JP2016145776A - Laser receiving device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えばレーザ光の発振時刻と散乱光の受光時刻との差から距離を算出するために、レーザ光の散乱光を受信するレーザ受信装置に関するものである。 The present invention relates to a laser receiver that receives scattered light of a laser beam, for example, in order to calculate a distance from the difference between the oscillation time of the laser beam and the reception time of the scattered beam.
例えば、特許文献1には、受光手段としてシングルフォトンアバランシェダイオード(Single Photon Avalanche Diode、以下SPADと称す)と呼ばれる受光素子をアレイ状に複数備えた光学的測距装置が記載されている。SPAD素子は、受光した光を電気信号に変換して出力するものである。そして、特許文献1の光学的測距装置では、各SPAD素子が出力した電気信号を加算するなどの処理を行い、レーザ光を照射した時刻からの経過時間に基づき、距離を算出していた。 For example, Patent Document 1 describes an optical distance measuring device provided with a plurality of light receiving elements called single photon avalanche diodes (hereinafter referred to as SPAD) as light receiving means in an array. The SPAD element converts received light into an electrical signal and outputs it. In the optical distance measuring device of Patent Document 1, processing such as addition of electrical signals output from each SPAD element is performed, and the distance is calculated based on the elapsed time from the time of laser light irradiation.
SPAD素子は、光を受光して電気信号を出力した後に、アフターパルスと呼ばれる信号を遅れて出力することがある。このため、レーザ光の散乱光を受光した後のアフターパルスにより誤検知が発生し、ターゲットからの散乱光を正確にとらえることができないという課題があった。
なお、このようなアフターパルスは、光電子増倍管等、SPAD素子以外の受光素子においても同様に問題となる現象である。
The SPAD element sometimes receives a light and outputs an electrical signal, and then outputs a signal called an after pulse with a delay. For this reason, there is a problem that erroneous detection occurs due to an after pulse after receiving the scattered light of the laser light, and the scattered light from the target cannot be accurately captured.
Note that such after-pulse is a phenomenon that also causes problems in light receiving elements other than SPAD elements, such as photomultiplier tubes.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アフターパルスの影響を抑えてターゲットからの散乱光をとらえることのできるレーザ受信装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a laser receiver capable of capturing scattered light from a target while suppressing the influence of afterpulses.
この発明に係るレーザ受信装置は、光を受光して信号を出力する受光素子を複数有する受信部と、受信部が出力した信号を用いて、レーザ光の散乱光を受信したか否かを判定する判定部と、受信部が有する複数の受光素子を少なくとも2つの素子群に分け、複数の受光素子に印加する電圧を素子群ごとに設定する状態切り替え部とを備え、状態切り替え部は、第1素子群と第2素子群とで互いに異なる電圧を設定し、判定部が散乱光を受信したと判定した場合に、第1素子群に属する受光素子に設定している電圧と、第2素子群に属する受光素子に設定している電圧とを入れ替えることを特徴とするものである。 The laser receiver according to the present invention determines whether or not the scattered light of the laser beam has been received using a receiver having a plurality of light receiving elements that receive light and output a signal, and a signal output from the receiver. And a state switching unit that divides the plurality of light receiving elements of the receiving unit into at least two element groups and sets voltages to be applied to the plurality of light receiving elements for each of the element groups. Different voltages are set for the first element group and the second element group, and when the determination unit determines that the scattered light has been received, the voltage set for the light receiving elements belonging to the first element group, and the second element The voltage set for the light receiving elements belonging to the group is switched.
この発明によれば、アフターパルスの影響を抑えてターゲットからの散乱光をとらえることができる。 According to the present invention, scattered light from the target can be captured while suppressing the influence of the afterpulse.
実施の形態1.
図1に、この発明の実施の形態1に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す。レーザレーダ装置は、レーザ装置1と、発振器2と、変調器3と、送信光学系4と、スキャナ5と、角度モニタ装置6と、受信レンズ7と、SPADアレイ受信機8と、バイアス電圧印加装置9と、バイアス電圧切り替え装置10と、加算回路(加算器)11と、散乱光検出判定回路(判定部)12と、距離測定装置13と、強度測定装置14と、信号処理装置15とを有する。SPADアレイ受信機8と、バイアス電圧印加装置9と、バイアス電圧切り替え装置10と、加算回路11と、散乱光検出判定回路12とが、実施の形態1に係るレーザ受信装置を構成する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a configuration of a laser radar apparatus configured using the laser receiving apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The laser radar device includes a laser device 1, an oscillator 2, a modulator 3, a transmission optical system 4, a
レーザ装置1は、レーザ光を発振させる。
発振器2は、パルス変調信号を出力する。
変調器3は、発振器2が出力したパルス変調信号に従い、レーザ装置1が発振させたレーザ光にパルス強度変調をかける。
送信光学系4は、変調器3がパルス強度変調をかけたレーザ光の拡がりを調整し、平行ビームのレーザ光として出力する。送信光学系4は、レンズ等を有する。
スキャナ5は、送信光学系4が出力したレーザ光を、受信レンズ7が当該レーザ光に対する散乱光を受光可能な角度範囲である受信視野内において、水平方向と垂直方向に2次元スキャンする。
角度モニタ装置6は、スキャナ5の角度をモニタし、スキャナ角度信号として出力する。
The laser device 1 oscillates laser light.
The oscillator 2 outputs a pulse modulation signal.
The modulator 3 applies pulse intensity modulation to the laser light oscillated by the laser device 1 in accordance with the pulse modulation signal output from the oscillator 2.
The transmission optical system 4 adjusts the spread of the laser beam to which the modulator 3 has applied pulse intensity modulation, and outputs the laser beam as a parallel beam. The transmission optical system 4 has a lens and the like.
The
The
受信レンズ7は、入射してくる光をSPADアレイ受信機8上に集光する。受信レンズ7のこの働きにより、スキャナ5がスキャンしたレーザ光が照射されたターゲットからの散乱光は、SPADアレイ受信機8上に集光される。
SPADアレイ受信機8には、複数のSPAD素子がアレイ状に配置されており、各SPAD素子は、受光した光を電気信号に変換して出力する。
バイアス電圧印加装置9は、SPADアレイ受信機8が有する各SPAD素子に印加するバイアス電圧を、出力する。
バイアス電圧切り替え装置10は、アレイ状に複数の電圧切り替えスイッチを有している。バイアス電圧切り替え装置10の各電圧切り替えスイッチは、SPADアレイ受信機8の各SPAD素子とそれぞれ対応しており、バイアス電圧印加装置9からSPAD素子へのバイアス電圧出力を、SPAD素子ごとにオンオフすることが可能となっている。バイアス電圧印加装置9とバイアス電圧切り替え装置10とで、状態切り替え部が構成される。
The receiving
The SPAD array receiver 8 has a plurality of SPAD elements arranged in an array, and each SPAD element converts the received light into an electrical signal and outputs it.
The bias
The bias
加算回路11は、SPADアレイ受信機8の各SPAD素子が出力した電気信号を、加算して出力する。SPADアレイ受信機8と加算回路11とで、受信部が構成される。
散乱光検出判定回路12は、加算回路11が出力した加算結果と、予め外部より設定された閾値とを比較して、加算結果が閾値を超える場合、その加算結果を受信信号として距離測定装置13及び強度測定装置14に出力するとともに、散乱光検出信号をバイアス電圧切り替え装置10に出力する。
このように、各SPAD素子が出力した電気信号の加算結果を、散乱光検出判定回路12で閾値と比較し、閾値を超えた場合に、散乱光を検出したと判定する。当該加算結果が当該閾値以下の場合は、散乱光を検出していないと判定される。閾値との比較対象を、各SPAD素子が出力した電気信号の加算結果とすることで、外乱の影響をなるべく抑えたうえで、散乱光の検出を判定できる。
The
The scattered light
In this way, the addition result of the electrical signals output from each SPAD element is compared with the threshold value by the scattered light
距離測定装置13は、発振器2からパルス変調信号が入力されてから、散乱光検出判定回路12から受信信号が入力されるまでの時間を計測する。そして、計測した時間に基づき距離を算出し、距離信号として出力する。
強度測定装置14は、散乱光検出判定回路12が出力した受信信号の強度を測定し、強度信号として出力する。
信号処理装置15は、角度モニタ装置6が出力したスキャナ角度信号と、距離測定装置13が出力した距離信号と、強度測定装置14が出力した強度信号とに基づき、距離画像及び強度画像を生成する。距離画像とは、距離信号が示す距離値を画素値としたものであり、また、強度画像とは、強度信号が示す強度値を画素値としたものである。
The
The
The
次に、上記のように構成されたレーザレーダ装置の動作について説明する。
レーザ装置1が、レーザ光を発振させる。また、発振器2が、パルス変調信号を出力する。
変調器3は、発振器2が出力したパルス変調信号に従い、レーザ装置1が発振させたレーザ光にパルス強度変調をかける。
Next, the operation of the laser radar device configured as described above will be described.
The laser device 1 oscillates laser light. The oscillator 2 outputs a pulse modulation signal.
The modulator 3 applies pulse intensity modulation to the laser light oscillated by the laser device 1 in accordance with the pulse modulation signal output from the oscillator 2.
続いて、送信光学系4が、変調器3がパルス強度変調をかけたレーザ光の拡がりを調整し、平行ビームのレーザ光として出力する。
続いて、スキャナ5が、送信光学系4が出力したレーザ光を、受信レンズ7が当該レーザ光に対する散乱光を受光可能な角度範囲である受信視野内において、水平方向と垂直方向に2次元スキャンする。
角度モニタ装置6は、スキャナ5の角度をモニタし、スキャナ角度信号として出力する。
Subsequently, the transmission optical system 4 adjusts the spread of the laser beam to which the modulator 3 has applied pulse intensity modulation, and outputs the laser beam as a parallel beam.
Subsequently, the
The
受信レンズ7は、入射してくる光をSPADアレイ受信機8上に集光するものであり、スキャナ5がスキャンしたレーザ光が照射されたターゲットからの散乱光がある場合、当該散乱光はSPADアレイ受信機8上に集光される。
The
なお、バイアス電圧切り替え装置10は、初期状態として、アレイ状に配置されたSPAD素子それぞれに対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を、隣接するSPAD素子同士で異なるように設定している。つまり、あるSPAD素子に対応する電圧切り替えスイッチをオン状態として、当該SPAD素子にはバイアス電圧印加装置9が出力するバイアス電圧が印加される一方、当該SPAD素子に隣接するSPAD素子に対応する電圧切り替えスイッチはオフ状態として、バイアス電圧印加装置9が出力するバイアス電圧が印加されないようにしている。
これにより、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態は、例えば図2(a)に示すように、アクティブ状態にあるSPAD素子とノンアクティブ状態にあるSPAD素子とが交互に並んだものとなる。図2では、アクティブ状態にあるSPAD素子を白で、ノンアクティブ状態にあるSPAD素子をドット柄で示している。図2において、点線で区切られたブロック1つが、1つのSPAD素子に相当する。アクティブ状態にあるSPAD素子には、バイアス電圧印加装置9が出力するバイアス電圧が印加されており、光を受光すると、電気信号を出力する。一方、ノンアクティブ状態にあるSPAD素子には、バイアス電圧印加装置9が出力するバイアス電圧が印加されておらず、光を受光しても、電気信号は出力しない。さらにノンアクティブ状態にあるSPAD素子からは、アフターパルスが発生することはない。
Note that the bias
As a result, the active / inactive state of each SPAD element is such that SPAD elements in the active state and SPAD elements in the inactive state are alternately arranged as shown in FIG. 2A, for example. In FIG. 2, the SPAD element in the active state is shown in white, and the SPAD element in the non-active state is shown in a dot pattern. In FIG. 2, one block separated by a dotted line corresponds to one SPAD element. A bias voltage output from the bias
また、バイアス電圧切り替え装置10は、散乱光検出判定回路12から散乱光検出信号が入力されると、各SPAD素子に対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を切り替える。例えば各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が図2(a)に示すものとなるようにバイアス電圧切り替え装置10の各電圧切り替えスイッチが設定されている際に、散乱光検出信号が入力されると、オン状態の電圧切り替えスイッチをオフ状態に、オフ状態の電圧切り替えスイッチをオン状態にして、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を、図2(b)に示すものに切り替える。同様に、SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が図2(b)に示すものである場合に、バイアス電圧切り替え装置10に散乱光検出信号が入力されると、バイアス電圧切り替え装置10は、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を図2(a)に示すものに切り替える。このように、バイアス電圧切り替え装置10は、SPADアレイ受信機8のSPAD素子を、第1素子群、第2素子群に分けて、素子群ごとにSPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を設定する。同一の素子群に属する各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態は、同じ状態に設定され、また、第1素子群と第2素子群とは互いに異なるアクティブノンアクティブ状態に設定される。
Further, when the scattered light detection signal is input from the scattered light
受信レンズ7により光がSPADアレイ受信機上に集光されると、バイアス電圧切り替え装置10によってアクティブ状態にあるSPAD素子は、光を受けて電気信号を出力する。
続いて、加算回路11が、SPADアレイ受信機8の各SPAD素子が出力した電気信号を、加算して出力する。
続いて、散乱光検出判定回路12が、加算回路11が出力した加算結果と、予め外部より設定された閾値とを比較して、加算結果が閾値を超える場合、その加算結果を受信信号として距離測定装置13及び強度測定装置14に出力するとともに、散乱光検出信号をバイアス電圧切り替え装置10に出力する。当然、加算結果が閾値以下であれば、散乱光検出判定回路12が受信信号及び散乱光検出信号を出力することはない。
When the light is condensed on the SPAD array receiver by the receiving
Subsequently, the
Subsequently, when the scattered light
続いて、距離測定装置13が、発振器2からパルス変調信号が入力されてから、散乱光検出判定回路12から受信信号が入力されるまでの時間を計測する。そして、計測した時間に基づき距離を算出し、距離信号として出力する。
また、強度測定装置14は、散乱光検出判定回路12が出力した受信信号の強度を測定し、強度信号として出力する。
続いて、信号処理装置15が、角度モニタ装置6が出力したスキャナ角度信号と、距離測定装置13が出力した距離信号と、強度測定装置14が出力した強度信号とに基づき、距離画像及び強度画像を生成する。
Subsequently, the
The
Subsequently, the
また、既に述べたが、バイアス電圧切り替え装置10は、散乱光検出判定回路12から散乱光検出信号が入力されると、各SPAD素子に対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を切り替える。従って、それまでアクティブ状態にあったSPAD素子がノンアクティブ状態になり、それまでノンアクティブ状態にあったSPAD素子がアクティブ状態になる。
これにより、散乱光を受光して電気信号を出力したSPAD素子は、ノンアクティブ状態に切り替わり、アフターパルスを発生しない。一方で、ノンアクティブ状態にあったSPAD素子が、アクティブ状態に切り替わるため、アクティブ状態に切り替わったこれらのSPAD素子によって、次の散乱光を検出することが可能となる。つまり、アフターパルスが発生することなく、次の散乱光を検出できる。
As described above, when the scattered light detection signal is input from the scattered light
As a result, the SPAD element that receives the scattered light and outputs an electrical signal switches to a non-active state and does not generate an after pulse. On the other hand, since the SPAD element in the non-active state is switched to the active state, the next scattered light can be detected by these SPAD elements switched to the active state. That is, the next scattered light can be detected without generating an after pulse.
以上のように、この実施の形態1に係るレーザ受信装置によれば、バイアス電圧切り替え装置10が、一部のSPAD素子をアクティブ状態に、それ以外のSPAD素子をノンアクティブ状態にするとともに、散乱光検出信号が入力された場合には、アクティブ状態にあるSPAD素子をノンアクティブ状態に、ノンアクティブ状態にあるSPAD素子をアクティブ状態に切り替える。この切り替えにより、散乱光を受光して電気信号を出力したSPAD素子は、ノンアクティブ状態となり、アフターパルスを発生しない。一方で、ノンアクティブ状態からアクティブ状態に切り替わったSPAD素子によって、次の散乱光を検出することが可能である。従って、アフターパルスの影響を抑えてターゲットからの散乱光をとらえることができる。
As described above, according to the laser receiver according to the first embodiment, the bias
特に、雨、霧、細かい目の網等が、レーザレーダ装置とターゲットとの間に存在する場合は、これら雨、霧、細かい目の網等のターゲット以外の物体を経由した散乱光も受光される。このため、ターゲットからの散乱光を受光する際に、これらターゲット以外の物体からの散乱光を受光したことで発生するアフターパルスの影響を受ける恐れがあったが、上記のようにSPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を切り替えることにより、そうした影響についても抑えることができる。 In particular, when rain, fog, fine mesh, etc. exist between the laser radar device and the target, scattered light that has passed through objects other than the rain, fog, fine mesh, etc. is also received. The For this reason, when receiving scattered light from the target, there was a risk of being affected by afterpulses generated by receiving scattered light from objects other than these targets. By switching the non-active state, such an influence can be suppressed.
なお、上記では、図2に示すようにアクティブ状態のSPAD素子とノンアクティブ状態のSPAD素子とが交互に並ぶようにしたために、全SPAD素子のうちアクティブ状態にあるSPAD素子の比率が50%となっているが、これ以外の比率としてもよい。後述する実施の形態2においても、同様である。
例えば、レーザレーダ装置による測定開始後に最初に検出される散乱光である第1散乱光を感度良く測定したい場合、測定開始時にアクティブ状態にあるSPAD素子をノンアクティブ状態にあるSPAD素子よりも多く、例えば全SPAD素子のうちの80%とすることが考えられる。
測定開始時にアクティブ状態にあるSPAD素子とノンアクティブ状態にあるSPAD素子とをそれぞれ50%ずつの比率とした場合は、第1散乱光とそれに続く第2散乱光とを、同程度の感度で測定可能である。
In the above, since the active SPAD elements and the inactive SPAD elements are alternately arranged as shown in FIG. 2, the ratio of the SPAD elements in the active state among all SPAD elements is 50%. However, other ratios may be used. The same applies to the second embodiment to be described later.
For example, when it is desired to measure with high sensitivity the first scattered light that is the first scattered light detected after the start of measurement by the laser radar device, the number of SPAD elements in the active state at the start of measurement is greater than the SPAD elements in the non-active state, For example, 80% of all SPAD elements can be considered.
When the SPAD element in the active state and the SPAD element in the inactive state are set to 50% each at the start of measurement, the first scattered light and the subsequent second scattered light are measured with the same sensitivity. Is possible.
また、バイアス電圧切り替え装置10は、電圧切り替えスイッチをオフ状態にしてSPAD素子へのバイアス電圧を完全にカットすることで当該SPAD素子をノンアクティブ状態にするのではなく、バイアス電圧印加装置9が出力するバイアス電圧を増減させることで、SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を切り替えるように構成してもよい。つまり、バイアス電圧が印加されていても、当該バイアス電圧が閾値以下のものであれば、SPAD素子はノンアクティブ状態となり、光を受光しても電気信号は出力せず、アフターパルスが発生することもない。このようにすることで、バイアス電圧を完全にカットする場合よりも、高速な切り替え動作が可能となる。後述する実施の形態2,3においても、同様である。
Further, the bias
また、上記では、全SPAD素子を対象にアクティブノンアクティブ状態を切り替える場合を示した。しかしながら、アクティブノンアクティブ状態を切り替えるSPAD素子を限定してもよい。
例えば、先見情報として、全SPAD素子の中でもアフターパルスを出しやすいSPAD素子、出しにくいSPAD素子が予め判明している場合、アフターパルスを出しやすいSPAD素子のみを対象にアクティブノンアクティブ状態を切り替え、アフターパルスを出しにくいSPAD素子については常時アクティブ状態とする。つまり、アフターパルスを出しやすいSPAD素子により第1素子群及び第2素子群が構成され、アフターパルスを出しにくいSPAD素子により第3素子群が構成される。このようにすることで、散乱光を受光する際にアクティブ状態にあるSPAD素子を多くできるため、高感度な測定が可能となる。後述する実施の形態2,3においても、同様である。
In the above description, the active / inactive state is switched for all SPAD elements. However, the SPAD element that switches the active / inactive state may be limited.
For example, when the SPAD elements that are likely to generate afterpulses and the SPAD elements that are difficult to emit are known in advance as the foresight information, the active / inactive state is switched to only the SPAD elements that are likely to generate afterpulses. SPAD elements that are difficult to emit pulses are always active. In other words, the first element group and the second element group are configured by SPAD elements that are easy to output afterpulses, and the third element group is configured by SPAD elements that are difficult to output afterpulses. By doing so, it is possible to increase the number of SPAD elements in an active state when receiving scattered light, so that highly sensitive measurement is possible. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.
また、散乱光検出判定回路12がn番目の散乱光検出信号を出力してから次に(n+1)番目の散乱光検出信号を出力するまでの時間が短いと、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が短時間のうちに2度切り替わる(nは自然数)。このため、n番目の散乱光を受光したときにアクティブ状態にあったSPAD素子が、n番目の散乱光によるアフターパルスの発生が止まる前に、(n+1)番目の散乱光検出信号によって再びアクティブ状態となり、アフターパルスを出力する可能性がある。
Also, if the time from when the scattered light
そこで、バイアス電圧切り替え装置10を、散乱光検出信号が入力された際に、当該散乱光検出信号より1つ前の散乱光検出信号が入力された時刻からの経過時間を算出するように構成する。そして、その経過時間が予め外部より設定した第2の復帰時間T2以下であった場合、1つ前の散乱光検出信号が入力された時刻から第2の復帰時間T2分の時間が過ぎるまでは全SPAD素子をノンアクティブ状態にする。その後で、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を、1つ前の散乱光を受光したときの状態に復帰させる。このようにすることで、1つ前の散乱光を受光して電気信号を出力したSPAD素子が、誤検知の元となるアフターパルスを出力するのを防ぐことができる。後述する実施の形態3においても、同様である。
第2の復帰時間T2は、SPAD素子が散乱光を受光したタイミングから、アフターパルスを出力しなくなるまでの時間を超えるように設定するとよい。このようにすることで、SPAD素子を、アフターパルスを出力しなくなった状態で復帰させることができる。
Therefore, the bias
T 2 second return times may from time to SPAD device has received scattered light, when set to exceed the time until no output after pulse. By doing so, the SPAD element can be returned in a state where no after pulse is output.
また、上記では、スキャナ5が2次元スキャンを行うものとしたが、1次元スキャンを行うものでもよい。スキャナ5が1次元スキャンを行う場合、信号処理装置15が生成する距離画像及び強度画像は、2次元ではなく1次元の画像となる。後述する実施の形態2,3においても、同様である。
In the above description, the
また、上記では、レーザ受信装置を他の各装置と組み合わせることで1台のレーザレーダ装置として一体的に構成したものを示した。しかしながら、このように一体的に構成するに限らず、それぞれが別個に分離した構成であってもよい。後述する実施の形態2,3においても、同様である。 In the above description, the laser receiving apparatus is combined with other apparatuses to integrally form a single laser radar apparatus. However, the configuration is not limited to such an integral configuration, but may be a configuration in which the components are separately separated. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.
また、上記では、レーザ受信装置を、距離画像及び強度画像を生成するレーザレーダ装置に組み込まれるものとして説明した。しかしながら、レーザ受信装置は、散乱光検出判定回路12によって何らかの物体の存在の有無を判定するセンサのような装置として利用することも可能である。後述する実施の形態2,3においても、同様である。
In the above description, the laser receiving apparatus is described as being incorporated in a laser radar apparatus that generates a distance image and an intensity image. However, the laser receiver can also be used as a device such as a sensor that determines the presence / absence of any object by the scattered light
また、上記では、加算回路11を備えるものとした。しかしながら、加算回路11を省略して、SPADアレイ受信機8の各SPAD素子が出力した電気信号が、散乱光検出判定回路12にそのまま入力されるようにしてもよい。この場合、散乱光検出判定回路12は、同じタイミングで第2の閾値を超える電気信号の数をカウントし、そのカウント結果が第3の閾値を超えると、カウント結果を受信信号として出力するとともに、散乱光検出信号を出力する。後述する実施の形態2,3においても、同様である。
In the above description, the
また、上記では、受光した光を電気信号に変換して出力するものとしてSPAD素子を用いる構成を示したが、光電子増倍管等、SPAD素子以外の受光素子を用いてもよい。後述する実施の形態2,3においても、同様である。 In the above description, the SPAD element is used to convert the received light into an electrical signal and output it. However, a light receiving element other than the SPAD element such as a photomultiplier tube may be used. The same applies to Embodiments 2 and 3 described later.
実施の形態2.
図3に、この発明の実施の形態2に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す。このレーザレーダ装置は、レーザ装置1と、発振器2と、変調器3と、送信光学系4と、スキャナ5と、角度モニタ装置6と、受信レンズ7と、SPADアレイ受信機8と、バイアス電圧印加装置9と、バイアス電圧切り替え装置10と、加算回路11と、散乱光検出判定回路12と、距離測定装置13と、強度測定装置14と、信号処理装置15と、出力切り替え装置16とを有する。つまり、実施の形態2に示すレーザレーダ装置は、実施の形態1に示すレーザレーダ装置に、出力切り替え装置16を追加したものである。SPADアレイ受信機8と、バイアス電圧印加装置9と、バイアス電圧切り替え装置10と、加算回路11と、散乱光検出判定回路12と、出力切り替え装置16とが、実施の形態2に係るレーザ受信装置を構成する。
なお、図3において、図1と同一又は相当の部分については同一の符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 shows the configuration of a laser radar apparatus configured using the laser receiving apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. This laser radar device includes a laser device 1, an oscillator 2, a modulator 3, a transmission optical system 4, a
In FIG. 3, the same or corresponding parts as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
出力切り替え装置16は、アレイ状に複数の出力切り替えスイッチを有している。出力切り替え装置16の各出力切り替えスイッチは、SPADアレイ受信機8の各SPAD素子とそれぞれ対応しており、各SPAD素子から加算回路11への電気信号の出力を、SPAD素子ごとにオンオフすることが可能となっている。
出力切り替え装置16は、バイアス電圧切り替え装置10と同期しており、初期状態においてバイアス電圧印加装置9からのバイアス電圧が印加されているSPAD素子に対応する出力切り替えスイッチをオン状態とし、バイアス電圧印加装置9からのバイアス電圧が印加されていないSPAD素子に対応する出力切り替えスイッチをオフ状態とする。
また、散乱光検出判定回路12から散乱光検出信号が入力された場合、バイアス電圧切り替え装置10と同期して、各出力切り替えスイッチのオンオフ状態を切り替える。
The
The
Further, when a scattered light detection signal is input from the scattered light
以上のように、この実施の形態2に係るレーザ受信装置によれば、実施の形態1で示した効果に加えて、ノンアクティブ状態にあるSPAD素子からの信号出力をオフにすることができる。従って、ノンアクティブ状態にあるSPAD素子が例えば雑音を出力する場合に、この雑音が加算回路11で加算され、結果としてSN比が低下してしまうのを防ぐことができる。
As described above, according to the laser receiver according to the second embodiment, in addition to the effects shown in the first embodiment, signal output from the SPAD element in the non-active state can be turned off. Therefore, when the SPAD element in the non-active state outputs, for example, noise, it is possible to prevent this noise from being added by the
なお,散乱光検出判定回路12がn番目の散乱光検出信号を出力してから次に(n+1)番目の散乱光検出信号を出力するまでの時間が短いと、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が短時間のうちに2度切り替わる。このため、n番目の散乱光を受光したときにアクティブ状態にあったSPAD素子が、n番目の散乱光によるアフターパルスの発生が止まる前に、(n+1)番目の散乱光検出信号によって再びアクティブ状態となり、アフターパルスを出力する可能性がある。
If the time from when the scattered light
そこで、バイアス電圧切り替え装置10及び出力切り替え装置16を、散乱光検出信号が入力された際に、当該散乱光検出信号より1つ前の散乱光検出信号が入力された時刻からの経過時間を算出するように構成する。そして、その経過時間が予め外部より設定した第2の復帰時間T2以下であった場合、1つ前の散乱光検出信号が入力された時刻から第2の復帰時間T2分の時間が過ぎるまでは全SPAD素子をノンアクティブ状態にするとともに全SPAD素子からの信号出力をオフにする。その後で、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態及び各出力切り替えスイッチのオンオフ状態を、1つ前の散乱光を受光したときの状態に復帰させる。このようにすることで、1つ前の散乱光を受光して電気信号を出力したSPAD素子が、誤検知の元となるアフターパルスを出力するのを防ぐことができる。
第2の復帰時間T2は、SPAD素子が散乱光を受光したタイミングから、アフターパルスを出力しなくなるまでの時間を超えるように設定するとよい。このようにすることで、SPAD素子を、アフターパルスを出力しなくなった状態で復帰させることができる。
Therefore, when the scattered light detection signal is input, the bias
T 2 second return times may from time to SPAD device has received scattered light, when set to exceed the time until no output after pulse. By doing so, the SPAD element can be returned in a state where no after pulse is output.
また、上記では、バイアス電圧切り替え装置10を備えるものとしたが、バイアス電圧切り替え装置10を省略してもよい。この場合、アフターパルスの発生自体を抑えるのではなく、各SPAD素子から加算回路11への電気信号の出力を出力切り替え装置16によりオンオフすることで、アフターパルスが加算回路11へ入力されるのを防ぐ。このようにすることでも、アフターパルスの影響を抑えてターゲットからの散乱光をとらえることは可能である。
In the above description, the bias
実施の形態3.
図4に、この発明の実施の形態3に係るレーザ受信装置を用いて構成されたレーザレーダ装置の構成を示す。このレーザレーダ装置は、レーザ装置1と、発振器2と、変調器3と、送信光学系4と、スキャナ5と、角度モニタ装置6と、受信レンズ7と、SPADアレイ受信機8と、バイアス電圧印加装置9と、バイアス電圧切り替え装置10と、加算回路11と、散乱光検出判定回路12と、距離測定装置13と、強度測定装置14と、信号処理装置15と、復帰時間計測装置17とを有する。つまり、実施の形態3に示すレーザレーダ装置は、実施の形態1に示すレーザレーダ装置に、復帰時間計測装置17を追加したものである。SPADアレイ受信機8と、バイアス電圧印加装置9と、バイアス電圧切り替え装置10と、加算回路11と、散乱光検出判定回路12と、復帰時間計測装置17とが、実施の形態3に係るレーザ受信装置を構成する。
なお、図4において、図1と同一又は相当の部分については同一の符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 shows the configuration of a laser radar apparatus configured using the laser receiving apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. This laser radar device includes a laser device 1, an oscillator 2, a modulator 3, a transmission optical system 4, a
4 that are the same as or equivalent to those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted or simplified.
復帰時間計測装置17は、散乱光検出判定回路12から散乱光検出信号が入力されると時間計測を開始して、計測時間が第1の復帰時間T1に達すると、バイアス電圧切り替え装置10に復帰信号を出力する。第1の復帰時間T1は、予め外部より設定される。
Recovery
バイアス電圧切り替え装置10は、散乱光検出判定回路12から散乱光検出信号が入力されるか、または、復帰時間計測装置17から復帰信号が入力されるかすると、各SPAD素子に対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を切り替える。
バイアス電圧切り替え装置10は、初期状態として、アレイ状に配置されたSPAD素子それぞれに対応する電圧切り替えスイッチのオンオフ状態を、一部のSPAD素子に対応する電圧切り替えスイッチはオン状態、それ以外のSPAD素子に対応する電圧切り替えスイッチはオフ状態に設定している。従って、この初期状態において、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態は、例えば図5(a)に示すようになる。図5では、アクティブ状態にあるSPAD素子を白で、ノンアクティブ状態にあるSPAD素子をドット柄で示している。
When the scattered light detection signal is input from the scattered light
The bias
そして、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が図5(a)に示すものとなるようにバイアス電圧切り替え装置10の各電圧切り替えスイッチが設定されている際に、散乱光検出信号又は復帰信号が入力されると、オン状態の電圧切り替えスイッチをオフ状態に、オフ状態の電圧切り替えスイッチをオン状態にして、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を、図5(b)に示すものに切り替える。同様に、SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が図5(b)に示すものである場合に、バイアス電圧切り替え装置10に散乱光検出信号又は復帰信号が入力されると、バイアス電圧切り替え装置10は、各SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を図5(a)に示すものに切り替える。
Then, when each voltage switch of the bias
なお、復帰時間計測装置17は、散乱光検出信号が入力されて時間計測を実行している最中に、再度の散乱光検出信号が入力された場合、実行中の時間計測を中止して、当該再度の散乱光検出信号が入力された時点から時間計測を新たにやり直す。
When the scattered light detection signal is input again while the scattered light detection signal is input and the time measurement is being performed, the return
このように、散乱光が検出されてSPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が切り替わった後、第1の復帰時間T1として設定した一定時間が経過すると、SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が、当該散乱光を検出した際の状態に戻る。従って、散乱光の検出と当該散乱光の次の散乱光の検出との時間間隔が、第1の復帰時間T1以上開いている場合、どちらの散乱光においても、同等の感度で測定可能となる。 Thus, after the scattered light switched active inactive state of the SPAD device is detected, when a predetermined time set as T 1 first return time has elapsed, the active non-active state of the SPAD device, the scattered light It returns to the state when it was detected. Accordingly, the time interval between the detection of the next scattered light detection and the scattered light scattered light, if open first return time above T 1, in either of the scattered light, and can be measured with equivalent sensitivity Become.
特に、バイアス電圧切り替え装置10は、復帰信号が入力されると、アクティブ状態にあるSPAD素子の比率が高い方のパターンにSPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を設定するよう、構成されているとよい。図5(a)に示すSPAD素子のアクティブノンアクティブ状態のパターンと、図5(b)に示すSPAD素子のアクティブノンアクティブ状態のパターンとで切り替えが行われるのであれば、図5(a)のパターンの方が、散乱光を受光する際にアクティブ状態にあるSPAD素子が多く、散乱光に対する感度が高い。従って、復帰信号が入力された際に、SPAD素子が図5(b)に示すアクティブノンアクティブ状態にあるならば、バイアス電圧切り替え装置10は、SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態を図5(a)に示すものに切り替える。一方、復帰信号が入力された際に、SPAD素子が図5(a)に示すアクティブノンアクティブ状態にあるならば、バイアス電圧切り替え装置10は、そのアクティブノンアクティブ状態を保つようにし、図5(b)に示すものには切り替えない。このようにすることで、より多くの場合で、高感度での測定が可能となる。
In particular, the bias
実施の形態3に係るレーザ受信装置と異なり、復帰時間計測装置17を有しない実施の形態1に係るレーザ受信装置の場合、全SPAD素子のうち80%のSPAD素子がアクティブ状態にある際に散乱光を検出して、SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が切り替わると、全SPAD素子のうち20%のSPAD素子しかアクティブ状態にない状態が、第1の復帰時間T1を過ぎようとも保持され続けることになる。このため、次の散乱光に対する感度が低くなる。
なお、第1の復帰時間T1は、SPAD素子が散乱光を受光したタイミングから、アフターパルスを出力しなくなるまでの時間を超えるように設定するとよい。このようにすることで、SPAD素子を、アフターパルスを出力しなくなった状態で復帰させることができる。
Unlike the laser receiving apparatus according to the third embodiment, in the case of the laser receiving apparatus according to the first embodiment that does not have the return
The first return time T 1 from the timing of SPAD device has received the scattered light may be set to exceed the time until no output after pulse. By doing so, the SPAD element can be returned in a state where no after pulse is output.
以上のように、この実施の形態3に係るレーザ受信装置によれば、SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が切り替わってから第1の復帰時間T1が過ぎると、再度SPAD素子のアクティブノンアクティブ状態が切り替わる。従って、実施の形態1で示した効果に加えて、散乱光と当該散乱光の次の散乱光とを同等の感度で測定することができるようになる。 As described above, according to the laser receiving apparatus according to the third embodiment, when the first return time T 1 is too from switched active inactive state of the SPAD devices, active inactive state again SPAD device Switch. Therefore, in addition to the effects shown in the first embodiment, the scattered light and the scattered light next to the scattered light can be measured with the same sensitivity.
なお、上記では、図1で示した実施の形態1に係るレーザ受信装置に復帰時間計測装置17を追加した構成の図4を用いて、実施の形態3に係るレーザ受信装置を説明した。しかしながら、図3で示した実施の形態2に係るレーザ受信装置に復帰時間計測装置17を追加した構成としてもよい。このように構成しても、同等の効果が得られる。
In the above description, the laser receiving apparatus according to the third embodiment has been described with reference to FIG. 4 in which the return
さらに、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 Furthermore, within the scope of the present invention, the present invention can be freely combined with each embodiment, any component of each embodiment can be modified, or any component can be omitted in each embodiment. .
1 レーザ装置、2 発振器、3 変調器、4 送信光学系、5 スキャナ、6 角度モニタ装置、7 受信レンズ、8 SPADアレイ受信機、9 バイアス電圧印加装置、10 バイアス電圧切り替え装置、11 加算回路(加算器)、12 散乱光検出判定回路(判定部)、13 距離測定装置、14 強度測定装置、15 信号処理装置、16 出力切り替え装置、17 復帰時間計測装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser apparatus, 2 Oscillator, 3 Modulator, 4 Transmission optical system, 5 Scanner, 6 Angle monitor apparatus, 7 Receiving lens, 8 SPAD array receiver, 9 Bias voltage application apparatus, 10 Bias voltage switching apparatus, 11 Adder circuit ( Adder), 12 scattered light detection determination circuit (determination unit), 13 distance measurement device, 14 intensity measurement device, 15 signal processing device, 16 output switching device, 17 return time measurement device.
Claims (8)
前記受信部が出力した前記信号を用いて、レーザ光の散乱光を受信したか否かを判定する判定部と、
前記受信部が有する前記複数の受光素子を少なくとも2つの素子群に分け、前記複数の受光素子に印加する電圧を前記素子群ごとに設定する状態切り替え部とを備え、
前記状態切り替え部は、第1素子群と第2素子群とで互いに異なる前記電圧を設定し、前記判定部が前記散乱光を受信したと判定した場合に、前記第1素子群に属する受光素子に設定している前記電圧と、前記第2素子群に属する受光素子に設定している前記電圧とを入れ替えることを特徴とするレーザ受信装置。 A receiver having a plurality of light receiving elements that receive light and output signals;
A determination unit that determines whether or not the scattered light of the laser beam has been received using the signal output from the reception unit;
A plurality of light receiving elements of the receiving unit are divided into at least two element groups, and a state switching unit that sets a voltage applied to the plurality of light receiving elements for each of the element groups, and
The state switching unit sets the voltages different from each other in the first element group and the second element group, and when the determination unit determines that the scattered light has been received, the light receiving element belonging to the first element group And the voltage set for the light receiving elements belonging to the second element group are switched.
前記出力切り替え装置は、閾値より高い前記電圧が設定されている前記受光素子に対応する前記出力切り替えスイッチをオンにし、閾値以下の前記電圧が設定されている前記受光素子に対応する前記出力切り替えスイッチをオフにすることを特徴とする請求項1記載のレーザ受信装置。 An output switching device having a plurality of output changeover switches for each of the plurality of light receiving elements;
The output switching device turns on the output switching switch corresponding to the light receiving element for which the voltage higher than a threshold is set, and the output switching switch corresponding to the light receiving element for which the voltage equal to or lower than the threshold is set. The laser receiver according to claim 1, wherein the laser receiver is turned off.
前記復帰時間計測装置による計測時間が第1の復帰時間に達すると、前記状態切り替え部が、前記第1素子群に属する受光素子に設定している前記電圧と、前記第2素子群に属する受光素子に設定している前記電圧とを入れ替えることを特徴とする請求項1または請求項2記載のレーザ受信装置。 The determination unit comprises a return time measuring device that measures the time after determining that the scattered light has been received,
When the measurement time by the return time measuring device reaches the first return time, the state switching unit sets the voltage set for the light receiving element belonging to the first element group and the light reception belonging to the second element group. 3. The laser receiver according to claim 1, wherein the voltage set in the element is switched.
前記複数の受光素子と、
前記複数の受光素子がそれぞれ出力する前記信号を加算して出力する加算器とを有し、
前記状態切り替え部は、
前記複数の受光素子に印加されるバイアス電圧を出力するバイアス電圧印加装置と、
前記バイアス電圧印加装置が出力した前記バイアス電圧を、前記複数の受光素子ごとに調整するバイアス電圧切り替え装置とを有することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載のレーザ受信装置。 The receiver is
The plurality of light receiving elements;
An adder that adds and outputs the signals output by the plurality of light receiving elements,
The state switching unit
A bias voltage applying device that outputs a bias voltage applied to the plurality of light receiving elements;
4. The device according to claim 1, further comprising: a bias voltage switching device that adjusts the bias voltage output from the bias voltage application device for each of the plurality of light receiving elements. 5. Laser receiver.
測定開始時に、前記第1素子群に属する受光素子には閾値より高い前記電圧が設定され、前記第2素子群に属する受光素子には閾値以下の前記電圧が設定されることを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載のレーザ受信装置。 More light receiving elements belonging to the first element group than light receiving elements belonging to the second element group,
The voltage higher than a threshold value is set for the light receiving elements belonging to the first element group at the start of measurement, and the voltage equal to or lower than the threshold value is set for the light receiving elements belonging to the second element group. The laser receiver according to any one of claims 1 to 4.
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