JP2015161683A - 光電センサ及び監視領域内の物体検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光の検出を改善することができるガイガーモードのアバランシェフォトダイオード素子を備える光電センサ及び、監視領域内の物体検出方法を提供する。
【解決手段】光電センサ１０は、監視領域１８からの受信光２０を検出するための複数のアバランシェフォトダイオード素子を有する受光器３０と、該受光器３０の手前に配置された受光光学系２２とを備える。アバランシェフォトダイオードはそれぞれ降伏電圧より高いバイアス電圧を印加されることによりガイガーモードで駆動され、受光光学系２２は集光素子２４及び絞り２６を有する。絞り２６は集光素子２４の遠視野焦点面に配置され、受光光学系２２は絞り２６と受光器３０の間に配置された漏斗状光学素子２８を更に備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の光電センサ、及び請求項１０のプレアンブルに記載の対象領域内の物体検出方法に関する。

光電センサには、一次元的な光遮断機や光センサから、レーザスキャナ、更にはカメラまで、幅広い種類がある。単なる物体検出にとどまらず、測距システムの場合は物体までの距離も測定される。そのために、光伝播時間原理に基づく距離センサは光信号の伝播時間を測定する。この時間は光速を介して距離に対応する。従来の測定法はパルスベースと位相ベースの２つの測定法に分けられる。パルス伝播時間法では、短い光パルスが発射され、その光パルスの拡散反射又は直反射が受信されるまでの時間が測定される。一方、位相法では、発信光が振幅変調され、発信光と受信光の間の位相差が特定され、この位相差が同様に光伝播時間の尺度となる。ただし、２つの方法の間の境界は常に明確に引けるとは限らない。なぜなら、例えば複雑なパルスパターンを用いる場合、パルス伝播時間法は典型的な個別パルス測定法よりもむしろ位相法に近くなるからである。

ほとんどの場合、特に距離測定の場合に、センサは、自らの発光器又は割り当てられた発光器の出す有効光と周囲光又は他の光源からの外乱光とを区別できなければならない。特に周囲が明るい場合等、使用形態によっては、目標物の拡散反射率が低かったり測定距離が長かったりすると有効光のレベルが極度に低くなり、上記課題が非常に難しいものとなる可能性がある。

低い受光強度でも検出を可能にするため、従来より多くの光電センサでアバランシェフォトダイオード（以下、適宜「ＡＰＤ」と略す）が用いられている。ＡＰＤでは、光が入射すると制御されたアバランシェ降伏（アバランシェ効果）が誘発される。この現象により、入射光子が作り出した電荷担体が増倍され、光電流が生じる。この電流は受光強度に比例するが、単なるＰＩＮダイオードの場合よりもはるかに大きい。

いわゆるガイガーモードで駆動されるＡＰＤ（ＳＰＡＤ：シングルフォトンアバランシェフォトダイオード）を用いれば更に高い感度を達成できる。この技術では、降伏電圧より高いバイアス電圧がＡＰＤに印加されるため、単一の光子により放出されるたった１つの電荷担体でさえ、もはや制御されないアバランシェを誘発し得る。電界強度が高いため、このアバランシェは利用可能な全ての電荷担体を取り込む。それゆえこのＡＰＤは、その名前の由来であるガイガーカウンターと同様、一つ一つの事象を計数する。

ガイガーモードのＡＰＤは高感度であるだけでなく比較的安価でもあり、しかも僅かなコストで回路基板に統合できる。ただし、その受光面が比較的大きいため、結像用の受光光学系を通じて外光のレベルが増大する。ところが、従来より用いられている受光光学系には外光の入力が検出器のサイズに依存するという欠点がある。検出器側に絞りを設けて検出器の表面を単純に狭くすれば、外光と一緒に遠視野の信号も強く抑えられてしまう。そうなるとセンサの射程距離が明らかに制限される。その上、検出器が不均一に照らされると制御の困難な測定誤差が生じるおそれがある。

様々な受光光学系を備えるセンサが従来技術から知られている。例えば、特許文献１には吸収や多重反射により外乱光を抑える肋材を備える鏡胴が開示されている。しかし、この構成では、検出器の面積と外光の影響との依存関係が相殺されず、また光を吸収する鏡胴は有効光を導くのに適していない。特許文献２に記載の光センサは絞りとレンズを備える鏡胴を用いている。ただし、この光学系は発光光学系として利用されるものであり、複数の発光器の光の色を混ぜる機能を持つ。これらの文献はガイガーモードのＡＰＤには触れておらず、従って前記光学系はＡＰＤの要求事項に応じて設計されたものではない。

DE 44 30 778 A1 EP 1 715 313 A1

それゆえ、本発明の課題は、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを備える光電センサにおける光の検出を改善することである。

この課題は、請求項１のプレアンブルに記載の光電センサ、及び請求項１０のプレアンブルに記載の対象領域内の物体検出方法により解決される。本発明の出発点となる基本思想は、受光光学系において、少なくとも近視野又は中間距離から該受光光学系へ到来する外光成分を抑制するということにある。そのために、受光光学系の集光素子の遠視野焦点面内又は少なくともその近傍に絞りが配置される。この絞りを通過する光は漏斗状光学素子の開口に達し、その内部で反対側の別の開口まで導かれ、この開口に受光器が配置されている。これにより、遠視野からの光がほぼ完全に捕らえられ、受光器まで導かれる。漏斗状光学素子は同時にホモジナイザとしても機能することが好ましい。

本発明には、検出器の面積が大きく、また外光の入力が大幅に低減するにもかかわらず、遠視野の信号が維持されるという利点がある。前記受光光学系は近距離及び中間距離においても利点をもたらす。なぜなら、これらの距離において、単純な二次関数的な距離法則に従って対象の接近とともに過駆動の状態にするのではなく、信号の強弱を少なくともある程度一定に維持することができるからである。

それにもかかわらず、前記受光光学系は比較的小さな構造空間しか必要としない。検出器の表面は全距離範囲にわたって、遠視野の信号によっても（つまり遠距離からでも）、信号損失なしで均一に隈無く照らされる。これは統計的な信号評価法にとってまさに重要である。そして、ガイガーモードのＡＰＤでは、個々の事象が外乱光子にも由来し得ることから、統計的な評価はほぼ必須である。受光器が１つではなく複数のＡＰＤを備えているのはこういう理由からでもある。

アバランシェフォトダイオード素子（以下、ＡＰＤ素子）は降伏電圧が最大で７０Ｖ、特に最大で５０Ｖ、３０Ｖ又は１５Ｖであることが好ましい。これにより、従来より使用されているＡＰＤのような高電圧の供給が不要となり、製造コストを大幅に低減させることができる。

ＡＰＤ素子はＣＭＯＳプロセスにより製造されたもの、特に共通の基板上にマトリクス構造として形成されたものであることが好ましい。これにより受光器が安価に利用可能となる。とりわけＣＭＯＳ部品は微小な構造を作ることが可能であり、従って従来のＡＰＤに比べてはっきりと降伏電圧を下げることができる。

受光器は、該受光器の基板の上にＡＰＤ素子用の局所的な評価構造を備えていることが好ましい。この局所的な評価構造を受光器の外部の評価ユニットにより補うことで、局所及び外部の評価部に部分的な機能を配分することができる。局所的な処理により多数の個々のデータを予めふるいにかければ、後はまとまった測定情報さえ読み出せばよいため、発生するデータ量が大幅に減る。ガイガーモードのＡＰＤ自体に増幅作用があるため、評価回路は直接デジタル的に実装することができる。

集光素子は非球面レンズ又はレンズ系を備えることが好ましい。これにより、遠視野から絞りへ特に効果的に集光することができる。あるいは単純な球面レンズを用いてもよい。

漏斗状光学素子はその内面に鏡面を備えていることが好ましい。これにより、光が漏斗状素子内においてより良好に導かれ、均一化される。

漏斗状光学素子は角錐台状であることが好ましい。これは製造が容易であり、狙い通りの導光特性を持つ明確な鏡面を持つ。底面の形状は正方形が好ましいが、三角形や六角形等、他の底面形状を選んでもよい。

漏斗状光学素子は断面が急激に縮小する箇所を少なくとも１つ有していることが好ましい。つまり、漏斗状光学素子の壁が、連続的に狭まる滑らかに傾斜した壁ではなく、段階的に縮小する階段を成す。この構成によれば、より短い漏斗のなかで、鏡面角をより平坦に近くしながら同時に縮小の度合いを強めることができる。また、断面が連続的に縮小するテーパ状、同じ断面で延在する管状、若しくは不連続又は連続的に断面積が増大する形状も考えられる。

漏斗状光学素子は絞りのすぐ後ろ及び／又は受光器のすぐ前に配置されていることが好ましい。この構成によれば、絞り、漏斗状光学素子及び発光器の間に隙間が無いに等しい状態となり、漏斗状光学素子が絞りと発光器の間の全区間を占める。これにより、受光光学系の構造的な長さが短くなるとともに、受光光学系の内部になお残る外光が再び捕らえられることがなくなる。

絞りと漏斗状光学素子との間には拡散素子が配置されていることが好ましい。このようにすれば漏斗状光学素子を短くすることができる。なぜなら、絞りから漏斗状の壁までの光の偏向角が拡散器の後ろで大きくなるため光路が短くなるからである。加えて均一性が著しく高められる。拡散素子は絞りと漏斗状光学素子との間に隙間なく嵌め込まれていることが好ましい。

受光器の面積は数平方ミリメートルであることが好ましい。数平方ミリメートル程度という面積は、単純なフォトダイオードに比べれば大きいが、本発明に従って投入される受光器内に複数のガイガーモードのＡＰＤ素子を設けるにはその程度の面積が必要である。それゆえに従来の受光光学系ではまさに遠距離からの光を検出する場合に有効光が外光により大きく妨害されるのであり、この問題が本発明により抑制されるのである。

上記構成において絞りの受光器に対する面積比は非常に小さいことが好ましく、例えば最大で１：１０、１：１００又は１：１０００とする。というのも、遠視野の外光をどの程度抑制できるかがこれらの面積比で決まるからである。

本発明のセンサは、発射される光パルスの発信時点とＡＰＤ素子により監視領域から受信される光パルスの受信時点との間の光伝播時間を測定するために、光パルスを発射する発光器と光伝播時間測定ユニットとを備える測距センサとして構成されていることが好ましい。このセンサは、監視領域内で直反射又は拡散反射された自らの発信光を受信し、本発明に係る受光光学系を通じて非常に大きな射程距離を達成する。これをレーザスキャナに発展させた有利な形態では、距離が一方向において測定されるだけでなく、回転鏡等の可動式偏向ユニットを用いたり、測定ヘッドを移動又は回転させたりすることにより、光パルスが平面を走査し、更には３次元空間領域さえも走査する。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で、更なる特徴により仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような更なる特徴は本願の独立請求項に続く従属請求項に模範的に記載されているが、それらに限定されるものではない。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施例に基づき、添付の図面を参照して説明する。

光電センサの概略断面図。 図１に示したセンサの受光器において使用されるガイガーモードのアバランシェフォトダイオードの模範的な簡略化した等価回路図。 図１に示したセンサの受光光学系の構成及び光線経路の概略図（ａ）、（ａ）の一部拡大図（ｂ）、並びに（ａ）に示した受光光学系により導かれた受信光の受光器上における光分布の模範例（ｃ）。 本発明に係る受光光学系の信号の距離依存的な変動を示す模範的な図。

図１は模範的に光センサとして構成された光電センサ１０のブロック図である。このセンサ１０は発光器１２（例えばレーザダイオード）を備えており、その発信光１４が発光光学系１６において平行光となり、監視領域１８へと方向転換される。監視領域１８内の物体の表面で拡散反射された光は、受信光２０として、レンズ２４、絞り２６及び漏斗状光学素子２８を備える受光光学系２２を通り、ピクセル内にアバランシェフォトダイオードの形で配置された多数の受光素子を有する受光器３０へと導かれる。

センサ１０内には更に発光器１２及び受光器３０と接続された制御及び評価ユニット３２が設けられている。制御及び評価ユニット３２は受光器３０の受信信号に基づいて監視領域１８内の物体を検出する。このセンサ１０が、光パルスを発射してその受信までの光伝播時間を測定する測距用光センサとして構成されていれば、検出された物体の距離も測定される。評価ユニット３２は出力部３４を通じて処理済み又は未処理のセンサ測定データを出力したり、逆に制御命令やパラメータの指示を受け取ったりする。

受光器３０の受光素子は、受信光２０を高感度で検出するためにガイガーモードで駆動されるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。説明のため、このようなＡＰＤの模範的な簡略化した等価回路図を図２に示す。これは実際には半導体部品であり、その構造（図示せず）はここでは周知のものとする。ＡＰＤ１００はまずダイオード１０２としての挙動を示す。ＡＰＤ１００は容量を持つが、それは並列に接続されたコンデンサ１０４で表わされている。アバランシェ降伏が起きれば電荷担体が生じるが、その源は等価回路図中に電源１０６として描かれている。アバランシェ降伏は入射光子１０８により誘発されるが、そのプロセスはスイッチ１１０のように働く。外部に対してＡＰＤ１００は抵抗１１２を介して電源１１４と接続されている。この電源ともう１つの抵抗１１６との間の点１１８において出力信号を観察することができる。

待機状態では、ダイオード１０２には降伏電圧より高い電圧が印加されている。この状況で入射光子１０８が電荷担体対を生成すると、いわばスイッチ１１０が入り、その結果、電荷担体が電源１０６を介してＡＰＤ１００に溢れる。しかし、新たな電荷担体は十分に強い電界が維持されている間のみ発生する。コンデンサ１０４が電源１０６によって降伏電圧を下回るまで放電されると、アバランシェは自然に止まる（「受動クエンチ（消滅）」）。その後、コンデンサ１０４は、降伏電圧を超える電圧が再びダイオード１０２にかかるまで、外部電源１１４により抵抗１１２を介して再充電される。代替の構成では、アバランシェが外部から認識され、その後、降伏電圧より低い電圧までの放電が開始される（「能動クエンチ（消滅）」）。

アバランシェの間、点１１８における出力信号は誘起光（ここでは光子１０８）の強度とは無関係に急速に最大値まで増加し、アバランシェの停止後に再び減少する。そのパルス形状が点１１８に簡単に示されている。この減少の時間定数はＡＰＤ１００のむだ時間を示すものであって、その値はコンデンサ１０４の容量および抵抗１１２により決まり、通常数ナノ秒から数十ナノ秒の範囲にある。このむだ時間は完全なむだ時間ではない。なぜなら、バイアス電圧がアバランシェを支えられる程度にまで高くなるとすぐ、出力信号も、待機状態からの場合程ではないが、再び増加することができるからである。通常、増幅率は１０^５〜１０^７程度であり、基本的に、ＡＰＤ１００内でアバランシェに取り込まれ得る電荷担体の最大数から自ずと決まる。

測定すべき事象がむだ時間内に発生した場合、ＡＰＤ１００はそれをほとんど検出できない。また、ＡＰＤ１００は、十分なむだ時間が経過し、１つの電荷担体対が誘起されるという条件で、いかなる個別事象に対しても同じ信号で反応する。このため、受光強度を評価するには、１つのＡＰＤ１００だけでは非常に不適切である。しかも、周囲光のたった１つの光子、あるいは暗雑音によるたった１つの電荷担体対だけで、測定対象の事象と無関係なアバランシェが誘発される可能性がある。それゆえ、受光器２８には多数の個々のＡＰＤ素子１００が設けられ、それらの信号が制御及び評価ユニット３２により共通に評価される。これに相当する部品要素は、例えばＣＭＯＳプロセスにおいて製造することができる。ＡＰＤ素子１００の降伏電圧は従来のＡＰＤより著しく低く、例えば最大でも７０Ｖ、あるいはわずか１５Ｖ〜３０Ｖですらある。

図１に基づいて説明したセンサ１０の実施形態は単に模範的なものと理解すべきである。ガイガーモードのＡＰＤを基礎とする受光器は、例えば光遮断機、距離センサ又はレーザスキャナといった幅広い種類の光電センサで使用可能である。これらのセンサ１０は構造の点で図１とは著しく異なり得る。例えば、発光チャネルと受光チャネルを共通の分割鏡を介して導いたり、受動型の構成にして発光チャネルを完全になくしたりすることができる。本発明は以下に更に説明するように受光光学系２４に関するものであり、センサ１０のその他の構造はあまり関係ない。

図３は、受光光学系２２の構造と該受光光学系２２における受信光２０の光線経路を示している。図３中、（ａ）は受光光学系２２の全体図、（ｂ）は絞り２６と漏斗状光学素子２８を含む範囲の部分拡大図、（ｃ）は受光器３０上に生じる光の分布の模範例を示す該受光器３０の平面図である。

レンズ２４は集光レンズであり、球面、非球面又は自由な形状とすることができる。図から離れて、集光素子としてレンズ２４の代わりに反射型又は反射屈折型の素子を用いることも考えられる。絞り２６はレンズ２４の遠視野焦点面の少なくとも近傍に配置されている。漏斗状光学素子２８は例えば鏡面加工された内面と正方形の断面を有する中空の角錐台である。あるいは六角形又は任意の多角形状の底面を基にした幾何形状でもよい。漏斗の断面は絞り２６から受光器３０まで連続的又は不連続に縮小していてもよい。絞り２６及び漏斗状光学素子２８は、例えば二軸系のように非対称に構成してもよい。

漏斗状光学素子２８は、光信号を損失することなく、受信光２０をレンズ２４の焦点面の後ろで受光器３０へと導くとともに、該受信器３０が均一に隈無く照らされることを保証する役割を果たす。図３（ｃ）はシミュレーションの結果を示しており、受光器３０の表面上の均一性が非常に良好に達成されることが分かる。漏斗状光学素子２８の幾何形状、特にその長さは、その内面で受信光２０の反射が少なくとも１回は生じ得るように形成する必要がある。ただし、少なくとも光伝播時間原理による測距装置に用いる場合、確かに漏斗状光学素子の内面は均一化を保証するような長さと傾斜にする必要があるものの、他方で、反射損失のみならず反射による光路長の増大が重大にならない程度に反射回数を制限する必要もある。反射回数が一定の限度を超えれば、反射による光路長の増大が原因となって距離の測定値の質が低下する恐れがある。

漏斗状光学素子２８の均一化作用を強めるため、又はその構造的な長さを短くするために、絞り２６と漏斗状光学素子２８との間に追加の拡散素子（図示せず）を配置してもよい。

受光光学系２２における外光の抑制効率にとって決定的なのが絞り２６の絞り開口２６ａと受光器３０の面積比である。確実なことは、絞り開口２６ａを受光器３０よりも小さくすることで、外光の入力が、受光器３０のより大きな面積によってではなく、より小さな絞り２６によって制限されるようにすべきであるということである。その場合、外光の抑制率は絞り開口２６ａと受光器３０の面積比に比例する。例えば絞り開口のサイズが０．１×０．１ｍｍ^２で受光器３０の面積が１×１ｍｍ^２であれば、面積比は１：１００となり、それに応じて外光も１００分の１に抑えられる。その際、有効信号の信号レベルが低下しないように、監視領域１８内で発信光１４により作り出される光点の絞り２６上での大きさが絞り開口２６ａより小さくなるように配慮する必要もある。レンズ２４（非球面レンズ等）の適切な選択又は適切な設計により最適な集光が達成できる。

図４は受光光学系２２の信号の距離依存的な変動を示す模範的な図、つまりここでは受光信号の振幅の距離依存性を示す両対数のプロット図である。比較のため、単に距離に起因する信号の変動を破線で示してある。図から分かるように、本発明による光学系の構成では遠視野において信号損失が生じない。中間距離及び近距離では信号の変化が著しく小さくなっている。ところが、これは実際には有利である。なぜなら、このようにセンサの規定の射程距離よりもはるかに短い距離ではほぼ常に十分な信号が得られる上、逆にそのような距離では過駆動が問題となるが、それが本発明に係る受光光学系２２の平坦な強度推移により避けられるからである。

Claims (10)

1. 監視領域（１８）からの受信光（２０）を検出するための複数のアバランシェフォトダイオード素子を有する受光器（３０）と、該受光器（３０）の手前に配置された受光光学系（２２）とを備え、前記アバランシェフォトダイオードはそれぞれ降伏電圧より高いバイアス電圧を印加されることによりガイガーモードで駆動され、前記受光光学系（２２）は集光素子（２４）及び絞り（２６）を有する光電センサ（１０）において、
   前記絞り（２６）は前記集光素子（２４）の遠視野焦点面に配置され、前記受光光学系（２２）は前記絞り（２６）と前記受光器（３０）の間に配置された漏斗状光学素子（２８）を更に備えていることを特徴とするセンサ（１０）。
2. 前記集光素子（２４）は非球面レンズ又はレンズ系を備えていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 前記漏斗状光学素子（２８）はその内面に鏡面を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
4. 前記漏斗状光学素子（２８）は角錐台状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
5. 前記漏斗状光学素子（２８）は断面が急激に縮小する箇所を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ（１０）。
6. 前記漏斗状光学素子（２８）は前記絞り（２６）のすぐ後ろ及び／又は前記受光器（３０）のすぐ前に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ（１０）。
7. 前記絞り（２６）と前記漏斗状光学素子（２８）との間に拡散素子が配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセンサ（１０）。
8. 前記受光器（３０）の面積は数平方ミリメートルであること、及び／又は、前記絞り（２６）の前記受光器（３０）に対する面積比は最大で１：１０、１：１００又は１：１０００に達することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ（１０）。
9. 発射される光パルスの発信時点とアバランシェフォトダイオード素子により前記監視領域（１８）から受信される光パルスの受信時点との間の光伝播時間を測定するために、光パルスを発射する発光器と光伝播時間測定ユニットとを備える測距センサ、特にレーザスキャナとして構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ（１０）。
10. それぞれ降伏電圧より高いバイアス電圧を印加されることによりガイガーモードで駆動される複数のアバランシェフォトダイオード素子を備える受光器（３０）を用いた監視領域（１８）内の物体検出方法であって、前記監視領域（１８）からの受信光（２０）が前記受光器（３０）の手前に配置された受光光学系（２２）により前記受光器（３０）へ導かれ、その際、該受信光（２０）が集光素子（２４）により絞り（２６）上へ集光される、という方法において、
    前記受信光（２０）が前記集光素子（２４）により該集光素子（２４）の遠視野焦点面内で前記絞り（２６）上に集光され、その後、漏斗状光学素子（２８）を通じて前記受光器（３０）へ導かれることを特徴とする方法。

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