CN114128064A - 发光元件驱动装置以及光测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光元件驱动装置以及光测距装置。驱动发光元件(21)的发光元件驱动装置(100)具备：电容器(C1)，由电源(V1)充电，并用于向发光元件供给电流；第一布线(W1)，供电流从电容器向发光元件流动；第二布线(W2)，供从发光元件输出的电流流动；第一开关(SW1)，用于将电容器的状态切换为充电状态和放电状态中的任意一种状态，其中，在上述充电状态下，从电源对电容器进行充电，在上述放电状态下，从电容器向发光元件供给电流；二极管(D1)，与发光元件并联地反向连接于第一布线和第二布线；以及电阻器(R2)，与二极管串联连接。

Description

发光元件驱动装置以及光测距装置

相关申请的交叉引用：本申请基于在2019年7月18日申请的日本申请号2019-132390号以及在2020年7月8日申请的日本申请号2020-117647号，在此处引用它们的记载内容。

技术领域

本公开涉及发光元件驱动装置以及光测距装置。

背景技术

为了使发光元件进行短脉冲的发光，已知有利用从电源对电容器充电的电荷使发光元件发光的驱动装置(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2017-28235号公报

对于用于LiDAR(Light Detection and Ranging：激光雷达)装置等光测距装置的发光元件，为了提高测定到对象物的距离的精度，需要在短时间内流动大电流。若在短时间内使大电流从电容器向发光元件流动，则由于布线的寄生电感的影响，存在在发光后电涌电压被施加到发光元件，而发光元件劣化的可能性。因此，考虑对发光元件并联地反向连接二极管，但本申请发明人发现了如下技术问题：由于由二极管的反向连接而形成的谐振电路，而存在发光元件产生二次发光的可能性。这样的技术问题是在数十ns左右的脉冲宽度的发光中不会出现的技术问题，例如，是通过利用在几ns的脉冲宽度下流动100A左右的大电流这样的、与以往完全不同的发光条件驱动发光元件而明显化的新的技术问题。

发明内容

本公开能够作为以下的方式来实现。

根据本公开的第一方式，提供一种驱动发光元件的发光元件驱动装置。该发光元件驱动装置具备：电容器，由电源充电，并用于向上述发光元件供给电流；第一布线，供上述电流从上述电容器向上述发光元件流动；第二布线，供从上述发光元件输出的电流流动；第一开关，用于将上述电容器的状态切换为充电状态和放电状态中的任意一种状态，其中，在上述充电状态下，从上述电源对上述电容器进行充电，在上述放电状态下，从上述电容器向上述发光元件供给上述电流；二极管，与上述发光元件并联地反向连接于上述第一布线和上述第二布线；以及电阻器，与上述二极管串联连接。

根据该方式的发光元件驱动装置，由于二极管与发光元件并联连接，因此即使由于第二布线的寄生电感而产生电涌电压，也能够抑制电流反向流向发光元件。因此，能够抑制因产生电涌电压而发光元件劣化。另外，由于电阻器与二极管串联连接，因此能够抑制因电涌电压而电容器被再充电。其结果是，能够抑制伴随电涌电压的产生而发光元件产生二次发光的情况。

根据本公开的第二方式，提供一种驱动发光元件的发光元件驱动装置。该发光元件驱动装置具备：电容器，由电源充电，并用于向上述发光元件供给电流；第一布线，供上述电流从上述电容器向上述发光元件流动；第二布线，供从上述发光元件输出的电流流动；第一开关，用于将上述电容器的状态切换为充电状态和放电状态中的任意一种状态，其中，在上述充电状态下，从上述电源对上述电容器进行充电，在上述放电状态下，从上述电容器向上述发光元件供给上述电流；二极管，与上述发光元件并联地反向连接于上述第一布线和上述第二布线；以及第二开关，连接于上述电容器的端子间，用于使上述电容器放电。

根据该方式的发光元件驱动装置，由于二极管与发光元件并联连接，因此即使由于第二布线的寄生电感而产生电涌电压，也能够抑制电流反向流向发光元件。因此，能够抑制因产生电涌电压而发光元件劣化。另外，由于在电容器的端子间设置有用于使电容器放电的第二开关，因此即使因电涌电压的产生而电容器被再充电，也能够通过接通第二开关而使电容器放电。其结果是，能够抑制伴随电涌电压的产生而发光元件产生二次发光。

本公开也能够以发光元件驱动装置以外的各种方式来实现。例如，能够以发光元件的驱动方法、具备发光元件驱动装置的光测距装置等方式来实现。

附图说明

通过参照附图进行下述的详细的描述，关于本公开的上述目的以及其它的目的、特征、优点变得更加明确。

图1是表示光测距装置的简要结构的图。

图2是表示光测距装置的更具体的结构的图。

图3是表示受光面的结构的图。

图4是表示直方图的例子的图。

图5是第一实施方式中的发光元件驱动装置的结构图。

图6是第一实施方式中的时序图。

图7是表示光输出的实验结果的图表。

图8是第二实施方式中的发光元件驱动装置的结构图。

图9是第二实施方式中的流程图。

图10是第二实施方式中的时序图。

具体实施方式

A.第一实施方式：

如图1所示，作为本公开的一个方式的光测距装置10具备壳体15、照射部20、受光部30以及测定部40。照射部20对空间中的规定测定范围MR射出照射光IL。在本实施方式中，照射部20在扫描方向SD上扫描照射光IL。照射光IL形成为与扫描方向SD正交的方向成为长边方向的矩形。受光部30从与照射光IL的照射相应的包含测定范围MR的范围接受反射光。测定部40根据受光部30接受到的反射光的强度，测定到存在于测定范围MR内的物体的距离。光测距装置10例如搭载于车辆，用于障碍物的检测、测定到障碍物的距离。

在图2中示出光测距装置10的更具体的结构。如图2所示，光测距装置10除了图1所示的照射部20、受光部30以及测定部40之外，还具备控制部50。控制部50构成为具备CPU以及存储器的计算机，控制照射部20、受光部30、测定部40。

照射部20具备发光元件21和发光元件驱动装置100。本实施方式中的发光元件21是半导体激光二极管。发光元件21由发光元件驱动装置100驱动，照射脉冲激光作为照射光。对于发光元件驱动装置100的具体结构后述。从发光元件21射出的照射光通过未图示的光学系统形成为图1所示的纵向长的照射光IL。照射部20具备扫描部22。扫描部22通过使反射镜222以旋转轴221为中心转动，而遍及测定范围MR内进行照射光IL的一维扫描。反射镜222例如由MEMS反射镜构成。反射镜222的转动由控制部50控制。

由照射部20照射的照射光被测定范围MR内的物体OB反射。被物体OB反射的反射光被受光部30接受。

如图2和图3所示，受光部30在被照射来自物体的反射光的受光面32呈二维阵列状设置有多个像素31。如图3所示，各像素31具有多个接受来自物体OB的反射光的受光元件311。在本实施方式中，各像素31具有横向9个×纵向5个共计45个受光元件311，根据接受到的光的强度，输出0～45个脉冲信号。受光部30的受光面32例如通过在纵向配置64个像素31、在横向配置256个像素31而构成。

在受光部30连接有强度信号输出部41。强度信号输出部41是输出表示由受光元件311检测出的反射光的强度的强度信号的电路。强度信号输出部41按每个像素将从各像素31所包含的多个受光元件311大致同时输出的脉冲信号的数量相加。而且，输出该加法值作为表示在各像素31中接受到的反射光的强度的强度信号。在本实施方式中，如上所述，由于各像素具备45个受光元件311，因此从强度信号输出部41按每个像素31输出具有0～45的值的强度信号。

测定部40具备如下功能：根据从强度信号输出部41依次输出的强度信号检测峰值信号，并根据从照射部20照射光到检测出峰值信号的时间来测定到物体OB的距离。测定部40为了实现该功能，而具备直方图生成部42、信号处理部43以及距离运算部44。这些结构例如构成为1个或者2个以上的集成电路。此外，这些结构也可以是通过CPU执行程序而以软件的方式实现的功能部。

直方图生成部42是基于从强度信号输出部41输出的强度信号，按每个像素31生成直方图的电路。图4中示出直方图的例子。横轴所示的直方图的等级表示从照射部20照射照射光IL起到由像素31接受反射光的光的飞行时间。以下，将该时间称为TOF(TOF：Time OfFlight)。另一方面，纵轴所示的直方图的度数是从强度信号输出部41输出的强度信号的值，表示从物体反射的光的强度。直方图生成部42通过按每个TOF记录从强度信号输出部41输出的强度信号来生成直方图。当在测定范围MR存在物体OB的情况下，从该物体OB反射光，在与到该物体OB的距离相应的TOF的等级中记录强度信号。

信号处理部43是将直方图中最大的度数的等级的部分检测为峰值信号的电路。直方图中的峰值信号表示在与对应于该峰值信号的TOF相应的位置(距离)存在物体。峰值信号以外的信号例如是由干扰光的影响产生的信号。此外，信号处理部43也可以将成为预先决定的阈值以上的度数的等级的部分检测为峰值信号。

距离运算部44是根据由信号处理部43检测出的峰值信号所对应的TOF求出距离值D的电路。若将与峰值信号对应的TOF设为“Δt”、将光速设为“c”、将距离值设为“D”，则距离运算部44通过以下的式(1)，来计算距离值D。距离运算部44对所有直方图、即所有像素31计算距离值D。

D＝(c×Δt)/2…(1)

由测定部40测定的各像素31的距离值D被从光测距装置10输出到车辆的ECU等。车辆的ECU通过使用从光测距装置10获取到的每个像素31的距离值，能够进行测定范围MR内的障碍物的检测、到障碍物的距离的测定。

如图5所示，驱动发光元件21的发光元件驱动装置100具备电容器C1、第一开关SW1以及二极管D1。

电容器C1经由第一电阻器R1与电源V1连接。电源V1例如是具有100～200V的恒定的电压的直流电源。第一电阻器R1的电阻值例如是10k～100kΩ。电容器C1经由第一电阻器R1由电源V1充电。充电所需的时间根据电容器C1的电容和第一电阻器R1的电阻值来决定。电容器C1并不限于一个，也可以通过将多个电容器并联连接而构成。

电容器C1向发光元件21供给电流。电容器C1和发光元件21通过第一布线W1连接。第一布线W1供电流从电容器C1向发光元件21流动。第一布线W1与发光元件21的阳极端子连接。例如，在数ns间，100A左右的大电流从电容器C1向发光元件21流动。从电容器C1向发光元件21供给电流的供给期间(脉冲宽度)以及电流值并不限于此，例如，可以将供给期间设为2～10ns，将电流值设为50～250A。

发光元件21经由第二布线W2与接地连接。第二布线W2与发光元件21的阴极端子连接。从发光元件21输出的电流在第二布线W2中流动。第二布线W2具有与该布线长度相应的寄生电感L1。在本实施方式中，在第二布线W2设置有第一开关SW1。在本实施方式中，第一开关SW1由半导体开关元件构成。第一开关SW1根据来自控制部50的指示，由第一栅极驱动器GD1进行开关。

第一开关SW1将电容器C1的充电放电状态切换为从电源V1对电容器C1进行充电的充电状态和从电容器C1向发光元件21供给电流的放电状态中的任意一种状态。在本实施方式中，若第一开关SW1被断开，则电源V1与接地断开，而电容器C1成为充电状态。另一方面，若第一开关SW1被接通，则电容器C1经由发光元件21与接地连接，而成为放电状态。在本说明书中，所谓的接通开关是指使该开关的上游侧的布线和下游侧的布线导通，所谓的断开开关是指断开该开关的上游侧的布线和下游侧的布线。

二极管D1与发光元件21并联地反向连接于第一布线W1和第二布线W2。也就是说，二极管D1的阴极端子与第一布线W1连接，二极管D1的阳极端子与布线W2连接。更具体而言，在本实施方式中，二极管D1的阴极端子经由与二极管D1的阴极端子串联连接的第二电阻器R2与第一布线W1连接。二极管D1的阳极端子连接到第二布线W2的发光元件21与第一开关SW1之间的部分。作为第二电阻器R2，能够使用电阻器、铁氧体磁珠电感器。

如图6所示的时序图那样，若通过第一栅极驱动器GD1接通第一开关SW1，则发光元件21与接地之间导通，被充电到电容器C1的电荷流向发光元件21，而发光元件21发光。由第一栅极驱动器GD1接通的第一开关SW1的接通期间例如为30～60ns。发光元件21的发光期间例如为3～6ns。在发光元件21发光后，由于存在于第二布线W2的寄生电感L1的影响，存在在第二布线W2产生电涌电压的可能性。电流越大，电涌电压越增大，另外，脉冲宽度越短，电涌电压越增大。在本实施方式中，由于二极管D1与发光元件21并联地反向连接，因此即使产生电涌电压，由该电涌电压产生的电流也在二极管D1中流动，而不会流向发光元件21。若电流流过二极管D1，则利用该电流对电容器C1充电。而且，若电容器C1的电压超过发光元件21的正向电压，则电流再次从电容器C1向发光元件21流动，如图6中虚线所示，存在发光元件21在不希望的时刻发光的担忧。将这样的发光也称为二次发光，将这样的现象也称为谐振现象。但是，在本实施方式中，由于第二电阻器R2与二极管D1串联连接，因此在二极管D1中流动的电流因流过第二电阻器R2而衰减。因此，抑制上述那样的谐振现象，并抑制二次发光的产生。

若第二电阻器R2的电阻值过大，则在产生电涌电压时，电流难以流向二极管D1和第二电阻器R2，而电流反向流向发光元件21的可能性提高。因此，第二电阻器R2的电阻值例如优选为3～6Ω。图7中示出作为第二电阻器R2设置了3Ω的电阻元件的情况下的光输出的实验结果。图7的横轴表示接通第一开关SW1后的经过时间，纵轴表示发光元件21的光输出的大小。如图7所示，当在发光元件驱动装置100设置了第二电阻器R2的情况下，能够抑制在发光元件21的一次发光后，产生二次发光。

如以上说明那样，根据第一实施方式中的发光元件驱动装置100，通过将二极管D1与发光元件21并联地反向连接，在因寄生电感L1而产生电涌电压的情况下，能够保护发光元件21不受该电涌电压的影响，并且，通过将第二电阻器R2与二极管D1串联连接，也能够抑制伴随电涌电压的产生而发光元件21二次发光。

此外，在本实施方式中，第二电阻器R2与二极管D1的阴极端子串联连接，但也可以与二极管D1的阳极端子串联连接。

另外，在本实施方式中，第一开关SW1设置于第二布线W2，但第一开关SW1也可以设置于第一布线W1。具体而言，第一开关SW1也可以设置于第一布线W1的比与二极管D1的连接部分靠上游侧的部分。

另外，在本实施方式中，在电源V1的下游设置有第一电阻器R1，但也可以代替第一电阻器R1，设置其他元件或者电路。例如，代替第一电阻器R1，可以设置线圈，或者也可以串联地设置二极管和线圈。另外，也可以设置在电容器C1放电时被断开的开关。

B.第二实施方式：

如图8所示，第二实施方式中的发光元件驱动装置100b具备第二开关SW2。第二开关SW2连接于电容器C1的端子间、即第一布线W1与接地之间。发光元件驱动装置100b的其他结构与图5所示的第一实施方式的发光元件驱动装置100相同。在本实施方式中，第二开关SW2由半导体开关元件构成。第二开关SW2根据来自控制部50的指示，通过第二栅极驱动器GD2进行开关。

如图9所示，首先，在步骤S10中，若从电源V1对电容器C1进行充电，则接着在步骤S20中，第一开关SW1被接通，发光元件21进行一次发光。那么，如上所述，由于由寄生电感L1引起电涌电压的产生，存在电容器C1被再充电的情况。因此，在本实施方式中，在一次发光后，在步骤S30中，在产生二次发光之前，接通第二开关SW2，使被再充电的电容器C1放电。那么，如图10所示，在不存在第二开关SW2的情况下，存在产生二次发光的可能性，但通过设置第二开关SW2并在一次发光后将其接通，能够对电容器C1放电，而抑制产生二次发光。

在图10中示出接通第一开关SW1和第二开关SW2的期间的长度一致的例子。但是，这些期间也可以不一致。例如，第二开关SW2在一次发光结束之后接通，以覆盖产生二次发光的时间的方式设定接通时间即可。另外，只要第一开关SW1被接通到一次发光结束，则断开的时刻是任意的。但是，优选在产生二次发光之前，第一开关SW1被断开。

在图8所示的本实施方式的发光元件驱动装置100b的结构中，二极管D1未连接有第二电阻器R2。但是，在本实施方式中，也可以与第一实施方式同样地、对二极管D1串联连接第二电阻器R2。这样，能够更可靠地抑制产生二次发光。

C.其他实施方式：

(C-1)作为图5和图8所示的二极管D1，也可以使用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)等所具备的体二极管。FET可以是N沟道型，也可以是P沟道型。

(C-2)具备发光元件驱动装置100的装置并不限于光测距装置10。例如，也可以在具备发光元件21的图像显示装置中具备发光元件驱动装置100。另外，作为发光元件21，根据具备发光元件驱动装置100的装置的用途，也可以采用发光二极管等其他元件，而不限于半导体激光二极管。

(C-3)在上述实施方式中，光测距装置10采用了投光时的光轴与受光时的光轴不同的异轴型的光学系统。与此相对，光测距装置10也可以采用投光时的光轴与受光时的光轴一致的同轴型的光学系统。另外，在上述实施方式中，像素在铅垂方向以及水平方向上平面地排列，但像素31也可以在规定方向上排列成1列。另外，在上述实施方式中，作为扫描方式，光测距装置10采用在一个方向上扫描长条状的光的1D扫描方式，但也可以采用在二维方向上扫描点状的光的2D扫描方式。另外，光测距装置10也可以是不扫描光而在大范围内照射光的闪光方式的装置。

(C-4)在上述实施方式中，受光部30所具备的各像素31能够由PIN光电二极管、雪崩光电二极管、SPAD(单光子雪崩二极管)等受光元件构成。在该情况下，如果该受光元件能够输出与接受到的反射光的强度相应的无级或者多级的电平信号，则也可以不生成直方图，而使用该信号的电平来测定距离。

本公开并不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构来实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或者全部、或者为了实现上述的效果的一部分或者全部，各实施方式中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，只要在本说明书中未将该技术特征作为必需的结构来说明，则可以适当地删除。

Claims (4)

1.一种发光元件驱动装置(100)，驱动发光元件(21)，上述发光元件驱动装置具备：

电容器(C1)，由电源(V1)充电，并用于向上述发光元件供给电流；

第一布线(W1)，供上述电流从上述电容器向上述发光元件流动；

第二布线(W2)，供从上述发光元件输出的电流流动；

第一开关(SW1)，用于将上述电容器的状态切换为充电状态和放电状态中的任意一种状态，其中，在上述充电状态下，从上述电源对上述电容器进行充电，在上述放电状态下，从上述电容器向上述发光元件供给上述电流；

二极管(D1)，与上述发光元件并联地反向连接于上述第一布线和上述第二布线；以及

电阻器(R2)，与上述二极管串联连接。

2.一种发光元件驱动装置(100b)，驱动发光元件(21)，上述发光元件驱动装置具备：

电容器(C1)，由电源(V1)充电，并用于向上述发光元件供给电流；

第一布线(W1)，供上述电流从上述电容器向上述发光元件流动；

第二布线(W2)，供从上述发光元件输出的电流流动；

第一开关(SW1)，用于将上述电容器的状态切换为充电状态和放电状态中的任意一种状态，其中，在上述充电状态下，从上述电源对上述电容器进行充电，在上述放电状态下，从上述电容器向上述发光元件供给上述电流；

二极管(D1)，与上述发光元件并联地反向连接于上述第一布线和上述第二布线；以及

第二开关(SW2)，连接于上述电容器的端子间，用于使上述电容器放电。

3.根据权利要求2所述的发光元件驱动装置(100b)，其中，

在通过上述第一开关将上述电容器设为放电状态而上述电流从上述电容器向上述发光元件流动后，上述第二开关被接通。

4.一种光测距装置(10)，具备：

权利要求1～3中任一项所述的发光元件驱动装置(100、100b)；

受光元件(311)，从被上述发光元件照射光的物体接受反射光；

强度信号输出部(41)，输出表示由上述受光元件接受到的上述反射光的强度的强度信号；以及

测定部(40)，根据从上述强度信号输出部依次输出的上述强度信号检测峰值信号，并根据从上述发光元件照射光到检测出上述峰值信号的时间来测定到上述物体的距离。

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