JP7337517B2 - 光検出器及び距離測定装置 - Google Patents
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Description
第1実施形態に係る光検出器と、当該光検出器を備える距離測定装置と、について説明する。第1実施形態に係る距離測定装置は、例えば、レーザを使用して対象物との距離を測定するLiDAR(:Light detection and ranging)であり、第1実施形態に係る光検出器は、例えば、半導体基板上に集積可能なフォトマルチプライヤ(Semiconductor photon-multiplier、特にSiPM:Silicon photon-multiplier)である。
第1実施形態に係る光検出器を備える距離測定装置の構成について説明する。
図1は、第1実施形態に係る距離測定装置の構成を説明するためのブロック図である。
次に、第1実施形態に係る光検出器の構成について説明する。
次に、第1実施形態に係る光検出器のレイアウトを図4及び図5に示される平面図を用いて説明する。図4では、複数のチャネルユニットCHU及び複数の選択積算器XFRの全体的なレイアウトが示される。図5では、図4に示された全体的なレイアウトのうち、或るチャネルユニットCHUi及び選択積算器XFRiの組の一部分の詳細なレイアウトが示される。
次に、第1実施形態に係る光検出素子及びスイッチ素子の断面構造について、それぞれ図6及び図7を用いて説明する。図6及び図7はそれぞれ、図5に示されるVI-VI線、及びVII-VII線に沿う断面を示す。
次に、第1実施形態に係る距離測定装置の動作について説明する。
図8は、第1実施形態に係る距離測定装置における距離測定処理を説明するための模式図である。図8では、スキャナ及び光学系13から出射されたレーザが走査する領域と、当該レーザの走査によって得られる対象物2の距離データを可視化したものが模式的に示される。図8の例では、レーザは、PQR空間に照射される。R軸は、距離測定装置1を搭載した乗用車等から対象物2に向かう軸であり、例えば、レーザの出射方向の中心に沿う。PQ面は、R軸に直交し、レーザの出射口から同心円状に広がる曲面である。P軸及びQ軸は、PQ面内において互いに直交する軸である。距離データは、例えば、当該PQ面への写像として生成される。以下の説明では、PQ面のうちレーザが通過する領域を、レーザ走査領域SAと定義する。
次に、第1実施形態に係る距離測定装置におけるセンサ面の選択処理について図9を用いて説明する。図9では、光検出器14内のセンサ領域SeRのうち、出力ノードCHоutに接続され積算される光検出素子DCを含む領域と、切断され積算されない光検出素子DCを含む領域と、が模式的に識別される。より具体的には、図9の左部(A)及び右部(B)はそれぞれ、センサ領域SeRの互いに異なる領域で受光する場合が示される。また、図9の例では、説明の便宜上、1つのチャネルユニットCHUあたり6個のセルユニットCU1~CU6を含む場合が示される(m=6)。
第1実施形態によれば、出力信号のSN比(Signal-to-noise ratio)の悪化を抑制することができる。本実施形態に係る効果について、以下に説明する。
次に、第2実施形態に係る距離測定装置について説明する。第2実施形態は、非選択のセルユニットCUが出力ノードCHoutとは異なるノードに電気的に接続されるようにする点、及び光検出素子DCの一部を光検出素子DCとして機能させない(ダミーセルとする)点において、第1実施形態と異なる。以下では、第1実施形態と同等の構成及び動作についてはその説明を省略し、第1実施形態と異なる構成及び動作について主に説明する。
図10は、第2実施形態に係る光検出器の構成を説明するための回路図である。図10は、第1実施形態における図2に示した選択器Sを、スイッチ素子Tに加えてスイッチ素子Dを含む構成で実現するものである。図10では、スイッチ領域SwR内の選択積算器XFR1及びXFR2の回路構成が主に図示される。説明の便宜上、スイッチ領域SwR内の他の選択積算器XFR3~XFRn、及びセンサ領域SeR内のチャネルユニットCHUの回路構成については省略されている。
次に、第2実施形態に係る距離測定装置におけるセンサ面の選択処理について図11を用いて説明する。図11は、第1実施形態における図9の左部(A)に対応する。
第2実施形態によれば、光検出素子DCは、スイッチ素子Tを介して出力ノードCHoutに接続され、スイッチ素子Dを介して出力ノードDMoutに接続される。互いに対応するスイッチ素子T及びDは、インバータINVによって、互いに反転した信号が入力されるように構成される。これにより、出力ノードCHoutから電気的に切断された全てのセルユニットCUは、出力ノードDMoutに電気的に接続される。このため、非選択の受光領域が受ける意図しない光(例えば、環境光)が出力ノードCHoutに与える影響を抑制することができる。したがって、出力信号のSN比の悪化を抑制することができる。更に、例えば、センサ領域SeR内に大量の光子が照射された場合、非選択のセルユニットCUで発生したガイガー電流が出力ノードCHoutに流れることを抑制することができ、出力の飽和状態を緩和することができる。
次に、第3実施形態に係る距離測定装置について説明する。第3実施形態は、選択ノードSELと選択されるセルユニットCUとの対応関係を、隣り合うチャネルユニットCHU間で左右にシフトさせることができる点において、第1実施形態及び第2実施形態と異なる。以下では、第1実施形態と同等の構成及び動作についてはその説明を省略し、第1実施形態と異なる構成及び動作について主に説明する。
まず、図12を参照して、第3実施形態に係る光検出器の機能構成について説明する。
次に、第3実施形態に係る距離測定装置におけるセンサ面の選択処理について図14を用いて説明する。図14では、センサ領域SeRに照射される光Lcが、チャネルユニットCHUの並ぶ方向(すなわち、Y方向)に対して傾いて分布する場合が示される。より具体的には、図14では、光Lcが、チャネルユニットCHU1~CHUiの範囲ではセルユニットCU2及びCU3が並ぶ領域に照射され、チャネルユニットCHU(i+1)~CHUnの範囲ではセルユニットCU3及びCU4が並ぶ領域に照射される場合が示される。
第3実施形態によれば、スイッチ領域SwRには-X方向のシフタとして機能するスイッチ素子Sm及びインバータINVm、並びに+X方向のシフタとして機能するスイッチ素子Sp及びインバータINVpを含む。これにより、計測周期毎にセンサ領域SeRに照射される光Lcが、センサ領域SeR内においてチャネルユニットCHUの並ぶ方向(Y方向)に対して傾いている場合においても、光Lcの照射面を適切に選択することができる。すなわち、光Lcが+X方向に傾いている場合には+X方向のシフタを用いることによって、-X方向に傾いている場合には-X方向のシフタを用いることによって、選択されるセルユニットCUを光Lcに沿うようにシフトさせることができる。このため、投光系と受光系との間に光軸のずれがある場合に、光学系の調整を行う代わりに、このシフト機能を用いることにより電気的に調整を行うことができる。当該電気的な調整は、特許文献2に記載された装置と同等の装置により、自動化することが可能であり、調整の作業を自動化することが可能である。また、経年劣化や振動等によって光Lcの形状が当初の想定からずれても、SN比の悪化を抑制しつつ、適切な出力信号を得ることができる。
以上、種々の実施形態について説明したが、第1実施形態乃至第3実施形態は、これに限られず、種々の変形が適宜適用可能である。
Claims (11)
- 基板上の第1領域に形成され、各々が複数の光検出素子を含む第1グループ及び第2グループと、
前記第1グループ内の前記複数の光検出素子のうち複数の第1光検出素子を選択し、前記複数の第1光検出素子からの出力を積算するように構成された第1選択積算回路と、
前記第2グループ内の前記複数の光検出素子のうち複数の第2光検出素子を選択し、前記複数の第2光検出素子からの出力を積算するように構成された第2選択積算回路と、
を備え、
前記第1選択積算回路は、前記複数の第1光検出素子を前記第1グループ内の前記複数の光検出素子の部分として選択する場合、前記第1グループ内の前記複数の光検出素子のうち、前記複数の第1光検出素子からの出力を選択的に積算するように構成され、
前記第2選択積算回路は、前記複数の第2光検出素子を前記第2グループ内の前記複数の光検出素子の部分として選択する場合、前記第2グループ内の前記複数の光検出素子のうち、前記複数の第2光検出素子からの出力を選択的に積算するように構成され、
前記第1選択積算回路及び前記第2選択積算回路は、前記基板上の前記第1領域の外において、第1方向に沿って前記第1領域と並ぶ第2領域に形成され、
前記第1グループ及び前記第2グループは、前記第1方向と交差する第2方向に並ぶ、
光検出器。 - 前記複数の第1光検出素子と、前記第1グループ内の前記複数の光検出素子のうち前記第1光検出素子以外の複数の第3光検出素子とは、前記第1方向に並ぶ、
請求項1記載の光検出器。 - 前記複数の第1光検出素子は、前記第2方向に並ぶ第1部分を含む、
請求項2記載の光検出器。 - 前記複数の第1光検出素子は、前記第2方向に並ぶ第2部分を更に含み、
前記第1部分及び前記第2部分は、前記第1方向に並ぶ、
請求項3記載の光検出器。 - 基板上の第1領域に形成された複数の光検出素子と、
前記基板上の前記第1領域の外において、第1方向に沿って前記第1領域と並ぶ第2領域に形成された複数のスイッチ素子と、
を備え、
前記複数の光検出素子は、
前記第1方向に沿って並ぶ第1光検出素子及び第2光検出素子と、
前記第1光検出素子と前記第1方向と交差する第2方向に沿って並ぶ第3光検出素子と、
を含み、
前記複数のスイッチ素子は、
前記第1光検出素子の第1端及び前記第3光検出素子の第1端と電気的に接続された第1端を含む第1スイッチ素子と、
前記第2光検出素子の第1端と電気的に接続された第1端と、前記第1スイッチ素子の第2端と電気的に接続された第2端と、を含む第2スイッチ素子と、
を含む、光検出器。 - 前記第1領域は、前記基板に沿う平面内において前記複数の光検出素子を内包する最小の矩形であり、
前記第2領域は、前記基板に沿う平面内において前記複数のスイッチ素子を内包する最小の矩形である、
請求項5記載の光検出器。 - 前記複数の光検出素子は、
前記第1光検出素子及び前記第3光検出素子と前記第2方向に沿って並ぶ第4光検出素子及び第5光検出素子と、
前記第2光検出素子と前記第2方向に沿って並び、前記第4光検出素子と前記第1方向に沿って並ぶ第6光検出素子と、
を含み、
前記複数のスイッチ素子は、
前記第4光検出素子の第1端及び前記第5光検出素子の第1端と電気的に接続された第1端と、前記第1スイッチ素子のゲートと電気的に接続されたゲートと、を含む第3スイッチ素子と、
前記第6光検出素子の第1端と電気的に接続された第1端と、前記第3スイッチ素子の第2端と電気的に接続された第2端と、前記第2スイッチ素子のゲートと電気的に接続されたゲートと、を含む第4スイッチ素子と、
を含む、
請求項5記載の光検出器。 - 前記第2領域内に形成された複数のインバータを更に備え、
前記複数のスイッチ素子は、
前記第1光検出素子の第1端及び前記第3光検出素子の第1端と電気的に接続された第1端を含む第5スイッチ素子と、
前記第5スイッチ素子の第2端と電気的に接続された第1端と、前記第2光検出素子の第1端と電気的に接続された第2端と、を含む第6スイッチ素子と、
を含み、
前記複数のインバータは、
前記第1スイッチ素子のゲートに電気的に接続された第1端と、前記第5スイッチ素子のゲートに電気的に接続された第2端と、を含む第1インバータと、
前記第2スイッチ素子のゲートに電気的に接続された第1端と、前記第6スイッチ素子のゲートに電気的に接続された第2端と、を含む第2インバータと、
を含む、
請求項5記載の光検出器。 - 光源と、
前記光源からの出射光を投光し、外部からの前記出射光の反射光を受光するように構成された光学系と、
前記受光した反射光を検出するように構成された光検出器と、
制御回路と、
を備え、
前記光検出器は、
基板上の第1領域に形成され、各々が複数の光検出素子を含む第1グループ及び第2グループと、
前記基板上の前記第1領域の外において、第1方向に沿って前記第1領域と並ぶ第2領域に形成された第1選択積算回路及び第2選択積算回路と、
を含み、
前記第1グループ及び前記第2グループは、前記第1方向と交差する第2方向に並び、
前記第1選択積算回路は、前記制御回路からの選択信号に応じて、前記第1グループ内の前記複数の光検出素子のうち複数の第1光検出素子を選択し、前記複数の第1光検出素子からの出力を積算するように構成され、
前記第2選択積算回路は、前記選択信号に応じて、前記第2グループ内の前記複数の光検出素子のうち複数の第2光検出素子を選択し、前記複数の第2光検出素子からの出力を積算するように構成され、
前記第1選択積算回路は、前記複数の第1光検出素子を前記第1グループ内の前記複数の光検出素子の部分として選択する場合、前記第1グループ内の前記複数の光検出素子のうち、前記複数の第1光検出素子からの出力を選択的に積算するように構成され、
前記第2選択積算回路は、前記複数の第2光検出素子を前記第2グループ内の前記複数の光検出素子の部分として選択する場合、前記第2グループ内の前記複数の光検出素子のうち、前記複数の第2光検出素子からの出力を選択的に積算するように構成された、
距離測定装置。 - 第1方向に並ぶ第1光検出素子及び第2光検出素子と、
前記第1光検出素子と前記第1方向と交差する第2方向に並ぶ第3光検出素子と、
前記第2光検出素子と前記第2方向に並び、前記第3光検出素子と前記第1方向に並ぶ第4光検出素子と、
前記第4光検出素子と前記第1方向に並び、前記第4光検出素子に対して前記第3光検出素子と反対方向に位置する第5光検出素子と、
前記第1光検出素子の出力端に接続される第1端と、第1出力線に接続される第2端と、制御端と、を含む第1スイッチ素子と、
前記第2光検出素子の出力端に接続される第1端と、前記第1出力線に接続される第2端と、制御端と、を含む第2スイッチ素子と、
前記第3光検出素子の出力端に接続される第1端と、第2出力線に接続される第2端と、制御端と、を含む第3スイッチ素子と、
前記第4光検出素子の出力端に接続される第1端と、前記第2出力線に接続される第2端と、制御端と、を含む第4スイッチ素子と、
前記第5光検出素子の出力端に接続される第1端と、前記第2出力線に接続される第2端と、制御端と、を含む第5スイッチ素子と、
前記第1スイッチ素子の制御端に接続される第1選択線と、
前記第2スイッチ素子の制御端に接続される第2選択線と、
前記第3スイッチ素子の制御端に接続される第3選択線と、
前記第4スイッチ素子の制御端に接続される第4選択線と、
前記第5スイッチ素子の制御端に接続される第5選択線と、
前記第1選択線に接続される第1端と、前記第3選択線に接続される第2端と、前記第4選択線に接続される第3端と、シフト線に接続される制御端と、を含む第6スイッチ素子と、
前記第2選択線に接続される第1端と、前記第4選択線に接続される第2端と、前記第5選択線に接続される第3端と、前記シフト線に接続される制御端と、を含む第7スイッチ素子と、
を備え、
前記第6スイッチ素子及び前記第7スイッチ素子は、前記シフト線からの制御信号に基づき、前記第2方向に並ぶ選択線間の電気的接続を前記第1方向又は前記第1方向と反対の方向にシフトさせる、
光検出器。 - 前記第6スイッチ素子が前記第1選択線と前記第3選択線との間を電気的に接続する場合、前記第7スイッチ素子は前記第2選択線と前記第4選択線との間を電気的に接続し、
前記第6スイッチ素子が前記第1選択線と前記第4選択線との間を電気的に接続する場合、前記第7スイッチ素子は前記第2選択線と前記第5選択線との間を電気的に接続する、
請求項10記載の光検出器。
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