JP2020064934A - Photodetection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光検出装置に関する。 The present invention relates to a photo detector.
間接TOF(Time of Flight)方式を利用して対象物の距離画像を取得するセンサとして、光感応領域が設けられた半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁層と、絶縁層上に画素ごとに形成されたフォトゲート電極及び転送電極と、を備える距離画像センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の距離画像センサの一例では、半導体基板がシリコンによって形成されており、フォトゲート電極及び転送電極がポリシリコンによって形成されている。 As a sensor for acquiring a distance image of an object using an indirect TOF (Time of Flight) method, a semiconductor substrate provided with a photosensitive region, an insulating layer formed on the semiconductor substrate, and a pixel on the insulating layer. There is known a distance image sensor including a photogate electrode and a transfer electrode formed for each (for example, refer to Patent Document 1). In an example of the range image sensor described in Patent Document 1, the semiconductor substrate is made of silicon, and the photogate electrode and the transfer electrode are made of polysilicon.
近年、例えば霧中又は煙中において対象物の距離画像を取得するために、1.5μm程度の波長を有する光を検出し得る距離画像センサが求められている。しかし、距離画像センサを構成する半導体基板がシリコンによって形成されていると、1.5μm程度の波長を有する光に対して十分な感度を得ることができない。そこで、1.5μm程度の波長を有する光に対して十分な感度を得るために、距離画像センサを構成する半導体基板に化合物半導体基板を用いることが考えられる。しかし、その場合には、化合物半導体基板上にフォトゲート電極及び転送電極を形成することが困難である。 In recent years, for example, a range image sensor capable of detecting light having a wavelength of about 1.5 μm has been required in order to acquire a range image of an object in fog or smoke. However, if the semiconductor substrate forming the distance image sensor is made of silicon, it is not possible to obtain sufficient sensitivity to light having a wavelength of about 1.5 μm. Therefore, in order to obtain sufficient sensitivity to light having a wavelength of about 1.5 μm, it is conceivable to use a compound semiconductor substrate as a semiconductor substrate forming the distance image sensor. However, in that case, it is difficult to form the photogate electrode and the transfer electrode on the compound semiconductor substrate.
また、距離画像センサの後段に設けられたCMOSにおいて検出信号の出力制御(転送制御)を実施することも考えられる。しかし、CMOSではμ秒オーダーでの検出信号の出力制御が限界であるため、CMOSによる検出信号の出力制御は、数十n秒オーダーという高速での検出信号の出力制御を必要とする間接TOF方式には不十分である。 It is also conceivable to perform output control (transfer control) of the detection signal in the CMOS provided after the range image sensor. However, in CMOS, the output control of the detection signal on the order of μ seconds is the limit, and therefore the output control of the detection signal by the CMOS requires the indirect TOF method which requires the output control of the detection signal at the high speed of the order of several tens of nanoseconds. Is not enough for.
本発明は、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる光検出装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a photodetector capable of realizing high-speed output control of a detection signal with a simple structure.
本発明の光検出装置は、第1フォトダイオードと、第1フォトダイオードに直列に接続された第2フォトダイオードと、第1フォトダイオードが感度を有する第1パルス光を出力する第1光源と、第2フォトダイオードに流れた電流を検出信号として出力する信号出力部と、を備える。 The photodetector of the present invention includes a first photodiode, a second photodiode connected in series to the first photodiode, and a first light source that outputs a first pulsed light having sensitivity to the first photodiode. A signal output unit that outputs the current that has flowed to the second photodiode as a detection signal.
この光検出装置では、第1フォトダイオードに第1パルス光が照射されている状態において第1パルス光の出力値がOFFの期間には、第1フォトダイオードにおいてキャリア(電子及び正孔)が発生しないため、検出対象の光の入射によって、第2フォトダイオードにおいてキャリアが発生したとしても、第2フォトダイオードに電流が流れない。つまり、第1パルス光の出力値がOFFの期間には、第2フォトダイオードに流れた電流を検出信号として信号出力部から出力させないことができる。その一方で、第1フォトダイオードに第1パルス光が照射されている状態において第1パルス光の出力値がONの期間には、第1フォトダイオードにおいてキャリアが発生するため、検出対象の光の入射によって、第2フォトダイオードにおいてキャリアが発生すると、第2フォトダイオードに電流が流れる。つまり、第1パルス光の出力値がONの期間には、第2フォトダイオードに流れた電流を検出信号として信号出力部から出力させることができる。ここで、第1パルス光は、10KHz以上の周波数で変調することが可能である。よって、この光検出装置によれば、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。なお、OFFの期間の第1パルス光の出力値は、0のみに限定されず、ONの期間の第1パルス光の出力値よりも低い出力値であって且つ第1フォトダイオードにおいてキャリアを発生させない出力値であればよい。 In this photodetector, carriers (electrons and holes) are generated in the first photodiode while the output value of the first pulsed light is OFF while the first photodiode is being irradiated with the first pulsed light. Therefore, even if carriers are generated in the second photodiode due to the incidence of the light to be detected, the current does not flow in the second photodiode. That is, while the output value of the first pulsed light is OFF, it is possible to prevent the current flowing through the second photodiode from being output from the signal output unit as a detection signal. On the other hand, when the output value of the first pulsed light is ON while the first photodiode is being irradiated with the first pulsed light, carriers are generated in the first photodiode, so When carriers are generated in the second photodiode due to the incidence, a current flows in the second photodiode. That is, while the output value of the first pulsed light is ON, the current flowing in the second photodiode can be output from the signal output unit as a detection signal. Here, the first pulsed light can be modulated at a frequency of 10 KHz or higher. Therefore, according to this photodetector, output control of the detection signal at high speed can be realized with a simple configuration. The output value of the first pulsed light during the OFF period is not limited to 0, and is an output value lower than the output value of the first pulsed light during the ON period and carriers are generated in the first photodiode. Any output value that does not cause the problem is acceptable.
本発明の光検出装置は、信号出力部から出力された検出信号を取得する信号処理部を更に備えてもよい。これによれば、信号出力部から出力された検出信号を処理することができる。 The photodetector of the present invention may further include a signal processing unit that acquires the detection signal output from the signal output unit. According to this, the detection signal output from the signal output unit can be processed.
本発明の光検出装置では、第1フォトダイオードは、電源が接続される第1電極と、第2フォトダイオードが接続された第2電極と、を有してもよい。これによれば、スイッチとして機能する第1フォトダイオードを介さずに第2フォトダイオードに信号出力部を接続することができるため、信号出力部から出力される検出信号にノイズが乗るのを抑制することができる。 In the photodetector of the present invention, the first photodiode may have a first electrode to which a power source is connected and a second electrode to which the second photodiode is connected. According to this, since the signal output unit can be connected to the second photodiode without passing through the first photodiode functioning as a switch, it is possible to suppress noise from being added to the detection signal output from the signal output unit. be able to.
本発明の光検出装置では、第1電極は、第1フォトダイオードのカソード電極であり、第2電極は、第1フォトダイオードのアノード電極であり、第1フォトダイオードのアノード電極には、第2フォトダイオードのカソード電極が接続されており、第2フォトダイオードのアノード電極には、信号出力部が接続されていてもよい。或いは、本発明の光検出装置では、第1電極は、第1フォトダイオードのアノード電極であり、第2電極は、第1フォトダイオードのカソード電極であり、第1フォトダイオードのカソード電極には、第2フォトダイオードのアノード電極が接続されており、第2フォトダイオードのカソード電極には、信号出力部が接続されていてもよい。いずれの場合にも、電源が第1フォトダイオード及び第2フォトダイオードに対して逆バイアスを印加することで、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。 In the photodetector of the present invention, the first electrode is the cathode electrode of the first photodiode, the second electrode is the anode electrode of the first photodiode, and the second electrode is the anode electrode of the first photodiode. The cathode electrode of the photodiode may be connected and the signal output unit may be connected to the anode electrode of the second photodiode. Alternatively, in the photodetector of the present invention, the first electrode is the anode electrode of the first photodiode, the second electrode is the cathode electrode of the first photodiode, and the cathode electrode of the first photodiode is The anode electrode of the second photodiode may be connected, and the signal output unit may be connected to the cathode electrode of the second photodiode. In either case, the power supply applies the reverse bias to the first photodiode and the second photodiode, whereby the output control of the detection signal at high speed can be realized with a simple configuration.
本発明の光検出装置では、第1光源は、半導体レーザ又は発光ダイオードであってもよい。これによれば、第1パルス光を10KHz以上の周波数で変調することができる。 In the photodetector of the present invention, the first light source may be a semiconductor laser or a light emitting diode. According to this, the first pulsed light can be modulated at a frequency of 10 KHz or higher.
本発明の光検出装置では、第1光源は、10KHz以上の周波数で第1パルス光を出力してもよい。これによれば、例えば、対象物までの距離に関する情報を適切に取得することができる。 In the photodetector of the present invention, the first light source may output the first pulsed light at a frequency of 10 KHz or higher. According to this, for example, the information regarding the distance to the object can be appropriately acquired.
本発明の光検出装置は、第1フォトダイオード及び第1光源を収容する遮光性の筐体を更に備え、第2フォトダイオードは、筐体外に配置されていてもよい。これによれば、第2フォトダイオードにおいて第1パルス光がノイズになるのを防止することができる。 The photodetector of the present invention may further include a light-shielding housing that houses the first photodiode and the first light source, and the second photodiode may be arranged outside the housing. According to this, it is possible to prevent the first pulsed light from becoming noise in the second photodiode.
本発明の光検出装置では、第2フォトダイオードが感度を有する光の中心波長は、第1フォトダイオードが感度を有する光の中心波長とずれていてもよい。これによれば、第2フォトダイオードにおいて第1パルス光がノイズになるのを防止することができる。なお、第2フォトダイオードが感度を有する光の波長域の一部は、第1フォトダイオードが感度を有する光の波長域の一部に重なっていてもよい。 In the photodetector of the present invention, the central wavelength of the light to which the second photodiode has sensitivity may deviate from the central wavelength of the light to which the first photodiode has sensitivity. According to this, it is possible to prevent the first pulsed light from becoming noise in the second photodiode. In addition, a part of the wavelength range of light to which the second photodiode has sensitivity may overlap a part of the wavelength range of light to which the first photodiode has sensitivity.
本発明の光検出装置では、第1フォトダイオードを構成する半導体基板は、シリコン基板であり、第2フォトダイオードを構成する半導体基板は、化合物半導体基板であってもよい。これによれば、第2フォトダイオードにおいて第1パルス光がノイズになるのを防止しつつ、第2フォトダイオードにおいて1.5μm程度の波長を有する光を検出することができる。 In the photodetector of the present invention, the semiconductor substrate forming the first photodiode may be a silicon substrate, and the semiconductor substrate forming the second photodiode may be a compound semiconductor substrate. According to this, it is possible to detect light having a wavelength of about 1.5 μm in the second photodiode while preventing the first pulsed light from becoming noise in the second photodiode.
本発明の光検出装置では、第1フォトダイオードは、1つの第1フォトダイオードであり、第2フォトダイオードは、複数の第2フォトダイオードであり、1つの第1フォトダイオードに、互いに並列に接続された複数の第2フォトダイオードのそれぞれが直列に接続されており、信号出力部は、複数の第2フォトダイオードのそれぞれに流れた電流を検出信号として出力してもよい。これによれば、構成の複雑化を抑制しつつ、光検出装置を距離画像の取得に利用することができる。 In the photodetector of the present invention, the first photodiode is one first photodiode, the second photodiode is a plurality of second photodiodes, and the first photodiodes are connected in parallel to each other. Each of the plurality of second photodiodes that are connected may be connected in series, and the signal output unit may output the current that has flowed to each of the plurality of second photodiodes as a detection signal. According to this, the photodetection device can be used for acquiring the range image while suppressing the complication of the configuration.
本発明の光検出装置では、1つの第1フォトダイオードと、複数の第2フォトダイオードと、をそれぞれが有する複数の光検出ユニットが構成されていてもよい。これによれば、第1フォトダイオードに生じる負荷を軽減し、複数の光検出ユニットのそれぞれを好適に動作させることができる。 In the photodetector of the present invention, a plurality of photodetector units each having one first photodiode and a plurality of second photodiodes may be configured. According to this, the load generated on the first photodiode can be reduced, and each of the plurality of light detection units can be preferably operated.
本発明の光検出装置は、第2フォトダイオードが感度を有する第2パルス光を出力する第2光源を更に備えてもよい。これによれば、第1フォトダイオードに第1パルス光が照射されている状態において、第2パルス光を対象物に照射して、対象部で反射された第2パルス光を第2フォトダイオードに入射させることで、対象物までの距離に関する情報を取得することができる。 The photodetector of the present invention may further include a second light source that outputs the second pulsed light to which the second photodiode has sensitivity. According to this, in the state where the first photodiode is irradiated with the first pulsed light, the second pulsed light is irradiated onto the object, and the second pulsed light reflected by the target portion is irradiated onto the second photodiode. Information on the distance to the target can be acquired by making the light incident.
本発明によれば、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる光検出装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a photodetector capable of realizing high-speed output signal detection control with a simple configuration.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts will be denoted by the same reference symbols and redundant description will be omitted.
図1に示されるように、光検出装置1は、光検出部2と、第2光源3と、制御部4と、表示部5と、を備えている。光検出装置1は、間接TOF方式を利用して対象物OJの距離画像(対象物OJまでの距離dに関する情報を含む画像)を取得する装置である。
As shown in FIG. 1, the photodetector 1 includes a
図2に示されるように、光検出部2は、複数の第1PD(第1フォトダイオード)21と、複数の第2PD(第2フォトダイオード)22と、複数の信号処理回路(信号処理部)23と、複数の第1光源24と、複数の筐体25と、を有している。なお、図2は、光検出部2の一部分の構成図であるため、図2には、1つの第1PD21、1つの第1光源24及び1つの筐体25が示されている。
As shown in FIG. 2, the
複数の第2PD22は、2次元に(例えば、マトリックス状に)配列されており、エリアセンサを構成している。1つの第1PD21は、全数の第2PD22のうち所定数の第2PD22ごとに設けられている。光検出部2においては、1つの第1PD21と、当該1つの第1PD21に接続された複数の第2PD22と、をそれぞれが有する複数の光検出ユニット2uが構成されている。以下、1つの光検出ユニット2uに着目して、光検出部2の構成について説明する。
The plurality of
光検出部2では、1つの第1PD21に、互いに並列に接続された複数の第2PD22のそれぞれが直列に接続されている。具体的には、1つの第1PD21のアノード電極(第2電極)21aに、複数の第2PD22のそれぞれのカソード電極22cが接続されている。本実施形態では、第1PD21を構成する半導体基板は、シリコン基板であり、第2PD22を構成する半導体基板は、化合物半導体基板である。一例として、第1PD21は、Siフォトダイオードであり、第2PD22は、InGaAsフォトダイオードである。
In the
第1PD21のカソード電極(第1電極)21cには、電源26が接続されている。電源26は、例えば正電圧を印加することで、第1PD21及び複数の第2PD22に対して逆バイアスを印加する。複数の第2PD22のそれぞれのアノード電極22aには、信号出力部31が接続されており、信号出力部31には、信号処理回路23が接続されている。信号出力部31は、第2PD22に流れた電流を検出信号として出力する。信号出力部31は、例えば、第2PD22のアノード電極22aに接続された電極パッド等である。信号処理回路23は、オペアンプ27及びコンデンサ28によって構成されたチャージアンプ29を含んでいる。オペアンプ27の一方の入力端は、第2PD22のアノード電極22aに接続されている。オペアンプ27の他方の入力端は、参照電圧を印加する電圧印加部20を介して基準電位に接続されている。信号処理回路23は、信号出力部31から出力された検出信号を取得し、参照電圧に基づく増幅及び変換によって生成した出力電圧信号をオペアンプ27の出力端から制御部4に出力する。
A
第1光源24は、第1PD21が感度を有する(すなわち、第1PD21において光電変換が発生し得る)第1パルス光L1を出力する。第1光源24は、半導体レーザ又は発光ダイオードであり、10KHz以上の周波数で第1パルス光L1を出力する。本実施形態では、第1光源24は、例えばLED等であり、可視域の波長を有する第1パルス光L1を出力する。第1PD21及び第1光源24は、筐体25に収容されている。筐体25は、遮光性を有している。筐体25内では、第1光源24から出力された第1パルス光L1が第1PD21に入射する。なお、第2PD22は、筐体25外に配置されている。また、第2PD22が感度を有する(すなわち、第2PD22において光電変換が発生し得る)光の中心波長は、第1PD21が感度を有する光の中心波長とずれている。ただし、第2PD22が感度を有する光の波長域の一部は、第1PD21が感度を有する光の波長域の一部に重なっていてもよい。
The
図1に示されるように、第2光源3は、第2PD22が感度を有する第2パルス光L2を出力する。第2光源3は、半導体レーザ又は発光ダイオードであり、10KHz以上の周波数で第2パルス光L2を出力する。本実施形態では、第2光源3は、例えば赤外LED等であり、1.5μm程度の波長を有する第2パルス光L2を出力する。第2光源3から出力された第2パルス光L2は対象物OJに照射され、対象物OJで反射された第2パルス光L2は光検出部2の複数の第2PD22(図2参照)に入射する。制御部4は、光検出部2及び第2光源3を制御し、光検出部2から出力された出力電圧信号に基づいて対象物OJの距離画像を生成して、表示部5に表示させる。
As shown in FIG. 1, the second light source 3 outputs the second pulsed light L2 to which the
以上のように構成された光検出装置1では、第1PD21に第1パルス光L1が照射されている状態において第1パルス光L1の出力値がOFFの期間には、第1PD21においてキャリア(電子及び正孔)が発生しないため、第2パルス光L2の入射によって、複数の第2PD22のそれぞれにおいてキャリアが発生したとしても、複数の第2PD22のそれぞれに電流が流れない。つまり、第1パルス光L1の出力値がOFFの期間には、複数の第2PD22のそれぞれに流れた電流を検出信号として信号出力部31から信号処理回路23に出力させないことができる。その一方で、第1PD21に第1パルス光L1が照射されている状態において第1パルス光L1の出力値がONの期間には、第1PD21においてキャリアが発生するため、第2パルス光L2の入射によって、複数の第2PD22のそれぞれにおいてキャリアが発生すると、複数の第2PD22のそれぞれに電流が流れる。つまり、第1パルス光L1の出力値がONの期間には、複数の第2PD22のそれぞれに流れた電流を検出信号として信号出力部31から信号処理回路23に出力させることができる。ここで、第1パルス光L1は、10KHz以上の周波数で変調することが可能である。よって、光検出装置1によれば、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。なお、OFFの期間の第1パルス光L1の出力値は、0(すなわち、消灯に相当する出力値)のみに限定されず、ONの期間の第1パルス光L1の出力値(すなわち、点灯に相当する出力値)よりも低い出力値であって且つ第1PD21においてキャリアを発生させない出力値であればよい。
In the photodetector 1 configured as described above, while the output value of the first pulsed light L1 is OFF while the
なお、スイッチとして機能するフォトダイオードを検出用のフォトダイオードに接続することは通常考えられない。スイッチとしては、電気的な回路、物理的なシャッター等が容易に想定され、特定の光を出力する光源が別途必要になる光スイッチは容易には想定されないからである。また、フォトダイオードは、光の強弱を検出するものであり、通常は感度を一定にして使用することが想定されるものだからである。更に、スイッチとして機能するフォトダイオード用の光源から出力される光が検出用のフォトダイオードに影響することが懸念されるからである。 Note that it is not normally conceivable to connect the photodiode functioning as a switch to the detection photodiode. This is because an electrical circuit, a physical shutter, or the like is easily assumed as the switch, and an optical switch that requires a separate light source for outputting specific light is not easily assumed. This is also because the photodiode detects the intensity of light and is normally assumed to be used with a constant sensitivity. Furthermore, it is concerned that the light output from the light source for the photodiode functioning as a switch may affect the photodiode for detection.
また、光検出装置1では、信号出力部31から出力された検出信号が信号処理回路23によって取得される。これにより、信号出力部31から出力された検出信号を処理する(例えば、増幅及び変換する)ことができる。
Further, in the photodetector 1, the detection signal output from the
また、光検出装置1では、第1PD21のカソード電極21cに電源26が接続されており、第1PD21のアノード電極21aに第2PD22のカソード電極22cが接続されている。これにより、スイッチとして機能する第1PD21を介さずに第2PD22に信号出力部31を接続することができるため、信号出力部31から出力される検出信号にノイズが乗るのを抑制することができる。また、光検出部2の製造の容易化及び構造の単純化を図ることができる。更に、電源26が第1PD21及び第2PD22に対して逆バイアスを印加することで、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。なお、スイッチは、検出用のフォトダイオードと信号出力部との間に配置されることが通常であるところ、光検出部2の構成によれば、スイッチとして機能する第1PD21を介さずに第2PD22に信号出力部31を接続することができる。これは、上述したように、信号出力部31から出力される検出信号にノイズが乗るのを抑制し得る点で極めて有効な構成である。
In the photodetector 1, the
また、光検出装置1では、第1光源24が半導体レーザ又は発光ダイオードである。これにより、第1パルス光L1を10KHz以上の周波数で変調することができる。
Moreover, in the photodetector 1, the
また、光検出装置1では、第1光源24が10KHz以上の周波数で第1パルス光L1を出力する。これにより、例えば、対象物OJまでの距離dに関する情報を適切に取得することができる。
Further, in the photodetector 1, the
また、光検出装置1では、第2PD22が感度を有する光の中心波長が、第1PD21が感度を有する光の中心波長とずれている。しかも、第1PD21及び第1光源24が筐体25に収容されており、複数の第2PD22が筐体25外に配置されている。これらにより、複数の第2PD22のそれぞれにおいて第1パルス光L1がノイズになるのを防止することができる。
Moreover, in the photodetector 1, the center wavelength of the light to which the
また、光検出装置1では、第1PD21を構成する半導体基板がシリコン基板であり、第2PD22を構成する半導体基板が化合物半導体基板である。これにより、第2PD22において第1パルス光L1がノイズになるのを防止しつつ、第2PD22において1.5μm程度の波長を有する光を検出することができる。
In the photodetector 1, the semiconductor substrate forming the
また、光検出装置1では、1つの第1PD21に、互いに並列に接続された複数の第2PD22のそれぞれが直列に接続されており、信号出力部31が、複数の第2PD21のそれぞれに流れた電流を検出信号として出力し、複数の信号処理回路23を含む信号処理部が、複数の第2PD22のそれぞれに流れた電流を検出信号として取得する。これにより、構成の複雑化を抑制しつつ、対象物OJの距離画像を取得することができる。
Further, in the photodetector 1, each of the plurality of
また、光検出装置1では、1つの第1PD21と、複数の第2PD22と、をそれぞれが有する複数の光検出ユニット2uが構成されている。複数の第2PD22のそれぞれから検出信号を出力させるためには、当該複数の第2PD22に流れる電流の総和以上の電流が第1PD21に流れ得ることが必要となる。そこで、光検出装置1では、1つの第1PD21が、全数の第2PD22ではなく、全数の第2PD22のうちの所定数の第2PD22ごとに設けられている。これにより、第1PD21に生じる負荷を軽減し、複数の光検出ユニット2uのそれぞれを好適に動作させることができる。
Further, in the photodetection device 1, a plurality of
また、光検出装置1は、光検出部2と、第2PD22が感度を有する第2パルス光L2を出力する第2光源3と、を備えている。これにより、第1PD21に第1パルス光L1が照射されている状態において、第2パルス光L2を対象物OJに照射して、対象部で反射された第2パルス光L2を複数の第2PD22に入射させることで、次に述べる演算例のように、対象物OJまでの距離dに関する情報を取得することができる。
Moreover, the photodetector 1 includes a
対象物OJまでの距離dの演算例について、図3を参照して説明する。図3には、第2光源3から出力される第2パルス光L2の強度信号IOUT、対象物OJで反射されて第2PD22に入射する第2パルス光L2の強度信号IIN、第1段階で第1光源24から出力される第1パルス光L1の強度信号I1、第2段階で第1光源24から出力される第1パルス光L1の強度信号I2、及び第3段階で第1光源24から出力される第1パルス光L1の強度信号I3が示されている。なお、この演算例では、任意の1つの第2PD22に着目している。
An example of calculating the distance d to the object OJ will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the intensity signal I OUT of the second pulsed light L2 output from the second light source 3, the intensity signal I IN of the second pulsed light L2 reflected by the object OJ and incident on the
第1段階では、強度信号IOUTで第2光源3から第2パルス光L2が出力され且つ強度信号I1で第1光源24から第1パルス光L1が出力された状態で、出力電圧信号V1OUTが取得される。強度信号IOUTのパルス幅Tは、例えば、30n秒(測定可能距離:〜4.5m)、40n秒(測定可能距離:〜6.0m)、60n秒(測定可能距離:〜9.0m)というように、測定すべき距離に応じて設定される。強度信号I1は、強度信号IOUTと周期、パルス幅及び位相が同一の強度信号であり、第1PD21に入射した第1パルス光L1の強度信号とみなすことができる。このとき、第2PD22は、第1PD21に入射した第1パルス光L1の出力値がONの期間のみに検出信号を出力するので、出力電圧信号V1OUTは、強度信号IINのパルスと強度信号I1のパルスとが重なり合った部分の電荷量Q1の積分値に対応する。
In the first stage, the output voltage signal V1 OUT is output while the second pulsed light L2 is output from the second light source 3 with the intensity signal I OUT and the first pulsed light L1 is output from the
第2段階では、強度信号IOUTで第2光源3から第2パルス光L2が出力され且つ強度信号I2で第1光源24から第1パルス光L1が出力された状態で、出力電圧信号V2OUTが取得される。強度信号I2は、位相が180°ずれている点を除き、強度信号I1と同一の強度信号であり、第1PD21に入射した第1パルス光L1の強度信号とみなすことができる。このとき、第2PD22は、第1PD21に入射した第1パルス光L1の出力値がONの期間のみに検出信号を出力するので、出力電圧信号V2OUTは、強度信号IINのパルスと強度信号I2のパルスとが重なり合った部分の電荷量Q2の積分値に対応する。
In the second stage, the output voltage signal V2 OUT is output in a state where the second light source 3 outputs the second pulsed light L2 by the intensity signal I OUT and the intensity signal I2 outputs the first pulsed light L1 by the
第3段階では、第2光源3から第2パルス光L2が出力されず且つ強度信号I3で第1光源24から第1パルス光L1が出力された状態で、出力電圧信号V3OUTが取得される。このとき、第2PD22は、第1PD21に入射した第1パルス光L1の出力値がONの期間のみに検出信号を出力するので、出力電圧信号V3OUTは、外乱光があればその外乱光の強度信号と強度信号I3のパルスとが重なり合った部分の電荷量の積分値に対応する。
In the third stage, the output voltage signal V3 OUT is acquired in a state where the second pulsed light L2 is not output from the second light source 3 and the first pulsed light L1 is output from the
以上の第1段階、第2段階及び第3段階が第2PD22ごとに実施されると、制御部4は、第2PD22ごとに、出力電圧信号V1OUT,V2OUT,V3OUTに基づいて、対象物OJまでの距離dを演算する。距離dは、式(1)で表される。式(1)において、cは光速である。
以上のように、光検出装置1では、光検出部2を数十n秒オーダーでスイッチング動作(変調動作)させることができる。また、光検出装置1では、第2光源3が、1.5μm程度の波長を有する第2パルス光L2を出射する光源であり、複数の第2PD22が、1.5μm程度の波長を有する第2パルス光L2に対して十分な感度を有するInGaAsエリアセンサである。これにより、例えば霧中又は煙中においても対象物OJの距離画像を取得し易くなる。なお、上述した演算例は、あくまで一例であって、対象物OJまでの距離dに関する情報は、公知の種々の演算によって取得可能である。
As described above, in the photodetector 1, the
本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、複数の第2PD22は、1次元に配列されて、リニアセンサを構成していてもよい。また、図4に示されるように、1つの第1PD21に1つの第2PD22が直列に接続されていてもよい。その場合にも、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。また、その場合にも、対象物OJまでの距離dに関する情報を取得することができる。
The present invention is not limited to the above embodiments. For example, the plurality of
また、上述した実施形態では、第1PD21のカソード電極21cに電源26が接続されており、第1PD21のアノード電極21aに第2PD22のカソード電極22cが接続されていたが、電源26が、例えば正電圧を印加することで、第1PD21及び第2PD22に対して逆バイアスを印加する場合には、第2PD22のカソード電極22cに電源26が接続されており、第2PD22のアノード電極22aに第1PD21のカソード電極21cが接続されていてもよい。また、電源26が、例えば負電圧を印加することで、第1PD21及び第2PD22に対して逆バイアスを印加する場合には、図5に示されるように、第1PD21のアノード電極21aに電源26が接続されており、第1PD21のカソード電極21cに第2PD22のアノード電極22aが接続されていてもよいし、或いは、第2PD22のアノード電極22aに電源26が接続されており、第2PD22のカソード電極22cに第1PD21のアノード電極21aが接続されていてもよい。いずれの場合にも、電源26が第1PD21及び第2PD22に対して逆バイアスを印加することで、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。
Further, in the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、第1PD21がSiフォトダイオードであり、第2PD22がInGaAsフォトダイオードであったが、第1PD21及び第2PD22のそれぞれは、他のフォトダイオードであってもよい。第1光源24と第1PD21との組合せ、及び、第2光源3と第2PD22との組合せも、適宜選択可能である。
Further, in the above-described embodiment, the
また、第1PD21及び第1光源24が筐体25に収容されていれば、第1PD21及び第2PD22は、同一の種類のフォトダイオードであってもよい。また、第2PD22が感度を有する光の中心波長が、第1PD21が感度を有する光の中心波長とずれていれば、第1PD21及び第1光源24が筐体25に収容されていなくてもよい。第2PD22が感度を有する光の波長域の一部が、第1PD21が感度を有する光の波長域の一部に重なっている場合には、当該波長域の一部の光をカットするフィルタを、第1PD21側及び第2PD22側の少なくとも一方の側に設けてもよい。
Further, if the
また、信号処理回路23は、少なくとも積分回路を含むものであればよい。例えば、信号処理回路23は、ソースフォロアタイプの積分回路等であってもよい。
The
また、上述した光検出装置1の各構成には、上述した材料及び形状に限定されず、様々な材料及び形状を適用することができる。また、上述した一の実施形態又は変形例における各構成は、他の実施形態又は変形例における各構成に任意に適用することができる。 The materials and shapes described above are not limited to the materials and shapes described above, and various materials and shapes can be applied to each component of the above-described photodetector 1. In addition, each configuration in the above-described one embodiment or modification can be arbitrarily applied to each configuration in the other embodiment or modification.
また、光検出装置1は、第2光源3を備えていなくてもよい。その場合の光検出装置1としては、高速な物体・信号を検出するために必要なグローバルシャッタ動作(高速シャッタ動作)を有する赤外イメージセンサ等が例示される。 Further, the light detection device 1 may not include the second light source 3. An example of the photodetector 1 in that case is an infrared image sensor having a global shutter operation (high-speed shutter operation) necessary for detecting a high-speed object / signal.
1…光検出装置、2u…光検出ユニット、3…第2光源、21…第1PD(第1フォトダイオード)、21a…アノード電極(第2電極)、21c…カソード電極(第1電極)、22…第2PD(第2フォトダイオード)、22a…アノード電極、22c…カソード電極、23…信号処理回路(信号処理部)、24…第1光源、25…筐体、26…電源、31…信号出力部。 1 ... Photodetector, 2u ... Photodetector unit, 3 ... Second light source, 21 ... First PD (first photodiode), 21a ... Anode electrode (second electrode), 21c ... Cathode electrode (first electrode), 22 ... second PD (second photodiode), 22a ... anode electrode, 22c ... cathode electrode, 23 ... signal processing circuit (signal processing section), 24 ... first light source, 25 ... case, 26 ... power supply, 31 ... signal output Department.
Claims (13)
前記第1フォトダイオードに直列に接続された第2フォトダイオードと、
前記第1フォトダイオードが感度を有する第1パルス光を出力する第1光源と、
前記第2フォトダイオードに流れた電流を検出信号として出力する信号出力部と、を備える、光検出装置。 A first photodiode,
A second photodiode connected in series with the first photodiode;
A first light source that outputs a first pulsed light having sensitivity to the first photodiode;
And a signal output unit that outputs the current flowing in the second photodiode as a detection signal.
前記第2電極は、前記第1フォトダイオードのアノード電極であり、
前記第1フォトダイオードの前記アノード電極には、前記第2フォトダイオードのカソード電極が接続されており、
前記第2フォトダイオードのアノード電極には、前記信号出力部が接続されている、請求項3に記載の光検出装置。 The first electrode is a cathode electrode of the first photodiode,
The second electrode is an anode electrode of the first photodiode,
The cathode electrode of the second photodiode is connected to the anode electrode of the first photodiode,
The photodetector according to claim 3, wherein the signal output unit is connected to an anode electrode of the second photodiode.
前記第2電極は、前記第1フォトダイオードのカソード電極であり、
前記第1フォトダイオードの前記カソード電極には、前記第2フォトダイオードのアノード電極が接続されており、
前記第2フォトダイオードのカソード電極には、前記信号出力部が接続されている、請求項3に記載の光検出装置。 The first electrode is an anode electrode of the first photodiode,
The second electrode is a cathode electrode of the first photodiode,
An anode electrode of the second photodiode is connected to the cathode electrode of the first photodiode,
The photodetector according to claim 3, wherein the signal output unit is connected to the cathode electrode of the second photodiode.
前記第2フォトダイオードは、前記筐体外に配置されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の光検出装置。 Further comprising a light-shielding housing that houses the first photodiode and the first light source,
The photodetector according to claim 1, wherein the second photodiode is arranged outside the housing.
前記第2フォトダイオードを構成する半導体基板は、化合物半導体基板である、請求項9に記載の光検出装置。 The semiconductor substrate forming the first photodiode is a silicon substrate,
The photodetector according to claim 9, wherein the semiconductor substrate forming the second photodiode is a compound semiconductor substrate.
前記第2フォトダイオードは、複数の第2フォトダイオードであり、
前記1つの第1フォトダイオードに、互いに並列に接続された前記複数の第2フォトダイオードのそれぞれが直列に接続されており、
前記信号出力部は、前記複数の第2フォトダイオードのそれぞれに流れた電流を検出信号として出力する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光検出装置。 The first photodiode is one first photodiode,
The second photodiode is a plurality of second photodiodes,
Each of the plurality of second photodiodes connected in parallel to each other is connected in series to the one first photodiode,
The photodetector according to claim 1, wherein the signal output unit outputs, as a detection signal, a current flowing in each of the plurality of second photodiodes.
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