JP5681176B2 - パルス光による光学式距離計 - Google Patents

Description

本発明はカメラに関し、特に、光学式距離計、この距離計の操作方法、さらにこの方法で使用される受信器および対応するコントローラに関する。特に、本発明は、自動車用の応用において有利な使用方法を見出すことができる。

照射光と反射時間との間の経過時間を測定することによって距離を検出するための装置の形状で、ＴＯＦ（飛行時間）に基づいた光学式距離計を提供することは既知である。反射光（信号）およびバックグランド光（ノイズ）の両方が検出されるけれども、信号処理によってノイズ光を取り除くことによって、信号成分を抽出することができる。屋外又はその他の明るい環境下での操作のために、日中と夜間とのかなりの明度差に基づいて、大きなダイナミックレンジが必要とされる。広いダイナミックレンジを達成するために、ＴＯＦベースの光学式距離計に対し、２つのダイナミックレンジ拡大方法が知られている。１つは光学に基づいており、他方は自動感度適応を使用する。

光学に基づく方法の一例は、光検出器の前の光減衰器によって入射光を調整することを含む（特許文献１）。他の例は、複数の光検出器を用いて分離した光を検出することを含む（特許文献２）。さらに、異なるパワーを有する複数のレーザ源による照射も、知られている（特許文献３）。

特許文献１の方法では、光検出器のモノリシック（一体）アレイの場合、各光検出器への入射光を別々に制御することはできない。そのため、モノリシックアレイ全体のダイナミックレンジを拡張することは不可能である。特許文献２の方法は、モノリシックアレイの場合であってもダイナミックレンジを拡張することができるが、光を分離するための複雑でしかも高価な光学系が必要である。特許文献３の方法は、レーザ源のパワーを変えることによって信号成分のダイナミックレンジを拡張することができるが、太陽光のダイナミックレンジはレーザパワーに依存しないので、拡張することはできない。自動感度適応に基づく方法の事例は、逆バイアス電圧（特許文献２）を変えることによって、フォトンカウントモードとアナログモード間で切り替えることを含み、アバランシェフォトダイオード（特許文献４、特許文献５）の出力に基づいて逆バイアス電圧を調整することが公開されている。特許文献２の方法では、逆バイアス電圧を変えることによってモードを簡単に切り替えることができるが、異なるモードに対して異なる２種類の信号処理を必要とするために、システムが複雑化する。特許文献４および特許文献５の方法では、アナログ測定モードのために、単一のフォトンのような非常に弱い信号を検出することができない。光検出器の２Ｄモノリシックアレイの場合、発散ビームがターゲットに伝送されるので、遠いターゲットからの反射は非常に弱い。このような非常に弱い信号は、アナログ測定では検出することができない。単一光子アバランシェダイオードを用いたＣＭＯＳにおける低コスト３Ｄイメージセンサの事例が、非特許文献１に示されている。数多くのＴＯＦ測定が行われ、ハードウエア又はソフトウエアによって処理される。ヒストグラムが形成され、閾値操作によってノイズが除去される。深度値は多くの測定、この与えられた事例では１００００測定、の平均に基づいている。使用した平均の光学パワーは７５０μＷであった。

特開２０００−００２７６５号公報 特許第２８２００９５号 特開２０００−２０６２４６号公報 特開平０１−２５７２８９号公報 特開２００７−０７８４２４号公報

"Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＣＭＯＳ ３−Ｄ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅｓ"Ｃ．Ｎｉｃｌａｓｓ Ａ．Ｒｏｃｈａｓ、Ｐ．Ａ．Ｂｅｓｓｅ Ｅ．Ｃｈａｒｂｏｎ ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、 ｖｏｌ．４０、ｎ．９、Ｓｅｐ．２００５

本発明の目的は、代替的なカメラおよび特に光学式距離計、このような距離計を操作する方法、このような方法で使用される受信器および対応するコントローラ、を提供することである。

第１の観点によれば、本発明は、飛行時間測定に基づいた光学式距離計を提供し、この光学式距離計は、オブジェクトに向ってパルス光を放射する照射装置と、オブジェクトからの光を受信するように配置された光受信器を有し、この受信器はフォトンカウントモードで動作して、検出されたフォトンまたはフォトンのグループに対してパルスを発生し、この受信器は可変のフォトン検出確率を有し、さらにこの受信器は、この受信器のフォトン検出確率を光のレベルに基づいて制御するためのコントローラを有している。

光レベルに基づいて検出確率を制御することによって、受信器は拡大されたダイナミックレンジを有することができる。これは、非常に弱い信号を検出する場合であっても当てはまる。何故なら、検出確率が制御されている間でも、受信器は依然としてフォトンカウントモードであるから。これは、非常に強い日照時であっても当てはまる。何故なら、受信器のフォトン検出率を下げて飽和を防止することができるので。その上、オブジェクトからの反射強度は、距離とオブジェクトの反射性に依存している。本発明に係る方法および装置は、このようなオブジェクトの特性に依存せずに、動作可能である。本発明の実施例は、ダイナミックレンジを拡大するために光学部品を使用するよりも、簡単でしかも安価である。光のレベルは、受信器の出力を一定の期間にわたってカウントすることによって、或いは受信器の外部の別の検出器によって、或いはその他の何らか方法で、表示され得る。本発明の実施例の利点は、光学式距離計のダイナミックレンジを著しく改善し、その結果、ダイナミックレンジに最早、限界を必要としないことを含む。

本発明の実施例は他の追加的な特徴を有することが可能であり、このような追加的特徴の幾つかが従属の請求項に述べられており、以下にさらに詳細に説明されている。

他の観点によれば、オブジェクトに向ってパルス光を伝送することによって生成されたオブジェクトからのパルス光を受信する受信器を使用する、対応する方法を提供し、この方法は、検出されたフォトンまたはフォトングループに対してパルスを生成するために受信器をフォトンカウントモードで動作させること、受信器が可変のフォトン検出確率を有すること、光のレベルに基づいてフォトン検出確率を制御すること、の各ステップを有する。

他の観点によれば、受信器を動作させる上記の方法においての使用に適した、対応するコントローラを提供する。このコントローラによってパルス光がオブジェクトに伝送され、オブジェクトからパルス光が受信され、且つ、このコントローラは検出されたフォトンまたはフォトングループに対してパルスを生成するために受信器をフォトンカウントモードで動作させるように適応されており、受信器は可変のフォトン検出確率を有し、コントローラは、例えば全てのノイズレベルと同様に光レベルを示す信号を受信するための入力を有し、受信器の信号に基づいて受信器のフォトン検出確率を制御するように構成されている。アバランシェフォトダイオードの降伏電圧は温度に敏感であるため、暗計数率と同様にフォトン検出確率は、特に自動車用の応用に対して、変動する。この効果は、受信器の出力に基づいてフォトン検出確率を制御することによって、補償することができる。この出力は、太陽光および暗計数のような、信号（光）レベルと例えば全てのノイズレベルを表示する。従って、本発明の重要な利点の１つは、ＡＰＤ特性の変動を補償することである。これらの特性は、受信器の出力レベルをモニタすることによって、光レベル調整と同時に補償され得る。

全ての追加の特徴を共に組み合わせることができ、さらに全ての観点と組み合わせることができる。特に他の従来技術に対するその他の利点は、当業者にとって明らかである。

一実施例に係る光学式距離計の照明および受信部分を示す。 図１の実施例またはその他の実施例のための光検出器の２Ｄアレイを、１個のピクセルの拡大図と共に示す図である。 一実施例に係る、１個のピクセルのための受信器の構成を示す。 一実施例に従って飛行時間を決定するための、照射、反射および検出パルスのタイミング図を示す。 図３の実施例において使用される、リセット信号と２つのクロック信号に対するタイミング図を示す。 他の実施例に係る、１個のピクセルのための受信器の、シフトレジスタを使用した代替構成を示す。 他の実施例に係る、１個のピクセルのための受信器の、差動カウンタを使用したさらに他の代替構成を示す。 本発明の全ての実施例と共に使用可能な処理システムの１構成を示す。

以下、添付の図面を参照し、本発明の特定の実施例について説明するが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲のみに限定される。記載した図面は概略図であり、且つ、非限定的である。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張されており、且つ、縮尺どおりに描かれてはいない。本願の明細書および特許請求の範囲において“備える”と言う用語が使用された場合、これは、他の要素またはステップを排除するものではない。特別に言及しない場合、単数の名詞はその名詞が複数の場合を含んでいる。

特許請求の範囲で使用された“備える”と言う用語は、その前に列挙した手段に限定するものとして解釈されるべきではなく、他の要素またはステップを排除しない。従って、“手段ＡおよびＢを備える装置”との表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみからなる装置に限定されるべきではない。これは、本発明に関して、装置の関連構成要素のみがＡおよびＢであることを意味する。

さらに、明細書および特許請求の範囲における用語、第１、第２、第３等は、類似の要素間を区別するために使用され、必ずしも順序または時系列を示すものではない。このように使用された用語は、適切な状況下で相互に交換可能であり、此処に記載した発明の実施例は、此処に記載しあるいは図示したのとは別の順序で動作可能である。

さらに、明細書および特許請求の範囲における用語、最上部、底部、上、下等は、説明目的のために使用されており、必ずしも相互の位置を説明するものではない。このように使用された用語は、適切な状況下で相互に交換可能であり、此処に説明した発明の実施例は、此処に記載したのとは異なる他の配置で動作可能であることを理解すべきである。

特許請求の範囲に使用された用語“備える”はその前に列挙した手段に限定されると解釈すべきではなく、他の要素またはステップを排除するものでないことに注意すべきである。従って、これは、記載した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定していると解釈すべきで、１つまたはそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。従って、“手段ＡおよびＢを備える装置”との表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみからなる装置に限定されるべきではない。本発明に関して、これは、装置の関連構成要素のみがＡおよびＢであることを意味している。

この明細書を通して、“一実施例”または“実施例”との言及は、実施例に関連して記載された特定の特徴、構成または特性が本発明の少なくとも１個の実施例に含まれることを意味している。従って、この明細書を通して種々の場所での“一実施例において”または“実施例において”との句の出現は、必ずしも全てが同じ実施例を参照するもではないが、同じ実施例を参照しても良い。さらに、当業者にとってこの開示から明らかなように、特定の特徴、構成または特性は１個またはそれ以上の実施例において、全ての適切な方法で組み合わされても良い。

同様に、本発明の典型的な実施例の記載において、本発明の種々の特徴は、開示を合理化し、種々の発明的観点の１個またはそれ以上の理解を助ける目的で、往々にして共にグループかされて、１個の実施例、図またはその説明となることを認識すべきである。この開示の方法は、しかしながら、１個の発明が、特許請求の範囲の発明が各請求項に明示的に述べられているもの以上の特徴を必要とすることを反映している、と解釈すべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映する様に、発明的な観点は、以前に開示された１個の実施例の全ての特徴よりも少ないものに存在する。従って、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、詳細な説明に明示的に組み込まれ、各請求項はそれ自身で本発明の独立した実施例と同等である。

さらに、此処に記載された幾つかの実施例は、他の実施例に含まれる他の特徴の全てではなく幾つかを含むが、異なる実施例の特徴の組合せは、本発明の範囲内であるとされるべきであり、当業者によって理解されるように異なる実施例を形成する。例えば、以下の請求の範囲において、請求項に記載された実施例の全ては、全ての組合せにおいて使用可能である。

此処に提供する説明において、多くの具体的な詳細が述べられている。しかしながら、本発明の実施例はこれらの具体的な詳細なしで実施することができる。他の例では、この記載の理解を捕らえにくくしないために、周知の方法、構造、および技術は詳細に示していない。

以下に、本発明の複数の実施例の詳細な説明によって、本発明を説明する。本発明の他の実施例が本発明の技術開示を離れることなく、当業者の知識によって構成できることは明らかである。この発明は、添付の請求の範囲の文言のみによって限定される。

少なくとも幾つかの実施例では、飛行時間測定に基づいた光学式距離計を含んでおり、この光学式距離計は、オブジェクトに向って繰り返してパルス光を放射する照射装置と、フォトンカウントモードで動作する光受信装置を備えている。受信装置は、検出された各フォトンまたはフォトングループに対してパルスを発生する。さらに、上記受信装置のフォトン検出確率を、この受信装置の出力に基づいて、または、他の幾つかの光レベルの指示に基づいて制御するためのコントローラを含んでいる。本発明の実施例に係る光学式距離計は、受信器の出力に基づいてフォトン検出確率を制御するので、追加の光学部品を伴うことなくそのダイナミックレンジを拡大することができる。さらに、この装置は、フォトンカウントモードで動作するので、遠いターゲットからの非常に弱い信号を検出することができる。追加の光学部品を伴うことなく、広いダイナミックレンジを有する光学式距離計を達成することができる。コンパクトな電子回路によって、比較的低いレーザパワーで長距離の測定が可能である。

［追加的特徴］
追加的特徴は以下の通りである。
記載した光学式距離計はさらに、パルス数を一定の閾値と比較する装置を含むことができる。この結果が正の出力となる場合（即ち、パルス数が閾値よりも高い場合）、検出器のフォトン検出確率を低下させる。出力が負の場合（即ち、パルス数が閾値以下の場合）、検出器のフォトン検出確率を増加させる。

パルス数を既定の閾値と比較することによって、フォトン計数率を一定に保つことができる。従って、簡単な構造によってダイナミックレンジを拡大することができる。

光学式距離計は、フォトンカウントモードで光を受信するための光受信部品を有し、さらに、フォトン検出確率を調整するための手段を有している。例えば、光学式距離計はアバランシェフォトダイオードを有することができ、さらに、コントローラはアバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧を変化させることによって、フォトン検出確率を制御することができる。アバランシェフォトダイオードを受信装置として利用し、逆バイアス電圧を変えることによってフォトン検出確率を制御するので、比較的単純な構造でフォトン検出確率を調整することが可能となる。

本光学式距離計は、受信装置からのパルスの存在を各ビットにおいて既定の期間記憶するために、例えばシフトレジスタのような、メモリ装置またはバッファ装置を持つことができる。さらに、本距離計は、例えば、シフトレジスタにおけるビット数をカウントすることによってパルスの存在を表す、パルス数をカウントするためのカウンタを有しており、さらに、カウンタの出力を閾値と比較するための比較器を有している。

本光学式距離計において、それぞれが単位時間当たり１個のパルスの存在またはその反対を表すＮビットが、メモリまたはバッファ装置内、例えば、Ｎビットシフトレジスタ内に記憶され、それらは単位時間毎に更新される。フォトン検出確率を制御するために必要な情報は単位時間毎に獲得されるので、本発明の実施例に係る距離計はフォトン検出確率をさらに速やかに制御することができる。

本光学式距離計は、受信装置からパルスが入力された場合カウント数を増加させ、既定期間間隔でカウント数を減少させる、差動カウンタを有することができる。現在のカウント数はメモリ装置、例えばレジスタ内に記憶されても良い。この方法により、受信装置の出力レベルと既定レベルとの差が、差動カウンタのカウント値として記憶される。メモリ装置はシフトレジスタである必要はないので、フォトン検出確率をより速やかに且つ比較的小さい回路で制御することができる。

［図１：一実施例に係る光学式距離計の照明および受信部分］
走査タイプと非走査タイプの２種類のレーザ距離計がある。何れのタイプも本発明の実施例において使用することができる。走査タイプは、平行レーザ光をターゲットに対して走査しながら繰り返して伝送し、１個の光検出器によって反射を検出する。平行光であるために、ターゲット表面でのパワー密度は強化され、その結果として、光ＳＮＲは高くなる。高い空間分解能を有するレンジマップを獲得するために、小さなピッチでの時間のかかる走査が必要となる。リアルタイムでの測定が必要な、典型的な自動車応用の場合、ビームは水平方向に小さなピッチで走査され、測定時間を短縮するために数個の垂直走査層のみがある。一方、非走査タイプは、通常一度でターゲットオブジェクト全体をカバーする発散光を伝送し、光検出器の２Ｄ焦点面によってその反射を検出する。１回の照射によって複数点の測定が可能であるため、空間分解能が高く且つ高速測定であるという利点を有することができる。反対に、発散光であるためターゲット表面でのパワー密度が低く、例えば太陽光のようなバックグランド光を抑えることがさらに重要となる。バックグランド光を抑えるために、送信光（信号）およびバックグランド光（ノイズ）の両者を、検出器を飽和させることなく検出する必要がある。従って、日中と夜とでまたは日向と日陰で（例えば、開放道路とトンネル間で）明度差が極めて大きい、特に屋外環境では、大きな明度ダイナミックレンジが好ましい。

非走査タイプ距離計は照射部分と検出部分を備えている。図１は、本発明の一実施例であり得る距離計の構成を示している。図の上半分に照明部分を示し、下半分に受信部分を示している。照明部分において、クロック発生器６０が光のパルスを駆動するために設けられている。これは、印刷回路基板ＰＣＢ５０上にマウントされている。別の方法として、幾つかの電子部品を単一のチップ上に集積化することもできる。複数のレーザダイオードＬＤ３０が、光のパルスを作るために、関連するＬＤ駆動部分４０と共に配置されている。ＬＤからの光は、ターゲットオブジェクト７０に伝送される前に、例えば、フレネルレンズ２０のようなレンズと拡散器１０を通過する。反射は受信部分によって獲得され、２Ｄアレイ光検出器１００に達する前に、干渉フィルタ８０およびレンズ９０を通過する。このアレイは図２にその詳細が示されている。他の受信器の実施例では２Ｄアレイを有する必要はなく、例えば単一の検出器または検出器ラインを有していても良い。

［図２：１個のピクセルの拡大図と光検出器の２Ｄアレイ］
図２に示すように、本発明の一実施例は光検出器のアレイを使用する。検出器の１個が拡大されている。２Ｄ光検出器アレイの各ピクセルはＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）２１０と周辺回路２２０を有している。ＡＰＤは光感知領域２００を有しており、図示の事例ではこの領域は円形であるが、他の形状も選定可能である。

［図３：ピクセルの１個に対する受信器の構成］
図３は、それぞれのピクセル素子の構成を示す。ＡＰＤ２１０は電源ＶＯＰに接続されて示されている。他端はノードＡ、抵抗Ｒ及びコンデンサＣを介して接地されている。ノードＡからの出力はバッファ３６０を介して周辺回路２２０に供給される。周辺回路は、直列に接続された、ＴＤＣ（時間デジタル変換器）３３０、ヒストグラム回路３４０および信号処理回路３５０を備えている。バッファからの出力はさらに、直列に接続された、カウンタ３７０、比較器３８０および電荷ポンプ３９０に供給される。クロック発生器（図示せず）が周期ＴのＣＬＫ１と周期ＭＴのＣＬＫ２を提供する。ＣＬＫ１はＬＤアレイのパルスタイミングを定義し、ＣＬＫ２は、Ｍパルスの照射後、信号処理によって距離の計算を開始するタイミングを定義する。ＣＬＫ１はＬＤアレイと２Ｄ光検出器アレイに供給され、且つ、ＣＬＫ２は２Ｄ光検出器アレイにのみ提供される。ＬＤアレイに提供されたＣＬＫ１はそれぞれのＬＤ駆動回路に分配され、その後、それぞれのＬＤは発光する。レーザを、ＴＯＦの精度を上げる短いパルスを形成する、ＬＥＤのような別の光源に置き換えることができる。速い応答と狭いスペクトルバンドの故に、ＬＥＤよりもむしろレーザ光が好ましい。しかしながら、ＬＥＤを適用することもできる。本発明は主にレーザを参照して説明されるが、本発明はこれに限定されるものではない。

レーザ発光は例えばフレネルレンズのようなレーザによって、平行化／視準化され、その後拡散器によって拡散され、ターゲットに向って伝送される。拡散器は、入射光のビーム発散角を定義する、それ自身の特性を有している。それぞれのＬＤからの発光は統合され、円錐ビームを形成することができる。ターゲットはこの円錐ビームによって照射され、その反射が光検出器の２Ｄアレイによって一度に検出される。このようにして、高い空間分解能を有するレンジマップを獲得することができる。拡散器を使用する別の利点は、“見かけ上の光源”のサイズを拡大することである。“見かけ上の光源”とは、レーザ安全性のＩＥＣ標準によって定義された用語であり、最小限の網膜像を形成する、リアルまたはバーチャルなオブジェクトとして定義される。一定のレーザ出力パワーを仮定すると、大きな見かけ上の光源が眼の安全性のためには好ましい。拡散器を利用して見かけ上の光源を拡大することによって、眼の安全性を確保することができる。

ターゲット上で反射された光は干渉フィルタとレンズを通過し、光検出器のアレイ上に像を形成する。アレイ上に集中された入射光は、ＡＰＤによって検出される。入射光の特定の波長或いは波長範囲のみが干渉フィルタを通過することができる。レーザ波長とフィルタの透過バンドを調整することによって、バックグランド光の殆どをブロックすることができる。典型的なレーザバンド幅は数ｎｍであるが、波長の中心は温度変動によってシフトすることがある。広い温度条件での動作を保証するために、フィルタの通過または透明バンドは１０ｎｍ以上、典型的には数十ｎｍに広げることが好ましい。従って、バックグランド光を完全にブロックすることはできず、幾つかの実施例ではバックグランド光を信号処理によって抑制することが必要である。

ＡＤＰはフォトダイオードの一種であり、高電界を支持する。アバランシェ動作には２つのモードがある。一方はリニアモードであり、逆バイアス電圧が降伏電圧よりも少し小さく、他のモードはガイガーモードであり、逆バイアス電圧が降伏電圧よりも高い。ＡＰＤにフォトンが入射すると、一対のホールおよび電子が生成され、高電界によって加速される。加速されたホールと電子の衝突によって、別の電子ホール対が次から次に雪崩のように生成される。リニアモード動作では、生成速度は蒸発速度よりも小さく、そのため、雪崩は自身で停止し得る。出力電流は入射光に比例するので、入射光のパワーを測定することができる。デジタル形式で動作する前述のガイガーモードとは対照的に、リニアモード動作はアナログであり、従ってアナログ測定と呼ばれる。ガイガーモード動作において、単一のフォトンはアバランシェ現象をトリガすることができ、これは逆バイアス電圧を降伏電圧以下に低下させることによって、停止することができる。このアバランシェ停止動作は、クエンチングと呼ばれる。最も簡単なクエンチング回路は、ＡＰＤに直列な抵抗Ｒによって実現できる。アバランシェ電流は抵抗の電圧を増加させると同様に、ＡＰＤのバイアス電圧を降下させる。その結果、アバランシェ電流がバイアス電圧の降下によって停止され得る。このクエンチング回路によって、入射フォトンが検出され、電圧パルスとしてカウントされる。ガイガーモードはフォトンカウントモードと呼ばれる。本発明はＡＰＤに限定されない。例えば、その代わりにＰＭＴ（光電子増倍管）がある。さらに、本発明は個々のフォトンを検出することに限定されない。１００％のフォトン検出確率は理論的に不可能であるため、実際はフォトングループがアバランシェをトリガする。例えば、２０％のフォトン検出確率の場合、５個のフォトングループが平均で１個のアバランシェをトリガすることが可能である。

リニアモードの感度はＱＥ（量子効率）と暗電流によって表すことができる。ＱＥは入射フォトン１個に対するホール電子対の発生パーセントとして定義される。暗電流は、入射フォトンがない場合でも流れる電流であり、熱ノイズの最小レベルである。ＮＥＰ（ノイズ等価電力）はＱＥから計算することができる。例えば、暗電流が１００ｎＡの場合、ＱＥは５０％であり、単一の電子の電荷は１．６×１０−¹⁹Ｑ、ＮＥＰは５０［ｎＡ］／１．６×１０^-19／０．５＝１．２５×１０¹²［フォトン／秒］である。一方、フォトンカウンタの感度は、フォトン検出確率および暗計数率によって表すことができる。ガイガーモードＡＰＤがクエンチされない場合、アバランシェ電流は流れ続け、その結果、ＱＥは無限大となる。ガイガーモードＡＰＤがクエンチされた場合、アバランシェパルスの生成は入射フォトンに関する確率現象であり、この確率はフォトン検出確率と呼ばれる。リニアモードにおける暗電流と同様に、ガイガーモードにおいてアバランシェパルスは熱的にトリガされ、アバランシェパルスの周波数は暗計数率として表すことができる。この実施例において、ＡＰＤはガイガーモードで動作する。最近、ＣＭＯＳ処理技術によって作られたガイガーモードのＡＰＤが開発され、２Ｄアレイの低コスト実現が可能となった（非特許文献１）。ＴＤＣ、ヒストグラム回路、信号処理回路、カウンタ、比較器および電荷ポンプのような、それぞれのピクセルにおける電子部品は、同じＣＭＯＳプロセスを用いて単一のチップで実現することができる。

ＣＬＫ１およびＣＬＫ２はＴＤＣおよびカウンタに分散される。フォトンのＡＰＤへの到着後のそれぞれのピクセルの動作を、図３を用いて説明する。フォトンの到着によってアバランシェ電流がトリガされると、ノードＡの電位は高くなる。この電位上昇によって、バッファを介してパルスが生成され、ＴＤＣおよびカウンタに出力される。ＴＤＣはＣＬＫ１からＰＬＳへの経過期間を測定し、それをデジタル値として出力する。ＰＬＳが観測されない場合、デフォルトの最大値が出力される。ヒストグラム回路は、アドレスがＴＤＣ出力に対応するメモリを増加させ、それによって出力値を捨てる。ＴＤＣ出力がデフォルトの最大値である場合、メモリは増分されない。ＣＬＫ１のＭサイクルを繰り返した後、ＣＬＫ２のタイミングで、ヒストグラムメモリが信号処理回路に投入され、ＴＯＦが、最大値が記憶されたメモリのアドレスに基づいて計算される。それぞれのピクセルからのＴＯＦは、図示しない読み出し回路を介してアレイから、此処で詳細に説明する必要のない確立した手順に従って、順次読み出すことができる。

［図４：照射、反射および検出パルスのタイミングチャート］
上記で述べたように、バックグランド光を干渉フィルタによって完全にブロックすることは、往々にしてできないので、検出されたフォトンは送信光（信号）およびバックグランド光（ノイズ）の両方を含んでいる。オプションとして、図４を用いてバックグランド光の抑制について説明する。測定の間、距離計およびターゲットに移動がないことを仮定すると、レーザ光が繰り返し伝送され検出される場合、検出タイミングは一定である。従って、ＴＯＦは、多くの繰り返し測定から静的に特定することができる。多く（Ｍ）の測定からヒストグラムを作成すると、そのヒストグラムはＴＯＦの時点においてピークを有する、即ち、隣接するビンの１個またはそれ以上が他よりもより充満している。バックグランド光のフォトンの到着時間はＣＬＫ１（レーザ伝送）に関係していないので、その測定はヒストグラムにおいて均等に分布している。信号処理回路によって、ヒストグラム中のピーク位置を抽出することによって、真のＴＯＦを特定することができ、且つ、バックグランド光の効果を抑制することができる。このようなヒストグラムの１例が図４に示されており、光学ＳＮＲが０．０１である場合の実際の測定結果を備えている。非常に低いＳＮＲの場合であっても、ヒストグラムピークを確実に抽出できることを、理解すべきである。ＴＯＦはそれぞれのピクセルにおいて独立に測定され、その結果、複数のＴＯＦから２Ｄ深度マップを得ることができる。

この実施例において、ピーク抽出の最も簡単な方法が説明されているが、本発明によってピーク抽出の他の方法もまた可能である。例えば、ビンを平滑化した後に最大値を検索することもできる。この平滑化は、ビンの幅が小さい場合、ビンの変動に対してその確実性を強化する。おおよそのピーク位置を特定した後、重心を抽出することも、同様に効果的である。

上記のヒストグラム処理によってピーク位置を正確に特定するために、充分な数の測定値が必要となる。平均のフォトン検出数は統計的に変動し、その分散はフォトンショットノイズと呼ばれる。このショットノイズはポアソン分布に従い、その分散は検出数の２乗根に等しい。ピーク抽出の精度は、特に検出数が小さい場合に、ショットノイズによって低下する。最大値ビンの位置が検索された場合、変動は、Ｓｑｒｔ（Ｎｓ）によって表すことが可能で、此処で、Ｎｓは最大値ビンの値を意味する。Ｎｓが１００であると仮定すると、変動は１０であり、従ってＳＮは１０となる。Ｎｓが１００００であると仮定すると、変動は１００となり、従ってＳＮは１００となる。ピーク抽出の確実性は測定の数に依存することがわかる。さらに、遠いターゲットの検出は、到着するフォトンの数が少ないために、不利である。

以下に、高すぎるフォトン係数率（即ち、フォトン計数短サイクル）の問題について考察する。ガイガーモードにおけるＡＰＤは、フォトンを検出することができない不感時間を有している。上記で述べたように、単一のフォトン検出（または、フォトングループの検出）のために、逆バイアス電圧を降伏電圧以上に増加させる必要がある。アバランシェを停止させるためにクエンチング回路によってバイアス電圧を低下させた後、そのバイアスを再び増加させるためには、ある時間を要する。この要求される時間が、不感時間と呼ばれる。ガイガーモードにおいて、平均のフォトン計数サイクルをこの不感時間よりも短くすることはできない。フォトン検出サイクルが不感時間に近い場合、検出されたフォトンの数は最早、到着フォトン数に比例しない。その上、ヒストグラム形状のゆがみに基づいて、ピーク位置は真の位置よりも短い方向にシフトし得る。この効果は、フォトン検出サイクルが不感時間の１０倍よりも小さくなった場合に、重要となる。典型的な不感時間が５０ｎｓであると仮定すると、フォトン検出サイクルが５００ｎｓよりも小さくなると、ゆがみの効果は重要となる。この問題は、ターゲットまでの距離が短い場合または太陽光が明るい場合、フォトン検出率の増加によって発生する。

従って、フォトン検出サイクルが長すぎる場合も短すぎる場合も、フォトンショットノイズおよびヒストグラム歪にそれぞれ基づいて、不利である。ＴＯＦの正しい検出のためには、入射光強度の範囲を限定する必要があることが分かる。上限および下限の比が、光検出器のダイナミックレンジを表し、これは、特に、屋外条件下の操作に対して重要なパラメータである。

［図５：パルスカウントのためのリセット信号およびクロック信号のタイミングチャート］
本発明の実施例において、光学受信器は、フォトンカウントモードが可能であり、フォトン検出確率を調整するための手段を有していると指摘されている。ガイガーモードＡＰＤは、逆バイアス電圧を降伏電圧以上に変化させることによって制御が可能である。ダイナミックレンジは、入射光および、同様に例えばノイズレベルが変化しても、フォトン検出率を一定に保持することによって、拡大される。フォトン検出率に基づいて逆バイアス電圧を調整する方法を、図３および図５の信号タイミング図を用いて説明する。カウンタ３７０は、ＡＰＤからのパルスを、遅延素子３６５による遅延後のＣＬＫ２に基づいてリセット信号ＲＳＴが入力されるまで、カウントし続ける。カウントされた数値は、ＭＴ時間内のフォトン検出数である。ＥＮが入力された場合、比較器はカウントされた数値を既定の閾値Ｎと比較し、カウントされた数値が大きい場合Ａｄｄ信号を出力し、大きくない場合Ｒｅｍｏｖｅ信号を出力する。“Ａｄｄ信号”が電荷ポンプに入力されると、Ｖｃが増加する。反対に、“Ｒｅｍｏｖｅ信号”が電荷ポンプに入力されると、Ｖｃが減少する。その結果、ＰＬＳ出力率を一定にする目的で、ＡＰＤの逆バイアス電圧が調整される。

コンデンサはＶｃの変動を安定化する機能を有する。検出フォトン（またはフォトングループ）の数が時間ＭＴ内にＮより大きい場合、逆バイアス電圧は減少し、その結果、フォトン検出確率は低下し、また、その逆もまた同じとなる。従って、逆バイアスは常に調整されて検出されたフォトンの数をＮの近くに維持する。原理上、カウンタまたは比較器への入力は、周囲光レベルを表示する全ての光検出器から取ることができる。入力光が変化した場合であっても、フォトン検出数を一定に維持することができるので、ヒストグラムのピークを正確に抽出することができ、その結果、ダイナミックレンジを拡大することができる。

［図６：第２の実施例、受信装置のシフトレジスタを用いた代替的構成］
図６に第２の実施例を示す。図３のカウンタは、Ｍビットシフトレジスタ４７０と加算器４７５によって置き換えられる。ＣＬＫ１は、遅延素子３６５によって１パルスだけ遅延され、シフトレジスタに入力される。シフトレジスタは期間Ｔで更新される。ＡＰＤからパルスが入力されると、上位１ビットが１となり、さらに、シフトレジスタが更新されると、下位１ビットが放棄される。Ｍビットシフトレジスタは常に、最新のＭ期間の情報を記憶して、パルスの存在を表す。パルス照射ごとに、加算器は、１にセットされたビットの数をカウントし、それを比較器に出力する。比較器の動作は図３のものと同じであるが、しかし、ＥＮの期間はＭＴの代わりにＴである。その結果、Ｖｃの更新期間はＭ倍だけ短くなり、入射光および同様にノイズレベルの突然の変化に従って、さらに速やかに調整することができる。

［図７：第３の実施例、差動カウンタを用いた代替的構成］
図７に第３の実施例を示し、この実施例において図３のカウンタと比較器は差動カウンタ５７０に置き換えられている。差動カウンタは、ＡＰＤからＰＬＳが入力されると増分され、ＴＲＧが入力されると減分される。ＥＮが入力されると、カウントされた数値の符号が出力される。フォトン検出サイクルがＴＲＧサイクルよりも長い場合、蓄積されたカウントは正であり、Ｖｃは電荷ポンプによって低下させられる。逆バイアス電圧が増加するので、光検出確率は強化される。フォトン検出サイクルがＴＲＧサイクルよりも短い場合、動作は逆となる。その結果、逆バイアス電圧は、フォトン検出サイクルとＴＲＧを均一化する目的で制御が可能となる。フォトン検出のタイミングサイクルはＴＲＧサイクルを変更することによって容易に設定することができる。Ｖｃのサイクルを更新することは、ＥＮのサイクルを変えることによって行うことができ、その結果、Ｖｃの速やかな制御が可能となる。その上、図６のＭビットシフトレジスタ４７０が不要であるため、回路が簡略化される。簡略化された回路はＬＳＩにおいてコンパクトな実装を可能とする。光検出器のモノリシックアレイとしての実装の場合、それぞれのピクセルの領域をコンパクトにすることは、フィルファクタおよびピクセル数の両者に対して、非常に重要である。

［実施］
ハードウエア回路の形で説明されているけれども、幾つかの部分は、例えば、汎用マイクロプロセッサまたは特定用途向け集積回路のような従来型の処理ハードウエアによって実行される、全てのコンピュータ言語でのソフトウエアによって実現可能である。例えば、本発明の実施例に係るコントローラは、ハードウエア、コンピュータソフトウエアまたは両方の組合せとして実現することができる。コントローラは、汎用プロセッサ、組み込みプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはその他のプログラマブル論理デバイス、ディスクリートゲートまたはトランジスタロジック、ディスクリートハードウエア部品、または此処に記載した機能を実施するように設計された全ての組合せ、を含むことができる。プロセッサを、計算装置の組合せ、例えば、ＦＰＧＡとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＦＰＧＡと連結する１個またはそれ以上のマイクロプロセッサ、またはその他のこのような構成として、実現しても良い。

上記で示したように、本発明はさらに、本発明において使用されるプロセッサシステムを提供する。この処理システムは、計算装置または処理エンジン、例えばマイクロプロセッサ、を含むことができる。本発明の実施例または特許請求の範囲に従って上記で説明した全ての方法は、図８に示すような処理システム４０において実現することができる。図８は、処理システム４０の一構成を示し、このシステムは、少なくとも１つの形状のメモリ、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を含むメモリサブシステム４２に接続された、カスタマイズ可能な即ちブログラマブルプロセッサ４１を含んでいる。プロセッサ４１または複数のプロセッサは、汎用プロセッサまたは特殊用途向けプロセッサであって良く、さらに、例えば、他の機能を実行する他の部品を有するチップのような装置中に含まれていても良い。このようにして、本発明の実施例に係る方法の１個またはそれ以上の観点を、デジタル電子回路において、またはコンピュータハードウエア、ファームウエア、ソフトウエア、またはこれらの組合せにおいて実現することが可能である。処理システムは、少なくとも１個のディスクドライブ、および／またはＣＤ−ＲＯＭドライブおよび／またはＤＶＤドライブを有する、記憶サブシステム４３を含んでいても良い。幾つかの実装において、ディスプレイシステムとキーボードシステムを、例えばパラメータ値のような情報をユーザがマニュアルで入力するために、ユーザインターフェースサブシステム４４の一部として含むようにしても良い。データを入力し且つ出力するポートも含んでいても良い。ネットワーク接続、種々のデバイスへのインターフェース等のような更なる素子を含んでいても良いが、しかし、これらは図８には示されていない。処理システム４０の種々の素子は、図８に示すバスサブシステム４５を介したものを含む、種々の方法で結合されても良い。図８のバスサブシステム４５は、単純化のために単一バスとして示すが、当業者は少なくとも１つのバスのシステムを含むことを理解することができる。メモリサブシステム４２のメモリは、命令セットの一部または全て（何れの場合も４６で示されている）をある時期に保持することができる。この命令セットは処理システム４０上で実行された場合、此処に記載した方法の実施例のステップを実現する。

ソフトウエアは、既定の期間にわたってパルスのそれぞれの記録を記憶するように構成された、例えばシフトレジスタ（４７０）のようなメモリデバイスから、読み出しまたは書き込みを行うように適応されていても良い。

このようなコンピュータプログラム製品は、プログラマブルプロセッサによる実行のために、機械可読コードを搬送するキャリア媒体中に、有体に具現化され得る。このように、本発明は、コンピュータプログラム製品を搬送するキャリア媒体に関し、このコンピュータプログラム製品は、計算手段上で実行された場合に上述した全ての方法を実行するための命令を提供するものである。“キャリア媒体”と言う用語は、プロセッサに実行のための命令を提供することを共有する、全ての媒体に言及する。このような媒体は、多くの形状を取ることができる。この形状は、不揮発性媒体および伝送媒体を含むがこれらに限定されることはない。不揮発性媒体は、大容量記憶装置の一部である記憶装置のような、例えば、光または磁気ディスクを含む。コンピュータ可読媒体の共通形状は、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、フレキシブルディスクまたはフロッピイディスク、テープ、メモリチップまたはカートリッジ、または、コンピュータが読み出すことのできるその他全ての媒体を含む。コンピュータ可読媒体の種々の形状は、実行のためにプロセッサへ１個またはそれ以上の命令の１個またはそれ以上のシーケンスを搬送することが含まれる。コンピュータプログラム製品は、例えば、ＬＡＮ、ＷＡＮまたはインターネットのようなネットワークにおける搬送波を介して伝送することができる。伝送媒体は、電波および赤外での通信の間に生成されるもののような、音響波または光波の形状を取ることができる。伝送媒体は、コンピュータ内のバスを構成する配線を含む、同軸ケーブル、銅線、光ファイバを含む。

Claims (15)

1. 飛行時間測定に基づく光学式距離計であって、オブジェクト（７０）に向ってパルス光を照射する照射装置（３０）と、前記オブジェクトからの光を受信するように構成された光受信器（２１０）とを有し、前記受信器は検出フォトンに対してパルスを発生するためにフォトンカウントモードで動作し、且つ、前記受信器上でフォトン検出の可変確率を要求するものであり、前記光学式距離計はさらに、前記受信器のフォトン検出確率を入射光レベルに基づいて制御するためのコントローラ（３７０、３８０、３９０；３６５、４７０、４７５、３８０、３９０；５７０、５８０、５９０、３９０）を有し、前記コントローラは前記パルスを一定期間にわたって受信し且つフォトンのカウントを閾値と比較するデバイス（３７０，３８０）を有し、前記コントローラは、前記比較の結果を前記フォトン検出確率を増加または減少させるために使用するように構成されている、光学式距離計。
2. 請求項１に記載の光学式距離計において、前記コントローラは、前記入射光レベルを表すために、前記受信器の出力からの入力を有する、光学式距離計。
3. 請求項２に記載の光学式距離計において、前記デバイス（３７０、３８０）は、全てのノイズレベルと同様に、前記入射光レベルを示す信号を受信するように適応され、前記受信器の信号に基づいて、前記光受信器のフォトン検出確率を制御するように構成されている、光学式距離計。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学式距離計において、前記受信器は、前記フォトン検出確率を変更するための手段を有する光学式受信部品を備え、前記コントローラは前記フォトン検出確率を変更することによって前記フォトン検出確率を制御するように構成されている、光学式距離計。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の光学式距離計において、前記光学式受信部品はアバランシェフォトダイオード（２１０）を備え、前記コントローラは前記アバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧を変更することによって前記フォトン検出確率を制御するように構成されている、光学式距離計。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の光学式距離計において、予め定義された期間にわたってそれぞれのパルスの記録を記憶するように構成されたメモリと、前記メモリに記録されたパルスを合計するように構成された加算器（４７５）と、カウンタの出力を閾値と比較するように構成された比較器（３８０）とを有する、光学式距離計。
7. 請求項６に記載の光学式距離計において、前記メモリは、予め定義された期間にわたって、それぞれのパルスの最新の記録を常に記録するように構成されたシフトレジスタ（４７０）である、光学式距離計。
8. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の光学式距離計において、前記受信器からのパルスが入力された場合カウント数を増分し、予め既定された期間間隔でカウント数を減分するように構成された差動カウンタ（５７０）を有する、光学式距離計。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の光学式距離計において、ヒストグラムに従ってノイズから求める信号を区別し、且つ前記求める信号の飛行時間を決定するためのヒストグラム回路（３４０）を有する、光学式距離計。
10. オブジェクト（７０）に向ってパルス光を照射することによって生成されたオブジェクトからのパルス光を受信するように適応された受信器を使用する方法において、前記方法は、受信光の、検出され受信されたフォトンに対してパルスを生成するために、前記受信器をフォトンカウントモードで動作させ、前記受信器においてフォトン検出の可変確率が存在し、入射光レベルに基づいて、前記受信器のフォトン検出確率を制御し、前記パルスを一定期間にわたってカウントし且つ前記カウントを閾値と比較し、さらに、前記比較の出力に応答して前記フォトン検出確率を増加させ或いは減少させる、各ステップを備える、受信器を使用する方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、受信した光の飛行時間を決定するステップを有する、受信器を使用する方法。
12. 請求項１０または１１に記載の方法において、予め定義された期間にわたってそれぞれのパルスの最新の記録を記憶するステップをさらに備える、受信器を使用する方法。
13. オブジェクト（７０）に向ってパルス光を照射することによって生成されたオブジェクトからのパルス光を受信するように適合された受信器の操作方法において使用するために適したコントローラ（３７０、３８０、３９０；３６５、４７０、４７５、３８０、３９０；５７０、５８０、５９０、３９０）において、前記コントローラは、前記受信器をフォトンカウントモードで制御し、受信光の検出された受信フォトンに対してパルスを生成するように適合されており、前記受信器上にはフォトン検出の可変確率が存在し、前記コントローラは入射光レベルを表す信号を受信するための入力を有し、前記入射光レベルに基づいて、前記受信器のフォトン検出確率を制御するように構成され、前記コントローラは前記パルスを一定期間にわたって受信し、且つフォトンのカウントを閾値と比較するデバイス（３７０，３８０）を有し、前記コントローラは、前記比較の結果を前記フォトン検出確率を増加または減少させるために使用するように構成されている、受信器の操作方法。
14. 処理エンジン上で実行された場合、請求項１３に記載のコントローラまたは請求項１乃至９の何れか１項に記載の距離計を実行する、コンピュータプログラム製品。
15. 請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品を記憶する、機械可読信号記憶媒体。

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