JP2020106350A - Light projection/receiving device, light projection/receiving method, program, and recording medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、投受光装置、投受光方法、プログラム及び記録媒体に関する。 The present invention relates to a light projecting/receiving device, a light projecting/receiving method, a program, and a recording medium.
レーザ光を対象物に照射し、当該対象物によって反射されたレーザ光を受光して解析することにより、対象物までの距離を計測する測距装置が知られている(例えば、特許文献1)。かかる測距装置の測距方式としては、例えばTOF(Time of Flight)方式がある。TOF方式では、レーザ光を出射してから当該レーザ光が対象物に反射されて戻って来るまでの時間を計測し、計測した時間に基づいて対象物までの距離を算出する。 There is known a distance measuring device that measures a distance to an object by irradiating the object with laser light and receiving and analyzing the laser light reflected by the object (for example, Patent Document 1). .. As a distance measuring method of such a distance measuring device, there is a TOF (Time of Flight) method, for example. In the TOF method, the time from when the laser light is emitted to when the laser light is reflected by the object and returns is measured, and the distance to the object is calculated based on the measured time.
このような測距装置において、対象物からの戻り光の光量は、通常の場合、出射するレーザ光の光量と比べて極めて小さい。このため、受光素子の感度を上げておく必要がある。例えば、受光素子がAPD(Avalanche Photodiode)から構成されている場合、APDに印加する逆バイアス電圧を増大させることにより、受光感度を上げることができる。 In such a distance measuring device, the light amount of the return light from the object is usually extremely smaller than the light amount of the emitted laser light. Therefore, it is necessary to increase the sensitivity of the light receiving element. For example, when the light receiving element is composed of an APD (Avalanche Photodiode), the light receiving sensitivity can be increased by increasing the reverse bias voltage applied to the APD.
しかし、戻り光の光量は対象物までの距離の2乗に逆比例するため、受光素子の感度を高く設定していた場合、近距離で反射された戻り光の光量を増大させすぎてしまう場合がある。特に、出射されたレーザ光が測距装置内部のレンズ等の光学部品で反射された場合、その反射光は至近距離での反射光となるため、出射光に近い極めて高い強度を有する。従って、受光素子の感度を高く設定していた場合、近距離からの反射光を受光することにより、受光素子が飽和してしまうおそれがある。 However, since the amount of return light is inversely proportional to the square of the distance to the object, when the sensitivity of the light receiving element is set high, the amount of return light reflected at a short distance increases too much. There is. In particular, when the emitted laser light is reflected by an optical component such as a lens inside the distance measuring device, the reflected light becomes a reflected light at a close range, and thus has an extremely high intensity close to that of the emitted light. Therefore, when the sensitivity of the light receiving element is set high, the light receiving element may be saturated by receiving the reflected light from a short distance.
そこで、対象物までの距離に応じて受光素子の受光感度を変化させる測距装置が提案されている(例えば、特許文献2)。 Therefore, a distance measuring device has been proposed that changes the light receiving sensitivity of the light receiving element according to the distance to the object (for example, Patent Document 2).
受光素子がAPDから構成されている場合、対象物までの距離に応じて受光感度を上昇させるためには、例えばレーザ光を出射してからの時間経過に応じて、APDに印加する逆バイアス電圧を上昇させる。その際、戻り光の受光及び光電変換に基づくAPDの本来の出力電流とは別に、APDのアノード−カソード間の端子間容量による充放電電流が発生する。この充放電電流は、APDのカソードに印加されるバイアス電圧を時間で微分した値を有する。従って、例えばバイアス電圧の電圧値を時間経過に応じて単調増加させた場合、充放電電流は定電流となり、当該定電流分の電流がAPDの出力電流に加算される。 When the light receiving element is composed of an APD, in order to increase the light receiving sensitivity according to the distance to the object, for example, a reverse bias voltage applied to the APD according to the time elapsed after the laser light is emitted. Raise. At that time, in addition to the original output current of the APD based on the reception of the return light and the photoelectric conversion, a charging/discharging current is generated due to the terminal capacitance between the anode and cathode of the APD. This charge/discharge current has a value obtained by differentiating the bias voltage applied to the cathode of the APD with respect to time. Therefore, for example, when the voltage value of the bias voltage is monotonically increased with time, the charging/discharging current becomes a constant current, and the current for the constant current is added to the output current of the APD.
APDの出力電流は、APDの後段に設けられた出力部においてI−V変換(電流電圧変換)され、電圧信号として出力される。上記のようにAPDの出力電流に端子間容量による充放電電流が加算され、電流値がかさ上げされた場合、その電流値が出力部におけるI−V変換のダイナミックレンジを超えてしまう場合がある。ダイナミックレンジを超えた分の電流は電圧に変換されないため、出力部から出力される電圧信号は上下方向に潰れた波形となる。このため、I−V変換のダイナミックレンジが端子間容量による充放電電流よりも低い場合には、受光した戻り光に基づく電圧信号(受光信号)のピークを検出することができないという問題点があった。 The output current of the APD is IV-converted (current-voltage converted) at the output section provided at the subsequent stage of the APD and output as a voltage signal. When the charging/discharging current due to the inter-terminal capacitance is added to the output current of the APD and the current value is increased as described above, the current value may exceed the dynamic range of IV conversion in the output section. .. Since the current exceeding the dynamic range is not converted into a voltage, the voltage signal output from the output section has a vertically crushed waveform. Therefore, when the dynamic range of the IV conversion is lower than the charge/discharge current due to the inter-terminal capacitance, there is a problem that the peak of the voltage signal (light reception signal) based on the received return light cannot be detected. It was
このように、受光素子に印加するバイアス電圧を時間に応じて変化させた場合、受光素子の端子間容量による充放電電流がI−V変換のダイナミックレンジを超えてしまい、受光信号のピークを検出することができないおそれがあるということが課題の一例として挙げられる。 In this way, when the bias voltage applied to the light receiving element is changed with time, the charge/discharge current due to the inter-terminal capacitance of the light receiving element exceeds the dynamic range of IV conversion, and the peak of the light receiving signal is detected. An example of the problem is that there is a possibility that it cannot be done.
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、対象物までの距離に応じて受光素子の受光感度を調整しつつ、受光信号のピークを検出することが可能な投受光装置、投受光方法、プログラム及び記録媒体を提供することを目的の一つとしている。 The present invention has been made in view of the above points, and it is possible to adjust the light receiving sensitivity of a light receiving element according to the distance to an object and to project and receive a peak of a light receiving signal. One of the purposes is to provide a method, a program, and a recording medium.
請求項1に記載の発明は、測距装置であって、光を対象物に向けて出射する光源と、対象物によって反射された光を受光し、受光した当該光に応じた電流を出力する光電変換素子と、電圧値を漸次上昇させて前記光電変換素子に第1電圧を印加する第1電圧印加部と、前記光電変換素子から出力された電流を電圧に変換して出力する変換部と、前記光電変換素子の端子間容量に基づく容量を有し前記変換部の入力に一端が接続されているコンデンサと、前記第1電圧とは逆位相の第2電圧を前記コンデンサの他端に印加する第2電圧印加部と、を有する調整回路と、を有することを特徴とする。 The invention according to claim 1 is a distance measuring apparatus, which receives a light source that emits light toward an object, receives light reflected by the object, and outputs a current according to the received light. A photoelectric conversion element, a first voltage application section that gradually increases a voltage value and applies a first voltage to the photoelectric conversion element, and a conversion section that converts the current output from the photoelectric conversion element into a voltage and outputs the voltage. A capacitor having a capacitance based on a capacitance between terminals of the photoelectric conversion element and having one end connected to an input of the conversion unit; and a second voltage having a phase opposite to the first voltage applied to the other end of the capacitor And a second voltage applying section for adjusting the voltage.
請求項7に記載の発明は、光源と、光電変換素子と、前記光電変換素子に第1電圧を印加する第1電圧印加部と、電流を電圧に変換して出力する変換部と、前記光電変換素子の端子間容量に基づく容量を有し前記変換部の入力に一端が接続されているコンデンサと、前記コンデンサの他端に第2電圧を印加する第2電圧印加部と、を有する投受光装置が実行する投受光方法であって、前記光源が対象物に向けて光を出射するステップと、前記第1電圧印加部が、電圧値を漸次上昇させて前記光電変換素子に前記第1電圧を印加するステップと、前記光電変換素子が、対象物によって反射された前記光を受光し、受光した当該光に応じた電流を出力するステップと、前記第2電圧印加部が、前記第1電圧とは逆位相の前記第2電圧を前記コンデンサの他端に印加するステップと、前記変換部が、前記光電変換素子から出力された電流及び前記コンデンサから出力された電流を電圧に変換して出力するステップと、を含むことを特徴とする。 The invention according to claim 7 is a light source, a photoelectric conversion element, a first voltage application section that applies a first voltage to the photoelectric conversion element, a conversion section that converts a current into a voltage and outputs the voltage, and the photoelectric conversion element. A light projecting/receiving light having a capacitor having a capacitance based on a capacitance between terminals of a conversion element and having one end connected to an input of the conversion unit, and a second voltage application unit applying a second voltage to the other end of the capacitor. A method of projecting and receiving light by an apparatus, wherein the light source emits light toward an object, and the first voltage application unit gradually increases a voltage value to apply the first voltage to the photoelectric conversion element. The step of applying the voltage, the photoelectric conversion element receiving the light reflected by the object, outputting a current corresponding to the received light, and the second voltage applying section using the first voltage. A step of applying the second voltage having a phase opposite to that of the second voltage to the other end of the capacitor, and the conversion unit converts the current output from the photoelectric conversion element and the current output from the capacitor into a voltage and outputs the voltage. And a step of performing.
請求項8に記載の発明は、光源と、光電変換素子と、前記光電変換素子に第1電圧を印加する第1電圧印加部と、電流を電圧に変換して出力する変換部と、前記光電変換素子の端子間容量に基づく容量を有し前記変換部の入力に一端が接続されているコンデンサと、前記コンデンサの他端に第2電圧を印加する第2電圧印加部と、を有する投受光装置に搭載されたコンピュータに、光を対象物に向けて出射するように前記光源を制御するステップと、電圧値を漸次上昇させて前記光電変換素子に前記第1電圧を印加するように前記第1電圧印加部を制御するステップと、対象物によって反射された前記光を受光し、受光した当該光に応じた電流を出力するように前記光電変換素子を制御するステップと、前記第1電圧とは逆位相の前記第2電圧を前記コンデンサの他端に印加するように前記第2電圧印加部を制御するステップと、前記光電変換素子から出力された電流及び前記コンデンサから出力された電流を電圧に変換して出力するように前記変換部を制御するステップと、を実行させることを特徴とする。 The invention according to claim 8 is a light source, a photoelectric conversion element, a first voltage application section that applies a first voltage to the photoelectric conversion element, a conversion section that converts a current into a voltage and outputs the voltage, and the photoelectric conversion element. A light projecting/receiving light having a capacitor having a capacitance based on a capacitance between terminals of a conversion element and having one end connected to an input of the conversion unit, and a second voltage application unit applying a second voltage to the other end of the capacitor. A step of controlling the light source so as to emit light toward an object to a computer mounted on the apparatus; and a step of gradually increasing a voltage value to apply the first voltage to the photoelectric conversion element. 1 controlling the voltage application section, receiving the light reflected by the object, controlling the photoelectric conversion element so as to output a current according to the received light, and the first voltage Controls the second voltage applying unit to apply the second voltage having the opposite phase to the other end of the capacitor, and outputs the current output from the photoelectric conversion element and the current output from the capacitor as a voltage. And controlling the conversion unit so as to output the converted data.
請求項9に記載の発明は、光源と、光電変換素子と、前記光電変換素子に第1電圧を印加する第1電圧印加部と、電流を電圧に変換して出力する変換部と、前記光電変換素子の端子間容量に基づく容量を有し前記変換部の入力に一端が接続されているコンデンサと、前記コンデンサの他端に第2電圧を印加する第2電圧印加部と、を有する投受光装置に搭載されたコンピュータに、光を対象物に向けて出射するように前記光源を制御するステップと、電圧値を漸次上昇させて前記光電変換素子に前記第1電圧を印加するように前記第1電圧印加部を制御するステップと、対象物によって反射された前記光を受光し、受光した当該光に応じた電流を出力するように前記光電変換素子を制御するステップと、前記第1電圧とは逆位相の前記第2電圧を前記コンデンサの他端に印加するように前記第2電圧印加部を制御するステップと、前記光電変換素子から出力された電流及び前記コンデンサから出力された電流を電圧に変換して出力するように前記変換部を制御するステップと、を実行させるプログラムを記録することを特徴とする。 The invention according to claim 9 is a light source, a photoelectric conversion element, a first voltage application section that applies a first voltage to the photoelectric conversion element, a conversion section that converts a current into a voltage and outputs the voltage, and the photoelectric conversion element. A light projecting/receiving light having a capacitor having a capacitance based on a capacitance between terminals of a conversion element and having one end connected to an input of the conversion unit, and a second voltage application unit applying a second voltage to the other end of the capacitor. A step of controlling the light source so as to emit light toward an object to a computer mounted on the apparatus; and a step of gradually increasing a voltage value to apply the first voltage to the photoelectric conversion element. 1 controlling the voltage application section, receiving the light reflected by the object, controlling the photoelectric conversion element so as to output a current according to the received light, and the first voltage Controls the second voltage applying unit to apply the second voltage having the opposite phase to the other end of the capacitor, and outputs the current output from the photoelectric conversion element and the current output from the capacitor as a voltage. And a step of controlling the conversion unit so as to output the converted data.
以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一または等価な部分には同一の参照符号を付している。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. In the following description of the embodiments and the accompanying drawings, substantially the same or equivalent parts are designated by the same reference numerals.
図1は、本実施例の測距装置100の概略構成を示すブロック図である。測距装置100は、光学的に対象物までの距離を測定する光測距装置である。測距装置100は、レーザ光を所定領域に向けて照射し、所定領域内の対象物OJTによって反射されたレーザ光を受光することにより、対象物OJTまでの距離を測定する。測距装置100は、出射部11、受光部12、制御部13及び距離算出部14を有する。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a
出射部11は、レーザ光を出射するレーザ光源11A、及びレーザ光源11Aを駆動するレーザ発光駆動部11Bを含む。レーザ光源11Aは、レーザ光を出射する光源であり、例えばパルス光を出射するレーザダイオードから構成されている。以下の説明では、レーザ光源11Aから出射されたパルス光を出射光OLと称する。
The emission unit 11 includes a
受光部12は、受光素子12A及び受光信号検出部12Bを含む。受光素子12Aは、例えばAPD(Avalanche Photodiode)等の光電変換素子から構成されている。受光素子12Aは、所定領域内の対象物OJTによって反射されたレーザ光である反射光RLを受光し、受光した反射光RLの光強度を電流信号に変換する。受光信号検出部12Bは、受光素子12Aにより変換された電流信号をI−V変換することにより、受光信号RSを生成する。
The
制御部13は、例えばCPU(Central Processing Unit)から構成され、測距装置100の各部の処理の制御を行う。例えば、制御部13は、レーザ発光駆動部11Bによるレーザ光源11Aの駆動制御を行う。また、制御部13は、距離算出部14における距離の算出に必要な、出射光OLの出射タイミングや強度の情報等を距離算出部14に供給する。
The
距離算出部14は、受光部12が生成した受光信号RSに基づいて、対象物OJTまでの距離を算出する。例えば、距離算出部14は、出射光OLの出射タイミング及び反射光RLの受光タイミングの情報に基づいて、TOF(Time of Flight)法により対象物までの距離を算出する。
The
次に、本実施例における受光部12の構成について説明する。図2は、受光部12の構成を示す回路図である。受光部12は、APD20と、APD20にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部21と、APD20から出力された電流信号を電圧信号に変換して出力する出力部22と、APD20から出力部22に供給される電流を調整する調整用コンデンサ30及び調整電圧生成部31と、を含む。なお、APD20に印加するバイアス電圧は、いわゆる逆方向のバイアス電圧(逆バイアス電圧)であるが、以下の説明では単にバイアス電圧と称する。
Next, the configuration of the
APD20は、カソードがバイアス電圧印加部21に接続され、アノードが出力部22に接続されている。APD20は、反射光RLを受光して電流信号に変換し、カソードに印加されたバイアス電圧に応じた増倍率で増倍し、アノードから出力する。
The cathode of the
バイアス電圧印加部21は、交流電源AS及び直流電源DSに接続され、交流電源ASから出力された交流電圧及び直流電源DSから出力された直流電圧に基づいてバイアス電圧を生成する。バイアス電圧印加部21は、オペアンプ23、コンデンサ24及び抵抗素子25から構成されている。
The bias
オペアンプ23は、非反転入力端が交流電源ASに接続されている。オペアンプ23は、反転入力端と出力端とが接続され、ボルテージフォロワ回路を構成している。オペアンプ23は、ゲイン1のバッファとしての機能を有する。
The
コンデンサ24は、一端がオペアンプ23の出力端に接続され、他端がAPD20のカソードに接続されている。コンデンサ24は、オペアンプ23の出力から直流成分をカットする結合コンデンサとしての機能を有する。
The
抵抗素子25は、一端が直流電源DSに接続され、他端がコンデンサ24の他端とAPD20のカソードとを接続するノードに接続されている。
The
出力部22は、APD20から出力された電流信号を電圧信号に変換して出力するI−V変換回路として構成されている。出力部22は、オペアンプ26及び抵抗素子27から構成されている。
The
オペアンプ26の非反転入力端は所定電位に接続(例えば、接地)されている。オペアンプ26の出力端及び反転入力端は、帰還抵抗としての抵抗素子27を介して接続されている。 図3は、出射部11が出射光OLの発光波形と、バイアス電圧印加部21がAPD20に印加するバイアス電圧の電圧波形と、を示すタイムチャートである。
The non-inverting input terminal of the
出射部11は、図3の発光波形から分かるように、時刻t1を出射タイミングとして出射光OLを出射する。時点t1から時点t2までは、測距装置100が距離の算出を行うための距離測定期間DMPである。受光部12は、当該距離測定期間DMPにおいて、測距装置100に入射した反射光RLを受光する。
As can be seen from the light emission waveform in FIG. 3, the emission unit 11 emits the emission light OL with the emission timing at time t1. From time t1 to time t2 is the distance measurement period DMP for the
時刻t2から時刻t5までは、出射部11が次の出射光OLを出射可能な状態となるまでの待機・復帰期間WRPである。当該待機・復帰期間WRPにおいて、出射部11は出射光OLを出射せず、受光部12は反射光RLの受光を行わない。
From time t2 to time t5 is the waiting/returning period WRP until the emitting unit 11 becomes ready to emit the next emitted light OL. In the waiting/returning period WRP, the emitting section 11 does not emit the emitted light OL, and the
出射部11は、距離測定期間DMP及び待機・復帰期間WRPを経て、再び時点t5において出射光OLを出射する。すなわち、時点t1から時点t5までが測距装置100による距離算出の1サイクルの期間である。
The emission unit 11 emits the emission light OL again at the time point t5 after the distance measurement period DMP and the standby/return period WRP. That is, the time period from the time point t1 to the time point t5 is one cycle of the distance calculation by the
バイアス電圧印加部21は、交流電源ASから供給された交流電圧及び直流電源DSから供給された直流電圧に基づいて、バイアス電圧を生成する。本実施例では、バイアス電圧印加部21は、出射部11が出射光OLを出射した時点t1を起算として、時点t2までの間、電圧値が単調増加するようなバイアス電圧を生成する。
The bias
図3では、バイアス電圧の電圧値を一次関数的に上昇させる場合を例として示している。例えば、バイアス電圧印加部21は、時点t1から時点t2までの間、最小値Voから最大値Vxまで一定の割合で電圧値が上昇するようなバイアス電圧を生成する。0Vから最小値Voまでの電圧値に相当する部分は、直流電源DSから供給された直流電圧の電圧分である。最小値Voから最大値Vxまで電圧値が変化する部分は、交流電源ASから供給された交流電圧の電圧分である。
In FIG. 3, the case where the voltage value of the bias voltage is raised in a linear function is shown as an example. For example, the bias
また、バイアス電圧印加部21は、時点t2から時点t3までの間、所定期間PP1に亘ってバイアス電圧の電圧値を一定の値である最大値Vxに維持する。そして、所定期間PP1の経過後、バイアス電圧印加部21は、バイアス電圧を徐々に低下させる。例えば、バイアス電圧印加部21は、所定期間PP1の経過後、最大値Vxから最小値Voまで、時刻t1から時刻t2までの増加率に対応する減少率で一次関数的に電圧値が減少するようなバイアス電圧を生成する。バイアス電圧印加部21は、バイアス電圧を最小値Voまで低下させた後、時点t4から時点t5までの間、所定期間PP2に亘ってバイアス電圧の電圧値を一定の値である最小値Voに維持する。
Further, the bias
バイアス電圧印加部21は、バイアス電圧の電圧値を以上のように時間変化させつつ、APD20のカソードに印加する。バイアス電圧の電圧値は、時点t1から距離測定期間DMPに亘って一定の割合で上昇するため、出射光OLが出射されてからの経過時間に比例した電圧値となる。
The bias
かかる構成によれば、近距離からの反射光を受光する時間帯ではバイアス電圧の電圧値が小さく、遠距離からの反射光を受光する時間帯ではバイアス電圧の電圧値が大きくなる。そして、APD20による電流信号の増倍率は、バイアス電圧の電圧値に応じて変化するため、近距離からの反射光RLについては増倍率が小さく、遠距離からの反射光RLについては増倍率が大きくなる。
According to such a configuration, the voltage value of the bias voltage is small in the time zone in which the reflected light from a short distance is received, and the voltage value of the bias voltage is large in the time zone in which the reflected light from a long distance is received. Since the multiplication factor of the current signal by the
反射光RLの光量は対象物までの距離の2乗に逆比例するため、本実施例とは異なり仮に遠距離からの反射光RLに合わせて受光素子12の受光感度を設定していた場合、近距離からの反射光RLを受光することにより受光素子12が飽和してしまう可能性がある。
Since the light amount of the reflected light RL is inversely proportional to the square of the distance to the object, unlike the present embodiment, if the light receiving sensitivity of the
しかしながら、本実施例のバイアス電圧印加部21によれば、出射光OLが出射されてからの経過時間に応じたバイアス電圧をAPD20に印加することにより、対象物までの距離に応じて受光部12の受光感度を調整することが可能となる。従って、近距離からの反射光を受光することによる受光素子の飽和を防ぎつつ、遠距離からの反射光に対しては受光素子の感度を高く設定することが可能となる。
However, according to the bias
再び図2を参照すると、受光部12は、調整用コンデンサ30及び調整電圧生成部31を有する。調整用コンデンサ30及び調整電圧生成部31は、APD20から出力部22に供給される電流を調整する機能を有する。この機能について、以下に説明する。
Referring to FIG. 2 again, the
バイアス電圧印加部21がAPD20にバイアス電圧を印加すると、APD20のアノードカソード間に、図2に破線で示すような端子間容量Capdが発生する。この端子間容量Capdにより、APD20のアノードと出力部22の入力端との間には、充放電電流Iapdが流れる。調整用コンデンサ30及び調整電圧生成部31は、APD20の端子間容量Capdによって生じる充放電電流Iapdに対応して、APD20から出力部22に供給される電流を調整する。
When the bias
調整用コンデンサ30は、一端が調整電圧生成部31に接続され、他端がAPD20のアノードと出力部22の入力端とを接続するノードに接続されている。調整用コンデンサ30は、例えばAPD20の端子間容量Capdと同等の容量値を有する。
The
調整電圧生成部31は、APD20の端子間容量Capdによって生じる充放電電流Iapdを調整するための調整電圧を生成する。調整電圧生成部31は、オペアンプ32、抵抗素子33及び抵抗素子34を含む。
The adjustment
オペアンプ32の非反転入力端は所定電位に接続(例えば、接地)されている。オペアンプ32の反転入力端は、抵抗素子33を介して交流電源ASに接続されている。また、オペアンプ32の出力端及び反転入力端は、帰還抵抗としての抵抗素子34を介して接続されている。
The non-inverting input terminal of the
調整電圧生成部31は、交流電源ASから供給された交流電圧に基づいて、バイアス電圧とは逆方向に時間変化する調整電圧(すなわち、バイアス電圧とは逆位相の調整電圧)を生成する。生成された調整電圧は、調整用コンデンサ30を介して調整電流に変換され、出力部22の入力端に供給される。すなわち、調整電圧生成部31及び調整用コンデンサ30は、出力部22に調整電流を供給する調整回路を構成している。
The adjustment
図4は、本実施例と同様のバイアス電圧印加部21を有し且つ本実施例のような調整用コンデンサ30及び調整電圧生成部31を有しない受光部(以下、比較例の受光部と称する)において、出力部22に供給される電流の波形を模式的に示す図である。
FIG. 4 shows a light receiving section having a bias
出射部11が出射光OLを出射した時点t1から戻り時間RTを経た時点において、受光部12が反射光RLを受光したとすると、APD20から出力部22に供給される電流信号の波形は、理想的には図4に「望ましい電流波形」として示すような信号波形となる。すなわち、反射光RLの受光直後にピークを有し、それ以外の期間では0Aとなるのが理想的な電流波形である。
Assuming that the
しかし、図2に示すように、APD20のカソードにバイアス電圧を印加すると、APD20のアノードとカソードとの間には端子間容量Capdが生じる。APD20のアノードと出力部22の入力端との間には、端子間容量Capdに基づく充放電電流が流れる。端子間容量Capdに基づく充放電電流Iapdは、APD20のカソードに印加されるバイアス電圧を時間で微分した値となる。
However, as shown in FIG. 2, when a bias voltage is applied to the cathode of the
再び図4を参照すると、端子間容量Capdに基づく充放電電流Iapdにより、実際にAPD20から出力される電流信号の波形は、図4に「比較例の電流波形」として示すような信号波形となる。すなわち、比較例のバイアス電圧印加部21は、一点鎖線で示すように一次関数的にバイアス電圧の電圧値を上昇及び下降させるため、その上昇及び下降の期間において一定の充放電電流がAPD20と出力部22との間に流れる。その結果、距離測定期間DMPでは、出力部22に供給される電流の電流波形は、理想的な電流波形よりも充放電電流Iapd分の電流値がかさ上げされた電流波形となる。また、待機・復帰期間WRP内のバイアス電圧の電圧値が単調減少する期間では、出力部22からAPD20に向かって充放電電流Iapd分の定電流が流れる(すなわち、APD20から出力部22に負の定電流が流れる)波形となる。
Referring again to FIG. 4, the waveform of the current signal actually output from the
図5は、比較例の出力部22に供給される電流の波形と、当該電流を出力部22においてI−V変換した電圧波形とを示すタイムチャートである。
FIG. 5 is a time chart showing the waveform of the current supplied to the
出力部22に供給される電流は、APD20からの出力電流の波形に充放電電流Iapd分の電流がかさ上げされた電流となる。出力部22の抵抗素子27の抵抗値をR1とすると、充放電電流Iapd分の定電流が出力部22によりI−V変換されると、充放電電流Iapdに基づく電圧はV=−Iapd×R1となる。
The current supplied to the
しかしながら、出力部22によるI−V変換のダイナミックレンジの範囲を超えた分の電流は電圧に変換されない。例えば、I−V変換のダイナミックレンジの電流範囲を−DA〜DA、電圧範囲を−DV〜DVであるとすると、I−V変換前の電流にDAを上回る部分及び−DAを下回る部分があったとしても、当該部分はI−V変換後の電圧に反映されない。その結果、I−V変換後の電圧は、図6に「I−V変換出力波形」として示すように、電圧範囲−DV〜DVに上下がつぶれて且つ反転した電圧波形となる。
However, the current exceeding the dynamic range range of the IV conversion by the
従って、I−V変換のダイナミックレンジの上限が充放電電流Iapdの電流値よりも低く設定されていた場合、比較例の受光部では、出力部22から出力される受光信号RSにピークが表れず、距離の算出に必要な受光タイミングの情報を得ることができない。受光信号RSのピークを得るためにはI−V変換のダイナミックレンジを広げなければならず、回路規模が増大してしまうという問題がある。
Therefore, when the upper limit of the dynamic range of the IV conversion is set lower than the current value of the charging/discharging current Iapd, no peak appears in the light receiving signal RS output from the
これに対し、本実施例の測距装置では、バイアス電圧とは逆方向に時間変化する調整電圧を生成し、調整電流に変換して出力部22に供給することにより、APD20から出力部22に供給される電流を調整することが可能である。
On the other hand, in the distance measuring apparatus of the present embodiment, an adjustment voltage that changes with time in the direction opposite to the bias voltage is generated, converted into an adjustment current and supplied to the
図6は、本実施例の測距装置における調整電圧の電圧波形及び調整用コンデンサの充放電電流波形を示すタイムチャートである。 FIG. 6 is a time chart showing the voltage waveform of the adjustment voltage and the charging/discharging current waveform of the adjustment capacitor in the distance measuring apparatus of this embodiment.
バイアス電圧は、出射部11が出射光OLを出射した時点t1を起算点として、時点t2までの間、電圧値が最小値Voから最大値Vxまで一定の割合で(すなわち、一次関数的に)上昇する。時刻t2から時刻t3までの間、バイアス電圧の電圧値は、一定の値である最大値Vxに維持される。また、時刻t3から時刻t4までの間、バイアス電圧の電圧値は、時刻t1から時刻t2までの増加率に対応する減少率で、最大値Vxから最小値Voまで一次関数的に減少する。そして、時刻t4から時刻t5までの間、バイアス電圧の電圧値は、一定の値である最小値Voに維持される。 The bias voltage has a constant voltage value from the minimum value Vo to the maximum value Vx (that is, as a linear function) from the time point t1 when the emitting section 11 emits the emitted light OL as a starting point until the time point t2. Rise. From time t2 to time t3, the voltage value of the bias voltage is maintained at the maximum value Vx which is a constant value. In addition, from time t3 to time t4, the voltage value of the bias voltage decreases linearly from the maximum value Vx to the minimum value Vo at the decrease rate corresponding to the increase rate from time t1 to time t2. Then, from time t4 to time t5, the voltage value of the bias voltage is maintained at the minimum value Vo which is a constant value.
APD20の端子間容量Capdに基づく充放電電流Iapdの電流値は、バイアス電圧を時間で微分した電流値となる。従って、充放電電流Iapdは、図6に「Capd充放電電流波形」として示す電流波形となる。
The current value of the charging/discharging current Iapd based on the inter-terminal capacitance Capd of the
一方、調整電圧生成部31は、バイアス電圧とは逆方向に時間変化する調整電圧を生成する。すなわち、調整電圧は、出射部11が出射光OLを出射した時点t1を起算点として、時点t2までの間、最大値Vr1から最小値Vr2まで電圧値が一次関数的に減少する。時刻t2から時刻t3までの間、バイアス電圧の電圧値は、一定の値である最小値Vr2に維持される。また、時刻t3から時刻t4までの間、調整電圧の電圧値は、時刻t1から時刻t2までの減少率に対応する増加率で、最小値Vr2から最大値Vr1まで一次関数的に増加する。そして、時刻t4から時刻t5までの間、調整電圧の電圧値は、一定の値である最大値Vr1に維持される。
On the other hand, the
調整電圧は、調整用コンデンサ30による充放電電流として調整電流に変換され、出力部22の入力端に供給される。調整用コンデンサ30による充放電電流Icrevの電流値は、調整電圧を時間で微分した電流値となる。従って、充放電電流Icrevは、図6に「Crev充放電電流波形」として示す電流波形となる。
The adjustment voltage is converted into an adjustment current as a charging/discharging current by the
このように、調整電流は、APD20の端子間容量Capdに基づく充放電電流Iapdを打ち消すような電流波形となる。従って、出力部22に供給される電流のうち、APD20の端子間容量Capdに基づく充放電電流Iapdの分を相殺することが可能となる。
In this way, the adjustment current has a current waveform that cancels the charge/discharge current Iapd based on the inter-terminal capacitance Capd of the
図7は、本実施例の出力部22に供給される電流の波形と、当該電流を出力部22においてI−V変換した電圧波形とを示すタイムチャートである。
FIG. 7 is a time chart showing the waveform of the current supplied to the
本実施例の出力部22に供給される電流のうち、APD20の端子間容量Capdに基づく充放電電流Iapdの電流分は、調整電流により相殺される。このため、本実施例では、充放電電流Iapd分の電流値のかさ上げに起因して、出力部22に供給される電流がダイナミックレンジを超えるような状態は生じない。
Of the current supplied to the
従って、I−V変換のダイナミックレンジの上限を充放電電流Iapdの電流値よりも低く設定したとしても、図7に「本実施例の電流波形」として示すように、出力部22に供給される電流をダイナミックレンジの電流範囲−DA〜DAの間に収めることができる。出力部22に供給される電流がI−V変換のダイナミックレンジに収まれば、出力部22によりI−V変換された電圧は、比較例の電圧波形(図4を参照)のような上下につぶれたような電圧波形とはならない。すなわち、図7に「本実施例の電圧波形」として示すように、出力部22は、供給される電流の電流範囲全体をI−V変換することが可能となる。
Therefore, even if the upper limit of the dynamic range of the IV conversion is set lower than the current value of the charging/discharging current Iapd, it is supplied to the
従って、本実施例の測距装置によれば、I−V変換のダイナミックレンジを広げることなく、出力部22から出力される受光信号RSのピークを検出して、距離の算出に必要な受光タイミングの情報を得ることができる。
Therefore, according to the distance measuring apparatus of the present embodiment, the peak of the light receiving signal RS output from the
なお、バイアス電圧印加部21及び調整電圧生成部31の具体的な回路構成は、図2に示したものに限られない。例えば、バイアス電圧及び調整電圧を共通の差動アンプにより生成するように構成することが可能である。
The specific circuit configurations of the bias
図8は、かかる構成を有する変形例としての受光部12を示す回路図である。変形例の受光部12は、バイアス電圧印加部21及び調整電圧生成部31の機能を有する電圧生成部40を有する。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a
電圧生成部40は、コンデンサ24及び抵抗素子25に加えて、差動アンプ41、抵抗素子42、抵抗素子43、抵抗素子44及び抵抗素子45を有する。
The
差動アンプ41の反転入力端は、抵抗素子42を介して所定電位に接続(例えば、接地)されている。差動アンプ41の非反転入力端は、抵抗素子44を介して交流電源ASに接続されている。差動アンプ41の反転出力端と反転入力端との間は、帰還抵抗としての抵抗素子43を介して接続されている。差動アンプ41の非反転出力端と非反転入力端との間は、帰還抵抗としての抵抗素子45を介して接続されている。
The inverting input terminal of the differential amplifier 41 is connected (eg, grounded) to a predetermined potential via the
バイアス電圧は、差動アンプ41の反転出力端から出力される電圧と直流電源DSから出力される直流電圧とに基づいて生成される。一方、調整電圧は、差動アンプ41の非反転出力端から出力される電圧により生成される。差動アンプ41の反転入力端から出力される電圧及び非反転出力端から出力される電圧は、いずれも交流電源ASから供給される交流電圧に応じた電圧波形を有し、互いに逆方向の信号波形を有する。従って、電圧生成部40によれば、図6に示した波形と同様の波形を有するバイアス電圧及び調整電圧を生成することが可能となる。
The bias voltage is generated based on the voltage output from the inverting output terminal of the differential amplifier 41 and the DC voltage output from the DC power supply DS. On the other hand, the adjustment voltage is generated by the voltage output from the non-inverting output terminal of the differential amplifier 41. The voltage output from the inverting input terminal and the voltage output from the non-inverting output terminal of the differential amplifier 41 both have voltage waveforms corresponding to the AC voltage supplied from the AC power supply AS, and signals in opposite directions. It has a waveform. Therefore, the
なお、本発明の実施形態は、上記実施例で示したものに限られない。例えば、上記実施例では、調整用コンデンサ30がAPD20の端子間容量Capdと同等の容量値を有する場合を例として説明した。しかし、調整用コンデンサ30の容量値はAPD20の端子間容量Capdと異なっていてもよい。調整用コンデンサ30は、調整電圧生成部31が生成した調整電圧に基づいて、少なくとも出力部22のI−V変換のダイナミックレンジを超えないレベルまで、出力部22に供給される電流を調整可能な充放電電流を発生可能な容量値を有していればよい。
Note that the embodiment of the present invention is not limited to the one shown in the above example. For example, in the above embodiment, the case where the
また、上記実施例では、出射光OLが出射されてからの経過時間に応じて、一次関数的にバイアス電圧の電圧値を上昇させる場合を例として説明した。しかし、バイアス電圧の電圧値の上昇の態様はこれに限られない。例えば出射光OLが出射されてからの時間経過にしたがって上昇率を増加させつつ、二次関数的にバイアス電圧の電圧値を上昇させてもよい。同様に、調整電圧も、バイアス電圧の電圧値の上昇に応じて二次関数的に変化させるようにしてもよい。 Further, in the above-described embodiment, the case where the voltage value of the bias voltage is raised in a linear function according to the elapsed time after the emitted light OL is emitted has been described as an example. However, the manner of increasing the voltage value of the bias voltage is not limited to this. For example, the voltage value of the bias voltage may be increased quadratically while increasing the increase rate with the lapse of time after the emission light OL is emitted. Similarly, the adjustment voltage may be changed in a quadratic function according to the increase in the voltage value of the bias voltage.
また、バイアス電圧印加部や調整電圧生成部の具体的な回路構成は上記各実施例で示したものに限定されず、出射光OLが出射されてからの経過時間に応じて増加及び減少するようなバイアス電圧及び調整電圧を生成可能に構成されていればよい。 Further, the specific circuit configurations of the bias voltage application section and the adjustment voltage generation section are not limited to those shown in each of the above embodiments, and may increase or decrease according to the elapsed time after the emission light OL is emitted. It suffices that the bias voltage and the adjustment voltage can be generated.
また、上記実施例では、出射部11が出射光OLを出射した時点t1からバイアス電圧の電圧値を上昇させる例について説明した。しかし、起算点はこれに限られず、時点t1から所定期間遅れてバイアス電圧の電圧値の上昇を開始してもよい。例えば、出射光OLを出射した直後の、測距装置100の内部の光学系部品によって反射された反射光RLが受光部12に入射することが想定される期間では、バイアス電圧の電圧値を上昇させない構成とすることも可能である。かかる構成によれば、測距装置100の内部からの反射光RLを受光することによるAPD20の飽和をより確実に防ぐことが可能となる。
Further, in the above-described embodiment, the example in which the voltage value of the bias voltage is increased from the time t1 when the emitting unit 11 emits the emitted light OL has been described. However, the starting point is not limited to this, and the rising of the voltage value of the bias voltage may be started after a predetermined period from time t1. For example, immediately after the emitted light OL is emitted, the voltage value of the bias voltage is increased during the period in which the reflected light RL reflected by the optical system components inside the
また、上記実施例では、距離算出部がTOF法に基づいて距離を算出する例について説明したが、本発明は位相差法に基づいて距離を算出する測距装置にも応用することが可能である。 Further, in the above embodiment, an example in which the distance calculation unit calculates the distance based on the TOF method has been described, but the present invention can also be applied to a distance measuring device that calculates the distance based on the phase difference method. is there.
また、上記実施例で説明した一連の処理は、例えばROMなどの記録媒体に格納されたプログラムに従ったコンピュータ処理により行うことができる。 In addition, the series of processes described in the above embodiments can be performed by computer processes according to a program stored in a recording medium such as a ROM.
100 測距装置
11 出射部
11A レーザ光源
11B レーザ発光駆動部
12 受光部
12A 受光素子
12B 受光信号検出部
13 制御部
14 距離算出部
21 バイアス電圧印加部
22 出力部
23 オペアンプ
24 コンデンサ
25 抵抗素子
26 オペアンプ
27 抵抗素子
30 調整用コンデンサ
31 調整電圧生成部
32 オペアンプ
33,34 抵抗素子
34 抵抗素子
41 差動アンプ
42,43,44,45 抵抗素子
100 distance measuring device 11 emitting
Claims (9)
対象物によって反射された光を受光し、受光した当該光に応じた電流を出力する光電変換素子と、
電圧値を漸次上昇させて前記光電変換素子に第1電圧を印加する第1電圧印加部と、
前記光電変換素子から出力された電流を電圧に変換して出力する変換部と、
前記光電変換素子の端子間容量に基づく容量を有し前記変換部の入力に一端が接続されているコンデンサと、前記第1電圧とは逆位相の第2電圧を前記コンデンサの他端に印加する第2電圧印加部と、を有する調整回路と、
を有することを特徴とする投受光装置。 A light source that emits light toward an object,
A photoelectric conversion element that receives light reflected by an object and outputs a current according to the received light,
A first voltage applying section for gradually increasing a voltage value to apply a first voltage to the photoelectric conversion element;
A converter that converts the current output from the photoelectric conversion element into a voltage and outputs the voltage.
A capacitor having a capacitance based on a capacitance between terminals of the photoelectric conversion element and having one end connected to an input of the conversion unit, and a second voltage having a phase opposite to the first voltage is applied to the other end of the capacitor. An adjusting circuit having a second voltage applying section,
A light emitting and receiving device comprising:
前記調整回路は、前記第1電圧の電圧値の上昇率に対応する低下率で電圧値が低下する電圧を前記第2電圧として前記コンデンサの他端に印加することを特徴とする請求項1に記載の投受光装置。 The first voltage applying unit applies a voltage whose voltage value increases with time as a first voltage to the photoelectric conversion element over a predetermined period after the light is emitted from the light source,
The adjustment circuit applies a voltage whose voltage value decreases at a decrease rate corresponding to an increase rate of the voltage value of the first voltage to the other end of the capacitor as the second voltage. The light emitting and receiving device described.
交流電源に接続されたバッファと、
前記バッファの出力端と前記光電変換素子の一端との間に接続されたバイアス用コンデンサと、
を含み、
前記第2電圧印加部は、前記交流電源に接続された反転増幅器を含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1に記載の投受光装置。 The first voltage applying unit,
A buffer connected to an AC power supply,
A biasing capacitor connected between the output end of the buffer and one end of the photoelectric conversion element,
Including
The light projecting/receiving device according to claim 1, wherein the second voltage applying unit includes an inverting amplifier connected to the AC power supply.
前記第1電圧印加部は、前記差動アンプの一対の出力端のうちの一方と前記光電変換素子の一端との間に接続されたバイアス用コンデンサを含み、
前記調整回路の前記コンデンサは、前記差動アンプの一対の出力端のうちの他方と前記変換部の入力端との間に接続されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1に記載の投受光装置。 One of a pair of input terminals is connected to an AC power supply, the other has a differential amplifier connected to a predetermined potential,
The first voltage application unit includes a bias capacitor connected between one of a pair of output ends of the differential amplifier and one end of the photoelectric conversion element,
The capacitor of the adjustment circuit is connected between the other of the pair of output ends of the differential amplifier and the input end of the conversion unit. The light emitting and receiving device according to.
前記光源が対象物に向けて光を出射するステップと、
前記第1電圧印加部が、電圧値を漸次上昇させて前記光電変換素子に前記第1電圧を印加するステップと、
前記光電変換素子が、対象物によって反射された前記光を受光し、受光した当該光に応じた電流を出力するステップと、
前記第2電圧印加部が、前記第1電圧とは逆位相の前記第2電圧を前記コンデンサの他端に印加するステップと、
前記変換部が、前記光電変換素子から出力された電流及び前記コンデンサから出力された電流を電圧に変換して出力するステップと、
を含むことを特徴とする投受光方法。 A light source, a photoelectric conversion element, a first voltage application section that applies a first voltage to the photoelectric conversion element, a conversion section that converts a current into a voltage and outputs the voltage, and a capacitance based on the inter-terminal capacitance of the photoelectric conversion element. And a second voltage applying section for applying a second voltage to the other end of the capacitor, and a light emitting/receiving method performed by a light emitting/receiving apparatus. hand,
The light source emits light toward an object,
The first voltage applying section gradually increasing the voltage value to apply the first voltage to the photoelectric conversion element;
The photoelectric conversion element receives the light reflected by an object, and outputs a current according to the received light,
The second voltage applying section applies the second voltage having a phase opposite to that of the first voltage to the other end of the capacitor;
A step of converting the current output from the photoelectric conversion element and the current output from the capacitor into a voltage and outputting the voltage;
A light emitting and receiving method comprising:
光を対象物に向けて出射するように前記光源を制御するステップと、
電圧値を漸次上昇させて前記光電変換素子に前記第1電圧を印加するように前記第1電圧印加部を制御するステップと、
対象物によって反射された前記光を受光し、受光した当該光に応じた電流を出力するように前記光電変換素子を制御するステップと、
前記第1電圧とは逆位相の前記第2電圧を前記コンデンサの他端に印加するように前記第2電圧印加部を制御するステップと、
前記光電変換素子から出力された電流及び前記コンデンサから出力された電流を電圧に変換して出力するように前記変換部を制御するステップと、
を実行させることを特徴とするプログラム。 A light source, a photoelectric conversion element, a first voltage application section that applies a first voltage to the photoelectric conversion element, a conversion section that converts a current into a voltage and outputs the voltage, and a capacitance based on the inter-terminal capacitance of the photoelectric conversion element. A computer having one end connected to the input of the conversion unit and a second voltage application unit applying a second voltage to the other end of the capacitor,
Controlling the light source to emit light toward an object;
Controlling the first voltage applying section to gradually increase the voltage value and apply the first voltage to the photoelectric conversion element;
Receiving the light reflected by the object, controlling the photoelectric conversion element so as to output a current corresponding to the received light, and
Controlling the second voltage applying section to apply the second voltage having a phase opposite to the first voltage to the other end of the capacitor;
Controlling the converter to convert the current output from the photoelectric conversion element and the current output from the capacitor into a voltage and output the voltage;
A program characterized by causing to execute.
光を対象物に向けて出射するように前記光源を制御するステップと、
電圧値を漸次上昇させて前記光電変換素子に前記第1電圧を印加するように前記第1電圧印加部を制御するステップと、
対象物によって反射された前記光を受光し、受光した当該光に応じた電流を出力するように前記光電変換素子を制御するステップと、
前記第1電圧とは逆位相の前記第2電圧を前記コンデンサの他端に印加するように前記第2電圧印加部を制御するステップと、
前記光電変換素子から出力された電流及び前記コンデンサから出力された電流を電圧に変換して出力するように前記変換部を制御するステップと、
を実行させるプログラムを記録することを特徴とする記録媒体。 A light source, a photoelectric conversion element, a first voltage application section that applies a first voltage to the photoelectric conversion element, a conversion section that converts a current into a voltage and outputs the voltage, and a capacitance based on the inter-terminal capacitance of the photoelectric conversion element. A computer having one end connected to the input of the conversion unit and a second voltage application unit applying a second voltage to the other end of the capacitor,
Controlling the light source to emit light toward an object;
Controlling the first voltage applying section to gradually increase the voltage value and apply the first voltage to the photoelectric conversion element;
Receiving the light reflected by the object, controlling the photoelectric conversion element to output a current according to the received light, and
Controlling the second voltage applying section to apply the second voltage having a phase opposite to the first voltage to the other end of the capacitor;
Controlling the converter to convert the current output from the photoelectric conversion element and the current output from the capacitor into a voltage and output the voltage;
A recording medium for recording a program for executing.
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WO2023116800A1 (en) * | 2021-12-22 | 2023-06-29 | 睿镞科技(北京)有限责任公司 | Radar system and radar ranging method |
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WO2023116800A1 (en) * | 2021-12-22 | 2023-06-29 | 睿镞科技(北京)有限责任公司 | Radar system and radar ranging method |
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