JP7383542B2 - 光検出器及び距離計測装置 - Google Patents
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Description
第1実施形態に係る距離計測装置1は、例えば当該距離計測装置1と対象物と間の距離を計測することが可能なLiDAR(Light Detection and Ranging)の一種である。以下に、第1実施形態に係る距離計測装置1について説明する。本明細書において“対象物TG”とは、距離計測装置1が距離を計測する範囲に含まれる物体のことを示している。
[1-1-1]距離計測装置1の構成について
図1は、第1実施形態に係る距離計測装置1の全体構成の一例を示している。図1に示すように、第1実施形態に係る距離計測装置1は、例えば、出射部10、光学系20、計測処理部30、及び画像処理部40を備えている。
図2は、第1実施形態に係る光検出器33の平面レイアウトの一例を示している。図2に示すように、光検出器33は、受光部DPを備えている。尚、以下で参照される図面において、“第1方向”及び“第2方向”は、互いに交差する方向に対応している。
図3は、第1実施形態に係る光検出器33の備えるSPADユニットSUの回路構成の一例を示している。図3に示すように、SPADユニットSUは、例えばアバランシェフォトダイオードAPD及びクエンチ抵抗Rqを含んでいる。
以下に、図4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4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している。
第1実施形態に係る光検出器33は、受光部DPに含まれた所定の領域内の1つ又は複数の画素PXをオン状態にすることによって、受光領域DRを設定することが出来る。以下に、受光領域DRの設定方法の一例について説明する。
第1実施形態に係る光検出器33は、例えば、受光領域DR内の複数の画素PXから取得された光信号(出力信号IOUT)を第2増幅器35に転送する前に、当該出力信号IOUTに対して所定の信号処理を実行する構成をさらに有する。
図7は、第1実施形態に係る光検出器33の出力部の備える信号処理部SPの構成の一例を示している。図7に示すように、信号処理部SPは、例えば、AD変換回路(ADC:Analog to Digital Converter)60、加算器61、及びTD変換回路(TDC:Time to Digital Converter)62を含んでいる。これら信号処理部は、光検出器33ではなく、時間取得部36に含まれていても良い。
以下に、第1実施形態に係る距離計測装置1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1は、非同軸光学系を使用する。このため、受光部DPにおいて、近距離の対象物TGによる反射光が照射される位置と、遠距離の対象物TGによる反射光が照射される位置との間でずれ、すなわち視差が生じ得る。まず、反射光の視差の発生について簡潔に説明する。
まず、第1実施形態に係る距離計測装置1におけるレーザ光L1のスキャン方法の一例について説明する。図10~図12は、対象物TGに対するレーザ光L1の照射方法の一例を示し、互いに異なるスキャン方法を例示している。
図13は、非同軸光学系の距離計測装置における反射光の視差の一例を示し、距離計測装置1内の光源15、レンズ21及び32、並びに光検出器33と、遠距離の対象物TGfと、近距離の対象物TGnとを表示している。
図14は、第1実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作における光検出器33の受光領域DRの設定方法の一例を示し、距離計測装置1の出射光及び出射光の光軸と、光検出器33の受光部DPとを表示している。図14に示すように、第1実施形態に係る光検出器33は、座標“N”及び“M”が指定されると、ADC領域ARとTDC領域TR1及びTR2とを含む受光領域DRを設定する。
図15は、第1実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作において光検出器33に照射される反射光の具体例を示し、図14と同様の受光部DPを表示している。また、図15の上側が、遠距離の対象物TGfによる反射光の形状の一例に対応し、図15の下側が、近距離の対象物TGnによる反射光の形状の一例に対応している。
図16は、第1実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作において遠距離の対象物TGfを検出した場合の計測結果(光強度分布)の一例を示している。また、図16は、出射信号(出射光)の波形と、ADC領域ARにおける受光波形と、TDC領域TRにおける受光波形とを表示している。
図17は、第1実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作において近距離の対象物TGnを検出した場合の計測結果(光強度分布)の一例を示している。図17に示すように、距離計測装置1は、図16の説明と同様にレーザ光L1を出射し、計測処理部30内の光検出器33が、近距離の対象物TGnからの反射光を受光する。
図18は、第1実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作において近距離の対象物TGnを検出した場合の計測結果の解析方法のその他の一例を示している。また、図18は、ADC領域ARにおいて検知された反射光の受光結果の波形と、TDC領域TRにおいて検知された反射光の受光結果の波形とを表示している。
距離計測システムの一種であるLiDAR(Light Detection and Ranging)は、レーザを計測対象物に照射し、計測対象物から反射された反射光の強度をセンサで感知し、センサの出力に基づいて反射光の戻って来る時刻を計測する。そして、LiDARと計測対象物との間の距離が、例えばレーザが発光してから感知した反射光の戻って来るまでの時間差に基づいて計算される。LIDARの計測データは、例えば車両の制御に使用することが想定されるため、高い精度が求められている。
第2実施形態に係る距離計測装置1は、第1実施形態と同様の構成を有し、距離計測動作において第1方向に延伸した形状のパルス光を用いる。以下に、第2実施形態に係る距離計測装置1について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図19は、第2実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作における光検出器33の受光領域DRの設定方法の一例を示している。図19に示すように、第2実施形態に係る距離計測装置1では、出射光が第1方向に延伸した形状を有している。第2実施形態における出射光の形状は、少なくとも第1方向に延伸した部分を有していればよく、例えば楕円形であっても良い。
以上のように、第2実施形態に係る距離計測装置1は、縦長のパルス光を使用し且つ受光領域DRに複数のチャネルCHを設けることによって、一度に複数の計測結果を得ることが出来る。つまり、第2実施形態に係る距離計測装置1は、1画面分のスキャンを実行する速度を向上させることが出来、測長のフレームレートを向上させることが出来る。また、第2実施形態に係る距離計測装置1は、各チャネルCHにADC領域ARとTDC領域TRとを設定することによって、各チャネルCHにおいて第1実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
第3実施形態に係る光検出器33は、第1実施形態に対して、能動的にクエンチを行うための回路が追加された構成を有する。以下に、第3実施形態に係る距離計測装置1について、第1実施形態と異なる点を説明する。
第1実施形態に係る光検出器33は、クエンチ抵抗Rqの電圧降下によりクエンチングを行っており、“Passive quench”と呼ばれる方式に従っている。一方で、第3実施形態に係る光検出器33は、クエンチングの動作をトランジスタの様な能動素子で行う“Active quench”と呼ばれる方法に従う。Active quench(AQ)については、Zappa,etal, “Fully Integrated Active Quenching Circuit for Single Photon Detection”,ESSCIRC 2002、Richardson, J, Henderson, R & Renshaw, D 2007, Dynamic Quenching for Single Photon Avalanche Diode Arrays. in 2007 International Image Sensor Workshop. pp. 13.で紹介されている。
図21は、距離計測動作における対象物TGの検出結果の一例を示し、図21の上側が第1実施形態に対応するPassive quenchを利用した場合のADC及びTDCの結果の一例を示し、図21の下側が第3実施形態に対応するActive quenchを利用した場合のADC及びTDCの結果の一例を示している。
以上のように、第3実施形態に係る距離計測装置1では、光検出器33が能動的にクエンチを行う素子(例えば、トランジスタTSq及びTSr)を有している。トランジスタTSq及びTSrのオンオフは、AQ制御回路70及び論理和回路71と、制御信号/Soutとによって制御される。そして、トランジスタTSrによって、アバランシェフォトダイオードAPDのカソードが接続されたノードに溜まったキャリアが適宜強制的に排出される。
図23は、第1実施形態の変形例に係る距離計測装置1における投光系及び受光系の配置の一例を示している。図23に示された投光系は、例えば光学系20に対応し、受光系は、光検出器33に対応している。距離計測装置1における投光系と受光系の配置としては、例えば図23に示された2種類(第1及び第2の配置例)が考えられる。
Claims (15)
- 光信号を出射する投光部と、アナログ-デジタル変換と時間-デジタル変換とを実行可能な信号処理部とを備える距離計測装置で使用される光検出器であって、
基板上に2次元に配置された複数のセンサを含む受光部と、
前記受光部に前記複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第1の受光領域と、前記第1の受光領域と異なる第2の受光領域とを設定し、
前記第1の受光領域は、各々が少なくとも1つの前記センサを含む第1の画素領域と第2の画素領域とを含み、
前記第2の受光領域は、前記第1の画素領域と前記第2の画素領域それぞれの面積よりも広く、前記第1の画素領域と前記第2の画素領域それぞれよりも多くの前記センサを含む第3の画素領域を含み、
前記第1の画素領域の出力信号と、前記第2の画素領域の出力信号とに、個別にアナログ-デジタル変換処理が実行され、
前記第3の画素領域の出力信号に、時間-デジタル変換処理が実行される、
光検出器。 - 前記信号処理部をさらに備え、
前記信号処理部は、
前記第1の画素領域の前記出力信号と前記第2の画素領域の前記出力信号とのそれぞれに対して、前記アナログ-デジタル変換処理を実行し、
前記第3の画素領域の前記出力信号に対して、前記時間-デジタル変換処理を実行する、
請求項1に記載の光検出器。 - 前記第1の受光領域から出力される出力信号の数と、前記第2の受光領域から出力される出力信号の数とが異なる、
請求項1に記載の光検出器。 - 前記制御部は、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域と異なる第3の受光領域をさらに設定し、
前記第1の受光領域は、前記第2の受光領域と前記第3の受光領域との間に配置され、前記第3の受光領域は、前記第1の画素領域と前記第2の画素領域それぞれの面積よりも広い第4の画素領域を含み、
前記第4の画素領域の出力信号に、時間-デジタル変換処理が実行される、
請求項1に記載の光検出器。 - 前記複数のセンサの各々は、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、一端が第2電源ノードに接続され、他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に記載の光検出器。 - 前記複数のセンサの各々は、前記アバランシェフォトダイオードの前記カソードに接続されたトランジスタをさらに含み、
前記制御部は、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とを設定した際に、前記トランジスタをオフ状態に制御して、前記トランジスタをオフ状態にさせてから第1時間経過した後に、前記トランジスタを一時的にオン状態に変化させる、
請求項5に記載の光検出器。 - 光信号を出射する投光部と、
基板上に2次元に配置された複数のセンサを含む受光部と、
前記受光部に前記複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する制御部と、
アナログ-デジタル変換と時間-デジタル変換とを実行可能な信号処理部と、
を備え、
前記制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第1の受光領域と、前記第1の受光領域と異なる第2の受光領域とを設定し、
前記第1の受光領域は、各々が少なくとも1つの前記センサを含む第1の画素領域と第2の画素領域とを含み、
前記第2の受光領域は、前記第1の画素領域と前記第2の画素領域それぞれの面積よりも広く、前記第1の画素領域と前記第2の画素領域それぞれよりも多くの前記センサを含む第3の画素領域を含み、
前記信号処理部は、
前記第1の画素領域の出力信号と、前記第2の画素領域の出力信号とに、個別にアナログ-デジタル変換処理を実行し、
前記第3の画素領域の出力信号に、時間-デジタル変換処理を実行する、
距離計測装置。 - 前記制御部は、前記投光部が前記光信号を出射する第1のタイミングと、前記受光部が前記光信号の反射光を受光する第2のタイミングとに基づいて、前記光信号を反射した対象物との間の距離を計測する、
請求項7に記載の距離計測装置。 - 前記信号処理部は、
前記第1の画素領域の出力に対してアナログ-デジタル変換処理が実行された第1の電気信号と、前記第2の画素領域の出力に対してアナログ-デジタル変換処理が実行された第2の電気信号とを加算して出力し、
前記第3の画素領域の出力に対して時間-デジタル変換処理が実行された第3の電気信号を出力し、前記第3の電気信号に基づいて光強度の時間変化を表す第4の電気信号を生成し、
前記制御部は、前記第1の電気信号と前記第2の電気信号とが加算された前記出力から第1の閾値を超えている期間を検出し、前記第4の電気信号において前記期間に含まれたピークの時刻を前記第2のタイミングとする、
請求項8に記載の距離計測装置。 - 前記制御部は、前記期間において前記第4の電気信号が複数のピークを含む場合、最も強いピークの時刻を前記第2のタイミングとする、
請求項9に記載の距離計測装置。 - 前記受光部は、光が照射されると、前記第1の受光領域内の前記第1の画素領域と前記第2の画素領域とのそれぞれと、前記第2の受光領域内の前記第3の画素領域から、信号を出力させる、
請求項7に記載の距離計測装置。 - 前記制御部は、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域と異なる第3の受光領域をさらに設定し、
前記第1の受光領域は、前記第2の受光領域と前記第3の受光領域との間に配置され、前記第3の受光領域は、前記第1の画素領域と前記第2の画素領域それぞれの面積よりも広い第4の画素領域を含み、
前記受光部は、光が照射されると、前記第3の受光領域内の前記第4の画素領域から、信号を出力させる、
請求項7に記載の距離計測装置。 - 前記第1の受光領域は、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とが隣り合う第1方向と交差する第2方向に並んだ第1及び第2チャネルを含み、
前記制御部は、前記投光部によって出射された1つの光信号と、前記受光部が受光した前記1つの光信号に関連付けられた反射光の受光結果とに基づいて、前記光信号を受けた対象物との間の前記第1チャネルに対応する距離と前記第2チャネルに対応する距離とのそれぞれを計測する、
請求項7に記載の距離計測装置。 - 前記複数のセンサの各々は、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、一端が第2電源ノードに接続され、他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7に記載の距離計測装置。 - 前記複数のセンサの各々は、前記アバランシェフォトダイオードの前記カソードに接続されたトランジスタをさらに含み、
前記制御部は、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とを設定した際に、前記トランジスタをオフ状態に制御して、前記トランジスタをオフ状態にさせてから第1時間経過した後に、前記トランジスタを一時的にオン状態に変化させる、
請求項14に記載の距離計測装置。
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