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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-10
(45)【発行日】2023-11-20
(54)【発明の名称】光検出器及び距離計測装置
(51)【国際特許分類】
G01S 7/4861 20200101AFI20231113BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20231113BHJP
G01S 17/10 20200101ALI20231113BHJP
G01S 17/89 20200101ALI20231113BHJP
【ＦＩ】
G01S7/4861
G01C3/06 120Q
G01S17/10
G01S17/89
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2020053221
(22)【出願日】2020-03-24
(65)【公開番号】P2021152487
(43)【公開日】2021-09-30
【審査請求日】2022-03-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】317011920
【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】久保田 寛
(72)【発明者】
【氏名】松本 展
【審査官】渡辺 慶人
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１９１１２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２４９９９８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１８－５２８４３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００９－５４４０２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３１１８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１９０８９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４４９２３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１
１７／００ － １７／９５
Ｇ０１Ｂ １１／００ － １１／３０
Ｇ０１Ｃ ３／００ － ３／３２
Ｇ０１Ｊ １／００ － １／６０
１１／００
Ｈ０１Ｌ ２７／１４ － ２７／１４８
２７／３０
２９／７６
３１／００ － ３１／０２
３１／０８ － ３１／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
【請求項7】
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。
【請求項8】
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。
【請求項9】
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。
【請求項10】
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。
【請求項11】
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。
【請求項12】
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。
【請求項13】
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。
【請求項14】
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。
【請求項15】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
実施形態は、光検出器及び距離計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれる距離計測装置が知られている。ＬｉＤＡＲは、レーザ光を対象物に照射し、対象物から反射された反射光の強度をセンサ（光検出器）によって検出する。そして、ＬｉＤＡＲは、センサから出力される光強度信号に基づいて、ＬｉＤＡＲから対象物までの距離を計測する。ＬｉＤＡＲで使用されるセンサは多々有るが、今後有望なものとして、２次元に配列された複数のシリコンフォトマルチプライヤを備える二次元センサ（２Ｄセンサ）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１９－０５６５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
距離計測装置において、近距離対象物に対する距離計測の精度を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態の光検出器は、受光部と、制御部とを含む。受光部は、基板上に２次元に配置された複数のセンサと、各々が少なくとも一つのセンサを含む複数の画素とを含む。制御部は、受光部に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、第１の受光領域と異なる第２の受光領域とを設定する。第１の受光領域は、各々が少なくとも１つの画素を含む第１の画素領域と第２の画素領域とを含む。第２の受光領域は、第１の画素領域と第２の画素領域との合計の面積よりも広い第３の画素領域を含む。受光部は、光が照射されると、第１の受光領域内の第１の画素領域と第２の画素領域とのそれぞれから個別に信号を出力させ、第２の受光領域内の第３の画素領域から纏めて信号を出力させる。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】第１実施形態に係る距離計測装置の全体構成の一例を示す概略図。
【図2】第１実施形態に係る光検出器の平面レイアウトの一例を示す平面図。
【図3】第１実施形態に係る光検出器の備えるＳＰＡＤユニットの回路構成の一例を示す回路図。
【図4】アバランシェフォトダイオードの構造の一例とＳＰＡＤの動作原理とを示す概略図。
【図5】第１実施形態に係る光検出器の備える受光部における受光領域の設定方法の一例を示す平面図。
【図6】第１実施形態に係る光検出器の出力部の構成の一例を示すブロック図。
【図7】第１実施形態に係る光検出器の出力部の備える信号処理部の構成の一例を示すブロック図。
【図8】第１実施形態に係る光検出器における信号処理方法の一例を示す概略図。
【図9】第１実施形態に係る光検出器における信号処理方法の一例を示す概略図。
【図10】第１実施形態に係る距離計測装置におけるレーザ光のスキャン方法の一例を示す概略図。
【図11】第１実施形態に係る距離計測装置におけるレーザ光のスキャン方法の一例を示す概略図。
【図12】第１実施形態に係る距離計測装置におけるレーザ光のスキャン方法の一例を示す概略図。
【図13】非同軸光学系の距離計測装置における反射光の変化の一例を示す概略図。
【図14】第１実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作における光検出器の受光領域の設定方法の一例を示す平面図。
【図15】第１実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において光検出器に照射される入射光の形状の一例を示す平面図。
【図16】第１実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において遠距離の対象物を検出した場合の計測結果の一例を示す光強度分布図。
【図17】第１実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において近距離の対象物を検出した場合の計測結果の一例を示す光強度分布図。
【図18】第１実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において近距離の対象物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す光強度分布図。
【図19】第２実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作における光検出器の受光領域の設定方法の一例を示す平面図。
【図20】第３実施形態に係る光検出器の備えるＳＰＡＤユニットの回路構成の一例を示す回路図。
【図21】第３実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において対象物を検出した場合の計測結果の一例を示す光強度分布図。
【図22】第３実施形態に係る距離計測装置の距離計測動作において対象物を検出した場合の計測結果の一例を示す光強度分布図。
【図23】第１実施形態の変形例に係る距離計測装置における投光系及び受光系の配置の一例を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。各実施形態は、発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示している。図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。本発明の技術思想は、構成要素の形状、構造、配置等によって特定されるものではない。尚、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付す。参照符号を構成する文字の後の数字は、同じ文字を含んだ参照符号によって参照され、且つ同様の構成を有する要素同士を区別するために使用される。
【0008】
［１］第１実施形態
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。
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。
【0009】
［１－１］構成
［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。
［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。
【0010】
出射部１０は、距離計測装置１が対象物ＴＧとの間の距離の計測に用いるためのレーザ光を生成及び出射する。出射部１０は、例えば、制御部１１、発振器１２、第１駆動回路１３、第２駆動回路１４、及び光源１５を含んでいる。尚、制御部１１は、出射部制御のための出射用制御部と、計測処理部（受光部）のための受光用制御部とに分かれていても良い。この場合、出射用制御部は出射部１０に含まれ、受光用制御部は計測処理部（受光部）３０に含まれる。
【0011】
制御部１１は、距離計測装置１の全体の動作を制御する。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んでいる。制御部１１のＲＯＭは、例えば距離計測装置１の動作に使用されるプログラムを格納している。制御部１１のＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って、例えば発振器１２並びに第１駆動回路１３及び第２駆動回路１４を制御する。
【0012】
発振器１２は、制御部１１による制御に基づいて、パルス信号を生成する。そして、発振器１２は、生成したパルス信号を第１駆動回路１３に出力する。パルス信号が立ち上がるタイミングは、出射部１０がレーザ光を出射するタイミングに対応している。
【0013】
第１駆動回路１３は、発振器１２から入力されたパルス信号に応じて駆動電流を生成し、生成した駆動電流を光源１５に供給する。つまり、第１駆動回路１３は、光源１５の電流供給源として機能する。
【0014】
第２駆動回路１４は、制御部１１による制御に応じて駆動電流を生成し、生成した駆動電流を光学系２０のミラー２４に供給する。つまり、第２駆動回路１４は、ミラー２４の電源回路として機能する。
【0015】
光源１５は、レーザダイオード等のレーザ光源である。光源１５は、第１駆動回路１３から供給された駆動電流に基づいて、レーザ光Ｌ１を間欠的に発光（出射）する。レーザ光Ｌ１は、後述する光学系２０を介して対象物ＴＧに照射される。
【0016】
光学系２０は、入射したレーザ光Ｌ１を２つに分ける。そして、光学系２０は、２つに分けたレーザ光Ｌ１の一方を対象物ＴＧに出射し、他方を計測処理部３０の光検出器３１に出射する。光学系２０は、例えば、レンズ２１、光学素子２２、レンズ２３、及びミラー２４を含んでいる。
【0017】
レンズ２１は、光源１５から出射されたレーザ光Ｌ１の光路上に配置される。レンズ２１は、当該レンズ２１を通過するレーザ光Ｌ１をコリメートして、コリメートしたレーザ光Ｌ１を光学素子２２に導光する。
【0018】
光学素子２２は、レンズ２１によって導かれたレーザ光Ｌ１を２つに分ける。２つに分けられたレーザ光Ｌ１は、それぞれレンズ２３の方向とミラー２４の方向とに向かって出射される。光学素子２２は、例えばビームスプリッタである。
【0019】
レンズ２３は、光学素子２２によって分けられたレーザ光Ｌ１の一方の光路上に配置される。レンズ２３は、当該レンズ２３を通過するレーザ光Ｌ１を集光して、集光したレーザ光Ｌ１を計測処理部３０の光検出器３１に導光する。つまり、レンズ２３は、距離計測装置１が外部に出射する前のレーザ光Ｌ１の一部を光検出器３１に集める。
【0020】
ミラー２４は、当該ミラー２４に入射したレーザ光Ｌ１を反射する。ミラー２４は、第２駆動回路１４から供給される駆動電流に基づいて駆動する。例えば、ミラー２４の反射面は、互いに交差する２つの軸を中心として回転可能に構成される。ミラー２４から反射されたレーザ光Ｌ１は、距離計測装置１の外部の対象物ＴＧに出射される。
【0021】
計測処理部３０は、光学系２０から導かれたレーザ光Ｌ１と、対象物ＴＧから反射された反射光Ｌ２とに基づいて、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離を計測する。計測処理部３０は、例えば、光検出器３１、レンズ３２、光検出器３３、第１増幅器３４、第２増幅器３５、時間取得部３６、及び距離計測処理部３７を含んでいる。
【0022】
光検出器３１は、レンズ２３を介して当該光検出器３１に入射したレーザ光Ｌ１を受光する。そして、光検出器３１は、受光したレーザ光Ｌ１の光強度に基づいた電気信号を、第１増幅器３４に出力する。光検出器３１は、例えばフォトダイオードである。
【0023】
レンズ３２は、対象物ＴＧから反射された反射光Ｌ２を集光して、集光した反射光Ｌ２を光検出器３３に導光する。つまり、レンズ３２は、距離計測装置１に対して照射された反射光Ｌ２を含む外部の光を光検出器３３に集める。
【0024】
光検出器３３は、レンズ２３を介して当該光検出器３３に入射した反射光Ｌ２を受光する。そして、光検出器３３は、受光した反射光Ｌ２の光強度に基づいた電気信号を、例えば第２増幅器３５に出力する。光検出器３３は、例えば半導体を用いた光電子増倍素子を含む。光検出器３３の詳細については後述する。
【0025】
第１増幅器３４は、光検出器３１から入力された電気信号を増幅して、増幅した電気信号を時間取得部３６と距離計測処理部３７とのそれぞれに出力する。以下では、第１増幅器３４が出力した電気信号のことを基準信号とも呼ぶ。
【0026】
第２増幅器３５は、光検出器３３から入力された電気信号を増幅して、増幅した電気信号を時間取得部３６と距離計測処理部３７とのそれぞれに出力する。第２増幅器３５は、例えばトランスインピーダンス増幅器である。以下では、第２増幅器３５が出力した電気信号のことを計測信号とも呼ぶ。
【0027】
時間取得部３６は、第１増幅器３４から入力された基準信号の信号強度に基づいて、出射部１０がレーザ光Ｌ１を出射したタイミングに対応する第１の時間を取得する。また、時間取得部３６は、第２増幅器３５から入力された計測信号の信号強度に基づいて、対象物ＴＧから反射された反射光Ｌ２を光検出器３３が受光した第２の時間を取得する。尚、第１の時間と第２の時間との組は、間欠的に出射される基準信号毎に取得される。時間取得部３６は、各時間を、基準信号又は計測信号の立ち上がり時間に基づいて決定しても良いし、基準信号又は計測信号のピーク時刻に基づいて決定しても良い。
【0028】
距離計測処理部３７は、時間取得部３６によって取得された第１の時間と第２の時間との時間差に基づいて、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離を計測する。簡潔に述べると、距離計測処理部３７は、出射部１０によるレーザ光Ｌ１の出射タイミングと、対象物ＴＧから反射された反射光Ｌ２の光検出器３３への入射タイミングとに基づいて、レーザ光Ｌ１及びＬ２の飛行時間を算出する。そして、距離計測処理部３７は、当該飛行時間とレーザ光の速度とに基づいて、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離を計測する。このような距離の計測方法は、ＴｏＦ（Time of Flight）方式とも呼ばれる。
【0029】
画像処理部４０は、距離計測処理部３７によって計測した距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離の計測結果を取得する。そして、画像処理部４０は、取得した複数の計測結果を用いて、距離計測装置１の計測対象の領域における距離情報を含む画像を生成する。生成された画像は、例えば距離計測装置１を備える車両等の制御プログラムによって参照される。
【0030】
以上のように、第１実施形態に係る距離計測装置１は、出射部１０から出射されるレーザ光Ｌ１の光軸と光検出器３３が受光する反射光Ｌ２の光軸とが異なる非同軸光学系を有している。尚、第１実施形態に係る距離計測装置１の構成は、以上で説明した構成に限定されない。第１実施形態に係る距離計測装置１の構成は、後述する動作を実行することが可能であれば、その他の構成であっても良い。
【0031】
例えば、光学素子２２、レンズ２３、光検出器３１、及び第１増幅器３４は、省略されても良い。この場合、これらの構成の代わりに、発振器１２が、計測処理部３０に対して基準信号を出力しても良い。また画像処理部４０による処理は、距離計測装置１に接続された外部の機器によって実行されても良い。
【0032】
［１－１－２］光検出器３３の構成について
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。
【0033】
受光部ＤＰは、例えば光検出器３３が対象物ＴＧから反射した反射光Ｌ２を受けるための領域である。受光部ＤＰにおいて光検出器３３は、複数の画素ＰＸを含んでいる。複数の画素ＰＸは、例えば、半導体基板上に、第１方向及び第２方向に広がったマトリクス状に配置される。言い換えると、複数の画素ＰＸは、２次元に配置される。
【0034】
複数の画素の各々は、少なくとも１つの光電子増倍素子を含んでいる。光電子増倍素子としては、例えば、単一光子アバランシェダイオード（Single-Photon Avalanche Diode）が使用される。以下では、単一光子アバランシェダイオードのことを“ＳＰＡＤ”と呼び、ＳＰＡＤを使用するための回路のことを“ＳＰＡＤユニットＳＵ”と呼ぶ。ＳＰＡＤの機能の詳細については後述する。画素ＰＸに複数のＳＰＡＤユニットＳＵが設けられる場合、複数のＳＰＡＤユニットＳＵは、例えば第１方向及び第２方向に広がったマトリクス状に配置される。複数のＳＰＡＤユニットＳＵを含む画素ＰＸは、シリコン光増倍素子（ＳｉＰＭ：Silicon Photomultiplier）とも呼ばれる。
【0035】
尚、光検出器３３に含まれる画素ＰＸと、画素ＰＸに含まれるＳＰＡＤユニットＳＵとのそれぞれの個数は、図２に示された個数に限定されず、任意の個数に設計され得る。画素ＰＸとＳＰＡＤユニットＳＵとのそれぞれの平面形状は、必ずしも正方形でなくても良い。画素ＰＸの形状は、各画素ＰＸに含まれるＳＰＡＤユニットＳＵの形状及び配置に応じて変化し得る。例えば、各画素ＰＸにおいて、第１方向に並ぶＳＰＡＤユニットＳＵの個数と、第２方向に並ぶＳＰＡＤユニットＳＵの個数とは異なっていても良い。光検出器３３は、異なる形状の画素ＰＸを利用しても良い。ＳＰＡＤユニットＳＵの形状は、その他の形状であっても良く、例えば長方形であっても良い。
【0036】
（ＳＰＡＤユニットＳＵの回路構成について）
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。
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。
【0037】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤ及びクエンチ抵抗Ｒｑは、高電位ノードＮｈｖと低電位ノードＮｌｖとの間に直列に接続される。具体的には、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードが、低電位ノードＮｌｖに接続される。アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードが、クエンチ抵抗Ｒｑの一端に接続される。クエンチ抵抗Ｒｑの他端が、高電位ノードＮｈｖに接続される。
【0038】
距離計測装置１の距離計測動作において、高電位ノードＮｈｖに印加される電圧は、低電位ノードＮｌｖに印加される電圧よりも高い。つまり、距離計測動作において、逆バイアスが、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加される。高電位ノードＮｈｖは、ＳＰＡＤに含まれたアバランシェフォトダイオードＡＰＤによる光検出結果の出力端、すなわち出力ノードに対応している。高電位ノードＮｈｖには、トランジスタＴｏｕｔが接続される。トランジスタＴｏｕｔのゲートには、制御信号Ｓｏｕｔが入力される。
【0039】
ＳＰＡＤユニットＳＵは、高電位ノードＮｈｖに接続されたトランジスタＴｏｕｔを介して、光検出結果に対応する出力信号ＩＯＵＴを出力する。例えば、制御信号Ｓｏｕｔが“Ｈ”レベルである場合、当該ＳＰＡＤユニットＳＵは、トランジスタＴｏｕｔを介して、高電位ノードＮｈｖの電圧に基づいた出力信号ＩＯＵＴを出力する。制御信号Ｓｏｕｔが“Ｌ”レベルである場合、当該ＳＰＡＤユニットＳＵによる出力信号ＩＯＵＴの出力は、トランジスタＴｏｕｔによって遮断される。実際には、多段に接続された複数のトランジスタによって、トランジスタＴｏｕｔが構成される。
【0040】
距離計測装置１では、例えば、画素ＰＸ毎に制御信号Ｓｏｕｔが独立に制御され得る。つまり、距離計測装置１は、各画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤユニットＳＵを、必要に応じてアクティブ状態又は非アクティブ状態にすることが出来る。本明細書において、“アクティブ状態のＳＰＡＤユニットＳＵ”は、当該ＳＰＡＤユニットＳＵが光信号を検出して出力信号ＩＯＵＴを出力することが可能な状態であることを示している。“非アクティブ状態のＳＰＡＤユニットＳＵ”は、当該ＳＰＡＤユニットＳＵが受けた光信号に基づく出力信号ＩＯＵＴを出力しない状態であることを示している。以下では、アクティブ状態のＳＰＡＤユニットＳＵを含む画素ＰＸのことを、オン状態の画素ＰＸと呼ぶ。非アクティブ状態のＳＰＡＤユニットＳＵを含む画素ＰＸのことを、オフ状態の画素ＰＸと呼ぶ。
【0041】
尚、画素ＰＸの回路構成は、以上で説明した構成に限定されない。例えば、クエンチ抵抗Ｒｑは、トランジスタに置き換えられても良い。高電位ノードＮｈｖには、クエンチ用のトランジスタがさらに接続されても良い。トランジスタＴｏｕｔは、Ｎ型トランジスタであっても、Ｐ型トランジスタであっても良い。トランジスタＴｏｕｔは、出力信号ＩＯＵＴを選択的に出力可能であれば、その他のスイッチ素子であっても良い。高電位ノードＮｈｖ（出力ノード）の配置は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤによる光検出結果を出力可能であれば、その他の配置であっても良い。また、複数のＳＰＡＤユニットＳＵは、グループを形成しても良い。この場合、出力信号ＩＯＵＴは、例えばそのグループに属するＳＰＡＤユニットＳＵの出力の総和に相当する電気信号に対応している。
【0042】
（ＳＰＡＤの動作原理について）
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。
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。
【0043】
まず、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの構成について説明する。アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、例えば、基板５０、Ｐ型半導体層５１、Ｐプラス型半導体層５２、及びＮプラス型半導体層５３を含んでいる。
【0044】
基板５０は、例えばＰ型の半導体基板である。基板５０上に、Ｐ型半導体層５１、Ｐプラス型半導体層５２、及びＮプラス型半導体層５３が、この順番に積層されている。Ｐプラス型半導体層５２におけるＰ型不純物の濃度は、Ｐ型半導体層５１におけるＰ型不純物の濃度よりも高い。Ｎプラス型半導体層５３は、Ｎ型不純物がドープされた半導体層である。例えば、Ｎプラス型半導体層５３上には、図示が省略された電極が接続される。
【0045】
次に、ＳＰＡＤの動作原理について説明する。第１実施形態に係る距離計測装置１では、基板５０側が低電位ノードＮｌｖに対応し、Ｎプラス型半導体層５３が高電位側（カソード）に対応している。
【0046】
距離計測装置１の距離測定動作において、アバランシェフォトダイオードＡＰＤには、Ｎプラス型半導体層５３に対して基板５０側が負となるように、高い電圧が印加される。つまり、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに高い逆バイアスが印加され、Ｐプラス型半導体層５２とＮプラス型半導体層５３との間に強い電界が発生する（図４（１））。すると、Ｐプラス型半導体層５２とＮプラス型半導体層５３との接合（すなわち、ＰＮ接合）領域の付近に、空乏層が形成される（図４（２））。距離測定動作では、この状態のアバランシェフォトダイオードＡＰＤが、光信号を検知可能な状態に対応している。
【0047】
そして、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに光が照射されると、光のエネルギーの一部が空乏層に到達する（図４（３））。空乏層に光が照射されると、空乏層において電子と正孔の対、すなわちキャリアが発生する場合がある（図４（４））。空乏層に発生したキャリアは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加された逆バイアスの電界によりドリフトする（図４（５））。例えば、発生したキャリアのうち正孔は、基板５０側に向かって加速される。一方で、発生したキャリアのうち電子は、Ｎプラス型半導体層５３側に向かって加速される。
【0048】
Ｎプラス型半導体層５３側に向かって加速された電子は、ＰＮ接合の付近に発生した強い電界の下で、原子と衝突する。すると、原子に衝突した電子が、当該原子をイオン化させて、新たな電子と正孔の対を発生させる。アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加された逆バイアスの電圧が、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのブレークダウン電圧を超えている場合、このような電子と正孔の対の発生が繰り返される。このような現象は、アバランシェ降伏と呼ばれている（図４（６））。
【0049】
アバランシェ降伏が発生すると、アバランシェフォトダイオードＡＰＤが放電する（図４（７））。このような放電は、ガイガー放電と呼ばれている。ガイガー放電が発生すると、ＳＰＡＤユニットＳＵの出力ノードの電圧が上昇する。これにより、ガイガー放電とその後のリカバリに関わる電気信号が、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ、すなわち１つのＳＰＡＤから出力される。
【0050】
また、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力された電流は、例えばクエンチ抵抗Ｒｑに流れる。その結果、電圧降下が、ＳＰＡＤユニットＳＵの出力ノードにおいて発生する（図４（８））。ＳＰＡＤユニットＳＵにおけるこのような電圧降下は、クエンチングとも呼ばれる。電圧降下によって、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加された逆バイアスの電圧がブレークダウン電圧未満になると、ガイガー放電が停止する。それから、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのＰＮ接合における容量の充電や、リカバリ電流が流れることが完了すると、アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、電流の出力を停止する。ガイガー放電が止まった後に、アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、電流の出力がある程度弱まると、次の光を検知することが可能な状態に戻る。
【0051】
以上のように、第１実施形態に係る距離計測装置１の備える光検出器３３は、ガイガーモードで使用されるアバランシェフォトダイオードＡＰＤを有している。そして、これらのアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、光入射に応じてアバランシェ降伏を起こし、光検出結果に対応する電気信号を出力する。これにより、光検出器３３は、フォトン単位の受光を検知して、電気信号に変換することが出来る。
【0052】
尚、ＳＰＡＤユニットＳＵに使用されるアバランシェフォトダイオードＡＰＤの構造は、以上で説明された構造に限定されない。例えば、Ｐプラス型半導体層５２は省略されても良い。Ｐ型半導体層５１、Ｐプラス型半導体層５２、及びＮプラス型半導体層５３のそれぞれの厚さは、適宜変更され得る。アバランシェフォトダイオードＡＰＤのＰＮ接合は、基板５０との境界近傍に形成されても良い。アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが反転された構造を有していても良い。
【0053】
（受光領域ＤＲの設定について）
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、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。
【0054】
尚、受光部ＤＰに設けられた複数の画素のそれぞれには、第１方向に対応する座標と第２方向に対応する座標とが割り当てられているものと仮定する。また、本明細書において“受光領域”は、単なる名称に相当している。距離計測装置１の距離計測動作において、光が必ずしも受光領域ＤＲの全体に照射されていなくても良い。
【0055】
図５は、第１実施形態に係る光検出器３３の備える受光部ＤＰにおける受光領域ＤＲの設定方法の一例を示している。図５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”とに基づいて、受光領域ＤＲを設定する。“Ｎ”は、画素ＰＸの第１方向の座標に対応している。“Ｍ”は、画素ＰＸの第２方向の座標に対応している。受光領域ＤＲに関連付けられたこれらの座標は、例えば出射部１０の制御部１１による制御に基づいて指定される。
【0056】
また、座標“Ｎ”及び“Ｍ”は、例えば受光領域ＤＲ内の左上の画素の座標に対応している。これに限定されず、受光領域ＤＲは、少なくとも座標“Ｎ”及び“Ｍ”に対応するアドレスを基準として設定されていれば良い。例えば、座標“Ｎ”及び“Ｍ”が指定する画素ＰＸの座標は、受光領域ＤＲ内の左下、右上、右下、中央等、いずれの画素ＰＸの座標に対応していても良い。
【0057】
そして、受光領域ＤＲは、座標“Ｎ”及び“Ｍ”を基準として、例えば第１方向及び第２方向にそれぞれ３画素及び４画素の広がりを有する領域に設定される。言い換えると、本例では、受光領域ＤＲが、３×４画素を含む矩形領域に設定される。尚、受光領域ＤＲ内でオン状態にされる画素ＰＸの配置は、適宜設定され得る。また、受光部ＤＰ内且つ受光領域ＤＲに含まれない画素ＰＸは、オフ状態に設定される。
【0058】
受光領域ＤＲ内の少なくとも１つの画素ＰＸは、照射された光を電気信号に変換し、光強度に対応する出力信号ＩＯＵＴを出力し得る。各画素ＰＸによって生成された出力信号ＩＯＵＴは、画素ＰＸ毎に出力される。これにより、光が照射された画素ＰＸの信号のみが使用されるため、光が照射されなかった画素ＰＸからのノイズが除去され、Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）が高くなる。
【0059】
以上で説明した受光領域ＤＲの位置及び形状は、距離計測装置１によって出射されるレーザ光のスキャン位置に応じて設定される。具体的には、出射部１０の制御部１１が、レーザ光を出射したタイミングのミラー２４の傾きに関連付けられた座標“Ｎ”及び“Ｍ”を指定して、受光領域ＤＲの設定を光検出器３３に対して指示する。これにより、距離計測装置１が、対象物ＴＧから反射した反射光Ｌ２が照射すると推測される領域内の画素ＰＸをオン状態にして、当該反射光Ｌ２を検出することが出来る。
【0060】
（光検出器３３の出力部について）
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。
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。
【0061】
図６は、第１実施形態に係る光検出器３３の出力部の構成の一例を示している。本例では、３×４画素を含む矩形の受光領域ＤＲが設定されたものと仮定する。図６に示すように、受光部ＤＰは、例えば１２個の画素ＰＸにそれぞれ対応する出力信号ＩＯＵＴａ１～１２を出力する。また、光検出器３３は、出力部として、例えばスイッチ部ＳＷ及び信号処理部ＳＰをさらに備えている。
【0062】
スイッチ部ＳＷは、複数のスイッチ回路を含み、受光部ＤＰによって出力された複数の出力信号ＩＯＵＴの順序を整列する機能を有する。具体的には、スイッチ部ＳＷには、例えば受光部ＤＰによって出力された出力信号ＩＯＵＴａ１～１２と、受光領域ＤＲの座標を示す座標“Ｎ”及び“Ｍ”とが入力される。そして、スイッチ部ＳＷは、座標“Ｎ”及び“Ｍ”に基づいて複数のスイッチ回路を適宜繋ぎ替えることによって、入力された出力信号ＩＯＵＴａ１～１２を整列する。それから、スイッチ部ＳＷは、整列された出力信号ＩＯＵＴａ１～１２に対応する出力信号ＩＯＵＴｂ１～１２を、信号処理部ＳＰに出力する。これにより、受光領域ＤＲ内の各画素ＰＸの出力順番が、所定の順番（例えば、図６の下部に示された順番）に変更される。
【0063】
信号処理部ＳＰは、スイッチ部ＳＷから入力された出力信号ＩＯＵＴｂ１～１２を用いて、様々な信号処理を実行する。信号処理部ＳＰは、例えば増幅回路のようなアナログ回路、アナログ－デジタル変換器、時間－デジタル変換器、加算器のようなロジック回路を含み得る。信号処理部ＳＰによる信号処理によって、例えば画素ＰＸ毎の光強度に対応する電気信号や、グループ化された複数の画素ＰＸの光強度に対応する電気信号が生成される。そして、生成された各電気信号が、例えば後段の第２増幅器３５に出力される。
【0064】
以上のように、光検出器３３の出力部は、受光領域ＤＲ内における相対的な位置に関する順番を変更せずに、信号処理を実行することが出来る。このような出力部の構成は、画素ＰＸの出力に使用される信号線の本数を削減することが出来る。
【0065】
（信号処理部ＳＰの構成例について）
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。
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。
【0066】
ＡＤＣ６０は、入力されたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する。ＡＤＣ６０には、出力信号ＩＯＵＴｂ１～１２のいずれかに対応する１種類の信号ＩＮ１が入力される。そして、ＡＤＣ６０は、信号ＩＮ１に基づく出力信号ＯＵＴ１を後段の回路（例えば第２増幅器３５）に出力する。
【0067】
加算器６１は、入力された複数のアナログ電気信号を積算する。加算器６１には、出力信号ＩＯＵＴｂ１～１２のいずれかに対応する複数種類の信号ＩＮ２が入力される。そして、加算器６１は、複数種類の信号ＩＮ２を積算した信号をＴＤＣ６２に出力する。加算器６１は、電気信号が電流である場合には、単に信号線を結線するだけでも良い。
【0068】
ＴＤＣ６２は、加算器６１により入力されたアナログ電気信号に対して、所定の間隔で閾値との比較を行う。そして、ＴＤＣ６２は、当該比較の結果に基づく時間（閾値を超えた時刻と、基準時刻との差）のデジタル電気信号（出力信号ＯＵＴ２）を後段の回路（例えば第２増幅器３５）に出力する。ＴＤＣ６２の時間分解能は、一般に、ＡＤＣ６０の時間分解能よりも高い。閾値については、立上り信号を検出する場合と、立下り信号を検出する場合がある。前者では、信号が特定の閾値を上回った時刻を検出し、後者では、信号が特定の閾値を下回った時刻を検出する。立上り信号を検出する場合が普通だが、立上り時刻と立下り時刻の重み平均を用いる方法もある。
【0069】
尚、信号処理部ＳＰは、複数のＡＤＣを含んでいても良いし、１つまたは複数のＡＤＣがアナログ－デジタル変換処理を逐次実行しても良い。また、信号処理部ＳＰは、加算器６１、及びＴＤＣ６２の組を複数含んでいても良いし、１つまたは複数のＴＤＣ６２が時間－デジタル変換処理を逐次実行しても良い。
【0070】
図８は、第１実施形態に係る光検出器３３における信号処理方法の一例を示している。図８の左側が、単位時間毎に加算器６１に入力されるパルス信号の一例に対応し、図８の右側が、加算器６１によって処理された後の光信号の一例に対応している。ここで、ＳＰＡＤは、リカバリ時間の極めて短い、高速なものを想定している。また、一般に、複数のＳＰＡＤの入力を結線した場合が、有効である。
【0071】
図８に示すように、加算器６１は、受信したパルス信号の数を例えば２ｎｓの期間毎にカウントすることにより、光検出器３３が検知した光信号の強度を算出する。簡潔に述べると、加算器６１が、例えば２ｎｓの期間内で、検出されたパルス信号の数を積算して、ＴＤＣ６２に出力する。そして、加算器６１の出力は、積算結果を出力した後にリセットされ、加算器６１は、同様の動作を繰り返し実行する。これにより、ＴＤＣ６２は、単位時間当たりのパルス信号の数に基づいて、光強度のアナログ値を出力することが出来る。言い換えると、ＴＤＣ６２は、加算器６１から入力された信号を多値のアナログ信号に変換することが出来る。
【0072】
図９は、第１実施形態に係る光検出器における信号処理方法のその他の一例を示し、加算器６１がローパスフィルタに置き換えられた場合に対応している。図９の左側が、ローパスフィルタに入力されるパルス信号の一例に対応し、図９の右側が、ローパスフィルタによって処理された後の光信号の一例に対応している。
【0073】
図９に示すように、ローパスフィルタにより、近似的に積算と同様の処理を行うことが可能である。ローパスフィルタは、例えばキャパシタ及び抵抗により構成される。尚、ローパスフィルタは、アナログ回路又はデジタル回路のいずれであっても良く、ＩＩＲ回路又はＦＩＲ回路により実装されても良い。加算器６１がローパスフィルタである場合、例えば図８を用いて説明されたリセット処理は実行されない。
【0074】
尚、加算器６１は、アナログ回路及びデジタル回路のいずれであっても良い。加算器６１は、所定時間ごとにリセットされるパルス信号を計数するカウンタであっても良い。信号ＩＮ１は、ＡＤＣ６０に入力される前に増幅器を介して増幅されても良い。信号ＩＮ２は、加算器６１に入力される前に増幅器を介して増幅されても良い。加算器６１とＴＤＣ６２との間に、平滑化回路が挿入されても良い。ＴＤＣ６２と後段の第２増幅器３５との間に、ＡＤＣが挿入されても良い。
【0075】
また、スイッチ部ＳＷと信号処理部ＳＰとは、一体で設けられても良い。第２増幅器３５が、信号処理部ＳＰに含まれていても良い。受光部ＤＰと信号処理部ＳＰとは、異なる基板上に形成されても良い。ＡＤＣを含む信号の経路とＴＤＣを含む信号の経路との総計は、受光部ＤＰの出力経路の数に基づいて設計される。ローパスフィルタが使用される場合、当該ローパスフィルタは、光検出器３３と同じ基板に設けられても良いし、光検出器３３の外に設けられても良い。
【0076】
［１－２］動作
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。
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。
【0077】
［１－２－１］スキャン方法について
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。
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。
【0078】
図１０に示された一例では、距離計測装置１が、紙面の右方向にスキャンした後に、折り返して左方向にスキャンし、紙面の左方向にスキャンした後に、再び折り返して右方向にスキャンする。距離計測装置１は、このような左右方向のスキャンを繰り返し実行する。このようなスキャンを実現する手段としては、例えば２軸のミラーを使用することが考えられる。
【0079】
図１１に示された一例では、距離計測装置１が、縦方向に細長い形状の照射面を有するレーザ光源、及び／或いは異方性のある非球面コリメータレンズを用いて、縦一列に複数の画素を同時に照射する。このようなスキャンを実現する手段としては、例えば、回転ミラーや１軸のミラーを使用することが考えられる。また、ミラーを使用せずに、距離計測装置１をそのまま回転させても良い。
【0080】
図１２に示された一例では、距離計測装置１が、縦方向に細長い形状の照射面を有するレーザ光源、及び／或いは異方性のある非球面コリメータレンズを用いて縦一列に複数の画素を同時に照射し、且つ垂直方向に位置がずらされたスキャンを複数回繰り返し実行する。このようなスキャンを実現する手段としては、例えば、異なるチルト角を有するポリゴンミラー、回転ミラー、及び２軸のミラー等が挙げられる。
【0081】
以上で例示されたスキャン方法は、機械的なものであるが、別のスキャン方法としては、ＯＰＡ方法（Optical Phased Array）が知られている。第１実施形態に係る距離計測装置１による効果は、光をスキャンする方法に依存しない。このため、第１実施形態に係る距離計測装置１は、機械的な方法とＯＰＡ方法とのいずれを用いてレーザ光Ｌ１のスキャンを実行しても良い。以下では、説明を簡潔にするために、距離計測装置１が、図１０に示された方法を用いてレーザ光Ｌ１のスキャンを実行する場合について説明する。
【0082】
［１－２－２］反射光の位置ずれについて
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。
【0083】
図１３に示すように、光源１５から出射されるレーザ光Ｌ１は、レンズ２１を介して対象物ＴＧｆ又はＴＧｎに照射され、対象物ＴＧｆ又はＴＧｎから反射した反射光Ｌ２（反射光）は、レンズ３２を介して光検出器３３に照射される。以下では、遠距離の対象物ＴＧｆから反射したレーザ光のことを“Ｌ２ｆ”とも呼び、近距離の対象物ＴＧｎから反射したレーザ光のことを“Ｌ２ｎ”とも呼ぶ。
【0084】
光検出器３３の受光領域ＤＲは、例えばミラー２４の状態と遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光の位置に合わせて同期するように設定される。しかしながら、非同軸光学系が使用される場合、反射光の視差が距離計測装置１と対象物ＴＧとの距離に応じて生じ得る。このような視差は、出射光の光軸から離れる方向に生じる。また、視差は、対象物ＴＧが接近する程大きくなる。
【0085】
このため、受光領域ＤＲは、遠距離の対象物ＴＧｆから反射した反射光Ｌ２ｆを受光することが出来たとしても、近距離の対象物ＴＧｎから反射した反射光Ｌ２ｎを受光領域ＤＲの中心部分で受光することが出来なくなる。つまり、受光領域ＤＲ内の複数の画素ＰＸに対して、反射光Ｌ２ｎが照射される強度に偏りが生じ得る。
【0086】
また、近距離の対象物ＴＧｎから反射した反射光Ｌ２ｎは、飛行距離が短く、エネルギーの減衰が小さい。このため、反射光Ｌ２ｎを受光する画素ＰＸでは、ダイナミックレンジの不足により検出した光信号が飽和し、光強度のピークの算出が困難になり得る。
【0087】
これに対して、第１実施形態に係る距離計測装置１は、距離測定動作において、光検出器３３の受光領域ＤＲに、遠距離用の受光領域と、近距離用の受光領域とを設定する。そして、第１実施形態に係る距離計測装置１は、遠距離用の受光領域にＡＤＣ６０を使用し、近距離用の受光領域にＴＤＣ６２を使用する。以下では、ＡＤＣ６０が使用される受光領域のことをＡＤＣ領域ＡＲと呼び、ＴＤＣ６２が使用される受光領域のことをＴＤＣ領域ＴＲと呼ぶ。
【0088】
［１－２－３］ＴＤＣ領域ＴＲを含む受光領域ＤＲの設定について
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。
【0089】
尚、本明細書において“画素”は、少なくとも１つのＳＰＡＤユニットＳＵを含む領域に対応している。また、“画素ＰＸ”は、画素の最小単位に対応している。光検出器３３では、複数の画素ＰＸが組み合わされる（例えば、複数の画素ＰＸが結線される）ことによって、１つの大きな画素が構成され得る。第１実施形態に係る光検出器３３は、ＡＤＣ領域ＡＲとＴＤＣ領域ＴＲとの間で、異なる大きさの画素を設定することが出来る。
【0090】
ＡＤＣ領域ＡＲは、例えば３×３画素ＰＸを含む矩形領域に設定される。ＴＤＣ領域ＴＲ１及びＴＲ２のそれぞれは、例えば１×３画素ＰＸを含む矩形領域に設定される。ＴＤＣ領域ＴＲ１及びＴＲ２は、ＡＤＣ領域ＡＲを第２方向に挟んでいる。言い換えると、ＴＤＣ領域ＴＲ１、ＡＤＣ領域ＡＲ、及びＴＤＣ領域ＴＲ２は、この順番に、出射光の光軸に対して近接している。第２方向における幅は、ＴＤＣ領域ＴＲ１及びＴＲ２のそれぞれよりもＡＤＣ領域ＡＤＣの方が広く設定されることが好ましい。ＴＤＣ領域ＴＲ１及びＴＲ２のそれぞれとＡＤＣ領域ＡＲとは、必ずしも隣接していなくても良い。
【0091】
ＡＤＣ領域ＡＲは、主に遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光（反射光Ｌ２ｆ）を検出するための領域である。ＡＤＣ領域ＡＲは、反射光Ｌ２ｆが当該ＡＤＣ領域ＡＲの中心近傍に入射するように配置されることが好ましい。ＡＤＣ領域ＡＲ内でオン状態に設定された複数の画素ＰＸは、個別に出力される。そして、ＡＤＣ領域ＡＲにおける複数の画素ＰＸのそれぞれの出力信号ＩＯＵＴには、それぞれＡＤＣ６０によってアナログ－デジタル変換処理が実行される。
【0092】
ＴＤＣ領域ＴＲ１及びＴＲ２のそれぞれは、主に近距離の対象物ＴＧｎからの反射光（反射光Ｌ２ｎ）を検出するための領域である。つまり、ＴＤＣ領域ＴＲは、デフォーカス及び視差の影響を受けた反射光Ｌ２ｎを検知することが可能なように設定される。ＴＤＣ領域ＴＲ１内でオン状態に設定された複数の画素ＰＸの出力信号ＩＯＵＴは、例えば結線されることによって、加算出力される。同様に、ＴＤＣ領域ＴＲ２内でオン状態に設定された複数の画素ＰＸは、例えば結線されることによって、加算出力される。
【0093】
つまり、ＴＤＣ領域ＴＲ１及びＴＲ２のそれぞれは、１×３画素ＰＸによって構成された１つの大きな画素を有するものと見なされる。ＴＤＣ領域ＴＲ１及びＴＲ２のそれぞれの画素が含むＳＰＡＤユニットＳＵの個数は、ＡＤＣ領域ＡＲの画素ＰＸが含むＳＰＡＤユニットＳＵの個数よりも多い。そして、ＴＤＣ領域ＴＲ１における画素の出力信号ＩＯＵＴと、ＴＤＣ領域ＴＲ２における画素の出力信号ＩＯＵＴとのそれぞれには、それぞれＴＤＣ６２によって時間－デジタル変換処理が実行される。
【0094】
［１－２－４］距離計測動作における反射光の具体例について
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。
【0095】
図１５の上側に示すように、遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光（反射光Ｌ２ｆ）は、主にＡＤＣ領域ＡＲの中心近傍に照射される。一方で、図１５の下側に示すように、近距離の対象物ＴＧｎからの反射光（反射光Ｌ２ｎ）は、図１３を用いて説明したように、反射光の照射位置のずれ（視差）が発生し得る。
【0096】
また、距離計測装置１の受光側の光学系（例えばレンズ３２等）の焦点は、例えば無限遠、すなわち遠距離の対象物ＴＧｆを基準に設定される。このため、近距離の対象物ＴＧｎからの反射光は、遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光と比べてデフォーカスが発生し得る。その結果、デフォーカスにより広がった光が、ＴＤＣ領域ＴＲ２の全体にも照射されている。尚、反射光の光強度は、対象物ＴＧが近くなるほど大きく、対象物ＴＧが遠くなるほど小さくなる。また、反射光の単位面積当たりの光強度は、デフォーカスが発生するほど小さくなる。
【0097】
（遠距離の対象物ＴＧｆに対する受光波形の一例について）
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。
【0098】
図１６に示すように、距離計測装置１は、出射部１０及び光学系２０を用いて、レーザ光Ｌ１を出射する。図示されたレーザ光Ｌ１は、間欠的に出射されるレーザ光Ｌ１のうちの一つに対応している。レーザ光Ｌ１が出射され、暫く時間が経過すると、遠距離の対象物ＴＧｆからの反射光を計測処理部３０内の光検出器３３が受光する。このとき、反射光は、例えばＡＤＣ領域ＡＲとＴＤＣ領域ＴＲとのそれぞれにおいて検出される。
【0099】
ＡＤＣ領域ＡＲにおいて検出された反射光に対しては、複数の画素ＰＸの出力信号ＩＯＵＴを用いた積算処理及びＡＤ変換処理が実行される。時間取得部３６は、この積算処理（平均化処理）によって得られた受光波形から、より良いＳ／Ｎ比にて、ピークを検出することが出来る。例えば、より遠い距離にある対象の測距が可能になる。
【0100】
一方で、ＴＤＣ領域ＴＲでは、ＡＤＣ領域ＡＲよりも多くのＳＰＡＤを用いた出力信号ＩＯＵＴが得られる。このため、ＴＤＣ領域ＴＲにおけるダイナミックレンジは、ＡＤＣ領域ＡＲにおけるダイナミックレンジよりも広い。ＴＤＣ領域ＴＲにおいて検出された反射光に対してＴＤ変換処理が実行されると、検出された反射光に基づいたパルス信号が得られる。本例では、ＴＤＣ６２の閾値ＴＨ１が高めに設定されており、ＴＤ変換処理によってパルス信号が生成されていない場合が示されている。
【0101】
以上のように、第１実施形態に係る距離計測装置１は、遠距離の対象物ＴＧｆの反射光に対する信号処理において、ＡＤＣ領域ＡＲから取得された光強度分布によってピークを検出することが出来る。この場合、ＡＤＣ領域ＡＲから取得されたピークに基づいて、時間取得部３６及び距離計測処理部３７が、距離計測装置１と対象物ＴＧｆとの間の距離を計測することが出来る。
【0102】
（近距離の対象物ＴＧｎに対する受光波形の一例について）
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。
【0103】
ＡＤＣ領域ＡＲにおいて検出された反射光の強度は、ダイナミックレンジを超過し、受光波形が飽和している（Pile up）。この場合、ＡＤ変換を介した複数の画素ＰＸの受光波形が積算されたとしても、ピークが見えなくなる。このため、時間取得部３６は、積算処理によって得られた受光波形からピークを検出することが出来ない。
【0104】
一方で、ＴＤＣは、ピークの時刻ではなく、閾値を超えた時刻で時刻を決定するため、pile upが発生した場合にも測距することが可能である。しかし、ＴＤＣは、大きなダイナミックレンジを必要とするため、ＡＤＣ領域ＡＲの画素ＰＸの様に画素当たりのＳＰＡＤの数が少ない場合に、測距することが難しくなる。しかし、ＴＤＣ領域ＴＲの画素は、ＡＤＣ領域ＡＲ内の画素ＰＸよりも多くのＳＰＡＤを含み、ダイナミックレンジが広い。このため、ＴＤＣ領域ＴＲの画素は、近距離の対象物ＴＧｎからの反射光を受光し得る。そして、ＴＤＣ領域ＴＲにおいて検出された反射光に対してＴＤ変換処理が実行されると、検出された反射光に基づいた時刻とその結果より距離が得られる。本例では、閾値ＴＨ１を超えた部分が存在しているため、受光波形が閾値ＴＨ１を超えた部分において、パルス信号が生成されている。
【0105】
以上のように、第１実施形態に係る距離計測装置１は、近距離の対象物ＴＧｎの反射光に対する信号処理において、ＴＤＣ領域ＴＲから取得された反射光の届いた時刻を検出することが出来る。この場合、ＴＤＣ領域ＴＲから取得された時刻に基づいて、時間取得部３６及び距離計測処理部３７が、距離計測装置１と対象物ＴＧｆとの間の距離を計測することが出来る。
【0106】
尚、第１実施形態に係る距離計測装置１は、ＡＤＣ領域ＡＲとＴＤＣ領域ＴＲとの両方で時刻が検出された場合に、例えばＴＤＣ領域ＴＲにおいて検出された時刻を用いて距離の計測を実行する。この理由は、ＴＤＣの方がＡＤＣよりも時間分解能が高く、より精確な計測結果を得ることが出来るからである。
【0107】
（ノイズ含む受信結果の一例について）
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。
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。
【0108】
図１８に示すように、本例では、ＡＤＣ領域ＡＲにおける受光結果と、ＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果とのそれぞれにおいて、ノイズが検出されている。このような場合、計測処理部３０は、まずＡＤＣ領域ＡＲにおける距離範囲を検出する。本明細書において“距離範囲”とは、ＡＤＣ領域ＡＲにおける受光結果に対応する光強度分布において、所定の閾値ＴＨ２を超えている期間が、所定の時間を超えている期間に対応している。他には、ピーク値の半値を超えている期間が、距離範囲として検出されても良い。また、距離範囲の検出に用いる閾値としては、ピーク値の半値ではなく、所定の割合が使用されても良い。
【0109】
距離範囲を検出した後に、計測処理部３０は、ＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果から、距離範囲に含まれている閾値を超える時刻を複数検出する。本例では、ＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果が、２つの時刻を含んでいる。このように、距離範囲に複数の時刻が含まれている場合、計測処理部３０は、同時刻のＡＤＣ領域ＡＲにおける最も光強度の強いピークを選択して、距離の計測に使用する。尚、ＡＤＣ領域ＡＲの結果については、補間により、サンプリング時間よりも高い分解能で（任意の時刻について）光強度が算出されても良い。
【0110】
一般に、ＴＤＣはＡＤＣと比べて、時間精度の高い測距が可能であり、第１実施形態により、距離精度を高めることが可能である。さらに、第１実施形態に係る距離計測装置１は、ＡＤＣ領域ＡＲにおける受光結果に飽和が発生してピークが検出することが出来ず、且つＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果から複数のピークが検出された場合に、距離の計測に用いる適切なピークを選択することが出来る。
【0111】
尚、以上で説明したピークの選択方法は、あくまで一例である。例えば、距離範囲が複数含まれる場合、計測処理部３０は、ＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果における時刻の選択の基準として、最も長い距離範囲を選択的に利用しても良い。計測処理部３０は、ＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果の時刻を選択する前に、迷光や鏡面等と推測される反射光のデータを除外しても良い。
【0112】
［１－３］第１実施形態の効果
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。
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。
【0113】
ＬｉＤＡＲを安価に製造するためには、可能な限り簡素な構成であることが好ましい。コストを抑制する方法としては、非同軸光学系と２Ｄセンサとの組み合わせにより、光学系のコストを抑制することが考えられる。２Ｄセンサは、投光系のスキャンに同期して、受光領域の位置を変更する。投光系と受光領域との同期精度は、２Ｄセンサが１つの画素でなく複数の画素を用いて光を検出することにより緩めることが出来る。また、２Ｄセンサは、受光領域を広く設けることによって、受光位置のずれによる影響も抑制され得る。一方で、受光領域を広く設けることは、空間解像度を低下させ、消費電力の増加に繋がる。消費電力は可能な限り抑制されることが好ましいため、受光領域は最低限の範囲に設定されることが好ましい。
【0114】
しかしながら、非同軸光学系が使用される場合、計測対象物の位置に応じて視差が発生する。また、２Ｄセンサは、通常、遠距離の対象物に対してフォーカスを合わせた設定を使用する。このため、近距離の対象物からの反射光には、デフォーカスが発生し得る。デフォーカスが発生すると、反射光が２Ｄセンサに照射される領域が大きくなる。さらに、近距離の対象物からの反射光の強度は、遠距離の対象物からの反射光の強度よりも大きい。このため、２Ｄセンサは、近距離の対象物からの反射光による画素ＰＸの出力信号は、ダイナミックレンジの不足により飽和し得る。その結果、２Ｄセンサにより受光された光強度分布のピークが検出できず、距離の測定が困難になるおそれがある。
【0115】
そこで、第１実施形態に係る距離計測装置１は、光検出器３３に対して、遠距離の対象物ＴＧｆを対象としたＡＤＣ領域ＡＲと、近距離の対象物ＴＧｎを対象としたＴＤＣ領域ＴＲとを設ける。そして、距離計測装置１は、ＡＤＣ領域ＡＲにおける受光結果に対して、積算処理若しくは平均化処理を実行することによって、反射光を検出する。さらに、距離計測装置１は、ＴＤＣ領域ＴＲにおける画素のサイズを、ＡＤＣ領域ＡＲよりも大きく設定する。つまり、ＴＤＣ領域ＴＲにおいて、信号処理部ＳＰによって処理される出力信号に対応するＳＰＡＤの数が、ＡＤＣ領域ＡＲよりも多くなる。このため、ＴＤＣ領域ＴＲ内の画素ＰＸのダイナミックレンジが、ＡＤＣ領域ＡＲ内の画素ＰＸよりも広くなる。
【0116】
これにより、第１実施形態に係る距離計測装置１は、近距離の対象物ＴＧｎによる反射光のピークを検出することが出来る。そして、第１実施形態に係る距離計測装置１は、時間分解能の高いＴＤＣ６２を使用するため、近距離の対象物ＴＧｎとの間の距離を精確に計測することが出来る。
【0117】
尚、第１実施形態において、ＴＤＣ６２は、閾値の設定によっては、ノイズと反射光の受光結果との区別が困難になる。ＴＤＣ６２で低い閾値が使用された場合、ノイズによる誤検出が発生し得る。誤検出は、例えば車載された場合に事故の発生に繋がり得るため、ＴＤＣ６２の閾値は、ノイズを上回るように設定されることが好ましい。閾値を適切に設定し、ＴＤＣ６２を使用するためには、画素がある程度多くのＳＰＡＤを有する必要がある。
【0118】
これに対して、第１実施形態に係る距離計測装置１では、上述したように、ＴＤＣ領域ＴＲ内の画素のＳＰＡＤ数が、ＡＤＣ領域ＡＲ内の画素よりも多くなるように設定される。その結果、第１実施形態に係る距離計測装置１は、ＴＤＣ領域ＴＲにおける画素のダイナミックレンジが広くなり、ＴＤＣ６２の使用において適切な閾値を設定することが可能となる。従って、第１実施形態に係る距離計測装置１は、誤検出の発生を抑制することが出来る。
【0119】
また、第１実施形態に係る距離計測装置１は、ＡＤＣ領域ＡＲにおける受光結果を用いて、ＴＤＣ領域ＴＲにおいて距離の計測に用いるピークの選択をすることも出来る。簡潔に述べると、ＡＤＣ領域ＡＲにおける受光結果において光強度が大きい期間（以下、距離範囲）は、反射光を受光している可能性が高い。そこで、距離計測装置１は、ＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果から、距離範囲に対応する信号を抽出する。
【0120】
これにより、第１実施形態に係る距離計測装置１は、ＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果からピークを探す際に、ノイズ成分を測距時刻の候補から除外することが出来る。さらに、第１実施形態に係る距離計測装置１は、距離範囲において複数の測距時刻を検出した場合に、光強度が高い方の測距時刻を選択することによって、距離の計測精度をより向上させることが出来る。
【0121】
以上で説明された第１実施形態に係る距離計測装置１において、ＴＤＣ領域ＴＲにおける受光結果は、スキャン位置の補正に使用されても良い。例えば、ＴＤＣ領域ＴＲ１と、ＴＤＣ領域ＴＲ２間で、受光した光強度の偏りがあることが検知された場合に、距離計測装置１は、偏りが抑制されるようにスキャン位置を補正しても良い。
【0122】
また、第１実施形態に係る距離計測装置１では、ＴＤＣ領域ＴＲにおける出力信号ＩＯＵＴの加算に、出力結合（電流加算）が適用されても良い。この場合、ＴＤＣ領域ＴＲ内の複数の画素ＰＸは、受光領域ＤＲから出力される時点で加算され、信号処理部ＳＰ内の加算器６１が省略される。この場合、距離計測装置１は、ＴＤＣ領域ＴＲ１及びＴＲ２のそれぞれに対応するチップ出力のピンを共有することが出来、ピン数を抑制することが出来る。また、距離計測装置１は、例えばＴＤＣ６２による確度の低いデータを出力しないことにより、出力のバンド幅を小さくし、出力ピン数を削減することも出来る。
【0123】
［２］第２実施形態
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。
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。
【0124】
［２－１］光検出器３３の動作
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。
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。
【0125】
また、第２実施形態における受光領域ＤＲは、複数のチャネルＣＨ１～ＣＨ５を含んでいる。１つのチャネルＣＨは、例えば対象物ＴＧに対する１つの計測点に対応している。チャネルＣＨ１～ＣＨ５は、第１方向に並んでいる。第２実施形態では、対象物ＴＧにおける反射光が、第１方向に延伸した形状の出射光を用いることによって、複数のチャネルＣＨのそれぞれに照射され得る。これにより、第２実施形態に係る距離計測装置１は、距離計測動作において、１つのパルス光（出射光）に対応して第１方向に並んだ５つの計測結果を得ることが出来る。
【0126】
各チャネルＣＨに対応して設定される受光領域は、例えば第１実施形態で説明した受光領域ＤＲと同様の構成を有している。第２実施形態に係る光検出器３３は、座標“Ｎ”及び“Ｍ”が指定されることによって、第１方向に並んだ５つのチャネルＣＨを含む受光領域ＤＲを設定することが出来る。第２実施形態に係る距離計測装置１のその他の動作は、第１実施形態と同様である。
【0127】
［２－２］第２実施形態の効果
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。
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。
【0128】
［３］第３実施形態
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。
【0129】
［３－１］ＳＰＡＤユニットＳＵの回路構成について
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。
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。
【0130】
図２０は、第３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２０に示すように、第３実施形態に係るＳＰＡＤユニットＳＵは、トランジスタＴＳｑ及びＴＳｒ、抵抗Ｒｓ、ＡＱ（Active Quench）制御回路７０、並びに論理和回路７１をさらに含んでいる。
【0131】
トランジスタＴＳｑとＴＳｒの一端は、例えば抵抗Ｒｑよりも小さな抵抗Ｒｓを介して、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードに接続される。トランジスタＴＳｑの他端は、ノードＮｌｖに対して、Ｖｂｄ（ＡＰＤのブレークダウン電圧の絶対値）よりも低い電位に設定される。トランジスタＴＳｒの他端は、ノードＮｈｖに接続される。また、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードには、抵抗Ｒｓを介してＡＱ制御回路７０が接続される。
【0132】
ＡＱ制御回路７０は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤがアバランシェ降伏を起こし、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードに大きな電流が流れることを検知すると、トランジスタＴＳｑをオンに切り替える。これにより、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードがブレークダウン電圧以下になり、ガイガー現象が収束する。
【0133】
さらに、ＡＱ制御回路７０は、アバランシェ現象が収まるまでの所定の時間、トランジスタＴＳｑをオン状態に維持する。所定の時間が経過すると、ＡＱ制御回路７０は、トランジスタＴＳｑをオフさせると共に、トランジスタＴＳｒをオンさせる。すると、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードの電位が、急速にブレークダウン電圧以上に上昇し、アバランシェフォトダイオードＡＰＤが再度の測距をすることが可能な状態になる。
【0134】
また、ＡＱ制御回路７０は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードに大きな電流が流れることを検知するや否や、短時間だけ出力電流を出力ノードＮｏｕｔに発生させる。出力ノードＮｏｕｔには、複数のＳＰＡＤユニットＳＵが接続される。そして、出力ノードＮｏｕｔの電圧に基づいた出力信号ＩＯＵＴが、トランジスタＴｏｕｔを介して出力される。
【0135】
論理和回路７１は、ＡＱ制御回路７０とトランジスタＴＳｑのゲートとの間に設けられる。具体的には、論理和回路７１は、第１入力端にＡＱ制御回路７０が接続され、第２入力端に制御信号Ｓｏｕｔの反転信号／Ｓｏｕｔが入力され、出力端がトランジスタＴＳｑのゲートに接続される。これにより、論理和回路７１は、ＳＰＡＤユニットＳＵが選択されていない場合に、アバランシェフォトダイオードＡＰＤがアバランシェ現象を起こすこと防ぎ、光検出器３３の消費電力を抑制することが出来る。
【0136】
尚、トランジスタＴＳｒ及びＴＳｑのそれぞれは、上述した動作を実行することが可能であれば、Ｎ型のトランジスタであっても、Ｐ型のトランジスタであっても良い。トランジスタＴＳｑは、高電位ノードＮｈｖを低電位に接続することが可能であれば、その他のスイッチ素子であっても良いし、その他のノードに接続されても良い。
【0137】
［３－２］距離計測動作について
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。
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。
【0138】
図２１の上側に示すように、第１実施形態のPassive quenchの場合は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアバランシェ現象が発生してから、光検出可能な状態にリカバリするまでに時間がかかり得る。具体的には、“真値”と表示された信号を検出したい場合に、一つ前の信号あるいはノイズ（ダーク・ノイズあるいは光ノイズ）によって、アバランシェ現象からのリカバリが終了しない場合がある。この場合、ＴＤＣによって真値の検出が出来なくなる場合がある。尚、このＴＤＣは、入力信号が閾値を下回った後に閾値を超えた場合に、光信号を検出するものを想定している。
【0139】
図２１の下側に示すように、第３実施形態のActive quenchの場合は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアバランシェ現象が発生してから、光検出可能な状態にリカバリするまでの時間が、Passive quenchよりも短い。すなわち、Active quenchは、高速にリカバリすることが可能である。具体的には、“真値”と表示された信号を検出する時刻までに、一つ前の信号あるいはノイズによるアバランシェ現象からのリカバリが終了し、ＴＤＣによって真値の時刻を検出することが可能になる。尚、ＡＤＣにおいて特定された時刻範囲の中に、検出された真値の時刻が含まれる場合、第１実施形態と同様に、当該時刻範囲に含まれた真値の時刻が、距離値の第一候補として選択される。
【0140】
図２２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２２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２２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。図２２では、これらの結果が、鏡面からの反射光に基づく信号を含んでいる。
【0141】
光検出器３３は、メタリック塗装の車の様な鏡面をなす物体との距離を計測する場合、鏡面の反射光の他に、鏡面に反射した物体（反射物）からの反射光を検出し得る。これらの距離が近い場合、入力信号のピークが一体化し得る。例えば、鏡面の反射光よりも反射物からの光強度の方が強い場合、ＡＤＣに基づくピーク検出だけでは、鏡面の光を見落とす場合がある。
【0142】
これに対して、第１実施形態に係る光検出器３３は、ＴＤＣにより鏡面からの反射光を検出することが出来る。しかしながら、鏡面と反射物との両方を検出出来ることが最も望ましいが、第１実施形態に係る光検出器３３では、ノイズの影響によって、ＴＤＣが、反射物からの信号を検出することが出来なくなり得る。
【0143】
一方で、第３実施形態に係る光検出器３３は、Active quenchによってノイズの残留を抑制することが出来る。その結果、第３実施形態に係る光検出器３３は、鏡面に加えて反射物からの信号も検出できる可能性が、第１実施形態よりも高くなる。第３実施形態に係る距離計測装置１のその他の動作は、第１実施形態と同様である。
【0144】
［３－３］第３実施形態の効果
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。
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。
【0145】
これにより、第３実施形態に係る距離計測装置１は、迷光を受光したＳＰＡＤのリカバリ時間を短縮することが出来、ＴＤＣにより短距離からの反射光の届く時刻をより確実・正確に検出することが出来る。すなわち、第３実施形態に係る距離計測装置１は、前の一つの信号やノイズ、および鏡面の影響を除去することが出来、近距離の対象物ＴＧｎを検知することが出来る。従って、第３実施形態に係る距離計測装置１は、第１実施形態と同様の効果を得ることが出来、且つ近距離の対象物ＴＧｎに対する距離の計測精度を向上させることが出来る。その結果、距離計測装置１を利用するユーザが、より良く状況を把握することが可能になる。
【0146】
［４］その他
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。
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。
【0147】
第１の配置例では、投光系が第２方向にレーザ光を出射し、投光系及び受光系が第１方向に並んで配置される。この場合、第２実施形態のように縦長のレーザ光が使用されることによって、図１３を用いて説明したような反射光の位置ずれの問題が緩和され得る。第２の配置例では、投光系が第２方向にレーザ光を出射し、投光系及び受光系が第２方向に並んで配置される。距離計測装置１のシステム次第では、第２の配置例の方が第１の配置例よりも製造コストを抑制することが出来る場合がある。第１実施形態の変形例における配置は、第２実施形態及び第３実施形態のそれぞれにも適用され得る。
【0148】
上記実施形態は、組み合わせることが可能である。例えば、第２実施形態は、第３実施形態と組み合わされても良い。複数の実施形態が組み合わされた距離計測装置１は、組み合わされた実施形態のそれぞれの効果を得ることが出来る。距離の計測に伴う計測処理部３０の種々の処理は、制御部１１によって実行されるものと見なされても良い。
【0149】
第１実施形態で説明されたＴＤＣ領域ＴＲの配置は、あくまで一例である。ＴＤＣ領域ＴＲは、例えばＡＤＣ領域ＡＲによって挟まれていても良い。このような場合にも、ＴＤＣ領域ＴＲ内の画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤの数がＡＤＣ領域ＡＲ内の画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤの数よりも多く設定されることによって、ＴＤＣ領域ＴＲにおける画素ＰＸのダイナミックレンジが広くなる。すなわち、距離計測装置１が、ＴＤＣによる距離の計測を実行することが出来る。
【0150】
本明細書において、“画素領域”は、ＡＤＣ６０若しくはＴＤＣ６２に入力される画素ＰＸの出力信号ＩＯＵＴの合計に対応している。例えば、ＡＤＣ領域ＡＲ内の画素領域の大きさは、画素ＰＸの大きさに対応している。ＴＤＣ領域ＴＲ内の画素領域の大きさは、ＴＤＣ６２に入力される信号に対応する複数の画素ＰＸの合計の大きさに対応している。画素の大きさは、例えば受光部ＤＰから一括で出力される信号に関連付けられているＳＰＡＤの数及び配置によっても定義され得る。“クエンチ素子”は、例えばクエンチ抵抗、又はトランジスタに対応している。
【0151】
本明細書において“Ｈ”レベルの電圧は、ゲートに当該電圧が印加されたＮ型のトランジスタがオン状態になり、ゲートに当該電圧が印加されたＰ型のトランジスタがオフ状態になる電圧である。“Ｌ”レベルの電圧は、ゲートに当該電圧が印加されたＮ型のトランジスタがオフ状態になり、ゲートに当該電圧が印加されたＰ型のトランジスタがオン状態になる電圧である。
【0152】
本明細書において“接続”とは、電気的に接続されている事を示し、例えば間に別の素子を介することを除外しない。また、明細書において“オン状態”とは、対応するトランジスタのゲートに当該トランジスタの閾値電圧以上の電圧が印加されていることを示している。“オフ状態”とは、対応するトランジスタのゲートに当該トランジスタの閾値電圧未満の電圧が印加されていることを示し、例えばトランジスタのリーク電流のような微少な電流が流れることを除外しない。
【0153】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0154】
１…距離計測装置、１０…出射部、１１…制御部、１２…発振器、１３…駆動回路、１４…駆動回路、１５…光源、２０…光学系、２１…レンズ、２２…光学素子、２３…レンズ、２４…ミラー、３０…計測処理部、３１…光検出器、３２…レンズ、３３…光検出器、３４…増幅器、３５…増幅器、３６…時間取得部、３７…距離計測処理部、４０…画像処理部、５０…基板、５１…Ｐ型半導体層、５２…Ｐプラス型半導体層、５３…Ｎプラス型半導体層、６０…ＡＤ変換回路、６１…加算器、６２…ＴＤ変換回路、６３…パルス処理部、Ｌ１…レーザ光、Ｌ２，Ｌ２ｆ，Ｌ２ｎ…反射光、ＩＯＵＴ…出力信号
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
