CN109115334B - 光检测装置 - Google Patents

Abstract

公开了光检测装置。光检测装置具有光接收部、边沿检测电路和加法单元。每个光接收部具有猝熄电阻、SPAD和脉冲信号输出部。SPAD对入射光子即入射光做出响应。当SPAD接收到入射光并且对入射光做出响应时，猝熄电阻和脉冲信号输出部生成脉冲信号并且将脉冲信号发送至对应的边沿检测电路。边沿检测电路和加法单元每当接收到以预定周期发送的CLK信号时对从先前接收到的CLK信号到当前接收到的CLK信号的时段期间的边沿的数目进行检测。边沿表示从未接收到脉冲信号的第一状态到接收到脉冲信号的第二状态的状态变化。

Description

光检测装置

技术领域

本发明涉及能够检测入射光即入射光子的光检测装置，该光检测装置配备有作为固态敏感光电探测器或半导体器件的单光子雪崩二极管(SPAD)。

背景技术

与相关技术有关的专利文献1即日本专利特许公布第2014-081253号公开了一种基于单光子雪崩二极管(SPAD)对入射光的响应结果通过使用多个SPAD来检测入射光的常规技术。SPAD与以预定周期发送的时钟信号(CLK信号)同步地操作。相关技术对针对与时钟信号同步接收到的入射光进行响应的SPAD的数目进行计数。可以认为入射光的强度越强，对入射光做出响应的SPAD的数目增长越多。

然而，相关技术具有以下倾向：由于延长SPAD发送脉冲信号的时段，所以从入射光的强度具有峰值的真正时刻起延迟SPAD检测到入射光(即，对入射光做出响应)的次数的峰值时刻。因此，专利文献1的相关技术难以基于对入射光做出响应的SPAD的数目以高准确度正确地估计SPAD检测到入射光的光检测时刻。

发明内容

因此，期望提供一种配备有单光子雪崩二极管(SPAD)的、能够估计SPAD检测到入射光即入射光子的光检测时刻的光检测装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种能够检测入射光子即入射光的光检测装置。光检测装置具有多个光接收部和多个边沿检测部。多个光接收部中的每一个具有信号输出部以及被配置成检测入射光子或入射光的单光子雪崩二极管或SPAD。信号输出部被配置成在SPAD对入射光子或入射光做出响应时生成并发送脉冲信号。

多个边沿检测部被布置成与多个光接收部一一对应。多个边沿检测部被配置成：每当该边沿检测部接收到以预定周期发送的时钟信号时，对从先前接收到的时钟信号到当前接收到的时钟信号计数的时段期间的边沿的数目进行检测。每个边沿表示从第一状态到第二状态的改变。在第一状态下，信号输出部不向对应的边沿检测部发送脉冲信号。在第二状态下，信号输出部向边沿检测部发送脉冲信号。

因为具有前述结构的光检测装置每当接收到时钟信号时对边沿的数目进行检测，所以在与根据相关技术的仅对SPAD检测到入射光(即，对入射光做出响应)的次数进行检测的光检测装置相比的情况下，可以避免在SPAD接收到入射光子即入射光并对入射光子做出响应的时间段期间的SPAD的响应时间的影响。因为基于边沿的数目来检测光检测时刻，所以根据本发明的光检测装置可以以高准确度来估计光检测装置检测到入射光的光检测时刻。

附图说明

将参照附图通过示例的方式来描述本发明的优选的非限制性实施方式，在附图中：

图1是示出根据本发明的第一示例性实施方式的光检测装置的结构的框图；

图2是示出图1所示的根据第一示例性实施方式的光检测装置中的光接收部的示意结构的图；

图3是示出图1所示的根据第一示例性实施方式的光检测装置的操作示例的图；

图4是示出根据第一示例性实施方式的光检测装置中的入射光(即入射光子)的量、入射光的边沿值和入射光的电平值之间的时间变化关系的曲线图；

图5是示出根据第一示例性实施方式的光检测装置中的入射光的量、入射光的边沿值和入射光的电平值之间的另一时间变化关系的曲线图；

图6是示出图1所示的根据第一示例性实施方式的光检测装置的另一操作示例的图；

图7是示出根据本发明的第二示例性实施方式的光检测装置中使用的边沿检测电路的结构的框图；

图8是示出根据本发明的第三示例性实施方式的光检测装置的结构的框图；

图9是示出根据本发明的第四示例性实施方式的光检测装置的结构的框图；

图10是示出图9所示的根据第四示例性实施方式的光检测装置的操作示例的图；

图11是示出图9所示的根据第四示例性实施方式的光检测装置的另一操作示例的图；

图12是示出根据本发明的第五示例性实施方式的光检测装置的结构的框图；

图13是示出根据本发明的第六示例性实施方式的光检测装置接收到强度强的入射光时的SPAD响应示例的图；

图14是示出根据本发明的第六示例性实施方式的光检测装置接收到强度弱的入射光时的SPAD响应示例的图；以及

图15是示出表示要由根据本发明的第六示例性实施方式的光检测装置中的时刻校正部使用的边沿值的校正时间与最大值之间的关系的校正映射图的图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的各种实施方式。在各种实施方式的以下描述中，贯穿若干图，相同的附图标记或字符表示相同或等同的组成部分。

第一示例实施方式

将参照图1至图6给出对根据本发明的第一示例性实施方式的光检测装置1A的描述。

(光检测装置1A的结构)

图1是示出根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的结构的框图。如图1所示，根据第一示例性实施方式的光检测装置1A具有多个光接收部2和多个边沿检测电路20A。在光检测装置1A中，光接收部2中的每一个配备有诸如单光子雪崩二极管(在下文中为SPAD)的雪崩光电二极管(在下文中为APD)。SPAD能够检测入射光，即入射光子。在下文中，入射光对应于入射光子。

每个光接收部2中的SPAD在能够发射激光束的激光雷达装置中被使用。例如，SPAD对从激光雷达装置发射激光束时的发射时间到激光雷达装置接收到被物体反射的反射激光束时的接收时间被计数的时间段进行检测。即，激光雷达装置朝向物体发射这样的激光束并且接收由物体反射的反射激光束。

当接收到作为反向偏置电压的击穿电压时，SPAD开始操作。因为SPAD在接收到入射光即入射光子时引起SPAD的击穿，所以光检测装置1A被配置成检测在SPAD中发生击穿时的电压改变并且生成并发送具有预定的脉冲宽度的数字脉冲(在下文中为脉冲信号)。

除了图1所示的光检测装置1的该结构以外，可以接受光检测装置1A还具有图1所示的加法单元40和算法单元50。

图2是示出图1所示的根据第一示例性实施方式的光检测装置1A中的光接收部2的示意结构的图。如图2所示，多个光接收部2在竖直方向和横向方向上被布置成晶格布置，以形成光接收阵列10。每个光接收部2与光接收阵列10中的像素对应。当接收到入射光时，每个光接收部2生成并且发送表示SPAD 4对入射光做出响应的脉冲信号。每个光接收部2具有SPAD 4、猝熄(quench)电阻6和脉冲信号输出部8。

在图2所示的每个光接收部2中，SPAD 4的阴极连接至反向偏置电压VB，并且SPAD4的阳极连接至猝熄电阻6和脉冲信号输出部8。猝熄电阻6与SPAD 4串联连接。

猝熄电阻6将反向偏置电压VB供给至SPAD 4。此外，当SPAD 4由于接收到入射光而进入击穿状态时，由于在SPAD 4中流动的电流，猝熄电阻6引起反向偏置电压VB的压降。这防止SPAD 4执行盖革放电(Geiger discharging)。猝熄电阻6由具有预定电阻值的电阻元件构成或由具有由栅极电压引起的导通电阻的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS FET)等构成。

脉冲信号输出部8连接至SPAD 4与猝熄电阻6之间的连接节点。脉冲信号输出部8在SPAD 4未进入击穿状态时生成并且发送值为1的脉冲信号。脉冲信号输出部8在SPAD 4进入击穿状态时生成并且发送值为0的脉冲信号，并且电流流入猝熄电阻6中，并且在猝熄电阻6的两端端子之间生成不小于阈值电压的电压。即，猝熄电阻6和脉冲信号输出部8被配置成在每个SPAD 4对入射光做出响应时生成并且发送脉冲信号。

每个光接收部2配备有对应的边沿检测电路20A。当光接收部2接收到入射光时，边沿检测电路20A生成并且发送边沿信号。如图1所示，每个边沿检测电路20A具有第一反相器21、第二反相器24和第三反相器26、一对第一时钟同步部22和第二时钟同步部23、以及与非门25。与非门25是逻辑门。在每个边沿检测电路20A中，第一时钟同步部22被布置在光接收部2侧，并且第二时钟同步部23被布置在加法单元40侧。

第一反相器21、第二反相器24和第三反相器26中的每一个是能够使输入信号反相并且发送反相的输入信号的已知逻辑门。第一时钟同步部22和第二时钟同步部23中的每一个都接收作为周期性脉冲的时钟(CLK)信号(在下文中为CLK信号)。第一时钟同步部22和第二时钟同步部23中的每一个都是被配置成每当接收到CLK信号时发送接收到的脉冲信号(即反相的脉冲信号)作为输入的脉冲信号的时钟同步电路。

在每个边沿检测电路20A中，被布置在光接收部2侧的第一时钟同步部22接收从第一反相器21发送的反相脉冲信号。第一时钟同步部22向第二时钟同步部23发送第一输出信号。

布置在加法单元40侧的第二时钟同步部23接收从第一时钟同步部22发送的第一输出信号。例如，时钟同步部22和23中的每一个由D触发器(flip-flop)电路等构成。

在图1所示的根据第一示例性实施方式的光检测装置的结构中，第一反相器21使从布置在光接收阵列10中的对应光接收部2发送的脉冲信号的电平反相。第一反相器21将反相的脉冲信号发送至第一时钟同步部22。

第一时钟同步部22接收从第一反相器21发送的反相的脉冲信号。第一时钟同步部22每当接收到CLK信号时向与非门25和第二时钟同步部23发送第一输出信号(即从第一反相器21发送的反相的脉冲信号)。

在每个边沿检测电路20A中，布置在加法单元40侧的第二时钟同步部23接收从布置在光接收部2侧的第一时钟同步部22发送的第一输出信号(即反相的脉冲信号)。

第二时钟同步部23每当接收到CLK信号时向第二反相器24发送第二输出信号。如图1所示，第一时钟同步部22和第二时钟同步部23接收公共CLK信号。即，由于第一时钟同步部22和第二时钟同步部23与接收到的公共CLK信号同步地操作，所以第二时钟同步部23发送从自第一时钟同步部22发送的第一输出信号延迟仅一个时钟信号的第二输出信号。

每个边沿检测电路20A将从第一时钟同步部22发送的第一输出信号变为与从第二时钟同步部23发送的第二输出信号不同时的事件作为边沿进行检测并且生成边沿信号并将该边沿信号发送至加法单元40。

第二反相器24使从布置在加法单元40侧的第二时钟同步部23发送的第二输出信号反相。第二反相器24将反相的第二输出信号发送至与非门25。与非门25接收从第二反相器24发送的反相的第二输出信号以及从第一时钟同步部22发送的第一输出信号。与非门25对两个逻辑值执行与非运算并且发送逻辑输出值。然后边沿检测电路20A生成边沿信号作为与非运算的逻辑输出值并且将该边沿信号发送至加法单元40。

具有前述结构的边沿检测电路20A使得可以检测从第一时钟同步部22发送的第一输出信号的从1到0的过渡状态以及从第二时钟同步部23发送的第二输出信号的从1到0的过渡状态。当检测到过渡状态时，边沿检测电路20A生成边沿脉冲信号并且将该边沿脉冲信号发送至加法单元40。

具有前述结构的边沿检测电路20A生成每个边沿脉冲信号并且将每个边沿脉冲信号发送至加法单元40。仅在脉冲信号从1值改变成0值的时刻生成并且发送边沿脉冲信号。

在边沿检测电路20A中，第三反相器26使逻辑值反相为与非门25的输出信号。光检测装置1A中的每个边沿检测电路20A将边沿脉冲信号作为第三反相器26的输出信号发送至加法单元40。

加法单元40是能够每当接收到从每个边沿检测电路20A发送的边沿脉冲信号时使边沿脉冲计数值递增的已知加法器。边沿脉冲计数值表示接收到的、从边沿检测电路20A发送的边沿脉冲信号的总数目。加法单元40将边沿脉冲计数值发送至算法单元50。

即，边沿检测电路20A和加法单元40被配置成每当接收到以预定周期发送的CLK信号时对从先前接收到的CLK信号到当前接收到的CLK信号的时段期间的边沿的数目进行计数。

该边沿表示从第一状态到第二状态的过渡状态。在第一状态下，SPAD4未检测到入射光并且对应的光接收部2不发送脉冲信号。另一方面，在第二状态下，SPAD 4检测到入射光并且对应的光接收部2发送脉冲信号。

从先前接收到的CLK信号到当前接收到的CLK信号的时段期间接收到的边沿的数目被称为边沿值。

加法单元40每当接收到CLK信号时检测向对应边沿检测电路20A当前发送具有零值的脉冲信号的光接收部2的数目作为电平值。换言之，电平值表示向对应边沿检测电路20A当前发送具有零值的脉冲信号的光接收部2的数目。因为电平值表示光接收部2中的当前对入射光做出响应的SPAD 4的数目，所以电平值表示入射光的强度值。

具有前述结构的每个光接收部2生成并且发送具有与入射光的量(即，周围光的量)对应的频率的脉冲信号。当接收到强烈的日光时，从光接收部2发送的脉冲信号的数目显著增大。在这种情况下，每单位时间从光接收部2发送的脉冲信号的总数目显著增大，即，脉冲率显著地增大。

算法单元50具有由中央处理单元(CPU)51、具有只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪速存储器的存储器单元52等构成的微型计算机系统。算法单元50具有通过执行存储在与非转变实体记录介质对应的存储器单元52中的程序来实现的各种功能。存储器单元52(即，非转变实体记录介质)不使用磁波。

可以接受算法单元50使用一个或更多个微型计算机系统。CPU 51执行存储在存储器单元52中的程序，以实现根据第一示例性实施方式的光检测装置的各种功能。

[处理和动作]

如图1所示，算法单元50执行存储在存储器单元52中的程序，以提供峰检测部56和时刻校正部57。可以接受光检测装置使用诸如包括多个逻辑电路的数字电路或模拟电路或数字电路和模拟电路的组合的一个或更多个硬件装置，以实现峰检测部56和时刻校正部57的功能。

图3是示出图1所示的根据第一示例性实施方式的光检测装置的操作示例的图。在图3所示的光检测装置1A的操作示例中，每个光接收部2具有四个SPAD 4，即SPAD[0]、SPAD[1]、SPAD[2]和SPAD[3]。光接收部2、即边沿检测电路20A在所有SPAD 4同时接收到并检测到入射光时的时刻发送最大电平值。如图3所示，光接收部2发送脉冲信号，并且边沿检测电路20A在SPAD[3]对入射光做出响应时的时刻(即在所有SPAD 4同时检测到入射光时的时刻)提供最大电平值。在图3、图6、图10和图12中，使用SPAD[N]，其中，N为零或正数，如0、1、2、3、......。

另一方面，加法单元40仅在从SPAD 4、即光接收部2发送的脉冲信号的值从1值改变成0值时的时刻使边沿值递增。因此，电平值具有最大电平值时的时刻与边沿值具有最大边沿值时的时刻不同。在图3所示的情况下，加法单元40在SPAD[0]和SPAD[1]发送具有零值的脉冲信号时的时刻生成为2的最大边沿值。

图4是示出根据第一示例性实施方式的光检测装置中的接收到的入射光的量、入射光的边沿值和入射光的电平值之间的时间变化关系的曲线图。

例如，根据第一示例性实施方式的光检测装置接收如图4所示的入射光。

如图4所示，当接收到的入射光的量增大时，电平值和边沿值增大，并且电平值大于边沿值。如图4清楚所示，时间差ΔT1比时间差ΔT3小了时间差ΔT2，其中，时间差ΔT1表示接收到的入射光的量具有最大值的真正时刻P与边沿值具有最大值时的时刻E之间的差，并且时间差ΔT3表示真正时刻P与电平值具有最大值时的时刻L之间的差。时间差ΔT2表示时刻E与时刻L之间的差。

真正时刻P是由光检测装置1A接收到的入射光的量变为最大值(即峰值)的真正时刻(或理论时刻)。因为光检测装置1A不能正确地检测真正时刻P，所以光检测装置1A使用基于实验结果获得的预定时刻作为真正时刻P。

因此，为了检测光接收部2接收到入射光的正确时刻，优选的是，光检测装置1A使用边沿值具有最大值时的时刻E，而非使用电平值具有最大值时的时刻L。

算法单元50使用边沿值具有最大值时的时刻E并且执行处理，从而以高准确度正确地检测光接收部2接收到入射光时的时刻。

即，峰检测部56检测光检测装置1A检测到边沿时的时刻E并且还根据每个时刻E的边沿数目来检测光检测装置1A检测到入射光时的时刻。

具体地，峰检测部56检测边沿数目变为峰值时的时刻E。可以接受使用时刻E作为光检测装置1A检测到入射光时的时刻。然而，为了以高准确度检测光检测装置1A刚好接收到入射光时的时刻，时刻校正部57对检测到的、边沿数目变为最大值时的时刻E进行校正。

具体地，时刻校正部57将时刻E校正预定校正时间，该预定校正时间被确定为在入射光的量变为峰值时的时间差ΔT1。时刻校正部57使用经校正的时刻E作为光接收部2接收到入射光时的时刻。

效果

现在将给出根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的效果的描述。

(1a)根据第一示例性实施方式的光检测装置1A具有多个光接收部2、多个边沿检测电路20A和加法单元40。如图2所示，每个光接收部2具有SPAD 4、猝熄电阻6、脉冲输出部8等。

光接收部2中的猝熄电阻6和脉冲信号输出部8被配置成每当SPAD4对入射光做出响应时生成脉冲信号并且将脉冲信号发送至边沿检测电路20A。

边沿检测电路20A和加法单元40被配置成每当接收到以预定周期发送的CLK信号时对在从先前接收到的CLK信号到当前接收到的CLK信号的时段期间的边沿的总数目进行检测和计数。边沿(即边沿信号)表示从SPAD 4未接收到任何入射光的第一状态到SPAD 4接收到入射光的第二状态的过渡状态。

根据第一示例性实施方式的具有前述结构的光检测装置1A每当接收到CLK信号时检测边沿的数目并且使边沿的数目递增。因此，在与对响应次数即SPAD 4接收到入射光的次数进行计数的比较示例进行比较的情况下，根据第一示例性实施方式的光检测装置1A可以避免SPAD 4对入射光做出响应的时间段的影响。根据第一示例性实施方式的光检测装置1A可以以高准确度估计光检测装置1A接收到并检测到入射光时的时刻。

(1b)图4示出了具有单个峰值的入射光的量的示例。

图5是示出根据第一示例性实施方式的光检测装置中的接收到的入射光的量、入射光的边沿值和入射光的电平值之间的另一时间变化关系的曲线图。图5所示的光即光子被多个物体反射的情况具有不少于两个的被多个物体反射的入射光的量的峰值。然而，存在以下可能情况：即使存在不少于两个的接收到的入射光的量的峰值，也检测到仅单个峰值。

图6是示出图1所示的根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的另一操作示例的图。如图6所示，当SPAD[2]和SPAD[3]在SPAD[0]和SPAD[1]完成对入射光的响应时的时刻开始对入射光的响应时，存在以下可能情况：即使接收到的入射光的量改变，电平值也不会跟随接收到的入射光的量的变化。

如图5和图6所示，即使接收到的入射光的量具有不少于两个峰值，边沿值也会由于接收到的入射光的量而改变。因此，即使存在不少于两个的接收到的入射光的量的峰值，根据第一示例性实施方式的光检测装置1A也可以正确地估计光接收部2接收到并检测到入射光时的时刻。

(1c)在前述根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的结构中，边沿检测电路20A形成为能够检测边沿的出现的时钟同步电路。因此，在与具有通过执行软件程序所实现的相同功能的结构相比的情况下，光检测装置1A可以具有通过使用时钟同步电路作为硬件装置而以简单结构来检测边沿的出现的功能。

(1d)在前述根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的结构中，算法单元50被配置成在光检测装置1A检测到入射光的每个时刻基于光检测装置1A检测到边沿的出现和边沿的数目时的时刻来识别和确定光检测装置1A的光子检测时刻。

在具有前述结构的光检测装置1A中，可以基于算法单元50的计算结果正确地检测光检测装置1A检测到入射光时的时刻。

(1e)在前述根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的结构中，算法单元50检测边沿数量具有最大值即峰值时的时刻E。算法单元50被配置成将时刻E校正以下时间长度，该时间长度作为时刻E与接收到的入射光量具有峰值时的时刻P之间的时间差ΔT1。算法单元50使用经校正的时刻E作为光检测装置1A检测到入射光时的时刻。

具有前述结构的光检测装置1A可以通过考虑时刻E与时刻P之间的时间差而以高准确度检测光检测装置1A检测到入射光时的时刻。

第二示例性实施方式

将参照图7给出对根据第二示例性实施方式的光检测装置1B的描述。因为根据第二示例性实施方式的光检测装置1B具有与根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的结构基本对应的结构，所以相同的附图标记和字符代表相同的部件。为简洁起见省略了对同一部件的说明。

在前述根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的结构中，每个边沿检测电路20A具有第一时钟同步部22和第二时钟同步部23。

另一方面，根据第二示例性实施方式的光检测装置1B具有图7所示的结构，在该结构中使用了边沿检测电路20B而非使用图1所示的边沿检测电路20A。

在根据第二示例性实施方式的光检测装置1B的结构中，每个边沿检测电路20B具有仅一个时钟同步部33而不是两个时钟同步单元。

(结构)

根据第二示例性实施方式的光检测装置1B具有边沿检测电路20B。每个边沿检测电路20B具有相同的结构，但是与图1所示的边沿检测电路20A的结构不同。图7示出了边沿检测电路20B中的一个。

如图7所示，边沿检测电路20B具有串联连接的第一反相器21、与非门31、反相器32和时钟同步部33。时钟同步部33发送边沿脉冲信号作为边沿检测电路20B的输出信号。边沿检测电路20B进一步将输出信号发送到反相器34。反相器34将其输出发送到与非门31。

如图7所示，与非门31接收从第一反相器21发送的输出信号和从反相器34发送的输出信号。与非门31生成与非操作(NAND操作)并将该操作结果发送至反相器32。图7所示的时钟同步部33具有与图1所示的第一时钟同步部22和时钟同步部23中的每个都相同的结构。

在根据第二示例性实施方式的光检测装置1B的结构中，与非门31只有在从每个光接收部2发送的脉冲信号从1值改变为0值时才发送具有0值的输出信号。

(效果)

根据第二示例性实施方式的光检测装置1B除了具有前述根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的效果(1a)之外，还具有下述效果(2a)。(2a)由于光检测装置1B具有其中每个边沿检测电路20B都具有一个时钟同步部33而非两个时钟同步部的结构，所以这种结构使得可以减小电路尺寸。

第三示例性实施方式

将参照图8给出对根据第三示例性实施方式的光检测装置1C的描述。

图8是示出根据本发明的第三示例性实施方式的光检测装置1C的结构的框图。如图8所示，根据第三示例性实施方式的光检测装置1C具有与图1所示的根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的结构基本对应的结构。相同的附图标记和字符代表相同的部件。为简洁起见省略了对相同部件的说明。

根据第三示例性实施方式的光检测装置1C具有图8所示的结构，其中进一步添加有第二加法电路60，并且使用了边沿检测电路20C而不是图1所示的边沿检测电路20A。每个边沿检测电路20C具有相同的结构。(结构)

根据第三示例性实施方式的光检测装置1C中的边沿检测电路20C具有与根据第一示例性实施方式的光检测装置1A中的边沿检测电路20A的结构基本对应的结构。

在边沿检测电路20C中，第二加法单元60接收从第一时钟同步部22发送的输出信号。加法单元40不接收从第一时钟同步部22发送的输出信号。

第二加法单元60接收从第一时钟同步部22发送的输出信号，该信号表示边沿检测电路20C是否接收从对应的光接收部2发送的脉冲信号。算法单元50接收从第二加法单元60发送的输出信号，并且每次边沿检测电路20C接收CLK信号时算法单元50基于接收到的从第二加法单元60发送的输出信号来检测对入射光的响应次数，即光接收部2接收到入射光的次数。

(处理)

算法单元50除了基于从加法单元40提供的关于边沿数目的信息以外还基于由从第二加法单元60发送的输出信号指示的对入射光的响应次数来执行计算处理。具体地，算法单元50执行处理以基于由从加法单元40发送的输出信号指示的边沿数目来检测光接收部2接收到入射光时的时刻，从而确定光接收部2接收到入射光时的时刻。此外，算法单元50执行处理以检测由从第二加法单元60发送的输出信号指示的响应次数，从而检测接收到的入射光的强度，即接收到的入射光。

如图4所示，基于电平值计算出的入射光的强度即入射光变得大于基于边沿值计算出的入射光的强度。因此，可以使用电平值来以更高的准确度获得入射光的强度即入射光。

(效果)

根据第三示例性实施方式的光检测装置1C除了具有前述根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的效果(1a)之外还具有下述效果(3a)至(3d)。

(3a)在前述根据第三示例性实施方式的光检测装置1C的结构中，加法单元40和每个边沿检测电路20C被配置成每当接收到以预定周期发送的CLK信号时检测并识别响应次数。

具有前述结构的光检测装置1C向算法单元50提供有关响应次数和边沿数目的信息。因此，算法单元50除了边沿数目之外还可以检测响应次数。

(3b)在前述根据第三示例性实施方式的光检测装置1C的结构中，每个边沿检测电路20C被形成为时钟同步部。

因此，与具有通过执行软件程序实现的相同功能的结构相比，光检测装置1C可以具有通过使用时钟同步电路作为硬件装置以简单的结构来检测脉冲信号的功能。

(3c)在前述根据第三示例性实施方式的光检测装置1C的结构中，边沿检测电路20C具有第一时钟同步部22作为通常用于检测边沿数目和脉冲信号数目的时钟同步部。

因此，因为光检测装置1C中的一个时钟同步部执行诸如检测边沿数目和响应次数的许多功能，所以可以形成具有简单的结构的光检测装置1C。

(3d)在前述根据第三示例性实施方式的光检测装置1C的结构中，算法单元50被配置成基于由从第二加法单元60发送的输出信号指示的响应次数来计算入射光的强度即入射光。具有前述结构的光检测装置1C使得可以基于由从第二加法单元60发送的输出信号指示的响应次数来在可选的时刻检测入射光的强度。

第四示例性实施方式

将参照图9给出对根据第四示例性实施方式的光检测装置1D的描述。

图9是示出根据本发明的第四示例性实施方式的光检测装置1D的结构的框图。

如先前所描述的，根据第三示例性实施方式的光检测装置1C使用加法单元40和第二加法单元60两者，如图8所示。

另一方面，如图9所示，根据第四示例性实施方式的光检测装置1D使用加法单元40，不使用图8所示的第二加法单元60。

(结构)

如图9所示，根据第四示例性实施方式的光检测装置1D具有多个电平检测单元70，并且还具有边沿检测电路20D而不使用图1所示的多个边沿检测电路20A。

在根据第四示例性实施方式的光检测装置1D的结构中，电平检测单元70和光接收部2被一一对应地布置。

电平检测单元70具有反相器71和时钟同步部72。反相器71接收从对应的光接收部2发送的脉冲信号。时钟同步部72接收从反相器71发送的输出信号。时钟同步部72发送该输出信号作为电平检测单元70的输出信号。时钟同步部72具有与第一时钟同步部22和第二时钟同步部23中的每个相同的结构。

多个电平检测单元70将其输出信号发送至加法单元40和边沿检测电路20D。边沿检测电路20D具有与从中去除了第一反相器21的边沿检测电路20A相同的结构。

(第一操作)

图10是示出根据图9所示的第四示例性实施方式的使用四个SPAD 4的光检测装置1D的操作示例的图。

光检测装置1D检测电平值改变时的时刻作为边沿，并发送关于电平值的输出信号。

在图10所示的操作示例中，光检测装置1D在电平值从0变为2时的时刻检测到边沿值2。此外，光检测装置1D在电平值从2变为3时的时刻检测到边沿值3。当电平值减小时，光检测装置1D检测到边沿值0。(第二操作)

如之前所述，电平值具有最大电平值时的时刻L从边沿值具有最大边沿值时的时刻E起延迟了时间差ΔT2(例如参见图4)，并且可以接受使用与在从检测到边沿值时的时刻延迟后的时刻的边沿值对应的电平值。

对于算法单元50来说优选的是，检测已由时刻校正部57基于响应次数具有响应峰值时的时刻与边沿数目具有边沿峰值时的时刻之间的时间差而校正的时刻的电平值作为边沿值。即，算法单元50执行软件程序以实现时刻校正部57的功能。

图11是示出根据图9所示的第四示例性实施方式的使用了四个SPAD4的光检测装置的另一操作示例的图。

在图11所示的操作示例中，算法单元50检测并使用在从通过三个CLK信号检测到边沿时的时刻延迟后的时刻的电平值。

(效果)

根据第四示例性实施方式的光检测装置1D除了具有前述根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的效果(1a)之外还具有下述效果(4a)和(4b)。

(4a)在前述根据第四示例性实施方式的光检测装置1D的结构中，因为电平检测单元70和边沿检测电路20D被串联连接，所以可以检测到电平值被改变时的时刻的电平值。即，可以基于增大的电平值数来检测边沿值，并且基于参数数据的类型来检测边沿值和电平值二者。

(4b)在前述根据第四示例性实施方式的光检测装置1D的结构中，可以检测在延迟了响应峰值与边沿峰值之间的差的时段期间检测到的响应次数作为与边沿数目对应的光的强度或入射光。

因为具有前述结构的光检测装置1D可以正确使用响应峰值从边沿峰值延迟的SPAD 4的特性，所以可以基于在延迟了响应峰值与边沿峰值之间的差的时刻获得的响应次数以高准确度检测入射光的强度。

第五示例性实施方式

将参照图12给出对根据第五示例性实施方式的光检测装置1E的描述。

图12是示出根据本发明的第五示例性实施方式的光检测装置1E的结构的框图。

如先前所描述的，根据第四示例性实施方式的光检测装置1D执行软件程序以实现基于在延迟了响应峰值与边沿峰值之间的时间差的时刻获得的响应次数来检测与边沿数目对应的入射光的强度或入射光的功能。

另一方面，如图12所示，根据第五示例性实施方式的光检测装置1E可以使用具有与根据第四示例性实施方式的光检测装置1D执行的软件程序的功能等同的功能的硬件电路作为延迟电路80。

如图12所示，根据第五示例性实施方式的光检测装置1E除了根据第四示例性实施方式的光检测装置1D的结构之外还具有延迟电路80。

如图12所示，延迟电路80接收从加法单元40发送的输出信号，并且将该接收到的输出信号延迟预定时间，并且将经延迟的输出信号发送至算法单元50。

图12所示的根据第五示例性实施方式的光检测装置1E中的每个边沿检测电路20E具有与图8所示的根据第三示例性实施方式的光检测装置1C中的每个边沿检测电路20C相同的结构。

(结构和效果)

延迟电路80接收表示边沿数目的相加结果，并且在延迟了响应峰值与边沿峰值之间的时间差的时刻将表示边沿数目的输出信号发送至算法单元50。

算法单元50接收关于与彼此正确对应的边沿数目和响应次数的信息。换言之，算法单元50可以接收表示边沿数目的输出信号，其中边沿数目已由响应峰值与边沿峰值之间的时间差校正。

光检测装置1E可以具有多个延迟阶段，这取决于待延迟的CLK信号的数目。

第六示例性实施方式

将参照图1、图13、图14和图15给出对根据第六示例性实施方式的光检测装置1F的描述。

如先前所描述的，根据第一示例性实施方式的光检测装置1A确定下述校正时间E作为光接收部2接收到入射光时的时刻，校正时间E已被预先确定为当接收到的入射光的量具有峰值时的时刻P与当边沿数目是边沿峰值时的时刻E之间的时间差ΔT1。

另一方面，根据第六示例性实施方式的光检测装置1F基于光接收环境的状态来计算与时间差ΔT1对应的校正时间。

现在将给出对其中时刻校正部57通过使用校正映射图来计算校正时间的结构的描述。然而，本发明的构思不被该结构限制。例如，对于时刻校正部57来说可以接受基于使用了表示光接收环境的状态的一个或更多个参数的公式来计算校正时间。

(结构)

时刻校正部57基于入射光的强度(其是表示光接收环境的状态的参数之一)来计算校正时间。根据第六示例性实施方式的光检测装置1F使用边沿峰值或最大边沿值Emax的高度作为入射光的强度。为了获得入射光的强度，可以接受使用电平值的高度或者电平值或边沿值的变化率。例如，这个变化率表示在图4所示的电平值或边沿值的曲线图中的特定点处的切线的斜率。

图13是示出当光检测装置1F接收到入射光即具有高强度的入射光时的SPAD响应示例的图。如图13所示，当入射光或入射光子具有相对强的强度时，时刻A1与时刻A2之间的时间差ΔTA变为相对小的值。入射光的量在时刻A1成为峰值。边沿值在时刻A2成为最大值Emax。

当光接收部2即SPAD 4接收到强光时，因为入射光的量较大，所以很多SPAD 4在短时间段内接收到并检测到入射光，并且SPAD 4对入射光做出响应的次数增加，并且光接收部2向对应的边沿检测电路20A发送许多脉冲信号。

图14是示出当光检测装置接收到强度弱的入射光时的SPAD响应示例的图。如图14所示，当入射光或光的强度相对弱时，时刻B1与时刻B2之间的时间差ΔTB变得大于时间差ΔTA。入射光的量在时刻B1变为峰值。边沿值在时刻B2变为最大值Emax。

当光接收部2即SPAD 4接收到弱的光时，因为入射光的量小，所以SPAD 4在长时间段内逐渐对入射光做出响应。

如先前所描述的，响应次数表示SPAD检测到入射光即对入射光做出响应的次数。

在图13所示的入射光的强度强的示例中，时段[A]期间的响应次数为8。入射光的强度在时段[B]期间变为峰值。入射光的强度在时段[C]期间变弱。如图13所示，时段[B]期间的响应次数比时段[A]期间的响应次数增加了4。如图13所示，时段[C]期间的响应次数比时段[B]期间的响应次数增加了3。

在图14所示的入射光的强度弱的示例中，时段[A]期间的响应次数为1。如图14所示，时段[B]期间的响应次数比时段[A]期间的响应次数增加了3。如图14所示，时段[C]期间的响应次数比时段[B]期间的响应次数增加了4。

即，当光接收部2在初始的光接收状态下接收到强的入射光时，许多SPAD 4对入射光做出响应。在初始的光接收状态之后，SPAD 4对入射光做出响应的次数减少。因此，在时刻A2与时刻B2之间存在时间差，其中，当入射光强时边沿值在时刻A2变为最大值Emax，并且当入射光弱时边沿值在时刻B2变为最大值Emax。

图15是示出表示校正时间与待由根据本发明的第六示例性实施方式的光检测装置1F中的时刻校正部57使用的边沿值的最大值之间的关系的校正映射图的图。时刻校正部57通过使用图15所示的校正映射图来计算与入射光的强度或入射光对应的校正时间。在图15所示的校正映射图中，边沿值的最大值Emax变得越大，校正量减少得越多。当边沿值的最大值Emax变大时，检测到入射光的SPAD 4的数目在入射光的量达到峰值时的时刻之前的时刻达到饱和。在这种情况下，在边沿值变为最大边沿值时的时刻之前SPAD 4的数目达到饱和时的时刻被改变。

(效果)

根据第六示例性实施方式的光检测装置1F除了具有根据第一示例性实施方式的光检测装置1A的效果(1a)之外还具有下述效果(6a)和(6b)。(6a)在前述根据第六示例性实施方式的光检测装置1F的结构中，时刻校正部57被配置成根据光检测装置1F所在的光接收环境的状态来计算校正时间。如之前说明的，校正时间用于校正边沿数目变为峰值时的时刻E。

因为具有前述结构的光检测装置1F可以计算出校正时间，所以该结构使得可以以较高的准确度正确估计光检测时刻。

(6b)在前述根据第六示例性实施方式的光检测装置1F的结构中，时刻校正部57被配置成根据照射到光检测装置1F的入射光的强度来计算校正时间。因为每个SPAD 4都有进入其早期饱和的趋势并且这改变了边沿值变为最大值时的时刻，时刻校正部57基于SPAD 4的行为来对时刻E校正。

根据前述光检测装置1F的结构，因为校正时间是根据照射到光检测装置1F中的入射光的强度来校正的，所以可以响应于边沿数目变为最大值时的时刻的改变来正确地计算出校正时间。光检测装置1F的这种结构使得可以以较高的准确度估计光检测时刻。

本发明的构思不被第一至第六示例性实施方式中公开的结构限制。时刻校正部57可以校正满足边沿数目的时间序列变化的预定条件的临时时刻而不是校正时刻E。具体地，这样的临时时刻足以用于正确地检测光检测时刻。例如，存在电平值变为最大电平值时的时刻以及电平值增大并且增大后的电平值达到预定值时的时刻作为临时时刻。

(其他修改)

将给出对根据第一至第六示例性实施方式的光检测装置1A至1F的各种修改(7c)至(7d)的描述。

(7a)前述根据第四示例性实施方式的光检测装置1D执行软件程序以根据边沿数目获得入射光的强度。此外，前述根据第五示例性实施方式的光检测装置1E利用硬件电路以根据边沿数目获得入射光的强度。然而，本发明的构思不被第四示例性实施方式和第五示例性实施方式限制。例如，可以将硬件电路和对软件程序的使用组合起来以根据边沿数目获得入射光的强度。

(7b)在第一至第六示例性实施方式中，通过使用边沿检测电路20A、20B、20C、20D和20E来检测边沿数目。然而，本发明的构思不被第一示例性实施方式至第六示例性实施方式限制。例如，可以使用与图9所示在根据第四示例性实施方式的光检测装置1D中使用的电平检测电路70对应的特定电路，而不是使用边沿检测电路20A、20B、20C、20D和20E。在该结构中，可以接受算法单元50执行软件程序以通过使用增加的电平值来检测边沿作为总边沿数目。

(7c)可以接受使用多个部件来实现由光检测装置中的一个部件提供的多个功能。也可以接受使用多个部件来实现由光检测装置中的一个部件提供的一个功能。此外，可以接受使用一个部件来实现由光检测装置中的多个部件提供的多个功能。更进一步，可以接受使用一个部件来实现由光检测装置中的多个部件提供的一个功能。更进一步，可以接受从光检测装置的结构中去除一个或一些部件。可以接受将根据第一至第六示例性实施方式的光检测装置中的一些部件组合。

(7d)可以形成具有光检测装置1A至1F中的每个装置的系统作为本发明的修改方案。可以使用待由计算机系统执行的程序来实现光检测装置1A至1F中的每个装置的功能。此外，可以使用非暂态计算机可读存储介质来存储用于使计算机系统中的中央处理单元执行光检测装置1A至1F中的每个装置的功能的程序。也可以使用光检测方法来实现光检测装置1A至1F中的每个装置的功能。

(对应)

多个光接收部2中的猝熄电阻6和脉冲信号输出部8对应于信号输出部。

多个边沿检测电路20A、20B、20C、20D、20E以及加法单元40对应于多个边沿检测部。边沿检测电路20A、20B、20C、20D和20E中的每个以及多个电平检测电路70对应于时钟同步电路。多个边沿检测电路20C、多个电平检测电路70以及加法单元40对应于响应次数检测部。

峰检测部56和时刻校正部57对应于时刻检测部和光强度检测部。此外，时刻校正部57还对应于校正计算部。如先前所描述的，入射光对应于入射光子。

尽管已经详细描述了本发明的特定实施方式，本领域技术人员将会理解，可以根据本公开内容的整体教示来开发对这些细节的各种修改和替选方案。因此，所公开的特定布置意在仅是说明性的并且不限于本发明的范围，其由权利要求书及其所有等同方案的全部广度给出。

Claims (12)

1.一种能够检测作为入射光的入射光子的光检测装置(1A～1E)，包括：

多个光接收部(2)，所述多个光接收部中的每一个包括：被配置成检测入射光子的单光子雪崩二极管(4)，以及信号输出部(6，8)，所述信号输出部被配置成在所述单光子雪崩二极管检测到入射光子并对入射光子做出响应时生成并且发送脉冲信号；以及

多个边沿检测部(20A～20E，40)，所述多个边沿检测部被布置成与所述多个光接收部一一对应，并且被配置成：每当所述多个边沿检测部中的每一个接收到以预定周期发送的时钟信号时，对从先前接收到的时钟信号到当前接收到的时钟信号的时段期间的边沿的数目进行检测，每个边沿仅表示从先前接收到的时钟信号到当前接收到的时钟信号的时段期间从第一状态到第二状态的改变，所述信号输出部在所述第一状态下不发送脉冲信号，并且所述信号输出部在所述第二状态下向对应的边沿检测部发送脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，所述多个边沿检测部中的每一个包括能够检测所述边沿的时钟同步电路(20A～20E)。

3.根据权利要求1所述的光检测装置，还包括响应次数检测部(20C，70，40)，所述响应次数检测部被配置成：每当所述响应次数检测部接收到以所述预定周期发送的时钟信号时，基于所述脉冲信号的数目来检测对入射光子做出响应的单光子雪崩二极管的数目。

4.根据权利要求2所述的光检测装置，还包括响应次数检测部(20C，70，40)，所述响应次数检测部被配置成：每当所述响应次数检测部接收到以所述预定周期发送的时钟信号时，基于所述脉冲信号的数目来检测对入射光子做出响应的单光子雪崩二极管的数目。

5.根据权利要求3所述的光检测装置，其中，所述响应次数检测部还包括能够检测从所述多个边沿检测部发送的所述脉冲信号的时钟同步电路(20C，70)。

6.根据权利要求3所述的光检测装置，还包括时刻检测部(56，57)，所述时刻检测部被配置成：基于所述多个边沿检测部检测到所述边沿时的边沿检测时刻以及在每个所述边沿检测时刻的所述边沿的数目来对光检测时刻进行检测，所述光检测时刻表示所述光检测装置检测到作为入射光子的入射光时的时刻。

7.根据权利要求5所述的光检测装置，还包括时刻检测部(56，57)，所述时刻检测部被配置成：基于所述多个边沿检测部检测到所述边沿时的边沿检测时刻以及在每个所述边沿检测时刻的所述边沿的数目来对光检测时刻进行检测，所述光检测时刻表示所述光检测装置检测到作为入射光子的入射光时的时刻。

8.根据权利要求6所述的光检测装置，还包括时刻校正部(57)，所述时刻校正部使用满足与所述边沿的数目的时间序列变化有关的预定条件的临时时刻来对校正时间进行检测，所述校正时间表示所述临时时刻与入射光的量变为最大值时的真正时刻之间的时间差，并且所述时刻校正部(57)通过所述校正时间来校正所述临时时刻，使得经校正的临时时刻是所述光检测时刻。

9.根据权利要求8所述的光检测装置，还包括校正计算部，所述校正计算部被配置成根据所述光检测装置的光接收环境来计算所述校正时间。

10.根据权利要求9所述的光检测装置，其中，所述校正计算部根据照射到所述光检测装置的入射光的量来计算所述校正时间。

11.根据权利要求8所述的光检测装置，还包括光强度检测部，所述光强度检测部被配置成根据响应次数来检测入射光的强度，所述响应次数表示对作为入射光子的入射光做出响应的单光子雪崩二极管的数目。

12.根据权利要求11所述的光检测装置，其中，所述光强度检测部将从所述边沿检测部检测到所述边沿时的时刻延迟后的时刻的响应次数检测作为入射光的强度。

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