JP2022044340A - 光検出器及び距離計測装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態に係る光検出器と、当該光検出器を備える距離計測装置と、について説明する。第1実施形態に係る距離計測装置は、例えば、レーザを使用して対象物との距離を測定するLiDAR(Light detection and ranging)であり、第1実施形態に係る光検出器は、例えば、半導体基板上に集積可能なフォトマルチプライヤ(Semiconductor photon-multiplier、特にSiPM:Silicon photon-multiplier)である。
第1実施形態に係る光検出器を備える距離計測装置の構成について説明する。
図1は、第1実施形態に係る距離計測装置の構成を説明するためのブロック図である。
次に、第1実施形態に係る光検出器の構成について説明する。
(平面レイアウト)
図2は、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。
(光検出器の回路構成)
次に、第1実施形態に係る光検出器の回路構成について説明する。
(受光部の回路構成)
次に、第1実施形態に係る受光部の回路構成について説明する。
以下に、図6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6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す。
次に、第1実施形態に係る距離計測装置の動作について説明する。
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動作について図7を用いて説明する。図7では、対象物TGに対して走査されるレーザ光L1の形状及び軌跡と、当該対象物TGから反射して受光部41に入射するレーザ光L2の形状及び軌跡と、の関係が模式的に示される。また、図7(A)及び図7(B)では、スキャン動作において、レーザ光L1が互いに異なる形状及び軌跡によって照射される場合が例示される。
次に、受光領域選択動作について説明する。受光領域選択動作は、スキャン動作によって受光部41に入射したレーザ光L2を効率よく受光するために受光部41内の一群の画素PXをオン状態にする動作である。
第1実施形態によれば、距離計測装置1は、非同軸光学系を有し、ロウ方向に沿って並ぶ複数の画素PXを同時にオン状態にして対象物TGからの反射光L2を検出する。アドレス選択部51は、出射トリガに基づいて、1又は複数のロウアドレス及び1つのカラムアドレスを含むアドレス信号を生成する。シフト制御部52は、パラメタテーブルを参照することにより、アドレス選択部51が選択するカラムアドレスに応じて、シフト回路SHのシフト方向、オフセット、及びシフト間隔を制御する。これにより、オン状態となる画素PXのカラムアドレスを、ロウ方向に沿って任意のタイミングでシフトさせることができる。このため、受光部41に入射するレーザ光L2の形状の傾きがカラム位置によって変化する場合においても、活性化させるカラム選択線col_selを増やすことなく、当該受光領域を含む一群の画素PXを過不足なくオン状態にすることができる。したがって、受光パターンに生じる傾斜の変化を考慮しつつ、画素PXを選択することができる。
上述の第1実施形態では、アドレス選択部51が1つのカラムアドレス(例えばカラムアドレス<n>)を選択する場合について説明したが、これに限られない。例えば、アドレス選択部51は、当該1つのカラムアドレス<n>に加えて、当該カラムアドレス<n>と隣り合うカラムアドレス<n+1>又は<n-1>を更に選択してもよい。
次に、第2実施形態に係る距離計測装置について説明する。第1実施形態では、ロウ選択線row_selに供給される信号と、信号left_shift及びright_shiftとが個別に生成される場合について説明した。第2実施形態は、信号left_shift及びright_shiftに基づいて、ロウ選択線row_selに供給される信号を生成する点において、第1実施形態と異なる。以下では、第1実施形態と同等の構成及び動作についてはその説明を省略し、第1実施形態と異なる構成及び動作について主に説明する。
図12は、第2実施形態に係る光検出器の構成を説明するための回路図であり、第1実施形態の図3に対応する。
第2実施形態によれば、光検出器40は、信号left_shift及び信号right_shiftが入力されロウ選択線row_selに接続された出力端を有する論理和回路ORを含む。これにより、ロウ選択線row_selに供給される信号を個別に生成することなく、画素PXをオン状態にすることができる。これにより、画素領域選択動作に使用する信号の数を削減することができる。このため、距離計測装置1の設計負荷の増加を抑制することができる。
次に、第3実施形態に係る距離計測装置について説明する。第3実施形態は、画素領域選択動作において、選択される画素領域を補正するための位置補正用画素を更に選択する選択画素補正動作を実行する点において、第1実施形態及び第2実施形態と異なる。以下では、第1実施形態と同等の構成及び動作についてはその説明を省略し、第1実施形態と異なる構成及び動作について主に説明する。
図14は、第3実施形態に係る距離計測装置の構成を示すブロック図であり、第1実施形態の図1に対応する。
図15及び図16は、第3実施形態に係る距離計測装置における位置補正用画素を示す模式図である。図15及び図16では、測距用画素に対する位置補正用画素の配置される位置の具体例が3つ示される。図15及び図16はそれぞれ、同一の3つの具体例について、カラム方向シフトが考慮された場合、及び考慮されない場合に対応する。なお、以降の説明では、説明を簡単にするため、カラム方向シフトが考慮されない図16を用いて説明する。
次に、第3実施形態に係る距離計測装置における選択画素補正動作について説明する。
まず、第3実施形態に係る距離計測装置における選択画素補正動作のフローについて説明する。図17は、第3実施形態に係る距離計測装置における選択画素補正動作を説明するためのフローチャートである。
光検出器40において選択される画素領域を出射光学系20の走査に同期させるにあたり、まず、出射光学系20の走査方法に合った光検出器40の走査モデルが選択される(ST40)。
aは、水平振幅の半値(以下、「振幅」とも呼ぶ)であり、φは時間tについてのカラム方向のオフセット(以下、「カラム方向時間オフセット」とも呼ぶ)、Tは周期、ΔTはブランキングタイムである。振幅a、周期T、及びブランキングタイムΔTは、走査速度v=2a/(T-ΔT)を用いて表現され得る。
ωは、角速度であり、式(1)における周期Tに対応する。
走査モデルが選択されると、続いて、振幅a、ロウ方向位置オフセットR0、及びロウ方向間隔ΔRの初期設定が実行される(ST50)。
続いて、カラム方向時間オフセットφの初期設定が実行される(ST60)。
走査モデルの各種パラメタの初期値が決定された後、シフトパラメタの初期値が設定される(ST70)。
続いて、カラム方向時間オフセットφ、ロウ方向位置オフセットR0、及びロウ方向間隔ΔRの微修正が実行される(ST80)。
第3実施形態によれば、距離計測装置1は、選択画素補正動作を、出射光学系20の走査位置及び角度等に対するセンサ(図示せず)と当該センサの信号伝達系を必要とすることなく実行できる。このため、当該センサ及び信号伝達系を必要とする補正動作と比べて、コストを低減できる。
なお、上述の第3実施形態では、光検出器40における選択画素の走査(受光系の走査)を出射光学系20の走査に合わせる第1同期手法について説明したが、これに限られない。例えば、出射光学系20の走査を受光系の走査に合わせる第2同期手法が適用されてもよいし、第1同期手法と第2同期手法とが適宜組み合わされてもよい。
次に、第4実施形態に係る距離計測装置について説明する。第4実施形態では、取得された画素PXの出力信号のSN比(Signal to noise ratio)を、近傍の画素PXの出力信号を使用して改善する点において、第1実施形態乃至第3実施形態と異なる。以下の説明では、第1実施形態と同等の構成及び動作については説明を省略し、第1実施形態と異なる構成及び動作について主に説明する。
図23は、第4実施形態に係る距離計測装置のデジタル処理部の構成を示すブロック図である。
次に、平均化処理について、図24を用いて説明する。
次に、補間処理について、図25を用いて説明する。
第4実施形態によれば、平均化部65は、受光部41の出力データに対して、傾きを考慮する前に平均化処理を実行する。平均化処理後傾き無視データは、傾き復元部66によって傾き復元済みデータに変換された後、補間部67によって補間される。これにより、画像処理部に出力される距離計測データのSN比を改善することができると共に、距離計測データのデータ構造を、レーザ光L1がスキャンした空間に対応させることができる。
なお、上述の第4実施形態では、傾き無視データに対して平均化処理を実行する場合について説明したが、これに限られない。例えば、平均化処理は、傾き復元済みデータに対して実行されてもよい。
以上、種々の実施形態について説明したが、上述の第1実施形態乃至第4実施形態は、これに限られず、種々の変形が適宜適用可能である。
Claims (16)
- 各々が少なくとも1つのセンサを含み、基板上の画素領域に互いに交差する第1方向及び第2方向に沿って2次元に配置された複数の画素と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1方向に沿った前記画素領域の第1座標情報に基づいて、前記画素領域内の第1部分画素領域に対応する前記複数の画素の第1サブセットをオン状態にし、
前記第1方向に沿った前記第1座標情報と異なる前記画素領域の第2座標情報に基づいて、前記画素領域内の第2部分画素領域に対応する前記複数の画素の第2サブセットをオン状態にする
ように構成され、
前記第1部分画素領域の前記第2方向に対する前記第1方向の第1傾きは、前記第2部分画素領域の前記第2方向に対する前記第1方向の第2傾きと異なる、
光検出器。 - 前記複数の画素のうち、前記第2方向に沿って並ぶ画素の数は、前記第1方向に沿って並ぶ画素の数より多い、
請求項1記載の光検出器。 - 制御部は、前記第1座標情報が、前記第1方向に沿った前記画素領域の座標情報の最大値又は最小値に近づくほど、前記第1傾きの絶対値を大きくするように構成された、
請求項1記載の光検出器。 - 前記第1傾きの値は、正値、負値、及びゼロを含む、
請求項1記載の光検出器。 - 前記複数の画素は、
前記第2方向に沿って隣り合う第1画素及び第2画素と、
前記第2画素と前記第1方向に沿って隣り合う第3画素及び第4画素と、
を含み、
前記第1画素と、前記第2画素、前記第3画素、及び前記第4画素から選択される1つの画素と、を接続するように構成されたシフト回路を更に備えた、
請求項1記載の光検出器。 - 前記シフト回路は、
前記第1画素の第1端に接続された第1端と、第1ノードに接続された第2端と、第1信号が供給される制御端と、を含む第1スイッチング素子と、
前記第1画素の第1端に接続された第1端と、第2ノードに接続された第2端と、前記第1信号の反転信号が供給される制御端と、を含む第2スイッチング素子と、
前記第1ノードに接続された第1端と、前記第2画素の第1端に接続された第2端と、第2信号が供給される制御端と、を含む第3スイッチング素子と、
前記第1ノードに接続された第1端と、前記第3画素の第1端に接続された第2端と、前記第2信号の反転信号が供給される制御端と、を含む第4スイッチング素子と、
前記第2ノードに接続された第1端と、前記第4画素の第1端に接続された第2端と、前記第2信号が供給される制御端と、を含む第5スイッチング素子と、
前記第2ノードに接続された第1端と、前記第2画素の第1端に接続された第2端と、前記第2信号の反転信号が供給される制御端と、を含む第6スイッチング素子と、
を含む、
請求項5記載の光検出器。 - 前記シフト回路は、
前記第3スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子と前記第2画素の第1端との間に接続された第1バッファ回路と、
前記第4スイッチング素子と前記第3画素の第1端との間に接続された第2バッファ回路と、
前記第5スイッチング素子と前記第4画素の第1端との間に接続された第3バッファ回路と、
を更に含む、
請求項6記載の光検出器。 - 前記シフト回路は、前記第1信号が供給される第1入力端と、前記第2信号が入力される第2入力端と、前記第1画素の第2端に接続される出力端と、を含む論理和回路を更に含む、
請求項6記載の光検出器。 - 前記複数の画素の第1サブセットは、前記第1方向に沿って隣り合う第5画素及び第6画素を含む、
請求項1記載の光検出器。 - 前記少なくとも1つのセンサは、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、第1端が第2電源ノードに接続され、第2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記載の光検出器。 - 各々が少なくとも1つのセンサを含み、基板上の画素領域に互いに交差する第1方向及び第2方向に沿って2次元に配置された複数の画素と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1方向に沿った前記画素領域の座標情報に関連づけられた前記画素領域内の部分画素領域に対応する前記複数の画素のサブセットと、前記部分画素領域と隣り合う周辺領域において前記第1方向又は前記第2方向に沿って並ぶ第1画素及び第2画素と、をオン状態にし、
前記第1画素からの第1データ、及び前記第2画素からの第2データを、同時に出力する
ように構成された、
光検出器。 - 前記制御部は、
前記画素領域にわたって前記部分画素領域を走査し、
前記部分画素領域が走査される所定の期間にわたって、前記第1データ及び前記第2データの各々を積算し、
前記積算された第1データと、前記積算された第2データとの大小関係に基づいて、前記複数の画素のサブセットの位置を補正する
ように構成された、
請求項11記載の光検出器。 - 光源と、
前記光源からの出射光を投光するように構成された出射光学系と、
前記出射光の反射光を受光するように構成された受光光学系と、
前記受光した反射光を検出するように構成され、各々が少なくとも1つのセンサを含み、基板上の画素領域に互いに交差する第1方向及び第2方向に沿って2次元に配置された複数の画素と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1方向に沿った前記画素領域の第1座標情報に基づいて、前記画素領域内の第1部分画素領域に対応する前記複数の画素の第1サブセットをオン状態にし、
前記第1方向に沿った前記第1座標情報と異なる前記画素領域の第2座標情報に基づいて、前記画素領域内の第2部分画素領域に対応する前記複数の画素の第2サブセットをオン状態にする
ように構成され、
前記第1座標情報及び前記第2座標情報は、前記出射光が投光される方向に応じて決定され、
前記第1部分画素領域の前記第2方向に対する前記第1方向の第1傾きは、前記第2部分画素領域の前記第2方向に対する前記第1方向の第2傾きと異なる、
距離計測装置。 - 前記複数の画素の第1サブセットからの第1データ及び前記複数の画素の第2サブセットからの第2データに基づき、前記第1部分画素領域及び前記第2部分画素領域との間の第3データを生成するように構成された処理部を更に備えた、
請求項13記載の距離計測装置。 - 前記処理部は、前記第3データを用いることなく、前記第2データを用いて前記第1データを平均化するように構成された、
請求項14記載の距離計測装置。 - 前記処理部は、前記第3データを用いて、前記第1データを平均化するように構成された、
請求項14記載の距離計測装置。
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