WO2017042993A1 - 補正装置、補正方法および測距装置 - Google Patents

補正装置、補正方法および測距装置 Download PDF

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timing
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photons
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大畑　豊治
享宏 小山
大野　智輝
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ソニー株式会社
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    • G01J2011/005—Streak cameras

Definitions

  • the present disclosure relates to a correction device, a correction method, and a distance measuring device.
  • pulsed light is projected onto a distance measuring object, reflected pulsed light from the object is received, and the time from projecting pulsed light to receiving reflected pulsed light (time of flight (TOF ( A distance measuring device that measures a distance to a measurement object by measuring (Time ⁇ ⁇ Of Flight)) is known (for example, see Patent Document 1 below).
  • TOF time of flight
  • a photon number counting unit that counts the number of photons based on an output signal output from the light receiving unit
  • a correction apparatus comprising: a correction value acquisition unit that acquires a correction value corresponding to the number of photons; and a correction unit that performs correction based on the correction value.
  • the photon number counting unit counts the number of photons based on the output signal output from the light receiving unit
  • a correction value acquisition unit acquires a correction value corresponding to the number of photons
  • the correction unit performs a correction based on the correction value.
  • a photon number counting unit that counts the number of photons based on an output signal output from the light receiving unit;
  • a correction value acquisition unit that acquires a correction value corresponding to the number of photons, a correction unit that performs correction based on the correction value, and a distance calculation unit that calculates a distance to the ranging object using the correction result.
  • a distance measuring device provided.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a walk error.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining that the correction error of the walk error is increased by the light receiving element.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining the outline of the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the correction apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a multi-pixel SPAD.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a waveform example of the multi-pixel SPAD output signal.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the peak voltage of the multi-pixel SPAD output signal and the delay time.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a walk error.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining that the correction error of the walk error is increased by the light receiving element.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining the outline of the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a measurement example of the frequency distribution of the integral value for each pulse of the multi-pixel SPAD output signal.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the number of photons and the shift amount.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of the distance measuring apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of the distance measuring apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining how the time difference between the timings detected at different threshold values changes according to the strength of the pulse intensity.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a lookup table in which a relationship between a detection time difference between timings detected at different threshold values and the number of detected photons is described.
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration example of a distance measuring apparatus according to the fourth embodiment.
  • a walk error (sometimes referred to as a time walk) that may occur in a distance measuring device that performs distance measurement by an optical method will be described first.
  • a distance measuring device that performs distance measurement using an optical method roughly indicates, for example, the time difference between the light emission timing and the input timing of the light that is reflected by the object (range object). This is a device that measures and multiplies the time difference by the speed of light and then divides by 2 to obtain the distance to the object to be measured.
  • the signal waveform output from the light receiving element to which the reflected light is input and its signal amplification circuit generally has a finite (100 ps (picosecond)) pulse rise time, and is input to the light receiving element.
  • the intensity of the output signal (referred to as a light reception signal as appropriate) output from the light receiving element also changes in accordance with the light intensity.
  • a method for detecting the timing of receiving light by such processing is called a leading edge detection method.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the signal intensity (voltage level) of the received light signal.
  • two waveforms WA1 and WA2 are schematically shown.
  • the waveform WA1 shows a waveform of reflected light having a high light intensity
  • the waveform WA2 shows a waveform of reflected light having a low light intensity. Show.
  • a voltage threshold Vth for determining the light reception timing is set.
  • the distance measurement resolution For example, to obtain 1 cm (centimeter) as the distance measurement resolution, it is necessary to obtain a high resolution of 67 ps as the resolution of the optical input timing measurement.
  • the light irradiated to the object that diffuses and reflects the light spreads spatially, and the amount of light incident on the remote light receiving element is a small part of the amount of light emitted from the light source. It is necessary to use it.
  • the pulse response output waveform of such a high-sensitivity light receiving element typically has a rise time of 1 ns (nanoseconds) or more, and in this case, the walk error is also 1 ns at the maximum. In order to obtain distance measurement resolution and accuracy of 1 cm, it is desirable that this shift amount can be corrected to an error of about 67 ps or less.
  • a photodiode (Photo Diode)
  • a linear mode also called continuous mode
  • avalanche photodiode Avalanche Photo Diode
  • a photodiode or avalanche photodiode exhibits continuous input / output characteristics, and the intensity of an output signal is generally proportional to the light input intensity.
  • noise generated in an electric circuit such as thermal noise
  • thermal noise has the property of increasing in proportion to the square root of the signal frequency band, when extremely weak light of tens of photons or less is received by a photodiode or avalanche photodiode, the light reception timing is in the time domain of about 1 ns. Is difficult to detect.
  • an interpolation circuit that interpolates from limited data points and outputs a correction value corresponding to the continuous value is also required.
  • the walk error correction error with weak light becomes large, resulting in a decrease in timing measurement accuracy.
  • the circuit scale becomes large. That is, it is desirable that the above-described walk error can be corrected appropriately while adopting a configuration that can receive even weak light (light with a small number of photons) as the light receiving unit.
  • the present disclosure can be configured as a correction device as an example.
  • the correction apparatus 1 shown in FIG. 3 includes, for example, a pulse light source 2, a discretized output type photodetector 3 as an example of a light receiving unit, a timing measurement circuit 4 as an example of a measurement unit, and an example of a photon number counting unit.
  • pulsed light is emitted from the pulsed light source 2.
  • the pulsed light emitted from the pulsed light source 2 is reflected by the object to be measured, and is input to the discretized output type photodetector 3 as reflected pulsed light RP.
  • the signal s1 is output from the discretized output type photodetector 3.
  • the signal s1 is input to the timing measurement circuit 4.
  • the timing measurement circuit 4 measures the timing t1 when the voltage level of the signal s1 exceeds the threshold value Vth, and outputs a timing signal t1s indicating the timing t1 to the timing correction circuit 7.
  • the signal s1 output from the discretization output type photodetector 3 is also input to the photon number counting circuit 5.
  • the photon number counting circuit 5 obtains the number of photons (photon number) PN received by the discretization output type photodetector 3 based on the signal s1, and outputs a photon number signal PNs indicating the photon number PN to the deviation amount calculation circuit 6.
  • the deviation amount calculation circuit 6 acquires a temporal deviation amount M with respect to the timing of the reference reflected pulse light based on the photon number PN, and outputs a signal Ms indicating the deviation amount M to the timing correction circuit 7.
  • the timing correction circuit 7 corrects the timing t1 based on the deviation amount M to obtain the corrected timing t2, and outputs a timing signal t2s indicating the timing t2.
  • the timing signal t2s is used in, for example, distance calculation processing in the subsequent processing. That is, the round trip distance to the object to be measured is calculated by multiplying the difference between the timing at which the pulse light (reference light) emitted from the pulse light source 2 is received and the timing t2, and the round trip distance is calculated. By dividing by 2, the distance to the object to be measured is calculated.
  • distance calculation processing processing in the subsequent processing. That is, the round trip distance to the object to be measured is calculated by multiplying the difference between the timing at which the pulse light (reference light) emitted from the pulse light source 2 is received and the timing t2, and the round trip distance is calculated. By dividing by 2, the distance to the object to be measured is calculated.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the correction apparatus 10 according to the first embodiment.
  • the correction device 10 according to the first embodiment includes, for example, a pulse light source 11, a multi-pixel type SPAD (Single Photon Avalanche Diode) (hereinafter abbreviated as SPAD as appropriate) 12, and a time digital converter (TDC (Time-Timer)).
  • SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • TDC Time-Timer
  • to-Digital Converter to-Digital Converter
  • the pulse light source 11 includes, for example, a semiconductor laser as a light source and a driver for driving the semiconductor laser. For example, by intermittently operating the driver, pulsed light is emitted from the semiconductor laser at a predetermined cycle.
  • the SPAD 12 which is an example of the discretized output type photodetector 3, has a configuration including a light receiving unit and a drive circuit.
  • the SPAD 12 is configured to receive light (hereinafter, appropriately referred to as reflected pulsed light RP) in which the pulsed light emitted from the pulsed light source 11 is reflected by the object to be measured.
  • a signal hereinafter referred to as a SPAD output signal
  • the SPAD output signal s11 is output to each of the time digital converter 13 and the integrating circuit / converter 14.
  • a specific configuration example of the SPAD 12 will be described later.
  • the time digital converter 13 which is an example of the timing measurement circuit 4, is a circuit that measures the timing t1 when the level of the SPAD output signal s11 exceeds a predetermined threshold value Vth.
  • the time digital converter 13 generates a digital timing signal t1s indicating the timing t1.
  • the integration circuit / converter 14 which is an example of the photon number counting circuit 5 includes an analog integration circuit and an AD (Analog-to-Digital) converter connected to the subsequent stage of the integration circuit.
  • the integrating circuit / converter 14 acquires an integrated value by integrating the SPAD output signal s11 with an integrating circuit, and acquires (counts) the photon number PN received by the SPAD 12 from the integrated value.
  • the lookup table reference circuit 15 which is an example of the deviation amount calculation circuit 6 stores a lookup table in which the photon number PN and the deviation amount M which is an example of a correction value are associated with each other.
  • the look-up table reference circuit 15 acquires a shift amount M corresponding to the photon number PN supplied from the integration circuit / converter 14 with reference to the look-up table, and generates a signal Ms indicating the shift amount M.
  • the timing correction circuit 16 is a circuit that corrects the timing t1 based on the deviation amount M.
  • the timing correction circuit 16 corrects the timing t1 based on the deviation amount M to acquire the timing t2, and generates a timing signal t2s indicating the timing t2.
  • FIG. 5 shows a configuration example of the SPAD 12.
  • the SPAD 12 includes a light receiving unit 121 that actually receives light.
  • the light receiving unit 121 includes a plurality of light receiving elements 122.
  • the light receiving element 122 includes an avalanche photodiode 122a and a quenching resistor 122b connected in series to the avalanche photodiode 122a. That is, the light receiving unit 121 has a configuration in which one light receiving element 122 is a basic unit and a plurality of light receiving elements 122 are electrically connected in two dimensions (for example, in parallel connection).
  • the SPAD 12 includes a power supply 123 for applying a predetermined voltage to the light receiving unit 121, a smoothing circuit 124 including a resistor 124a and a capacitor 124b for stabilizing the power supply voltage, and a current output from the light receiving unit 121. And a resistor 125 for converting the signal into a voltage signal.
  • the resistor 125 is connected to the output side of the light receiving unit 121, and the subsequent configuration (the time digital converter 13 and the integrating circuit / converter 14) with respect to the connection point AA between the light receiving unit 121 and the resistor 125. Connected. Via this connection point AA, the SPAD output signal s11 is output to the subsequent configuration.
  • the avalanche phenomenon occurring in the light receiving unit 121 will be described.
  • one light receiving element 122 will be described as an example, but the same phenomenon occurs in other light receiving elements.
  • a photon photon
  • the avalanche photodiode 122a When a photon (photon) is incident on the avalanche photodiode 122a with a reverse voltage higher than the breakdown voltage applied, the avalanche photodiode 122a generates an electron-hole pair, and the electron and the hole are accelerated by a high electric field. Then, new electron-hole pairs are generated one after another like an avalanche. This phenomenon is called an avalanche phenomenon.
  • the avalanche phenomenon can be stopped by lowering the voltage applied to the avalanche photodiode 122a to the breakdown voltage.
  • This function can be realized by the quenching resistor 122b connected in series to the avalanche photodiode 122a, and the avalanche current stops due to a decrease in the bias voltage due to the voltage increase between the terminals of the quenching resistor 122b due to the avalanche current.
  • FIG. 6 shows an ideal waveform of the SPAD output signal s11 output from the SPAD12.
  • the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage.
  • the actual waveform is in a state where a pulse-like or random noise waveform due to a thermal factor or the like is placed on this waveform.
  • the SPAD output signal s11 shows a steep rise when receiving a photon, and the level decreases exponentially after the level reaches a peak voltage (hereinafter also referred to as a peak value as appropriate).
  • a peak value a peak voltage
  • the avalanche photodiode 122a in each light receiving element 122 outputs a current pulse having a waveform / peak voltage determined by detecting one photon at a time. Is output from the output terminal of the light receiving unit 121. By passing this signal through the resistor 125, the SPAD output signal s11 can be handled as a voltage signal.
  • the integrated value obtained by integrating the peak value and the waveform is discretized according to the number of photons received by the light receiving unit 121.
  • the number of photons received by the light receiving unit 121 can be obtained by obtaining the peak value of the SPAD output signal s11.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the relationship between the peak voltage Vp of the SPAD output signal s11 and the delay time td (see FIG. 1) from the start of rising to the detection at the threshold value Vth.
  • the horizontal axis indicates an integrated value obtained by integrating the peak voltage of the SPAD output signal s11 or the voltage of the SPAD output signal s11 that is discretized according to the number of received photons
  • the vertical axis indicates the delay time td.
  • FIG. 7 shows that the delay time td is also discretized as the output from the SPAD 12 is discretized.
  • the discretization interval of the peak voltage Vp and its time integration value is constant corresponding to the increment of one detected photon, and it is shown that the discretization interval of the delay time td becomes larger as the weak signal.
  • the discretization interval of the peak voltage Vp is typically 0.2 to 0.3 mV (millivolt) per photon.
  • the rise time of the SPAD output signal s11 is typically 0.6 ns.
  • a delay time td when detecting 3 photons and a delay when detecting 4 photons
  • the SPAD output signal s11 and its amplified signal include analog noise such as thermal noise, but a high S / N (Signal-to-Noise ⁇ ⁇ ⁇ Ratio) due to the current multiplying action in the light receiving element 122. Show. Therefore, the discretization interval for each number of detected photons is larger than the fluctuation range of the signal due to noise, and when the pulse peak value of the SPAD output signal s11 and the frequency distribution of the integral value are measured, detection is performed as shown in FIG. A histogram having a maximum value at a value corresponding to the number of photons is obtained.
  • the SPAD 12 by using the SPAD 12, a high S / N signal can be obtained even when weak light is received. Furthermore, the SPAD output signal s11 output from the SPAD 12 can be handled as a signal discretized according to the peak voltage or the like. Then, using a circuit that detects the peak voltage or integral value of the SPAD output signal s11, the number of detected photons can be counted from the output, and a digital signal corresponding to the number of detected photons can be output.
  • the pulsed light emitted from the pulsed light source 11 is reflected by the object to be measured, and is input by the SPAD 12 as reflected pulsed light RP.
  • a SPAD output signal s11 is output from the SPAD 12 as the reflected pulsed light RP is received.
  • the SPAD output signal s11 is input to the time digital converter 13.
  • the time digital converter 13 measures the timing t1 when the voltage level of the SPAD output signal s11 exceeds the threshold value Vth, and outputs a timing signal t1s indicating the timing t1 to the timing correction circuit 16.
  • the SPAD output signal s11 output from the SPAD 12 is also input to the integrating circuit / converter 14.
  • the integrating circuit / converter 14 integrates the SPAD output signal s11 with an integrating circuit to obtain an integrated value, and obtains the photon number PN based on the integrated value. Then, the integrating circuit / converter 14 generates a digital photon number signal PNs indicating the photon number PN using an AD converter, and outputs the generated signal to the lookup table reference circuit 15.
  • the look-up table reference circuit 15 refers to the look-up table and acquires the shift amount M corresponding to the photon number PN.
  • the correspondence relationship between the photon number PN and the shift amount M is already described as schematically shown in FIG.
  • the corresponding shift amount M can be acquired.
  • the lookup table reference circuit 15 outputs a signal Ms indicating the deviation amount M to the timing correction circuit 16.
  • the timing correction circuit 16 corrects the timing t1 based on the deviation amount M to obtain the corrected timing t2, and outputs a timing signal t2s indicating the timing t2.
  • the received light is weak (for example, the number of photons is several tens or less)
  • a walk error caused by a difference in light intensity can be corrected with high accuracy.
  • the number of photons obtained from the integrated value obtained by integrating the SPAD output signal s11 is converted into a digital value, it is possible to prevent noise and errors from being superimposed by the subsequent circuit from the integrating circuit / converter 14.
  • Modification of the first embodiment The first embodiment described above can be modified as follows.
  • an analog peak hold circuit may be used instead of the integration circuit.
  • the AD converter is made to have the counting accuracy of the photon number while keeping the quantization interval of the AD converter coincident with the discretization interval of the output of the integrating circuit (or peak hold circuit). The circuit scale can be reduced.
  • the discretization interval of the delay time td is small, so that the interval of the number of detected photons is thinned out according to the required correction accuracy. it can.
  • the number of correction data bits total number of data points
  • the walk error can be corrected with low cost and high accuracy.
  • the second embodiment is an example in which the correction device according to the present disclosure is applied to a distance measuring device.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of the distance measuring device 20 according to the second embodiment.
  • the distance measuring device 20 includes, for example, a pulse light source 21, a photodiode 22, a correction device 23 in the second embodiment, and a distance calculation circuit 24.
  • the pulse light source 21 includes, for example, a semiconductor laser 21a and a drive circuit 21b.
  • the laser pulse light is intermittently emitted from the semiconductor laser 21a by intermittently operating the drive circuit 21b with a predetermined period.
  • a part of the pulsed light emitted from the semiconductor laser 21a is branched by the half mirror HM and inputted to the photodiode 22 as the reference pulsed light SP, and the rest is irradiated and reflected on the distance measuring object MT.
  • the reflected pulse light RP is input to the correction device 23.
  • the photodiode 22 outputs a light reception signal s22 when the reference pulse light SP is received.
  • the light reception signal s22 is configured to be amplified by an amplifying unit (not shown) and then input to the time digital converter 23b.
  • the correction device 23 includes, for example, a (multi-pixel type) SPAD 23a, a time digital converter 23b, an integration circuit / converter 23c, a lookup table reference circuit 23d, and a timing correction circuit 23e.
  • the configuration of the correction device 23 is the same as that of the correction device 10 in the first embodiment, except that the pulse light source 11 is not provided.
  • the distance calculation circuit 24 is a circuit that calculates the distance to the ranging object MT by calculation. For example, the distance calculation circuit 24 multiplies the time difference signal t4s supplied from the timing correction circuit 23e by the speed of light to obtain a round-trip distance, and divides the round-trip distance by 2 to calculate the distance to the ranging object MT. To do.
  • Pulse light is emitted from the pulse light source 21, and the light branched by the half mirror HM is input to the photodiode 22 as the reference pulse light SP.
  • a light reception signal s22 is output from the photodiode 22.
  • the light reception signal s22 is input to the time digital converter 23b after being subjected to processing such as amplification by an amplifying unit (not shown).
  • the time digital converter 23b acquires the timing t22 when the photodiode 22 receives the reference pulse light SP by the leading edge detection method.
  • the light reflected by the distance measuring object MT is input to the SPAD 23a of the correction device 23 as reflected pulsed light RP.
  • a SPAD output signal s23 is output from the SPAD 23a.
  • the SPAD output signal s23 is input to the time digital converter 23b.
  • the time digital converter 23b acquires the timing t23 when the SPAD 23a receives the reflected pulsed light RP by the leading edge detection method.
  • This time difference signal t3s corresponds to the flight time of the pulsed light emitted from the semiconductor laser 21a (however, the flight time before correction).
  • the SPAD output signal s23 output from the SPAD 23a is also input to the integrating circuit / converter 23c.
  • the integrating circuit / converter 23c integrates the SPAD output signal s23 with an integrating circuit to obtain an integrated value, and obtains the photon number PN based on the integrated value. Then, the integrating circuit / converter 23c generates a digital photon number signal PNs indicating the photon number PN using an AD converter, and outputs the generated signal to the lookup table reference circuit 23d.
  • the look-up table reference circuit 23d refers to the look-up table and acquires the shift amount M corresponding to the photon number PN.
  • the lookup table reference circuit 23d outputs a signal Ms indicating the deviation amount M to the timing correction circuit 23e.
  • the timing correction circuit 23e corrects the time difference signal t3s based on the deviation amount M. For example, the timing correction circuit 23e performs correction by subtracting the amount of deviation M from the time difference signal t3s, and obtains a time difference signal t4s corresponding to the exact flight time of the pulsed light. Then, the timing correction circuit 23e outputs the time difference signal t4s to the distance calculation circuit 24.
  • the distance calculating circuit 24 calculates the distance to the distance measuring object MT by multiplying the time difference signal t4s by the speed of light and dividing the result by 2.
  • the correction device of the present disclosure can also be applied to a distance measuring device.
  • the second embodiment described above can be modified as follows.
  • the light intensity of the reference pulse light SP received by the photodiode 22 is generally high (for example, 100 or more photons). Therefore, although it is less necessary to use a specific light receiving element, a continuous mode avalanche photodiode or SPAD may be used instead of the photodiode 22.
  • a continuous mode avalanche photodiode or SPAD may be used instead of the photodiode 22.
  • the amount of light that diverges by the half mirror HM can be made smaller, and the amount of light that irradiates the distance measuring object can be increased.
  • the modification described in the first embodiment can also be applied to the second embodiment.
  • the third embodiment is an example in which the correction device according to the present disclosure is applied to a distance measuring device.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of the distance measuring device 30 according to the second embodiment.
  • the distance measuring device 30 includes, for example, a pulse light source 31, a correction device 33 according to the third embodiment, and a distance calculation circuit 34.
  • the pulse light source 31 includes, for example, a semiconductor laser 31a and a drive circuit 31b.
  • a semiconductor laser 31a For example, when the drive circuit 31b operates with a predetermined period, laser pulse light is intermittently emitted from the semiconductor laser 31a.
  • the pulsed light emitted from the semiconductor laser 31a is configured to be input to the correction device 33 as reflected pulsed light RP after being irradiated and reflected on the object MT.
  • the correction device 33 includes, for example, a (multi-pixel type) SPAD 33a, a time digital converter 33b, an integration circuit / converter 33c, a lookup table reference circuit 33d, and a timing correction circuit 33e.
  • the configuration of the correction device 33 is the same as that of the correction device 23 in the second embodiment.
  • the distance calculation circuit 34 is a circuit that calculates the distance to the distance measuring object MT by calculation in the same manner as the distance calculation circuit 24.
  • the distance calculation circuit 34 obtains a round trip distance by multiplying the time difference signal t6s supplied from the timing correction circuit 33e by the speed of light, for example, and calculates the distance to the distance measuring object MT by dividing the round trip distance by 2. To do.
  • the distance measuring device 30 takes out a pulse signal synchronized with the drive timing from the drive circuit 31b instead of the photodiode 22 in the second embodiment, and uses this pulse signal as a reference signal for detecting the light emission timing (hereinafter referred to as appropriate). Referred to as a reference pulse).
  • a reference pulse a pulse signal synchronized with the drive timing from the drive circuit 31b instead of the photodiode 22 in the second embodiment.
  • Pulse light is emitted from the pulse light source 31 in accordance with the operation of the drive circuit 31b. Further, a reference pulse is output in synchronization with the drive timing of the drive circuit 31b, and the reference pulse is input from the drive circuit 31b to the time digital converter 33b of the correction device 33.
  • the time digital converter 33b stores the timing t31 when the reference pulse is input.
  • the pulsed light emitted from the pulse light source 31 is reflected by the distance measuring object MT, and is input to the SPAD 33a of the correction device 33 as reflected pulsed light RP.
  • the SPAD 33a receives the reflected pulse light RP
  • the SPAD 33a outputs a SPAD output signal s33.
  • the SPAD output signal s33 is input to the time digital converter 33b.
  • the time digital converter 33b acquires the timing t33 when the SPAD 33a receives the reflected pulse light RP by the leading edge detection method.
  • the time difference signal t5s corresponds to the flight time of the pulsed light emitted from the semiconductor laser 31a (however, the flight time before correction).
  • the SPAD output signal s33 output from the SPAD 33a is also input to the integrating circuit / converter 33c.
  • the integrating circuit / converter 33c integrates the SPAD output signal s33 with an integrating circuit to obtain an integrated value, and obtains the photon number PN based on the integrated value. Then, the integration circuit / converter 33c generates a digital photon number signal PNs indicating the photon number PN using the AD converter, and outputs the generated signal to the lookup table reference circuit 33d.
  • the look-up table reference circuit 33d refers to the look-up table and acquires the shift amount M corresponding to the photon number PN.
  • the lookup table reference circuit 33d outputs a signal Ms indicating the deviation amount M to the timing correction circuit 33e.
  • the timing correction circuit 33e corrects the time difference signal t5s based on the deviation amount M. For example, the timing correction circuit 33e performs correction by subtracting the amount of deviation M from the time difference signal t5s, and obtains a time difference signal t6s corresponding to the exact flight time of the pulsed light. Then, the timing correction circuit 33e outputs the time difference signal t6s to the distance calculation circuit 34.
  • the distance calculation circuit 34 multiplies the time difference signal t6s by the speed of light and divides the result by 2 to calculate the distance to the ranging object MT.
  • the correction device of the present disclosure can also be applied to a distance measuring device.
  • the optical system can be simplified, and the distance measuring device can be miniaturized. Note that the modifications described in the first and second embodiments can also be applied to the third embodiment.
  • a plurality of different threshold values are set for the pulsed light to detect the number of photons.
  • the horizontal axis indicates time
  • the vertical axis indicates the signal intensity (voltage level) of pulsed light (for example, reflected pulsed light RP).
  • waveforms WA3 and WA4 of two pulse lights are shown, and the peak voltages Vp1 and Vp2 (where Vp1> Vp2) of the respective pulse lights are shown. That is, the light intensity of the pulsed light indicated by the waveform WA3 is greater than the light intensity of the pulsed light indicated by the waveform WA4.
  • two threshold values Vth1 and Vth2 are set as voltage thresholds.
  • the timing at which the voltage level of the waveform WA3 exceeds the threshold value Vth1 is defined as timing t1a
  • the timing at which the voltage level exceeds the threshold value Vth2 is defined as timing t2a
  • the difference (t2a ⁇ t1a) between them is ⁇ t1.
  • the timing when the voltage level of the waveform WA4 exceeds the threshold value Vth1 is set as timing t1b
  • the timing when the voltage level exceeds the threshold value Vth2 is set as timing t2b
  • the difference (t2b ⁇ t1b) between them is ⁇ t2.
  • ⁇ t1 and ⁇ t2 are appropriately referred to as a detection time difference in the following description.
  • the difference in timing at which the thresholds Vth1 and Vth2 are reached increases.
  • ⁇ t2 is larger than ⁇ t1.
  • FIG. 13 shows an example of a lookup table in which the number of photons corresponding to the detection time difference is described. As shown in FIG. 13, the lookup table describes a relationship in which the number of corresponding photons decreases as the detection time difference increases. In actual circuits, there may be timing measurement noise, but the number of photons in integer units can be obtained by rounding to the nearest theoretical value.
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration example of the distance measuring device 40 according to the fourth embodiment.
  • the distance measuring device 40 includes, for example, a pulse light source 41, a correction device 43 in the fourth embodiment, and a distance calculation circuit 44.
  • the pulse light source 41 includes, for example, a semiconductor laser 41a and a drive circuit 41b.
  • a semiconductor laser 41a For example, when the drive circuit 41b operates with a predetermined period, laser pulse light is intermittently emitted from the semiconductor laser 41a.
  • the pulsed light emitted from the semiconductor laser 41a is configured to be input to the correction device 43 as reflected pulsed light RP after being irradiated and reflected on the object MT.
  • the correction device 43 includes, for example, a (multi-pixel type) SPAD 43a, a first time digital converter 43b, a second time digital converter 43c, a lookup table reference circuit 43d, a timing correction circuit 43e, a threshold value And a setting circuit 43f.
  • the distance calculation circuit 44 is a circuit that calculates the distance to the distance measuring object MT by calculation.
  • the distance calculation circuit 44 obtains a round trip distance by multiplying the time difference signal t8s supplied from the timing correction circuit 43e by the speed of light, for example, and calculates the distance to the distance measuring object MT by dividing the round trip distance by 2. To do.
  • the SPAD 43a is configured to receive the reflected pulsed light RP reflected by the distance measuring object MT.
  • a SPAD output signal s43 is output from the SPAD 43a as the reflected pulse light RP is received, and the SPAD output signal s43 is input to each of the time digital converters 43b and 43c.
  • the time digital converter 43b measures a timing t43a at which the level of the SPAD output signal s43 exceeds the threshold value Vth1.
  • a reference pulse synchronized with the drive timing of the drive circuit 41b is input to the time digital converter 43b.
  • the time digital converter 43c measures the timing t43b when the level of the SPAD output signal s43 exceeds the threshold value Vth2.
  • the lookup table reference circuit 43d is a circuit that refers to the lookup table and obtains the number of photons based on the difference between the timing t43a and the timing t43b. In the lookup table referred to by the lookup table reference circuit 43d, the number of photons corresponding to the detection time difference is described. The lookup table reference circuit 43d also stores a lookup table in which the number of photons and the amount of deviation are described.
  • the timing correction circuit 43e is a circuit that corrects the timing based on the number of photons and then outputs the corrected time difference signal t8s to the distance calculation circuit 44.
  • Pulse light is emitted from the pulse light source 41 in accordance with the operation of the drive circuit 41b.
  • a reference pulse is output in synchronization with the drive timing of the drive circuit 41b, and the reference pulse is input from the drive circuit 41b to the time digital converter 43b of the correction device 43.
  • the time digital converter 43b stores the timing t41 when the reference pulse is input.
  • the pulsed light emitted from the pulse light source 41 is reflected by the distance measuring object MT, and is input to the SPAD 43a of the correction device 43 as reflected pulsed light RP.
  • the SPAD 43a receives the reflected pulse light RP, the SPAD 43a outputs a SPAD output signal s43.
  • the SPAD output signal s43 is input to each of the time digital converters 43b and 43c.
  • the threshold values Vth1 and Vth2 are input from the threshold setting circuit 43f to the time digital converters 43b and 43c, respectively.
  • the time digital converter 43c acquires the timing t43b when the SPAD output signal s43 exceeds the threshold value Vth2. Then, the time digital converter 43b generates a digital timing signal indicating the timing t43b, and outputs the timing signal to the lookup table reference circuit 43d.
  • the lookup table reference circuit 43d obtains a detection time difference that is a difference (t43b-t43a) between the timing t43a and the timing t43b, and obtains the photon number PN corresponding to the detection time difference by referring to the lookup table. Then, the look-up table reference circuit 43d refers to the same or different look-up tables and acquires the shift amount M corresponding to the photon number PN in the same manner as in the second embodiment.
  • the lookup table reference circuit 43d outputs a signal Ms indicating the deviation amount M to the timing correction circuit 43e.
  • the timing correction circuit 43e corrects the time difference signal t7s based on the deviation amount M.
  • the timing correction circuit 43e performs correction by subtracting the amount of deviation M from the time difference signal t7s, and obtains a time difference signal t8s corresponding to the exact flight time of the pulsed light. Then, the timing correction circuit 43e outputs the time difference signal t8s to the distance calculation circuit 44.
  • the distance calculating circuit 44 calculates the distance to the distance measuring object MT by multiplying the time difference signal t8s by the speed of light and dividing the result by 2. According to the fourth embodiment, the number of photons of pulsed light can be acquired without using an integration circuit or a peak hold circuit.
  • SPAD is used as an example of the discretized output type photodetector 3, but the present invention is not limited to this.
  • an element that can grasp the output by discretizing it may be used.
  • the configuration of SPAD (such as the connection mode and the number of connections of the light receiving element 122) can be changed as appropriate.
  • the quenching resistor 122b is not limited to a resistor, and may be another circuit element such as a transistor.
  • the timing measurement circuit 4 is not limited to the time digital converter.
  • a CFD Constant-Fraction-Discriminator
  • a waveform attenuation waveform and a waveform obtained by delay-inverting the predetermined waveform may be used.
  • the shift amount calculation circuit 6 is not limited to the lookup table reference circuit, and may be a circuit that calculates the shift amount from the number of photons by a predetermined calculation process.
  • the correction device or distance measuring device described above does not have to have all the configurations described above, and any configuration may be added or deleted, or the function of one component may be integrated with the function of another component. Is also possible.
  • the correction device may be configured without a pulse light source or SPAD, or may include a distance calculation circuit.
  • the distance measuring apparatus may be configured not to include a pulse light source or SPAD.
  • the correction device or the distance measuring device may additionally include an amplifier circuit that amplifies the SPAD output signal.
  • the flight time of the reflected pulse light RP is corrected based on the deviation amount M, but the timing at which the SPAD 12 receives the reflected pulse light RP based on the deviation amount M (the reflected pulse light RP The timing at which the level exceeds the threshold may be corrected. Then, the flight time of the reflected pulsed light RP may be obtained by obtaining a difference between the corrected timing and the light emission timing.
  • the threshold setting circuit 43f may be omitted. Further, the correction device 43 is not necessarily used by being incorporated in the distance measuring device 40.
  • the electrical connection relationship between the components may be a wired connection using a cable or the like, or may be wireless communication based on a predetermined communication standard.
  • the correction device can measure the distance to various electronic devices such as a projector device, a game device, and an imaging device, a pedestrian, an obstacle, and the like. It can also be applied to safety devices that detect and activate brakes according to distance, automobiles, trains, airplanes, helicopters, small flying vehicles, robots, security devices, etc.) is there. Further, the present invention is not limited to a distance measuring device, and can be applied to devices that require accurate detection of the number of photons.
  • the configurations, methods, processes, shapes, materials, numerical values, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different configurations, methods, steps, shapes, materials, and numerical values are necessary as necessary. Etc. may be used.
  • the present disclosure can be realized by an apparatus, a method, a system including a plurality of apparatuses, etc., and the matters described in the plurality of embodiments and the modified examples can be combined with each other unless a technical contradiction occurs. it can.
  • this indication can also take the following structures.
  • a photon number counting unit that counts the number of photons based on an output signal output from the light receiving unit;
  • a correction apparatus comprising: a correction value acquisition unit that acquires a correction value corresponding to the number of photons; and a correction unit that performs correction based on the correction value.
  • the photon number counting unit includes an integration circuit that integrates the output signal, The correction device according to (1), configured to count the number of photons in accordance with an integration value obtained by the integration circuit.
  • the photon number counting unit calculates the number of photons according to a time difference between a first timing at which the level of the output signal exceeds a first threshold and a second timing at which the level of the output signal exceeds a second threshold.
  • the correction device configured to count.
  • the photon number counting unit is configured to output a digital photon number signal indicating the number of photons to the correction value acquisition unit.
  • the correction value acquisition unit includes a lookup table in which correction values corresponding to the number of photons are described, and is configured to acquire a correction value corresponding to the number of photons with reference to the lookup table.
  • the correction apparatus according to any one of 1) to (4).
  • the correction unit is configured to correct a timing at which the light receiving unit receives light or a flight time of the light based on the correction value. (1) to (5) Correction device.
  • the correction device further including a measurement unit that measures a timing at which the level of the output signal exceeds a predetermined threshold.
  • a measuring unit to which an output timing of light received by the light receiving unit is input;
  • the correction device according to any one of (1) to (6), wherein the measurement unit is configured to measure a difference between the output timing and a timing at which a level of the output signal exceeds a predetermined threshold.
  • the light receiving unit is one in which a peak distribution or an integrated value frequency distribution of the output signal that receives and outputs light has a plurality of maximum values corresponding to the number of photons.
  • the correction device (10) The correction device according to (9), wherein the light receiving unit includes a plurality of light receiving elements including an avalanche photodiode and a resistor connected in series to the avalanche photodiode. (11) The correction device according to any one of (1) to (10), including the light receiving unit. (12) The photon number counting unit counts the number of photons based on the output signal output from the light receiving unit, A correction value acquisition unit acquires a correction value corresponding to the number of photons, A correction method in which the correction unit performs correction based on the correction value.
  • a photon number counting unit that counts the number of photons based on an output signal output from the light receiving unit;
  • a correction value acquisition unit that acquires a correction value corresponding to the number of photons, a correction unit that performs correction based on the correction value, and a distance calculation unit that calculates a distance to the ranging object using the correction result.
  • Distance measuring device provided.
  • the correction unit is configured to correct a timing at which the light receiving unit receives light or a flight time of the light based on the correction value.

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Abstract

受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数する光子数計数部と、光子数に対応する補正値を取得する補正値取得部と、補正値に基づく補正を行う補正部とを備える補正装置である。 図３

Description

補正装置、補正方法および測距装置
　本開示は、補正装置、補正方法および測距装置に関する。
　従来、パルス光を測距対象物に対して投光し、対象物からの反射パルス光を受光し、パルス光を投光してから反射パルス光を受光するまでの時間（飛行時間（ＴＯＦ(Time Of Flight)）と称されることもある）を計測することにより、測定対象物までの距離を測定する測距装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照のこと）。
特開２００７－１４７３２２号公報
　このような測距装置の分野では、生じ得る誤差に対して適切な補正を行い、測距の精度を向上させることが望まれている。
　したがって、本開示は、誤差に対して適切な補正を行うことができる補正装置、補正方法および測距装置を提供することを目的の一つとする。
　上述の課題を解決するために、本開示は、例えば、
　受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数する光子数計数部と、
　前記光子数に対応する補正値を取得する補正値取得部と
　前記補正値に基づく補正を行う補正部と
　を備える補正装置である。
　本開示は、例えば、
　光子数計数部が、受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数し、
　補正値取得部が、前記光子数に対応する補正値を取得し、
　補正部が、前記補正値に基づく補正を行う
　補正方法である。
　本開示は、例えば、
　受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数する光子数計数部と、
　前記光子数に対応する補正値を取得する補正値取得部と
　前記補正値に基づく補正を行う補正部と
　前記補正結果を使用して、測距対象物までの距離を算出する距離算出部と
　を備える測距装置である。
　本開示の少なくとも一の実施形態によれば、誤差に対して適切な補正を行うことができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。また、例示された効果により本開示の内容が限定して解釈されるものではない。
図１は、ウォークエラーを説明するための図である。 図２は、受光素子によってウォークエラーの補正誤差が大きくなることを説明するための図である。 図３は、本開示の実施形態の概要を説明するためのブロック図である。 図４は、第１の実施形態における補正装置の構成例を示すブロック図である。 図５は、マルチピクセル型ＳＰＡＤの構成例を示す回路図である。 図６は、マルチピクセル型ＳＰＡＤ出力信号の波形例を示す図である。 図７は、マルチピクセル型ＳＰＡＤ出力信号のピーク電圧と遅延時間との関係を説明するための図である。 図８は、マルチピクセル型ＳＰＡＤ出力信号のパルス毎の積分値の度数分布の計測例を示す図である。 図９は、光子数とずれ量との関係を説明するための図である。 図１０は、第２の実施形態における測距装置の構成例を示すブロック図である。 図１１は、第３の実施形態における測距装置の構成例を示すブロック図である。 図１２は、異なる閾値で検出するタイミング間の時間差がパルス強度の強弱に応じて変化する様子を説明するための図である。 図１３は、異なる閾値で検出するタイミング間の検出時間差と検出光子数との関係が記述されたルックアップテーブルの例を示す図である。 図１４は、第４の実施形態における測距装置の構成例を示すブロック図である。
　以下、本開示の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜実施形態の概要＞
＜第１の実施形態＞
＜第２の実施形態＞
＜第３の実施形態＞
＜第４の実施形態＞
＜変形例＞
　以下に説明する実施形態等は本開示の好適な具体例であり、本開示の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
「ウォークエラーについて」
　本開示の理解を容易とするために、始めに、光学的方法で測距を行う測距装置において生じ得るウォークエラー（タイムウォークと称される場合もある）について説明する。なお、光学的方法で測距を行う測距装置とは、概略的に例示すれば、発光タイミングとその光が物体（測距対象物）により反射して戻った光の入力タイミングとの時間差を計測し、その時間差に光速を乗算した後、２で除算することにより測距対象物までの距離を求める装置である。
　測距装置では、物体の距離や光反射率、光散乱特性等に応じて強度が大きく変わる反射光の受光タイミングを検出する必要がある。反射光が入力された受光素子およびその信号増幅回路から出力される信号波形は、一般的に有限（１００ｐｓ（ピコ秒）以上）のパルス立ち上がり時間を有するものであり、受光素子に入力される入力光の強度に応じて当該受光素子から出力される出力信号（適宜、受光信号と称する）の強度も変化する。
　このような受光信号に対して、所定の検出閾値を持つ２値化回路（コンパレータ等）を使用して受光信号のレベル（信号強度）が閾値を越えたタイミングを受光したタイミングとして判別する処理がなされる。このような処理により受光したタイミングを検出する方式は、リーディングエッジ検出方式などと称されている。ここで、上述したように、受光信号の有限な立ち上がり時間のために、反射光の光強度の違いによりこのタイミング（信号立ち上がり開始から検出までの遅延時間）が異なってしまう。
　図１を参照して具体的に説明する。図１において横軸は時間を示し、縦軸は受光信号の信号強度（電圧レベル）を示している。図１には２個の波形ＷＡ１、ＷＡ２が模式的に示されており、波形ＷＡ１が、光強度が強い反射光の波形を示しており、波形ＷＡ２が、光強度が弱い反射光の波形を示している。そして、受光タイミングを判別するための電圧の閾値Ｖｔｈが設定されている。
　波形ＷＡ１、ＷＡ２を有するそれぞれの反射光が受光部により受光され、受光部から波形ＷＡ１、ＷＡ２のような信号波形の受光信号が出力されたとする。ここで、図１に示すように、波形ＷＡ１が閾値Ｖｔｈに達したタイミングであるタイミングｔｄ１と、波形ＷＡ２が閾値Ｖｔｈに達したタイミングであるタイミングｔｄ２との間には、誤差（ずれ）Δｔｄ（＝ｔｄ２－ｔｄ１）が生じる。このΔｔｄの分、光強度が弱い反射光の場合には、測距対象物までの距離が長く算出されてしまう。このように、反射光の光強度の違いにより生じ得る時間的な誤差（ずれ）がウォークエラーである。
　例えば、測距分解能として１ｃｍ（センチメートル）を得るには光入力タイミング計測の分解能として６７ｐｓの高分解能を得る必要がある。また、光を拡散反射する物体に照射された光は空間的に広がり、離れた受光素子へ入射する光量は光源からの発光量のごく一部となるため、大面積で高感度の受光素子を用いる必要がある。このような高感度受光素子のパルス応答出力波形は典型的には１ｎｓ（ナノ秒）以上の立ち上がり時間を有し、その場合、ウォークエラーも最大で１ｎｓになる。測距分解能および精度１ｃｍを得るにはこのずれ量を６７ｐｓ程度以下の誤差に補正できることが望まれる。
　ところで、上述した測距装置における受光部を構成する受光素子として、フォトダイオード（ＰＤ(Photo Diode)またはリニアモード（連続モードとも称される）のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ(Avalanche Photo Diode)を使用することが考えられる。そして、そのような受光部を使用して、数十個以上の多数の光子検出受光強度に応じて連続的なピーク値および積分値を有する出力信号を扱う方式が考えられる。
　フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードは、連続的な入出力特性を示し、一般的に光入力強度に対して出力信号の強度がほぼ比例する。熱雑音等の電気回路で発生するノイズより大きな出力信号を得るためには、アバランシェフォトダイオードの場合は数十個以上、フォトダイオードの場合には数百個以上の光子の入力が必要である。熱雑音は、信号の周波数帯域の平方根に比例して大きくなる性質があるため、光子数十個以下の極微弱光をフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードで受光した場合に１ｎｓ前後の時間領域で受光タイミングを検出することが困難となる。
　さらに、リーディングエッジ検出方式でタイミングを検出する上で、信号の立ち上がりが直線的な場合、すなわち信号強度が時間に比例する場合、検出遅延時間（ウォークエラー）ｔｄと信号のピーク電圧（ピーク値）Ｖｐとの関係は、図２に示される曲線のように概ね反比例する関係にある。なお、図２では、ピーク値に載るノイズ量ΔＶｐ対応するウォークエラーの変化量Δｔｄも記載されている。図２に示すように、光強度が弱い場合にはパルス強度の変化に対するウォークエラーの変化量Δｔｄが大きいため、光強度が強い信号と同じノイズ量ΔＶｐでもウォークエラーの変化量Δｔｄは大きくなり必要なタイミング計測精度を得ることが困難となる。
　さらに、連続的な入出力特性を示すため、限定されたデータ点から補間して連続値に対応する補正値を出力する補間回路も合わせて必要となる。このように、出力値が連続的なフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードを用いると、検出可能な強度レベルであっても微弱光でのウォークエラー補正誤差が大きくなり結果的にタイミング計測精度も低下し、且つ、回路規模も大きくなってしまう。すなわち、受光部として微弱な光（光子数が少ない光）でも受光できる構成を採用しつつ、上述したウォークエラーを適切に補正できることが望まれる。以上の点に鑑みてなされた本開示の複数の実施形態等について説明する。
＜実施形態の概要＞
　始めに、理解の容易のために本開示の実施形態（例えば、第１の実施形態）の概要について説明する。本開示は、一例として補正装置として構成することができる。図３に示す補正装置１は、例えば、パルス光源２と、受光部の一例である離散化出力型光検出器３と、計測部の一例であるタイミング計測回路４と、光子数計数部の一例である光子数計数回路５と、補正値取得部の一例であるずれ量算出回路６と、補正部の一例であるタイミング補正回路７とを備えている。
　補正装置１の動作について、概略的に説明する。パルス光源２から例えば、パルス光が出射される。パルス光源２から出射されたパルス光が測距対象物により反射され、反射パルス光ＲＰとして離散化出力型光検出器３に入力される。反射パルス光ＲＰを受光するのに伴って離散化出力型光検出器３から信号ｓ１が出力される。信号ｓ１がタイミング計測回路４に入力される。タイミング計測回路４は、信号ｓ１の電圧レベルが閾値Ｖｔｈを上回るタイミングｔ１を計測し、タイミングｔ１を示すタイミング信号ｔ１ｓをタイミング補正回路７に出力する。
　一方、離散化出力型光検出器３から出力された信号ｓ１は、光子数計数回路５にも入力される。光子数計数回路５は、信号ｓ１に基づいて離散化出力型光検出器３が受光した光子数（フォトン数）ＰＮを求め、光子数ＰＮを示す光子数信号ＰＮｓをずれ量算出回路６に出力する。ずれ量算出回路６は、光子数ＰＮに基づいて、基準となる反射パルス光のタイミングに対する時間的なずれ量Ｍを取得し、ずれ量Ｍを示す信号Ｍｓをタイミング補正回路７に出力する。タイミング補正回路７は、ずれ量Ｍに基づいてタイミングｔ１を補正することで補正後のタイミングｔ２を取得し、タイミングｔ２を示すタイミング信号ｔ２ｓを出力する。
　なお、図示はしていないが、タイミング信号ｔ２ｓは、後段の処理における例えば距離算出処理で使用される。すなわち、パルス光源２から出射されたパルス光（基準光）を受光したタイミングとタイミングｔ２との差分に対し光速が乗算されることで測距対象物までの往復距離が算出され、当該往復距離を２で除算することで測距対象物までの距離が算出される。以下、各実施形態におけるより詳細な構成例等について説明する。
＜第１の実施形態＞
「補正装置の構成例」
　図４は、第１の実施形態における補正装置１０の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態における補正装置１０は、例えば、パルス光源１１と、マルチピクセル型ＳＰＡＤ(Single Photon Avalanche Diode)（以下、ＳＰＡＤと適宜、略称する）１２と、時間デジタル変換器（ＴＤＣ(Time-to-Digital Converter)）１３と、積分回路／変換器１４と、ルックアップテーブル参照回路１５と、タイミング補正回路１６とを備えている。
　パルス光源１１は、光源として例えば半導体レーザと、半導体レーザを駆動するドライバ等を備えている。例えば、間欠的にドライバが動作することにより、半導体レーザからパルス光が所定の周期で出射される。
　離散化出力型光検出器３の一例であるＳＰＡＤ１２は、受光部と駆動回路とを含む構成を備えている。ＳＰＡＤ１２は、パルス光源１１から出射されたパルス光が測距対象物に反射された光（以下適宜、反射パルス光ＲＰと称する）を受光するように構成されている。反射パルス光ＲＰの受光に伴ってＳＰＡＤ１２から信号（以下適宜、ＳＰＡＤ出力信号と称する）ｓ１１が出力される。ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１が、時間デジタル変換器１３および積分回路／変換器１４のそれぞれに出力される。なお、ＳＰＡＤ１２の具体的な構成例については後述する。
　タイミング計測回路４の一例である時間デジタル変換器１３は、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１のレベルが所定の閾値Ｖｔｈを上回るタイミングｔ１を計測する回路である。時間デジタル変換器１３は、タイミングｔ１を示すデジタル形式のタイミング信号ｔ１ｓを生成する。
　光子数計数回路５の一例である積分回路／変換器１４は、アナログの積分回路と、当該積分回路の後段に接続されるＡＤ(Analog-to-Digital)変換器とを備えている。積分回路／変換器１４は、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１を積分回路で積分することにより積分値を取得し、積分値からＳＰＡＤ１２が受光した光子数ＰＮを取得（計数）する。
　ずれ量算出回路６の一例であるルックアップテーブル参照回路１５は、光子数ＰＮと補正値の一例であるずれ量Ｍとが対応付けられたルックアップテーブルを記憶している。ルックアップテーブル参照回路１５は、積分回路／変換器１４から供給された光子数ＰＮに対応するずれ量Ｍを、ルックアップテーブルを参照して取得し、ずれ量Ｍを示す信号Ｍｓを生成する。
　タイミング補正回路１６は、ずれ量Ｍに基づいてタイミングｔ１を補正する回路である。タイミング補正回路１６は、ずれ量Ｍに基づいてタイミングｔ１を補正してタイミングｔ２を取得し、当該タイミングｔ２を示すタイミング信号ｔ２ｓを生成する。
「ＳＰＡＤについて」
　次に、ＳＰＡＤ１２の詳細について説明する。図５は、ＳＰＡＤ１２の構成例を示している。ＳＰＡＤ１２は、実際に光を受光する受光部１２１を備えている。受光部１２１は、複数の受光素子１２２を備えている。受光素子１２２は、アバランシェフォトダイオード１２２ａと、アバランシェフォトダイオード１２２ａに直列に接続されたクエンチング抵抗１２２ｂとを備えている。すなわち、受光部１２１は、１個の受光素子１２２を基本単位とし、複数の受光素子１２２が２次元に電気的に接続（例えば、並列接続）された構成を成している。
　さらに、ＳＰＡＤ１２は、受光部１２１に所定の電圧を印加するための電源１２３と、電源電圧を安定化するための、抵抗１２４ａおよびコンデンサ１２４ｂを備える平滑回路１２４と、受光部１２１から出力される電流信号を電圧信号に変換するための抵抗１２５とを備えている。抵抗１２５は、受光部１２１の出力側に接続されており、受光部１２１と抵抗１２５との間の接続点ＡＡに対して後段の構成（時間デジタル変換器１３および積分回路／変換器１４）が接続される。この接続点ＡＡを介して、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１が後段の構成に出力される。
　受光部１２１において生じるアバランシェ現象について説明する。なお、説明の便宜を考慮して、１個の受光素子１２２を例にして説明するが、他の受光素子についても同様の現象が生じる。アバランシェフォトダイオード１２２ａに対して降伏電圧以上の逆電圧を印加された状態で光子（フォトン）が入射すると、アバランシェフォトダイオード１２２ａは電子正孔対を生成し電子と正孔とが各々高電界で加速されて次々と雪崩のように新たな電子正孔対を生成する。この現象がアバランシェ現象と称される。
　アバランシェフォトダイオード１２２ａに対する印加電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェ現象を止めることができる。この機能は、アバランシェフォトダイオード１２２ａに直列に接続されたクエンチング抵抗１２２ｂにより実現することができ、アバランシェ電流によるクエンチング抵抗１２２ｂの端子間の電圧上昇によってバイアス電圧が降下してアバランシェ電流が止まる。
　図６は、ＳＰＡＤ１２から出力されるＳＰＡＤ出力信号ｓ１１の理想的な波形を示している。図６において、横軸は時間を示しており、縦軸は電圧を示している。実際の波形は、この波形に熱的な要因等によるパルス状またはランダムなノイズ波形が載った状態になる。
　ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１は、光子を受光すると急峻な立ち上がりを示し、レベルがピーク電圧（以下適宜、波高値とも称する）に達した後、指数関数的にレベルが減少する。ブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧が印加されたＳＰＡＤ１２では個々の受光素子１２２内のアバランシェフォトダイオード１２２ａが一度に１個の光子検出により決まった波形・ピーク電圧の電流パルスを出力し、全受光素子の合計電流が受光部１２１の出力端子から出力される。この信号を抵抗１２５に通すことでＳＰＡＤ出力信号ｓ１１を電圧信号として取り扱うことができる。
　図６に示すように、受光部１２１が受光した光子数に応じて、波高値および波形を積分した積分値が離散化される。換言すれば、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１の波高値を得ることで受光部１２１が受光した光子数を得ることができる。
　図７は、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１のピーク電圧Ｖｐと立ち上がり開始から閾値Ｖｔｈでの検出までの遅延時間ｔｄ（図１参照）との関係を模式的に示した図である。図７において、横軸は受光光子数に応じて離散化されたＳＰＡＤ出力信号ｓ１１のピーク電圧またはＳＰＡＤ出力信号ｓ１１の電圧を積分した積分値を示しており、縦軸は遅延時間ｔｄを示している。図７では、ＳＰＡＤ１２からの出力の離散化に伴って遅延時間ｔｄも離散化されることが示されている。また、ピーク電圧Ｖｐやその時間積分値の離散化間隔は検出光子数１個の増分に対応して一定であり、微弱信号ほど遅延時間ｔｄの離散化間隔が大きくなることが示されている。
　具体例について説明する。ピーク電圧Ｖｐの離散化間隔は典型的には一光子あたり０．２～０．３ｍＶ（ミリボルト）である。ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１の立ち上り時間は典型的には０．６ｎｓである。例えば２．５光子相当を閾値（ノイズの誤検知を防ぐため２光子以下の信号は後段で検出しないようにする）とした場合、３光子検出時の遅延時間ｔｄと４光子検出する際の遅延時間はそれぞれ、０．５ｎｓ（＝０．６ｎｓ＊２．５／３）および０．３７５ｎｓ（＝０．６ｎｓ＊２．５／４）となり、遅延時間ｔｄの離散化間隔は０．１２５ｎｓとなり、その間に他の遅延時間ｔｄは生じないことになる。
　実際にはＳＰＡＤ出力信号ｓ１１およびその増幅信号には熱雑音等のアナログ的なノイズが含まれるが、受光素子１２２内での電流増倍作用により高いＳ／Ｎ(Signal-to-Noise Ratio)を示す。このため、ノイズによる信号の変動幅よりも検出光子数毎の離散化間隔のほうが大きい値となり、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１のパルスピーク値や積分値の度数分布を計測すると、図８に示すように検出光子数に対応した値のところに極大値をもつヒストグラムが得られる。
　すなわち、ＳＰＡＤ１２を用いることで、微弱な光を受光した場合でも高いＳ／Ｎの信号を得ることができる。さらに、ＳＰＡＤ１２から出力されるＳＰＡＤ出力信号ｓ１１をピーク電圧等に応じて離散化した信号として取り扱うことが可能となる。そして、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１のピーク電圧または積分値を検出する回路を用いその出力から整数単位の検出光子数を計数し、その検出光子数に応じたデジタル信号を出力することができる。
「補正装置の動作」
　次に、第１の実施形態における補正装置１０の動作例について説明する。パルス光源１１から出射されたパルス光が測距対象物により反射され、反射パルス光ＲＰとしてＳＰＡＤ１２により入力される。反射パルス光ＲＰを受光するのに伴ってＳＰＡＤ１２からＳＰＡＤ出力信号ｓ１１が出力される。ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１が時間デジタル変換器１３に入力される。時間デジタル変換器１３は、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１の電圧レベルが閾値Ｖｔｈを上回るタイミングｔ１を計測し、タイミングｔ１を示すタイミング信号ｔ１ｓをタイミング補正回路１６に出力する。
　一方、ＳＰＡＤ１２から出力されたＳＰＡＤ出力信号ｓ１１は、積分回路／変換器１４にも入力される。積分回路／変換器１４は、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１を積分回路で積分して積分値を得、当該積分値に基づいて光子数ＰＮを求める。そして、積分回路／変換器１４は、ＡＤ変換器を使用して光子数ＰＮを示すデジタル形式の光子数信号ＰＮｓ生成し、ルックアップテーブル参照回路１５に出力する。
　ルックアップテーブル参照回路１５は、ルックアップテーブルを参照して光子数ＰＮに対応するずれ量Ｍを取得する。参照対象のルックアップテーブルには、図９に模式的に示すように光子数ＰＮとずれ量Ｍとの対応関係が既述されていることから、ルックアップテーブル参照回路１５は、光子数ＰＮに対応するずれ量Ｍを取得することができる。ルックアップテーブル参照回路１５は、ずれ量Ｍを示す信号Ｍｓをタイミング補正回路１６に出力する。タイミング補正回路１６は、ずれ量Ｍに基づいてタイミングｔ１を補正することで補正後のタイミングｔ２を取得し、当該タイミングｔ２を示すタイミング信号ｔ２ｓを出力する。
　以上のような第１の実施形態によれば、受光する光が微弱（例えば、光子数が数１０個以下）な場合でも光強度の違いに起因するウォークエラーを高精度に補正することができる。また、ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１を積分した積分値から得られる光子数をデジタル値に変換するので、積分回路／変換器１４から後段の回路等によりノイズや誤差が重畳されることを防止できる。
「第１の実施形態の変形例」
　上述した第１の実施形態は、以下の変形が可能である。例えば、積分回路／変換器１４において、積分回路に代えてアナログのピークホールド回路を使用してもよい。また、積分回路／変換器１４において、ＡＤ変換器の量子化間隔を積分回路（またはピークホールド回路）の出力の離散化間隔と一致させることで、光子数の計数精度を保ったままＡＤ変換器の回路規模を小さくすることができる。
　ＳＰＡＤ出力信号ｓ１１のピーク電圧が大きい（パルス高さの高い領域）では、遅延時間ｔｄの離散化間隔が小さくなるので、必要な補正精度に応じて検出光子数の間隔を間引いて粗くすることができる。これにより、補正用データのビット数（総出データ点数）をフォトダイオードやリニアモードのアバランシェフォトダイオードを用いた場合より少なくでき、低コスト且つ高精度にウォークエラーを補正することができる。
＜第２の実施形態＞
　次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明において同一の名称、符号については、特に断らない限り同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。また、第１の実施形態で説明した事項は、特に断らない限り第２の実施形態に適用することができる。
「測距装置の構成例」
　第２の実施形態は、本開示における補正装置を測距装置に適用した例である。図１０は、第２の実施形態における測距装置２０の構成例を示すブロック図である。測距装置２０は、例えば、パルス光源２１と、フォトダイオード２２と、第２の実施形態における補正装置２３と、距離算出回路２４とを備えている。
　パルス光源２１は、例えば、半導体レーザ２１ａと、駆動回路２１ｂとを備えている。例えば、所定の周期でもって間欠的に駆動回路２１ｂが動作することにより、半導体レーザ２１ａからレーザパルス光が間欠的に出射される。なお、半導体レーザ２１ａから出射されたパルス光は、その一部がハーフミラーＨＭで分岐されて基準パルス光ＳＰとしてフォトダイオード２２に入力され、残りが測距対象物ＭＴに照射、反射された後、反射パルス光ＲＰとして補正装置２３に入力されるように構成されている。
　フォトダイオード２２は、基準パルス光ＳＰの受光に伴って受光信号ｓ２２を出力する。受光信号ｓ２２は、図示しない増幅部により増幅された後、時間デジタル変換器２３ｂに入力されるように構成されている。
　補正装置２３は、例えば、（マルチピクセル型）ＳＰＡＤ２３ａと、時間デジタル変換器２３ｂと、積分回路／変換器２３ｃと、ルックアップテーブル参照回路２３ｄと、タイミング補正回路２３ｅとを備えている。補正装置２３は、パルス光源１１を備えていない他は、構成等は第１の実施形態における補正装置１０と同様とされている。
　距離算出回路２４は、測距対象物ＭＴまでの距離を演算により算出する回路である。距離算出回路２４は、例えば、タイミング補正回路２３ｅから供給される時間差信号ｔ４ｓに光速を乗算することで往復距離を得、往復距離を２で除算することにより測距対象物ＭＴまでの距離を算出する。
「測距装置の動作例」
　次に、測距装置２０の動作例について説明する。パルス光源２１からパルス光が出射され、ハーフミラーＨＭで分岐された光が基準パルス光ＳＰとしてフォトダイオード２２に入力される。フォトダイオード２２が基準パルス光ＳＰを受光すると、フォトダイオード２２から受光信号ｓ２２が出力される。受光信号ｓ２２は図示しない増幅部により増幅等の処理がなされた後、時間デジタル変換器２３ｂに入力される。時間デジタル変換器２３ｂは、リーディングエッジ検出方式によりフォトダイオード２２が基準パルス光ＳＰを受光したタイミングｔ２２を取得する。
　一方、測距対象物ＭＴにより反射された光が反射パルス光ＲＰとして補正装置２３のＳＰＡＤ２３ａに入力される。ＳＰＡＤ２３ａが反射パルス光ＲＰを受光すると、ＳＰＡＤ２３ａからＳＰＡＤ出力信号ｓ２３が出力される。ＳＰＡＤ出力信号ｓ２３が時間デジタル変換器２３ｂに入力される。時間デジタル変換器２３ｂは、リーディングエッジ検出方式によりＳＰＡＤ２３ａが反射パルス光ＲＰを受光したタイミングｔ２３を取得する。そして、時間デジタル変換器２３ｂは、タイミングｔ２２、ｔ２３の時間差である時間差信号ｔ３ｓ（＝ｔ２３－ｔ２２）を取得する。この時間差信号ｔ３ｓは、半導体レーザ２１ａから出射されたパルス光の飛行時間（但し、補正前の飛行時間）に対応する。
　一方、ＳＰＡＤ２３ａから出力されたＳＰＡＤ出力信号ｓ２３は、積分回路／変換器２３ｃにも入力される。積分回路／変換器２３ｃは、ＳＰＡＤ出力信号ｓ２３を積分回路で積分して積分値を得、当該積分値に基づいて光子数ＰＮを求める。そして、積分回路／変換器２３ｃは、ＡＤ変換器を使用して光子数ＰＮを示すデジタル形式の光子数信号ＰＮｓ生成し、ルックアップテーブル参照回路２３ｄに出力する。
　ルックアップテーブル参照回路２３ｄは、ルックアップテーブルを参照して光子数ＰＮに対応するずれ量Ｍを取得する。ルックアップテーブル参照回路２３ｄは、ずれ量Ｍを示す信号Ｍｓをタイミング補正回路２３ｅに出力する。タイミング補正回路２３ｅは、ずれ量Ｍに基づいて時間差信号ｔ３ｓを補正する。例えば、タイミング補正回路２３ｅは、時間差信号ｔ３ｓからずれ量Ｍの分を減算することにより補正を行い、パルス光の正確な飛行時間に対応する時間差信号ｔ４ｓを取得する。そして、タイミング補正回路２３ｅは、時間差信号ｔ４ｓを距離算出回路２４に出力する。
　距離算出回路２４は、時間差信号ｔ４ｓに光速を乗算し、その結果を２で除算することで測距対象物ＭＴまでの距離を算出する。以上、説明したように、本開示の補正装置は、測距装置に適用することも可能である。
「第２の実施形態の変形例」
　上述した第２の実施形態は、以下の変形が可能である。フォトダイオード２２により受光される基準パルス光ＳＰの光強度は一般的に大きい（例えば、光子数１００個以上）。このため特定の受光素子を用いる必要性は低いものの、フォトダイオード２２に代えて、連続モードのアバランシェフォトダイオードや、ＳＰＡＤを使用してもよい。より感度の高い素子を使用することで、ハーフミラーＨＭで分岐する光量をより小さくして測距対象物に照射する光量を大きくすることができる。また、第１の実施形態で説明した変形例を第２の実施形態に適用することも可能である。
＜第３の実施形態＞
　次に、第３の実施形態について説明する。なお、以下の説明において同一の名称、符号については、特に断らない限り同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。また、第１、第２の実施形態で説明した事項は、特に断らない限り第３の実施形態に適用することができる。
「測距装置の構成例」
　第３の実施形態は、第２の実施形態と同様、本開示における補正装置を測距装置に適用した例である。図１１は、第２の実施形態における測距装置３０の構成例を示すブロック図である。測距装置３０は、例えば、パルス光源３１と、第３の実施形態における補正装置３３と、距離算出回路３４とを備えている。
　パルス光源３１は、例えば、半導体レーザ３１ａと、駆動回路３１ｂとを備えている。例えば、所定の周期でもって駆動回路３１ｂが動作することにより、半導体レーザ３１ａからレーザパルス光が間欠的に出射される。なお、半導体レーザ３１ａから出射されたパルス光は、測距対象物ＭＴに照射、反射された後、反射パルス光ＲＰとして補正装置３３に入力されるように構成されている。
　補正装置３３は、例えば、（マルチピクセル型）ＳＰＡＤ３３ａと、時間デジタル変換器３３ｂと、積分回路／変換器３３ｃと、ルックアップテーブル参照回路３３ｄと、タイミング補正回路３３ｅとを備えている。補正装置３３の構成等は第２の実施形態における補正装置２３と同様とされている。
　距離算出回路３４は、距離算出回路２４と同様に測距対象物ＭＴまでの距離を演算により算出する回路である。距離算出回路３４は、例えば、タイミング補正回路３３ｅから供給される時間差信号ｔ６ｓに光速を乗算することで往復距離を得、往復距離を２で除算することにより測距対象物ＭＴまでの距離を算出する。
「測距装置の動作例」
　測距装置３０は、第２の実施形態におけるフォトダイオード２２の代わりに、駆動回路３１ｂから駆動タイミングに同期したパルス信号を取り出して、このパルス信号を発光タイミング検出のための参照信号（以下適宜、参照パルスと称する）とする。以下、測距装置３０の具体的な動作例について説明する。
　駆動回路３１ｂの動作に伴ってパルス光源３１からパルス光が出射される。また、駆動回路３１ｂの駆動タイミングに同期して参照パルスが出力され、当該参照パルスが駆動回路３１ｂから補正装置３３の時間デジタル変換器３３ｂに入力される。時間デジタル変換器３３ｂは、参照パルスが入力されたタイミングｔ３１を記憶する。
　パルス光源３１から出射されたパルス光が測距対象物ＭＴにより反射され、反射パルス光ＲＰとして補正装置３３のＳＰＡＤ３３ａに入力される。ＳＰＡＤ３３ａが反射パルス光ＲＰを受光すると、ＳＰＡＤ３３ａからＳＰＡＤ出力信号ｓ３３が出力される。ＳＰＡＤ出力信号ｓ３３が時間デジタル変換器３３ｂに入力される。時間デジタル変換器３３ｂは、リーディングエッジ検出方式によりＳＰＡＤ３３ａが反射パルス光ＲＰを受光したタイミングｔ３３を取得する。そして、時間デジタル変換器３３ｂは、記憶しているタイミングｔ３１とタイミングｔ３３の時間差である時間差信号ｔ５ｓ（＝ｔ３３－ｔ３１）を取得する。なお、時間差信号ｔ５ｓは、半導体レーザ３１ａから出射されたパルス光の飛行時間（但し、補正前の飛行時間）に対応する。
　一方、ＳＰＡＤ３３ａから出力されたＳＰＡＤ出力信号ｓ３３は、積分回路／変換器３３ｃにも入力される。積分回路／変換器３３ｃは、ＳＰＡＤ出力信号ｓ３３を積分回路で積分して積分値を得、当該積分値に基づいて光子数ＰＮを求める。そして、積分回路／変換器３３ｃは、ＡＤ変換器を使用して光子数ＰＮを示すデジタル形式の光子数信号ＰＮｓ生成し、ルックアップテーブル参照回路３３ｄに出力する。
　ルックアップテーブル参照回路３３ｄは、ルックアップテーブルを参照して光子数ＰＮに対応するずれ量Ｍを取得する。ルックアップテーブル参照回路３３ｄは、ずれ量Ｍを示す信号Ｍｓをタイミング補正回路３３ｅに出力する。タイミング補正回路３３ｅは、ずれ量Ｍに基づいて時間差信号ｔ５ｓを補正する。例えば、タイミング補正回路３３ｅは、時間差信号ｔ５ｓからずれ量Ｍの分を減算することにより補正を行い、パルス光の正確な飛行時間に対応する時間差信号ｔ６ｓを取得する。そして、タイミング補正回路３３ｅは、時間差信号ｔ６ｓを距離算出回路３４に出力する。
　距離算出回路３４は、時間差信号ｔ６ｓに光速を乗算し、その結果を２で除算することで測距対象物ＭＴまでの距離を算出する。以上、説明したように、本開示の補正装置は、測距装置に適用することも可能である。さらに、第３の実施形態によれば、フォトダイオードおよび光分岐用のハーフミラーを省略できるので光学系を簡素化でき、測距装置を小型化することができる。なお、第１、第２の実施形態で説明した変形例は、第３の実施形態に適用することも可能である。
＜第４の実施形態＞
　次に、第４の実施形態について説明する。なお、以下の説明において同一の名称、符号については、特に断らない限り同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。また、第１－３の実施形態で説明した事項は、特に断らない限り第４の実施形態に適用することができる。
　第４の実施形態では、パルス光に対して複数の異なる閾値を設定して光子数を検出するようにしている。この点について図１２および図１３を参照して説明する。図１２において、横軸は時間を示し、縦軸はパルス光（例えば、反射パルス光ＲＰ）の信号強度（電圧レベル）を示している。図１２では、２つのパルス光の波形ＷＡ３、ＷＡ４が示されており、それぞれのパルス光のピーク電圧Ｖｐ１、Ｖｐ２（但し、Ｖｐ１＞Ｖｐ２）である。すなわち、波形ＷＡ３により示されるパルス光の光強度が波形ＷＡ４により示されるパルス光の光強度より大きいことになる。
　図１２に示すように、電圧の閾値として２個の閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２（但し、Ｖｔｈ２＞Ｖｔｈ１）が設定されている。ここで、波形ＷＡ３の電圧レベルが閾値Ｖｔｈ１を上回るタイミングをタイミングｔ１ａとし、閾値Ｖｔｈ２を上回るタイミングをタイミングｔ２ａとし、両者の差（ｔ２ａ－ｔ１ａ）をΔｔ１とする。一方、波形ＷＡ４の電圧レベルが閾値Ｖｔｈ１を上回るタイミングをタイミングｔ１ｂとし、閾値Ｖｔｈ２を上回るタイミングをタイミングｔ２ｂとし、両者の差（ｔ２ｂ－ｔ１ｂ）をΔｔ２とする。なお、Δｔ１やΔｔ２を以下の説明において適宜、検出時間差と称する。パルス光の光強度が小さい場合には閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２のそれぞれに達したタイミングの差が大きくなる。例えば、Δｔ２がΔｔ１より大きくなる。
　この特徴を利用して、検出時間差に対応する検出光子数が記述されたルックアップテーブルを用意することで、検出時間差に応じてパルス光に含まれる光子数を取得することが可能となる。図１３は、検出時間差に対応した光子数が記述されたルックアップテーブルの例を示している。図１３に示されるように、ルックアップテーブルには、検出時間差が大きくなるほど、対応する光子数が小さくなる関係が記述されている。なお、実際の回路ではタイミングの計測値ノイズがのることもあるが、最近傍の理論値に丸めることにより整数単位の光子数を求めることができる。
「測距装置の構成例」
　次に、第４の実施形態における、本開示における補正装置を適用した測距装置について説明する。図１４は、第４の実施形態における測距装置４０の構成例を示すブロック図である。測距装置４０は、例えば、パルス光源４１と、第４の実施形態における補正装置４３と、距離算出回路４４とを備えている。
　パルス光源４１は、例えば、半導体レーザ４１ａと、駆動回路４１ｂとを備えている。例えば、所定の周期でもって駆動回路４１ｂが動作することにより、半導体レーザ４１ａからレーザパルス光が間欠的に出射される。なお、半導体レーザ４１ａから出射されたパルス光は、測距対象物ＭＴに照射、反射された後、反射パルス光ＲＰとして補正装置４３に入力されるように構成されている。
　補正装置４３は、例えば、（マルチピクセル型）ＳＰＡＤ４３ａと、第１の時間デジタル変換器４３ｂと、第２の時間デジタル変換器４３ｃと、ルックアップテーブル参照回路４３ｄと、タイミング補正回路４３ｅと、閾値設定回路４３ｆとを備えている。
　距離算出回路４４は、測距対象物ＭＴまでの距離を演算により算出する回路である。距離算出回路４４は、例えば、タイミング補正回路４３ｅから供給される時間差信号ｔ８ｓに光速を乗算することで往復距離を得、往復距離を２で除算することにより測距対象物ＭＴまでの距離を算出する。
　補正装置４３の構成例について説明する。ＳＰＡＤ４３ａは、測距対象物ＭＴにより反射された反射パルス光ＲＰを受光するように構成されている。反射パルス光ＲＰの受光に伴ってＳＰＡＤ４３ａからはＳＰＡＤ出力信号ｓ４３が出力され、ＳＰＡＤ出力信号ｓ４３が時間デジタル変換器４３ｂ，４３ｃのそれぞれに入力される。
　時間デジタル変換器４３ｂは、ＳＰＡＤ出力信号ｓ４３のレベルが閾値Ｖｔｈ１を上回るタイミングｔ４３ａを計測する。この時間デジタル変換器４３ｂには、駆動回路４１ｂの駆動タイミングに同期した参照パルスが入力される。
　時間デジタル変換器４３ｃは、ＳＰＡＤ出力信号ｓ４３のレベルが閾値Ｖｔｈ２を上回るタイミングｔ４３ｂを計測する。
　ルックアップテーブル参照回路４３ｄは、ルックアップテーブルを参照し、タイミングｔ４３ａとタイミングｔ４３ｂとの差分に基づいて光子数を得る回路である。ルックアップテーブル参照回路４３ｄにより参照されるルックアップテーブルには、検出時間差に対応する光子数が記述されている。また、ルックアップテーブル参照回路４３ｄは、光子数とずれ量が記述されたルックアップテーブルも記憶している。
　タイミング補正回路４３ｅは、光子数に基づいてタイミングを補正した後、補正後の時間差信号ｔ８ｓを距離算出回路４４に出力する回路である。
「測距装置の動作例」
　次に、測距装置４０の動作例について説明する。駆動回路４１ｂの動作に伴ってパルス光源４１からパルス光が出射される。駆動回路４１ｂの駆動タイミングに同期して参照パルスが出力され、当該参照パルスが駆動回路４１ｂから補正装置４３の時間デジタル変換器４３ｂに入力される。時間デジタル変換器４３ｂは、参照パルスが入力されたタイミングｔ４１を記憶する。
　パルス光源４１から出射されたパルス光が測距対象物ＭＴにより反射され、反射パルス光ＲＰとして補正装置４３のＳＰＡＤ４３ａに入力される。ＳＰＡＤ４３ａが反射パルス光ＲＰを受光すると、ＳＰＡＤ４３ａからＳＰＡＤ出力信号ｓ４３が出力される。ＳＰＡＤ出力信号ｓ４３が時間デジタル変換器４３ｂ，４３ｃのそれぞれに入力される。なお、時間デジタル変換器４３ｂ，４３ｃには、閾値設定回路４３ｆから閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２がそれぞれ入力される。
　時間デジタル変換器４３ｂは、ＳＰＡＤ出力信号ｓ４３が閾値Ｖｔｈ１を上回るタイミングｔ４３ａを取得する。そして、時間デジタル変換器４３ｂは、タイミングｔ４３ａを示すデジタル形式のタイミング信号を生成し、当該タイミング信号をルックアップテーブル参照回路４３ｄに出力する。さらに、時間デジタル変換器４３ｂは、記憶しているタイミングｔ４１とタイミングｔ４３の時間差である時間差信号ｔ７ｓ（＝ｔ４３－ｔ４１）を取得し、この時間差信号ｔ７ｓをタイミング補正回路４３ｅに供給する。
　時間デジタル変換器４３ｃは、ＳＰＡＤ出力信号ｓ４３が閾値Ｖｔｈ２を上回るタイミングｔ４３ｂを取得する。そして、時間デジタル変換器４３ｂは、タイミングｔ４３ｂを示すデジタル形式のタイミング信号を生成し、当該タイミング信号をルックアップテーブル参照回路４３ｄに出力する。
　ルックアップテーブル参照回路４３ｄは、タイミングｔ４３ａとタイミングｔ４３ｂとの差分（ｔ４３ｂ－ｔ４３ａ）である検出時間差を求め、ルックアップテーブルを参照して、検出時間差に対応する光子数ＰＮを取得する。そして、ルックアップテーブル参照回路４３ｄは、同一または異なるルックアップテーブルを参照して、第２の実施形態等と同様にして光子数ＰＮに対応するずれ量Ｍを取得する。ルックアップテーブル参照回路４３ｄは、ずれ量Ｍを示す信号Ｍｓをタイミング補正回路４３ｅに出力する。タイミング補正回路４３ｅは、ずれ量Ｍに基づいて時間差信号ｔ７ｓを補正する。例えば、タイミング補正回路４３ｅは、時間差信号ｔ７ｓからずれ量Ｍの分を減算することにより補正を行い、パルス光の正確な飛行時間に対応する時間差信号ｔ８ｓを取得する。そして、タイミング補正回路４３ｅは、時間差信号ｔ８ｓを距離算出回路４４に出力する。
　距離算出回路４４は、時間差信号ｔ８ｓに光速を乗算し、その結果を２で除算することで測距対象物ＭＴまでの距離を算出する。第４の実施形態によれば、積分回路やピークホールド回路を使用することなくパルス光の光子数を取得することができる。
＜変形例＞
　以上、本開示の複数の実施形態について具体的に説明したが、本開示の内容は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。以下、変形例について説明する。
　上述した実施形態では、離散化出力型光検出器３の一例としてＳＰＡＤを使用したが、これに限定されるものではない。例えば、出力を離散化して把握できる素子を使用してもよい。また、ＳＰＡＤの構成（受光素子１２２の接続態様や接続数等）は適宜、変更できる。クエンチング抵抗１２２ｂは、抵抗に限らずトランジスタ等の他の回路素子でもよい。
　タイミング計測回路４は、時間デジタル変換器に限定されることはない。例えば、所定の波形の減衰波形と、当該所定の波形を遅延反転させた波形とを足し合わせてゼロクロス点を検出するＣＦＤ(Constant Fraction Discriminator)等を使用してもよい。
　ずれ量算出回路６は、ルックアップテーブル参照回路に限定されることはなく、所定の演算処理により光子数からずれ量を求める回路等であってもよい。
　上述した補正装置または測距装置は、説明した全ての構成を備える必要はなく、任意の構成を追加、削除してもよいし、ある構成要素の機能を他の構成要素の機能に統合することも可能である。例えば、補正装置は、パルス光源やＳＰＡＤを備えない構成でもよく、距離算出回路を含む構成であってもよい。また、測距装置は、パルス光源やＳＰＡＤを備えない構成でもよい。さらに、補正装置や測距装置がＳＰＡＤ出力信号を増幅する増幅回路等を追加的に備える構成でもよい。
　上述した第２の実施形態等では、ずれ量Ｍに基づいて反射パルス光ＲＰの飛行時間を補正したが、ずれ量Ｍに基づいてＳＰＡＤ１２が反射パルス光ＲＰを受光したタイミング（反射パルス光ＲＰのレベルが閾値を上回るタイミング）を補正してもよい。そして、補正後のタイミングと発光タイミングとの差分を求めることにより反射パルス光ＲＰの飛行時間を求めてもよい。
　上述した第４の実施形態において、時間デジタル変換器４３ｂ、４３ｃのそれぞれに閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２が予め設定されていれば、閾値設定回路４３ｆはなくてもよい。また、補正装置４３は、必ずしも測距装置４０に組み込まれて使用される必要はない。
　上述した各実施形態において、構成間の電気的な接続関係は、ケーブル等を使用した有線による接続でもよく、所定の通信規格に基づく無線通信でもよい。
　本開示の補正装置は、測距装置の他にも測距装置が組み込まれる機器（例えば、プロジェクタ装置、ゲーム機器、撮像装置等の各種の電子機器や、歩行者や障害物等までの距離を検知し、距離に応じてブレーキを作動させる安全装置、このような安全装置が使用され得る自動車、電車、飛行機、ヘリコプター、小型飛行体等の移動体、ロボット、防犯装置等）にも適用可能である。また、測距装置に限らず、正確な光子数の検出が必要とされる機器に対しても適用可能である。
　本開示は、例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。また、本開示は、装置、方法、複数の装置からなるシステム等により実現することができ、複数の実施形態および変形例で説明した事項は、技術的な矛盾が生じない限り相互に組み合わせることができる。
　なお、本開示は、以下のような構成も取ることができる。
（１）
　受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数する光子数計数部と、
　前記光子数に対応する補正値を取得する補正値取得部と
　前記補正値に基づく補正を行う補正部と
　を備える補正装置。
（２）
　前記光子数計数部は、前記出力信号を積分する積分回路を備え、
　前記積分回路による積分値に応じて前記光子数を計数するように構成された
　（１）に記載の補正装置。
（３）
　前記光子数計数部は、前記出力信号のレベルが第１の閾値を上回る第１のタイミングと前記出力信号のレベルが第２の閾値を上回る第２のタイミングとの時間差に応じて前記光子数を計数するように構成された
　（１）に記載の補正装置。
（４）
　前記光子数計数部は、前記光子数を示すデジタル形式の光子数信号を前記補正値取得部に出力するように構成された
　（１）乃至（３）の何れか１項に記載の補正装置。
（５）
　前記補正値取得部は、前記光子数に対応した補正値が記述されたルックアップテーブルを備え、前記ルックアップテーブルを参照して前記光子数に対応した補正値を取得するように構成された
　（１）乃至（４）の何れか１項に記載の補正装置。
（６）
　前記補正部は、前記補正値に基づいて、前記受光部が光を受光したタイミングまたは前記光の飛行時間を補正するように構成された
　（１）乃至（５）の何れか１項に記載の補正装置。
（７）
　前記出力信号のレベルが所定の閾値を上回るタイミングを計測する計測部を備える
　（１）乃至（６）の何れか１項に記載の補正装置。
（８）
　前記受光部が受光する光の出力タイミングが入力される計測部を備え、
　前記計測部は、前記出力タイミングと前記出力信号のレベルが所定の閾値を上回るタイミングとの差を計測するように構成された
　（１）乃至（６）の何れか１項に記載の補正装置。
（９）
　前記受光部は、光を受けて出力する前記出力信号のピーク値または積分値の度数分布が光子数に対応して複数の極大値を持つものである
　（１）乃至（８）の何れか１項に記載の補正装置。
（１０）
　前記受光部は、アバランシェフォトダイオードと前記アバランシェフォトダイオードに直列に接続される抵抗とを備える受光素子が複数接続されて成る
　（９）に記載の補正装置。
（１１）
　前記受光部を備える
　（１）乃至（１０）の何れか１項に記載の補正装置。
（１２）
　光子数計数部が、受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数し、
　補正値取得部が、前記光子数に対応する補正値を取得し、
　補正部が、前記補正値に基づく補正を行う
　補正方法。
（１３）
　受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数する光子数計数部と、
　前記光子数に対応する補正値を取得する補正値取得部と
　前記補正値に基づく補正を行う補正部と
　前記補正結果を使用して、測距対象物までの距離を算出する距離算出部と
　を備える測距装置。
（１４）
　前記補正部は、前記補正値に基づいて、前記受光部が光を受光したタイミングまたは前記光の飛行時間を補正するように構成された
　（１３）に記載の測距装置。
１，１０，２３，３３・・・補正装置
３・・・離散化出力型光検出器
４・・・タイミング計測回路
５・・・光子数計数回路
６・・・ずれ量算出回路
７，１６，２３ｅ，３３ｅ，４３ｅ・・・タイミング補正回路
１２，２３ａ，３３ａ，４３ａ・・・マルチピクセル型ＳＰＡＤ
１３，２３ｂ，３３ｂ，４３ｂ，４３ｃ・・・時間デジタル変換器
１４，２３ｃ，３３ｃ・・・積分回路／変換器
１５，２３ｄ，３３ｄ，４３ｄ・・・ルックアップテーブル参照回路
２０，３０，４０・・・測距装置
ＲＰ・・・反射パルス光
ＭＴ・・・測距対象物

Claims (14)

  1. 　受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数する光子数計数部と、
    　前記光子数に対応する補正値を取得する補正値取得部と
    　前記補正値に基づく補正を行う補正部と
    　を備える補正装置。
  2. 　前記光子数計数部は、前記出力信号を積分する積分回路を備え、
    　前記積分回路による積分値に応じて前記光子数を計数するように構成された
    　請求項１に記載の補正装置。
  3. 　前記光子数計数部は、前記出力信号のレベルが第１の閾値を上回る第１のタイミングと前記出力信号のレベルが第２の閾値を上回る第２のタイミングとの時間差に応じて前記光子数を計数するように構成された
    　請求項１に記載の補正装置。
  4. 　前記光子数計数部は、前記光子数を示すデジタル形式の光子数信号を前記補正値取得部に出力するように構成された
    　請求項１に記載の補正装置。
  5. 　前記補正値取得部は、前記光子数に対応した補正値が記述されたルックアップテーブルを備え、前記ルックアップテーブルを参照して前記光子数に対応した補正値を取得するように構成された
    　請求項１に記載の補正装置。
  6. 　前記補正部は、前記補正値に基づいて、前記受光部が光を受光したタイミングまたは前記光の飛行時間を補正するように構成された
    　請求項１に記載の補正装置。
  7. 　前記出力信号のレベルが所定の閾値を上回るタイミングを計測する計測部を備える
    　請求項１に記載の補正装置。
  8. 　前記受光部が受光する光の出力タイミングが入力される計測部を備え、
    　前記計測部は、前記出力タイミングと前記出力信号のレベルが所定の閾値を上回るタイミングとの差を計測するように構成された
    　請求項１に記載の補正装置。
  9. 　前記受光部は、光を受けて出力する前記出力信号のピーク値または積分値の度数分布が光子数に対応して複数の極大値を持つものである
    　請求項１に記載の補正装置。
  10. 　前記受光部は、アバランシェフォトダイオードと前記アバランシェフォトダイオードに直列に接続される抵抗とを備える受光素子が複数接続されて成る
    　請求項９に記載の補正装置。
  11. 　前記受光部を備える
    　請求項１に記載の補正装置。
  12. 　光子数計数部が、受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数し、
    　補正値取得部が、前記光子数に対応する補正値を取得し、
    　補正部が、前記補正値に基づく補正を行う
    　補正方法。
  13. 　受光部から出力される出力信号に基づいて光子数を計数する光子数計数部と、
    　前記光子数に対応する補正値を取得する補正値取得部と
    　前記補正値に基づく補正を行う補正部と
    　前記補正結果を使用して、測距対象物までの距離を算出する距離算出部と
    　を備える測距装置。
  14. 　前記補正部は、前記補正値に基づいて、前記受光部が光を受光したタイミングまたは前記光の飛行時間を補正するように構成された
    　請求項１３に記載の測距装置。
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