特許 7092319 物体を検出及び測距するためのシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-20

(45)【発行日】2022-06-28

(54)【発明の名称】物体を検出及び測距するためのシステム

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/4863 20200101AFI20220621BHJP

   G01S 17/894 20200101ALI20220621BHJP

   H01L 31/0232 20140101ALI20220621BHJP

   H01L 31/107 20060101ALI20220621BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20220621BHJP

【ＦＩ】

G01S7/4863

G01S17/894

H01L31/02 D

H01L31/10 B

H01L31/10 G

【請求項の数】 22

(21)【出願番号】P 2020504345

(86)(22)【出願日】2017-08-31

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-10-15

(86)【国際出願番号】 CN2017100036

(87)【国際公開番号】W WO2019041267

(87)【国際公開日】2019-03-07

【審査請求日】2020-02-07

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】513068816

【氏名又は名称】エスゼット ディージェイアイ テクノロジー カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＳＺ ＤＪＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．，ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】６Ｆ，ＨＫＵＳＴ ＳＺ ＩＥＲ Ｂｌｄｇ．ＮＯ．９ Ｙｕｅｘｉｎｇ １ｓｔ Ｒｄ．Ｈｉ－Ｔｅｃｈ Ｐａｒｋ（Ｓｏｕｔｈ），Ｎａｎｓｈａｎ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１８０５７ Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ゼン、グゥオガン

(72)【発明者】

【氏名】ホン、シャオピン

(72)【発明者】

【氏名】ワン、ミンギュ

【審査官】九鬼 一慶

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２４２１０６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／１９９８５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－２０７９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００４－５２３７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０３３９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７８３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１５３３１９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１２－５１３６９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００ －１７／９５

Ｈ０１Ｌ ３１／１０７

Ｈ０１Ｌ ３１／１０

Ｈ０１Ｌ ３１／０２３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体を検出及び測距するためのシステムであって、
前記物体の表面に入射する第一の光のビームを発射するレーザ光源と、
前記物体の前記表面から反射された第二の光のビームを受信するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）アレイと、
前記ＡＰＤアレイによって検出された前記物体を表す信号を出力するために前記ＡＰＤアレイから蓄積光電流を読み出し且つ処理するために連結された読出し集積回路（ＲＯＩＣ）アレイと、
コントローラと、
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ（ＣＩＳ）アレイと、を備え、
前記コントローラは、前記ＲＯＩＣアレイからの信号に基づいて前記物体を表す３次元点群と、前記ＣＩＳアレイによって取得された前記物体の２次元画像とを同時に生成し、
前記ＡＰＤアレイは、透明材料及び絶縁層によって被覆され、
前記ＡＰＤアレイ及び前記ＣＩＳアレイは、同じ層内に互いに隣接して位置付けられ、
前記ＡＰＤアレイ、前記ＲＯＩＣアレイ及び前記ＣＩＳアレイは、複数のピクセルに集積され、前記複数のピクセルのそれぞれは、ＡＰＤセルと、ＲＯＩＣセルと、ＣＩＳセルとを含み、
前記複数のピクセルのそれぞれにおいて前記ＡＰＤセルと前記ＲＯＩＣセルとの間に酸化物層が含まれる、
システム。

【請求項2】

前記レーザ光源からの発射光を拡張するレーザビームエキスパンダをさらに含み、前記レーザビームエキスパンダは、１つ又は複数の光学レンズを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記１つ又は複数の光学レンズは、反射型レンズ、透過型レンズ、ホログラフィックフィルタ及び微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）マイクロレンズの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記物体の前記表面から反射された前記第二の光のビームを受信する受信機においてレンズをさらに含み、前記第二の光のビームは、前記レンズを通して前記ＡＰＤアレイに透過される、請求項１から請求項３の何れか１項に記載のシステム。

【請求項5】

前記レーザ光源及び前記ＡＰＤアレイの両方は、同期クロックによって制御される、請求項１から請求項４の何れか１項に記載のシステム。

【請求項6】

前記レーザ光源は、レーザダイオードアレイを含む、請求項１から請求項５の何れか１項に記載のシステム。

【請求項7】

前記ＡＰＤアレイは、前記ＣＩＳアレイから絶縁される、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項8】

前記ＡＰＤアレイ及び前記ＲＯＩＣアレイは、シリコン基板に基づく集積回路チップ上に集積される、請求項１から請求項７の何れか１項に記載のシステム。

【請求項9】

前記ＡＰＤアレイは、前記ＲＯＩＣアレイから絶縁される、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項10】

前記ＡＰＤアレイ及びＲＯＩＣアレイは、異なる層内に位置付けられ、且つ絶縁層によって分離される、請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

前記ＲＯＩＣアレイは、上層上に位置付けられ、前記ＡＰＤアレイは、バルクハンドルウェハ内に位置付けられ、及び前記絶縁層は、酸化物層である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記ＡＰＤアレイの各ピクセルセル上に重ねられた反射低減膜及びマイクロレンズをさらに含む、請求項１から請求項１１の何れか１項に記載のシステム。

【請求項13】

トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）及び時間－デジタル変換器（ＴＤＣ）回路をさらに含む、請求項１から請求項１２の何れか１項に記載のシステム。

【請求項14】

前記ＡＰＤアレイの各ピクセルセルの上に位置付けられた光学フィルタをさらに含む、請求項１２に記載のシステム。

【請求項15】

前記ＡＰＤアレイ及び前記ＲＯＩＣアレイは、独立したプロセスを使用して別々の半導体ウェハ上に製造され、且つ相互に接合されて電気接続を形成する、請求項１から請求項１４の何れか１項に記載のシステム。

【請求項16】

前記ＡＰＤアレイは、上層を形成するウェハ上に位置付けられ、及び前記ＲＯＩＣアレイは、下層を形成する異なるウェハ上に位置付けられる、請求項１５に記載のシステム。

【請求項17】

前記ＡＰＤアレイは、前記上層の前面から後面に信号を送信するために、各ＡＰＤセルに位置付けられたシリコン貫通電極（ＴＳＶ）を含む、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記ＲＯＩＣアレイは、Ａｌ－Ｇｅ接合、Ａｕ－Ｇｅ接合、Ａｕ－Ｓｉ接合、Ｉｎ－Ｓｎ接合、Ａｌ－Ｓｉ接合及びＰｂ－Ｓｎ接合の少なくとも１つを使用して前記ＡＰＤアレイに接合される、請求項１５に記載のシステム。

【請求項19】

前記ＲＯＩＣアレイの前面ウィンドウにおけるＡｌの接合と、前記ＡＰＤアレイの後面におけるＧｅの接合とをさらに含む、請求項１５に記載のシステム。

【請求項20】

前記ＡＰＤアレイは、シリコンベースのチップ上に集積され、前記ＡＰＤアレイは、９０５ｎｍの検出波長を有する、請求項１から請求項１９の何れか１項に記載のシステム。

【請求項21】

前記ＡＰＤアレイは、非シリコンベースのチップ上に集積され、前記ＡＰＤアレイは、１，５５０ｎｍの検出波長を有する、請求項１から請求項１９の何れか１項に記載のシステム。

【請求項22】

前記ＣＩＳアレイは、複数のＲＧＢセルを含む、請求項１から請求項２１のいずれか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

著作権表示
本特許文献の開示の一部は、著作権保護の対象となる要素を含む。著作権所有者は、特許商標庁の特許ファイル又は記録に掲載されている限り、本特許文献又は本特許開示を何らかの人物が複製することに対して異議を申し立てないが、それ以外にはあらゆる著作権を留保する。

【0002】

本開示は、概して、光検出に関し、より詳細には、物体の３Ｄ点群と２Ｄ画像とを同時に生成することによる光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）のためのシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

ＬＩＤＡＲは、一般に、標的物体をレーザ光で照明し、光の反射を検出することによって標的物体までの距離を測定するためのシステム及びプロセスに関する。例えば、パルスレーザ光装置は、物体の表面に入射する光を発し得、その物体の表面から反射されたパルス光が受信機で検出され得る。タイマは、光がレーザ光装置によって発せられてから反射光が受信機に到達するまでの経過時間を測定し得る。経過時間の測定及び光の速度に基づき、処理装置は、標的物体までの距離を計算でき得る。

【0004】

ＬＩＤＡＲシステムの受信機は、特定の波長の反射光パルスを検出するためにアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）等のセンサを備え得る。ＬＩＤＡＲシステムは、走査機構も含み得、それによって入射レーザが標的物体上の複数の点を走査し、物体の距離又は奥行きに関する情報を含む３Ｄ点群を生成し得る。機械的ＬＩＤＡＲシステムは、当技術分野においてよく知られており、複数の測定対象点の距離情報を取得するための機械的走査機構を含む。

【0005】

例えば、機械的回転式ＬＩＤＡＲシステムは、上部走査機構と、固定された下部とを含み得る。上部走査機構は、所定の数のレーザ－ＡＰＤペア、例えば６４のレーザ－ＡＰＤペアを含み得、３６０度、２０Ｈｚ等の一定の周波数で回転し得る。しかしながら、機械的回転式ＬＩＤＡＲシステムでは、典型的に、過熱を防止するため、機器の信頼性を保持するため及び検出器の飽和を防止するため、一時に１つのレーザ－ＡＰＤペアのみを動作させることができる。その結果、機械的回転式ＬＩＤＡＲシステムは、レーザ－ＡＰＤペアの全てを同時に使用せず、それが非効率性につながる。

【0006】

機械的ＬＩＤＡＲシステムは、信頼性も低い。例えば、機械的システムには多くの構成部品が必要であり、各部品は、故障又は損傷を受けやすいことがあり得る。加えて、機械的ＬＩＤＡＲシステムの複雑な機械的構造を考慮すると、組立コストも高い。さらに、各レーザ－ＡＰＤアレイには個別の配列が必要であるため、組立は、煩雑であり得る。したがって、従来の機械的ＬＩＤＡＲシステムは、典型的に、信頼が低く、高コストであり、煩雑であるだけでなく、そのレーザ－ＡＰＤペアの非効率的な使用により、物体を検出し、距離及び測距情報を捕捉することがより難しくなる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書において開示される実施形態における、物体を検出及び測距するためのシステム及び方法は、従来のシステムの欠点を克服する。

【0008】

例えば、開示されている本開示の実施形態は、物体を効率的に検出するための、小型化、低コスト、高信頼性、高速応答及び自動生産という利点を伴うソリッドステートレーザレーダシステムを提供する。従来の機械的ＬＩＤＡＲシステムでは、レーザは、ビームのエネルギーを集中させるために、低視野角（ＦＯＶ）の小さい角度での発光が必要となり、レーザ強度は、安全標準に準拠しなければならい。しかしながら、開示されている実施形態では、ソリッドステートレーザ光源は、それと同じ機械的安全標準に縛られず、ＦＯＶを大きくするように拡張され得る。その結果、ソリッドステートレーザ源は、はるかに高パワーとなり得る。

【0009】

さらに、機械的ＬＩＤＡＲ走査システムの場合、レーザは、ＦＯＶ内の全ての点の走査を、点ごとに走査することによって達成し、したがって長い走査時間を有する。しかしながら、開示されている実施形態では、システムは、ＦＯＶ内の全ての点を非常に高い走査速度及び短い走査時間で同時に走査し得る。したがって、信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比は、走査された複数のレーザパルスを使用した複数の捕捉データを平均することによって高められ得る。ソリッドステートレーザは、より高い捕捉周期も実現し得る。さらに、開示されている実施形態は、ＡＰＤ集積の利益を提供し、それによって距離情報及び画像情報が同時に取得され得る。

【0010】

加えて、本開示のＡＰＤ配置は、１つの点ではなくアレイであるため、ＬＩＤＡＲのＦＯＶ全体における全ての点までの距離の情報を得ることができる。したがって、フレームごとに高速で走査することにより、完全な距離情報を得ることができる。一方では、走査点を１つのみ有する従来の機械的ＬＩＤＡＲシステムと比較して、開示されている実施形態の応答速度は、非常に速いことができる。最後に、本開示のシステム及び方法は、移動可能な機械的構成要素を必要としないため、信頼性が向上する。

【0011】

一態様において、本開示は、物体を検出及び測距するための方法に関する。方法は、レーザ光源により、物体の表面に入射する第一の光のビームを発射するステップと、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）アレイにおいて、物体の表面から反射された第二の光のビームを受信するステップと、読出し集積回路（ＲＯＩＣ）アレイにより、ＡＰＤアレイから読み出すステップと、ＲＯＩＣアレイにより、ＡＰＤアレイによって検出された物体を表す信号を出力するためにＡＰＤアレイからの蓄積光電流を処理するステップとを含む。

【0012】

別の態様において、本開示は、物体を検出及び測距するためのシステムに関する。システムは、物体の表面に入射する第一の光のビームを発射するレーザ光源と、物体の表面から反射された第二の光のビームを受信するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）アレイと、ＡＰＤアレイによって検出された物体を表す信号を出力するためにＡＰＤアレイから蓄積光電流を読み出し且つ処理するために連結された読出し集積回路（ＲＯＩＣ）アレイとを含む。

【0013】

また別の態様において、本開示は、物体を検出及び測距するための受信機に関する。受信機は、物体の表面から反射された光のビームを受信するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）アレイと、ＡＰＤアレイによって検出された物体を表す信号を出力するためにＡＰＤアレイから蓄積光電流を読み出し且つ処理するために連結された読出し集積回路（ＲＯＩＣ）アレイとを含む。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】例示的なＬＩＤＡＲシステムの概略図である。

【図2】例示的な機械的回転式ＬＩＤＡＲシステムの概略図である。

【図3】本開示の実施形態に適合する、物体を検出及び測距するための例示的なシステムの概略図である。

【図4】本開示の実施形態で使用され得る、レーザアラインメント、レーザ拡張、均一な照明及びＦＯＶ拡張のための例示的なシステムの概略図である。

【図5】本開示の実施形態に適合するＡＰＤアレイを含む集積回路チップの断面概略図である。

【図6】本開示の実施形態に適合するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）及び時間－デジタル変換器（ＴＤＣ）回路の概略図である。

【図7】本開示の実施形態に適合するＡＰＤアレイを含む集積回路チップの平面レイアウトの概略図である。

【図8】本開示の実施形態に適合するＡＰＤアレイ内のセルの断面概略図である。

【図9】本開示の実施形態に適合する、ＲＯＩＣチップに接合されたＡＰＤアレイを含むハイブリッド集積回路チップの概略図である。

【図10】本開示の実施形態に適合する、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ（ＣＩＳ）セルを含むＡＰＤアレイ内のセルの平面レイアウトの概略図である。

【図11】本開示の実施形態に適合するＣＩＳセルを含むＡＰＤアレイ内のセルの断面概略図である。

【図12】本開示の実施形態に適合するカラーフィルタアレイセンサの概略図である。

【図13】本開示の実施形態に適合する物体の検出及び測距のために実行され得る例示的な方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下の詳細な説明は、添付の図面に関する。可能な限り、図面及び以下の説明文では、同じ又は同様の部品を指すために同じ参照番号が使用される。本明細書では、幾つかの例示的な実施形態が説明されているが、改変形態、改造形態及び他の実装形態も可能である。例えば、図に描かれている構成要素に対する置換形態、追加形態又は改変形態がなされ得、本明細書に記載されている説明のための方法は、開示されている方法に対してステップの置換、順序変更、除去又は追加を行うことによって変更され得る。したがって、以下の詳細な説明は、開示されている実施形態及び例に限定されない。代わりに、適正な範囲は、付属の特許請求の範囲によって定義される。

【0016】

図１は、例示的なＬＩＤＡＲシステム１０の概略図を示す。例示的なＬＩＤＡＲシステム１０のレーザ発光器１２は、物体１６の表面に衝突するレーザビームを発射する。レーザビームは、物体１６で反射し、ＬＩＤＡＲシステム１０のＡＰＤ検出器１８によって受信される。レーザ発光器１２及びＡＰＤ検出器１８は、タイマ１４によってクロックが同期され、ＡＰＤ検出器１８でレーザビームが検出されたときにラウンドトリップ移動時間ＴＬの計算が可能である。ラウンドトリップ移動時間ＴＬに基づいて、検出された物体１６とＬＩＤＡＲシステム１０との間の距離Ｌが計算され得る。ＬＩＤＡＲシステム１０は、機械的アセンブリの一部として組み込まれ得、幾つかの異なる移動時間ＴＬを検出し、物体１６の表面に沿った複数の異なる点を表す幾つかの距離Ｌを計算するように構成され得る。

【0017】

従来のＬＩＤＡＲには何種類かある。前述の飛行時間（ＴＯＦ）ＬＩＤＡＲに加えて、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲがある。ＴＯＦ ＬＩＤＡＲは、送信され、受信されたレーザパルスに関する時間ＴＬを測定し、したがって典型的に長距離のための実装に見られる。ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムは、より短距離の用途で主に用いられ得、この場合、高品質のイメージングが必要とされる。ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシスムでは、発光器から発出したレーザビームの周波数は、時間の経過によって変化する。発射されたレーザビームの周波数及び時間の関係に基づき、ラウンドトリップ移動時間は、発射されたレーザビームと受信された反射レーザビームとの間の周波数の違いから計算され得、その結果、標的物体までの距離の計算が可能である。

【0018】

図２は、例示的な機械的回転式ＬＩＤＡＲシステム２０の概略図である。ＬＩＤＡＲシステム２０は、上部走査機構２２及び固定下部２４等の２つの機械的部品を含み得る。上部機構２２は、レーザ発光器アレイ２６とＡＰＤアレイ２８とを含み得る。動作中、上部走査機構２２は、２０Ｈｚ等の所定の周波数で３６０度回転し、図１のＬＩＤＡＲシステム１０によって光を発射し、検出することができる。ある時点でレーザ－ＡＰＤの１つのペアのみが光の発出及び検出を行う。その結果、ＬＩＤＡＲシステム２０は、たとえ回転周波数を高くしても、標的物体の距離を表す十分且つ完全な情報を効率的に取得することができないことがあり得る。さらに、上部走査機構２２の走査速度は、機械的アセンブリのために限定され得る。そのうえ、機械的回転式ＬＩＤＡＲシステム２０の信頼性は低い。

【0019】

図３は、本開示の実施形態に適合する物体を検出及び測距するための例示的なシステムの概略図である。図３に示されるように、ＬＩＤＡＲシステム３０は、レーザダイオード３２と、レーザエキスパンダ３４と、ＡＰＤアレイ３８ａと、レンズ３８ｂと、同期クロック３８ｃと、読出し集積回路（ＲＯＩＣ）又はＲＯＩＣアレイ３８ｄとを含み得る。各ＲＯＩＣは、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）３８ｅと、時間－デジタル変換器（ＴＤＣ）３８ｆとを含み得る。ＲＯＩＣは、高速アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）と、デジタル信号処理（ＤＳＰ）（図示せず）とも含み得る。レーザダイオード３２は、レーザビームを発射し得、レーザエキスパンダ３４は、発射されたレーザビームを発散させ、均一に分散させ得る。レーザダイオード３２としては、従来のレーザダイオード、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、レーザダイオードアレイ又は赤外若しくは他の波長の光を発する何れのレーザも含まれ得る。ＶＣＳＥＬは、ウェハ表面レベルアレイレーザとして実装され得、レーザの波長温度係数は、例えば、従来のレーザの波長温度係数の１／５未満と小さいことができる。複数の波長温度係数が想定され得る。レーザダイオード３４は、例えば、９０５ｎｍ又は１５５０ｎｍを含む複数の波長でも光を発射し得る。光の均一度を向上させるためにマルチダイチップとしてパーケージされるハイパワー発光ダイオード（ＬＥＤ）も光源として使用され得る。

【0020】

レーザエキスパンダ３４は、レーザ光ビームの拡張を可能にする１つ又は複数の光学レンズを含み得る。１つ又は複数の光学レンズは、反射型レンズ、透過型レンズ、ホログラフィックフィルタ及び微小電気機械システム（ＭＥＭ）マイクロレンズの少なくとも１つを含み得る。他の種類のレンズも想定される。レーザエキスパンダ３４は、１つ又は複数の標的物体を含む標的シーンの２次元領域をカバーするようにレーザ光ビームを拡張し得る。図３に示されるように、レーザエキスパンダ３４からの拡張された光も物体３６の表面に衝突し得る。発散したレーザが物体３６の表面に到達すると、拡散反射が起こり得、反射したレーザビームの一部は、ＬＩＤＡＲシステム３０のレンズ３８ｂに到達し得る。レンズ３８ｂでの画像形成に基づいて、反射レーザビームは、ＡＰＤアレイ３８ａに透過され得る。

【0021】

図４は、本開示の実施形態に適合する、レーザアラインメント、レーザ拡張、均一な照明及びＦＯＶ拡張のための例示的なシステムの概略図である。図４に示されるように、レーザエキスパンダ３４は、レーザビームアラインメントのための１つ又は複数の光学レンズ４２と、レーザビーム拡張のためのレンズ４４と、均一な照明のためのレンズ４６と、視野角（ＦＯＶ）拡張のためのレンズ４８とを含み得る。レーザダイオード３２は、レーザアラインメントのためのレンズ４２に入射するレーザ光ビームを発射する。レーザビームアラインメント後、発射レーザ光ビームは、レーザビーム拡張のための１つ又は複数のレンズ４４に入射し得る。拡張後、発射レーザ光ビームは、均一な照明のためのレンズ４６に入射し得る。最後に、均一な照明後、発射レーザ光ビームは、ＦＯＶ拡張のためのレンズ４８に入射し得る。ＦＯＶ拡張後、発射レーザ光ビームは、１つ又は複数の標的物体３６を含む標的シーンをより広角でカバーするように透過され得る（図３に示されている）。レーザエキスパンダ３４は、他の反射型及び透過型光学レンズも含み得る。

【0022】

レーザビームの拡張中、レーザビームは、２Ｄ角度調整が可能な微小電気機械システム（ＭＥＭ）マイクロレンズを使用して反射され得る。さらに、ＭＥＭマイクロレンズを常に駆動してレーザビームに関するそのレンズの角度を変化させることにより、レーザビームの角度は、常に変化させて２Ｄ角度に拡張され得る。加えて、レーザダイオードアレイを使用して複数のビームを形成することにより、拡張されたビームに類似する１つのレーザビームを得ることができる。１つのホログラフィックフィルタも複数のサブレーザビームから広角レーザビームを形成し得る。レーザエキスパンダ３４は、レーザダイオード３２から発せられた１つ又は複数のレーザビームのための１つ又は複数の光変調ステージも含み得る。

【0023】

レーザエキスパンダ３４によって拡張された後、レーザビームは、物体３６に衝突し得、そこで反射してＬＩＤＡＲシステム３０に戻り得、それがＡＰＤアレイ３８ａによって検出される（図３に示される）。ＡＰＤアレイ３８ａとＲＯＩＣ（アレイ）３８ｄとは、複数のピクセル内に集積され得、各ピクセルは、各ＡＰＤ及びＲＯＩＣに関するサイドバイサイドレイアウト又は垂直積層レイアウトを含み得る。ＡＰＤアレイ３８ａとＲＯＩＣ（アレイ）３８ｄとは、９０５ｎｍの検出波長を有するシリコンベースのチップ上に集積され得る。ＡＰＤアレイ３８ａ及びＲＯＩＣ（アレイ）３８ｄは、代替的に、１，５５０ｎｍの検出波長を有する非シリコンベースのチップ上に集積され得る。ＲＯＩＣ（アレイ）３８ｄは、ＡＰＤアレイ３８ａからの信号を読み出すために連結され得る。ＡＰＤアレイ３８ａは、ＴＩＡ ３８ｅ及びＴＤＣ ３８ｆ回路に接続され得る。レーザダイオード３２からの光は、ＡＰＤアレイ３８ａに入射し得、それが光電信号を生成する。ＴＩＡ ３８ｅは、ＡＰＤアレイ３８ａからの出力を使用可能な電圧に増幅し得る。ＴＤＣ ３８ｆは、ＡＰＤアレイ３８ａにおいて受信された各検出レーザパルスの到着時間のデジタル表現を提供し得る。ＬＩＤＡＲシステム３０内のデータ処理装置３０ａは、ＲＯＩＣ（アレイ）３８ｄから受信した信号及びデータを処理して、物体３６が検出されたか否かを特定し得る。同期クロック３８ｃは、光がレーザダイオード３２から発射されてから反射光がＡＰＤアレイ３８ａに到達するまでの経過時間を測定し得る。同期クロック３８ｃは、測定された時間をデータ処理装置３０ａに通信し得る。測定された時間に基づいて、データ処理装置３０ａは、物体３６とＬＩＤＡＲシステム３０との間の距離を計算し得る。ＬＩＤＡＲシステム３０は、フレームごとに走査して、物体３６上の点までの距離の完全な情報を取得し得る。データ処理装置３０ａは、物体３６上の点の奥行き情報を表す３次元点群を生成し得る。ＬＩＤＡＲシステム３０は、イメージセンサをさらに含み得、それにより、物体３６の２次元画像は、例えば、イメージセンサによって同時に捕捉され得る。

【0024】

データ処理装置３０ａは、１つ又は複数の構成要素、例えばメモリと少なくとも１つのプロセッサとを含み得る。メモリは、少なくとも１つの非一時的コンピュータ可読媒体であるか又はそれを含み得、非一時的コンピュータ可読媒体の１つ又は複数のメモリユニットを含み得る。メモリの非一時的コンピュータ可読媒体は、何れの種類の揮発性又は不揮発性メモリ装置でもあり得るか又はそれを含み得、例えば、これには、フロッピディスク、光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤ－ＲＯＭ、マイクロドライブ及び光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＤＲＡＭ、ＶＲＡＭ、フラッシュメモリデバイス、磁気若しくは光カード、ナノシステム（分子メモリＩＣを含む）又は命令及び／若しくはデータの保存に適したあらゆる種類の媒体若しくはデバイスが含まれる。メモリユニットは、非一時的コンピュータ可読媒体の永久的及び／又は取外し可能部分（例えば、ＳＤカード、ＲＡＭ等の取外し可能媒体又は外部ストレージ）を含み得る。

【0025】

ＬＩＤＡＲシステム３０は、データ処理装置３０ａとオフボードエンティティとの間のデータ、情報、コマンド及び／又は他の種類の信号の通信を可能にするように構成され得る。ＬＩＤＡＲシステム３０は、信号を送信するように構成された１つ又は複数の構成要素、例えば一方向又は両方向通信を行うように構成された送信機又はトランシーバ（図示せず）を含み得る。ＬＩＤＡＲシステム３０の構成要素は、１つ又は複数の通信ネットワーク、例えばラジオ、セルラ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ－Ｆｉ、ＲＦＩＤ並びに／又はデータ、情報、コマンドを示す信号及び／若しくは測定された物体の距離及び関連情報を表す他の信号を送信するために使用できる他の種類の通信ネットワークを介してオフボードエンティティと通信するように構成され得る。例えば、ＬＩＤＡＲシステム３０は、無人航空機（ＵＡＶ）又は自律自動車におけるＬＩＤＡＲシステム３０の一部としてレーザダイオード３２を制御するための入力を提供するために、装置間での通信を可能にするように構成され得る。

【0026】

幾つかの実施形態において、オフボードエンティティは、２Ｄ物体画像と、標的物体３６に関する奥行き情報を表す３Ｄ点群とを表示するための対話式グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を含み得る。ＧＵＩは、表示装置又は多機能スクリーン上に表示可能であり得、２Ｄ物体画像及び３Ｄ点群を閲覧し、表示するための他のグラフィクス機能、例えば対話式グラフィクス機能（例えば、グラフィカルボタン、テキストボックス、ドロップダウンメニュー、対話式画像等）を含み得る。標的物体３６データの他の種類のグラフィクスディスプレイが想定される。

【0027】

図５は、本開示の実施形態に適合する、ＡＰＤアレイを含む集積回路チップ５０の一部の断面概略図を含む。図５に示されるように、集積回路チップ５０の一部の断面は、１つ又は複数のＡＰＤセル５２ａと、光学フィルタ及び反射低減膜５２ｂと、ＡＰＤセル及び相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ（ＣＩＳ）のための１つ又は複数のマイクロレンズ５２ｃと、１つ又は複数のＲＯＩＣセル５２ｄと、１つ又は複数のＣＩＳセル５２ｅと、スピンオフグラス（ＳＯＧ）５２ｆとを含み得る。光学フィルタと反射低減膜５２ｂとは、１つ又は複数のＡＰＤセル５２ａの上に重ねられ得る。図５は、ＣＩＳを有さない集積回路チップ５４の一部の断面も含み、これは、１つ又は複数のＡＰＤ及びＲＯＩＣ集積セル５６ａと、光学フィルタ及び反射低減膜５６ｂと、１つ又は複数のマイクロレンズ５６ｃとを含み得る。光学フィルタと反射低減膜５６ｂとは、ＡＰＤ及びＲＯＩＣ集積セル５６ａを含むピクセル層全体を覆い得る。マイクロレンズ５６ｃは、光学フィルタ及び反射低減膜５６ｂのうち、ＡＰＤ及びＲＯＩＣ集積セル５６ａの各々の直上の部分を覆い、その上に垂直に重ねられ得る。

【0028】

複数のＡＰＤセル５２ａ及びＲＯＩＣセル５２ｄは、ＣＭＯＳ又はバイポーラ接合トランジスタ相補型金属酸化膜半導体（ＢｉＣＭＯＳ）技術を使用して集積回路チップ５０上に１つのアレイとして集積され得る。例えば、集積回路チップ５０は、複数の行及び列のピクセルを含み得、各ピクセルは、１つのＡＰＤセル５２ａと、対応するＲＯＩＣ ５２ｄとを含む。ＡＰＤセル５２ａとＲＯＩＣセル５２ｄとは、何れも支持基板を含むシリコンベースの技術を採用し得る。支持基板は、Ｓｉ、Ｇｅ又は他の基板材料を含み得る。ＡＰＤセル５２ａとＲＯＩＣセル５２ｄとの両方がＳｉを含み得るため、ＡＰＤセル５２ａとＲＯＩＣセル５２ｄとの間の様々な種類の不適合（ラティス不適合等）が回避され得、したがってＡＰＤセル５２ａの性能及び収率が保持される。ＡＰＤセル５２ａ及びＲＯＩＣセル５２ｄのアレイを同じ集積回路チップ５０上に集積することにより、さらに別の利点が得られ、これには、例えば、接合構造（図９に示される）を有するチップと比較してチップが薄型化されることが含まれる。さらに、ＡＰＤセル５２ａは、９０５ｎｍ波長に応答し、シリコンベースのソリューションのために調整されるため、ＡＰＤセル５２ａは、ＲＩＯＣ ５２ｄに完全に適合し、それによって同じ製造ラインでのこれら２つの構成要素の効率的な使用及び集積が可能となる。

【0029】

光学フィルタ及び反射低減膜５２ｂの層は、好ましい９０５ｎｍの（短赤外）の波長を通過させ、ＡＰＤセル５２ａの上に重ねられるようにする。光学フィルタ及び反射低減膜５２ｂの層の厚さは、レーザビームの波長の１／４であり得（浮動範囲１０％）、それによってレーザビームの透過率が高まり、ＡＰＤセル５２ａによる吸収が増大し得る。吸収を増大させる他の厚さも想定される。光学フィルタ及び反射低減膜５２ｂの層は、１つ又は複数のパラメータを調節することにより、レーザダイオード３２のそれに近い波長を有するビームを透過させることで入射ビームをフィルタ処理し得る。さらに、マイクロレンズ５２ｃは、光学フィルタ及び反射低減膜５２ｂの層並びに各ＡＰＤセル５２ａの上に位置付けられて、レーザビームをＡＰＤセル５２ａと整列させ、それによってＡＰＤセル５２ａの感度が上がる。マイクロレンズ５２ｃに到達する光ビームは、マイクロレンズ５２ｃの下のＡＰＤセル５２ａに完全に到達し、隣接するＡＰＤセル５２ａに屈折しない。したがって、ＡＰＤセル５２ａ間のクロストークが最小化され得る。

【0030】

赤緑青（ＲＧＢ）ＣＩＳ ５２ｅは、マイクロレンズ５２ｃの下に位置付けられて、２Ｄ画像をＲＧＢカラーで捕捉し得る。図５に示される集積回路チップ５０は、光をＡＰＤセル５２ａに向けて標的距離情報を検出し、同時にＡＰＤセル５２ａからの読出しを行うためのＲＯＩＣセル５２ｄを統合し、２Ｄ ＲＧＢ画像を捕捉するためのＲＧＢ ＣＩＳ ５２ｅを統合する改良された構成を提供する。信号分離のため、酸化物層もＡＰＤセル５２ａとＲＯＩＣセル５２ｄとの間に含められ得る。酸化物層は、リーク及び寄生キャパシタンスを減少させ得る。ＡＰＤセル５２ａとＲＯＩＣセル５２ｄとを異なる層に含めることもさらに信号を分離する。

【0031】

また、スピンオングラス（ＳＯＧ）５２ｆ（及び／又は窒化シリコン層）を使用してピクセルの表面を平らにし得る。図５に示される例において、ＳＯＧ ５２ｆは、ＡＰＤセル５２ａの上に位置付けられ、ピクセルの表面が平らになっている。代替的に、他の構成も限定されずに使用され得る。

【0032】

図６は、本開示の実施形態に適合するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）及び時間－デジタル変換器（ＴＤＣ）回路の概略図である。図６に示されるように、ＡＰＤセル５２ａは、ＴＩＡ ６２及びＴＤＣ ６４の回路に接続される。レーザダイオード３２からの光は、ＡＰＤセル５２ａに入射し得、これが光電信号を生成する。ＴＩＡ ６２は、ＡＰＤセル５２からの出力を使用可能な電圧まで増幅し、ＴＤＣ ６４は、ＡＰＤセル５２ａにおいて受信された各検出レーザパルスの到着時間のデジタル表現を提供して、光電信号をデータ処理装置３０ａに出力する。

【0033】

図７は、集積回路チップ５０の部分平面レイアウトの概略図である。図７に示されるように、セルアレイは、列７２及び行７４に配置される。列選択論理ユニット７６は、列７２の１つを選択するために使用され、行選択論理ユニット７８は、行７４の１つを選択するために使用される。図５に示される１つのＡＰＤセル５２ａ及び１つのＲＯＩＣセル５２ｄを含む特定のセルは、対応する列及び行を列選択論理ユニット７６及び行選択ユニット７８に明示することによって選択され得、選択されたセルからの信号又はデータは、データ処理装置３０ａに送信され得る。その結果、選択可能なセルアレイを有する集積回路チップ５０により、複数の反射レーザビームを正確に検出し、標的物体３６上の複数の点の奥行き情報を並行して計算する。

【0034】

図８は、本開示の実施形態に適合するセルアレイ内のセルの断面概略図である。図８に示されるように、各セルの断面は、ＲＯＩＣセル８２と、ＳＯＧ ８４と、ＡＰＤセル８６とを含む。ＡＰＤセル８６は、ＲＯＩＣセル８２との接続を可能にし、回路（例えば、ＣＭＯＳ回路）から離して配置できる。例えば、ＡＰＤセル８６とＲＯＩＣセル８２とは、絶縁層によって分離される異なるウェハ層に配置できる。代替的に、ＡＰＤセル８６は、必要な絶縁を施して、ＲＯＩＣ ８２の横に隣接して位置付けられ得る。

【0035】

図８に示されるように、ＲＯＩＣセル８２とＳＯＧ ８４とは、上層内にあり得る。酸化物層は、ＲＯＩＣ ８２の下に位置付けられ、ＡＰＤセル８６は、バルクハンドルウェハ内に位置付けられる。酸化物層は、ＲＯＩＣ ８２とＡＰＤセル８６との間のリーク及び寄生キャパシタンスを減少させ得る。さらに、ＡＰＤセル８６と、対応するＲＯＩＣセル８２とは、モノリシックシリコンウェハ技術によって集積されるため、２つの構成要素間の適合性が増し得る。加えて、ＡＰＤセル８６は、シリコンオンインシュレーテッド（ＳＯＩ）ウェハの一部として集積され、ＡＰＤセル８６は、バルクハンドルウェハ内に位置付けられ、ＲＯＩＣセル８２は、上側のＳＯＩウェハ内に別に位置付けられるため、さらに信号が分離され得る。各ＡＰＤセルは、行及び列のペア（Ｍ，Ｎ）の特定の選択によって表現され得（図７に示される）、各ＡＰＤセルの空間構成により、ＴＩＡ ６２及びＴＤＣ ６４の回路（図６に示される）と共に信号を改善することもできる。

【0036】

図９は、本開示の実施形態に適合する、ＲＯＩＣチップ９０ｂに接合されたＡＰＤアレイチップ９０ａを含むハイブリッド集積回路チップの概略図である。前述のセルアレイの集積されたモノリシックシリコンベース集積回路チップ（図５に示される）と比較して、ＡＰＤアレイチップ９０ａがＲＯＩＣチップ９０ｂに接合されているハイブリッド集積回路チップは、設計がよりフレキシブルであり得る。ＡＰＤアレイチップ９０ａ及びＲＯＩＣ ９０ｂの各々は、シリコンベースであるか又は非シリコンベースであり得る。ＡＰＤアレイチップ９０ａ及びＲＯＩＣチップ９０ｂは、一緒に加工されるか又は接合前に別々に加工され得る。

【0037】

図９に示されるように、ＡＰＤアレイチップ９０ａは、ＡＰＤセル９０と、シリコン貫通電極（ＴＳＶ）９２と、ゲルマニウム（Ｇｅ）コンタクト９４とを含み得る。ＲＯＩＣチップ９０ｂは、ワイヤボンディング（ＷＢ）パッド９６と、接合用アルミニウム（Ａｌ）９８と、ＲＯＩＣセル９８ａとを含み得る。ＴＳＶ ９２により、ハイブリッド集積回路チップのＡＰＤアレイチップ９０ａの前面からＡＰＤアレイチップ９０ａの後面に信号を送信できる。ＡＰＤアレイチップ９０ａとＲＯＩＣチップ９０ｂとは、独立したプロセスを使用して製造され得、且つ接合されて一体の物理的及び電気的接続を形成し得る。接合は、アラインメントを確実にし、ウェハの破壊を防止し、有効な導電性を保持し、機械的強度も強いことがあり得、縁部での一貫した接合を確実にする。ＡＰＤアレイチップ９０ａは、任意の数の行及び列（Ｍ×Ｎ）のＡＰＤセル９０を含み得、これらは、個別に動作し得る。同様に、ＲＯＩＣチップ９０ｂは、ＡＰＤセル９０と同じ対応する数のＲＯＩＣセル９８を含み得る。集積により、ＡＰＤセル９０とＲＯＩＣセル９８とが１対１で接合され得る。

【0038】

接合用Ａｌ ９８とＷＢパッド９６とは、チップ接合プロセスにおける例示的な金属である。接合用Ａｌ ９８は、ＡＰＤアレイチップ９０ａの後方にあるＧｅ ９４と接合するために使用され得、ＷＢパッド９６は、パッケージングでの配線に使用され得る。ＡＰＤアレイチップ９０ａ及びＲＯＩＣチップ９０ｂには、ＣＭＯＳ ＲＯＩＣ ９８の前面ウィンドウの接合用Ａｌ ９８と、ＡＰＤアレイチップ９０ａの裏面のＧｅ ９４とを約４２０度で共晶接合することによるウェハレベル接合が行われ得る。その結果、ＡＰＤセル９０の信号は、対応するＲＯＩＣセル９８に効率的に送信され得る。半田ボール又はインジウムブレージングと比較して、Ａｌ－Ｇｅ共晶接合は、接合が強力であり、接合されたハイブリッド集積回路チップが小型化されるために有利である。ＡＰＤアレイチップ９０ａとＲＯＩＣチップ９０ｂとを接合するために多くの方法が使用され得るが、Ａｌ－Ｇｅ接合が最も好ましい。他の方法も想定され得、これには、Ａｌ－Ｇｅ接合、Ａｕ－Ｇｅ接合、Ａｕ－Ｓｉ接合、Ａｕ－Ｓｎ接合、Ｉｎ－Ｓｎ接合、Ａｌ－Ｓｉ接合、Ｐｂ－Ｓｎ接合が含まれる。

【0039】

図１０は、本開示の実施形態に適合するＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）セルを含むセルアレイ内のセルの平面レイアウトの概略図である。図１０に示されるように、平面図で示されるＡＰＤセル１０２は、集積されたイメージセンサを含むＣＩＳセル１００の一部として統合される。セルアレイ内のセルは、ＣＩＳセル１００、ＡＰＤセル１０２、ＡＰＤ ＲＯＩＣ １０４及びＣＩＳ ＲＯＩＣ（図示せず）の組合せを含み得る。ＣＩＳ ＲＯＩＣは、ＣＩＳセル１００、ＡＰＤセル１０２及びＡＰＤ ＲＯＩＣ １０４を含む層の下に含められ得る。各ピクセルレイアウトにおいて、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）は、その中に集積され得る。したがって、各フレームは、ＡＰＤセル１０２によって生成される奥行き情報を有する３Ｄ点群画像と、ＣＩＳ １００によって生成される２Ｄ画像とを同時に生成することができ得る。物体及び人は、ＣＩＳ １００が２Ｄ画像を捕捉することに基づいて認識され得る。

【0040】

図１１は、本開示の実施形態に適合するＣＩＳセルを含むセルアレイ内のセルの断面概略図である。図１１に示されるように、セルアレイ内のセルは、ＣＩＳセル１１０と、ＲＯＩＣ １１２と、ＳＯＧ １１４と、ＡＰＤセル１１６とを含む。

【0041】

ＡＰＤセル１１６は、単独のセルであり、対応するＡＰＤ ＲＯＩＣ １１２を有する。ＡＰＤセル１１６は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）、複数のＳＰＡＤ又はダイナミックレンジを増大させるためのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）であり得る。ＡＰＤセル１１６は、ＲＯＩＣセル１１２との接続を可能にし、回路（例えば、ＣＭＯＳ回路）とは別に配置され得る。例えば、ＡＰＤセル１１６とＲＯＩＣセル１１２とは、絶縁層を介して分離される異なるウェハ層上に配置され得る。代替的に、ＡＰＤセル１１６は、必要な絶縁を施して、ＲＯＩＣ １１２の横に隣接して位置付けられ得る。

【0042】

図１１に示されるように、ＣＩＳセル１１０、ＲＯＩＣセル１１２及びＳＯＧ １１４は、上層内にあり得る。酸化物層は、ＲＯＩＣ １１２の下に位置付けられ、ＡＰＤセル１１６は、バルクハンドルウェハ内に配置される。酸化物層は、ＣＩＳ １１０、ＲＯＩＣ １１２及びＡＰＤセル１１６間のリーク及び寄生キャパシタンスを減少させ得る。さらに、ＡＰＤセル１１６と、対応するＣＩＳ １１０及びＲＯＩＣ １１２とは、シリコンウェハ技術で集積され得るため、これらの構成要素間の適合性が高められ得る。加えて、ＡＰＤセルは、シリコンオンインシュレーテッド（ＳＯＩ）ウェハの一部として集積され、ＡＰＤセル１１６は、バルクハンドルウェハ内に位置付けられ、ＣＩＳ １１０とＲＯＩＣ １１２は、上側ＳＯＩウェハ内に別に位置付けられるため、信号がさらに分離され得る。

【0043】

代替的に、ＡＰＤセル１１６は、上層内にあり得、ＣＩＳセル１１０とＲＯＩＣセル１１２とは、バルクハンドルウェハ内に位置付けられ得る。このような場合、ピクセルの表面を平らにするために、ＳＯＧ １１４は、ＣＩＳセル１１０及びＲＯＩＣセル１１２の上に位置付けられ得る。

【0044】

図１２は、本開示の実施形態に適合するカラーフィルタアレイセンサの概略図である。図１２に示されるように、カラーフィルタアレイセンサ１２０は、可視レーザ光を色に応じてフィルタ処理し、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）又は青（Ｂ）の光のみがフィルタ１２０を通過できるようにする。ＣＩＳセル１１０は、３つの個別のＲＧＢピクセルを含む。ＣＩＳ １１０は、ＲＧＢセルの１つの集合であるか、ＲＧＢセルの複数の集合であるか、又は黒及び白であり得る。ＲＧＢ ＣＩＳ １１０（赤－緑－青イメージセンサ）及びＲＯＩＣ １１２は、集積回路チップの上層の上に、動作中にＡＰＤセル １１６がＣＩＳセル１１０に影響を与えないようにするために酸化物層によってＡＰＤセル１１６から離間されて位置付けられるように設計され得る（ＣＩＳセル１１０とＡＰＤセル１１６とは、異なる層に提供され得る）。さらに、ＣＩＳ １１０に対応するＲＯＩＣ １１２は、セルの層の下に位置付けられ得る。他の空間配置も想定され得る。カラーフィルタアレイセンサ１２０は、光をフィルタ処理して、所望の色の２Ｄ画像のみを捕捉できるようにし得る。

【0045】

図１３は、本開示の実施形態に適合する物体の検出及び測距のために行われ得る例示的な方法１３０のフローチャートである。方法１３０は、レーザ光源により、物体の表面に入射する第一の光のビームを発射するステップを含み得る（ステップ１３２）。レーザダイオード３２としては、従来のレーザダイオード、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、レーザダイオードアレイ又は例えば９０５ｎｍ若しくは１，５５０ｎｍを含む赤外波長の光を発する何れのレーザも含まれ得る。レーザ光源から発射された光は、１つ又は複数の光学レンズを含むレーザビームエキスパンダ３４によって拡張され得る。１つ又は複数の光学レンズとしては、反射型レンズ、透過型レンズ、ホログラフィックフィルタ及び微小電気機械システム（ＭＥＭ）マイクロレンズの少なくとも１つが含まれ得る。レーザエキスパンダ３４は、レーザビームアラインメントのための１つ又は複数の光学レンズ４２と、レーザビーム拡張のためのレンズ４４と、均一な照明のためのレンズ４６と、視野角（ＦＯＶ）拡張のためのレンズ４８とも含み得る。

【0046】

方法１３０は、ＡＰＤアレイ３８ａにおいて、物体３６から反射された第二の光のビームを受信するステップも含み得る（ステップ１３４）。例えば、物体３６から反射された第二の光のビームは、レンズ３８ｂで受信され得、そこで、レンズ３８ｂにおける画像形成に基づいて、第二の光のビームは、検出のためにＡＰＤアレイチップ９０ａを含むハイブリッド集積回路チップに透過され得る。集積回路チップは、ＲＯＩＣセル９８ａの前面ウィンドウにおける接合用Ａｌ ９８ｂの共振接合と、ＡＰＤアレイチップ９０ａの後面におけるＧｅ ９４の共振接合とを含むウェハレベル接合から形成され得る。第二の光のビームは、ＡＰＤアレイ３８ａを形成する複数のＡＰＤアレイセル５２ａを含むシリコンベースの集積回路チップ５０にも透過され得る。ＡＰＤアレイ３８ａは、９０５ｎｍの検出波長を有するシリコンベースのチップを含み得る。レーザ光源３２とＡＰＤアレイ３８ａとは、何れも同期クロック３８ｃによって制御され得る。

【0047】

方法１３０は、ＲＯＩＣ ５２ｄにより、ＡＰＤアレイ３８ａから読み出すステップも含み得る（ステップ１３６）。ＴＩＡ ６２及びＴＤＣ ６４の回路配置（図６に示される）により、ＲＯＩＣ ５２ｄは、ＡＰＤセル５２ａの読出しを行うことができる。データ処理装置３０ａは、ＲＯＩＣ ５２ｄと通信してＡＰＤアレイ３８ａからの読出しを行い、ＡＰＤアレイ３８ａで検出された反射光に基づいて光電信号を生成するようにも構成され得る。方法１３０は、信号を出力するためにＡＰＤアレイ３８ａからの蓄積光電流を処理するステップも含み得る（ステップ１３８）。ＴＩＡ ６２及びＴＤＣ ６４の回路配置（図６に示される）により、ＲＯＩＣ ５２ｄは、ＡＰＤセル５２ａからの読出しを行い、ＡＰＤセル５２ａによって検出された標的物体３６の距離を表す信号を出力するためにＡＰＤセル５２ａ（又はアレイ）からの蓄積光電流を効率的に処理することができる。

【0048】

処理に基づいて、方法１３０は、コントローラ又はデータ処理装置３０ａにより、ＲＯＩＣ ５２ｄからの信号に基づいて物体を表す３Ｄ点群と、イメージセンサ５２ｅによって取得された物体の２Ｄ画像とを同時に生成するステップも含み得る（ステップ１４０）。２Ｄ物体画像と、奥行き情報を表す３Ｄ点群とを表示するための対話式ＧＵＩを使用して、情報及び検出された物体を表示し得る。対話式ＧＵＩは、表示装置又は多機能スクリーン上に表示可能であり得、２Ｄ物体画像と３Ｄ点群とを閲覧し、表示するための他のグラフィクス機能、例えば対話式グラフィクス機能（例えば、グラフィカルボタン、テキストボックス、ドロップダウンメニュー、対話式画像等）を含み得る。この情報は、その後、標的物体を検出及び測距し、他の決定を知らせるために使用され得る。

【0049】

開示されている方法及びシステムに対する様々な改変形態及び変更形態がなされ得ることが当業者に明らかであろう。例えば、ＵＡＶは、本開示の実施形態に適合する物体を検出及び測距する例示的なシステムを備え得る。特に、ＵＡＶは、特定の期間にわたり又は１つの位置から他の位置への移動持続時間にわたり、情報を収集し、距離情報を含む３Ｄ点群と物体面の２Ｄ画像とを生成するように装備され得る。このような状況では、ＵＡＶは、収集された情報に関連して制御され、標的物体、例えば人、車両、移動物体、静止物体等を認識し、追跡し、それに焦点を当てて、高品質の望ましい画像を実現し得る。

【0050】

本明細書並びに開示されている方法及びシステムの実施を考慮すれば、他の実施形態も当業者に明らかであろう。本明細書及び例は、例示に過ぎないと考えるべきであり、正確な範囲は、後述の特許請求の範囲及びその均等物によって示されることが意図されている。
［項目１］
物体を検出及び測距するための方法であって、
レーザ光源により、上記物体の表面に入射する第一の光のビームを発射するステップと、
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）アレイにおいて、上記物体の上記表面から反射された第二の光のビームを受信するステップと、
読出し集積回路（ＲＯＩＣ）アレイにより、上記ＡＰＤアレイから読み出すステップと、
上記ＲＯＩＣアレイにより、上記ＡＰＤアレイによって検出された上記物体を表す信号を出力するために上記ＡＰＤアレイからの蓄積光電流を処理するステップと
を含む方法。
［項目２］
コントローラにより、上記ＲＯＩＣからの信号に基づいて上記物体を表す３次元点群を生成するステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
［項目３］
上記コントローラにより、上記３次元点群と、イメージセンサによって取得された上記物体の２次元画像とを同時に生成するステップをさらに含む、項目２に記載の方法。
［項目４］
レーザビームエキスパンダにより、上記レーザ光源からの上記発射光を拡張するステップをさらに含み、上記レーザビームエキスパンダは、１つ又は複数の光学レンズを含む、項目１に記載の方法。
［項目５］
上記ＡＰＤアレイ及び上記ＲＯＩＣアレイは、シリコン基板に基づく集積回路チップ上に集積される、項目１に記載の方法。
［項目６］
上記ＡＰＤアレイ及び上記ＲＯＩＣアレイは、独立したプロセスを使用して別々の半導体ウェハ上に製造され、且つ相互に接合されて電気接続を形成する、項目１に記載の方法。
［項目７］
受信機のレンズにおいて、上記物体の上記表面から反射された上記第二の光のビームを受信するステップをさらに含み、上記第二の光のビームは、レンズを通して上記ＡＰＤアレイに透過される、項目１に記載の方法。
［項目８］
上記レーザ光源及び上記ＡＰＤアレイの両方を同期クロックで制御するステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
［項目９］
物体を検出及び測距するためのシステムであって、
上記物体の表面に入射する第一の光のビームを発射するレーザ光源と、
上記物体の上記表面から反射された第二の光のビームを受信するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）アレイと、
上記ＡＰＤアレイによって検出された上記物体を表す信号を出力するために上記ＡＰＤアレイから蓄積光電流を読み出し且つ処理するために連結された読出し集積回路（ＲＯＩＣ）アレイと
を含むシステム。
［項目１０］
コントローラをさらに含み、上記コントローラは、上記ＲＯＩＣアレイからの信号に基づいて上記物体を表す３次元点群を生成する、項目９に記載のシステム。
［項目１１］
上記コントローラは、上記３次元点群と、イメージセンサによって取得された上記物体の２次元画像とを同時にさらに生成する、項目１０に記載のシステム。
［項目１２］
上記レーザ光源からの上記発射光を拡張するレーザビームエキスパンダをさらに含み、上記レーザビームエキスパンダは、１つ又は複数の光学レンズを含む、項目９に記載のシステム。
［項目１３］
上記１つ又は複数の光学レンズは、反射型レンズ、透過型レンズ、ホログラフィックフィルタ及び微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）マイクロレンズの少なくとも１つを含む、項目１２に記載のシステム。
［項目１４］
上記物体の上記表面から反射された上記第二の光のビームを受信する受信機においてレンズをさらに含み、上記第二の光のビームは、上記レンズを通して上記ＡＰＤアレイに透過される、項目９に記載のシステム。
［項目１５］
上記レーザ光源及び上記ＡＰＤアレイの両方は、同期クロックによって制御される、項目９に記載のシステム。
［項目１６］
上記光源は、レーザダイオードアレイを含む、項目９に記載のシステム。
［項目１７］
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ（ＣＩＳ）アレイをさらに含む、項目９に記載のシステム。
［項目１８］
上記ＡＰＤアレイ、ＲＯＩＣアレイ及びＣＩＳアレイは、複数のピクセルに集積され、各ピクセルは、ＡＰＤセルと、ＲＯＩＣと、ＣＩＳセルとを含む、項目１７に記載のシステム。
［項目１９］
上記ＡＰＤアレイは、上記ＣＩＳアレイから絶縁される、項目１７に記載のシステム。
［項目２０］
上記ＡＰＤアレイ及びＣＩＳアレイは、異なる層内に位置付けられ、且つ絶縁層によって分離される、項目１９に記載のシステム。
［項目２１］
上記ＲＯＩＣアレイ及びＣＩＳアレイは、上層内に位置付けられ、上記ＡＰＤアレイは、バルクハンドルウェハ内に位置付けられ、及び上記絶縁層は、酸化物層である、項目２０に記載のシステム。
［項目２２］
上記ＡＰＤアレイは、透明材料及び上記絶縁層によって被覆される、項目２０に記載のシステム。
［項目２３］
上記ＡＰＤアレイ及び上記ＣＩＳアレイは、同じ層内に位置付けられる、項目２２に記載のシステム。
［項目２４］
上記ＡＰＤアレイ及び上記ＲＯＩＣアレイは、シリコン基板に基づく集積回路チップ上に集積される、項目９に記載のシステム。
［項目２５］
上記ＡＰＤアレイは、上記ＲＯＩＣアレイから絶縁される、項目２４に記載の受信機。
［項目２６］
上記ＡＰＤアレイ及びＲＯＩＣアレイは、異なる層内に位置付けられ、且つ絶縁層によって分離される、項目２５に記載の受信機。
［項目２７］
上記ＲＯＩＣアレイは、上層上に位置付けられ、上記ＡＰＤアレイは、バルクハンドルウェハ内に位置付けられ、及び上記絶縁層は、酸化物層である、項目２６に記載の受信機。
［項目２８］
上記ＡＰＤアレイは、透明材料及び上記絶縁層によって被覆される、項目２６に記載の受信機。
［項目２９］
上記ＡＰＤアレイの各ピクセルセル上に重ねられた反射低減膜及びマイクロレンズをさらに含む、項目９に記載のシステム。
［項目３０］
トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）及び時間－デジタル変換器（ＴＤＣ）回路をさらに含む、項目９に記載のシステム。
［項目３１］
上記ＡＰＤアレイの各ピクセルセルの上に位置付けられたマイクロレンズ、反射低減膜及び光学フィルタをさらに含む、項目９に記載のシステム。
［項目３２］
上記ＡＰＤアレイ及び上記ＲＯＩＣアレイは、独立したプロセスを使用して別々の半導体ウェハ上に製造され、且つ相互に接合されて電気接続を形成する、項目９に記載のシステム。
［項目３３］
上記ＡＰＤアレイは、上層を形成するウェハ上に位置付けられ、及び上記ＲＯＩＣアレイは、下層を形成する異なるウェハ上に位置付けられる、項目３２に記載のシステム。
［項目３４］
上記ＡＰＤアレイは、上記上層の前面から後面に信号を送信するために、各ＡＰＤセルに位置付けられたシリコン貫通電極（ＴＳＶ）を含む、項目３３に記載のシステム。
［項目３５］
上記ＲＯＩＣアレイは、Ａｌ－Ｇｅ接合、Ａｕ－Ｇｅ接合、Ａｕ－Ｓｉ接合、Ｉｎ－Ｓｎ接合、Ａｌ－Ｓｉ接合及びＰｂ－Ｓｎ接合の少なくとも１つを使用して上記ＡＰＤアレイに接合される、項目３２に記載のシステム。
［項目３６］
上記ＲＯＩＣアレイの前面ウィンドウにおけるＡｌの接合と、上記ＡＰＤアレイの後面におけるＧｅの接合とをさらに含む、項目３２に記載のシステム。
［項目３７］
上記ＡＰＤアレイは、シリコンベースのチップ上に集積され、上記ＡＰＤアレイは、９０５ｎｍの検出波長を有する、項目９に記載のシステム。
［項目３８］
上記ＡＰＤアレイは、非シリコンベースのチップ上に集積され、上記ＡＰＤアレイは、１，５５０ｎｍの検出波長を有する、項目９に記載のシステム。
［項目３９］
上記ＣＩＳアレイは、複数のＲＧＢセルを含む、項目１７に記載のシステム。
［項目４０］
物体を検出及び測距するための受信機であって、
上記物体の表面から反射された光のビームを受信するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）アレイと、
上記ＡＰＤアレイによって検出された上記物体を表す信号を出力するために上記ＡＰＤアレイから蓄積光電流を読み出し且つ処理するために連結された読出し集積回路（ＲＯＩＣ）アレイと
を含む受信機。
［項目４１］
コントローラをさらに含み、上記コントローラは、上記ＲＯＩＣアレイからの信号に基づいて上記物体を表す３次元点群をさらに生成する、項目４０に記載の受信機。
［項目４２］
上記コントローラは、上記３次元点群と、イメージセンサによって取得された上記物体の２次元画像とを同時にさらに生成する、項目４１に記載の受信機。
［項目４３］
上記物体の上記表面から反射された上記光のビームを受信する上記受信機のレンズをさらに含み、上記光のビームは、上記レンズを通して上記ＡＰＤアレイに透過される、項目４０に記載の受信機。
［項目４４］
上記ＡＰＤアレイは、同期クロックによって制御される、項目４０に記載の受信機。
［項目４５］
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ（ＣＩＳ）アレイをさらに含む、項目４０に記載の受信機。
［項目４６］
上記ＡＰＤアレイ、ＲＯＩＣアレイ及びＣＩＳアレイは、複数のピクセル内に集積され、各ピクセルは、ＡＰＤセルと、ＲＯＩＣと、ＣＩＳセルとを含む、項目４５に記載の受信機。
［項目４７］
上記ＡＰＤアレイは、上記ＣＩＳアレイから絶縁される、項目４５に記載の受信機。
［項目４８］
上記ＡＰＤアレイ及びＣＩＳアレイは、異なる層内に位置付けられ、且つ絶縁層によって分離される、項目４７に記載の受信機。
［項目４９］
上記ＲＯＩＣアレイ及びＣＩＳアレイは、上層内に位置付けられ、上記ＡＰＤアレイは、バルクハンドルウェハ内に位置付けられ、及び上記絶縁層は、酸化物層である、項目４８に記載の受信機。
［項目５０］
上記ＡＰＤアレイは、透明材料及び上記絶縁層によって被覆される、項目４８に記載の受信機。
［項目５１］
上記ＡＰＤアレイ及び上記ＣＩＳアレイは、同じ層内に位置付けられる、項目４７に記載の受信機。
［項目５２］
上記ＡＰＤアレイ及び上記ＲＯＩＣアレイは、シリコン基板に基づく集積回路チップ上に集積される、項目４０に記載の受信機。
［項目５３］
上記ＡＰＤアレイは、上記ＲＯＩＣアレイから絶縁される、項目５２に記載の受信機。
［項目５４］
上記ＡＰＤアレイ及びＲＯＩＣアレイは、異なる層内に位置付けられ、且つ絶縁層によって分離される、項目５２に記載の受信機。
［項目５５］
上記ＲＯＩＣアレイは、上層上に位置付けられ、上記ＡＰＤアレイは、バルクハンドルウェハ内に位置付けられ、及び上記絶縁層は、酸化物層である、項目５４に記載の受信機。
［項目５６］
上記ＡＰＤアレイは、透明材料及び上記絶縁層によって被覆される、項目５４に記載の受信機。
［項目５７］
上記ＡＰＤアレイの各ピクセルセル上に重ねられた反射低減膜及びマイクロレンズをさらに含む、項目４０に記載の受信機。
［項目５８］
トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）及び時間－デジタル変換器（ＴＤＣ）回路をさらに含む、項目４０に記載の受信機。
［項目５９］
上記ＡＰＤアレイの各ピクセルセルの上に位置付けられたマイクロレンズ、反射低減膜及び光学フィルタをさらに含む、項目４０に記載の受信機。
［項目６０］
上記ＡＰＤアレイ及び上記ＲＯＩＣアレイは、独立したプロセスを使用して別々の半導体ウェハ上に製造され、且つ相互に接合されて電気接続を形成する、項目４０に記載の受信機。
［項目６１］
上記ＡＰＤアレイは、上層を形成するウェハ上に位置付けられ、及び上記ＲＯＩＣアレイは、下層を形成する異なるウェハ上に位置付けられる、項目６０に記載の受信機。
［項目６２］
上記ＡＰＤアレイは、上記上層の前面から後面に信号を送信するために、各ＡＰＤセルに位置付けられたシリコン貫通電極（ＴＳＶ）を含む、項目６１に記載の受信機。
［項目６３］
上記ＲＯＩＣアレイは、Ａｌ－Ｇｅ接合、Ａｕ－Ｇｅ接合、Ａｕ－Ｓｉ接合、Ｉｎ－Ｓｎ接合、Ａｌ－Ｓｉ接合及びＰｂ－Ｓｎ接合の少なくとも１つを使用して上記ＡＰＤアレイに接合される、項目６０に記載の受信機。
［項目６４］
上記ＲＯＩＣアレイの前面ウィンドウにおけるＡｌの接合と、上記ＡＰＤアレイの後面におけるＧｅの接合とをさらに含む、項目６３に記載の受信機。
［項目６５］
上記ＡＰＤアレイは、シリコンベースのチップ上に集積され、上記ＡＰＤアレイは、９０５ｎｍの検出波長を有する、項目４０に記載の受信機。
［項目６６］
上記ＡＰＤアレイは、非シリコンベースのチップ上に集積され、上記ＡＰＤアレイは、１，５５０ｎｍの検出波長を有する、項目４０に記載の受信機。
［項目６７］
上記ＣＩＳアレイは、複数のＲＧＢセルを含む、項目４５に記載の受信機。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】