WO2010047247A1 - 発光装置、受光システム及び撮像システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a light emitting device capable of supporting various applications using light emission, and a light receiving system and an imaging system using the light emitting device.
- an application using light emission includes an optical space transmission system, a distance measurement system, and the like.
- a distance measurement system there is a distance measurement system which measures a distance to an object contactlessly, which is known using a time-of-flight (TOF) method.
- the TOF method emits light to an object, measures the time from when the light is emitted to when it strikes the object, and measures the distance to the object based on this time and the speed of light ( See, for example, JP 2001-281336 A, JP H 08-313215 A, and the following documents 1 and 2.
- the emission timing of pulse light in the distance measurement system and the operation timing of the two light receiving elements are specifically described. That is, the pulse light emission and the radiation stop are repeated with the same length (the drive duty of the light emitting element is 50%) and synchronized with the pulse light emission and the radiation stop, charge is alternately transferred in two directions ( See FIG. 1 of Document 1). Then, based on the difference between the two output voltages, the time until the pulse light is reflected by the object and returns is determined.
- Document 2 described below describes an image sensor of a light modulation detection method in which light charges of (background light and modulated light) components and light charges of background light components are distributed to the corresponding floating diffusions, in particular, diffusion A technique for suppressing the influence of carriers and the influence of residual charges is disclosed.
- the light emitting diode may be used as the light emitting element (light source) in the distance measuring system and the optical space transmission system described above
- a semiconductor laser is used as a light emitting element to perform high speed transmission and high precision distance measuring. It may be used.
- the reflected light of the subject includes noise due to sunlight and shot noise of sunlight (noise component of ambient light) in addition to the signal light component due to the reflection of the laser light, and as described above,
- noise component of ambient light is large relative to the signal light component, and the S / N ratio is lowered.
- the length of the predetermined time described above is necessarily between the acquisition of the luminance value at the time of irradiation and the acquisition of the luminance value at the time of non-irradiation It becomes necessary, and the simultaneousness concerning acquisition of the luminance value at the time of irradiation and the luminance value at the time of non-irradiation can not be improved. Therefore, even if a semiconductor laser is simply used as a light emitting element, there is a problem that it is difficult to apply it to various applications using light emission.
- Literature 1 Ryohei Miyagawa, Takeo Kinde, "CCD-Based Range-Finding Sensor", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES, VOL. 44, NO. 10, October 1997, p. 1648 to 1652
- Literature 2 Koji Yamamoto, Yu Oya, Keiichiro Kagawa, Kei Ota, Masahiro Nunoshita, Kunihiro Watanabe "Improvement of gradation of modulated light image in modulated light detection type image sensor" Technical Report of The Institute of Image Information and Television Engineers of Japan vol. 27, No. 25, March 28, 2003 pp. 9 to 12
- the present invention has been made in consideration of such problems, and can realize suppression of heat generation and power consumption, improvement of the S / N ratio of signal light, and the like, and various applications using light emission.
- An object of the present invention is to provide a light emitting device that can be applied.
- another object of the present invention is to improve the S / N ratio, reduce the influence of noise components of ambient light, and acquire the luminance value at the time of irradiation and the luminance value at the time of non-irradiation by using the light emitting device described above. It is an object of the present invention to provide a light receiving system and an imaging system capable of achieving an improvement in the synchronization.
- the light emitting device is directed to a dispersive light source in which the longest side of the light emitting surface has a length of 1.5 mm or more, and the dispersive light source based on a light emission instruction input according to a fixed cycle. And a driving circuit for intermittently emitting two or more pulse lights from the dispersive light source by supplying a driving pulse, wherein the dispersive light source is provided with a light emitting region in a straight line.
- a plurality of semiconductor laser bars, and a plurality of the semiconductor laser bars are stacked, a heat dissipation plate is interposed between the plurality of semiconductor laser bars, and the semiconductor laser bar located at one end is an anode A terminal plate is installed, and a cathode terminal plate is installed on the semiconductor laser bar located at the other end, and the pulse width of the pulsed light emitted from the dispersed light source is longer than 1 nanosecond And less than 0.25 seconds, the energy of a single pulse of light is less than 66.8 ⁇ [J], the constant period is more than 18 ⁇ sec, and two or more of the pulse lights are
- the average energy of the pulse light train having the following equation is less than 3.75 ⁇ [J]
- the average power is less than 74.0 m [W]
- the duty ratio of the pulse light with respect to the constant period is 1% or less It is characterized by
- pulse light with a short pulse width can be obtained, suppression of heat generation and power consumption, improvement of S / N ratio of signal light, etc. can be realized, and various types of light emission (pulse light train) are used. Can be applied to various applications.
- the power of each pulse light included in the pulse light train can be made higher than that of continuous light, and the S / N ratio of pulse light (signal) to ambient light (noise) at each pulse width can be greatly improved. It can be done.
- pulsed light is emitted simultaneously from a plurality of semiconductor laser bars, a bundle of pulsed light having substantially uniform light intensity is emitted as compared with the case where light from one point light source is diffused by the light diffusing member. And the S / N ratio of pulsed light (signal) to ambient light (noise) can be increased.
- the period of pulsed light Since the time is set to be longer than 18 ⁇ sec, the heat can be sufficiently dissipated in the period in which the pulse light is not emitted.
- the dispersive light source has a form in which the respective semiconductor laser bars are sandwiched between the metal plates, the heat dissipating property of the dispersive light source is enhanced, and the problem of heat storage due to long time emission of the pulse light train can be solved.
- the dispersive light source is a light diffusing member for controlling at least the irradiation range of light and / or the bright spot area of light emitted from the light emitting device on the light emitting surface side thereof. It may be installed.
- the light diffusion member may be a diffusion plate on which a hologram pattern is formed.
- a light receiving system includes a light emitting device according to the first aspect of the present invention for emitting light to a subject, a light receiving device for receiving reflected light from the subject, and the light emission.
- a light receiving system having a device and a control device for controlling the light receiving device, the light receiving device detecting the reflected light and converting the light into photoelectrons; and storing the photoelectrons from the photoelectric conversion element First capacitor and second capacitor, a photoelectron discharging unit for discharging the photoelectrons from the photoelectric conversion element, and the photoelectrons from the photoelectric conversion element in synchronization with the driving of the light emitting device;
- a control device for controlling the control device comprising: a first switching element, a second switching element, and a third switching element selectively distributed to the second capacitor and the photoelectron discharge unit; The first switching element is turned on in a first period during which the pulsed light is not emitted from the light emitting device, and the photoelect
- the second switching element is turned on during the second period of the period during which the pulsed light is emitted from the light emitting device, and the photoelectrons from the photoelectric conversion element are Control is performed so as to transfer to the capacitor and turn on the third switching element during a period other than the first period and the second period to discharge the photoelectrons from the photoelectric conversion element to the photoelectron discharge unit
- brightness information of the reflected light independent of ambient light is obtained based on the difference between the amount of charge transferred to the first capacitor and the amount of charge transferred to the second capacitor.
- the S / N ratio can be improved, and the influence of noise components of ambient light can be eliminated. It is possible to improve the simultaneity of obtaining the luminance value of and the luminance value at the time of non-irradiation.
- the combination of the first period and the second period is set to be intermittently repeated a plurality of times, and the photoelectrons from the photoelectric conversion element are generated during the plurality of first periods. Is transferred and accumulated in the first capacitor, and the photoelectrons from the photoelectric conversion element are transferred and accumulated in the second capacitor during the plurality of second periods, and the amount of charge transferred and accumulated in the first capacitor On the basis of the difference between the charge amount transferred and accumulated in the second capacitor, luminance information of the reflected light which does not depend on the ambient light may be obtained.
- the photoelectrons are discharged in a period other than the acquisition of the luminance value at the time of irradiation and the acquisition of the luminance value at the time of non-irradiation, the influence of environmental light such as sunlight can be reduced.
- the photoelectric conversion element may be a photodiode, a buried photodiode, or a photogate.
- the first capacitor and the second capacitor may use parasitic capacitance of an MIM capacitor, a MOS capacitor, a buried photodiode structure or a pn junction.
- At least the first to third switching elements and the first and second capacitors may be formed in a light-shielded area.
- a power supply and a reset switch may be provided to set the potentials of the first capacitor and the second capacitor to a reset potential.
- the second aspect of the present invention has a first gate terminal to which a potential based on the charge amount stored in the first capacitor is applied, and the potential applied to the first gate terminal is converted into a voltage signal. And a second gate terminal to which a second potential based on the charge amount stored in the second capacitor is applied, and the potential applied to the second gate terminal is converted into a voltage signal It may have a second amplifier.
- An imaging system is an imaging system including the light emitting device according to the first aspect of the present invention and a line sensor array or a two-dimensional image sensor array in which a large number of pixels are arranged.
- the photoelectric conversion element, the first capacitor, the second capacitor, the first switching element, and one unit having the second switching element are the lines It is characterized in that a component of one pixel of the sensor array or the two-dimensional image sensor array is configured.
- the wavelength of light received by the light receiving device may be 700 nm or more and less than 1050 nm.
- the use of near infrared light can realize a night vision imaging system.
- the light emitting device As described above, according to the light emitting device according to the present invention, it is possible to realize suppression of heat generation and power consumption, improvement of S / N ratio of signal light, etc., and applied to various applications using light emission. be able to.
- the S / N ratio is improved, the influence of the noise component of ambient light is reduced, and the luminance value at the time of irradiation and the luminance at the time of non-irradiation are obtained. It is possible to improve the simultaneity of obtaining values.
- FIGS. 1 to 14 embodiments of a light emitting device, a light receiving system, and an imaging system according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 14.
- the light emitting device 10 includes one dispersed light source 14 in which a plurality of semiconductor laser bars 12 are arranged and one dispersed light source 14 based on the input of the light emission instruction Sc.
- the drive pulse Pd see FIG. 2
- it has a drive circuit 16 for emitting one pulsed light from the dispersive light source 14.
- five semiconductor laser bars 12 are arrayed, and all laser light emission surfaces are arrayed so as to be exposed on the same surface (light emitting surface).
- the plurality of semiconductor laser bars 12 are aligned such that the major axis is in the horizontal direction, and are stacked in the direction orthogonal to the major axis, or each of the major axes is in the longitudinal direction And arranged in a direction perpendicular to the long axis direction.
- a heat sink 24 (thin plate shaped heat sink) is interposed between a plurality of semiconductor laser bars 12, and an anode terminal plate 26 which constitutes an anode terminal ⁇ a on the semiconductor laser bar 12 positioned at one end. Is disposed, and a cathode terminal plate 28 constituting a cathode terminal .phi.k is disposed on the semiconductor laser bar 12 located at the other end.
- the drive circuit 16 includes a drive power supply 30 (+ power supply) connected to the anode terminal .phi.a and a switching element 32 connected to the cathode terminal .phi.k and supplied with the drive pulse Pd.
- a constant current source 34 connected between the switching element 32 and the ground (or-power source), and a drive pulse generation circuit 36 for supplying a drive pulse Pd to the switching element 32 based on the input of the light emission instruction Sc.
- An n-channel MOS transistor or the like can be used as the switching element 32.
- the cathode terminal k k of the dispersive light source 14 is connected to the drain terminal of the transistor and the constant current source 34 is connected to the source terminal of the transistor. Ru.
- the distributed light source 14 has a circuit configuration in which a plurality of semiconductor laser bars 12 are connected in series between the anode terminal .phi.a and the cathode terminal .phi.k. Connected for.
- the drive pulse Pd is supplied to the switching element 32 of the drive circuit 16 and a current flows through the anode terminal ⁇ a and the cathode terminal ⁇ k of the dispersive light source 14 during the period when the switching element Pd is turned on.
- Light is simultaneously emitted from the laser bar 12. These lights become one bundle and are emitted as one pulse light Lp having a predetermined bright spot area.
- the area of the area (square or rectangle) surrounded by the outermost semiconductor laser bar 12 corresponds to the bright spot area.
- the light emission instruction Sc to the drive pulse generation circuit 36 is input at a constant cycle, and the drive pulse Pd is supplied to the switching element 32 at a constant cycle, thereby corresponding to the supply timing of the drive pulse Pd from the dispersive light source 14 Pulse light Lp is emitted. That is, it is emitted as a pulse light train.
- the above-mentioned fixed cycle is the pulse cycle of the pulse light train.
- the longest side is 1.5 mm or more. That is, it is considered as the dispersed light source 14.
- the wavelength of the light emitted from the dispersed light source 14 is 700 nm or more and less than 1050 nm.
- the pulse period of the pulse light train has a length exceeding 18 ⁇ sec.
- the pulse width of the pulsed light Lp is longer than 1 nanosecond and less than 0.25 seconds.
- the duty ratio of pulsed light to a fixed cycle (pulse cycle) is 1% or less. Preferably, it is 0.1% or less.
- the energy of a single pulse light Lp of the dispersive light source 14 the average energy in the pulse light train (energy in the case of continuous light), the average power (pulse light Lp is paused)
- the light source size d 10 mm
- wavelength of light ⁇ 1050 nm
- maximum viewing angle ⁇ max 100 m [rad]
- minimum viewing angle ⁇ min 1.5 m [rad]
- the number N 100 k [pieces].
- the energy described above calculates the measurement distance r by the calculation method defined below, and limits the laser radiation passing through the circular aperture stop of 7 mm in diameter installed at the measurement distance r to the acceptance angle 100 m [rad] It collected and measured.
- the energy (AELsingl) of the single pulse light Lp can be obtained by the following equation (1).
- AEL singl 2 x 10 -7 x C 4 x C 6 (1)
- C4 is an infrared wavelength dependent coefficient (wavelength dependent)
- C6 is a dispersed light source relaxation constant (visual angle dependent), which can be obtained by the following equation.
- AELav. AELsingl ⁇ C5
- C5 can be determined by the following equation.
- the average power (AEL) can be obtained by the following equation (3).
- AEL 7 ⁇ 10 -4 ⁇ C 4 ⁇ C 6 ⁇ T 2 -0.25 (3)
- T2 is a viewing angle dependent time (viewing angle dependency), and can be obtained by the following equation.
- T2 100
- the light emitting device 10 Since the light emitting device 10 according to the present embodiment is configured as described above, since it is possible to obtain the pulse light Lp having a short pulse width, suppression of heat generation and power consumption, improvement of the S / N ratio of signal light, etc. And can be applied to various applications using light emission (single pulse light Lp or pulse light train).
- the duty ratio of the pulsed light Lp with respect to a fixed cycle is 1% or less, preferably 0.1% or less
- the power of each pulsed light Lp included in the pulsed light train is continuous. It can be made higher than light, and the S / N ratio of pulse light Lp (signal) to ambient light (noise) at each pulse width can be significantly improved.
- a light diffusing member for controlling at least the irradiation range of light and / or the bright spot area of the light emitted from the light emitting device 10 on the light emitting surface side of the dispersed light source 14 (FIG. (Not shown) may be installed.
- the light diffusion member is preferably a diffusion plate on which a hologram pattern is formed.
- the pulse light Lp is simultaneously emitted from the plurality of semiconductor laser bars 12, light is diffused more than when light from one point light source is diffused by the light diffusing member. It is possible to emit a bundle of pulse light whose intensity is made substantially uniform, and it is possible to increase the S / N ratio of the pulse light Lp (signal) to ambient light (noise).
- the pulse period is set to be longer than 18 ⁇ sec, and the duty ratio of the pulse light Lp to the pulse period is 1% or less, so that the heat can be sufficiently dissipated in the period in which the pulse light Lp is not emitted.
- the heat sink 24 is interposed between the plurality of semiconductor laser bars 12, and the anode terminal plate 26 is disposed on the semiconductor laser bar 12 located at one end, and located at the other end. Since the cathode terminal plate 28 is disposed on the semiconductor laser bar 12, each semiconductor laser bar 12 is sandwiched between the metal plates, whereby the heat dissipation of the dispersed light source 14 is enhanced, and the long period of the pulse light train is achieved. It is possible to solve the problem of heat storage due to radiation.
- Light receiving system 100 Next, a light receiving system 100 using the light emitting device 10 described above will be described with reference to FIGS. 3 to 14.
- the light emitting device 10 the light receiving device 102, the control device 104, the arithmetic device 105, the light emitting device 10, the light receiving device 102,
- a power supply circuit 106 for supplying a predetermined power supply voltage to the device 104 and the arithmetic device 105 is provided. Note that, for the sake of simplicity, in FIG. 3, the display of the power supply line from the power supply circuit 106 to each device is omitted.
- the pulse light Lp emitted from the dispersed light source 14 of the light emitting device 10 is reflected by the subject W and enters the light receiving device 102.
- Environmental light Ls such as sunlight is also incident on the light receiving device 102.
- the pulsed light Lp from the light emitting device 10 to the subject W will be referred to as the emitted light Le, and the pulsed light Lp from the subject W to the light receiving device 102 as the reflected light Lr.
- the control device 104 performs control so as to remove the component of the ambient light Ls from the light received by the light receiving device 102 and acquire the component of the reflected light Lr from the subject W.
- the photoelectrons when the continuous light is not irradiated to the subject W are taken in, the luminance value when not irradiated is obtained from the photoelectrons, and in the next two frame period F2.
- the effect of ambient light Ls (mainly sunlight component) is taken in by taking in photoelectrons when the subject W is irradiated with continuous light, obtaining the luminance value at the time of irradiation from the photoelectrons, and acquiring the difference between these luminance values. Can be reduced.
- the duty ratio of continuous light for one cycle is 50%.
- 1/60 [seconds] which is a photographing period by the imaging device is used.
- the light is received without emitting continuous light
- the subsequent second frame period F2 the light is received while emitting the continuous light for the second frame period F2
- noise components due to ambient light are also taken.
- the sunlight component is larger than the signal light component (the S / N ratio of the signal light component is low).
- the input dynamic range of light components is reduced. Therefore, it is conceivable to improve the S / N ratio of the signal light component by accumulating the signal light component by repeating a combination of one frame period F1 and two frame periods F2 a plurality of times.
- the remaining noise component is also accumulated along with the accumulation of the signal light component. As a result, there is a problem that the S / N ratio after the difference calculation becomes low.
- the light receiving device 102 has a lens 108 and a light receiving unit 110.
- the reflected light Lr and the ambient light Ls that have passed through the lens 108 are condensed on the light receiving unit 110.
- the light receiving unit 110 includes one photoelectric conversion element 112, a first charge storage unit 114a and a second charge storage unit 114b, a first amplifier unit 116a and a second amplifier unit 116b, and photoelectron emission.
- the circuit includes a unit 118, a reset unit 120 and a gate drive circuit 122.
- the photoelectric conversion element 112 is formed of, for example, a buried photodiode, and generates photoelectrons according to the light amount of the reflected light Lr.
- the photoelectric conversion element 112 may be another photoelectric conversion element such as a photodiode other than a buried type or a photogate.
- First charge storage unit 114a, second charge storage unit 114b The first charge storage portion 114a has a first switching element SW1 and a first capacitor C1.
- the second charge storage unit 114b includes a second switching element SW2 and a second capacitor C2.
- Each of the first switching element SW1 and the second switching element SW2 can be configured by, for example, an n-channel MOS transistor.
- the first switching element SW1 and the second switching element SW2 select which of the first charge storage portion 114a and the second charge storage portion 114b the photoelectrons generated by the photoelectric conversion element 112 are to be supplied. That is, the source of the first switching element SW1 is connected to the photoelectric conversion element 112, the drain is connected to the first capacitor C1, and the gate is connected to the gate drive circuit 122. Similarly, the source of the second switching element SW2 is connected to the photoelectric conversion element 112, the drain is connected to the second capacitor C2, and the gate is connected to the gate driving circuit 122.
- the photoelectrons generated in the photoelectric conversion element 112 are distributed to one of the first charge storage portion 114 a and the second charge storage portion 114 b.
- the first switching element SW1 is turned on, photoelectrons are moved to the first charge storage unit 114a.
- unnecessary photoelectrons generated in the photoelectric conversion element 112 are transmitted through the photoelectron emitting unit 118. Exhausted.
- the first capacitor C1 stores photoelectrons generated in the photoelectric conversion element 112 when the first switching element SW1 is on.
- the second capacitor C2 stores photoelectrons generated in the photoelectric conversion element 112 when the second switching element SW2 is on.
- the first capacitor C1 and the second capacitor C2 can use parasitic capacitances of an MIM capacitor, a MOS capacitor, a buried photodiode structure, or a pn junction.
- the first amplifier unit 116a has a first output element 124a formed of, for example, an n-channel MOS transistor.
- the contact a1 of the first switching element SW1 and the first capacitor C1 is connected to the gate of the first output element 124a, the power supply voltage VDD is supplied to the drain of the first output element 124a, and the gate of the first output element 124a
- the first current source 126a is connected between the source and the ground (or-power supply), and the first output voltage Vout1 is taken out from the first output terminal ⁇ o1 connected to the source of the first output element 124a. Therefore, a voltage corresponding to the photoelectrons (charge amount Q1) stored in the first capacitor C1 is amplified by the first output element 124a and taken out as the first output voltage Vout1.
- the second amplifier unit 116b has a second output element 124b formed of, for example, an n-channel MOS transistor.
- the contact a2 of the second switching element SW2 and the second capacitor C2 is connected to the gate of the second output element 124b, and the power supply voltage VDD is supplied to the drain of the second output element 124b.
- the second current source 126b is connected between the source and the ground (or-power supply), and the second output voltage Vout2 is taken out from the first output terminal ⁇ o2 connected to the source of the second output element 124b. Therefore, a voltage corresponding to the charge amount (charge amount Q2) stored in the second capacitor C2 is amplified by the second output element 124b and taken out as the second output voltage Vout2.
- the photoelectron discharge unit 118 has a third switching element SW3 for photoelectron discharge.
- the photoelectrons generated by the photoelectric conversion element 112 are transferred to the first charge storage portion 114a and the second charge storage portion SW3)
- the photoelectrons are discharged (when not distributed to the part 114 b). That is, the photoelectric conversion element 112 is connected to the source of the third switching element SW3, the reset voltage Vref is supplied to the drain, and the gate drive circuit 122 is connected to the gate.
- the gate is turned on by supplying the gate drive signal (photoelectron discharge signal Se) to the gate from the gate drive circuit 122 (the voltage supplied to the gate is set to a high level), and the photoelectric conversion element 112 is generated.
- the photoelectrons can be discharged without being distributed to the first charge storage portion 114a and the second charge storage portion 114b.
- the reset unit 120 includes, for example, a fourth switching element SW4 and a fifth switching element SW5 which are formed by n-channel MOS transistors.
- the fourth switching element SW4 and the fifth switching element SW5 operate in conjunction to discharge photoelectrons stored in the first capacitor C1 and the second capacitor C2, and the first capacitor C1 and the second capacitor C2
- the potential of the is set to a constant reset potential. That is, the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are reset.
- the contact a1 of the first switching element SW1 and the first capacitor C1 is connected to the source of the fourth switching element SW4, and the second switching element SW2 and the second switching element SW2 are connected to the source of the fifth switching element SW5.
- the contact a2 with the two capacitors C2 is connected, the reset voltage Vref is supplied to the drains of the fourth switching element SW4 and the fifth switching element SW5, and the gates of the fourth switching element SW4 and the fifth switching element SW5 are connected.
- the gate drive circuit 122 is connected. Therefore, by turning on both the fourth switching element SW4 and the fifth switching element SW5 by the gate drive signal (reset signal Sr) from the gate drive circuit 122 for each gate, the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are provided. The accumulated photoelectrons can be discharged. That is, the first capacitor C1 and the second capacitor C2 can be reset.
- FIG. 8 shows a partial longitudinal sectional view of the photoelectric conversion element 112 using a buried type photodiode and the peripheral structure thereof.
- the photoelectric conversion element 112 and its peripheral structure are, as shown in FIG. 8, a substrate 128 of the first conductivity type (for example, P type), a first semiconductor region 130 of high concentration P type, and a second conductivity type (for example,
- the semiconductor device includes an N-type second semiconductor region 132, an N-type third semiconductor region 134, a transfer gate 136 made of a polysilicon layer, and a light shielding portion 138 made of a metal layer or the like.
- the photoelectric conversion element 112 is configured by the first semiconductor region 130 and the second semiconductor region 132.
- the first switching element SW1 is configured by the substrate 128, the second semiconductor region 132, the third semiconductor region 134, and the transfer gate 136 (the illustration of the second switching element SW2 is omitted). Furthermore, the third semiconductor region 134 also functions as a floating diffusion, and constitutes the first capacitor C1 of the present embodiment (the illustration of the second capacitor C2 is also omitted).
- the light shielding portion 138 is disposed to cover the upper surface of the third semiconductor region 134 and the transfer gate 136. Thereby, the reflected light Lr and the ambient light Ls to the third semiconductor region 134 and the transfer gate 136 are blocked.
- the light emission time of the pulsed light Lp from the light emitting device 10 is WL.
- the period in which the first switching element SW1 is on and the period in which the second switching element SW2 is on are the same and WD.
- the first switching element SW1 and the second switching element SW2 distribute the photoelectrons obtained by photoelectric conversion by the photoelectric conversion element 112 to the first capacitor C1 and the second capacitor C2. That is, the photoelectrons transferred to the first capacitor C1 are photoelectrons (charge amount Q1) obtained by photoelectric conversion of the incident environment light Ls, and the photoelectrons transferred to the second capacitor C2 are the incident environment light They are photoelectrons (charge amount Q2) obtained by photoelectrically converting Ls and the reflected light Lr (reflected light due to the pulse light Lp reflecting on the object W).
- the photoelectrons photoelectrically converted when the first switching element SW1 and the second switching element SW2 are not both turned on (both are turned off) are unnecessary photoelectrons. 3 Turn on the switching element SW3 and sweep it out to the drain.
- the cycle for acquiring the reflected light intensity is repeated only once or a plurality of times.
- the first switching element SW1 is turned on (the second switching element SW2 remains off) from the arbitrary time point t1 where the pulsed light Lp is not emitted to the first reading period Tr1.
- photoelectrons charge amount Q1 obtained by photoelectric conversion of the ambient light Ls are transferred to the first capacitor C1.
- the photoelectrons stored in the first capacitor C1 charge amount from the first output terminal ⁇ o1 of the first amplifier section 116a
- the voltage corresponding to Q1) is amplified by the first output element 124a and is output as the first output voltage Vout1.
- the third switching element SW3 is turned on at the same time as the first switching element SW1 is turned off from the time point t2 when the first reading period Tr1 has elapsed to the first discharge period Td1. As a result, unnecessary photoelectrons generated in the photoelectric conversion element 112 in the first discharge period Td1 are discharged.
- a light emission instruction Sc is output from the control device 104 to the drive pulse generation circuit 36 (see FIG. 2) of the light emitting device 10 at the time when the first discharge period Td1 has elapsed, that is, at time t3.
- One pulse light Lp is emitted from the ten dispersive light sources 14. Therefore, the third switching element SW3 is turned off at time t3, and the second switching element SW2 is turned on (the first switching element SW1 remains off) from the time t3 for the second reading period Tr2.
- photoelectrons charge amount Q2 obtained by photoelectrically converting the ambient light Ls and the reflected light Lr are transferred to the second capacitor C2.
- the second switching element SW2 is turned off.
- the photoelectrons stored in the second capacitor C2 charge amount from the second output terminal ⁇ o2 of the second amplifier section 116b The voltage corresponding to Q2 is amplified by the second output element 124b and output as the second output voltage Vout2.
- the third switching element SW3 is turned on from the time point t4 when the second reading period Tr2 has elapsed to the second discharge period Td2 when the cycle ends time t5.
- unnecessary photoelectrons generated in the photoelectric conversion element 112 in the second discharge period Td2 are discharged.
- One cycle ends at time t5 when the second discharge period Td2 ends.
- one cycle may end when one frame period has elapsed from time t1.
- the first output voltage Vout1 is read at any time after time t2 when the first reading period Tr1 has elapsed, and is used as the first numerical data D1, and any time after time t4 when the second reading period Tr2 elapses.
- the first output voltage Vout1 and the second output voltage Vout2 are simultaneously read at an arbitrary time after time t4 when the second read period Tr2 has elapsed, and are respectively set as the first numerical data D1 and the second numerical data D2.
- the reflected light intensity data Dr may be obtained by calculating 5).
- the fourth switching element SW4 and the fifth switching element SW5 are both turned on from an arbitrary time point tr after at least the second output voltage Vout2 has been read, and the charges accumulated in the first capacitor C1 and the second capacitor C2 Discharge the quantities Q1 and Q2.
- the pulse width of the pulsed light Lp is longer than 1 nanosecond and less than 0.25 seconds, the pulse of the pulsed light Lp is generated only once.
- the width can be set to a time length of 1% or less of one frame period, for example, 0.1% or less. That is, since the pulse width can be set significantly short, the power of one pulse light Lp can be increased, and the S / N ratio of the reflected light component (signal light) to the ambient light component can be significantly improved. be able to.
- the second reading period Tr2 can also be set short in accordance with the pulse width of the pulsed light Lp, and the first reading period Tr1 for reading only the ambient light Ls has the same time length as the second reading period Tr2 described above. For example, since the reading time can be shortened, the incident light amount of the environmental light Ls can be reduced, and the light shot noise component caused by the environmental light Ls can be reduced.
- the temporal length of the first discharge period Td1 sandwiched between the first reading period Tr1 and the second reading period Tr2 is very short enough to discharge unnecessary photoelectrons generated in one photoelectric conversion element 112.
- the length can be set to, for example, a temporal length of about the first reading period Tr1.
- the duty ratio of the pulsed light Lp to the pulse period of the pulsed light train is set to 1% or less (for example, 0.1% or less)
- the power of each pulsed light Lp included in the pulsed light train is This can be made higher than continuous light, and the S / N ratio of reflected light Lr (signal light component) to environmental light Ls (noise component) at each pulse width can be significantly improved.
- photoelectrons are accumulated in the first capacitor C1 and the second capacitor C2 over a plurality of cycles, the signal light component can be increased, and the accuracy of the subsequent signal processing can be improved.
- the embedded photodiode (see FIG. 8) is used as the photoelectric conversion element 112 in the embodiment described above, the present invention is not limited to this, and other photoelectric conversion elements such as photodiodes and photogates other than the embedded photodiode Can also be used.
- FIG. 11 shows a partial longitudinal sectional view of the photoelectric conversion element 112 using the photogate FG and the peripheral structure thereof.
- the photoelectric conversion element 112 and its peripheral structure are, for example, a P-type substrate 140, a photogate FG, an N-type semiconductor region 142, a transfer gate 144 made of a polysilicon layer, and a metal layer, for example. And a light shielding portion 146 made of The photogate FG constitutes a photoelectric conversion element 112.
- a gate drive circuit 122 is connected to the photogate FG. Therefore, by selectively controlling the on / off of the photogate FG according to the gate drive signal Sfg from the gate drive circuit 122 for the photogate FG, a place (potential well) for storing photoelectrons of the photoelectric conversion element 112 It can be moved up and down.
- the photogate FG when the photogate FG is turned on, the potential well moves downward to make it easy to accumulate photoelectrons. On the other hand, when the photogate FG is turned off, the potential well moves upward to transfer all the accumulated photoelectrons to another region (for example, the first capacitor C1).
- the first switching element SW1 is configured by the substrate 140, the photogate FG, the semiconductor region 142, and the transfer gate 144 (the second switching element SW2 is omitted). Furthermore, the semiconductor region 142 also functions as a floating diffusion, and constitutes a first capacitor C1 (the second capacitor C2 is omitted).
- the light shielding portion 146 is disposed to cover the semiconductor region 142 and the transfer gate 144. Thereby, the reflected light Lr and the ambient light Ls to the semiconductor region 142 and the transfer gate 144 are blocked.
- FIG. 12 shows the operation of the light receiving system 100 when the photogate FG is used as the photoelectric conversion element 112.
- the timing chart of FIG. 12 is the same as the timing chart of FIG. 9 except for the timing of the photogate FG.
- the photogate FG is turned on at the start time t1 of the first reading period Tr1, and turned off at the time ta before the end time t2 of the first reading period Tr1. Therefore, the photoelectrons by the environmental light Ls photoelectrically converted in the photogate FG can be transferred to the semiconductor region 142 (first capacitor C1) at high speed.
- the photogate FG is turned on at the start time t3 of the second reading period Tr2, and turned off at the time tb before the end time t4 of the second reading period Tr2.
- the ambient light Ls photoelectrically converted in the photogate FG and the photoelectrons due to the reflected light Lr can be transferred at high speed to another semiconductor region (second capacitor C2).
- Imaging system Although an example in which one photoelectric conversion element 112 is provided as the light receiving unit 110 of the light receiving device 102 in the light receiving system 100 described above, a line in which the photoelectric conversion elements 112 are one-dimensionally arrayed as the light receiving unit 110 is shown. A sensor array or a two-dimensionally arranged image sensor array may be used. That is, as the light receiving unit 110, an imaging system using a line sensor array in which the photoelectric conversion elements 112 are one-dimensionally arranged or an image sensor array in which the photoelectric conversion elements 112 are two-dimensionally arranged may be used.
- FIG. 13 shows a configuration example of a light receiving unit 110 using an image sensor array.
- the light receiving unit 110 includes the image sensor array 152 in which the pixels 150 are arranged in a matrix, a gate drive circuit 122, a vertical selection circuit 154, a sample and hold circuit 155, a horizontal selection circuit 156, and an output buffer 157. And an A / D converter 158.
- each pixel 150 includes the photoelectric conversion element 112 described above, the first charge storage unit 114a and the second charge storage unit 114b, the first amplifier unit 116a and the second amplifier unit 116b, and the photoelectron discharge. And a reset unit 120, and a first output line 160a and a second output line 160b.
- the configuration of the photoelectric conversion element 112, the first charge storage unit 114a and the second charge storage unit 114b, the photoelectron discharge unit 118, and the reset unit 120 is the light receiving unit 110 in the light receiving system 100 described above (see FIG. 7).
- the first amplifier section 116a has a first output element 124a, and a sixth switching element SW6 formed of, for example, an n-channel MOS transistor connected between the source of the first output element 124a and the first output line 160a.
- the second amplifier unit 116b includes a second output element 124b, and a seventh switching element SW7 formed of, for example, an n-channel MOS transistor connected between the source of the second output element 124b and the second output line 160b.
- first current sources 126a are connected between the respective first signal lines 160a and the ground (or-power source), and the second current sources 126b are connected between the respective second signal lines 160b and the ground (or-power source)
- first output voltage Vout1 is extracted from each of the first signal lines 160a
- second output voltage Vout2 is extracted from each of the second signal lines 160b.
- the image sensor array 152 includes a sample and hold circuit 155, a horizontal selection circuit 156, an output buffer 157, and a first accumulated charge signal Sc1 and a second accumulated charge signal Sc2 according to the light quantity of the reflected light Lr received by each pixel 150. And the A / D converter 158.
- the gate drive circuit 122 outputs a gate drive signal (a generic name of the first read signal Sg1 and the second read signal Sg2, the reset signal Sr, and the photoelectron discharge signal Se) to make the gate drive circuit 122
- the first switching element SW1 to the fifth switching element SW5 are selectively turned on and off.
- the vertical selection circuit 154 has a multiplexer (not shown) and selectively outputs the first extraction signal Ss1 and the second extraction signal Ss2 to the row to which the pixel 150 to be read belongs, The first accumulated charge signal Sc1 (first output voltage Vout1) and the second accumulated charge signal Sc2 (second output voltage Vout2) are output.
- the horizontal selection circuit 156 has another multiplexer (not shown), selects a column to which the pixel 150 to be read belongs, and outputs the first accumulated charge signal Sc1 (first output voltage Vout1) from the pixel 150 and the first 2) Output the accumulated charge signal Sc2 (second output voltage Vout2) to the arithmetic device 105 via the sample and hold circuit 155, the horizontal selection circuit 156, the output buffer 157, and the A / D converter 158.
- the arithmetic device 105 that has received the first accumulated charge signal Sc1 and the second charge accumulated signal Sc2 obtains the reflected light intensity from the first accumulated charge signal Sc1 and the second charge accumulated signal Sc2.
- the S / N ratio can be improved, and the influence of noise components due to ambient light can be reduced, and simultaneously the acquisition of the luminance value at the time of irradiation and the luminance value at the time of non-irradiation can be improved. And can be applied to various applications using light emission.
- the above-mentioned imaging system makes the wavelength of the light radiate
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Abstract
発光装置(10)は、複数の半導体レーザバー(12)が配列された分散光源(14)と、分散光源(14)に対して少なくとも1つの駆動パルス(Pd)を供給することにより、分散光源(14)から少なくとも1つのパルス光を出射させる駆動回路(16)とを有する。分散光源(14)は、基台(18)上に、複数の半導体レーザバー(12)が配列され、さらに、複数の半導体レーザバー(12)の間にそれぞれ放熱板(24)が介在されて構成されている。そして、分散光源(14)から出射されるパルス光のパルス幅が1フェムト秒より長く、且つ、0.25秒未満であり、単一のパルス光のエネルギーが66.8μ[J]未満である。
Description
本発明は、発光を用いた様々なアプリケーションに対応することができる発光装置と、該発光装置を用いた受光システム及び撮像システムに関する。
例えば発光を用いたアプリケーションとしては、光空間伝送システムや測距システム等が挙げられる。
例えば測距システムとしては、対象物への距離を非接触に測定する測距システムがあり、これは、タイム・オブ・フライト(TOF)法を用いたものが知られている。TOF法は、対象物に対して光を放射し、光が放射されてから対象物に当たってはねかえって来るまでの時間を測定し、この時間と光速に基づいて対象物までの距離を測定する(特開2001-281336号公報、特開平08-313215号公報、下記文献1及び2参照)。
下記文献1では、測距システムにおけるパルス光の放射タイミングや2つの受光素子の動作タイミングが具体的に説明されている。すなわち、パルス光の放射と放射停止を同じ長さ(発光素子の駆動デューティが50%)で繰り返すと共に、パルス光の放射と放射停止に同期させて、交互に2つの方向に電荷を転送させる(文献1の図1参照)。そして、2つの出力電圧の相違に基づき、パルス光が対象物で反射して戻って来るまでの時間を判定する。
また、下記文献2には、(背景光と変調光)成分の光電荷と背景光成分の光電荷とをそれぞれ対応するフローティング・ディフュージョンに振り分ける光変調検波方式のイメージセンサが記載され、特に、拡散キャリアの影響と残留電荷の影響を抑制する技術が開示されている。
そして、上述した測距システムや光空間伝送システムにおいて、発光素子(光源)として発光ダイオードを用いる場合があるが、高速な伝送や高精度の測距を行うために、発光素子として、半導体レーザを用いる場合もある。
半導体レーザを用いる場合は、発熱や消費電力の問題等を考慮する必要があることから、点光源からの連続光による一定期間の照射を考えた場合、半導体レーザの出力パワーを抑える必要がある。
ところで、被写体の反射光には、レーザ光の反射による信号光成分のほかに、太陽光によるノイズや太陽光のショットノイズ(環境光のノイズ成分)が含まれ、上述のように、半導体レーザの出力パワーを抑えると、信号光成分に対して環境光のノイズ成分が大きく、S/N比が低下するという問題がある。また、所定期間(例えば1フレーム期間)にわたって連続光を照射することから、照射時の輝度値の取得と未照射時の輝度値の取得との間に、上述した所定時間分の長さがどうしても必要になり、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性を向上させることができない。そのため、発光素子として単に半導体レーザを用いても、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることが難しいという問題がある。
文献1:
宮川良平、金出武雄、「CCD-Based Range-Finding Sensor」、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 44, NO. 10、1997年10月、p.1648~1652
文献2:
山本幸司、大屋雄、香川景一郎、太田淳、布下正宏、渡辺國寛「変調光検波方式イメージセンサにおける変調光画像の階調性の改善」社団法人映像情報メディア学会技術報告 vol.27, No.25、2003年3月28日、pp.9~12
宮川良平、金出武雄、「CCD-Based Range-Finding Sensor」、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 44, NO. 10、1997年10月、p.1648~1652
文献2:
山本幸司、大屋雄、香川景一郎、太田淳、布下正宏、渡辺國寛「変調光検波方式イメージセンサにおける変調光画像の階調性の改善」社団法人映像情報メディア学会技術報告 vol.27, No.25、2003年3月28日、pp.9~12
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、発熱及び消費電力の抑制、信号光のS/N比の向上等を実現することができ、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる発光装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、上述の発光装置を用いることで、S/N比の向上、環境光のノイズ成分の影響の低減、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性の向上を図ることができる受光システム及び撮像システムを提供することにある。
第1の本発明に係る発光装置は、発光面の最長の辺の長さが1.5mm以上となっている分散光源と、一定の周期に従って入力される発光指示に基づいて前記分散光源に対して駆動パルスを供給することにより、前記分散光源から2つ以上のパルス状の光を間欠的に出射させる駆動回路とを有する発光装置であって、前記分散光源は、発光領域を一直線状に設けた半導体レーザバーを複数有し、且つ、複数の前記半導体レーザバーが積層された構成を有し、複数の前記半導体レーザバーの間にそれぞれ放熱板が介在され、一方の端部に位置する半導体レーザバーにアノード端子板が設置され、他方の端部に位置する半導体レーザバーにカソード端子板が設置され、前記分散光源から出射される前記パルス状の光のパルス幅が1ナノ秒より長く、且つ、0.25秒未満であり、単一の前記パルス状の光のエネルギーが66.8μ[J]未満であり、前記一定の周期が18μsecを超え、2つ以上の前記パルス状の光を有するパルス光列の平均エネルギーが3.75μ[J]未満であり、平均パワーが74.0m[W]未満であり、前記一定の周期に対する前記パルス光のデューティ比が1%以下であることを特徴とする。
これにより、パルス幅の短いパルス光を得ることができることから、発熱及び消費電力の抑制、信号光のS/N比の向上等を実現することができ、発光(パルス光列)を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる。
また、パルス光列に含まれる各パルス光のパワーを連続光よりも高くすることが可能となり、各パルス幅での環境光(ノイズ)に対するパルス光(信号)のS/N比を大幅に向上させることができる。
複数の半導体レーザバーから同時にパルス光が出射されることから、1つの点光源からの光を光拡散部材で拡散させた場合よりも、光強度がほぼ均一とされたパルス光の束を出射させることができ、環境光(ノイズ)に対するパルス光(信号)のS/N比を高めることができる。もちろん、複数の半導体レーザバーを有することから、発熱の問題が懸念されるが、連続光を出射させるのではなく、パルス光を出射させることと、パルス光列の場合には、パルス光の周期を18μsecよりも長い時間に設定しているため、パルス光が出射されていない期間において十分に放熱させることができる。
また、前記分散光源は、各半導体レーザバーが金属板で挟まれた形態となることから、分散光源の放熱性が高まり、パルス光列の長時間の出射による蓄熱の問題を解決することができる。
そして、第1の本発明において、前記分散光源は、その光出射面側に、少なくとも光の照射範囲及び/又は該発光装置から出射される光の輝点面積を制御するための光拡散部材が設置されていてもよい。この場合、前記光拡散部材は、ホログラムパターンが形成された拡散板であってもよい。光拡散部材を設置することで、分散光源から出射されるパルス光の被写体に対する照射範囲、光空間伝送に必要な照射範囲、分散光源を見たときの視角等を変化させることが可能となり、発光装置の用途や設置位置等に応じて最適な照射範囲、輝点面積に設定することができる。
次に、第2の本発明に係る受光システムは、被写体に対して光を照射する上述した第1の本発明に係る発光装置と、前記被写体からの反射光を受光する受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子からの前記光電子を蓄積する第1キャパシタ及び第2キャパシタと、前記光電変換素子からの前記光電子を排出する光電子排出部と、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記発光装置の駆動に同期して、前記第1キャパシタ、前記第2キャパシタ及び前記光電子排出部に選択的に振り分ける第1スイッチング素子、第2スイッチング素子及び第3スイッチング素子とを具備し、前記制御装置は、前記発光装置から前記パルス状の光が出射されていない期間のうちの第1期間に、前記第1スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第1キャパシタに転送し、前記発光装置から前記パルス状の光が出射されている期間のうちの第2期間に、前記第2スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第2キャパシタに転送し、前記第1期間及び前記第2期間以外の期間に、前記第3スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記光電子排出部に排出するように制御し、前記第1キャパシタに転送された電荷量と前記第2キャパシタに転送された電荷量との差に基づいて、環境光に依存しない前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする。
これにより、上述した第1の本発明に係る発光装置を用いることで、S/N比の向上を図ることができ、しかも、環境光のノイズ成分の影響をなくすことができ、また、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性の向上を図ることができる。
そして、第2の本発明において、前記第1期間と前記第2期間の組み合わせが、間欠的に複数回繰り返すように設定され、複数回の前記第1期間に、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第1キャパシタに転送蓄積し、複数回の前記第2期間に、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第2キャパシタに転送蓄積し、前記第1キャパシタに転送蓄積された電荷量と前記第2キャパシタに転送蓄積された電荷量との差に基づいて、環境光に依存しない前記反射光の輝度情報を得るようにしてもよい。
発光装置では、パルス幅の短いパルス光を出射することから、被写体にパルス光を照射した期間における光電子の取り込み(照射時の輝度値の取得)と、パルス光を照射しない期間における光電子の取り込み(未照射時の輝度値の取得)を、短時間に切り換えるという操作を複数回繰り返すことが可能となり、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。しかも、受光システムでは、照射時の輝度値の取得及び未照射時の輝度値の取得以外の期間において光電子を排出することから、太陽光等の環境光の影響を低減することができる。
また、第2の本発明において、前記光電変換素子は、フォトダイオード、埋込型フォトダイオード又はフォトゲートであってもよい。
また、第2の本発明において、前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタは、MIMキャパシタ、MOSキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はpn接合の寄生容量を利用するようにしてもよい。
また、第2の本発明において、少なくとも前記第1スイッチング素子~第3スイッチング素子並びに前記第1キャパシタ及び第2キャパシタは、遮光された領域に形成されていてもよい。
また、第2の本発明において、前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタの電位をリセット電位にするための電源とリセットスイッチを有するようにしてもよい。
また、第2の本発明において、前記第1キャパシタに蓄積された電荷量に基づく電位が印加される第1ゲート端子を有し、該第1ゲート端子に印加された前記電位を電圧信号に変換する第1アンプと、前記第2キャパシタに蓄積された電荷量に基づく第2電位が印加される第2ゲート端子を有し、該第2ゲート端子に印加された前記電位を電圧信号に変換する第2アンプとを有するようにしてもよい。
次に、第3の本発明に係る撮像システムは、上述した第1の本発明に係る発光装置と、多数の画素が配列されたラインセンサアレイ又は二次元イメージセンサアレイとを有する撮像システムにおいて、上述した第2の本発明に係る受光システムの受光装置における少なくとも前記光電変換素子、前記第1キャパシタ、前記第2キャパシタ、前記第1スイッチング素子、前記第2スイッチング素子を有する1つのユニットが前記ラインセンサアレイ又は前記二次元イメージセンサアレイの1画素分の構成要素を構成していることを特徴とする。
この場合、前記受光装置にて受光される光の波長が700nm以上、1050nm未満であってもよい。近赤外光を使用すれば、暗視撮像システムを実現させることができる。
以上説明したように、本発明に係る発光装置によれば、発熱及び消費電力の抑制、信号光のS/N比の向上等を実現することができ、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる。
本発明に係る受光システム及び撮像システムによれば、上述の発光装置を用いることで、S/N比の向上、環境光のノイズ成分の影響の低減、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性の向上を図ることができる。
以下、本発明に係る発光装置、受光システム及び撮像システムの実施の形態例を図1~図14を参照しながら説明する。
[発光装置]
先ず、本実施の形態に係る発光装置10は、図1に示すように、複数の半導体レーザバー12が配列された分散光源14と、発光指示Scの入力に基づいて分散光源14に対して1つの駆動パルスPd(図2参照)を供給することにより、分散光源14から1つのパルス状の光を出射させる駆動回路16とを有する。図1の例では、5つの半導体レーザバー12が配列され、全てのレーザ光の出射面が、同じ面(発光面)に露出するように配列されている。
先ず、本実施の形態に係る発光装置10は、図1に示すように、複数の半導体レーザバー12が配列された分散光源14と、発光指示Scの入力に基づいて分散光源14に対して1つの駆動パルスPd(図2参照)を供給することにより、分散光源14から1つのパルス状の光を出射させる駆動回路16とを有する。図1の例では、5つの半導体レーザバー12が配列され、全てのレーザ光の出射面が、同じ面(発光面)に露出するように配列されている。
分散光源14は、複数の半導体レーザバー12が、それぞれ長軸方向が横方向になるように揃えられ、且つ、長軸方向と直交する方向に積層されるか、又は、それぞれ長軸方向が縦方向になるように揃えられ、且つ、長軸方向と直交する方向に並べられて構成されている。
また、分散光源14は、複数の半導体レーザバー12の間にそれぞれ放熱板24(薄板状のヒートシンク)が介在され、一方の端部に位置する半導体レーザバー12にアノード端子φaを構成するアノード端子板26が設置され、他方の端部に位置する半導体レーザバー12にカソード端子φkを構成するカソード端子板28が設置されている。
一方、駆動回路16は、図2に示すように、アノード端子φaに接続される駆動電源30(+電源)と、カソード端子φkに接続され、且つ、駆動パルスPdが供給されるスイッチング素子32と、該スイッチング素子32と接地(又は-電源)間に接続された定電流源34と、発光指示Scの入力に基づいて駆動パルスPdをスイッチング素子32に供給する駆動パルス発生回路36とを有する。スイッチング素子32としては、nチャネル型MOSトランジスタ等を使用することができ、この場合、トランジスタのドレイン端子に分散光源14のカソード端子φkが接続され、トランジスタのソース端子に定電流源34が接続される。この定電流源34は、分散光源14が、アノード端子φaとカソード端子φk間に複数の半導体レーザバー12が直列に接続された回路構成なっていることから、各半導体レーザバー12に安定に電流を流すために接続されている。
そして、駆動回路16のスイッチング素子32に、駆動パルスPdが供給されて、該スイッチング素子Pdがオンとなった期間だけ、分散光源14のアノード端子φaとカソード端子φkに電流が流れ、複数の半導体レーザバー12から同時に光が出射されることとなる。これらの光が1つの束となって、所定の輝点面積を有する1つのパルス光Lpとして出射されることになる。この場合、輝点面積としては、最も外側に配置された半導体レーザバー12にて囲まれた領域(正方形あるいは長方形)の面積が相当する。
従って、駆動パルス発生回路36への発光指示Scが一定周期に入力されて、駆動パルスPdが一定周期でスイッチング素子32に供給されることで、分散光源14から駆動パルスPdの供給タイミングに対応してパルス光Lpが出射されることになる。つまり、パルス光列として出射されることとなる。この場合、上述した一定周期がパルス光列のパルス周期となる。
ここで、本実施の形態に係る分散光源14の各種パラメータの範囲について以下に説明する。
(1) 最も外側に配置された半導体レーザバー12にて囲まれた領域(正方形あるいは長方形)の各辺のうち、最長の辺の長さは1.5mm以上となっている。つまり、分散光源14とみなされる。
(2) 分散光源14から出射される光の波長は700nm以上、1050nm未満である。
(3) パルス光列のパルス周期は、18μsecを超えた長さとなっている。
(4) パルス光Lpのパルス幅は、1ナノ秒より長く、且つ、0.25秒未満である。
(5) 一定の周期(パルス周期)に対するパルス光のデューティ比が1%以下である。好ましくは、0.1%以下である。
(2) 分散光源14から出射される光の波長は700nm以上、1050nm未満である。
(3) パルス光列のパルス周期は、18μsecを超えた長さとなっている。
(4) パルス光Lpのパルス幅は、1ナノ秒より長く、且つ、0.25秒未満である。
(5) 一定の周期(パルス周期)に対するパルス光のデューティ比が1%以下である。好ましくは、0.1%以下である。
また、本実施の形態に係る分散光源14の単一のパルス光Lpのエネルギー、パルス光列内の平均エネルギー(連続光にした場合のエネルギー)、平均パワー(パルス光Lpが休止している期間を含む)の上限を求めるために、光源の大きさd=10mm、光の波長λ=1050nm、最大視角αmax=100m[rad]、最小視角αmin=1.5m[rad]、100秒内のパルス数N=100k[個]とした。
上述のエネルギーは、下記に定義される算出方法にて測定距離rを算出し、該測定距離rに設置した直径7mmの円形開口絞りを通過するレーザ放射を受け入れ角100m[rad]に制限して集光して測定した。
(測定距離rの算出)
r=100×[(α×0.46mrad)/αmax][mm]
方形、又は線状の光源の縦及び横の2つの視角の算術平均で求める。
視角α=d/100mm[rad]
なお、視角α>αmaxのときは、r=100mmとする。
r=100×[(α×0.46mrad)/αmax][mm]
方形、又は線状の光源の縦及び横の2つの視角の算術平均で求める。
視角α=d/100mm[rad]
なお、視角α>αmaxのときは、r=100mmとする。
<単一のパルス光Lpのエネルギー>
単一のパルス光Lpのエネルギー(AELsingl)は次式(1)にて求めることができる。
AELsingl=2×10-7×C4×C6 ……(1)
単一のパルス光Lpのエネルギー(AELsingl)は次式(1)にて求めることができる。
AELsingl=2×10-7×C4×C6 ……(1)
ここで、C4は赤外線波長依存係数(波長依存)、C6は分散光源緩和定数(視角依存)であり、下記式にて求めることができる。
C4=100.002×(λ-700)
=100.002×(1050-700)
=5.01
C6=α/αmin
=(10mm/100mm)[rad]/1.5m[rad]
=66.7
C4=100.002×(λ-700)
=100.002×(1050-700)
=5.01
C6=α/αmin
=(10mm/100mm)[rad]/1.5m[rad]
=66.7
従って、単一のパルス光Lpのエネルギーの上限は、(1)式より、AELsingl=66.8μ[J]であり、本実施の形態では、単一のパルス光Lpのエネルギーを66.8μ[J]未満とする。
<パルス光列内の平均エネルギー>
パルス光列内の平均エネルギー(AELav.)は次式(2)にて求めることができる。
AELav.=AELsingl×C5 ……(2)
パルス光列内の平均エネルギー(AELav.)は次式(2)にて求めることができる。
AELav.=AELsingl×C5 ……(2)
ここで、C5は下記式にて求めることができる。
C5=N-0.25
=100k[個]-0.25
=0.0562
C5=N-0.25
=100k[個]-0.25
=0.0562
従って、パルス光列内の平均エネルギーの上限は、(2)式より、AELav.=3.75μ[J]であり、本実施の形態では、パルス光列内の平均エネルギーを3.75μ[J]未満とする。
<平均パワー>
平均パワー(AEL)は次式(3)にて求めることができる。
AEL=7×10-4×C4×C6×T2-0.25 ……(3)
平均パワー(AEL)は次式(3)にて求めることができる。
AEL=7×10-4×C4×C6×T2-0.25 ……(3)
ここで、T2は視角依存時間(視角依存)であり、下記式にて求めることができる。
T2=10×10CA
(CA=[(α-αmin)/98.5])
T2=100
T2=10×10CA
(CA=[(α-αmin)/98.5])
T2=100
従って、平均パワーの上限は、(3)式より、AEL=74.0m[W]であり、本実施の形態では、平均パワーを74.0m[W]未満とする。
本実施の形態に係る発光装置10では、上述のように構成したので、パルス幅の短いパルス光Lpを得ることができることから、発熱及び消費電力の抑制、信号光のS/N比の向上等を実現することができ、発光(単一のパルス光Lpやパルス光列)を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる。
また、一定の周期(パルス光列のパルス周期)に対するパルス光Lpのデューティ比を1%以下、好ましくは0.1%以下としたので、パルス光列に含まれる各パルス光Lpのパワーを連続光よりも高くすることが可能となり、各パルス幅での環境光(ノイズ)に対するパルス光Lp(信号)のS/N比を大幅に向上させることができる。
また、上述の実施の形態において、分散光源14の光出射面側に、少なくとも光の照射範囲及び/又は該発光装置10から出射される光の輝点面積を制御するための光拡散部材(図示せず)を設置するようにしてもよい。この場合、光拡散部材は、ホログラムパターンが形成された拡散板が好ましい。光拡散部材を設置することで、分散光源14から出射されるパルス光Lpの被写体に対する照射範囲、光空間伝送に必要な照射範囲、分散光源を見たときの視角等を変化させることが可能となり、発光装置10の用途や設置位置等に応じて最適な照射範囲、輝点面積に設定することができる。
また、本実施の形態に係る分散光源14では、複数の半導体レーザバー12から同時にパルス光Lpが出射されることから、1つの点光源からの光を光拡散部材で拡散させた場合よりも、光強度がほぼ均一とされたパルス光の束を出射させることができ、環境光(ノイズ)に対するパルス光Lp(信号)のS/N比を高めることができる。もちろん、複数の半導体レーザバー12を有することから、発熱の問題が懸念されるが、連続光を出射させるのではなく、パルス光Lpを出射させることと、パルス光列の場合には、パルス周期を18μsecよりも長い時間に設定し、パルス周期に対するパルス光Lpのデューティ比が1%以下としているため、パルス光Lpが出射されていない期間において十分に放熱させることができる。
また、本実施の形態では、複数の半導体レーザバー12の間にそれぞれ放熱板24を介在させ、一方の端部に位置する半導体レーザバー12にアノード端子板26を設置し、他方の端部に位置する半導体レーザバー12にカソード端子板28を設置するようにしているため、各半導体レーザバー12が金属板で挟まれた形態となり、これにより、分散光源14の放熱性が高まり、パルス光列の長時間の出射による蓄熱の問題を解決することができる。
[受光システム100]
次に、上述した発光装置10を利用した受光システム100について図3~図14を参照しながら説明する。
次に、上述した発光装置10を利用した受光システム100について図3~図14を参照しながら説明する。
本実施の形態に係る受光システム100は、図3に示すように、上述した発光装置10と、受光装置102と、制御装置104と、演算装置105と、これら発光装置10、受光装置102、制御装置104及び演算装置105に所定の電源電圧を供給する電源回路106とを有する。なお、簡単のため、図3において、電源回路106から各装置への電源線の表示を省略する。
この受光システム100では、発光装置10の分散光源14から出射されたパルス光Lpが被写体Wで反射し、受光装置102に入射する。受光装置102には、太陽光等の環境光Lsも入射する。なお、説明の便宜のため、発光装置10から被写体Wまでのパルス光Lpを放射光Leと、被写体Wから受光装置102までのパルス光Lpを反射光Lrと呼ぶ。
制御装置104は、受光装置102で受光された光から環境光Lsの成分を除去して被写体Wからの反射光Lrの成分を取得するように制御する。
ここで、環境光Lsの影響を低減する基本原理、特に、連続光を用いた場合の基本原理について、図4~図6を参照しながら説明する。
先ず、図4に示すように、最初の1フレーム期間F1において、被写体Wに連続光を照射しないときの光電子を取り込み、該光電子から未照射時の輝度値を得、次の2フレーム期間F2において、被写体Wに連続光を照射したときの光電子を取り込み、該光電子から照射時の輝度値を得、これらの輝度値の差を取得することで、環境光Ls(主に太陽光成分)の影響を低減することができる。この場合、第1フレーム期間F1と第2フレーム期間F2の組み合わせを1サイクルとした場合、1サイクルに対する連続光のデューティ比は50%となる。また、1つのフレーム期間としては、撮像装置による撮影期間である例えば1/60[秒]が用いられる。
そして、最初の1フレーム期間F1においては、連続光を出射せずに受光し、続く第2フレーム期間F2において、該第2フレーム期間F2にわたって連続光を出射させながら受光することから、この第1フレーム期間F1から第2フレーム期間F2にわたって、環境光によるノイズ成分も取り込まれることになる。
従って、図5に示すように、第2フレーム期間F2の輝度値(信号光成分+太陽光成分)から第1フレーム期間F1の輝度値(太陽光成分)を差し引くことによって、理想的には太陽光成分による影響が除去され、信号光成分のみが得られることになる。
しかし、太陽光のような強い環境光が存在する環境では、光ショットノイズの影響があり、しかも、光ショットノイズは、ランダム性を有することから、上述した輝度値の差を演算するだけでは、環境光の影響の除去は十分ではないことがわかる。すなわち、図6に示すように、第1フレーム期間F1で発生した光ショットノイズ成分と、第2フレーム期間F2で発生した光ショットノイズ成分が異なる場合、その差分が信号光成分に重畳されることになる。
また、太陽光のような強い環境光が存在する環境では、例えば図5に示すように、信号光成分よりも太陽光成分が大きいことから(信号光成分のS/N比が低い)、信号光成分の入力ダイナミックレンジが小さくなるという問題がある。そこで、1フレーム期間F1と2フレーム期間F2の組み合わせを複数回繰り返して信号光成分を蓄積することによって、信号光成分のS/N比を向上させることが考えられる。しかし、各フレーム期間において、ランダムな光ショットノイズが入り込み、しかも、差演算においても、一部残存することから、上述のように、信号光成分の蓄積と共に、残存するノイズ成分も蓄積することになり、差演算後のS/N比が低くなるという問題がある。
信号光成分のS/N比を向上させるためには、連続光のパワーを高めることが考えられる。しかし、1つのフレーム期間にわたって連続光を出射させることから、発熱や消費電力が増加するという新たな問題が生じる。発熱に対しては例えば冷却機構を別途用意することで対応できるが、受光システムの製造コスト、ランニングコストが高くなり、サイズも大きくなるという問題がある。従って、連続光のパワーを上げることには限界がある。
一方、上述した本実施の形態に係る発光装置10では、分散光源14からパルス幅の短いパルス光Lpを出射することから、該発光装置10を用いた受光システム100では、上述したような連続光による各種問題を解決することができる。
[受光システム100の詳細]
ここで、本実施の形態に係る発光装置10を用いた受光システム100の詳細について図7~図14を参照しながら説明する。
ここで、本実施の形態に係る発光装置10を用いた受光システム100の詳細について図7~図14を参照しながら説明する。
<受光装置102>
図3に示すように、受光装置102は、レンズ108と、受光部110とを有する。レンズ108を通過した反射光Lr及び環境光Lsは、受光部110に集光される。
図3に示すように、受光装置102は、レンズ108と、受光部110とを有する。レンズ108を通過した反射光Lr及び環境光Lsは、受光部110に集光される。
(i)受光部110
図7に示すように、受光部110は、1つの光電変換素子112と、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bと、第1アンプ部116a及び第2アンプ部116bと、光電子排出部118と、リセット部120と、ゲート駆動回路122とを備える。
図7に示すように、受光部110は、1つの光電変換素子112と、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bと、第1アンプ部116a及び第2アンプ部116bと、光電子排出部118と、リセット部120と、ゲート駆動回路122とを備える。
(ii)光電変換素子112
光電変換素子112は、例えば埋込型フォトダイオード(pinned photodiode)にて構成され、反射光Lrの光量に応じた光電子を発生する。光電変換素子112は、埋込型以外のフォトダイオードやフォトゲート等の別の光電変換素子であってもよい。
光電変換素子112は、例えば埋込型フォトダイオード(pinned photodiode)にて構成され、反射光Lrの光量に応じた光電子を発生する。光電変換素子112は、埋込型以外のフォトダイオードやフォトゲート等の別の光電変換素子であってもよい。
(iii)第1電荷蓄積部114a、第2電荷蓄積部114b
第1電荷蓄積部114aは、第1スイッチング素子SW1と第1キャパシタC1とを有する。第2電荷蓄積部114bは、第2スイッチング素子SW2と第2キャパシタC2とを有する。これら第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2は、それぞれ例えばnチャネル型MOSトランジスタにて構成することができる。
第1電荷蓄積部114aは、第1スイッチング素子SW1と第1キャパシタC1とを有する。第2電荷蓄積部114bは、第2スイッチング素子SW2と第2キャパシタC2とを有する。これら第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2は、それぞれ例えばnチャネル型MOSトランジスタにて構成することができる。
第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2は、光電変換素子112で発生した光電子を第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bのいずれに供給するかを選択する。すなわち、第1スイッチング素子SW1は、ソースが光電変換素子112に接続され、ドレインが第1キャパシタC1に接続され、ゲートがゲート駆動回路122に接続されている。同様に、第2スイッチング素子SW2は、ソースが光電変換素子112に接続され、ドレインが第2キャパシタC2に接続され、ゲートがゲート駆動回路122に接続されている。従って、各ゲートに対するゲート駆動回路122からのゲート駆動信号(第1読取信号Sg1及び第2読取信号Sg2)に応じて第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2のオン・オフを選択的に制御することにより、光電変換素子112で発生した光電子が、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bのいずれかに振り分けられる。例えば、第1スイッチング素子SW1をオンにしたとき、第1電荷蓄積部114aに光電子が移動される。なお、後述するように、本実施の形態では、第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2の全てがオフの場合、光電変換素子112で発生した不要な光電子は、光電子排出部118を介して排出される。
第1キャパシタC1は、第1スイッチング素子SW1がオンのとき、光電変換素子112で発生した光電子を蓄積する。同様に、第2キャパシタC2は、第2スイッチング素子SW2がオンのとき、光電変換素子112で発生した光電子を蓄積する。
これら第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2は、MIMキャパシタ、MOSキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はpn接合の寄生容量を利用することができる。
(iv)第1アンプ部116a、第2アンプ部116b
第1アンプ部116aは、例えばnチャネル型MOSトランジスタにて構成された第1出力素子124aを有する。第1出力素子124aのゲートには、第1スイッチング素子SW1と第1キャパシタC1との接点a1が接続され、第1出力素子124aのドレインには電源電圧VDDが供給され、第1出力素子124aのソースと接地(又は-電源)間に第1電流源126aが接続され、第1出力素子124aのソースに接続された第1出力端子φo1から第1出力電圧Vout1が取り出されるようになっている。従って、第1キャパシタC1に蓄積された光電子(電荷量Q1)に応じた電圧が第1出力素子124aにて増幅されて第1出力電圧Vout1として取り出されることになる。
第1アンプ部116aは、例えばnチャネル型MOSトランジスタにて構成された第1出力素子124aを有する。第1出力素子124aのゲートには、第1スイッチング素子SW1と第1キャパシタC1との接点a1が接続され、第1出力素子124aのドレインには電源電圧VDDが供給され、第1出力素子124aのソースと接地(又は-電源)間に第1電流源126aが接続され、第1出力素子124aのソースに接続された第1出力端子φo1から第1出力電圧Vout1が取り出されるようになっている。従って、第1キャパシタC1に蓄積された光電子(電荷量Q1)に応じた電圧が第1出力素子124aにて増幅されて第1出力電圧Vout1として取り出されることになる。
同様に、第2アンプ部116bは、例えばnチャネル型MOSトランジスタにて構成された第2出力素子124bを有する。第2出力素子124bのゲートには、第2スイッチング素子SW2と第2キャパシタC2との接点a2が接続され、第2出力素子124bのドレインには電源電圧VDDが供給され、第2出力素子124bのソースと接地(又は-電源)間に第2電流源126bが接続され、第2出力素子124bのソースに接続された第1出力端子φo2から第2出力電圧Vout2が取り出されるようになっている。従って、第2キャパシタC2に蓄積された電荷量(電荷量Q2)に応じた電圧が第2出力素子124bにて増幅されて第2出力電圧Vout2として取り出されることになる。
(v)光電子排出部118
光電子排出部118は、光電子排出用の第3スイッチング素子SW3を有する。第3スイッチング素子SW3は、第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2の全てがオフにされているとき(すなわち、光電変換素子112で発生した光電子を第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bに振り分けないとき)に当該光電子を排出する。すなわち、第3スイッチング素子SW3のソースには光電変換素子112が接続され、ドレインにはリセット電圧Vrefが供給され、ゲートにはゲート駆動回路122が接続されている。このため、ゲート駆動回路122からゲートにゲート駆動信号(光電子排出信号Se)を供給すること(ゲートに供給される電圧を高レベルにすること)により、ゲートをオンにし、光電変換素子112で発生した光電子を、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bに振り分けることなく、排出することができる。これにより、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bには、第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2のいずれかのゲートがオンしている期間に光電変換素子112で発生した光電子のみを振り分けることが可能となる。
光電子排出部118は、光電子排出用の第3スイッチング素子SW3を有する。第3スイッチング素子SW3は、第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2の全てがオフにされているとき(すなわち、光電変換素子112で発生した光電子を第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bに振り分けないとき)に当該光電子を排出する。すなわち、第3スイッチング素子SW3のソースには光電変換素子112が接続され、ドレインにはリセット電圧Vrefが供給され、ゲートにはゲート駆動回路122が接続されている。このため、ゲート駆動回路122からゲートにゲート駆動信号(光電子排出信号Se)を供給すること(ゲートに供給される電圧を高レベルにすること)により、ゲートをオンにし、光電変換素子112で発生した光電子を、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bに振り分けることなく、排出することができる。これにより、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bには、第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2のいずれかのゲートがオンしている期間に光電変換素子112で発生した光電子のみを振り分けることが可能となる。
(vi)リセット部120
リセット部120は、例えばnチャネル型MOSトランジスタにて構成された第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5を有する。これら第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5は、連動して動作することにより、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2に蓄積されている光電子を排出し、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2の電位を一定のリセット電位にする。すなわち、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2をリセットする。
リセット部120は、例えばnチャネル型MOSトランジスタにて構成された第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5を有する。これら第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5は、連動して動作することにより、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2に蓄積されている光電子を排出し、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2の電位を一定のリセット電位にする。すなわち、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2をリセットする。
具体的には、第4スイッチング素子SW4のソースには、第1スイッチング素子SW1と第1キャパシタC1との接点a1が接続され、第5スイッチング素子SW5のソースには、第2スイッチング素子SW2と第2キャパシタC2との接点a2が接続され、第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5の各ドレインには、リセット電圧Vrefが供給され、第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5の各ゲートには、ゲート駆動回路122が接続されている。このため、各ゲートに対するゲート駆動回路122からのゲート駆動信号(リセット信号Sr)によって第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5を共にオンにすることにより、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2に蓄積されている光電子を排出ことができる。すなわち、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2をリセットすることができる。
(vii)光電変換素子112の構成例
図8は、埋込型フォトダイオードを用いた光電変換素子112とその周辺構造の一部縦断面図が示されている。
図8は、埋込型フォトダイオードを用いた光電変換素子112とその周辺構造の一部縦断面図が示されている。
光電変換素子112とその周辺構造は、図8に示すように、第1導電型(例えばP型)の基板128と、高濃度のP型の第1半導体領域130と、第2導電型(例えばN型)の第2半導体領域132と、N型の第3半導体領域134と、ポリシリコン層からなる転送ゲート136と、金属層等による遮光部138とを有する。
第1半導体領域130の上面全体は、外部に露出し、反射光Lr及び環境光Lsが入射可能である。本実施の形態では、第1半導体領域130と第2半導体領域132とで光電変換素子112を構成する。
また、基板128と、第2半導体領域132と、第3半導体領域134と、転送ゲート136とで、第1スイッチング素子SW1を構成する(第2スイッチング素子SW2については図示を省略してある)。さらに、第3半導体領域134は、フローティング・ディフュージョンとしても機能し、本実施の形態の第1キャパシタC1を構成する(第2キャパシタC2についても図示を省略してある)。
遮光部138は、第3半導体領域134の上面と転送ゲート136とを覆うように配置される。これにより、第3半導体領域134及び転送ゲート136に対する反射光Lr及び環境光Lsが遮られる。
<受光システム100の動作>
次に、本実施の形態に係る受光システム100の動作について図9及び図10を参照しながら説明する。
次に、本実施の形態に係る受光システム100の動作について図9及び図10を参照しながら説明する。
図9に示すように、発光装置10からのパルス光Lpの発光時間はWLである。また、第1スイッチング素子SW1がオンしている期間と第2スイッチング素子SW2がオンしている期間は共に同一でWDである。
第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2は、光電変換素子112にて光電変換して得られた光電子を第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2に振り分ける。すなわち、第1キャパシタC1に転送された光電子は、入射した環境光Lsを光電変換して得られた光電子(電荷量Q1)であり、第2キャパシタC2に転送された光電子は、入射した環境光Lsと反射光Lr(パルス光Lpが被写体Wに反射したことによる反射光)を光電変換して得られた光電子(電荷量Q2)である。
従って、下記式(4)に示すように、これら電荷量Q1及びQ2の差をとることによって、環境光に依存しない反射光強度の情報を取得することができる。
反射光強度=Q2-Q1 ……(4)
反射光強度=Q2-Q1 ……(4)
なお、第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2が共にオンとなっていない(共にオフとなっている)場合に光電変換された光電子は、不要な光電子であるため、この不要な光電子を第3スイッチング素子SW3をオンにしてドレインに掃き出す。
ここで、受光システム100の具体的な動作タイミングについて図9及び図10を参照しながら説明する。
最初に、受光システム100の初期設定として、時点t0において、第3スイッチング素子SW3~第5スイッチング素子SW5を全てオンにし、第1スイッチング素子SW1及び第2スイッチング素子SW2を共にオフにする。これにより、光電変換素子112に蓄積されている不要な光電子が排出されると共に、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2の電位がリセット電位に設定される。
初期設定が終了した後、反射光強度を取得するためのサイクルが1回のみ、あるいは複数回繰り返されることになる。
このサイクルは、先ず、図9に示すように、パルス光Lpが出射されていない任意の時点t1から第1読取期間Tr1にわたり第1スイッチング素子SW1をオン(第2スイッチング素子SW2はオフのまま)にする。これによって、環境光Lsを光電変換して得られた光電子(電荷量Q1)が第1キャパシタC1に転送される。この第1読取期間Tr1の開始時点t1から第1キャパシタC1がリセットされるまでの期間において、第1アンプ部116aの第1出力端子φo1からは、第1キャパシタC1に蓄積された光電子(電荷量Q1)に応じた電圧が第1出力素子124aにて増幅されて第1出力電圧Vout1として出力されることになる。
第1読取期間Tr1が経過した時点t2から第1排出期間Td1にわたり第1スイッチング素子SW1をオフにすると同時に、第3スイッチング素子SW3をオンにする。これによって、第1排出期間Td1において光電変換素子112に発生した不要な光電子が排出される。
第1排出期間Td1が経過した時点、すなわち、時点t3にて、制御装置104から発光装置10の駆動パルス発生回路36(図2参照)に対して発光指示Scが出力され、これにより、発光装置10の分散光源14から1つのパルス光Lpが出射されることになる。従って、時点t3で第3スイッチング素子SW3をオフにし、該時点t3から第2読取期間Tr2にわたり第2スイッチング素子SW2をオン(第1スイッチング素子SW1はオフのまま)にする。これによって、環境光Lsと反射光Lrを光電変換して得られた光電子(電荷量Q2)が第2キャパシタC2に転送される。第2読取期間Tr2が経過した時点t4で第2スイッチング素子SW2をオフにする。この第2読取期間Tr2の開始時点t3から第2キャパシタC2がリセットされるまでの期間において、第2アンプ部116bの第2出力端子φo2からは、第2キャパシタC2に蓄積された光電子(電荷量Q2)に応じた電圧が第2出力素子124bにて増幅されて第2出力電圧Vout2として出力されることになる。
その後、第2読取期間Tr2が経過した時点t4からサイクルの終了時点t5の第2排出期間Td2にかけて第3スイッチング素子SW3をオンにする。これによって、該第2排出期間Td2において光電変換素子112に発生した不要な光電子が排出される。この第2排出期間Td2が終了した時点t5で1つのサイクルが終了する。
そして、上述したサイクルを1回のみとした場合は、時点t1から1フレーム期間が経過した時点で1つのサイクルが終了するようにしてもよい。この場合、例えば第1読取期間Tr1が経過した時点t2以降の任意の時点で第1出力電圧Vout1を読み出して第1数値データD1とし、第2読取期間Tr2が経過した時点t4以降の任意の時点で第2出力電圧Vout2を読み出して第2数値データD2とし、下記式(5)を演算することによって、反射光強度データDrを得ることができる。
Dr=D2-D1 ………(5)
Dr=D2-D1 ………(5)
もちろん、第2読取期間Tr2が経過した時点t4以降の任意の時点で第1出力電圧Vout1及び第2出力電圧Vout2を同時に読み出してそれぞれ第1数値データD1及び第2数値データD2とし、上記式(5)を演算することによって、反射光強度データDrを得るようにしてもよい。
その後、少なくとも第2出力電圧Vout2を読み出した後の任意の時点trから第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5を共にオンにして、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2に蓄積されている電荷量Q1及びQ2を排出する。
また、上述した発光装置10は、パルス光Lpのパルス幅を1ナノ秒より長く、且つ、0.25秒未満としているため、上述したサイクルを1回のみとした場合は、パルス光Lpのパルス幅を1フレーム期間の1%以下、例えば0.1%以下の時間的長さに設定することが可能である。つまり、パルス幅を大幅に短く設定することができることから、1つのパルス光Lpのパワーを高くすることができ、環境光成分に対する反射光成分(信号光)のS/N比を大幅に向上させることができる。第2読取期間Tr2もパルス光Lpのパルス幅に合わせて短く設定することができ、しかも、環境光Lsのみを読み取る第1読取期間Tr1を上述した第2読取期間Tr2と同じ時間的長さにできる等、読取時間を短くすることができるため、環境光Lsの入射光量を低減でき、環境光Lsに起因する光ショットノイズ成分を低減することができる。
また、第1読取期間Tr1と第2読取期間Tr2に挟まれる第1排出期間Td1の時間的長さは、1つの光電変換素子112に発生した不要な光電子を排出する程度の非常に短い時間的長さ、例えば第1読取期間Tr1程度の時間的長さに設定することができる。つまり、被写体Wにパルス光Lpを照射しない期間(第1読取期間Tr1)における光電子の取り込み(未照射時の輝度値の取得)と、パルス光Lpを照射した期間(第2読取期間Tr2)における光電子の取り込み(照射時の輝度値の取得)を、短時間に切り換えることが可能となり、未照射時の輝度値と照射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。
一方、上述したサイクルを複数回繰り返す場合は、図10に示すように、サイクル1、サイクル2、・・・サイクルnの各サイクルにおいて、図9に示すタイミングに準じて動作が行われる。そして、各サイクルの各時点t3において、制御装置104から発光装置10の駆動パルス発生回路36に対して発光指示Scが出力されることになるが、この発光指示Scの出力周期が発光装置10から出力されるパルス光列のパルス周期となる。また、この場合、最終のサイクルnにおいてのみ、上述の第1出力電圧Vout1及び第2出力電圧Vout2を読み出せばよい。これにより、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2に蓄積される光電子の量を増やすことができる。
この場合においても、パルス光列のパルス周期に対するパルス光Lpのデューティ比が1%以下(例えば0.1%以下)に設定されることから、パルス光列に含まれる各パルス光Lpのパワーを連続光よりも高くすることが可能となり、各パルス幅での環境光Ls(ノイズ成分)に対する反射光Lr(信号光成分)のS/N比を大幅に向上させることができる。しかも、複数サイクルにわたって第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2にそれぞれ光電子を蓄積することから、信号光成分を増やすことができ、その後の信号処理の精度を高めることが可能となる。また、各サイクルにおいて、第1読取期間Tr1における光電子の取り込み(未照射時の輝度値の取得)と、第2読取期間Tr2における光電子の取り込み(照射時の輝度値の取得)を、短時間に切り換えることができるため、未照射時の輝度値と照射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。
上述した実施の形態では、光電変換素子112として埋込型フォトダイオード(図8参照)を用いたが、これに限られず、埋込型フォトダイオード以外のフォトダイオードやフォトゲート等その他の光電変換素子を用いることもできる。
図11には、フォトゲートFGを用いた光電変換素子112とその周辺構造の一部縦断面図が示されている。
光電変換素子112とその周辺構造は、図11に示すように、P型の基板140と、フォトゲートFGと、N型の半導体領域142と、ポリシリコン層からなる転送ゲート144と、例えば金属層からなる遮光部146とを有する。フォトゲートFGが光電変換素子112を構成する。図11には図示しないが、フォトゲートFGにはゲート駆動回路122が接続されている。従って、フォトゲートFGに対するゲート駆動回路122からのゲート駆動信号Sfgに応じてフォトゲートFGのオン・オフを選択的に制御することにより、光電変換素子112の光電子を蓄積する場所(ポテンシャル井戸)を上下に動かせるようになっている。すなわち、フォトゲートFGがオンとされた場合は、ポテンシャル井戸が下方に移動し、光電子を蓄積しやすい状態にする。反対に、フォトゲートFGがオフとされた場合は、ポテンシャル井戸が上方に移動し、蓄積されていた光電子をすべて別の領域(例えば第1キャパシタC1)に転送できるようになっている。
また、基板140と、フォトゲートFGと、半導体領域142と、転送ゲート144とで、第1スイッチング素子SW1を構成する(第2スイッチング素子SW2については省略してある)。さらに、半導体領域142は、フローティング・ディフュージョンとしても機能し、第1キャパシタC1を構成する(第2キャパシタC2については省略してある)。
遮光部146は、半導体領域142と転送ゲート144とを覆うように配置される。これにより、半導体領域142及び転送ゲート144に対する反射光Lr及び環境光Lsが遮られる。
図12には、光電変換素子112としてフォトゲートFGを用いた場合の受光システム100の動作を示す。この図12のタイミングチャートは、フォトゲートFGのタイミングを除き、図9のタイミングチャートと同様である。
図12では、フォトゲートFGが第1読取期間Tr1の開始時点t1でオンとされ、該第1読取期間Tr1の終了時点t2よりも前の時点taでオフとされる。そのため、フォトゲートFGにおいて光電変換した環境光Lsによる光電子を高速に半導体領域142(第1キャパシタC1)に転送することができる。同様に、フォトゲートFGが第2読取期間Tr2の開始時点t3でオンとされ、該第2読取期間Tr2の終了時点t4よりも前の時点tbでオフとされる。そのため、フォトゲートFGにおいて光電変換した環境光Lsと反射光Lrによる光電子を高速に別の半導体領域(第2キャパシタC2)に転送することができる。これは、不要な光電子を排出する場合も同様であり、第1排出期間Td1及び第2排出期間Td2の各開始時点t2及びt4でフォトゲートFGをオンとし、各終了時点t3及びt5(t1)よりも前の時点tc及びtdでフォトゲートFGをオフにすることから、不要な光電子を高速に排出することができる。
<撮像システム>
上述した受光システム100における受光装置102の受光部110として、1つの光電変換素子112を設けた例を示したが、その他、受光部110として、光電変換素子112が一次元的に配列されたラインセンサアレイや二次元的に配列されたイメージセンサアレイを用いるようにしてもよい。すなわち、受光部110として、光電変換素子112が一次元的に配列されたラインセンサアレイや二次元的に配列されたイメージセンサアレイを用いた撮像システムとしてもよい。
上述した受光システム100における受光装置102の受光部110として、1つの光電変換素子112を設けた例を示したが、その他、受光部110として、光電変換素子112が一次元的に配列されたラインセンサアレイや二次元的に配列されたイメージセンサアレイを用いるようにしてもよい。すなわち、受光部110として、光電変換素子112が一次元的に配列されたラインセンサアレイや二次元的に配列されたイメージセンサアレイを用いた撮像システムとしてもよい。
図13に、イメージセンサアレイを用いた受光部110の構成例を示す。受光部110は、マトリックス状に画素150が配置された前記イメージセンサアレイ152と、ゲート駆動回路122と、垂直選択回路154と、サンプルホールド回路155と、水平選択回路156と、出力バッファ157と、A/Dコンバータ158とを有する。
各画素150は、図14に示すように、上述した光電変換素子112と、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bと、第1アンプ部116a及び第2アンプ部116bと、光電子排出部118と、リセット部120と、第1出力線160a及び第2出力線160bとを備える。このうち、光電変換素子112と、第1電荷蓄積部114a及び第2電荷蓄積部114bと、光電子排出部118と、リセット部120の構成は上述した受光システム100における受光部110(図7参照)の構成と同様である。第1アンプ部116aは、第1出力素子124aと、該第1出力素子124aのソースと第1出力線160aとの間に接続された例えばnチャネル型MOSトランジスタによる第6スイッチング素子SW6とを有し、第2アンプ部116bは、第2出力素子124bと、該第2出力素子124bのソースと第2出力線160bとの間に接続された例えばnチャネル型MOSトランジスタによる第7スイッチング素子SW7とを有する。また、各第1信号線160aと接地(又は-電源)間にそれぞれ第1電流源126aが接続され、各第2信号線160bと接地(又は-電源)間にそれぞれ第2電流源126bが接続され、これにより、各第1信号線160aからそれぞれ第1出力電圧Vout1が取り出され、各第2信号線160bからそれぞれ第2出力電圧Vout2が取り出されるようになっている。
イメージセンサアレイ152は、各画素150が受光した反射光Lrの光量に応じた第1蓄積電荷信号Sc1及び第2蓄積電荷信号Sc2を、サンプルホールド回路155と、水平選択回路156と、出力バッファ157と、A/Dコンバータ158とを介して出力する。
具体的には、ゲート駆動回路122は、ゲート駆動信号(第1読取信号Sg1及び第2読取信号Sg2、リセット信号Sr及び光電子排出信号Seの総称)を出力することにより、イメージセンサアレイ152の第1スイッチング素子SW1~第5スイッチング素子SW5を選択的にオン・オフ制御する。垂直選択回路154は、マルチプレクサ(図示せず)を有し、読出しを行う画素150が属する行に対して選択的に第1取出信号Ss1及び第2取出信号Ss2を出力し、当該画素150から第1蓄積電荷信号Sc1(第1出力電圧Vout1)及び第2蓄積電荷信号Sc2(第2出力電圧Vout2)を出力させる。水平選択回路156は、別のマルチプレクサ(図示せず)を有し、読出しを行う画素150が属する列を選択し、当該画素150からの第1蓄積電荷信号Sc1(第1出力電圧Vout1)及び第2蓄積電荷信号Sc2(第2出力電圧Vout2)を、サンプルホールド回路155と、水平選択回路156と、出力バッファ157と、A/Dコンバータ158とを介して演算装置105に出力する。第1蓄積電荷信号Sc1及び第2電荷蓄積信号Sc2を受信した演算装置105は、第1蓄積電荷信号Sc1及び第2電荷蓄積信号Sc2から反射光強度を求める。
この撮像システムでは、S/N比の向上、環境光によるノイズ成分の影響を低減することができると共に、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性を向上させることができ、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる。
なお、上述の撮像システムは、発光装置から出射される光の波長を700nm以上、1050nm未満としているため、近赤外光を使用すれば、暗視撮像システムとして実現させることができる。
Claims (12)
- 発光面の最長の辺の長さが1.5mm以上となっている分散光源(14)と、
一定の周期に従って入力される発光指示に基づいて前記分散光源(14)に対して駆動パルス(Pd)を供給することにより、前記分散光源(14)から2つ以上のパルス状の光を間欠的に出射させる駆動回路(16)とを有する発光装置であって、
前記分散光源(14)は、発光領域を一直線状に設けた半導体レーザバー(12)を複数有し、且つ、複数の前記半導体レーザバー(12)が積層された構成を有し、
複数の前記半導体レーザバー(12)の間にそれぞれ放熱板(24)が介在され、一方の端部に位置する半導体レーザバー(12)にアノード端子板(26)が設置され、他方の端部に位置する半導体レーザバー(12)にカソード端子板(28)が設置され、
前記分散光源(14)から出射される前記パルス状の光のパルス幅が1ナノ秒より長く、且つ、0.25秒未満であり、
単一の前記パルス状の光のエネルギーが66.8μ[J]未満であり、
前記一定の周期が18μsecを超え、
2つ以上の前記パルス状の光を有するパルス光列の平均エネルギーが3.75μ[J]未満であり、
平均パワーが74.0m[W]未満であり、
前記一定の周期に対する前記パルス光のデューティ比が1%以下であることを特徴とする発光装置。 - 請求項1記載の発光装置において、
前記分散光源(14)は、その光出射面側に、少なくとも光の照射範囲及び/又は該発光装置から出射される光の輝点面積を制御するための光拡散部材が設置されていることを特徴とする発光装置。 - 請求項2記載の発光装置において、
前記光拡散部材は、ホログラムパターンが形成された拡散板であることを特徴とする発光装置。 - 被写体(W)に対して光を照射する請求項1~3のいずれか1項に記載の発光装置(10)と、
前記被写体(W)からの反射光(Lr)を受光する受光装置(102)と、
前記発光装置(10)及び前記受光装置(102)を制御する制御装置(104)とを有する受光システムであって、
前記受光装置(102)は、
前記反射光(Lr)を検知して光電子に変換する光電変換素子(112)と、
前記光電変換素子(112)からの前記光電子を蓄積する第1キャパシタ(C1)及び第2キャパシタ(C2)と、
前記光電変換素子(112)からの前記光電子を排出する光電子排出部(118)と、
前記光電変換素子(112)からの前記光電子を、前記発光装置(10)の駆動に同期して、前記第1キャパシタ(C1)、前記第2キャパシタ(C2)及び前記光電子排出部(118)に選択的に振り分ける第1スイッチング素子(SW1)、第2スイッチング素子(SW2)及び第3スイッチング素子(SW3)とを具備し、
前記制御装置(104)は、
前記発光装置(10)から前記パルス状の光が出射されていない期間のうちの第1期間(Tr1)に、前記第1スイッチング素子(SW1)をオン制御して、前記光電変換素子(112)からの前記光電子を、前記第1キャパシタ(C1)に転送し、
前記発光装置(10)から前記パルス状の光が出射されている期間のうちの第2期間(Tr2)に、前記第2スイッチング素子(SW2)をオン制御して、前記光電変換素子(112)からの前記光電子を、前記第2キャパシタ(C2)に転送し、
前記第1期間(Tr1)及び前記第2期間(Tr2)以外の期間に、前記第3スイッチング素子(SW3)をオン制御して、前記光電変換素子(112)からの前記光電子を、前記光電子排出部(118)に排出するように制御し、
前記第1キャパシタ(C1)に転送された電荷量と前記第2キャパシタ(C2)に転送された電荷量との差に基づいて、環境光(Ls)に依存しない前記反射光(Lr)の輝度情報を得ることを特徴とする受光システム。 - 請求項4記載の受光システムにおいて、
前記第1期間(Tr1)と前記第2期間(Tr2)の組み合わせが、間欠的に複数回繰り返すように設定され、
複数回の前記第1期間(Tr1)に、前記光電変換素子(112)からの前記光電子を、前記第1キャパシタ(C1)に転送蓄積し、
複数回の前記第2期間(Tr2)に、前記光電変換素子(112)からの前記光電子を、前記第2キャパシタ(C2)に転送蓄積し、
前記第1キャパシタ(C1)に転送蓄積された電荷量と前記第2キャパシタに転送蓄積された電荷量との差に基づいて、環境光に依存しない前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光システム。 - 請求項4記載の受光システムにおいて、
前記光電変換素子(112)は、フォトダイオード、埋込型フォトダイオード又はフォトゲートであることを特徴とする受光システム。 - 請求項4記載の受光システムにおいて、
前記第1キャパシタ(C1)及び前記第2キャパシタ(C2)は、MIMキャパシタ、MOSキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はpn接合の寄生容量を利用することを特徴とする受光システム。 - 請求項4記載の受光システムにおいて、
少なくとも前記第1スイッチング素子(SW1)~第3スイッチング素子(SW3)並びに前記第1キャパシタ(C1)及び第2キャパシタ(C2)は、遮光された領域に形成されていることを特徴とする受光システム。 - 請求項4記載の受光システムにおいて、
前記第1キャパシタ(C1)及び前記第2キャパシタ(C2)の電位をリセット電位にするための電源とリセットスイッチを有することを特徴とする受光システム。 - 請求項4記載の受光システムにおいて、
前記第1キャパシタ(C1)に蓄積された電荷量に基づく電位が印加される第1ゲート端子を有し、該第1ゲート端子に印加された前記電位を電圧信号に変換する第1アンプ(124a)と、
前記第2キャパシタ(C2)に蓄積された電荷量に基づく第2電位が印加される第2ゲート端子を有し、該第2ゲート端子に印加された前記電位を電圧信号に変換する第2アンプ(124b)とを有することを特徴とする受光システム。 - 請求項1記載の発光装置(10)と、
多数の画素が配列されたラインセンサアレイ又は二次元イメージセンサアレイ(152)とを有する撮像システムにおいて、
請求項4記載の受光システムの受光装置(102)における少なくとも前記光電変換素子(112)、前記第1キャパシタ(C1)、前記第2キャパシタ(C2)、前記第1スイッチング素子(SW1)、前記第2スイッチング素子(SW2)を有する1つのユニットが前記ラインセンサアレイ又は前記二次元イメージセンサアレイ(152)の1画素分の構成要素を構成していることを特徴とする撮像システム。 - 請求項11記載の撮像システムにおいて、
前記受光装置(102)にて受光される光の波長が700nm以上、1050nm未満であることを特徴とする撮像システム。
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