JP2021148477A - 光検出器及び距離計測装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態に係る距離計測装置1は、当該距離計測装置1と対象物との距離を計測することが可能なLIDAR(Light Detection and Ranging)の一種である。以下に、第1実施形態に係る距離計測装置1について説明する。尚、本明細書において“対象物TG”とは、距離計測装置1が距離を計測する範囲に含まれる物体のことを示している。
[1−1−1]距離計測装置1の構成について
図1は、第1実施形態に係る距離計測装置1の全体構成の一例を示している。図1に示すように、第1実施形態に係る距離計測装置1は、例えば、出射部10、光学系20、計測処理部30、及び画像処理部40を備えている。
図2は、第1実施形態に係る光検出器33の平面レイアウトの一例を示している。図2に示すように、光検出器33は、受光部DPを備えている。尚、以下で参照される図面において、“第1方向”及び“第2方向”は、互いに交差する方向に対応している。
図3は、第1実施形態に係る光検出器33の備えるSPADユニットSUの回路構成の一例を示している。図3に示すように、SPADユニットSUは、例えばアバランシェフォトダイオードAPD及びクエンチ抵抗Rqを含んでいる。
以下に、図4を参照して、アバランシェフォトダイオードAPDの構成の一例と、SPADの動作原理とについて説明する。図4は、アバランシェフォトダイオードAPDの構造の一例とSPADの動作原理との概略を示している。
第1実施形態に係る光検出器33は、受光部DPに含まれた所定の領域内の1つ又は複数の画素PXをオン状態にすることによって、受光領域DRを設定することが出来る。以下に、受光領域DRの設定方法の一例について説明する。
第1実施形態に係る光検出器33は、例えば、受光領域DR内の複数の画素PXから取得された光信号(出力信号IOUT)を第2増幅器35に転送する前に、当該出力信号IOUTに対して所定の信号処理を実行する構成をさらに有する。
以下に、第1実施形態に係る距離計測装置1の動作について説明する。
まず、第1実施形態に係る距離計測装置1におけるレーザ光L1のスキャン方法の一例について説明する。図7〜図9は、対象物TGに対するレーザ光L1の照射方法の一例を示し、互いに異なるスキャン方法を例示している。
第1実施形態に係る距離計測装置1は、非同軸光学系を使用する。このため、受光部DPにおいて、近距離の対象物TGによる反射光が照射される位置と、遠距離の対象物TGによる反射光が照射される位置との間でずれ、すなわち視差が生じ得る。
図11は、第1実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作における光検出器33の受光領域DRの設定方法の一例を示し、距離計測装置1の出射光及び出射光の光軸と、光検出器33の受光部DPとを表示している。図11に示すように、第1実施形態に係る光検出器33は、座標“N”及び“M”が指定されると、遠距離受光領域FDRと近距離受光領域NDRとを含む受光領域DRを設定する。
図12は、第1実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作において光検出器33に照射される反射光の具体例を示し、図11と同様の受光部DPを表示している。また、図12の上側が、対象物TGが遠距離に位置している場合の反射光の形状の一例に対応し、図12の下側が、対象物TGが近距離に位置している場合の反射光の形状の一例に対応している。
距離計測システムの一種であるLIDAR(Light Detection and Ranging)は、レーザを計測対象物に照射し、計測対象物から反射された反射光の強度をセンサで感知し、センサの出力に基づいて時系列のデジタル信号に変換する。そして、LIDARと計測対象物との間の距離が、例えばレーザが発光してから感知した反射光のピークまでの時間差に基づいて計算される。LIDARの計測データは、例えば車両の制御に使用することが想定されるため、高い精度が求められている。
第2実施形態に係る距離計測装置1は、第1実施形態と同様の構成を有し、近距離受光領域NDRにおける画素PXをパルス出射時からの経過時間に応じてオフさせる。以下に、第2実施形態に係る距離計測装置1について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図13は、第2実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作における光検出器33の受光領域DRの設定方法の一例を示している。図13(a)〜(d)は、この順番に、計測開始から時間が経過していることを示している。つまり、第1時間、第2時間、第3時間は、この順番に、計測開始からの時間経過が長いことを示している。
以上のように、第2実施形態に係る距離計測装置1は、時間経過に応じて近距離受光領域NDR内の画素PXをオフ状態にする。言い換えると、第2実施形態に係る距離計測装置1は、近距離対象物からの反射光を受光する可能性のある期間だけ、近距離受光領域NDR内の画素PXを適宜オン状態にする。
第3実施形態に係る距離計測装置1は、第1実施形態と同様の構成を有し、受光領域DRから出力される複数の出力信号の出力方法に関する。以下に、第3実施形態に係る距離計測装置1について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図14は、第3実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作において光検出器33が検出した光強度信号の出力経路の一例を示している。図14に示すように、第3実施形態に係る光検出器33では、例えば図11と同様の受光領域DRが設定される。
以上のように、第3実施形態に係る光検出器33は、受光領域DR内の複数の画素PXの受光結果を出力において、複数の画素PXで出力経路を共有している。言い換えると、第3実施形態に係る光検出器33では、画素PXと出力の割り当てが周期的である。
第4実施形態に係る距離計測装置1は、第1実施形態と同様の構成を有し、図8或いは図9に示した様に、距離計測動作において第1方向に延伸した形状のパルス光を用いる。以下に、第4実施形態に係る距離計測装置1について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図16は、第4実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作における光検出器33の受光領域DRの設定方法の一例を示している。図16に示すように、第4実施形態に係る距離計測装置1では、出射光が第1方向に延伸した形状を有している。第4実施形態における出射光の形状は、少なくとも第1方向に延伸した部分を有していればよく、例えば楕円形であっても良い。
以上のように、第4実施形態に係る距離計測装置1は、縦長のパルス光を使用し且つ受光領域DRに複数のチャネルCHを設けることによって、一度に複数の計測結果を得ることが出来る。つまり、第4実施形態に係る距離計測装置1は、1画面分のスキャンを実行する速度を向上させることが出来、測長のフレームレートを向上させることが出来る。また、第4実施形態に係る距離計測装置1は、各チャネルCHに近距離受光領域NDRと遠距離受光領域FDRとを設定することによって、各チャネルCHにおいて第1実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
[5]第5実施形態
第5実施形態に係る距離計測装置1は、第4実施形態と同様の構成を有し、距離計測動作において、互いに異なる画素サイズを用いた複数の近距離受光領域を設ける。以下に、第5実施形態に係る距離計測装置1について、第4実施形態と異なる点を説明する。
図17は、第5実施形態に係る距離計測装置1の距離計測動作における光検出器33の受光領域DRの設定方法の一例を示し、受光領域DRに4つのチャネルCHが設定されている場合を例示している。図17に示すように、第5実施形態に係る光検出器33は、座標“N”及び“M”が指定されると、遠距離受光領域FDRと、複数の近距離受光領域NDRとを含む受光領域DRを設定する。本例では、複数の近距離受光領域NDRとして、“NDR1”と“NDR2”とが設定されている。
以上のように、第5実施形態に係る距離計測装置1は、近距離受光領域NDRにおいて、遠距離受光領域FDRよりも大きいサイズの画素を備えている。これにより、光検出器33は、近距離受光領域NDR内の画素の受光結果を纏めて出力することが出来、出力信号の取り扱いが容易になる。
上記実施形態は、組み合わせることが可能である。例えば、第2実施形態は、第3〜第5実施形態とのいずれとも組み合わされ得る。第3実施形態は、第4及び第5実施形態のいずれとも組み合わされ得る。さらに、3つ以上の実施形態が組み合わされても良い。複数の実施形態が組み合わされた距離計測装置1は、組み合わされた実施形態のそれぞれの効果を得ることが出来る。
Claims (18)
- 基板上に2次元に配置された複数のセンサと、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素とを含む受光部と、
前記受光部に前記複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第1の受光領域と、前記第1の受光領域と異なる第2の受光領域とを設定し、
前記第1の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第1画素を含み、
前記第2の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第2画素を含み、
前記第2の受光領域は、前記第1の受光領域を基準として、前記受光部が受けるレーザ光の光軸から離れる方に配置され、
前記制御部は、前記第1画素と前記第2画素とのそれぞれをオンさせた後に、前記第1画素をオンさせた状態で前記第2画素をオフさせる、
光検出器。 - 前記第2画素が含む前記センサの個数は、前記第1画素が含む前記センサの個数よりも多い、
請求項1に記載の光検出器。 - 前記第2の受光領域では、複数の前記第2画素が、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とが隣り合う第1方向に並んで配置され、
前記制御部は、前記第1画素と前記複数の第2画素とのそれぞれをオンさせた後に、前記第1画素をオンさせた状態で、前記第1の受光領域に対して遠い方から順番に前記複数の第2画素をオフさせる、
請求項1に記載の光検出器。 - 前記第2の受光領域では、複数の前記第2画素が、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とが隣り合う第1方向に並んで配置され、
前記制御部は、前記第1の受光領域に対して遠い方から順番に、前記第2画素が検出した光信号を出力させる、
請求項1に記載の光検出器。 - 前記複数のセンサの各々は、アノードが第1電源ノードに接続されたアバランシェフォトダイオードと、一端が第2電源ノードに接続され、他端が前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチ素子とを含み、
前記制御部は、前記センサをオンさせている時に、前記第1電源ノードに第1電圧を印加し、前記第2電源ノードに前記第1電圧よりも高い第2電圧を印加する、
請求項1に記載の光検出器。 - 基板上に2次元に配置された複数のセンサを含む受光部と、
前記受光部に前記複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第1の受光領域と、前記第1の受光領域と異なる第2の受光領域とを設定し、
前記第2の受光領域は、前記第1の受光領域を基準として、前記受光部が受けるレーザ光の光軸から離れる方に配置され、
前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とが隣り合う第1方向における幅は、前記第1の受光領域よりも前記第2の受光領域の方が広い、
光検出器。 - 前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とが隣り合う第1方向と交差する第2方向における幅は、前記第1の受光領域よりも前記第2の受光領域の方が狭い、
請求項6に記載の光検出器。 - 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
前記制御部は、前記座標の情報に基づいて第3の受光領域をさらに設定し、
前記第2の受光領域は、前記第1の受光領域と前記第3の受光領域との間に配置され、
前記第1の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第1画素を含み、
前記第2の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第2画素を含み、
前記第3の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第3画素を含み、
前記第2画素が含む前記センサの個数は、前記第1画素が含む前記センサの個数よりも多く、前記第3画素が含む前記センサの個数は、前記第2画素が含む前記センサの個数よりも多い、
請求項6に記載の光検出器。 - 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
前記第1の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第1画素を含み、
前記第2の受光領域は、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とが隣り合う第1方向に並んだ複数の第2画素を含み、
前記制御部は、前記第1の受光領域に対して遠い方から順番に、前記第2画素が検出した光信号を出力させる、
請求項6に記載の光検出器。 - 前記複数のセンサの各々は、アノードが第1電源ノードに接続されたアバランシェフォトダイオードと、一端が第2電源ノードに接続され、他端が前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチ素子とを含み、
前記制御部は、前記センサをオンさせている時に、前記第1電源ノードに第1電圧を印加し、前記第2電源ノードに前記第1電圧よりも高い第2電圧を印加する、
請求項6に記載の光検出器。 - 光信号を出射する投光部と、
前記投光部によって出射された光信号の反射光を受光し、基板上に2次元に配置された複数のセンサと、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素とを含む受光部と、
前記受光部に前記複数のセンサを選択的にオンさせた受光領域を設定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、外部から入力された座標の情報に基づいて、第1の受光領域と、前記第1の受光領域と異なる第2の受光領域とを設定し、
前記第1の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第1画素を含み、
前記第2の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第2画素を含み、
前記第2の受光領域は、前記第1の受光領域を基準として、前記光信号の光軸から離れる方に配置され、
前記制御部は、前記第1画素と前記第2画素とのそれぞれをオンさせた後に、前記第1画素をオンさせた状態で前記第2画素をオフさせる、
距離計測装置。 - 前記第1の受光領域は、前記第1の受光領域と前記第2の受光領域とが隣り合う第1方向と交差する第2方向に並んだ第1及び第2チャネルを含み、
前記制御部は、前記投光部によって出射された1つの光信号と、前記受光部が受光した前記1つの光信号に関連付けられた反射光の受光結果とに基づいて、前記光信号を受けた対象物との間の前記第1チャネルに対応する距離と前記第2チャネルに対応する距離とのそれぞれを計測する、
請求項11に記載の距離計測装置。 - 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
前記第1の受光領域の前記第1チャネルと前記第2チャネルとのそれぞれは、前記複数の画素に含まれた第1画素を含み、
前記第2の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第2画素を含み、前記第2画素が含む前記センサの個数は、前記第1画素が含む前記センサの個数よりも多く、
前記第2画素は、前記第1チャネル内の第1画素と前記第2チャネル内の第1画素とのそれぞれと前記第1方向に隣り合っている、
請求項12に記載の距離計測装置。 - 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
前記制御部は、前記座標の情報に基づいて第3の受光領域をさらに設定し、
前記第2の受光領域は、前記第1の受光領域と前記第3の受光領域との間に配置され、
前記第1の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第1画素を含み、
前記第2の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第2画素を含み、
前記第3の受光領域は、前記複数の画素に含まれた第3画素を含み、
前記第2画素が含む前記センサの個数は、前記第1画素が含む前記センサの個数よりも多く、前記第3画素が含む前記センサの個数は、前記第2画素が含む前記センサの個数よりも多い、
請求項11に記載の距離計測装置。 - 前記制御部は、
前記第1画素と前記第2画素とのそれぞれをオンさせた後に、前記第1画素及び前記第2画素をオンさせた状態で前記第3画素をオフさせ、
前記第3画素をオフさせた後に、前記第1画素をオンさせた状態で前記第2画素をオフさせる、
請求項14に記載の距離計測装置。 - 前記制御部は、前記投光部が前記光信号を出射するタイミングと、前記受光部が前記反射光を受光するタイミングとに基づいて、前記光信号を受けた対象物との間の距離を計測する、
請求項11に記載の距離計測装置。 - 前記受光部は、各々が少なくとも一つの前記センサを含む複数の画素を含み、
前記制御部は、前記受光部が前記第2の受光領域において前記反射光を受光した場合に、前記反射光を検知した画素の位置に基づいて、前記光信号を受けた対象物との間の距離を計測する、
請求項11に記載の距離計測装置。 - 前記複数のセンサの各々は、アノードが第1電源ノードに接続されたアバランシェフォトダイオードと、一端が第2電源ノードに接続され、他端が前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチ素子とを含み、
前記制御部は、前記センサをオンさせている時に、前記第1電源ノードに第1電圧を印加し、前記第2電源ノードに前記第1電圧よりも高い第2電圧を印加する、
請求項11に記載の距離計測装置。
Priority Applications (2)
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