JP2022142238A - 受光素子、光検出装置及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な情報を取得可能な受光素子を提供すること。【解決手段】本開示に係る受光素子は、第１受光窓に照射された光に応じた第１信号を出力する第１受光部と、前記第１受光窓の周囲に設けられた第２受光窓に照射された光に応じた第２信号を出力する第２受光部とを備えることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、受光素子、光検出装置及び測定装置に関する。

ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）などの距離測定システムでは、パルス状のレーザー光を投光してから反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物体までの距離を測定するＴＯＦ方式（Time of flight）が知られている。また、ＬｉＤＡＲなどの距離測定システムでは、レーザー光を走査させて広い範囲で計測することも行われている。例えば特許文献１には、レーザー光を２次元走査させる距離測定システムが記載されている。特許文献１記載の距離測定システムでは、レーザー光の照射位置（発光素子の位置）とレーザーパルスの飛行時間とに基づいて、対象物の表面上の点のＸ，Ｙ，Ｚ座標を測定し、このような点で構成された３次元画像（点群；点クラウド）を測定する。（なお、特許文献１記載には、対象物の表面の反射率を測定することも記載されている。）

特表２０２１－５００５５４号公報

ＴＯＦ方式で対象物の表面の座標を測定する場合、異なるタイミングで測定した点の座標を比較することによって、対象物の状態（例えば対象物の動きや速度など）を検知することが一般的に行われている。但し、座標とは別の情報を取得することができれば、その情報に基づいて対象物の状態を検知することが可能になり、対象物をより正確に測定可能になる。

本発明は、新規な情報を取得可能な受光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一つは、第１受光窓に照射された光に応じた第１信号を出力する第１受光部と、前記第１受光窓の周囲に設けられた第２受光窓に照射された光に応じた第２信号を出力する第２受光部とを備えることを特徴とする受光素子である。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、受光素子が新規な情報を取得可能である。

図１は、測定装置の一例の説明図である。 図２は、Ｘ方向から見た実装基板５の説明図である。 図３Ａは、２次元走査の説明図である。図３Ｂは、或るフレームにおける２次元走査の説明図である。図３Ｃは、複数チャンネルによる２次元走査の説明図である。 図４Ａは、比較例の受光素子２０を上から見た図である。図４Ｂは、受光素子の受光部の一例の断面図である。 図５Ａは、対象物９０に変化が生じた場合の説明図である。図５Ｂは、集光スポットのシフトの説明図である。 図６Ａは、本実施形態の受光素子の一例の説明図である。図６Ｂは、本実施形態の受光素子２０における受光窓２２（第１受光窓２２Ａ及び第２受光窓２２Ｂ）と集光スポットの説明図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、受光素子２０の出力信号の説明図である。 図８は、本実施形態の受光素子を用いた光検出装置の一例の説明図である。 図９は、或るフレームでの測定点Ａと、別のフレームでの測定点Ａ’の説明図である。 図１０は、光検出装置の別の一例の説明図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号の説明図である。 図１２Ａは、光検出装置の別の一例の説明図である。図１２Ｂは、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号の一例の説明図である。 図１３Ａは、光検出装置の別の一例の説明図である。図１３Ｂは、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号の一例の説明図である。 図１４は、光検出装置の更に別の一例の説明図である。 図１５Ａ及び図１５Ｂは、第１信号、第２信号、及び、電圧加算部５６から出力される信号の説明図である。 図１６Ａは、変形例の受光素子を用いた光検出装置の一例の説明図である。図１６Ｂ及び図１６Ｃは、図１６Ａの受光素子と変換部５１（トランスインピーダンス・アンプ）との接続の説明図である。 図１７Ａ～図１７Ｄは、第１受光窓２２Ａ及び第２受光窓２２Ｂの例の説明図である。 図１８は、受光素子アレイの一例の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。

＜測定装置について＞
図１は、測定装置の一例の説明図である。

以下の説明では、図１に示すように各方向を定めている。受光用光学系３２（若しくは投光用光学系３１）の光軸（レンズの回転対称軸）に沿った方向をＺ方向とする。なお、測定装置１の測定対象となる対象物９０は、測定装置１に対してＺ方向に離れていることになる。また、Ｚ方向に垂直な方向であって、投光用光学系３１と受光用光学系３２の並ぶ方向をＸ方向とする。また、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。

測定装置１は、対象物９０の表面を測定するための装置である。具体的には、測定装置１は、発光素子１０からレーザー光（図１のＴｘ）を射出し、対象物９０の表面で反射した反射光（図１のＲｘ）を受光素子２０によって検出し、検出結果に基づいて、対象物９０までの距離を算出する装置である。測定装置１は、発光素子１０と、受光素子２０と、光学系３０と、コントローラー４０とを備える。また、測定装置１は、複数の発光素子１０と複数の受光素子２０を有する実装基板５と、駆動装置４５を備えている。

発光素子１０は、電気信号を光信号に変換する素子である。例えば、発光素子１０は、ＬＤチップ（ＬＤ：Laser Diode）であり、レーザー光を射出する。本実施形態では、発光素子１０は、対象物９０の表面に向かってパルス光（図１のＴｘ）を射出する。本実施形態の発光素子１０は、端面発光半導体レーザーで構成されており、実装基板５に表面実装されており、基板面に平行にレーザー光を射出する。なお、発光素子１０は、端面発光半導体レーザーに限られるものではなく、実装基板５への実装方法もこれに限られるものではない。

受光素子２０は、光信号を電気信号に変換する素子である。例えば、受光素子２０は、ＰＤチップ（Photodiode）である。受光素子２０の詳しい構成については後述する。受光素子２０は、受光面に反射光が入射されるように、実装基板５の基板面に対して受光面を立てた状態で実装されている。なお、受光素子２０の実装方法はこれに限られるものではない。

光学系３０は、発光素子１０から出力される光を対象物９０に向かって照射するとともに、対象物９０からの反射光を受光素子２０に受光させるための光学系である。発光素子１０と受光素子２０は、光学系３０に対して共役の位置に配置されている。本実施形態の光学系３０は、投光用光学系３１と、受光用光学系３２とを有する。

投光用光学系３１は、発光素子１０から出力される光を対象物９０に向かって照射するための光学系である。投光用光学系３１の焦点面内に発光素子１０が配置されている。投光用光学系３１は、発光素子１０から射出されたレーザー光をコリメート光として対象物９０に照射する。発光素子１０と投光用光学系３１との位置関係に応じた所定の方向（所定の角度）にコリメート光が照射されることになる。発光素子１０は投光用光学系３１を介して対象物９０に光を照射することになる。投光用光学系３１は、複数枚（例えば５～７枚）のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成されている（図１では、投光用光学系３１のレンズ群が簡易的に示されている）。

受光用光学系３２は、対象物９０からの反射光を受光素子２０に受光させるための光学系である。受光用光学系３２の焦点面内に受光素子２０の受光面が配置されている。受光用光学系３２は、対象物９０の反射光を所定の受光素子２０の受光面に集光する。受光素子２０は受光用光学系３２を介して対象物９０からの反射光を受光することになる。受光用光学系３２も、投光用光学系３１と同様に、複数枚（例えば５～７枚）のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成されている（図１では、受光用光学系３２のレンズ群が簡易的に示されている）。

投光用光学系３１と受光用光学系３２は、一体的に構成されており、互いの位置関係が固定されている。具体的には、投光用光学系３１を構成する投光用鏡筒と、受光用光学系３２を構成する受光用鏡筒とが共通の光学用フレーム３３に固定されている。

コントローラー４０は、測定装置１の制御を司る制御部である。コントローラー４０は、発光素子１０からのレーザー光の射出を制御する。また、コントローラー４０は、受光素子２０の出力信号に基づいて、対象物９０までの距離を算出する。具体的には、コントローラー４０は、発光素子１０からパルス状のレーザー光を投光してから、受光素子２０が反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物９０までの距離を測定する。すなわち、コントローラー４０は、発光素子１０及び受光素子２０を制御することによって、ＴＯＦ方式（Time of flight）により対象物９０までの距離を測定する（対象物９０の表面のＺ座標を測定する）。また、所定の方向にレーザー光が照射され、所定の方向の反射光を受光することを利用して、コントローラー４０は、ＸＹ方向に走査しながら対象物９０の表面のＺ座標を測定することによって、対象物９０の表面のＸ，Ｙ，Ｚ座標を測定可能である。

コントローラー４０は、演算装置４１と、記憶装置４２とを有する。演算装置４１は、例えばＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算処理装置である。記憶装置４２は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置４２に記憶されているプログラムを演算装置４１が実行することにより、演算装置４１は、発光素子１０からのレーザー光の射出を制御するとともに、受光素子２０の出力信号に基づいて、対象物９０までの距離を算出することになる。また、演算装置４１は、受光素子２０の出力信号に基づいて、対象物９０の表面のＸ，Ｙ，Ｚ座標を算出することになる。演算装置４１は、取得した座標データを記憶装置４２に記憶しても良いし、外部の記憶装置に記憶しても良い。対象物９０の表面上の多数の点のＸ，Ｙ，Ｚ座標のデータは、対象物９０の表面の３次元画像（点群：点クラウド）を示すデータとなる。演算装置４１は、記憶装置４２に記憶されているプログラムを演算装置４１が実行することにより、記憶装置４２に記憶された３次元画像に基づいて、対象物９０の解析を行っても良い。

実装基板５は、複数の発光素子１０と、複数の受光素子２０とを実装した基板である。或る受光素子２０は特定の発光素子１０に対応付けられており、或る受光素子２０の検出位置は、特定の発光素子１０の発光位置と共役である。本実施形態では、発光素子１０と受光素子２０との対が複数あり、複数のチャンネルで対象物９０の表面を測定可能である。なお、発光素子１０は、実装基板５の基板面に平行にレーザー光を射出し、受光素子２０は、実装基板５の基板面にほぼ平行な方向から入射する光（反射光）を受光する。

図１に示すように、実装基板５は、５個の発光素子１０と、５個の受光素子２０とを有する。但し、発光素子１０や受光素子２０の数は、これに限られるものではない。実装基板５には、複数の発光素子１０がＸ方向の異なる位置に配置されている。また、実装基板５には、複数の受光素子２０がＸ方向の異なる位置に配置されている。

図１に示すように、実装基板５には、発光側湾曲部６と、受光側湾曲部７とが設けられている。
発光側湾曲部６は、円弧状の縁を有する部位である。発光側湾曲部６は、投光用光学系３１の像面湾曲に沿うように複数の発光素子１０を配置するための部位である。発光側湾曲部６の円弧状の縁に沿って複数の発光素子１０が配置されている。これにより、それぞれの発光素子１０は、投光用光学系３１に対して、適切な位置及び角度に配置され、投光用光学系３１の像面湾曲の影響を軽減できる。
受光側湾曲部７は、円弧状の縁を有する部位であり、発光側湾曲部６とはＸ方向の異なる位置に設けられている。受光側湾曲部７は、受光用光学系３２の像面湾曲に沿うように複数の受光素子２０を配置するための部位である。受光側湾曲部７の円弧状の縁に沿って、複数の受光素子２０が配置されている。これにより、それぞれの受光素子２０は、受光用光学系３２に対して、適切な位置及び角度に配置され、受光用光学系３２の像面湾曲の影響を軽減できる。
但し、実装基板５に発光側湾曲部６や受光側湾曲部７が設けられていなくても良い。この場合、実装基板５のＺ方向に垂直な縁に沿って、複数の発光素子１０や複数の受光素子２０が配列されることになる。

図２は、Ｘ方向から見た実装基板５の説明図である。ここでは説明のため、実装基板５の発光側湾曲部６や受光側湾曲部７を省略し、実装基板５のＸ方向に平行な縁に沿って発光素子１０及び受光素子２０が配置されているものとする。なお、ここでは説明のため、実装基板５の傾きが強調されて図示されている。

図２に示すように、測定装置１は、複数枚の実装基板５（ここでは３枚の実装基板５）を有している。複数枚の実装基板５は、Ｙ方向の異なる位置に配置されている。各実装基板５には、図１に示すように、Ｘ方向の異なる位置に複数（ここでは５個）の発光素子１０及び複数の受光素子２０が配置されている。このため、Ｘ方向及びＹ方向に複数（ここでは１５個）の発光素子１０を配列させた発光素子アレイが構成されるとともに、Ｘ方向及びＹ方向に複数の受光素子２０を配列させた受光素子アレイが構成される。ここでは、５×３の１５チャンネル（Ｘ方向に５チャンネル、Ｙ方向に３チャンネル）で対象物９０の表面を測定することになる。

複数枚の実装基板５は、Ｚ方向に対して異なる角度で配置されている。具体的には、図２に示すように、各実装基板５の発光素子１０が投光用光学系３１を向くように、また、各実装基板５の受光素子２０の受光面が受光用光学系３２を向くように、それぞれの実装基板５が、Ｚ方向に対して異なる角度で配置されている。これにより、発光素子１０及び受光素子２０が光学系３０に対してそれぞれ適切な位置及び角度に配置されるため、光学系３０の像面湾曲の影響を軽減できる。各実装基板５の発光素子１０は、その実装基板５の基板面に平行にレーザー光を射出するように配置されている。また、各実装基板５の受光素子２０は、その実装基板５の基板面にほぼ平行な方向から入射する光（反射光）を受光するように配置されている。複数（ここでは５個）の発光素子１０及び複数（ここでは５個）の受光素子２０が同じ基板に実装されているため、また、投光用光学系３１と受光用光学系３２がそれぞれ別に設けられているため、実装基板５をＺ方向（光学系３０の光軸の方向）に対して傾けても、それぞれの発光素子１０と受光素子２０とを光学系３０に対して共役の位置関係に維持することができる。なお、本実施形態のように実装基板５に発光側湾曲部６及び受光側湾曲部７が設けられていれば、実装基板５を傾けても、投光用光学系３１の像面湾曲に沿うように複数の発行素子を配置させ易く、また、受光用光学系３２の像面湾曲に沿うように複数の受光素子２０を配置させ易い。

なお、複数の実装基板５をＺ方向に平行に配置し、互いに平行に配置しても良い。但し、仮に各実装基板５を互いに平行に配置した場合には、実装基板５ごとに、発光素子１０及び受光素子２０が光学系３０に対して適切な位置及び角度になるように、実装基板５に対する発光素子１０及び受光素子２０の位置及び角度を異ならせる必要がある。これに対し、本実施形態では、実装基板５の傾きを異ならせるため、いずれの実装基板５においても、発光素子１０が実装基板５に平行にレーザー光を射出し、受光素子２０が実装基板５にほぼ平行な方向から入射する光（反射光）を受光するように構成することができる。このため、本実施形態では、複数の発光素子１０及び複数の受光素子２０を、Ｘ方向及びＹ方向の異なる位置に、簡易な構成で、光学系３０に対して適切な位置及び角度に配置できる。

複数（ここでは３枚）の実装基板５は、一体的に固定されており、互いの位置関係が固定されている。具体的には、複数の実装基板５は、共通の基板用フレーム８に固定されている。但し、複数の発光素子１０及び複数の受光素子２０の位置関係を固定できれば、他の方法で複数の発光素子１０及び複数の受光素子２０の位置関係を固定しても良い。また、測定装置１が複数の実装基板５を備えていなくても良い。

駆動装置４５（図１参照）は、光学系３０と実装基板５（発光素子１０及び受光素子２０）とをＸＹ方向に相対移動させる装置である。駆動装置４５が光学系３０と実装基板５とをＸＹ方向に相対移動させることによって、光学系３０に対する発光素子１０の位置関係を変化させ、レーザー光の照射される角度を変化させ、これにより、レーザー光を走査させることができる。

駆動装置４５は、光学系３０と実装基板５の少なくとも一方（光学系３０と実装基板５の一方、又は光学系３０と実装基板５の両方）を移動させることになる。なお、駆動装置４５は、光学系３０を実装基板５に対してＸＹ方向に移動させても良いし、実装基板５に対して光学系３０をＸＹ方向に移動させても良いし、光学系３０をＸ方向（又はＹ方向）に移動させつつ実装基板５をＹ方向（又はＸ方向）に移動させても良い。本実施形態では、光学用フレーム３３と基板用フレーム８の少なくとも一方がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ所定の共振周波数で筐体３に支持されており、駆動装置４５は、光学系３０と実装基板５の少なくとも一方をＸ方向及びＹ方向にそれぞれの共振周波数で振動させている。駆動装置４５は、例えばボイスコイルモータで構成されるが、これに限られるものではない（例えば圧電素子によって構成されても良い）。

図３Ａは、２次元走査の説明図である。本実施形態では、光学系３０と実装基板５の少なくとも一方をＸ方向及びＹ方向にそれぞれの共振周波数で振動させることによって、光学系３０と実装基板５（発光素子１０又は受光素子２０）が図３Ａに示すようにリサージュ曲線に沿ってＸＹ方向に相対的に変位する。リサージュ曲線は、Ｘ＝Ａsin（ａｔ＋δ），Ｙ＝Ｂｓｉｎ（ｂｔ）のグラフとなる。ここで、ａ及びｂは、それぞれＸ方向及びＹ方向の周波数であり、ｔは時間であり、δは位相差である。既に説明した通り、光学用フレーム３３と基板用フレーム８の少なくとも一方がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ所定の共振周波数で支持されているため、ａ及びｂは既知の値となる。また、駆動装置４５が所定の振幅で光学用フレーム３３又は基板用フレーム８を共振させることによってＡ，Ｂは既知の値となり、駆動装置４５によるＸ方向及びＹ方向の駆動タイミングに基づいてδは既知の値となる。このため、コントローラー４０は、時間ｔに基づいて、光学系３０二対する発光素子１０（若しくは受光素子２０）のＸＹ方向の位置を算出可能である。つまり、コントローラー４０は、時間ｔに基づいて、レーザー光が照射される方向を算出可能である。なお、コントローラー４０は、時間ｔに基づいて、レーザー光が照射される方向を算出する代わりに、不図示の位置検出器によって光学用フレーム３３と基板用フレーム８とのＸＹ方向の相対位置を検出し、この検出結果に基づいてレーザー光が照射される方向を算出しても良い。

図３Ｂは、或るフレームにおける２次元走査の説明図である。コントローラー４０は、所定時間毎に、１枚のフレーム（対象物９０の１枚の３次元画像）を取得する。１枚のフレーム（１枚の３次元画像）の測定ごとに、リサージュ曲線上の複数の点において対象物９０の表面のＸ，Ｙ，Ｚ座標を測定することになる。これにより、解像度を高めて座標を測定可能である。なお、フレーム毎に同じリサージュ曲線が反復されても良い。この場合、各フレームにおいて、同じ位置で対象物９０の表面の測定が可能になる。一方、フレーム毎にリサージュ曲線がシフトしても良い。この場合、次のフレームにおいて、前のフレームで測定した点群の間を補間するように、対象物９０の表面の測定が可能になる。

図３Ｃは、複数チャンネルによる２次元走査の説明図である。図示するように、本実施形態では、チャンネル毎に異なる範囲で２次元走査が行われる。これにより、Ｘ方向及びＹ方向の広い範囲において、対象物９０の表面の測定が可能になり、広いＦＯＶ（field of view）を実現できる。

なお、２次元走査がリサージュ曲線に沿って行われなくても良い。例えば、Ｘ方向（又はＹ方向）のライン走査をＹ方向（又はＸ方向）にずらして複数回行うことによって、２次元走査が行われても良い。また、２次元走査ではなく、１次元走査が行われるだけでも良い。また、走査が行われなくても良い。走査を行わない場合には、測定装置１は駆動装置４５を備えていなくても良い。但し、走査を行わない場合には、本実施形態と比べて、点群の解像度が低下する。

＜受光素子について＞
まず比較例の受光素子について説明した後、本実施形態の受光素子について説明する。

図４Ａは、比較例の受光素子２０を上から見た図である。図４Ｂは、受光素子の受光部の一例の断面図である。

受光素子２０は、光を受光する受光窓２２を有する。受光窓２２は、受光素子２０の受光面に設けられた受光領域である。例えば受光素子２０がアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）の場合、受光素子２０の受光部２１は、基板上にバッファ層、光吸収層、中間層、倍増層、窓層を有しており、更に受光領域と受光領域の外周部のガードリングとを有しており、基板表面及び裏面にそれぞれ電極２３及び電極２４を有している（後述の第１受光部２１Ａ及び第２受光部２１Ｂも同様である）。また、受光素子２０の受光面には保護層も形成される。ここでは、受光窓２２は、環状の電極２３（受光面側の電極；基板表面側の電極）の内側の領域に相当する。受光窓２２の直径のことを受光径と呼ぶことがある。受光素子２０の大きさが数ミリ角（例えば５ｍｍ角）であるのに対し、受光径は例えば５００μｍである。但し、受光素子２０や受光径の大きさは、これに限られるものではない。

図４Ａに示すように、比較例の受光素子２０は、受光素子２０を構成するチップの中央に受光窓２２が１つ設けられている。比較例の受光素子２０の受光窓２２は、チップの中央に設けられた１つのみである。

図５Ａは、対象物９０の状態に変化が生じた場合の説明図である。図中の点線に示すように、対象物９０に変化が生じると、反射光に変化が生じることになる。なお、図中には、対象物９０の表面の傾きが変化する様子が示されているが、対象物９０の状態の変化は、これに限られるものではない。
図５Ｂは、集光スポットのシフトの説明図である。図中のハッチングの領域は、受光用光学系３２によって集光された反射光の集光スポットである。図５Ａに示すように反射光に変化が生じると、図５Ｂに示すように、集光スポットの位置や形状が変化することがある。以下の説明では、集光スポットの位置や形状が変化することを「集光スポットがシフトする」と表現することがある。例えば、受光用光学系３２に対して複数の受光素子２０を２次元配置させつつ受光用光学系３２の小型化を図った場合には、全ての測定条件下で全ての受光素子２０の受光窓２２の内側にそれぞれ集光スポットを入射させることは困難になり、少なくともいずれかの測定条件下で対象物９０に変化が生じた時に集光スポットがシフトし易くなる。比較例の受光素子２０の場合、図５Ｂに示すように、集光スポットがシフトすると、受光素子２０の出力信号が弱まるだけである。

図６Ａは、本実施形態の受光素子の一例の説明図である。図６Ｂは、本実施形態の受光素子２０における受光窓２２（第１受光窓２２Ａ及び第２受光窓２２Ｂ）と集光スポットの説明図である。

図６Ａに示すように、本実施形態の受光素子２０の受光面には、第１受光窓２２Ａと、第２受光窓２２Ｂとが設けられている。第１受光窓２２Ａと第２受光窓２２Ｂには、それぞれ、受光部２１（図４Ｂ参照）が設けられている。以下の説明では、第１受光窓２２Ａを有する受光部２１のことを「第１受光部」と呼び、第２受光窓２２Ｂを有する受光部２１のことを「第２受光部」と呼ぶ。本実施形態の受光素子２０は、第１受光窓２２Ａに照射された光を検出する第１受光部２１Ａと、第２受光窓２２Ｂに照射された光を検出する第２受光部２１Ｂとを有する。なお、第１受光窓２２Ａ及び第２受光窓２２Ｂのことをそれぞれ「メイン受光窓」及び「サブ受光窓」と呼び、第１受光部２１Ａ及び第２受光部２１Ｂのことをそれぞれ「メイン受光部」及び「サブ受光部」と呼んでも良い。

本実施形態の受光素子２０によれば、図６Ｂに示すように、仮に集光スポットの一部が第１受光窓２２Ａから外れても、集光スポットが第２受光窓２２Ｂに照射されることによって、第２受光部２１Ｂによって反射光を検出することが可能になる。既に説明した通り、対象物９０の変化に応じて集光スポットがシフトすることがあるため、本実施形態の受光素子２０は、第２受光部２１Ｂの出力に基づいて、集光スポットのシフトに関するデータ（新たな特徴量）を取得する。

図７Ａ及び図７Ｂは、受光素子２０の出力信号の説明図である。それぞれの図の上側のグラフは、第１受光部２１Ａから出力される電流を示しており、下側のグラフは、第２受光部２１Ｂから出力される電流を示している。なお、受光素子２０から出力される電流は、プラス側の電流になる場合もあるし、マイナス側の電流になる場合もある（後述）。以下の説明では、第１受光部２１Ａから出力された信号のことを第１信号と呼び、第２受光部２１Ｂから出力された信号のことを第２信号と呼ぶことがある。第１受光部２１Ａは、第１受光窓２２Ａに照射された光に応じた電流（第１信号）を出力することになる。また、第２受光部２１Ｂは、第２受光窓２２Ｂに照射された光に応じた電流（第２信号）を出力することになる。

図７Ａは、集光スポットが第１受光窓２２Ａの内部に位置する場合の第１信号及び第２信号の説明図である。
既に説明した通り、本実施形態では、発光素子１０はパルス光（図１のＴｘ）を射出するため、パルス状の反射光（図１のＲｘ）の集光スポットが受光素子２０に照射される。集光スポットが第１受光窓２２Ａの内部に位置する場合には、第１受光窓２２Ａに十分な光量の反射光が照射されるため、第１受光部２１Ａは、図７Ａの上側のグラフに示すように、比較的大きなパルス状の電流（第１信号）を出力する。一方、第２受光部２１Ｂは、第２受光窓２２Ｂに光が照射されないため、図７Ａの下側のグラフに示す信号（第２信号）を出力する。

図７Ｂは、集光スポットの一部が第１受光窓２２Ａから外れた場合の第１信号及び第２信号の説明図である。
集光スポットの一部が第１受光窓２２Ａから外れると（図６Ｂ参照）、図７Ａの上側のグラフに示すように、第１信号のパルス状の電流は小さくなる。一方、パルス状の反射光の集光スポットが第２受光窓２２Ｂに照射されると、第２信号は、パルス状の信号となる。第１受光窓２２Ａと第２受光窓２２Ｂには同時にパルス状の集光スポットが照射されるため、第２信号のパルスのタイミングは、パルス状の反射光を受光したタイミングとなる。

本実施形態では、第２受光窓２２Ｂが複数（図６Ａでは４つ）設けられている。仮に対象物９０の変化に応じて集光スポットが異なる方向にシフトしても、複数の第２受光窓２２Ｂが第１受光窓２２Ａの周囲に設けられているため、第２受光窓２２Ｂが反射光を検出し易くなる。なお、本実施形態では、第２受光窓２２Ｂが４つであるが、第２受光窓２２Ｂの数は４つに限られるものではない。

図８は、本実施形態の受光素子を用いた光検出装置の一例の説明図である。ここでは、簡略化のため、第２受光窓２２Ｂを２個にして図示している。例えば、前述の実装基板５には、図８に示す光検出装置５０を構成するための回路が設けられている。

光検出装置５０は、上記の受光素子２０と、変換部５１とを有する。変換部５１は、受光素子２０から出力される信号を電流から電圧に変換する回路である。光検出装置５０は、受光素子２０毎に変換部５１を有している。図８に示す変換部５１は、第１変換部５１Ａと、第２変換部５１Ｂとを有する。第１変換部５１Ａは、第１受光部２１Ａから出力される第１信号を電流から電圧に変換する回路である。第２変換部５１Ｂは、第２受光部２１Ｂから出力される第２信号を電流から電圧に変換する回路である。第１変換部５１Ａ及び第２変換部５１Ｂは、トランスインピーダンス・アンプ（ＴＩＡ）で構成される。図８に示す変換部５１は、第１変換部５１Ａで変換された第１信号（電圧）と、第２変換部５１Ｂで変換された第２信号（電圧）とをそれぞれ別の信号線に出力する。

光検出装置５０は、アナログ－デジタル変換回路５２（ＡＤＣ）を有している。ここでは、第１変換部５１Ａ及び第２変換部５１Ｂのそれぞれにアナログ－デジタル変換回路５２（ＡＤＣ）が設けられている。それぞれのアナログ－デジタル変換回路５２は、第１変換部５１Ａ又は第２変換部５１Ｂから出力される電圧（アナログ信号）をデジタル信号に変換し、コントローラー４０（演算装置４１）に電圧値を出力する。

図８に示すコントローラー４０（演算装置４１）は、第１受光部２１Ａから出力された第１信号（電圧値）と、第２受光部２１Ｂから出力された第２信号（電圧値）とを受信することになる。コントローラー４０（演算装置４１）は、第１信号及び第２信号の少なくとも一方の電圧値と閾値とを比較することによって、パルス状の反射光を受光した時間ｔを求め（図７Ａ及び図７Ｂ参照）、対象物９０のＺ座標（対象物９０までの距離）を取得する。また、コントローラー４０は、レーザー光が照射された方向と、対象物９０までの距離とに基づいて、対象物９０のＸ座標及びＹ座標を取得する。加えて、本実施形態では、コントローラー４０は、第２受光部２１Ｂから出力された第２信号（電圧値）に基づいて、座標とは別の特徴量Ｓを取得する。つまり、本実施形態では、コントローラー４０（演算装置４１）は、各フレームの測定点毎に、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標（対象物９０までの距離）及び特徴量Ｓを対応付けて取得することになる。

特徴量Ｓは、第２信号に基づいて取得されるデータである。特徴量Ｓは、集光スポットのシフトを示すデータとなる。例えば、特徴量Ｓは、第２受光部２１Ｂが光を受光しない場合に０となり、第２受光部２１Ｂが光を受光した場合に１となるデータである。但し、特徴量Ｓは、２値データに限られるものではなく、多値データでも良い。例えば、特徴量Ｓは、第２受光部２１Ｂの電圧値（多値データ；第２信号）でも良いし、第１受光部２１Ａ及び第２受光部２１Ｂの電圧値の合計に対する第２受光部の電圧値の割合でも良い。

なお、受光素子２０がＮ個の第２受光部２１Ｂを有する場合には、特徴量Ｓは、それぞれの第２受光部２１Ｂの第２信号に基づくＮ個の特徴量Ｓ_１～Ｓ_Ｎを含んでも良い。なお、Ｎ個の特徴量Ｓ_１～Ｓ_Ｎを取得することによって、集光スポットのシフト方向に関する情報を取得可能になる。例えば、コントローラー４０（演算装置４１）は、図６Ａに示す受光素子２０の４個の第２受光部２１Ｂのそれぞれの第２信号に基づいて、４つの特徴量Ｓ_１～Ｓ_４で構成された特徴量Ｓを取得することが可能である。

図９は、或るフレームでの測定点Ａと、別のフレームでの測定点Ａ’の説明図である。図中の点は、３次元画像を構成する点群のうちの或る点を示している。ここでは、コントローラー４０（演算装置４１）は、或るチャンネルの受光素子２０の出力に基づいて、測定点Ａにおける座標（ｘ、ｙ、ｚ）に関するデータと、特徴量Ｓ（特徴量データ）とを対応付けて取得する。次に、コントローラー４０（演算装置４１）は、別のフレームにおいて、同じチャンネルの受光素子２０の出力に基づいて、測定点Ａ’における座標（ｘ’、ｙ’、ｚ’）に関するデータと、特徴量Ｓ’（特徴量データ）とを対応付けて取得する。
コントローラー４０は、座標（ｘ、ｙ、ｚ）及び座標（ｘ’、ｙ’、ｚ’）に基づいて、対象物９０に変化が生じたこと（対象物９０が移動したこと）を判別することが可能である。一方、コントローラー４０は、特徴量Ｓ及び特徴量Ｓ’に基づいても、対象物９０が移動したかどうかを判別することが可能である。例えば、コントローラー４０は、特徴量Ｓが０（特徴量Ｓ_１～Ｓ_４の全てが０）であり、特徴量Ｓ’が１（特徴量Ｓ_１～Ｓ_４の少なくともいずれかが１）であれば、対象物９０に変化が生じたことを検出することが可能である。このように、本実施形態では、特徴量Ｓを取得することによって、データを冗長化させることができる。

特徴量Ｓの利用方法は、測定点における対象物９０の変化の検出に限られるものではない。例えば、コントローラー４０は、点群内の各点をクラスタリングする際に、特徴量Ｓを利用しても良い。また、例えば、コントローラー４０は、点群の示す３次元画像を照合する際に、各点の特徴量Ｓを利用しても良い。点群の示す３次元画像を照合する方法の一例は、次の通りである。まず、特徴量Ｓを含む点群データ（３次元画像）と、その点群データの示す対象物のデータとを有する教師データを用意し、教師データの特徴量Ｓを含む点群データを入力とし、教師データの対象物のデータを出力とする判定モデルをコンピューター（コントローラー４０又は外部のコンピューター）によって機械学習により生成し、判定モデルを記憶装置４２に記憶する。次に、コントローラー４０は、既に説明したように、受光素子２０の出力に基づいて特徴量Ｓを含む点群データを取得する。そして、コントローラー４０は、判定モデルに基づいて特徴量Ｓを含む点群データを照合し、対象物９０のデータを出力する。なお、特徴量Ｓを用いた点群の照合方法は、機械学習による照合方法に限られるものではなく、他の照合方法でも良い。

＜変形例１＞
図１０は、光検出装置の別の一例の説明図である。図中の変換部５１は、第１変換部５１Ａと、第２変換部５１Ｂと、遅延回路５４と、電圧加算部５６とを有する。

図１０に示す第２変換部５１Ｂは、第２受光部２１Ｂから出力される第２信号を電流から電圧に変換する際に、極性を反転させた電圧に変換する。光を検出した時に第１変換部５１Ａから出力される電圧と、第２受光部２１Ｂから出力される電圧との極性は逆になる。なお、第１変換部５１Ａ及び第２変換部５１Ｂの一方が電圧の極性を反転させて出力すれば良いので、第２受光部２１Ｂの代わりに、第１変換部５１Ａが、第１受光部２１Ａから出力される第１信号を電流から電圧に変換する際に、極性を反転させた電圧に変換しても良い。

遅延回路５４は、入力信号を所定時間遅延させて出力する回路である。遅延回路５４は、第１信号と第２信号の少なくとも一方を遅延させる。ここでは、遅延回路５４は、第２変換部５１Ｂの側に設けられており、第１変換部５１Ａの側には設けられていない。但し、第１変換部５１Ａの側に遅延回路５４を設け、第２変換部５１Ｂの側に遅延回路５４を設けなくても良い。なお、異なる遅延時間に設定された遅延回路５４を第１変換部５１Ａ及び第２変換部５１Ｂにそれぞれ設けることも可能である。

図１０に示すように、変換部５１が複数の第２変換部５１Ｂを有する場合、図１０に示すように、異なる遅延時間に設定された遅延回路５４をそれぞれの第２変換部５１Ｂに設けても良い。これにより、光を検出した第２変換部５１Ｂを特定することが可能になる（集光スポットのシフト方向に関する情報を取得可能になる）。

電圧加算部５６は、複数の入力信号を加算して出力する回路である。図１０に示すように、電圧加算部５６は、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを加算して共通の信号線に出力する。電圧加算部５６は、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号を共通の信号線に出力することになる。本実施形態では、変換部５１が電圧加算部５６を有することによって、変換部５１は、第１信号と第２信号とを共通の信号線に出力するように構成されている。

電圧加算部５６は、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号をアナログ－デジタル変換回路５２（ＡＤＣ）に出力する。このため、アナログ－デジタル変換回路５２（ＡＤＣ）は、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号をデジタル信号に変換し、コントローラー４０（演算装置４１）に電圧値を出力することになる。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号の説明図である。

図７Ａに示す第１信号及び第２信号が変換部５１に入力された場合、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号は、図１１Ａに示すようになる。この場合、コントローラー４０（演算装置４１）は、受信した信号の電圧値と閾値とを比較することによって、第１信号に基づくプラス側のパルスによって時間ｔを求め、対象物９０のＺ座標（対象物９０までの距離）を取得することになる。

図７Ｂに示す第１信号及び第２信号が変換部５１に入力された場合、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号は、図１１Ｂに示すようになる。この場合、コントローラー４０（演算装置４１）は、受信した信号の電圧値と閾値とを比較することによって、第１信号に基づくプラス側のパルスによって時間ｔを求めることができる（これにより、対象物９０のＺ座標（対象物９０までの距離）を取得することができる）。また、仮に第１信号に基づくプラス側のパルスを検出できなくても、コントローラー４０（演算装置４１）は、第２信号に基づくマイナス側のパルスによって時間ｔ’を求めることができる。コントローラー４０（演算装置４１）は、マイナス側のパルスによって時間ｔ’を求めた場合には、遅延回路５４の遅延時間に基づいて、パルス状の反射光を受光した時間ｔを求めることになる。更に、時間ｔと時間ｔ’の両方を求めることができる場合には（第１受光窓２２Ａ及び第２受光窓２２Ｂの両方に集光スポットが照射できる場合には）、コントローラー４０（演算装置４１）は、時間ｔと時間ｔ’との差に基づいて、光を検出した第２変換部５１Ｂを特定することが可能である（集光スポットのシフト方向に関する情報を取得可能である。また、特徴量Ｓとして特徴量Ｓ_１～特徴量Ｓ_Ｎを取得可能である）。

図１２Ａは、光検出装置の別の一例の説明図である。図中の変換部５１は、複数の第２変換部５１Ｂを有している。前述の図１０に示す変換部５１では、異なる遅延時間に設定された遅延回路５４がそれぞれの第２変換部５１Ｂに設けられていたのに対し、図１２Ａに示す変換部５１では、同じ遅延時間に設定された遅延回路５４がそれぞれの第２変換部５１Ｂに設けられている。
図１２Ｂは、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号の一例の説明図である。第１受光窓２２Ａに集光スポットが照射されない場合、コントローラー４０は、図１２Ｂに示す信号を光検出装置５０から受信することになる。マイナス側のパルスは第２受光部２１Ｂから出力された第２信号に基づくものであるため、また、図１２Ａに示す複数の遅延回路５４の遅延時間は全て同じであるため、コントローラー４０は、第２信号に基づくマイナス側のパルスに基づいて時間ｔ’を求めることができ、また、時間ｔ’と遅延回路５４の遅延時間（所定時間）とに基づいてパルス状の反射光を受光した時間ｔを求めることができる（これにより、対象物９０のＺ座標（対象物９０までの距離）を取得することができる）。また、コントローラー４０は、第２信号に基づくマイナス側のパルスに基づいて、特徴量Ｓを取得することができる。

図１３Ａは、光検出装置の別の一例の説明図である。前述の図１０（及び図１２）に示す光検出装置５０では、第２変換部５１Ｂが電圧の極性を反転させて第２信号を出力しているのに対し、図１３Ａに示す光検出装置５０では、第２変換部５１Ｂは、電圧の極性を反転させずに、第２信号を出力する。
図１３Ｂは、第１信号（電圧）と第２信号（電圧）とを重畳させた信号の一例の説明図である。集光スポットがシフトして第２受光窓２２Ｂに光が照射された時にも第１受光窓２２Ａに光が照射されていれば、コントローラー４０は、図１３Ｂに示す信号を光検出装置５０から受信することになる。最初のパルスは第１受光部２１Ａから出力された第１信号に基づくものであるため、コントローラー４０は、最初のパルスに基づいて時間ｔを求めることができる（これにより、対象物９０のＺ座標（対象物９０までの距離）を取得することができる）。また、２番目のパルスは第２受光部２１Ｂから出力された第２信号に基づくものであるため、コントローラー４０は、２番目のパルスに基づいて時間ｔ’を求めることができる（特徴量Ｓを取得することができる）。なお、図１３Ａの複数の遅延回路５４の遅延時間がそれぞれ異なっていれば、コントローラー４０（演算装置４１）は、時間ｔと時間ｔ’との差に基づいて、光を検出した第２変換部５１Ｂを特定することが可能であるため、集光スポットのシフト方向に関する情報を取得可能となり、特徴量Ｓとして特徴量Ｓ_１～特徴量Ｓ_Ｎを取得可能である。

図１４は、光検出装置の更に別の一例の説明図である。前述の図１０（及び図１２）に示す変換部５１には遅延回路５４が設けられているのに対し、図１４に示す変換部５１には遅延回路５４が設けられていない。このため、電圧加算部５６は、第１変換部５１Ａが出力する第１信号（電圧）と第２変換部５１Ｂが出力する第２信号（電圧）とを加算して共通の信号線に出力することになる。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、第１信号、第２信号、及び、電圧加算部５６から出力される信号の説明図である。図中の左側には、第１変換部５１Ａが出力する第１信号（電圧）と、第２変換部５１Ｂが出力する第２信号（電圧）とが示されている。図中の右側には、図１４に示す電圧加算部５６から出力される信号（第１信号及び第２信号を重畳させた信号）が示されている。

ところで、第１受光部２１Ａの第１受光窓２２Ａの周縁の感度が低い場合、集光スポットの一部が第１受光窓２２Ａの内側に照射されている状態から集光スポットが僅かにシフトしても、第１受光部２１Ａが出力する第１信号のパルスの強度が急激に変化することがある（図１５Ａ及び図１５Ｂの第１信号参照）。また、第２受光部２１Ｂの感度が高く設定されている場合には、集光スポットが僅かにシフトしても、第２受光部２１Ｂが出力する第２信号のパルスの強度が急激に変化することがある（図１５Ａ及び図１５Ｂの第２信号参照）。この結果、図１５Ａ及び図１５Ｂの右側に示すように、電圧加算部５６から出力される信号（第１信号及び第２信号を重畳させた信号）に含まれるパルスは、プラス側又はマイナス側のいずれか一方の極性を示すようになる。つまり、このような条件下では、遅延回路５４が無くても、第１信号のパルスと第２信号のパルスが打ち消し合う状態にはならない。このため、第１受光部２１Ａ又は第２受光部２１Ｂの一方が光を検出するような条件下では、コントローラー４０は、図１４の光検出装置から受信した信号（第１信号及び第２信号を重畳させた信号；図１５Ａ及び図１５Ｂ右図参照）に基づいて、時間ｔを求めることができる（これにより、対象物９０のＺ座標（対象物９０までの距離）を取得することができる）。また、このような条件下では、コントローラー４０は、図１４の光検出装置から受信した信号（第１信号及び第２信号を重畳させた信号；図１５Ａ及び図１５Ｂ右図参照）のパルスの極性に基づいて、特徴量Ｓを取得することができる。

＜変形例２＞
図１６Ａは、変形例の受光素子を用いた光検出装置の一例の説明図である。図１６Ｂ及び図１６Ｃは、図１６Ａの受光素子と変換部５１（トランスインピーダンス・アンプ）との接続の説明図である。

前述の図１５Ａ及び図１５Ｂの左側に示すように、集光スポットが僅かにシフトしても、第１受光部２１Ａが出力する第１信号のパルスの強度が急激に変化するとともに、第２受光部２１Ｂが出力する第２信号のパルスの強度が急激に変化することが起こり得る。このように、第１受光部２１Ａ又は第２受光部２１Ｂの一方が光を検出するような条件下では、図１６Ａに示す構成を採用することが可能である。

図１６Ｂに示す例では、第１受光部２１Ａのカソードが、差動型トランスインピーダンス・アンプで構成された変換部５１のマイナス入力端子に接続されており、第２受光部２１Ｂのカソードが、変換部５１のプラス入力端子に接続されている。第１受光部２１Ａが光を検出すると、変換部５１のマイナス入力端子から、第１受光部２１Ａへとマイナスの電流（第１信号）が流れ、この結果、変換部５１の出力がマイナスとなる。一方、第２受光部２１Ｂが光を検出すると、変換部５１のプラス入力端子から、第２受光部２１Ｂへとマイナスの電流（第２信号）が流れ、この結果、変換部５１の出力がプラスとなる。なお、ここでは、第１受光部２１Ａ及び第２受光部２１Ｂから、変換部５１へ流れる電流の向きをプラスとしている。

図１６Ｃに示す別の例では、第１受光部２１Ａのアノードと、第２受光部２１Ｂのカソードとが共通の信号線を介して変換部５１の入力端子に接続されている。第１受光部２１Ａが光を検出すると、第１受光部２１Ａから、変換部５１にプラスの電流（第１信号）が流れ、この結果、変換部５１の出力がプラスとなる。一方、第２受光部２１Ｂが光を検出すると、変換部５１から、第２受光部２１Ｂにマイナスの電流（第２信号）が流れ、この結果、変換部５１の出力がマイナスとなる。

図１６Ｂ及び図１６Ｃのいずれの場合においても、図１６Ａのコントローラー４０は、図１５Ａ及び図１５Ｂの右側に示す信号（若しくは逆極性の信号）を受信することになる。これにより、コントローラー４０は、図１６Ａの光検出装置５０から受信した信号に基づいて、時間ｔを求めることができる（これにより、対象物９０のＺ座標（対象物９０までの距離）を取得することができる）。また、コントローラー４０は、図１６Ａの光検出装置５０から受信した信号に基づいて、特徴量Ｓを取得することができる。図１６Ａに示す光検出装置５０によれば、光検出装置５０のトランスインピーダンス・アンプ（ＴＩＡ）やアナログ－デジタル変換回路５２（ＡＤＣ）の数を減らすことができる。

＜変形例３＞

図１７Ａ～図１７Ｄは、第１受光窓２２Ａ及び第２受光窓２２Ｂの例の説明図である。
図１７Ａ～図１７Ｄに示す受光素子２０は、第１受光窓２２Ａと、４つの第２受光窓２２Ｂとを有する。受光素子２０の受光面の中央に第１受光窓２２Ａが配置されており、その第１受光窓２２Ａの周囲に４つの第２受光窓２２Ｂが配置されている。なお、「第１受光窓２２Ａの周囲」とは、第１受光窓２２Ａの外周よりも外側であり、且つ、その第１受光窓２２Ａが設けられたチップの外縁よりも内側の範囲を意味する。図１７Ａ～図１７Ｄに示す受光素子２０では、２つの第２受光窓２２Ｂが第１受光窓２２Ａを挟むように配置されている。第１受光窓２２Ａを挟むように複数の第２受光窓２２Ｂを配置することによって、ある測定条件下では集光スポットが所定方向（例えば＋Ｙ方向）にシフトし、別の測定条件下では集光スポットが逆方向（例えば－Ｙ方向）にシフトするような場合でも、第２受光窓２２Ｂによって反射光を検出し易くなる。

なお、図１７Ａ～図１７Ｄに示すように、４つの第２受光窓２２Ｂは、第１受光窓２２Ａの周囲に均等に配置されることが望ましい。また、図１７Ｂ及び図１７Ｄに示すように、矩形の受光面の対角線上に第１受光窓２２Ａ及び２つの第２受光窓２２Ｂを配置すると、受光面の狭いスペース上に第１受光窓２２Ａ及び２つの受光窓を配置させ易くなる（この結果、受光素子２０のチップの小型化を図ることも可能である）。なお、第２受光窓２２Ｂの数は、４に限られるものではなく、他の数でも良い。

図１８は、受光素子アレイの一例の説明図である。
既に説明した通り、測定装置１は、Ｘ方向及びＹ方向に２次元配列させた複数の受光素子２０を有する。受光用光学系３２（図中の点線）に対して複数の受光素子２０を配置する場合、受光用光学系３２の光軸（点線の円の中心）に対して受光素子２０をずらして配置する必要がある。この結果、或る受光素子２０（第１受光素子）の光軸に対する位置と、別の受光素子２０（第２受光素子）の光軸に対する位置が異なる。集光スポットがシフトする方向は、受光用光学系３２に対する受光素子２０の位置に応じて異なるため、２次元配列させた複数の受光素子２０のそれぞれに入射する集光スポットは、シフトする方向がそれぞれ異なることになる。

そこで、図に示すように、本実施形態では、集光スポットがシフトする方向に応じて、それぞれの受光素子２０の第１受光窓２２Ａと第２受光窓２２Ｂの並ぶ方向を異ならせている。この結果、本実施形態では、或る受光素子２０（第１受光素子）では、第１受光窓２２Ａと第２受光窓２２Ｂの並ぶ方向が例えばＸ方向及びＹ方向であるのに対し、別の受光素子２０（第２受光素子）では、第１受光窓２２Ａと第２受光窓２２Ｂの並ぶ方向がＸ方向及びＹ方向に交差する方向となる。本実施形態によれば、第２受光部２１Ｂが反射光を検出し易くなる。

なお、受光素子アレイの全ての受光素子２０の第１受光窓２２Ａと第２受光窓２２Ｂの並ぶ方向が同じでも良い。また、受光素子アレイの全ての受光素子が本実施形態の第１受光窓２２Ａ及び第２受光窓２２Ｂを有する受光素子でなくても良く、一部の受光素子が図４Ａに示す受光素子であっても良い。また、受光素子２０ごとに第２受光窓２２Ｂの数が異なっていても良い。

＜小括＞
上記の通り、本実施形態の受光素子２０は、第１受光窓２２Ａに照射された光に応じた第１信号を出力する第１受光部２１Ａと、第１受光部２１Ａの周囲に設けられた第２受光窓２２Ｂに照射された光に応じた第２信号を出力する第２受光部２１Ｂとを備えている（図６Ａ参照）。これにより、第２受光部２１Ｂの第２信号に基づいて、集光スポットのシフトに関するデータ（新たな特徴量）を取得することが可能となる（図６Ｂ参照）。

また、本実施形態では、複数の第２受光窓２２Ｂが第１受光窓２２Ａの周囲に均等に配置されていることが望ましい（図１７Ａ～図１７Ｄ参照）。これにより、集光スポットがどの方向にシフトしても、第２受光窓２２Ｂによって反射光を検出し易くなる。但し、集光スポットのシフトする方向に応じて、第１受光窓２２Ａの周囲に非均等な間隔で複数の第２受光窓２２Ｂが配置されても良い。なお、図１７Ａ～図１７Ｄに示すように、通常、受光素子２０の受光面が矩形であるため、第２受光窓２２Ｂの数を４つにして、４つの第２受光窓２２Ｂが第１受光窓２２Ａの周囲に均等に配置されていることが望ましい。

また、本実施形態では、矩形状の受光面の対角線上に第１受光窓２２Ａ及び複数の第２受光窓２２Ｂが配置されている（図１７Ｂ及び図１７Ｄ参照）。これにより、受光面の狭いスペース上に第１受光窓２２Ａ及び４つの第２受光窓２２Ｂを配置させ易くなる。

また、上記の通り、本実施形態の光検出装置５０は、第１受光窓２２Ａに照射された光に応じた第１信号を出力する第１受光部２１Ａと、第１受光部２１Ａに隣接する第２受光窓２２Ｂに照射された光に応じた第２信号を出力する第２受光部２１Ｂとを有する受光素子２０と、第１信号を電流から電圧に変換するとともに第２信号を電流から電圧に変換する変換部５１を備えている（図８、図１０、図１２Ａ、図１３Ａ、図１４、図１６Ｂ及び図１６Ｃ参照）。これにより、第２受光部２１Ｂの第２信号に基づいて、集光スポットのシフトに関するデータ（新たな特徴量）を取得することが可能となる（図６Ｂ参照）。

図８に示す光検出装置５０では、変換部５１は、第１信号と第２信号とをそれぞれ別の信号線に出力する。これにより、コントローラー４０が第１信号と第２信号とを別々に取得することが可能になる。

図１０、図１２Ａ、図１３Ａ、図１４、図１６Ａに示す光検出装置５０では、変換部５１は、第１信号と第２信号とを共通の信号線に出力する。これにより、例えばアナログ－デジタル変換回路５２（ＡＤＣ）の数を減らすことが可能になる。

図１０、図１２Ａ及び図１３Ａに示す光検出装置５０では、変換部５１は、第１信号と第２信号の少なくとも一方を遅延させつつ、第１信号と第２信号とを共通の信号線に出力する。これにより、コントローラー４０は、第１信号と第２信号とを重畳させた信号から、集光スポットのシフトに関するデータ（新たな特徴量）を取得することが可能となる。

図１０、図１２Ａ、図１４に示す光検出装置５０では、変換部５１は、第１信号と第２信号の一方の極性を反転させつつ、第１信号と第２信号とを共通の信号線に出力する。これにより、コントローラー４０は、第１信号と第２信号とを重畳させた信号から、集光スポットのシフトに関するデータ（新たな特徴量）を取得することが可能となる。

図１０、図１２Ａに示す光検出装置５０では、変換部５１は、第１信号と第２信号の一方の極性を反転させるとともに、第１信号と第２信号の少なくとも一方を遅延させつつ、第１信号と第２信号とを共通の信号線に出力する。これにより、コントローラー４０は、より確実に、パルス状の反射光を受光した時間ｔを求めることができる。

また、上記の通り、本実施形態の測定装置１は、対象物９０に光を照射する発光素子１０と、光学系３０と、上述の第１信号及び第２信号を出力する受光素子２０と、演算装置４１（コントローラー４０）とを備えている。演算装置４１は、第１信号及び第２信号の少なくとも一方に基づいて対象物までの距離を算出し、距離に関するデータ（Ｚ座標）と、第２信号に基づく特徴量データ（特徴量Ｓ）とを対応付けて取得する（図９参照）。これにより、距離に関するデータ（Ｚ座標）に特徴量データを対応付けることによってデータを冗長化させることができる。例えば、データを冗長化させることによって、測定装置１によって測定された点群に対するデータ解析の精度を高めることが可能になる。

以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

１ 測定装置、３ 筐体、５ 実装基板、
６ 発光側湾曲部、７ 受光側湾曲部、
８ 基板用フレーム、１０ 発光素子、２０ 受光素子、
２１ 受光部、２１Ａ 第１受光部、２１Ｂ 第２受光部、
２２ 受光窓、２２Ａ 第１受光窓、２２Ｂ 第２受光窓、
２３ 電極、２４ 電極、
３０ 光学系、３１ 投光用光学系、
３２ 受光用光学系、３３ 光学用フレーム、
４０ コントローラー、４１ 演算装置、４２ 記憶装置、
５０ 光検出装置、５１ 変換部、
５１Ａ 第１変換部、５１Ｂ 第２変換部、
５２ アナログ－デジタル変換回路、
５４ 遅延回路、５６ 電圧加算部、
９０ 対象物

Claims (10)

1. 第１受光窓に照射された光に応じた第１信号を出力する第１受光部と、
   前記第１受光窓の周囲に設けられた第２受光窓に照射された光に応じた第２信号を出力する第２受光部と
   を備えることを特徴とする受光素子。
2. 請求項１に記載の受光素子であって、
   前記第２受光部を複数備え、
   複数の前記第２受光窓が前記第１受光窓の周囲に均等に配置されていることを特徴とする受光素子。
3. 請求項２に記載の受光素子であって、
   前記第２受光部を４つ備え、
   ４つの前記第２受光窓が前記第１受光窓の周囲に均等に配置されていることを特徴とする受光素子。
4. 請求項３に記載の受光素子であって、
   矩形状の受光面の対角線上に前記第１受光窓及び複数の前記第２受光窓が配置されていることを特徴とする受光素子。
5. 第１受光窓に照射された光に応じた第１信号を出力する第１受光部と、前記第１受光窓の周囲に設けられた第２受光窓に照射された光に応じた第２信号を出力する第２受光部と、を有する受光素子と、
   前記第１信号を電流から電圧に変換するとともに、前記第２信号を電流から電圧に変換する変換部と
   を有することを特徴とする光検出装置。
6. 請求項５に記載の光検出装置であって、
   前記変換部は、前記第１信号と前記第２信号とをそれぞれ別の信号線に出力することを特徴とする光検出装置。
7. 請求項５に記載の光検出装置であって、
   前記変換部は、前記第１信号と前記第２信号の少なくとも一方を遅延させつつ、前記第１信号と第２信号とを共通の信号線に出力することを特徴とする光検出装置。
8. 請求項５に記載の光検出装置であって、
   前記変換部は、前記第１信号と前記第２信号の一方の極性を反転させつつ、前記第１信号と第２信号とを共通の信号線に出力することを特徴とする光検出装置。
9. 請求項５に記載の光検出装置であって、
   前記変換部は、前記第１信号と前記第２信号の一方の極性を反転させるとともに、前記第１信号と前記第２信号の少なくとも一方を遅延させつつ、前記第１信号と第２信号とを共通の信号線に出力することを特徴とする光検出装置。
10. 対象物に光を照射する発光素子と、
    光学系と、
    第１受光窓に照射された光に応じた第１信号を出力する第１受光部と、前記第１受光窓の周囲に設けられた第２受光窓に照射された光に応じた第２信号を出力する第２受光部と、を有し、前記光学系を介して前記対象物からの反射光を受光する受光素子と、
    前記第１信号及び前記第２信号の少なくとも一方に基づいて前記対象物までの距離を算出し、前記距離に関するデータと、前記第２信号に基づく特徴量データとを対応付けて取得する演算装置と、
    ことを特徴とする測定装置。

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