出レベル、及び／又は背景対信号光子の比に基づいて相関時間窓を調整する（例えば、増大又は低減させる）ように構成された処理回路（例えば、相関器回路９２５）を備えることができる。いくつかの実施形態では、無相関光子の増加は、より多くの非エミッタ信号（例えば、周囲光）が入るようにスペクトルフィルタ（例えば、波長可変フィルタ２１２）の帯域幅を増大させることによって達成することができる。いくつかの実施形態では、フレーム毎の無相関光子カウントの増加は、ピクセル内相関器の相関窓を広げることによって達成することができる。例えば、相関窓は、図１５のパルス時間相関器（ＰＴＣ）回路１５２５におけるバッファＢＵＦ１及び／又はＢＵＦ２の遅延を電子的に制御し、したがってパルス信号Ａ及び／又はＢの幅を変化させることによって変更することができる。相関時間が長くなると、より多くの無相関カウントをイベントカウンタ（例えば、１４５０ａ）及び時間積算器（例えば、１４５０ｂ）に渡すことができ、システムが第１の形態に遷移される。いくつかの実施形態では、無相関光子カウントレベルは、パッシブフレームにおいて（すなわち、エミッタが発射又は放出していない場合）、又は、ターゲット／反射がないストローブゲートにおいてモニタリング又は検出され、相関窓は、それに従って、無相関光子カウントレベルに応答して調整される。いくつかの実施形態では、相関窓は、検出器アレイの単一光子検出器に対してグローバルに制御される。いくつかの実施形態では、ストローブ窓は、検出器アレイの領域によって、すなわち、検出器アレイの第１の領域における検出器から出力された検出信号と、検出器アレイの第２の異なる領域における検出器から出力された検出信号とに異なる相関時間が適用されるように、制御される。いくつかの実施形態では、ストローブ窓は、検出器アレイの１つ以上のピクセルに対して制御される。
【０１６８】
すなわち、いくつかの実施形態は、（所定の又は所望の背景検出レベル、所定の又は所望の信号レベル、及び／又はそれらの比に基づくことができる）閾値に対する背景（無相関光子）検出レベルを決定することと、次いで、決定された背景検出レベルが閾値未満であるときに単一光子検出器のうちの１つ以上からの検出信号に適用される相関時間を調整する（例えば、増大又は低減させる）こととを含むことができる。これにより、より高い均一性での背景光子の検出が可能になり、それにより、本明細書に記載する背景除去／補正動作の精度を向上させることができる。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、相関器回路（例えば、１５２５）をバイパスすることができ、一方又は両方のＳＰＡＤからの信号は、積算及び計数コンデンサに直接送り込むことができる。例えば、信号及び／又は背景レベルが（例えば、１つ以上の検出器からの検出信号によって示されるような）或る特定の閾値未満になる場合、相関器回路をバイパスすることができる。このバイパスは、例えば、一般性を失うことなく、相関時間を非常に高く設定することによって達成することができる。このバイパスはまた、図１５のフリップフロップ１５２０のＤ入力を強制的にハイにすることによっても達成することができる。
【０１７０】
（相関信号光子＋ＢＧ光子の集合体を検出するように構成されている）「主」チャネルにおける飛行時間の推定値の補正のために、無相関背景（ＢＧ）光子を検出するように構成されている単一光子検出ベース参照チャネルを含む更なる実施形態では、いくつかの動作条件の下で、無相関光子カウントレート若しくは信号光子カウントレート又は両方が高すぎる場合がある。これは、無相関光子カウントレートが高すぎる場合に、信号光子が無相関光子の到達の後に単一光子検出器の不動時間内に入る／到達する著しい確率がある場合、信号光子の検出の確率が低下する可能性があるという点で、望ましくない可能性がある。逆に、信号光子カウントレートが高すぎる場合、信号光子の到達の後（及び更にその後）の不動時間内の無相関光子の検出の確率が均一でない可能性があり、したがって、背景除去／補正動作により、信号到達時間の十分に正確な推定値が提供されない可能性がある。言い換えれば、検出されている無相関光子が多すぎる場合、単一光子検出器は、検出器の後続する不動時間内に到達する信号光子を検出しない可能性があり、一方、検出されている信号光子が多すぎる場合、無相関光子が不均一に検出される可能性がある。これらの動作状態の両方が発生する場合、上述した問題の両方が発生する可能性がある。しかしながら、場合によっては、距離推定誤差を低減させるか又は最小限にする最適な又は他の意味で所望の数のイベントが、信号光子カウントレベル、背景光子カウントレベル及び／又はそれらの組合せの関数であり得るため、検出されるイベント又は光子カウントレートの数に対してグローバルな及び／又は静的な制限を加えることは望ましくない可能性がある。
【０１７１】
いくつかの実施形態では、動的イベント飽和閾値を使用して、距離計算に対してサブフレーム内のイベントの数を調整し、例えば、システムを上述した第３の形態から第１の形態に遷移させることができる。例えば、一般性を失うことなく、図１４の飽和制御回路１４５５における比較器Ｘ２に供給されるＣｏｕｎｔ  Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ信号は、（ｉ）先行するサイクルで、（ｉｉ）別のピクセルで、又は（ｉｉｉ）先行するサイクル及び別のピクセル両方で測定された、信号及び背景光子カウントレベルに基づいて調整することができる。いくつかの実施形態では、ピクセルの外部のコントローラが、制御サイクルから、背景及び信号＋背景光子カウントの数を示す信号を受信し、測定値により改善された距離推定性能が提供されるように、ルックアップテーブル又は関数に基づきＣｏｕｎｔ  Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ信号レベルを設定することができる。いくつかの実施形態では、ピクセルにおけるＳＰＡＤ（又は他の単一光子検出器）の不動時間は、アクティブ充電回路（例えば、９０３）を制御することによって調整することができ、それにより、より多くの又はより少ないアバランシェが相関器回路（例えば、９２５）に入るか又は他の方法で提供されるのを可能にする。いくつかの実施形態では、検出器の単一光子検出確率は、例えば、ダイオード（例えば、ＳＰＡＤ１及びＳＰＡＤ２）によって観察される電圧オーバーバイアスを調整することにより、調整される。こうした機構は、ピクセル毎に又はピクセル群に対して動作することができる。
【０１７２】
すなわち、本明細書に記載する動的に制御されたＬＩＤＡＲ用途における単一光子検出器のいくつかの実施形態では、例えば、（例えば、先行するサイクル、別のピクセル又は両方からの信号及び背景レベルに基づき）本明細書に記載する飽和制御回路に対する閾値を変更することにより、及び／又は本明細書に記載するアクティブ充電回路を制御することによって単一光子検出器の不動時間を変更することにより、光子カウントレートを調整する（増大又は低減させる）ことができる。計数される無相関光子が多すぎる場合、検出器は、先行する無相関光子の到達の後の「不動時間」内に到達するいくつかの信号光子を検出しない可能性があり、又は逆に、単一光子検出器をトリガする信号光子が多すぎる場合、無相関／背景レベルの検出が不均一である可能性があり、本明細書に記載する背景除去／補正方法が正確でない可能性があるため、光子カウントレートを調整することができる。
【０１７３】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するようなピクセル内補正は、相関窓にわたる信号光子のそれぞれの到達時間（ＴＯＡ）の分布の質量中心の計算を含むことができる。相関窓をパルス幅に関して狭く設定することにより、相関器を通過する無相関光子の数を減少させることができるが、いくつかの信号アバランシェを喪失するか又は測定し損なうことになる可能性がある。窓をパルス幅に対して広く設定することにより、より多くのアバランシェの測定を可能にすることができるが、何らかの背景アバランシェを含む可能性がある。すなわち、この場合、より多くの無相関対が測定される可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、測定された背景及び信号カウントレートに応答して、相関窓の持続時間を動的に（ピクセル毎に又はピクセル群毎に）調整することができる。
【０１７４】
本明細書で考察するように、いくつかの実施形態は、検出の時点で単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）のデータ負荷を低減させることにより、無相関アバランシェの数を減少させることに基づいて（すなわち、パルスレーザ光源に無相関である光子に応答して）動作することができる。こうした無相関アバランシェは、（例えば、熱放射又はトンネリングに起因して）ＳＰＡＤデバイス自体からもたらされる可能性があり、及び／又は、本明細書では概して背景光子と称する、ＬＩＤＡＲエミッタによって放出される光信号の波長に対応しない光子（太陽光子、又は、他の非相関背景若しくは周囲光等、他の外部光源からの光子等）の吸収からもたらされる可能性がある。直接飛行時間システムでは、この非相関背景光は、正確な光子飛行時間の計算に、そのためターゲットの距離の計算に与える影響が比較的軽微である可能性がある。しかしながら、いくつかの実施形態では、例えば、平均到達時間（ＴＯＡ）の計算に基づく距離計算の場合、影響はより深刻である可能性がある。測定された到達時間（ＴＯＡ）に対する無相関アバランシェの影響は、到達時間が収集される時間窓の中心に向かう傾斜である可能性がある。
【０１７５】
無相関又は非相関アバランシェ（本明細書では一般性を失うことなく背景アバランシェとも記載する）が存在する場合、多くのパルスサイクルにわたる積算の後、（１つ以上の光検出器を備えることができる）本明細書に記載するピクセル素子（又は「ピクセル」）によって測定されるＴＯＡは、
【数８】
2021513087.tif 000010
である可能性があり、式中、ｋは、測定シーケンス（例えば、レーザパルスサイクル）内の時間ビンの指数であり、ｍは、一シーケンス内の時間ビンの総数であり、ｔｓｉｇ，ｋは、（従来、簡単のためかつ一般性を失うことなく、（例えば、パルスの立上りエッジに基づいて）レーザパルス励起の時点として取得される）基準時点に対する、信号光子到達時間の第ｋ時間ビンの到達時間であり、ｎｋは、第ｋ時間ビンに記録された信号（背景ではない）アバランシェの数であり、（ｔｗｉｎ，ｍｉｄ）は、アバランシェのシーケンスが記録される時間帯の中心の時点又はそれに対応する時点であり、ｎｂｇは、総積算時間中に記録された背景アバランシェの総数であり、ｎｂｇ＋ｓｉｇは、積算時間中に記録された信号アバランシェ及び背景アバランシェの総数である。
【０１７６】
しかしながら、以下のように（平均）信号光子のＴＯＡを測定することが望ましい場合があり、
【数９】
2021513087.tif 000011
式中、ｎｓｉｇは、信号アバランシェ（信号光子によって発生するアバランシェ）の総数である。本明細書に記載する例では、アバランシェの間の平均時間は、ＳＰＡＤの不動時間と比較して比較的大きい可能性があり、測定範囲内の背景アバランシェの数の変化は、アバランシェを誘起する信号光子の確率に対してそれほど影響を与えない可能性がある。
【０１７７】
いくつかの実施形態では、本明細書で言及するアバランシェ時間は、個々のＳＰＡＤ検出器から出力される検出信号によって示されるアバランシェの時間であり得る。いくつかの実施形態では、本明細書で言及するアバランシェ時間は、本明細書に記載する相関器回路（例えば、９２５、１５２５）によって規定されるようなかつそこから出力される相関信号によって示される相関時間内に発生する、アバランシェの相関する対のうちの一方又は両方の時間であり得る。
【０１７８】
本明細書に記載する更なる実施形態は、２つの隣接する時間帯又は距離部分範囲にある又は他の方法でそこで検出される光子到達時間に関する。時間帯又は距離部分範囲の境界を交互にするか又は他の方法で調整する方法及び回路について説明する。
【０１７９】
本明細書に記載するいくつかの実施形態によれば、背景補正されたＴＯＡは、以下の式によって計算することができる。
【数１０】
2021513087.tif 000012
【０１８０】
本明細書に記載するいくつかの実施形態は、背景アバランシェからもたらされる誤差を補正する計算が実施される方法及び回路を提供する。いくつかの実施形態で記載するピクセルは、アバランシェ計数コンデンサ又は回路（例えば、９５０ａ）と、時間積算コンデンサ又は回路（例えば、９５０ｂ）とを含むことができる。これらのコンデンサ又は回路を更に使用して、ピクセル内相関器（例えば、９２５）をバイパスすることにより非相関アバランシェの時間を計数及び積算することができる。
【０１８１】
いくつかの実施形態では、１つ以上のアクティブ取得フレームの間にパッシブ取得フレームを散在させることができる。アクティブ取得フレーム（本明細書ではアクティブフレームとも称する）は、ＬＩＤＡＲシステムのパルスレーザがアクティブであるフレームを指すものとする。パッシブ取得フレーム（本明細書ではパッシブフレームとも称する）は、ＬＩＤＡＲシステムのパルスレーザが非アクティブであるフレームを指すものとする。
【０１８２】
いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤ検出器アレイにおいて、パッシブ取得ＳＰＡＤ（本明細書ではパッシブＳＰＡＤとも称する）又は他の光検出器を散在させることができ、パッシブＳＰＡＤは、放出レーザの波長の光子（すなわち、信号光子）を検出するようには構成されていない。いくつかの実施形態では、パッシブＳＰＡＤのアクティブ受光領域の上部に、光フィルタを堆積させるか又は他の方法で設けることができ、パッシブＳＰＡＤを透過する背景光子の割合は、アクティブＳＰＡＤに突き当たる背景光子の割合に比例する。いくつかの実施形態では、パッシブＳＰＡＤは、例えば金属層により、外部照明から光学的に隔離することができ、非光学的背景アバランシェに対する補償を行うことができる。
【０１８３】
本明細書では、パッシブ取得フレームに関する方法及び回路について説明する。アクティブＳＰＡＤで同様の方法を使用することができ、それにより、補正が、信号取得と連続して又は順次ではなく同時であり得ることが理解されよう。
【０１８４】
再度図９の回路を参照すると、一般性を失うことなく、検出器アレイ９１０のピクセルを特定の又は所定のフレームレートで動作させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、フレームレートは、１０フレーム／秒であり得る。いくつかの実施形態では、フレームレートは、２０フレーム／秒であり得る。いくつかの実施形態では、フレームレートは、３０フレーム／秒であり得る。各アクティブフレーム中、レーザパルスのシーケンスが（例えば、ＶＣＳＥＬアレイ２１５によって）放出され、それらのエコーは、ピクセルにおいてかつピクセルのアレイにおいて処理されるアバランシェを発生させる可能性がある。一例としてかつ一般性を失うことなく、所定の又は所望の数のアクティブフレームに対して１回、パッシブフレームはアクティブフレームに置き換わることができる。パッシブフレーム中、レーザドライバトランジスタ／回路は、パルスを放出するようにレーザを駆動することはできない。
【０１８５】
いくつかの実施形態では、各フレームは複数のサブフレームを含むことができる。各サブフレームは、ＬＩＤＡＲシステムによって画像化することができる距離範囲の一部である距離範囲に対応する、完全なフレームの一部にわたる。
【０１８６】
いくつかの実施形態では、１つ以上のサブフレームがパッシブモードで操作される部分パッシブフレームが、上記説明のパッシブフレームに置き換わることができる。例えば、部分パッシブフレームが、所定の又は所望の数のアクティブフレーム毎に１回アクティブフレームに置き換わることができる。他のフレームに対する背景カウントは、パッシブサブフレームに対するそれらの相対持続時間に比例して、パッシブサブフレームの測定された背景カウントから外挿することができる。例えば、パッシブサブフレームが、３００ｎｓ続き、１００カウントを計数する場合、６００ｎｓ続く別のサブフレームは、外挿された２００の背景カウントを受け取ることができる。
【０１８７】
背景補正されたＴＯＡ（ＴＯＡｂｇ＿ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ）を参照すると、処理ユニット９７０によって以下のパラメータ（非網羅的リスト）を処理することができる。ＴＯＡｍｅａｓは、各アクティブサブフレームの最後における積算時間の計数されたイベントに対する比（既知の又は決定された係数によってスケーリングされている）であり、ｎｂｇ＋ｓｉｇは、各サブフレームの最後におけるイベントカウンタの出力であり、ｔｗｉｎ，ｍｉｄは、現サブフレームの時間帯の中間の既知の又は所定の時間であり、ｎｂｇは、上述したように、パッシブサブフレーム中のイベントカウンタの出力、又は別のパッシブサブフレームに基づく外挿されたカウント数であり、ｎｓｉｇ＝ｎｂｇ＋ｓｉｇ−ｎｂｇは、各アクティブサブフレーム中のカウンタ出力と同じピクセルに対する最後のパッシブサブフレームカウンタの値との計算された差であり、この値は、（複数のサブフレームに対して）非一時的メモリ又はメモリアレイに記憶し、同じサブフレームのパッシブ出力が取得される度に置き換えることができる。
【０１８８】
プロセッサユニット９７０によってパラメータが取得されると、プロセッサユニット９７０は、上記式に従って背景補正されたＴＯＡ（ＴＯＡｂｇ＿ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ）を計算するように構成することができる。プロセッサユニット９７０は、いくつかの実施形態ではマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサによって実装することができる。
【０１８９】
本明細書に記載する更なる実施形態は、ＳＰＡＤピクセルにおいて背景除去を提供することができ、これは、背景の測定が信号の測定からいかに分割されるかに基づいて信号及び背景が単一ピクセルにおいて一時的に分離される実施形態とは異なり得る。特に、信号の測定と背景の測定とが時間的に分離される（例えば、１つのサイクル中、エミッタがアクティベートされレーザパルスを発射し、戻されるデータが「信号」（「Ｓ」）又は「信号＋背景」（「Ｓ＋ＢＧ」）であるとみなされ、次のサイクル中、エミッタがディスエーブルされ、測定が「背景のみ」（「ＢＧ」）であるとみなされる）のではなく、本明細書に記載する更なる実施形態は「二重ピクセル」を提供し、それにより、単一ピクセル素子が、並行して同時に動作する２つの別個の検出チャネルを備える。
【０１９０】
図２３に、本開示の実施形態による二重ピクセル素子例２３１０を示す。図２３に示すように、検出器素子２３１０ａは、信号＋ＢＧ光子が通るのを可能にし、かつそれを検出するように構成される、チャネルのうちの１つを画定する。検出器素子２３１０ｂは、ＢＧ光子のみが通るのを可能にし、かつそれを検出する（すなわち、所望の信号光子／光の波長の検出を排除する）ように構成される、他のチャネル２３１０ｂを画定する。検出器素子２３１０ａ及び２３１０ｂの各々は、入射する光子のそれぞれの到達時間及び／又は強度を示すそれぞれの検出信号を出力するように、単一の検出器（例えば、ＳＰＡＤ、ＡＰＤ等）又は検出器の組合せとして実装することができる。いくつかの実施形態では、（図示するピクセル素子２３１０の「サブピクセル」とみなすことができる）図２３における検出器素子２３１０ａ及び２３１０ｂは、上述した実施形態に従って相関アバランシェイベントを生成／検出することができる一対のＳＰＡＤとして実装することができる。
【０１９１】
検出器素子２３１０ａ及び２３１０ｂによってそれぞれ画定される２つの同時に動作するチャネルＳ＋ＢＧ及びＢＧの識別は、様々な方法及びデバイスによって実施することができる。本明細書に記載するいくつかの実施形態は、光バンドパスフィルタを使用することができ、そこでは、１つのチャネルＳ＋ＢＧに対する検出器２３１０ａは、エミッタの波長で開放し（すなわち、エミッタの波長の光を許可するように構成され）、したがって、信号光子が通過するのを可能にするバンドパスフィルタを備え、別のチャネルＢＧに対する検出器２３１０ｂは、信号光子の通過を遮断する（すなわち、エミッタから出力される波長を有する光子／光をフィルタリングするように構成された透過帯域を有する）が、非信号背景光子（例えば、太陽光を含む、背景又は周囲光源からの光子）が、（信号に加えて）他方のチャネルＳ＋ＢＧを通過するように期待される背景光子の量に線形に関連する量で通過するのを可能にするように構成される、（図２３において光フィルタ２３１２として示す）異なる光バンドパスフィルタを備える。これらの２つのチャネルＳ＋ＢＧ及びＢＧを同時に動作させることにより、信号光子及び背景光子の両方の同時収集を具現化することができる。
【０１９２】
信号と背景との時間多重化と比較した図２３の実施形態のいくつかの利点としては（限定されないが）、信号の積算時間の増大（「ＢＧのみ」収集に切り換える時間が「浪費」されないため）を挙げることができ、Ｓ＋ＢＧ及びＢＧの同時サンプリングにより、各チャネルからのアナログ信号をリアルタイムに除去することができる他の電気的実施形態が可能になる。いくつかの不都合としては（限定されないが）、（同じサイズのアレイに対する）ピクセルカウントを減少させ（同じピクセルカウントを達成するための）アレイの領域を増大させる可能性がある、焦点面におけるピクセル毎の追加の「リアルエステート（real estate）」すなわち領域（例えば、より大きいフットプリント）、２つのサブピクセルのいずれか又は両方に適用される異なる光バンドパスフィルタとを挙げることができる。いくつかの実施形態では、微細転写印刷技法を使用して、異なる光バンドパスフィルタを実装することができる。更なる実施形態では、フォトリソグラフィックマスキング法及びプロセスと組み合わせて標準的な光フィルタ堆積及び成長法により、異なる光バンドパスフィルタを実装することができる。
【０１９３】
図２４Ａ及び図２４Ｂは、本開示の実施形態による、２つのサブフレームにわたる可能性がある検出された光子の分布を補正する位相シフトの動作を示す。特に、場合によっては、ターゲットから反射されるレーザ信号エコーは、２つのサブフレームにわたる可能性がある。各サブフレームは、完全なフレームの一部にわたる可能性があり、各完全なフレームは、画像化されている距離範囲に対応する。各サブフレームはまた、検出器アレイのそれぞれのストローブ窓に対するデータも含むことができ、各ストローブ窓は、画像化されている距離範囲のそれぞれの部分範囲に対応する。図２４Ａにこうした到達（例えば、光子到達）のヒストグラムを示し、そこでは、水平軸は、基準時点（例えば、レーザ放出／発射）からの又は基準時点に対する時間のビンを表し、ＬＩＤＡＲシステムからの計算された範囲のビンを表すことができる。垂直軸は、各時間ビン（又は、画像化されている距離範囲の部分範囲）において収集されたカウント（例えば、光子カウント）の数を表す。
【０１９４】
到達時間（ＴＯＡ）の時間分布は、サブフレームの限界を超えて広がる可能性があり、各サブフレームは１つのストローブ窓に対するデータを含む。本明細書のいくつかの実施形態に記載するような（１つ以上の検出器を備えることができる）ピクセルは、ヒストグラムではなく、全ての積算されたアバランシェ時間にわたる平均を示すスカラ値を出力する可能性があるため、こうした分布により、実際の到達時間の平均の推定が誤ったものになる可能性がある。本明細書に記載するいくつかの実施形態は、こうした誤りを軽減することができる方法及び回路を提供する。
【０１９５】
特に、（本明細書に記載する制御回路のうちの任意のもの、例えば、１０５、２０５によって実装することができる）タイミング回路は、検出器アレイ（例えば、１１０、２１０）、例えば、ＳＰＡＤベース又は他の検出器アレイのサブフレーム又は部分範囲限界を、例えば、対応するストローブ窓のタイミング及び／又は持続時間を変更することによって制御するように動作可能である。これらの時間限界は、検出器アレイのＳＰＡＤデバイスが、アバランシェイベントに応答して光子を検出し検出信号を発生させるように充電／アクティベートされるときを指定する。いくつかの実施形態では、単一ターゲットからのエコーが２つのサブフレームにわたる場合に対処するために、サブフレーム限界の交互のパターンを採用することができる。いくつかの実施形態では、それぞれの検出器のサブフレームに対する時間限界は、例えば、限定されないが、アレイの異なる位置において異なる検出器に対して異なる範囲を提供することを含む、時間ゲート制御方式を使用して、アレイのそれぞれの検出器がアクティベートされる持続時間／ストローブ窓を変更することによって制御することができる。
【０１９６】
図２４Ａ及び図２４Ｂの例では、ターゲットは、アレイから１６１メートル（ｍ）の距離にある可能性があり、エコーは、１５９ｍ〜１６３ｍの距離に対応する時間に分散される可能性がある。第１のフレームは、１５０ｍ〜１６０ｍの距離に対応する第１のサブフレームと、１６０ｍ〜１７０ｍに対応する第２のサブフレームとを含むことができる。ピクセルは、第１のサブフレームに対して１５９ｍ辺りの第１のターゲットと、（図２４Ａに示すように）第２のサブフレームにおける１６２ｍ辺りの第２のターゲットとを計算することができるが、これらの計算はともに誤りを含む。
【０１９７】
本明細書に記載するいくつかの実施形態によれば、サブフレームの位相シフトしたシーケンスはタイミング回路によって駆動され、タイミング回路は、検出器アレイのストローブ窓のタイミング及び／又は持続時間を変更するストローブ信号を提供することができる。この例では、位相シフトしたフレームは、１５５ｍ〜１６５ｍ及び１６５ｍ〜１７５ｍの部分範囲を含み、（１５０ｍ〜１６０ｍの距離に対応する）第１のサブフレームに対してターゲットは計算されず、（図２４Ｂに示すように）１６１ｍの正確な距離にある（１６０ｍ〜１７０ｍに対応する）第２のサブフレームに対してターゲットが計算される。
【０１９８】
いくつかの実施形態では、タイミング回路は、サブフレーム境界を連続的に交互にするか又は他の方法で調整するように構成される。いくつかの実施形態では、タイミング回路は、フレームからフレームのサブフレーム境界を変更するように構成される。いくつかの実施形態では、タイミング回路は、隣接するサブフレームにおいてターゲットが特定される場合（及び／又はそういう場合のみ）サブフレーム境界を変更するように構成される。
【０１９９】
いくつかの実施形態では、サブフレーム境界を交互にする方法を使用して、エミッタアレイによって放出される所望の光信号からスプリアスノイズを識別することができる。説明として、背景又は周囲光レベルが完全に均一である場合、測定されるＴＯＡはサブフレームの中心となる。本明細書に記載するように境界を交互にする方法は、誤りをもたらす可能性がある（限定されないが）以下のシナリオに対処することができる。１つの例では、ターゲットは、サブフレームの中心に、例えば、完全に対称なノイズとして構築される可能性がある、サブフレームによってカバーされる範囲の境界から等しく間隔が空けられた距離に（例えば、上記第２のサブフレーム例では１６５ｍの距離に）位置する場合があり、したがって、ターゲットの検出は、ＬＩＤＡＲによって見落とされる可能性がある。本明細書に記載する実施形態により位相シフトしたフレームと交互になるとき、２つのターゲット（１つは１５５ｍ〜１６５ｍ位相シフトしたサブフレームにおけるターゲット、もう１つは１６５ｍ〜１７５ｍ位相シフトしたサブフレームにおけるターゲット）を特定することができ、検出器出力を受け取る処理ユニットは、ターゲットの正確な位置を推測することができる。同様に、ノイズは完全に対称でない可能性があり、例えば、ターゲットが１６６ｍの距離に存在することを示す間違ったターゲット読取がもたらされる可能性がある。本明細書に記載する実施形態による位相シフトしたフレームの間、１５５ｍ〜１６５ｍサブフレームにおいてターゲットが検出されず、１６５ｍ〜１７５ｍサブフレームにおいて平均距離が１６６ｍとなるためにより強力な偏りが必要とされる可能性があるため、この第１の読取は、処理ユニットにより、間違いであるとタグ付けするか又は他の方法で識別することができる。
【０２００】
図１〜図３を参照して上述したように、本明細書に記載するいくつかの実施形態は、通過帯域が、例えば、（温度モニタ２１３によって示されるような）エミッタの動作温度の変化に応答して、（例えば、アレイ１１５、２１５の）１つ以上のＬＩＤＡＲエミッタの発光帯域又は波長範囲に追従し、又はそれに対応するように他の方法で変更することができる、波長可変光フィルタ（例えば、波長可変フィルタ２１２、３１２）を製造しかつ動作させる方法に関する。可変光フィルタの調整は、制御回路による１つ以上のアクチュエータ素子（例えば、３４４）の作動によって実施することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上のアクチュエータ素子の作動に応答して所望の傾斜角度を提供するように光フィルタの傾斜を制御することにより、フィルタの光透過特性に影響を与えるか又はそれを変更することができる。例えば、傾斜角度が垂直入射角度に対して増大するに従い、より短い波長の光を透過させるようにフィルタを構成することができる。
【０２０１】
いくつかの実施形態では、図２５Ａ及び図２５Ｂに示すように、可変又は波長可変光フィルタ２５１２は、圧電アクチュエータ等のアクチュエータによって制御することができる。例えば、図２５Ａにおいて、光狭帯域フィルタ２５１２が１つ以上の電極２５０７、２５１１に機械的に結合されている。図２５Ａの例では、フィルタ２５１２は、フィルタ２５１２の両側に電極２５０７、２５１１を備える剛性基板（例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ））２５０８、２５１０に実装されている。代替的に、１つ以上の電極２５０７、２５１１は、例えば、スパッタリングにより、化学気相成長により、又は他の堆積方法によって、フィルタ２５１２自体に堆積させることができる。
【０２０２】
いくつかの実施形態では、基板２５０２、２５０４は、その電極２５１１、２５０７に面する面に少なくとも１つの電極２５０１、２５０１’、２５０６、２５０６’を備える。２つの電極２５０１’、２５０６’にインピーダンス測定回路２５０９が結合されており、インピーダンス測定回路２５０９に、電圧駆動回路２５０３が結合されている。電圧駆動回路２５０３は、２つの基板電極２５０１、２５０６に高周波（ＲＦ）電圧信号を提供する。ＲＦ信号は、浮遊ＰＣＢ電極２５０７、２５１１にかつ基板電極２５０１’、２５０６’に戻るように容量的に結合されている。インピーダンス測定回路２５０９は、両経路にわたって（例えば、２５０１→２５１１及び２５１１→２５０１’、又は２５０６→２５０７及び２５０７→２５０６’）インピーダンスを測定する。
【０２０３】
いくつかの実施形態では、実装されたフィルタ２５１２は、少なくとも１つのアクチュエータ２５４４を通して基板２５０２、２５０４に取り付けられている。例えば、図２５Ｂに示すように、実装されたフィルタ２５１２は、アクチュエータ２５４４としての２つの圧電結晶を通して基板２５０２、２５０４に取り付けることができ、アクチュエータ２５４４は、圧電駆動部２５１１により、インピーダンス測定回路２５０９からのインピーダンス測定値に基づいて制御することができる。
【０２０４】
制御回路２５０５が、入力として、インピーダンス測定回路２５０９から２つの測定インピーダンス、エミッタアレイから（例えば、温度モニタ２１３から）温度測定値、及び（角度の関数としてインピーダンスに対するエントリを有する）較正テーブルからデータを受け取ることができる。制御回路２５０５は、電極の対２５０１、２５１１／２５０６、２５０７の間の静電力を駆動し、又は、フィルタ２５１２の透過スペクトルがエミッタの発光スペクトルに追従するか又はそれに対応するように圧電段２５４４を作動させるように、電圧を発生させる。
【０２０５】
いくつかの実施形態では、較正プロセスを実施して、ルックアップテーブルを生成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、広帯域コリメート光源がフィルタを照明する間、圧電素子２５４４に電圧のシーケンスを印加することができる。フィルタの反対側の分光計が、透過スペクトルを測定することができる。インピーダンス測定回路２５０９は、フィルタ２５１２のいずれの側でもインピーダンスを測定することができる。λ０が垂直入射での波長であり、ｎｅｆｆが有効屈折率である場合、以下のような入射角θに対する透過波長λ（θ）依存性に対する式を用いて、
【数１１】
2021513087.tif 000013
各傾斜角度の関数としての測定インピーダンスを含むテーブルを生成することができる。いくつかの実施形態では、この較正は、複数の温度又は温度範囲に対して行うことができる。いくつかの実施形態では、正確な又は対応する傾斜角度に適合するために、インピーダンス測定値に温度補正係数を適用することができる。いくつかの実施形態では、較正テーブルは、制御回路２５０５がアクセス可能なメモリに記憶される。
【０２０６】
いくつかの実施形態では、発光波長の温度依存性、例えば、摂氏１度に対して０．０８ｎｍが既知であり得る。いくつかの実施形態では、動作中、温度センサ（例えば、２１３）が、エミッタアレイの温度を測定することができ、制御回路２５０５又は他の処理ユニットにこの情報を送信することができる。処理ユニットは、測定されたエミッタ温度に一致する傾斜角度に対応するインピーダンスの組を求めることができる。処理ユニットはまた、インピーダンス測定回路２５０９からも入力を受け取ることができ、圧電アクチュエータ２５４４のいずれかに対する駆動電圧を上昇させるか又は低下させるべきかを判断することができる。所望のインピーダンス値に達するまで、動作は継続することができる。
【０２０７】
いくつかの実施形態では、圧電素子の代わりに磁石を介して作動を実施することができ、傾斜力の大きさは、基板上のコイルを通る電流を調整することによって制御することができる。
【０２０８】
いくつかの実施形態では、コンデンサとして作用する電極の対の間の静電力を介して、作動を実施することができる。例えば、一般性を失うことなく、フィルタＰＣＢ２５０８、２５１０上の電極２５０７、２５１１を負に帯電させることができる。所望の傾斜を達成するために、フィルタ２５１２の一方の側の一対の電極の間の距離を増大させなければならない場合、負電荷が、フィルタ２５１２のその側の基板電極（複数の場合もある）２５０１又は２５０６に印加され、又はその逆もある。
【０２０９】
いくつかの実施形態では、機械的に作動を実施することができる。例えば、所望の傾斜をもたらすために、ねじの回転を利用して、フィルタ２５１２の一方の側を押すか又は引くことができる。
【０２１０】
本明細書に記載する更なる実施形態は、温度調整により可変又は波長可変光フィルタ（例えば、波長可変フィルタ２１２、３１２）の光通過帯域を調整することに関する。特に、光帯域通過フィルタの機械的位置を変更するのではなく（又はそれに加えて）、フィルタの光透過特性に作用するか又はそれを変更するようにフィルタの温度を変更することができる。こうしたシステムを具現化するために、エミッタの波長の変動に従って、波長可変光フィルタの所望の温度を設定及び変更することができるような、光通過帯域の温度係数を特徴付けかつ（例えば、較正プロセスを介して）知ることができる。光フィルタは、通常、温度に対する、小さくはあるが幾分かの依存性を有する。この依存性は、複雑である可能性があり、（限定されないが）薄膜フィルタの材料の密度及び屈折率の変化とともに、熱膨張からもたらされる積層体の層（例えば、薄膜層）の物理的な厚さの変化を含む、様々な影響からもたらされる可能性がある。多くの誘電体フィルタの温度係数は、エミッタの温度係数未満である可能性があり（例えば、ＶＣＳＥＬの場合、０．０６ｎｍ／度）、温度調整された光バンドパスフィルタは誘電体積層体に基づくことができる。
【０２１１】
本明細書に記載する実施形態による温度波長可変光フィルタを提供する別の手法は、受光器／検出器におけるバンドパスフィルタとしてエミッタに使用されるものと同じ材料の組（例えば、エミッタＶＣＳＥＬの出力カプラ分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と同じ材料）を組み込むことであり得る。例えば、いくつかの実施形態では、温度波長可変光フィルタは、（所望の光子波長、例えば９４０ｎｍに対する透過性を可能にするのに十分大きいバンドギャップを有する）ＧａＡＳ基板の上部に堆積する、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ  ＤＢＲであり得る。この温度により調整されるバンドパスフィルタにおいて、（例えば、エミッタアクティブ領域に関して）同じ材料及び設計が使用されるため、光フィルタの特性は、エミッタと同様に温度によって変化する。本明細書に記載するいくつかの実施形態は、２つ（エミッタ及び受光器／検出器バンドパスフィルタ）をパッシブに熱的に結合することができ、可変光バンドパスフィルタの温度を、エミッタの温度と等しく（又は、エミッタの温度に対して一定のオフセットで）維持することができ、受光器／検出器のフィルタの通過帯域は、エミッタの波長によって変化する。
【０２１２】
図２２を参照して、相関及び背景補正に関連する更なる実施形態について以下に説明する。特に、相関器回路は、一対のアバランシェイベントが、相関器回路によって指定される所定の相関時間又は時間窓内で発生する場合にのみ、相関信号を発生させるように構成することができる。図２２に示すように、本明細書における実施形態を使用して、以下の２つのタイプの相関信号出力を識別することができる。すなわち、信号光子「ｓ」である入力アバランシェのうちの少なくとも１つに応答して発生した検出信号からもたらされる信号出力（α又は「アルファ」と示す）と、背景光子「ｂ」のみからもたらされる入力アバランシェイベント対に応答して発生した検出信号からもたらされる信号出力（β又は「ベータ」と示す）とである。
【０２１３】
計算された平均到達時間は、背景光子の検出によって汚染される可能性がある。相関器出力にわたる計算された平均到達時間（ｔｍｅａｓ１）は、以下のように他の確率変数（Ｒ．Ｖ．）の関数である確率変数であり得る。
【数１２】
2021513087.tif 000014
【０２１４】
ｔｍｅａｓ１における変数の各々が確率変数であり得る。ｔｍｅａｓ１の分布を求めることは、（１）モンテカルロ方式でｔｍｅａｓ１を繰り返し計算し、（２）式１の右辺（ＲＨＳ）における４つのＲ．Ｖ．の各々の分布に対して解析式を代数的に結合することにより、実施することができる。ＲＨＳの変数の分布に対する式は、以下のこれらの選択肢の両方に対して提供される。
【０２１５】
これらの確率変数の各々に対して分布をモデル化する１つの方法は、ガウス正規分布による。これを行うための基本は、中心極限定理であり、それは、任意の多数の確率変数の和を決定する分布がガウスであることを示す。中心極限定理の条件は、一般に、上記確率変数において満たすことができる。各確率変数に対する分布の平均値は、
【数１３】
2021513087.tif 000015
とすることができ、式中、ｔｔａｒｇｅｔ＝実際の飛行時間、ｔｐ＝パルス幅であり、ｐα、ｐβ及びＮｏｐｐは、以下に定義する。上記式２は、ガウス分布（期待値）を定義するパラメータの半分を提供する。これらのガウス分布に対する標準偏差がいかにあるべきかを決定することが困難である可能性があるため、以下の説明は、各確率変数を個々に見てその分布を決定する解析関数を求める。
【０２１６】
上述したように事例α又はβに対応する１つのフレームにわたる積算の後の（所与のストローブゲート内の）相関器出力の総数である確率変数Ｎα及びＮβを使用して、何らかの数のイベントが発生する確率分布は、各個々のイベントに対する確率が「ＩＩＤ」（独立同分布）であると想定して、ベルヌーイ過程であり得る。相関器の「ベータ出力」の確率を同様にみなすことができ、すなわち、積算の過程にわたり、ベータイベントの発生に関して相関器が相関信号を出力するＮｏｐｐ＝＃回の機会があり得る。言い換えれば、相関器における１つの時間窓の期間にわたり、２つの可能性、すなわち、ベータ相関イベントを報告することができるか否か、があり得る。相関器出力に対する機会の数、すなわちＮｏｐｐは、以下のように、総積算時間を時間窓持続時間で割った値に等しくなければならない。
【数１４】
2021513087.tif 000016
ベルヌーイ過程に対する条件が、相関器出力のこの解釈によって満たされる場合、ベルヌーイの成功の数の確率分布に対する式を使用して、以下のように、相関器のベータ出力総数を記述することができ、
【数１５】
2021513087.tif 000017
ここでは、各機会におけるベータ出力の確率は、以下のように、時間窓の間に発生する２つ（又はそれより多い、ｋ≧２）イベントのポアソン確率によって与えられ、
【数１６】
2021513087.tif 000018
ここで、時間窓の間の（ＢＧ光子からもたらされる）アバランシェ到達の期待数は、以下のように、平均ｂｇ光子到達率ｂと相関器時間窓の持続時間ｔｗｉｎとの積である。
【数１７】
2021513087.tif 000019
ベータ出力（すなわち、２つのＢＧ光子のみの間の一致）は、上記例において対処される。アルファ出力の場合、いくつの機会があるかと、信号及び背景の組合せを考慮するアルファ出力に対して、相関器出力の確率がいかに異なるかとを再検査することができる。
【０２１７】
アルファ出力のみ（すなわち、ｓ＋ｓ、ｓ＋ｂ、ｂ＋ｓのみ）に焦点を合わせ、ベータ出力（ｂ＋ｂ）は排除するのではなく、いくつかの実施形態は、全てのあり得る相関器出力に対する確率分布を計算し、その後、ベータ出力のみに関連する確率を減算することができる。
【０２１８】
信号が役割を果たすときのイベントの総数に焦点を合わせて、あり得るイベントの数を、パルスエコーの戻り内（すなわち、パルス幅の内側のみ）の時間にのみ制限することができる。いくつかの例では、相関時間窓がパルス持続時間より短い（ｔｗｉｎ＜ｔｐ）場合のみを考慮することができる。この場合、（パルスがゲートにあると想定して）ゲート期間毎にこれらの機会が（ｔｐ／ｔｗｉｎ）回あり得る。したがって、ここで、（アルファ出力又はベータ出力のいずれかに対する機会の数は以下の通りである。
【数１８】
2021513087.tif 000020
同様に、これらの機会のうちの一方の間の相関信号の確率は、以下のように、上述したものと同様の形式に従うが、
【数１９】
2021513087.tif 000021
この機会の間の光子到達の期待数は、より高い信号光子到達率に従って高くなる可能性がある。
【数２０】
2021513087.tif 000022
そのため、パルスの期間のみからもたらされる（アルファ又はベータ）相関器出力の数に対する確率分布は、
【数２１】
2021513087.tif 000023
となる可能性があり、式中、βｐは、ゲート中の他のいかなる時間とも対照的に、そのパルスの間に発生するベータ相関のみを指す。
【０２１９】
アルファ出力のみの数に対するＰＤＦ（確率密度関数）が望まれる可能性があり、これに対する式は、そのパルスのみの間に発生するベータイベントの数Ｎβｐに対するＰＤＦを計算することによって求めることができる。
【数２２】
2021513087.tif 000024
これら２つの関数を組み合わせると以下をもたらすことができる。
【数２３】
2021513087.tif 000025
【０２２０】
確率変数Ｔβは、相関器の相関時間窓内の背景光子の一致からもたらされる全ベータ相関器出力の和を指すものとする。これらのイベントの分布は、ゲートの持続時間０．．．Ｔｇａｔｅにわたって一様に分布することができる。一様分布確率変数に対する期待値ｔβ（ｉ）は、１／２Ｔｇａｔｅである。この分布は、「アーウィンホール（Irwin Hall）」分布又は一様和分布（uniform sum distribution）であり得る。適切に置換することにより、期待値（１／２Ｔｇａｔｅ）に関するあり得る値の分布の式は、
【数２４】
2021513087.tif 000026
であり得る。この分布は、和Ｔβに寄与する確率変数ｔβ（ｉ）のインスタンスの数Ｎβによって決まる可能性がある。Ｎβが大きいほど分布が緊密になり、期待値を近似する可能性が高くなる。さらに、Ｔβ及びＮβは「リンクする」可能性がある。例えば、Ｎβに対して特定の値（例えば、１１３）が使用される場合、Ｔβに対する値を生成するとき、厳密に同じ数（１１３）を使用することができる（すなわち、Ｎβは、Ｔβを生成する目的に対して再生成される可能性はない）。一様分布確率変数の和及び平均の分布に対する参照は以下の通りである。
アーウィンホール（和）：
【数２５】
2021513087.tif 000027
ベイツ（bates）（平均）：
【数２６】
2021513087.tif 000028
【０２２１】
確率変数Ｔαに対して（ｔｗｉｎｄｏｗ＜＜ｔｐｕｌｓｅ＝ｔｐと想定）、少なくとも１つの信号光子アバランシェの一致からもたらされる相関器イベントは、定義により、パルス持続時間の時間内で発生し、すなわちｔｔａｒｇｅｔ＜ｔα（ｉ）＜ｔｔａｒｇ＋ｔｐｕｌｓｅである。（矩形）パルスの持続時間、この領域内の全ての値の尤度は均一であると想定することができる。したがって、問題は、Ｔｂ又はＴβに対する問題と同一であるとみなすことができ、相違は、相関器イベントが発生する可能性がある時間領域が異なり、概して、Ｔｇａｔｅ→Ｔｐｕｌｓｅであるということである。さらに、期待されるイベントの数が異なり、Ｎβ→Ｎαである可能性がある。これらの置換を行い、以下のように、間隔（０...ｔｐｕｌｓｅ）＋ｔｔａｒｇｅｔに対してのみ定義されるＰＤＦを導出することができる。
【数２７】
2021513087.tif 000029
この分布は、パルス持続時間内でのみ定義することができ、それ以外はゼロであり得る。さらに、Ｎαが大きいほど、ＰＤＦは、ｔｔａｒｇ＋１／２ｔｐに中心を置くデルタ関数により密に近似する。これらの事項を考慮すると、極限の場合は以下のように考慮することができる。
【数２８】
2021513087.tif 000030
【０２２２】
本明細書に記載するいくつかの実施形態による背景補正を実施する際、式（式１）は、信号及び背景の両方が存在する場合の相関器出力イベントの平均到達時間の所与の測定値を表す確率変数を記述する。さらに、式１の右辺を構成する確率変数は、それらの確率分布に対する解析式によって記述されている。信号光子「ｓ」の到達時間は、上記式においてｔｔａｒｇと示され、領域０...Ｔｇａｔｅ内の値として測定される。
【０２２３】
式１の他の量の各々の知識を所与としてｔｔａｒｇの値を回復するために、式１３に記載した極限は、以下のように、Ｔａ（又はＴα）に対する式１に代入することができ、
【数２９】
2021513087.tif 000031
以下のように所望の量を隔離するように再配置する。
【数３０】
2021513087.tif 000032
【０２２４】
複数の確率変数のそれらのＰＤＦとの組合せは、誤差伝播モデルを考慮することによって達成することができる。式１（又は式１４）を使用して、右辺においてｔｍｅａｓ１に対するＰＤＦの表現を導出することができる。同様に、（式１５における）ｔｔａｒｇに対する実際の結果の分布を求めることができる。いくつかの実施形態では、上記解析に基づくＢＧ補正は、以下のように実施することができる。
１．ｔｔａｒｇに対する「真の」値ｔｔａｒｇ、ｔｒｕｅを選択する。
２．以下のパラメータ値を選択する
ａ．ｔｐ＝パルスの持続時間、Ｔｇａｔｅ＝ゲートの持続時間
ｂ．ｓ＝（パルスの間のみの）信号光子到達率
ｃ．ｂ＝（ゲート全体にわたる）背景光子到達率
ｄ．Ｔｉｎｔｅｇ＝このピクセルにおける積算の時間。フラッシュＬＩＤＡＲの場合、これはフレーム持続時間に設定する
ｅ．Ｎｇａｔｅｓ＝総積算時間を共有しなければならないストローブゲートの数。
３．ＰＤＦ関数を計算する
４．所与の積算時間に対して（例えば、モンテカルロ解析の）単一の反復を開始する。
注：単一の反復は、所定数のレーザサイクルとＮｏｐｐに対する値等を有することができる。この単一の反復により、以下の一意の値の組を生成することができる。
ａ．Ｎα
ｂ．Ｎβ
ｃ．Ｔβ
ｄ．及びｔｍｅａｓ１＝式１４。
５．ステップ４における反復を繰り返すことにより、ｔｍｅａｓ１に対する分布をもたらすことができる
６．ｔｍｅａｓ１を計算するために使用されるステップ４における反復の各々に対して、以下の背景値の第２の組（プライム記号で示す）を計算することができる
ａ．Ｎ’β
ｂ．Ｔ’β
７．各反復に対する誤差を以下の式によって計算することができる
【数３１】
2021513087.tif 000033
ここで、ＲＨＳのｔｍｅａｓ１（モンテカルロ）はステップ４からであるが、他の量はステップ６からである。
【０２２５】
したがって、本明細書に記載する実施形態は、３つの次元においてかつ可変の太陽光条件において物体を識別し位置特定することができる、集積された固体システムを提供する。いくつかの実施形態では、本システムは、パルス光源と、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）のアレイ及びオンチップデータ削減又は最小化回路を備えた検出器と、制御及び処理ユニットとを備える。少なくとも１つのレーザ光源を備える基板が、広くかつ深い視野を照明するパルス列を放出するように駆動される。反射光信号は、周囲光を除去するようにフィルタリングされ、ＳＰＡＤアレイの個々のピクセルにおいてアバランシェをトリガする。処理回路は、生成されたデータの量を、所与の方位角及び高度に対してターゲットとセンサとの間の距離に対応する電圧まで低減させる。処理ユニットが、３次元点群を発生させる。
【０２２６】
本明細書に記載するいくつかの実施形態は、例えば、ＡＤＡＳ（先進運転支援システム）、自律走行車、ＵＡＶ（無人航空機）、産業オートメーション、ロボティクス、バイオメトリクス、モデリング、拡張現実及び仮想現実、３Ｄマッピング並びにセキュリティで使用されるＬＩＤＡＲシステムに適用することができる。いくつかの実施形態では、エミッタアレイのエミッタ素子は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とすることができる。例えば、米国特許商標庁に２０１７年４月１２日に出願された、「LIGHT DETECTION AND RANGING (LIDAR) DEVICES AND METHODS OF FABRICATING THE SAME」と題する米国仮特許出願第６２／４８４，７０１号と、米国特許商標庁に２０１８年１月５日に出願された、「ULTRA-SMALL VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER (VCSEL) AND ARRAYS INCORPORATING THE SAME」と題する米国仮特許出願第６２／６１３，９８５号に記載されているように（それらの開示内容は引用することにより本明細書の一部をなすものとする）、いくつかの実施形態では、エミッタアレイは、何千もの別個のエミッタ素子が直列に及び／又は並列に電気的に接続されている非ネイティブ基板を備えることができ、ドライバ回路が、エミッタアレイのそれぞれの行及び／又は列に隣接して非ネイティブ基板上に集積されたドライバトランジスタによって実装される。
【０２２７】
本明細書では、実施形態例を示す添付図面を参照して、様々な実施形態について説明した。しかしながら、これらの実施形態は、異なる形態で具現化することができ、本明細書に示す実施形態に限定するものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、当業者に本発明の概念を十分に伝えるように提供される。本明細書に記載した実施形態例並びに全体的な原理及び特徴に対する様々な変更形態が容易に明らかとなるであろう。図面において、層及び領域のサイズ及び相対サイズは、正確な尺度で示されてはおらず、場合によっては、明確にするために誇張されている可能性がある。
【０２２８】
実施形態例は、主に、特定の実施態様において提供された特定の方法及びデバイスに関して記載している。しかしながら、それらの方法及びデバイスは、他の実施態様で有効に動作することができる。「実施形態例」、「１つの実施形態」及び「別の実施形態」等の言い回しは、同じか又は異なる実施形態とともに複数の実施形態を指す場合がある。実施形態について、或る特定の構成要素を有するシステム及び／又はデバイスに関して説明する。しかしながら、そうしたシステム及び／又はデバイスは、示したものより少ないか又は追加の構成要素を含むことができ、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、それらの構成要素の配置及びタイプの変形形態を作成することができる。実施形態例について、或る特定のステップ又は動作を有する特定の方法に関してもまた説明する。しかしながら、そうした方法及びデバイスは、異なる及び／又は追加のステップ／動作、並びに、実施形態例とは一貫しない異なる順序でのステップ／動作を有する、他の方法に対しても有効に動作することができる。したがって、本発明の概念は、示した実施形態に限定されるようには意図されておらず、本明細書に記載した原理及び特徴と一貫する最も広い範囲が与えられるべきである。
【０２２９】
本明細書で使用した用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、実施形態例を限定するようには意図されていない。本明細書で用いる場合の単数形「一（a、an）」及び「その（the）」は、別段文脈に明確な指示がない限り、同様に複数形を含むように意図される。本明細書で用いる場合の「備える（comprising、comprises）」という用語は、非限定的（open-ended）であり、１つ以上の述べられていない要素、ステップ及び／又は機能を排除することなく１つ以上の述べられている要素、ステップ及び／又は機能を含むこともまた理解されよう。「及び／又は」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のありとあらゆる組合せを含む。
【０２３０】
「真下」、「下」、「底」、「下方」、「上」、「頂部」、「上方」等の空間的関連用語は、本明細書では、図に示すように１つの要素又は特徴の別の要素（複数の場合もある）又は特徴（複数の場合もある）に対する関係を記述する説明を容易にするために使用されている場合がある。空間的関連用語は、図に示す向きに加えて、使用又は動作時のデバイスの異なる向きを包含するように意図されていることが理解されよう。例えば、図におけるデバイスが逆にされる場合、他の要素又は特徴の「下」又は「真下」として記載した要素は、そうした他の要素又は特徴の「上」に向けられる。したがって、「下」という用語は、上及び下の両方の向きを包含することができる。デバイスは、他の方法で方向付ける（９０度又は他の向きで回転させる）ことができ、本明細書で用いる空間的関連記述子は、それに従って解釈することができる。さらに、層が２つの層の「間に」あるものとして言及される場合、それは、２つの層の間の唯一の層である可能性があり、又は、１つ以上の介在する層もまた存在する可能性があることも理解されよう。
【０２３１】
本明細書では、第１や第２などの用語を用いて様々な要素について記載している場合があるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、１つの要素を別の要素から識別するためにのみ使用される。したがって、以下に考察する第１の要素は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく第２の要素と呼ぶことができる。
【０２３２】
層、領域又は基板等の要素が別の要素の「上に」あるか又は別の要素の「上へ」延在しているものとして言及される場合、それは、その他方の要素の上に直接あるか又はその他方の要素の上へ直接延在することができ、又は、介在する要素も存在することができることが理解されよう。対照的に、要素が別の要素の「上に直接」あるか又は「上へ直接」延在しているものとして言及される場合、介在する要素は存在しない。要素が別の要素に「接続されて」いるか又は「結合されて」いるものとして言及される場合、それは、他方の要素に直接接続又は結合することができ、又は介在する要素が存在する場合があることも理解されよう。対照的に、要素が別の要素に「直接接続されて」いるか又は「直接結合されて」いるという場合、介在する要素は存在しない。しかしながら、いかなる場合も、「上に」又は「直接上に」は、層が下にある層を覆う必要があると解釈されるべきではない。
【０２３３】
本明細書では、理想化された実施形態（及び中間の構造体）の概略図である断面図及び／又は斜視図を参照して、実施形態について説明している。したがって、例えば製造技法及び／又は公差の結果としての図の形状からの変動が予期される。したがって、実施形態は、本明細書に示した領域の特定の形状に限定されるように解釈されるべきではなく、例えば、製造からもたらされる形状の逸脱を含むべきである。例えば、矩形として示す注入領域は、通常、注入領域から非注入領域への二元変化ではなく、その縁部において丸みを帯びた又は湾曲した特徴及び／又は注入濃度の勾配を有する。同様に、注入によって形成される埋込領域により、埋込領域と注入が行われる際に通過する表面との間の領域に幾分かの注入がもたらされる可能性がある。したがって、図に示す領域は本質的には概略的であり、それらの形状は、デバイスの領域の実際の形状を示すようには意図されておらず、本発明の概念の範囲を限定するようには意図されていない。
【０２３４】
別段の定義のない限り、本明細書で用いる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明の概念が属する技術分野の当業者に一般に理解されるものと同じ意味を有する。一般に使用される辞書において定義されるもの等の用語は、関連技術に関連するそれらの意味と一貫する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において明示的な定義のない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されないことが更に理解されよう。
【０２３５】
本明細書において、上記の説明及び図面に関連して多くの異なる実施形態が開示されてきた。これらの実施形態の全ての組合せ及び部分的組合せをそのまま説明し示すことは、過度に繰返しが多くわかりにくいものとなることが理解されよう。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書において説明される実施形態並びにそれらを作成し用いる方式及びプロセスの全ての組合せ及び部分的組合せの完全な明細書を構成すると解釈されるものとし、任意のそのような組合せ又は部分的組合せに対する特許請求を支持するものとする。
【０２３６】
図面及び明細書において、本開示の実施形態が開示されており、具体的な用語が採用されているが、それらは、一般的かつ説明的な意味でのみ使用され、限定を目的とするものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲に示されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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