JP2018044923A - 光検出器、及び距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定光の測定に用いる受光領域を変更可能な光検出器を提供する。【解決手段】本発明の実施形態に係る光検出器は、複数の受光素子と、選択部と、出力部とを、備える。複数の受光素子は、受光領域の異なる複数の受光素子であって、それぞれが、受光領域で受光した光を電気信号に変換する。選択部は、複数の受光素子の中から、測定光の受光領域を形成する受光素子を選択する。出力部は、測定光の受光に応じて、前記選択部で選択された受光素子それぞれが出力する電気信号に基づく信号を出力する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、光検出器、及び距離測定装置に関する。

光源から被測定物体に測定光を照射し、被測定物体により反射された測定光を光検出器の受光領域で検出する距離測定装置が知られている。この測定光には微弱なレーザー光を用いるため、反射された測定光は光子として検出される。

しかし、距離測定装置を屋外で使用すると、受光領域には環境光も入射し、ノイズを増加させてしまう。このため、受光領域と、測定光の入射領域とを一致させる光学的な調整が行われる。ところが、光学的な調整は、機械的な微調整の繰り返しが必要であり、時間がかかってしまう恐れがある。

特開２０１５−１１７９７０号公報

そこで、本発明の実施形態は、測定光の測定に用いる受光領域を変更可能な光検出器を提供する。

本発明の実施形態に係る光検出器は、複数の受光素子と、選択部と、出力部とを、備える。複数の受光素子は、受光領域の異なる複数の受光素子であって、それぞれが、受光領域で受光した光を電気信号に変換する。選択部は、複数の受光素子の中から、測定光の測定に用いる受光領域を形成する受光素子を選択する。出力部は、測定光の受光に応じて、前記選択部で選択された受光素子それぞれが出力する電気信号に基づく信号を出力する。

図１（ａ）は、長方形のセルを示す図であり、図１（ｂ）は、正方形のセル示す図である。 電流がアナログ加算される画素の構成を示す図。 選択部にヒューズを用いた構成の一例を示す図。 選択部にゲートトランジスタを用いた構成図。 Ｄフリップフロップにより受光素子を選択する構成の一例を示す図。 環境光の測定も可能な画素の構成を示す図。 複数の受光素子がマトリクス状に配置された画素の構成図。 水平方向の幅が垂直方向よりも絞られた測定光を用いる場合の受光領域の配置を示す図。 長方形セルの縦横比の表を示す図。 右端に長方形セルを構成した例を示す図。 長方形セルをずらして構成した例を示す図。 左右の端部と上下の端部に長方形セルを構成した例を示す図。 アナログ加算をする場合の距離測定装置の構成を示す構成図。 デジタル加算をする場合の距離測定装置の構成を示す構成図。 セルの位置と出力値の関係を示す図。 アナログ加算をする場合の第６実施形態に係る距離測定装置の構成図。 デジタル加算をする場合の第６実施形態に係る距離測定装置の構成図。 第７実施形態に係る距離測定装置の構成図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
本実施形態に係る光検出器は、並列に並ぶ受光素子の中から、予備照射した測定光を受光している受光素子を選択することで、測定に用いる受光領域と、測定対象物に反射された測定光の入射領域とを、一致させようとしたものである。より詳しく、以下に説明する。

図１に基づいて、測定に使用するセル１２の選択について説明する。図１は、第１実施形態に係る光検出器１が有する画素１０の構成例を示す図である。図１（ａ）は、長方形のセルを示す図であり、図１（ｂ）は、正方形のセル示す図である。光検出器１は、被測定物体により反射された測定光を受光領域で、光学系を介して検出する。光検出器１は、測定光を投光する投光器と組み合わせて使用される。この測定光は、微弱なレーザー光である。光検出器１は、例えば１００ｕｍ〜１ｍｍの幅で縦長の形状をしている。

光の往復時間は、光検出器１から被測定物体までの距離が長いほど長くなる。このため、投光器が光を出射したタイミングと反射された測定光が光検出器１で検出されたタイミングとの時間差を用いて、距離を測定できる。

画素１０は、測定対象から反射された測定光を検出する。この画素１０は、複数のセル１２を備えている。セル１２は、画素１０の基本構成である。このセル１２の受光領域は、図１（ａ）中に示す長方形の領域である。あるいは、図１（ｂ）中に示す正方形の領域である。セル１２の幅は、１０〜３０ｕｍ程度である。このように、ここでのセル１２は、並列に配置されている。また、セル１２は、受光領域に衝突した光子（フォトン）に応じて、電気信号を出力する。

光検出器１では、測定光の測定に入る前に、投光器が照射する測定光との調整が行われる。この調整は、例えば暗室内で、光検出器１から予め定められた距離に配置される基準対象物に、測定光を予備照射して行われる。図１中の楕円で示す領域が、予備照射した測定光の入射領域である。光学系を介して入射した測定光の入射領域は、光学系が変動しない限り、固定されている。

一方で、環境光などはあらゆる方向から光検出器１に入射してくる。このため、環境光は、全てのセル１２の受光領域に入射する可能性がある。

そこで、光検出器１は、図１の入射領域と重なる受光領域を有するセル１２を選択する。すなわち、光検出器１は、基準対象物から反射された測定光を検出したセル１２を、測定に用いるセル２として選択する。図１（ａ）では、左端から２番目のセル１２が選択されている。これにより、環境光を信号として誤検出する可能性を低減させている。なお、図１（ｂ）に示す様に、セル１２を複数選択してもよい。ここで、中央の画素１０では、”Ｙ”で示したセルが選択されている。或いは、単一のセル１２を選択してもよい。

次に図２に基づいて、第１実施形態に係る画素１０が有するセル１２の構成例を説明する。図２は、電流がアナログ加算される画素１０の構成を示す図である。この画素１０は、受光領域の異なる複数のセル１２を有している。セル１２は、受光素子１４と、抵抗１６と、選択部１８とを、備えて構成されている。これら複数のセル１２は、並列に接続されている。

受光素子１４は、受光領域に衝突した光子（フォトン）に応じて、電気信号を出力する。この電気信号は、例えば電流である。受光素子１４は、例えばフォトダイオードである。本実施形態で用いるフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photo Diode、以下、ＡＰＤ１４と呼ぶ場合がある）である。

ＡＰＤ１４は、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を上昇させた受光素子である。ここでは、ＡＰＤ１４をガイガーモードで使用する。ガイガーモードは、ＡＰＤ１４への印可電圧を降伏電圧付近とするモードであり、ガイガー放電により１万倍を超える大きな利得が得られる。また、ガイガーモードでは、ＡＰＤ１４に光子が入射すると一定のガイガー放電が起こる。

ガイガーモードで使用されるＡＰＤ１４は、一般に単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ： Single-Photon Avalanche Diode、以下ＳＰＡＤと呼ぶ）とよばれ、例えば２００ｎｍ〜１２００ｎｍまでの波長の光に感度を有する。すなわち、ＡＰＤ１４は、可視光から近赤外光まで感度を有する。

抵抗１６は、ＡＰＤ１４に直列に接続されている。この抵抗１６は、例えばクエンチ抵抗であり、ＡＰＤ１４のガイガー放電を停止させる。すなわち、ガイガー放電時に抵抗１６に電流が流れることにより、ＡＰＤ１４に印可されている電圧が絶縁破壊電圧以下に降下する。これにより、ＡＰＤ１４のガイガー放電が停止する。なお、ガイガー放電が停止したＡＰＤ１４は、不感時間（一
般に約数ｎ〜１００ｎ秒）が経過した後に再びガイガーモードで動作する。

選択部１８は、測定に使用するセル１２を選択する。選択部１８は、例えばゲートトランジスタである。選択部１８の詳細な構成は、図３乃至図６に基づいて後述する。なお、選択部１８をセル１２の外に配置して、一つの選択部１８で複数のセル１２の中から測定に使用するセルを選択するように構成してもよい。

加算部１３は、複数のセル１２が接続された結線部である。この加算部１３は、選択部１８で選択されたセル１２が出力する電気信号をアナログ加算する。これらのことから分かるように、選択部１８で選択された複数の受光素子１４に同時に光子が入射した場合、複数の受光素子１４が出力した電気信号は、加算部１３でアナログ加算され、画素１０から出力される。このアナログ加算された電気信号を測定することで、画素１０の受光領域、すなわち光検出器１の受光領域に入射した光子の数を検出可能である。

なお、光検出器１は、図１（ｂ）に示す通り、複数の画素１０で構成してもよい。或いは、光検出器１を、図１（ａ）に示す通り、単一の画素１０で構成してもよい。

次に、図３乃至６に基づいて、受光素子１４を選択する選択部の構成例について説明する。まず、図３に基づき、選択部２０を溶断することで受光素子１４を選択する構成例を説明する。図３は、選択部２０にヒューズを用いた構成の一例を示す図である。図２と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

画素１０が備えるセル１２は、受光素子１４と、抵抗１６と、選択部２０とを、有している。選択部２０は、受光素子１４に直列接続されている。選択部２０は、加熱されると溶断する。この選択部２０は、例えばヒューズである。

溶断された選択部２０に接続される受光素子１４には印可電圧がかからず、電気信号を出力しない。このように、使用しない受光素子１４の選択部２０を溶断することで、光の検出に用いる受光素子１４が選択される。この場合、受光素子１４の選択は、最初の調整時にのみ可能である。

次に、図４に基づき、画素１０の出力に用いる受光素子１４を電気的に選択する構成例を説明する。図４は、選択部２４にゲートトランジスタを用いた構成図である。図２と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

画素１０が備えるセル１２は、受光素子１４と、抵抗１６と、設定部２２と、選択部２４とを、有している。設定部２２は、選択部２４に接続されている。設定部２２は、例えばレジスタであり、入力信号に基づき、選択部２４に選択を示す選択信号を出力する。また、設定部２２は、入力信号を保持可能であり、入力信号を保持する場合、選択信号を継続的に出力する。

選択部２４は、例えばゲートトランジスタであり、受光素子１４に直列接続されている。選択部２４は、設定部２２に接続され、設定部２２からの選択信号に応じて受光素子１４を導通状態にする。一方で、選択信号が入力されていない選択部２４は遮断状態である。これにより、画素１０の出力に用いる受光素子１４を選択可能である。

これから分かるように、図４に示す画素１０は、画素１０の出力に用いる受光素子１４を電気的に選択可能である。すなわち、設定部２２が入力信号を保持することにより、画素１０の出力に用いる選択部２４の導通状態を維持する。一方で、設定部２２に入力信号が保持されていない場合には、選択部２４は、遮断状態を維持する。このように、画素１０の出力に用いる受光素子１４を動的に選択することが可能である。

次に、図５に基づき論理回路により受光素子１４を選択する例を説明する。図５は、Ｄフリップフロップにより受光素子１４を選択する構成の一例を示す図である。図２と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

画素１０は、複数のセル１２と加算部２６とを、有する。加算部２６は、入力されたデジタル信号を加算する。セル１２は、受光素子１４と、抵抗１６と、バッファ２８と、設定部３０と、遅延素子３１と、選択部３２とを、有している。バッファ２８は、直列に接続した２個のインバータを有している。バッファ２８の一端は、受光素子１４と抵抗１６との間に接続され、他端は、選択部３２に接続されている。

設定部３０は、選択部３２に接続されている。設定部３０は、例えばレジスタであり、入力信号に基づき接続される選択部３２に選択を示す論理値を出力する。また、設定部３０は、入力信号を保持可能である。この場合、選択を示す論理値を継続的に出力可能である。

選択部３２は、加算部２６とバッファ２８と設定部３０と遅延素子３１とに接続されている。選択部３２は、例えばＤフリップフロップであり、設定部３０とから選択を示す論理値が入力されると、バッファ２８から入力されたデジタル信号を加算部２６に出力する。

これから分かるように、選択部３２に、設定部３０とから選択を示す論理値が入力されることにより、デジタル信号が加算部２６で加算される。このように、設定部３０が入力信号を保持することにより、バッファ２８から出力されるデジタル信号の加算部２６への出力状態を、遅延素子３１の遅延時間だけ維持する。一方で、入力信号が設定部３０に保持されていない場合には、バッファ２８から出力されるデジタル信号は加算部２６へ出力されない。このように、画素１０の出力に用いる受光素子１４を動的に選択することが可能である。

次に、図６に基づき、環境光の測定も可能な画素１０の構成を説明する。図６は、環境光の測定も可能な画素１０の構成を示す図である。ここでの環境光は、測定光以外の光を意味する。例えば昼間の測定であれば、環境光は、主に太陽光である。すなわち、図６に示す画素１０は、受光素子１４と、抵抗１６と、第１選択部３４と、第２選択部３６と、設定部３８とを、備えて構成されている。図２と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

第１選択部３４は、抵抗１６と通常の画素における加算部との間に直列接続されている。また、第１選択部３４は、例えばゲートトランジスタであり、設定部３８に接続され、設定部３８からの選択信号に応じて受光素子１４を導通状態にする。一方で、選択信号が入力されていない第１選択部３４は遮断状態である。これにより、通常の画素の出力に用いる受光素子１４を選択可能である。

第２選択部３６は、抵抗１６と、環境光画素の加算部との間に直列接続されている。また、第２選択部３６は、例えばゲートトランジスタであり、設定部３８に接続され、設定部３８からの選択信号に応じて受光素子１４を導通状態にする。一方で、選択信号が入力されていない第２選択部３６は遮断状態である。これにより、環境光画素の出力に用いる受光素子１４を選択可能である。

設定部３８は、例えばレジスタであり、第１選択部３４と第２選択部３６とに接続されている。設定部３８は、入力信号に基づき第１選択部３４に選択を示す選択信号を出力する。一方で、第１選択部３４に出力される信号は、反転して第２選択部３６に出力される。すなわち、入力信号が設定部３８に保持されない場合、第２選択部３６に選択を示す選択信号が出力される。

これから分かるように、設定部３８は、第１選択部３４を導通状態にする場合に、第２選択部３６を遮断状態にする。逆に、第１選択部３４を遮断状態にする場合に、第２選択部３６を導通状態にする。

このように、図６に示す画素１０は、設定部３８に入力信号が保持されると、受光素子１４の出力は、通常の画素１０の加算部に出力される。一方で、レジスタ３８に入力信号が保持されないと、受光素子１４の出力は、環境光画素１０の加算部に出力される。なお、本実施形態において、加算部１３、２６が測定光の受光に応じて、選択部で選択された受光素子それぞれが出力する電気信号に基づく信号を出力する出力部に対応する。

以上のように本実施形態に係る光検出器１は、選択部１８、２０、２４、３２、３４、３６が受光領域の異なる複数の受光素子１４の中から、測定に用いる受光素子１４を選択することとした。これにより、測定光の入射領域と、光検出器１が測定に用いる受光領域とを一致するように重ねることが可能である。このため、光検出器１が測定に用いる受光領域に、環境光が入射することを低減できる。

また、設定部２２、３０、３８が、複数の受光素子１４の中から測定に用いる受光素子１４の設定を変更することとした。これにより、測定光の入射位置が変更されても、測定光の入射領域と、光検出器１が測定に用いる受光領域とを一致するように重ねることが可能である。

（変形例）
図７に基づいて、受光領域がマトリクス状に配置される画素１０の構成例を説明する。図７は、複数の受光素子１４がマトリクス状に配置された画素１０の構成図である。図１（ａ）に示す受光領域は並列に配置されているのに対し図７に示す受光領域はマトリクス状に配置されていることで相違する。

画素１０は、受光素子部４０と、フロントエンド部４２と、Ｄフリップフロップ３２と、加算部２６とを、有している。受光素子部４０は、受光領域の異なる複数の受光素子１４を有している。ここでは、１行あたり８個の受光素子１４が配列されている。なお、ここでの受光素子１４には、不図示の抵抗が直列に接続されている。

フロントエンド部４２は、複数の受光素子１４それぞれに対応するバッファ２８を有している。すなわち、４８個の受光素子１４と、４８個のバッファ２８とは、１対１に対応している。

バッファ２８は、一端が受光素子１４の端部に接続され、他端がＤフリップフロップ３２に接続されている。これにより、各バッファ２８は、対応する受光素子１４の出力に応じた電気信号を整形してデジタル信号として出力する。ここでの電気信号は、例えば電圧である。また、１行あたり８個の受光素子１４の出力が８重化して出力される。

Ｄフリップフロップ３２は、一端がバッファ２８に接続され、他端が加算部２６に接続されている。このＤフリップフロップ３２は、４８重化されており、４８個のＤフリップフロップ３２と、４８個のバッファ２８とは、１対１に対応している。

加算部２６は、４８個の多重化されたＤフリップフロップ３２のそれぞれの出力を加算する。これらのことから分かるように、複数の受光素子１４に同時に光子が入射した場合、複数の受光素子１４が出力する電気信号に応じたデジタル信号は加算され、画素１０から加算値として出力される。この加算値に基づき、画素１０の受光領域、すなわち光検出器１の受光領域に入射した光子の数を検出可能である。

（第２実施形態）
本実施形態に係る光検出器は、画素の端部に長方形セルを配置することで、画素の端部も測定光の検出に用いようとしたものである。

図８乃至１２に基づいて、一方向の幅が他方向の幅よりも絞られた測定光を用いる場合の受光素子１４の受光領域を説明する。この受光領域は、上述した図２乃至図７で示した受光素子１４の受光領域の一例である。

上述のように、ノイズとなる環境光の受光を極力少なくするために、画素１０の入射領域の一方向については視野角を絞る必要がある。この場合、視野角を絞った一方向にのみ、精度の高い調整が求められる。ここでの視野角とは、画素１０における入射領域の範囲を、受光光学系の角度で表したものである。セルは、その受光領域の全体が、入射領域と出来るだけ一致する様に、選択される。

図８乃至１２に基づいて、一方の幅が絞られた測定光を用いる場合の受光素子１４の受光領域を説明する。図８は、水平方向の幅が垂直方向よりも絞られた測定光を用いる場合の受光領域の配置を示す図である。ここで、各四角形の領域は、外側の四角形ｏｕｔが１つのセル１２の範囲を示している。内側の四角形ｉｎがセル１２の受光領域、すなわちこのセルが有する受光素子１４の受光領域を示している。

また、図８乃至１２において、正方形セルを１２０で、長方形セルを１２２で示している。また、ここでは、正方形セルの一部と長方形セルの一部に番号を付している。

例えば、図８の中央部の１５０ｕｍの幅の画素１０領域を、一辺が３０ｕｍの正方形セル１２０で実現した場合、５個のセル１２が横に配置される。また、例えば一辺が２５ｕｍの正方形セル１２０ならば、６個のセルが横に配置される。

ここで、四角形ｏｕｔで示すセルの全領域が受光領域として機能する訳ではなく、四角形ｉｎで示す領域がセンサの受光領域として機能する。この外側の四角形ｏｕｔと内側の四角形ｉｎとの面積比を開口率と呼ぶ。同じ面積の正方形セルと長方形セルが有った場合、正方形セルの方が開口率は高い。

例えば水平方向に絞った測定光を用いる場合、セルの受光領域全体の視野角は、測定光に合わせ、水平方向の視野角が垂直方向の視野角よりも絞られる。その場合、等方性の受光光学系、あるいは異方性の強くない受光光学系を想定すると、前記入射領域も水平方向の長さが垂直方向のそれより長くなる。通常、等方性の光学系が用いられ、また、異方性の強い光学系は高価あるいはサイズが大きくなる。従って、一般に、水平方向の長さが垂直方向のそれより長くなる入射領域となる。その入射領域に、セルの受光領域全体をより精度良く一致させるためには、図８の１２２に示した様な、水平方向に狭い受光領域が、望ましい。更に、受光領域を長方形にして、縦に長くすることにより、開口部の面積を正方形セルと同等に維持可能である。

各セルの開口部の面積、すなわちセルの受光領域の面積は、揃っていることが望ましい。面積が揃っている場合は、画素１０の出力、すなわち前記加算部の出力は、受光量が少ない場合に、受光するフォトンの数、すなわち光の照射量に比例し、そのためのセンサとして使用できる。面積が揃っていない場合は、光の照射量に比例しないため、センサとして使用できない。

一般に、入射領域は画素１０の概ね中央に位置することが期待され、中央部に位置するセルは、選択すべき場合が多い。一方、画素１０の左右に位置する端部領域に位置するセルは、製品個々における光学系の設置具合により、選択すべき場合と、そうでない場合がある。従って、中央部には、開口率の高い正方形セル１２０を配置し、端部領域には、より精度良く調整可能な長方形セル１２２を配置している。

また、画素１０の端部には、正方形セル１２０を配置する幅がとれない場合がある。この場合にも、画素１０の端部領域を有効に活用するため、端部領域のセルの受光領域を長方形にすることが望ましい。

一般的には、正方形セル１２０と長方形セル１２２の面積を同等にするためには、Ｚ＝（２ＸＹ−４Ｘ＋１）／（Ｙ−２Ｘ）なる式を演算すればよい。ここで、Ｚは、正方形セル１２０の一辺の幅に対する長方形セル１２２の横幅の比率を示し、Ｘは、正方形セル１２０の一辺の幅に対する額縁の幅の比率を示し、Ｙは、正方形セル１２０の一辺の幅に対する長方形セル１２２の縦幅の比率を示している。なお、Ｙは、整数であることが望ましい。

これは、（１−２Ｘ）（１−２Ｘ）＝（Ｙ−２Ｘ）（Ｚ−２Ｘ）なる式を、長方形セル１２２の横幅の比率Ｚについて解いたものである。左辺は、正方形セル１２０の受光領域を示している。また、右辺は、縦の長さが正方形セル１２０のＹ倍、幅が正方形セル１２０のＺ倍の長方形セル１２２の受光領域を示している。例えば、正方形セル１２０の一辺の幅に対する額縁の幅の比率Ｘが１／６の場合、正方形セル１２０の一辺の幅に対する長方形セル１２２の縦幅の比率Ｙが３、正方形セル１２０の一辺の幅に対する長方形セル１２２の横幅の比率Ｚが１／２であると、両者の開口率が等しくなる。この場合、長方形セル１２２の縦横比は６である。

また、例えば額縁の幅の比率Ｘが０．１、縦幅の比率Ｙが２の場合、横幅の比率Ｚが１／１．８≒０．５６となる。この場合、縦横比は、３．６である。

またさらに、額縁の幅の比率Ｘが０．３、縦幅の比率Ｙが２の場合、横幅の比率Ｚが１／１．４≒０．７１となる。この場合、縦横比は、２．８である。

図９は、長方形セル１２２の縦横比の表を示す図である。ここでは、左端の行が額縁の幅の比率Ｘ、上端の列が縦幅の比率Ｙを示す。この図９に示すように、縦横比は、（Ｙ−２Ｘ）Ｙ／（２ＸＹ−４Ｘ＋１）なる式で計算され、０≦Ｘ≦０．５、Ｙ≧２（整数）、ならば縦横比が２以上となる。なお、前述の通り、各セル１２の受光領域の面積を揃えると、受光素子１４の出力が、統計的に光の照射の強さに比例する関係になる。このため、本実施形態では、各セル１２の受光領域の面積は揃えられている。

なお、一方向の位置調整の調整幅をより拡大させたい場合には、全セルを長方形セル１２２で構成してもよい。或いは、長方形セル１２２の割合を増やしてもよい。また、例えば、正方形セル１２０の一辺の幅が例えば２０ｕｍで、なおかつ位置調整を１０ｕｍで行いたい場合がある。このような場合、一辺の幅が例えば１０ｕｍの長方形セル１２２を調整用セルに用いることで位置調整の精度を上げることが可能である。

図１０は、右端に長方形セル１２２を構成した例を示す図である。例えば端部面積が小さい場合には、一方の端部にのみ長方形セル１２２を構成してもよい。図１０では、長方形セル１２２を２列に配置しているが、長方形セル１２２を一列に配置してもよい。

図１１は、長方形セル１２２をずらして構成した例を示す図である。例えば測定光が傾いて照射される場合、長方形セル１２２をずらして構成する。これにより、精度よく調整可能である。

図１２は、左右の端部と上下の端部に長方形セル１２２を構成した例を示す図である。このような構成をとることで、水平方向と垂直方向の両方に幅を絞った測定光、あるいは、２種類の測定光の測定が可能である。後者の場合、すなわち、水平方向の幅を垂直方向の幅よりも絞った測定光、及び垂直方向の幅を水平方向の幅よりも絞った測定光のいずれも測定可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る光検出器１は、画素１０の端部に長方形セル１２２を配置することとした。これにより、入射領域に、セルの受光領域全体をより精度良く一致させることが出来る。重ねて、各セルの開口部の面積、すなわちセルの受光領域の面積を揃えることが出来、光の照射量をセンシングすることが可能になる。

（第３実施形態）
本実施形態に係る距離測定装置は、光検出器の受光領域に照射される測定光に基づいて、画素の出力に用いる受光素子を自動的に選択しようとしたものである。

図１３に基づき、測定に用いる受光素子１４を選択可能な距離測定装置１００を説明する。図１３は、アナログ加算をする場合の距離測定装置１００の構成を示す構成図である。この図１３に示すように、距離測定装置１００は、画素１０と、判定部４８とを、備えて構成される。ここでの画素１０は、例えば図４で説明した画素１０の例である。図４で説明した構成と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

再び図１３に示すように、画素１０は、設定部２２と、複数のセル５０と、加算部１３とを備えて構成されている。セル５０は、選択部２４と、受光部５２とを有している。受光部５２は、図４に示す受光素子１４と、抵抗１６とを有している。再び図１３に戻り、判定部４８は、加算部１３から出力される電気信号の大きさの大小関係を判定し、画素１０の出力に用いるセル５０、すなわち受光素子１４を選択する。

ここで、複数のセル５０には、設定処理を行う順序を示す通し番号が予め設定されている。画素１０の受光領域上の測定光の範囲は連続している。このため、測定光の範囲が、連続的になるようにセル５０の番号が設定されている。例えば、最も右に位置するセル５０をセル１とし、その左隣をセル２、という様に右から左に番号を付けてもよい。

次に、設定処理の一例を説明する。ここでは、設定用の測定光が暗室の中で照射されている状態で、Ｎ個のセル５０の中からＭ個（Ｍ≦Ｎ）のセル５０を選択する場合について説明する。

まず、設定部２２は、設定処理の開始信号を判定部４８から受け、セル５０の番号１からＭの選択部２４に選択を示す信号を出力する。また、判定部４８は、判定値の初期値として０を記憶する。続いて、測定光を照射し、加算部１３は、選択されたセル５０の出力を加算する。さらに続いて、判定部４８は、加算部１３の出力値が、判定値より大きい場合は１を、そうでない場合に０を出力する。また、判定部４８は、加算部１３の出力値が、判定値より大きい場合、判定値を加算部１３の出力値に置き換えると共に、その際のセル５０の通し番号を記憶する。

次に、設定部２２は、判定部４８の指示に従い、セル５０の番号２からＭ＋１の選択部２４に選択を示す信号を出力する。続いて、測定光を同一条件で照射し、加算部１３は、選択されたセル５０の出力を加算する。上述と同様に、判定部４８は、加算部１３の出力値が、判定値より大きい場合は１を、そうでない場合に０を出力する。また、判定部４８は、加算部１３の出力値が、判定値より大きい場合、判定値を加算部１３の出力値に置き換える。

このような処理を、セル５０の番号がＮ−Ｍ＋１からＮになるまで繰り返す。そして、最終的に、判定部４８に記憶されるセル５０の通し番号に対応するセル５０（通し番号から通し番号＋Ｍ−１のセル５０）を、測定時に用いる。

これらのことから分かる様に、加算値の出力値が最大値を示すＭ個のセル５０が選択される。この場合、セル５０の通し番号はセル５０の連続性を考慮して設定されているので、連続した受光領域を設定可能である。

図１４は、デジタル加算をする場合の距離測定装置１００の構成を示す構成図である。ここでの画素１０は、例えば図５で説明した画素１０の例である。ここでの、受光部５６は、図５に示す受光素子１４と、抵抗１６と、バッファ２８とを有している。図５で説明した構成と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

再び図１４に戻り、判定部４８は、加算部２６から出力される電気信号の大きさの大小関係を判定し、画素１０の出力に用いるセル５４を選択する。この処理は、図１３で説明した処理と同様であるので、ここでの説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態に係る距離測定装置１００は、判定部４８が、組み合わせを変えたＭ個のセル５０、５４のそれぞれの加算値の大小関係を判定し、最大値を示した組み合わせのセル５０、５４を選択することとした。これにより、光検出器１において測定光の測定に用いる受光領域と、対象物から反射された測定光の入射領域との重なりをより一致させることが可能である。

（第４実施形態）
本実施形態では、光検出器の各セルの出力値に基づく半値幅、又は１／ｅ^２値幅の中心部に位置するセルの受光素子を、画素の出力に用いる受光素子として選択しようとしたものである。

構成は図１３と同等であるので、構成の説明は省略する。ここでは、測定光の水平方向の幅が、垂直方向の幅よりも絞られている場合について、図１３及び図１５を参照にしつつ説明する。

図１５は、セル５０の位置と出力値の関係を示す図である。横軸はセル５０の通し番号を現し、縦軸は通し番号に対応する加算値の出力値を現表している（通し番号から通し番号＋Ｍ−１のセル５０の出力値の加算値を表している）。図１５（ａ）は、半値幅と、半値幅の中心部のセル５０とを示している。図１５（ｂ）は、１／ｅ^２値幅と、１／ｅ^２値幅の中心部のセル５０とを示している。図１５（ｃ）は、測定光の状態が図１５（ａ）よりも悪い場合の処理結果例を示している。

まず、図１３と図１５（ａ）とを参照にしつつ、半値幅の中心部のセル５０の受光素子を選択する処理の流れを説明する。ここでは、セル５０の中から画素１０の出力に用いるセル５０を選択する場合について説明する。

本実施形態では、判定部４８は、２つの動作モードを有す。第１の動作モードでは、第３実施形態と同じく、判定部４８は、判定値の初期値として０を記憶する。さらに、第３実施形態と同じく、判定部４８は、加算部１３の出力値が、判定値より大きい場合は１を、そうでない場合に０を出力する。また、判定部４８は、加算部１３の出力値が、判定値より大きい場合、判定値を加算部１３の出力値に置き換えると共に、その際のセル５０の通し番号を記憶する。第２の動作モードでは、判定値の初期値として、直前の値の半分の値を記憶する。さらに、判定部４８は、加算部１３の出力値が、判定値より大きい場合は１を、そうでない場合に０を出力する。但し、加算部１３の出力値が、判定値より大きい場合に、第１のモードと異なり、判定値を変更しない。また、初めて１の出力をした場合のセル５０の通し番号と、最後に１を出力した場合のセルの通し番号を記憶する。前者を第１の通し番号、後者を第２の通し番号と呼ぶ。

まず、判定部４８を第１のモードに設定して、第３実施形態と同じく、設定処理を行う。この場合、第３実施形態と同じく、加算値が最大値を示した組合せのセル５０が選択され、判定値にはこの最大値が記憶されている。続いて、判定部４８を第２のモードに設定して、設定処理を行う。この場合、まず、判定値の初期値として、先の最大値の半分の値、すなわち半値が記憶され、この判定値は設定処理の間に変更されることは無い。設定処理の後、第１の通し番号と第２の通し番号には、加算値が初めて半値を超えた場合の通し番号（図１５（ａ）の２の横軸値、Ｎ１とする）と、加算値が最後に半値を超えた場合の通し番号（図１５（ａ）の３の横軸値、Ｎ２とする）が記憶される。最後に、第１の通し番号と第２の通し番号の加算平均（例えば、（Ｎ１＋Ｎ２）／２の小数点以下切り捨て値）を求め、その通し番号と通し番号＋Ｍ−１のセル５０を選択する。この選択は、いわゆる半値全幅の場合に該当する。

半値幅を用いてセル５０を選択すると、例えば測定光と画素１０の受光領域の距離が測定系の焦点からずれ、測定光がぼけている場合にも、セル５０の選択精度の低下が抑制可能である。例えば、図１６（ｃ）の場合、ぼけにより、山のピークが扁平になり、鮮明でない。第３実施形態の場合は、最大値をとる場合のセルが選択され、山に対して右寄りとなる可能性がある。本実施形態の場合は、山のほぼ中央に該当する、セル選択がなされる。

（変形例）
次に、図１３と図１５（ｂ）とを参照にしつつ、１／ｅ２値幅の中心部のセル５０を選択する処理の流れを説明する。図１４（ｂ）に示すように、セル５０の出力値の１／ｅ２値幅を求め、１／ｅ２値幅の中心部のセル５０を選択する。

先の実施例では、第２の動作モードにて、判定値の初期値として、直前の値の半分の値を記憶した。本変形例では、第２の動作モードにて、判定値の初期値として、直前の値の１／ｅ２値を記憶する。

より具体的には、まず、判定部４８を第１のモードに設定して、第３実施形態と同じく、設定処理を行う。この場合、第３実施形態と同じく、加算値が最大値を示した組合せのセル５０が選択され、判定値にはこの最大値が記憶されている。続いて、判定部４８を第２のモードに設定して、設定処理を行う。この場合、まず、判定値の初期値として、先の最大値の１／ｅ２の値、すなわち１／ｅ２値が記憶され、この判定値は設定処理の間に変更されることは無い。設定処理の後、第１の通し番号と第２の通し番号には、加算値が初めて１／ｅ２値を超えた場合の通し番号（図１５（ａ）の２の横軸値、Ｎ１とする）と、加算値が最後に１／ｅ２値を超えた場合の通し番号（図１５（ａ）の３の横軸値、Ｎ２とする）が記憶される。最後に、第１の通し番号と第２の通し番号の加算平均（例えば、（Ｎ１＋Ｎ２）／２の小数点以下切り捨て値）を求め、その通し番号と通し番号＋Ｍ−１のセル５０を選択する。

例えば、図１６（ｃ）の場合、ぼけにより、山のピークが扁平になり、鮮明でない。第３実施形態の場合は、最大値をとる場合のセルが選択され、山に対して右寄りとなる可能性がある。本実施形態の場合は、山のほぼ中央に該当する、セル選択がなされる。

以上説明したように、本実施形態に係る距離測定装置１００は、判定部４８が、各行毎に、光検出器１の各セル５０の出力値に基づく半値幅、又は１／ｅ^２値幅の中心部に位置するセル５０を選択することとした。これにより、対象物から反射された測定光の入射領域のほぼ中心部に位置するセル５０、すなわち受光素子１４を選択可能である。また、測定光がぼけている場合にも、セル５０の選択精度の低下が抑制される。

（第５実施形態）
本実施形態に係る受光素子の選択は、選択される受光素子の数Ｍが可変であることで第３実施形態と相違する。以下に、第３実施形態と相違する部分を説明する。構成は図１３と同等であるので、構成の説明は省略する。

判定部４８は、セル５０、すなわち受光素子１４の選択数を１〜Ｎまで変更して第３実施形態と同等の処理を行う。この場合、判定値には、最大値の代わりに、加算部１３で得られる加算値をセル５０の選択数で除算した平均受光量が用いられる。これにより、セル５０当りの平均受光量が大きくなる様にセル５０が選択される。

この方法では、信号の他に、ノイズとなる環境光が一様に受光される場合、よりＳ／Ｎが高い組み合わせが得られる。つまり、耐環境光性能が向上するように、セル５０の選択を行うことが可能である。なお、セル５０における選択数の下限値を設けない場合には、最大値近傍のセル５０に選択が集中する場合があるので、セル５０における選択数の下限値を予め定めておいてもよい。

また、環境光が少ない場合は、セル５０の選択数の下限値を上げることで、よりＳ／Ｎを改善可能である。そこで、この場合には、環境光が一様に受光される場合の設定より、規定の数だけ選択するセル５０数を増やしてもよい。あるいは、受光量の総計が飽和するまでセル５０数を増やす様に、セル５０を選択してもよい。

以上説明したように、本実施形態では、判定部４８で選択するセル５０、すなわち受光素子１４の選択数を可変にすることとした。これにより、平均受光量の多くなるセル５０、すなわち受光素子１４の組み合わせを選択することが可能である。

（第６実施形態）
本実施形態は、画素の左側の受光領域と右側の受光領域とに分けられたセル、すなわち受光素子をそれぞれ並行して選択することで処理速度を向上しようとしたものである。以下に、第３実施形態と相違する部分を説明する。

図１６に基づいて、画素１０の左側の受光領域と右側の受光領域に分けセル５０を選択する場合について説明する。図１６は、アナログ加算をする場合の第６実施形態に係る距離測定装置１００の構成図を示している。この図１６に示すように、設定部２２が画素１０の左側の受光領域と右側の受光領域とに分けられたセル５０、すなわち受光素子１４を選択することで第３実施形態と相違する。

セル５０の数が固定的な場合、設定部は、右側の領域と左側の領域とについて同期して選択を一方向に（右又は左に）シフトさせる。例えば、右側にシフトさせる場合には、左側の受光領域では左端のセル５０から順に選択され、右側の受光領域では中央部のセル５０から順に選択される。

一方、セル５０の数が可変の場合は、右側の領域と左側の領域を逆方向に選択する。これにより、出力が増大あるいは減少の一方向に変化し、判断性能の向上が可能である。

図１７は、デジタル加算をする場合の第６実施形態に係る距離測定装置１００の構成図を示している。図１７は、図１６と同様の処理を行うので、その処理の説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態では、画素１０の左側の受光領域と右側の受光領域に分けセル５０、４３を選択することとした。これにより処理速度を上げることが可能である。

（第７実施形態）
本実施形態は、設定用の測定光を投光器から複数回照射することで、セル、すなわち受光素子の選択精度より向上させようとしたものである。

図１８に基づいて、測定光を複数回照射する場合の調整用セル５８の選択を説明する。図１８は、第７実施形態に係る距離測定装置１００の構成図である。この図１８に示すように、第７実施形態に係る距離測定装置１００は、光検出器１と、計測回路２と、パルス発信器３と、投光器４とを、備えて構成される。

光検出器１は、測定光に応じた信号を出力する。すなわち、光検出器１は、画素１０と、増幅部６２とを有している。画素１０は、加算部１３と、設定部２２と、選択部２４と、複数の調整用セル５８と、複数の固定セル６０とを、有している。図１３で示した光検出器１とは、画素１０が複数の固定セル６０及び増幅部６２を有することで相違する。図１２で示した光検出器１と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

調整用セル５８は、測定時に選択して使用されるセルである。すなわち、測定時に使用されるセル、すなわち受光素子が、これらの中から選択される。

固定セル６０は、予め測定用に選択されたセルである。これらの固定セル６０は、常に測定に用いられる。

加算部１３は、選択された調整用セル５８それぞれの出力電流と、固定セル６０それぞれの出力電流をアナログ加算する。増幅部６２は、加算部１３の出力を増幅する。

計測回路部２は、パルス発信器３を制御すると共に、測定に用いるセルを調整用セル５８の中から選択する。より具体的には、計測回路部２は、判定部４８と、増幅部６４と、アナログデジタル変換部（ＡＤＣ）６６と、積算器６８と、を備えて構成される。

判定部４８は、積算器６８から出力される信号値の大小関係を判定し、調整用セル５８の中から画素１０の出力に用いるセルを選択する。この判定部４８は、ＣＰＵ７０及びメモリ７２で構成されている。

増幅部６４は、光検出器１から入力された電気信号を増幅する。アナログデジタル変換部６６は、増幅部６４の出力信号をデジタル値に変換する。積算器６８は、アナログデジタル変換部６６が出力するデジタル値を加算する。

パルス発信器３は、判定部４８の制御に従い、パルスを投光器４に出力する。投光器４は、パルス発信器３からの入力に応じてレーザー光を出射する。

次に、調整用セル５８の選択動作の一例を説明する。ここでは、設定用の測定光が暗室の中で照射されている状態で、Ｎ個の調整用セル５８の中からＭ個（Ｍ≦Ｎ）のセルを選択する場合について説明する。

第３実施形態では、選択対象のＭ個のセル５０に測定光を１回照射した。これに対し、本実施形態では選択対象のＭ個の調整用セル５８に測定光を複数回照射する。これにより、複数回分の出力信号が積算されることで、第３実施形態と相違する。

より具体的には、まず、設定部２２は、調整用セル５８の番号１からＭの選択部３０に選択を示す信号を出力する。積算器６８は、選択部２４が調整用セル５８を新たに選択すると、積算値を０にする。

続いて、加算部１３は、測定光の照射に応じて、選択された調整用セル５８及び固定セル６０のそれぞれが出力する電気信号を加算する。さらに続いて、積算器６８は、増幅部６４で増幅され、アナログデジタル変換部６６でデジタル信号に変換されたデジタル信号を積算する。このような測定光の照射及び処理をＪ回行う。Ｊは、予め定められた２以上の整数である。すなわち、積算器６８には、番号１からＭのセル１２の出力信号に応じたデジタル信号が、Ｊ回分積算される。そして、判定部４８は、Ｊ回分の測定が終了した際の積算器６８の積算値と、選択された調整用セル５８の通し番号とを関連づけて記憶する。

次に、選択部２４の選択を、調整用セル５８の番号２からＭ＋１のレジスタ２２に変更し上述と同様の処理を行う。このような処理を、調整用セル５８の番号がＮ−Ｍ＋１からＮになるまで繰り返す。そして、判定部４８は、記憶された積算値の中の最大値を選択し、この最大値に関連づけられた調整用セル５８の通し番号に対応するセルを測定時に用いる。本実施形態では、Ｊ回分の測定結果を積算あるいは平均化することにより、ノイズの影響が低減され、調整用セル５８の選択精度をより向上可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る距離測定装置１００は、判定部４８が、組み合わせを変えたＭ個の調整用セル５８のそれぞれにＪ回の測定光を照射することで得た積算値の大小関係を判定し、積算値が最大値を示した組み合わせの調整用セル５８を選択することとした。これにより、ノイズの影響が低減され、光検出器１において測定光の測定に用いる受光領域と、対象物から反射された測定光の入射領域との位置関係をより高精度に調整可能である。

１：光検出器、１０：画素、１２：セル、１４：受光素子、２２：設定部、２４：アース加算部、２６、３０：選択部、３２：設定部、３４：第１選択部、３６：第２選択部、３８：レジスタ、４８：判定部、５０、５４：セル、５８：調整用セル、６０：固定セル、１００：距離測定装置

Claims (5)

1. 受光領域の異なる複数の受光素子であって、それぞれが、前記受光領域で受光した光を電気信号に変換する複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子の中から、測定光の測定に用いる受光領域を形成する受光素子を選択する選択部と、
   前記測定光の受光に応じて、前記選択部で選択された受光素子それぞれが出力する電気信号に基づく信号を出力する出力部と、
   を備える光検出器。
2. 前記選択部は、前記複数の受光素子の受光領域に入射する前記測定光の強さに応じて、前記受光素子を選択する請求項１に記載の光検出器。
3. 前記受光素子は、アバランジェフォトダイオード、及びフォトダイオードの内の少なくともいずれかで構成される光電変換素子である請求項１又は２に記載の光検出器。
4. 受光領域の異なる複数の受光素子であって、それぞれが、前記受光領域で受光した光を電気信号に変換する複数の受光素子と、
   前記受光領域の異なる複数の受光素子の中から、測定光の測定に使用する受光素子を判定する判定部と、
   前記判定に基づき、前記複数の受光素子の中から前記測定光の受光領域を形成する受光素子を設定する設定部と、
   前記設定部の設定にしたがい、前記複数の受光素子の中から受光素子を選択する選択部と、
   前記測定光の受光に応じて、前記選択部で選択された受光素子それぞれが出力する電気信号に基づく信号を出力する出力部と、
   を備える距離測定装置。
5. 受光領域の形状が異なる複数の受光素子であって、それぞれが、前記受光領域で受光した光を電気信号に変換する複数の受光素子と、
   測定光の受光に応じて、前記複数の受光素子それぞれが出力する電気信号に基づく信号を出力する出力部と、
   を備える光検出器。

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