JP2019158736A - 光検出装置、光検出方法および光学式測距センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光学式測距センサにおける光検出を精度良く行う。【解決手段】光検出装置（１）は、検出開始タイミングに応じて入射する光を検出する。光検出装置は、複数の受光素子（１０ａ〜１０ｃ）と、信号合成回路（１３）と、検出回路（３）と、少なくとも１つの時間計測回路（４）とを備える。複数の受光素子は、光を受光して、受光結果を示す出力信号（Ｓａ〜Ｓｃ）をそれぞれ生成する。信号合成回路は、各受光素子からの複数の出力信号を合計して、合成信号（Ｓ１）を生成する。検出回路は、合成信号が検出開始タイミング後において最大となるタイミングを検出して、検出されたタイミングを示す検出信号（Ｓ２）を生成する。時間計測回路は、検出信号に基づいて、検出開始タイミングと検出されたタイミングとの間の測定期間（Ｔ３）を計測する。【選択図】図３

Description

本開示は、光検出装置および光検出方法、並びに光検出装置を備えた光学式測距センサに関する。

光の飛行時間（ＴＯＦ）を利用する光学式測距センサが知られている。光学式測距センサは、光を物体に照射し、物体で反射した光を検出することで、物体までを往復する光の飛行時間に対応する距離を測定する。光学式測距センサでは、ＳＰＡＤ（単一光子アバランシェフォトダイオード）を光検出に用いる技術が提案されている（例えば特許文献１，２）。

特許文献１は、受光部において複数のＳＰＡＤを備えた測距装置を開示している。特許文献１の測距装置は、複数のＳＰＡＤから出力される電気パルスの合計を示す合計信号が所定のしきい値を超え、且つ合計信号の立ち上がりの傾きが所定の傾斜しきい値を超える場合に、測定パルスが検出されたと判定している。

特許文献２は、光学測距装置において複数のＳＰＡＤを備えた光検出器を開示している。特許文献２の光検出器は、複数のＳＰＡＤから出力される矩形パルスを加算し、加算した出力値と所定の基準値とを比較して、比較結果に応じてトリガ信号を出力している。

米国特許第２０１５／０１７７３６９号明細書 特許第５６４４２９４号公報

ＳＰＡＤは、１つの光子にも反応するが当該反応は確率的なため、合計した信号の立ち上がりは、受光した光子数が多いほど急峻で、少ないほど緩やかになる。よって、例えば特許文献１の測距装置は、傾斜しきい値を大きく設定すると光子数が少ない場合に光検出を行えず、小さく設定すると外乱光を誤検出してしまう。このように、従来技術においては、光学式測距センサにおける光検出を精度良く行うことが困難であった。

本開示の目的は、光学式測距センサにおける光検出を精度良く行うことができる光検出装置、光検出方法および光学式測距センサを提供することにある。

本開示に係る光検出装置は、検出開始タイミングに応じて入射する光を検出する。光検出装置は、複数の受光素子と、信号合成回路と、検出回路と、少なくとも１つの時間計測回路とを備える。複数の受光素子は、光を受光して、受光結果を示す出力信号をそれぞれ生成する。信号合成回路は、各受光素子からの複数の出力信号を合計して、合成信号を生成する。検出回路は、合成信号が検出開始タイミング後において最大となるタイミングを検出して、検出されたタイミングを示す検出信号を生成する。時間計測回路は、検出信号に基づいて、検出開始タイミングと検出されたタイミングとの間の測定期間を計測する。

本開示に係る光検出方法は、光検出装置が検出開始タイミングに応じて入射する光を検出する方法を提供する。

本開示に係る光学式測距センサは、光を投光する投光部と、光検出装置とを備える。光検出装置の時間計測回路は、前記投光部が光を投光するタイミングを前記検出開始タイミングに用いて、前記測定期間を計測する。

本開示に係る光検出装置、光検出方法および光学式測距センサによると、光学式測距センサにおける光検出を精度良く行うことができる。

本開示に係る光検出装置の適用例を説明するための図 実施形態１に係る光学式測距センサの構成を示すブロック図 実施形態１に係る光検出装置の構成を示すブロック図 光検出装置における最大値保持回路の構成例を示す回路図 光検出装置における合成信号の合成方法を説明するためのタイミングチャート 実施形態１に係る光検出装置の動作を例示するタイミングチャート 実施形態２に係る光検出装置の構成を示すブロック図 実施形態２に係る光検出装置の動作を例示するタイミングチャート 実施形態３に係る光検出装置の構成を示すブロック図 実施形態３に係る光検出装置の動作を例示するタイミングチャート 光検出装置における検出回路の変形例を示す回路図

以下、添付の図面を参照して本開示に係る光検出装置、光検出方法及び光学式測距センサの実施の形態を説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

（適用例）
本開示に係る光検出装置が適用可能な一例について、図１を用いて説明する。図１は、本開示に係る光検出装置１の適用例を説明するための図である。

本開示に係る光検出装置１は、ＴＯＦ型の光学式測距センサ２に適用される。光学式測距センサ２は、例えば図１に示すように、パルス光を外部に投光する投光部２０を備える。光検出装置１は、光学式測距センサ２において外部から光を受光する受光部を構成する。

本開示に係る光学式測距センサ２は、例えば工業自動化の用途の光電センサ等に適用可能である。光学式測距センサ２は、光検出装置１を用いて投光部２０から投光したパルス光の反射光を検出することにより、光の飛行時間に基づいて、光を反射した物体までの距離を測定する。光学式測距センサ２によると、物体が特定の位置に在るか否かの検知等を行える。

本適用例では、光学式測距センサ２における光検出の高感度化等の観点から、光検出装置１においてＳＰＡＤを受光素子として用いる。ＳＰＡＤは、１光子の入射でも出力が得られる程の高感度であるため、外乱光にも敏感である。本適用例では、光検出装置１におけるＳＰＡＤの出力の信号処理によって、外乱光に耐性を有する高精度の光検出を実現し、光学式測距センサ２の測距精度を良くする。

（構成例）
以下、光検出装置１及び光学式測距センサ２の構成例としての実施形態を説明する。

（実施形態１）
実施形態１では、光子を検出したＳＰＡＤの個数が最大となるタイミングを検出する光検出装置１及び光学式測距センサ２について説明する。

１．構成
実施形態１に係る光学式測距センサ２及び光検出装置１の構成を以下に説明する。

１−１．光学式測距センサの構成
本実施形態に係る光学式測距センサ２の構成について、図２を参照して説明する。図２は、光学式測距センサ２の構成を示すブロック図である。

光学式測距センサ２は、例えば図２に示すように、投光部２０と、制御部２５と、光検出装置１とを備える。投光部２０は、例えば、光源２１と、光源駆動部２２とを備える。

投光部２０において、光源２１は、例えばＬＤ（半導体レーザ）又はＬＥＤを含む。光源２１は、例えば可視光や近赤外光などの光を発光する。光源駆動部２２は、光源２１の発光を駆動する回路である。光源駆動部２２は、制御部２５によって制御されるタイミングにおいて、光源２１にパルス状の光、即ちパルス光を照射させる。パルス光は、例えば数ナノ秒〜数十ナノ秒などのパルス幅を有する。

制御部２５は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を含み、各構成要素の制御を行う。例えば、制御部２５は、光学式測距センサ２の全体動作を制御するように、種々の制御信号を生成する。

光検出装置１は、例えば図２に示すように、ＳＰＡＤアレイ１０と、信号処理部１１と、測距部１２とを備える。光検出装置１は、例えばＳＰＡＤアレイ１０又は信号処理部１１において、ＳＰＡＤが入射する光に反応して発生させる電気信号を増幅する増幅器、及びＳＰＡＤの駆動回路などを含む。

ＳＰＡＤアレイ１０は、複数のＳＰＡＤをアレイ状に配置して構成される。ＳＰＡＤアレイ１０の各ＳＰＡＤは、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）をガイガーモードで動作させることにより実現される。

信号処理部１１は、ＳＰＡＤアレイ１０から出力される出力信号に基づいて、光検出装置１の検出対象とする光が到達するタイミングを検出するための信号処理を行う。測距部１２は、信号処理部１１の信号処理結果に基づいて、光の飛行時間に応じた距離を示す距離値を算出する。光検出装置１の構成の詳細について、以下説明する。

１−２．光検出装置の構成
実施形態１に係る光検出装置１の構成例について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態に係る光検出装置１の構成を示すブロック図である。

本実施形態の光検出装置１は、図３に示すように、ＳＰＡＤアレイ１０を構成する複数のＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃと、信号処理部１１を構成する信号合成回路１３及び検出回路３とを備える。また、光検出装置１は、例えば測距部１２を構成するＴＤＣ（時間／デジタル変換器）４及び演算部５を備える。

ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃは、光検出装置１において入射する光子に確率的に反応する受光素子の一例である。以下では、ＳＰＡＤアレイ１０におけるＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃの個数が３個の例を説明する。

各々のＳＰＡＤ１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ光を受光して、受光結果を示す出力信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを生成する。例えば、光検出装置１には、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃ毎の出力信号Ｓａ〜Ｓｃの信号波形を矩形パルス状に整形する波形整形回路が適宜、組み込まれてもよい。ＳＰＡＤアレイ１０からの各出力信号Ｓａ〜Ｓｃは、信号処理部１１の信号合成回路１３に入力される。

信号合成回路１３は、入力された複数の出力信号Ｓａ〜Ｓｃを合計して合成信号Ｓ１を生成する。信号合成回路１３は、生成した合成信号Ｓ１を検出回路３に出力する。信号合成回路１３は、公知の技術を適用して構成可能である（例えば特許文献２参照）。

検出回路３は、信号合成回路１３からの合成信号Ｓ１に基づいて、光検出装置１の検出対象の光が得られたタイミングを検出して、検出結果を示す検出信号Ｓ２を生成する。検出回路３は、本実施形態では図３に示すように、最大値保持回路６と、遅延回路３１と、比較回路３２とを備える。

最大値保持回路６は、入力された合成信号Ｓ１における最大値を逐次、保持して、最大値信号Ｓ１０を生成する。最大値信号Ｓ１０は、合成信号Ｓ１における暫定的な最大値を示す。本実施形態において、最大値保持回路６は、最大値信号Ｓ１０を、遅延回路３１と比較回路３２とに出力する。最大値保持回路６の構成例については後述する。

本実施形態の遅延回路３１は、最大値信号Ｓ１０を所定の遅延期間分、遅延させ、遅延信号Ｓ１１を生成する。遅延回路３１は、遅延信号Ｓ１１を比較回路３２に出力する。

比較回路３２は、最大値信号Ｓ１０と遅延信号Ｓ１１とを比較判定して、判定結果に応じて検出信号Ｓ２を生成する。本実施形態の比較回路３２は、最大値信号Ｓ１０が遅延信号Ｓ１１よりも大きいか否かの判定結果として検出信号Ｓ２を生成する。

検出回路３からの検出信号Ｓ２は、ＴＤＣ４に入力される。また、ＴＤＣ４には、制御部２５から、検出開始タイミング信号Ｓ０が入力される。検出開始タイミング信号Ｓ０は、ＴＤＣ４の時間計測開始のタイミングを示す制御信号の一例である。

ＴＤＣ４は、時間情報をデジタル値で生成（時間／デジタル変換）して、時間を計測する時間計測回路の一例である。ＴＤＣ４は、検出開始タイミング信号Ｓ０と検出信号Ｓ２とに基づいて、検出開始タイミング信号Ｓ０が示すタイミングから、検出信号Ｓ２が示すタイミングまでの測定期間を計測し、計測結果の測定期間を示す時間情報Ｄ１を生成する。

演算部５は、例えばソフトウェアとの協働により種々の演算処理を実行するＣＰＵ、並びにＲＡＭ及びＲＯＭ等を含む。演算部５は、ＴＤＣ４と共に測距部１２として動作する。具体的に、演算部５は、ＴＤＣ４から、計測された測定期間を示す時間情報Ｄ１を取得して、光の飛行時間に応じた距離を算出するための演算を実行する。

なお、演算部５を構成するＣＰＵ等のハードウェア資源は、光学式測距センサ２の制御部２５と共通であってもよいし、別体であってもよい。また、演算部５及び制御部２５等は、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の各種ハードウェア回路で構成されてもよい。

１−２−１．最大値保持回路について
光検出装置１における最大値保持回路６の構成例について、図４を用いて説明する。図４は、最大値保持回路６の構成例を示す回路図である。

最大値保持回路６は、例えば図４に示すように、比較器６１と、２つのマルチプレクサ６０と６２とを備える。最大値保持回路６は、入力された合成信号Ｓ１における最大値を保持して、保持された最大値信号Ｓ１０を出力する。

信号合成回路１３からの合成信号Ｓ１は、最大値保持回路６において比較器６１とマルチプレクサ６２とに入力される。マルチプレクサ６０は、比較器６１とマルチプレクサ６２とに、最大値の初期値信号Ｓｉあるいは最大値信号Ｓ１０を出力する。

比較器６１は、合成信号Ｓ１とマルチプレクサ６０にから出力された初期値信号Ｓｉあるいは最大値信号Ｓ１０とを比較する。比較器６１は、マルチプレクサ６２の制御端子に、比較結果を示す信号を出力する。

マルチプレクサ６２は、比較器６１の比較結果に従って、合成信号Ｓ１と、マルチプレクサ６０から出力された初期値信号Ｓｉあるいは最大値信号Ｓ１０との間で、マルチプレクサ６０の入力端子に出力する信号を切り替える。

マルチプレクサ６０は、例えば制御部２５（図２）から入力されるリセット信号Ｓｒに応じて、最大値信号Ｓ１０を初期化する。

以上の構成例の最大値保持回路６によると、合成信号Ｓ１において最大値が更新される毎に、最大値信号Ｓ１０を更新することができる。

２．動作
以上のように構成される光学式測距センサ２及び光検出装置１の動作について、以下説明する。

光学式測距センサ２において、制御部２５（図２）は、投光部２０の光源駆動部２２を制御して、例えば所定の時間間隔毎にパルス光を光源２１に投光させる。投光されたパルス光は、光学式測距センサ２による測距の対象となる物体において反射されると、反射光として光学式測距センサ２に入射し得る。

制御部２５は、投光部２０の制御時に、投光させるタイミングを示すように検出開始タイミング信号Ｓ０を生成して、測距部１２のＴＤＣ４（図３）に出力する。

光学式測距センサ２の光検出装置１は、投光部２０の投光に同期して、投光されたタイミングから所定の受光期間中に、パルス光の反射光を検出するための光検出を行う。受光期間は、例えばパルス光の時間間隔よりも短い期間に設定され、測距対象とする距離の上限値に応じた光の飛行時間の観点から設定されてもよい（例えば距離の上限値３０ｍに対して受光期間２００ｎｓなど）。例えば、投光直前等に、制御部２５は最大値保持回路６にリセット信号Ｓｒを出力して最大値を初期値に設定してもよい（図４参照）。

光検出装置１の光検出においては、ＳＰＡＤアレイ１０が光を受光し、信号処理部１１が受光結果の信号に信号処理を行って、反射光が到達したタイミングを示す検出信号Ｓ２を生成する。測距部１２は、検出信号Ｓ２に基づいて、投光されたパルス光が物体で反射して受光されるまでにかかる飛行時間を、ＴＤＣ４において測定期間として計測する。測距部１２は、例えば計測された測定期間の半分に光速を乗算して、距離値を算出する。

以上の光学式測距センサ２においては、光検出装置１にＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃを用いることにより、光検出を高感度化して、測距精度を良くすることができる。しかし、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃは高感度であるため、外乱光にも反応し外乱光によるノイズの影響が考えられる。ここで、検出対象のタイミングにおいては、パルス光の反射光が合わせて受光されるため、光子数は、他のタイミングにおける外乱光のみの光子数よりも大きいことが想定される。

そこで、本実施形態の光検出装置１は、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃからの出力信号Ｓａ〜Ｓｃの合成信号Ｓ１が最大となるタイミングを検出し、反射光が到達したタイミングとして用いる。以下、本実施形態の光検出装置１の動作の詳細を説明する。

２−１．光検出装置の動作
本実施形態に係る光検出装置１の動作の詳細を、図５，６を用いて説明する。

図５は、光検出装置１における合成信号Ｓ１の合成方法を説明するためのタイミングチャートである。図６は、光検出装置１の動作を例示するタイミングチャートである。

本実施形態の光検出装置１（図３）において、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃは、それぞれの確率的な動作において光を受光して、出力信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを生成する。各出力信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃの信号波形を図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に例示する。

図５（ａ）〜（ｃ）の例において、各出力信号Ｓａ〜Ｓｃは、所定のパルス幅を有する矩形パルスＰ１である。各々のＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃが入射する光子に確率的に反応することにより、各出力信号Ｓａ〜Ｓｃにおいて矩形パルスＰ１が発生する。

図５（ａ）〜（ｃ）の例では、１つ目のＳＰＡＤ１０ａの出力信号Ｓａが時刻ｔ１に立ち上がる一方（図５（ａ））、２つ目のＳＰＡＤ１０ｂの出力信号Ｓｂは時刻ｔ１よりも後の時刻ｔ３に立ち上がっている（図５（ｂ））。また、３つ目のＳＰＡＤ１０ａの出力信号Ｓａは、時刻ｔ１と時刻ｔ３間の時刻ｔ２に立ち上がっている（図５（ｃ））。

信号合成回路１３は、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃからの出力信号Ｓａ〜Ｓｃを合計して、合成信号Ｓ１を生成する。図５（ａ）〜（ｃ）の出力信号Ｓａ〜Ｓｃに基づく合成信号Ｓ１を図５（ｄ）に例示する。

図５（ｄ）に例示する合成信号Ｓ１は、同時刻の３つの出力信号Ｓａ〜Ｓｃ（図５（ａ）〜（ｃ））を合計したものである。例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで、合成信号Ｓ１は、図５（ａ）の出力信号Ｓａに応じて合計は１である。

また、図５（ｄ）の例の合成信号Ｓ１は、時刻ｔ２において、２つの矩形パルスＰ１（図５（ａ），（ｃ））の合計によって「１」から「２」に増大している。合成信号Ｓ１は、さらに、時刻ｔ３において、３つの矩形パルスＰ１（図５（ａ）〜（ｃ））の合計によって「３」に増大している。このように、合成信号Ｓ１の信号レベルは、受光したＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃの個数に応じて変化する。ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃに外乱光の影響がある場合の合成信号Ｓ１のタイミングチャートを、図６（ａ）に例示する。

図６（ａ）の例の合成信号Ｓ１は、検出対象となる反射光成分のピークＰ１０と、外乱光成分の２つのピークＰ１１，Ｐ１２とを含む。反射光成分のピークＰ１０は、各外乱光成分のピークＰ１１，Ｐ１２よりも大きく、２つのピークＰ１１，Ｐ１２の間のタイミングを有している。

以下では、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、投光部２０が時刻ｔ１０に投光し、光検出装置１が時刻ｔ１０から受光期間Ｔ１中に光検出を行う例を説明する。

検出回路３（図３）において、最大値保持回路６は、信号合成回路１３からの合成信号Ｓ１に基づいて、合成信号Ｓ１の最大値を保持して、最大値信号Ｓ１０を生成する。図６（ａ）の例の合成信号Ｓ１に基づく最大値信号Ｓ１０を図６（ｂ）に例示する。

図６（ｂ）に例示する最大値信号Ｓ１０は、図６（ａ）の合成信号Ｓ１における時刻ｔ１０以後の最大値が、時刻ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３に更新される毎に逐次、増大する。

例えば時刻ｔ１２後において、図６（ａ）の合成信号Ｓ１は１つのピークＰ１１を過ぎると減少する一方、最大値信号Ｓ１０は図６（ｂ）に示すように、当該ピークＰ１１の信号レベルを保持する。また、時刻ｔ１３になると合成信号Ｓ１が最大のピークＰ１０に到ることから、最大値信号Ｓ１０は時刻ｔ１３以後、同ピークＰ１０の信号レベルを保持する。

遅延回路３１は、例えば図６（ｂ）の最大値信号Ｓ１０が入力されると図６（ｃ）に示すように、遅延信号Ｓ１１を生成する。本実施形態の遅延信号Ｓ１１は、最大値信号Ｓ１０から遅延期間Ｔ２分の遅延を有する。

比較回路３２は、最大値信号Ｓ１０と遅延信号Ｓ１１間で上述した比較判定を行って、検出信号Ｓ２を生成する。図６（ｂ）の最大値信号Ｓ１０と図６（ｃ）の遅延信号Ｓ１１とに基づく検出信号Ｓ２を図６（ｄ）に例示する。

本実施形態の比較回路３２の比較判定によると、図６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、最大値信号Ｓ１０と遅延信号Ｓ１１とが不一致になるときに応じて、検出信号Ｓ２において矩形パルスＰ２が形成される（以下「検出パルス」という）。図６の例では、時刻ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３に３つの矩形パルスＰ２が立ち上がっている。本実施形態において、各検出パルスＰ２は、遅延回路３１の遅延期間Ｔ２分のパルス幅を有する。検出信号Ｓ２は、ＴＤＣ４に入力される。

ＴＤＣ４は、制御部２５からの検出開始タイミング信号Ｓ０と、検出信号Ｓ２の各検出パルスＰ２とに基づいて、検出開始タイミング信号Ｓ０が示す時刻ｔ１０から、各検出パルスＰ２の立ち上がりの時刻ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３までの期間を順次、計測（時間／デジタル変換）する。例えば、ＴＤＣ４は、期間の計測を繰り返す際に新たな計測結果のみを保持する。この場合、図６（ｄ）の例では、ＴＤＣ４は、時刻ｔ１０から時刻ｔ１３までの期間Ｔ３を最後に計測して、当該期間Ｔ３を測定期間として示す情報を保持する。

演算部５は、例えば受光期間Ｔ１の経過後に、ＴＤＣ４から測定期間Ｔ３を示す時間情報Ｄ１を取得する。演算部５は、測距部１２として測定期間Ｔ３と所定の係数との乗算等の演算を行って、距離値を算出する。

以上の光検出装置１の動作によると、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃの出力信号Ｓａ〜Ｓｃを合計した合成信号Ｓ１に基づいて、検出回路３が、合成信号Ｓ１が最大となる時刻ｔ１３を検出する。これにより、検出対象の反射光成分によるピークＰ１０の前後に外乱光成分のピークＰ１１，Ｐ１２があったとしても、検出対象のタイミング（時刻ｔ１３）を検出でき、ＴＤＣ４による測定期間Ｔ３の計測を精度良く行うことができる。

３．まとめ
以上のように、本実施形態に係る光検出装置１は、検出開始タイミング信号Ｓ０が示すタイミング（投光タイミング）に応じて入射する光を検出する。光検出装置１は、複数のＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃと、信号合成回路１３と、検出回路３と、ＴＤＣ４とを備える。各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃは、光を受光して、受光結果を示す出力信号Ｓａ〜Ｓｃをそれぞれ生成する。信号合成回路１３は、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃからの複数の出力信号Ｓａ〜Ｓｃを合計して、合成信号Ｓ１を生成する。検出回路３は、合成信号Ｓ１が投光タイミング後において最大となるタイミングを検出して、検出されたタイミングを示す検出信号Ｓ２を生成する。ＴＤＣ４は、検出信号Ｓ２に基づいて、投光タイミングと検出されたタイミングとの間の測定期間Ｔ３を計測する。

以上の光検出装置１によると、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃが同時に受光した個数が最も大きくなるタイミングを検出することにより、外乱光の影響がある状況においても、投光部２０からのパルス光の反射光のような検出対象の光検出を精度良く行うことができる。

本実施形態において、光検出装置１の受光素子は、入射する光子に確率的に反応するＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃである。各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃが外乱光に反応したとしても、合成信号Ｓ１の最大値を用いて、精度良く光検出を行うことができる。

また、本実施形態において、検出回路３は、合成信号Ｓ１において最大値が更新される毎に更新された最大値を保持する最大値信号Ｓ１０を生成する最大値保持回路６を備える。最大値保持回路６の最大値信号Ｓ１０により、合成信号Ｓ１において最大値が更新されるタイミングを検出することができる。

また、本実施形態において、検出回路３は、遅延回路３１と、比較回路３２とをさらに備える。遅延回路３１は、最大値信号Ｓ１０を所定の遅延期間Ｔ２分、遅延させて、遅延信号Ｓ１１を生成する。比較回路３２は、最大値信号Ｓ１０と遅延信号Ｓ１１とを比較して、最大値信号Ｓ１０が遅延信号Ｓ１１を超えるタイミングを示すように検出信号Ｓ２を出力する。以上のような検出回路３の簡単な回路構成により、合成信号Ｓ１における最大値のタイミングの検出を実現できる。

また、本実施形態に係る光学式測距センサ２は、光を投光する投光部２０と、光検出装置１とを備える。光検出装置１のＴＤＣ４は、投光部２０が光を投光するタイミングを検出開始タイミングに用いて、測定期間Ｔ３を計測する。本実施形態の光学式測距センサ２によると、光検出装置１において精度良く光検出を行って、測距精度を良くすることができる。

また、本実施形態に係る光検出方法は、光検出装置１が検出開始タイミングに応じて入射する光を検出する方法である。本方法は、複数のＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃにおいて光を受光して、受光結果を示す出力信号Ｓａ〜Ｓｃをそれぞれ生成するステップと、複数の出力信号Ｓａ〜Ｓｃを合計して、合成信号Ｓ１を生成するステップとを含む。さらに、本方法は、合成信号Ｓ１が、検出開始タイミング後において最大となるタイミングを検出して、検出されたタイミングを示す検出信号Ｓ２を生成するステップと、検出信号Ｓ２に基づいて、検出開始タイミングと検出されたタイミングとの間の測定期間Ｔ３を計測するステップとを含む。本方法によると、光検出を精度良く行うことができる。

以上の説明では、光検出装置１が備えるＳＡＰＤ１０ａ〜１０ｃの個数が、３個の例を説明した。光検出装置１が備えるＳＡＰＤ１０ａ〜１０ｃの個数は、４個以上であってもよいし、２個であってもよい。

（実施形態２）
実施形態１では、合成信号Ｓ１が最大となるタイミングの検出に最大値信号Ｓ１０の遅延信号Ｓ１１を用いる光検出装置１を説明した。実施形態２では、合成信号Ｓ１の遅延信号を用いる光検出装置について、図７，８を用いて説明する。

図７は、実施形態２に係る光検出装置１Ａの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る光検出装置１Ａは、実施形態１の光検出装置１（図３）と同様の構成から、図７に示すように、検出回路３Ａの構成を変更する。

本実施形態の検出回路３Ａは、図７に示すように、遅延回路３１Ａに合成信号Ｓ１を入力し、合成信号Ｓ１を遅延させる。遅延回路３１Ａは、合成信号Ｓ１の遅延信号Ｓ１１Ａを生成して、比較回路３２Ａに出力する。本実施形態の比較回路３２Ａは、遅延信号Ｓ１１Ａと最大値信号Ｓ１０とを比較して、遅延信号Ｓ１１Ａが最大値信号Ｓ１０以上であるか否かの判定結果として検出信号Ｓ２Ａを生成する。

図８は、実施形態２に係る光検出装置１Ａの動作を例示するタイミングチャートである。図８（ａ）は、合成信号Ｓ１のタイミングチャートの一例である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の合成信号Ｓ１に基づく最大値信号Ｓ１０を示す。図８（ｃ）は、図８（ａ）の合成信号Ｓ１に基づく遅延信号Ｓ１１Ａを示す。図８（ｄ）は、図８（ｂ）の最大値信号Ｓ１０と図８（ｃ）の遅延信号Ｓ１１Ａとに基づく検出信号Ｓ２Ａを示す。

図８（ａ）〜（ｄ）の例において、合成信号Ｓ１は、検出開始タイミングの時刻ｔ１０よりも後の時刻ｔ２１，ｔ２２において連続的に最大値を更新している（図８（ａ），（ｂ））。本実施形態の遅延信号Ｓ１１Ａは、図８（ｃ）に示すように、合成信号Ｓ１から遅延期間Ｔ２Ａ分の遅延を有する（例えばＴ２Ａ＝数ナノ秒〜数十ナノ秒）。

本実施形態に係る光検出装置１Ａにおいては、上記の比較回路３２Ａの比較判定により、遅延信号Ｓ１１Ａと最大値信号Ｓ１０とが一致すると、図８（ｄ）に示すように、検出信号Ｓ２Ａにおいて検出パルスＰ２Ａが立ち上がる。
また、本実施形態の検出パルスＰ２Ａのパルス幅は、遅延信号Ｓ１１Ａと最大値信号Ｓ１０とが一致する期間に応じて変動する。

ＴＤＣ４は、実施形態１と同様に、検出信号Ｓ２Ａにおける検出パルスＰ２Ａの立ち上がりのタイミングを期間の計測に用いる。例えば、ＴＤＣ４は、時刻ｔ１０から、最後の検出パルスＰ２Ａの立ち上がりの時刻ｔ２３までの測定期間Ｔ３を計測する。時刻ｔ２３は、合成信号Ｓ１が最大のピークＰ１０に到る時刻ｔ２２よりも遅延期間Ｔ２Ａ分、遅延している。本実施形態の測距部１２では、例えば演算部５が、ＴＤＣ４からの時間情報Ｄ１が示す測定期間Ｔ３を遅延期間Ｔ２Ａ分、補正して、光の飛行時間Ｔ４の演算に基づき距離値を算出する。

本実施形態の光検出装置１Ａによると、例えば図８（ａ）〜（ｄ）の例の時刻ｔ２１，ｔ２２のように、合成信号Ｓ１が急峻に立ち上がった場合に、図８（ｄ）に示すように、検出パルスＰ２Ａが、より大きい信号レベルに到達した時刻ｔ２２に対応するタイミング（遅延期間Ｔ２Ａ経過後の時刻ｔ２３）で立ち上がる。このように、光検出装置１Ａにおいて最大となるタイミングの検出精度を良くすることができる。

以上のように、本実施形態に係る光検出装置１Ａでは、検出回路３Ａの遅延回路３１Ａが、合成信号Ｓ１を所定の遅延期間Ｔ２Ａ分、遅延させて、遅延信号Ｓ１１Ａを生成する。比較回路３２Ａは、最大値信号Ｓ１０と遅延信号Ｓ１１Ａとを比較して、遅延信号Ｓ１１Ａが最大値信号Ｓ１０に到達するタイミングを示すように検出信号Ｓ２Ａを出力する。以上の光検出装置１Ａによっても、外乱光に耐性を有する高精度の光検出を行うことができる。

（実施形態３）
実施形態１，２の光検出装置１，１Ａは、合成信号Ｓ１が最大となるタイミングを測距に用いた。実施形態３では、光検出の上位から複数のタイミングを測距に用いる光検出装置について、図９，１０を用いて説明する。

図９は、実施形態３に係る光検出装置１Ｂの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る光検出装置１Ｂは、例えば実施形態２の光検出装置１Ａ（図７参照）と同様の構成において、図９に示すように、複数のＴＤＣ４Ａ，４Ｂを備える。さらに、本実施形態の光検出装置１Ｂは、複数のＴＤＣ４Ａ，４Ｂのうちの１つを選択する選択回路７を備える。

以下では、光検出装置１ＢにおけるＴＤＣ４Ａ，４Ｂの個数が２個の構成例を説明する。ＴＤＣ４Ａ，４Ｂの各々は、実施形態１，２のＴＤＣ４と同様に構成される。各ＴＤＣ４Ａ，４Ｂは、それぞれの測定期間を示す時間情報Ｄ１１，Ｄ１２を保持する。

選択回路７は、例えば図９に示すように、カウンタ７０と、マルチプレクサ７１とを備える。選択回路７は、検出信号Ｓ２Ａの検出パルスＰ２Ａ毎に、複数のＴＤＣ４Ａ，４Ｂにおいて期間を計測させるＴＤＣを順番に選択する。

カウンタ７０は、検出信号Ｓ２Ａにおける検出パルスＰ２Ａの個数を計数する。例えば、カウンタ７０は、２つのＴＤＣ４Ａ，４Ｂの構成例において１ビットカウンタで構成される。カウンタ７０は、例えば計数結果の「０」又は「１」を示す信号をマルチプレクサ７１の制御端子に出力する。

マルチプレクサ７１は、カウンタ７０からの信号に基づいて、複数のＴＤＣ４Ａ，４Ｂの中で、検出信号Ｓ２Ａを出力するＴＤＣを選択的に切り替える。例えば、マルチプレクサ７１は、カウンタ７０から計数結果「０」の信号が入力されると一方のＴＤＣ４Ａを選択し、計数結果「１」の信号が入力されると他方のＴＤＣ４Ｂを選択する。

また、本実施形態の光検出装置１Ｂにおいて、演算部５Ａは、複数のＴＤＣ４Ａ，４Ｂからの時間情報Ｄ１１，Ｄ１２に基づいて、例えば統計処理を実行する統計処理部５ａを備え、統計処理を用いて測距を行う。例えば、演算部５Ａの統計処理部５ａは、１回の投受光に対する複数のＴＤＣ４Ａ，４Ｂの計測結果の時間情報Ｄ１１，Ｄ１２に基づいて、測定期間又は対応する距離の平均値を算出する。

また、統計処理部５ａは、複数回の投受光で得られる時間情報Ｄ１１，Ｄ１２をＲＡＭ等に蓄積してヒストグラムを生成してもよく、例えばヒストグラムのピーク位置等に応じて距離値を算出してもよい。複数のＴＤＣ４Ａ，４Ｂを用いることで、ヒストグラムのサンプル数を増やすことができる。

図１０は、実施形態３に係る光検出装置１Ｂの動作を例示するタイミングチャートである。図１０（ａ）は、合成信号Ｓ１のタイミングチャートの一例である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の合成信号Ｓ１に基づく最大値信号Ｓ１０を示す。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）の合成信号Ｓ１に基づく遅延信号Ｓ１１Ａを示す。図１０（ｄ）は、図１０（ｂ）の最大値信号Ｓ１０と図１０（ｃ）の遅延信号Ｓ１１Ａとに基づく検出信号Ｓ２Ａを示す。

図１０（ａ）〜（ｄ）の例では、合成信号Ｓ１における最大値の更新に応じて、検出開始タイミングの時刻ｔ１０よりも後の時刻ｔ３１，ｔ３２，ｔ３３に順次、検出パルスＰ２Ａが立ち上がっている（図１０（ｄ））。

本構成例の光検出装置１Ｂにおいては、選択回路７により、時刻ｔ３１，ｔ３２，ｔ３３の検出パルスＰ２Ａが、２つのＴＤＣ４Ａ，４Ｂに交互に入力される。これにより、最終的には、最大から上位２つのタイミングｔ３２，ｔ３３に対応する測定期間Ｔ３１，Ｔ３２が、２つのＴＤＣ４Ａ，ＴＤＣ４Ｂの時間情報Ｄ１１，Ｄ１２として得られる。

以上のように、投光タイミング毎に上位２つのタイミングの時間情報Ｄ１１，Ｄ１２を取得することで、例えばＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃの確率的な動作による検出ばらつきを抑制するように統計処理を行って、光学式測距センサ２の測距精度を向上できる。

以上の説明では、ＴＤＣ４Ａ，４Ｂの個数が２個の構成例を説明した。本実施形態の光検出装置１Ｂは、３個以上のＴＤＣを備えてもよい。この場合、例えば選択回路７に、ＴＤＣの個数分の数を計数可能なカウンタを用いて、計測させるＴＤＣを順番に切り替える。これにより、上位３つ以上の時間情報を用いて、測距精度を向上できる。

以上のように、本実施形態に係る光検出装置１Ｂは、統計処理部５ａをさらに備える。統計処理部５ａは、一の投光タイミングに対して複数回、計測された測定期間のうちの最後から所定回数分の測定期間Ｔ３１，Ｔ３２を示す時間情報Ｄ１１，Ｄ１２を取得して、取得した時間情報Ｄ１１，Ｄ１２に統計処理を行う。これにより、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃの検出ばらつき等を抑制して、光検出の検出精度を向上することができる。

本実施形態において、光検出装置１Ｂは、複数のＴＤＣ４Ａ〜４Ｂと、選択回路７とを備える。選択回路７は、検出信号Ｓ２Ａが示すタイミング毎に、複数のＴＤＣ４Ａ〜４Ｂにおいて測定期間Ｔ３１，Ｔ３２を計測するＴＤＣを順番に切替える。これにより、ＴＤＣ４Ａ〜４Ｂの個数分、光子検出数が上位の時間情報を取得することができる。なお、上位複数の時間情報を取得する回路構成はこれに限らず、種々の回路構成が用いられてもよい。

（他の実施形態）
上記の実施形態３では、実施形態２の光検出装置１Ａと同様の構成において複数のＴＤＣを備える光検出装置１Ｂの構成例を説明した。本実施形態の光検出装置はこれに限らず、例えば実施形態１の光検出装置１と同様の構成において複数のＴＤＣを備えてもよい。

上記の各実施形態では、検出回路３，３Ａの構成例を例示したが、光検出装置の検出回路は上記の構成例に限定されず、種々の回路構成であってもよい。検出回路の変形例について、図１１を用いて説明する。

本実施形態の光検出装置は、例えば、上記の各実施形態の検出回路３，３Ａの代わりに、図１１に示す変形例の検出回路３Ｂを備えてもよい。本変形例の検出回路３Ｂは、図４の最大値保持回路６と同様の構成において、一方のマルチプレクサ６２の出力を遅延させて他方のマルチプレクサ６０に出力する遅延回路３１Ｂを備え、比較器６１の出力を検出信号Ｓ２として出力する。遅延回路３１Ｂの遅延期間により、検出信号Ｓ２における検出パルスのパルス幅が調整される。以上の検出回路３Ｂを備える光検出装置によっても、上記の各実施形態と同様に、検出対象の光検出を精度良く行うことができる。

また、上記の各実施形態では、光検出装置１〜１Ｂの受光素子がＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｃである構成例を説明した。本実施形態においては、光検出装置の受光素子は、必ずしもＳＰＡＤに限らない。

また、以上の説明では、工業自動化の用途への光学式測距センサ２の適用例を例示したが、本開示に係る光学式測距センサ２及び光検出装置１〜１Ｂの用途はこれに限らず、例えば車載用途であってもよい。光学式測距センサ２は、例えばＬｉＤＡＲ或いは距離画像センサ等を構成してもよい。

（付記）
以上のように、本開示の各種実施形態について説明したが、本開示は上記の内容に限定されるものではなく、技術的思想が実質的に同一の範囲内で種々の変更を行うことができる。以下、本開示に係る各種態様を付記する。

本開示に係る第１の態様は検出開始タイミングに応じて入射する光を検出する光検出装置（１）である。前記光検出装置は、複数の受光素子（１０ａ〜１０ｃ）と、信号合成回路（１３）と、検出回路（３）と、少なくとも１つの時間計測回路（４）とを備える。前記複数の受光素子は、光を受光して、受光結果を示す出力信号（Ｓａ〜Ｓｃ）をそれぞれ生成する。前記信号合成回路は、各受光素子からの複数の出力信号を合計して、合成信号（Ｓ１）を生成する。前記検出回路は、前記合成信号が前記検出開始タイミング後において最大となるタイミングを検出して、検出されたタイミングを示す検出信号（Ｓ２）を生成する。前記時間計測回路は、前記検出信号に基づいて、前記検出開始タイミングと前記検出されたタイミングとの間の測定期間（Ｔ３）を計測する。

第２の態様では、第１の態様の光検出装置において、前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させた単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）である。

第３の態様では、第１又は第２の態様の光検出装置において、前記検出回路は、前記合成信号において最大値が更新される毎に更新された最大値信号を生成する最大値保持回路（６）を備える。

第４の態様では、第３の態様の光検出装置において、前記検出回路は、遅延回路（３１）と、比較回路（３２）とをさらに備える。前記遅延回路は、前記最大値信号を所定の遅延期間分、遅延させて、遅延信号（Ｓ１１）を生成する。前記比較回路は、前記最大値信号と前記遅延信号とを比較して、前記最大値信号が前記遅延信号を超えるタイミングを示すように前記検出信号を出力する。

第５の態様では、第３の態様の光検出装置（１Ａ）において、検出回路（３Ａ）は、遅延回路（３１Ａ）と、比較回路（３２Ａ）とをさらに備える。前記遅延回路は、前記合成信号を所定の遅延期間分、遅延させて、遅延信号（Ｓ１１Ａ）を生成する。前記比較回路は、前記最大値信号と前記遅延信号とを比較して、前記遅延信号が前記最大値信号に到達するタイミングを示すように検出信号（Ｓ２Ａ）を出力する。

第６の態様では、第１〜第５のいずれかの態様の光検出装置（１Ｂ）が、統計処理部（５ａ）をさらに備える。前記統計処理部は、一の検出開始タイミングに対して複数回、計測された測定期間のうちの最後から所定回数分の測定期間を示す情報を取得して、取得した情報に統計処理を行う。

第７の態様では、第６の態様の光検出装置が、前記時間計測回路を複数、備える。前記光検出装置は、前記検出信号が示すタイミング毎に、複数の時間計測回路（４Ａ，４Ｂ）において前記測定期間を計測する時間計測回路を順番に切替える選択回路（７）をさらに備える。

第８の態様は、光を投光する投光部（２０）と、第１〜第７のいずれかの態様の光検出装置とを備える光学式測距センサ（２）である。前記光検出装置の時間計測回路は、前記投光部が光を投光するタイミングを前記検出開始タイミングに用いて、前記測定期間を計測する。

第９の態様は、複数の受光素子（１０ａ〜１０ｃ）を備える光検出装置（１）が検出開始タイミングに応じて入射する光を検出する光検出方法である。本方法は、前記複数の受光素子において光を受光して、受光結果を示す出力信号（Ｓａ〜Ｓｃ）をそれぞれ生成するステップと、各受光素子からの複数の出力信号を合計して、合成信号（Ｓ１）を生成するステップとを含む。本方法は、前記合成信号が前記検出開始タイミング後において最大となるタイミングを検出して、検出されたタイミングを示す検出信号（Ｓ２）を生成するステップと、前記検出信号に基づいて、前記検出開始タイミングと前記検出されたタイミングとの間の測定期間（Ｔ３）を計測するステップとを含む。

１，１Ａ，１Ｂ 光検出装置
１０ａ〜１０ｃ ＳＰＡＤ
１３ 信号合成回路
２ 光学式測距センサ
２０ 投光部
３．３Ａ 検出回路
３１，３１Ａ 遅延回路
３２，３２Ａ 比較回路
４，４Ａ，４Ｂ ＴＤＣ
５，５Ａ 演算部
５ａ 統計処理部
６ 最大値保持回路
７ 選択回路

Claims (9)

1. 検出開始タイミングに応じて入射する光を検出する光検出装置であって、
   光を受光して、受光結果を示す出力信号をそれぞれ生成する複数の受光素子と、
   各受光素子からの複数の出力信号を合計して、合成信号を生成する信号合成回路と、
   前記合成信号が前記検出開始タイミング後において最大となるタイミングを検出して、検出されたタイミングを示す検出信号を生成する検出回路と、
   前記検出信号に基づいて、前記検出開始タイミングと前記検出されたタイミングとの間の測定期間を計測する少なくとも１つの時間計測回路と
   を備える光検出装置。
2. 前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させた単一光子アバランシェフォトダイオードである
   請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記検出回路は、前記合成信号において最大値が更新される毎に更新された最大値信号を生成する最大値保持回路を備える
   請求項１又は２に記載の光検出装置。
4. 前記検出回路は、
   前記最大値信号を所定の遅延期間分、遅延させて、遅延信号を生成する遅延回路と、
   前記最大値信号と前記遅延信号とを比較して、前記最大値信号が前記遅延信号を超えるタイミングを示すように前記検出信号を出力する比較回路と
   をさらに備える
   請求項３に記載の光検出装置。
5. 前記検出回路は、
   前記合成信号を所定の遅延期間分、遅延させて、遅延信号を生成する遅延回路と、
   前記最大値信号と前記遅延信号とを比較して、前記遅延信号が前記最大値信号に到達するタイミングを示すように前記検出信号を出力する比較回路と
   をさらに備える
   請求項３に記載の光検出装置。
6. 一の検出開始タイミングに対して複数回、計測された測定期間のうちの最後から所定回数分の測定期間を示す情報を取得して、取得した情報に統計処理を行う統計処理部をさらに備える
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光検出装置。
7. 前記時間計測回路を複数、備え、
   前記検出信号が示すタイミング毎に、前記複数の時間計測回路において前記測定期間を計測する時間計測回路を順番に切替える選択回路をさらに備える
   請求項６に記載の光検出装置。
8. 光を投光する投光部と、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の光検出装置とを備え、
   前記光検出装置の時間計測回路は、前記投光部が光を投光するタイミングを前記検出開始タイミングに用いて、前記測定期間を計測する
   光学式測距センサ。
9. 複数の受光素子を備える光検出装置が検出開始タイミングに応じて入射する光を検出する光検出方法であって、
   前記複数の受光素子において光を受光して、受光結果を示す出力信号をそれぞれ生成するステップと、
   各受光素子からの複数の出力信号を合計して、合成信号を生成するステップと、
   前記合成信号が前記検出開始タイミング後において最大となるタイミングを検出して、検出されたタイミングを示す検出信号を生成するステップと、
   前記検出信号に基づいて、前記検出開始タイミングと前記検出されたタイミングとの間の測定期間を計測するステップと
   を含む光検出方法。

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