JP2023018980A - 光検出器および測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制し、かつ高速に光の検出を可能とする光検出器および測距装置を提供する。
【解決手段】入射光を検出する光検出器であって、前記入射光を導光する導光部と、前記導光部により導光された前記入射光を偏向させる偏向部と、前記偏向部により偏向された前記入射光のうち一部を検出する受光部と、を備え、前記偏向部は、前記入射光を偏向させる複数の光偏向素子を含む光偏向素子群を複数有し、前記光偏向素子群は、前記複数の光偏向素子が互いに電気的に並列に接続されて構成され、前記光偏向素子群が有する前記複数の光偏向素子は、パッシブマトリクス駆動により、同時に偏向動作を行い、複数の前記光偏向素子群は、時間経過と共に同時または順番に前記偏向動作を行う。
【選択図】図７

Description

本発明は、光検出器および測距装置に関する。

近年、自動運転の自動車向けにＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）と称する測距装置の開発が進んでいる。このＬＩＤＡＲにおいては、時速１００［ｋｍ／ｈ］程度の車速で走行する場合、安全上３００［ｍ］程度先までの物体との距離を正確に測定する必要があり、その方法として直接ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式が主流である。直接ＴＯＦ方式とは、コヒーレントなレーザ光を、検出する方向に放射し、物体に衝突し反射してきたレーザ光をレンズを経由してフォトダイオード等の受光部に入射させ、放射から検出までの時間と光速とから物体までの距離を測定する方式であり、広範囲かつ長距離を高精度かつ高速に測定することが求められる。直接ＴＯＦ方式を用いた測距装置は、機械的に３６０［°］水平面で回転させ、垂直方向に測定系を複数積層する構成が一般的である。

しかし、今までの測距装置では、垂直方向に積層する測定系の個数はその大きさに起因して制約があるため縦方向では十分な解像度が得られないという課題があり、かつ該測定系を多数積層した場合には機器の小型化が困難となる課題があった。さらに、機械的に３６０°回転させる機構の耐久性を確保しなければならず、かつ耐震性を考慮した構造にしなければならないという課題があった。

このような縦方向の解像度、および機械的な耐久性の課題を解決するための技術として、検出器の信号対雑音比を大幅に高めることを目的として、偏向アレーに撮像光学系による画像情報を直前に入力させて視野中の各点に対応する２次元アレー内で動作させる画素を決定し、オン動作させた画素からの反射光をフォトダイオードへ向けることと、オフ動作させた画素からの反射光をフォトダイオードから離れた吸光板に向けることを特徴とし、かつ当該フォトダイオードは感光画素が２次元に配列したアレーからなる感光部材すなわちフォトダイオードアレーであり、２次元の光偏向アレーから得られた２次元配列の検出光をそのまま２次元のフォトダイオードアレーで検出するという構成が開示されている（例えば特許文献１）。

しかし、特許文献１に記載された技術では、撮像した画像情報を書き込むための、各画素直下に配置された複数のトランジスタ等を有する構造が必要となり、各画素の動作情報を書き込むための時間が必要であるため、高速動作が困難であるという課題がある。また、光偏向アレーから得られた２次元の反射光はそのまま２次元のフォトダイオードアレーに入射させるため、大型で高性能なフォトダイオードアレーが必要となるという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大型化を抑制し、かつ高速に光の検出を可能とする光検出器および測距装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入射光を検出する光検出器であって、前記入射光を導光する導光部と、前記導光部により導光された前記入射光を偏向させる偏向部と、前記偏向部により偏向された前記入射光のうち一部を検出する受光部と、を備え、前記偏向部は、前記入射光を偏向させる複数の光偏向素子を含む光偏向素子群を複数有し、前記光偏向素子群は、前記複数の光偏向素子が互いに電気的に並列に接続されて構成され、前記光偏向素子群が有する前記複数の光偏向素子は、パッシブマトリクス駆動により、同時に偏向動作を行い、複数の前記光偏向素子群は、時間経過と共に同時または順番に前記偏向動作を行うことを特徴とする。

本発明によれば、大型化を抑制し、かつ高速に光の検出を可能とする。

図１は、一般的な光検出器を説明する図である。 図２は、一般的な光検出器の構成の一例を示す図である。 図３は、従来の光検出器の構成の一例を示す図である。 図４は、ＤＭＤの光偏向素子の断面の概略を示す図である。 図５は、実施形態に係る測距装置の構成の一例を示す図である。 図６は、実施形態に係る測距装置の光偏向素子の上面図および断面図である。 図７は、実施形態に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作の一例を説明する図である。 図８は、実施形態に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作のタイミングチャートの一例を示す図である。 図９は、実施形態に係る測距装置の測距動作の流れの一例を示すフローチャートである。 図１０は、変形例１に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作の一例を説明する図である。 図１１は、変形例２に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作の一例を説明する図である。 図１２は、変形例２に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作のタイミングチャートの一例を示す図である。 図１３は、変形例３に係る測距装置においてレーザ強度を変える動作を示すタイミングチャートの一例を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明に係る光検出器および測距装置の実施形態を詳細に説明する。また、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。

（従来の光検出器について）
図１は、一般的な光検出器を説明する図である。図２は、一般的な光検出器の構成の一例を示す図である。図１および図２を参照しながら、一般的な検出器の構成について説明する。

図１において、測距装置１０１は、一般的な測距装置であり、物体１０２～１０５は、それぞれ空間に存在する測距対象となる物体を示している。測距装置１０１は、物体１０２～１０５等の外界の物体との距離を測定する装置である。測距装置１０１は、それぞれ距離が異なる場所に存在する物体１０２～１０５との距離を同時に、または順次に測定する。

図２に示すように、測距装置１０１は、例えば、レーザ光源２０１と、整形レンズ２０２と、ポリゴンミラー２０３と、レンズ２０４と、結像レンズ２０５と、受光器２０６と、を備えている。

レーザ光源２０１は、例えば近赤外線のレーザ光を放射する光源である。整形レンズ２０２は、レーザ光源２０１から放射されたレーザ光をコヒーレントなレーザ光に整形するレンズである。ポリゴンミラー２０３は、整形レンズ２０２により整形されたレーザ光を水平方向（例えば１２０［°］～３６０［°］の範囲）に走査するように反射させて、レンズ２０４へ向かわせる部材である。レンズ２０４は、ポリゴンミラー２０３により反射されたレーザ光を測距装置１０１外部へ放射させるレンズである。このように、レンズ２０４から放射したレーザ光は、外界に存在する物体で反射し、反射光として測距装置１０１に入射する。

結像レンズ２０５は、外界から入射した物体からの反射光を受光器２０６に結像させるレンズである。受光器２０６は、結像レンズ２０５を透過した反射光を同時にまたは順次に検出する部材である。測距装置１０１は、受光器２０６により検出された反射光によって、各物体との距離を測定し、水平方向、垂直方向および奥行き方向の３次元の情報を取得する。

以上のような測距装置１０１は、広範囲の測距データを高解像度でできるだけ高速に検出することが望まれており、かつ小型で安価であることが望まれているが、現状では非常に高価で大規模な機器となる課題を有している。

図３は、従来の光検出器の構成の一例を示す図である。図４は、ＤＭＤの光偏向素子の断面の概略を示す図である。次に、図３および図４を参照しながら、例えば米国特許出願公開第２０１７／０３５７０００号明細書等に記載された従来の光検出器の構成について説明する。

光検出器１０１ａは、物体１１１、１１２等の外界の物体からの反射光を入射して検出する装置である。反射光は、図１に示したように、何らかのレーザ光源から放射された場合の反射光であってもよい。図３に示すように、光検出器１０１ａは、結像レンズ２１１と、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）２１２と、結像レンズ２１３と、受光器２１４と、を備えている。

結像レンズ２１１は、外界から入射した物体からの反射光をＤＭＤ２１２に結像させるレンズである。ＤＭＤ２１２は、可動式の微小なミラー（図４に示す光偏向素子２１２ａ）を、集積回路の基板の上に多数２次元配列した光偏向アレーである。結像レンズ２１３は、ＤＭＤ２１２における光偏向素子２１２ａのオン動作により反射された光を、受光器２１４へ結像させるレンズである。受光器２１４は、ＤＭＤ２１２におけるオン動作した光偏向素子２１２ａで反射した光であって、結像レンズ２１３を透過した光を検出するフォトダイオードアレーである。遠方の物体を測距するためには、受光器２１４について、通常のフォトダイオードよりも、少ない光子を計測することに適したアバランシェフォトダイオードを用いることが望ましい。

光検出器１０１ａは、外界の物体に対する画像情報を、ＤＭＤ２１２による検出の直前に取得して、ＤＭＤ２１２の各光偏向素子２１２ａのうち、オン動作させる光偏向素子２１２ａと、オフ動作させる光偏向素子２１２ａとを決定する。この際、各光偏向素子２１２ａのオン／オフ動作の情報を記憶しておくことが必要となる。そして、光検出器１０１ａのＤＭＤ２１２は、オン動作させるものと決定した光偏向素子２１２ａのみをオン動作させて、結像レンズ２１１からの反射光を、結像レンズ２１３へ向けて反射させる。これにより、光検出器１０１ａは信号対雑音比を向上させることができるものとしている。

ここで、ＤＭＤ２１２の光偏向素子２１２ａの構成について、図４を参照しながら説明する。光偏向素子２１２ａは、図４に示すように、ミラー構成部３０１と、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３０２と、を有する。

ミラー構成部３０１は、ＳＲＡＭ３０２の上に積層され、捩じり梁によりミラー部材の角度を変える構成を有する。ＳＲＡＭ３０２は、上述のように、当該光偏向素子２１２ａのオン／オフ動作の情報を記憶するための、Ｐ型トランジスタ、Ｎ型トランジスタおよび多層配線等を含む記憶部分である。光偏向素子２１２ａは、このような構成を備えることよって、ＳＲＡＭ３０２に記憶されたオン／オフ情報に従ってミラー構成部３０１のミラー部材を可動させる。

以上のような光検出器１０１ａにおいては、上述のように、外界の物体に対する画像情報を、ＤＭＤ２１２による検出の直前に取得して、当該画像情報に基づいて、オン動作させる光偏向素子２１２ａを特定することになるが、例えば、上述の米国特許出願公開第２０１７／０３５７０００号明細書では、どのような方法で特定するのかが必ずしも明確ではない。また、光検出器１０１ａにおいては、測距動作時に毎回画像情報を読み込みことが必要となるが、当該画像情報が取得できない等の予測できない場合に対応するための動作が明確でない。また、光検出器１０１ａにおいては、撮像した画像情報を書き込むための、ＤＭＤ２１２の各画素直下に配置された複数のトランジスタ等を有する構造が必要となるため複雑な構成とならざるを得ず、コストが高くなり、各画素の動作情報を書き込むための時間が必要であるため、高速動作が困難であるという課題がある。また、光偏向素子２１２ａは、捩じり梁型で可動する構成であるため、反射方向の変位において梁の復元力および残留振動が発生するため、偏向時間が長くかかり高速動作が困難であるという課題がある。また、オン動作する光偏向素子２１２ａを特定した後に測距動作を行っているので、特定した後に測距を行っているので、特定したタイミングよりも少し時間がずれたタイミングでの測距データが得られるという不具合もある。また、光偏向アレーとしてのＤＭＤ２１２から得られた２次元の反射光はそのまま２次元のフォトダイオードアレーである受光器２１４に入射させるため、大型で高性能なフォトダイオードアレーが必要となるという課題がある。

以下では、上述の課題を解決することができる本実施形態に係る測距装置１の構成および動作について説明する。

（測距装置の構成）
図５は、実施形態に係る測距装置の構成の一例を示す図である。図６は、実施形態に係る測距装置の光偏向素子の上面図および断面図である。図５および図６を参照しながら、本実施形態に係る測距装置１の構成について説明する。

図５に示すように、測距装置１は、レーザ光源１１（光源）と、整形レンズ１２と、光走査装置１３（光走査部）と、反射ミラー１４（光学系の一例）と、垂直方向拡大レンズ１５（光学系の一例）と、結像レンズ１６（導光部）と、光偏向アレー１７（偏向部）と、吸光板１８（吸光部）と、結像レンズ１９と、受光器２０（受光部）と、コントローラ２１と、を備えている。

レーザ光源１１は、例えば近赤外線のパルス状のレーザ光を放射する光源である。

整形レンズ１２は、レーザ光源１１から放射されたレーザ光をコヒーレントなレーザ光に整形するレンズである。

光走査装置１３は、整形レンズ１２により整形されたレーザ光を水平方向（第１方向の一例）に走査するように反射させて、反射ミラー１４へ向かわせる部材である。なお、光走査装置１３によるレーザ光の走査方向は、水平方向に限定されるものではない。

反射ミラー１４は、光走査装置１３により反射されたレーザ光を、垂直方向拡大レンズ１５へ向けて反射するミラー部材である。

垂直方向拡大レンズ１５は、反射ミラー１４により反射されたレーザ光を、垂直方向に拡大して測距装置１の外部へ放射させるレンズである。このように、垂直方向拡大レンズ１５から放射したレーザ光は、外界に存在する物体で反射し、反射光（検出光）として測距装置１に入射する。なお、垂直方向拡大レンズ１５によるレーザ光の拡大方向は、光走査装置１３によるレーザ光の走査方向（例えば水平方向）に直交する方向に限定されるものではなく、少なくとも当該走査方向に交差する方向であればよい。

結像レンズ１６は、外界から入射した物体からの反射光（入射光）を導光して光偏向アレー１７に結像させるレンズである。

光偏向アレー１７は、図６に示す光偏向素子１７ａを２次元配列した光偏向アレーである。光偏向アレー１７は、複数の光偏向素子１７ａのうち任意の光偏向素子１７ａが互いに電気的に並列に接続された光偏向素子群を複数形成し、光偏向素子群を構成する各光偏向素子１７ａについてはパッシブマトリクス駆動により同時に光偏向動作を行わせ、各光偏向素子群を時間の経過と共に同時または順番に光偏向動作を行わせる。光偏向素子群は、パッシブマトリクス駆動により、外部信号（コントローラ２１からの信号等）により直接駆動される。このように、光偏向アレー１７のいずれかの光偏向素子群に対するパッシブマトリクス駆動によるオン動作により、当該光偏向素子群を構成するいずれかの光偏向素子１７ａに入射した、結像レンズ１６からの反射光は、当該光偏向素子１７ａにより結像レンズ１９へ向かうＯＮ光として反射（偏向）される。オン動作が行われた光偏向装置群によりＯＮ光として反射された光は纏められるか分別され、受光器２０において同時に検出されることとなる。また、一方、オフ動作となっている光偏向素子群を構成するいずれかの光偏向素子１７ａに入射した結像レンズ１６からの反射光は、当該光偏向素子１７ａにより吸光板１８へ向かうＯＦＦ光として反射（偏向）される。

吸光板１８は、光偏向アレー１７によりＯＦＦ光として反射された光を吸光する部材である。

結像レンズ１９は、光偏向アレー１７により反射されたＯＮ光を受光器２０に結像させるレンズである。

受光器２０は、結像レンズ１９を透過したＯＮ光を順次に検出（受光）する１～数個のフォトダイオード（受光素子の一例）である。なお、フォトダイオードに限定されるものではなく、例えばアバランシェフォトダイオード（受光素子の一例）で構成されるものとしてもよい。

コントローラ２１は、測距装置１の動作全体を制御する制御装置である。コントローラ２１は、例えば、レーザ光源１１によるレーザ光の放射動作、光走査装置１３による走査動作、および、光偏向アレー１７による光偏向素子群のオン／オフ動作を実行する。また、コントローラ２１は、レーザ光源１１によりレーザ光が放射されてから受光器２０によりＯＮ光が検出されるまでの時間と光速とから、物体の点までの距離を測定し、その距離情報を用いて３Ｄマップ（三次元画像）を生成する。

以上のような測距装置１の構成とすることにより、外界の物体に対する距離の測定を時間経過と共に１点ずつ順次に行うことができる。なお、受光器２０のフォトダイオードを数個とした場合、複数点での距離の測定を同時に行うことも可能である。

なお、測距装置１のうち、結像レンズ１６、光偏向アレー１７、吸光板１８、結像レンズ１９、受光器２０およびコントローラ２１の構成部分を抽出した場合、外界から入射した光を順次に検出する光検出器の一例と捉えることもでき、測距装置１自体についても当該構成部分だけを考えた場合、光検出器の一例と捉えることもできる。

次に、光偏向アレー１７の光偏向素子１７ａの構成の詳細について説明する。

図６に示すように、光偏向素子１７ａは、基板３１と、配線３２と、絶縁膜３３と、接続孔３４と、電極３５ａ、３５ｂと、接触部材３６と、支点部材３７と、板形状部材３８と、柱３９と、笠形状部材４０と、を有する。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＡ－Ａ’断面図である。

基板３１は、平面状部分を有する板形状部材である。配線３２は、図６（ａ）に示すように、基板３１上に互いに平行に並設された導体で形成された複数の配線である。絶縁膜３３は、図６（ｂ）に示すように、基板３１上に配置された配線３２を絶縁して保護するとともに、平坦化するための膜である。

接続孔３４は、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜３３を貫通して、電極３５ａと任意の配線３２とを電気的に接続し、電極３５ｂと任意の配線３２とを電気的に接続する部材である。この接続孔３４によって、電極３５ａ、３５ｂと任意の配線３２とが電気的に接続されることにより異なる光偏向素子１７ａと電気的に接続され、上述したように、任意の光偏向素子１７ａを互いに電気的に並列に接続された光偏向素子群が形成される。

電極３５ａ、３５ｂは、絶縁膜３３上に支点部材３７に対して対称となるように配置された電極である。上述したように、電極３５ａ、３５ｂは、接続孔３４によってそれぞれ任意の配線３２に電気的に接続されている。

接触部材３６は、図６（ｂ）に示すように、支点部材３７に対して電極３５ａ、３５ｂの反対側の絶縁膜３３上に配置された部材であり、板形状部材３８が傾斜したときに接触させる部材である。

支点部材３７は、基板３１の平面状部分の電極３５ａと電極３５ｂとの間に複数（図６（ａ）の例では２つ）配置され、板形状部材３８の反射面と反対側の面に接離自在に接触し、当該板形状部材３８の傾斜動作の支点となる部材である。

板形状部材３８は、電極３５ａ、３５ｂに対向する態様で、支点部材３７に接離自在に支持され、支点部材３７に接触した面とは反対側の面が、検出光を反射する高反射率の反射面となっており、支点部材３７に接触した面の少なくとも一部に電極３５ａ、３５ｂと対向した導電性領域を含む板形状の弾性部材である。

柱３９は、基板３１の平面状部分、かつ、複数の支点部材３７の支点を結ぶ線上の板形状部材３８の当該線方向の端部側にそれぞれ配設されることにより板形状部材３８の配置を規制する柱形状部である。笠形状部材４０は、それぞれの柱３９の基板３１と反対側の端部に設置された笠形状の部材であり、板形状部材３８の上述の線方向の端部の一部を覆うことによって板形状部材３８の配置を規制し飛び出しを防止する部材である。ただし、板形状部材３８と笠形状部材４０との間には、板形状部材３８の傾斜動作が自在に行われるように空隙が設けられている。

以上のように、光偏向素子１７ａでは、上述の図４に示した光偏向素子２１２ａのように、トランジスタ等を含むＳＲＡＭ３０２に相当する部分がなく、ミラー構成部３０１に相当する部分の構成のみとなっている。このため、光偏向素子１７ａを有する光偏向アレー１７は、従来のＤＭＤ２１２と比較して、作製の工数を大幅に削減することができ、歩留まりがよく、容易に作製することができる。

また、以上のような光偏向素子１７ａの構成によって、図６（ａ）に示す矢印方向に冷光偏向動作が行われる。具体的には、板形状部材３８は、支点部材３７、接触部材３６および笠形状部材４０との接触により傾斜角度が決定され、電極３５ａ、３５ｂへの印加電圧により傾斜方向が定まる。すなわち、板形状部材３８は、電極３５ａ、３５ｂに対する印加電圧の状態によって、図６（ｂ）に示すように、検出光をＯＮ光として反射するように傾斜動作を行い、または検出光をＯＦＦ光として反射するように傾斜動作を行う。このように、光偏向素子１７ａは、上述のＤＭＤ２１２の光偏向素子２１２ａのように捩じり梁における復元力を持たないので、高速に光偏向動作を行うことができる。

（光偏向素子群のパターンの切り替え動作）
図７は、実施形態に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作の一例を説明する図である。図８は、実施形態に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作のタイミングチャートの一例を示す図である。図７および図８を参照しながら、オン動作させる光偏向素子群のパターンの切り替え動作について説明する。なお、図７および図８では、測距装置１において、水平視野角１２０［°］、垂直視野角２０［°］、検出レート５［Ｈｚ］、測距距離３００［ｍ］まで、水平画素数１２００点、垂直画素数４０点で検出するものとする。ここで、検出レートとは、光偏向アレー１７の画素（光偏向素子１７ａ）のすべてで検出された場合を１回とした場合の処理レートである。また、図７に示す光偏向アレー１７の画素数は、簡易的に説明するために、上述の水平および垂直の画素数と同一になっていないことを付言しておく。

図７では、光偏向アレー１７における光偏向素子群として、各水平方向（第２方向の一例）に並んだ画素（光偏向素子１７ａ）を電気的に並列に接続して形成した例を示す。図７に示す光偏向アレー１７のうち各セルが各光偏向素子１７ａに相当し、光偏向アレー１７の全域が外界の測定空間の全域に対応する。そして、複数の光偏向素子群のうちどの光偏向素子群をオン動作させるかのパターンについて、図７ではパターン（１）～パターン（４０）があるものとしている。具体的には、パターン（１）では、図７の紙面視の上から１番目の水平方向の光偏向素子群をオン動作（他の光偏向素子群はオフ動作とする。以下も同様である。）させた状態を示し、パターン（２）では、２番目の水平方向の光偏向素子群がオン動作させた状態を示す。同様に、パターンを規定し、最後のパターン（４０）では、図７の紙面視の一番下の水平方向の光偏向素子群をオン動作させた状態を示す。また、図７では、外界の物体から反射された反射光（検出光）が光偏向アレー１７の左から３番目の垂直方向の画素列（入射光領域ＩＬＡ）に入射している状態を示している。これは、上述したように、垂直方向拡大レンズ１５により垂直方向に拡大されたレーザ光が外部へ放射されるため、当該レーザ光についての物体からの反射光も、垂直方向に拡大された検出光として測距装置１に入射するためである。なお、光偏向素子群に含まれる各光偏向素子１７ａの配列方向は、水平方向に限定されるものではなく、他の方向であってもよい。

このように規定された各パターンについて、例えば、図７に示すように、入射光領域ＩＬＡに検出光が入射している状態において、コントローラ２１は、パターン（１）からパターン（４０）までを順次切り替える。この場合、各パターンでオン動作している光偏向素子群と入射光領域ＩＬＡとが交差する画素である検出点ＤＰで反射されたＯＮ光が受光器２０で検出されることになる。この場合、受光器２０は、単一のフォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードで構成されるものとしてもよい。すなわち、コントローラ２１は、当該タイミングにおいて受光器２０で検出された光が、当該パターンでオン動作している光偏向素子群と入射光領域ＩＬＡとが交差する画素からのＯＮ光であることが認識できるので、当該ＯＮ光に対応する物体の点までの距離情報として用いることにより、最終的に３Ｄマップを生成することができる。

一方、入射光領域ＩＬＡのうち検出点ＤＰ以外の領域で反射された反射光（検出光）は、当該領域に対応する光偏向素子１７ａはオフ動作の状態となっているので、ＯＦＦ光として吸光板１８へ向かい、吸光板１８で吸光される。これによって、反射光（検出光）のうちＯＮ光以外の光が、測距装置１内を迷光として残存することを抑制することができる。

すなわち、従来技術のＤＭＤ２１２のように、外界の物体に対する画像情報を検出の直前に取得して、各光偏向素子２１２ａのオン／オフ動作の情報を直下のトランジスタ等の素子に記憶させておく必要がなく、本実施形態に係る測距装置１の光偏向アレー１７では、予め決められた任意のパターンに対応する光偏向素子群のオン動作により、受光器２０へ反射させる反射光束を形成する。

ここで、図８に、各パターンの切り替えのタイミングチャートを示す。水平方向の解像度（水平画素数）から算出される、特定の入射光領域ＩＬＡあたりの検出時間、すなわちパターン（１）～パターン（４０）の全体の検出時間は、１６６．７［μｓｅｃ］である。これを垂直方向に４０分割し、４０個のパターンそれぞれにおける検出時間は、等しい時間であることが望ましいので、１画素の検出時間は、図８に示すように、４［μｓｅｃ］となる。ここで、例えば３００［ｍ］までの測距に要する時間は、最大で２［μｓｅｃ］であるので十分検出が可能となり、高速な検出が可能となる。これに対して、上述の従来技術におけるＤＭＤ２１２に代表される捩じり梁型のデバイスでは、変位後の残留振動があるため、上述のような短時間での光偏向動作は困難である。

なお、オン動作させる光偏向素子群における光偏向素子１７ａの接続構成、および、各パターンにおいてどの光偏向素子群をオン動作させるかについては、図７に示した構成に限定されるものではなく、光検出動作または測距動作の仕様に応じて任意に決定することが可能である。また、光偏向アレー１７の画素数、および光偏向アレー１７内の光偏向素子１７ａに大きさ等についても、測距装置１の仕様に応じて任意に決定することが可能である。

（測距装置の測距動作の流れ）
図９は、実施形態に係る測距装置の測距動作の流れの一例を示すフローチャートである。図９を参照しながら、本実施形態に係る測距装置１の測距動作の流れについて説明する。

＜ステップＳ１１＞
レーザ光源１１は、コントローラ２１による制御に従って、赤外線等のパルス状のレーザ光を放射する。そして、レーザ光源１１から放射されたレーザ光は、整形レンズ１２によりコヒーレントなレーザ光に整形される。そして、ステップＳ１２へ移行する。

＜ステップＳ１２＞
光走査装置１３は、コントローラ２１による制御に従って、整形レンズ１２により整形されたレーザ光を、特定の水平方向に走査した状態で反射させて、反射ミラー１４へ向かわせる。そして、反射ミラー１４は、光走査装置１３により反射されたレーザ光を、垂直方向拡大レンズ１５へ向けて反射する。そして、ステップＳ１３へ移行する。

＜ステップＳ１３＞
垂直方向拡大レンズ１５は、反射ミラー１４により反射されたレーザ光を、垂直方向に拡大して測距装置１の外部へ放射させる。そして、ステップＳ１４へ移行する。

＜ステップＳ１４＞
垂直方向拡大レンズ１５から放射したレーザ光は、外界に存在する物体で反射し、反射光（検出光）として測距装置１に入射する。そして、ステップＳ１５へ移行する。

＜ステップＳ１５＞
結像レンズ１６は、外界から入射した物体からの反射光を光偏向アレー１７に結像させる。そして、ステップＳ１６へ移行する。

＜ステップＳ１６＞
光偏向アレー１７は、コントローラ２１による制御に従って、特定にパターンに対応する光偏向素子群をパッシブマトリクス駆動によりオン動作させて、オン動作している光偏向素子群と、反射光（検出光）が入射している入射光領域とが交差する画素（光偏向素子１７ａ）により、当該反射光をＯＮ光として受光器２０へ向かわせる。そして、ステップＳ１７へ移行する。

＜ステップＳ１７＞
光偏向アレー１７により反射されたＯＮ光は、結像レンズ１９により受光器２０に結像される。そして、受光器２０は、結像レンズ１９を透過したＯＮ光を検出する。そして、コントローラ２１は、レーザ光源１１によりレーザ光が放射されてから受光器２０により当該ＯＮ光が検出されるまでの時間と光速とから、物体の点までの距離を測定する。そして、ステップＳ１８へ移行する。

＜ステップＳ１８＞
まだ切り替えらえていないパターンがある場合（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、ステップＳ１９へ移行し、すべてのパターンの切り替えが終了した場合（ステップＳ１８：Ｎｏ）、ステップＳ２０へ移行する。

＜ステップＳ１９＞
光偏向アレー１７は、コントローラ２１による制御に従って、次に切り替えるべきパターンに切り替える。このようなパターンの切り替えは、上述のような光偏向素子１７ａの構成に基づく高速な光偏向動作によって、高速に実行することが可能である。そして、ステップＳ１６へ移行する。

＜ステップＳ２０＞
コントローラ２１は、反射光（検出光）が入射している光偏向アレー１７の入射光領域に対応する画素（垂直１列の画素）に対応する、測距された距離情報を得る。そして、ステップＳ２１へ移行する。

＜ステップＳ２１＞
光偏向アレー１７における入射光領域の水平方向の走査が全領域で完了した場合（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、ステップＳ２２へ移行し、完了していない場合（ステップＳ２１：Ｎｏ）、光走査装置１３によるレーザ光の水平方向の走査により、光偏向アレー１７の次の入射光領域へ走査させるために、ステップＳ１２へ戻る。

＜ステップＳ２２＞
コントローラ２１は、光偏向アレー１７の各画素（光偏向素子１７ａ）に対応する距離情報を用いて３Ｄマップを生成する。

以上のステップＳ１～ステップＳ２２の流れで、測距装置１による測距動作が実行される。すなわち、レーザ光源１１、整形レンズ１２、光走査装置１３、反射ミラー１４および垂直方向拡大レンズ１５を含む送信器としての構成と、結像レンズ１６、光偏向アレー１７、吸光板１８、結像レンズ１９および受光器２０を含む受信器（光検出器）としての構成とが、同期を取りながら、外界の測定空間内の全点に対する測距動作が可能となる。

以上のように、本実施形態に係る測距装置１では、結像レンズ１６は、入射光を導光し、光偏向アレー１７は、結像レンズ１６より導光された入射光を偏向させ、受光器２０は、光偏向アレー１７により偏向された入射光のうち一部を検出し、光偏向アレー１７は、入射光を偏向させる複数の光偏向素子１７ａを含む光偏向素子群を複数有し、光偏向素子群は、複数の光偏向素子１７ａが互いに電気的に並列に接続されて構成され、光偏向素子群が有する複数の光偏向素子１７ａは、パッシブマトリクス駆動により、同時に偏向動作を行い、複数の光偏向素子群は、時間経過と共に同時または順番に偏向動作を行うものとしている。これによって、従来のように複数の測定系となる検出器を垂直方向に積層する必要がなく、画像情報を記憶させておく必要もないため、当該画像情報を入力する時間も不要となるため、大型化を抑制し、かつ高速に光の検出が可能となる。また、画像情報を書き込むための、ＤＭＤ２１２ように各画素直下に配置された複数のトランジスタ等を有する構造が不要であるため、簡易な構造とすることができる。また、パッシブマトリクス駆動としていることにより、外部から画素ごとに駆動する信号が不要となるため、コントローラの構成が簡易になる。また、複数の光偏向素子１７ａを並列に接続して同時に光偏向動作を行わせるため、電圧印加用のパッド数を低減することができる。

また、本実施形態に係る測距装置１では、光偏向素子１７ａは、基板３１は、平面状部分を有し、板形状部材３８は、入射光を偏向する偏向面を有し、支点部材３７は、平面状部分に突設され、板形状部材３８の偏向面と反対側の面に接離自在に、板形状部材３８の傾斜動作の支点となるものとし、笠形状部材４０は、板形状部材３８の配置を規制し、板形状部材３８との間に空隙が設けられることにより板形状部材３８の傾斜動作を自在に可能とし、複数の電極３５ａ、３５ｂは、平面状部分に、支点部材に対して対称に配置され、板形状部材３８は、板形状部材３８の反射面の反対側の面において複数の電極３５ａ、３５ｂに対向する導電性領域を含むものとしている。これによって、上述のＤＭＤ２１２の光偏向素子２１２ａのように捩じり梁における復元力を持たないので、高速に光偏向動作を行うことができる。

また、本実施形態に係る光偏向素子１７ａでは、受光器２０は、単一の受光素子としている。これによって、複数の測定系となる検出器を垂直方向に積層する必要がなくなるため、大型化を抑制することができる。

（変形例１）
変形例１に係る光検出器の一例としての測距装置１について、上述の実施形態に係る測距装置１と相違する点を中心に説明する。

図１０は、変形例１に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作の一例を説明する図である。図１０を参照しながら、本変形例におけるオン動作させる光偏向素子群のパターンの切り替え動作について説明する。

図１０では、光偏向アレー１７における光偏向素子群として、３×３の９つの画素（光偏向素子１７ａ）を電気的に並列に接続して形成した例を示す。図１０に示す光偏向アレー１７のうち各セルが各光偏向素子１７ａに相当し、光偏向アレー１７の全域が外界の測定空間の全域に対応する。そして、複数の光偏向素子群のうちどの光偏向素子群をオン動作させるかのパターンについて、図１０ではパターン（１）～パターン（４０）があるものとしている。すなわち、各パターンにおいて、異なる３×３の９つの画素（光偏向素子１７ａ）が電気的に並列に接続された光偏向素子群を対応させている。なお、４０のパターン数は仮に示したものであり、実際には、光偏向素子群に含まれる光偏向素子１７ａの数、および光偏向アレー１７全体の水平および垂直方向の画素数に応じて定まるものである。また、光偏向素子群についても、３×３の９つの画素に限定されるものではなく、水平方向および垂直方向に異なる画素数の画素群により光偏向素子群が形成されるものとしてもよい。

このように規定された各パターンについて、図１０に示すようにコントローラ２１は、パターン（１）からパターン（４０）までを順次切り替える。測距装置１の送信器からのレーザ光の放射動作の仕様については、このような各パターンの構成に依存するものであり、当該パターンの構成に応じて決定するものとすればよい。上述の実施形態と同様に、各パターンでオン動作している光偏向素子群と入射光領域とが重なる画素である検出点で反射されたＯＮ光が受光器２０で検出されることになる。すなわち、コントローラ２１は、当該タイミングにおいて受光器２０で検出された光が、当該パターンでオン動作している光偏向素子群と入射光領域とが重複する画素からのＯＮ光であることが認識できるので、当該ＯＮ光に対応する物体の点までの距離情報として用いることにより、最終的に３Ｄマップを生成することができる。なお、この場合、１つのフォトダイオードで構成された受光器２０で検出されることに限定されるものではなく、数個のフォトダイオードで構成された受光器２０で検出されるものとしてもよい。

以上のような変形例１に係る測距装置１においても、上述の実施形態と同様の効果を奏する。

（変形例２）
変形例２に係る光検出器の一例としての測距装置１について、上述の実施形態に係る測距装置１との相違点を中心に説明する。

図１１は、変形例２に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作の一例を説明する図である。図１２は、変形例２に係る測距装置においてオン動作させる光偏向素子群のパターンを切り替える動作のタイミングチャートの一例を示す図である。図１１および図１２を参照しながら、本変形例におけるオン動作させる光偏向素子群のパターンの切り替え動作について説明する。

図１１では、光偏向アレー１７における光偏向素子群として、中央部分の画素群（光偏向素子１７ａ群）を電気的に並列に接続して形成した領域Ｒ１、当該領域Ｒ１の外側に位置する画素群を電気的に並列に接続して形成した領域Ｒ２、さらに、当該領域Ｒ２の外側に位置する画素群を電気的に並列に接続して形成した領域Ｒ３、というように構成される。そして、本変形例の特徴としては、上述の実施形態および変形例１の場合のように、１つのパターンに１つの光偏向素子群を対応させているのではなく、１つのパターンに１以上の光偏向素子群を対応させている点である。例えば、パターン（２）では、領域Ｒ１、Ｒ２の２つの光偏向素子群を対応させ、パターン（３）では、領域Ｒ１～Ｒ３の３つの光偏向素子群を対応させている。さらに、パターン（１８）では、領域Ｒ１～Ｒ３に加えて、間のパターン（４）～（１７）で層状的に追加されていった複数の光偏向素子群を含む領域Ｒ１１を対応させている。パターン（１９）では、領域Ｒ１～Ｒ３、Ｒ１１に加えて、領域Ｒ１１の外側に位置する画素群を電気的に並列に接続して形成した１または複数の光偏向素子群を含む領域Ｒ１２を対応させている。さらに、パターン（２０）では、領域Ｒ１～Ｒ３、Ｒ１１、Ｒ１２に加えて、領域Ｒ１２の外側に位置する画素群を電気的に並列に接続して形成した１または複数の光偏向素子群を含む領域Ｒ１３を対応させている。

すなわち、上述の実施形態および変形例１で説明したパターン構成は、カメラでいうところのローリングシャッタの効果を目的とした構成であるのに対し、本変形例のパターン構成は、カメラでいうところの猫の目絞りの効果を目的とした構成である。なお、２０のパターン数は仮に示したものであり、実際には、光偏向素子群に含まれる光偏向素子１７ａの数、および光偏向アレー１７全体の水平および垂直方向の画素数に応じて定まるものである。

このように規定された各パターンについて、図１１に示すようにコントローラ２１は、パターン（１）からパターン（２０）までを順次切り替える。測距装置１の送信器からのレーザ光の放射動作の仕様については、このような各パターンの構成に依存するものであり、当該パターンの構成に応じて決定するものとすればよい。上述の実施形態と同様に、各パターンでオン動作している光偏向素子群と入射光領域とが重なる画素である検出点で反射されたＯＮ光が受光器２０で検出されることになる。すなわち、コントローラ２１は、当該タイミングにおいて受光器２０で検出された光が、当該パターンでオン動作している光偏向素子群と入射光領域とが重複する画素からのＯＮ光であることが認識できるので、当該ＯＮ光に対応する物体の点までの距離情報として用いることにより、最終的に３Ｄマップを生成することができる。なお、この場合、１つのフォトダイオードで構成された受光器２０で検出されることに限定されるものではなく、数個のフォトダイオードで構成された受光器２０で検出されるものとしてもよい。

ここで、図１２に、各パターンの切り替えのタイミングチャートを示す。例えば、特定の入射光領域の検出時間、すなわちパターン（１）～パターン（２０）の全体の検出時間は、１６６．７［μｓｅｃ］とする。パターン（１）～パターン（３）のオン動作している光検出素子群の領域が小さい場合には、レンズとの相関により近距離の測距を行うことを目的とし検出時間は短くてよく例えば２［μｓｅｃ］とする。後半のパターン（１８）～パターン（２０）においては、遠方の測距を行うことを目的とし検出時間が相対的に長いので６～８［μｓｅｃ］とする。このとき、遠方ゆえに光量が低下することを考慮して開口を大きくするようなパターン構成としている。

このように、本変形例では、光偏向アレー１７を用いてカメラ構成でいうところの猫の目絞りのような開口の調整を高速に行うことができる。これによって、高性能な光検出を提供することができる。

（変形例３）
変形例３に係る光検出器の一例としての測距装置１について、上述の実施形態に係る測距装置１と相違する点を中心に説明する。

図１３は、変形例３に係る測距装置においてレーザ強度を変える動作を示すタイミングチャートの一例を示す図である。図１３を参照しながら、本変形例に係る測距装置１において、外界から入射した他のレーザ光との誤検出を抑制するためのレーザ強度を変える動作について説明する。

例えば、上述の図７に示したパターン構成において、各パターンにおける測距時間が４［μｓｅｃ］となる場合、光偏向素子１７ａの傾斜動作に１．５［μｓｅｃ］を要すると仮定すると、検出する時間は、残りの２．５［μｓｅｃ］ということになる。例えば３００［ｍ］先までの測距には２［μｓｅｃ］で可能なので十分であるが、このとき検出されたレーザ光が測距装置１自身から放射されたレーザ光であるか否かを判断する必要がある。特に、例えば自動運転を行う車両等に測距装置１を搭載する場合、他の車両に搭載された測距装置等レーザ光との混合による誤検出を抑制できることが要請される。

そのため、本変形例に係る測距装置１は、レーザ光をナノ秒レベルのパルス状にして、出力の途中で強度または位相のうち少なくともいずれかを変更することにより、測距装置１自身から放射されたレーザ光なのか、他のレーザ光なのかを判別して誤検出を抑制する。例えば、図１３の点線で示したパルス状波形に示すように、測距装置１は、光偏向アレー１７の光偏向素子群の傾斜動作と同期させてレーザ光を放射させるとき、任意の周期でレーザ強度が変わるようなレーザ光を放射する。これによって、このようなレーザ光についての物体からの反射光も、同様な強度比を有するので、測距装置１は、当該強度比を同様な光を検出した場合には、測距装置１自身から放射されたレーザ光に対する反射光であると判別でき、異なる強度比の光を検出した場合には、他のレーザ光であると判別することができるので、正確な測距が可能となる。

１ 測距装置
１１ レーザ光源
１２ 整形レンズ
１３ 光走査装置
１４ 反射ミラー
１５ 垂直方向拡大レンズ
１６ 結像レンズ
１７ 光偏向アレー
１７ａ 光偏向素子
１８ 吸光板
１９ 結像レンズ
２０ 受光器
２１ コントローラ
３１ 基板
３２ 配線
３３ 絶縁膜
３４ 接続孔
３５ａ、３５ｂ 電極
３６ 接触部材
３７ 支点部材
３８ 板形状部材
３９ 柱
４０ 笠形状部材
１０１ 測距装置
１０１ａ 光検出器
１０２～１０５、１１１、１１２ 物体
２０１ レーザ光源
２０２ 整形レンズ
２０３ ポリゴンモミラー
２０４ レンズ
２０５ 結像レンズ
２０６ 受光器
２１１ 結像レンズ
２１２ ＤＭＤ
２１２ａ 光偏向素子
２１３ 結像レンズ
２１４ 受光器
３０１ ミラー構成部
３０２ ＳＲＡＭ
ＤＰ 検出点
ＩＬＡ 入射光領域
Ｒ１～Ｒ３、Ｒ１１～Ｒ１３ 領域

米国特許出願公開第２０１７／０３５７０００号明細書

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光検出器であって、外界から入射した物体からの反射光である入射光を導光する導光部と、前記導光部に入射した前記入射光であって該導光部により導光された該入射光を偏向させる偏向部と、前記偏向部により偏向された、前記入射光の光束のうちの一部を検出する受光部と、を備え、前記偏向部は、前記入射光を偏向させる複数の光偏向素子を含む光偏向素子群を複数有し、前記光偏向素子群は、前記複数の光偏向素子が互いに電気的に並列に接続されて構成され、前記光偏向素子群が有する前記複数の光偏向素子は、パッシブマトリクス駆動により、同時に偏向動作を行い、複数の前記光偏向素子群は、時間経過と共に同時または順番に前記偏向動作を行うことを特徴とする。

Claims (8)

1. 入射光を検出する光検出器であって、
   前記入射光を導光する導光部と、
   前記導光部により導光された前記入射光を偏向させる偏向部と、
   前記偏向部により偏向された前記入射光のうち一部を検出する受光部と、
   を備え、
   前記偏向部は、前記入射光を偏向させる複数の光偏向素子を含む光偏向素子群を複数有し、
   前記光偏向素子群は、前記複数の光偏向素子が互いに電気的に並列に接続されて構成され、
   前記光偏向素子群が有する前記複数の光偏向素子は、パッシブマトリクス駆動により、同時に偏向動作を行い、
   複数の前記光偏向素子群は、時間経過と共に同時または順番に前記偏向動作を行う光検出器。
2. 前記光偏向素子は、
   平面状部分を有する基板と、
   前記入射光を偏向する偏向面を有する板形状部材と、
   前記平面状部分に突設され、前記板形状部材の前記偏向面と反対側の面に接離自在に、該板形状部材の傾斜動作の支点となる支点部材と、
   前記板形状部材の配置を規制し、該板形状部材との間に空隙が設けられることにより該板形状部材の傾斜動作を自在に可能とする笠形状部材と、
   前記平面状部分に、前記支点部材に対して対称に配置された複数の電極と、
   を備え、
   前記板形状部材は、前記反対側の面において前記複数の電極に対向する導電性領域を含む請求項１に記載の光検出器。
3. 前記偏向面は、反射面である請求項２に記載の光検出器。
4. 前記受光部は、単一の受光素子で構成された請求項１～３のいずれか一項に記載の光検出器。
5. 前記光偏向素子が前記入射光を前記受光部に向けて反射させない状態において、該入射光が入射した場合に該光偏向素子により反射された該入射光を吸光する吸光部を、さらに備えた請求項１～４のいずれか一項に記載の光検出器。
6. レーザ光を放射する光源と、
   前記レーザ光を第１方向に走査するように偏向させる光走査部と、
   前記光走査部により偏向された前記レーザ光を外部へ放射させる光学系と、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出器と、
   を備えた測距装置。
7. 前記光学系は、前記光走査部により反射された前記レーザ光を、前記第１方向と交差する方向に拡大して外部へ放射させ、
   前記光偏向素子群は、前記複数の光偏向素子を第２方向に並べて構成された請求項６に記載の測距装置。
8. 前記光源から前記レーザ光が放射されてから、前記受光部により光が検出されるまでの時間により求まる距離に基づいて、三次元画像を生成する生成部を、さらに備えた請求項６または７に記載の測距装置。

Images