DE112016003988T5

DE112016003988T5 - Distanzmessvorrichtung und distanzmessverfahren

Info

Publication number: DE112016003988T5
Application number: DE112016003988.3T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Koyama; Toyoharu Oohata; Tomoki Ono
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2018-05-17
Also published as: US20180238999A1; JP6825565B2; US10852401B2; JPWO2017037968A1; WO2017037968A1

Abstract

Die vorliegende Distanzmessvorrichtung (1) ist mit mindestens einer Messeinheit (10) ausgestattet, wobei die Messeinheit (10) mit Folgendem ausgestattet ist: einer ersten Lichtempfangseinheit (101), die aus mehreren miteinander verbundenen Lichtempfangselementen (105) des photonenzählenden Typs zusammengesetzt ist; einer ersten Umwandlungseinheit (102), die einen von der ersten Lichtempfangseinheit (101) ausgegebenen elektrischen Strom in eine Spannung umwandelt; einer ersten Verstärkungseinheit (103), die einen verstärkten Wert, der durch ein Verstärken der von der ersten Umwandlungseinheit (102) ausgegebenen Spannung erhalten wird, ausgibt und, wenn der verstärkte Wert einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, den Grenzwert ausgibt; und einer ersten Messeinheit (104), die eine Zeit misst, bei der der von der ersten Verstärkungseinheit (103) ausgegebene Wert einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Distanzmessvorrichtung und ein Distanzmessverfahren.
[Stand der Technik]
Gewöhnlich ist eine Distanzmessvorrichtung bekannt, bei der eine Zeit, bevor Reflexionslicht empfangen wird, nachdem Impulslicht auf ein Messziel ausgestrahlt wird, (manchmal als Laufzeit (TOF (Time Of Flight)) bezeichnet) gemessen wird, um eine Distanz zum Messziel zu messen. In PTL1 ist zum Beispiel eine Distanzmessvorrichtung beschrieben, bei der eine Avalanche-Photodiode in einem Lichtempfangsabschnitt verwendet wird.
[Entgegenhaltungsliste]
[Patentliteratur]
[PTL 1] Japanisches Patent mit der Nr. 4898176
[Kurzdarstellung]
[Technisches Problem]
Auf dem Gebiet einer derartigen, wie oben beschriebenen Distanzmessvorrichtung wird verlangt, dass eine Distanz mit einem höheren Grad an Genauigkeit gemessen wird.
Dementsprechend besteht eine der Aufgaben der vorliegenden Offenbarung darin, eine Distanzmessvorrichtung und ein Distanzmessverfahren bereitzustellen, durch die bzw. das eine Distanz mit einem höheren Grad an Genauigkeit gemessen werden kann.
[Lösung des Problems]
Um den oben beschriebenen Gegenstand zu lösen, ist die vorliegende Offenbarung zum Beispiel eine Distanzmessvorrichtung, die Folgendes beinhaltet:

mindestens eine Messeinheit;
wobei die Messeinheit Folgendes beinhaltet:
- einen ersten Lichtempfangsabschnitt, der mehrere miteinander verbundene Lichtempfangseinrichtungen des photonenzählenden Typs beinhaltet,
- einen ersten Umwandlungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Umwandeln eines vom ersten Lichtempfangsabschnitt ausgegebenen Stroms in eine Spannung,
- einen ersten Verstärkungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Ausgeben eines Verstärkungswerts, der durch ein Verstärken der vom ersten Umwandlungsabschnitt ausgegebenen Spannung erhalten wird, und zum Ausgeben, wenn der Verstärkungswert einen gegebenen Grenzwert überschreitet, des Grenzwerts als den Verstärkungswert, und
- einen ersten Messabschnitt, der konfiguriert ist zum Messen eines Timings, bei dem ein Ausgangswert vom ersten Verstärkungsabschnitt einen gegebenen Schwellenwert erreicht.

Des Weiteren ist die vorliegende Offenbarung zum Beispiel ein Distanzmessverfahren, das Folgendes beinhaltet:

Empfangen, durch einen ersten Lichtempfangsabschnitt, der aus mehreren miteinander verbundenen Lichtempfangseinrichtungen des photonenzählenden Typs konfiguriert ist, aus Referenzlicht, das von einem Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, und Reflexionslicht, wenn vom Lichtprojektionsabschnitt projiziertes Licht durch ein Messziel reflektiert wird, zumindest das Reflexionslicht;
Umwandeln, durch einen ersten Umwandlungsabschnitt, eines vom ersten Lichtempfangsabschnitt ausgegebenen Stroms, als Reaktion auf den Empfang des Reflexionslichts, in eine Spannung;
Ausgeben, durch einen ersten Verstärkungsabschnitt, eines Verstärkungswerts, der durch ein Verstärken der vom ersten Umwandlungsabschnitt ausgegebenen Spannung erhalten wird, und Ausgeben, wenn der Verstärkungswert einen gegebenen Grenzwert überschreitet, des Grenzwerts als den Verstärkungswert; und
Messen, durch einen ersten Messabschnitt, eines Timings, zu dem ein Ausgangswert vom ersten Verstärkungsabschnitt einen gegebenen Schwellenwert erreicht.

[Vorteilhafter Effekt der Erfindung]
Mit mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die Distanz zum Messziel mit einem höheren Grad an Genauigkeit gemessen werden. Es ist anzumerken, dass der hier beschriebene Effekt nicht notwendigerweise einschränkend ist und dass ein beliebiger der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Effekte dargelegt werden kann. Des Weiteren soll der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung nicht durch die beispielhaft dargelegten Effekte als begrenzend interpretiert werden.
Figurenliste

[1] 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Distanzmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform abbildet.
[2] 2 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Wellenform eines SPAD-Summensignals gemäß der Ausführungsform abbildet.
[3] 3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Merkmals eines Verstärkungsabschnitts gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
[4] 4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Verarbeitung eines Messabschnitts gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
[5] 5 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Distanzmessvorrichtung gemäß einer Modifikation abbildet.
[6] 6 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Fehlers veranschaulicht, der als Reaktion auf eine Lichtintensität von Reflexionsimpulslicht auftreten kann.
[7] 7 ist eine Ansicht, die veranschaulicht, dass die Genauigkeit einer Distanzmessung als Reaktion auf einen Fehler abnimmt.

[Beschreibung der Ausführungsform]
Im Folgenden sind eine Ausführungsform und so weiter der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist anzumerken, dass die Beschreibung gemäß der folgenden Reihenfolge gegeben ist.
<1. Ausführungsform>
<2. Modifikation>
Die nachfolgend beschriebene Ausführungsform und so weiter sind zweckmäßige spezielle Beispiele der vorliegenden Offenbarung und der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die Ausführungsform und so weiter eingeschränkt.
<1. Ausführungsform>
[Beispiel einer Konfiguration einer Distanzmessvorrichtung]
1 bildet ein Beispiel einer Konfiguration einer Distanzmessvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ab. Die Distanzmessvorrichtung 1 beinhaltet zum Beispiel eine erste Messeinheit 10 als eine Messeinheit, eine zweite Messeinheit 20 als eine andere Messeinheit, einen Lichtprojektionsabschnitt 30 und einen Berechnungsabschnitt 40. Schematisch beschreibend ist die Distanzmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Vorrichtung, bei der, während die erste Messeinheit 10 Reflexionsimpulslicht RP (Reflexionslicht) von einem Messziel MT von innerhalb Impulslicht, das vom Lichtprojektionsabschnitt 30 ausgestrahlt wird, empfängt, die zweite Messeinheit 20 Referenzimpulslicht SP (Referenzlicht) empfängt und die eine Laufzeit T_TOF des Impulslichts aus einer Differenz zwischen den Lichtempfangstimings bestimmt, die Laufzeit T_TOF zum Beispiel mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und ein Ergebnis der Multiplikation durch 2 dividiert, um die Distanz zum Messziel TM zu messen.
Die Komponenten der Distanzmessvorrichtung 1 werden ausführlich beschrieben. Die erste Messeinheit 10 beinhaltet zum Beispiel einen Lichtempfangsabschnitt 101, einen Umwandlungsabschnitt 102, einen Verstärkungsabschnitt 103 und einen Messabschnitt 104. Der Lichtempfangsabschnitt 101 wird zum Beispiel durch paralleles Schalten miteinander mehrerer Lichtempfangseinrichtungen des photonenzählenden Typs konfiguriert. Als die Lichtempfangseinrichtung des photonenzählenden Typs wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Einzelphotonen-Avalanche-Photodiode (nachfolgend zweckmäßig als SPAD (Single Photon Avalanche Diode) bezeichnet) verwendet.
Wie in 1 abgebildet, ist der Lichtempfangsabschnitt 101 aus mehreren SPAD 105₁, SPAD 105₂, ... SPAD 105_n konfiguriert (n ist eine beliebige ganze Zahl) und dort, wo die SPADs in der folgenden Beschreibung nicht voneinander unterschieden werden müssen, wird jede SPAD einfach als SPAD 105 bezeichnet. Die SPAD 105 beinhaltet eine APD (Avalanche-Photodiode) 106, die dazu konfiguriert ist, unter einer Sperrvorspannung (als Geigermodus bezeichnet) zu arbeiten, die gleich oder höher als eine Durchbruchspannung ist, und einen Löschwiderstand 107, der mit der APD 106 verbunden ist.
Der Umwandlungsabschnitt 102 ist aus einer Einrichtung oder einer Schaltung konfiguriert, die einen vom Lichtempfangsabschnitt 101 ausgegebenen Strom in eine Spannung umwandelt, und der Umwandlungsabschnitt 102 in der vorliegenden Ausführungsform ist aus einem Widerstand konfiguriert, der zwischen dem Lichtempfangsabschnitt 101 und Masse (GND) geschaltet ist.
Der Verstärkungsabschnitt 103 ist ein Verstärker (Verstärker), der eine vom Umwandlungsabschnitt 102 ausgegebene Spannung verstärkt und eine Spannung (einen Verstärkungswert) nach einer Verstärkung ausgibt. Obwohl nachfolgend Einzelheiten beschrieben werden, bei denen eine Spannung nach einer Verstärkung einen gegebenen Grenzwert überschreitet, ist der Verstärkungsabschnitt 103 in der vorliegenden Ausführungsform als ein Begrenzungsverstärker konfiguriert, der den Grenzwert ausgibt.
Der Messabschnitt 104 misst ein Timing, bei dem die vom Verstärkungsabschnitt 103 ausgegebene Spannung (der Ausgangswert) einen gegebenen Schwellenwert erreicht, und gibt das gemessene Timing an den Berechnungsabschnitt 40 aus. Der Messabschnitt 104 in der vorliegenden Ausführungsform ist aus einem Zeit-Digital-Wandler (nachfolgend zweckmäßig als TDC (Time Digital Converter) bezeichnet) konfiguriert, der das gemessene Timing in einen digitalen Wert umwandelt und diesen ausgibt.
Jetzt wird die zweite Messeinheit 20 beschrieben. Die Konfiguration der zweiten Messeinheit 20 in der vorliegenden Ausführungsform ähnelt der der ersten Messeinheit 10 und beinhaltet zum Beispiel einen Lichtempfangsabschnitt 201, einen Umwandlungsabschnitt 202, einen Verstärkungsabschnitt 203 und einen Messabschnitt 204.
Die Komponenten der zweiten Messeinheit 20 werden kurz beschrieben. Der Lichtempfangsabschnitt 201 wird durch paralleles Schalten miteinander mehrerer SPADs konfiguriert. Der Umwandlungsabschnitt 202 ist aus einer Einrichtung oder einer Schaltung konfiguriert, die einen vom Lichtempfangsabschnitt 201 ausgegebenen Strom in eine Spannung umwandelt, und ist aus einem Widerstand konfiguriert. Der Verstärkungsabschnitt 203 ist ein Verstärker, der eine vom Umwandlungsabschnitt 202 ausgegebene Spannung verstärkt und die Spannung nach einer Verstärkung ausgibt, und ist als ein Begrenzungsverstärker konfiguriert, der dort, wo die Spannung nach einer Verstärkung einen gegebenen Grenzwert überschreitet, den Grenzwert ausgibt. Der Messabschnitt 204 ist ein TDC, der ein Timing misst, zu dem die vom Verstärkungsabschnitt 203 ausgegebene Spannung einen gegebenen Schwellenwert erreicht, und das gemessene Timing in einen digitalen Wert umwandelt und dann den digitalen Wert an den Berechnungsabschnitt 40 ausgibt.
Der Lichtprojektionsabschnitt 30 beinhaltet zum Beispiel eine Impulslaserdiode als eine Lichtquelle, einen Treiber zum Ansteuern der Impulslaserdiode und so weiter. Wenn der Treiber arbeitet, wird Impulslicht von der Impulslaserdiode emittiert. Als ein Beispiel wird Impulslicht mit einer Wellenlänge von ungefähr 800 nm (Nanometer) und einer Halbbreite von 100 ps (Picosekunden) oder weniger vom Lichtprojektionsabschnitt 30 mit Wiederholungen von 20 MHz (Megahertz) emittiert. Obwohl eine Wellenlänge, die mit einem geringen Anteil in Sonnenlicht, das Umgebungslicht ist, enthalten ist, als eine Wellenlänge des Impulslichts bevorzugt wird, kann Impulslicht mit einer Wellenlänge, die sich von der des oben beschriebenen Beispiels unterscheidet, verwendet werden. Des Weiteren ist es wünschenswert, die Halbbreite des Impulslichts kleiner als die Anstiegszeit eines von der SPAD 105 ausgegebenen Signals (nachfolgend zweckmäßig als SPAD-Signal bezeichnet) festzulegen.
Der Berechnungsabschnitt 40 ist aus einen Mikrocomputer oder dergleichen konfiguriert und bestimmt eine Laufzeit T_TOF auf Basis der Differenz zwischen den Timings, die von jedem der Abschnitte, einschließlich des Messabschnitts 104 und des Messabschnitts 204, eingegeben werden. Dann wird die bestimmte Laufzeit T_TOF mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und ein Ergebnis der Multiplikation wird zum Beispiel durch 2 dividiert, um die Distanz zum Messziel MT zu berechnen.
[Einzelheiten des Lichtempfangsabschnitts]
Jetzt wird der Lichtempfangsabschnitt 101 in der vorliegenden Ausführungsform ausführlich beschrieben. Es ist anzumerken, dass, da der Lichtempfangsabschnitt 201 in der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration aufweist, die der des Lichtempfangsabschnitts 101 ähnelt, die folgende Beschreibung auch am Lichtempfangsabschnitt 201 angewendet werden kann.
Falls ein einzelnes Photon empfangen wird, dann bewirkt die APD 106 in der SPAD 105 eine Avalanche-Vervielfachung und erzeugt einen Avalanche-Strom um einen Multiplikationsfaktor von 10⁵ bis 10⁶. Die Avalanche-Vervielfachung kann gestoppt werden, indem die an die APD 106 angelegte Spannung zu einer Durchbruchspannung oder geringer verringert wird. Diese Funktion wird durch einen Löschwiderstand 107 implementiert. Insbesondere wird eine Spannung über den Löschwiderstand 107 erzeugt, wenn ein Avalanche-Strom zu dem Löschwiderstand 107 fließt, und infolgedessen fällt die Anwendungsspannung zur APD 106 ab, um die Avalanche-Vervielfachung zu stoppen. Vom oben beschriebenen Mechanismus wird das SPAD-Signal als ein Stromimpuls verwendet, der exponentiell abnimmt.
Die APD 106 reagiert nicht, selbst wenn sie ein anderes Photon innerhalb eines Zeitraums empfängt, der ein gegebener Zeitraum ist und innerhalb dessen eine Avalanche-Vervielfachung auftritt. Im Allgemeinen beträgt die Totperiode mehrere ns (Nanosekunden). Insbesondere beinhaltet die Lichtempfangseinrichtung des photonenzählenden Typs zum Beispiel eine Einrichtung (zum Beispiel die APD 106), die nicht reagiert, selbst wenn sie ein anderes Photon innerhalb eines gegebenen Zeitraums empfängt, nachdem ein einzelnes Photon empfangen wird, und kennzeichnet eine Einrichtung, die in der Lage ist, zu entscheiden, dass ein Photon empfangen wird, indem ein Ausgang überwacht wird.
Im Übrigen stehen eine Dunkelzählung und ein Nachimpuls als das von der SPAD 105 erzeugte Rauschsignal zur Verfügung. Die Dunkelzählung ist ein Impulssignal, das durch einen thermisch angeregten Träger erzeugt wird, und der Nachimpuls ist ein Impulssignal, das durch ein Entladen eines Trägers erzeugt wird, nachdem der Träger durch einen Kristalldefekt oder dergleichen im Prozess einer Avalanche-Vervielfachung gefangen wird.
Dort, wo der Lichtempfangsabschnitt 101 aus einer einzelnen SPAD 105 konfiguriert ist, wie in der in PTL1 beschriebenen Technologie, ist es schwierig, das oben beschriebene Rauschsignal und das Reflexionsimpulslicht RP (oder möglicherweise das Referenzimpulslicht SP) voneinander zu unterscheiden, und ein hohes S/N(Signal-Rausch)-Verhältnis kann nicht erhalten werden. Daher ist der Lichtempfangsabschnitt 101 in der vorliegenden Ausführungsform als ein Lichtempfangsabschnitt des Mehrpixeltyps konfiguriert, bei dem mehrere SPADs 105 parallel miteinander geschaltet sind. Demzufolge, da eine Anzahl von Photonen, die gleich der Anzahl von SPADs 105 ist, die parallel miteinander geschaltet sind, zur gleichen Zeit empfangen werden kann und SPAD-Signale, die von den SPADs 105 ausgegeben werden, überlagernd ausgegeben werden, können das SPAD-Signal und ein Rauschsignal, das versehentlich erzeugt werden kann, voneinander unterschieden werden. Des Weiteren kann ein Signal mit einem hohen S/N-Verhältnis erhalten werden und außerdem kann ein schwaches Reflexionsimpulslicht RP empfangen werden.
2 bildet ein Beispiel einer Wellenform eines durch den Umwandlungsabschnitt 102 erzeugten Spannungssignals ab, nachdem ein vom Lichtempfangsabschnitt 101 ausgegebenes Stromsignal zum Umwandlungsabschnitt 102 geliefert wird. Das vom Lichtempfangsabschnitt 101 ausgegebene Stromsignal wird durch ein Synthetisieren von Stromsignalen erhalten, die von den jeweiligen SPADs 105 ausgegeben werden, und wird nachfolgend zweckmäßig als SPAD-Summensignal bezeichnet.
In 2 gibt die Ordinatenachse einen Wert der Spannung an und die Abszissenachse gibt Zeit an. Es ist anzumerken, dass in der vorliegenden Ausführungsform die SPADs 105 mit 120 vertikalen x 120 horizontalen parallel geschalteten (das Intervall (Abstandsintervall) zwischen den SPADs 105 beträgt 25 µm (Mikrometer)) als der Lichtempfangsabschnitt 101 verwendet wurden. Da der Dynamikbereich des Reflexionsimpulslichts, der empfangen werden kann, maximal gleich der Anzahl von SPADs ist und 14400 SPADs 105 parallel geschaltet sind, können 1 bis 14400 Photonen empfangen werden und die Zahl des Dynamikbereichs wird vier Ziffern oder mehr.
In 2 gibt eine Wellenform W1 eine Wellenform des SPAD-Summensignals an, wenn der Lichtempfangsabschnitt 101 20 Photonen empfängt, und eine Wellenform W2 gibt eine Wellenform des SPAD-Summensignals an, wenn der Lichtempfangsabschnitt 101 50 Photonen empfängt, und eine Wellenform W3 gibt eine Wellenform des SPAD-Summensignals an, wenn der Lichtempfangsabschnitt 101 90 Photonen empfängt. Des Weiteren gibt eine Wellenform W4 eine Wellenform des SPAD-Summensignals an, wenn der Lichtempfangsabschnitt 101 220 Photonen empfängt, und eine Wellenform W5 gibt eine Wellenform des SPAD-Summensignals an, wenn der Lichtempfangsabschnitt 101 380 Photonen empfängt.
Im Allgemeinen wird dort, wo mehrere SPADs 105 verwendet werden, in Betracht gezogen, dass eine Dispersion zu dem Timing auftritt, zu dem jede SPAD 105 ein Photon empfängt, und das SPAD-Summensignal in mehrere Signale aufgeteilt wird. Indem jedoch die Halbbreite des vom Lichtprojektionsabschnitt 30 zu emittierenden Impulslichts ausreichend kleiner als die Anstiegszeit des SPAD-Signals festgelegt wird, wie in 2 abgebildet, wird das SPAD-Summensignal keine aufgeteilten Signale und kann als eine Wellenform, die ähnlich dem SPAD-Signal exponentiell abschwächt, behandelt werden.
Die Anstiegszeit des SPAD-Summensignals beträgt ungefähr 1 ns und die Abfallzeit (Zeit, in der der Signalpegel 1/e wird (e gibt einen Logarithmus an)) beträgt ungefähr 20 ns und außerdem wird keine Wellenformvariation des SPAD-Summensignals, die aus einer Zunahme der Anzahl von SPADs 105 entsteht, die das Licht empfangen, vorgefunden. Der Spitzenpegel des SPAD-Summensignals erhöht sich, wenn sich die Anzahl von empfangenen Photonen erhöht, und der Signalpegel pro einem Photon beträgt ungefähr 0,2 mV (Millivolt). Eine erwähnenswerte Verstärkung des Rauschpegels wird nicht vorgefunden und ein SPAD-Summensignal, dessen S/N-Verhältnis verbessert ist, kann durch eine Zunahme der Anzahl von empfangenen Photonen erhalten werden.
Ein gleichzeitiger Empfang einer großen Anzahl von Photonen durch die mehreren SPADs 105 kann nicht nur das S/N-Verhältnis verbessern, sondern auch die Dispersion der Lichtempfangszeit, die aus den SPADs 105 hervorgeht (nachfolgend zweckmäßig als SPAD-Jitter bezeichnet), verringern. Dieser Punkt wird ausführlich beschrieben.
Dort, wo eine Population mit einer Normalverteilung angenommen wird, falls Proben mit einer Größe N aus einer Population mit einem Mittelwert m und einer Standardabweichung σ extrahiert werden, sind der Mittelwert m‘ und die Abweichung σ‘ der Proben durch m‘ = m bzw. σ‘ = σ/√N gegeben. Falls für eine SPAD 105 eindeutige Jitter durch σ_SPAD repräsentiert werden, dann sind hier die effektiven SPAD-Jitter zu der Zeit, wenn N Photonen gleichzeitig empfangen werden, durch σ_SPAD/√N gegeben und die effektiven SPAD-Jitter können durch eine zunehmende Anzahl verringert werden, wenn sich N der Anzahl von Photonen erhöht. Mit anderen Worten können die SPAD-Jitter innerhalb des Bereichs des statistischen Fehlers begrenzt werden, indem die Anzahl von Photonen N, die unter Verwendung mehrerer SPADs 105 empfangen werden sollen, erhöht wird. Mit anderen Worten können die SPAD-Jitter, wenn Licht durch mehrere SPADs 105 empfangen wird, kleiner als die SPAD-Jitter, wenn Licht durch eine individuelle der SPADs 105 empfangen wird, gemacht werden. Da der Lichtempfangsabschnitt 101 auf diese Art und Weise aus mehreren SPADs 105 konfiguriert ist, können die Jitter im Lichtempfangsabschnitt 101 reduziert werden und die Degradation der Genauigkeit der Lichtmessung durch den Einfluss von Jittern kann verhindert werden.
Wie in 2 abgebildet, beträgt die Konvergenzzeit, in der das SPAD-Summensignal konvergiert, 60 ns bis 80 ns und kann für die Wiederholungsfrequenz von 10 MHz (100 ns in Periode) des Impulslichts vom Lichtprojektionsabschnitt 30 betriebsbereit sein. Diese Konvergenzzeit hängt von der Zeitkonstanten der die SPADs 105 und so weiter einschließenden Schaltung ab und ist grundsätzlich auf die parasitäre Gesamtkapazität der mehreren SPADs 105, die den Lichtempfangsabschnitt 101 konfigurieren, angewiesen. Die Konvergenzzeit kann reduziert werden, indem das Abstandsintervall verringert wird oder die Anzahl von SPADs 105 verringert wird, und dies kann auch mit einer Distanzmessung zurechtkommen, die mit einer noch höheren Geschwindigkeit wiederholt wird. Mit anderen Worten sind die Anzahl, der Arraymodus und so weiter der SPADs 105 nicht auf die beispielhaft dargestellten eingeschränkt und können beliebig unter Berücksichtigung einer Anwendung der Distanzmessvorrichtung 1, einer Intensität des Reflexionsimpulslichts RP und so weiter festgelegt werden.
[Einzelheiten des Verstärkungsabschnitts]
Jetzt wird der Verstärkungsabschnitt 103 in der vorliegenden Ausführungsform ausführlich beschrieben. Es ist anzumerken, dass, da in der vorliegenden Ausführungsform auch der Verstärkungsabschnitt 203 ähnlich dem Verstärkungsabschnitt 103 konfiguriert ist, die folgende Beschreibung auch auf den Verstärkungsabschnitt 203 angewendet werden kann.
3 ist eine Ansicht, die ein Merkmal des Verstärkungsabschnitts 103 veranschaulicht. Mit Bezug auf 3 gibt die Ordinatenachse die Spannung eines vom Verstärkungsabschnitt 103 ausgegebenen Signals an und die Abszissenachse gibt die Anzahl N von Photonen an. Vier auf einer gestrichelten Linie G1 im Graphen graphisch dargestellte Punkte (P1, P2, P3 und P4) geben Spitzenwerte (Spitzenpegel) des SPAD-Summensignals bei unterschiedlichen Photonen an, ähnlich wie die in 2 abgebildeten.
Wie an den Punkten P1 bis P4 abgebildet, betragen die Spitzenwerte des SPAD-Summensignals mehrere zehn mV und sind niedriger als eine Eingangsstandardspannung (zum Beispiel 100 mV) in den Messabschnitt 104 bei der nachfolgenden Stufe. Dementsprechend ist es notwendig, die Spannung (den Pegel) des SPAD-Summensignals durch den Verstärkungsabschnitt 103 zu verstärken.
In der vorliegenden Ausführungsform, während hier der Dynamikbereich des SPAD-Signals erhöht werden kann, zum Beispiel zu 4 Ziffern oder mehr, indem der Lichtempfangsabschnitt 101 aus mehreren SPADs 105 konfiguriert wird, falls das SPAD-Summensignal linear über den gesamten Dynamikbereich verstärkt wird, dann wird das SPAD-Summensignal den Eingangsstandard einer digitalen Schaltung, die im Messabschnitt 104 bei der nachfolgenden Stufe verwendet wird, überschreiten. Daher ist der Verstärkungsabschnitt 103 vorzugsweise ein Verstärker, der ein Signal mit einem niedrigen Pegel verstärkt, aber die Ausgangsleistung innerhalb des Standards beschränkt, wenn der Verstärkungswert den Eingangsstandard (V_lim) einer digitalen Schaltung im Messabschnitt 104 überschreitet.
Von daher kann eine wie oben beschriebene Spezifikation, zum Beispiel ein Begrenzungsverstärker, verwendet werden. Der Begrenzungsverstärker ist ein Hochgeschwindigkeitsverstärker mit hoher Verstärkung, der für eine Anwendung für ein Gigabit-Ethernet (GbE) oder einen Lichtempfänger eines optisches Faserkanals optimiert ist, und ist ein IC(Integrierte Schaltung)-Chip, der Eingangssignale mit unterschiedlichen Signalamplituden in eine Differenzsignalausgabe mit einer festen Amplitude und Wellenform-Formen der Differenzsignalausgabe verstärkt. Ein wesentliches Merkmal des Begrenzungsverstärkers besteht darin, dass, obwohl er Eingangssignale mit einer einheitlichen Differenzverstärkung verstärkt, eine Ausgabe, die den festen Wert überschreitet, begrenzt (begrenzt) wird und eine Nennleistung ungeachtet des Eingangssignalpegels erhalten wird.
Als ein Beispiel ist der Amplitudenverstärkungsfaktor dort, wo ein Begrenzungsverstärker einen Differenzverstärkungsfaktor von 126 Mal aufweist, 63 Mal. Wie in 3 abgebildet, wenn der Pegel des SPAD-Summensignals niedrig ist, wird der Pegel im Wesentlichen linear (linear) um 63 Mal verstärkt und ein SPAD-Summensignal nach einer Verstärkung (nachfolgend zweckmäßig als Begrenzungsverstärkersignal bezeichnet) wird erzeugt. Beispielsweise wird ungefähr 0,005 V eines Pegels (Spitzenpegels) des SPAD-Summensignals dort, wo die Anzahl N von Photonen 20 ist, durch den Begrenzungsverstärker verstärkt und ein Begrenzungsverstärkersignal mit einem Pegel von ungefähr 300 mV eines Single-End-Ausgangs wird erzeugt.
Andererseits, wenn der Pegel des Begrenzungsverstärkersignals eine Grenzspannung (zum Beispiel ungefähr 450 mV) des Messabschnitts 104 überschreitet, wird der Signalpegel auf einen festen Pegel begrenzt. Das SPAD-Summensignal wird zum Beispiel dort, wo die Anzahl N von Photonen 120 ist, derart verstärkt, dass dessen Ausgangspegel derart durch den Begrenzungsverstärker begrenzt wird, dass ein Begrenzungsverstärkersignal mit einem Pegel von ungefähr 450 mV erzeugt wird. Eine Konfiguration, die den Eingangsstandard des Messabschnitts 104 bei der nachfolgenden Stufe erfüllt, kann auf eine wie oben beschriebene Art und Weise erzielt werden. Durch das Annehmen der gerade beschriebenen Konfiguration, während der Lichtempfangsabschnitt 101 aus mehreren SPADs 105 konfiguriert ist, um einen breiten Dynamikbereich eines Signals zu erzielen, kann insbesondere der Verstärkungsabschnitt 103 so konfiguriert sein, dass eine Unannehmlichkeit, die möglicherweise auftreten kann, verhindert werden kann. Es ist anzumerken, dass dort, wo der Verstärkungsfaktor des Verstärkungsabschnitts 103 unzureichend ist, ein Linearverstärker oder dergleichen bei einer vorhergehenden Stufe bereitgestellt werden kann.
[Betrieb der Distanzmessvorrichtung]
Jetzt wird ein Beispiel des Betriebs der Distanzmessvorrichtung 1 beschrieben. Wenn ein Treiber des Lichtprojektionsabschnitts 30 arbeitet, wird Impulslicht vom Lichtprojektionsabschnitt 30 emittiert.
Ein Teil des Impulslichts wird durch einen Halbspiegel HM reflektiert und das reflektierte Licht wird als Referenzimpulslicht (Nicht-Reflexionsimpulslicht) SP durch den Lichtempfangsabschnitt 201 der zweiten Messeinheit 20 empfangen. Wenn das Referenzimpulslicht SP empfangen wird, wird ein SPAD-Summensignal S21 vom Lichtempfangsabschnitt 201 ausgegeben. Dann wandelt der Umwandlungsabschnitt 202 das SPAD-Summensignal S21, das ein Stromimpuls ist, in ein SPAD-Summensignal S22 eines Spannungsimpulses um und gibt das SPAD-Summensignal S22 an den Verstärkungsabschnitt 203 aus.
Der Verstärkungsabschnitt 203 verstärkt das SPAD-Summensignal S22, um ein Begrenzungsverstärkersignal S23 zu erzeugen, das an den Messabschnitt 204 ausgegeben wird. Der Messabschnitt 204 misst ein Timing ta, zu dem die Spannung des Begrenzungsverstärkersignals S23 einen gegebenen Schwellenwert V_th erreicht, und erzeugt ein digitales Signal, das das Timing ta angibt, wie in 4 abgebildet. Der Messabschnitt 204 gibt das digitale Signal, das das Timing ta repräsentiert, an den Berechnungsabschnitt 40 aus. Es ist anzumerken, dass, obwohl in 4 eine Wellenform des Referenzimpulslichts SP als eine Wellenform, die sich einer Gauß-Funktion annähert, abgebildet ist, die tatsächliche Wellenform eines Signals, das durch Prozesse nach dem Umwandlungsabschnitt 202 bearbeitet wird, die in 2 beispielhaft dargestellte Wellenform ist (dies gilt gleichermaßen auch für das nachfolgend beschriebene Reflexionsimpulslicht RP und die 6 und 7).
Währenddessen wird ein Teil des Impulslichts durch ein Messziel MT reflektiert und wird als Reflexionsimpulslicht RP durch den Lichtempfangsabschnitt 101 der ersten Messeinheit 10 empfangen. Wenn das Reflexionsimpulslicht RP empfangen wird, wird ein SPAD-Summensignal S11 vom Lichtempfangsabschnitt 101 ausgegeben. Dann wandelt der Umwandlungsabschnitt 102 das SPAD-Summensignal S11, das ein Stromimpuls ist, in ein SPAD-Summensignal S12 eines Spannungsimpulses um und gibt das SPAD-Summensignal S12 an den Verstärkungsabschnitt 103 aus.
Der Verstärkungsabschnitt 103 verstärkt das SPAD-Summensignal S12, um ein Begrenzungsverstärkersignal S13 zu erzeugen, das an den Messabschnitt 104 ausgegeben wird. Der Messabschnitt 104 misst ein Timing tb, zu dem die Spannung des Begrenzungsverstärkersignals S13 den gegebenen Schwellenwert V_th erreicht, und erzeugt ein digitales Signal, das das Timing tb angibt, wie in 4 abgebildet. Der Messabschnitt 104 gibt ein digitales Signal, das das Timing tb repräsentiert, an den Berechnungsabschnitt 40 aus.
Der Berechnungsabschnitt 40 bestimmt die Differenz (tb - ta) zwischen dem vom Messabschnitt 104 eingegebenen Timing tb und dem vom Messabschnitt 204 eingegebenen Timing ta. Dann multipliziert der Berechnungsabschnitt 40 die Differenz (tb - ta), die einer Laufzeit T_TOF des Impulslichts entspricht, mit der Lichtgeschwindigkeit und dividiert ein Ergebnis der Multiplikation durch 2, um die Distanz zum Messziel MT zu berechnen, wodurch die Reihe von Prozessen beendet wird.
Es ist anzumerken, dass, falls angenommen wird, dass der erwartete Wert der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Fehlers jeder Komponente der Vorrichtung gemäß einer Normalverteilung variiert und derartige erwarteten Werte der Wahrscheinlichkeitsverteilung Fehler aufweisen, die unabhängig voneinander sind, dann ein Fehler einer Kombination von diesen durch die Quadratwurzel der Summe von Fehlerquadraten der Komponenten auf Basis der Varianzadditivität gegeben ist. Insbesondere ist die Genauigkeit der Distanzmessung der Distanzmessvorrichtung 1 durch eine Quadratwurzel der Summe von Quadraten von Jittern jedes Abschnitts einschließlich des Lichtempfangsabschnitts 101, des Umwandlungsabschnitts 102, des Verstärkungsabschnitts 103 und des Messabschnitts 104 der ersten Messeinheit 10 gegeben (dies gilt gleichermaßen auch für die zweite Messeinheit). Es ist anzumerken, dass die Distanzgenauigkeit hier die Genauigkeit der Distanzmessung pro einem Punkt pro einem Impuls ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, eine Distanzmessung gemäß einem Wiederholungszyklus (zum Beispiel von 10 MHz zu mehreren zehn MHz) des vom Lichtprojektionsabschnitt 30 emittierten Impulslichts durchzuführen. Durch das Durchführen einer Messung von Q Malen pro einem Punkt verringert sich jedoch der Standardfehler zu einem √Q-tel (1/√Q) der Genauigkeit der vorstehend beschriebenen Distanzmessung und die Genauigkeit der Distanzmessung kann weiter verbessert werden. Daher kann die Anzahl von Malen einer Messung pro einem Punkt erhöht werden. (Die Wiederholungen der Distanzmessung wird jedoch ein Q-tel).
Die Distanzmessvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform ist ausführlich beschrieben worden. Wie oben beschrieben, wird es möglich, eine genauere Distanzmessung durch die Distanzmessvorrichtung 1 durchzuführen. Es ist anzumerken, dass es als eine mögliche Idee erscheint, einen Lichtempfangsabschnitt aus mehreren SPADs zu konfigurieren und mehrere Diskriminierungsschaltungen zum Umwandeln eines Ausgangssignals von jeder der SPADs in einen Rechteckimpuls bereitzustellen. Obwohl Jitter des Lichtempfangsabschnitts reduziert werden können, da sich der Einfluss von Jittern anderer Faktoren erhöht, kann mit dieser Konfiguration jedoch die Genauigkeit der Distanzmessung nicht verbessert werden. Die Distanzmessvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform ist derart konfiguriert, dass Ausgangssignale von jeder der SPADs als ein SPAD-Summensignal behandelt werden und nur ein Verarbeitungssystem (Umwandlungsabschnitt 102, Verstärkungsabschnitt 103 und Messabschnitt 104) zum Verarbeiten des SPAD-Summensignals bereitgestellt wird. Daher können die Komponenten reduziert werden und eine Degradation der Genauigkeit der Distanzmessung durch Jitter der individuellen Komponenten und eine Dispersion der Verzögerungszeit können verhindert werden.
Es ist anzumerken, dass es auch möglich wird, eine APD anstelle einer SPAD als eine Einrichtung zum Empfangen von schwachem Licht zu verwenden, um den Lichtempfangszeitraum (Integrationszeitraum) zu erhöhen oder schwaches Reflexionsimpulslicht durch ein Erhöhen des Lichtempfangsbereichs der APD zu detektieren. Um jedoch eine Distanzmessung mit einer hohen Geschwindigkeit zu wiederholen, ist es wünschenswert, die SPAD zu verwenden. Es ist anzumerken, dass auch dort, wo die SPAD verwendet wird, der Lichtempfangsbereich der APD (APD 106 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform) groß gemacht werden kann. Da in diesem Fall jedoch die Möglichkeit besteht, dass eine Erhöhung des Konvergenzzeitraums des SPAD-Summensignals durch eine Erhöhung der parasitären Kapazität auftreten kann, ist es notwendig, die Größe der APD angemessen festzulegen, um eine Distanzmessung mit einer hohen Geschwindigkeit durchzuführen und daneben die Lichtempfangsempfindlichkeit der SPAD höher als einen gegebenen Pegel zu machen.
<2. Modifikationen>
Obwohl speziell die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben worden ist, ist der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform eingeschränkt und verschiedene Modifikationen basierend auf der technologischen Idee der vorliegenden Offenbarung sind möglich. Im Folgenden werden Modifikationen beschrieben.
[Modifikation 1]
5 bildet eine Konfiguration einer Distanzmessvorrichtung (Distanzmessvorrichtung 2) gemäß einer Modifikation 1 ab. Die Distanzmessvorrichtung 2 unterscheidet sich in der Konfiguration von der Distanzmessvorrichtung 1 darin, dass sie nicht die zweite Messeinheit 20 beinhaltet.
Der Betrieb der Distanzmessvorrichtung 2 wird beschrieben. Wenn der Treiber des Lichtprojektionsabschnitts 30 arbeitet, wird Impulslicht vom Lichtprojektionsabschnitt 30 emittiert. Ein Teil des Impulslichts wird durch den Halbspiegel HM reflektiert und wird als Referenzimpulslicht SP durch den Lichtempfangsabschnitt 101 empfangen. Als Reaktion auf den Empfang des Referenzimpulslichts SP, wird ein SPAD-Summensignal S31 vom Lichtempfangsabschnitt 101 ausgegeben. Dann wandelt der Umwandlungsabschnitt 102 das SPAD-Summensignal S31, das ein Stromimpuls ist, in ein SPAD-Summensignal S32 eines Spannungsimpulses um und gibt das SPAD-Summensignal S32 an den Verstärkungsabschnitt 103 aus.
Der Verstärkungsabschnitt 103 verstärkt das SPAD-Summensignal S32, um ein Begrenzungsverstärkersignal S33 zu erzeugen, das an den Messabschnitt 104 ausgegeben wird. Der Messabschnitt 104 misst ein Timing tc, zu dem die Spannung des Begrenzungsverstärkersignals S33 den gegebenen Schwellenwert V_th erreicht, und erzeugt ein digitales Signal, das das Timing tc angibt, und speichert dieses temporär.
Andererseits wird nach einem Verstreichen eines festen Zeitraums ein durch das Messziel MT reflektiertes Reflexionsimpulslicht RP durch den Lichtempfangsabschnitt 101 empfangen. Beim Empfangen des Reflexionsimpulssignals PR gibt der Lichtempfangsabschnitt 101 ein SPAD-Summensignal S41 aus. Dann wandelt der Umwandlungsabschnitt 102 das SPAD-Summensignal S41, das ein Stromimpuls ist, in ein SPAD-Summensignal S42 eines Spannungsimpulses um, das an den Verstärkungsabschnitt 103 ausgegeben wird.
Der Verstärkungsabschnitt 103 verstärkt das SPAD-Summensignal S42, um ein Begrenzungsverstärkersignal S43 zu erzeugen, das an den Messabschnitt 104 ausgegeben wird. Der Messabschnitt 104 misst ein Timing td, zu dem die Spannung des Begrenzungsverstärkersignals S43 den gegebenen Schwellenwert V_th erreicht, und erzeugt ein digitales Signal, das das Timing td angibt, und speichert dieses temporär. Dann zeitmultiplext der Messabschnitt 104 zum Beispiel die digitalen Signale, die das Timing tc und das Timing td angeben, und gibt ein Ergebnis des Zeitmultiplexens an den Berechnungsabschnitt 40 aus.
Der Berechnungsabschnitt 40 bestimmt die Differenz (td - tc) zwischen dem Timing tc und dem vom Messabschnitt 104 eingegebenen Timing td. Dann multipliziert der Berechnungsabschnitt 40 die Differenz (td - tc), die der Laufzeit T_TOF des Impulslichts entspricht, mit der Lichtgeschwindigkeit und dividiert dann ein Ergebnis der Multiplikation durch 2, um die Distanz zum Messziel MT zu berechnen, wodurch die Reihe von Prozessen beendet wird.
Wie oben beschrieben, muss die Distanzmessvorrichtung der vorliegenden Offenbarung nur mindestens eine Distanzmesseinheit (beispielhaft dargestellt durch die erste Messeinheit 10) beinhalten und beinhaltet möglicherweise nicht zwei Distanzmesseinheiten. Es ist anzumerken, dass die Distanzmessvorrichtung drei oder mehr Distanzmesseinheiten beinhalten kann, so dass eine Distanzmessung zu mehreren Punkten parallel durchgeführt wird. In der oben beschriebenen Modifikation 1 kann das frühzeitig erfasste Timing tc durch den Berechnungsabschnitt 40 gespeichert werden.
[Modifikation 2]
Jetzt wird eine Modifikation 2 beschrieben. Die Lichtintensität des durch den Lichtempfangsabschnitt 101 empfangenen Reflexionsimpulslichts RP variiert in Abhängigkeit von einer Bedingung, wie etwa der Distanz zum Messziel MT, einem Reflexionsgrad des Messziels MT oder dergleichen. Das Übertragungssignal (Impulslicht) ist keine vollständige Dreieckwelle, aber die Spannungsvariationsmenge bezüglich Zeit ist klein an einer steigenden Flanke und in der Nähe einer Impulsspitze des Signals. Wie in 6 abgebildet, wenn die Lichtintensität des Reflexionsimpulslichts RP niedrig ist, wird die Zeit, zu der die Lichtintensität den gegebenen Schwellenwert V_th erreicht, um Δtb (= tb‘ - tb) im Vergleich zu der in dem Fall, bei dem das Reflexionsimpulslicht RP eine Lichtintensität mit einem hohen Pegel aufweist, verzögert. Aus diesem Fehler Δtb wird die Distanz zum Messziel MT als länger berechnet und es besteht die Möglichkeit, dass ein Einfluss auf die Genauigkeit der Lichtmessung bestehen kann. Es ist anzumerken, dass, obwohl die Schwankung der Lichtintensität des durch den Lichtempfangsabschnitt 201 empfangenen Referenzimpulslichts SP klein ist, möglicherweise ein Fehler Δta auftritt. Wie in 7 abgebildet, da die durch den Berechnungsabschnitt 40 gemessene Laufzeit t_TOF einen Wert aufweist, der sich um einen Betrag (Δtb - Δta) von der wahren Laufzeit T_TOF unterscheidet, ist es notwendig, den Fehlerbetrag (Δtb - Δta) zu korrigieren, um eine hohe Distanzauflösung zu erzielen.
Als ein Verfahren zum Korrigieren des Fehlerbetrags (Δtb - Δta) kann zum Beispiel das folgende Verfahren angewendet werden. Wie in 2 beispielhaft dargestellt, da vom Lichtempfangsabschnitt 101 ausgegebene SPAD-Summensignale im Wesentlichen die gleiche Wellenform aufweisen, obwohl sie als Reaktion auf die Anzahl von Photonen im Wellenlängenspitzenwert variieren, dann kann die Anzahl von Photonen erhalten werden, falls der Spitzenwert des Reflexionsimpulslichts RP gemessen wird. Durch das Erstellen einer Tabelle, die die Anzahl von Photonen und Δtb miteinander assoziiert, und unter Bezug auf die Tabelle kann zum Beispiel Δtb aus der erhaltenen Anzahl von Photonen geschätzt werden. Da die Variation der Lichtintensität des Referenzimpulslichts SP klein ist, wie oben beschrieben, dann kann der Fehlerbetrag (Δtb - Δta) erhalten werden, falls der Fehlerwert Δta 0 oder ein fester Wert ist. Durch das Subtrahieren des erhaltenen Fehlerbetrags (Δtb - Δta) von der Laufzeit t_TOF kann dann die wahre Laufzeit T_TOF erhalten werden und durch das Multiplizieren der Laufzeit T_TOF mit der Lichtgeschwindigkeit und Dividieren eines Ergebnisses der Multiplikation durch 2 kann eine genaue Distanz berechnet werden. Ein derartiger, wie oben beschriebener Korrekturprozess kann durch den Berechnungsabschnitt 40 ausgeführt werden oder kann durch einen Steuerabschnitt, wie etwa einen Mikrocomputer, ausgeführt werden. Die Genauigkeit der Distanzmessung kann ferner durch die Distanzmessvorrichtung der vorliegenden Offenbarung, die den oben beschriebenen Korrekturprozess ausführt, verbessert werden.
[Andere Modifikationen]
Andere Modifikationen werden beschrieben. Ein System zum Verarbeiten des Reflexionsimpulslichts RP und ein System zum Verarbeiten des Referenzimpulslichts SP, nämlich die Konfiguration der ersten Messeinheit 10 und die Konfiguration der zweiten Messeinheit 20, weisen vorzugsweise eine gleiche Verdrahtungsleitungslänge und die gleiche Konfiguration auf, können sich aber in der Konfiguration unterscheiden. Da der Lichtempfangsabschnitt 201 der zweiten Messeinheit 20 das Referenzimpulslicht SP mit einer vergleichsweise hohen Lichtintensität empfängt, kann er zum Beispiel aus einer PD (Photodiode) oder dergleichen konfiguriert sein, ohne notwendigerweise die SPAD zu verwenden. Des Weiteren kann die Konfiguration bei dem Lichtempfangsabschnitt 201 nachfolgenden Stufen zweckmäßig als Reaktion auf die Konfiguration des Lichtempfangsabschnitts 201 konfiguriert sein. Dort, wo der Pegel eines vom Umwandlungsabschnitt 202 ausgegebenen Signals ausreichend ist, ist die Konfiguration des Verstärkungsabschnitts 203 zum Beispiel möglicherweise nicht bereitgestellt. Des Weiteren kann der Durchlassgrad des Halbspiegels HM und so weiter zweckmäßig als Reaktion auf das Merkmal des Lichtempfangsabschnitts 201 geändert werden.
Die Lichtempfangseinrichtung des photonenzählenden Typs ist nicht auf die SPAD eingeschränkt und es ist auch möglich, andere Lichtempfangseinrichtungen zu verwenden, die ein Signal gemäß der Anzahl von empfangenen Photonen ausgeben. Des Weiteren kann der Lichtempfangsabschnitt 101 durch ein zweidimensionales (oder dreidimensionales) elektrisches Verbinden mehrerer SPADs 105 konfiguriert werden und das Verbindungsschema von diesen ist nicht auf eine parallele Verbindung eingeschränkt, sondern kann zweckmäßig geändert werden. Der Löschwiderstand 107, der Umwandlungsabschnitt 102 oder der Umwandlungsabschnitt 202, die die SPAD 105 konfigurieren, sind nicht auf einen Widerstand eingeschränkt, sondern können ein anderes Schaltungselement sein, wie etwa ein Transistor.
Der Verstärkungsabschnitt 103 ist nicht auf einen nichtlinearen Verstärker, wie etwa einen Begrenzungsverstärker, eingeschränkt. Beispielsweise können mehrere Verstärker mit voneinander verschiedenen Verstärkungsfaktoren bereitgestellt sein, so dass ein SPAD-Summensignal als Reaktion auf dessen Spannung mit einem anderen Verstärker verstärkt wird. Dies gilt auch gleichermaßen für den Verstärkungsabschnitt 203.
Der Messabschnitt 104 ist nicht auf den TDC eingeschränkt. Zum Beispiel kann ein CFD (Constant-Fraction-Discriminator), der einen Nulldurchgangspunkt (der dem Timing ta oder dergleichen entspricht) detektiert, indem eine Dämpfungswellenform einer gegebenen Wellenform und eine Wellenform, die durch ein Verzögern und Umkehren der gegebenen Wellenform erhalten wird, addiert werden, oder ein gleichartiges Element verwendet werden. Dies gilt auch gleichermaßen für den Messabschnitt 204.
Die Distanzmessvorrichtungen 1 und 2 gemäß der Ausführungsform und die oben beschriebenen Modifikationen müssen nicht alle oben beschriebenen Komponenten enthalten, sondern können eine beliebige Komponente oder beliebige Komponenten zusätzlich beinhalten oder weglassen, und es ist auch möglich, eine Funktion einer bestimmten Komponente in eine Funktion einer anderen Komponente zu integrieren.
Die Distanzmessvorrichtungen 1 und 2 beinhalten zum Beispiel möglicherweise nicht den Lichtprojektionsabschnitt 30. Die Distanzmessvorrichtungen 1 und 2 beinhalten möglicherweise nicht den Berechnungsabschnitt 40. Die Distanzmessvorrichtungen 1 und 2 können nur den Lichtprojektionsabschnitt 30 oder den Berechnungsabschnitt 40 beinhalten.
Die Funktion des Berechnungsabschnitts 40 kann durch den Messabschnitt 104 oder den Messabschnitt 204 getragen werden. Der Messabschnitt 204 ist zum Beispiel derart konfiguriert, dass er ein Signal, das das Timing ta repräsentiert, in den Messabschnitt 104 eingibt. Dann kann der Messabschnitt 104 die Laufzeit T_TOF aus den Timings ta und tb bestimmen und die Laufzeit T_TOF mit der Lichtgeschwindigkeit multiplizieren, um die Distanz zum Messziel MT zu berechnen.
Die Distanzmessvorrichtung der vorliegenden Offenbarung darf nicht als eine einzelne unitäre Distanzmessvorrichtung verwendet werden, aber kann in einer Form verwendet werden, in der sie in verschiedene Vorrichtungen integriert ist. Die Distanzmessvorrichtung kann zum Beispiel in einer Projektorvorrichtung integriert sein. Dann kann die Distanzmessvorrichtung derart konfiguriert sein, dass eine Distanzmessung für unterschiedliche Punkte einer Wandfläche, die eine Projektionsebene ist, durchgeführt wird, um eine Unebenheit der Wandfläche zu identifizieren. Ein Korrekturprozess (Kontrastverbesserungsprozess, Farbtonverbesserungsprozess oder dergleichen) kann für die Gesamtheit oder einen Teil von Bilddaten des Projektionsbildes als Reaktion auf die identifizierte Unebenheit der Wandfläche durchgeführt werden. Des Weiteren kann die Distanzmessvorrichtung der vorliegenden Offenbarung auch bei verschiedenen elektronischen Vorrichtungen angewendet werden, wie etwa Spielmaschinen und Bildaufnahmevorrichtungen.
Die Distanzmessvorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann auch bei einem Sicherheitssystem angewendet werden, das die Distanz zu einem Fußgänger, einem Hindernis oder dergleichen detektiert und als Reaktion auf die Distanz eine Bremse betätigt. Insbesondere kann die Distanzmessvorrichtung der vorliegenden Offenbarung auch bei einem mobilen Körper angewendet werden, in dem ein derartiges, wie oben beschriebenes Sicherheitssystem verwendet werden kann, wie etwa einem Kraftfahrzeug, einem Elektrozug, einem Flugzeug, einem Hubschrauber oder einem Kleinflugzeug. Des Weiteren kann die Distanzmessvorrichtung der vorliegenden Offenbarung auch bei einem Roboter (Bewirtungsroboter, Katastrophenhilferoboter, Reinigungsroboter und so weiter) oder bei einem Sicherheitsroboter angewendet werden.
In der vorliegenden Offenbarung sind beispielsweise die Konfigurationen, Verfahren, Schritte, Formen, Materialien, numerische Werte und so weiter, die in der oben beschriebenen Ausführungsform beschrieben werden, nur Beispiele für das Letztgenannte und Konfigurationen, Verfahren, Schritte, Formen, Materialien, numerische Werte und so weiter, die sich von diesen unterscheiden, können verwendet werden, wie durch einen Anlass gefordert wird. Des Weiteren kann die vorliegende Offenbarung durch eine Vorrichtung, ein Verfahren, ein System, das aus mehreren Vorrichtungen oder dergleichen konfiguriert ist, implementiert werden und die in der Ausführungsform und den Modifikationen beschriebenen Gegenstände können miteinander kombiniert werden, sofern sie keinen technischen Widerspruch bewirken.
Es sollte angemerkt werden, dass die vorliegende Offenbarung auch derartige Konfigurationen, wie im Folgenden beschrieben, annehmen kann.

(1) Eine Distanzmessvorrichtung, die Folgendes beinhaltet:
- mindestens eine Messeinheit;
- wobei die Messeinheit Folgendes beinhaltet:
  - einen ersten Lichtempfangsabschnitt, der mehrere miteinander verbundene Lichtempfangseinrichtungen des photonenzählenden Typs beinhaltet,
  - einen ersten Umwandlungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Umwandeln eines vom ersten Lichtempfangsabschnitt ausgegebenen Stroms in eine Spannung,
  - einen ersten Verstärkungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Ausgeben eines Verstärkungswerts, der durch ein Verstärken der vom ersten
  - Umwandlungsabschnitt ausgegebenen Spannung erhalten wird, und zum Ausgeben, wenn der Verstärkungswert einen gegebenen Grenzwert überschreitet, des Grenzwerts als den Verstärkungswert, und
  - einen ersten Messabschnitt, der konfiguriert ist zum Messen eines Timings, zu dem ein Ausgangswert vom ersten Verstärkungsabschnitt einen gegebenen Schwellenwert erreicht.
(2) Die Distanzmessvorrichtung nach (1), die ferner Folgendes beinhaltet:
- eine andere Messeinheit;
- wobei die andere Messeinheit Folgendes beinhaltet:
  - einen zweiten Lichtempfangsabschnitt,
  - einen zweiten Umwandlungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Umwandeln eines vom zweiten Lichtempfangsabschnitt ausgegebenen Stroms in eine Spannung, und
  - einen zweiten Messabschnitt, der konfiguriert ist zum Messen eines Timings, zu dem ein Ausgangswert vom zweiten Umwandlungsabschnitt einen gegebenen Schwellenwert erreicht.
(3) Die Distanzmessvorrichtung nach (2), wobei die andere Messeinheit Folgendes beinhaltet:
- einen zweiten Verstärkungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Ausgeben eines Verstärkungswerts, der durch ein Verstärken der vom zweiten Umwandlungsabschnitt ausgegebenen Spannung erhalten wird, und zum Ausgeben, wenn der Verstärkungswert einen gegebenen Grenzwert überschreitet, des Grenzwerts als den Verstärkungswert.
(4) Die Distanzmessvorrichtung nach (2) oder (3), wobei der erste Lichtempfangsabschnitt konfiguriert ist zum Empfangen von Reflexionslicht, wenn Licht, das von einem Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, durch ein Messziel reflektiert wird, und der zweite Lichtempfangsabschnitt konfiguriert ist zum Empfangen von Referenzlicht, das vom Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird.
(5) Die Distanzmessvorrichtung nach (4), die ferner Folgendes beinhaltet:
- den Lichtprojektionsabschnitt.
(6) Die Distanzmessvorrichtung nach einem von (2) bis (5), die ferner Folgendes beinhaltet:
- einen Berechnungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Berechnen einer Distanz zu einem Messziel basierend auf einer Differenz zwischen den Timings, die durch den ersten und den zweiten Messabschnitt erhalten werden.
(7) Die Distanzmessvorrichtung nach (1), wobei der erste Lichtempfangsabschnitt konfiguriert ist zum Empfangen von Referenzlicht, das von einem Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, und von Reflexionslicht, wenn Licht, das vom Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, durch ein Messziel reflektiert wird.
(8) Die Distanzmessvorrichtung nach einem von (1) bis (7), wobei die Lichtempfangseinrichtung des photonenzählenden Typs eine Einrichtung beinhaltet, die nicht reagiert, selbst wenn, nachdem ein einzelnes Photon empfangen wird, ein anderes Photon innerhalb eines gegebenen Zeitraums empfangen wird.
(9) Ein Distanzmessverfahren, das Folgendes beinhaltet:
- Empfangen, durch einen ersten Lichtempfangsabschnitt, der aus mehreren miteinander verbundenen Lichtempfangseinrichtungen des photonenzählenden Typs konfiguriert ist, aus Referenzlicht, das von einem Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, und Reflexionslicht, wenn vom Lichtprojektionsabschnitt projiziertes Licht durch ein Messziel reflektiert wird, zumindest das Reflexionslicht;
- Umwandeln, durch einen ersten Umwandlungsabschnitt, eines vom ersten Lichtempfangsabschnitt ausgegebenen Stroms, als Reaktion auf den Empfang des Reflexionslichts, in eine Spannung;
- Ausgeben, durch einen ersten Verstärkungsabschnitt, eines Verstärkungswerts, der durch ein Verstärken der vom ersten Umwandlungsabschnitt ausgegebenen Spannung erhalten wird, und Ausgeben, wenn der Verstärkungswert einen gegebenen Grenzwert überschreitet, des Grenzwerts als den Verstärkungswert; und
- Messen, durch einen ersten Messabschnitt, eines Timings, zu dem ein Ausgangswert vom ersten Verstärkungsabschnitt einen gegebenen Schwellenwert erreicht.

Bezugszeichenliste

1, 2 ...: Distanzmessvorrichtung
10 ...: Erste Messeinheit
20 ...: Zweite Messeinheit
30 ...: Lichtprojektionsabschnitt
40 ...: Berechnungsabschnitt
101, 201 ...: Lichtempfangsabschnitt
102, 202 ...: Umwandlungsabschnitt
103, 203 ...: Verstärkungsabschnitt
104, 204 ...: Messabschnitt
MT ...: Messziel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 4898176 [0003]

Claims

Distanzmessvorrichtung, die Folgendes umfasst: mindestens eine Messeinheit; wobei die Messeinheit Folgendes beinhaltet: einen ersten Lichtempfangsabschnitt, der mehrere miteinander verbundene Lichtempfangseinrichtungen des photonenzählenden Typs beinhaltet, einen ersten Umwandlungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Umwandeln eines vom ersten Lichtempfangsabschnitt ausgegebenen Stroms in eine Spannung, einen ersten Verstärkungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Ausgeben eines Verstärkungswerts, der durch ein Verstärken der vom ersten Umwandlungsabschnitt ausgegebenen Spannung erhalten wird, und zum Ausgeben, wenn der Verstärkungswert einen gegebenen Grenzwert überschreitet, des Grenzwerts als den Verstärkungswert, und einen ersten Messabschnitt, der konfiguriert ist zum Messen eines Timings, zu dem ein Ausgangswert vom ersten Verstärkungsabschnitt einen gegebenen Schwellenwert erreicht.
Distanzmessvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: eine andere Messeinheit; wobei die andere Messeinheit Folgendes beinhaltet: einen zweiten Lichtempfangsabschnitt, einen zweiten Umwandlungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Umwandeln eines vom zweiten Lichtempfangsabschnitt ausgegebenen Stroms in eine Spannung, und einen zweiten Messabschnitt, der konfiguriert ist zum Messen eines Timings, zu dem ein Ausgangswert vom zweiten Umwandlungsabschnitt einen gegebenen Schwellenwert erreicht.
Distanzmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die andere Messeinheit Folgendes beinhaltet: einen zweiten Verstärkungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Ausgeben eines Verstärkungswerts, der durch ein Verstärken der vom zweiten Umwandlungsabschnitt ausgegebenen Spannung erhalten wird, und zum Ausgeben, wenn der Verstärkungswert einen gegebenen Grenzwert überschreitet, des Grenzwerts als den Verstärkungswert.
Distanzmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Lichtempfangsabschnitt konfiguriert ist zum Empfangen von Reflexionslicht, wenn Licht, das von einem Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, durch ein Messziel reflektiert wird, und der zweite Lichtempfangsabschnitt konfiguriert ist zum Empfangen von Referenzlicht, das vom Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird.
Distanzmessvorrichtung nach Anspruch 4, die ferner Folgendes umfasst: den Lichtprojektionsabschnitt.
Distanzmessvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Folgendes umfasst: einen Berechnungsabschnitt, der konfiguriert ist zum Berechnen einer Distanz zu einem Messziel basierend auf einer Differenz zwischen den Timings, die durch den ersten und den zweiten Messabschnitt erhalten werden.
Distanzmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Lichtempfangsabschnitt konfiguriert ist zum Empfangen von Referenzlicht, das von einem Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, und von Reflexionslicht, wenn Licht, das vom Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, durch ein Messziel reflektiert wird.
Distanzmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtempfangseinrichtung des photonenzählenden Typs eine Einrichtung beinhaltet, die nicht reagiert, selbst wenn, nachdem ein einzelnes Photon empfangen wird, ein anderes Photon innerhalb eines gegebenen Zeitraums empfangen wird.
Distanzmessverfahren, das Folgendes umfasst: Empfangen, durch einen ersten Lichtempfangsabschnitt, der aus mehreren miteinander verbundenen Lichtempfangseinrichtungen des photonenzählenden Typs konfiguriert ist, aus Referenzlicht, das von einem Lichtprojektionsabschnitt projiziert wird, und Reflexionslicht, wenn vom Lichtprojektionsabschnitt projiziertes Licht durch ein Messziel reflektiert wird, zumindest das Reflexionslicht; Umwandeln, durch einen ersten Umwandlungsabschnitt, eines vom ersten Lichtempfangsabschnitt ausgegebenen Stroms, als Reaktion auf den Empfang des Reflexionslichts, in eine Spannung; Ausgeben, durch einen ersten Verstärkungsabschnitt, eines Verstärkungswerts, der durch ein Verstärken der vom ersten Umwandlungsabschnitt ausgegebenen Spannung erhalten wird, und Ausgeben, wenn der Verstärkungswert einen gegebenen Grenzwert überschreitet, des Grenzwerts als den Verstärkungswert; und Messen, durch einen ersten Messabschnitt, eines Timings, zu dem ein Ausgangswert vom ersten Verstärkungsabschnitt einen gegebenen Schwellenwert erreicht.