JP2021148477A - 光検出器及び距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】距離計測装置において、近距離対象物に対する距離計測の精度を向上させる。【解決手段】実施形態の光検出器は、受光部と、制御部とを含む。受光部は、基板上に２次元に配置された複数のセンサと、各々が少なくとも一つのセンサを含む複数の画素とを含む。制御部は、受光部に複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する。制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第１の受光領域と、前記第１の受光領域と異なる第２の受光領域とを設定する。第１の受光領域は、複数の画素に含まれた第１画素を含む。第２の受光領域は、複数の画素に含まれた第２画素を含む。第２の受光領域は、第１の受光領域を基準として、受光部が受けるレーザ光の光軸から離れる方に配置される。制御部は、第１画素と第２画素とのそれぞれをオンさせた後に、第１画素をオンさせた状態で第２画素をオフさせる。【選択図】図１１

Description

実施形態は、光検出器及び距離計測装置に関する。

ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれる距離計測装置が知られている。ＬＩＤＡＲは、レーザ光を対象物に照射し、対象物から反射された反射光の強度をセンサ（光検出器）によって検出する。そして、ＬＩＤＡＲは、センサから出力される光強度信号の時間変化に基づいて、ＬＩＤＡＲから対象物までの距離を計測する。ＬＩＤＡＲで使用されるセンサは多々有るが、今後有望なものとして、２次元に配列された複数のシリコンフォトマルチプライヤを備える二次元センサ（２Ｄセンサ）が知られている。

特開２００２−３５０１３０号公報

距離計測装置において、近距離対象物に対する距離計測の失敗を防ぎ、その精度を向上させる。

実施形態の光検出器は、受光部と、制御部とを含む。受光部は、基板上に２次元に配置された複数のセンサと、各々が少なくとも一つのセンサを含む複数の画素とを含む。制御部は、受光部に複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する。制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第１の受光領域と、前記第１の受光領域と異なる第２の受光領域とを設定する。第１の受光領域は、複数の画素に含まれた第１画素を含む。第２の受光領域は、複数の画素に含まれた第２画素を含む。第２の受光領域は、第１の受光領域を基準として、受光部が受けるレーザ光の光軸から離れる方に配置される。制御部は、第１画素と第２画素とのそれぞれをオンさせた後に、第１画素をオンさせた状態で第２画素をオフさせる。

第１実施形態に係る距離計測装置の全体構成の一例を示す概略図。 第１実施形態に係る光検出器の平面レイアウトの一例を示す平面図。 第１実施形態に係る光検出器の備えるＳＰＡＤユニットの回路構成の一例を示す回路図。 アバランシェフォトダイオードの構造の一例とＳＰＡＤの動作原理とを示す概略図。 第１実施形態に係る光検出器の備える受光部における受光領域の設定方法の一例を示す平面図。 第１実施形態に係る光検出器の出力部の構成の一例を示すブロック図。 第１実施形態に係る距離計測装置におけるレーザ光のスキャン方法の一例を示す概略図。 第１実施形態に係る距離計測装置におけるレーザ光のスキャン方法の一例を示す概略図。 第１実施形態に係る距離計測装置におけるレーザ光のスキャン方法の一例を示す概略図。 非同軸光学系の距離計測装置における入射光の位置ずれの一例を示す概略図。 第１実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作における光検出器の受光領域の設定方法の一例を示す平面図。 第１実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において光検出器に照射される入射光の形状の一例を示す平面図。 第２実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作における光検出器の受光領域の設定方法の一例を示す平面図。 第３実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において光検出器が検出した光強度信号の出力経路の一例を示す平面図。 第３実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において光検出器が検出した光強度信号の出力順番の一例を示すタイミングチャート。 第４実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作における光検出器の受光領域の設定方法の一例を示す平面図。 第５実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作における光検出器の受光領域の設定方法の一例を示す平面図。

以下に、実施形態について図面を参照して説明する。各実施形態は、発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示している。図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。本発明の技術的思想は、構成要素の形状、構造、配置等によって特定されるものではない。尚、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付す。参照符号を構成する文字の後の数字は、同じ文字を含んだ参照符号によって参照され、且つ同様の構成を有する要素同士を区別するために使用される。

［１］第１実施形態
第１実施形態に係る距離計測装置１は、当該距離計測装置１と対象物との距離を計測することが可能なＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）の一種である。以下に、第１実施形態に係る距離計測装置１について説明する。尚、本明細書において“対象物ＴＧ”とは、距離計測装置１が距離を計測する範囲に含まれる物体のことを示している。

［１−１］構成
［１−１−１］距離計測装置１の構成について
図１は、第１実施形態に係る距離計測装置１の全体構成の一例を示している。図１に示すように、第１実施形態に係る距離計測装置１は、例えば、出射部１０、光学系２０、計測処理部３０、及び画像処理部４０を備えている。

出射部１０は、距離計測装置１が対象物ＴＧとの間の距離の計測に用いるためのレーザ光を生成及び出射する。出射部１０は、例えば、制御部１１、発振器１２、第１駆動回路１３、第２駆動回路１４、及び光源１５を含んでいる。尚、制御部１１は、出射部制御のための出射用制御部と、計測処理部（受光部）のための受光用制御部とに分かれていてもよい。この場合、出射用制御部は出射部１０に含まれ、受光用制御部は計測処理部（受光部）３０に含まれる。

制御部１１は、距離計測装置１の全体の動作を制御する。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んでいる。制御部１１のＲＯＭは、例えば距離計測装置１の動作に使用されるプログラムを格納している。制御部１１のＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って、例えば発振器１２並びに第１駆動回路１３及び第２駆動回路１４を制御する。

発振器１２は、制御部１１による制御に基づいて、パルス信号を生成する。そして、発振器１２は、生成したパルス信号を第１駆動回路１３に出力する。パルス信号が立ち上がるタイミングは、出射部１０がレーザ光を出射するタイミングに対応している。

第１駆動回路１３は、発振器１２から入力されたパルス信号に応じて駆動電流を生成し、生成した駆動電流を光源１５に供給する。つまり、第１駆動回路１３は、光源１５の電流供給源として機能する。

第２駆動回路１４は、制御部１１による制御に応じて駆動電流を生成し、生成した駆動電流を光学系２０のミラー２４に供給する。つまり、第２駆動回路１４は、ミラー２４の電源回路として機能する。

光源１５は、レーザダイオード等のレーザ光源である。光源１５は、第１駆動回路１３から供給された駆動電流に基づいて、レーザ光Ｌ１を間欠的に発光（出射）する。レーザ光Ｌ１は、後述する光学系２０を介して対象物ＴＧに照射される。

光学系２０は、入射したレーザ光Ｌ１を２つに分ける。そして、光学系２０は、２つに分けたレーザ光Ｌ１の一方を対象物ＴＧに出射し、他方を計測処理部３０の光検出器３１に出射する。光学系２０は、例えば、レンズ２１、光学素子２２、レンズ２３、及びミラー２４を含んでいる。

レンズ２１は、光源１５から出射されたレーザ光Ｌ１の光路上に配置される。レンズ２１は、当該レンズ２１を通過するレーザ光Ｌ１をコリメートして、コリメートしたレーザ光Ｌ１を光学素子２２に導光する。

光学素子２２は、レンズ２１によって導かれたレーザ光Ｌ１を２つに分ける。２つに分けられたレーザ光Ｌ１は、それぞれレンズ２３の方向とミラー２４の方向とに向かって出射される。光学素子２２は、例えばビームスプリッタである。

レンズ２３は、光学素子２２によって分けられたレーザ光Ｌ１の一方の光路上に配置される。レンズ２３は、当該レンズ２３を通過するレーザ光Ｌ１を集光して、集光したレーザ光Ｌ１を計測処理部３０の光検出器３１に導光する。つまり、レンズ２３は、距離計測装置１が外部に出射する前のレーザ光Ｌ１の一部を光検出器３１に集める。

ミラー２４は、当該ミラー２４に入射したレーザ光Ｌ１を反射する。ミラー２４は、第２駆動回路１４から供給される駆動電流に基づいて駆動する。例えば、ミラー２４の反射面は、１つの軸、あるいは、互いに交差する２つの軸を中心として回転可能に構成される。ミラー２４から反射されたレーザ光Ｌ１は、距離計測装置１の外部の対象物ＴＧに出射される。

計測処理部３０は、光学系２０から導かれたレーザ光Ｌ１と、対象物ＴＧから反射されたレーザ光Ｌ２とに基づいて、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離を計測する。計測処理部３０は、例えば、光検出器３１、レンズ３２、光検出器３３、第１増幅器３４、第２増幅器３５、時間取得部３６、及び距離計測処理部３７を含んでいる。

光検出器３１は、レンズ２３を介して当該光検出器３１に入射したレーザ光Ｌ１を受光する。そして、光検出器３１は、受光したレーザ光Ｌ１の光強度に基づいた電気信号を、第１増幅器３４に出力する。光検出器３１は、例えばフォトダイオードである。

レンズ３２は、対象物ＴＧから反射された反射光Ｌ２を集光して、集光した反射光Ｌ２を光検出器３３に導光する。つまり、レンズ３２は、距離計測装置１に対して照射されたレーザ光Ｌ２を含む外部の光を光検出器３３に集める。

光検出器３３は、レンズ３２を介して当該光検出器３３に入射した反射光Ｌ２を受光する。そして、光検出器３３は、受光した反射光Ｌ２の光強度に基づいた電気信号を、第２増幅器３５に出力する。光検出器３３は、例えば半導体を用いた光電子増倍素子を含む。光検出器３３の詳細については後述する。

第１増幅器３４は、光検出器３１から入力された電気信号を増幅して、増幅した電気信号を例えば時間取得部３６と距離計測処理部３７とのそれぞれに出力する。以下では、第１増幅器３４が出力した電気信号のことを基準信号とも呼ぶ。

第２増幅器３５は、光検出器３３から入力された電気信号を増幅して、増幅した電気信号を例えば時間取得部３６と距離計測処理部３７とのそれぞれに出力する。第２増幅器３５は、例えばトランスインピーダンス増幅器である。以下では、第２増幅器３５が出力した電気信号のことを計測信号とも呼ぶ。

時間取得部３６は、第１増幅器３４から入力された基準信号の信号強度に基づいて、出射部１０がレーザ光Ｌ１を出射したタイミングに対応する第１の時間を取得する。また、時間取得部３６は、第２増幅器３５から入力された計測信号の信号強度に基づいて、対象物ＴＧから反射されたレーザ光Ｌ２を光検出器３３が受光した第２の時間を取得する。尚、第１の時間と第２の時間との組は、間欠的に出射される基準信号毎に取得される。時間取得部３６は、各時間を、基準信号又は計測信号の立ち上がり時間に基づいて決定しても良いし、基準信号又は計測信号のピーク時刻に基づいて決定しても良い。

距離計測処理部３７は、例えば、時間取得部３６によって取得された第１の時間と第２の時間との時間差に基づいて、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離を計測する。簡潔に述べると、距離計測処理部３７は、出射部１０によるレーザ光Ｌ１の出射タイミングと、対象物ＴＧから反射されたレーザ光Ｌ２の光検出器３３への入射タイミングとに基づいて、レーザ光Ｌ１及びＬ２の飛行時間を算出する。そして、距離計測処理部３７は、当該飛行時間とレーザ光の速度とに基づいて、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離を計測する。このような距離の計測方法は、ＴｏＦ（Time of Flight）方式とも呼ばれる。

画像処理部４０は、距離計測処理部３７によって計測した距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離の計測結果を取得する。そして、画像処理部４０は、取得した複数の計測結果を用いて、距離計測装置１の計測対象の領域における距離情報を含む画像を生成する。生成された画像は、例えば距離計測装置１を備える車両等の制御プログラムによって参照される。

以上のように、第１実施形態に係る距離計測装置１は、出射部１０から出射されるレーザ光Ｌ１の光軸と光検出器３３が受光するレーザ光Ｌ２の光軸とが異なる非同軸光学系を有している。尚、第１実施形態に係る距離計測装置１の構成は、以上で説明した構成に限定されない。第１実施形態に係る距離計測装置１の構成は、後述する動作を実行することが可能であれば、その他の構成であっても良い。

例えば、光学素子２２、レンズ２３、光検出器３１、及び第１増幅器３４は、省略されても良い。この場合、これらの構成の代わりに、発振器１２が、計測処理部３０に対して基準信号を出力しても良い。また、画像処理部４０による処理は、距離計測装置１に接続された外部の機器によって実行されても良い。

［１−１−２］光検出器３３の構成について
図２は、第１実施形態に係る光検出器３３の平面レイアウトの一例を示している。図２に示すように、光検出器３３は、受光部ＤＰを備えている。尚、以下で参照される図面において、“第１方向”及び“第２方向”は、互いに交差する方向に対応している。

受光部ＤＰは、例えば光検出器３３が対象物ＴＧから反射したレーザ光Ｌ２を受けるための領域である。受光部ＤＰにおいて光検出器３３は、複数の画素ＰＸを含んでいる。複数の画素ＰＸは、例えば、半導体基板上に、第１方向及び第２方向に広がったマトリクス状に配置される。言い換えると、複数の画素ＰＸは、２次元に配置される。

複数の画素の各々は、少なくとも１つの光電子増倍素子を含んでいる。光電子増倍素子としては、例えば、単一光子アバランシェダイオード（Single-Photon Avalanche Diode）が使用される。以下では、単一光子アバランシェダイオードのことを“ＳＰＡＤ”と呼び、ＳＰＡＤを使用するための回路のことを“ＳＰＡＤユニットＳＵ”と呼ぶ。ＳＰＡＤの機能の詳細については後述する。画素ＰＸに複数のＳＰＡＤユニットＳＵが設けられる場合、複数のＳＰＡＤユニットＳＵは、例えば第１方向及び第２方向に広がったマトリクス状に配置される。複数のＳＰＡＤユニットＳＵを含む画素ＰＸは、シリコン光増倍素子（ＳｉＰＭ：Silicon Photomultiplier）とも呼ばれる。

尚、光検出器３３に含まれる画素ＰＸとＳＰＡＤユニットＳＵとのそれぞれの個数は、図２に示された個数に限定されず、任意の個数に設計され得る。画素ＰＸとＳＰＡＤユニットＳＵとのそれぞれの平面形状は、必ずしも正方形でなくても良い。画素ＰＸの形状は、各画素ＰＸに含まれるＳＰＡＤユニットＳＵの形状及び配置に応じて変化し得る。例えば、各画素ＰＸにおいて、第１方向に並ぶＳＰＡＤユニットＳＵの個数と、第２方向に並ぶＳＰＡＤユニットＳＵの個数とは異なっていても良い。光検出器３３は、異なる形状の画素ＰＸを利用しても良い。ＳＰＡＤユニットＳＵの形状は、その他の形状であっても良く、例えば長方形であっても良い。

（ＳＰＡＤユニットＳＵの回路構成について）
図３は、第１実施形態に係る光検出器３３の備えるＳＰＡＤユニットＳＵの回路構成の一例を示している。図３に示すように、ＳＰＡＤユニットＳＵは、例えばアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及びクエンチ抵抗Ｒｑを含んでいる。

アバランシェフォトダイオードＡＰＤ及びクエンチ抵抗Ｒｑは、高電位ノードＮｈｖと低電位電源ノードＮｌｖとの間に直列に接続される。具体的には、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードが、低電位電源ノードＮｌｖに接続される。アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードは、クエンチ抵抗Ｒｑの一端接続される。クエンチ抵抗Ｒｑの他端が、高電圧ノードＮｈｖに接続される。

距離計測装置１の距離計測動作において、高電位ノードＮｈｖの電位は、低電位電源ノードＮｌｖに印加される電圧よりも高い。つまり、距離計測動作において、逆バイアスが、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加される。高電圧ノードＮｈｖは、ＳＰＡＤに含まれたアバランシェフォトダイオードＡＰＤによる光検出結果の出力端、すなわち出力ノードに対応している。高電圧ノードＮｈｖには、トランジスタＴｏｕｔが接続される。トランジスタＴｏｕｔのゲートには、制御信号Ｓｏｕｔが入力される。

ＳＰＡＤユニットＳＵは、高電圧ノードＮｈｖに接続されたトランジスタＴｏｕｔを介して、光検出結果に対応する出力信号ＩＯＵＴを出力する。例えば、制御信号Ｓｏｕｔが“Ｈ”レベルである場合、当該ＳＰＡＤユニットＳＵは、トランジスタＴｏｕｔを介して、高電圧ノードＮｈｖの電圧に基づいた出力信号ＩＯＵＴを出力する。制御信号Ｓｏｕｔが“Ｌ”レベルである場合、当該ＳＰＡＤユニットＳＵによる出力信号ＩＯＵＴの出力は、トランジスタＴｏｕｔによって遮断される。実際には、多段に接続された複数のトランジスタによって、トランジスタＴｏｕｔが構成される。

距離計測装置１では、例えば、画素ＰＸ毎に制御信号Ｓｏｕｔが独立に制御され得る。つまり、距離計測装置１は、各画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤユニットＳＵを、必要に応じてアクティブ状態又は非アクティブ状態にすることが出来る。本明細書において、“アクティブ状態のＳＰＡＤユニットＳＵ”は、当該ＳＰＡＤユニットＳＵが光信号を検出して出力信号ＩＯＵＴを出力することが可能な状態であることを示している。“非アクティブ状態のＳＰＡＤ”は、当該ＳＰＡＤユニットＳＵが受けた光信号に基づく出力信号ＩＯＵＴを出力しない状態であることを示している。以下では、アクティブ状態のＳＰＡＤユニットＳＵを含む画素ＰＸのことを、オン状態の画素ＰＸと呼ぶ。非アクティブ状態のＳＰＡＤユニットＳＵを含む画素ＰＸのことを、オフ状態の画素ＰＸと呼ぶ。

尚、画素ＰＸの回路構成は、以上で説明した構成に限定されない。例えば、クエンチ抵抗Ｒｑは、トランジスタに置き換えられても良い。高電圧ノードＮｈｖには、クエンチ用のトランジスタがさらに接続されても良い。トランジスタＴｏｕｔは、Ｎ型トランジスタであっても、Ｐ型トランジスタであっても良い。トランジスタＴｏｕｔは、出力信号ＩＯＵＴを選択的に出力可能であれば、その他のスイッチ素子であっても良い。高電圧ノードＮｈｖ（出力ノード）の配置は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤによる光検出結果を出力可能であれば、その他の配置であっても良い。また、複数のＳＰＡＤユニットＳＵは、グループを形成しても良い。この場合、出力信号ＩＯＵＴは、例えばそのグループに属するＳＰＡＤユニットＳＵの出力の総和に相当する電気信号に対応している。

（ＳＰＡＤの動作原理について）
以下に、図４を参照して、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの構成の一例と、ＳＰＡＤの動作原理とについて説明する。図４は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの構造の一例とＳＰＡＤの動作原理との概略を示している。

まず、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの構成について説明する。アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、例えば、基板５０、Ｐ型半導体層５１、Ｐプラス型半導体層５２、及びＮプラス型半導体層５３を含んでいる。

基板５０は、例えばＰ型の半導体基板である。基板５０上に、Ｐ型半導体層５１、Ｐプラス型半導体層５２、及びＮプラス型半導体層５３が、この順番に積層されている。Ｐプラス型半導体層５２におけるＰ型不純物の濃度は、Ｐ型半導体層５１におけるＰ型不純物の濃度よりも高い。Ｎプラス型半導体層５３は、Ｎ型不純物がドープされた半導体層である。例えば、Ｎプラス型半導体層５３上には、図示が省略された電極が接続される。

次に、ＳＰＡＤの動作原理について説明する。第１実施形態に係る距離計測装置１では、基板５０側が低電位電源ノードＮｌｖに対応し、Ｎプラス型半導体層５３が高電位側（カソード）に対応している。

距離計測装置１の距離計測動作において、アバランシェフォトダイオードＡＰＤには、基板５０側に負の高い電圧が印加される。つまり、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに高い逆バイアスが印加され、Ｐプラス型半導体層５２とＮプラス型半導体層５３との間に強い電界が発生する（図４（１））。すると、Ｐプラス型半導体層５２とＮプラス型半導体層５３との接合（すなわち、ＰＮ接合）領域の付近に、空乏層が形成される（図４（２））。距離計測動作では、この状態のアバランシェフォトダイオードＡＰＤが、光信号を検知可能な状態に対応している。

そして、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに光が照射されると、光のエネルギーの一部が空乏層に到達する（図４（３））。空乏層に光が照射されると、空乏層において電子と正孔の対、すなわちキャリアが発生する場合がある（図４（４））。空乏層に発生したキャリアは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加された逆バイアスの電界によりドリフトする（図４（５））。例えば、発生したキャリアのうち正孔は、基板５０側に向かって加速される。一方で、発生したキャリアのうち電子は、Ｎプラス型半導体層５３側に向かって加速される。

Ｎプラス型半導体層５３側に向かって加速された電子は、ＰＮ接合の付近に発生した強い電界の下で、原子と衝突する。すると、原子に衝突した電子が、当該原子をイオン化させて、新たな電気と正孔の対を発生させる。アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加された逆バイアスの電圧が、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのブレークダウン電圧を超えている場合、このような電子と正孔の対の発生が繰り返される。このような現象は、アバランシェ降伏と呼ばれている（図４（６））。

アバランシェ降伏が発生すると、アバランシェフォトダイオードＡＰＤが放電する（図４（７））。このような放電は、ガイガー放電と呼ばれている。ガイガー放電が発生すると、ＳＰＡＤユニットＳＵの出力ノードを通じて電流が流れる。これにより、ガイガー放電とその後のリカバリに関わる電気信号が、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ、すなわち１つのＳＰＡＤから出力される。

また、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力された電流は、例えばクエンチ抵抗Ｒｑに流れる。その結果、電圧降下が、ＳＰＡＤユニットＳＵの出力ノードにおいて発生する（図４（８））。ＳＰＡＤユニットＳＵにおけるこのような電圧降下は、クエンチングとも呼ばれる。電圧降下によって、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加された逆バイアスの電圧がブレークダウン電圧未満になると、ガイガー放電が停止する。それから、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのＰＮ接合における容量の充電や、リカバリ電流が流れることが完了すると、アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、電流の出力を停止する。ガイガー放電が止まって暫く後に、アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、次の光を検知することが可能な状態に戻る。

以上のように、第１実施形態に係る距離計測装置１の備える光検出器３３は、ガイガーモードで使用されるアバランシェフォトダイオードＡＰＤを有している。そして、これらのアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、光入射に応じてアバランシェ降伏を起こし、光検出結果に対応する電気信号を出力する。これにより、光検出器３３は、フォトン単位の受光を検知して、電気信号に変換することが出来る。

尚、ＳＰＡＤユニットＳＵに使用されるアバランシェフォトダイオードＡＰＤの構造は、以上で説明された構造に限定されない。例えば、Ｐプラス型半導体層５２は省略されても良い。Ｐ型半導体層５１、Ｐプラス型半導体層５２、及びＮプラス型半導体層５３のそれぞれの厚さは、適宜変更され得る。アバランシェフォトダイオードＡＰＤのＰＮ接合は、基板５０との境界近傍に形成されても良い。アバランシェフォトダイオードＡＰＤの構造において、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが反転されて構成されても良い。

（受光領域ＤＲの設定について）
第１実施形態に係る光検出器３３は、受光部ＤＰに含まれた所定の領域内の１つ又は複数の画素ＰＸをオン状態にすることによって、受光領域ＤＲを設定することが出来る。以下に、受光領域ＤＲの設定方法の一例について説明する。

尚、受光部ＤＰに設けられた複数の画素のそれぞれには、第１方向に対応する座標と第２方向に対応する座標とが割り当てられているものと仮定する。また、本明細書において“受光領域”は、単なる名称に相当している。距離計測装置１の距離計測動作において、光が必ずしも受光領域ＤＲの全体に照射されていなくても良く、通常、その一部のみが照射されている。

図５は、第１実施形態に係る光検出器３３の備える受光部ＤＰにおける受光領域ＤＲの設定方法の一例を示している。図５に示すように、第１実施形態に係る光検出器３３は、座標“Ｎ”及び“Ｍ”とに基づいて、受光領域ＤＲを設定する。“Ｎ”は、画素ＰＸの第１方向の座標に対応している。“Ｍ”は、画素ＰＸの第２方向の座標に対応している。受光領域ＤＲに関連付けられたこれらの座標は、例えば出射部１０の制御部１１、あるいは受光用制御部による制御に基づいて指定される。

また、座標“Ｎ”及び“Ｍ”は、例えば受光領域ＤＲ内の左上の画素の座標に対応している。これに限定されず、受光領域ＤＲは、少なくとも座標“Ｎ”及び“Ｍ”に対応するアドレスを基準として設定されていれば良い。例えば、座標“Ｎ”及び“Ｍ”が指定する画素ＰＸの座標は、受光領域ＤＲ内の左下、右上、右下、中央等、いずれの画素ＰＸの座標に対応していても良い。

そして、受光領域ＤＲは、座標“Ｎ”及び“Ｍ”を基準として、例えば第１方向及び第２方向にそれぞれ３画素及び４画素の広がりを有する領域に設定される。言い換えると、本例では、受光領域ＤＲが、３×４画素を含む矩形領域に設定される。尚、受光領域ＤＲ内でオン状態にされる画素ＰＸの配置は、適宜設定され得る。また、受光部ＤＰ内且つ受光領域ＤＲに含まれない画素ＰＸは、オフ状態に設定される。

受光領域ＤＲ内の少なくとも１つの画素ＰＸは、照射された光を電気信号に変換し、光強度に対応する出力信号ＩＯＵＴを出力し得る。各画素ＰＸによって生成された出力信号ＩＯＵＴは、画素ＰＸ毎に出力される。これにより、光が照射された画素ＰＸの信号のみが使用されるため、光が照射されなかった画素ＰＸからのノイズが除去され、Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）が高くなる。

以上で説明した受光領域ＤＲの位置及び形状は、距離計測装置１によって出射されるレーザ光のスキャン位置に応じて設定される。具体的には、出射部１０の制御部１１あるいは受光部３０の制御部が、レーザ光を出射したタイミングのミラー２４の傾きに関連付けられた座標“Ｎ”及び“Ｍ”を指定して、受光領域ＤＲの設定を光検出器３３に対して指示する。これにより、距離計測装置１が、対象物ＴＧから反射したレーザ光Ｌ２が照射すると推測される領域内の画素ＰＸをオン状態にして、当該レーザ光Ｌ２を検出することが出来る。さらに、第１実施形態に係る光検出器３３が、最適な計測距離の異なる複数種類の受光領域を、受光領域ＤＲ内に設定することが出来る。本動作の詳細については後述する。

（光検出器３３の出力部について）
第１実施形態に係る光検出器３３は、例えば、受光領域ＤＲ内の複数の画素ＰＸから取得された光信号（出力信号ＩＯＵＴ）を第２増幅器３５に転送する前に、当該出力信号ＩＯＵＴに対して所定の信号処理を実行する構成をさらに有する。

図６は、第１実施形態に係る光検出器３３の出力部の構成の一例を示している。本例では、３×４画素を含む矩形の受光領域ＤＲが設定されたものと仮定する。図６に示すように、受光部ＤＰは、例えば１２個の画素ＰＸにそれぞれ対応する出力信号ＩＯＵＴａ１〜１２を出力する。また、光検出器３３は、出力部として、例えばスイッチ部ＳＷ及び信号処理部ＳＰをさらに備えている。

スイッチ部ＳＷは、複数のスイッチ回路を含み、受光部ＤＰによって出力された複数の出力信号ＩＯＵＴの順序を整列する機能を有する。具体的には、スイッチ部ＳＷには、例えば受光部ＤＰによって出力された出力信号ＩＯＵＴａ１〜１２と、受光領域ＤＲの座標を示す座標“Ｎ”及び“Ｍ”とが入力される。そして、スイッチ部ＳＷは、座標“Ｎ”及び“Ｍ”に基づいて複数のスイッチ回路を適宜繋ぎ替えることによって、入力された出力信号ＩＯＵＴａ１〜１２を整列する。それから、スイッチ部ＳＷは、整列された出力信号ＩＯＵＴａ１〜１２に対応する出力信号ＩＯＵＴｂ１〜１２を、信号処理部ＳＰに出力する。これにより、受光領域ＤＲ内の各画素ＰＸの出力順番が、所定の順番（例えば、図６の下部に示された順番）に変更される。

信号処理部ＳＰは、スイッチ部ＳＷから入力された出力信号ＩＯＵＴｂ１〜１２を用いて、様々な信号処理を実行する。信号処理部ＳＰは、例えば増幅回路のようなアナログ回路、アナログ−デジタル変換器、時間−デジタル変換器、積算器のようなロジック回路を含み得る。信号処理部ＳＰによる信号処理によって、例えば画素ＰＸ毎の光強度に対応する電気信号や、グループ化された複数の画素ＰＸの光強度に対応する電気信号が生成される。そして、生成された各電気信号が、例えば後段の第２増幅器３５に出力される。

以上のように、光検出器３３の出力部は、受光領域ＤＲ内における相対的な位置に関する順番を変更せずに、信号処理を実行することが出来る。このような出力部の構成は、画素ＰＸの出力に使用される信号線の本数を削減することが出来る。尚、スイッチ部ＳＷと信号処理部ＳＰとは、一体で設けられても良い。また、第１実施形態において光検出器３３に接続されている第２増幅器３５が、信号処理部ＳＰに含まれていても良い。

［１−２］動作
以下に、第１実施形態に係る距離計測装置１の動作について説明する。

［１−２−１］スキャン方法について
まず、第１実施形態に係る距離計測装置１におけるレーザ光Ｌ１のスキャン方法の一例について説明する。図７〜図９は、対象物ＴＧに対するレーザ光Ｌ１の照射方法の一例を示し、互いに異なるスキャン方法を例示している。

図７に示された一例では、距離計測装置１が、紙面の右方向にスキャンした後に、折り返して左方向にスキャンし、紙面の左方向にスキャンした後に、再び折り返して右方向にスキャンする。距離計測装置１は、このような左右方向のスキャンを繰り返し実行する。このようなスキャンを実現する手段としては、例えば２軸のミラーを使用することが考えられる。

図８に示された一例では、距離計測装置１が、縦方向に細長い形状の照射面を有するレーザ光源、及び／或いは異方性のある非球面コリメータレンズを用いて、縦一列に複数の画素を同時に照射する。このようなスキャンを実現する手段としては、例えば、回転ミラーや１軸のミラーを使用することが考えられる。また、ミラーを使用せずに、距離計測装置１をそのまま回転させても良い。

図９に示された一例では、距離計測装置１が、縦方向に細長い形状の照射面を有するレーザ光源、及び／或いは異方性のある非球面コリメータレンズを用いて縦一列に複数の画素を同時に照射し、且つ垂直方向に位置がずらされたスキャンを複数回繰り返し実行する。このようなスキャンを実現する手段としては、例えば、異なるチルト角を有するポリゴンミラー、回転ミラー、及び２軸のミラー等が挙げられる。

以上で例示されたスキャン方法は、機械的なものであるが、別のスキャン方法としては、ＯＰＡ方法（Optical Phased Array）が知られている。第１実施形態に係る距離計測装置１による効果は、光をスキャンする方法に依存しない。このため、第１実施形態に係る距離計測装置１は、機械的な方法とＯＰＡ方法とのいずれを用いてレーザ光Ｌ１のスキャンを実行しても良い。以下では、説明を簡潔にするために、距離計測装置１が、図７に示された方法を用いてレーザ光Ｌ１のスキャンを実行する場合について説明する。

［１−２−２］反射光の視差について
第１実施形態に係る距離計測装置１は、非同軸光学系を使用する。このため、受光部ＤＰにおいて、近距離の対象物ＴＧによる反射光が照射される位置と、遠距離の対象物ＴＧによる反射光が照射される位置との間でずれ、すなわち視差が生じ得る。

図１０は、非同軸光学系の距離計測装置における反射光の視差の一例を示し、距離計測装置１内の光源１５、レンズ２１及び３２、並びに光検出器３３と、遠距離の対象物ＴＧｆと、近距離の対象物ＴＧｎとを表示している。

図１０に示すように、光源１５から出射されるレーザ光Ｌ１は、ミラー２４を介して対象物ＴＧｆ又はＴＧｎに照射され、対象物ＴＧｆ又はＴＧｎから反射したレーザ光Ｌ２（反射光）は、レンズ３２を介して光検出器３３に照射される。以下では、遠距離の対象物ＴＧｆから反射したレーザ光のことを“Ｌ２ｆ”とも呼び、近距離の対象物ＴＧｎから反射したレーザ光のことを“Ｌ２ｎ”とも呼ぶ。

光検出器３３の受光領域ＤＲは、例えばミラー２４の状態と遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光の位置に合わせて同期するように設定される。しかしながら、非同軸光学系が使用される場合、反射光の視差が距離計測装置１と対象物ＴＧとの距離に応じて生じ得る。具体的には、例えば、距離計測装置１と対象物ＴＧとの距離が５ｍ以内である場合の反射光の視差は、０．１ｍｍ程度生じ得る。このような視差は、出射光の光軸から離れる方向に生じる。また、視差は、対象物ＴＧが接近する程大きくなる。

このため、受光領域ＤＲは、遠距離の対象物ＴＧｆから反射したレーザ光Ｌ２ｆを受光することが出来たとしても、近距離の対象物ＴＧｎから反射したレーザ光Ｌ２ｎを受光することが出来なくなるおそれがある。これに対して、第１実施形態に係る距離計測装置１は、距離計測動作において、光検出器３３の受光領域ＤＲに、近距離用の受光領域と、遠距離用の受光領域とを設定する。

［１−２−３］近距離受光領域ＮＤＲを含む受光領域ＤＲの設定について
図１１は、第１実施形態に係る距離計測装置１の距離計測動作における光検出器３３の受光領域ＤＲの設定方法の一例を示し、距離計測装置１の出射光及び出射光の光軸と、光検出器３３の受光部ＤＰとを表示している。図１１に示すように、第１実施形態に係る光検出器３３は、座標“Ｎ”及び“Ｍ”が指定されると、遠距離受光領域ＦＤＲと近距離受光領域ＮＤＲとを含む受光領域ＤＲを設定する。

遠距離受光領域ＦＤＲ及び近距離受光領域ＮＤＲは、この順番に、出射光の光軸に対して近接している。言い換えると、近距離受光領域ＮＤＲは、遠距離受光領域ＦＤＲよりも受光系の光軸から離れた領域に設定されている。第２方向における幅は、遠距離受光領域ＦＤＲよりも近距離受光領域ＮＤＲの方が広く設定されることが好ましい。遠距離受光領域ＦＤＲと近距離受光領域ＮＤＲとは、必ずしも隣接していなくても良い。

遠距離受光領域ＦＤＲは、主に遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光（レーザ光Ｌ２ｆ）を検出するための領域である。遠距離受光領域ＦＤＲ内でオン状態に設定される画素ＰＸの配置は、例えば図５を用いて説明した画素ＰＸの配置と同様である。つまり、遠距離受光領域ＦＤＲでは、オン状態に設定された複数の画素ＰＸが、例えば矩形領域において二次元に配置される。

近距離受光領域ＮＤＲは、主に近距離の対象物ＴＧｎからの反射光（レーザ光Ｌ２ｎ）を検出するための領域である。近距離受光領域ＮＤＲ内でオン状態に設定される複数の画素ＰＸは、例えば、遠距離受光領域ＦＤＲと隣り合い且つ出射光の光軸から遠い側に第１方向に沿って一次元に配置される。このように、近距離受光領域ＮＤＲは、オフ状態の画素ＰＸを含んでいても良い。言い換えると、オン状態の画素ＰＸが配置される密度は、遠距離受光領域ＦＤＲよりも近距離受光領域ＮＤＲの方が低く設定されても良い。

［１−２−４］距離計測動作における反射光の具体例について
図１２は、第１実施形態に係る距離計測装置１の距離計測動作において光検出器３３に照射される反射光の具体例を示し、図１１と同様の受光部ＤＰを表示している。また、図１２の上側が、対象物ＴＧが遠距離に位置している場合の反射光の形状の一例に対応し、図１２の下側が、対象物ＴＧが近距離に位置している場合の反射光の形状の一例に対応している。

図１２の上側に示すように、遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光（レーザ光Ｌ２ｆ）は、主に遠距離受光領域ＦＤＲ内に照射される。一方で、図１２の下側に示すように、近距離の対象物ＴＧｎからの反射光（レーザ光Ｌ２ｎ）は、例えば、主に近距離受光領域ＮＤＲ内に照射される。図１０を用いて説明したように、非同軸光学系が利用された場合、このような反射光の照射位置のずれ（視差）が発生し得る。

また、距離計測装置１の受光側の光学系（例えばレンズ３２等）の焦点は、例えば無限遠、すなわち遠距離の対象物ＴＧｆを基準に設定される。このため、近距離の対象物ＴＧｎからの反射光は、遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光と比べてデフォーカスが発生し得る。反射光の光強度は、対象物ＴＧが近くなるほど大きく、対象物ＴＧが遠くなるほど小さくなる。また、反射光の光強度は、デフォーカスが発生するほど小さくなる。

［１−３］第１実施形態の効果
距離計測システムの一種である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時系列のデジタル信号に変換する。そして、ＬＩＤＡＲと計測対象物との間の距離が、例えばレーザが発光してから感知した反射光のピークまでの時間差に基づいて計算される。ＬＩＤＡＲの計測データは、例えば車両の制御に使用することが想定されるため、高い精度が求められている。

ＬＩＤＡＲを安価に製造するためには、可能な限り簡素な構成であることが好ましい。コストを抑制する方法としては、非同軸光学系と２Ｄセンサとの組み合わせにより、光学系のコストを抑制することが考えられる。２Ｄセンサは、投光系のスキャンに同期して、受光領域の位置を変更する。投光系と受光領域との同期精度は、２Ｄセンサが１つの画素でなく複数の画素を用いて光を検出することにより緩めることが出来る。また、２Ｄセンサは、受光領域を広く設けることによって、受光位置のずれによる影響も抑制され得る。一方で、受光領域を広く設けることは、消費電力の増加に繋がる。消費電力は可能な限り抑制されることが好ましいため、受光領域は最低限の範囲に設定されることが好ましい。

しかしながら、非同軸光学系が使用される場合、計測対象物の位置に応じて視差が発生する。このため、２Ｄセンサは、遠距離の計測対象物に合わせて受光領域が設定された場合に、近距離の計測対象物からの反射光を検知できなくなるおそれがある。近距離の計測対象物からの反射光にはデフォーカスが発生するが、視差の大きさの方がデフォーカスの拡がりより大きいと考えられるため、計測対象物が極めて近距離である場合、デフォーカスによる広がりを考慮しても反射光が受光領域から外れる場合がある。

そこで、第１実施形態に係る距離計測装置１は、光検出器３３の受光部ＤＰに、遠距離からの反射光を受光するための領域ＦＤＲと、投光系の反対に位置する近距離用の領域ＮＤＲとを設定する。その結果、第１実施形態に係る距離計測装置１は、遠距離対象物と近距離対象物との両方に対応した受光領域ＤＲを設定することが出来、近距離対象物に対するセンサのpile upを低減し、それによって距離計測の精度を向上させることが出来る。

尚、近距離受光領域ＮＤＲに照射される反射光は、遠距離受光領域ＦＤＲに照射される反射光よりも強いことと、デフォーカスによる広がりを有していることが考えられる。これに対して、第１実施形態に係る距離計測装置１は、単純に受光領域ＤＲを広くするのではなく、近距離受光領域ＮＤＲにおけるオン状態の画素ＰＸの密度が小さくすることが出来る。言い換えると、オン状態にされる画素ＰＸの密度が、遠距離受光領域ＦＤＲよりも近距離受光領域ＮＤＲの方が小さく設定され得る。密度を小さくする代わりに、近距離受光領域ＮＤＲの第１方向における大きさが、遠距離受光領域ＦＤＲの第１方向における大きさよりも小さく設定されても良い。

これにより、近距離受光領域ＮＤＲからの反射光が第１方向のずれを有していた場合のおいても、第１実施形態に係る距離計測装置１は、近距離受光領域ＮＤＲからの反射光を検知することが出来る。従って、第１実施形態に係る距離計測装置１は、近距離受光領域ＮＤＲ内でオン状態の画素ＰＸを減らすことにより、消費電力を抑制することも出来る。

尚、対象物ＴＧと距離計測装置１との間の距離が近くなるほど、視差が大きくなる、すなわち出射光が反射する角度が大きくなる。これを利用して、第１実施形態に係る距離計測装置１は、近距離受光領域ＮＤＲにおける受光結果に基づいて、三角測量を用いた距離の計測を実行しても良い。例えば、距離計測装置１は、近距離受光領域ＮＤＲにおいて取得された複数の画素ＰＸの受光結果のうち、最も光強度の大きい画素ＰＸの位置に基づいて、三角測量を用いた距離の計測を実行しても良い。

また、距離計測装置１は、ＴｏＦ方式による距離の計測と、三角測量を用いた距離の計測との両方を実行しても良い。この場合、距離計測装置１は、例えば、近距離受光領域ＮＤＲにおける光強度分布に基づいて三角測量を用いた距離の計測を実行し、遠距離受光領域ＦＤＲにおける光強度分布に基づいてＴｏＦ方式を用いた距離の計測を実行する。

［２］第２実施形態
第２実施形態に係る距離計測装置１は、第１実施形態と同様の構成を有し、近距離受光領域ＮＤＲにおける画素ＰＸをパルス出射時からの経過時間に応じてオフさせる。以下に、第２実施形態に係る距離計測装置１について、第１実施形態と異なる点を説明する。

［２−１］光検出器３３の動作
図１３は、第２実施形態に係る距離計測装置１の距離計測動作における光検出器３３の受光領域ＤＲの設定方法の一例を示している。図１３（ａ）〜（ｄ）は、この順番に、計測開始から時間が経過していることを示している。つまり、第１時間、第２時間、第３時間は、この順番に、計測開始からの時間経過が長いことを示している。

図１３（ａ）に示すように、第２実施形態に係る光検出器３３では、計測開始時において、例えば図８と同様の受光領域ＤＲが設定される。計測開始から第１時間が経過すると、図１３（ｂ）に示すように、近距離受光領域ＮＤＲ内でオン状態である画素ＰＸのうち、投光系から最も離れた１つの画素ＰＸがオフされる。計測開始から第２時間が経過すると、図１３（ｃ）に示すように、近距離受光領域ＮＤＲ内でオン状態である画素ＰＸのうち、投光系から最も離れた１つの画素ＰＸがオフされる。計測開始から第３時間が経過すると、図１３（ｄ）に示すように、近距離受光領域ＮＤＲ内でオン状態である画素ＰＸのうち、投光系から最も離れた１つの画素ＰＸがオフされる。以降も同様に、近距離受光領域ＮＤＲ内の画素ＰＸが適宜オフされる。

第２実施形態に係る距離計測装置１の距離計測動作において、近距離受光領域ＮＤＲ内の画素ＰＸは、投光系から遠い方からオフされることが好ましい。この理由は、反射光が光検出器３３に到達するタイミングが対象物ＴＧとの距離が遠くなるほど遅くなる、すなわち反射光の視差が計測開始からの時間が長くなるほど小さくなるからである。例えば、出射部１０の制御部１１は、測定開始時刻から対象物ＴＧが２０ｍ以内に存在することに対応する時間が経過すると、近距離受光領域ＮＤＲ内の画素ＰＸがオフ状態に設定する。尚、第２実施形態に係る距離計測装置１では、近距離受光領域ＮＤＲ内の画素ＰＸが、少なくとも時間経過に応じて適宜オフされていれば良い。第２実施形態に係る距離計測装置１のその他の動作は、第１実施形態と同様である。

［２−２］第２実施形態の効果
以上のように、第２実施形態に係る距離計測装置１は、時間経過に応じて近距離受光領域ＮＤＲ内の画素ＰＸをオフ状態にする。言い換えると、第２実施形態に係る距離計測装置１は、近距離対象物からの反射光を受光する可能性のある期間だけ、近距離受光領域ＮＤＲ内の画素ＰＸを適宜オン状態にする。

その結果、第２実施形態に係る距離計測装置１は、近距離受光領域ＮＤＲにおいてＳＰＡＤがアクティブ状態である時間を短くすることが出来るため、光検出器３３の消費電力を抑制することが出来る。

尚、第２実施形態に係る距離計測装置１では、近距離受光領域ＮＤＲ内でオン状態に設定される画素ＰＸの密度と、遠距離受光領域ＦＤＲ内でオン状態に設定される画素ＰＸの密度とが同じであっても良い。このような場合においても、第２実施形態に係る距離計測装置１は、近距離受光領域ＮＤＲにおける画素ＰＸが適宜オフ状態に制御することによって、消費電力を抑制することが出来る。

［３］第３実施形態
第３実施形態に係る距離計測装置１は、第１実施形態と同様の構成を有し、受光領域ＤＲから出力される複数の出力信号の出力方法に関する。以下に、第３実施形態に係る距離計測装置１について、第１実施形態と異なる点を説明する。

［３−１］光検出器３３の動作
図１４は、第３実施形態に係る距離計測装置１の距離計測動作において光検出器３３が検出した光強度信号の出力経路の一例を示している。図１４に示すように、第３実施形態に係る光検出器３３では、例えば図１１と同様の受光領域ＤＲが設定される。

以下では、受光領域ＤＲに含まれる第２方向の座標について、出射光の光軸側から順に、“Ｆ１”、“Ｆ２”、“Ｆ３”、“Ｎ１”、“Ｎ２”、“Ｎ３”、“Ｎ４”、“Ｎ５”と呼ぶ。座標Ｆ１、Ｆ２及びＦ３は、遠距離受光領域ＦＤＲに含まれている。この例では、座標Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４及びＮ５は、近距離受光領域ＮＤＲに含まれている。

また、第３実施形態に係る光検出器３３は、３本の出力経路“Ａ”、“Ｂ”及び“Ｃ”を使用するものと仮定する。出力経路“Ａ”、“Ｂ”及び“Ｃ”の組は、例えば第２方向に繰り返し配置されている。言い換えると、第２方向において３画素毎に配置された複数の画素ＰＸが、出力経路の一部を共有している。本例では、座標Ｎ５、Ｎ２及びＦ２が、出力経路“Ａ”を共有している。座標Ｎ４、Ｎ１及びＦ１が、出力経路“Ｂ”を共有している。座標Ｎ３及びＦ３が、出力経路“Ｃ”を共有している。

そして、第３実施形態に係る光検出器３３において、受光領域ＤＲに含まれた同じ出力経路の画素ＰＸの出力は同出力経路に結線・結合され、オン状態の画素ＰＸの信号が出力される。あるいは、出射光の光軸から遠い方から優先的に、出力信号ＩＯＵＴが出力されても良い。例えば、まず出力経路“Ａ”、“Ｂ”及び“Ｃ”を用いて、近距離受光領域ＮＤＲ内の座標Ｎ５、Ｎ４及びＮ３の出力信号ＩＯＵＴが出力される。次に、出力経路“Ａ”、“Ｂ”及び“Ｃ”を用いて、近距離受光領域ＮＤＲ内の座標Ｎ２及びＮ１、並びに遠距離受光領域ＦＤＲ内の座標Ｆ３の出力信号ＩＯＵＴが出力される。最後に、出力経路“Ａ”及び“Ｂ”を用いて、遠距離受光領域ＦＤＲ内の座標Ｆ２及びＦ１の出力信号ＩＯＵＴが出力される。

図１５は、第３実施形態に係る距離計測装置１の距離計測動作において光検出器３３が検出した光強度信号の出力順番のその他の一例を示している。図１５に示すように、出力経路“Ａ”、“Ｂ”及び“Ｃ”は、後段の信号処理部ＳＰに出力信号ＩＯＵＴを入力する順番が定められている場合がある。この場合、出力経路“Ａ”、“Ｂ”及び“Ｃ”には、転送途中の出力信号ＩＯＵＴが適宜バッファされる。そして、例えば信号処理部ＳＰが信号を受信可能になったタイミングに応じて、出力信号ＩＯＵＴが逐次出力される。

本例では、まず受光領域ＤＲから転送された座標Ｎ５、Ｎ４及びＮ３の出力信号ＩＯＵＴがバッファされる。そして、座標Ｎ５、Ｎ４及びＮ３の順番に、バッファされた出力信号が信号処理部ＳＰに受け渡される。バッファされた信号を出力した出力経路は、次に転送する出力信号ＩＯＵＴが続けてバッファされる。本例では、座標Ｎ５、Ｎ４及びＮ３の出力信号ＩＯＵＴが出力された後に、それぞれ座標Ｎ２、Ｎ１及びＦ３の出力信号ＩＯＵＴが対応する出力経路にバッファされる。以降も同様に、光検出器３３は、オン状態の画素ＰＸによって取得された光信号を、信号処理部ＳＰに転送することが出来る。第３実施形態に係る距離計測装置１のその他の動作は、第１実施形態と同様である。

尚、以上で説明した出力経路の数及びグループは、あくまで一例である。光検出器３３に設けられる出力経路の配線の本数に応じて、出力経路のグルーピングは適宜変更され得る。また、画素ＰＸは、ある時間内の積算値を保持して、順に出力することも出来る。この場合、光検出器３３にカウンタが設けられることによって、光検出器３３内で容易に積算値が得られる。また光検出器３３は、出力経路を適宜利用することによって、値の保持や、時分割の出力もすることも出来る。

［３−２］第３実施形態の効果
以上のように、第３実施形態に係る光検出器３３は、受光領域ＤＲ内の複数の画素ＰＸの受光結果を出力において、複数の画素ＰＸで出力経路を共有している。言い換えると、第３実施形態に係る光検出器３３では、画素ＰＸと出力の割り当てが周期的である。

これにより、光検出器３３の出力部に使用される出力の本数を少なくすることが出来、後段の計測回路を少なくすることが出来る。つまり、第３実施形態に係る光検出器３３は、出力の本数の削減に伴い、出力に使用される回路の面積を小さくすることが出来る。

また、第３実施形態に係る光検出器３３では、画素ＰＸの受光結果が、投光系に対して遠い方から出力される。その結果、第３実施形態に係る距離計測装置１において、距離計測処理部３７が、車載される場合に特に重要である近接した対象物ＴＧとの距離に関する受光結果を早期に処理することが出来る。

［４］第４実施形態
第４実施形態に係る距離計測装置１は、第１実施形態と同様の構成を有し、図８或いは図９に示した様に、距離計測動作において第１方向に延伸した形状のパルス光を用いる。以下に、第４実施形態に係る距離計測装置１について、第１実施形態と異なる点を説明する。

［４−１］光検出器３３の動作
図１６は、第４実施形態に係る距離計測装置１の距離計測動作における光検出器３３の受光領域ＤＲの設定方法の一例を示している。図１６に示すように、第４実施形態に係る距離計測装置１では、出射光が第１方向に延伸した形状を有している。第４実施形態における出射光の形状は、少なくとも第１方向に延伸した部分を有していればよく、例えば楕円形であっても良い。

また、第４実施形態における受光領域ＤＲは、複数のチャネルＣＨ１〜ＣＨ５を含んでいる。１つのチャネルＣＨは、例えば対象物ＴＧに対する１つの計測点、すなわち画素に対応している。チャネルＣＨ１〜ＣＨ５は、第１方向に並んでいる。つまり、第４実施形態に係る距離計測装置１は、距離計測動作において、１つのパルス光（出射光）に対応して第１方向に並んだ５つの計測結果を得ることが出来る。

各チャネルＣＨに対応して設定される受光領域は、例えば第１実施形態で説明した受光領域ＤＲと同様の構成を有している。第４実施形態に係る光検出器３３は、座標“Ｎ”及び“Ｍ”が指定されることによって、第１方向に並んだ５つのチャネルＣＨを含む受光領域ＤＲを設定することが出来る。また、第４実施形態では、対象物ＴＧにおける反射光が、第１方向に延伸した形状の出射光を用いることによって、複数のチャネルＣＨのそれぞれに照射され得る。第４実施形態に係る距離計測装置１のその他の動作は、第１実施形態と同様である。

［４−２］第４実施形態の効果
以上のように、第４実施形態に係る距離計測装置１は、縦長のパルス光を使用し且つ受光領域ＤＲに複数のチャネルＣＨを設けることによって、一度に複数の計測結果を得ることが出来る。つまり、第４実施形態に係る距離計測装置１は、１画面分のスキャンを実行する速度を向上させることが出来、測長のフレームレートを向上させることが出来る。また、第４実施形態に係る距離計測装置１は、各チャネルＣＨに近距離受光領域ＮＤＲと遠距離受光領域ＦＤＲとを設定することによって、各チャネルＣＨにおいて第１実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
［５］第５実施形態
第５実施形態に係る距離計測装置１は、第４実施形態と同様の構成を有し、距離計測動作において、互いに異なる画素サイズを用いた複数の近距離受光領域を設ける。以下に、第５実施形態に係る距離計測装置１について、第４実施形態と異なる点を説明する。

［５−１］光検出器３３の動作
図１７は、第５実施形態に係る距離計測装置１の距離計測動作における光検出器３３の受光領域ＤＲの設定方法の一例を示し、受光領域ＤＲに４つのチャネルＣＨが設定されている場合を例示している。図１７に示すように、第５実施形態に係る光検出器３３は、座標“Ｎ”及び“Ｍ”が指定されると、遠距離受光領域ＦＤＲと、複数の近距離受光領域ＮＤＲとを含む受光領域ＤＲを設定する。本例では、複数の近距離受光領域ＮＤＲとして、“ＮＤＲ１”と“ＮＤＲ２”とが設定されている。

遠距離受光領域ＦＤＲ、近距離受光領域ＮＤＲ１、及び近距離受光領域ＮＤＲ２は、この順番に、出射光の光軸に対して近接している。言い換えると、近距離受光領域ＮＤＲ１は、遠距離受光領域ＦＤＲよりも受光系の光軸から離れた領域に設定されている。近距離受光領域ＮＤＲ２は、近距離受光領域ＮＤＲ１よりも受光系の光軸から離れた領域に設定されている。第２方向における幅は、遠距離受光領域ＦＤＲよりも近距離受光領域ＮＤＲ１及びＮＤＲ２の合計の方が広く設定されることが好ましい。

遠距離受光領域ＦＤＲにおける複数の画素ＰＸの配置は、第４実施形態と同様である。近距離受光領域ＮＤＲ１及びＮＤＲ２のそれぞれは、複数の画素ＰＸを纏めて１つの画素として用いる。そして、近距離受光領域ＮＤＲ１における画素のサイズは、遠距離受光領域ＦＤＲにおける画素ＰＸのサイズよりも大きい。言い換えると、近距離受光領域ＮＤＲ１に設定される画素に含まれる画素ＰＸの個数は、遠距離受光領域ＦＤＲに設定される画素に含まれる画素ＰＸの個数よりも多い。例えば、近距離受光領域ＮＤＲ１における画素の第１方向における幅は、２つのチャネルＣＨの幅と同じである。

近距離受光領域ＮＤＲ２における画素のサイズは、近距離受光領域ＮＤＲ１における画素ＰＸのサイズよりも大きい。言い換えると、近距離受光領域ＮＤＲ２に設定される画素に含まれる画素ＰＸの個数は、近距離受光領域ＮＤＲ１に設定される画素に含まれる画素ＰＸの個数よりも多い。例えば、近距離受光領域ＮＤＲ２における画素ＰＸの第１方向における幅は、４つのチャネルＣＨの幅と同じである。

第５実施形態に係る距離計測装置１は、チャネルＣＨ１〜ＣＨ４に対応する出射光のそれぞれが遠距離の対象物ＴＧに照射される場合、１つの出射光に対応して第１方向に並んだ４つの計測結果を得ることが出来る。一方で、第５実施形態に係る距離計測装置１では、遠距離受光領域ＦＤＲと比較して、例えば、近距離受光領域ＮＤＲ１における解像度が１／２であり、近距離受光領域ＮＤＲ２における解像度が１／４である。

尚、各近距離受光領域ＮＤＲにおける画素のサイズは、これに限定されない。第５実施形態では、近距離受光領域ＮＤＲに含まれた画素のサイズが、少なくとも出射光の光軸から離れているほど大きくなるように設定されていれば良い。近距離受光領域ＮＤＲは、３種類以上設けられても良い。第５実施形態に係る距離計測装置１のその他の動作は、第４実施形態と同様である。

［５−２］第５実施形態の効果
以上のように、第５実施形態に係る距離計測装置１は、近距離受光領域ＮＤＲにおいて、遠距離受光領域ＦＤＲよりも大きいサイズの画素を備えている。これにより、光検出器３３は、近距離受光領域ＮＤＲ内の画素の受光結果を纏めて出力することが出来、出力信号の取り扱いが容易になる。

また、近距離受光領域ＮＤＲでは、画素のサイズが大きくなるため、受光に使用されるＳＰＡＤの数が多くなる。すなわち、近距離受光領域ＮＤＲ内の画素のダイナミックレンジが拡大され得る。その結果、第５実施形態に係る光検出器３３では、近距離受光領域ＮＤＲにおける受光結果に対して、一般に、pile-upに弱くて大きなダイナミックレンジを必要とする、ＴＤＣ（Time to Digital Convertor）を使用することが可能となる。ＴＤＣは時間分解能がＡＤＣよりも高いため、光検出器３３は、近距離の対象物ＴＧの検出精度をより向上させることが出来る。

さらに、第５実施形態は、第２実施形態と組み合わせることも有効である。簡潔に述べると、距離計測装置１は、例えば、レーザ光を出射した後に所定の時間が経過すると、出射光の光軸に対して遠い方から近距離受光領域ＮＤＲ内の画素をオフさせる。これにより、第５実施形態に係る距離計測装置１は、第２実施形態と同様に、光検出器３３の消費電力を抑制することが出来る。

［６］その他
上記実施形態は、組み合わせることが可能である。例えば、第２実施形態は、第３〜第５実施形態とのいずれとも組み合わされ得る。第３実施形態は、第４及び第５実施形態のいずれとも組み合わされ得る。さらに、３つ以上の実施形態が組み合わされても良い。複数の実施形態が組み合わされた距離計測装置１は、組み合わされた実施形態のそれぞれの効果を得ることが出来る。

本明細書において、“近距離受光領域ＮＤＲ”及び“遠距離受光領域ＦＤＲ”のそれぞれの幅は、例えば、距離計測動作においてオン状態になっている画素ＰＸが設けられた領域の幅に基づいて算出される。複数のチャネルＣＨを一括で計測する場合、“領域の第１方向における幅”は、チャネルＣＨ毎に算出されても良い。例えば、“一つの画素ＰＸの出力信号”は、当該画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤによる光検知結果の総計に対応している。つまり、画素ＰＸの大きさは、例えば受光部ＤＰから一括で出力される信号に関連付けられているＳＰＡＤの数及び配置によって定義される。“クエンチ素子”は、例えばクエンチ抵抗、又はトランジスタに対応している。

本明細書において“Ｈ”レベルの電圧は、ゲートに当該電圧が印加されたＮ型のトランジスタがオン状態になり、ゲートに当該電圧が印加されたＰ型のトランジスタがオフ状態になる電圧である。“Ｌ”レベルの電圧は、ゲートに当該電圧が印加されたＮ型のトランジスタがオフ状態になり、ゲートに当該電圧が印加されたＰ型のトランジスタがオン状態になる電圧である。

本明細書において“接続”とは、電気的に接続されている事を示し、例えば間に別の素子を介することを除外しない。また、明細書において“オン状態”とは、対応するトランジスタのゲートに当該トランジスタの閾値電圧以上の電圧が印加されていることを示している。“オフ状態”とは、対応するトランジスタのゲートに当該トランジスタの閾値電圧未満の電圧が印加されていることを示し、例えばトランジスタのリーク電流のような微少な電流が流れることを除外しない。

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、変更を行うことが出来る。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共に、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。

１…距離計測装置、１０…出射部、１１…制御部、１２…発振器、１３…駆動回路、１４…駆動回路、１５…光源、２０…光学系、２１…レンズ、２２…光学素子、２３…レンズ、２４…ミラー、３０…計測処理部、３１…光検出器、３２…レンズ、３３…光検出器、３４…増幅器、３５…増幅器、３６…時間取得部、３７…距離計測処理部、４０…画像処理部、５０…基板、５１…Ｐ型半導体層、５２…Ｐプラス型半導体層、５３…Ｎプラス型半導体層、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ２ｆ，Ｌ２ｎ…レーザ光、ＩＯＵＴ…出力信号

Claims (18)

1. 基板上に２次元に配置された複数のセンサと、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素とを含む受光部と、
   前記受光部に前記複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第１の受光領域と、前記第１の受光領域と異なる第２の受光領域とを設定し、
   前記第１の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第１画素を含み、
   前記第２の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第２画素を含み、
   前記第２の受光領域は、前記第１の受光領域を基準として、前記受光部が受けるレーザ光の光軸から離れる方に配置され、
   前記制御部は、前記第１画素と前記第２画素とのそれぞれをオンさせた後に、前記第１画素をオンさせた状態で前記第２画素をオフさせる、
   光検出器。
2. 前記第２画素が含む前記センサの個数は、前記第１画素が含む前記センサの個数よりも多い、
   請求項１に記載の光検出器。
3. 前記第２の受光領域では、複数の前記第２画素が、前記第１の受光領域と前記第２の受光領域とが隣り合う第１方向に並んで配置され、
   前記制御部は、前記第１画素と前記複数の第２画素とのそれぞれをオンさせた後に、前記第１画素をオンさせた状態で、前記第１の受光領域に対して遠い方から順番に前記複数の第２画素をオフさせる、
   請求項１に記載の光検出器。
4. 前記第２の受光領域では、複数の前記第２画素が、前記第１の受光領域と前記第２の受光領域とが隣り合う第１方向に並んで配置され、
   前記制御部は、前記第１の受光領域に対して遠い方から順番に、前記第２画素が検出した光信号を出力させる、
   請求項１に記載の光検出器。
5. 前記複数のセンサの各々は、アノードが第１電源ノードに接続されたアバランシェフォトダイオードと、一端が第２電源ノードに接続され、他端が前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチ素子とを含み、
   前記制御部は、前記センサをオンさせている時に、前記第１電源ノードに第１電圧を印加し、前記第２電源ノードに前記第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、
   請求項１に記載の光検出器。
6. 基板上に２次元に配置された複数のセンサを含む受光部と、
   前記受光部に前記複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第１の受光領域と、前記第１の受光領域と異なる第２の受光領域とを設定し、
   前記第２の受光領域は、前記第１の受光領域を基準として、前記受光部が受けるレーザ光の光軸から離れる方に配置され、
   前記第１の受光領域と前記第２の受光領域とが隣り合う第１方向における幅は、前記第１の受光領域よりも前記第２の受光領域の方が広い、
   光検出器。
7. 前記第１の受光領域と前記第２の受光領域とが隣り合う第１方向と交差する第２方向における幅は、前記第１の受光領域よりも前記第２の受光領域の方が狭い、
   請求項６に記載の光検出器。
8. 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
   前記制御部は、前記座標の情報に基づいて第３の受光領域をさらに設定し、
   前記第２の受光領域は、前記第１の受光領域と前記第３の受光領域との間に配置され、
   前記第１の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第１画素を含み、
   前記第２の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第２画素を含み、
   前記第３の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第３画素を含み、
   前記第２画素が含む前記センサの個数は、前記第１画素が含む前記センサの個数よりも多く、前記第３画素が含む前記センサの個数は、前記第２画素が含む前記センサの個数よりも多い、
   請求項６に記載の光検出器。
9. 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
   前記第１の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第１画素を含み、
   前記第２の受光領域は、前記第１の受光領域と前記第２の受光領域とが隣り合う第１方向に並んだ複数の第２画素を含み、
   前記制御部は、前記第１の受光領域に対して遠い方から順番に、前記第２画素が検出した光信号を出力させる、
   請求項６に記載の光検出器。
10. 前記複数のセンサの各々は、アノードが第１電源ノードに接続されたアバランシェフォトダイオードと、一端が第２電源ノードに接続され、他端が前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチ素子とを含み、
    前記制御部は、前記センサをオンさせている時に、前記第１電源ノードに第１電圧を印加し、前記第２電源ノードに前記第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、
    請求項６に記載の光検出器。
11. 光信号を出射する投光部と、
    前記投光部によって出射された光信号の反射光を受光し、基板上に２次元に配置された複数のセンサと、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素とを含む受光部と、
    前記受光部に前記複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第１の受光領域と、前記第１の受光領域と異なる第２の受光領域とを設定し、
    前記第１の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第１画素を含み、
    前記第２の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第２画素を含み、
    前記第２の受光領域は、前記第１の受光領域を基準として、前記光信号の光軸から離れる方に配置され、
    前記制御部は、前記第１画素と前記第２画素とのそれぞれをオンさせた後に、前記第１画素をオンさせた状態で前記第２画素をオフさせる、
    距離計測装置。
12. 前記第１の受光領域は、前記第１の受光領域と前記第２の受光領域とが隣り合う第１方向と交差する第２方向に並んだ第１及び第２チャネルを含み、
    前記制御部は、前記投光部によって出射された１つの光信号と、前記受光部が受光した前記１つの光信号に関連付けられた反射光の受光結果とに基づいて、前記光信号を受けた対象物との間の前記第１チャネルに対応する距離と前記第２チャネルに対応する距離とのそれぞれを計測する、
    請求項１１に記載の距離計測装置。
13. 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
    前記第１の受光領域の前記第１チャネルと前記第２チャネルとのそれぞれは、前記複数の画素に含まれた第１画素を含み、
    前記第２の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第２画素を含み、前記第２画素が含む前記センサの個数は、前記第１画素が含む前記センサの個数よりも多く、
    前記第２画素は、前記第１チャネル内の第１画素と前記第２チャネル内の第１画素とのそれぞれと前記第１方向に隣り合っている、
    請求項１２に記載の距離計測装置。
14. 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
    前記制御部は、前記座標の情報に基づいて第３の受光領域をさらに設定し、
    前記第２の受光領域は、前記第１の受光領域と前記第３の受光領域との間に配置され、
    前記第１の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第１画素を含み、
    前記第２の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第２画素を含み、
    前記第３の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第３画素を含み、
    前記第２画素が含む前記センサの個数は、前記第１画素が含む前記センサの個数よりも多く、前記第３画素が含む前記センサの個数は、前記第２画素が含む前記センサの個数よりも多い、
    請求項１１に記載の距離計測装置。
15. 前記制御部は、
    前記第１画素と前記第２画素とのそれぞれをオンさせた後に、前記第１画素及び前記第２画素をオンさせた状態で前記第３画素をオフさせ、
    前記第３画素をオフさせた後に、前記第１画素をオンさせた状態で前記第２画素をオフさせる、
    請求項１４に記載の距離計測装置。
16. 前記制御部は、前記投光部が前記光信号を出射するタイミングと、前記受光部が前記反射光を受光するタイミングとに基づいて、前記光信号を受けた対象物との間の距離を計測する、
    請求項１１に記載の距離計測装置。
17. 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
    前記制御部は、前記受光部が前記第２の受光領域において前記反射光を受光した場合に、前記反射光を検知した画素の位置に基づいて、前記光信号を受けた対象物との間の距離を計測する、
    請求項１１に記載の距離計測装置。
18. 前記複数のセンサの各々は、アノードが第１電源ノードに接続されたアバランシェフォトダイオードと、一端が第２電源ノードに接続され、他端が前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチ素子とを含み、
    前記制御部は、前記センサをオンさせている時に、前記第１電源ノードに第１電圧を印加し、前記第２電源ノードに前記第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、
    請求項１１に記載の距離計測装置。

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