JP2016145776A - Laser receiving device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser receiving device capable of capturing scattered light for a target by suppressing the influence of an after pulse.SOLUTION: Each SPAD element of a SPAD array receiver 8 is applied with a bias voltage from a bias voltage application device 9 via a bias voltage switching device 10. One part of the SPAD element is in an active state with the bias voltage applied, and the other part of the SPAD element is caused to be in a non-active state without the bias voltage applied. When a scattered light detection signal showing to the effect that scattered light is detected is inputted from a scattered light detection determination circuit 12, the bias voltage switching device 10 switches the SPAD element in an active state to a non-active state, and switches the SPAD element in the non-active state to the active state.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、例えばレーザ光の発振時刻と散乱光の受光時刻との差から距離を算出するために、レーザ光の散乱光を受信するレーザ受信装置に関するものである。   The present invention relates to a laser receiver that receives scattered light of a laser beam, for example, in order to calculate a distance from the difference between the oscillation time of the laser beam and the reception time of the scattered beam.

例えば、特許文献１には、受光手段としてシングルフォトンアバランシェダイオード（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ、以下ＳＰＡＤと称す）と呼ばれる受光素子をアレイ状に複数備えた光学的測距装置が記載されている。ＳＰＡＤ素子は、受光した光を電気信号に変換して出力するものである。そして、特許文献１の光学的測距装置では、各ＳＰＡＤ素子が出力した電気信号を加算するなどの処理を行い、レーザ光を照射した時刻からの経過時間に基づき、距離を算出していた。   For example, Patent Document 1 describes an optical distance measuring device provided with a plurality of light receiving elements called single photon avalanche diodes (hereinafter referred to as SPAD) as light receiving means in an array. The SPAD element converts received light into an electrical signal and outputs it. In the optical distance measuring device of Patent Document 1, processing such as addition of electrical signals output from each SPAD element is performed, and the distance is calculated based on the elapsed time from the time of laser light irradiation.

特開２０１４―７７６５８号公報JP 2014-77658 A

ＳＰＡＤ素子は、光を受光して電気信号を出力した後に、アフターパルスと呼ばれる信号を遅れて出力することがある。このため、レーザ光の散乱光を受光した後のアフターパルスにより誤検知が発生し、ターゲットからの散乱光を正確にとらえることができないという課題があった。
なお、このようなアフターパルスは、光電子増倍管等、ＳＰＡＤ素子以外の受光素子においても同様に問題となる現象である。 The SPAD element sometimes receives a light and outputs an electrical signal, and then outputs a signal called an after pulse with a delay. For this reason, there is a problem that erroneous detection occurs due to an after pulse after receiving the scattered light of the laser light, and the scattered light from the target cannot be accurately captured.
Note that such after-pulse is a phenomenon that also causes problems in light receiving elements other than SPAD elements, such as photomultiplier tubes.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アフターパルスの影響を抑えてターゲットからの散乱光をとらえることのできるレーザ受信装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a laser receiver capable of capturing scattered light from a target while suppressing the influence of afterpulses.

この発明に係るレーザ受信装置は、光を受光して信号を出力する受光素子を複数有する受信部と、受信部が出力した信号を用いて、レーザ光の散乱光を受信したか否かを判定する判定部と、受信部が有する複数の受光素子を少なくとも２つの素子群に分け、複数の受光素子に印加する電圧を素子群ごとに設定する状態切り替え部とを備え、状態切り替え部は、第１素子群と第２素子群とで互いに異なる電圧を設定し、判定部が散乱光を受信したと判定した場合に、第１素子群に属する受光素子に設定している電圧と、第２素子群に属する受光素子に設定している電圧とを入れ替えることを特徴とするものである。   The laser receiver according to the present invention determines whether or not the scattered light of the laser beam has been received using a receiver having a plurality of light receiving elements that receive light and output a signal, and a signal output from the receiver. And a state switching unit that divides the plurality of light receiving elements of the receiving unit into at least two element groups and sets voltages to be applied to the plurality of light receiving elements for each of the element groups. Different voltages are set for the first element group and the second element group, and when the determination unit determines that the scattered light has been received, the voltage set for the light receiving elements belonging to the first element group, and the second element The voltage set for the light receiving elements belonging to the group is switched.

この発明によれば、アフターパルスの影響を抑えてターゲットからの散乱光をとらえることができる。   According to the present invention, scattered light from the target can be captured while suppressing the influence of the afterpulse.

この発明の実施の形態１に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the laser radar apparatus comprised using the laser receiver which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態１において、各ＳＰＡＤ素子の状態が切り替わる様子を説明する図である。In Embodiment 1 of this invention, it is a figure explaining a mode that the state of each SPAD element switches. この発明の実施の形態２に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the laser radar apparatus comprised using the laser receiver which concerns on Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態３に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the laser radar apparatus comprised using the laser receiver which concerns on Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態３において、各ＳＰＡＤ素子の状態が切り替わる様子を説明する図である。In Embodiment 3 of this invention, it is a figure explaining a mode that the state of each SPAD element switches.

実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す。レーザレーダ装置は、レーザ装置１と、発振器２と、変調器３と、送信光学系４と、スキャナ５と、角度モニタ装置６と、受信レンズ７と、ＳＰＡＤアレイ受信機８と、バイアス電圧印加装置９と、バイアス電圧切り替え装置１０と、加算回路（加算器）１１と、散乱光検出判定回路（判定部）１２と、距離測定装置１３と、強度測定装置１４と、信号処理装置１５とを有する。ＳＰＡＤアレイ受信機８と、バイアス電圧印加装置９と、バイアス電圧切り替え装置１０と、加算回路１１と、散乱光検出判定回路１２とが、実施の形態１に係るレーザ受信装置を構成する。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a configuration of a laser radar apparatus configured using the laser receiving apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The laser radar device includes a laser device 1, an oscillator 2, a modulator 3, a transmission optical system 4, a scanner 5, an angle monitor device 6, a receiving lens 7, a SPAD array receiver 8, and a bias voltage application. A device 9, a bias voltage switching device 10, an adder circuit (adder) 11, a scattered light detection determination circuit (determination unit) 12, a distance measurement device 13, an intensity measurement device 14, and a signal processing device 15. Have. The SPAD array receiver 8, the bias voltage application device 9, the bias voltage switching device 10, the adder circuit 11, and the scattered light detection determination circuit 12 constitute the laser receiver according to the first embodiment.

レーザ装置１は、レーザ光を発振させる。
発振器２は、パルス変調信号を出力する。
変調器３は、発振器２が出力したパルス変調信号に従い、レーザ装置１が発振させたレーザ光にパルス強度変調をかける。
送信光学系４は、変調器３がパルス強度変調をかけたレーザ光の拡がりを調整し、平行ビームのレーザ光として出力する。送信光学系４は、レンズ等を有する。
スキャナ５は、送信光学系４が出力したレーザ光を、受信レンズ７が当該レーザ光に対する散乱光を受光可能な角度範囲である受信視野内において、水平方向と垂直方向に２次元スキャンする。
角度モニタ装置６は、スキャナ５の角度をモニタし、スキャナ角度信号として出力する。 The laser device 1 oscillates laser light.
The oscillator 2 outputs a pulse modulation signal.
The modulator 3 applies pulse intensity modulation to the laser light oscillated by the laser device 1 in accordance with the pulse modulation signal output from the oscillator 2.
The transmission optical system 4 adjusts the spread of the laser beam to which the modulator 3 has applied pulse intensity modulation, and outputs the laser beam as a parallel beam. The transmission optical system 4 has a lens and the like.
The scanner 5 scans the laser beam output from the transmission optical system 4 two-dimensionally in the horizontal direction and the vertical direction within a reception field of view that is an angle range in which the reception lens 7 can receive scattered light with respect to the laser beam.
The angle monitor device 6 monitors the angle of the scanner 5 and outputs it as a scanner angle signal.

受信レンズ７は、入射してくる光をＳＰＡＤアレイ受信機８上に集光する。受信レンズ７のこの働きにより、スキャナ５がスキャンしたレーザ光が照射されたターゲットからの散乱光は、ＳＰＡＤアレイ受信機８上に集光される。
ＳＰＡＤアレイ受信機８には、複数のＳＰＡＤ素子がアレイ状に配置されており、各ＳＰＡＤ素子は、受光した光を電気信号に変換して出力する。
バイアス電圧印加装置９は、ＳＰＡＤアレイ受信機８が有する各ＳＰＡＤ素子に印加するバイアス電圧を、出力する。
バイアス電圧切り替え装置１０は、アレイ状に複数の電圧切り替えスイッチを有している。バイアス電圧切り替え装置１０の各電圧切り替えスイッチは、ＳＰＡＤアレイ受信機８の各ＳＰＡＤ素子とそれぞれ対応しており、バイアス電圧印加装置９からＳＰＡＤ素子へのバイアス電圧出力を、ＳＰＡＤ素子ごとにオンオフすることが可能となっている。バイアス電圧印加装置９とバイアス電圧切り替え装置１０とで、状態切り替え部が構成される。 The receiving lens 7 condenses incident light on the SPAD array receiver 8. Due to this function of the receiving lens 7, the scattered light from the target irradiated with the laser light scanned by the scanner 5 is collected on the SPAD array receiver 8.
The SPAD array receiver 8 has a plurality of SPAD elements arranged in an array, and each SPAD element converts the received light into an electrical signal and outputs it.
The bias voltage application device 9 outputs a bias voltage applied to each SPAD element included in the SPAD array receiver 8.
The bias voltage switching device 10 has a plurality of voltage switching switches in an array. Each voltage switching switch of the bias voltage switching device 10 corresponds to each SPAD element of the SPAD array receiver 8, and the bias voltage output from the bias voltage applying device 9 to the SPAD element is turned on / off for each SPAD element. Is possible. The bias voltage application device 9 and the bias voltage switching device 10 constitute a state switching unit.

加算回路１１は、ＳＰＡＤアレイ受信機８の各ＳＰＡＤ素子が出力した電気信号を、加算して出力する。ＳＰＡＤアレイ受信機８と加算回路１１とで、受信部が構成される。
散乱光検出判定回路１２は、加算回路１１が出力した加算結果と、予め外部より設定された閾値とを比較して、加算結果が閾値を超える場合、その加算結果を受信信号として距離測定装置１３及び強度測定装置１４に出力するとともに、散乱光検出信号をバイアス電圧切り替え装置１０に出力する。
このように、各ＳＰＡＤ素子が出力した電気信号の加算結果を、散乱光検出判定回路１２で閾値と比較し、閾値を超えた場合に、散乱光を検出したと判定する。当該加算結果が当該閾値以下の場合は、散乱光を検出していないと判定される。閾値との比較対象を、各ＳＰＡＤ素子が出力した電気信号の加算結果とすることで、外乱の影響をなるべく抑えたうえで、散乱光の検出を判定できる。 The adder circuit 11 adds and outputs the electrical signals output from the SPAD elements of the SPAD array receiver 8. The SPAD array receiver 8 and the adder circuit 11 constitute a receiver.
The scattered light detection determination circuit 12 compares the addition result output from the addition circuit 11 with a preset threshold value from the outside. If the addition result exceeds the threshold value, the distance measurement device 13 uses the addition result as a received signal. The scattered light detection signal is output to the bias voltage switching device 10.
In this way, the addition result of the electrical signals output from each SPAD element is compared with the threshold value by the scattered light detection determination circuit 12, and when the threshold value is exceeded, it is determined that the scattered light has been detected. When the addition result is equal to or less than the threshold value, it is determined that the scattered light is not detected. By making the comparison target with the threshold value the addition result of the electric signals output from each SPAD element, it is possible to determine the detection of scattered light while suppressing the influence of disturbance as much as possible.

距離測定装置１３は、発振器２からパルス変調信号が入力されてから、散乱光検出判定回路１２から受信信号が入力されるまでの時間を計測する。そして、計測した時間に基づき距離を算出し、距離信号として出力する。
強度測定装置１４は、散乱光検出判定回路１２が出力した受信信号の強度を測定し、強度信号として出力する。
信号処理装置１５は、角度モニタ装置６が出力したスキャナ角度信号と、距離測定装置１３が出力した距離信号と、強度測定装置１４が出力した強度信号とに基づき、距離画像及び強度画像を生成する。距離画像とは、距離信号が示す距離値を画素値としたものであり、また、強度画像とは、強度信号が示す強度値を画素値としたものである。 The distance measurement device 13 measures the time from when the pulse modulation signal is input from the oscillator 2 to when the reception signal is input from the scattered light detection determination circuit 12. Then, the distance is calculated based on the measured time and output as a distance signal.
The intensity measuring device 14 measures the intensity of the reception signal output from the scattered light detection determination circuit 12 and outputs the intensity signal as an intensity signal.
The signal processing device 15 generates a distance image and an intensity image based on the scanner angle signal output from the angle monitor device 6, the distance signal output from the distance measurement device 13, and the intensity signal output from the intensity measurement device 14. . The distance image is obtained by using the distance value indicated by the distance signal as a pixel value, and the intensity image is obtained by using the intensity value indicated by the intensity signal as a pixel value.

次に、上記のように構成されたレーザレーダ装置の動作について説明する。
レーザ装置１が、レーザ光を発振させる。また、発振器２が、パルス変調信号を出力する。
変調器３は、発振器２が出力したパルス変調信号に従い、レーザ装置１が発振させたレーザ光にパルス強度変調をかける。 Next, the operation of the laser radar device configured as described above will be described.
The laser device 1 oscillates laser light. The oscillator 2 outputs a pulse modulation signal.
The modulator 3 applies pulse intensity modulation to the laser light oscillated by the laser device 1 in accordance with the pulse modulation signal output from the oscillator 2.

続いて、送信光学系４が、変調器３がパルス強度変調をかけたレーザ光の拡がりを調整し、平行ビームのレーザ光として出力する。
続いて、スキャナ５が、送信光学系４が出力したレーザ光を、受信レンズ７が当該レーザ光に対する散乱光を受光可能な角度範囲である受信視野内において、水平方向と垂直方向に２次元スキャンする。
角度モニタ装置６は、スキャナ５の角度をモニタし、スキャナ角度信号として出力する。 Subsequently, the transmission optical system 4 adjusts the spread of the laser beam to which the modulator 3 has applied pulse intensity modulation, and outputs the laser beam as a parallel beam.
Subsequently, the scanner 5 two-dimensionally scans the laser light output from the transmission optical system 4 in the horizontal direction and the vertical direction in the reception field of view in which the receiving lens 7 can receive the scattered light with respect to the laser light. To do.
The angle monitor device 6 monitors the angle of the scanner 5 and outputs it as a scanner angle signal.

受信レンズ７は、入射してくる光をＳＰＡＤアレイ受信機８上に集光するものであり、スキャナ５がスキャンしたレーザ光が照射されたターゲットからの散乱光がある場合、当該散乱光はＳＰＡＤアレイ受信機８上に集光される。   The receiving lens 7 collects incident light on the SPAD array receiver 8, and when there is scattered light from the target irradiated with the laser light scanned by the scanner 5, the scattered light is SPAD. The light is collected on the array receiver 8.

なお、バイアス電圧切り替え装置１０は、初期状態として、アレイ状に配置されたＳＰＡＤ素子それぞれに対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を、隣接するＳＰＡＤ素子同士で異なるように設定している。つまり、あるＳＰＡＤ素子に対応する電圧切り替えスイッチをオン状態として、当該ＳＰＡＤ素子にはバイアス電圧印加装置９が出力するバイアス電圧が印加される一方、当該ＳＰＡＤ素子に隣接するＳＰＡＤ素子に対応する電圧切り替えスイッチはオフ状態として、バイアス電圧印加装置９が出力するバイアス電圧が印加されないようにしている。
これにより、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態は、例えば図２（ａ）に示すように、アクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子とノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子とが交互に並んだものとなる。図２では、アクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子を白で、ノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子をドット柄で示している。図２において、点線で区切られたブロック１つが、１つのＳＰＡＤ素子に相当する。アクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子には、バイアス電圧印加装置９が出力するバイアス電圧が印加されており、光を受光すると、電気信号を出力する。一方、ノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子には、バイアス電圧印加装置９が出力するバイアス電圧が印加されておらず、光を受光しても、電気信号は出力しない。さらにノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子からは、アフターパルスが発生することはない。 Note that the bias voltage switching device 10 sets the on / off state of the voltage switching switch corresponding to each of the SPAD elements arranged in an array as an initial state so that adjacent SPAD elements are different from each other. That is, a voltage switching switch corresponding to a certain SPAD element is turned on, and a bias voltage output from the bias voltage applying device 9 is applied to the SPAD element, while a voltage switching corresponding to a SPAD element adjacent to the SPAD element is applied. The switch is turned off so that the bias voltage output from the bias voltage applying device 9 is not applied.
As a result, the active / inactive state of each SPAD element is such that SPAD elements in the active state and SPAD elements in the inactive state are alternately arranged as shown in FIG. 2A, for example. In FIG. 2, the SPAD element in the active state is shown in white, and the SPAD element in the non-active state is shown in a dot pattern. In FIG. 2, one block separated by a dotted line corresponds to one SPAD element. A bias voltage output from the bias voltage applying device 9 is applied to the SPAD element in the active state, and when it receives light, an electrical signal is output. On the other hand, the SPAD element in the non-active state is not applied with the bias voltage output from the bias voltage applying device 9 and does not output an electrical signal even when receiving light. Furthermore, no after-pulse is generated from the SPAD element in the non-active state.

また、バイアス電圧切り替え装置１０は、散乱光検出判定回路１２から散乱光検出信号が入力されると、各ＳＰＡＤ素子に対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を切り替える。例えば各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が図２（ａ）に示すものとなるようにバイアス電圧切り替え装置１０の各電圧切り替えスイッチが設定されている際に、散乱光検出信号が入力されると、オン状態の電圧切り替えスイッチをオフ状態に、オフ状態の電圧切り替えスイッチをオン状態にして、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を、図２（ｂ）に示すものに切り替える。同様に、ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が図２（ｂ）に示すものである場合に、バイアス電圧切り替え装置１０に散乱光検出信号が入力されると、バイアス電圧切り替え装置１０は、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を図２（ａ）に示すものに切り替える。このように、バイアス電圧切り替え装置１０は、ＳＰＡＤアレイ受信機８のＳＰＡＤ素子を、第１素子群、第２素子群に分けて、素子群ごとにＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を設定する。同一の素子群に属する各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態は、同じ状態に設定され、また、第１素子群と第２素子群とは互いに異なるアクティブノンアクティブ状態に設定される。   Further, when the scattered light detection signal is input from the scattered light detection determination circuit 12, the bias voltage switching device 10 switches the on / off state of the voltage switch corresponding to each SPAD element. For example, when the scattered light detection signal is input when each voltage switch of the bias voltage switching device 10 is set so that the active / inactive state of each SPAD element is as shown in FIG. The active / inactive state of each SPAD element is switched to that shown in FIG. 2 (b) by turning on the voltage switch in the on state and turning on the voltage switch in the off state. Similarly, when the active / inactive state of the SPAD element is as shown in FIG. 2B, when the scattered light detection signal is input to the bias voltage switching device 10, the bias voltage switching device 10 The active / inactive state is switched to that shown in FIG. As described above, the bias voltage switching device 10 divides the SPAD elements of the SPAD array receiver 8 into the first element group and the second element group, and sets the active / inactive state of the SPAD elements for each element group. The active non-active state of each SPAD element belonging to the same element group is set to the same state, and the first element group and the second element group are set to different active non-active states.

受信レンズ７により光がＳＰＡＤアレイ受信機上に集光されると、バイアス電圧切り替え装置１０によってアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子は、光を受けて電気信号を出力する。
続いて、加算回路１１が、ＳＰＡＤアレイ受信機８の各ＳＰＡＤ素子が出力した電気信号を、加算して出力する。
続いて、散乱光検出判定回路１２が、加算回路１１が出力した加算結果と、予め外部より設定された閾値とを比較して、加算結果が閾値を超える場合、その加算結果を受信信号として距離測定装置１３及び強度測定装置１４に出力するとともに、散乱光検出信号をバイアス電圧切り替え装置１０に出力する。当然、加算結果が閾値以下であれば、散乱光検出判定回路１２が受信信号及び散乱光検出信号を出力することはない。 When the light is condensed on the SPAD array receiver by the receiving lens 7, the SPAD element in the active state by the bias voltage switching device 10 receives the light and outputs an electrical signal.
Subsequently, the adder circuit 11 adds and outputs the electrical signals output from the SPAD elements of the SPAD array receiver 8.
Subsequently, when the scattered light detection determination circuit 12 compares the addition result output from the addition circuit 11 with a threshold value set in advance from the outside, and the addition result exceeds the threshold value, the addition result is used as a reception signal. The scattered light detection signal is output to the bias voltage switching device 10 while being output to the measuring device 13 and the intensity measuring device 14. Naturally, if the addition result is equal to or smaller than the threshold value, the scattered light detection determination circuit 12 does not output the reception signal and the scattered light detection signal.

続いて、距離測定装置１３が、発振器２からパルス変調信号が入力されてから、散乱光検出判定回路１２から受信信号が入力されるまでの時間を計測する。そして、計測した時間に基づき距離を算出し、距離信号として出力する。
また、強度測定装置１４は、散乱光検出判定回路１２が出力した受信信号の強度を測定し、強度信号として出力する。
続いて、信号処理装置１５が、角度モニタ装置６が出力したスキャナ角度信号と、距離測定装置１３が出力した距離信号と、強度測定装置１４が出力した強度信号とに基づき、距離画像及び強度画像を生成する。 Subsequently, the distance measuring device 13 measures the time from when the pulse modulation signal is input from the oscillator 2 to when the reception signal is input from the scattered light detection determination circuit 12. Then, the distance is calculated based on the measured time and output as a distance signal.
The intensity measuring device 14 measures the intensity of the received signal output from the scattered light detection determination circuit 12 and outputs the intensity signal as an intensity signal.
Subsequently, the signal processing device 15 performs the distance image and the intensity image based on the scanner angle signal output from the angle monitor device 6, the distance signal output from the distance measurement device 13, and the intensity signal output from the intensity measurement device 14. Is generated.

また、既に述べたが、バイアス電圧切り替え装置１０は、散乱光検出判定回路１２から散乱光検出信号が入力されると、各ＳＰＡＤ素子に対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を切り替える。従って、それまでアクティブ状態にあったＳＰＡＤ素子がノンアクティブ状態になり、それまでノンアクティブ状態にあったＳＰＡＤ素子がアクティブ状態になる。
これにより、散乱光を受光して電気信号を出力したＳＰＡＤ素子は、ノンアクティブ状態に切り替わり、アフターパルスを発生しない。一方で、ノンアクティブ状態にあったＳＰＡＤ素子が、アクティブ状態に切り替わるため、アクティブ状態に切り替わったこれらのＳＰＡＤ素子によって、次の散乱光を検出することが可能となる。つまり、アフターパルスが発生することなく、次の散乱光を検出できる。 As described above, when the scattered light detection signal is input from the scattered light detection determination circuit 12, the bias voltage switching device 10 switches the on / off state of the voltage switch corresponding to each SPAD element. Accordingly, the SPAD element that has been in the active state until then becomes inactive, and the SPAD element that has been inactive until then becomes active.
As a result, the SPAD element that receives the scattered light and outputs an electrical signal switches to a non-active state and does not generate an after pulse. On the other hand, since the SPAD element in the non-active state is switched to the active state, the next scattered light can be detected by these SPAD elements switched to the active state. That is, the next scattered light can be detected without generating an after pulse.

以上のように、この実施の形態１に係るレーザ受信装置によれば、バイアス電圧切り替え装置１０が、一部のＳＰＡＤ素子をアクティブ状態に、それ以外のＳＰＡＤ素子をノンアクティブ状態にするとともに、散乱光検出信号が入力された場合には、アクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子をノンアクティブ状態に、ノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子をアクティブ状態に切り替える。この切り替えにより、散乱光を受光して電気信号を出力したＳＰＡＤ素子は、ノンアクティブ状態となり、アフターパルスを発生しない。一方で、ノンアクティブ状態からアクティブ状態に切り替わったＳＰＡＤ素子によって、次の散乱光を検出することが可能である。従って、アフターパルスの影響を抑えてターゲットからの散乱光をとらえることができる。   As described above, according to the laser receiver according to the first embodiment, the bias voltage switching device 10 places some SPAD elements in the active state and other SPAD elements in the non-active state, and scatters. When the light detection signal is input, the SPAD element in the active state is switched to the non-active state, and the SPAD element in the non-active state is switched to the active state. By this switching, the SPAD element that receives the scattered light and outputs the electrical signal becomes inactive and does not generate an after pulse. On the other hand, it is possible to detect the next scattered light by the SPAD element switched from the non-active state to the active state. Therefore, the scattered light from the target can be captured while suppressing the influence of the afterpulse.

特に、雨、霧、細かい目の網等が、レーザレーダ装置とターゲットとの間に存在する場合は、これら雨、霧、細かい目の網等のターゲット以外の物体を経由した散乱光も受光される。このため、ターゲットからの散乱光を受光する際に、これらターゲット以外の物体からの散乱光を受光したことで発生するアフターパルスの影響を受ける恐れがあったが、上記のようにＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を切り替えることにより、そうした影響についても抑えることができる。   In particular, when rain, fog, fine mesh, etc. exist between the laser radar device and the target, scattered light that has passed through objects other than the rain, fog, fine mesh, etc. is also received. The For this reason, when receiving scattered light from the target, there was a risk of being affected by afterpulses generated by receiving scattered light from objects other than these targets. By switching the non-active state, such an influence can be suppressed.

なお、上記では、図２に示すようにアクティブ状態のＳＰＡＤ素子とノンアクティブ状態のＳＰＡＤ素子とが交互に並ぶようにしたために、全ＳＰＡＤ素子のうちアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子の比率が５０％となっているが、これ以外の比率としてもよい。後述する実施の形態２においても、同様である。
例えば、レーザレーダ装置による測定開始後に最初に検出される散乱光である第１散乱光を感度良く測定したい場合、測定開始時にアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子をノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子よりも多く、例えば全ＳＰＡＤ素子のうちの８０％とすることが考えられる。
測定開始時にアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子とノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子とをそれぞれ５０％ずつの比率とした場合は、第１散乱光とそれに続く第２散乱光とを、同程度の感度で測定可能である。 In the above, since the active SPAD elements and the inactive SPAD elements are alternately arranged as shown in FIG. 2, the ratio of the SPAD elements in the active state among all SPAD elements is 50%. However, other ratios may be used. The same applies to the second embodiment to be described later.
For example, when it is desired to measure with high sensitivity the first scattered light that is the first scattered light detected after the start of measurement by the laser radar device, the number of SPAD elements in the active state at the start of measurement is greater than the SPAD elements in the non-active state, For example, 80% of all SPAD elements can be considered.
When the SPAD element in the active state and the SPAD element in the inactive state are set to 50% each at the start of measurement, the first scattered light and the subsequent second scattered light are measured with the same sensitivity. Is possible.

また、バイアス電圧切り替え装置１０は、電圧切り替えスイッチをオフ状態にしてＳＰＡＤ素子へのバイアス電圧を完全にカットすることで当該ＳＰＡＤ素子をノンアクティブ状態にするのではなく、バイアス電圧印加装置９が出力するバイアス電圧を増減させることで、ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を切り替えるように構成してもよい。つまり、バイアス電圧が印加されていても、当該バイアス電圧が閾値以下のものであれば、ＳＰＡＤ素子はノンアクティブ状態となり、光を受光しても電気信号は出力せず、アフターパルスが発生することもない。このようにすることで、バイアス電圧を完全にカットする場合よりも、高速な切り替え動作が可能となる。後述する実施の形態２，３においても、同様である。   Further, the bias voltage switching device 10 does not place the SPAD element in a non-active state by completely turning off the bias voltage to the SPAD element by turning off the voltage switching switch. The active / inactive state of the SPAD element may be switched by increasing / decreasing the bias voltage. That is, even when a bias voltage is applied, if the bias voltage is equal to or lower than the threshold value, the SPAD element is in an inactive state, and an electric signal is not output even when light is received, and an after pulse is generated. Nor. In this way, a switching operation can be performed at a higher speed than when the bias voltage is completely cut. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.

また、上記では、全ＳＰＡＤ素子を対象にアクティブノンアクティブ状態を切り替える場合を示した。しかしながら、アクティブノンアクティブ状態を切り替えるＳＰＡＤ素子を限定してもよい。
例えば、先見情報として、全ＳＰＡＤ素子の中でもアフターパルスを出しやすいＳＰＡＤ素子、出しにくいＳＰＡＤ素子が予め判明している場合、アフターパルスを出しやすいＳＰＡＤ素子のみを対象にアクティブノンアクティブ状態を切り替え、アフターパルスを出しにくいＳＰＡＤ素子については常時アクティブ状態とする。つまり、アフターパルスを出しやすいＳＰＡＤ素子により第１素子群及び第２素子群が構成され、アフターパルスを出しにくいＳＰＡＤ素子により第３素子群が構成される。このようにすることで、散乱光を受光する際にアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子を多くできるため、高感度な測定が可能となる。後述する実施の形態２，３においても、同様である。 In the above description, the active / inactive state is switched for all SPAD elements. However, the SPAD element that switches the active / inactive state may be limited.
For example, when the SPAD elements that are likely to generate afterpulses and the SPAD elements that are difficult to emit are known in advance as the foresight information, the active / inactive state is switched to only the SPAD elements that are likely to generate afterpulses. SPAD elements that are difficult to emit pulses are always active. In other words, the first element group and the second element group are configured by SPAD elements that are easy to output afterpulses, and the third element group is configured by SPAD elements that are difficult to output afterpulses. By doing so, it is possible to increase the number of SPAD elements in an active state when receiving scattered light, so that highly sensitive measurement is possible. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.

また、散乱光検出判定回路１２がｎ番目の散乱光検出信号を出力してから次に（ｎ＋１）番目の散乱光検出信号を出力するまでの時間が短いと、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が短時間のうちに２度切り替わる（ｎは自然数）。このため、ｎ番目の散乱光を受光したときにアクティブ状態にあったＳＰＡＤ素子が、ｎ番目の散乱光によるアフターパルスの発生が止まる前に、（ｎ＋１）番目の散乱光検出信号によって再びアクティブ状態となり、アフターパルスを出力する可能性がある。   Also, if the time from when the scattered light detection determination circuit 12 outputs the nth scattered light detection signal to when the (n + 1) th scattered light detection signal is output is short, the active non-active state of each SPAD element Switches twice in a short time (n is a natural number). For this reason, the SPAD element that was in the active state when receiving the nth scattered light is again in the active state by the (n + 1) th scattered light detection signal before the generation of the after pulse by the nth scattered light stops. Therefore, there is a possibility of outputting an after pulse.

そこで、バイアス電圧切り替え装置１０を、散乱光検出信号が入力された際に、当該散乱光検出信号より１つ前の散乱光検出信号が入力された時刻からの経過時間を算出するように構成する。そして、その経過時間が予め外部より設定した第２の復帰時間Ｔ２以下であった場合、１つ前の散乱光検出信号が入力された時刻から第２の復帰時間Ｔ２分の時間が過ぎるまでは全ＳＰＡＤ素子をノンアクティブ状態にする。その後で、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を、１つ前の散乱光を受光したときの状態に復帰させる。このようにすることで、１つ前の散乱光を受光して電気信号を出力したＳＰＡＤ素子が、誤検知の元となるアフターパルスを出力するのを防ぐことができる。後述する実施の形態３においても、同様である。
第２の復帰時間Ｔ２は、ＳＰＡＤ素子が散乱光を受光したタイミングから、アフターパルスを出力しなくなるまでの時間を超えるように設定するとよい。このようにすることで、ＳＰＡＤ素子を、アフターパルスを出力しなくなった状態で復帰させることができる。 Therefore, the bias voltage switching device 10 is configured to calculate the elapsed time from the time when the scattered light detection signal immediately before the scattered light detection signal is input when the scattered light detection signal is input. . When the elapsed time is equal to or shorter than the second return time T 2 set from the outside in advance, the time corresponding to the second return time T 2 has passed from the time when the previous scattered light detection signal was input. Until all the SPAD elements are in a non-active state. Thereafter, the active non-active state of each SPAD element is returned to the state when the previous scattered light is received. By doing so, it is possible to prevent the SPAD element that received the previous scattered light and output an electrical signal from outputting an after pulse that is a source of erroneous detection. The same applies to the third embodiment to be described later.
T 2 second return times may from time to SPAD device has received scattered light, when set to exceed the time until no output after pulse. By doing so, the SPAD element can be returned in a state where no after pulse is output.

また、上記では、スキャナ５が２次元スキャンを行うものとしたが、１次元スキャンを行うものでもよい。スキャナ５が１次元スキャンを行う場合、信号処理装置１５が生成する距離画像及び強度画像は、２次元ではなく１次元の画像となる。後述する実施の形態２，３においても、同様である。   In the above description, the scanner 5 performs two-dimensional scanning. However, the scanner 5 may perform one-dimensional scanning. When the scanner 5 performs a one-dimensional scan, the distance image and the intensity image generated by the signal processing device 15 are not two-dimensional but a one-dimensional image. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.

また、上記では、レーザ受信装置を他の各装置と組み合わせることで１台のレーザレーダ装置として一体的に構成したものを示した。しかしながら、このように一体的に構成するに限らず、それぞれが別個に分離した構成であってもよい。後述する実施の形態２，３においても、同様である。   In the above description, the laser receiving apparatus is combined with other apparatuses to integrally form a single laser radar apparatus. However, the configuration is not limited to such an integral configuration, but may be a configuration in which the components are separately separated. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.

また、上記では、レーザ受信装置を、距離画像及び強度画像を生成するレーザレーダ装置に組み込まれるものとして説明した。しかしながら、レーザ受信装置は、散乱光検出判定回路１２によって何らかの物体の存在の有無を判定するセンサのような装置として利用することも可能である。後述する実施の形態２，３においても、同様である。   In the above description, the laser receiving apparatus is described as being incorporated in a laser radar apparatus that generates a distance image and an intensity image. However, the laser receiver can also be used as a device such as a sensor that determines the presence / absence of any object by the scattered light detection determination circuit 12. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.

また、上記では、加算回路１１を備えるものとした。しかしながら、加算回路１１を省略して、ＳＰＡＤアレイ受信機８の各ＳＰＡＤ素子が出力した電気信号が、散乱光検出判定回路１２にそのまま入力されるようにしてもよい。この場合、散乱光検出判定回路１２は、同じタイミングで第２の閾値を超える電気信号の数をカウントし、そのカウント結果が第３の閾値を超えると、カウント結果を受信信号として出力するとともに、散乱光検出信号を出力する。後述する実施の形態２，３においても、同様である。   In the above description, the adder circuit 11 is provided. However, the adder circuit 11 may be omitted, and the electrical signal output from each SPAD element of the SPAD array receiver 8 may be input to the scattered light detection determination circuit 12 as it is. In this case, the scattered light detection determination circuit 12 counts the number of electrical signals exceeding the second threshold at the same timing, and when the count result exceeds the third threshold, outputs the count result as a reception signal, Outputs scattered light detection signal. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.

また、上記では、受光した光を電気信号に変換して出力するものとしてＳＰＡＤ素子を用いる構成を示したが、光電子増倍管等、ＳＰＡＤ素子以外の受光素子を用いてもよい。後述する実施の形態２，３においても、同様である。   In the above description, the SPAD element is used to convert the received light into an electrical signal and output it. However, a light receiving element other than the SPAD element such as a photomultiplier tube may be used. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.

実施の形態２．
図３に、この発明の実施の形態２に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す。このレーザレーダ装置は、レーザ装置１と、発振器２と、変調器３と、送信光学系４と、スキャナ５と、角度モニタ装置６と、受信レンズ７と、ＳＰＡＤアレイ受信機８と、バイアス電圧印加装置９と、バイアス電圧切り替え装置１０と、加算回路１１と、散乱光検出判定回路１２と、距離測定装置１３と、強度測定装置１４と、信号処理装置１５と、出力切り替え装置１６とを有する。つまり、実施の形態２に示すレーザレーダ装置は、実施の形態１に示すレーザレーダ装置に、出力切り替え装置１６を追加したものである。ＳＰＡＤアレイ受信機８と、バイアス電圧印加装置９と、バイアス電圧切り替え装置１０と、加算回路１１と、散乱光検出判定回路１２と、出力切り替え装置１６とが、実施の形態２に係るレーザ受信装置を構成する。
なお、図３において、図１と同一又は相当の部分については同一の符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 shows the configuration of a laser radar apparatus configured using the laser receiving apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. This laser radar device includes a laser device 1, an oscillator 2, a modulator 3, a transmission optical system 4, a scanner 5, an angle monitor device 6, a receiving lens 7, a SPAD array receiver 8, and a bias voltage. An application device 9, a bias voltage switching device 10, an addition circuit 11, a scattered light detection determination circuit 12, a distance measurement device 13, an intensity measurement device 14, a signal processing device 15, and an output switching device 16 are included. . That is, the laser radar device shown in the second embodiment is obtained by adding the output switching device 16 to the laser radar device shown in the first embodiment. The SPAD array receiver 8, the bias voltage applying device 9, the bias voltage switching device 10, the adding circuit 11, the scattered light detection determining circuit 12, and the output switching device 16 are the laser receiving device according to the second embodiment. Configure.
In FIG. 3, the same or corresponding parts as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

出力切り替え装置１６は、アレイ状に複数の出力切り替えスイッチを有している。出力切り替え装置１６の各出力切り替えスイッチは、ＳＰＡＤアレイ受信機８の各ＳＰＡＤ素子とそれぞれ対応しており、各ＳＰＡＤ素子から加算回路１１への電気信号の出力を、ＳＰＡＤ素子ごとにオンオフすることが可能となっている。
出力切り替え装置１６は、バイアス電圧切り替え装置１０と同期しており、初期状態においてバイアス電圧印加装置９からのバイアス電圧が印加されているＳＰＡＤ素子に対応する出力切り替えスイッチをオン状態とし、バイアス電圧印加装置９からのバイアス電圧が印加されていないＳＰＡＤ素子に対応する出力切り替えスイッチをオフ状態とする。
また、散乱光検出判定回路１２から散乱光検出信号が入力された場合、バイアス電圧切り替え装置１０と同期して、各出力切り替えスイッチのオンオフ状態を切り替える。 The output switching device 16 has a plurality of output switching switches in an array. Each output changeover switch of the output changeover device 16 corresponds to each SPAD element of the SPAD array receiver 8, and the output of an electrical signal from each SPAD element to the adder circuit 11 can be turned on / off for each SPAD element. It is possible.
The output switching device 16 is synchronized with the bias voltage switching device 10, turns on an output switching switch corresponding to the SPAD element to which the bias voltage from the bias voltage application device 9 is applied in the initial state, and applies the bias voltage. The output changeover switch corresponding to the SPAD element to which the bias voltage from the device 9 is not applied is turned off.
Further, when a scattered light detection signal is input from the scattered light detection determination circuit 12, the on / off state of each output switch is switched in synchronization with the bias voltage switching device 10.

以上のように、この実施の形態２に係るレーザ受信装置によれば、実施の形態１で示した効果に加えて、ノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子からの信号出力をオフにすることができる。従って、ノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子が例えば雑音を出力する場合に、この雑音が加算回路１１で加算され、結果としてＳＮ比が低下してしまうのを防ぐことができる。   As described above, according to the laser receiver according to the second embodiment, in addition to the effects shown in the first embodiment, signal output from the SPAD element in the non-active state can be turned off. Therefore, when the SPAD element in the non-active state outputs, for example, noise, it is possible to prevent this noise from being added by the adder circuit 11 and the SN ratio from being lowered as a result.

なお，散乱光検出判定回路１２がｎ番目の散乱光検出信号を出力してから次に（ｎ＋１）番目の散乱光検出信号を出力するまでの時間が短いと、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が短時間のうちに２度切り替わる。このため、ｎ番目の散乱光を受光したときにアクティブ状態にあったＳＰＡＤ素子が、ｎ番目の散乱光によるアフターパルスの発生が止まる前に、（ｎ＋１）番目の散乱光検出信号によって再びアクティブ状態となり、アフターパルスを出力する可能性がある。   If the time from when the scattered light detection determination circuit 12 outputs the nth scattered light detection signal to when the (n + 1) th scattered light detection signal is output is short, each SPAD element is in an active non-active state. Will switch twice in a short time. For this reason, the SPAD element that was in the active state when receiving the nth scattered light is again in the active state by the (n + 1) th scattered light detection signal before the generation of the after pulse by the nth scattered light stops. Therefore, there is a possibility of outputting an after pulse.

そこで、バイアス電圧切り替え装置１０及び出力切り替え装置１６を、散乱光検出信号が入力された際に、当該散乱光検出信号より１つ前の散乱光検出信号が入力された時刻からの経過時間を算出するように構成する。そして、その経過時間が予め外部より設定した第２の復帰時間Ｔ２以下であった場合、１つ前の散乱光検出信号が入力された時刻から第２の復帰時間Ｔ２分の時間が過ぎるまでは全ＳＰＡＤ素子をノンアクティブ状態にするとともに全ＳＰＡＤ素子からの信号出力をオフにする。その後で、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態及び各出力切り替えスイッチのオンオフ状態を、１つ前の散乱光を受光したときの状態に復帰させる。このようにすることで、１つ前の散乱光を受光して電気信号を出力したＳＰＡＤ素子が、誤検知の元となるアフターパルスを出力するのを防ぐことができる。
第２の復帰時間Ｔ２は、ＳＰＡＤ素子が散乱光を受光したタイミングから、アフターパルスを出力しなくなるまでの時間を超えるように設定するとよい。このようにすることで、ＳＰＡＤ素子を、アフターパルスを出力しなくなった状態で復帰させることができる。 Therefore, when the scattered light detection signal is input, the bias voltage switching device 10 and the output switching device 16 calculate the elapsed time from the time when the scattered light detection signal immediately before the scattered light detection signal is input. To be configured. When the elapsed time is equal to or shorter than the second return time T 2 set from the outside in advance, the time corresponding to the second return time T 2 has passed from the time when the previous scattered light detection signal was input. Until all the SPAD elements are made inactive, the signal output from all SPAD elements is turned off. Thereafter, the active / inactive state of each SPAD element and the on / off state of each output changeover switch are returned to the state when the previous scattered light is received. By doing so, it is possible to prevent the SPAD element that received the previous scattered light and output an electrical signal from outputting an after pulse that is a source of erroneous detection.
T 2 second return times may from time to SPAD device has received scattered light, when set to exceed the time until no output after pulse. By doing so, the SPAD element can be returned in a state where no after pulse is output.

また、上記では、バイアス電圧切り替え装置１０を備えるものとしたが、バイアス電圧切り替え装置１０を省略してもよい。この場合、アフターパルスの発生自体を抑えるのではなく、各ＳＰＡＤ素子から加算回路１１への電気信号の出力を出力切り替え装置１６によりオンオフすることで、アフターパルスが加算回路１１へ入力されるのを防ぐ。このようにすることでも、アフターパルスの影響を抑えてターゲットからの散乱光をとらえることは可能である。   In the above description, the bias voltage switching device 10 is provided. However, the bias voltage switching device 10 may be omitted. In this case, the generation of the after pulse itself is not suppressed, but the output of the electrical signal from each SPAD element to the adder circuit 11 is turned on / off by the output switching device 16 so that the after pulse is input to the adder circuit 11. prevent. Even in this way, it is possible to capture the scattered light from the target while suppressing the influence of the afterpulse.

実施の形態３．
図４に、この発明の実施の形態３に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す。このレーザレーダ装置は、レーザ装置１と、発振器２と、変調器３と、送信光学系４と、スキャナ５と、角度モニタ装置６と、受信レンズ７と、ＳＰＡＤアレイ受信機８と、バイアス電圧印加装置９と、バイアス電圧切り替え装置１０と、加算回路１１と、散乱光検出判定回路１２と、距離測定装置１３と、強度測定装置１４と、信号処理装置１５と、復帰時間計測装置１７とを有する。つまり、実施の形態３に示すレーザレーダ装置は、実施の形態１に示すレーザレーダ装置に、復帰時間計測装置１７を追加したものである。ＳＰＡＤアレイ受信機８と、バイアス電圧印加装置９と、バイアス電圧切り替え装置１０と、加算回路１１と、散乱光検出判定回路１２と、復帰時間計測装置１７とが、実施の形態３に係るレーザ受信装置を構成する。
なお、図４において、図１と同一又は相当の部分については同一の符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。 Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 shows the configuration of a laser radar apparatus configured using the laser receiving apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. This laser radar device includes a laser device 1, an oscillator 2, a modulator 3, a transmission optical system 4, a scanner 5, an angle monitor device 6, a receiving lens 7, a SPAD array receiver 8, and a bias voltage. An application device 9, a bias voltage switching device 10, an addition circuit 11, a scattered light detection determination circuit 12, a distance measurement device 13, an intensity measurement device 14, a signal processing device 15, and a return time measurement device 17 are provided. Have. That is, the laser radar device shown in the third embodiment is obtained by adding the return time measuring device 17 to the laser radar device shown in the first embodiment. The SPAD array receiver 8, the bias voltage applying device 9, the bias voltage switching device 10, the adding circuit 11, the scattered light detection determining circuit 12, and the return time measuring device 17 are laser receiving according to the third embodiment. Configure the device.
4 that are the same as or equivalent to those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted or simplified.

復帰時間計測装置１７は、散乱光検出判定回路１２から散乱光検出信号が入力されると時間計測を開始して、計測時間が第１の復帰時間Ｔ１に達すると、バイアス電圧切り替え装置１０に復帰信号を出力する。第１の復帰時間Ｔ１は、予め外部より設定される。 Recovery time measuring device 17 may initiate a the scattered light detection signal is input time measured from the scattered light detection determining circuit 12, when the measured time reaches the T 1 first return time, the bias voltage switching device 10 Output a return signal. First return time T 1 is set in advance from the outside.

バイアス電圧切り替え装置１０は、散乱光検出判定回路１２から散乱光検出信号が入力されるか、または、復帰時間計測装置１７から復帰信号が入力されるかすると、各ＳＰＡＤ素子に対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を切り替える。
バイアス電圧切り替え装置１０は、初期状態として、アレイ状に配置されたＳＰＡＤ素子それぞれに対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を、一部のＳＰＡＤ素子に対応する電圧切り替えスイッチはオン状態、それ以外のＳＰＡＤ素子に対応する電圧切り替えスイッチはオフ状態に設定している。従って、この初期状態において、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態は、例えば図５（ａ）に示すようになる。図５では、アクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子を白で、ノンアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子をドット柄で示している。 When the scattered light detection signal is input from the scattered light detection determination circuit 12 or the return signal is input from the return time measurement device 17, the bias voltage switching device 10 is a voltage switch corresponding to each SPAD element. Toggle on / off state.
The bias voltage switching device 10 has, as an initial state, an on / off state of a voltage switching switch corresponding to each of the SPAD elements arranged in an array, a voltage switching switch corresponding to some SPAD elements is on, and the other SPADs. The voltage switch corresponding to the element is set to an off state. Therefore, in this initial state, the active non-active state of each SPAD element is as shown in FIG. In FIG. 5, the SPAD element in the active state is shown in white, and the SPAD element in the inactive state is shown in a dot pattern.

そして、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が図５（ａ）に示すものとなるようにバイアス電圧切り替え装置１０の各電圧切り替えスイッチが設定されている際に、散乱光検出信号又は復帰信号が入力されると、オン状態の電圧切り替えスイッチをオフ状態に、オフ状態の電圧切り替えスイッチをオン状態にして、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を、図５（ｂ）に示すものに切り替える。同様に、ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が図５（ｂ）に示すものである場合に、バイアス電圧切り替え装置１０に散乱光検出信号又は復帰信号が入力されると、バイアス電圧切り替え装置１０は、各ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を図５（ａ）に示すものに切り替える。   Then, when each voltage switch of the bias voltage switching device 10 is set so that the active / inactive state of each SPAD element is as shown in FIG. 5A, the scattered light detection signal or the return signal is input. Then, the on-state voltage changeover switch is turned off, the off-state voltage changeover switch is turned on, and the active / inactive state of each SPAD element is switched to that shown in FIG. Similarly, when the active / inactive state of the SPAD element is as shown in FIG. 5B, when the scattered light detection signal or the return signal is input to the bias voltage switching device 10, the bias voltage switching device 10 The active / inactive state of each SPAD element is switched to that shown in FIG.

なお、復帰時間計測装置１７は、散乱光検出信号が入力されて時間計測を実行している最中に、再度の散乱光検出信号が入力された場合、実行中の時間計測を中止して、当該再度の散乱光検出信号が入力された時点から時間計測を新たにやり直す。   When the scattered light detection signal is input again while the scattered light detection signal is input and the time measurement is being performed, the return time measurement device 17 stops the time measurement being performed, Time measurement is newly performed again from the time when the scattered light detection signal is input again.

このように、散乱光が検出されてＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が切り替わった後、第１の復帰時間Ｔ１として設定した一定時間が経過すると、ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が、当該散乱光を検出した際の状態に戻る。従って、散乱光の検出と当該散乱光の次の散乱光の検出との時間間隔が、第１の復帰時間Ｔ１以上開いている場合、どちらの散乱光においても、同等の感度で測定可能となる。 Thus, after the scattered light switched active inactive state of the SPAD device is detected, when a predetermined time set as T 1 first return time has elapsed, the active non-active state of the SPAD device, the scattered light It returns to the state when it was detected. Accordingly, the time interval between the detection of the next scattered light detection and the scattered light scattered light, if open first return time above T 1, in either of the scattered light, and can be measured with equivalent sensitivity Become.

特に、バイアス電圧切り替え装置１０は、復帰信号が入力されると、アクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子の比率が高い方のパターンにＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を設定するよう、構成されているとよい。図５（ａ）に示すＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態のパターンと、図５（ｂ）に示すＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態のパターンとで切り替えが行われるのであれば、図５（ａ）のパターンの方が、散乱光を受光する際にアクティブ状態にあるＳＰＡＤ素子が多く、散乱光に対する感度が高い。従って、復帰信号が入力された際に、ＳＰＡＤ素子が図５（ｂ）に示すアクティブノンアクティブ状態にあるならば、バイアス電圧切り替え装置１０は、ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態を図５（ａ）に示すものに切り替える。一方、復帰信号が入力された際に、ＳＰＡＤ素子が図５（ａ）に示すアクティブノンアクティブ状態にあるならば、バイアス電圧切り替え装置１０は、そのアクティブノンアクティブ状態を保つようにし、図５（ｂ）に示すものには切り替えない。このようにすることで、より多くの場合で、高感度での測定が可能となる。   In particular, the bias voltage switching device 10 may be configured to set the active / inactive state of the SPAD elements to a pattern having a higher ratio of SPAD elements in the active state when a return signal is input. If switching is made between the active / inactive state pattern of the SPAD element shown in FIG. 5 (a) and the active / inactive state pattern of the SPAD element shown in FIG. 5 (b), FIG. The pattern has more SPAD elements in an active state when receiving scattered light, and has higher sensitivity to scattered light. Therefore, if the SPAD element is in the active inactive state shown in FIG. 5B when the return signal is input, the bias voltage switching device 10 sets the active inactive state of the SPAD element in FIG. Switch to the one shown in. On the other hand, if the SPAD element is in the active inactive state shown in FIG. 5A when the return signal is input, the bias voltage switching device 10 maintains the active inactive state, and FIG. Do not switch to the one shown in b). By doing so, measurement with high sensitivity is possible in more cases.

実施の形態３に係るレーザ受信装置と異なり、復帰時間計測装置１７を有しない実施の形態１に係るレーザ受信装置の場合、全ＳＰＡＤ素子のうち８０％のＳＰＡＤ素子がアクティブ状態にある際に散乱光を検出して、ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が切り替わると、全ＳＰＡＤ素子のうち２０％のＳＰＡＤ素子しかアクティブ状態にない状態が、第１の復帰時間Ｔ１を過ぎようとも保持され続けることになる。このため、次の散乱光に対する感度が低くなる。
なお、第１の復帰時間Ｔ１は、ＳＰＡＤ素子が散乱光を受光したタイミングから、アフターパルスを出力しなくなるまでの時間を超えるように設定するとよい。このようにすることで、ＳＰＡＤ素子を、アフターパルスを出力しなくなった状態で復帰させることができる。 Unlike the laser receiving apparatus according to the third embodiment, in the case of the laser receiving apparatus according to the first embodiment that does not have the return time measuring device 17, scattering is performed when 80% of all SPAD elements are in the active state. detects the light, that the switched active inactive state of the SPAD devices, all SPAD state only 20% of the SPAD devices in the active state of the element, continues to be held trying Sugiyo a T 1 first return time become. For this reason, the sensitivity with respect to the next scattered light becomes low.
The first return time T 1 from the timing of SPAD device has received the scattered light may be set to exceed the time until no output after pulse. By doing so, the SPAD element can be returned in a state where no after pulse is output.

以上のように、この実施の形態３に係るレーザ受信装置によれば、ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が切り替わってから第１の復帰時間Ｔ１が過ぎると、再度ＳＰＡＤ素子のアクティブノンアクティブ状態が切り替わる。従って、実施の形態１で示した効果に加えて、散乱光と当該散乱光の次の散乱光とを同等の感度で測定することができるようになる。 As described above, according to the laser receiving apparatus according to the third embodiment, when the first return time T 1 is too from switched active inactive state of the SPAD devices, active inactive state again SPAD device Switch. Therefore, in addition to the effects shown in the first embodiment, the scattered light and the scattered light next to the scattered light can be measured with the same sensitivity.

なお、上記では、図１で示した実施の形態１に係るレーザ受信装置に復帰時間計測装置１７を追加した構成の図４を用いて、実施の形態３に係るレーザ受信装置を説明した。しかしながら、図３で示した実施の形態２に係るレーザ受信装置に復帰時間計測装置１７を追加した構成としてもよい。このように構成しても、同等の効果が得られる。   In the above description, the laser receiving apparatus according to the third embodiment has been described with reference to FIG. 4 in which the return time measuring device 17 is added to the laser receiving apparatus according to the first embodiment shown in FIG. However, the configuration may be such that the return time measuring device 17 is added to the laser receiving device according to the second embodiment shown in FIG. Even if comprised in this way, an equivalent effect is acquired.

さらに、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。   Furthermore, within the scope of the present invention, the present invention can be freely combined with each embodiment, any component of each embodiment can be modified, or any component can be omitted in each embodiment. .

１ レーザ装置、２ 発振器、３ 変調器、４ 送信光学系、５ スキャナ、６ 角度モニタ装置、７ 受信レンズ、８ ＳＰＡＤアレイ受信機、９ バイアス電圧印加装置、１０ バイアス電圧切り替え装置、１１ 加算回路（加算器）、１２ 散乱光検出判定回路（判定部）、１３ 距離測定装置、１４ 強度測定装置、１５ 信号処理装置、１６ 出力切り替え装置、１７ 復帰時間計測装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser apparatus, 2 Oscillator, 3 Modulator, 4 Transmission optical system, 5 Scanner, 6 Angle monitor apparatus, 7 Receiving lens, 8 SPAD array receiver, 9 Bias voltage application apparatus, 10 Bias voltage switching apparatus, 11 Adder circuit ( Adder), 12 scattered light detection determination circuit (determination unit), 13 distance measurement device, 14 intensity measurement device, 15 signal processing device, 16 output switching device, 17 return time measurement device.

Claims (8)

光を受光して信号を出力する受光素子を複数有する受信部と、
前記受信部が出力した前記信号を用いて、レーザ光の散乱光を受信したか否かを判定する判定部と、
前記受信部が有する前記複数の受光素子を少なくとも２つの素子群に分け、前記複数の受光素子に印加する電圧を前記素子群ごとに設定する状態切り替え部とを備え、
前記状態切り替え部は、第１素子群と第２素子群とで互いに異なる前記電圧を設定し、前記判定部が前記散乱光を受信したと判定した場合に、前記第１素子群に属する受光素子に設定している前記電圧と、前記第２素子群に属する受光素子に設定している前記電圧とを入れ替えることを特徴とするレーザ受信装置。 A receiver having a plurality of light receiving elements that receive light and output signals;
A determination unit that determines whether or not the scattered light of the laser beam has been received using the signal output from the reception unit;
A plurality of light receiving elements of the receiving unit are divided into at least two element groups, and a state switching unit that sets a voltage applied to the plurality of light receiving elements for each of the element groups, and
The state switching unit sets the voltages different from each other in the first element group and the second element group, and when the determination unit determines that the scattered light has been received, the light receiving element belonging to the first element group And the voltage set for the light receiving elements belonging to the second element group are switched. 前記受信部が有する前記複数の受光素子から前記判定部への出力をオンオフする出力切り替えスイッチを、前記複数の受光素子ごとに複数有する出力切り替え装置を備え、
前記出力切り替え装置は、閾値より高い前記電圧が設定されている前記受光素子に対応する前記出力切り替えスイッチをオンにし、閾値以下の前記電圧が設定されている前記受光素子に対応する前記出力切り替えスイッチをオフにすることを特徴とする請求項１記載のレーザ受信装置。 An output switching device having a plurality of output changeover switches for each of the plurality of light receiving elements;
The output switching device turns on the output switching switch corresponding to the light receiving element for which the voltage higher than a threshold is set, and the output switching switch corresponding to the light receiving element for which the voltage equal to or lower than the threshold is set. The laser receiver according to claim 1, wherein the laser receiver is turned off. 前記判定部が前記散乱光を受信したと判定してからの時間を計測する復帰時間計測装置を備え、
前記復帰時間計測装置による計測時間が第１の復帰時間に達すると、前記状態切り替え部が、前記第１素子群に属する受光素子に設定している前記電圧と、前記第２素子群に属する受光素子に設定している前記電圧とを入れ替えることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザ受信装置。 The determination unit comprises a return time measuring device that measures the time after determining that the scattered light has been received,
When the measurement time by the return time measuring device reaches the first return time, the state switching unit sets the voltage set for the light receiving element belonging to the first element group and the light reception belonging to the second element group. 3. The laser receiver according to claim 1, wherein the voltage set in the element is switched. 前記受信部は、
前記複数の受光素子と、
前記複数の受光素子がそれぞれ出力する前記信号を加算して出力する加算器とを有し、
前記状態切り替え部は、
前記複数の受光素子に印加されるバイアス電圧を出力するバイアス電圧印加装置と、
前記バイアス電圧印加装置が出力した前記バイアス電圧を、前記複数の受光素子ごとに調整するバイアス電圧切り替え装置とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のレーザ受信装置。 The receiver is
The plurality of light receiving elements;
An adder that adds and outputs the signals output by the plurality of light receiving elements,
The state switching unit
A bias voltage applying device that outputs a bias voltage applied to the plurality of light receiving elements;
4. The device according to claim 1, further comprising: a bias voltage switching device that adjusts the bias voltage output from the bias voltage application device for each of the plurality of light receiving elements. 5. Laser receiver. 前記第１素子群に属する受光素子と、前記第２素子群に属する受光素子とが、交互にアレイ状に並ぶことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のレーザ受信装置。   5. The light-receiving element belonging to the first element group and the light-receiving elements belonging to the second element group are alternately arranged in an array. 6. Laser receiver. 前記第１素子群に属する受光素子は、前記第２素子群に属する受光素子よりも多く、
測定開始時に、前記第１素子群に属する受光素子には閾値より高い前記電圧が設定され、前記第２素子群に属する受光素子には閾値以下の前記電圧が設定されることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のレーザ受信装置。 More light receiving elements belonging to the first element group than light receiving elements belonging to the second element group,
The voltage higher than a threshold value is set for the light receiving elements belonging to the first element group at the start of measurement, and the voltage equal to or lower than the threshold value is set for the light receiving elements belonging to the second element group. The laser receiver according to any one of claims 1 to 4. 前記状態切り替え部は、前記受信部が有する前記複数の受光素子に対して第３素子群を設定し、前記第３素子群に属する受光素子に常時閾値より高い前記電圧を設定することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のレーザ受信装置。   The state switching unit sets a third element group for the plurality of light receiving elements of the receiving unit, and sets the voltage always higher than a threshold value to the light receiving elements belonging to the third element group. The laser receiver according to any one of claims 1 to 6. 前記状態切り替え部は、前記判定部が前記散乱光を受信したと判定した際に、当該散乱光より１つ前の前記散乱光を受信したと判定されてからの経過時間を算出し、前記経過時間が第２の復帰時間以下の場合、前記経過時間が前記第２の復帰時間を超えるまでは前記第１素子群及び前記第２素子群に属する受光素子に閾値以下の前記電圧を設定し、その後、１つ前の前記散乱光を受信したときに設定していた前記電圧を設定することを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のレーザ受信装置。   When the determination unit determines that the scattered light has been received, the state switching unit calculates an elapsed time since it is determined that the scattered light immediately before the scattered light has been received, and the elapsed time If the time is equal to or shorter than the second return time, the voltage below the threshold is set to the light receiving elements belonging to the first element group and the second element group until the elapsed time exceeds the second return time, 8. The laser receiving apparatus according to claim 1, wherein the voltage set when the previous scattered light is received is set.
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