JP6609980B2

JP6609980B2 - 光飛行時間測定装置及び光学的測距装置

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Publication number: JP6609980B2
Application number: JP2015093205A
Authority: JP
Inventors: 謙太東; 禎祐木村; 憲幸尾崎; 謙一柳井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2019-11-27
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: JP2016211881A

Description

本発明は、光飛行時間測定装置及び光学的測距装置に関する。

従来より、光の受光に応答して受光信号を出力する受光素子を有する画素を含む受光部と、画素から受光信号を入力したタイミングに応じた時間を光飛行時間（ＴＯＦ時間）として計測する時間計測部とを備えた光飛行時間測定装置が供されている。発光部から発光された照射光が物体（ターゲット）で反射した反射光の受光に応答して受光信号を出力する構成では、図３０に示すように、スタート信号を出力したタイミングから発光部が照射光を発光したタイミングまでの時間差が発光側の遅延時間となり、画素が反射光を受光したタイミングから時間計測部が受光信号を入力したタイミングまでの時間差が受光側の遅延時間（画素から時間計測部までの遅延時間）となる。そのため、それらの遅延時間を含む時間を光飛行時間として計測する構成では、光飛行時間の精度が十分でないという問題がある。特に受光部の面積が大面積化されている場合には影響が多大である。一方、特許文献１には、画素に信号を入力し、画素の故障診断を行う技術が開示されている。

A 0.18μm CMOS SoC for a 100m-Range 10-Frame/s 200x96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor Cristiano Niclass et.al.

しかしながら、特許文献１に開示されている技術は、画素の故障診断を行う技術であり、上記した受光側の遅延時間を測定するものではない。このような事情から、受光側の遅延時間を測定可能な構成が望まれている。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、画素が光を受光したタイミングから時間計測部が受光信号を入力したタイミングまでの時間差を受光側の遅延時間として測定することができる光飛行時間測定装置及び光学的測距装置を提供することにある。

請求項１に記載した発明によれば、受光部は、光の受光に応答して受光信号を出力する受光素子を有する画素を含む。時間計測部は、画素から受光信号を入力したタイミングに応じた時間を光飛行時間として計測する。ここで、遅延測定回路は、画素が光を受光したタイミングから時間計測部が受光信号を入力したタイミングまでの時間差を受光側の遅延時間として特定可能な遅延測定信号を出力する。

請求項１に記載した発明によれば、受光部は、光の受光に応答して受光信号を出力する受光素子を有する複数の画素が二次元行列状に配置されている。時間計測部は、画素から受光信号を入力したタイミングに応じた時間を光飛行時間として計測する。ここで、遅延測定回路は、各画素に設けられ、画素が光を受光したタイミングから時間計測部が受光信号を入力したタイミングまでの時間差を受光側の遅延時間として特定可能な遅延測定信号を出力する。動作セレクタは、各画素に設けられ、画素からの受光信号の出力と遅延測定信号の出力とを選択的に切り替える。遅延測定回路は、遅延測定開始信号の入力に応じて動作セレクト信号を動作セレクタに入力させ、動作セレクタは、動作セレクト信号の入力に応じて受光信号の出力を許可する状態と遅延測定信号の出力を許可する状態とを選択的に切り替える。受光信号が伝播する配線の少なくとも一部と遅延測定信号が伝播する配線の少なくとも一部とが共通に設けられている。

本発明の第１の実施形態を示し、全体構成を示す機能ブロック図照射光の経路を示す図照射光の走査範囲を示す図照射光の走査周期を示す図測距動作モードでの信号の流れを示す図測距動作処理を示すフローチャート遅延測定動作モードでの信号の流れを示す図遅延測定動作処理を示すフローチャート受光部及び周辺の構成を示す図画素の構成を示す機能ブロック図画素の構成を示す電気回路図画素のタイミングチャート画素の構成を示す電気回路図画素のタイミングチャート時間計測部の構成を示す機能ブロック図時間計測部のタイミングチャート本発明の第２の実施形態を示し、画素から時間計測部までの遅延時間と遅延測定信号の遅延時間との関係を示す図受光部及び周辺の構成を示す図画素の構成を示す機能ブロック図画素の構成を示す電気回路図画素のタイミングチャート画素の構成を示す電気回路図画素のタイミングチャート時間計測部の構成を示す機能ブロック図時間計測部のタイミングチャート本発明の第３の実施形態を示し、画素の配列を示す図画素の配列を示す図画素の配列を示す図画素の列番号と遅延時間との関係を示す図タイミングチャート

（第１の実施形態）
以下、本発明を車両に搭載可能なレーダー装置に適用した第１の実施形態について図１から図１６を参照して説明する。レーダー装置（光飛行時間測定装置及び光学的測距装置に相当）は、車両に搭載されている状態で自装置から車両周囲の物体（ターゲット）までの距離測定（測距）を行う。レーダー装置が車両に搭載される態様はどのような態様でも良い。例えばレーダー装置が車両前方部に搭載される態様では車両前方が物体の検出エリアとなり、レーダー装置が車両後方部に搭載される態様では車両後方が物体の検出エリアとなる。車両周囲の物体は、例えば歩行者、先行車両、後続車両、壁等である。

レーダー装置１は、図１に示すように、制御部２と、距離測定部３と、遅延測定部４と、時間計測部５と、発光部６と、受光部７とを有する。距離測定部３、遅延測定部４、時間計測部５及び受光部７は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスにより同一基板上に作成可能である。

発光部６は、図２に示すように、光源８及び一次元スキャナ９を有すると共に、走査制御部（図示せず）を有する。光源８は、例えば半導体レーザーダイオードで構成されており、パルスレーザー光を照射光として発光する（照射する）。光源８から発光される照射光は、図３に示すように、走査方向ＳＤ１に対して垂直方向が長手方向となる矩形状に成形されている（スキャン光ＳＬ）。又、光源８から発光される照射光は、例えばパルス幅が４ｎｓであり、発光周期が４μｓである。

一次元スキャナ９は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナと、そのＭＥＭＳスキャナの駆動を制御するスキャナ制御回路とを有する。一次元スキャナ９は、駆動源（図示せず）から駆動指示信号を入力すると、回転軸１０を振動中心としてミラー１１を振動させ、光源８から発光された照射光の一次元走査を所定の走査角度の範囲Ｒ１で行う。尚、一次元スキャナ９における走査角度の範囲Ｒ１は、図４に示すように、例えば−２７°〜＋２７°である。又、走査周期は、例えば５０ｍｓであり、４０ｍｓの時間で−２７°から＋２７°まで走査し、１０ｍｓの時間で＋２７°から−２７°まで戻る。

光源８から発光された照射光は、コリメートレンズ１２を通過して一次元スキャナ９に到達する（光Ｌ１）。一次元スキャナ９に到達した照射光は、ミラー１１で反射し、ミラー１１の走査角度に応じた方向に向かって照射され（光Ｌ２）、車両周囲の物体に到達すると、物体で反射する。そして、その物体で反射した照射光は、反射光（物体で反射した信号光）として受光レンズ１３を通過して受光部７に到達する（光Ｌ３）。尚、上述したように照射光は矩形状に成形されているので、受光部７には、反射光の走査方向ＳＤ２に対して垂直方向が長手方向となる矩形状に成形された反射光が到達する（反射光ＲＬ）。又、矩形状に成形された反射光の長手方向の長さが、矩形状に形成されている受光面ＲＰの短手方向の長さよりも長くなるように、光源８から発光される照射光の長手方向の長さが設定されている。

走査制御部は、一次元スキャナ９の走査角度を検出し、その検出した走査角度に基づいて光源８からの照射光の発光を制御すると共に、一次元スキャナ９による照射光の走査を制御する。又、走査制御部は、レーダー装置１を搭載している車両の走行速度（車速）を示す車速信号（車速パルス）を車速センサから入力し、その入力した車速信号により特定した車速に応じて光源８及び一次元スキャナ９のそれぞれの動作を制御する。

具体的には、走査制御部は、車速に応じて光源８からの発光強度を変更し、車速が相対的に遅いときには発光強度を相対的に低減させ、車速が相対的に速いときには発光強度を相対的に増大させる。又、走査制御部は、車速に応じて一次元スキャナ９の走査角度の範囲Ｒ１を変更し、車速が相対的に遅いときには走査角度の範囲Ｒ１を相対的に広く設定し、車速が相対的に速いときには走査角度の範囲Ｒ１を相対的に狭く設定する。車速が相対的に遅ければ、車両周囲に歩行者が存在する可能性が高く、周辺の歩行者の存在を考慮する必要がある。このとき、発光強度を相対的に低減させることで、強度が高い照射光の歩行者への照射を回避することができ、走査角度の範囲Ｒ１を相対的に広く設定することで、歩行者の存在を速やかに検出することができる。一方、車速が相対的に速ければ、先行車両の存在を考慮する必要がある。このとき、発光強度を相対的に増大させることで、遠方の先行車両を検出することができ、走査角度の範囲Ｒ１を相対的に狭く設定することで、先行車両が存在しない可能性が高い領域を走査範囲から除外し、遠方の先行車両を速やかに検出することができる。

さて、この種のレーダー装置１では、上記した［発明が解決しようとする課題］で説明したように、受光部７を構成する各画素が光を受光したタイミングから時間計測部５が受光信号を入力したタイミングまでの時間差を受光側の遅延時間（画素から時間計測部５までの遅延時間）として測定することが望まれている。このような事情に鑑み、レーダー装置１は、以下のように構成されている。

制御部２は、マイクロコンピュータを有し、予め格納している制御プログラムを実行することで、レーダー装置１の動作を制御する。制御部２は、レーダー装置１の動作モードとして測距動作モードと遅延測定動作モードとを選択的に切り替える。制御部２は、測距動作モードを選択することでレーダー装置１を測距動作モードにより動作させ、遅延測定動作モードを選択することでレーダー装置１を遅延測定動作モードにより動作させる。

制御部２は、測距動作モードを選択しているときには、図５に示すように、測距指示信号を距離測定部３に出力する。距離測定部３は、制御部２から測距指示信号を入力すると、測距開始信号を発光部６、受光部７及び時間計測部５に出力し、発光部６、受光部７及び時間計測部５による測距動作を制御する。

発光部６は、距離測定部３から測距開始信号を入力すると、照射光を発光する（照射する）。受光部７は、距離測定部３から測距開始信号を入力すると、光の受光（入射）を待機し、照射光が物体で反射された反射光の受光や例えば太陽光等の外乱光（背景光）の受光を検出すると、その受光強度（受光レベル）に応じた受光信号を時間計測部５に出力する。時間計測部５は、距離測定部３から測距開始信号を入力すると、受光部７からの受光信号の入力を待機し、受光部７から受光信号を入力すると、測距開始信号を入力したタイミングから受光信号を入力したタイミングまでの時間差に基づいて光飛行時間（ＴＯＦ時間）を計測し、その計測したＴＯＦ時間を距離測定部３に出力する。そして、距離測定部３は、時間計測部５からＴＯＦ時間を入力すると、その入力したＴＯＦ時間に基づいて距離情報を演算し、その演算した距離情報を制御部２に出力する。

レーダー装置１は、測距動作モードにより動作しているときには、図６に示すように、測距動作処理を行う。レーダー装置１は、測距動作モードによる動作を開始すると、測距動作のスタンバイ（測距動作を行うのに必要な事前処理）を開始する（Ｓ１）。レーダー装置１は、測距動作のスタンバイを正常に終了すると、発光部６からの照射光の発光を行う（Ｓ２）。レーダー装置１は、光の受光に応答して受光信号が受光部７から時間計測部５に入力されると、ＴＯＦ時間を時間計測部５により計測し（Ｓ３）、その計測したＴＯＦ時間が時間計測部５から距離測定部３に入力されると、ＴＯＦ時間毎の出力回数を距離測定部３により累積する（Ｓ４）。レーダー装置１は、予め規定されている規定時間（受光動作の時間）が経過したか否かを制御部２により判定し（Ｓ５）、規定時間が経過していないと判定すると（Ｓ５：ＮＯ）、上記したステップＳ３に戻り、ステップＳ３以降を繰り返して行う。

レーダー装置１は、規定時間が経過したと判定すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、予め規定されている規定回数の繰り返し（受光動作の繰り返し）を終了したか否かを制御部２により判定し（Ｓ６）、規定回数の繰り返しを終了していないと判定すると（Ｓ６：ＮＯ）、上記したステップＳ２に戻り、ステップＳ２以降を繰り返して行う。そして、レーダー装置１は、規定回数の繰り返しを終了したと判定すると（Ｓ６：ＹＥＳ）、ＴＯＦ時間毎の出力回数の累積結果に基づいて距離情報を距離測定部３により演算し（Ｓ７）、測距動作モードによる動作を終了する。

一方、図７に示すように、制御部２は、遅延測定動作モードを選択しているときには、遅延測定指示信号を遅延測定部４に出力する。遅延測定部４は、制御部２から遅延測定指示信号を入力すると、遅延測定開始信号を受光部７及び時間計測部５に出力し、受光部７及び時間計測部５による遅延測定動作を制御する。又、遅延測定部４は、時間計測部５から遅延時間（画素から時間計測部５までの遅延時間）を入力すると、その入力した遅延時間に基づいて遅延補正情報を演算し、その演算した遅延補正情報を制御部２に出力する。

レーダー装置１は、遅延測定動作モードにより動作しているときには、図８に示すように、遅延測定動作処理を行う。レーダー装置１は、遅延測定動作モードによる動作を開始すると、遅延測定動作のスタンバイ（遅延測定動作を行うのに必要な事前処理）を開始する（Ｓ１１）。レーダー装置１は、遅延測定動作のスタンバイを正常に終了し、遅延測定信号が受光部７から時間計測部５に入力されると、遅延時間を時間計測部５により計測し（Ｓ１２）、その計測した遅延時間が時間計測部５から遅延測定部４に入力されると、遅延補正情報を遅延測定部４により演算し（Ｓ１３）、遅延測定動作モードによる動作を終了する。

制御部２は、このようにして測距動作モードを選択しているときに距離測定部３から入力した距離情報と、遅延測定動作モードを選択しているときに遅延測定部４から入力した遅延補正情報とに基づいて自装置から車両周囲の物体までの距離測定を行う。

以下、レーダー装置１が測距動作モードによる動作と遅延測定動作モードによる動作とを切り替えて行う構成について説明する。受光部７は、図９に示すように、水平方向及び鉛直方向にそれぞれ１つ以上の画素１４が配列され、複数の画素１４が二次元行列状（図９の例示では６×４）に配列されて構成されている。

複数の画素１４は、その列毎に選択制御線１５を介して遅延測定部４と接続されている。遅延測定部４は、動作セレクト信号を選択制御線１５を介して各画素１４に出力することで、各画素１４の動作を測距動作と遅延測定動作との間で切り替え、遅延測定開始信号を選択制御線１５を介して各画素１４に出力することで遅延測定を行う。遅延測定部４は、遅延測定開始信号及び動作セレクト信号を各画素１４に出力することに対応し、遅延測定開始信号及び動作セレクト信号を時間計測部５にも出力する。

又、複数の画素１４は、その行毎に信号出力線１６を介して時間計測部５と接続されている。時間計測部５は、レーダー装置１が測距動作モードにより動作しているときには各画素１４からの画素出力信号として受光信号を信号出力線１６を介して入力し、レーダー装置１が遅延測定動作モードにより動作しているときには各画素１４からの画素出力信号として遅延測定信号を信号出力線１６を介して入力する。

各画素１４は、図１０に示すように、光の受光に応答する受光素子としてのＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）１７と、遅延測定部４から遅延測定開始信号を入力する遅延測定回路１８と、ＳＰＡＤ１７から入力した信号と遅延測定回路１８から入力した信号とを選択的に切り替えて出力する動作セレクタ１９と、動作セレクタ１９から入力した信号を画素出力信号として出力する読み出し回路２０とを有する。

ＳＰＡＤ１７は、そのアノードとカソードとの間に降伏電圧（ブレークダウン電圧）Ｖ_ＢＲ以上の逆バイアス電圧が印加されてガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであり、単一光子の受光を検出可能である。尚、図１０の例示では、１つの画素１４が１つのＳＰＡＤ１７を有する構成であるが、１つの画素１４が複数（例えば４個）のＳＰＡＤ１７を有する構成でも良い。その場合、複数のＳＰＡＤ１７に対して複数（ＳＰＡＤ１７と同数）の遅延測定回路１８が個別に設けられる構成でも良いし、複数のＳＰＡＤ１７に対して１個の遅延測定回路１８が共通して設けられる構成でも良い。このように１つの画素１４が複数のＳＰＡＤ１７を有する構成では、複数のＳＰＡＤ１７のうち幾つかのＳＰＡＤ１７に反射光が同時に受光されたことを、画素１４に反射光が受光されたという検出方法を採用することができる。即ち、このような検出方法を採用することで、複数のＳＰＡＤ１７が同時に誤検出する可能性が極めて低くなり、画素１４の誤検出を低減することができる。

次に、画素１４の電気的に構成について説明する。ここでは、
（１）動作セレクタ１９が動作セレクト信号の入力に連動して出力を切り替える構成
（２）動作セレクタ１９が遅延測定開始信号の入力に連動して出力を切り替える構成
について説明する。

図１１は、動作セレクタ１９が動作セレクト信号の入力に連動して出力を切り替える構成を採用した画素１４の電気回路図を示す。遅延測定回路１８は、インバータ２１を有する。ＳＰＡＤ１７のカソードは電源電圧Ｖ_ＤＤ２に接続されており、ＳＰＡＤ１７のアノードはクエンチ抵抗２２を介して接地されている。クエンチ抵抗２２は、ＳＰＡＤ１７のアノードとカソードとの間に降伏電圧Ｖ_ＢＲ以上の逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤが印加されている状態で光子が入射すると、アバランシェ電流が発生し、このアバランシェ電流は一度発生すると流れ続けるので、逆バイアス電圧Ｖ_ＳＰＡＤを降伏電圧Ｖ_ＢＲ以下まで低下させてアバランシェ電流を止めるように作用する。尚、抵抗の代わりにＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いても良い。ＳＰＡＤ１７のアノードとクエンチ抵抗２２との接続点はインバータ２３を介して動作セレクタ１９の第１の入力端子に接続されている。

遅延測定回路１８を構成するインバータ２１の出力端子は動作セレクタ１９の第２の入力端子に接続されている。読み出し回路２０は、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（Ｐ型トランジスタ）２６とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（Ｎ型トランジスタ）２７とを有する。Ｐ型トランジスタ２６は、そのドレインが電源電圧Ｖ_ＤＤ１に接続され、そのソースがＮ型トランジスタ２７のドレインに接続されている。Ｎ型トランジスタ２７は、そのドレインがＰ型トランジスタ２６のソースに接続され、そのソースが接地されている。上記した動作セレクタ１９の出力端子は、Ｐ型トランジスタ２６のゲートとＮ型トランジスタ２７のゲートとの接続点に接続されている。又、Ｐ型トランジスタ２６のソースとＮ型トランジスタ２７のドレインとの接続点は画素１４の出力端子とされている。

上記した構成の画素１４は、図１２に示すように動作する。動作セレクタ１９は、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がロウレベルの状態では第１の入力端子に入力される信号を出力可能な状態になり、ＳＰＡＤ１７の応答に応じて信号（Ｖ_Ｓ１）を第１の入力端子に入力すると、その入力した信号（Ｖ_Ｓ１）を読み出し回路２０に出力する。その結果、画素１４は、画素出力信号（Ｖ_ＯＵＴ）としてＳＰＡＤ１７の応答に応じた受光信号を読み出し回路２０から出力する（図１２中ｔ１参照）。一方、動作セレクタ１９は、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がハイレベルの状態では第２の入力端子に入力される信号を出力可能な状態になり、遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）をパルス信号として第２の入力端子に入力すると、その入力した遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）を読み出し回路２０に出力する。その結果、画素１４は、画素出力信号（Ｖ_ＯＵＴ）としてＳＰＡＤ１７の応答に応じた受光信号に類似した信号を読み出し回路２０から出力する（図１２中ｔ２参照）。

図１３は、動作セレクタ１９が遅延測定開始信号の入力に連動して出力を切り替える構成を採用した画素１４の電気回路図を示す。遅延測定回路１８は、第１の信号遅延時間（ｔｄ１）が設定されている第１の遅延測定回路３１と、第２の信号遅延時間（ｔｄ２）が設定されている第２の遅延回路３２と、インバータ３３と、Ｄ型フリップフロップ回路３４とを有する。第１の信号遅延時間（ｔｄ１）は第２の信号遅延時間（ｔｄ２）よりも長く設定されている。第２の遅延回路３２の出力端子はインバータ３３を介して動作セレクタ１９の第２の入力端子に接続されている。Ｄ型フリップフロップ回路３４は、その入力端子Ｄが電源電圧Ｖ_ＤＤ１に接続され、その出力端子Ｑが動作セレクタ１９に接続されていると共に第１の遅延回路３１を介して自身のリセット端子に接続されている。即ち、遅延測定回路１８は、遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）の入力に応じて動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）を動作セレクタ１９に入力させる。

上記した構成の画素１４は、図１４に示すように動作する。動作セレクタ１９は、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がロウレベルの状態では第１の入力端子に入力される信号を出力可能な状態になり、ＳＰＡＤ１７の応答に応じて信号（Ｖ_Ｓ１）を第１の入力端子に入力すると、その入力した信号（Ｖ_Ｓ１）を読み出し回路２０に出力する。その結果、画素１４は、画素出力信号（Ｖ_ＯＵＴ）としてＳＰＡＤ１７の応答に応じた受光信号（Ｖ_ＯＵＴ）を読み出し回路２０から出力する（図１４中ｔ１１参照）。一方、動作セレクタ１９は、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がロウレベルの状態で遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）が遅延測定回路１８に入力されると、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がロウレベルからハイレベルに変化することで、第２の入力端子に入力される信号を出力可能な状態になり、遅延測定開始信号をパルス信号として第２の入力端子に入力すると、その入力した遅延測定信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）を読み出し回路２０に出力する。その結果、画素１４は、画素出力信号（Ｖ_ＯＵＴ）としてＳＰＡＤ１７の応答に応じた受光信号に類似した信号を読み出し回路２０から出力する（図１４中ｔ１２参照）。その後、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がロウレベルからハイレベルに変化してから一定時間（第１の遅延回路３１の信号遅延時間（ｔｄ１））が経過すると、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がハイレベルからロウレベルに変化し、遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）が遅延測定回路１８に入力される前の状態に戻る（図１４中ｔ１３参照）。尚、動作セレクタ１９が遅延測定開始信号の入力に連動して出力を切り替える構成では、動作セレクタ１９が動作セレクト信号の入力に連動して出力を切り替える構成と比較すると、動作セレクト信号を伝播させる配線が不要となる利点があり、その分、画素１４内での受光面積（開口率）を多く確保することできる。

次に、時間計測部５の構成について説明する。時間計測部５は、２信号の入力タイミングの時間差をデジタル信号として出力し、測距動作と遅延測定動作とを略共通の回路で行う。時間計測部５は、動作制御信号を入力することで、計測結果の出力先を距離測定部３と遅延測定部４との間で切り替える。時間計測部５は、図１５に示すように、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）４１と、ＴＤＣ（Time to Digital Converter）４２と、計測制御回路４３とを有する。ＰＬＬ４１は、時間基準クロックを生成し、その生成した時間基準クロックをＴＤＣ４２に出力する。ＴＤＣ４２は、ＰＬＬ４１から入力した時間基準クロックを利用し、２信号の入力タイミングの時間差をデジタル信号として計測制御回路４３に出力する。

計測制御回路４３は、レーダー装置１が測距動作モードにより動作しているときには、図１６（ａ）に示すように、測距開始信号を入力したタイミングから画素出力信号（受光信号）を入力したタイミングまでの時間差（図１６中ｔ２１〜ｔ２２）をＴＯＦ時間として計測し、その計測したＴＯＦ時間を距離測定部３に出力する。一方、計測制御回路４３は、レーダー装置１が遅延測定動作モードにより動作しているときには、図１６（ｂ）に示すように、遅延測定開始信号を入力したタイミングから画素出力信号（遅延測定信号）を入力したタイミングまでの時間差（図１６中ｔ３１〜ｔ３２）を画素１４から時間計測部５までの遅延時間として計測し、その計測した遅延時間を遅延測定部４に出力する。

以上に説明したように第１の実施形態によれば、次に示す作用効果を得ることができる。レーダー装置１において、遅延測定開始信号の入力に応じて遅延測定信号を出力する遅延測定回路１８を設けたので、遅延測定回路１８から出力される遅延測定信号を用いることで、画素１４が光を受光したタイミングから時間計測部５が受光信号を入力したタイミングまでの時間差を受光側の遅延時間として測定することができる。例えば受光側の遅延時間に基づいて距離情報を補正することで、自装置から車両周囲の物体までの距離測定の精度を高めることができる。又、例えば故障の判定基準となる基準時間が予め設定されていれば、受光側の遅延時間が基準時間よりも長いと判定することで、故障の発生を特定することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図１７から図２５を参照して説明する。尚、上記した第１の実施形態と同一部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。第１の実施形態により計測する画素１４から時間計測部５までの遅延時間には、図１７に示すように、遅延測定部４から各画素１４まで伝播する遅延測定信号の遅延時間が含まれる。この点に関し、第２の実施形態は、画素が遅延測定フィードバック（ＦＢ）信号を出力することで、遅延測定信号の遅延時間による影響を解消する点で第１の実施形態とは異なる。

第２の実施形態は、図１８に示すように、第１の実施形態で説明した受光部７に代えて受光部５１が設けられている。受光部５１は、水平方向及び鉛直方向にそれぞれ１つ以上の画素５２が配列され、複数の画素５２が二次元行列状に配列されて構成されている。複数の画素５２は、その列毎に選択制御線５３を介して遅延測定部４と接続されている。遅延測定部４は、動作セレクト信号を選択制御線５３を介して各画素５２に出力することで、各画素５２の動作を測距動作と遅延測定動作との間で切り替え、遅延測定開始信号を選択制御線５３を介して各画素５２に出力することで遅延測定を行う。又、複数の画素５２は、その列毎にＦＢ信号出力線５４を介して遅延測定部４と接続されている。遅延測定部４は、遅延測定開始信号及び動作セレクト信号を各画素５２に出力することに対応し、遅延測定開始信号及び動作セレクト信号を時間計測部５に出力し、各画素５２から遅延測定ＦＢ信号を入力することに対応し、遅延測定ＦＢ信号を時間計測部５に出力する。

又、複数の画素５２は、その行毎に信号出力線５５を介して時間計測部５と接続されている。時間計測部５は、レーダー装置１が測距動作モードにより動作しているときには各画素５２からの画素出力信号として受光信号を信号出力線５５を介して入力し、レーダー装置１が遅延測定動作モードにより動作しているときには各画素５２からの画素出力信号として遅延測定信号を信号出力線５５を介して入力する。

画素５２は、図１９に示すように、第１の実施形態で説明したＳＰＡＤ１７と、遅延測定回路１８と、動作セレクタ１９と、読み出し回路２０とを有すると共に、遅延測定ＦＢ回路５６を有する。遅延測定ＦＢ回路５６を有する画素５２では、遅延測定開始信号が遅延測定部４から出力されて各画素５２に入力されるまでの遅延時間と、遅延測定ＦＢ信号が各画素５２から出力されて遅延測定部４に入力されるまでの遅延時間との時間差が所定値以下となるように設計（レイアウト）されていることが望ましい。又、画素５２では、遅延測定開始信号が遅延測定部４から出力されて時間計測部５に入力されるまでの遅延時間が、遅延測定開始信号が遅延測定部４から出力されて各画素５２に入力されるまでの遅延時間及び遅延測定ＦＢ信号が各画素５２から出力されて時間計測部５に入力されるまでの遅延時間のうちの少なくとも一方の遅延時間以下となるように設計されている（レイアウト）されていることが望ましい。

次に、画素５２の電気的に構成について説明する。ここでは、
（１）遅延測定開始信号と遅延測定ＦＢ信号とを別々の配線とする構成
（２）遅延測定開始信号と遅延測定ＦＢ信号とを同一の配線とする構成
について説明する。

（１）遅延測定開始信号と遅延測定ＦＢ信号とを別々の配線とする構成
図２０は、遅延測定開始信号と遅延測定ＦＢ信号とを別々の配線とする構成とした画素５１の電気回路図を示す。遅延測定ＦＢ回路５６は、インバータ６１を有する。インバータ６１の入力端子は遅延測定回路１８のインバータ２５の出力端子に接続されている。

上記した構成の画素５２は、図２１に示すように動作する。動作セレクタ１９は、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がロウレベルの状態では第１の入力端子から入力する信号を出力可能な状態になり、ＳＰＡＤ１７の応答に応じて信号（Ｖ_Ｓ１）を第１の入力端子に入力すると、その入力した信号（Ｖ_Ｓ１）を読み出し回路２０に出力する。その結果、画素５２は、画素出力信号（Ｖ_ＯＵＴ）としてＳＰＡＤ１７の応答に応じた受光信号を読み出し回路２０から出力する（図２１中ｔ４１参照）。一方、動作セレクタ１９は、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がハイレベルの状態では第２の入力端子から入力する信号を出力可能な状態になり、遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）をパルス信号として第２の入力端子に入力すると、その入力した遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）を読み出し回路２０に出力する。その結果、画素５２は、画素出力信号（Ｖ_ＯＵＴ）としてＳＰＡＤ１７の応答に応じた受光信号に類似した信号（Ｖ_ＯＵＴ）を読み出し回路２０から出力する（図２１中ｔ４２参照）。又、遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）が遅延測定回路１８から動作セレクタ１９に入力されることに伴い、遅延測定ＦＢ回路５６は、遅延測定ＦＢ信号（Ｖ_ＤＬＹ）を出力する。即ち、遅延測定部４が遅延測定開始信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）を出力したタイミングから遅延測定ＦＢ信号（Ｖ_ＤＬＹ）を入力したタイミングまでの時間差には往復分の配線の遅延が影響するので、遅延測定部４は、その時間差を測定することで、遅延測定信号の遅延時間を測定する。

（２）遅延測定開始信号と遅延測定ＦＢ信号とを同一の配線とする構成
図２２は、遅延測定開始信号と遅延測定ＦＢ信号とを同一の配線とする構成とした画素５２の電気回路図を示す。遅延測定ＦＢ回路５６は、遅延回路７１と、インバータ７２と、Ｄ型フリップフロップ回路７３とを有する。Ｄ型フリップフロップ回路７３は、その入力端子Ｄが電源電圧Ｖ_ＤＤ１に接続され、その出力端子Ｑがインバータ７２に接続されていると共に遅延回路７１を介して自身のリセット端子に接続されている。

上記した構成の画素５２は、図２３に示すように動作する。動作セレクタ１９は、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がロウレベルの状態では第１の入力端子から入力する信号を出力可能な状態になり、ＳＰＡＤ１７の応答に応じて信号（Ｖ_Ｓ１）を第１の入力端子に入力すると、その入力した信号（Ｖ_Ｓ１）を読み出し回路２０に出力する。その結果、画素５２は、画素出力信号（Ｖ_ＯＵＴ）としてＳＰＡＤ１７の応答に応じた受光信号を読み出し回路２０から出力する（図２３中ｔ５１参照）。一方、動作セレクタ１９は、動作セレクト信号（Ｖ_ＥＮ）がハイレベルの状態では第２の入力端子から入力する信号を出力可能な状態になり、遅延測定信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）をパルス信号として第２の入力端子に入力すると、その入力した遅延測定信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）を読み出し回路２０に出力する。その結果、画素５２は、画素出力信号（Ｖ_ＯＵＴ）としてＳＰＡＤ１７の応答に応じた受光信号に類似した信号を読み出し回路２０から出力する（図２３中ｔ５２参照）。その後、遅延測定ＦＢ回路５６は、遅延測定信号（Ｖ_ＴＥＳＴ）を遅延測定ＦＢ信号として出力する（図２３中ｔ５３参照）。即ち、画素５２は、遅延測定信号と遅延測定ＦＢ信号とを同一の配線により出力する。

次に、時間計測部５の構成について説明する。時間計測部５は、図２４に示すように、遅延測定ＦＢ信号を入力する点が第１の実施形態と異なる。計測制御回路４３は、レーダー装置１が測距動作モードにより動作しているときには、図２５（ａ）に示すように、第１の実施形態で説明した図１５（ａ）と同様に、測距開始信号を入力したタイミングと画素出力信号（受光信号）を入力したタイミングとの時間差（図２５中ｔ６１〜ｔ６２）をＴＯＦ時間として計測し、その計測したＴＯＦ時間を距離測定部３に出力する。一方、計測制御回路４３は、レーダー装置１が遅延測定動作モードにより動作しているときには、図２５（ｂ）に示すように、遅延測定開始信号を入力したタイミングから遅延測定ＦＢ信号を入力したタイミングまでの半分の時間に相当したタイミングを特定し、遅延測定開始信号を入力したタイミングから当該特定したタイミングまでの時間差（図２５中ｔ７１〜ｔ７２）を遅延測定信号の遅延時間として計測し、その特定したタイミングから画素出力信号（遅延測定信号）を入力したタイミングまでの時間差（図２５中ｔ７２〜ｔ７３）を画素５２から時間計測部５までの遅延時間として計測し、その計測した遅延時間を遅延測定部４に出力する。尚、遅延測定指示信号と遅延測定ＦＢ信号とを同一の配線とする構成では、遅延測定指示信号と遅延測定ＦＢ信号とを別々の配線とする構成と比較すると、配線を低減する利点があり、その分、画素５２内での受光面積（開口率）を多く確保することできる。

以上に説明したように第２の実施形態によれば、次に示す作用効果を得ることができる。遅延測定開始信号の遅延測定回路１８への入力をフィードバックする遅延測定ＦＢ信号を出力する遅延測定ＦＢ回路５６を設けたので、遅延測定信号の遅延時間を測定することができ、画素５２から時間計測部５までの遅延時間から遅延測定信号の遅延時間を減算することで、受光側の遅延時間をより正確に測定することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図２６から図２９を参照して説明する。尚、上記した第１の実施形態と同一部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。第１の実施形態は、受光部７を構成する全ての画素１４が遅延測定回路１８を有する構成であるが、第３の実施形態は、受光部を構成する全ての画素のうち一部が遅延測定回路を有する又は受光部を構成する全ての画素とは異なるダミー画素が遅延測定回路を有する点で第１の実施形態とは異なる。

図２６に示す構成では、受光部８１において、二次元行列状に配列されている複数の画素８２、８３のうち最上位の行に属する画素８２は第１の実施形態で説明した画素１４と同様に遅延測定回路１８を有する画素であり、それ以外の画素８３は遅延測定回路１８を有しない画素である。水平方向の画素が多い場合、垂直方向の遅延時間は一定と仮定又は予め決定された遅延時間とし、水平方向の遅延時間のみを測定することで、メモリ量を削減したり遅延時間の測定に要する時間を削減したりすることができる。又、配線を低減する分、受光部８１での受光面積（開口率）を多く確保することできる。尚、遅延測定回路１８を有する画素８２が最上位の行に配列される構成に限らず、遅延測定回路１８を有する画素８２が最下位の行に配列される構成でも良いし、最上位の行と最下位の行との間の途中の行に配列される構成でも良い。

図２７に示す構成では、受光部９１において、二次元行列状に配列されている複数の画素９２、９３のうち最上位及び最下位の両方の行にそれぞれ属する画素９２は遅延測定回路を有する画素であり、それ以外の画素９３は遅延測定回路を有しない画素である。この場合も、メモリ量を削減したり遅延時間の測定に要する時間を削減したりすることができると共に、配線を低減する分、受光部９１での受光面積（開口率）を多く確保することできる。又、最上位の行及び最下位の行にそれぞれ属する画素９２では遅延時間を測定するので、垂直方向の遅延時間が測定可能となり、図２６に示した構成と比較すると、受光側の遅延時間をより正確に測定することができる。

図２８に示す構成では、受光部１０１の水平方向の上方近傍に、ダミー画素行が設けられている。ダミー画素行を構成する複数の画素１０２は遅延測定回路１８を有する画素であり、受光部１０１に二次元行列状に配列されている複数の画素１０３は遅延測定回路を有しない画素である。受光部１０１の外部にダミー画素行が設けられることで、受光部１０１での受光面積（開口率）を維持したまま垂直方向の遅延時間が測定可能となる。尚、ダミー画素行が受光部１０１の水平方向の上方近傍に設けられる構成に限らず、ダミー画素行が受光部１０１の水平方向の下方近傍に設けられる構成でも良いし、ダミー画素行が受光部１０１の水平方向の上方近傍及び下方近傍の両方に設けられる構成でも良い。尚、第２の実施形態で説明した遅延測定ＦＢ回路５６についても、遅延測定回路１８と同様にして、受光部を構成する全ての画素のうち一部に設けられても良いし、受光部の上方近傍や下方近傍のダミー画素行に設けられても良い。

又、図２９に示すように、行毎の列番号と遅延時間との対応を列番号の１次関数として保持し、その１次関数から遅延時間を計測しても良い。行毎の列番号と遅延時間との対応を列番号の１次関数として保持する構成では、受光部を構成する全ての画素分の遅延時間を保持する構成と比較すると、メモリ量を削減することができる。又、行番号と列番号と遅延時間との対応を行番号と列番号の２次関数として保持し、その２次関数から遅延時間を計測しても良い。

（その他の実施形態）
本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
本実施形態では、車両に搭載されているレーダー装置から車両周囲の物体までの距離測定を行う構成を例示したが、車両以外の用途に適用しても良い。
第１の実施形態では、遅延測定回路１８及び動作セレクタ１９が画素１４の内部に配置される構成を例示したが、遅延測定回路１８及び動作セレクタ１９が画素１４の外部に配置される構成でも良い。又、第２の実施形態では、遅延測定回路１８、動作セレクタ１９及び遅延測定ＦＢ回路５６が画素５２の内部に配置される構成を例示したが、遅延測定回路１８及び遅延測定ＦＢ回路５６が画素５２の内部に配置される構成でも良い。このように構成すれば、画素内の配線を削減することができる。

第３の実施形態では、二次元行列状に配列されている複数の画素のうち一部の行に属する画素が遅延測定回路１８を有する画素とされる構成を例示したが、二次元行列状に配列されている複数の画素のうち一部の列に属する画素が遅延測定回路１８を有する画素とされる構成でも良い。又、二次元行列状に配列されている複数の画素のうち四隅の少なくとも１カ所の画素が遅延測定回路１８を有する画素とされる構成でも良い。

図面中、１はレーダー装置（光飛行時間測定装置、光学的測距装置）、２は制御部、３は距離測定部、４は遅延測定部、５は時間計測部、６は発光部、７は受光部、１４、５２は画素、１８は遅延測定回路、５６は遅延測定フィードバック回路である。

Claims

光の受光に応答して受光信号を出力する受光素子（１７）を有する複数の画素（１４、５２）が二次元行列状に配置されている受光部（７）と、
前記画素から前記受光信号を入力したタイミングに応じた時間を光飛行時間として計測する時間計測部（５）と、を備え、
各画素に設けられ、遅延測定開始信号を入力すると、前記画素が光を受光したタイミングから前記時間計測部が前記受光信号を入力したタイミングまでの時間差を受光側の遅延時間として特定可能な遅延測定信号を出力する遅延測定回路（１８）と、
各画素に設けられ、前記画素からの前記受光信号の出力と前記遅延測定信号の出力とを選択的に切り替える動作セレクタ（１９）と、を備え、
前記遅延測定回路は、前記遅延測定開始信号の入力に応じて前記動作セレクト信号を前記動作セレクタに入力させ、
前記動作セレクタは、前記動作セレクト信号の入力に応じて前記受光信号の出力を許可する状態と前記遅延測定信号の出力を許可する状態とを選択的に切り替え、
前記受光信号が伝播する配線の少なくとも一部と前記遅延測定信号が伝播する配線の少なくとも一部とが共通に設けられていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１に記載した光飛行時間測定装置において、
前記時間計測部は、前記遅延測定開始信号を入力したタイミングから前記遅延測定信号を入力したタイミングまでの時間差に基づいて前記画素から前記時間計測部までの遅延時間を計測することを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１又は２に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定開始信号の前記遅延測定回路への入力をフィードバックする遅延測定フィードバック信号を出力する遅延測定フィードバック回路（５６）を備えたことを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項３に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定開始信号が伝播する配線の少なくとも一部と前記遅延測定フィードバック信号が伝播する配線の少なくとも一部とが共通に設けられていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項４に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定開始信号が伝播する配線の少なくとも一部と前記遅延測定フィードバック信号が伝播する配線の少なくとも一部とが前記画素内又は前記画素近傍で短絡されていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項３から５の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定フィードバック回路は、前記遅延測定開始信号の前記遅延測定回路への入力に応じて前記遅延測定フィードバック信号の出力を開始することを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項３から６の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定開始信号が前記遅延測定回路に入力されるまでの遅延時間と、前記遅延測定フィードバック信号が前記遅延測定フィードバック回路から出力されて前記時間計測部に入力されるまでの遅延時間との時間差が所定値以下となるように設計されていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項３から７の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定開始信号が前記時間計測部に入力されるまでの遅延時間が、前記遅延測定開始信号が前記遅延測定回路に入力されるまでの遅延時間及び前記遅延測定フィードバック信号が前記遅延測定フィードバック回路から出力されて前記時間計測部に入力されるまでの遅延時間のうちの少なくとも一方の遅延時間以下となるように設計されていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項３から８の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記時間計測部は、前記遅延測定開始信号を入力したタイミングから前記遅延測定フィードバック信号を入力したタイミングまでの時間差に基づいて前記遅延測定信号の遅延時間を計測することを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１から９の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１０に記載した光飛行時間測定装置において、
前記受光素子は、ガイガーモードで動作する単一光子アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１１に記載した光飛行時間測定装置において、
前記画素は、単一光子アバランシェフォトダイオードのクエンチングを行うクエンチ抵抗（２２）と、前記受光信号をデジタル信号として出力する読み出し回路（２０）と、を有することを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１から１２の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記受光部は、前記遅延測定回路を有する前記画素を、二次元配列のうちの水平方向の一行又は垂直方向の一列に含むことを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１から１２の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記受光部は、前記遅延測定回路を有する前記画素を、二次元配列のうちの水平方向の上下両端一行又は垂直方向の左右両端一列に含むことを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１から１２の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記受光部は、前記遅延測定回路を有する前記画素を、二次元配列のうちの四隅のうち少なくとも１カ所に含むことを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１から１２の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記受光部とは別に、前記遅延測定回路を有する画素をダミー画素として備えたことを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１から１６の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記受光部と前記時間計測部とが同一のチップ上に作成されていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１から１７の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記画素から前記時間計測部までの遅延時間に基づいて遅延補正情報を演算する遅延測定部（４）を備えたことを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１８に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定部は、前記画素から前記時間計測部までの遅延時間と前記遅延測定信号の遅延時間とに基づいて前記遅延補正情報を演算することを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１８又は１９に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定部は、遅延測定指示信号を入力すると、前記遅延測定開始信号を前記受光部及び前記時間計測部に出力することを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１７から２０の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定開始信号が前記遅延測定部から出力されて前記遅延測定回路に入力されるまでの遅延時間と、前記遅延測定フィードバック信号が前記遅延測定フィードバック回路から出力されて前記時間計測部に入力されるまでの遅延時間との時間差が所定値以下となるように設計されていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１７から２１の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記遅延測定開始信号が前記遅延測定部から出力されて前記時間計測部に入力されるまでの遅延時間が、前記遅延測定開始信号が前記遅延測定部から出力されて前記遅延測定回路に入力されるまでの遅延時間及び前記遅延測定フィードバック信号が前記遅延測定フィードバック回路から出力されて前記時間計測部に入力されるまでの遅延時間のうちの少なくとも一方の遅延時間以下となるように設計されていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１７から２２の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置において、
前記受光部と前記時間計測部と前記遅延測定部とが同一のチップ上に作成されていることを特徴とする光飛行時間測定装置。
請求項１から２３の何れか一項に記載した光飛行時間測定装置と、
測距開始信号を入力すると、照射光を発光する発光部（６）と、
光飛行時間に基づいて距離情報を演算する距離測定部（３）と、
距離測定を行う制御部（２）と、を備え、
前記時間計測部は、前記測距開始信号を入力したタイミングから前記受光信号を入力したタイミングまでの時間差に基づいて前記光飛行時間を計測し、
前記制御部は、前記距離情報と前記遅延補正情報とに基づいて距離測定を行うことを特徴とする光学的測距装置。
請求項２４に記載した光学的測距装置において、
前記制御部は、前記発光部からの照射光の発光を休止している期間で遅延測定を行うことを特徴とする光学的測距装置。