JP6932223B2 - 光検出装置、及び電子機器 - Google Patents

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Description

本発明はアバランシェ効果を利用した光検出装置、及び電子機器に関するものである。
近年、スマートフォンなどの携帯型情報端末が広く普及している。また、カメラ、近接センサ、方位センサ、加速度センサ、角速度センサ、及び照度センサ等の小型化により、各種センサが多種多様な携帯型情報端末に搭載されるようになってきている。スマートフォンに内蔵されているカメラのオートフォーカス（ＡＦ）については、従来、画像のコントラストを利用して、カメラのオートフォーカスを行う方法が一般的に使用されてきた。しかし、画像のコントラストを利用したＡＦは、暗所等で撮影対象物のコントラストが低い場合に、ＡＦ速度が極端に低下し、レンズの合焦がもたつくといった弱点がある。よって、暗所でも高速のＡＦが可能な、小型高速の測距センサの要望があり、近年、ＴＯＦ（ＴＯＦ：Time Of Flight）方式のＡＦ用測距センサが携帯型情報端末に搭載され始めている。
また、ドローン等のロボットにおいても、障害物を検知する用途で、小型軽量の測距センサが求められている。三角測量方式のＰＳＤ受光素子を用いた測距センサと比較して、小型化・軽量化に有利なＴＯＦ方式の測距センサが有用である。
従来、ガイガーモードで動作されるアバランシェフォトダイオードは、単一光子（フォトン）を検出することができることが知られている。図１０は、従来のアバランシェフォトダイオードにおけるガイガーモードの動作状態を示すグラフである。図１０に示すように、この単一光子の検出は、ブレークダウン電圧ＶＢＤより大きい電圧でアバランシェフォトダイオードを逆バイアスすることにより実現される（図１０の点Ａ）。アバランシェフォトダイオードはフォトンが到着して、アバランシェ増幅が発生すると準安定状態（図１０の点Ｂ）になる。このアバランシェ増幅はアバランシェフォトダイオードに接続されるクエンチ抵抗によって消滅し（図１０の点Ｃ）、このとき、逆バイアス電圧は、ブレークダウン電圧ＶＢＤより小さくなる。その後、逆バイアス電圧がまた大きくなることで、アバランシェフォトダイオードは、ガイガーモードでの待機状態になり、次にフォトンが入射するまで、待機状態（図１０の点Ａ）を保持する。なお、図１０において、電圧ＶＨＶ＿ｖは逆バイアス電圧を印加するための電源の電圧値であり、Ｖｅｘはオーバー電圧（ブレークダウン電圧ＶＢＤと電圧値ＶＨＶ＿ｖとの差）である。これらを総称して、ＳＰＡＤ（ＳＰＡＤ：Single Photon Avalanche Diode）と呼び、単一光子アバランシェフォトダイオードともいう。
このように、ＳＰＡＤは、ガイガーモードで動作して単一光子の到来により検出するために、光に対する感度が非常に高い。ここで、ＳＰＡＤの感度（単一光子の検出効率）は、ＳＰＡＤにて受光する光の波長によって異なるが、数％〜数１０％である。また、ＳＰＡＤを複数個アレイ状に配置することで、ＳＰＡＤ全体の感度（単一光子の検出効率）をさらに高めることができる。ここで、ＳＰＡＤの感度とは、発光部からの光が検知対象物にて反射されてＳＰＡＤにて検出する感度であり、光の受光面積を大きくすることで感度を大きくできる。すなわち、単一光子（フォトン）の検出効率があがる。
ガイガーモードで動作されるアバランシェフォトダイオードとして、例えば、特許文献１には、検知対象物に対して発光部であるＶＣＳＥＬからのパルス光を繰り返し照射し、検知対象物にて反射されたパルス光を繰り返しＳＰＡＤアレイで受光して、検知対象物の画像を取得するＳＰＡＤアレイを備えた光検出装置（画像取得装置）が開示されている。この光検出装置は、ＶＣＳＥＬと、ＶＣＳＥＬをパルス駆動するＶＣＳＥＬドライバとを備え、ＶＣＳＥＬからのパルス光を直接受光するリファレンス側のＳＰＡＤアレイと、検知対象物に反射したパルス光を受光するリターン側のＳＰＡＤアレイが配置されている。それぞれのＳＰＡＤアレイにはＳＰＡＤフロントエンド回路が接続されており、ＳＰＡＤからのパルス信号を波形整形する。ＳＰＡＤフロントエンド回路の出力は、ＴＤＣ（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に接続されている。ＴＤＣは、ＶＣＳＥＬパルス駆動信号を起点（スタート信号）として、リターン側およびリファレンス側のＳＰＡＤからのパルス信号の遅延時間をデジタル化する。ＶＣＳＥＬからの直接光をリファレンス側ＳＰＡＤアレイで受光し、ＶＣＳＥＬから検知対象物にて反射された反射光をリターン側ＳＰＡＤアレイで受光する。そして、ヒストグラム生成回路は、ＴＤＣからの複数の遅延時間の分布としてヒストグラム化する。リターン側のＳＰＡＤ出力のヒストグラムとリファレンス側のＳＰＡＤ出力のヒストグラムの重心の時間差が検知対象物の距離での光の飛行時間に相当する。この時間差を演算回路で演算することにより検知対象物までの距離を算出する。
また、特許文献２には、発光部にレーザが用いられ、検知対象物に対してレーザ光を照射し、検知対象物からの反射光をＳＰＡＤアレイで受光して、検知対象物までの距離を算出する光センサ（測距センサ）が開示されている。
特開２０１３−１３７３２４号公報 米国特許出願公開第２０１７／０３５６９８１号明細書
しかしながら、特許文献１及び２の光センサのように、受光手段としてＳＰＡＤを使用した場合、ＳＰＡＤでは、単一光子の到来時においてある確率で検出パルス信号を出力する。この検出パルス信号は、単一光子の到来毎に各単一光子に対してある確率で発生するものであるため、ＳＰＡＤに入射する単一光子の数が増える、すなわちＳＰＡＤに入射する光強度が大きくなると、ＳＰＡＤの検出パルス信号は複数出力される傾向になる。
特に、リターン側のＳＰＡＤの検出パルス信号は、ＳＰＡＤに入射する光強度が大きくなる（言い換えると、ＳＰＡＤに入射する単一光子の数が増える）と、ＶＣＳＥＬが発する１回のパルス光に対して、リターン側のＳＰＡＤに入射する単一光子の数が増えることになり、検出パルス信号が複数となる。これは、到来した光の光強度が、ＳＰＡＤの通常動作域を超え、ＳＰＡＤの飽和動作域に至ったことによるものである。そして、リターン側のＳＰＡＤの飽和動作により、ＶＣＳＥＬが発する１回のパルス光に対して複数回の検出パルス信号が出力されることで、ヒストグラムに歪みが生じる問題があった。
ＴＯＦ型測距センサの場合、ヒストグラムが歪むことに伴い、検知距離精度が低下するという問題が発生する。すなわち、特に近距離に反射率が高い検知対象物がある場合、リターン側のＳＰＡＤのヒストグラムの重心がリファレンス側のＳＰＡＤのヒストグラムの重心よりも短い側にシフトすることになり、ＴＯＦ型測距センサ出力距離が実際の検知対象物の距離よりも短くなって出力され、近距離の検知距離精度が低下する。
上記に鑑み、本発明は、例えば、発光部の発光量をＳＰＡＤ光子検出率制御部によって制御することで、近距離の検知対象物や、反射率の高い検知対象物に対しても検知距離精度が高い光検出装置、及び電子機器を実現することを目的とする。
（１）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、発光部から出射された少なくとも１つのパルス光である少なくとも１つの第１の光が入射し、ガイガーモードで動作する第１のＳＰＡＤアレイと、前記少なくとも１つの第１の光が検知対象物にて反射された少なくとも１つの第２の光が入射し、ガイガーモードで動作する第２のＳＰＡＤアレイと、前記第１のＳＰＡＤアレイ及び前記第２のＳＰＡＤアレイに逆バイアス電圧を印加する電圧発生部と、前記少なくとも１つのパルス光の数に対する前記少なくとも１つの第２の光の入射により前記第２のＳＰＡＤアレイが出力する少なくとも１つのパルス信号の数の割合を示す第１の光子検出率に基づいて、ＳＰＡＤ光子検出率を調整制御するＳＰＡＤ光子検出率制御部と、を備えることを特徴とする。
（２）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、前記（１）の構成に加え、前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第２の光の入射により前記第２のＳＰＡＤアレイが通常動作域を超えて飽和動作域にあるとき、前記発光部の発光量を小さく制御する前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第１の光子検出率が予め設定された第１の設定値を超えるか否かに基づいて、前記発光部の発光量を制御することを特徴とする。
（３）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、前記（１）の構成に加え、前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第１の光子検出率が予め設定された第１の設定値を超えるか否かに基づいて、前記電圧発生部を制御することを特徴とする。
（４）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、前記（１）の構成に加え、前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第１の光子検出率が予め設定された第１の設定値を超えるか否かに基づいて、前記第１のＳＰＡＤアレイ及び前記第２のＳＰＡＤアレイのうちの少なくとも１つのＳＰＡＤアレイを構成するＳＰＡＤの数を制御することを特徴とする。
（５）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、前記（１）の構成に加え、前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第２のＳＰＡＤアレイが前記少なくとも１つの第２の光の入射により前記第２のＳＰＡＤアレイが通常動作域を超えて飽和動作域にあるか否かに基づいて、前記発光部の発光量を制御することを特徴とする。
（６）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、前記（１）から前記（５）のいずれかの構成に加え、前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第１の光子検出率が３０％以上７０％以内になるように制御することを特徴とする。
（７）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、前記（１）から前記（６）のいずれかの構成に加え、前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記光検出装置と前記検知対象物との距離を測定する前に、前記発光部の発光量を制御することを特徴とする。
（８）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、前記（１）または前記（７）の構成に加え、前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第１の光の入射により前記第１のＳＰＡＤアレイが出力するパルス信号の光子検出率を算出し、前記第１のＳＰＡＤアレイの光子検出率が予め設定された第２の設定値を超える範囲内で、前記発光部の発光量を小さく制御する前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記少なくとも１つのパルス光の数に対する前記少なくとも１つの第１の光の入射により前記第１のＳＰＡＤアレイが出力する少なくとも１つのパルス信号の数の割合を示す第２の光子検出率に基づいて、前記発光部の発光量を制御することを特徴とする。
（９）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光検出装置は、前記（１）から前記（８）のいずれかの構成に加え、前記第１のＳＰＡＤアレイが出力する少なくとも１つのパルス信号に基づく第１のヒストグラムと、前記第２のＳＰＡＤアレイが出力する前記少なくとも１つのパルス信号に基づく第２のヒストグラムと、を生成するヒストグラム生成部と、前記ヒストグラム生成部にて生成された前記第１のヒストグラムの重心と前記第２のヒストグラムの重心に基づいて前記光検出装置と前記検知対象物の距離を算出する距離演算部と、をさらに備えることを特徴とする。
（１０）上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電子機器は、前記（１）から前記（９）のいずれかの光検出装置を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様に係る光検出装置、及び電子機器によれば、近距離の検知対象物や、反射率の高い検知対象物に対しても検知距離精度が高い光検出装置、及び電子機器を提供することができる。
本発明の実施の形態１に係る光検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る光検出装置の構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係るリファレンス側のＳＰＡＤアレイ、ＳＰＡＤフロントエンド回路、及びＨＶ発生回路の一例を示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係るアクティブクエンチ回路の電源及び端子の出力の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る光検出装置の動作の一例を示すシーケンス図である。 本発明の実施の形態１に係るＳＰＡＤアレイにおける逆バイアス電圧の出力の一例を示すグラフ、及びＳＰＡＤバイアス制御ブロックの動作の一例を示すシーケンス図である。 図６Ａにおいて破線Ｓの部分を拡大した拡大図である。 本発明の実施の形態１に係るヒストグラム生成回路の出力ヒストグラムの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る光検出装置のセンサ出力と検知対象物との距離との関係の一例を示す相関図である。 本発明の実施の形態２に係る光検出装置の動作の一例を示すシーケンス図である。 アバランシェフォトダイオードにおけるガイガーモードの動作状態の一例を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面については、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態１について、図１乃至図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図１は、本発明の実施の形態１に係る光検出装置１０１の構造の一例を示すブロック図である。
本実施の形態１における光検出装置１０１は、図１に示すように、ＶＣＳＥＬドライバ１０２、ＶＣＳＥＬ１０３（発光部）、リファレンス側のＳＰＡＤアレイ１０４（第１のＳＰＡＤアレイ）、リターン側のＳＰＡＤアレイ１０５（第２のＳＰＡＤアレイ）、リファレンス側のＳＰＡＤフロントエンド回路１０６、リターン側のＳＰＡＤフロントエンド回路１０７、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８、ＨＶ発生回路１０９（電圧発生部）、ＴＤＣ１１０、ヒストグラム生成回路１１１、距離演算回路１１２、データレジスタ１１３、及びＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４（電圧調整部）を備えている。
光検出装置１０１は、ＳＰＡＤを利用した、検知対象物１２１までの距離を測定するＴＯＦ方式の測距センサである。
ＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）ドライバ１０２は、ＶＣＳＥＬ１０３を駆動する。つまり、ＶＣＳＥＬドライバ１０２は、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８とＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４とから受け取った制御信号に基づいて、ＶＣＳＥＬ１０３に駆動パルスを出力し、ＶＣＳＥＬ１０３にパルス光を発光させる。ＶＣＳＥＬ１０３は、入力された１つの駆動パルスに対して１つのパルス光を出力する。
詳しくは、後述で説明するが、ＶＣＳＥＬドライバ１０２は、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８からの制御信号に基づき制御され、例えばＳＰＡＤアレイ１０４,１０５でのＳＰＡＤ光子検出率が高いときに、ＶＣＳＥＬ１０３の駆動電流を低くしてＶＣＳＥＬ１０３の発光量を低下させる。これにより、ＶＣＳＥＬ１０３の発光量とＳＰＡＤアレイ１０４,１０５での光子検出率とが最適化される。
ＶＣＳＥＬ１０３は、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定するとき、ＳＰＡＤアレイ１０４及び検知対象物１２１に対してパルス光を発光する。このとき、ＶＣＳＥＬ１０３がＳＰＡＤアレイ１０４を照射するパルス光を第１の光１０３ａ、ＶＣＳＥＬ１０３が検知対象物１２１を照射するパルス光を第１の光１０３ｂとする。また、検知対象物１２１に第１の光１０３ｂが照射されたとき、検知対象物１２１にて反射した光を第２の光１２１ａとする。
ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５は、それぞれＳＰＡＤを備える。ＳＰＡＤアレイ１０４は、ＶＣＳＥＬ１０３からのパルス光である第１の光１０３ａを直接受光することで、パルス信号を出力する。同様に、ＳＰＡＤアレイ１０５は、ＶＣＳＥＬ１０３から検知対象物１２１に照射され検知対象物１２１にて反射したパルス光である第２の光１２１ａを受光することで、パルス信号を出力する。ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５の出力側には、それぞれＳＰＡＤフロントエンド回路１０６及びＳＰＡＤフロントエンド回路１０７が接続されている。ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６及びＳＰＡＤフロントエンド回路１０７は、それぞれ、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５から受信したパルス信号を波形整形する。
また、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５は、ＨＶ発生回路１０９により、逆バイアス電圧を印加される。
ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６は、ＳＰＡＤアレイ１０４から受信したパルス信号の波形を整形し、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６の出力側に接続されたＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８、ＴＤＣ１１０、及びＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４に供給する。同様に、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０７は、ＳＰＡＤアレイ１０５からパルス信号の波形を整形し、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０７の出力側に接続されたＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８及びＴＤＣ１１０に供給する。
また、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６，１０７は、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８からの制御信号を受けて、ＳＰＡＤ光子検出率が最適になるように、例えばＳＰＡＤ数を調整するスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを備える。具体的には、図３に示すように、ＳＰＡＤアレイ１０４,１０５を構成するｎ個のＳＰＡＤ（ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎ）を、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎによってＯＮ／ＯＦＦ制御することによりアクティブにするＳＰＡＤを選択する。
ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５の単一光子あたりの光子検出率を算出し、算出結果に基づいて、ＶＣＳＥＬドライバ１０２と、ＳＰＡＤアレイ１０４,１０５の中でアクティブとするＳＰＡＤ数と、ＳＰＡＤアレイ１０４,１０５に印加する逆バイアス電圧のオーバー電圧（Ｖｅｘ）との少なくとも１つを制御することで、図５の光パルス周期で１回パルス信号が出力される状態を光子検出率１００％と定義した場合に、光子検出率が最適値である５０％になるように調整制御する。或いは、光子検出率が最適値５０％の±２０％以下の範囲内で調整制御することが望ましい。
具体的に説明すると、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、例えば、ＳＰＡＤアレイ１０５の光子検出率が、予め設定された第１の設定値を超えるとき、以下の１)〜３）の制御を行いＳＰＡＤの検出率を最適条件に調整する機能を有する。
１）ＶＣＳＥＬ１０３の発光量を小さく制御するべく、ＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力する。
２）ＳＰＡＤアレイ１０４，１０５に印加する逆バイアス電圧のオーバー電圧Ｖｅｘを制御するべく、ＨＶ発生回路１０９に制御信号を出力する。具体的には、図６Ａに示すオーバー電圧Ｖｅｘは、ＳＰＡＤの光子検出率に比例する。よって、オーバー電圧Ｖｅｘを下げると光子検出率が低下し、オーバー電圧Ｖｅｘを上げると光子検出率が増加する。
３）上記１）に変えて、ＳＰＡＤアレイ１０４,１０５において検出に使用するアクティブ状態のＳＰＡＤ数をスイッチＳＷ１〜ＳＷｎにて制御するべく、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６，１０７に制御信号を出力する。具体的には、図３に示すように、ＯＲ回路ＯＲＣとＳＰＡＤ（ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎ）の間に、ＳＰＡＤ選択用のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを設け、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをＯＮ／ＯＦＦ制御することで、ＳＰＡＤアレイ１０４，１０５の中でアクティブとするＳＰＡＤ数を減らすことができ、光子検出率を低下させることができる。
ここで、第１の設定値とは、例えばＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８に記憶され、光子検出率に基づいて、ＳＰＡＤアレイ１０５が通常動作域で動作しているのか、或いは飽和動作域で動作しているのかを判別するために用いられる閾値である。光子検出率とは、例えば、所定期間におけるＶＣＳＥＬ１０３が出力するパルス光の数に対する当該パルス光を受光するＳＰＡＤが出力するパルス信号の数の割合である。尚、ＶＣＳＥＬ１０３が出力するパルス光の数は、ＶＣＳＥＬドライバ１０２の駆動パルスのパルス数と等しいため、ＶＣＳＥＬ１０３が出力するパルス光の数として、ＶＣＳＥＬドライバ１０２の駆動パルスのパルス数を用いてもよい。例えば、飽和動作域において、ＳＰＡＤは１パルス光に対して複数回のパルス信号の出力を行うので、通常動作域と飽和動作域を判別するための第１の設定値は、１に設定される。
これにおいて、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＶＣＳＥＬドライバ１０２の駆動パルスのパルス数に対して、ＳＰＡＤアレイ１０５が出力する出力信号の数が第１の設定値より多い時（例えば、光子検出率＞１）、飽和動作域で動作していると判断し、ＶＣＳＥＬ１０３の発光量を小さく制御するべく、ＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力する。また、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＶＣＳＥＬドライバ１０２の駆動パルスのパルス数に対して、ＳＰＡＤアレイ１０５が出力する出力信号の数が第１の設定と等しいかそれより小さい時（例えば、光子検出率≦１）、通常動作域で動作していると判断し、ＶＣＳＥＬ１０３の発光量をそのまま維持する。これにより、ＳＰＡＤアレイ１０５自身が飽和し、例えば１パルスの第２の光１２１ａの入射に対して複数回のパルス信号の出力を行う飽和動作域となっても、ＶＣＳＥＬ１０３の発光量を小さく制御するべく、ＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力する。
また、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＳＰＡＤアレイ１０４の光子検出率が、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定する上で必要とする最低出力レベルの光子検出率を確保するべく、第２の設定値が設けられており、第２の設定値を下回らない範囲でＶＣＳＥＬ１０３の発光量を小さくするようにＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力する。
具体的には、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＶＣＳＥＬドライバ１０２の駆動パルスのパルス数に対するＳＰＡＤアレイ１０４のパルス信号の出力数及びＳＰＡＤアレイ１０５のパルス信号出力数から、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５それぞれ光子検出率を算出する。そして、算出した光子検出率と予め設定された２つの設定値と比較する。
ここで、２つの設定値とは、ＳＰＡＤアレイ１０５の通常動作域と飽和動作域とを判別する第１の設定値（例えば、適正最大値）と、ＳＰＡＤアレイ１０４の光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定する上で必要とする最低出力レベルを確保する第２の設定値（適正最小値）である。
この２つの設定値により、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＳＰＡＤアレイ１０５の光子検出率が、第１の設定値を超える場合、すなわち、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定する上で必要とする標準的な光子検出率よりも大きい場合、すなわち、検知対象物１２１が近距離である場合や、検知対象物１２１の反射率が高い場合に、ＶＣＳＥＬ１０３の発光量を小さくするべく、ＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力する。なお、同じくＳＰＡＤアレイ１０４の光子検出率が第１の設定値を超える場合、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、同様にＶＣＳＥＬ１０３の発光量を小さくするべく、ＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力しても良い。
また、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、これとは逆にＳＰＡＤアレイ１０４の光子検出率が低いかどうかを検出することで、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定する上でＳＰＡＤアレイ１０４が必要とするＶＣＳＥＬ１０３の発光量を確保し、ＳＰＡＤアレイ１０４が単一光子を検出できる最低出力レベルを確保できる。
したがって、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離が近距離である場合や、光反射率の高い検知対象物１２１に対して、ＳＰＡＤアレイ１０５での光子検出率が標準的な最適値になるよう最適化する。よって、近距離や反射率の違いに対しても影響なく、検知距離精度が高くすることができる。すなわち、従来のように、光子検出率が不当に大きくなって、実際の検知対象物の距離よりも短い距離が出力されることがない。
ＨＶ発生回路１０９は、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５に印加する逆バイアス電圧を発生させる。
ＴＤＣ（ＴＤＣ：Time to Digital Converter）１１０は、ＶＣＳＥＬドライバ１０２がＶＣＳＥＬ１０３を駆動するＶＣＳＥＬパルス駆動信号を起点（スタート信号）として、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６の受信したパルス信号との遅延時間と、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０７の受信したパルス信号の遅延時間とをそれぞれデジタル化し、デジタル化した遅延時間それぞれをヒストグラム生成回路１１１に出力する。ここで、遅延時間は、ＶＣＳＥＬ１０３を発光させるＶＣＳＥＬドライバ１０２の制御信号に対して、ＳＰＡＤアレイ１０４,１０５にて受け出力するパルス信号との時間差を意味する。すなわち、ＴＤＣ１１０は、ＶＣＳＥＬパルス駆動信号の各パルスを基準に、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６，１０７で受信したパルス信号の各パルスの遅延時間がデジタル化される。
ヒストグラム生成回路１１１は、ＴＤＣ１１０からの出力に基づき、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６で受信したパルス信号の各パルスの遅延時間の分布をヒストグラム化すると共に、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０７で受信したパルス信号の各パルスの遅延時間の分布をヒストグラム化する。ここで、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６から供給されたパルス信号とＳＰＡＤフロントエンド回路１０７から供給されたパルス信号とのヒストグラムの重心の時間差が、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離に対応する、光の飛行時間に相当する。
距離演算回路１１２は、ヒストグラム生成回路１１１からの出力に基づき、ＳＰＡＤアレイ１０４側のヒストグラムの重心と、ＳＰＡＤアレイ１０５側のヒストグラムの重心と、両ヒストグラムの重心の時間差を算出する。そして、その時間差を、データレジスタ１１３にて予め格納されている距離換算データに基づき距離に換算する。これにより、光検出装置１０１においては、光検出装置１０１から検知対象物１２１までの距離を算出することが可能となる。なお、距離演算回路１１２のヒストグラムの重心の時間差から光検出装置１０１から検知対象物１２１までの距離を算出する方法については、周知の技術で実現可能であり、本発明のポイントとは異なるので、詳細な説明は省略する。
データレジスタ１１３は、距離演算回路１１２が算出した光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を記録として格納する。
ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、パルスカウンタ１１５、判定部１１６、ＶＣＳＥＬドライバ制御部１１７、及びＨＶ制御部１１８を備えている。ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、リファレンス側のＳＰＡＤアレイ１０４から出力されるパルス信号の有無によって、ＨＶ発生回路１０９の出力電圧を調整する。判定部１１６、ＶＣＳＥＬドライバ制御部１１７、及びＨＶ制御部１１８は、例えば、ハードウェア回路で実現される。また、判定部１１６、ＶＣＳＥＬドライバ制御部１１７、及びＨＶ制御部１１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いて、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４が有する記憶部（不図示）に記憶されたプログラムをＣＰＵが読み出して実行することによって実現してもよい。
パルスカウンタ１１５は、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５に印加する逆バイアス電圧を設定するときに、ＳＰＡＤアレイ１０４から出力されるパルス信号をカウントする。
判定部１１６は、パルスカウンタ１１５が出力するパルス数を判定する。
ＶＣＳＥＬドライバ制御部１１７は、判定部１１６による判定結果より、ＨＶ発生回路１０９を制御するＨＶ制御部１１８、及びＶＣＳＥＬドライバ１０２を制御する。これにより、ＶＣＳＥＬドライバ制御部１１７は、判定部１１６による判定結果より、ＶＣＳＥＬ１０３及びＨＶ発生回路１０９を制御することができる。
図２は、本発明の実施の形態１に係る光検出装置１０１の構造の一例を示す断面図である。本実施の形態１における光検出装置１０１は、図２に示すように、光検出装置本体２０１、光学フィルタ２０２、２０３、遮光壁２０４、及び集光レンズ２０５を備えている。
光検出装置１０１において、光検出装置本体２０１内には、ＶＣＳＥＬ１０３、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５が配置される。ＳＰＡＤアレイ１０４にはＶＣＳＥＬ１０３が発光する第１の光１０３ａのみが入射し、ＳＰＡＤアレイ１０５には検知対象物１２１からの反射光である第２の光１２１ａのみが入射するような構造になっている。
具体的には、ＳＰＡＤアレイ１０４とＳＰＡＤアレイ１０５との間には遮光壁２０４が配置されている。これにより、ＳＰＡＤアレイ１０５に、ＶＣＳＥＬ１０３が発光する第１の光１０３ａが直接入らないような構造になっている。つまり、ＳＰＡＤアレイ１０５には、検知対象物１２１からの反射光である第２の光１２１ａのみが入射するような構造になっている。
光学フィルタ２０２、２０３は、ＶＣＳＥＬ１０３の発光波長（赤外線を使用しており、通常、波長は８５０ｎｍや９４０ｎｍ）を中心とした狭い範囲の波長を通過させるバンドパスフィルタになっており、外乱光によりＳＰＡＤの誤反応が発生しにくいような構成になっている。
長距離など光子検出率を高めるために、光検出装置１０１には、図２に示すように、光学フィルタ２０３の上方に集光レンズ２０５が配置されている。
（ＳＰＡＤアレイ及びＳＰＡＤフロントエンド回路の構成）
以下では、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤフロントエンド回路１０６を例として説明するが、ＳＰＡＤアレイ１０５及びＳＰＡＤフロントエンド回路１０７においても同様の構成である。
図３は、本発明の実施の形態１に係るＳＰＡＤアレイ１０４、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６、及びＨＶ発生回路１０９の一例を示す回路図である。ＳＰＡＤアレイ１０４は、図３に示すように、ｎ個のＳＰＡＤ（ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎ）から構成されている。ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎのカソードは全て、バイアス電圧を印加する高電圧の電源ＶＨＶ及び電流源ＩＱに接続されている。また、ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎのアノードはそれぞれ、ｎ個の同じサイズのＮＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎで構成されたアクティブクエンチ回路が接続されている。さらに、ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎのアノードはそれぞれ、ＯＲ回路ＯＲＣに接続されている。ＯＲ回路ＯＲＣは、ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎからの出力を受け取り、その出力から演算した結果を、端子ＳＰＡＤ＿ＯＵＴに出力する。
ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６は、アクティブクエンチ回路、ＯＲ回路ＯＲＣ、及び端子ＳＰＡＤ＿ＯＵＴを備えている。
アクティブクエンチ回路は、ＮＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎ、及び端子ＡＱＭ＿ＯＵＴを備えている。
アクティブクエンチ回路に構成されているＮＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのドレインはそれぞれ、ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎに接続されている。ＮＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍｎのゲートはそれぞれ、端子ＣＴＬ１〜ＣＴＬｎに接続されている。
（ＳＰＡＤフロントエンド回路の動作）
以下の動作は、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６、１０７の両方に適応される動作である。
ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎのそれぞれから出力されるパルス信号の電流波形は、アクティブクエンチ回路により、パルス波形の電圧波形に変換される。つまり、ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎのそれぞれから出力されるパルス信号は、電流から電圧に変換される。電圧に変換されたパルス信号はＯＲ回路ＯＲＣに送信され、パルス信号は端子ＳＰＡＤ＿ＯＵＴから出力される。これにより、ＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤｎのどれか１つからでもパルス信号が出力された場合、端子ＳＰＡＤ＿ＯＵＴから出力信号が出力されることになる。よって、多数のＳＰＡＤを使用することにより、光検出装置１０１の感度を高くすることができる。
（アクティブクエンチ回路の抵抗値の調整方法）
アクティブクエンチ回路の抵抗値を調整する方法については、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係るアクティブクエンチ回路の電源及び端子の出力の一例を示すグラフである。
図３に示すように、アクティブクエンチ回路には、電流源ＩＱが接続されている。電流源ＩＱは、定電流源で電流値を任意の値に可変することができる。そして、端子ＣＴＬ＿ＡＱＭをＨｉｇｈレベルにすると、ＮＭＯＳトランジスタＭａｑｍのゲート電圧が、電源ＶＳ１の電圧値ＶＳ１＿ｖになるような構成になっている。
アクティブクエンチ回路の抵抗値を設定するときは、ＳＰＡＤフロントエンド回路１０６から出力されるＳＰＡＤＳＰＡＤ１〜ＳＰＡＤＳＰＡＤｎの電流値を、電流源ＩＱの電流値ＩＱ＿ｖとして設定を行う。また、端子ＣＴＬ＿ＡＱＭをＨｉｇｈレベルにして、電源ＶＳ１の電圧値ＶＳ１＿ｖを図４に示すように段階的に上昇させる。
電源ＶＳ１の電圧値ＶＳ１＿ｖが上昇することにより、ＮＭＯＳトランジスタＭａｑｍのゲート電圧が上昇する。これにより、ＮＭＯＳトランジスタＭａｑｍのソース−ゲート間電圧が大きくなり、ＮＭＯＳトランジスタＭａｑｍのＯＮ抵抗が変化し、小さくなる。電源ＶＳ１の電圧値ＶＳ１＿ｖの上昇間隔は等間隔でも、等間隔でなくてもよい。
電源ＶＳ１の電圧値ＶＳ１＿ｖを上昇させていき、端子ＡＱＭ＿ＯＵＴの電圧ＡＱＭ＿ＯＵＴ＿ｖがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに反転したときの電源ＶＳ１の電圧ＶＳ１＿ｖ（図４ではＶＳ１９）をアクティブクエンチ回路の制御電圧として決定する。このとき決定した制御電圧により、アクティブクエンチ回路のクエンチ抵抗の抵抗値も決定する。
アクティブクエンチ回路のクエンチ抵抗の抵抗値を決定した後に、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５のＳＰＡＤに印加する逆バイアス電圧を調整することにより、より精度の高い逆バイアス電圧による制御を行うことができる。
（光検出装置の動作）
本実施の形態１における光検出装置１０１の動作について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る光検出装置１０１の動作の一例を示すシーケンス図である。
本実施の形態１における光検出装置１０１について、１回の測距動作を大きく３つの動作シーケンスに分ける。その３つの動作とは、測定前設定期間５０１、距離測定期間５０２、及び距離測定期間５０３である。
測定前設定期間５０１は、クエンチ抵抗値設定期間５０１ＡとＶＨＶ電圧設定期間５０１ＢとＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃに区別される。先にクエンチ抵抗値設定期間５０１Ａが設けられ、後にＶＨＶ電圧設定期間５０１Ｂが設けられ、その後にＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃが設けられる。測定前設定期間５０１は、実際に検知対象物１２１との距離を測定する前に、クエンチ抵抗値及びＶＨＶ電圧並びにＳＰＡＤ光子検出率を設定する期間である。
クエンチ抵抗値設定期間５０１Ａでは、アクティブクエンチ回路の抵抗値の設定を行う。アクティブクエンチ回路の抵抗値の設定が終われば、次にＶＨＶ電圧設定期間５０１Ｂに移る。
ＶＨＶ電圧設定期間５０１Ｂでは、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５の逆バイアス電圧（電源ＶＨＶの電圧）の設定を行うことにより、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定する前に、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５を最適なガイガーモードで動作させることができる。
ＶＨＶ電圧設定期間５０１Ｂで電源ＶＨＶの電圧ＶＨＶ＿ｖを設定するシーケンスの動作について図６を用いて説明する。図６Ａは、本発明の実施の形態１に係るＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５における逆バイアス電圧の出力の一例を示すグラフ、及びＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４の動作の一例を示すシーケンス図である。図６Ｂは、図６Ａにおいて破線Ｓの部分を拡大した拡大図である。
ＶＨＶ電圧設定期間５０１Ｂでの電源ＶＨＶの電圧を設定するシーケンスとしては、図６Ａに示すように、まず、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４がＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５に印加する逆バイアス電圧（電源ＶＨＶの電圧ＶＨＶ＿ｖ）を、低い電圧から高い電圧に上昇させていく。電源ＶＨＶの電圧ＶＨＶ＿ｖは、初期値ＶＨＶ０からスタートする。ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５に逆バイアス電圧ＶＨＶ０を印加した後に、すぐにカウンタリセット信号をパルスカウンタ１１５に入力する。これにより、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、パルスカウンタ１１５をリセットし、０カウントにする。その後、ＶＣＳＥＬドライバ制御部１１７は、ＶＣＳＥＬ駆動信号について予め設定された発光量でＶＣＳＥＬ１０３を５回パルス発光させる制御を行う。ここでは、ＶＣＳＥＬ１０３のパルス数を５パルスとしているが、他のパルス数にしてもよい。
ここで、図６Ｂに示すように、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、ＶＣＳＥＬ１０３がパルス発光している期間にパルスカウンタ１１５のカウンタイネーブル信号をイネーブルにする。つまり、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、ＶＣＳＥＬ１０３が発光した期間において、逆バイアス電圧を調整する。そして、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、ＳＰＡＤアレイ１０４から出力されるパルス信号をパルスカウンタ１１５によりカウントする。このとき、カウンタイネーブル信号がイネーブルになるタイミングは、ＶＣＳＥＬ１０３がパルス発光し始めるよりも前のタイミングである。これにより、パルスカウンタ１１５が、パルス信号のカウントを逃してしまうことを防ぐことができる。
その後、パルスカウンタ１１５は、カウンタ読み込み信号をＨｉｇｈレベルにして、判定部１１６にカウント数を送信する。ここで判定部１１６が、ＳＰＡＤアレイ１０４から出力されるパルス信号のカウント数が、ＶＣＳＥＬ１０３を発光させたパルス数よりも少ないと判定したとき、ＨＶ制御部１０９が、電源ＶＨＶの電圧ＶＨＶ＿ｖをＶＨＶ０からＶＨＶ１に上昇させる。以後同様の動作を行う。
このとき、ＨＶ制御部１０９が電源ＶＨＶの電圧ＶＨＶ＿ｖを上昇させるステップは等電圧でも、等電圧でなくてもよい。等電圧でない例としては、例えば、ステップ状に変化されるのではなく、アナログ的にリニアにＶＨＶを変化させてもよい。
ここで、電源ＶＨＶの電圧ＶＨＶ＿ｖを繰り返し上昇させていき、例えば、電源ＶＨＶの電圧ＶＨＶ＿ｖがＶＨＶ２１に達したときに、パルスカウンタ１１５の出力が５以上になった場合について説明する。この場合、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、ＶＨＶ２１がＳＰＡＤのブレークダウン電圧ＶＢＤであると判断する。このとき、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０４のＳＰＡＤをガイガーモードで動作させるために、ブレークダウン電圧ＶＢＤからオーバー電圧Ｖｅｘの分だけ高い電圧を発生するように、ＨＶ発生回路１０９を制御する。
距離測定期間５０２では、ＨＶ制御部１１８は、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５に印加する逆バイアス電圧をＶＨＶ２１＋Ｖｅｘにする。ここで、Ｖｅｘに温度依存性があってもよい。また、距離測定期間５０２より前に、ＨＶ制御部１１８は、上記のようにＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５に印加する逆バイアス電圧を制御する。
したがって、ＳＰＡＤバイアス制御ブロック１１４は、ＳＰＡＤアレイ１０４に入射された光に応じてＳＰＡＤアレイ１０４が出力するパルス信号のパルス数により、逆バイアス電圧を調整する。以上により、光検出装置１０１は、温度が変化したときや、プロセス条件によりＳＰＡＤのブレークダウン電圧ＶＢＤがばらついたとしても、ＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５を最適なガイガーモードで安定動作させることができる。
これにより、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定するときには、より精度の高い逆バイアス電圧による制御を行うことができる。逆バイアス電圧の設定が終われば、次にＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃに移る。
ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃでは、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、第２の光１２１ａの入射によりＳＰＡＤアレイ１０５が出力するパルス信号に基づいて光子検出率を算出する。光子検出率とは、例えば、所定期間におけるＶＣＳＥＬ１０３が出力するパルス光の数に対する当該パルス光を受光するＳＰＡＤが出力するパルス信号の数の割合である。具体的には、光子検出率は、例えば、ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１ＣにおけるＶＣＳＥＬ１０３が出力するパルス光の数に対するＳＰＡＤアレイ１０５が出力するパルス信号の数の割合である。尚、所定期間におけるＶＣＳＥＬ１０３が出力するパルス光の数とＶＣＳＥＬドライバ１０２の駆動パルスのパルス数は等しいため、ＶＣＳＥＬ１０３が出力するパルス光の数として、ＶＣＳＥＬドライバ１０２の駆動パルスのパルス数を用いてもよい。
次に、この算出した光子検出率と予め設定された第１の設定値とを、例えばＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃ内の末尾領域で比較する。なお、図５において、ＶＣＳＥＬは、ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃにおいて、例えば、ＶＨＶ電圧設定期間５０１Ｂと同じ発光量で、２０ｎｓの周期で一定のパルス発光を行っている。
ここで、ＳＰＡＤアレイ１０５が出力するパルス信号に基づく光子検出率が第１の設定値よりも大きい場合に、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＶＣＳＥＬ１０３の発光量をＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃの発光量よりも小さくするべく、ＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力する。つまり、通常、1つの単一光子に対して１つのパルス出力を行うＳＰＡＤアレイ１０５が、例えば、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離が近距離である場合や、検知対象物１２１の反射率が高い場合にＳＰＡＤアレイ１０５へ到達する第２の光１２１ａの発光強度が強くなって、ＳＰＡＤアレイ１０５内での単一光子に対するパルス出力の発生が多くなる、すなわち検出率が１を超える値となる。このため、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８により、過度なパルス出力発生を抑制するべくＶＣＳＥＬ１０３の発光量を小さくするようにＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力する。例えば、図５では、ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１ＣのＶＣＳＥＬ１０３の発光量に対して、距離測定期間５０２のＶＣＳＥＬ１０３の発光量を５０％にする制御を行っている例を示す。
同様に、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、第１の光１０３ａの入射によりＳＰＡＤアレイ１０４が出力するパルス信号に基づく光子検出率を算出し、算出した光子検出率を予め設定された第２の設定値と比較し、光子検出率が第２の設定値よりも大きい場合に、ＶＣＳＥＬ１０３の発光量を小さくするべく、ＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力しても良い。図５では、ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１ＣにおいてＶＣＳＥＬ発光量を一定に発光させている。そして、距離測定期間５０２においてＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８からの出力に基づきＶＣＳＥＬ発光量を小さくするよう制御した例である。このように、ＳＰＡＤ光子検出率の設定が終れば、次に距離測定期間５０２に移る。
図５において、ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃでは、ＶＣＳＥＬ１０３は、ＶＨＶ電圧設定期間５０１Ｂの発光量で、距離測定期間５０２と同じパルス周期のパルスで発光している。このとき、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＳＰＡＤ光子検出率を検出している。また、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８は、ＳＰＡＤ光子検出率の検出結果に基づいてＶＣＳＥＬ１０３の発光量を、距離測定期間５０２において、ＶＣＳＥＬ駆動電流が小さく制御されて、ＶＣＳＥＬ１０３が低い光量で発光するよう設定される。
距離測定期間５０２では、光検出装置１０１はＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８からの出力に基づくＶＣＳＥＬ１０３の発光量で発光させて、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離の測定に関する動作を開始し、ＴＤＣ１１０にてＶＣＳＥＬパルス駆動信号に対するＳＰＡＤフロントエンド回路１０６，１０７からのパルス信号の各パルスの遅延時間（光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離情報の元となるパルスデータ）がそれぞれデジタル化される。光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定し終われば、次に距離測定期間５０３に移る。
距離測定期間５０３では、まず、ヒストグラム生成回路１１１によって、ＴＤＣ１１０にてデジタル化した複数の遅延時間の分布をヒストグラム化する。図７は、ヒストグラム生成回路１１１によって生成されたヒストグラム図である。図７において、上段にリファレンス側のヒストグラムの一例、中段にＳＰＡＤ光子検出率が小の場合のリターン側のヒストグラムの一例、下段にＳＰＡＤ光子検出率が大の場合のリターン側のヒストグラムの一例である。つまり、中段のヒストグラムは、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８によってＶＣＳＥＬ１０３の発光量が調整された後のヒストグラムである。下段のヒストグラムは、中段のヒストグラムとの比較用であり、ＶＣＳＥＬ１０３の発光量が調整されなかった場合のヒストグラムである。
このように、図７の中段のヒストグラムに示すように、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８によって、正常なヒストグラムにすることができる。また、ＶＣＳＥＬ１０３の駆動電流を落とすことにより低消費電力化になるという副次的が効果もある。
なお、図７の下段のヒストグラムでは、ヒストグラムが歪み、時間差が短くなる、すなわち、光検出装置１０１がＴＯＦ型測距センサの場合、検知対象物１２１との検知距離が実際の距離よりも短く出力されるという現象が発生する。
図８は、本実施の形態１に係る光検出装置のセンサ出力と検知対象物との距離との関係の一例を示す相関図である。
図中の破線は、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８を備えＶＣＳＥＬ１０３の発光量を制御した光検出装置の特性であり、図中の実線は、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８を備えない光検出装置の特性である。
次に、距離演算回路１１２にて、ヒストグラム生成回路１１１からのヒストグラムの重心の時間差を距離に演算する。これにより、光検出装置１０１においては、光検出装置１０１から検知対象物１２１までの距離を算出することが可能となる。
最後に、算出した距離データをデータレジスタ１１３に格納する。
連続で、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離を測定する場合、図５に示すように、測定前設定期間５０１、距離測定期間５０２、距離測定期間５０３、休止期間の順で経過する期間をひとまとまりのシーケンスとして測定を繰り返す。距離を測定する前には必ず、クエンチ抵抗値設定及びＶＨＶ電圧設定を行うことにより、精度の高いＳＰＡＤアレイ１０４及びＳＰＡＤアレイ１０５の逆バイアス電圧による制御が可能となる。休止期間では、光検出装置１０１と検知対象物１２１との距離の測定を行う頻度に合わせて任意に調整する。これにより、光検出装置１０１に過剰な負担がかかるのを防ぐ。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施形態について、図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、上述した実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施の形態２における光検出装置１０１の動作について図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る光検出装置１０１の動作を示すシーケンス図である。
本実施の形態２における光検出装置１０１では、上述した実施の形態１に係る光検出装置１０１に対して、ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃ´のみ相違する。
本実施の形態に係るＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃ´においては、ＶＣＳＥＬ１０３の発光強度をＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８からの出力に基づき光子検出率が第１の設定値を下回るまで段階的にＶＣＳＥＬドライバ１０２にてＶＣＳＥＬ駆動電流を変化させてＶＣＳＥＬ１０３の発光強度を調整し小さくしたものである。
具体的に説明すると、本実施の形態２では、ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃ´において、ＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃ´を所定時間毎に区切り、所定時間毎に光子検出率をＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８にて算出し、第１の設定値と比較する。そして、各所定時間毎の光子検出率が第１の設定値よりも大きい時、ＳＰＡＤ光子検出率制御部１０８はＶＣＳＥＬ１０３の発光量を低下させるべくＶＣＳＥＬドライバ１０２に制御信号を出力する。そして、ＶＣＳＥＬドライバ１０２は、その制御信号に基づきＶＣＳＥＬ１０３の発光量を低下させる。この動作がＳＰＡＤ光子検出率設定期間５０１Ｃ´に複数回繰り返し行われた例を図９に示す。なお、上述した所定時間としては、例えば、ＶＣＳＥＬ１０３の１０個のパルス光が出力される時間を１つの所定時間とする。
本実施の形態２によれば、ＳＰＡＤアレイ１０５の光子検出率を第１の設定値以下になるまで段階的に低下させてＳＰＡＤアレイ１０５が飽和動作域にて動作することのないＶＣＳＥＬ１０３の発光量に最適化し、精密にコントロールすることができ、更なる高精度化が可能となる。
以上説明した光検出装置１０１は、電子機器に備えられていてもよい。電子機器の例としては、スマートフォンなどの携帯型情報端末が挙げられる。これにより、電子機器は光検出装置１０１を備えることで、小型化を図り、電子機器と検知対象物１２１との距離を測定する機能、更には検知対象物１２１との距離や検知対象物１２１の反射率に対して汎用性を有することができる。
例えば、ＴＯＦ方式の小型近接センサに用いた際には、スマートフォンの顔認証用のストラクチャードライトカメラの起動用として、低消費電力で、比較的近距離（例えば、０ｃｍ〜５０ｃｍ）の範囲内で、反射率が異なる検知対象物でも精密に検知できる。このＴＯＦ方式の小型近接センサは、検知対象物までの距離も同時に検知して出力できるため、顔認証用のストラクチャードライトカメラの起動をスピーディーに行うことができる。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく変形可能であり、上記の構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。
１０１ 光検出装置
１０２ ＶＣＳＥＬドライバ
１０３ ＶＣＳＥＬ（発光部）
１０３ａ、１０３ｂ 第１の光
１０４ ＳＰＡＤアレイ（リファレンス側）
１０５ ＳＰＡＤアレイ（リターン側）
１０６、１０７ ＳＰＡＤフロントエンド回路
１０８ ＳＰＡＤ光子検出率制御部
１０９ ＨＶ発生回路（電圧発生部）
１２１ 検知対象物
１２１ａ 第２の光
１１０ ＴＤＣ
１１１ ヒストグラム生成回路
１１２ 距離演算回路
１１３ データレジスタ
１１４ ＳＰＡＤバイアス制御ブロック（電圧調整部）
１１５ パルスカウンタ
１１６ 判定部
１１７ ＶＣＳＥＬドライバ制御部
１１８ ＨＶ制御部
２０１ 光検出装置本体
２０２、２０３ 光学フィルタ
２０４ 遮光壁
２０５ 集光レンズ
５０１ 測定前設定期間
５０１Ａ クエンチ抵抗値設定期間
５０１Ｂ ＶＨＶ電圧設定期間
５０１Ｃ、５０１Ｃ´ ＳＰＡＤ光子検出率設定期間
５０２、５０３ 距離測定期間
ＳＰＡＤ１、ＳＰＡＤ２、ＳＰＡＤｎ ＳＰＡＤ
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷｎ スイッチ
ＣＴＬ１、ＣＴＬ２、ＣＴＬｎ、ＣＴＬ＿ＡＱＭ、
ＡＱＭ＿ＯＵＴ、ＳＰＡＤ＿ＯＵＴ 端子
Ｍ１、Ｍ２、Ｍｎ、Ｍａｑｍ ＮＭＯＳトランジスタ
ＶＨＶ、ＶＳ１ 電源
ＩＱ 電流源
ＶＨＶ＿ｖ 電源ＶＨＶの電圧
ＶＳ１＿ｖ 電源ＶＳ１の電圧
ＡＱＭ＿ＯＵＴ＿ｖ 端子ＡＱＭ＿ＯＵＴの電圧
ＶＳ１０〜ＶＳ１９、ＶＳ１Ａ〜ＶＳ１Ｆ、ＶＨＶ０〜ＶＨＶ２１、Ｈｉｇｈ 電圧値
Ｖｅｘ オーバー電圧
ＶＢＤ ブレークダウン電圧

Claims (6)

  1. 発光部から出射された少なくとも１つのパルス光である少なくとも１つの第１の光が入射し、ガイガーモードで動作する第１のＳＰＡＤアレイと、
    前記少なくとも１つの第１の光が検知対象物にて反射された少なくとも１つの第２の光が入射し、ガイガーモードで動作する第２のＳＰＡＤアレイと、
    前記第１のＳＰＡＤアレイ及び前記第２のＳＰＡＤアレイに逆バイアス電圧を印加する電圧発生部と、
    前記発光部から出射された前記少なくとも１つのパルス光の数に対する前記少なくとも１つの第２の光の入射により前記第２のＳＰＡＤアレイが出力する少なくとも１つのパルス信号の数の割合を示す第１の光子検出率に基づいて、ＳＰＡＤ光子検出率を調整制御するＳＰＡＤ光子検出率制御部と、を備え、
    前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第１の光子検出率が予め設定された第１の設定値を超えるか否かに基づいて、前記第１のＳＰＡＤアレイ及び前記第２のＳＰＡＤアレイのうちの少なくとも１つのＳＰＡＤアレイにおいて検出に使用するアクティブ状態のＳＰＡＤの数を制御することを特徴とする光検出装置。
  2. 発光部から出射された少なくとも１つのパルス光である少なくとも１つの第１の光が入射し、ガイガーモードで動作する第１のＳＰＡＤアレイと、
    前記少なくとも１つの第１の光が検知対象物にて反射された少なくとも１つの第２の光が入射し、ガイガーモードで動作する第２のＳＰＡＤアレイと、
    前記第１のＳＰＡＤアレイ及び前記第２のＳＰＡＤアレイに逆バイアス電圧を印加する電圧発生部と、
    前記発光部から出射された前記少なくとも１つのパルス光の数に対する前記少なくとも１つの第２の光の入射により前記第２のＳＰＡＤアレイが出力する少なくとも１つのパルス信号の数の割合を示す第１の光子検出率に基づいて、ＳＰＡＤ光子検出率を調整制御するＳＰＡＤ光子検出率制御部と、を備え、
    前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記少なくとも１つのパルス光の数に対する前記少なくとも１つの第１の光の入射により前記第１のＳＰＡＤアレイが出力する少なくとも１つのパルス信号の数の割合を示す第２の光子検出率に基づいて、前記発光部の発光量を制御することを特徴とする光検出装置。
  3. 前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記第１の光子検出率が３０％以上７０％以内になるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
  4. 前記ＳＰＡＤ光子検出率制御部は、前記光検出装置と前記検知対象物との距離を測定する前に、前記発光部の発光量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
  5. 前記第１のＳＰＡＤアレイが出力する少なくとも１つのパルス信号に基づく第１のヒストグラムと、前記第２のＳＰＡＤアレイが出力する前記少なくとも１つのパルス信号に基づく第２のヒストグラムと、を生成するヒストグラム生成部と、
    前記ヒストグラム生成部にて生成された前記第１のヒストグラムの重心と前記第２のヒストグラムの重心に基づいて前記光検出装置と前記検知対象物の距離を算出する距離演算部と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
  6. 請求項１又は２に記載の光検出装置を備えた電子機器。
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