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KR20220061121A - 광 검출 장치, 광 검출 방법, 및 측거 시스템 - Google Patents

광 검출 장치, 광 검출 방법, 및 측거 시스템 Download PDF

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KR20220061121A
KR20220061121A KR1020227007825A KR20227007825A KR20220061121A KR 20220061121 A KR20220061121 A KR 20220061121A KR 1020227007825 A KR1020227007825 A KR 1020227007825A KR 20227007825 A KR20227007825 A KR 20227007825A KR 20220061121 A KR20220061121 A KR 20220061121A
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KR1020227007825A
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Inventor
타츠키 니시노
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Application filed by 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤 filed Critical 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 개시에 따른 광 검출 장치는, SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 소자와, 제1 정전류원 및 제2 정전류원과, 제1 스위치와, 제2 스위치와, 게이팅 스위치를 구비한다. SPAD 소자는, 광원으로부터 출사된 광에 기인하여 피측정물로부터 반사되는 광을 수광할 때에 신호를 출력한다. 제1 정전류원 및 제2 정전류원은 SPAD 소자의 캐소드에 병렬로 접속된다. 제1 스위치는 SPAD 소자와 제1 정전류원의 사이에 접속된다. 제2 스위치는 SPAD 소자와 제2 정전류원의 사이에 접속된다. 게이팅 스위치는, SPAD 소자와 제1 스위치의 사이에 그리고 SPAD 소자와 접지 전위의 사이에 접속된다.

Description

광 검출 장치, 광 검출 방법, 및 측거 시스템
본 개시는 광 검출 장치, 광 검출 방법, 및 측거 시스템에 관한 것이다.
광을 사용하여 피측정물까지의 거리를 측정하기 위한 측거 방법의 하나로서, 직접 ToF(Time of Flight) 방법이라고 불리는 측거 방법이 알려져 있다. 직접 ToF 방법에서는, 광원으로부터 출사된 광이 피측정물에 의해 반사되고, 그 반사광을 수광 소자에 의해 수광하여, 광이 출사될 때부터 반사광으로서 수광될 때까지의 시간에 기초하여 대상까지의 거리를 측정한다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본특허공개 제2015-117970호 공보
본 개시에서는, SPAD 소자의 게이팅 동작(gating operation)을 신속하고 양호하게 행할 수 있는 측거 센서를 제안한다.
본 개시에 따르면, 광 검출 장치가 제공된다. 광 검출 장치는, 애벌런치 포토다이오드(avalanche photodiode)의 전극이 제1 노드에 접속되어 있는 애벌런치 포토다이오드와, 제1 노드에 접속되며, 제1 전류원을 통해 제1 전위선에 접속되는 제1 스위치와, 제1 노드에 접속되며, 제2 전류원을 통해 제1 전위선에 접속되는 제2 스위치와, 제1 스위치 및 제2 스위치에 접속된 지연 회로를 포함한다.
본 개시에 따르면, SPAD 소자의 게이팅 동작을 신속하고 양호하게 행할 수 있다. 한편, 본 명세서에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 개시에 기재된 어떠한 효과이어도 된다.
도 1은 본 개시의 각 실시형태에 적용 가능한 직접 ToF 방법에 의한 측거를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 각 실시형태에 적용 가능한 수광부에 의해 수광한 시각에 기초한 일례의 히스토그램을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시형태에 따른 측거 장치를 사용한 전자 기기의 일례의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 실시형태에 적용 가능한 측거 장치의 일례의 구성을 보다 상세하게 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 개시의 각 실시형태에 따른 측거 센서의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 개시의 각 실시형태에 따른 수광부에 적용 가능한 디바이스의 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 개시의 제1 실시형태에 따른 펄스 출력부의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 8은 본 개시의 제1 실시형태에 따른 펄스 출력부의 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 9는 본 개시의 제1 실시형태에 따른 지연 회로 및 펄스 생성 회로의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 10은 본 개시의 제1 실시형태에 따른 지연 회로 및 펄스 생성 회로의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 11은 본 개시의 제2 실시형태에 따른 펄스 출력부의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 12는 본 개시의 제2 실시형태에 따른 펄스 출력부의 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 13은 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 14는 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부의 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 15는 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 16은 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부의 다른 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 17은 본 개시의 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 18은 본 개시의 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부의 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 19는 본 개시의 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 20은 본 개시의 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부의 다른 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 21은 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 22는 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 본 개시의 각 실시형태에 대해 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 이하의 실시형태에 있어서, 동일한 부위에는 동일한 참조 부호를 붙임으로써 중복된 설명을 생략한다.
광을 사용하여 피측정물까지의 거리를 측정하기 위한 측거 방법의 하나로서, 직접 ToF 방법이라고 불리는 측거 방법이 알려져 있다. 직접 ToF 방법에서는, 광원으로부터 출사된 광이 피측정물에 의해 반사되고, 그 반사광을 수광 소자에 의해 수광하여, 광이 출사될 때부터 반사광으로서 수광될 때까지의 시간에 기초하여 대상까지의 거리를 측정한다.
이러한 측거 방법에서는, 내부에 SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 소자를 구비한 수광 소자가 수광부로서 사용된다. 이러한 SPAD 소자에서는, 수광하여 신호가 출력된 후에 미리 정해진 데드 타임(dead time)이 있다. 그 때문에, 피측정물로부터의 반사광을 확실하게 수광하여 신호를 출력하기 위해, SPAD 소자는 광원이 발광할 때까지 무효 상태(invalid state)로 제어되고 있다.
그리고, 광원의 발광 동작과 동기하여, SPAD 소자를 무효 상태로부터 유효 상태로 스위칭하기 위한 게이팅 동작이라고 불리는 처리가 측거 센서 내에서 행해지고 있다.
한편, 광원으로부터 출사된 광이 측거 센서의 케이싱 등에 의해 반사될 수 있고, 미광(stray light)으로서 피측정물로부터의 반사광보다 더 빨리 되돌아올 수 있다. 그리고, 이러한 미광에 기인하여, 전술한 게이팅 동작을 양호하게 행하지 못할 수 있다.
이는, 미광이 SPAD 소자에 입사하면 미광은 전자로서 축적되므로, 이 축적 전자에 기인하여, 게이팅 동작 도중에 SPAD 소자가 의도하지 않게 반응할 수도 있기 때문이다.
축적 전자에 기인하는 문제점을 개선하기 위해서는, 비교적 오랜 시간에 걸쳐 게이팅 동작을 행하는 것이 유효하다. 이에 의해, 미광에 기인하는 축적 전자를 소멸시키면서 게이팅 동작을 행할 수 있기 때문에, 축적 전자에 기인하여 SPAD 소자가 의도하지 않게 반응하는 것을 억제할 수 있다.
그러나, 게이팅 동작이 오랜 시간 걸리기 때문에, SPAD 소자가 무효 상태로부터 유효 상태로 스위칭하는 시간도 길어질 수 있다. 이에 의해, 측거 센서의 근처에 피측정물이 있을 때, 피측정물로부터의 반사광이 측거 센서에 도달하기 전에 SPAD 소자를 유효 상태로 스위칭할 수 없다. 따라서, 측거 센서의 근처에 있는 피측정물의 거리를 측정하는 것이 곤란해진다.
이에, 전술한 문제점을 극복하고, SPAD 소자의 게이팅 동작을 신속하고 양호하게 행할 수 있는 측거 센서의 실현이 기대되고 있다.
<측거 방법>
본 개시는, 광을 사용하여 측거를 행하기 위한 기술에 관한 것이다. 이에, 본 개시의 각 실시형태의 이해를 용이하게 하기 위해, 도 1 및 도 2를 참조하여, 각 실시형태에 적용 가능한 측거 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 개시의 각 실시형태에 적용 가능한 직접 ToF 방법에 의한 측거를 모식적으로 나타내는 도면이다. 각 실시형태에서는, 측거 방법으로서 직접 ToF 방법이 적용한다.
이러한 직접 ToF 방법은, 광원부(2)로부터의 출사광(L1)이 피측정물(X)에 의해 반사되어 얻어진 반사광(L2)을 수광부(3)에 의해 수광하고, 광의 출사 타이밍과 수광 타이밍 간의 차분의 시간에 기초하여 측거를 행하기 위한 방식이다.
측거 센서(1)는 광원부(2)와 수광부(3)를 구비한다. 광원부(2)는, 예를 들면 레이저 다이오드인 광원(4)(도 5 참조)을 가지며, 레이저광을 펄스 방식으로 발광하도록 구동된다.
광원부(2)로부터 출사된 광(L1)은 피측정물(X)에 의해 반사되고, 반사광(L2)으로서 수광부(3)에 의해 수광된다. 수광부(3)는, 광전 변환에 의해 광을 전기 신호로 변환하는 화소 어레이부(6)(도 5 참조)를 포함하고, 수광한 광에 따른 신호를 출력한다.
여기서, 광원부(2)가 발광한 시각(발광 타이밍)을 시간(t0), 광원부(2)로부터의 출사광(L1)이 피측정물(X)에 의해 반사되어 얻어진 반사광(L2)을 수광부(3)에 의해 수광한 시각(수광 타이밍)을 시간(t1)이라고 한다.
상수 c를 광속도(2.9979×108 [m/sec])라고 하면, 측거 센서(1)와 피측정물(X)의 사이의 거리(D)는 다음 식(1)에 의해 계산된다.
D=(c/2)×(t1-t0)…(1)
측거 센서(1)는, 전술한 처리를 복수 회 반복적으로 실행할 수 있다. 또한, 수광부(3)는, 복수의 SPAD 소자(6a)(도 6 참조)를 가지며, 각 SPAD 소자(6a)에 의해 반사광(L2)이 수광된 각 수광 타이밍에 기초하여 거리(D)를 각각 산출할 수 있다.
측거 센서(1)는, 발광 타이밍의 시간(t0)로부터 수광부(3)에 의해 광이 수광된 수광 타이밍까지의 시간(tm)(이하, "수광 시간(tm)"으로도 지칭됨)을 클래스(빈(bin))에 기초하여 분류하여, 히스토그램을 생성한다.
도 2는 본 개시의 각 실시형태에 적용 가능한 수광부(3)에 의해 광이 수광된 시각에 기초한 일례의 히스토그램을 나타내는 도면이다. 도 2에 있어서, 횡축은 빈을 나타내고, 종축은 빈마다의 빈도를 나타낸다. 빈은, 수광 시간(tm)을 미리 정해진 단위 시간(d)마다 분류함으로써 얻어진다.
구체적으로는, 빈#0이 0≤tm<d를 만족하고, 빈#1이 d≤tm<2×d를 만족하고, 빈#2가 2×d≤tm<3×d를 만족하고, …, 빈#(N-2)가 (N-2)×d≤tm<(N-1)×d를 만족한다. 수광부(3)의 노광 시간을 시간(tep)라고 할 때, tep=N×d가 만족된다.
측거 센서(1)는, 수광 시간(tm)을 취득한 횟수를 빈에 기초하여 계수하고, 빈마다의 빈도(200)를 산출하여, 히스토그램을 생성한다. 여기서, 수광부(3)는 광원부(2)로부터 출사된 광(L1)의 반사광(L2) 이외의 광도 수광한다.
예를 들면, 대상이 되는 반사광(L2) 이외의 광의 일례로서, 측거 센서(1)의 주위의 환경광이 있다. 이러한 환경광은, 수광부(3)에 랜덤하게 입사하는 광이며, 히스토그램에 있어서의 환경광에 의한 환경광 성분(201)은, 대상이 되는 반사광(L2)에 대한 노이즈가 된다.
한편, 대상이 되는 반사광(L2)은, 특정 거리에 따라 수광되는 광이며, 히스토그램에 있어서 액티브 광 성분(202)으로서 나타난다. 액티브 광 성분(202) 내의 피크의 빈도에 대응하는 빈이, 피측정물(X)의 거리(D)에 대응하는 빈이 된다.
측거 센서(1)는, 빈의 대표 시간(예를 들면, 빈의 중앙에서의 시간)을 전술한 시간(t1)로서 얻고, 이에 의해 전술한 식(1)에 따라, 피측정물(X)까지의 거리(D)를 산출한다. 전술한 바와 같이, 복수의 수광 결과를 사용함으로써, 랜덤한 노이즈에 대해 적절한 측거를 행할 수 있다.
<전자 기기의 구성>
도 3은 각 실시형태에 따른 측거 장치를 사용한 전자 기기의 일례의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 3에 있어서, 전자 기기(56)는, 측거 장치(51)와, 광원부(52)와, 기억부(53)와, 제어부(54)와, 광학계(55)를 포함한다.
광원부(52)는, 전술한 광원부(2)에 대응하며, 레이저 다이오드이며, 예를 들면 레이저광을 펄스 방식으로 발광하도록 구동된다. 광원부(52)로서, 면광원으로서 레이저광을 출사하는 수직 공진기 면발광 레이저(vertical cavity surface emitting LASER; VCSEL)을 적용할 수 있다. 그러나, 본 개시는 이에 한정되지 않고, 광원부(52)로서, 레이저 다이오드가 라인 상에 배열된 어레이를 사용하여, 레이저 다이오드 어레이로부터 출사되는 레이저광을 라인에 수직인 방향으로 스캔하는 구성을 적용할 수도 있다. 나아가, 단일 광원으로서의 레이저 다이오드를 사용하여, 레이저 다이오드로부터 출사되는 레이저광을 수평 및 수직 방향으로 스캔하는 구성을 적용할 수 있다.
측거 장치(51)는, 전술한 수광부(3)에 대응하는 복수의 수광 소자를 구비한다. 복수의 수광 소자는, 예를 들면 2차원 격자 형상으로 배열되어 수광면을 형성한다. 광학계(55)는, 외부로부터 입사하는 광을, 측거 장치(51)에 포함되는 수광면으로 가이드한다.
제어부(54)는 전자 기기(56)의 전체 동작을 제어한다. 예를 들면, 제어부(54)는, 측거 장치(51)에 대해, 광원부(52)를 발광시키기 위한 트리거인 발광 트리거를 공급한다. 측거 장치(51)는, 발광 트리거에 기초한 타이밍에서 광원부(52)를 발광시키고, 발광 타이밍을 나타내는 시간(t0)을 기억한다. 또한, 제어부(54)는, 예를 들면 외부로부터의 지시에 따라, 측거 장치(51)에 대해, 측거 시에 패턴의 설정을 행한다.
측거 장치(51)는, 수광면에 의해 광이 수광된 타이밍을 나타내는 시간 정보(수광 시간(tm))를 취득한 횟수를 미리 정해진 시간 범위 내에서 계수하고, 빈마다의 빈도를 산출하여, 전술한 히스토그램을 생성한다. 나아가, 측거 장치(51)는, 생성한 히스토그램에 기초하여, 피측정물까지의 거리(D)를 산출한다. 산출된 거리(D)를 나타내는 정보는 기억부(53)에 기억된다.
도 4는 각 실시형태에 적용 가능한 측거 장치(51)의 일례의 구성을 보다 상세하게 나타내는 블록도이다. 도 4에 있어서, 측거 장치(51)는, 화소 어레이부(100)와, 측거 처리부(101)와, 화소 제어부(102)와, 전체 제어부(103)와, 클록 생성부(104)와, 발광 타이밍 제어부(105)와 인터페이스(I/F)(106)를 포함한다. 화소 어레이부(100), 측거 처리부(101), 화소 제어부(102), 전체 제어부(103), 클록 생성부(104), 발광 타이밍 제어부(105), 및 인터페이스(I/F)(106)는, 예를 들면 하나의 반도체 칩 상에 배치된다.
도 4에 있어서, 전체 제어부(103)는, 예를 들면 미리 인스톨된 프로그램에 따라, 측거 장치(51)의 전체 동작을 제어한다. 또한, 전체 제어부(103)는, 외부로부터 공급되는 외부 제어 신호에 따른 제어를 실행할 수도 있다. 클록 생성부(104)는, 외부로부터 공급되는 기준 클록 신호에 기초하여, 측거 장치(51)에서 사용되는 하나 이상의 클록 신호를 생성한다. 발광 타이밍 제어부(105)는, 외부로부터 공급되는 발광 트리거 신호에 따라 발광 타이밍을 나타내는 발광 제어 신호를 생성한다. 발광 제어 신호는 광원부(52)에 공급되고, 측거 처리부(101)에 공급된다.
화소 어레이부(100)는, 2차원 격자 형상으로 배열되는, 수광 소자를 각각 포함하는 복수의 화소 회로(60)를 포함한다. 각 화소 회로(60)의 동작은, 전체 제어부(103)의 지시에 따른 화소 제어부(102)에 의해 제어된다. 예를 들면, 화소 제어부(102)는, 각 화소 회로(60)로부터의 화소 신호의 판독을, 행 방향으로 p개의 화소 회로 및 열 방향으로 q개의 화소 회로의 (p×q)개의 화소 회로(60)를 포함하는 블록마다 제어할 수 있다. 또한, 블록 단위로, 각 화소 회로(60)를 행 방향으로 스캔하고 나아가 각 화소 회로(60)를 열 방향으로 스캔함으로써, 화소 제어부(102)는, 각 화소 회로(60)로부터 화소 신호를 판독할 수 있다. 그러나, 본 개시는 이에 한정되지 않고, 화소 제어부(102)는 화소 회로(60)의 각각을 독립적으로 제어할 수 있다. 나아가, 화소 제어부(102)는, 화소 어레이부(100)의 미리 정해진 영역을 대상 영역으로서 사용하여, 대상 영역에 포함되는 화소 회로(60)를, 화소 신호가 판독될 대상 화소 회로(60)로서 설정할 수 있다. 또한, 화소 제어부(102)는 복수의 행(복수의 라인)을 스캔하고, 그들을 열 방향으로 추가로 스캔하여, 각 화소 회로(60)로부터 화소 신호를 판독할 수 있다.
각 화소 회로(60)로부터 판독된 화소 신호는 측거 처리부(101)에 공급된다. 측거 처리부(101)는, 변환부(110)와, 생성부(111)와, 신호 처리부(112)를 포함한다.
각 화소 회로(60)로부터 판독되며 화소 어레이부(100)로부터 출력되는 화소 신호는, 변환부(110)에 공급된다. 여기서, 화소 신호는, 각 화소 회로(60)로부터 비동기로 판독되고, 변환부(110)에 공급된다. 즉, 화소 신호는, 각 화소 회로(60)에 있어서 광이 수광된 타이밍에 따라 수광 소자로부터 판독되어, 출력된다.
변환부(110)는, 화소 어레이부(100)로부터 공급된 화소 신호를, 디지털 정보로 변환한다. 즉, 화소 어레이부(100)로부터 공급되는 화소 신호는, 해당 화소 신호에 대응하는 화소 회로(60)에 포함되는 수광 소자에 의해 광이 수광된 타이밍에 따라 출력된다. 변환부(110)는, 공급된 화소 신호를, 해당 타이밍을 나타내는 시간 정보로 변환한다.
생성부(111)는, 변환부(110)에 의해 화소 신호가 변환된 시간 정보에 기초하여 히스토그램을 생성한다. 여기서, 생성부(111)는, 시간 정보를, 설정부(113)에 의해 설정된 단위 시간(d)에 기초하여 계수하여, 히스토그램을 생성한다.
신호 처리부(112)는, 생성부(111)에 의해 생성된 히스토그램의 데이터에 기초하여, 미리 정해진 연산 처리를 행하여, 예를 들면 거리 정보를 산출한다. 신호 처리부(112)는, 예를 들면, 생성부(111)에 의해 생성된 히스토그램의 데이터에 기초하여, 해당 히스토그램의 곡선 근사(curve approximation)를 작성한다. 신호 처리부(112)는, 히스토그램이 근사되는 곡선의 피크를 검출할 수 있고, 검출된 피크에 기초하여 거리(D)를 산출할 수 있다.
히스토그램의 곡선 근사를 행할 때, 신호 처리부(112)는, 히스토그램이 근사되는 곡선에 대해 필터 처리를 행할 수 있다. 예를 들면, 신호 처리부(112)는, 히스토그램이 근사되는 곡선에 대해 로우패스 필터(low-pass filter) 처리를 행함으로써 노이즈 성분을 억제할 수 있다.
신호 처리부(112)에 의해 구해진 거리 정보는, 인터페이스(106)에 공급된다. 인터페이스(106)는, 신호 처리부(112)로부터 공급된 거리 정보를, 출력 데이터로서 외부에 출력한다. 인터페이스(106)로서는, 예를 들면 MIPI(Mobile Industry Processor Interface)를 적용할 수 있다.
상기 설명에서는, 신호 처리부(112)에 의해 구해진 거리 정보를, 인터페이스(106)를 통해 외부에 출력하고 있지만, 이것은 이 예에 한정되지 않는다. 즉, 생성부(111)에 의해 생성된 히스토그램의 데이터인 히스토그램 데이터를, 인터페이스(106)로부터 외부에 출력하는 구성을 사용할 수 있다. 이 경우에, 설정부(113)에 의해 설정되는 측거 조건 정보는, 필터 계수를 나타내는 정보를 생략할 수 있다. 인터페이스(106)로부터 출력된 히스토그램 데이터는, 예를 들면 외부 정보 처리 장치에 공급되어, 적절히 처리된다.
<측거 센서의 구성>
계속해서, 각 실시형태에 따른 측거 센서(1)의 구성에 대해, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 도 5는 본 개시의 각 실시형태에 따른 측거 센서(1)의 구성예를 나타내는 블록도이다. 전술한 바와 같이, 측거 센서(1)는, 광원부(2)와, 수광부(3)와, 케이싱(9)을 구비한다.
광원부(2)는 광원(4)과 광원 구동부(5)를 갖는다. 광원(4)은, 예를 들면, 수직 공진기 면발광 레이저(VCSEL) 등의 레이저 다이오드로 구성된다. 광원(4)은 VCSEL에 한정되지 않고, 레이저 다이오드가 라인 상에 배열된 레이저 다이오드 어레이 등을 광원(4)으로서 사용할 수도 있다.
광원 구동부(5)는 광원(4)을 구동한다. 광원 구동부(5)는, 예를 들면, 수광부(3)의 제어부(8)로부터의 발광 제어 신호에 기초하여, 광원(4)으로부터 미리 정해진 타이밍 및 펄스 폭을 갖는 출사광(L1)이 출사되도록 광원(4)을 구동한다.
광원 구동부(5)는, 예를 들면, 라인 상에 배열되는 레이저 다이오드를 갖는 광원(4)으로부터, 레이저광이 라인에 수직인 방향으로 스캔되도록 광원(4)을 구동할 수 있다.
수광부(3)는, 화소 어레이부(6)와, 펄스 출력부(7)와, 제어부(8)를 갖는다.
화소 어레이부(6)는, 2차원 격자 형상으로 배열되는 복수의 SPAD 소자(6a)(도 6 참조)를 갖는다. 이러한 SPAD 소자(6a)에서는, 애벌런치 증배(avalanche multiplication)가 발생하는 큰 역방향 바이어스 전압을 캐소드에 인가함으로써, 1광자의 입사에 따라 발생된 전자에 기인하여, 내부에서 애벌런치 증배가 발생한다.
즉, SPAD 소자(6a)는, 1광자의 입사에 따라 대전류가 흐르는 특성을 갖는다. 그리고, SPAD 소자(6a)에서는, 상기 특성을 이용함으로써, 반사광(L2)에 포함되는 1광자의 입사를 고감도로 검지할 수 있다.
화소 어레이부(6)에 있어서의 복수의 SPAD 소자(6a)의 동작은, 제어부(8)에 의해 제어된다. 예를 들면, 제어부(8)는, 각 SPAD 소자(6a)로부터의 신호의 판독을, 행 방향으로 n개의 화소 및 열 방향으로 m개의 화소의 (n×m)개의 SPAD 소자(6a)를 포함하는 블록마다 제어할 수 있다.
또한, 블록 단위로, 각 SPAD 소자(6a)를 행 방향으로 스캔하고 각 SPAD 소자(6a)를 행마다 열 방향으로 스캔함으로써, 제어부(8)는, 각 SPAD 소자(6a)로부터 신호를 판독할 수 있다.
한편, 각 실시형태에 있어서, 제어부(8)는, 각 SPAD 소자(6a)로부터 독립적으로 신호를 판독할 수도 있다. 화소 어레이부(6)의 SPAD 소자(6a)에 의해 발생하는 신호는, 펄스 출력부(7)에 공급된다.
펄스 출력부(7)는, SPAD 소자(6a)에 의해 발생하는 신호에 따라, 미리 정해진 펄스 신호를 디지털 신호로서 제어부(8)에 출력한다. 펄스 출력부(7)의 상세사항에 대해서는 후술한다.
제어부(8)는, 예를 들면 미리 인스톨된 프로그램에 따라, 측거 센서(1)의 전체 동작을 제어한다. 예를 들면, 제어부(8)는, 광원 구동부(5)를 제어함으로써, 광원(4)의 발광 타이밍을 제어한다.
또한, 제어부(8)는, 펄스 출력부(7)로부터 출력되는 펄스 신호에 기초하여, 도 2에 나타낸 히스토그램을 생성한다. 또한, 제어부(8)는, 생성된 히스토그램의 데이터에 기초하여 미리 정해진 연산 처리를 행하고, 피측정물(X)까지의 거리(D)를 산출한다.
케이싱(9)은 광원부(2) 및 수광부(3)를 수용한다. 한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 출사광(L1)이 케이싱(9)에 의해 반사되면, 그것은 미광(L3)으로서 수광부(3)의 화소 어레이부(6)에 입사할 수도 있다. 그리고, 이러한 미광(L3)은, 피측정물(X)로부터의 반사광(L2)보다 더 빨리 화소 어레이부(6)에 입사한다.
도 6은 본 개시의 각 실시형태에 따른 수광부(3)에 적용 가능한 디바이스의 구성 예를 나타내는 모식도이다. 도 6에 있어서, 수광부(3)는, 각각 반도체 칩으로 이루어지는 수광 칩(3a)와 로직 칩(3b)을 적층함으로써 구성된다. 도 6은, 이해를 용이하게 하기 위해, 수광 칩(3a)과 로직 칩(3b)을 분리된 상태로 나타내고 있다.
수광 칩(3a)에는, 화소 어레이부(6)의 영역에 SPAD 소자(6a)가 2차원 격자 형상으로 배열된다. 로직 칩(3b)에는, 펄스 출력부(7)와 제어부(8)가 설치되어 있다. 수광 칩(3a) 및 로직 칩(3b)의 구성은 도 6의 예에 한정되지 않는다.
<펄스 출력부의 구성 및 동작(제1 실시형태)>
계속해서, 제1 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)의 구성 및 동작에 대해, 도 7∼도 10을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 개시의 제1 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 펄스 출력부(7)는, 제1 정전류원(11)과, 제2 정전류원(12)과, 제1 스위치(13)와, 제2 스위치(14)와, 게이팅 스위치(15)와, 인버터(16)를 갖는다.
제1 정전류원(11)은, 미리 정해진 전원 전압(Vdd)과 제1 스위치(13)의 사이에 접속되고, 미리 정해진 전류 값(I1)을 갖는 전류를 제1 스위치(13)로 흘린다. 제2 정전류원(12)은, 전원 전압(Vdd)과 제2 스위치(14)의 사이에 접속되고, 미리 정해진 전류 값(I2)을 갖는 전류를 제2 스위치(14)로 흘린다.
제1 스위치(13)는 제1 정전류원(11)과 신호선(17)의 사이에 접속되고, 제2 스위치(14)는 제2 정전류원(12)과 신호선(17)의 사이에 접속된다. 신호선(17)은, 화소 어레이부(6)의 접속부(6b)를 통해, 다이오드인 SPAD 소자(6a)의 캐소드와, 인버터(16)의 입력 단자를 접속시킨다.
즉, 제1 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)에서는, 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)이, 각각, 제1 스위치(13) 및 제2 스위치(14)를 통해, SPAD 소자(6a)의 캐소드에 병렬로 접속된다.
그리고, 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)은, SPAD 소자(6a)의 캐소드에 각각 전류 값(I1) 및 전류 값(I2)의 전류를 흘린다. SPAD 소자(6a)의 애노드는 미리 정해진 전압(Va)에 접속되고, 인버터(16)의 출력 단자는 제어부(8)(도 5 참조)에 접속된다.
여기서, 제어부(8)는, 제1 스위치(13) 및 제2 스위치(14)를 제어함으로써 SPAD 소자(6a)의 캐소드에 흐르는 전류량을 제어한다. 제1 스위치(13) 및 제2 스위치(14)는, 제어부(8)로부터 출력되는 인에이블 신호(enable signal)에 기초하여, 온 상태(도통 상태)와 오프 상태(절단 상태) 사이에서 스위칭한다.
구체적으로는, 제1 스위치(13)에는, 인에이블 신호가 직접 입력된다. 즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 즉시 제1 스위치(13)는 오프로부터 온으로 스위칭한다.
또한, 제2 스위치(14)에는, 인에이블 신호가 지연 회로(18) 및 펄스 생성 회로(19)를 통해 입력된다. 즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 시간이 경과한 후에 미리 정해진 기간 동안 제2 스위치(14)는 오프로부터 온으로 스위칭한다.
게이팅 스위치(15)는 신호선(17)과 접지 전위의 사이에 접속된다. 즉, 게이팅 스위치(15)는, SPAD 소자(6a)와 제1 스위치(13)의 사이에 그리고 SPAD 소자(6a)와 접지 전위의 사이에 접속된다.
게이팅 스위치(15)는, 제어부(8)로부터 출력되는 인에이블 신호에 기초하여, 온 상태와 오프 상태 사이에서 스위칭한다. 구체적으로는, 게이팅 스위치(15)에는, 인에이블 신호가 인버터(20)를 통해 입력된다.
즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 즉시 게이팅 스위치(15)는 온으로부터 오프로 스위칭한다. 그리고, 제어부(8)는, 게이팅 스위치(15)를 제어함으로써 SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 행할 수 있다.
예를 들면, 제어부(8)는, 게이팅 스위치(15)를 온 상태로 함으로써 SPAD 소자(6a)의 캐소드를 접지할 수 있다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)에는 역방향 바이어스 전압이 인가되지 않으므로, 제어부(8)는 SPAD 소자(6a)를 무효 상태로 할 수 있다.
한편, 제어부(8)는, 게이팅 스위치(15)를 오프 상태로 함으로써 SPAD 소자(6a)의 캐소드를 플로팅 상태(floating state)로 할 수 있다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)에 역방향 바이어스 전압이 인가될 수 있으므로, 제어부(8)는 SPAD 소자(6a)를 유효 상태로 할 수 있다.
다음으로, 도 7에 더하여 도 8을 참조하여, 제1 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)의 동작에 대해 설명한다. 도 8은 본 개시의 제1 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)의 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 8의 예에서는, 초기 상태에서 인에이블 신호가 오프 상태로 유지되기 때문에, 게이팅 스위치(15)는 온 상태로 유지되고, SPAD 소자(6a)는 무효 상태가 된다.
그리고, 제어부(8)는 광원 구동부(5)를 제어하여, 시간(T1)에서 광원(4)을 펄스 방식으로 발광시킨다. 이에 의해, 시간(T2)에서 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 미광(L3)은, 피측정물(X)로부터의 반사광(L2)보다 더 빨리 SPAD 소자(6a)에 입사한다.
미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사하므로, 무효 상태의 SPAD 소자(6a)에는 전자가 축적된다.
다음으로, 제어부(8)는, 광원(4)이 발광한 시간(T1)으로부터 미리 정해진 시간이 경과한 시간(T3)에서, 인에이블 신호를 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, 게이팅 스위치(15)가 시간(T3)에서 온으로부터 오프로 스위칭하므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드는 플로팅 상태가 된다.
또한, 제1 스위치(13)는 시간(T3)에서 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)의 캐소드에는 제1 정전류원(11)으로부터 전류 값(I1)을 갖는 전류가 공급되므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 0(V)로부터 서서히 증가된다.
전술한 바와 같이, 제1 실시형태에서는, 게이팅 동작을 시작한 후에, SPAD 소자(6a)의 캐소드에 병렬로 접속되는 복수의 정전류원 중 하나의 정전류원(제1 정전류원(11))을 사용하여 SPAD 소자(6a)의 캐소드를 승압한다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 캐소드가 승압되는 속도가 제한될 수 있다. 따라서, 제1 실시형태에 따르면, SPAD 소자(6a) 내에 축적된 전자를 소멸시키면서 게이팅 동작을 행할 수 있기 때문에, 축적 전자에 기인하여 SPAD 소자(6a)가 의도하지 않게 반응하는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 제어부(8)로부터 보내진 인에이블 신호는, 전술한 바와 같이, 지연 회로(18) 및 펄스 생성 회로(19)를 통해 제2 스위치(14)로 보내진다. 이에 의해, 시간(T3)에서부터 미리 정해진 지연 시간이 경과한 시간(T4)에서, 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭한다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 캐소드에는 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)으로부터 전류 값(I1+I2)을 갖는 전류가 공급되므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 시간(T4)의 시점에서의 전압(V1)으로부터 급격하게 증가된다.
그리고, 시간(T5)에서 전압은 미리 정해진 전압(V2)에 도달하고, 시간(T5)에서 제2 스위치(14)는 온으로부터 오프로 스위칭한다. 그 후에, SPAD 소자(6a)의 캐소드에는 제1 정전류원(11)으로부터 전류 값(I1)을 갖는 전류가 공급되므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 전압(V2)으로 유지된다.
전술한 바와 같이, 제1 실시형태에서는, 시간(T4)가 될 때까지의 기간 동안, SPAD 소자(6a) 내의 축적 전자를 충분히 소멸시킬 수 있다. 다르게 말하면, 제1 실시형태에서는, SPAD 소자(6a) 내에 축적된 전자를 충분히 소멸시킬 수 있는 시간을, 지연 회로(18)에 의해 설정되는 지연 시간으로 설정한다.
이에 의해, 시간(T4)에서부터 SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압이 급격하게 증가되더라도, SPAD 소자(6a)가 의도하지 않게 반응하는 것을 억제할 수 있다.
나아가, 제1 실시형태에서는, 시간(T4)에서부터 복수의 정전류원 중 어느 것을 사용하여 SPAD 소자(6a)의 캐소드를 승압함으로써, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압이 전압(V2)이 될 때까지의 시간을 단축할 수 있다. 즉, 제1 실시형태에서는, 게이팅 동작이 짧은 시간에 완료될 수 있다.
따라서, 제1 실시형태에 따르면, 복수의 정전류원이 SPAD 소자(6a)의 캐소드에 병렬로 접속되므로, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
또한, 제1 실시형태에서는, 제1 정전류원(11)의 전류 값(I1)이 제2 정전류원(12)의 전류 값(I2)보다 더 작을 수도 있다. 이에 의해, 제2 스위치(14)가 온 상태가 되는 시간(T4)까지는, SPAD 소자(6a)의 캐소드의 승압하는 속도를 더욱 제한할 수 있다. 또한, 제2 스위치(14)가 온 상태가 된 시간(T4)부터는, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 보다 급격하게 증가될 수 있다.
따라서, 제1 실시형태에 따르면, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 보다 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
또한, 제1 실시형태에 있어서, 제어부(8)는, 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭될 때까지의 기간(즉, 시간(T4)까지의 기간) 동안, 제1 스위치(13)를 온 상태로 유지할 수도 있다.
이에 의해, 시간(T4)까지 SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 계속적으로 증가될 수 있으므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드의 전압이 전압(V2)으로 증가될 때까지의 시간을 단축할 수 있다. 따라서, 제1 실시형태에 따르면, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 보다 신속하게 행할 수 있다.
시간(T5) 이후의 타이밍 차트에 대한 설명을 계속한다. 시간(T5)에 있어서, 애벌런치 증폭이 발생하기 직전인, 가이거 모드(Geiger mode)라고 불리는 상태가 발생할 때까지, 역방향 바이어스 전압(V2)이 SPAD 소자(6a)의 캐소드에 인가되고 있다.
즉, 시간(T5)에 있어서, SPAD 소자(6a)의 캐소드로부터 출력되는 신호는 전압(V2)을 갖는다. 그리고, 인버터(16)에는 미리 정해진 임계 전압 이상의 전압(V2)이 신호로서 입력되기 때문에, 인버터(16)는 로우 레벨의 신호(S1)(도 7 참조)를 출력한다.
그리고, 전압(V2)이 인가된 SPAD 소자(6a)에, 시간(T6)에서 반사광(L2)에 의해 야기되는 1광자가 입사하면, SPAD 소자(6a)가 브레이크 다운하여 제1 정전류원(11)으로 전류가 흐른다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 전압(V2)으로부터 급격하게 감소되고, 캐소드 전압이 임계 전압보다 더 작아지면, 인버터(16)는 하이 레벨의 신호(S1)를 출력한다.
그리고, 시간(T7)에서 SPAD 소자(6a) 내의 애벌런치 증폭이 정지하기 때문에, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 0(V)로 감소하여 멈춘다. 나아가, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은, 제1 정전류원(11)에 의해 SPAD 소자(6a)가 재충전될 때 증가된다(소위, ??칭(quenching) 동작).
그리고, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압이 임계 전압 이상이 되면, 인버터(16)는 로우 레벨의 신호(S1)를 출력한다.
전술한 바와 같이, 반사광(L2)이 SPAD 소자(6a)에 입사하면, 인버터(16)는, 반사광(L2)으로부터 야기되는 펄스 신호(S1)를 제어부(8)에 출력한다. 마지막으로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 시간(T8)에서 미리 정해진 전압(V2)으로 복귀하고, SPAD 소자(6a)는 초기 상태로 되돌아온다.
도 9는 본 개시의 제1 실시형태에 따른 지연 회로(18) 및 펄스 생성 회로(19)의 구성예를 나타내는 회로도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 지연 회로(18)는, 인버터(18a, 18b)와, CMOS 회로(18c)와, 정전류원(18d)과, NAND 회로(18e)와, 콘덴서(18f)를 갖는다.
지연 회로(18)의 입력 단자(18i)는 인버터(18a)의 입력 단자에 접속된다. 인버터(18a)의 출력 단자는, CMOS 회로(18c)의 입력 단자 및 인버터(18b)의 입력 단자에 접속된다.
CMOS 회로(18c)에는, 정전류원(18d)에 의해 미리 정해진 전류가 공급된다. CMOS 회로(18c)의 출력 단자는 NAND 회로(18e)의 일방의 입력 단자에 접속된다.
NAND 회로(18e)의 타방의 입력 단자는 인버터(18b)의 출력 단자에 접속된다. NAND 회로(18e)의 출력 단자는 지연 회로(18)의 출력 단자(18o)에 접속된다. 콘덴서(18f)는, CMOS 회로(18c)의 출력 단자와 접지 전위의 사이에 접속된다.
전술한 회로 구성에 있어서, 정전류원(18d)의 전류 값 및 콘덴서(18f)의 용량 값을 적절히 조정함으로써, 지연 회로(18)의 지연 시간을 제어할 수 있다.
펄스 생성 회로(19)는, CMOS 회로(19a)와, 정전류원(19b)와, 배타적 논리합(exclusive OR) 회로(19c)와, 콘덴서(19d)를 갖는다. 펄스 생성 회로(19)의 입력 단자(19i)는 CMOS 회로(19a)의 입력 단자에 접속되고, 배타적 논리합 회로(19c)의 일방의 입력 단자에 접속된다.
CMOS 회로(19a)에는, 정전류원(19b)에 의해 미리 정해진 전류가 공급된다. CMOS 회로(19a)의 출력 단자는 배타적 논리합 회로(19c)의 타방의 입력 단자에 접속된다.
배타적 논리합 회로(19c)의 출력 단자는 펄스 생성 회로(19)의 출력 단자(19o)에 접속된다. 콘덴서(19d)는, CMOS 회로(19a)의 출력 단자와 접지 전위의 사이에 접속된다.
전술한 회로 구성에 있어서, 정전류원(19b)의 전류 값 및 콘덴서(19d)의 용량 값을 적절히 조정함으로써, 펄스 생성 회로(19)로부터 출력되는 펄스의 길이를 제어할 수 있다.
지연 회로(18) 및 펄스 생성 회로(19)의 회로 구성은 도 9의 예에 한정되지 않는다. 도 10은 본 개시의 제1 실시형태에 따른 지연 회로(18) 및 펄스 생성 회로(19)의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 10의 예에서는, 지연 회로(18)가, 인버터(18a, 18b, 18h)와, NAND 회로(18e)와, 인버터 그룹(18g)을 갖는다.
지연 회로(18)의 입력 단자(18i)는 인버터(18a)의 입력 단자에 접속된다. 인버터(18a)의 출력 단자는, 인버터 그룹(18g)의 입력 단자 및 인버터(18b)의 입력 단자에 접속된다.
인버터 그룹(18g)은, 직렬로 접속된 짝수 개(도면에서는 4개)의 인버터를 갖는다. 인버터 그룹(18g)의 출력 단자는 인버터(18h)의 입력 단자에 접속된다. 인버터(18h)의 출력 단자는 NAND 회로(18e)의 일방의 입력 단자에 접속된다.
NAND 회로(18e)의 타방의 입력 단자는 인버터(18b)의 출력 단자에 접속된다. NAND 회로(18e)의 출력 단자는 지연 회로(18)의 출력 단자(18o)에 접속된다.
전술한 회로 구성에 있어서, 인버터 그룹(18g)의 개수를 적절히 조정함으로써, 지연 회로(18)의 지연 시간을 제어할 수 있다.
펄스 생성 회로(19)는, 배타적 논리합 회로(19c)와, 인버터 그룹(19e)과, 인버터(19f)를 갖는다. 펄스 생성 회로(19)의 입력 단자(19i)는 인버터 그룹(19e)의 입력 단자에 접속되고, 배타적 논리합 회로(19c)의 일방의 입력 단자에 접속된다.
인버터 그룹(19e)은, 직렬로 접속된 짝수 개(도면에서는 4개)의 인버터를 갖는다. 인버터 그룹(19e)의 출력 단자는 인버터(19f)의 입력 단자에 접속된다. 인버터(19f)의 출력 단자는 배타적 논리합 회로(19c)의 타방의 입력 단자에 접속된다. 배타적 논리합 회로(19c)의 출력 단자는 펄스 생성 회로(19)의 출력 단자(19o)에 접속된다.
전술한 회로 구성에 있어서, 인버터 그룹(19e)의 개수를 적절히 조정함으로써, 펄스 생성 회로(19)로부터 출력되는 펄스의 길이를 제어할 수 있다.
<제2 실시형태>
계속해서, 제2 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)의 구성 및 동작에 대해, 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 도 11은 본 개시의 제2 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 펄스 출력부(7)는, 제1 정전류원(11)과, 제2 정전류원(12)과, 제1 스위치(13)와, 제2 스위치(14)와, 게이팅 스위치(15)와, 인버터(16)를 갖는다.
제1 정전류원(11)은 제1 스위치(13)와 접지 전위의 사이에 접속되고, 미리 정해진 전류 값(I1)을 갖는 전류를 접지 전위로 흘린다. 제2 정전류원(12)은 제2 스위치(14)와 접지 전위의 사이에 접속되고, 미리 정해진 전류 값(I2)을 갖는 전류를 접지 전위로 흘린다.
제1 스위치(13)는 제1 정전류원(11)과 신호선(17)의 사이에 접속되고, 제2 스위치(14)는 제2 정전류원(12)과 신호선(17)의 사이에 접속된다. 신호선(17)은, 화소 어레이부(6)의 접속부(6b)를 통해, SPAD 소자(6a)의 애노드와 인버터(16)의 입력 단자의 사이를 접속시킨다.
즉, 제2 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)에서는, 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)이, 각각 제1 스위치(13) 및 제2 스위치(14)를 통해, SPAD 소자(6a)의 애노드에 병렬로 접속된다.
그리고, 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)은, SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 접지 전위로, 각각 전류 값(I1) 및 전류 값(I2)의 전류를 흘린다. SPAD 소자(6a)의 캐소드는 미리 정해진 전압(Vc)에 접속되고, 인버터(16)의 출력 단자는 제어부(8)(도 5 참조)에 접속된다.
여기서, 제어부(8)는 제1 스위치(13) 및 제2 스위치(14)를 제어함으로써, SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 흐르는 전류량을 제어한다. 제1 스위치(13) 및 제2 스위치(14)는, 제어부(8)로부터 출력되는 인에이블 신호에 기초하여, 온 상태와 오프 상태 사이에서 스위칭한다.
구체적으로는, 제1 스위치(13)에는, 인에이블 신호가 직접 입력된다. 즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 즉시 제1 스위치(13)는 오프로부터 온으로 스위칭한다.
또한, 제2 스위치(14)에는, 인에이블 신호가 지연 회로(18) 및 펄스 생성 회로(19)를 통해 입력된다. 즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 시간이 경과한 후에 미리 정해진 기간 동안 제2 스위치(14)는 오프로부터 온으로 스위칭한다. 지연 회로(18) 및 펄스 생성 회로(19)에 대해서는, 제1 실시형태와 동일한 회로가 사용될 수 있다.
게이팅 스위치(15)는 신호선(17)과 전원 전압(Vdd)의 사이에 접속된다. 즉, 게이팅 스위치(15)는, SPAD 소자(6a)와 제1 스위치(13)의 사이에 그리고 SPAD 소자(6a)와 전원 전압(Vdd)의 사이에 접속된다.
게이팅 스위치(15)는, 제어부(8)로부터 출력되는 인에이블 신호에 기초하여, 온 상태와 오프 상태 사이에서 스위칭한다. 구체적으로는, 게이팅 스위치(15)에는, 인에이블 신호가 인버터(20)을 통해 입력된다.
즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 즉시 게이팅 스위치(15)는 온으로부터 오프로 스위칭한다. 그리고, 제어부(8)는 게이팅 스위치(15)를 제어함으로써, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 행할 수 있다.
예를 들면, 제어부(8)는, 게이팅 스위치(15)를 온 상태로 함으로써 SPAD 소자(6a)의 애노드의 전압을 전원 전압(Vdd)으로 설정할 수 있다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)에는 역방향 바이어스 전압이 인가되지 않으므로, 제어부(8)는 SPAD 소자(6a)를 무효 상태로 할 수 있다.
한편, 제어부(8)는, 게이팅 스위치(15)를 오프 상태로 함으로써 SPAD 소자(6a)의 애노드를 플로팅 상태로 할 수 있다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)에 역방향 바이어스 전압이 인가될 수 있으므로, 제어부(8)는 SPAD 소자(6a)를 유효 상태로 할 수 있다.
다음으로, 도 11에 더하여 도 12을 참조하여, 제2 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)의 동작에 대해 설명한다. 도 12는 본 개시의 제2 실시형태에 따른 펄스 출력부(7)의 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 12의 예에서는, 초기 상태에서 인에이블 신호가 오프 상태로 유지되기 때문에, 게이팅 스위치(15)는 온 상태로 유지되고, SPAD 소자(6a)는 무효 상태가 된다.
그리고, 제어부(8)는 광원 구동부(5)를 제어하여, 시간(T1)에서 광원(4)을 펄스 방식으로 발광시킨다. 이에 의해, 시간(T2)에서 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사한다. 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사하므로, 무효 상태의 SPAD 소자(6a)에는 전자가 축적된다.
다음으로, 제어부(8)는, 광원(4)이 발광한 시간(T1)으로부터 미리 정해진 시간이 경과한 시간(T3)에서, 인에이블 신호를 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, 게이팅 스위치(15)가 시간(T3)에서 온으로부터 오프로 스위칭하므로, SPAD 소자(6a)의 애노드는 플로팅 상태가 된다.
또한, 제1 스위치(13)는 시간(T3)에서 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, 제1 정전류원(11)에 의해 SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 전류 값(I1)을 갖는 전류가 흐르므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은, 전원 전압(Vdd)으로부터 서서히 감소된다.
전술한 바와 같이, 제2 실시형태에서는, 게이팅 동작을 시작한 후에, SPAD 소자(6a)의 애노드에 병렬로 접속되는 복수의 정전류원 중 하나의 정전류원(제1 정전류원(11))을 사용하여 SPAD 소자(6a)의 애노드를 강압한다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 애노드가 강압되는 속도가 제한될 수 있다. 따라서, 제2 실시형태에 따르면, SPAD 소자(6a) 내에 축적된 전자를 소멸시키면서 게이팅 동작을 행할 수 있기 때문에, 축적 전자에 기인하여 SPAD 소자(6a)가 의도하지 않게 반응하는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 제어부(8)로부터 보내진 인에이블 신호는, 전술한 바와 같이, 지연 회로(18) 및 펄스 생성 회로(19)를 통해 제2 스위치(14)로 보내진다. 이에 의해, 시간(T3)에서부터 미리 정해진 지연 시간이 경과한 시간(T4)에서, 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭한다.
이에 의해, 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)에 의해 SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 전류 값(I1+I2)을 갖는 전류가 흐르므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은, 시간(T4)의 시점에서의 전압(V4)으로부터 급격하게 감소된다.
그리고, 시간(T5)에서 전압은 미리 정해진 전압(V3)에 도달하고, 시간(T5)에서 제2 스위치(14)는 온으로부터 오프로 스위칭한다. 그 후에, 제1 정전류원(11)에 의해 SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 전류 값(I1)을 갖는 전류가 흐르므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 전압(V3)으로 유지된다.
전술한 바와 같이, 제2 실시형태에서는, 제1 실시형태와 마찬가지로, 시간(T4)가 될 때까지의 기간 동안, SPAD 소자(6a) 내의 축적 전자를 충분히 소멸시킬 수 있다. 다르게 말하면, 제2 실시형태에서는, SPAD 소자(6a) 내에 축적된 전자를 충분히 소멸시킬 수 있는 시간을, 지연 회로(18)에 의해 설정되는 지연 시간으로 설정한다.
이에 의해, 시간(T4)에서부터 SPAD 소자(6a)의 애노드 전압이 급격하게 감소되더라도, SPAD 소자(6a)가 의도하지 않게 반응하는 것을 억제할 수 있다.
나아가, 제2 실시형태에서는, 시간(T4)에서부터 복수의 정전류원 중 어느 것을 사용하여 SPAD 소자(6a)의 애노드를 강압함으로써, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압이 전압(V3)에 도달할 때까지의 시간을 단축할 수 있다. 즉, 제2 실시형태에서는, 게이팅 동작이 짧은 시간에 완료될 수 있다.
따라서, 제2 실시형태에 따르면, SPAD 소자(6a)의 애노드에 병렬로 복수의 정전류원을 접속함으로써, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
또한, 제2 실시형태에서는, 제1 정전류원(11)의 전류 값(I1)이 제2 정전류원(12)의 전류 값(I2)보다 더 작을 수 있다. 이에 의해, 제2 스위치(14)가 온 상태가 되는 시간(T4)까지는, SPAD 소자(6a)의 애노드의 강압하는 속도를 더욱 제한할 수 있다. 또한, 제2 스위치(14)가 온 상태가 된 시간(T4)부터는, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 보다 급격하게 감소될 수 있다.
따라서, 제2 실시형태에 따르면, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 보다 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
또한, 제2 실시형태에 있어서, 제어부(8)는, 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭될 때까지의 기간(즉, 시간(T4)까지의 기간) 동안, 제1 스위치(13)를 온 상태로 유지할 수 있다.
이에 의해, 시간(T4)까지 SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 계속적으로 감소될 수 있으므로, SPAD 소자(6a)의 애노드의 전압이 전압(V3)으로 감소될 때까지의 시간을 단축할 수 있다. 따라서, 제2 실시형태에 따르면, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 보다 신속하게 행할 수 있다.
시간(T5) 이후의 타이밍 차트에 대한 설명을 계속한다. 시간(T5)에 있어서, 애벌런치 증폭이 발생하기 직전인, 가이거 모드라고 불리는 상태가 발생할 때까지, 역방향 바이어스 전압(V3)이 SPAD 소자(6a)의 애노드에 인가되고 있다.
즉, 시간(T5)에 있어서, SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 출력되는 신호는 전압(V3)을 갖는다. 그리고, 인버터(16)에는 미리 정해진 임계 전압보다 작은 전압(V3)이 신호로서 입력되기 때문에, 인버터(16)는 하이 레벨의 신호(S1)(도 11 참조)를 출력한다.
그리고, 전압(V3)이 인가된 SPAD 소자(6a)에, 시간(T6)에서 반사광(L2)에 의해 야기되는 1광자가 입사하면, SPAD 소자(6a)가 브레이크 다운하여 제1 정전류원(11)으로 전류가 흐른다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 전압(V3)으로부터 급격하게 증가되고, 애노드 전압이 임계 전압 이상이 되면, 인버터(16)는 로우 레벨의 신호(S1)를 출력한다.
그리고, 시간(T7)에서 SPAD 소자(6a) 내의 애벌런치 증폭이 정지하기 때문에, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 전원 전압(Vdd)으로 증가하여 멈춘다. 나아가, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은, 제1 정전류원(11)에 의해 전류가 흐를 때 감소된다(소위, ??칭 동작).
그리고, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압이 임계 전압보다 작아지면, 인버터(16)는 하이 레벨의 신호(S1)를 출력한다.
전술한 바와 같이, 반사광(L2)이 SPAD 소자(6a)에 입사하면, 인버터(16)는, 반사광(L2)으로부터 야기되는 펄스 신호(S1)를 제어부(8)에 출력한다. 마지막으로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 시간(T8)에서 미리 정해진 전압(V3)으로 복귀하고, SPAD 소자(6a)는 초기 상태로 되돌아온다.
<각종 변형예>
계속해서, 펄스 출력부(7)의 각종 변형예에 대해, 도 13∼도 20을 참조하여 설명한다.
<제1 실시형태의 변형예>
도 13은 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 구성예를 나타내는 회로도이다. 도 13의 예는, 인에이블 신호를 제1 스위치(13) 및 제2 스위치(14)로 전달하기 위한 경로의 구성에 있어서 도 7에 나타낸 제1 실시형태와 다르다.
구체적으로는, 제1 스위치(13)에는, 인에이블 신호가 펄스 생성 회로(19)를 통해 입력되고, 인에이블 신호가 지연 회로(18A)를 통해 입력된다.
즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 기간 동안 제1 스위치(13)는 오프로부터 온으로 스위칭하고, 미리 정해진 시간이 경과한 후에, 제1 스위치(13)는 오프로부터 온으로 스위칭한다.
또한, 제2 스위치(14)에는, 인에이블 신호가 펄스 생성 회로(19) 및 지연 회로(18B)를 통해 입력된다. 즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 시간이 경과한 후에 미리 정해진 기간 동안 제2 스위치(14)는 오프로부터 온으로 스위칭한다.
다음으로, 도 13에 더하여 도 14을 참조하여, 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 동작에 대해 설명한다. 도 14는 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 14의 예에서는, 초기 상태에서 인에이블 신호가 오프 상태로 유지되기 때문에, 게이팅 스위치(15)는 온 상태로 유지되고, SPAD 소자(6a)는 무효 상태가 된다.
그리고, 제어부(8)는 광원 구동부(5)를 제어하여, 시간(T11)에서 광원(4)을 펄스 방식으로 발광시킨다. 이에 의해, 시간(T12)에서 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사한다. 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사하므로, 무효 상태의 SPAD 소자(6a)에는 전자가 축적된다.
다음으로, 제어부(8)는, 광원(4)이 발광한 시간(T11)으로부터 미리 정해진 시간이 경과한 시간(T13)에서, 인에이블 신호를 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, 게이팅 스위치(15)가 시간(T13)에서 온으로부터 오프로 스위칭하므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드는 플로팅 상태가 된다.
또한, 제1 스위치(13)는 시간(T13)에서 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)의 캐소드에는 제1 정전류원(11)으로부터 전류 값(I1)을 갖는 전류가 공급되므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 0(V)로부터 서서히 증가된다.
한편, 이 변형예에서는, 제1 스위치(13)가 시간(T14)에서 온으로부터 오프로 스위칭하므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 시간(T14)에서부터 미리 정해진 전압(V1a)으로 일정하게 된다.
그리고, 제어부(8)로부터 보내진 인에이블 신호는, 전술한 바와 같이, 펄스 생성 회로(19) 및 지연 회로(18B)를 통해 제2 스위치(14)로 보내진다. 이에 의해, 시간(T14)에서부터 미리 정해진 지연 시간이 경과한 시간(T15)에서, 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭한다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 캐소드에는 제2 정전류원(12)으로부터 전류 값(I2)을 갖는 전류가 공급되므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은, 시간(T15)의 시점에서의 전압(V1a)으로부터 급격하게 증가한다. 그리고, 시간(T16)에서 전압은 미리 정해진 전압(V2)에 도달하고, 시간(T16)에서 제2 스위치(14)는 온으로부터 오프로 스위칭한다.
또한, 제어부(8)로부터 보내진 인에이블 신호가 지연 회로(18A)를 통해 제1 스위치(13)로 보내진다. 이에 의해, 시간(T16)에서, 제1 스위치(13)가 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)의 캐소드에는 제1 정전류원(11)으로부터 전류 값(I1)을 갖는 전류가 공급되므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 전압(V2)으로 유지된다.
도 14에 설명한 시간(T17∼T19)에서의 동작은 도 8의 예에 있어서의 시간(T6∼T8)에서의 동작과 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
전술한 바와 같이, 제1 실시형태의 변형예에서는, 게이팅 동작 동안, 제1 정전류원(11)에 의한 SPAD 소자(6a)에의 전류 공급이 시간(T14)에서 일시적으로 정지되므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 전압(V1a)으로 일정하게 유지된다.
전술한 바와 같이, 캐소드 전압이 0(V)보다 높고 SPAD 소자(6a)의 브레이크다운 전압(breakdown voltage)(전압(V2))보다 낮은 전압으로 일정하게 유지되므로, 미광(L3)에 기인하여 축적되는 전자가 SPAD 소자(6a)로부터 양호하게 배출될 수 있다.
그 이유는 다음과 같다. SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압이 0(V)에 가까운 전압으로 일정하게 유지되므로, SPAD 소자(6a)가 의도적으로 작게 브레이크 다운되기 때문에, 이러한 브레이크다운에 의해 SPAD 소자(6a)로부터 축적 전자를 소멸시킨다.
SPAD 소자(6a)가 의도적으로 작게 브레이크 다운되더라도, 이러한 작은 브레이크다운은 단시간에 완료되고, SPAD 소자(6a)는 즉시 안정 상태로 되돌아가므로, 전체 게이팅 동작에 대한 악영향은 거의 없다.
전술한 변형예를 구현할 수 있는 인에이블 신호의 전달 경로의 구성은, 도 13의 예에 한정되지 않는다. 도 15는 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 15의 예에서는, 제1 스위치(13)에는, 인에이블 신호가 펄스 생성 회로(19A)를 통해 입력되고, 인에이블 신호가 지연 회로(18A)를 통해 입력된다.
이에 의해, 도 15의 예에서도, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 기간 동안 제1 스위치(13)가 오프로부터 온으로 스위칭될 수 있다. 나아가, 도 15의 예에서도, 추가로 미리 정해진 시간이 경과한 후에, 제1 스위치(13)가 오프로부터 온으로 스위칭될 수 있다.
또한, 제2 스위치(14)에는, 인에이블 신호가 지연 회로(18B) 및 펄스 생성 회로(19B)를 통해 입력된다. 이에 의해, 도 15의 예에서도, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 시간이 경과한 후에 미리 정해진 기간 동안 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭될 수 있다.
도 15의 예에서는, 독립적인 펄스 생성 회로(19A, 19B)에 의해 펄스가 생성될 수 있기 때문에, 제1 스위치(13)를 온 상태로 유지하는 시간과 제2 스위치(14)를 온 상태로 유지하는 시간이 개별적으로 제어될 수 있다. 따라서, 도 15의 예에 따르면, 게이팅 동작이 보다 원활하게 행해질 수 있다.
또한, 도 13 및 도 15에 나타낸 펄스 출력부(7)에서는, 도 14의 예와는 상이한 다른 동작이 행해질 수 있다. 도 16은 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 다른 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 16의 예는, 광원(4)을 발광시키기 전에 게이팅 동작이 시작되는 예이다. 먼저, 제어부(8)는, 광원(4)을 발광시키는 시간(T23)보다 미리 정해진 시간 이전의 시간(T21)에서, 인에이블 신호를 오프로부터 온으로 스위칭한다.
이에 의해, 게이팅 스위치(15)가 시간(T21)에서 온으로부터 오프로 스위칭하므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드는 플로팅 상태가 된다.
또한, 제1 스위치(13)는 시간(T21)에서 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)의 캐소드에는 제1 정전류원(11)으로부터 전류 값(I1)을 갖는 전류가 공급되므로, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 0(V)로부터 서서히 증가된다. 그리고, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은, 시간(T22)부터 미리 정해진 전압(V1a)으로 일정하게 된다.
그리고, 제어부(8)는 광원 구동부(5)를 제어하여, 시간(T23)에서 광원(4)을 펄스 방식으로 발광시킨다. 이에 의해, 시간(T24)에서 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사한다.
여기서, 도 16의 예에서는, 미광(L3)이 입사한 시간(T24)에서 이미 SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압이 전압(V1a)으로 증가하기 때문에, SPAD 소자(6a)는 작게 브레이크 다운되고, SPAD 소자(6a)의 캐소드 전압은 0(V)로 감소한다.
전술한 바와 같이, 도 16의 예에서는, 미광(L3)에 기인하여 SPAD 소자(6a) 내에 브레이크다운이 발생하다. 그리하여, 미광(L3)이 입사하더라도, 미광(L3)에 의해 야기되는 전자는 SPAD 소자(6a) 내에 축적되지 않는다.
즉, 도 16의 예에서는, 광원(4)을 발광시키기 전에 제1 스위치(13)가 오프로부터 온으로 스위칭되고, 미광(L3)의 입사에 의해 SPAD 소자(6a)가 의도적으로 작게 브레이크 다운된다. 이에 의해, 미광(L3)에 기인하는 전자의 축적이 억제될 수 있다.
따라서, 도 16의 예에 따르면, 게이팅 동작 동안 SPAD 소자(6a) 내에서 미광(L3)에 기인하는 전자의 축적을 억제할 수 있다.
도 16에 설명한 시간(T25∼T29)에서의 동작은 도 14의 예에 있어서의 시간(T16∼T19)에서의 동작과 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
<제2 실시형태의 변형예>
도 17은 본 개시의 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 구성예를 나타내는 회로도이다. 도 17의 예는, 인에이블 신호를 제1 스위치(13) 및 제2 스위치(14)로 전달하기 위한 경로의 구성에 있어서 도 11에 나타낸 제2 실시형태와 다르다.
구체적으로는, 제1 스위치(13)에는, 인에이블 신호가 펄스 생성 회로(19)를 통해 입력되고, 인에이블 신호가 지연 회로(18A)를 통해 입력된다.
즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 기간 동안 제1 스위치(13)는 오프로부터 온으로 스위칭하고, 미리 정해진 시간이 경과한 후에, 제1 스위치(13)는 오프로부터 온으로 스위칭한다.
또한, 제2 스위치(14)에는, 인에이블 신호가 펄스 생성 회로(19) 및 지연 회로(18B)를 통해 입력된다. 즉, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 시간이 경과한 후에 미리 정해진 기간 동안 제2 스위치(14)는 오프로부터 온으로 스위칭한다.
다음으로, 도 17에 더하여 도 18을 참조하여, 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 동작에 대해 설명한다. 도 18은 본 개시의 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 14의 예에서는, 초기 상태에서 인에이블 신호가 오프 상태로 유지되기 때문에, 게이팅 스위치(15)는 온 상태로 유지되고, SPAD 소자(6a)는 무효 상태가 된다.
그리고, 제어부(8)는 광원 구동부(5)를 제어하여, 시간(T11)에서 광원(4)을 펄스 방식으로 발광시킨다. 이에 의해, 시간(T12)에서 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사한다. 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사하므로, 무효 상태의 SPAD 소자(6a)에는 전자가 축적된다.
다음으로, 제어부(8)는, 광원(4)이 발광한 시간(T11)으로부터 미리 정해진 시간이 경과한 시간(T13)에서, 인에이블 신호를 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, 게이팅 스위치(15)가 시간(T13)에서 온으로부터 오프로 스위칭하므로, SPAD 소자(6a)의 애노드는 플로팅 상태가 된다.
또한, 제1 스위치(13)는 시간(T13)에서 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 제1 정전류원(11)으로 전류 값(I1)을 갖는 전류가 흐르므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 전원 전압(Vdd)으로부터 서서히 감소한다.
한편, 이 변형예에서는, 제1 스위치(13)가 시간(T14)에서 온으로부터 오프로 스위칭하므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 시간(T14)에서부터 미리 정해진 전압(V4a)으로 일정하게 된다.
그리고, 제어부(8)로부터 보내진 인에이블 신호는, 전술한 바와 같이, 펄스 생성 회로(19) 및 지연 회로(18B)를 통해 제2 스위치(14)로 보내진다. 이에 의해, 시간(T14)에서부터 미리 정해진 지연 시간이 경과한 시간(T15)에서, 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭한다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 제2 정전류원(12)으로 전류 값(I2)을 갖는 전류가 흐르므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 시간(T15)의 시점에서의 전압(V4a)으로부터 급격하게 감소된다. 그리고, 시간(T16)에서 전압은 미리 정해진 전압(V3)에 도달하고, 시간(T16)에서 제2 스위치(14)는 온으로부터 오프로 스위칭한다.
또한, 제어부(8)로부터 보내진 인에이블 신호가 지연 회로(18A)를 통해 제1 스위치(13)로 보내진다. 이에 의해, 시간(T16)에서, 제1 스위치(13)가 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 제1 정전류원(11)으로 전류 값(I1)을 갖는 전류가 흐르므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 전압(V3)으로 유지된다.
도 18에 설명한 시간(T17∼T19)에서의 동작은 도 12의 예에 있어서의 시간(T6∼T8)에서의 동작과 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
전술한 바와 같이, 제2 실시형태의 변형예에서는, 게이팅 동작 동안, 제1 정전류원(11)에 의한 SPAD 소자(6a)로부터의 전류 방출이 시간(T14)에서 일시적으로 정지되므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 전압(V4a)로 일정하게 유지된다.
전술한 바와 같이, 애노드 전압이 전원 전압(Vdd)보다 낮고 SPAD 소자(6a)의 브레이크다운 전압(전압(V3))보다 높은 전압으로 일정하게 유지되므로, 미광(L3)에 기인하여 축적되는 전자가 SPAD 소자(6a)로부터 양호하게 배출될 수 있다.
그 이유는 다음과 같다. SPAD 소자(6a)의 애노드 전압이 전원 전압(Vdd)에 가까운 전압으로 일정하게 유지되므로, SPAD 소자(6a)가 의도적으로 작게 브레이크 다운되기 때문에, 이러한 브레이크다운에 의해 SPAD 소자(6a)로부터 축적 전자를 소멸시킨다.
SPAD 소자(6a)가 의도적으로 작게 브레이크 다운되더라도, 이러한 작은 브레이크 다운은 단시간에 완료되고, SPAD 소자(6a)는 즉시 안정 상태로 되돌아가므로, 전체 게이팅 동작에 대한 악영향은 거의 없다.
전술한 변형예를 구현할 수 있는 인에이블 신호의 전달 경로의 구성은, 도 17의 예에 한정되지 않는다. 도 19는 본 개시의 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 19의 예에서는, 제1 스위치(13)에는, 인에이블 신호가 펄스 생성 회로(19A)를 통해 입력되고, 인에이블 신호가 지연 회로(18A)를 통해 입력된다.
이에 의해, 도 19의 예에서도, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 기간 동안 제1 스위치(13)가 오프로부터 온으로 스위칭될 수 있다. 나아가, 도 19의 예에서도, 추가로 미리 정해진 시간이 경과한 후에, 제1 스위치(13)가 오프로부터 온으로 스위칭될 수 있다.
또한, 제2 스위치(14)에는, 인에이블 신호가 지연 회로(18B) 및 펄스 생성 회로(19B)를 통해 입력된다. 이에 의해, 도 19의 예에서도, 인에이블 신호가 오프로부터 온으로 스위칭할 때, 미리 정해진 시간이 경과한 후에 미리 정해진 기간 동안 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭될 수 있다.
도 19의 예에서는, 독립적인 펄스 생성 회로(19A, 19B)에 의해 펄스가 생성될 수 있기 때문에, 제1 스위치(13)를 온 상태로 유지하는 시간과 제2 스위치(14)를 온 상태로 유지하는 시간이 개별적으로 제어될 수 있다. 따라서, 도 19의 예에 따르면, 게이팅 동작이 보다 원활하게 행해질 수 있다.
또한, 도 17 및 도 19에 나타낸 펄스 출력부(7)에서는, 도 18의 예와는 다른 동작이 또한 행해질 수 있다. 도 20은 본 개시의 제2 실시형태의 변형예에 따른 펄스 출력부(7)의 다른 동작 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 20의 예는, 광원(4)을 발광시키기 전에 게이팅 동작이 시작되는 예이다. 먼저, 제어부(8)는, 광원(4)을 발광시키는 시간(T23)보다 미리 정해진 시간 이전의 시간(T21)에서, 인에이블 신호를 오프로부터 온으로 스위칭한다.
이에 의해, 게이팅 스위치(15)가 시간(T21)에서 온으로부터 오프로 스위칭하므로, SPAD 소자(6a)의 애노드는 플로팅 상태가 된다.
또한, 제1 스위치(13)는 시간(T21)에서 오프로부터 온으로 스위칭한다. 이에 의해, SPAD 소자(6a)의 애노드로부터 제1 정전류원(11)으로 전류 값(I1)을 갖는 전류가 흐르므로, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은, 전원 전압(Vdd)으로부터 서서히 감소된다. 그리고, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은, 시간(T22)부터 미리 정해진 전압(V4a)으로 일정하게 된다.
그리고, 제어부(8)는 광원 구동부(5)를 제어하여, 시간(T23)에서 광원(4)을 펄스 방식으로 발광시킨다. 이에 의해, 시간(T24)에서 미광(L3)이 SPAD 소자(6a)에 입사한다.
여기서, 도 20의 예에서는, 미광(L3)이 입사한 시간(T24)에서 이미 SPAD 소자(6a)의 애노드 전압이 전압(V4a)으로 감소하기 때문에, SPAD 소자(6a)는 작게 브레이크 다운되고, SPAD 소자(6a)의 애노드 전압은 전원 전압(Vdd)으로 증가한다.
전술한 바와 같이, 도 20의 예에서는, 미광(L3)에 기인하여 SPAD 소자(6a) 내에 브레이크다운이 발생한다. 그리하여, 미광(L3)이 입사하더라도, 미광(L3)에 의해 야기되는 전자는 SPAD 소자(6a) 내에 축적되지 않는다.
즉, 도 20의 예에서는, 광원(4)을 발광시키기 전에 제1 스위치(13)가 오프로부터 온으로 스위칭되고, 미광(L3)의 입사에 의해 SPAD 소자(6a)가 의도적으로 작게 브레이크 다운된다. 이에 의해, 미광(L3)에 기인하는 전자의 축적이 억제될 수 있다.
따라서, 도 20의 예에 따르면, 게이팅 동작 동안 SPAD 소자(6a) 내에서 미광(L3)에 기인하는 전자의 축적을 억제할 수 있다.
도 20에 설명한 시간(T25∼T29)에서의 동작은 도 18의 예에 있어서의 시간(T16∼T19)에서의 동작과 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
<효과>
제1 실시형태에 따른 측거 센서(1)는, SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 소자(6a)와, 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)과, 제1 스위치(13)와, 제2 스위치(14)와, 게이팅 스위치(15)를 구비한다. SPAD 소자(6a)는, 광원(4)으로부터 출사된 광(L1)에 기인하여 피측정물(X)로부터 반사된 광(반사광(L2))을 수광할 때에 신호(S1)를 출력한다. 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)은, SPAD 소자(6a)의 캐소드에 병렬로 접속된다. 제1 스위치(13)는 SPAD 소자(6a)와 제1 정전류원(11)의 사이에 접속된다. 제2 스위치(14)는 SPAD 소자(6a)와 제2 정전류원(12)의 사이에 접속된다. 게이팅 스위치(15)는, SPAD 소자(6a)와 제1 스위치(13)의 사이에 그리고 SPAD 소자(6a)와 접지 전위의 사이에 접속된다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
제2 실시형태에 따른 측거 센서(1)는, SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 소자(6a)와, 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)과, 제1 스위치(13)와, 제2 스위치(14)와, 게이팅 스위치(15)를 구비한다. SPAD 소자(6a)는, 광원(4)으로부터 출사되는 광(L1)에 기인하여 피측정물(X)로부터 반사된 광(반사광(L2))을 수광할 때에 신호(S1)를 출력한다. 제1 정전류원(11) 및 제2 정전류원(12)은, SPAD 소자(6a)의 애노드에 병렬로 접속된다. 제1 스위치(13)는 SPAD 소자(6a)와 제1 정전류원(11)의 사이에 접속된다. 제2 스위치(14)는 SPAD 소자(6a)와 제2 정전류원(12)의 사이에 접속된다. 게이팅 스위치(15)는 SPAD 소자(6a)와 제1 스위치(13)의 사이에 그리고 SPAD 소자(6a)와 전원 전압(Vdd)의 사이에 접속된다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
또한, 각 실시형태에 따른 측거 센서(1)는, 광원(4)과, 제어부(8)를 더 구비한다. 광원(4)은, 피측정물(X)에 광(출사광(L1))을 조사한다. 제어부(8)는, 광원(4)과, 제1 스위치(13)와, 제2 스위치(14)와, 게이팅 스위치(15)를 제어한다. 그리고, 제어부(8)는, 광원(4)의 발광 동작과 동기하여, 게이팅 스위치(15)를 온으로부터 오프로 스위칭한다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)를 미광(L3)과 반응시키지 않고서 SPAD 소자(6a)를 피측정물(X)로부터의 반사광(L2)과 반응시킬 수 있기 때문에, 피측정물(X)까지의 거리(D)를 매우 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 각 실시형태에 따른 측거 센서(1)에 있어서, 제어부(8)는, 게이팅 스위치(15)의 오프 동작과 동기하여, 제1 스위치(13)를 오프로부터 온으로 스위칭한다. 또한, 제1 스위치(13)를 오프로부터 온으로 스위칭한 후에, 제어부(8)는 제2 스위치(14)를 오프로부터 온으로 스위칭한다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
또한, 각 실시형태에 따른 측거 센서(1)에 있어서, 제어부(8)는, 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭될 때까지의 기간 동안, 제1 스위치(13)를 온 상태로 유지한다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 보다 신속하게 행할 수 있다.
또한, 각 실시형태에 따른 측거 센서(1)에 있어서, 제어부(8)는, 제2 스위치(14)가 오프로부터 온으로 스위칭될 때까지의 기간 동안에, 제1 스위치(13)를 온으로부터 오프로 스위칭한다.
이에 의해, 미광(L3)에 기인하여 축적되는 전자가 SPAD 소자(6a)로부터 양호하게 배출될 수 있다.
또한, 각 실시형태에 따른 측거 센서(1)에 있어서, 제어부(8)는, 광원(4)을 발광시키는 전에, 게이팅 스위치(15)를 온으로부터 오프로 스위칭한다.
이에 의해, 게이팅 동작 동안 SPAD 소자(6a) 내에서 미광(L3)에 기인하는 전자의 축적을 억제할 수 있다.
또한, 각 실시형태에 따른 측거 센서(1)에 있어서, 제1 정전류원(11)의 전류 값(I1)은, 제2 정전류원의 전류 값(I2)보다 작다.
이에 의해, SPAD 소자(6a)의 게이팅 동작을 보다 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
<이동체에의 응용예>
본 개시에 따른 기술(본 기술)은 다양한 제품에 적용될 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 기술은, 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 임의의 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현될 수도 있다.
도 21은 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 일례인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성예를 나타내는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은 통신 네트워크(12001)를 거쳐 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 21에 나타낸 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은 구동계 제어 유닛(12010), 보디계 제어 유닛(12020), 차외 정보 검출 유닛(12030), 차내 정보 검출 유닛(12040), 및 통합 제어 유닛(12050)을 구비한다. 또한, 통합 제어 유닛(12050)의 기능 구성으로서, 마이크로컴퓨터(12051), 음성 화상 출력부(12052), 및 차재 네트워크 I/F(Interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은 각종 프로그램에 따라 차량의 구동계에 관련하는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 구동계 제어 유닛(12010)은, 내연기관 또는 구동용 모터 등의 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 장치, 구동력을 차륜에 전달하기 위한 구동력 전달 기구, 차량의 타각을 조절하는 스티어링 기구, 및 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어 장치로서 기능한다.
보디계 제어 유닛(12020)은 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 보디계 제어 유닛(12020)은 키리스 엔트리(keyless entry) 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 또는 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 깜빡이 또는 안개등 등의 각종 램프의 제어장치로서 기능한다. 이 경우, 보디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 보디계 제어 유닛(12020)은 이들 전파 또는 신호의 입력을 수신하여, 차량의 도어록 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부의 정보를 검출한다. 예를 들면, 차외 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은 촬상부(12031)에 차 밖의 화상을 촬상시키고, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 기초하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면 상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행해도 된다.
촬상부(12031)는, 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 따른 전기 신호를 출력하는 광 센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 측거의 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은 가시광이어도 되고, 적외선 등의 비가시광이어도 된다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들면, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들면, 운전자를 촬상하는 카메라를 포함한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 기초하여 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 되고, 운전자가 졸고 있지 않은지를 판별해도 된다.
마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내 정보 또는 차외 정보에 기초하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구, 또는 제동 장치의 제어 목표값을 연산할 수 있고, 구동계 제어 유닛(12010)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 또는 충격 완화, 차간거리에 기초하는 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 차선 일탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량 주위의 정보에 기초하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함으로써, 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차외 정보에 기초하여, 보디계 제어 유닛(12020)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에 의해 검지한 선행차 또는 대향차의 위치에 따라 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 눈부심 방지를 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
음성 화상 출력부(12052)는, 차량의 탑승자 또는 차외에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 제공할 수 있는 출력장치로 음성 및 화상 중 적어도 일방의 출력 신호를 송신한다. 도 21의 예에서는, 출력장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062), 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되고 있다. 표시부(12062)는, 예를 들면, 온 보드 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이 중 적어도 하나를 포함하고 있어도 된다.
도 22는 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 나타내는 도면이다.
도 22에서는, 촬상부(12031)는 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들면, 차량(12100)의 프런트 노즈, 사이드 미러, 리어 범퍼, 백 도어, 및 차실내의 윈드실드의 상부 등의 위치에 설치된다. 프런트 노즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실내의 윈드실드의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방의 화상을 취득한다. 사이드 미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는, 주로 차량(12100)의 측방의 화상을 취득한다. 리어 범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는, 주로 차량(12100)의 후방의 화상을 취득한다. 차실내의 윈드실드의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 선행 차량 또는 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 이용된다.
도 22는 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 일례를 도시한다. 촬상 범위(12111)는, 프런트 노즈에 설치된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드 미러에 설치된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는, 리어 범퍼 또는 백 도어에 설치된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)에 의해 촬상된 화상 데이터가 중첩됨으로써, 차량(12100)을 상방으로부터 본 부감 화상이 얻어진다.
촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는 거리 정보를 취득하는 기능을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라이어도 되고, 위상차 검출용의 화소를 갖는 촬상 소자이어도 된다.
예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어지는 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에 있어서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대속도)를 구함으로써, 특히 차량(12100)의 진행로 상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 대략 같은 방향으로 소정의 속도(예를 들면, 0km/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 선행차와의 사이에서 미리 확보해야 하는 차간거리를 설정할 수 있고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함함)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함함) 등을 행할 수 있다. 전술한 바와 같이, 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 바탕으로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 이륜차, 보통 차량, 대형차량, 보행자, 전신주 등 그 외의 입체물로 분류하여 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량(12100) 주변의 장애물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하여, 충돌 리스크가 설정값 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황일 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통해 드라이버에 경보를 출력하거나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통해 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라여도 된다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지 아닌지를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들면, 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에 있어서의 특징점을 추출하는 절차와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지 아닌지를 판별하는 절차에 의해 행해진다. 마이크로컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하여, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에게 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 원하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어해도 된다.
이상, 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 차량 제어 시스템의 예에 대해 설명하였다. 본 개시에 따른 기술은, 전술한 구성 중 촬상부(12031)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 도 5의 측거 센서(1)는 촬상부(12031)에 적용될 수 있다. 촬상부(12031)에 본 개시에 따른 기술을 적용함으로써, SPAD 소자의 게이팅 동작을 신속하고 양호하게 행할 수 있다.
이상, 본 개시의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 개시의 기술적 범위는 전술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 또한, 다른 실시형태 및 변형예에 있어서의 구성요소가 적절히 조합될 수도 있다.
예를 들면, 각각의 상기 실시형태에서는, 2개의 정전류원이 SPAD 소자(6a)에 병렬로 접속된 예에 대해 나타내었다. 그러나, SPAD 소자(6a)에 병렬로 접속되는 정전류원의 수는 2개에 한정되지 않고, 3개 이상의 정전류원이 병렬로 접속될 수도 있다.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이며 한정되는 것이 아니고, 또한 다른 효과가 추가될 수도 있다.
본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
광원으로부터 출사된 광에 기인하여 피측정물로부터 반사되는 광을 수광할 때에 신호를 출력하도록 구성된 SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 소자와,
상기 SPAD 소자의 캐소드에 병렬로 접속되는 제1 정전류원 및 제2 정전류원과,
상기 SPAD 소자와 상기 제1 정전류원의 사이에 접속되는 제1 스위치와,
상기 SPAD 소자와 상기 제2 정전류원의 사이에 접속되는 제2 스위치와,
상기 SPAD 소자와 상기 제1 스위치의 사이에 그리고 상기 SPAD 소자와 접지 전위의 사이에 접속되는 게이팅 스위치를 구비하는 측거 센서.
(2)
광원으로부터 출사된 광에 기인하여 피측정물로부터 반사되는 광을 수광할 때에 신호를 출력하도록 구성된 SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 소자와,
상기 SPAD 소자의 애노드에 병렬로 접속되는 제1 정전류원 및 제2 정전류원과,
상기 SPAD 소자와 상기 제1 정전류원의 사이에 접속되는 제1 스위치와,
상기 SPAD 소자와 상기 제2 정전류원의 사이에 접속되는 제2 스위치와,
상기 SPAD 소자와 상기 제1 스위치의 사이에 그리고 상기 SPAD 소자와 전원 전압의 사이에 접속되는 게이팅 스위치를 구비하는 측거 센서.
(3)
상기 피측정물에 광을 조사하도록 구성된 광원과,
상기 광원과, 상기 제1 스위치와, 상기 제2 스위치와, 상기 게이팅 스위치를 제어하도록 구성된 제어부를 더 구비하고,
상기 제어부는, 상기 광원의 발광 동작과 동기하여, 상기 게이팅 스위치를 온으로부터 오프로 스위칭하는, 상기 (1) 또는 (2)에 따른 측거 센서.
(4)
상기 제어부는, 상기 게이팅 스위치의 오프 동작과 동기하여, 상기 제1 스위치를 오프로부터 온으로 스위칭하고,
상기 제어부는, 상기 제1 스위치를 오프로부터 온으로 스위칭한 후에, 상기 제2 스위치를 오프로부터 온으로 스위칭하는, 상기 (3)에 따른 측거 센서.
(5)
상기 제어부는, 상기 제2 스위치가 오프로부터 온으로 스위칭될 때까지의 기간 동안, 상기 제1 스위치를 온 상태로 유지하는, 상기 (4)에 따른 측거 센서.
(6)
상기 제어부는, 상기 제2 스위치가 오프로부터 온으로 스위칭될 때까지의 기간 동안, 상기 제1 스위치를 온으로부터 오프로 스위칭하는, 상기 (4)에 따른 측거 센서.
(7)
상기 제어부는, 상기 광원을 발광시키기 전에, 상기 게이팅 스위치를 온으로부터 오프로 스위칭하는, 상기 (4)∼(6) 중 어느 하나에 따른 측거 센서.
(8)
상기 제1 정전류원의 전류 값은, 상기 제2 정전류원의 전류 값보다 작은, 상기 (1)∼(7) 중 어느 하나에 따른 측거 센서.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1')
애벌런치 포토다이오드의 전극이 제1 노드에 접속되어 있는 상기 애벌런치 포토다이오드와,
상기 제1 노드에 접속되며, 제1 전류원을 통해 제1 전위선에 접속되는 제1 스위치와,
상기 제1 노드에 접속되며, 제2 전류원을 통해 상기 제1 전위선에 접속되는 제2 스위치와,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 접속된 지연 회로를 포함하는, 광 검출 장치.
(2')
상기 제1 노드와 제2 전위선에 접속된 제3 스위치를 더 포함하는, (1')에 따른 광 검출 장치.
(3')
상기 제1 전류원의 전류 값은 상기 제2 전류원의 전류 값보다 작은, (1') 또는 (2')에 따른 광 검출 장치.
(4')
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하도록 구성된 제어 회로를 더 포함하는, (1') 내지 (3') 중 어느 하나에 따른 광 검출 장치.
(5')
상기 제어 회로는, 상기 제1 스위치 및 상기 지연 회로에 인에이블 신호를 출력하도록 구성되고, 상기 지연 회로는 상기 제2 스위치에 지연된 인에이블 신호를 출력하도록 구성되는, (4')에 따른 광 검출 장치.
(6')
상기 제1 스위치는 상기 인에이블 신호에 기초하여 도통 상태와 절단 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되고, 상기 제2 스위치는 상기 지연된 인에이블 신호에 기초하여 도통 상태와 절단 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되는, (5')에 따른 광 검출 장치.
(7')
상기 애벌런치 포토다이오드를 구비한 제1 칩과,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 구비한 제2 칩을 포함하는, (1') 내지 (6') 중 어느 하나에 따른 광 검출 장치.
(8')
상기 제1 전위선과 상기 제1 노드에 접속된 인버터를 더 포함하는, (1') 내지 (7') 중 어느 하나에 따른 광 검출 장치.
(9')
상기 전극은 애노드인, (1') 내지 (8') 중 어느 하나에 따른 광 검출 장치.
(10')
상기 전극은 캐소드인, (1') 내지 (8') 중 어느 하나에 따른 광 검출 장치.
(11')
애벌런치 포토다이오드의 전극이 제1 노드에 접속되어 있는 상기 애벌런치 포토다이오드를 제공하는 단계와,
상기 제1 노드에 접속되며, 제1 전류원을 통해 제1 전위선에 접속되는 제1 스위치를 제공하는 단계와,
상기 제1 노드에 접속되며, 제2 전류원을 통해 상기 제1 전위선에 접속되는 제2 스위치를 제공하는 단계와,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 접속된 지연 회로를 제공하는 단계를 포함하는, 광 검출 방법.
(12')
상기 제1 노드와 제2 전위선에 접속되는 제3 스위치를 제공하는 단계를 더 포함하는, (11')에 따른 광 검출 방법.
(13')
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어 회로를 통해 제어하는 단계를 더 포함하는, (11') 또는 (12')에 따른 광 검출 방법.
(14')
상기 제어 회로로부터 상기 제1 스위치 및 상기 지연 회로로 인에이블 신호를 출력하는 단계와, 상기 지연 회로로부터 상기 제2 스위치로 지연된 인에이블 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는, (13')에 따른 광 검출 방법.
(15')
상기 애벌런치 포토다이오드를 구비한 제1 칩을 제공하는 단계와,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 구비한 제2 칩을 제공하는 단계를 포함하는, (11') 내지 (14') 중 어느 하나에 따른 광 검출 방법.
(16')
상기 제1 전위선와 상기 제1 노드에 접속되는 인버터를 제공하는 단계를 더 포함하는, (11') 내지 (15') 중 어느 하나에 따른 광 검출 방법.
(17')
상기 전극은 애노드인, (11') 내지 (16') 중 어느 하나에 따른 광 검출 방법.
(18')
상기 전극은 캐소드인, (11') 내지 (17') 중 어느 하나에 따른 광 검출 방법.
(19')
측거 시스템으로서,
제1 광을 출사하도록 구성된 광원 장치와,
상기 제1 광에 기인한 물체로부터의 제2 광을 수광하도록 구성된 광 검출 장치를 포함하고,
상기 광 검출 장치는,
애벌런치 포토다이오드의 전극이 제1 노드에 접속되어 있는 상기 애벌런치 포토다이오드와,
상기 제1 노드에 접속되며, 제1 전류원을 통해 제1 전위선에 접속되는 제1 스위치와,
상기 제1 노드에 접속되며, 제2 전류원을 통해 상기 제1 전위선에 접속되는 제2 스위치와,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 접속된 지연 회로를 구비하는, 측거 시스템.
(20')
상기 광 검출 장치는, 상기 제1 노드와 제2 전위선에 접속되는 제3 스위치를 구비하는, (19')에 따른 측거 시스템.
(21')
상기 제3 스위치가 절단 상태로 스위칭한 후 그리고 상기 광 검출 장치가 상기 제2 광을 수광하기 전에 상기 제2 스위치가 도통 상태로 스위칭하도록 구성되는, (20')에 따른 측거 시스템.
1: 측거 센서
4: 광원
6a: SPAD 소자
7: 펄스 출력부
8: 제어부
11: 제1 정전류원
12: 제2 정전류원
13: 제1 스위치
14: 제2 스위치
15: 게이팅 스위치

Claims (21)

  1. 애벌런치 포토다이오드(avalanche photodiode)의 전극이 제1 노드에 접속되어 있는 상기 애벌런치 포토다이오드와,
    상기 제1 노드에 접속되며, 제1 전류원을 통해 제1 전위선에 접속되는 제1 스위치와,
    상기 제1 노드에 접속되며, 제2 전류원을 통해 상기 제1 전위선에 접속되는 제2 스위치와,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 접속된 지연 회로를 포함하는, 광 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 노드와 제2 전위선에 접속된 제3 스위치를 더 포함하는, 광 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류원의 전류 값은 상기 제2 전류원의 전류 값보다 작은, 광 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하도록 구성된 제어 회로를 더 포함하는, 광 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 상기 제1 스위치 및 상기 지연 회로에 인에이블 신호(enable signal)를 출력하도록 구성되고, 상기 지연 회로는 상기 제2 스위치에 지연된 인에이블 신호를 출력하도록 구성되는, 광 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 상기 인에이블 신호에 기초하여 도통 상태와 절단 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되고, 상기 제2 스위치는 상기 지연된 인에이블 신호에 기초하여 도통 상태와 절단 상태 사이에서 스위칭하도록 구성되는, 광 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 애벌런치 포토다이오드를 구비한 제1 칩과,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 구비한 제2 칩을 포함하는, 광 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전위선과 상기 제1 노드에 접속된 인버터를 더 포함하는, 광 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 애노드인, 광 검출 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 캐소드인, 광 검출 장치.
  11. 애벌런치 포토다이오드의 전극이 제1 노드에 접속되어 있는 상기 애벌런치 포토다이오드를 제공하는 단계와,
    상기 제1 노드에 접속되며, 제1 전류원을 통해 제1 전위선에 접속되는 제1 스위치를 제공하는 단계와,
    상기 제1 노드에 접속되며, 제2 전류원을 통해 상기 제1 전위선에 접속되는 제2 스위치를 제공하는 단계와,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 접속된 지연 회로를 제공하는 단계를 포함하는, 광 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 노드와 제2 전위선에 접속되는 제3 스위치를 제공하는 단계를 더 포함하는, 광 검출 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어 회로를 통해 제어하는 단계를 더 포함하는, 광 검출 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어 회로로부터 상기 제1 스위치 및 상기 지연 회로로 인에이블 신호를 출력하는 단계와, 상기 지연 회로로부터 상기 제2 스위치로 지연된 인에이블 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는, 광 검출 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 애벌런치 포토다이오드를 구비한 제1 칩을 제공하는 단계와,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 구비한 제2 칩을 제공하는 단계를 포함하는, 광 검출 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전위선과 상기 제1 노드에 접속되는 인버터를 제공하는 단계를 더 포함하는, 광 검출 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 전극은 애노드인, 광 검출 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 전극은 캐소드인, 광 검출 방법.
  19. 측거 시스템으로서,
    제1 광을 출사하도록 구성된 광원 장치와,
    상기 제1 광에 기인한 물체로부터의 제2 광을 수광하도록 구성된 광 검출 장치를 포함하고,
    상기 광 검출 장치는,
    애벌런치 포토다이오드의 전극이 제1 노드에 접속되어 있는 상기 애벌런치 포토다이오드와,
    상기 제1 노드에 접속되며, 제1 전류원을 통해 제1 전위선에 접속되는 제1 스위치와,
    상기 제1 노드에 접속되며, 제2 전류원을 통해 상기 제1 전위선에 접속되는 제2 스위치와,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 접속된 지연 회로를 구비하는, 측거 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 광 검출 장치는, 상기 제1 노드와 제2 전위선에 접속되는 제3 스위치를 구비하는, 측거 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제3 스위치가 절단 상태로 스위칭한 후 그리고 상기 광 검출 장치가 상기 제2 광을 수광하기 전에 상기 제2 스위치가 도통 상태로 스위칭하도록 구성되는, 측거 시스템.
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