JP2021047131A - 光検出器及び距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＰＭを利用したＬＩＤＡＲにおいて、高解像度及びダイナミックレンジの拡大の両立を可能とする。【解決手段】アバランシェフォトダイオードを有するＳＰＡＤユニットを複数有するチャネルを複数備え、前記チャネルの出力／非出力を選択可能な光検出器であって、ＳＰＡＤユニットは、アバランシェフォトダイオードのアクティブクエンチを行うアクティブクエンチ回路と、非出力が選択されているチャネルに対応するアクティブクエンチ回路を動作状態とする制御部と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、光検出器及び距離測定装置に関する。

距離計測システムのＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）は、レーザを計測対象物に照射し、計測対象物から反射された反射光の強度をセンサで感知し、センサの出力に基づいて反射光の届いた時刻を検出し、その時刻とレーザを照射した時刻との時間差に基づいて、計測対象物の距離を計測する。

このＬｉＤＡＲの技術は、自動運転向けのセンサの様な、車載への応用が期待されている。遠距離の測距が求められるＬｉＤＡＲには高感度な光センサが必要であり、単一フォトンをも検出し得る、フォトマルチプライヤ、特に、シリコンフォトマルチプライヤ（Silicon Photo Multiplier：以下ＳｉＰＭと記載する）が使われる様になっている。それと同時に、ＬｉＤＡＲには高解像度も求められており、1次元あるいは２次元のアレイ構成に基づく、多画素のＳｉＰＭが提案されている。また、ＳｉＰＭは高感度であるが、光検出後のリカバリに時間が掛かるという問題があり、この問題を緩和する手段として、能動素子を利用するアクティブ・クエンチの技術も提案されている（非特許文献１，２）。

特開２０１６−１８７０４１号公報 特開２０１８−４４９２３号公報

Zappa,etal, “Fully Integrated Active Quenching Circuit for Single Photon Detection”,ESSCIRC 2002 Richardson, J, Henderson, R & Renshaw, D 2007, Dynamic Quenching for Single Photon Avalanche Diode Arrays. in 2007 International Image Sensor Workshop.

しかしながら、従来の多画素のＳｉＰＭにおいては、センサ面積の制約のために、高解像度及びダイナミックレンジの確保の両立が困難であった。また、明暗・高温/低温など、あらゆる状況にて動作が求められるＬｉＤＡＲには、実用上、様々な課題がある。例えば、従来の多画素のＳｉＰＭでは、明るい環境では大電流が流れて消費電力が大きくなってしまうか、逆に、電流を制限すれば、リカバリが遅れて測距に支障をきたしてしまうという問題がある。更に、センサ・フュージョンが必須の環境において、ＬｉＤＡＲといえども他のセンサの働きを補完すべきであり、多機能であることも求められている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、多画素ＳｉＰＭを利用したＬＩＤＡＲにおいて、高解像度及びダイナミックレンジの拡大の両立、消費電力の削減などの問題を解決することを目的としている。

図１は、実施形態の距離測定装置の概要構成ブロック図である。 図２は、スキャナ及び光学系の第１の例の説明図である。 図３は、図２の光学系におけるレーザ出射方向の模式図である。 図４は、スキャナ及び光学系の第２の例の説明図である。 図５は、光検出器の構成説明図である。 図６は、他の光検出器の構成説明図である。 図７は、一次元アレイにおいて典型的な、チャネルの模式図である。 図８は、出力する領域を選択するセンサの一例の説明図である。 図９は、セルユニットの概要構成ブロック図である。 図１０は、第１実施形態のＳＰＡＤユニットの概要構成図である。 図１１は、第１実施形態の変形例のＳＰＡＤユニットの概要機能構成図である。 図１２は、第１実施形態のＳＰＡＤユニットの回路構成例の説明図である。 図１３は、電源投入時に、選択信号ＳＬが“１”（＝“Ｈ”レベル）にならないための機能的な回路の説明図である。 図１４は、第２実施形態のＳＰＡＤユニットの概要構成図である。 図１５は、積分器の具体的な回路例の説明図である。 図１６は、第２実施形態の動作説明図である。 図１７は、第３実施形態のＳＰＡＤユニットの概要構成図である。 図１８は、ローパスフィルタの適用例の模式説明図である。 図１９は、第４実施形態のＳＰＡＤユニットの概要構成図である。

次に好適な実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の距離測定装置の概要構成ブロック図である。
実施形態の距離測定装置１０は、ＳｉＰＭを用いて距離を測定するＬｉＤＡＲとして構成されている。

距離測定装置１０は、測距対象物ＯＢＪとの間の距離を測定可能に構成される。距離測定装置１０は、例えば、車載用ＬｉＤＡＲとして構成される。
この場合において、測距対象物ＯＢＪは、例えば、距離測定装置１０が搭載された車両の前方、側方又は後方に存在する、他の車両、歩行者あるいは障害物等の有形の物体である。

距離測定装置１０は、制御計測回路１１、レーザ光源１２、スキャナ及び光学系１３及び光検出器１４を備えている。

制御計測回路１１は、距離測定装置１０全体の動作を制御する。より具体的には、制御計測回路１１は、レーザ光源１２に対して発振信号ＳＰを送出し、レーザ光源１２によるパルスレーザ光ＰＬＴの出射を制御する。また、制御計測回路１１は、スキャナ及び光学系１３に対して走査制御信号ＳＣを送出してスキャナ及び光学系１３を駆動し、対象物ＯＢＪに照射されるレーザの走査方向を制御する。制御計測回路１１は、光検出器１４に対して選択信号ＳＬを送出して、光検出器１４の受光した光（パルスレーザ光ＰＬＴの反射光を含む）を検出するチャネル（複数のＳｉＰＭ）を選択する。また、制御計測回路１１は、光検出器１４からの光の検出結果として出力信号ＳＯが入力されると、当該出力信号ＳＯに基づいて測距対象物ＯＢＪとの間の距離を算出し、当該算出した距離を含む距離データＤＤを出力する。

レーザ光源１２は、制御計測回路１１からの発振信号ＳＰに基づいて所定のパルス幅及び周期を有するパルスレーザ光ＰＬＴ（赤外光）を出射し、スキャナ及び光学系１３に出力する。

図２は、スキャナ及び光学系の第１の例の説明図である。
図２に示す光学系においては、ピンホール（穴あき）ミラーなどにより、投射光と反射光の光軸が一致する様になっており、同軸光学系と呼ばれている。
図２のスキャナ及び光学系１３は、例えば、スキャナ並びに投光光学系及び受光光学系を含んでいる。

より具体的には、スキャナ及び光学系１３は、図２の例の場合、一元走査系を構成し、各鏡面が異なるチルト角をもつポリゴンミラー１３１と、このポリゴンミラー１３１を回転駆動するポリゴン駆動部１３２と、を備えたスキャナ部と、レーザダイオード１３３が出射したレーザを集光するレンズ１３４と、レンズ１３４により集光されたレーザをポリゴンミラー１３１を介して走査対象物に投射するピンホールミラー１３５と、を備えた投光光学系と、走査対象物により反射されたレーザ光をポリゴンミラー１３１及びピンホールミラー１３５のピンホールを介して受光し、受光したレーザ光を反射するミラー１３６と、ミラー１３６により反射されたレーザを受光する一次元センサ１３７と、を備えた受光光学系と、を備えている。

そして、スキャナ及び光学系１３は、制御計測回路１１からの走査制御信号ＳＣに基づいてスキャナを駆動することにより、投光光学系を介して距離測定装置１０の外部へ出射されるレーザの出射方向を変更可能に構成される。より具体的には、例えば、スキャナ及び光学系１３は、（例えば水平方向に走査する）１次元走査系を含み、当該１次元走査系によるレーザ走査を（例えば、垂直方向について少しずつ異なる方向に）複数回繰り返すことによって所定の２次元範囲に対して網羅的にレーザを出射可能に構成される。

図３は、図２の光学系におけるレーザ出射方向の模式図である。
図３に示すように、ｘ方向にレーザを走査し、走査対象物の一端（図中、左側）から他端（図中、右側）に到ると、ｙ方向に所定距離ずらした位置を今度は、走査対象物の他端（図中、右側）から一端（図中、左側）に操作し、以下同様に繰り返して、所定の２次元範囲を走査することとなる。

この場合において、スキャナ及び光学系１３を構成しているスキャナは、投光光学系が搭載された図示しないステージを回転することによってレーザを走査可能に構成したり、投光光学系を構成するミラーを駆動することによってレーザを走査可能に構成したりしてもよい。

また、スキャナ及び光学系１３を構成している受光光学系は、出射されたパルスレーザ光ＰＬＴが対象物２に反射して発生する反射光を含む受光光（反射光の他に、環境光や迷光を含む）を光検出器１４へと集光する。ここで、環境光や迷光は、ノイズに該当する。

光検出器１４は、詳細については後に詳述するが、スキャナ及び光学系１３から受光光が入射されると、例えば、レーザ光源１２の出射したパルスレーザ光ＰＬＴの周期毎に、当該反射光に含まれる光子の数に応じた電子を生成する。光検出器１４は、例えば、光子１個に対して約十万倍の電子を生成可能に構成される。光検出器１４は、生成した電子の数に応じた出力信号ＳＯを生成し、制御計測回路１１に出力する。図２の光学系では、スキャン方向に拘わらず、基本的に同じ位置に反射光が照射される。投射光は、図３に示した様に、一方向（例えば垂直方向）に長い形をしており、1方向に長い一次元センサが用いられている。

図４は、スキャナ及び光学系の第２の例の説明図である。
図４に示す光学系では、出射光と反射光の光軸が異なるため、非同軸光学系と呼ばれている。

図４の光学系においては、レーザダイオード１４１を出射したレーザは、レンズ１４２により集光され、例えば、スキャナとして機能するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）１４３を介して、所望の照射方向にレーザが反射される。スキャナとしては、MEMS以外に、小型のポリゴンミラーでも良い。

このとき、非同軸光学系では、スキャンの方向に従い、異なる位置に反射光が照射されるため、スキャン方向に合わせて、実際にセンシングする位置を変更しなければならない。

このため、２次元スキャナを使うなど、何らかの手段で、２次元方向に測距をする場合は、図４に示すように、例えば、走査対象物の反射光をレンズ１４４により集光した後、２次元センサアレイ１４５により走査に合わせて選択的に受光することが必要になる。

次に、光検出器の構成について説明する。
図５は、光検出器の構成説明図である。
まず、図５を参照して、第１実施形態に係る光検出器の構成について説明する。
光検出器１４は、図５（Ａ）に示すように、２次元配列された複数のチャネル２１を備えた２次元アレイセンサとして構成されている。

各チャネル２１は、図５（Ｂ）に示すように、２次元配列された複数（例えば、２×２＝４個）のセルユニット２２を備えている。このように、チャネル２１を構成しているセルユニット２２が少ないのは、アクティブクエンチが高速であり、高速性によりダイナミックレンジが稼げるためである。

次に他の光検出器の構成例について説明する。
図６は、他の光検出器の構成説明図である。
図６は、二次元アレイにおいて典型的なチャネル２１の配置例であり、黒丸印は、それぞれチャネル２１を表している。また、正方形の枠は、それぞれＳＰＡＤユニットを表している。

ここで、チャネル２１の数と画素の数とは、同じであり、一つのチャネル２１に対応する一つの画素に対して、６個のＳＰＡＤユニット３２が対応している。
すなわち、注目チャネルがチャネル２１−１＝画素Ｇ１である場合には、太線枠Ｂ１で囲まれた６個のＳＰＡＤユニットの出力の和が、画素Ｇ１の出力として用いられる。

同様に注目チャネルがチャネル２１−２＝画素Ｇ２である場合には、太線枠Ｂ２で囲まれた６個のＳＰＡＤユニットの出力の和が、画素Ｇ２の出力として用いられる。
このような構成とすることにより、一定数のＳＰＡＤユニット３２を用いて、所望の画素数（例えば、１０００×２００画素）を有する光検出器を構成できる。

図７は、一次元アレイにおいて典型的な、チャネルの模式図である。
図７においては、各チャネル２１が２５個のセルユニット２２（セルユニット２２−１〜２２−２５）を備えているものとして説明する。

チャネル２１は、複数のセルユニット２２−１〜２２−２５が並列接続されており、各セルユニット２２−１〜２２−２５の出力は、それぞれ対応する選択スイッチ２５−１〜２５−２５及び積算器２６を介して出力端子２７に接続されている。積算器２６は、例えば、センサが電流出力型の場合は、単純に出力線を結合することで実現される。

なお、以下の説明においては、セルユニット２２−１〜２２−２５をそれぞれ識別する必要がない場合には、セルユニット２２と表記するものとする。
したがって、出力端子２７からは、セルユニット２２−１〜２２−２５の出力信号が積算されて出力されることとなる。

ところで、光検出器１４を構成している二次元配置された複数のチャネル２１のうち、全てが同時に出力を行っているわけではなく、第１の方向（例えば、図５における縦方向）及び第２の方向（例えば、図５におけるＹ方向）の位置（あるいは位置範囲）が位置指定信号により指定されることにより、位置指定信号により指定された所定形状の領域（矩形領域、円領域、楕円領域等）に含まれるチャネル２１の出力信号を別々に出力して後段の出力段回路に出力している。

図８は、出力する領域を選択するセンサの一例の説明図である。
図８（Ａ）は、１次元センサにおける、出力領域の選択を模式的に表しており、図８（Ａ）中、太線枠内の部分が選択された領域を示している。
一般に１次元センサは同軸光学系と共に用いられる場合が多く、個体差や、温度や経年変化により、照射位置がずれた場合に、その位置を調整できる様に、出力選択の機能が具備されている。

一方、図８（Ｂ）は、２次元センサにおける、出力領域の選択を模式的に表しており、図８（Ｂ）中、太線枠内の部分が選択された領域を示している。
２次元センサの場合は、一般に、投光系のスキャン方向に合わせて、出力領域の位置が選択される。

本実施形態では、上述した通り、チャネル２１の出力信号を別々に出力しており、信号を結合後に出力しているものではないので、Ｓ／Ｎの低下は生じないことになっている。
また、一つのチャネル２１の出力ではなく、複数のチャネル２１の出力を用いているため、緩い同期であっても問題は生じず、受光位置のずれにも強い構成となっている。
さらにチャネル２１間に跨がって受光光が照射された場合でも検出が可能となっている。

さて、各セルユニット２２−１〜２２−２５は、測定可能状態となっていれば、実際に測定を行っているか否かに拘わらず、１個のフォトンが入射した場合でも、ガイガー現象による大きな電流（１個のフォトンによる電流が、およそ１０万倍の電流となる）流れるので、消費電力も大きくなってしまう。

特に光検出器１４を２次元アレイセンサとして構成した場合、セルユニット２２の個数も膨大となるため、消費電力が非常に大きくなり、最悪の場合、配線が断線する場合もある。
そこで、以下の実施形態においては、後段への出力を行わない場合には、非出力部分に相当するセルユニット２２の消費電力を抑制し、ひいては、２次元アレイセンサとしての光検出器１４全体の消費電力を抑制するようにしている。

図９は、セルユニットの概要構成ブロック図である。
セルユニット２２は、出力端子３１を有し、並列接続された複数のＳＰＡＤユニット３２と、ＳＰＡＤユニット３２の出力を積算して出力する積算器３３と、を備えている。

次により具体的なＳＰＡＤユニットの構成に付いて説明する。
［１］第１実施形態
図１０は、第１実施形態のＳＰＡＤユニットの概要機能構成図である。
ＳＰＡＤユニット３２は、高電位側電源ＰＨに一端が接続された抵抗４１と、抵抗４１の他端にカソードが接続され、低電位側電源ＰＬにアノードが接続されたＳｉＡＰＤ（Silicon Avalanche Photo Diode）４２と、ＳｉＡＰＤ４２に並列接続された電流制限抵抗４３と、電流制限抵抗４３と第２の低電位側電源ＰＬ２との間に接続されたクエンチ用スイッチ４４と、ＳｉＡＰＤ４２のガイガー電流による電位変動を検出して、絶縁状態で検出信号ＳＥＮを出力するセンシング部４５と、選択スイッチ４６と、ＯＲ（論理和）回路４７と、保持回路４８と、を備えている。なお、抵抗４１は後述の様にトランジスタで代用される場合があり、抵抗４３は無い場合も有り得る。

ここで、第２の低電位側電源ＰＬ２の電位ＶＰＬ２は、ＳｉＰＭの動作電圧ＰＨ、ブレークダウン電圧Ｖｂｄ、及びオーバー電圧Ｖｏｖにより以下に示す電圧よりも低い電圧となっている（以下、同様）。すなわち、
ＶＰＬ２＜ＰＬ＋Ｖｂｄ＜ＰＨ−Ｖｏｖ
となっている。
なお、クエンチ用スイッチは４４、例えば、ＭＯＳトランジスタにより実現される。

ここで、光検出器１４は、制御計測回路１１が出力した選択信号ＳＬに基づいて、各ＳＰＡＤユニット３２の制御を行う。

上記構成において、検出信号ＳＥＮは、ガイガー電流を検知すると論理値として“０”（例えば、“Ｌ”レベル）から論理値として“１”（例えば、“Ｈ”レベル）になり、保持回路４８により所定時間、“１”のまま保持される。

この結果、検出信号ＳＥＮが“１”となっている期間は、ＯＲ回路４７の出力は“１”となる。
したがって、クエンチ用スイッチ４４は、検出信号ＳＥＮが“１”の間は、常にオン状態（閉状態）になる。検出信号ＳＥＮが“０”の場合は、クエンチ用スイッチ４４は、制御信号Ｃｓが当該ＳＰＡＤユニット３２の検出信号ＳＥＮの出力時にオフ状態（開状態）となり、制御信号Ｃｓが当該ＳＰＡＤユニット３２の検出信号ＳＥＮの非出力時にオン状態（閉状態）となる。

これに対し、選択スイッチ４６は、制御信号Ｃｓが当該ＳＰＡＤユニット３２の検出信号ＳＥＮの出力時にオン状態（閉状態）となり、制御信号Ｃｓが当該ＳＰＡＤユニット３２の検出信号ＳＥＮの出力時にオフ状態（開状態）となる。

また、電流制限抵抗４３の抵抗値Ｒ２は、クエンチ抵抗４１の抵抗値Ｒ１と比較して非常に小さく設定されている（Ｒ２＜＜Ｒ１）。

ここで、第１実施形態の動作を説明する。
上述したように、チャネル２１の出力信号の出力／非出力は選択可能とされており、出力端子２７（図３参照）を介して出力を行わない非出力が選択されている場合には、当該非出力が選択されているチャネル２１を構成しているＳＰＡＤユニット３２の選択スイッチ４６をオフ状態（開状態）とするとともに、アクティブクエンチ用スイッチ４４をオン状態（閉状態）とする。

この結果、ＳｉＡＰＤ４２のアノード−カソード間には、高電位側電源ＰＨ及び低電位側電源ＰＬによる所定の逆バイアス電圧が印加されることはないため、ＳｉＡＰＤ４２のアバランシェ降伏の降伏電圧（例えば、−３０Ｖ）にバイアスされることはないため、ＳｉＡＰＤ４２は、スキャナ及び光学系部１３から光が入射してもガイガー現象が起きず、ガイガー放電に起因するガイガー電流が流れることはない。

すなわち、本第１実施形態によれば、チャネル２１の出力非選択時（非出力時）において、非選択のチャネル２１を構成している複数のＳｉＡＰＤ４２においてガイガー電流（通常電流の約１０万倍の電流）が無駄に流れることはなく、光検出器１４ひいては距離測定装置１０の低消費電力化が可能となる。

また、このための構成として、チャネル２１の選択時にアクティブクエンチを行うためのアクティブクエンチ用スイッチ４４を流用しているので、回路規模の増加も抑制することが可能となっている。

なお、この例では、簡単のために、センシング部４５の出力をそのまま、出力端子３１に出力しているが、出力用バッファを介して出力端子３１に出力をしても構わない。その出力用バッファにおいて、“１”を保持する時間を、上述した検出信号ＳＥＮに対応する保持時間とは異なる様にしても良い。

［１．１］第１実施形態の変形例
ところで、チャネル２１の数が多い場合、ＳＰＡＤユニット３２は、出力端子３１を介して出力を行わない場合に、クエンチ抵抗４１、電流制限抵抗４３及びアクティブクエンチ用スイッチ４４を介して高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに向かって流れる貫通電流が光検出器１４全体としては、相当な電力消費に繋がる場合がある。

そこで、本第１実施形態の変形例は、この貫通電流を抑制し、ひいては、光検出器１４全体の電力消費を抑制することを目的としている。

図１１は、第１実施形態の変形例のＳＰＡＤユニットの概要機能構成図である。
本第１実施形態の変形例においては、図１１に示すように、抵抗４１と高電位側電源ＰＨとの間に貫通電流防止スイッチ４８を設けている。なお、抵抗４１は無い場合も有り得る。

そして、チャネル２１の出力非選択時（非出力時）、すなわち、ＳＰＡＤユニット３２が出力端子３１を介して出力を行わない場合に、選択スイッチ４６及び貫通電流防止スイッチ４８をオフ状態（開状態）とするとともに、アクティブクエンチ用スイッチ４４をオン状態（閉状態）とする。

これにより、抵抗４１、電流制限抵抗４３及びアクティブクエンチ用スイッチ４４を介して高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに向かって流れる貫通電流を無くすことが可能となり、消費電力をより一層低減することが可能となる。

以上の説明のように、本第１実施形態の変形例によれば、出力非選択時のチャネル２１に対応するＳＰＡＤユニット３２については、ガイガー電流を無くし、高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに流れる貫通電流を低減あるいは無くすことができるので、本来の距離計測に影響を与えることなく、消費電力の低減を図ることができる。

図１２は、第１実施形態のＳＰＡＤユニットの回路構成例の説明図である。
上述した図９と図１０は、第１実施形態のＳＰＡＤユニット３２について、機能的に説明するためのものであり、実際のＳＰＡＤユニット３２の回路構成としては、例えば、図１２に示すような構成を採っている。

図１２に示すＳＰＡＤユニット３２では、トランジスタＭ４がクエンチ用スイッチに、また、トランジスタＭ３が貫通電流を防ぎつつ、ＳｉＡＰＤ４２のカソード電位を回復させるリセット用スイッチに該当する。

また、信号を所定時間保持するために、インバータ４個を保持回路４８（遅延回路）として使用しているが、クエンチングにおける高速な応答が要求されるトランジスタＭ１とトランジスタＭ４のゲート端子（入力）には、保持回路４８（遅延回路）が接続されておらず、素早いクエンチング動作が期待される。

また、従来のアクティブクエンチ回路と比較してトランジスタＭ５が追加されている。これにより、選択信号ＳＬが“０”（＝“Ｌ”レベル）の場合は、トランジスタＭ５により接続点ＭＰの論理値は、“１”（＝“Ｈ”レベル）に固定される。従って、クエンチ用スイッチＭ４がオン状態（閉状態）となり、ＳｉＡＰＤ４２がブレークダウン電圧Ｖｂｄ以下に保たれる。同時に、トランジスタＭ３はオフ状態（開状態）であるため、貫通電流が流れることは無い。

なお、トランジスタＭ５を設けていない従来の回路を用いた場合には、選択信号ＳＬが“０”（＝“Ｌ”レベル）の場合に、トランジスタＭ２とトランジスタＭ３が常にオフ状態（開状態）となり、接続点ＭＰは、フロート状態になる。特に、電源投入時に複数のＳｉＡＰＤ４２が一度にオン状態になり、大電流が流れる恐れがある。

図１３は、電源投入時に、選択信号ＳＬが“１”（＝“Ｈ”レベル）にならないための機能的な回路の説明図である。
ここで、ＪＫフリップフロップ１４Ｂの出力は、電源投入後は必ず“０”（＝“Ｌ”レベル）になるものとする。選択信号ＳＬは、Ｓｔａｒｔ信号を入力するまで０（Ｌ）に保たれ、図１２に示した回路と共に用いられることにより、電源投入後、スタート信号ＳＳＴＲＴを入力するまでＳｉＡＰＤ４２が一度にオン状態になることはない。

［２］第２実施形態
上記第１実施形態においては、光の入射によりガイガー電流が発生したか否かをデジタル的に検出する構成を採っていたが、本第２実施形態は、光の入射により発生したガイガー電流量を簡易的かつアナログ的に測定して、ＳＰＡＤユニット３２を実効的にアナログ素子として用い、距離測定を行わない場合には、赤外線カメラとして用いる場合の実施形態である。

図１４は、第２実施形態のＳＰＡＤユニットの概要構成図である。
図１４において、図１０の第１実施形態と同様の部分には、同一の符号を付し、その詳細な説明を援用するものとする。

第２実施形態のＳＰＡＤユニット３２が、第１実施形態と異なる点は、センシング部４５が出力した検出信号ＳＥＮの積分を行い積分信号ＳＩＮＴを出力端子５１を介して出力する積分器５２と、積分器５２のリセットタイミングから積分器５２が最大値（飽和）に到った場合の時間をカウントしカウント値ＴＩＭを出力するタイマ５３と、積分器５２が最大値（飽和）に到り、かつ、非距離測定状態である場合に、アクティブクエンチ用スイッチ４４を閉状態とするための制御信号を出力するＡＮＤ回路５４と、備えている。

図１５は、積分器の具体的な回路例の説明図である。
上記構成において、積分器５２としては、図１２に示すように、した通り、キャパシタＣ１とオペアンプＯＰを用い、入力抵抗Ｒ１及びリセットスイッチＲＳＷを備えたものが一般的である。

しかしながら、カウンタの様なデジタル回路を用いるようにしても良い。また、アクティブクエンチのリセット（リチャージ）を電流源で行っている場合は、電流源にキャパシタ１個を接続するだけで、積分器を実現可能である。

ここで、タイマ５３を設けた理由について説明する。
積分器５２としては、ＳＰＡＤユニット３２の設置数が多いため、積分器５２の設置数も多くなる。したがって、設置面積の観点から、積分器５２の容量をあまり大きくすることができないので、センシング期間中に容量一杯の電荷が蓄積されてしまう可能性がある。

そこで、タイマ５３により積分器５２に電荷が蓄積されて容量が一杯になるまでの時間をカウントすることにより、センシング期間中、積分器５２が稼働していたならば、積分器５２に蓄積されたであろう電荷量を推定することにより、実効的なダイナミックレンジを大きくとれるようにしているのである。

この結果、実効的には、通常のディジタルカメラで言うところの白飛び現象と同様な飽和状態とならないように処理を行うことが可能となり、ＳＰＡＤユニット３２の実効的なダイナミックレンジを拡げたことと同様になる。

したがって、距離測定を行っていない、すなわち、非選択状態にあるＳＰＡＤユニット３２を撮像画素として用い、撮像信号として出力端子５１を介して出力される積分信号ＳＩＮＴあるいはカウント値ＴＩＭを用いて、２次元アレイセンサとしての光検出器１４を赤外線カメラとして機能させることも可能となる。

さらに、制御信号Ｃｓ及び積分器５２の出力に基づいて、距離測定動作及び赤外線カメラ動作のいずれも行っていない場合には、ＡＮＤ回路５４のアクティブクエンチ用スイッチ４４をオン状態（閉状態）とすることにより、第１実施形態と同様に、積分機能を用いた後には、出力端子３１を介して出力を行わないＳＰＡＤユニット３２については、ガイガー電流を無くし、高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに流れる貫通電流を低減することができるので、本来の距離計測に影響を与えることなく、消費電力の低減を図ることができる。

ここで、第２実施形態の動作の詳細について説明する。
図１６は、第２実施形態の動作説明図である。
図１６（Ａ）は、積分器５２が飽和状態にならない場合の動作説明図である。

この場合には、アクティブクエンチ用スイッチ４４は、センシング部４５次第で、オン状態（閉状態）になり得る。また、選択スイッチ４６はオン状態（閉状態）とする。

この結果、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間には、ＳｉＡＰＤ４２が、出射されたパルスレーザ光ＰＬＴの反射光を受光すると、ガイガー電流が流れるので、センシング部４５は、検出信号ＳＥＮを出力端子３１を介して出力する。この結果、パルスレーザ光ＰＬＴの出射の時刻及びパルスレーザ光ＰＬＴの反射光の受光タイミングの差（時間）に基づいて距離計測がなされる。

そして、時刻ｔ２に到ると距離計測は終了するので、選択スイッチ４６はオフ状態（開状態）とされ、赤外線カメラ動作モードとなって、積分器５２及びタイマ５３は、リセットされる。

そして、赤外線カメラ動作モードにおいては、ＳｉＡＰＤ４２が環境光を受光し、ガイガー電流が流れると、センシング部４５は、検出信号ＳＥＮを積分器５２に対して出力する。
この結果、積分器５２は、積分動作を行い、タイマ５３は、時間計測動作を行う。

そして、所定の撮影時間が経過した時刻ｔ３において、未だ積分器５２が飽和状態に到っていない場合には、積分器５２は、出力端子５１を介して、受光量（環境光の強さ）に比例した値を有する積分信号ＳＩＮＴを出力する。
従って、後段の制御計測回路１１は、積分信号ＳＩＮＴに基づいて赤外線撮像画像を形成することとなる。

その後、距離計測及び赤外線画像撮像のいずれも行わないタイミングになると、制御計測回路１１は、コントローラ１４Ａを介して制御信号Ｃｓを“０”とする。
この結果、ＡＮＤ回路５４の出力が“０”となると、アクティブクエンチ用スイッチ４４をオン状態（閉状態）とする。

これにより、抵抗４１、電流制限抵抗４３及びアクティブクエンチ用スイッチ４４を介して高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに向かって流れる貫通電流を無くすことが可能となり、消費電力を低減することが可能となる。

図１６（Ｂ）は、積分器５２が飽和状態にいたってしまう場合の動作説明図である。
この場合にも、アクティブクエンチ用スイッチ４４は、センシング部４５次第で、オン状態（閉状態）になり得る。また、選択スイッチ４６はオン状態（閉状態）とする。

時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間には、ＳｉＡＰＤ４２が、出射されたパルスレーザ光ＰＬＴの反射光を受光すると、ガイガー電流が流れるので、センシング部４５は、検出信号ＳＥＮを出力端子３１を介して出力する。この結果、パルスレーザ光ＰＬＴの出射の時刻及びパルスレーザ光ＰＬＴの反射光の受光タイミングの差（時間）に基づいて距離計測がなされる。

そして、時刻ｔ２に到ると距離計測は終了するので、選択スイッチ４６はオフ状態（開状態）とされ、赤外線カメラ動作モードとなって、積分器５２及びタイマ５３は、リセットされる。

そして、赤外線カメラ動作モードにおいては、ＳｉＡＰＤ４２が環境光を受光し、ガイガー電流が流れると、センシング部４５は、検出信号ＳＥＮを積分器５２に対して出力する。
この結果、積分器５２は、積分動作を行い、タイマ５３は、時間計測動作を行う。

そして、所定の撮影時間が経過していない時刻ｔ３（所定の撮影時間が経過する時刻ｔ４＞ｔ３）において、積分器５２が飽和状態に到ってしまった場合には、積分器５２は、タイマ５３に対し、その旨を通知する。

また、積分器５２は、ＡＮＤ回路５４に対する出力を“１”（積分器５２の飽和時に相当）とする。
この結果、タイマ５３は、時間計測を停止し、カウント値を保持する。

そして、所定の撮影時間が経過した時刻ｔ４において、出力端子５１を介して、積分器５２が飽和するまでの時間（＝ｔ３−ｔ２）に相当するカウント値ＴＩＭを出力端子５１を介して出力する。

従って、後段の制御計測回路１１は、カウント値ＴＩＭに基づいて赤外線撮像画像を形成することとなる。
具体的には、制御計測回路１１は、積分器５２の飽和時に相当する環境光の強さを、時刻ｔ２、時刻ｔ３及び時刻ｔ４を用いて、（ｔ４−ｔ２）／（ｔ３−ｔ２）倍することにより環境光の強さを推定して赤外線撮像画像を形成することとなる。

その後、距離計測及び赤外線画像撮像のいずれも行わないタイミングになると、制御計測回路１１は、コントローラ１４Ａを介して制御信号Ｃｓを“０”とする。
この結果、ＡＮＤ回路５４の出力が“０”となると、アクティブクエンチ用スイッチ４４をオン状態（閉状態）とする。

これにより、抵抗４１、電流制限抵抗４３及びアクティブクエンチ用スイッチ４４を介して高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに向かって流れる貫通電流を無くすことが可能となり、消費電力を低減することが可能となる。

したがって、本第２実施形態によれば、距離計測と赤外線画像撮像を排他的に行うことができる。

さらに本第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、出力端子３１を介して出力を行わないＳＰＡＤユニット３２については、ガイガー電流を無くし、高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに流れる貫通電流を低減あるいは無くすことができるので、本来の距離計測及び赤外線画像撮像に影響を与えることなく、消費電力の低減を図ることができる。

さらに第１実施形態の変形例と同様に、抵抗４１と高電位側電源ＰＨとの間に貫通電流防止スイッチ４８を設け、抵抗４１、電流制限抵抗４３及びアクティブクエンチ用スイッチ４４を介して高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに向かって流れる貫通電流を無くすことが可能となり、消費電力をより一層低減することが可能となる。

以上の説明においては、出力端子として出力端子３１及び出力端子５１の二個の出力端子を設けていたが、ＳＰＡＤユニット３２の内部に切替スイッチを設け、出力端子を共用するようにすることも可能である。

［３］第３実施形態
上記第１実施形態においては、センシング部４５の出力をそのまま出力端子３１から出力していたが、本第３実施形態においては、センシング部４５の出力から選択された出力を、光検出器１４の出力段において、時間積分し、多値化して出力する場合の実施形態である。

図１７は、第３実施形態のＳＰＡＤユニットの概要構成図である。
第３実施形態のＳＰＡＤユニット３２が、図１０の第１実施形態と異なる点は、選択スイッチ４６と出力端子３１との間に、積分器６１を設けた点である。

ここで、積分器６１を設けた理由について説明する。
ＳＰＡＤユニット３２は、ガイガー電流が流れたか否かを出力するだけであり、基本的に“１”及び“０”の２値にしか対応できない。

そこで、本第３実施形態においては、所定の積算期間中に複数回、アクティブクエンチ用スイッチ４４をオン状態（閉状態）として、アクティブクエンチ動作を行っている。アクティブクエンチＳＰＡＤは高速なため、複数の回数の動作が可能だが、ＳＰＡＤのサイズを小さくする手段でも高速化は可能であり、その両方を組合わせることにより、ＧＨｚレベルの、更に高速な動作が期待できる。

一方、光検出器１４と後段のアナログデジタル回路（制御計測回路１１に含まれる）は、必要となるプロセス技術に違いが有るなどのため、異なる集積回路として実現することが望ましい。その場合、出力端子３１は、チップ間でデータ転送を行うことなり、寄生容量などのインピーダンスが大きくなる。チップ間にて、前述の様にＧＨｚレベルの高速転送を行おうとすると、インピーダンスの問題により、正しく転送できない場合が発生する。

積分器６１を設けた理由は、複数回（ｎ回）の検出を行って実効的にＳＰＡＤユニット３２を多値（ｎ値）センサとして実現し、以上の問題を解決するためである。
この場合においては、積分器６１を用いることにより、チップ間にて確実なデータ転送が可能である。

この理由は、アクティブクエンチ動作を行うことで、ＳＰＡＤユニット３２を高速応答動作とすることができるが、高速応答結果をそのまま転送するよりは、多値のアナログ値として低速で送信することにより、安定的なデータ転送が可能になるからである。

つまり、光検出器１４を構成しているチップの後段に通常別チップとして形成されている制御計測回路１１との間のチップ間通信を容易に行うことができ、また、制御計測回路１１が有するＡ／Ｄコンバータにおいてそのまま処理することが可能となるからである。

また、積分器６１としては、カウンタを用いたデジタル回路と容量を用いたアナログ積算が使用可能である。
その他、ローパスフィルタとすることも可能である。
図１８は、ローパスフィルタの適用例の模式説明図である。
図１８に模式的に示した通り、ローパスフィルタ出力のピーク値（図中、矢印で示す）は、ローパスフィルタ入力値の加算結果に比例する。最も簡単なローパスフィルタは、抵抗とキャパシタを直列に接続したものである。

また、積分器６１は出力段に含まれ、センシング部４５の出力から選択された出力に対してのみ設ければよいため、出力チャネルの数だけ搭載すればよい。

また、多画素、特に２次元センサでは、画素数と比べて出力チャネル数は遥かに少ないため、積分器６１を選択スイッチ４６の後の出力段に設けることにより、面積効率よく、多値化機能を実現できる。

さらに積分器６１と同様の機能を図４に示した積算器３３に持たせることで、複数のＳＰＡＤユニット３２を多値センサとして機能させることも可能である。

このような構成とすることにより、セルユニット２２の数だけ、積分器を設けるだけですむため、現実的な回路規模で多値センサを実現することが可能となる。

以上の説明のように、本第３実施形態によれば、従来の光検出器１４の構成を大幅に変更することなく、多値センサとして構築することが可能となる。

この場合においても、第１実施形態と同様に、出力端子３１を介して出力を行わないＳＰＡＤユニット３２については、ガイガー電流を無くし、高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに流れる貫通電流を低減あるいは無くすことができるので、本来の距離計測に影響を与えることなく、消費電力の低減を図ることができる。

さらに第１実施形態の変形例と同様に、抵抗４１と高電位側電源ＰＨとの間に貫通電流防止スイッチ４８を設け、抵抗４１、電流制限抵抗４３及びアクティブクエンチ用スイッチ４４を介して高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに向かって流れる貫通電流を無くすことが可能となり、消費電力をより一層低減することが可能となる。

［４］第４実施形態
ＳｉＡＰＤ４２が大光量の光を受光してＳｉＡＰＤ４２のカソードの初期状態への復帰が所定時間内に完了していない場合がある。この場合、例えば図１２の回路では、所定時間にてＭ３がオフになってしまい、ＡＰＤ４２のキャリアが放出されるまでに長い時間が掛かり、次の計測タイミングにて計測が出来ない、計測性能が劣化するという問題が発生する。
図１９は、第４実施形態のＳＰＡＤユニットの概要構成図である。
第４実施形態のＳＰＡＤユニット３２が、図５の第１実施形態と異なる点は、高電位側電源ＰＨと電流制限抵抗４３との間に、直列に電流制限抵抗６５及びカソードリセットスイッチ６６を直列に接続した点と、選択スイッチ４６がオン状態（閉状態）の出力期間中に、ＳｉＡＰＤ４２が大光量の光を受光してＳｉＡＰＤ４２のカソードの初期状態への復帰が所定時間内に完了していないことをセンシング部４５が検出した場合に、カソードリセットスイッチ６６をオン状態（閉状態）とするためのＡＮＤ回路６７を設けた点と、である。

この場合において、電流制限抵抗６５の抵抗値Ｒ３は、抵抗４１の抵抗値Ｒ１と比較して非常に小さく設定されている（Ｒ３＜＜Ｒ１）。

次に、第４実施形態の動作を説明する。
初期状態においては、ＳｉＡＰＤ４２のカソードは初期状態となっており、カソードリセットスイッチ６６は、オフ状態（開状態）になっているものとする。

この状態において、ＳＰＡＤユニット３２は、出力端子３１を介して出力を行う場合には、選択スイッチ４６をオン状態（閉状態）とするとともに、アクティブクエンチ用スイッチ４４をオフ状態（開状態）とする。

この結果、ＳｉＡＰＤ４２のアノード−カソード間には、高電位側電源ＰＨ及び低電位側電源ＰＬによる所定の逆バイアス電圧が印加され、ＳｉＡＰＤ４２のアバランシェ降伏の降伏電圧（例えば、−３０Ｖ）にバイアスされる。

したがって、ＳｉＡＰＤ４２に、スキャナ及び光学系部１３から光が入射するとガイガー現象が起きてガイガー放電に起因するガイガー電流が流れることとなる。
これにより、センシング部４５は、ガイガー電流を検出した旨の検出信号ＳＥＮを選択スイッチ４６及び出力端子３１を介して出力する。

この後、制御信号Ｃｓは“１”であるから、センシング部４５が“１”であることにより所定時間、アクティブクエンチ用スイッチ４４は、オン状態とされ、クエンチ動作がなされて、ＳｉＡＰＤ４２は初期状態に高速に復帰することとなる。

そして、アクティブクエンチ用スイッチ４４は、オン状態とされてから所定時間が経過するとオフ状態（開状態）とされる。
この場合において、ＳｉＡＰＤ４２が大光量の光を受光してＳｉＡＰＤ４２のカソードの初期状態への復帰が所定時間内になされていないことをセンシング部４５が検出した場合には、ＡＮＤ回路６７に“１”を出力する。

このとき、選択スイッチ４６をオン状態とする制御信号Ｃｓも“１”であるため、ＡＮＤ回路６７は、カソードリセットスイッチ６６をオン状態（閉状態）とする。

これにより、ＳｉＡＰＤ４２のカソードから高電位側電源ＰＨに向かって、カソードリセット電流Ｉ_ＲＳＴがカソードリセットスイッチ６６及び電流制限抵抗６５を介して流れることとなる。
この結果、ＳｉＡＰＤ４２のカソードは初期状態に高速で復帰することとなる。

以上の説明のように、本第４実施形態によれば、セルユニット２２を構成しているＳｉＡＰＤ４２に大光量の光が照射された場合であっても、迅速に復帰して再度計測を行うことが可能となる。なお、図１４は本実施例を機能的に実現したものを表しており、回路としては、図１２のトランジスタＭ３のゲートの入力に、ＮＡＮＤゲートを挿入し、そのもう一つの入力をＭＰとするなどの方法によっても、実現できる。

この場合においても、第１実施形態と同様に、出力端子３１を介して出力を行わないＳＰＡＤユニット３２については、ガイガー電流を無くし、スイッチ４４とスイッチ６６と、が排他的にオン状態（閉状態）となるため、高電位側電源ＰＨから低電位側電源ＰＬに流れる貫通電流を低減あるいは無くすことができるので、本来の距離計測に影響を与えることなく、消費電力の低減を図ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 距離測定装置
１１ 制御計測回路
１２ レーザ光源
１３ 光学系部
１３ 光学系
１４ 光検出器
１４Ａ コントローラ
２１ チャネル
２２ セルユニット
２４ 抵抗
２５ 選択スイッチ
２６ 積算器
２７、３１ 出力端子
３２ ＳＰＡＤユニット
３３ 積算器
４１ 抵抗
４２ ＳｉＡＰＤ
４３ 電流制限抵抗
４４ アクティブクエンチ用スイッチ
４５ センシング部
４６ 選択スイッチ
４８ 貫通電流防止スイッチ
５１ 出力端子
５２ 積分器
５３ タイマ
５４ ＡＮＤ回路
６１ 積分器
６５ 電流制限抵抗
６６ カソードリセットスイッチ
６７ ＡＮＤ回路
Ｃｓ 制御信号
ＤＤ 距離データ
ＯＢＪ 測距対象物
ＰＨ 高電位側電源
ＰＬ 低電位側電源
ＰＬＴ パルスレーザ光
ＳＣ 走査制御信号
ＳＥＮ 検出信号
ＳＩＮＴ 積分信号
ＳＬ 選択信号
ＳＯ 出力信号
ＳＰ 発振信号

Claims (8)

1. アバランシェフォトダイオードを有するＳＰＡＤユニットを複数有するチャネルを複数備え、前記チャネルの出力／非出力を選択可能な光検出器であって、
   前記ＳＰＡＤユニットは、前記アバランシェフォトダイオードのアクティブクエンチを行うアクティブクエンチ回路と、
   非出力が選択されている前記チャネルに対応する前記アクティブクエンチ回路を動作状態とする制御部と、
   を備えた光検出器。
2. 高電位側電源に接続された第１スイッチを有し、
   前記制御部は、前記非出力が選択されている前記ＳＰＡＤユニットにおいて、前記第１スイッチを非導通状態とする、
   請求項１記載の光検出器。
3. クエンチ抵抗を備え、
   前記アバランシェフォトダイオードは、前記クエンチ抵抗に直列接続されている、
   請求項１又は請求項２記載の光検出器。
4. 非出力が選択されている前記ＳＰＡＤユニットの出力を所定時間積分し、前記非出力の期間中に積分値あるいは前記積分値の上限に達する迄の時間を出力する積分値出力部を備えた、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の光検出器。
5. 前記積分値出力部は、前記ＳＰＡＤユニットの出力を所定時間積分し、前記非出力の期間中に積分値を出力する積分器と、
   前記積分値あるいは前記積分値の上限に達する迄の時間をカウントするタイマと、
   を備えた請求項４記載の光検出器。
6. 前記積分器は、容量、カウンタあるいはロウパスフィルタとして構成されている、
   請求項５記載の光検出器。
7. 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと高電位側電源との間に直列に接続された電流制限抵抗と、第２スイッチと、を備え、
   前記制御部は、所定の復帰期間中に前記カソードの電位レベルが復帰状態に到っているか否かを判定し、前記復帰状態に到っていない場合に、前記第２スイッチをオン状態とする、
   請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の光検出器。
8. 距離測定対象に測定光を出射する測定光照射部と、
   前記測定光を受光する請求項１乃至請求項７のいずれか一項記載の光検出器と、
   前記測定光照射部が出射した前記測定光の出射タイミングと前記光検出器の受光タイミングとに基づいて前記距離測定対象までの距離を測定する距離測定部と、
   を備えた距離測定装置。

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