(57)【要約】  光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置が、入射する光に応答してそれぞれの検出信号を出力するように構成される第１のピクセル及び第２のピクセルを有する検出器と、視野にわたり光を収集し、光の第１の部分及び第２の部分をそれぞれ第１のピクセル及び第２のピクセルに誘導するように構成される受光器光学素子とを備える。第１のピクセルは１つ以上の飛行時間（ＴｏＦ）センサを含み、第２のピクセルは１つ以上の画像センサを含む。第１のピクセルから出力されるそれぞれの検出信号によって示される深さ情報が第２のピクセルから出力されるそれぞれの検出信号によって示される画像情報と相関されるように、受光器光学素子又は検出器における第１のピクセル及び第２のピクセルの配置のうちの少なくとも一方は第１のピクセル及び第２のピクセルを相関させるように構成される。関連するデバイス及び動作の方法も論述されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光に応答してそれぞれの検出信号を出力するように構成される第１のピクセル及び第２のピクセルを備える検出器であって、前記第１のピクセルは１つ以上の飛行時間（ＴｏＦ）センサを含み、前記第２のピクセルは１つ以上の画像センサを含む、検出器と、
視野にわたり前記光を収集し、該光の第１の部分及び第２の部分をそれぞれ前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルに誘導するように構成される受光器光学素子と
を備え、
前記第１のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号によって示される深さ情報が前記第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号によって示される画像情報と相関されるように前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルを相関させるように、前記受光器光学素子又は前記検出器における前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルの配置のうちの少なくとも一方は構成される、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置。
【請求項２】
前記検出器は、
基板と、
前記ＴｏＦセンサを規定する前記基板における第１の接合領域であって、前記基板の表面に対して第１の深さを有する第１の接合領域と、
前記第１の接合領域に隣接する、前記画像センサを規定する前記基板における第２の接合領域であって、前記基板の前記表面に対して前記第１の深さよりも浅い第２の深さを有する第２の接合領域と
を備える検出器アレイである、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項３】
前記配置は、平面視における前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域の横並び配置を含む、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項４】
前記配置は、前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域が平面視において重なり合う積み重ねられた配置を含む、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項５】
前記検出器アレイに隣接し、前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルのそれぞれのピクセルに電気的に接続された、前記基板上の複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドであって、前記画像情報と相関された前記深さ情報を有する前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルからのそれぞれの前記検出信号を第１の読み出し回路及び第２の読み出し回路にそれぞれ出力するように構成されるＩ／Ｏパッド
を更に備える、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項６】
前記受光器光学素子は、第１の波長域の前記光の前記第１の部分を前記第１のピクセルに誘導するとともに、第２の波長域の前記光の前記第２の部分を前記第２のピクセルに誘導するように構成される波長選択性ビームスプリッタ又は波長選択性フィルタを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項７】
前記受光器光学素子は、前記視野にわたり前記光を収集するように構成される少なくとも１つのレンズと、前記波長選択性ビームスプリッタ又は前記波長選択性フィルタを前記レンズに結合する１つ以上のプリズムとを備えるモノリシック素子を含む、請求項６に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項８】
第１の波長域の発光を出力して前記視野を照射するように構成される発光源であって、前記光の前記第１の部分は前記第１の波長域を含む、発光源と、
前記画像情報と相関された前記深さ情報を有する前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号を受信するように構成されるとともに、前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルからのそれぞれの前記検出信号に基づいて前記発光源からの前記発光を調整する制御信号を出力するように構成される制御回路と
を更に備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項９】
前記発光源は、第１の発光源を備え、
第２の波長域の発光を出力して前記視野を照射するように構成される第２の発光源であって、前記光の前記第２の部分は前記第２の波長域を含む、第２の発光源
を更に備える、請求項８に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１０】
入射する光に応答してそれぞれの検出信号を出力するように構成される複数の第１のピクセル及び複数の第２のピクセルを備える検出器アレイであって、前記第１のピクセルは飛行時間（ＴｏＦ）センサを含み、前記第２のピクセルは画像センサを含む、検出器アレイ
を備え、
前記検出器アレイは、
基板と、
前記ＴｏＦセンサを規定する前記基板における第１の接合領域であって、前記基板の表面に対して第１の深さを有する第１の接合領域と、
前記第１の接合領域に隣接する、前記画像センサを規定する前記基板における第２の接合領域であって、前記基板の前記表面に対して前記第１の深さよりも浅い第２の深さを有する第２の接合領域と
を備える、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置。
【請求項１１】
前記検出器アレイは、平面視における前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域の横並び配置を有する、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１２】
前記検出器アレイは、前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域が平面視において重なり合う積み重ねられた配置を有する、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１３】
前記検出器アレイにおける前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルの配置は、該第１のピクセル及び該第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号が、相関された深さ情報及び画像情報をそれぞれ含むように、前記第１のピクセルのサブセットと前記第２のピクセルのサブセットとの間のそれぞれの空間相関を提供する、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１４】
視野にわたり前記光を収集するとともに、前記光の第１の部分及び第２の部分を前記検出器アレイの前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルにそれぞれ誘導するように構成されるレンズのアレイを備える受光器光学素子
を更に備える、請求項１３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１５】
前記受光器光学素子は、第１の波長域の前記光の前記第１の部分を前記第１のピクセルに誘導するとともに第２の波長域の前記光の前記第２の部分を前記第２のピクセルに誘導するように構成される少なくとも１つの波長選択性ビームスプリッタ又は波長選択性フィルタを含む、請求項１４に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１６】
第１の波長域の発光を出力して前記視野を照射するように構成される発光源であって、前記光の前記第１の部分は前記第１の波長域を含む、発光源と、
前記画像情報と相関された前記深さ情報を有する前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号を受信するように構成されるとともに、前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルからのそれぞれの前記検出信号に基づいて前記発光源からの前記発光を調整する制御信号を出力するように構成される制御回路と
を更に備える、請求項１４又は１５に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１７】
前記検出器アレイに隣接し、前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルのそれぞれのピクセルに電気的に接続された、前記基板上の複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドであって、前記画像情報と相関された前記深さ情報を有する前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルからのそれぞれの前記検出信号を第１の読み出し回路及び第２の読み出し回路にそれぞれ出力するように構成されるＩ／Ｏパッド
を更に備える、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１８】
入射する光に応答してそれぞれの検出信号を出力するように構成される第１のピクセル及び第２のピクセルを備える検出器であって、前記第１のピクセルは１つ以上の飛行時間（ＴｏＦ）センサを含み、前記第２のピクセルは１つ以上の画像センサを含む、検出器と、
視野にわたり前記光を収集し、該光の第１の部分及び第２の部分をそれぞれ前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルに誘導するように構成される受光器光学素子と
を備え、
前記第１のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号によって示される深さ情報が前記第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号によって示される画像情報と相関されるように、前記受光器光学素子は前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルを相関させるように構成される、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置。
【請求項１９】
前記受光器光学素子は、第１の波長域の前記光の前記第１の部分を前記第１のピクセルに誘導するとともに、第２の波長域の前記光の前記第２の部分を前記第２のピクセルに誘導するように構成される波長選択性ビームスプリッタ又は波長選択性フィルタを含む、請求項１８に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項２０】
前記受光器光学素子は、前記視野にわたり前記光を収集するように構成される少なくとも１つのレンズと、前記波長選択性ビームスプリッタ又は前記波長選択性フィルタを前記レンズに結合する１つ以上のプリズムとを備えるモノリシック素子を含む、請求項１９に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、３次元（３Ｄ：three-dimensional）撮像のシステムを対象とし、より詳細には、飛行時間光検出及び測距システムを対象とする。
【０００２】
［優先権の主張］
本出願は２０１８年８月１６日に米国特許商標庁に出願された米国仮特許出願第６２／７６４，８９５号からの優先権を主張し、その開示内容は、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】
モノのインターネット（ＩｏＴ：Internet-of-Things）及び自律航法等の多くの新興技術が、３Ｄ空間における物体までの距離の検出及び測定を必要とし得る。例えば、自律走行が可能な自動車は、基本動作として及び安全性要件を満たすために３Ｄ検出及び認識を必要とし得る。３Ｄ検出及び認識は、例えば、産業用又は家庭用のロボット又は玩具による屋内ナビゲーションにも必要とされる場合がある。
【０００４】
光ベースの３Ｄ測定は、幾つかの場合においてレーダ（低い角度精度、バルキー（bulkey））又は超音波（非常に低い精度）よりも優れている場合がある。例えば、光ベースの３Ｄセンサシステムは、検出器（フォトダイオード又はカメラ等）と、光源としての発光デバイス（発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）又はレーザダイオード等）とを備えることができる。この発光デバイスは、通常、可視波長域の外部の光を放出又は放射する。
【０００５】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ（Light detection and Ranging）又はライダ）システムは、反射光の飛行時間（ＴｏＦ：time of flight）に基づいて点の集合体（例えば、点群（point cloud））を求めることができる。ＴｏＦ  ３Ｄ撮像システムは、間接ＴｏＦ（ｉＴｏＦ：indirect ToF）システム又は直接ＴｏＦシステムとして類別することができる。直接ＴｏＦ測定は、ライダシステムのエミッタ素子（emitter element）による放射と、ライダシステムの検出器素子による、物体又は他のターゲット（target（標的））からの反射後の放射（本明細書では、戻り信号又はエコー信号ともいう）の検知又は検出との間の時間の長さを直接測定することを含む。この時間の長さから、ターゲットまでの距離を求めることができる。間接ＴｏＦ測定は、放射信号の振幅を変調することと、エコー信号の位相遅延又は位相シフト（本明細書では、より一般的に位相という）を測定することとを含み、信号が物体との間を往来するのに必要とされる時間が、進行距離に比例する位相シフトをもたらす。
【０００６】
ライダシステムは、産業オートメーション及び自律走行車（これらに限定されるものではない）等の様々なアプリケーションに使用することができる。多くのそのようなシステムは、ライダ、通常のカメラ、ステレオカメラ及びレーダ等の様々な様式からデータを取得することができる。処理ユニットは、様々なセンサからのデータを結合又は融合して、視野（field of view）の統合ビューを形成することができる。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書に記載の幾つかの実施の形態は、１つ以上のエミッタ素子（面発光レーザダイオード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、エミッタ（emitter）と総称する）及び／又は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（ＳＰＡＤ：single-photon avalanche detectors）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、検出器と総称する）を含むＬＩＤＡＲシステムを提供する電子回路を含む方法、システム、及びデバイスを提供する。
【０００８】
本開示の幾つかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置は、入射する光に応答してそれぞれの検出信号を出力するように構成される第１のピクセル及び第２のピクセルを備える検出器と、視野にわたり前記光を収集し、該光の第１の部分及び第２の部分をそれぞれ前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルに誘導するように構成される受光器光学素子とを備える。前記第１のピクセルは１つ以上の飛行時間（ＴｏＦ）センサを含み、前記第２のピクセルは１つ以上の画像センサを含む。前記受光器光学素子及び／又は前記検出器における前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルの配置は、前記第１のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号によって示される深さ情報が、前記第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号によって示される画像情報と相関されるように前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルを相関させるように構成される。
【０００９】
幾つかの実施の形態では、前記検出器は、基板と、前記ＴｏＦセンサを規定する前記基板における第１の接合領域と、前記第１の接合領域に隣接する、前記画像センサを規定する前記基板における第２の接合領域とを備える検出器アレイである。前記第１の接合領域は、前記基板の表面に対して第１の深さを有することができ、前記第２の接合領域は、前記基板の前記表面に対して前記第１の深さよりも浅い第２の深さを有することができる。
【００１０】
幾つかの実施の形態では、前記配置は、平面視における前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域の横並び配置を含む。
【００１１】
幾つかの実施の形態では、前記配置は、前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域が平面視において重なり合う積み重ねられた配置を含む。中間接合領域を、任意選択で、前記積み重ねられた配置における前記第１の接合領域と前記第２の接合領域との間に設けることができる。
【００１２】
幾つかの実施の形態では、前記検出器アレイは、前記第１のピクセルの間及び／又は前記第２のピクセルの間の前記基板上に複数のゲート構造部を更に含む。前記ゲート構造部は、任意選択で、前記光の前記第１の部分又は前記第２の部分のうちの少なくとも一方に対して透明のものとすることができる。
【００１３】
幾つかの実施の形態では、それぞれの絶縁構造部が、前記基板における前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域の隣接するものの間に設けられる。前記それぞれの絶縁構造部は、前記積み重ねられた配置における前記第１の接合領域と前記第２の接合領域との間の中間接合領域とすることができる。
【００１４】
幾つかの実施の形態では、前記検出器アレイに隣接し、前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルのそれぞれのピクセルに電気的に接続された、複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドが前記基板上に設けられる。前記Ｉ／Ｏパッドは、前記画像情報と相関された前記深さ情報を有する前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルからのそれぞれの前記検出信号を第１の読み出し回路及び第２の読み出し回路にそれぞれ出力するように構成することができる。
【００１５】
幾つかの実施の形態では、前記受光器光学素子は、第１の波長域の前記光の前記第１の部分を前記第１のピクセルに誘導するとともに第２の波長域の前記光の前記第２の部分を前記第２のピクセルに誘導するように構成される波長選択性ビームスプリッタ又は波長選択性フィルタを含む。
【００１６】
幾つかの実施の形態では、前記受光器光学素子は、前記視野にわたり前記光を収集するように構成される少なくとも１つのレンズと、前記波長選択性ビームスプリッタ又は前記波長選択性フィルタを前記レンズに結合する１つ以上のプリズムとを備えるモノリシック素子を含む。
【００１７】
幾つかの実施の形態では、前記装置は、第１の波長域の発光を出力して前記視野を照射するように構成される発光源（emission source）を更に備える。前記光の前記第１の部分は前記第１の波長域を含むことができる。制御回路を、前記画像情報と相関された前記深さ情報を有する前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号を受信するように構成するとともに、前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルからのそれぞれの前記検出信号に基づいて前記発光源からの前記発光を調整する制御信号を出力するように構成することができる。
【００１８】
幾つかの実施の形態では、前記制御回路は、前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルを異なるフレームレートで動作させるように構成される。
【００１９】
幾つかの実施の形態では、前記発光源は、第１の発光源であり、前記装置は、第２の波長域の発光を出力して前記視野を照射するように構成される第２の発光源であって、前記光の前記第２の部分は前記第２の波長域を含む、第２の発光源を更に備える。
【００２０】
本開示の幾つかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置は、入射する光に応答してそれぞれの検出信号を出力するように構成される複数の第１のピクセル及び複数の第２のピクセルを備える検出器アレイを含む。前記第１のピクセルは飛行時間（ＴｏＦ）センサを含み、前記第２のピクセルは画像センサを含む。前記検出器アレイは、基板と、前記ＴｏＦセンサを規定する前記基板における第１の接合領域と、前記第１の接合領域に隣接する、前記画像センサを規定する前記基板における第２の接合領域とを含む。前記第１の接合領域は前記基板の表面に対して第１の深さを有し、前記第２の接合領域は、前記基板の前記表面に対して前記第１の深さよりも浅い第２の深さを有する。
【００２１】
幾つかの実施の形態では、前記検出器アレイは、平面視における前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域の横並び配置を有する。幾つかの実施の形態では、前記検出器アレイは、前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域が平面視において重なり合う積み重ねられた配置を有する。
【００２２】
幾つかの実施の形態では、前記検出器アレイにおける前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルの配置は、該第１のピクセル及び該第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号が、相関された深さ情報及び画像情報をそれぞれ含むように、前記第１のピクセルのサブセットと前記第２のピクセルのサブセットとの間のそれぞれの空間相関を提供する。
【００２３】
幾つかの実施の形態では、前記装置は、視野にわたり前記光を収集するとともに、前記光の第１の部分及び第２の部分を前記検出器アレイの前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルにそれぞれ誘導するように構成されるレンズのアレイを備える受光器光学素子を更に備える。
【００２４】
幾つかの実施の形態では、前記受光器光学素子は、第１の波長域の前記光の前記第１の部分を前記第１のピクセルに誘導するとともに第２の波長域の前記光の前記第２の部分を前記第２のピクセルに誘導するように構成される少なくとも１つの波長選択性ビームスプリッタ又は波長選択性フィルタを含む。
【００２５】
本開示の幾つかの実施の形態によれば、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置は、入射する光に応答してそれぞれの検出信号を出力するように構成される第１のピクセル及び第２のピクセルを備える検出器と、視野にわたり前記光を収集し、該光の第１の部分及び第２の部分をそれぞれ前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルに誘導するように構成される受光器光学素子とを備える。前記第１のピクセルは１つ以上の飛行時間（ＴｏＦ）センサを含み、前記第２のピクセルは１つ以上の画像センサを含む。前記受光器光学素子は、前記第１のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号によって示される深さ情報が、前記第２のピクセルから出力されるそれぞれの前記検出信号によって示される画像情報と相関されるように前記第１のピクセル及び前記第２のピクセルを相関させるように構成される。
【００２６】
幾つかの実施の形態では、前記受光器光学素子は、第１の波長域の前記光の前記第１の部分を前記第１のピクセルに誘導するとともに第２の波長域の前記光の前記第２の部分を前記第２のピクセルに誘導するように構成される波長選択性ビームスプリッタ又は波長選択性フィルタを含む。
【００２７】
幾つかの実施の形態では、前記受光器光学素子は、前記視野にわたり前記光を収集するように構成される少なくとも１つのレンズと、前記波長選択性ビームスプリッタ又は前記波長選択性フィルタを前記レンズに結合する１つ以上のプリズムとを備えるモノリシック素子として実装される。
【００２８】
幾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み合わせに加えて、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】
【００２９】
【図１】本開示の実施形態による、共通の画像位置合わせ（image registration：画像レジストレーション）を有する飛行時間センサ及び画像センサを備えるＬＩＤＡＲシステム又は回路を示すブロック図である。
【図２Ａ】本開示の実施形態による、飛行時間センサ及び画像センサの画像位置合わせを提供する共通の受光器光学素子を示すブロック図である。
【図２Ｂ】本開示の実施形態による、飛行時間センサ及び画像センサの画像位置合わせを提供する共通の受光器光学素子を示すブロック図である。
【図３】本開示の実施形態による、同じ半導体基板上に統合されたＴｏＦセンサのアレイ及び画像センサのアレイを示す平面視ブロック図である。
【図４Ａ】本開示の実施形態による、同じ半導体基板上に統合されたＴｏＦセンサ及び画像センサの例を示す平面視ブロック図である。
【図４Ｂ】本開示の実施形態による、同じ半導体基板上に統合されたＴｏＦセンサ及び画像センサの例を示す平面視ブロック図である。
【図５Ａ】本開示の実施形態による、同じ半導体基板上に統合されたＴｏＦセンサ及び画像センサの例を示す断面図である。
【図５Ｂ】本開示の実施形態による、同じ半導体基板上に統合されたＴｏＦセンサ及び画像センサの例を示す断面図である。
【図６】本開示の実施形態による、同じ半導体基板上に統合されたＴｏＦセンサ及び画像センサの例を示す断面図である。
【図７】本開示の実施形態による、同じ半導体基板上に統合されたＴｏＦセンサ及び画像センサの更なる例を示す平面視ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
多くの用途が、様々な様式（例えば、ライダ、通常のカメラ、ステレオカメラ、及びレーダ）からデータを取得する撮像システムから利益を得ることができる。例えば、ライダに使用することができる飛行時間（ＴｏＦ）センサは、（例えば、受光されたエコー信号によって示されるタイミング及び／又は強度パターンに基づいて）１つ以上のターゲットの範囲又は距離を示すデータを収集することができ、したがって、ＴｏＦセンサの視野（ＦｏＶ）にわたる「深さ」情報（本明細書では、深さ画像（depth image）ともいう）を収集することができる。通常のスチール写真カメラ又はビデオカメラに使用することができる画像センサは、幾つかのＴｏＦセンサよりも高い分解能を有する視野内の１つ以上のターゲットの可視的特徴量（色、サイズ、点、線等を含む；本明細書では、画像情報又はＲＧＢ画像ともいう）を示すが、深さ情報を有しないデータを収集することができる。処理ユニットは、様々なセンサからのデータを結合又はマージし、画像情報を深さ情報と空間的及び時間的に相関させる（本明細書では、画像位置合わせともいう）ことができ、視野の統合ビューを提供する。しかしながら、様々なセンサからのデータのそのような統合は、計算集約的であり、したがって、自律走行車操作等の幾つかの用途にとっては、非効率的（例えば、処理能力の観点から）及び／又は不十分（例えば、処理時間の観点から）である場合がある。
【００３１】
様々なセンサ自体の統合は、例えば、半導体処理に関する課題（異なるセンサタイプが不純物注入の深さ等の異なる処理条件を必要とし得る）及び／又はデータ読み出し方式に関する課題（異なるセンサタイプが異なる論理回路部を必要とし得る）を提示することもある。特に、視野から反射された光の光子を検出するフォトダイオードを構築するのに半導体ｐ−ｎ接合を使用することができ、アバランシェダイオードがそのようなフォトダイオードの１つの例である。単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Single-photon avalanche diodes）は、飛行時間検知アプリケーションにおいて単一の光子を検出するのに使用することができる。ガイガモード（Geiger-mode）ＳＰＡＤでは、出力は、光子到達事象に対応するデジタルパルスとすることもできるし、光子の正確な到達時刻に対応するアナログ情報とすることもできる。ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサ又はＣＣＤ等の画像センサでは、検知エリアによって受光された光子束は、収集電荷に変換され、この収集電荷は、その後、検出器出力信号として読み出される。また、幾つかの小さなＣＭＯＳ  ＳＰＡＤピクセルの表面積又は占有面積は、市販のＣＭＯＳアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ：Active Pixel Sensor）のピクセルよりもかなり大きい場合がある（例えば、幾つかの事例では１０００倍の大きさに達する）。ＣＭＯＳ  ＳＰＡＤピクセルのこの相対的に大きなピクセル面積は、高電圧及び高電流密度に耐えることができるとともに検知回路部から電気的に絶縁することができるＳＰＡＤピクセルの構造に部分的に起因し得る。
【００３２】
本明細書に記載の実施形態は、共有される光学素子を使用して画像センサ及び飛行時間センサの双方の情報を取得することによって、そのような異なるセンサの統合を援助することができるという認識から得ることができる。これは、より小さく、より単純で、かつ、より費用のかからない検知システムの可能性を提供することができる。本明細書に記載の実施形態では、飛行時間センサ（本明細書では、ライダセンサともいう）は、１つ以上の光検出器を（例えば、検出器アレイ内に）含むこともできるし、本明細書に記載されているような深さ情報を示す検出信号を出力する他の任意の光学センサを含むこともできる。上記光検出器のそれぞれは、当該光検出器に入射する（例えば、レーザ又はＬＥＤからの）光信号のラウンドトリップ伝播時間を示す出力信号（本明細書では、範囲検出信号又は深さ検出信号ともいう）を提供する。ライダセンサは、一般性を失うことなく、ＳＰＡＤ又はＳｉＰＭ（シリコン光電子増倍管）を含む、ブレークダウン未満に、ブレークダウンに、又はブレークダウンよりも高く逆バイアスされたアバランシェフォトダイオード；光子混合デバイス；時間ゲートフォトダイオード；時間変調ＣＩＳ（ＣＭＯＳ画像センサ）；時間変調ＣＣＤ（電荷結合デバイス）；ドップラセンサ；又は、近赤外波長域又は赤外波長域における光の波長の検出に基づく幾つかの実施形態では、光ベースの測距の情報を生成することができる他の任意の適したデバイスを含むことができる。本明細書に記載の実施形態では、画像センサは、１つ以上の光検出器を（例えば、検出器アレイ内に）含むこともできるし、本明細書に記載されているような画像情報を示す検出信号を出力する他の任意の光学センサを含むこともできる。上記光検出器のそれぞれは、或る期間にわたり当該光検出器に入射する光から収集された電荷の数を示す出力信号（本明細書では、画像検出信号ともいう）を提供する。画像センサは、本明細書では、例として、主にＣＭＯＳ画像センサ（ＣＩＳ：CMOS Image Sensors）について説明されるが、これによって一般性が失われるものではない。近赤外波長域若しくは赤外波長域又はそれ未満の波長域における光の波長の検出に基づく幾つかの実施形態では、ＣＣＤ及び非シリコンピクセル化電荷集積デバイス（ただし、これらに限定されるものではない）等の他の画像センサ技術も、本明細書に記載の実施形態において同様に交換可能に使用することができることが理解されるであろう。
【００３３】
本開示の更なる実施形態は、固体ライダセンサと画像センサとの統合を対象とする。一般性を失うことなく、別段の記載がない限り、固体ライダは、範囲の検知及び／又はそれ自体の検知に使用される放射が、１つ以上の固体アレイデバイスにおいて行われるか、又は、それ以外に１つ以上の固体アレイデバイスによって提供される任意のライダを指すことができることが理解されるであろう。上記１つ以上の固体アレイデバイスは、フラッシュライダセンサ（直接飛行時間又は間接飛行時間）、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）走査システム、走査ミラーを有するアレイセンサ、及び光学フェーズアレイシステムを含むが、これらに限定されるものではない。幾つかの実施形態では、ライダエミッタ又はエミッタアレイは、１つ以上の波長（放射波長）において視野の全体又は一部を照射することができる。本明細書に記載されるような統合ライダデバイス及びシステムは、発光源（例えば、エミッタアレイ）と、受光器光学素子（例えば、少なくとも１つのレンズ及び／又はビームスプリッタ若しくはフィルタ）と、ＴｏＦセンサ及びＣＩＳ又は他の画像センサ（例えば、検出器アレイ内のもの）を含む検出器とを含むことができる。このエミッタが視野を照射する。視野からの光は、エミッタからの光が視野から反射されたものと、周囲光（この一部分も視野から反射されたものである）とを含む。
【００３４】
ＬＩＤＡＲシステムは、エミッタ素子のアレイ及び検出器素子のアレイ、又は、単一のエミッタ素子及び検出器素子のアレイを有するシステム、又は、エミッタのアレイ及び単一のＴｏＦ検出器素子を有するシステムを含むことができる。本明細書に記載されているように、１つ以上のエミッタがエミッタピクセルを規定することができ、１つ以上の検出器（ＴｏＦセンサ及び／又は画像センサを含む）が検出器ピクセルを規定することができる。フラッシュＬＩＤＡＲシステムは、ＦｏＶにわたって短い持続時間（パルス）の間にエミッタのアレイから光を放射し、検出器のアレイによって反射光放出を検出することによって画像を取得することができる。エミッタ素子のアレイの部分領域は、本明細書では関心領域（ＲＯＩ：region of interest）ともいうＦｏＶ内のそれぞれの部分領域に光を誘導するように配置される（また、検出器素子のアレイの部分領域は、ＦｏＶ内のそれぞれの部分領域から光を受光するように配置される）。
【００３５】
本開示の実施形態による一例のＬＩＤＡＲシステム又は回路１００が図１に示されている。システム１００は、制御回路１０５と、タイミング回路１０６と、複数のエミッタ１１５ｅを含むエミッタアレイ１１５と、複数の検出器１１０ｄ及び／又は１１０ｉを含む検出器アレイ１１０とを含む。検出器１１０ｄは、飛行時間センサ（例えば、ＳＰＡＤ等の単一光子検出器のアレイ）を含む。検出器１１０ｉは、画像センサ（例えば、ＣＩＳのアレイ）を含む。エミッタアレイ１１５のエミッタ素子１１５ｅの１つ以上は、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刻及び周波数において放射パルス又は連続波信号を（例えば、ディフューザ（diffuser：散光器）又は光学フィルタ１１４を通じて）それぞれ放射するエミッタピクセルを規定することができる。特定の実施形態では、エミッタ１１５ｅは、ＬＥＤ又はレーザ（垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：vertical cavity surface emitting lasers）等）等のパルス光源とすることができる。放射光は、ターゲット１５０から反射されて戻り、検出器アレイ１１０の１つ以上の検出器素子１１０ｄ、１１０ｉによって規定される検出器ピクセルによって検知される。制御回路１０５は、直接ＴｏＦ測定技法又は間接ＴｏＦ測定技法を使用して、エミッタアレイ１１５からターゲット１５０に進み検出器アレイ１１０の検出器１１０ｄに戻る行程にわたる照射パルスの飛行時間を測定するピクセルプロセッサを実施する。
【００３６】
幾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１１５ｅのそれぞれは、それぞれのドライバ回路１１６に接続され、これらのドライバ回路によって制御される。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１１５ｅ（例えば、互いに空間的に近接するエミッタ素子１１５ｅ）のそれぞれのグループは、同じドライバ回路１１６に接続することができる。ドライバ回路又は回路部１１６は、エミッタ１１５ｅから出力される発光信号の変調周波数、タイミング及び振幅を制御するように構成される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。複数のエミッタ１１５ｅからの光信号の放射は、フラッシュＬＩＤＡＲシステム１００の単一の画像フレームを提供する。エミッタ１１５ｅの最大光パワー出力は、本明細書に記載の実施形態に従って検出することができる最も明るい背景照明条件において、最も遠くの反射が最も少ないターゲットからのエコー信号の信号対雑音比を生成するように選択することができる。光の放射波長を制御する任意選択のフィルタ１１３と、エミッタアレイ１１５の視野を増加させるディフューザ１１４とが例として示されている。
【００３７】
エミッタ１１５ｅの１つ以上からの発光出力は、１つ以上のターゲット１５０に衝突し、これらのターゲットによって反射され、反射光は、（例えば、受光器光学素子１１２を介して）検出器１１０ｄの１つ以上によって光信号（本明細書では、戻り信号、エコー信号、又はエコーともいう）として検出され、電気信号表現（本明細書では、検出信号という）に変換され、（例えば、飛行時間に基づいて）処理され、視野１９０の３Ｄ点群表現（3-D point cloud representation）１７０を規定する。本明細書に記載されているような本開示の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの動作は、図１の制御回路１０５等の１つ以上のプロセッサ又はコントローラによって実行することができる。
【００３８】
図１の例では、検出器アレイ１１０は、複数の画像センサ１１０ｉを更に含む。受光器光学素子１１２は、アクティブ照射（エミッタ１１５ｅによるライダ放射）及び周囲（幾つかの許容可能な収差を有する）の双方のスペクトルから光を収集するように、かつ、視野１９０にわたって収集された光をＴｏＦセンサ１１０ｄ及び画像センサ１１０ｉの双方に投影又は誘導するように整列される。ＴｏＦセンサ１１０ｄ及び画像センサ１１０ｉのそれぞれは、これに応答して、それぞれの検出信号を出力する。ＴｏＦセンサ１１０ｄから出力された検出信号は、ＦｏＶ１９０の深さ情報（本明細書では、深さ検出信号ともいう）を含む。画像センサ１１０ｉから出力された検出信号は、ＦｏＶ１９０の画像情報（本明細書では、画像検出信号ともいう）を含む。受光器光学素子１１２は、１つ以上のレンズ、ビームスプリッタ、及び／又はフィルタを含むことができる。例えば、図１の検出器アレイ１１０の場合に、受光器光学素子１１２は、視野１９０内のターゲット１５０によって反射された光を、ＴｏＦセンサ１１０ｄ及び画像センサ１１０ｉを含むアレイ１１０上に投影するレンズのアレイを含むことができる。
【００３９】
本開示の実施形態によれば、受光器光学素子１１２、及び／又は、検出器アレイ１１０におけるＴｏＦセンサ１１０ｄ及び画像センサ１１０ｉの配置若しくはレイアウトは、共通の画像位置合わせ又はＦｏＶ１９０にわたってセンサ１１０ｄ及び１１０ｉによって検出される特徴量の相関を提供し、制御回路１０５によって必要とされる更なる処理を削減するか又はなくす。すなわち、ＴｏＦセンサ１１０ｄから出力される検出信号によって示される深さ情報は、対応する画像センサ１１０ｉから出力される検出信号によって示される画像情報と空間的及び時間的に相関され、各ＴｏＦセンサ１１０ｄと１つ以上の画像センサ１１０ｉとの間の対応関係（又はその逆の対応関係）は、光学的に（受光器光学素子１１２による光の方向転換によって）及び／又は空間的に（検出器アレイ１１０におけるセンサ１１０ｄ、１１０ｉの相対配置によって）提供される。相関された情報を含むそれぞれの検出信号は、制御回路１０５において受信することができ、制御回路１０５は、ＴｏＦセンサ１１０ｄと相関された画像センサ（複数の場合もある）１１０ｉとの間の既知の（光学的及び／又は空間的）対応関係に基づいて削減された処理要件で、相関された情報をマージ又は位置合わせすることができる。幾つかの実施形態では、画像センサ１１０ｉは、ＲＧＢ（Red-Green-Blue（赤−緑−青））画像又はＲＧＢ情報を提供するＲＧＢ  ２Ｄカメラを実施するように構成することができ、ＴｏＦセンサ１１０ｄは、深さ画像又は深さ情報を提供することができる。したがって、本明細書に記載されているような異なるセンサ１１０ｄ、１１０ｉによって提供されるデータの間の相関は、システム１００が、画像センサ１１０ｉ及びＴｏＦセンサ１１０ｄによって出力されるそれぞれの検出信号からの画像情報及び深さ情報を位置合わせするのに通常必要とされる処理オーバヘッド又は計算オーバヘッドを削減して（又はなくして）、ＲＧＢカメラにおけるあらゆるピクセルに関連した深さ情報を提供することを可能にすることができる。
【００４０】
本開示の実施形態による飛行時間センサ及び画像センサの共通の受光器光学素子の例が図２Ａ及び図２Ｂに示されている。詳細には、図２Ａは、受光器光学素子２１２（レンズ（複数の場合もある）２１２ｌ及びビームスプリッタ／フィルタ（複数の場合もある）２１１を含む）及びセンサ２１０ｉ、２１０ｄの機能的配置を示す一方、図２Ｂは、プリズム２１２ｉ、２１２ｄを含むモノリシックモジュール又は単一モジュールにおける受光器光学素子２１２及びセンサ２１０ｉ、２１０ｄの例示の実施態様を示している。上記プリズムは、センサ２１０ｉ、２１０ｄと共通の受光器光学素子２１２との位置合わせを容易にすることができる。受光器光学素子２１２及びセンサ２１０ｉ、２１０ｄは、幾つかの実施形態では、図１の受光器光学素子１１２及びセンサ１１０ｉ、１１０ｄをそれぞれ表すか又はこれらに対応することができる。
【００４１】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、視野（例えば、ＦｏＶ１９０）からの入射光は、単数又は複数の共通の光学素子２１２ｌによって収集され、幾つかの場合には、２つのセンサ２１０ｄ、２１０ｉの外部への漏洩を最小にして、一部の光がＴｏＦセンサ２１０ｄに当たり、一部の光がＲＧＢ画像センサ２１０ｉに当たるようにビームスプリッタ又はフィルタ２１１を介して誘導される。図２Ａ及び図２Ｂの例では、ターゲットの可視的特徴量を示すことができる電磁スペクトルの可視部分及び／又は近赤外部分における光（例えば、約３８０ナノメートル（ｎｍ）〜約７５０ｎｍの波長を有する光）が画像センサ２１０ｉに誘導される。ライダシステム１００の１つ以上のエミッタ１１５ｅから出力される光信号に対応することができる、電磁スペクトルの可視部分及び／又は近赤外部分よりも長い波長を有する光（例えば、約７５０ｎｍよりも長い波長、例えば９４０ｎｍを有する光）は、ＴｏＦセンサ２１０ｄに誘導される。詳細には、エミッタ（複数の場合もある）１１５ｅは、可視光の波長よりも長い波長を有する光信号を出力するように構成することができ、これらの光信号は、ＦｏＶ１９０内のターゲット（複数の場合もある）１５０から反射し、受光器光学素子２１２に入射する光のエコー信号として受光することができる。レンズ２１２ｌ及びビームスプリッタ又はフィルタ２１１は、このように、可視波長光及び／又は近赤外波長光よりも長い波長光（第１の波長域として示される）をＴｏＦセンサ２１０ｄに誘導することができる一方、可視スペクトル及び／又は近赤外スペクトル（第２の波長域として示される）内の光は、時間相関及び空間相関を伴って画像センサ２１０ｉに誘導される。第１の波長域及び第２の波長域は、幾つかの実施形態では、重なり合うものとすることができる。
【００４２】
双方のセンサ２１０ｄ及び２１０ｉの出力は、制御回路１０５等のプロセッサを使用して結合又は融合し、視野の３Ｄ点群表現１７０を規定することができる。共通の受光器光学素子２１２がＦｏＶにわたる入射光を双方のセンサ２１０ｄ及び２１０ｉに誘導するのに使用されるので、ＦｏＶにわたって画像センサ２１０ｉ及びＴｏＦセンサ２１０ｄによって検出される特徴量の間の画像位置合わせ又は相関を提供する処理動作は、不要とすることができる。すなわち、受光器光学素子２１２は、センサから出力されるそれぞれの検出信号が空間的及び時間的に相関された深さ情報及び画像情報をそれぞれ含むように、ＴｏＦセンサ２１０ｄを画像センサ２１０ｉと光学的に相関させることができる。これは、処理要件を削減することができ、それによって、より高速で、より少ない費用のシステムが可能になる。図２Ａ及び図２Ｂの例では、必ずしもそうではないが、センサ２１０ｉ及び２１０ｄを同じ検出器アレイに含めることができる。本明細書に記載の更なる実施形態では、ＴｏＦセンサ２１０ｄ及び画像センサ２１０ｉを同じダイ上に統合することができ、それによって、レンズ２１２、ビームスプリッタ若しくはフィルタ２１１、及び／又はプリズム２１２ｉ、２１２ｄの位置合わせ不良の可能性を低減させながら画像位置合わせが可能になる。
【００４３】
幾つかの実施形態では、ビームスプリッタ又はフィルタ２１１は、２つのセンサ２１０ｄ、２１０ｉの光路に設けられるスペクトルフィルタとすることができる。フィルタ２１１は、放射波長を含む帯域通過フィルタとすることができ、この帯域通過フィルタは、周囲光を除去して、ＴｏＦセンサ２１０ｄ及び画像センサ２１０ｉにおいて十分高い信号対雑音比を提供することができるように、ライダ発光源（例えば、エミッタアレイ１１５）から出力される光を含む波長域の光が通過することができるように構成される。図２Ａ及び図２Ｂの実施形態では、フィルタ２１１は、ＴｏＦセンサ２１０ｄの前方（すなわち、ＴｏＦセンサ２１０ｄとレンズ２１２ｌとの間）に配置されるが、画像センサ２１０ｉの前方には配置されない（すなわち、画像センサ２１０ｉに入射する光は、フィルタ２１１を最初に通過しない）。したがって、画像センサ２１０ｉがより多くの光子をキャプチャすることができるように、光をフィルタリングすることなく画像センサ２１０ｉに誘導することができる。画像センサ２１０ｉは、ＴｏＦセンサ２１０ｄと比較して、放射波長帯において物体の反射率への依存度が少なく、検出器の近くに存在し得る高反射性物体（又は、リトロリフレクタ等の、エミッタの光の比較的大きな部分を反射するそのような物体）からの反射光による飽和、すなわち「ブラインド状態（blinded：盲目状態）」の影響を受けにくいものとすることができる。
【００４４】
図２Ａ及び図２Ｂには、単一のフィルタ構成に関する図が示されているが、本開示の実施形態は、図示された構成に限定されるものではなく、逆に、共通の受光器光学素子２１２がＴｏＦセンサ及び画像センサの双方に入射光を誘導するのに使用される他の構成を含むことができる。幾つかの実施形態では、第１のフィルタ２１１を上述したようにＴｏＦセンサ２１０ｄの前方に配置することができ、第２のフィルタを画像センサ２１０ｉの前方に配置して、例えば、特定の光帯域／波長域を優先的に撮像又は特定の光帯域／波長域を優先的に遮断することができる。幾つかの実施形態では、フィルタの組み合わせを画像センサ２１０ｉの前方に配置して、ＲＧＢ（赤−緑−青）撮像又はマルチスペクトル撮像を可能にすることができる。
【００４５】
同様に、幾つかの実施形態では、ビームスプリッタ又はフィルタ２１１は、１つ以上のスペクトル帯域又は波長域の光をセンサ２１０ｄの第１の方向に誘導するとともに、他の帯域又は波長域の光をセンサ２１０ｉの第２の方向に誘導するために、２つのセンサ２１０ｄ、２１０ｉの光路に設けられるダイクロイック（dichroic）ビームスプリッタとすることができる。幾つかの実施形態では、ライダ発光源から出力される光を含む波長域の光は、ＴｏＦセンサ２１０ｄに反射することができ、１つ以上の他の波長域の光は、画像センサ２１０ｉに反射することができる。幾つかの実施形態では、ダイクロイックミラー（dichroic mirror）を、ビームスプリッタ２１１として又はビームスプリッタ２１１に代えて使用することができる。より一般的には、図２Ａ及び図２Ｂには、特定の要素に関する図が示されているが、本開示の実施形態は、図示された要素に限定されるものではなく、入射光をＴｏＦセンサ２１０ｄ及び画像センサ２１０ｉの双方に誘導する他の要素又は構成を含むことができ、幾つかの場合には、第１の波長域の光をＴｏＦセンサ２１０ｄに誘導するとともに第２の／異なる波長域の光を画像センサ２１０ｉに誘導する他の要素又は構成を含むことができることが理解されるであろう。
【００４６】
図１を再度参照すると、幾つかの実施形態では、制御回路１０５は、ＴｏＦセンサ１１０ｄから受信された３次元情報又は深さ情報と、画像センサ１１０ｉから受信されたスペクトル情報との一方又は双方に基づいて、例えば、深さ検出信号及び画像検出信号によって示される明度、２次元形状若しくは３次元形状、反射率、及び／又は色に基づいて、ＦｏＶ１９０内の物体又はターゲット１５０を識別するように構成される少なくとも１つのプロセッサを含むことができる。同様に、プロセッサは、ＴｏＦセンサ１１０ｄ及び画像センサ１１０ｉの一方又は双方からの検出信号によって示されるこのデータ又は他のデータに基づいて物体又はターゲット１５０を追跡するように構成することができる。幾つかの実施形態では、ＴｏＦセンサ１１０ｄ及び画像センサ１１０ｉの一方又は双方からの検出信号から読み取られた値は、プロセッサが、検出信号から計算される信頼度レベルを範囲測定値に割り当てるのに使用することができる。
【００４７】
幾つかの実施形態では、測距測定を実行するためにＴｏＦセンサ１１０ｄによる検出用の第１の波長域の光を放射するライダエミッタ１１５ｅに加えて、システム１００は、第２の／異なる波長域の光を放射して画像センサ１１０ｉの視野１９０を照射する１つ以上の第２の又は追加のエミッタを含むことができる。受光器光学素子１１２及び／又はフィルタ１１１は、第１の波長域の入射光信号をＴｏＦセンサ１１０ｄに誘導するとともに第２の波長域の入射光信号を画像センサ１１０ｉに誘導するように同様に構成することができる。幾つかの実施形態では、例えば、ＴｏＦセンサ１１０ｄ及び画像センサ１１０ｉの前方にそれぞれの波長選択性フィルタを配置することによって、ＴｏＦセンサ１１０ｄは、エミッタ１１５ｅから出力される第１の波長域の光に十分反応するように構成することができる一方、画像センサ１１０ｉは、エミッタ１１５ｅから出力される第１の波長域の光に十分反応しないように構成することができる。幾つかの実施形態では、第２の又は追加のエミッタは、フィルタ１１１がある場合もない場合も、このエミッタから出力される第２の波長域の光がＴｏＦセンサ１１０ｄによって十分に検出不能であるように構成することができる。本明細書に記載されるような「十分な」反応又は検出は、画像センサ固有の放射及び検出の波長域とＴｏＦセンサ固有の放射及び検出の波長域とを区別することができる構成を指すことができる。
【００４８】
図１を更に参照すると、エミッタアレイ１１５は、エミッタ素子１１５ｅとしてのＶＣＳＥＬのアレイを含むことができる。幾つかの実施形態では、ドライバ回路１１６は、ＶＣＳＥＬ１１５ｅのアレイ１１５を同じ強度又は出力パワーレベルで駆動するように、すなわち、ＶＣＳＥＬ１１５ｅのそれぞれの放射の強度が実質的に均一であるように構成することができる。例えば、ＶＣＳＥＬアレイ１１５はパルス状とすることができ、アレイ１１５における１つ以上（又は全て）のＶＣＳＥＬ１１５ｅの平均パワー及びピークパワーは、実質的に同様又は同一とすることができる。ドライバ回路１１６は、ＶＣＳＥＬ１１５ｅのアレイ１１５を複数の強度又は異なる出力パワーレベル（異なる非ゼロの出力パワーレベルを含む）で駆動するように、すなわち、ＶＣＳＥＬ１１５ｅのそれぞれの放射の強度が不均一であるように構成することができる。
【００４９】
幾つかの実施形態では、エミッタアレイ１１５を、エミッタ１１５ｅのサブセットを含むそれぞれの部分領域に分割することができ、エミッタ１１５ｅのサブセットのそれぞれをそれぞれのドライバ回路１１６によって駆動することができる。それぞれのドライバ回路１１６は、それぞれの強度又は出力パワーを有するそれぞれの部分領域のエミッタ１１５ｅを駆動するように、すなわち、エミッタアレイ１１５のそれぞれの部分領域についてそれぞれの放射強度をもたらす出力信号を提供するように構成することができる。幾つかの実施形態では、エミッタアレイ１１５の各部分領域のそれぞれの強度又は出力パワーは、制御回路１０５又は他のプロセッサが、例えば、検出器アレイ１１０の空間的に相関された検出器１１０ｄ及び／又は１１０ｉから出力されるフィードバック検出信号に基づいて決定することができる。すなわち、制御回路１０５又はプロセッサは、視野１９０にわたって検出器アレイ１１０の検出器１１０ｄ及び／又は１１０ｉによって検出される戻り信号の強度に基づいて、アレイ１１５の領域ごとに又は全体的に必要とされる駆動強度を計算するように構成することができる。
【００５０】
本開示の幾つかの実施形態によるＴｏＦセンサ１１０ｄと画像センサ１１０ｉとの間の画像位置合わせを提供する構成の利点を示すために、以下の例を提供する。１つの例では、ライダシステム１００が、ＦｏＶ１９０の特定の領域において相対的に弱い戻り信号（検出器アレイ１１０の対応する領域に位置する検出器１１０ｄ及び／又は１１０ｉからの検出信号によって示される）を受信すると、制御回路１０５又はプロセッサは、ＦｏＶ１９０のその特定の領域を照射するように配置されたエミッタ１１５ｅの対応するサブセットを通じてより高い強度の放射をもたらす駆動信号を提供する制御信号をドライバ回路１１６に出力することができる。
【００５１】
別の例では、ＦｏＶ１９０の特定の領域に向いている画像センサ１１０ｉは、ＴｏＦセンサ１１０ｄによって未検出であった可能性があるターゲット１５０を示す検出信号を出力することがあり、制御回路１０５又はプロセッサは、ＦｏＶ１９０のその特定の領域を照射するように配置されたエミッタ１１５ｅのサブセットを、放射パワーを増加させるように動作させる制御信号をドライバ回路１１６に出力することができる。例えば、制御回路１０５又はプロセッサは、ＴｏＦセンサ１１０ｄ及び画像センサ１１０ｉ（ターゲット１５０を検出している可能性がある）の双方からのデータを融合又は結合して、ＴｏＦセンサ１１０ｄによって検出されていなかったターゲット１５０を識別することができ、それに応答してエミッタ１１５ｅの１つ以上のサブセットの放射パワーを調整する制御信号をドライバ回路１１６に出力することができる。１つの例では、高反射性ターゲット１５０からの反射信号は、ＴｏＦセンサ１１０ｄを飽和させる場合があるが、画像センサ１１０ｉによって可視又は検出可能である場合があり、制御回路１０５又はプロセッサは、高反射性ターゲット１５０を含むＦｏＶ１９０の部分又は領域を照射するように配置されたエミッタ１１５ｅのサブセットを、反射信号を飽和させないために放射パワーを下げるように動作させる制御信号をドライバ回路１１６に出力することができる。
【００５２】
幾つかの実施形態では、ライダシステム１００は、エミッタ１１５ｅの複数のグループを同時に又は並列に動作させるようにエミッタアレイ１１５を駆動することができるフラッシュライダシステムとすることができる。幾つかの実施形態では、ライダシステム１００は、１つ以上のシーケンスにおいてそれぞれの行又は列のエミッタ１１５ｅを逐次的に動作させ、それらのエミッタから出力される光信号が走査の効果を提供するようにエミッタアレイ１１５を駆動することができる固体走査ライダシステムとすることができる。幾つかの実施形態では、ライダシステム１００は非固体ライダとすることもできる。
【００５３】
図３〜図７は、画像センサ及びＴｏＦセンサが同じ半導体基板（例えば、同じチップ又はダイ）上に配置されて、ＦｏＶにわたって画像センサ及びＴｏＦセンサによって検出される特徴量の間の画像位置合わせを提供する検出器アレイの実施形態を示している。幾つかの例示の構成は、ビーム分割光学素子なしで実施することができ、それによって、より小さく、より安価で、（ビームスプリッタの位置合わせ不良を回避することによって）位置合わせがより容易であり、より少ない電力消費で動作可能なシステムを提供することができる。幾つかの実施形態では、ＲＧＢカメラを同じチップ又は基板上のＬＩＤＡＲ  ＴｏＦカメラ内にモノリシックに統合するデバイス及び方法が提供される。さらに、本明細書に記載の実施形態は、検出器デバイス自体だけでなく、幾つかの場合には同じ基板上でアドレス指定可能であり、例えば、マイクロ転写印刷（ＭＴＰ：Micro Transfer Printing）技法を使用して同じ基板上に組み立てられるＶＣＳＥＬ又は他のエミッタのアレイと組み合わせてそのような検出器デバイスを含むフラッシュライダシステムも対象とする。
【００５４】
図３の平面図に示すように、本明細書に記載の幾つかの実施形態は、間接ＴｏＦ（ｉＴｏＦ）ピクセル等のＴｏＦピクセル３１０ｐの間に点在した撮像ピクセル３１０ｉを含む検出器アレイ３１０を提供する。複数の画像センサ（例えば、１１０ｉ、２１０ｉ）及びＴｏＦセンサ（例えば、１１０ｄ、２１０ｄ）は、それぞれの撮像ピクセル３１０ｉ及びＴｏＦピクセル３１０ｄをそれぞれ規定することができる。特にｉＴｏＦ検出器の配置は、例えば、ｉＴｏＦピクセルがより低い電圧において動作することができ、通常、直接ＴｏＦピクセルの検出器（例えば、ＳＰＡＤデバイス）に関連したガードリング構造を有しないので、幾つかの課題を提示する可能性がある。また、一般に、ＴｏＦピクセル３１０ｄは、（１つ以上の寸法において）幾つかの撮像ピクセル３１０ｉよりも大きくなる場合がある。例えば、幾つかの間接ＴｏＦピクセルは、表面積を約１７ミクロン×１７ミクロン（２８９平方ミクロン）とすることができ、幾つかの直接ＴｏＦピクセルは、表面積を約４０ミクロン×４０ミクロン（１６００平方ミクロン）とすることができる一方、幾つかのＣＩＳピクセルは、表面積を約１．４ミクロン×１．４ミクロン（１．９６平方ミクロン）とすることができる。したがって、ＴｏＦピクセル３１０ｄの表面積は、幾つかの実施形態では、撮像ピクセル３１０ｉの表面積よりも１００倍〜１０００倍大きくすることができる。
【００５５】
幾つかの実施形態では、ＣＩＳピクセルのアレイと同じ半導体基板上にＴｏＦピクセルのアレイを含むデバイスを製造して、ハイブリッドＣＩＳ／ＴｏＦ検出器アレイを有する統合されたセンサダイを提供することができる。より一般的には、図３に示すように、検出器アレイ３１０は、撮像ピクセル３１０ｉ及びＴｏＦピクセル３１０ｄのアレイを含むことができる。統合されたセンサダイは、アレイ３１０において、撮像ピクセル３１０ｉがＴｏＦピクセル３１０ｄに間に点在するようにレイアウトされる。すなわち、アレイにおけるピクセル３１０ｄ、３１０ｉの配置は、それらのピクセルから出力されるそれぞれの検出信号が、空間的及び時間的に相関された深さ情報及び画像情報をそれぞれ含むように、各ＴｏＦピクセル３１０ｄを１つ以上の撮像ピクセル３１０ｉと（例えば、サブピクセルとして）空間的に相関させる。
【００５６】
図３及び図４の例では、４つの撮像ピクセル３１０ｉが、各ＴｏＦピクセル３１０ｄの周囲に対称にレイアウトされるが、それよりも少ない又は多いピクセル３１０ｉ及び／又は３１０ｄ及び／又はそれらのピクセルの非対称の配置も使用することができる。処理制御回路部３０５も同じ半導体基板上の隣接するエリアに設けることもできるし（すなわち、オンチップ）、１つ以上の異なる基板上に設けることもできる（すなわち、図３に点線によって示すようにオフチップ）。処理制御回路部３０５は、幾つかの実施形態において、図１の制御回路１０５及び／又は関連したドライバ回路１１６及びタイミング回路１０６を表すか又はこれらに対応することができる。処理制御回路部３０５は、ＴｏＦピクセル３１０ｄ及び相関された撮像ピクセル（複数の場合もある）３１０ｉから出力されるそれぞれの検出信号によって示される特徴量を、アレイ３１０におけるピクセル３１０ｄ、３１０ｉの既知の対応関係に基づいて位置合わせするか又は相関させるように構成することができる。入力／出力（Ｉ／Ｏ：input/output）パッド３９９は、検出器アレイ３１０を１つ以上の外部デバイスに結合するのに使用することができる。例えば、撮像ピクセル３１０ｉは、ＴｏＦピクセル３１０ｄと異なる読み出し要件を有する場合があるので、Ｉ／Ｏパッドは、撮像ピクセル３１０ｉ及びＴｏＦピクセル３１０ｄからのそれぞれの検出信号を（例えば、１つ以上の異なるウェハ又は基板上の）異なる読み出し回路に提供することができる。
【００５７】
幾つかの実施形態では、ピクセル３１０ｉ、３１０ｄのサブセット又は全ては電源線を共有することができる。幾つかの実施形態では、撮像ピクセル３１０ｉは、ＴｏＦピクセル３１０ｄと異なる電力要件を有する場合があるので、撮像ピクセル３１０ｉのサブセット又は全ては第１の電源線を共有することができる一方、ＴｏＦピクセル３１０ｄのサブセット又は全ては第２の電源線を共有することができる。例えば、ＴｏＦピクセル３１０ｄにＳＰＡＤピクセルを使用することは、撮像ピクセル３１０ｉにＣＩＳピクセルを使用することよりも高い電圧を必要とする場合がある。また、ＴｏＦピクセル３１０ｄは、撮像ピクセル３１０ｉよりも敏感に電源雑音に反応するおそれがあるので、電気雑音を隔離するためにピクセル３１０ｄ、３１０ｉに別々の電源線を使用することもできる。
【００５８】
図４Ａ及び図４Ｂは、本開示の実施形態による統合されたＴｏＦピクセル４１０ａ及び撮像ピクセル４１０ｂの例を示す平面視ブロック図である。ピクセル４１０ａ及び４１０ｂは、幾つかの実施形態において、図３の検出器アレイ３１０におけるＴｏＦピクセル３１０ｄ及び隣接する撮像ピクセル３１０ｉの平面視をそれぞれ表すか又はこの平面視に対応することができる。詳細には、図４Ａは、可視光の撮像情報及び深さ情報（本明細書では、ＲＧＢ＋Ｄともいう）を提供するピクセル４１０ａの一例示の平面視レイアウトを示す一方、図４Ｂは、可視光プラス赤外（ＩＲ：infrared）光の撮像情報及び深さ情報（本明細書では、ＲＧＢＩ＋Ｄともいう）を提供するピクセル４１０ｂの一例示の平面視レイアウトを示している。図３に示す配置と同様に、ピクセル４１０ａ、４１０ｂはそれぞれ、ピクセル４１０ａ、４１０ｂをアレイ（例えば、アレイ３１０）に配置することができるように、例としてＴｏＦピクセルのそれぞれのコーナに示された４つの撮像サブピクセル（例えば、ピクセル３１０ｉ）によって囲まれたＴｏＦピクセル（例えば、ピクセル３１０ｄ）を含む。
【００５９】
図４Ａ及び図４Ｂの例では、ＴｏＦピクセル及び撮像ピクセルは、光の所望の波長の検出を可能にするためにＴｏＦピクセル及び撮像ピクセルの光路内に重なるか又は別の方法で配置されるそれぞれの波長選択性フィルタ４１１ｒ、４１１ｇ、４１１ｂ、４１１ｄ、及び／又は４１１ｉ（４１１と総称する）を含む。詳細には、図４ＡのＲＧＢ＋Ｄピクセル４１０ａでは、近赤外（ＮＩＲ：near-infrared）波長帯又は波長域に対応する波長の光が通過することができるように構成されるフィルタ４１１ｄが、ＴｏＦピクセルの上方に配置される。ＮＩＲ波長域は、約７８０ｎｍ〜約２５００ｎｍの波長を含むことができる。赤、緑、緑、及び青（ＲＧＧＢ）の波長帯又は波長域に対応する波長の光が通過することができるように構成されるフィルタ４１１ｒ、４１１ｇ、４１１ｇ、及び４１１ｂが、４つの撮像サブピクセルの上方にそれぞれ配置される。赤の波長域は、約６１５ｎｍ〜約７５０ｎｍの波長を含むことができ、緑の波長域は、約４９５ｎｍ〜約５８０ｎｍの波長を含むことができ、青の波長域は、約４１５ｎｍ〜約４９０ｎｍの波長を含むことができる。ピクセル４１０ａは、撮像ピクセルのうちの２つの上に重なって、可視光源によるＦｏＶの照射に応答してより多くのエネルギーを含むことができる可視スペクトルの緑の波長域においてより多くの情報を収集するか又はそれ以外に光に対するより高い感度を提供する２つの緑に反応するフィルタ４１１ｇを含むことができる。
【００６０】
同様に、図４ＢのＲＧＢＩ＋Ｄピクセル４１０ｂでは、赤外（ＩＲ）又は近赤外（ＮＩＲ）の波長帯又は波長域に対応する波長の光が通過することができるように構成されるフィルタ４１１ｄが、ＴｏＦピクセルの上方に配置され、赤、緑、及び青（ＲＧＢ）の波長帯又は波長域に対応する波長の光が通過することができるように構成されるフィルタ４１１ｒ、４１１ｇ、及び４１１ｂが４つの撮像サブピクセルのうちの３つの上方にそれぞれ配置される。ピクセル４１０ｂは、可視スペクトルの赤外域において情報を収集するか又はそれ以外に光に対する感度を提供する、第４の撮像サブピクセルの上に重なるＩＲ又はＮＩＲフィルタ４１１ｉを更に含むことができ、これによって、可視光によるＦｏＶの照射がない場合の撮像（例えば、暗視撮像又は他の微小光撮像若しくは無光撮像）を可能にすることができる。このように、ピクセル４１０ｂは、色（ＲＧＢ）情報、赤外（Ｉ）情報、及び深さ（Ｄ）情報を検出することができる。
【００６１】
ＴｏＦピクセル及び撮像ピクセルを同じ基板上に統合する際に、幾つかのライダシステムは、ＮＩＲ波長域以上において、例えば、約７８０ｎｍよりも長い波長（例えば、約８５０ｎｍ、９０５ｎｍ又は９４０ｎｍ）において光を放射するエミッタを含むことができることと、シリコンがこれらの波長において非常に低い吸収係数を有することとが理解される。撮像ピクセル３１０ｉは、例えば、シリコンが相対的に高い吸収係数を有する約５００ｎｍ〜約７５０ｎｍの波長域における可視波長光子に関する情報を提供することができる。幾つかのＣＩＳアレイは、可視波長及びＮＩＲ波長又は近紫外（ＵＶ）波長（例えば、赤、緑、青、紫外（ＲＧＢＵ））に反応することができ、それらのアレイのピクセルは、電荷を統合して画像を提供することができるが、範囲を提供するように構成されていない場合がある。本明細書に記載の更なる実施形態に従ってＴｏＦピクセル及び撮像ピクセルを同じ基板上に統合するとき、撮像ピクセルは、相対的に浅いｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を用いて形成することができる一方、ライダＴｏＦピクセルは、より深くより広いｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を用いて形成することができる。接合領域は、本明細書では、一般的にｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を指すのに使用することができる。
【００６２】
図５Ａ及び図５Ｂは、本開示の実施形態による、同じ半導体基板５００上に統合されたＴｏＦセンサ及び画像センサの例５１０ａ及び５１０ｂを示す断面図である。図５Ａのピクセル５１０ａ及び図５Ｂのピクセル５１０ｂは、隣接する撮像センサ５１０ｉの間に対称に配置されたＴｏＦセンサ５１０ｄをそれぞれ含むことができる。ただし、これよりも少ない／これよりも多くのセンサ５１０ｄ、５１０ｉ及び／又は非対称の配置を使用することができることが理解されるであろう。ＴｏＦセンサ５１０ｄ及び隣接する撮像センサ５１０ｉは、幾つかの実施形態において、図３のＴｏＦピクセル３１０ｄ及び隣接する撮像ピクセル３１０ｉの断面をそれぞれ表すか又はこれらの断面にそれぞれ対応することができる。ＴｏＦセンサ５１０ｄ及び隣接する撮像センサ５１０ｉは、幾つかの実施形態において、図４Ａのピクセル４１０ａ又は図４Ｂのピクセル４１０ｂの断面をそれぞれ表すか又はこれらの断面にそれぞれ対応することができ、図４Ａ及び図４Ｂの撮像フィルタ４１１ｒ／４１１ｇ／４１１ｂ／４１１ｉ及びＴｏＦフィルタ４１１ｄと同様の波長選択性撮像フィルタ５１１ｉ及びＴｏＦフィルタ５１１ｄを含むことができる。
【００６３】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、基板５００と逆の導電型（ｐ型又はｎ型）のドーパントが（例えば、注入によって）基板５００内に与えられ、相対的に深く広いウェル領域５１０ｗ（ＴｏＦセンサ５１０ｄのフォトダイオードを規定する）と、相対的に浅く狭いウェル領域５１０ｓ（撮像センサ５１０ｉのフォトダイオードを規定する）とが形成される。例えば、基板５００は、ｐ型半導体材料とすることができ、ウェル領域５１０ｗ、５１０ｓは、異なる注入エネルギーを用いてｎ型ドーパントを基板５００の表面内に注入して異なる深さを有するＴｏＦセンサ５１０ｄ及び撮像センサ５１０ｉの接合領域を設けることによって形成することができる。基板５００の表面上に誘電体層（複数の場合もある）及び金属層を形成して、誘電体スタック５０１及び金属線５９９をそれぞれ規定することができる。金属線５９９は、ＴｏＦセンサ５１０ｄ及び撮像センサ５１０ｉへ及び／又はから信号を転送する接続部を実施することができる。
【００６４】
図５Ａ及び図５Ｂを更に参照すると、マイクロレンズのマトリックス又はアレイ５１２ａ及び５１２ｂを、ハイブリッド撮像／ＴｏＦアレイに受光器光学素子として適用することができる。例えば、図５Ａに示すように、マイクロレンズのアレイ５１２ａは、撮像センサ５１０ｉ及びＴｏＦセンサ５１０ｄとそれぞれ（平面視において）位置合わせされ、これらのセンサ用にそれぞれ異なってサイズ決めされたマイクロレンズ５１２ｉ及び５１２ｄを含むことができる。詳細には、ＴｏＦマイクロレンズ５１２ｄは、撮像センサ５１０ｉのより狭くより浅い接合領域と比較して、ＴｏＦセンサ５１０ｄのより広くより深い接合領域への入射光の収集及び入射光の誘導を改善又は最適化するために、撮像マイクロレンズ５１２ｉよりも広くかつ高くなるように形成することができる。
【００６５】
幾つかの実施形態では、マイクロレンズのアレイ５１２ｂは、図５Ｂに示すように、複数のＣＩＳピクセル及びＴｏＦピクセルの共通のマイクロレンズ５１２ｃを含むことができる。詳細には、ＴｏＦ／撮像マイクロレンズ５１２ｃは、ＴｏＦセンサ５１０ｄのより広くより深い接合領域及び撮像センサ５１０ｉのより狭くより浅い接合領域の双方に入射光を誘導するそれぞれの領域を用いて形成することができる。
【００６６】
図５Ａ及び図５Ｂには、マイクロレンズ５１２が、マイクロレンズ５１２と基板５００に形成されたフォトダイオードとの間の金属線５９９を有する誘電体スタック５０１の表面上に設けられるフロントサイド照射方式に関する図が示されているが、マイクロレンズ５１２のアレイは、本開示の幾つかの実施形態では、代替として、フォトダイオード及び基板５００がマイクロレンズ５１２と金属線５９９との間にあるバックサイド照射方式で、基板５００の反対表面上に実装することができることが理解されるであろう。また、図示していないが、基板５００の領域内又は領域上に絶縁構造部を実装し、ＴｏＦセンサ５１０ｄの接合領域を撮像センサ５１０ｉの接合領域から分離し、光生成電荷が領域５１０ｄと５１０ｉとの間に拡散する確率を低減することができる。例えば、絶縁構造部は、ＴｏＦセンサ５１０ｄのｐ−ｎ接合部と撮像センサ５１０ｉのｐ−ｎ接合部との間に絶縁トレンチ（isolating trench：分離溝）として実装することができる。ＴｏＦセンサ５１０ｄの接合領域と撮像センサ５１０ｉの接合領域との間の絶縁トレンチは、１つ以上の誘電体材料で充填することができる。幾つかの実施形態では、絶縁トレンチは、（基板５００の表面に対して）それぞれの深さを有することができ、この深さは、少なくともＴｏＦセンサ５１０ｄの接合領域と同程度の深さである。幾つかの実施形態では、絶縁トレンチを不動態化して、雑音を増加させるおそれがある基板５００の結晶構造内の欠陥の形成を低減又は最小化することができる。幾つかの実施形態では、絶縁構造部、絶縁トレンチ又はそれ以外のものは、ＴｏＦセンサ５１０ｄ又はその接合領域を取り囲むことができる。
【００６７】
幾つかの実施形態では、より浅い撮像ピクセル接合領域は、より深いＴｏＦピクセル接合領域の真上に又はこのＴｏＦピクセル接合領域と平面視において重なり合ってアレイとして形成することができる。図６は、本開示の実施形態による、同じ半導体基板６００上に統合されたＴｏＦセンサ６１０ｄ及び画像センサ６１０ｉを含む検出器アレイ６１０を有する統合されたセンサダイの例を示す断面図である。検出器アレイ６１０は、３つの横並びの検出器ピクセル６１０ａ、６１０ｂ、６１０ｃを示しているが、アレイ６１０は、例えば、図３の検出器アレイの配置と同様の行及び列を規定するように、１つ以上の次元に追加のピクセルを含むことができることが理解されるであろう。
【００６８】
図６に示すように、基板６００と逆の導電型（ｐ型又はｎ型）のドーパントが（例えば、注入によって）基板内に与えられ、より深くより広いウェル領域６１０ｗ（ＴｏＦセンサ６１０ｄのフォトダイオードを規定する）と、より浅くより狭いウェル領域６１０ｓ（撮像センサ６１０ｉのフォトダイオードを規定する）とが形成される。一般性を失うことなく、例として、浅いｎ＋領域６１０ｓは、第１のｐウェル接合部６１０ｉとのｐ−ｎ接合部を規定して、可視波長域における光子を検出する撮像センサ６１０ｉのフォトダイオードを形成するのに対して、深いｎウェル領域６１０ｗは、ｐ型基板６００とのｐ−ｎ接合部を規定して、ＮＩＲ波長域における光子を検出するＴｏＦピクセルのフォトダイオードを形成する。センサ６１０ｉ及び６１０ｄは、光の異なる波長に反応することができるので、センサ６１０ｄ上にセンサ６１０ｉを積み重ねた配置は、撮像センサ６１０ｉによって可視波長光子を検出することを可能にすることができるとともに、それよりも長い波長の光子を、下部にあるＴｏＦセンサ６１０ｄへ透過させることができる。
【００６９】
図６の例では、基板６００はｐ型半導体材料であり、ウェル領域６１０ｗ、６１０ｓは、異なる注入エネルギーを用いてｎ型ドーパントを基板６００の表面内に順次注入して、異なる深さを有するＴｏＦセンサ６１０ｄ及び撮像センサ６１０ｉの接合領域を設けることによって形成することができる。中間接合領域６１０ｊは、撮像センサ６１０ｉの浅い接合領域とＴｏＦセンサ６１０ｄの深い接合領域との間に設けられる。中間接合領域６１０ｊは、下部にあるＴｏＦセンサ６１０ｄと、その上に積み重ねらた上に重なる撮像センサ６１０ｉとの間の電気絶縁を提供する絶縁構造部として機能し、撮像センサ６１０ｉの浅い接合領域からＴｏＦセンサ６１０ｄの深い接合領域への電荷担体の移動又はその逆の電荷担体の移動を削減又は防止することができる。
【００７０】
幾つかの実施形態では、撮像センサ６１０ｉの浅い接合領域の読み出しノードが、検知ノード、転送ノード、及び／又はリセットノードに電気的に接続される。例えば、撮像センサ６１０ｉの浅い接合領域の読み出しノードは、センスフォロワ（sense follower）ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続することができる。同様に、幾つかの実施形態では、ＴｏＦセンサ６１０ｄの深い接合領域の検知ノードは、検知ノード、転送ノード又はリセットノードに電気的に接続することができる。例えば、ＴｏＦセンサ６１０ｄの深いｐ−ｎ接合部がＳＰＡＤの一部である場合には、深いｎウェル（ＤＮＷ）６１０ｗは、更なる処理のためにＭＯＳＦＥＴのゲートに電気的に接続することができる。読み出しＭＯＳＦＥＴ及び／又は他の回路部は、幾つかの実施形態では、基板６００と異なるウェハ又は基板上に設けることができる。
【００７１】
図５Ａ及び図５Ｂの実施形態と同様に、誘電体層（複数の場合もある）及び金属層を基板６００の表面上に形成して、誘電体スタック及び金属線をそれぞれ規定することができる。また、図５Ａ及び図５Ｂの実施形態と同様に、（例えば、マイクロレンズのマトリックス又はアレイとしての）受光器光学素子を前方側又は後方側の照射配置でハイブリッド撮像／ＴｏＦアレイ６１０に適用することができる。絶縁構造部も（接合領域６１０ｉに加えて）隣接するＴｏＦ／撮像ピクセルスタック６１０ａ、６１０ｂ、及び６１０ｃの間（又はそれぞれのスタックの周囲）の基板６００の領域内又は領域上に実装して、積み重ねられた検出器ピクセル６１０ａ、６１０ｂ、及び６１０ｃの接合領域の間で光生成電荷が拡散する確率を低減することができる。
【００７２】
したがって、幾つかの実施形態では、１つ以上のＣＩＳフォトダイオードを１つ以上のＴｏＦフォトダイオード上に形成することで、ＲＧＢカメラを同じチップ上でＬＩＤＡＲ  ＴｏＦカメラ内にモノリシックに統合することができる。図５Ａ、図５Ｂ、及び図６の例では特定の領域の特定の導電型に関する図が示されているが、本開示の実施形態はこれらの例に限定されるものではなく、逆の導電型を使用することができることが理解されるであろう。すなわち、ｐ基板及びｎドーパントに関する図が示されているが、幾つかの実施形態では、ｎ基板をｐドーパントとともに使用して、ＴｏＦセンサ６１０ｄの深い接合領域と、その上に積み重ねられる撮像センサ６１０ｉの浅い接合領域とを形成することができる。
【００７３】
図７は、本開示の実施形態による統合されたＴｏＦセンサ及び画像センサの更なる例を示す平面視ブロック図である。図７の検出器ピクセル７１０は、図３の検出器アレイ３１０におけるＴｏＦピクセル３１０ｄ及び隣接する撮像ピクセル３１０ｉ、図４Ａ若しくは図４Ｂの検出器ピクセル４１０ａ若しくは４１０ｂ、図５Ａ若しくは図５Ｂの検出器ピクセル５１０ａ若しくは５１０ｂ、又は図６の検出器ピクセル６１０ａ〜６１０ｃのいずれかの平面視を表すか又はこの平面視に対応することができる。詳細には、図７に示す例では、検出器ピクセル７１０は、図４Ａの検出器ピクセル４１０ａと同様のものとすることができ、赤、緑、緑、及び青（ＲＧＧＢ）の波長帯又は波長域に対応する波長に反応する撮像サブピクセルをそれぞれ規定する画像センサ７１０ｒ、７１０ｇ、７１０ｇ、及び７１０ｂとともに、近赤外（ＮＩＲ）波長帯又は波長域に対応する波長の光に反応するＴｏＦセンサ７１０ｄを含むＲＧＢ＋Ｄピクセルを提供する。或いは、検出器ピクセル７１０は、図４Ｂの検出器ピクセル４１０ｂと同様のものとすることができ、緑のサブピクセル７１０ｇのうちの一方がＩＲ又はＮＩＲの波長帯又は波長域の波長に反応するサブピクセルと交換されたＲＧＢＩ＋Ｄピクセルを提供する。
【００７４】
検出器ピクセル７１０は、ゲート構造部７２２（フォトゲート又は転送ゲート等）を更に含み、これらのゲート構造部は、ＴｏＦセンサ７１０ｄ及び／又は画像センサ７１０ｒ、７１０ｇ、７１０ｇ、及び７１０ｂの接合部のうちの１つ以上のアクティブエリアにわたって又はアクティブエリアの周囲に形成され、例えば、空乏範囲の深さの変調、電場の制御、及び／又は隣接したウェル若しくはキャパシタへの電荷の転送を行う。図７の例では、ゲート構造部７２２は、例として、ＴｏＦセンサ７１０ｄ並びに取り囲む画像センサ７１０ｒ、７１０ｇ、７１０ｇ、及び７１０ｂの周辺部に実装されるが、他の配置も使用することができることが理解されるであろう。幾つかの実施形態では、ゲート構造部７２２は、光のＮＩＲ波長に対して透明なものとすることができるが、光の可視波長に対して透明でないものとすることができる（又はその逆とすることもできる）。ゲート構造部７２２がＮＩＲ波長に対して透明であるが、可視波長に対して透明でないとき、画像センサ７１０ｒ、７１０ｇ、７１０ｇ、及び７１０ｂによる可視光子の吸収及び検出は局所化することができ、ゲート構造部７２２（又は他の電極若しくは浮体構造部）によって規定することができる一方、赤外光子は、ゲート構造７２２を透過させることができ、ＴｏＦピクセル７１１ｄの深い下部にある接合部間で検出することができる。すなわち、ゲート構造部７２２は、ＴｏＦセンサ７１０ｄ及び／又は画像センサ７１０ｒ、７１０ｇ、７１０ｇ、及び７１０ｂの接合部のうちの１つ以上を平面視において重ね合わせて配置することができる。波長透過率特性は、対応する波長域の光をそれらの波長域に反応する下部にあるＴｏＦセンサ又は画像センサに誘導するように選択されるか又は別の方法で構成される。
【００７５】
上述したように、本明細書に記載の統合された検出器アレイのＴｏＦピクセル及び撮像ピクセルの読み出し要件は、同じものとすることもできるし、異なるものとすることもでき、本明細書に記載の制御回路（例えば、１０５、３０５）は、同じ又は異なる読み出し要件に従って検出器を動作させるように構成することができる。幾つかの実施形態では、ＴｏＦピクセルの読み出しは、検出器アレイのＴｏＦピクセルが実質的に同時に作動されてＦｏＶの「スナップショット」をキャプチャするように、グルーバルシャッタ方式を使用して実施することができる。幾つかの実施形態では、撮像ピクセルの読み出しは、グルーバルシャッタ方式を使用して実施される。幾つかの実施形態では、ＴｏＦピクセルの読み出しは、検出器アレイのＴｏＦピクセルが順次作動されてＦｏＶを「走査」するように、ローリングシャッタ方式を使用して実施される。幾つかの実施形態では、撮像ピクセルの読み出しは、ローリングシャッタ方式を使用して実施される。すなわち、本明細書に記載されているような統合された検出器内のＴｏＦピクセル及び撮像ピクセルの読み出しには、グローバルシャッタ方式及びローリングシャッタ方式の任意の組み合わせを使用することができる。図３に関して上述したように、Ｉ／Ｏパッド（例えば、３９９）は、撮像ピクセル及びＴｏＦピクセルからのそれぞれの検出信号を、幾つかの実施形態では１つ以上の異なるウェハ又は基板上の異なる読み出し回路に提供することができる。
【００７６】
また、本明細書に記載されているようなＴｏＦピクセル及び撮像ピクセルのフレームレート（例えば、３Ｄ  ＦｏＶにおいて点をサンプリングするレート）は、ほぼ同じものとすることもできるし、異なるものとすることもでき、本明細書に記載の制御回路（例えば、１０５、３０５）は、同じフレームレート又は異なるフレームレートに従って検出器を動作させるように構成することができる。例えば、視野における相対的に明るい太陽光及び相対的に薄暗いターゲットの場合に、撮像ピクセルは、より高いフレームレートで動作させることができる一方、ＴｏＦピクセルは、より低いフレームレートで動作させることができる。
【００７７】
制御回路（例えば、１０５、３０５）は、本明細書に記載の検出器アレイの任意のものの領域ごとに行方向及び／又は列方向の動作を実行するように構成することもでき、領域は、検出器アレイにおける１つ以上のピクセルを含むことができる。幾つかの実施形態では、ハイブリッド画像センサ／ＴｏＦセンサ検出器からの読み出し値はアナログとすることができ、処理はオフチップで実行することができる。幾つかの実施形態では、列方向アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ：analog to digital converter）アレイを実施して、ＴｏＦピクセルからの読み出し値をオンチップ又はオフチップでデジタル化することができる。同様に、幾つかの実施形態では、行方向ＡＤＣアレイをオンチップ又はオフチップで実施することができる。幾つかの実施形態では、ＡＤＣは、ＴｏＦピクセルと撮像ピクセルとの間で共有することができる。幾つかの実施形態では、１つの列方向ＡＤＣアレイ又は行方向ＡＤＣアレイを撮像ピクセルに専用化することができ、１つのＡＤＣアレイ又は時間／デジタル変換器（ＴＤＣ：time to digital converter）アレイをＴｏＦピクセルに専用化することができる。幾つかの実施形態では、ＴｏＦピクセルは、ＡＤＣ又はＴＤＣを含むことができる。幾つかの実施形態では、撮像ピクセルのアレイによって検知された特徴量と、視野にわたってＴｏＦピクセルのアレイによって検知された範囲とを、撮像ピクセルのサブセットとＴｏＦピクセルのサブセットとの間の既知の対応関係に基づいて位置合わせするように又は相関させるようにオンチッププロセッサ又はオフチッププロセッサを構成することができる。
【００７８】
本明細書に記載するライダシステム及びアレイは、例えば、ＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System：先進運転支援システム）、自律走行車、ＵＡＶ（unmanned aerial vehicle：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に適用することができる。幾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：vertical surface emitting laser）とすることができる。幾つかの実施形態では、例えば、米国特許商標庁に２０１８年４月１２日に出願された、Burroughs他に対する米国特許出願公開第２０１８／０３０１８７２号に記載されているように（そ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）、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。
【００７９】
本明細書では、実施形態の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の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。
【００８０】
実施形態の例は、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。「幾つかの実施形態」、「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。実施形態は、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。実施形態の例は、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記載する。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、実施形態の例と矛盾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。
【００８１】
要素が別の要素に「上」、「接続される」又は「結合される」と言うとき、その要素はその別の要素の直接上にあるか、直接接続されるか、若しくは直接結合されることができるか、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「直接上にある」、「直接接続される」又は「直接結合される」と言うとき、介在する要素は存在しない。
【００８２】
本明細書では、第１、第２等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、或る要素を別の要素と区別するためにのみ用いられる。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。
【００８３】
さらに、図面に示されるような或る要素の別の要素に対する関係を説明するために、本明細書において「下側」又は「底部」及び「上側」又は「上部」のような相対語が用いられる場合がある。相対語は、図面に示される向きに加えて、デバイスの種々の向きを包含することが意図されていることは理解されよう。例えば、図のうちの１つにおいてデバイスが裏返しにされている場合には、他の要素の「下側」にあると説明される要素は、これらの他の要素の「上側」に向けられることになる。それゆえ、例示的な用語「下側」は、図の特定の向きに応じて、「下側」及び「上側」の両方の向きを包含することができる。同様に、図のうちの１つにおいてデバイスが裏返しにされている場合には、他の要素の「下方」又は「真下」にあると説明される要素は、これらの他の要素の「上方」に向けられることになる。それゆえ、例示的な用語「下方」又「真下」は、上方及び下方の両方の向きを包含することができる。
【００８４】
本明細書における本発明の説明に用いられる術語は、特定の実施形態を説明することを目的としたものにすぎず、本発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明及び添付の特許請求の範囲において使用されるように、単数形「一（"a", "an"）」及び「その（"the"）」は、文脈上明確にそうでないことが示されていない限り、単数だけでなく複数のものを含むことが意図されている。本明細書において用いられる用語「及び／又は」は、関連した列挙項目の１つ以上のもののありとあらゆる可能な組み合わせを指し、それらの組み合わせを包含することも理解されるであろう。用語「含む」及び／又は「備える」は、本明細書において用いられるとき、記載された特徴、完全体、ステップ、動作、要素／素子、及び／又は構成要素／成分の存在を明記するものであるが、１つ以上の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素／素子、構成要素／成分、及び／又はそれらの群の存在も追加も排除するものでないことが更に理解されるであろう。
【００８５】
本明細書では、本発明の理想化された実施形態（及び中間の構造体）の概略図である図を参照して、本発明の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、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。
【００８６】
別段の定めがない限り、科学技術用語を含む、本発明の実施形態を開示する際に用いられる全ての用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有し、本発明が記述される時点において知られている特定の定義に必ずしも限定されない。したがって、これらの用語は、その時点の後に作成された同義語を含むことができる。一般的に用いられる辞書において定義されるような用語は、本明細書において、及び関連技術の文脈においてそれらの用語が意味するのと一致する意味を有するように解釈されるべきであり、本明細書において明らかに定義されない限り、理想的な、又はあまりにも形式張った意味に解釈されないことは更に理解されよう。本明細書において言及される全ての刊行物、特許出願、特許及び他の参考文献は、その全体が、引用することにより本明細書の一部を成すものとする。
【００８７】
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み合わせ及び部分的組み合わせをそのまま説明し示すことは、過度に繰り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本開示の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み合わせ及び部分的組み合わ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み合わせ又は部分的組み合わせに対する特許請求を支持するものとする。
【００８８】
本明細書において本発明を様々な実施形態に関して説明してきたが、本発明の原理の範囲及び趣旨内で更なる変形及び変更を行うことができることが理解されるであろう。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、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に示されている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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