JP2006324670A - 回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光パルスを生成する回路装置において、できるかぎり僅かな立ち上がり時間で妨害を及ぼす事後振動を生じさせることなく光パルスを生成する。
【解決手段】電気／光変換器が設けられており、これはスイッチ素子３を介して電荷蓄積器と接続されている。スイッチ素子３が閉じられると電荷蓄積器の充電過程がトリガされ、これにより電流パルスが生成され、この電流パルスは電気／光変換器において光パルスに変換される。電荷蓄積器とスイッチ素子３との間ならびにスイッチ素子３と電気／光変換器との間において、この回路装置はインピーダンス整合のために整合回路を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気／光変換器が設けられており、該電気／光変換器はスイッチ素子を介して電荷蓄積器と接続されており、該スイッチ素子を閉じることにより前記電荷蓄積器の充放電過程がトリガされて電流パルスが生成され、該電流パルスが前記電気／光変換器において光パルスに変換される、光パルスを生成する回路装置に関する。

この種の回路装置は、たとえば送信機ユニットとして光学センサないしは光センサに組み込まれる。この場合、光センサを距離センサとして構成することができ、そのようなセンサは典型的には光伝播時間方式に従い動作する。このような回路装置によれば、距離測定のために送信機ユニットにおいて所定のタイミングないしはクロックで光パルスが生成される。光センサまでの物体の距離に対する尺度として、物体に至るまでのおよび光センサに戻るまでの光パルスの伝播時間が評価される。

高精度な距離測定を達成するためには著しく短い光パルスから成るシーケンスを生成する必要があり、この場合、１つの光パルスのパルス持続時間は典型的にはおよそ１ナノ秒程度である。したがって、この種の光パルスを１ナノ秒以下の著しく短い立ち上がり時間にするという要求も存在する。

このような短い光パルスを生成するためのこの種の回路装置は、電気／光変換器として用いられるレーザダイオードによって動作する。このレーザダイオードには、たとえばトランジスタのようなスイッチ素子を介して電荷蓄積器が接続されており、これは典型的には充電キャパシタによって構成されている。

スイッチ素子を閉じることにより充電キャパシタが放電され、これによって電流パルスが形成され、この電流パルスがレーザダイオードにおいて光パルスに変換される。

このような回路装置のコンポーネントが理想的であるならば、理想的なＲＣ素子の放電に対応するであろう電流パルスの時間経過特性が生じることになる。そしてこのことは、電流パルスの限りなく速い立ち上がり時間および電流パルスの指数関数的な減衰を意味することになる。

ただし実際の事例では殊に、用いられているコンポーネントの寄生インダクタンスによって、この種の電流パルスの理想的な時間経過特性からの偏差がシステムに起因して引き起こされてしまう。

第１の偏差として、無限に速い立ち上がり時間ではなく電流パルスの有限の立ち上がり時間が生じることになる。さらに電流パルスの時間経過特性は、ＲＬＣ素子の放電によって知られる形状を有する。したがって電流パルスが減衰するときに事後振動ないしは立ち下がり振動が現れる。このような事後振動には負のアンダーシュートが含まれており、この振動に続いて正のオーバーシュートが生じる。負のアンダーシュートによってレーザダイオードの極性は阻止方向に切り替えられ、これによりレーザダイオードにおけるｐｎ接合部のツェナブレークダウンが引き起こされて、その耐用年数が極端に短くなってしまう。

電流パルスの正のオーバーシュートが特定の振幅値を超えた場合、このことにより本来の光パルスに続いて別の寄生的な光パルスがレーザダイオード内で生成される可能性があり、これによって距離測定に誤りが引き起こされてしまうおそれがある。

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の回路装置において、できるかぎり僅かな立ち上がり時間で妨害を及ぼす事後振動を生じさせることなく光パルスを生成することにある。

本発明によればこの課題は、電荷蓄積器と前記スイッチ素子との間および該スイッチ素子と電気／光変換器との間のインピーダンス整合を行う整合回路が設けられていることにより解決される。請求項１６には本発明の使用が記載されている。従属請求項には本発明の有利な実施形態ならびに好適な発展形態が示されている。

本発明は、光パルスを生成する回路装置に関する。この回路装置は電気／光変換器を有しており、これはスイッチ素子を介して電荷蓄積器と接続されている。スイッチ素子が閉じられると電荷蓄積器の充放電過程がトリガされ、これにより電流パルスが生成され、この電流パルスは電気／光変換器において光パルスに変換される。電荷蓄積器とスイッチ素子の間ならびにスイッチ素子と電気／光変換器との間において、この回路装置はインピーダンス整合のために整合回路を有している。

本発明の基本的な着想は、整合回路を用いた本発明によるインピーダンス整合によって、一方では電荷蓄積器とスイッチ素子との間、他方ではスイッチ素子と有利にはレーザダイオードにより形成される電気／光変換器との間において、重なり合う電流もしくは電圧の波が生じなくなる、ということにある。回路装置の各コンポーネント間に流れそれらにおいて反射される電流および電圧の波は、この回路装置で生成される電流パルスにおいて事後振動ないしは立ち下がり振動を引き起こす主要な要因を成すものである。

したがってこのような電流および電圧の波を阻止することにより、または少なくとも著しく低減することにより、電流パルスにおける事後振動ないしは立ち下がり振動がシステマティックに回避され、たとえば、電気／光変換器を成すレーザダイオードの寿命を短くしてしまう負のアンダーシュートが回避される。また、望ましくない寄生的な光パルスをレーザダイオードが送出してしまうことになる正のオーバーシュートも回避される。さらに本発明による回路装置によれば、電流パルスおよび光パルスの立ち上がり時間も著しく短縮される。

したがって有利には本発明による回路装置を、光学センサないしは光センサたとえば光伝播時間方式に従う距離センサにおける送信機ユニットとして使用することができる。このような距離センサによって、高精度で高速な距離測定を実施することができる。

回路装置の各コンポーネント間を流れる電流および電圧の波を取り除く整合回路は簡単な構造を有しており、そのため低コストで製造することができる。この場合、整合回路のコンポーネントを一般に能動素子および／または受動素子によって構成することができる。

一般に整合回路における各コンポーネントの仕様は、電荷蓄積器とスイッチ素子と電気／光変換器の寄生的なインダクタンスがいっしょに考慮されるように選定される。このようにして整合回路によって、規定された波動インピーダンスないしは特性インピーダンスおよび限界周波数をもつ線路がシミュレートされ、これにより一方では電荷蓄積器とスイッチ素子との間他方ではスイッチ素子と電気／光変換器との間における電流および電圧の波の反射が取り除かれ、あるいは少なくとも著しく低減される。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、スイッチ素子の複素入力インピーダンスに対し電荷蓄積器の内部インピーダンスを整合させる別個のユニットとして第１の整合回路が設けられている。さらに、スイッチ素子と電気／光変換器との間におけるインピーダンス整合のための別個のユニットとして第２の整合回路が設けられている。この実施形態によれば、電荷蓄積器をたとえば単一の充電キャパシタにより形成することができる。

本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、第１の整合回路を電荷蓄積器に組み込んで統合することができる。この実施形態では、電荷蓄積器は有利には複数の充電キャパシタを多重に配置した構成をとり、それらの充電キャパシタは第１の整合回路のコンポーネントとともに１つの回路網を成している。次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

図１には、短い光パルスを生成する従来技術による回路装置が示されている。この回路装置は、電気／光変換器としてレーザ光を放出するレーザダイオード２を有している。レーザダイオード２が短い光パルス有利にはナノ秒領域にある光パルスを放出できるようにする目的で、このレーザダイオードには電子スイッチ素子３を介して電荷蓄積器が接続されており、これはこの実施形態では充電キャパシタ４により構成されている。スイッチング素子３はトランジスタたとえばアバランシェトランジスタにより形成されている。

光パルスを発生させるために、外部のトリガ信号を介してこのスイッチ素子３が閉じられる。これにより充電キャパシタ４が放電し、その際に電流パルスｉ（ｔ）がレーザダイオード２により形成される。この電流パルスは、レーザダイオード２において光パルスｐ（ｔ）に変換される。

図２には電流パルスの時間経過特性ｉ（ｔ）が示されており、これは回路装置１の各コンポーネントが理想的な素子を成している事例での光パルスの時間経過特性ｐ（ｔ）に実質的に対応している。この理想的な事例では、電流パルスは無限に短い立ち上がり時間を有しており、ＲＣ素子の特性に従い指数関数的な減衰特性を有している。

ただし、回路装置１における素子のシステムに起因する寄生的な固有インダクタンスならびにトランジスタおよびレーザダイオード２の接続インダクタンスゆえに、一般にはこのような理想的な電流パルスの時間経過特性ｉ（ｔ）から偏差が生じる。

図３には、図１による回路装置１に関する電流パルスの実際の時間経過特性ｉ（ｔ）が示されている。回路装置１における寄生インダクタンスに起因して、電流パルスｉ（ｔ）の有限の立ち上がり時間が生じることになる。さらに寄生インダクタンスの存在に起因して、ＲＬＣ素子に相応する電流パルスｉ（ｔ）の減衰特性が生じる。このため図３に示されているとおり、電流パルスの指数関数的減衰が得られない。むしろ正の電流パルスｉ（ｔ）のあとに負のアンダーシュートＩが続き、さらにこれに続いて正のオーバーシュートＩＩが生じる。このようなアンダーシュートによってレーザダイオード２の極性が阻止方向に切り替えられ、これによりｐｎ接合部のツェナブレークダウンが引き起こされて、レーザダイオード２の耐用年数が極端に短くなってしまう。正のオーバーシュートがある特定の振幅を上回った場合、電流パルスｉ（ｔ）により生じる光パルスにおいてこれによりさらに別の寄生的な光パルスが発生する。回路装置１がたとえ光伝播時間方式に従い距離測定を実施するために用いられる場合、このような寄生的な光パルスによって距離測定にあたりエラーが引き起こされてしまう。

図４には本発明による回路装置１に関する１つの実施例の基本構成が示されており、これによれば回路装置１内部の寄生インダクタンスに起因する妨害作用が十分に除去される。

図１による回路装置１と同様に、図４による回路装置１はレーザダイオード２を有しており、これには充電キャパシタ４とスイッチ素子３が接続されている。このスイッチ素子３をやはりトランジスタたとえばアバランシェトランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタまたはＩＧＢＴトランジスタによって形成することができる。上述の妨害作用を除去するために、充電キャパシタ４とスイッチ素子３との間に整合回路５が設けられている。さらにスイッチ素子３と電気／光変換器２との間に第２の整合回路６が設けられている。

図５には、図４による回路装置１の回路技術的な実装形態の１つの可能性が描かれている。スイッチ素子３はこの事例ではアバランシェトランジスタにより形成されている。この場合、充電キャパシタ４は抵抗７を介して給電電圧源Ｕ_Ｂと接続されている。さらに図５には、回路装置１内に存在する寄生インダクタンス８ａ〜８ｄが描かれており、これらは回路装置１のコンポーネントとして設けられている充電キャパシタ４、スイッチ素子３およびレーザダイオード２に対応づけられている。

これらの寄生インダクタンス８ａ〜８ｄの作用を取り除くために、２つの整合回路５，６が設けられている。

この実施例の場合、第１の整合回路５は２つのＲＣ素子Ｒ１Ｃ２およびＲ２Ｃ２によって構成されている。第２の整合回路６もやはり２つのＲＣ素子Ｒ３Ｃ３およびＲ４Ｃ４によって構成されている。

両方の整合回路５，６におけるＲＣ素子の仕様選定にあたり、寄生インダクタンス８ａ〜８ｄがいっしょに考慮される。このようにして第１の整合回路５により、充電キャパシタ４の内部複素インピーダンスがスイッチ素子３の入力インピーダンスに整合される。第２の整合回路６により、スイッチ素子３とレーザダイオード２のインピーダンス整合が行われる。第１の整合回路５の仕様をこのように選定することにより、スイッチ素子３のスイッチオン時すなわち外部のトリガ信号によりスイッチ素子３が閉じられたとき、充電キャパシタ４からスイッチ素子３の方向に伝わる電流または電圧の波だけが生じるようにすることができる。ただし第１の整合回路５によるこのようなインピーダンス整合によって、スイッチ素子３から充電キャパシタ４へ逆方向に向かう電流または電圧の反射波が阻止される。第２の整合回路６により、スイッチ素子３から発せられる電流または電圧の波が反射を伴わずにレーザダイオード２へ転送されるようになる。

全般的に言えば、整合回路５，６によって寄生インダクタンスの影響をシステマティックに補償することができ、これにより回路装置１の各素子間で行ったり来たりする電流および電圧の波を取り除くことができ、あるいは少なくとも十分に抑圧することができる。この目的で寄生的なインダクタンスが整合回路５，６の仕様選定にあたりいっしょに算入されるので、著しく大きいリード線インダクタンスを有するケーシングに収められたトランジスタあるいはレーザダイオード２が素子として組み込まれたとしても、寄生インダクタンスの影響を補償することができる。

このように本発明による整合回路５，６によれば、規定の波動インピーダンスないしは特性インピーダンスをもつ回路装置１内の線路がシミュレートされる。これによって、回路装置１内で生成される電流パルスｉ（ｔ）の立ち上がり時間が著しく短くなるだけでなく、電流パルスｉ（ｔ）の減衰特性におけるアンダーシュートおよびオーバーシュートも回避される。

図６には、図４もしくは図５による回路装置１内で生成される電流パルスの典型的な時間経過特性ｉ（ｔ）、ならびにこれによりレーザダイオード２において生成される光パルスの典型的な時間経過特性ｐ（ｔ）が描かれている。図３との比較からわかるように、本発明による整合回路５，６によれば電流パルスの信号経過特性ｉ（ｔ）ひいては光パルスの信号経過特性ｐ（ｔ）が著しく改善される。

図６ａおよび図６ｂには、図５による回路装置１に関する電流経過特性の種々のシミュレーション結果が描かれている。

図６ａには図５による回路装置１の１つのシミュレーション結果が描かれており、この場合、参照符号ＩとＩＩによって、ＲＣ素子Ｒ３Ｃ３における抵抗Ｒ３とキャパシタＣ３を流れる部分電流の時間経過特性が表されている。さらに図６ａの参照符号ＩＩＩによって、ＲＣ素子Ｒ３Ｃ３を流れる全電流が表されており、つまりこれによれば、このシミュレーションの結果として得られたレーザダイオード２を流れる電流全体が表されている。参照符号ＩＶによって表されているのは、レーザダイオード２を流れる測定された電流である。

図６ａのシミュレーション結果に示されているとおり、ＲＣ素子Ｒ３Ｃ３の要素Ｒ３とＣ３の仕様を適切に選定することにより、全電流の時間経過特性をまえもって精確に設定することができる。Ｒ３とＣ３を流れる両方の部分電流が加算されて全電流の急峻な立ち上がり特性が形成される一方、インダクタンス成分に起因するＲ３を流れる電流中のアンダーシュートは、Ｃ３を流れる電流中のオーバーシュートによって補償される。この場合、部分電流の振幅およびゼロ点通過を、Ｒ３とＣ３の選定によって最適に調節することができる。

図６ｂには、以下のようにシミュレーションを拡張した結果が描かれている。すなわちこの場合、Ｒ３およびＣ３を流れる電流Ｉ，ＩＩのほかに別の補償要素として参照符号Ｖ，ＶＩで表された図５による回路装置内の時定数Ｒ２Ｃ２およびＲ４Ｃ４が、やはり参照符号ＩＩＩで表されているレーザダイオード２を流れる全電流の形成にあたり考慮されている。このような別の補償要素を加えることによって、レーザダイオードを流れる全電流の立ち上がり時間ならびにパルス波形を、これによって事後振動特性を劣化させることなく、図６ａにおけるシミュレーションよりもさらに改善することができる。

図７には、本発明による回路装置１の別の実施形態が示されている。図５に示した実施例と同様、図７による回路装置もやはり電気／光変換器としてレーザダイオード２を有しており、スイッチ素子３としてアバランシェトランジスタを有している。また、給電電圧源ＵＢも抵抗７を介して電荷蓄積器へ導かれている。ただしこの実施例では、電荷蓄積器は複数の充電キャパシタ４の配置によって構成されている。さらにこの場合、これら複数の充電キャパシタ４は第１の整合回路５内に統合されている。第２の整合回路６は図５の実施例と同様、スイッチ素子３とレーザダイオード２との間において別個の回路を成している。

整合回路５，６はやはり寄生インダクタンス８ｂ〜８ｄの妨害作用を補償する役割を果たすものであり、つまりこれらの整合回路５，６は、一方では電荷蓄積器とスイッチ素子３との間で、他方ではスイッチ素子３とレーザダイオード２との間で行ったり来たりする電流と電圧の波を阻止するために用いられる。

図７に示されている実施形態によれば、合わせて５つの充電キャパシタ４が第１の整合回路５内に設けられており、これらはインダクタンス９ａ〜９ｄによって互いに分離されている。有利であるのは、インダクタンス９ａ、９ｂによって分離されている最初の３つの充電キャパシタ４の代わりに、相応のインダクタンスにより分離したさらに別の充電キャパシタを設けることである。残りの２つの充電キャパシタ４は回路網と結線されており、別のコンポーネントとして抵抗１０ａ〜１０ｃを有している。

第２の整合回路６は、キャパシタ１１とインダクタンス１２と３つの抵抗１３，１４，１５によって構成されている。

この整合回路６によっても、回路装置１において規定された波動インピーダンスおよび規定された限界周波数をもつ線路がシミュレートされ、これによって回路装置１内部における電流および電圧の波の反射が阻止される。したがってこの回路装置１によっても、図６に示した電流パルスｉ（ｔ）と光パルスｐ（ｔ）の特性が得られる。図５に示した整合回路５，６の実施形態はＲＣ素子の組み込みにより高周波回路技術的にきわめて簡単に構成されている一方、図７に示した整合回路５，６によれば、寄生インダクタンス８ｂ〜８ｄに対する著しく幅の広い整合を行うことができる。したがってレーザダイオード２もしくはスイッチ素子３を用いたこれらの実施形態において、パルス持続時間および立ち下がり時間を同時にコントロールしながら最小の立ち上がり時間を達成することができる。

きわめて有利なことに図４、図５および図７による回路装置１は、光学センサないしは光センサにおける送信機ユニットとして組み込むことができる。この場合、光センサは、たとえば光伝播時間方式に従い動作する距離センサを成すものである。これらは、光パルスを受信する受信機と、受信機の受信信号に依存して検出物体からの距離を求める評価ユニットを補うことによって完全なものとなる。この種の距離センサにおいて、送信機ユニットのレーザダイオード２は所定のパルス／休止比ないしはオン／オフ比を伴う光パルス列を送出する。この場合、光パルスｐ（ｔ）は整合回路５，６の組み込みにより典型的には１ナノ秒よりも僅かな著しく短い立ち上がり時間を有しており、さらに約１ナノ秒程度のパルス持続時間を有する。距離測定にあたり、１つの光パルスが距離センサから物体へ、さらには距離センサへ戻るまでの光伝播時間が評価される。もっとも簡単な事例では、距離センサはまえもって固定的に決められた方向で光パルスを送出する。さらに距離センサを、スキャニングを行うセンサとして構成することもでき、この場合には送出された送信光が周期的に扇状または３次元の監視領域内で偏向される。

光パルスを生成するための従来技術による回路装置を示す概略図 図１に示した回路装置により生成される理想的な電流パルスの時間経過特性図 図１に示した回路装置により生成される実際の電流パルスの時間経過特性図 光パルスを生成するための本発明による回路装置の第１の実施形態を示す概略図 本発明による回路装置を示す詳細図 図４に示した回路装置において生成される電流パルスと光パルスの時間経過特性図 図５による回路装置における部分電流の時間経過特性図 図５による回路装置における部分電流の時間経過特性図 光パルスを生成するための本発明による回路装置の第２の実施形態を示す詳細図

符号の説明

１ 回路装置
２ レーザダイオード
３ スイッチ素子
４ 充電キャパシタ
５ 整合回路
６ 整合回路
７ 抵抗
８ａ〜８ｄ インダクタンス
９ａ〜９ｄ インダクタンス
１０ａ〜１０ｃ 抵抗
１１ キャパシタ
１２ インダクタンス
１３〜１５ 抵抗

Claims (17)

1. 電気／光変換器が設けられており、該電気／光変換器はスイッチ素子（３）を介して電荷蓄積器と接続されており、
   該スイッチ素子（３）を閉じることにより前記電荷蓄積器の充放電過程がトリガされて電流パルスが生成され、該電流パルスが前記電気／光変換器において光パルスに変換される、
   光パルスを生成する回路装置（１）において、
   前記電荷蓄積器と前記スイッチ素子（３）との間および該スイッチ素子（３）と電気／光変換器との間のインピーダンス整合を行う整合回路が設けられていることを特徴とする、
   光パルスを生成する回路装置。
2. 請求項１記載の回路装置において、
   前記電気／光変換器はレーザダイオード（２）により形成されていることを特徴とする回路装置。
3. 請求項１または２記載の回路装置において、
   前記スイッチ素子（３）はトランジスタにより形成されていることを特徴とする回路装置。
4. 請求項１記載の回路装置において、
   前記スイッチ素子（３）はアバランシェトランジスタにより形成されていることを特徴とする回路装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の回路装置において、
   前記スイッチ素子（３）を閉じることにより前記電荷蓄積器が放電されることを特徴とする回路装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の回路装置において、
   前記電荷蓄積器は充電キャパシタ（４）から成ることを特徴とする回路装置。
7. 請求項１から５のいずれか１項記載の回路装置において、
   前記電荷蓄積器には複数の充電キャパシタ（４）が配置されていることを特徴とする回路装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載の回路装置において、
   前記電荷蓄積器と前記スイッチ素子（３）との間に別個のユニットとして第１の整合回路（５）が設けられていることを特徴とする回路装置。
9. 請求項８記載の回路装置において、
   前記第１の整合回路（５）には複数のＲＣ素子が配置されていることを特徴とする回路装置。
10. 請求項７記載の回路装置において、
    前記電荷蓄積器と前記スイッチ素子（３）との間のインピーダンス整合のために、前記電荷蓄積器内に統合された第１の整合回路（５）が設けられていることを特徴とする回路装置。
11. 請求項１０記載の回路装置において、
    複数のインダクタンスが配置されており、該インダクタンスにより前記電荷蓄積器のキャパシタが分離されていることを特徴とする回路装置。
12. 請求項１１記載の回路装置において、
    前記第１の整合回路（５）のインダクタンスに対し、該第１の整合回路（５）の別の構成要素として抵抗（１０ａ〜１０ｃ）が対応づけられていることを特徴とする回路装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１項記載の回路装置において、
    前記スイッチ素子（３）と前記電気／光変換器との間のインピーダンス整合のために、別個のユニットとして第２の整合回路（６）が配置されていることを特徴とする回路装置。
14. 請求項１３記載の回路装置において、
    前記第２の整合回路（６）は少なくとも１つのＲＣ素子を有することを特徴とする回路装置。
15. 請求項１３記載の回路装置において、
    前記第２の整合回路（６）は少なくとも１つのＲＬＣ素子を有することを特徴とする回路装置。
16. 光センサ内の送信機ユニットとして用いることを特徴とする、
    請求項１から１５のいずれか１項記載の回路装置（１）の使用。
17. 前記光センサにより光伝播時間方式による距離測定を実施することを特徴とする、
    請求項１６記載の回路装置の使用。

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