CN112136028B - 光检测器以及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光检测器以及其控制方法。光检测器(100)具备：受光构件(14)，通过施加比击穿电压高的动作电压而以盖革模式进行动作，并根据光的入射来输出脉冲信号；电压设定部(20)，能够向受光构件选择性地施加动作电压以及比击穿电压低的检查电压中的任意一方；以及异常判定部(40)，进行异常判定处理，若从以检查电压进行动作的受光构件输出的脉冲信号的个数为预先决定的阈值以上则判断为异常，若小于阈值则判断为正常。

Description

光检测器以及其控制方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2018年5月22日申请的日本申请号2018-97736号，并在此引用其记载内容。

技术领域

本公开涉及一种光检测器。

背景技术

在专利文献1中公开了使用以盖革模式进行动作的SPAD(Single PhotonAvalanche Diode：单光子雪崩二极管)的光检测器。光检测器例如搭载在光学测距装置上，用于基于接受到的光的飞行时间(TOF：Time Of Flight)来测定到对象物的距离的用途。

专利文献1：日本专利第5644294号公报

已知在这种光检测器中起因于半导体的内部缺陷而产生经时劣化。若经时劣化加重，则与光的接受无关地流动的暗电流增加，成为故障的主要原因。因此，谋求能够容易地判定光检测器有无异常的技术。

发明内容

本公开能够作为以下的方式实现。

根据本公开的一个方式，提供一种光检测器。该光检测器具备：受光构件，通过施加比预先决定的击穿电压高的动作电压而以盖革模式进行动作，并根据光的入射来输出脉冲信号；电压设定部，能够向上述受光构件选择性地施加上述动作电压以及比上述击穿电压低的检查电压中的任意一方；以及异常判定部，进行异常判定处理，若从以上述检查电压进行动作的上述受光构件输出的脉冲信号的个数为预先决定的阈值以上则判断为异常，若小于上述阈值则判断为正常。

根据该方式的光检测器，仅通过变更受光构件的动作电压就能够容易地判定有无异常。

本公开也能够以光检测器以外的各种方式实现。例如，能够以光检测器的控制方法、异常判定方法等方式实现。

附图说明

关于本公开的上述目的以及其它目的、特征及优点，参照附图并通过下述的详细描述会变得更加明确。在该附图中：

图1是表示第一实施方式中的光检测器的示意结构的图，

图2是表示受光单元的示意结构的图，

图3是表示受光构件的示意结构的图，

图4是用于对异常判定的原理进行说明的第一图，

图5是用于对异常判定的原理进行说明的第二图，

图6是第一实施方式中的处理的流程图，

图7是表示第二实施方式中的光检测器的示意结构的图，

图8是第二实施方式中的处理的流程图，

图9是表示温度与电压的关系的图表，

图10是表示具有多个受光构件的受光单元的示意结构的图。

具体实施方式

A.第一实施方式：

如图1所示，作为本公开中的第一实施方式的光检测器100具备：受光元件10、电压设定部20、受光单元控制部30、以及异常判定部40。电压设定部20、受光单元控制部30、以及异常判定部40既可以由电路构成，也可以通过未图示的CPU执行程序以软件的方式实现。

受光元件10具备呈阵列状的多个受光单元12。如图2所示，各受光单元12包含输出控制部13和受光构件14。在本实施方式中，采用SPAD(单光子雪崩二极管)作为受光构件14。如图3所示，受光构件(SPAD)14由包含APD(雪崩光电二极管)15、猝熄电阻器16、逆变器电路(NOT电路)17等的公知的电路构成。受光构件14通过被施加比预先决定的击穿电压高的动作电压从而以盖革模式进行动作，并根据光的入射来输出脉冲信号。输出控制部13(图2)是用于控制受光构件14的输出的电路。

受光元件10(图1)具备以下功能，即，将从各受光单元12大致同时输出的脉冲信号的个数相加来求出相加值，并将该相加值输出至异常判定部40。例如，若受光元件10接受的光的强度较强，则从多个受光单元12大致同时输出的脉冲信号的个数变多，相加值变大。与此相对，若接受的光的强度较弱，则从各受光单元12大致同时输出的脉冲信号的个数变少，因此相加值变小。相加值经过异常判定部40被输出至外部的设备。外部的设备能够根据从光检测器100输出的相加值来测定有无接受光以及接受到的光的强度。所谓外部的设备例如是光测距装置。光测距装置每隔预先决定的时间间隔记录从光检测器100输出的相加值并生成直方图，基于该直方图的峰值的时间求出光的飞行时间(TOF)，测定到对象物的距离。

电压设定部20向受光元件10选择性地施加动作电压以及检查电压的任意一方。所谓检查电压是比预先决定的击穿电压低的电压，是为了判定受光元件10有无异常而使用的电压。对于动作电压与检查电压的关系，在后面详细地进行说明。施加到受光元件10的电压经过各受光单元12的输出控制部13施加于各受光构件14。

受光单元控制部30通过控制各受光单元12所包含的输出控制部13，来决定是否向各受光单元12的受光构件14施加电压，即，决定是否使各受光单元12的受光构件14动作。

异常判定部40执行判定受光元件10有无异常的异常判定处理。在该异常判定处理中，异常判定部40使受光构件14以上述的检查电压进行动作，如果从受光构件14输出的脉冲信号的个数，即，从受光元件10输出的相加值为预先决定的判定阈值以上，则判断为异常，如果小于判定阈值，则判断为正常。在本实施方式中，使用“1”作为判定阈值。即，如果从以检查电压进行动作的受光构件14输出哪怕一个脉冲信号，则本实施方式中的异常判定部40判断为受光元件10是异常的。此外，考虑到受光构件14的个体差，判定阈值并不限于1，也可以为2以上的值。

此处，使用图4以及图5，对本实施方式中的异常判定的原理进行说明。在图4以及图5中示出APD15的V－I特性。在受光构件14的通常动作时，通过施加预先决定的击穿电压Vbd加上规定的过电压Ve而得的动作电压Vs(＝Vbd+Ve)，从而受光构件14以盖革模式进行动作。所谓“预先决定的击穿电压Vbd”意味着基于APD15的电气特性而预先决定了击穿电压Vbd作为受光构件14的规格。所谓过电压Ve是加到击穿电压Vbd上的电压，该值越大则受光构件14的灵敏度越高。在这样的受光构件14中，当起因于APD15的内部缺陷而在受光构件14产生经时劣化时，与光的入射无关地流动的暗电流增加，伴随于此，产生击穿的电压缓缓地降低。而且，当受光构件14的经时劣化加重时，与光的入射无关地流动较大的暗电流(漏电流)，导致破坏故障(短路)。因此，在本实施方式中，为了判定受光构件14的经时劣化，如图5所示，将施加至受光构件14的电压设定为比预先决定的击穿电压Vbd低的电压亦即检查电压Vt。本实施方式中的检查电压Vt是从预先决定的击穿电压Vbd减去比过电压Ve大的电压ΔV，且对该电压加上过电压Ve而得的电压(Vt＝Vbd－ΔV+Ve)。若通过这样的检查电压Vt使受光构件14动作，则由于若假设在受光构件14中没有产生经时劣化而正常地进行动作，则不以盖革模式进行动作，因此从受光构件14不输出脉冲信号。与此相对，若在受光构件14中产生经时劣化，则因检查电压Vt的施加而受光构件14以盖革模式进行动作，所以能够从受光构件14输出脉冲信号。受光构件14(SPAD)在其电气特性上由于噪声的影响，即使在没有光的入射的情况下也会以一定的概率产生击穿。因此，若在通过检查电压Vt进行动作时输出脉冲信号，则不管光是否入射到受光构件14，都能够判断为在该受光构件14中产生经时劣化。此外，对于电压ΔV的值或检查电压Vt的值，能够预先通过实验或计算求出虽然产生经时劣化但未达到破坏故障的受光构件14产生击穿的电压，并基于该电压来决定。

在图6中示出光检测器100中异常判定部40执行的处理的流程。图6所示的处理示出光检测器100的控制方法，例如，在光检测器100的电源接通的定时、从外部接收到规定的指令的定时执行。如图6所示，异常判定部40首先使用电压设定部20向受光元件10施加检查电压Vt(步骤S10)。

接着，异常判定部40使用受光单元控制部30指定检查对象的受光单元12的地址(i，j)(步骤S20)。受光单元控制部30若从异常判定部40接受地址的指定，则控制各受光单元12的输出控制部13，从而仅向与被指定的地址对应的受光单元12的受光构件14供给检查电压Vt。

异常判定部40在预先决定的检查期间从受光元件10获取相加值(步骤S30)。若未从检查对象的受光单元12输出脉冲信号，则获取零作为相加值。异常判定部40判断在检查期间获取到的相加值是否是判定阈值(在本实施方式中为“1”)以上(步骤S40)。若相加值小于判定阈值(步骤S40：“否”)，则异常判定部40判定为在步骤S20中所指定的受光单元12是正常的(步骤S50)。与此相对，若相加值为判定阈值以上(步骤S40：“是”)，则异常判定部40判定为在步骤S20中所指定的受光单元12是异常的(步骤S60)。在本实施方式中，异常判定部40使判定为异常的受光单元12无效化。具体而言，异常判定部40使用受光单元控制部30来控制判定为异常的受光单元12的输出控制部13，使向对应的受光构件14施加的动作电压降低而使其始终为零，从而进行受光单元12的无效化。

在上述步骤S50中判定为正常，或在步骤S60中判定为异常后，异常判定部40判断是否对全部的受光单元12进行了异常判定(步骤S70)。若对全部的受光单元12完成异常判定(步骤S70：“是”)，则异常判定部40结束该处理。另一方面，若未对全部的受光单元12完成异常判定(步骤S70：“否”)，则异常判定部40变更检查对象的受光单元12的地址(步骤S80)。然后，使处理返回到步骤S20，对剩余的受光单元12重复与上述的处理相同的处理。

根据以上所说明的本实施方式的光检测器100，仅通过将受光构件14的动作电压Vs变更为检查电压Vt就能够容易地判定光检测器100有无异常。特别是，在本实施方式中，由于将检查电压Vt设为比预先决定的击穿电压Vbd低的电压，因此若受光构件14是正常的，则从该受光构件14不仅不输出伴随光的接受的脉冲信号，也不输出由噪声引起的脉冲信号。因此，不管是否将光检测器100设置于能够接受光的环境，在任何的环境下都能够精度良好地判定有无异常。

另外，在本实施方式中，对于被判断为异常的受光构件14，通过使其动作电压降低而无效化。因此，能够抑制因受光构件14的故障而整个光检测器100发生故障、错误动作。

另外，在本实施方式中，由于按每个受光单元12判断有无异常，所以能够仅使有异常的受光构件14无效化。因此，能够实现光检测器100的长寿命化。

B.第二实施方式：

如图7所示，作为本公开中的第二实施方式的光检测器101具备温度测定部50。温度测定部50例如由IC温度传感器构成。光检测器101的其他结构与图1中示出的第一实施方式的光检测器100相同。温度测定部50与电压设定部20连接。本实施方式中的电压设定部20具有以下功能，即，根据由温度测定部50测定出的环境温度来变更施加至受光元件10的检查电压。

如图8所示，在本实施方式中，异常判定部40也执行与图6中示出的处理相同的处理。但是，在本实施方式中，在对受光元件10施加检查电压的处理(步骤S10)之前，电压设定部20使用温度测定部50来测定环境温度(步骤S5)，并根据该温度来设定在步骤S10中向受光元件10施加的检查电压Vt。在本实施方式中，如图9所示，测定出的环境温度越高，电压设定部20使电压ΔV越小(参照图5)。这样，环境温度越高，则检查电压Vt(＝Vbd－ΔV+Ve)越高。因此，由于受光构件14的温度依存特性，即使随着环境温度变高而在受光构件14中产生击穿的电压变大，也能够提高检查电压Vt以追随该电压。其结果是，即使环境温度变化，也能够精度良好地进行异常判定。此外，电压设定部20也可以调整检查电压Vt本身，而不是根据环境温度调整电压ΔV。

此外，温度测定部50并不限于IC温度传感器，例如，也能够通过将受光元件10所包含的一部分的受光构件14用作二极管温度传感器而构成。

在本实施方式中，电压设定部20根据由温度测定部50测定出的环境温度来变更检查电压Vt，但例如也可以不对检查电压Vt进行变更，由异常判定部40根据由温度测定部50测定出的温度来变更判定阈值。通过这样做，例如即使因环境温度的降低而受光构件14产生击穿的电压变小，在施加检查电压Vt时容易输出脉冲信号，如果根据温度的降低而将判定阈值设定得较大，则也能够适当地判断受光构件14有无异常。

另外，也能够根据由温度测定部50测定出的环境温度来变更检查电压Vt和判定阈值两方。在这种情况下，环境温度越高，则越提高检查电压Vt，并且也增大判定阈值。一般，若环境温度上升，则不仅受光构件14产生击穿的电压变大，该电压的偏差也变大，并且暗电流也增加。因此，若环境温度上升，则容易从受光构件14输出脉冲信号。因此，环境温度越高，则越提高检查电压Vt，并且也增大判定阈值，能够适当地判断受光构件14有无异常。

C.第三实施方式：

作为本公开中的第三实施方式的光检测器100的结构与图1中示出的第一实施方式中的光检测器100相同。但是，第三实施方式中的异常判定部40构成为测定受光构件14的动作时间。所谓受光构件14的动作时间是向受光构件14施加动作电压Vs的时间的累积时间。

受光构件14除了APD15的内部缺陷以外，还存在因正载流子或者负载流子的界面陷阱等，击穿电压随时间向正方向或负方向移位的情况。正负哪一种载流子容易被捕获取决于APD15的物性(绝缘膜、元件分离膜的材质)。因此，在采用击穿电压随着受光构件14的动作时间增加而变大的APD15的情况下，随着受光构件14的动作时间增加，电压设定部20增大检查电压Vt。另外，反之，在采用击穿电压随着受光构件14的动作时间增加而变小的APD15的情况下，随着受光构件14的动作时间增加，电压设定部20减小检查电压Vt。这样，若根据受光构件14的动作时间来变更检查电压Vt，则能够更适当地判断受光构件14有无异常。对于使检查电压Vt变化的量而言，预先测定与动作时间对应的APD15的击穿电压的变化量，并使用函数或映射来使该量变化以便追随该变化量即可。

如上述那样，在本实施方式中，根据受光构件14的动作时间来变更检查电压Vt，但也能够根据受光构件14的动作时间来变更判定阈值。例如，在采用击穿电压随着受光构件14的动作时间增加而变大的APD15的情况下，如上述那样，击穿电压越大，则受光构件14越容易输出脉冲信号，因此随着受光构件14的动作时间增加，异常判定部40增大判定阈值。另外，反之，在采用击穿电压随着受光构件14的动作时间增加而变小的APD15的情况下，随着受光构件14的动作时间增加，异常判定部40减小判定阈值。这样，若根据受光构件14的动作时间来变更检查电压Vt，则能够更适当地判断受光构件14有无异常。对于使判定阈值变化的量而言，预先测定与动作时间对应的APD15的击穿电压的变化量，并使用函数或映射来使该量变化以便追随该变化量。

D.其它实施方式：

(D－1)在上述实施方式中，在判断为受光构件14是异常的情况下，通过使向受光构件14(更详细而言，猝熄电阻器16)施加的动作电压降低至零，来使该受光构件14无效化。与此相对，也可以通过在受光构件14(更详细而言，逆变器电路17)的输出连接开关，使用该开关将受光构件14的输出强制地断开来使受光构件14无效化。此外，例如，也可以通过在受光构件14(更详细而言，APD15)与接地之间设置开关，使该开关断开，来使受光构件14无效化。

(D－2)在上述实施方式中，在判断为受光构件14是异常的情况下，使被判断为异常的受光构件14本身无效化。与此相对，在判断为受光构件14是异常的情况下，也可以使包含该受光构件14的受光单元12、121、包含该受光构件14的光检测器100、101无效化。即，所谓“使受光构件14无效化”包括使包含受光构件14的受光单元12、121、包含受光构件14的光检测器100、101无效化。受光单元12、121、光检测器100、101的无效化例如通过诸如使向它们的电力供给断开，或是在它们的输出连接开关并使这些开关断开来实现。

(D－3)在上述实施方式中，在判断为受光构件14是异常的情况下，使受光构件14无效化。与此相对，在判断为受光构件14是异常的情况下，也可以使受光构件14的灵敏度降低。若使受光构件14的灵敏度降低，则根据受光构件14的劣化的程度，能够正常地使用该受光构件14。具体而言，例如，异常判定部40能够控制输出控制部13，使向被判断为异常的受光构件14施加的过电压降低，从而使受光构件14的灵敏度降低。此外，也可以将猝熄电阻器16构成为可变电阻，异常判定部40增大被判断为异常的受光构件14所包含的猝熄电阻器16的电阻值。若增大猝熄电阻器16的电阻值，则从光响应之后到APD15的电压恢复为止的时间增加，所以与其它受光构件14相比，能够成为实质上使灵敏度降低的状态。另外，也可以利用透光性较低的滤波片等遮蔽被判断为异常的受光构件14而使得难以对APD15照射光。若遮蔽APD15，则能够使APD15的响应频率降低，因此与其它受光构件14相比，能够成为实质上使灵敏度降低的状态。

(D－4)在上述实施方式中，受光元件10具备多个受光单元12。与此相对，受光元件10也可以仅具备一个受光单元12。即，光检测器100也可以仅具备一个受光构件14。即使是这样的结构，也能够基于从以检查电压Vt进行动作的受光构件14输出的脉冲信号的个数是否是预先决定的判定阈值(“1”)以上来判定有无异常。

(D－5)在上述实施方式中，各受光单元12具备一个受光构件14。与此相对，如图10所示，各受光单元121也可以具备多个受光构件14。该情况下，例如，异常判定部40按每个受光单元121判定有无异常。由此，能够在短时间内完成对受光元件10的异常判定处理。

(D－6)如上述那样，在按每个具备多个受光构件14的受光单元121判定有无异常的情况下，异常判定部40也可以针对被判断为有异常的受光单元121，进一步对该受光单元121所包含的各个受光构件14进行异常判定处理。通过这样阶段性地进行异常判定处理，能够在短时间内确定产生异常的受光构件14。

本公开不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构实现。例如，实施方式中的技术特征能够适当地进行调换、组合，以用来解决上述课题的一部分或全部，或者用来达到上述效果的一部分或全部。并且，若这些技术特征不是作为本说明书中必须的技术特征进行说明的，则能够适当地删除。

Claims (8)

1.一种光检测器，具备：

受光构件，通过施加比预先决定的击穿电压高的动作电压而以盖革模式进行动作，并根据光的入射来输出脉冲信号；

电压设定部，能够向上述受光构件选择性地施加上述动作电压以及比上述击穿电压低的检查电压中的任意一方；以及

异常判定部，进行异常判定处理，若从以上述检查电压进行动作的上述受光构件输出的脉冲信号的个数为预先决定的阈值以上则判断为异常，若小于上述阈值则判断为正常。

2.根据权利要求1所述的光检测器，其中，

上述异常判定部使通过上述异常判定处理判断为异常的受光构件无效化。

3.根据权利要求1所述的光检测器，其中，

上述异常判定部使通过上述异常判定处理判断为异常的受光构件的灵敏度降低。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的光检测器，其中，

上述光检测器具有测定温度的温度测定部，

根据测定出的上述温度来变更上述检查电压以及上述阈值的至少一方。

5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的光检测器，其中，

上述异常判定部测定上述受光构件的动作时间，

根据测定出的上述动作时间来变更上述检查电压以及上述阈值的至少一方。

6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的光检测器，其中，

上述光检测器具备多个受光单元，上述受光单元具有多个上述受光构件，

上述异常判定部按每个上述受光单元进行上述异常判定处理。

7.根据权利要求6所述的光检测器，其中，

上述异常判定部进一步对通过上述异常判定处理判断为异常的受光单元所包含的各个受光构件进行上述异常判定处理。

8.一种控制方法，是光检测器的控制方法，

向受光构件施加比击穿电压低的检查电压，其中，上述受光构件通过被施加比预先决定的击穿电压高的动作电压而以盖革模式进行动作，并根据光的入射来输出脉冲信号，

若从以上述检查电压进行动作的上述受光构件输出的脉冲信号的个数为预先决定的阈值以上则判断为异常，若小于上述阈值则判断为正常。

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