JP7443006B2 - 光検出器及び距離測定装置 - Google Patents
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Description
図1は、実施形態の距離測定装置の概要構成ブロック図である。
実施形態の距離測定装置10は、SiPMを用いて距離を測定するLiDARとして構成されている。
この場合において、測距対象物OBJは、例えば、距離測定装置10が搭載された車両の前方、側方又は後方に存在する、他の車両、歩行者あるいは障害物等の有形の物体である。
図2に示す光学系においては、ピンホール(穴あき)ミラーなどにより、投射光と反射光の光軸が一致する様になっており、同軸光学系と呼ばれている。
図2のスキャナ及び光学系13は、例えば、スキャナ並びに投光光学系及び受光光学系を含んでいる。
図3に示すように、x方向にレーザを走査し、走査対象物の一端(図中、左側)から他端(図中、右側)に到ると、y方向に所定距離ずらした位置を今度は、走査対象物の他端(図中、右側)から一端(図中、左側)に操作し、以下同様に繰り返して、所定の2次元範囲を走査することとなる。
図4に示す光学系では、出射光と反射光の光軸が異なるため、非同軸光学系と呼ばれている。
図5は、光検出器の構成説明図である。
まず、図5を参照して、第1実施形態に係る光検出器の構成について説明する。
光検出器14は、図5(A)に示すように、2次元配列された複数のチャネル21を備えた2次元アレイセンサとして構成されている。
図6は、他の光検出器の構成説明図である。
図6は、二次元アレイにおいて典型的なチャネル21の配置例であり、黒丸印は、それぞれチャネル21を表している。また、正方形の枠は、それぞれSPADユニットを表している。
すなわち、注目チャネルがチャネル21-1=画素G1である場合には、太線枠B1で囲まれた6個のSPADユニットの出力の和が、画素G1の出力として用いられる。
このような構成とすることにより、一定数のSPADユニット32を用いて、所望の画素数(例えば、1000×200画素)を有する光検出器を構成できる。
図7においては、各チャネル21が25個のセルユニット22(セルユニット22-1~22-25)を備えているものとして説明する。
したがって、出力端子27からは、セルユニット22-1~22-25の出力信号が積算されて出力されることとなる。
図8(A)は、1次元センサにおける、出力領域の選択を模式的に表しており、図8(A)中、太線枠内の部分が選択された領域を示している。
一般に1次元センサは同軸光学系と共に用いられる場合が多く、個体差や、温度や経年変化により、照射位置がずれた場合に、その位置を調整できる様に、出力選択の機能が具備されている。
2次元センサの場合は、一般に、投光系のスキャン方向に合わせて、出力領域の位置が選択される。
また、一つのチャネル21の出力ではなく、複数のチャネル21の出力を用いているため、緩い同期であっても問題は生じず、受光位置のずれにも強い構成となっている。
さらにチャネル21間に跨がって受光光が照射された場合でも検出が可能となっている。
そこで、以下の実施形態においては、後段への出力を行わない場合には、非出力部分に相当するセルユニット22の消費電力を抑制し、ひいては、2次元アレイセンサとしての光検出器14全体の消費電力を抑制するようにしている。
セルユニット22は、出力端子31を有し、並列接続された複数のSPADユニット32と、SPADユニット32の出力を積算して出力する積算器33と、を備えている。
[1]第1実施形態
図10は、第1実施形態のSPADユニットの概要機能構成図である。
SPADユニット32は、高電位側電源PHに一端が接続された抵抗41と、抵抗41の他端にカソードが接続され、低電位側電源PLにアノードが接続されたSiAPD(Silicon Avalanche Photo Diode)42と、SiAPD42に並列接続された電流制限抵抗43と、電流制限抵抗43と第2の低電位側電源PL2との間に接続されたクエンチ用スイッチ44と、SiAPD42のガイガー電流による電位変動を検出して、絶縁状態で検出信号SENを出力するセンシング部45と、選択スイッチ46と、OR(論理和)回路47と、保持回路48と、を備えている。なお、抵抗41は後述の様にトランジスタで代用される場合があり、抵抗43は無い場合も有り得る。
VPL2<PL+Vbd<PH-Vov
となっている。
なお、クエンチ用スイッチは44、例えば、MOSトランジスタにより実現される。
したがって、クエンチ用スイッチ44は、検出信号SENが“1”の間は、常にオン状態(閉状態)になる。検出信号SENが“0”の場合は、クエンチ用スイッチ44は、制御信号Csが当該SPADユニット32の検出信号SENの出力時にオフ状態(開状態)となり、制御信号Csが当該SPADユニット32の検出信号SENの非出力時にオン状態(閉状態)となる。
上述したように、チャネル21の出力信号の出力/非出力は選択可能とされており、出力端子27(図3参照)を介して出力を行わない非出力が選択されている場合には、当該非出力が選択されているチャネル21を構成しているSPADユニット32の選択スイッチ46をオフ状態(開状態)とするとともに、アクティブクエンチ用スイッチ44をオン状態(閉状態)とする。
ところで、チャネル21の数が多い場合、SPADユニット32は、出力端子31を介して出力を行わない場合に、クエンチ抵抗41、電流制限抵抗43及びアクティブクエンチ用スイッチ44を介して高電位側電源PHから低電位側電源PLに向かって流れる貫通電流が光検出器14全体としては、相当な電力消費に繋がる場合がある。
本第1実施形態の変形例においては、図11に示すように、抵抗41と高電位側電源PHとの間に貫通電流防止スイッチ48を設けている。なお、抵抗41は無い場合も有り得る。
上述した図9と図10は、第1実施形態のSPADユニット32について、機能的に説明するためのものであり、実際のSPADユニット32の回路構成としては、例えば、図12に示すような構成を採っている。
ここで、JKフリップフロップ14Bの出力は、電源投入後は必ず“0”(=“L”レベル)になるものとする。選択信号SLは、Start信号を入力するまで0(L)に保たれ、図12に示した回路と共に用いられることにより、電源投入後、スタート信号SSTRTを入力するまでSiAPD42が一度にオン状態になることはない。
上記第1実施形態においては、光の入射によりガイガー電流が発生したか否かをデジタル的に検出する構成を採っていたが、本第2実施形態は、光の入射により発生したガイガー電流量を簡易的かつアナログ的に測定して、SPADユニット32を実効的にアナログ素子として用い、距離測定を行わない場合には、赤外線カメラとして用いる場合の実施形態である。
図14において、図10の第1実施形態と同様の部分には、同一の符号を付し、その詳細な説明を援用するものとする。
上記構成において、積分器52としては、図12に示すように、した通り、キャパシタC1とオペアンプOPを用い、入力抵抗R1及びリセットスイッチRSWを備えたものが一般的である。
積分器52としては、SPADユニット32の設置数が多いため、積分器52の設置数も多くなる。したがって、設置面積の観点から、積分器52の容量をあまり大きくすることができないので、センシング期間中に容量一杯の電荷が蓄積されてしまう可能性がある。
図16は、第2実施形態の動作説明図である。
図16(A)は、積分器52が飽和状態にならない場合の動作説明図である。
この結果、積分器52は、積分動作を行い、タイマ53は、時間計測動作を行う。
従って、後段の制御計測回路11は、積分信号SINTに基づいて赤外線撮像画像を形成することとなる。
この結果、AND回路54の出力が“0”となると、アクティブクエンチ用スイッチ44をオン状態(閉状態)とする。
この場合にも、アクティブクエンチ用スイッチ44は、センシング部45次第で、オン状態(閉状態)になり得る。また、選択スイッチ46はオン状態(閉状態)とする。
この結果、積分器52は、積分動作を行い、タイマ53は、時間計測動作を行う。
この結果、タイマ53は、時間計測を停止し、カウント値を保持する。
具体的には、制御計測回路11は、積分器52の飽和時に相当する環境光の強さを、時刻t2、時刻t3及び時刻t4を用いて、(t4-t2)/(t3-t2)倍することにより環境光の強さを推定して赤外線撮像画像を形成することとなる。
この結果、AND回路54の出力が“0”となると、アクティブクエンチ用スイッチ44をオン状態(閉状態)とする。
上記第1実施形態においては、センシング部45の出力をそのまま出力端子31から出力していたが、本第3実施形態においては、センシング部45の出力から選択された出力を、光検出器14の出力段において、時間積分し、多値化して出力する場合の実施形態である。
第3実施形態のSPADユニット32が、図10の第1実施形態と異なる点は、選択スイッチ46と出力端子31との間に、積分器61を設けた点である。
SPADユニット32は、ガイガー電流が流れたか否かを出力するだけであり、基本的に“1”及び“0”の2値にしか対応できない。
この場合においては、積分器61を用いることにより、チップ間にて確実なデータ転送が可能である。
その他、ローパスフィルタとすることも可能である。
図18は、ローパスフィルタの適用例の模式説明図である。
図18に模式的に示した通り、ローパスフィルタ出力のピーク値(図中、矢印で示す)は、ローパスフィルタ入力値の加算結果に比例する。最も簡単なローパスフィルタは、抵抗とキャパシタを直列に接続したものである。
SiAPD42が大光量の光を受光してSiAPD42のカソードの初期状態への復帰が所定時間内に完了していない場合がある。この場合、例えば図12の回路では、所定時間にてM3がオフになってしまい、APD42のキャリアが放出されるまでに長い時間が掛かり、次の計測タイミングにて計測が出来ない、計測性能が劣化するという問題が発生する。
図19は、第4実施形態のSPADユニットの概要構成図である。
第4実施形態のSPADユニット32が、図5の第1実施形態と異なる点は、高電位側電源PHと電流制限抵抗43との間に、直列に電流制限抵抗65及びカソードリセットスイッチ66を直列に接続した点と、選択スイッチ46がオン状態(閉状態)の出力期間中に、SiAPD42が大光量の光を受光してSiAPD42のカソードの初期状態への復帰が所定時間内に完了していないことをセンシング部45が検出した場合に、カソードリセットスイッチ66をオン状態(閉状態)とするためのAND回路67を設けた点と、である。
初期状態においては、SiAPD42のカソードは初期状態となっており、カソードリセットスイッチ66は、オフ状態(開状態)になっているものとする。
これにより、センシング部45は、ガイガー電流を検出した旨の検出信号SENを選択スイッチ46及び出力端子31を介して出力する。
この場合において、SiAPD42が大光量の光を受光してSiAPD42のカソードの初期状態への復帰が所定時間内になされていないことをセンシング部45が検出した場合には、AND回路67に“1”を出力する。
この結果、SiAPD42のカソードは初期状態に高速で復帰することとなる。
11 制御計測回路
12 レーザ光源
13 光学系部
13 光学系
14 光検出器
14A コントローラ
21 チャネル
22 セルユニット
24 抵抗
25 選択スイッチ
26 積算器
27、31 出力端子
32 SPADユニット
33 積算器
41 抵抗
42 SiAPD
43 電流制限抵抗
44 アクティブクエンチ用スイッチ
45 センシング部
46 選択スイッチ
48 貫通電流防止スイッチ
51 出力端子
52 積分器
53 タイマ
54 AND回路
61 積分器
65 電流制限抵抗
66 カソードリセットスイッチ
67 AND回路
Cs 制御信号
DD 距離データ
OBJ 測距対象物
PH 高電位側電源
PL 低電位側電源
PLT パルスレーザ光
SC 走査制御信号
SEN 検出信号
SINT 積分信号
SL 選択信号
SO 出力信号
SP 発振信号
Claims (10)
- アバランシェフォトダイオードを有するSPADユニットを複数有するチャネルを複数備え、前記チャネルの出力/非出力を選択可能な光検出器であって、
前記SPADユニットは、前記アバランシェフォトダイオードのアクティブクエンチを行うアクティブクエンチ回路と、
非出力が選択されている前記チャネルに対応する前記アクティブクエンチ回路を動作状態とする制御部と、
非出力が選択されている前記SPADユニットの出力を所定時間積分し、前記非出力の期間中に積分値あるいは前記積分値の上限に達する迄の時間を出力する積分値出力部と、
を備えた光検出器。 - 高電位側電源に接続された第1スイッチを有し、
前記制御部は、前記非出力が選択されている前記SPADユニットにおいて、前記第1スイッチを非導通状態とする、
請求項1記載の光検出器。 - クエンチ抵抗を備え、
前記アバランシェフォトダイオードは、前記クエンチ抵抗に直列接続されている、
請求項1又は請求項2記載の光検出器。 - 前記積分値出力部は、前記SPADユニットの出力を所定時間積分し、前記非出力の期間中に積分値を出力する積分器と、
前記積分値あるいは前記積分値の上限に達する迄の時間をカウントするタイマと、
を備えた請求項1記載の光検出器。 - 前記積分器は、容量、カウンタあるいはロウパスフィルタとして構成されている、
請求項4記載の光検出器。 - 前記アバランシェフォトダイオードのカソードと高電位側電源との間に直列に接続された電流制限抵抗と、第2スイッチと、を備え、
前記制御部は、所定の復帰期間中に前記カソードの電位レベルが復帰状態に到っているか否かを判定し、前記復帰状態に到っていない場合に、前記第2スイッチをオン状態とする、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項記載の光検出器。 - アバランシェフォトダイオードを有するSPADユニットを複数有するチャネルを複数備え、前記チャネルの出力/非出力を選択信号に基づいて選択可能な光検出器であって、
前記SPADユニットは、前記アバランシェフォトダイオードのアクティブクエンチを行うアクティブクエンチ回路と、
非出力が選択されている前記チャネルに対応する前記アクティブクエンチ回路を動作状態とする制御部と、
電源投入時に論理値0になる信号と前記選択信号の論理積で新たな選択信号を生成して複数の前記SPADユニットに出力する選択信号回路と、
を備えた光検出器。 - 非出力が選択されている前記SPADユニットの出力を所定時間積分し、出力する積分器を備えた、
請求項7に記載の光検出器。 - 前記積分器は、容量、カウンタあるいはロウパスフィルタとして構成されている、
請求項8記載の光検出器。 - 距離測定対象に測定光を出射する測定光照射部と、
前記測定光を受光する請求項1乃至請求項9のいずれか一項記載の光検出器と、
前記測定光照射部が出射した前記測定光の出射タイミングと前記光検出器の受光タイミングとに基づいて前記距離測定対象までの距離を測定する距離測定部と、
を備えた距離測定装置。
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