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JP2019204887A - 光検出器及びそれを用いた光学測距装置 - Google Patents

光検出器及びそれを用いた光学測距装置 Download PDF

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Hiroyuki Matsubara
弘幸 松原
勇 高井
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勇 高井
謙太 東
Kenta Azuma
謙太 東
武廣 秦
Takehiro Hata
武廣 秦
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Abstract

【課題】入力した光をより正確にカウントすることが可能な光検出器を提供する。【解決手段】複数の受光素子を有する受光部１０２と、受光素子からの出力信号を整形矩形パルスに変換する弁別部１０４と、弁別部１０４からの出力を加算して出力する信号処理部１０６と、を備え、弁別部１０４は、受光素子からの出力を矩形パルスにして出力するインバータと、矩形パルスのパルス幅ｔｐを受光素子のデッドタイムｔＤから所定のパルス幅ｔｗの差分値（ｔＤ−ｔｗ）だけ短縮して整形矩形パルスに変換するパルス幅変換回路とを備える光検出器とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光検出器に関し、特に、アバランシェ効果を利用した光検出器及びそれを用いた光学測距装置に関する。
光通信や光レーダ等において微弱な光信号を検出するための受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。ＡＰＤにフォトンが入射すると電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電解で加速されて、次々と雪崩のように衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対を生成する。
ＡＰＤの使用モードには、逆バイアス電圧を降伏電圧（ブレークダウン電圧）未満で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードがある。リニアモードでは生成される電子・正孔対の割合よりも消滅（高電界から出る）する電子・正孔対の割合が大きく、アバランシェは自然に止まる。出力電流は入射光量にほぼ比例するため入射光量の測定に用いることができる。ガイガーモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができる。このようなフォトダイオードをシングルフォトンフォトダイオード（ＳＰＡＤ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）という。ＳＰＡＤでは、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を止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を停止させることはクエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路はＡＰＤと直列にクエンチング抵抗を接続することで実現される。アバランシェ電流が生ずるとクエンチング抵抗端子間の電圧上昇によってＡＰＤのバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。ＡＰＤには高電界を印加できるため、微弱光に高速に応答することができ、光学的測距装置や光通信等の分野で広く使われている。
ＡＰＤを用いて飛行時間計測法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を行う光学的測距装置は、そのナノ秒程度の測定精度及び低消費電力性から道路上の障害物や人までの距離を測定する衝突回避安全装置等に適用できる。このような光学的測距装置は、反応速度、耐ノイズ性、感度、省電力性、サイズ及びコスト面からの要求を満たす必要がある。このような要件を幾つか満たすものとして相補型金属酸化膜半導体技術（ＣＭＯＳ：ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が知られている。
また、ガイガーモードで使用される複数のアバランシェフォトダイオードのアレイであるシリコンフォトマルチプライヤが知られている（非特許文献１）。また、アバランシェフォトダイオードの各々からの出力信号をそれぞれ矩形パルスに変換する弁別回路を備えた光検出器が開示されている（特許文献１）。
特開２０１２−６００１２号公報
"Silicon photomultiplier and its possible application", Nuclear Inst. & Methods in Physics Research, 2003, 504(1-3), pp. 48-52.
ところで、ライダー（ＬＩＤＡＲ）等の光検出装置では、光源から送出されたパルスに応じて光検出器で検出されたパルスの数を正確にカウントする必要がある。そこで、光検出器から出力されるパルスのパルス幅は光源のパルスのパルス幅に一致させることが好ましい。
一方、ＳＰＡＤのデッドタイムの期間において再度フォトンに反応した場合、図８に出力信号Ｃ１として示すように、特許文献１の弁別回路のインバータ（コンパレータ）から出力される矩形パルスは１つの長いパルスとなる。このようなパルスを一律に光源のパルスのパルス幅に合わせて整形すると、二つ目のフォトンに対する反応の情報が失われてしまうおそれがある。
そこで、本発明は、ＳＰＡＤのデッドタイムの期間におけるフォトンの再反応も考慮してより正確な出力を行うと共に、外乱光が多い場合においてもより良いノイズ信号比（Ｓ／Ｎ比）の出力を得ることができる光検出器を提供することを目的とする。
本発明の１つの態様は、受光素子からの出力を矩形パルスにして出力するインバータと、前記矩形パルスを、前記矩形パルスの立ち上がりと前記矩形パルスの立ち下がりを基準とした矩形パルスに変換するパルス幅変換回路と、を備えることを特徴とする光検出器である。
本発明の別の態様は、複数の受光素子を有するアレイと、前記受光素子からの出力信号を整形矩形パルスに変換する複数の弁別回路と、前記弁別回路からの出力を加算して出力する加算回路と、を備え、前記弁別回路は、前記受光素子からの出力を矩形パルスにして出力するインバータと、前記矩形パルスのパルス幅ｔｐを前記受光素子のデッドタイムｔＤから所定のパルス幅ｔｗの差分値（ｔＤ−ｔｗ）だけ短縮して前記整形矩形パルスに変換するパルス幅変換回路と、を備えることを特徴とする光検出器である。
ここで、前記弁別回路は、前記矩形パルスを前記差分値（ｔＤ−ｔｗ）だけ遅延させる遅延部と、前記矩形パルスと前記遅延部からの出力パルスとの論理積を出力するアンド素子と、を含むことが好適である。
本発明の別の態様は、複数の受光素子を有するアレイと、前記受光素子からの出力信号を整形矩形パルスに変換する複数の弁別回路と、前記弁別回路からの出力を加算して出力する加算回路と、を備え、前記弁別回路は、前記受光素子からの出力を矩形パルスにして出力するインバータと、前記矩形パルスを、前記矩形パルスの立ち上がり時点を基準とした所定のパルス幅ｔｗのパルスと、前記矩形パルスの立ち下がり時点を基準とした前記パルス幅ｔｗのパルスと、を組み合わせた前記整形矩形パルスに変換するパルス幅変換回路と、を備えることを特徴とする光検出器である。
ここで、前記弁別回路は、前記矩形パルスを前記受光素子のデッドタイムｔＤだけ遅延させる第１遅延部と、前記矩形パルスを前記受光素子のデッドタイムｔＤと前記パルス幅ｔｗの加算値だけ遅延させる第２遅延部と、前記矩形パルスを前記パルス幅ｔｗだけ遅延させる第３遅延部と、前記第１遅延部の出力パルスと前記第２遅延部の出力パルスの反転値との論理積を出力する第１アンド素子と、前記矩形パルスの反転値と前記第３遅延部の出力パルスとの論理積を出力する第２アンド素子と、前記第１アンド素子の出力パルスと前記第２アンド素子の出力パルスとの論理和を出力するオア素子と、を含むことが好適である。
また、前記受光素子は、ガイガーモードで使用されるアバランシェフォトダイオードであることが好適である。
本発明の別の態様は、上記光検出器を備え、照射光の飛行時間検出により測距を行う光学測距装置である。
本発明によれば、入力した光をより正確にカウントすることが可能な光検出器を提供することができる。
本発明の実施の形態における光検出器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における光検出器の構成例を示す図である。 第１の実施の形態における弁別回路の構成を示す図である。 第１の実施の形態における光検出器の動作を示すタイミングチャートである。 第２の実施の形態における弁別回路の構成を示す図である。 第２の実施の形態における光検出器の動作を示すタイミングチャートである。 比較例における弁別回路の構成を示す図である。 比較例における光検出器の動作を示すタイミングチャートである。 光検出器の信号ノイズ比（ＳＮＲ）の計算結果を示す図である。 光検出器の信号ノイズ比（ＳＮＲ）の計算結果を示す図である。
＜第１の実施の形態＞
本発明の実施の形態における光検出器１００は、図１に示すように、受光部１０２、弁別部１０４及び信号処理部１０６を含んで構成される。図２は、光検出器１００の具体的な構成例を示す。光検出器１００は、光源からパルス光を送出し、障害物等によって反射された当該パルス光を受光することによって障害物までの距離を測定する光学測距装置に適用することができる。
受光部１０２は、受光素子であるＳＰＡＤ１０（１０ａ〜１０ｎ）及びクエンチング素子１２（１２ａ〜１２ｎ）を含んで構成される。弁別部１０４は、弁別回路１４（１４ａ〜１４ｎ）を含んで構成される。信号処理部１０６は、電流源１６（１６ａ〜１６ｎ）を含んで構成される。
なお、図１では、画素数ｎが１６の場合について示している。もちろん、本発明の適用範囲は１６の画素に限定されるものではない。
以下の説明では、各信号がハイレベルのときをアクティブ状態、ローレベルのときを非アクティブ状態として説明するが、ローレベルのときをアクティブ状態、ハイレベルのときを非アクティブ状態とする回路構成としても同様の作用・効果を得ることができる。
受光部１０２は、シングルフォトンアバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）１０ａ〜１０ｎのアレイを含む。各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎは、ガイガーモードで動作する。すなわち、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎは、逆バイアス電圧を降伏電圧以上として動作させられ、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすフォトカウンティング型の受光素子として機能する。したがって、受光部１０２は、レーザ光等の入射光に対して高い感度を有する。
ここで、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎは、ガードリングや金属配線の領域をできるだけ小さくし、素子面積に対する受光領域の割合であるフィルファクタ（開口率）を高めることが好適である。特に、クエンチング素子やリチャージ素子を行列状に配置されたＳＰＡＤの内部に形成しないことで、フィルファクタを高めることができる。
クエンチング素子１２（１２ａ〜１２ｎ）は、トランジスタで構成することができる。クエンチング素子１２（１２ａ〜１２ｎ）は、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの外部において配線によってＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎに対して接続することが好適である。
ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎにアバランシェ電流が生ずるとクエンチング素子１２の端子間の電圧上昇によってＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎに対するバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。クエンチング素子１２（１２ａ〜１２ｎ）は、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎに直列に接続され、弁別回路１４（１４ａ〜１４ｎ）のそれぞれに対する出力電圧を発生させるためにも利用される。
クエンチング素子１２をオン／オフすることによって、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各々を光を受光した際に信号を出力する状態（オン状態）と出力しない状態（オフ状態）に切り替えることができる。
弁別回路１４（１４ａ〜１４ｎ）は、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎ及びクエンチング素子１２ａ〜１２ｎのペア毎にそれぞれ設けられる。以下、弁別回路１４ａを例に説明するが、弁別回路１４ｂ，１４ｃ及び１４ｎも同様である。
弁別回路１４ａは、クエンチング素子１２ａの端子電圧を所定の基準値と比較し、その比較結果に応じて矩形パルスを生成する。本実施の形態では、弁別回路１４ａは、最初の光（フォトン）が入射したタイミングに応じて、ＳＰＡＤ１０ａからの出力パルスを所定のパルス幅だけ短縮させた出力信号を生成する。
弁別回路１４ａは、図３に示すように、インバータ（コンパレータ）２０、遅延素子２２及びアンド素子２４を含んで構成することができる。また、図４に当該構成の弁別回路１４ａ〜１４ｎの動作を説明するためのタイミングチャートを示す。
インバータ２０は、クエンチング素子１２ａの端子電圧Ｖａを受けて、端子電圧Ｖａと基準電圧ＶＲＥＦとを比較し、端子電圧Ｖａが基準電圧ＶＲＥＦ以上であればハイレベルであり、端子電圧Ｖａが基準電圧ＶＲＥＦ未満であればローレベルである出力パルスＡ１を出力する。遅延素子２２は、インバータ２０の出力パルスＡ１を受けて、出力パルスの変化を遅延時間ｔｃだけ遅延させて出力パルスＢ１として出力する。遅延時間ｔｃは、ＳＰＡＤ１０ａのデッドタイムｔＤから光源の発光パルス幅ｔｗを減算した時間とすることが好適である。アンド素子２４は、インバータ２０からの出力パルスＡ１と、遅延素子２２からの出力パルスＢ１と、を受けて、それらの論理積を算出して出力する。これにより、弁別回路１４ａは、ＳＰＡＤ１０ａからの出力パルスＡ１から遅延時間ｔｃだけ縮められた矩形パルスである出力信号Ｃ１を出力する。また、弁別回路１４ｂ〜１４ｎも弁別回路１４ａと同様に機能する。
なお、ＳＰＡＤ１０ａの出力である端子電圧Ｖａは、ＳＰＡＤ１０ａがフォトンの受光時刻に応じて急峻な立ち上がりを示すので、出力信号Ｃ１はＳＰＡＤ１０ａがフォトンを受けた時刻から時間ｔｃだけ遅れて立ち上がる信号となる。
弁別回路１４ａは、図３に示した構成に限定されるものではなく、同様にインバータ２０から出力される出力パルスＡ１のパルス幅を時間ｔｃだけ縮めたパルス幅を有する出力信号Ｃ１を出力するものであればよい。
電流源１６（１６ａ〜１６ｎ）は、弁別回路１４（１４ａ〜１４ｎ）から出力される矩形パルスＣ１〜Ｃｎを受けて、それぞれ矩形パルスＣ１〜Ｃｎがハイレベルとなっている期間に所定値の電流を流す。電流源１６（１６ａ〜１６ｎ）は、１つの出力端子Ｔ１に接続され、図２に示すように、出力端子Ｔ１には電流源１６（１６ａ〜１６ｎ）から出力される電流を加算した加算電流Ｉｓｕｍが流れる。すなわち、電流源１６は加算回路を構成する。
加算電流Ｉｓｕｍは、受光部１０２に含まれるＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎでほぼ同時に検出された光子の合計数に応じた値となる。したがって、加算電流Ｉｓｕｍをトリガ信号として利用することによって、被測定対象物で反射されたレーザ光の検出精度を高めることができる。例えば、本実施の形態では、加算電流Ｉｓｕｍが３単位（ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうち３つにフォトンが入射した状態）以上となった場合にトリガ信号を出力するものとすれば光の検出を高い精度で行うことができる。
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、弁別回路１４ａは、ＳＰＡＤ１０ａのデッドタイム中に光（フォトン）が再度入射した場合、最初の光（フォトン）が入射したタイミングに応じて所定のパルス幅の２つのパルスを組み合わせた出力信号を生成する。ここで、所定のパルス幅は、光源の発光パルス幅ｔｗに一致させることが好適である。
弁別回路１４ａは、図５に示すように、インバータ（コンパレータ）２０、第１遅延素子２２ａ、第２遅延素子２２ｂ、第３遅延素子２２ｃ、第１アンド素子２４ａ、第２アンド素子２４ｂ及びオア素子２６を含んで構成することができる。また、図６に当該構成の弁別回路１４ａ〜１４ｎの動作を説明するためのタイミングチャートを示す。
インバータ２０は、クエンチング素子１２ａの端子電圧Ｖａを受けて、端子電圧Ｖａと基準電圧ＶＲＥＦとを比較し、端子電圧Ｖａが基準電圧ＶＲＥＦ以上であればハイレベルであり、端子電圧Ｖａが基準電圧ＶＲＥＦ未満であればローレベルである出力パルスＡ１を出力する。遅延素子２２ａは、インバータ２０の出力パルスＡ１を受けて、出力パルスＡ１の変化をデッドタイムｔＤだけ遅延させて出力パルスＢ１として出力する。遅延素子２２ｂは、遅延素子２２ａの出力パルスＢ１を受けて、出力パルスＢ１の変化を遅延時間ｔｗだけ遅延させて出力パルスＢ２として出力する。すなわち、遅延素子２２ｂは、インバータ２０の出力パルスＡ１の変化をデッドタイムｔＤと遅延時間ｔｗの加算値だけ遅延させて出力パルスＢ２として出力する。遅延素子２２ｃは、インバータ２０の出力パルスＡ１を受けて、出力パルスＡ１の変化を遅延時間ｔｗだけ遅延させて出力パルスＢ３として出力する。第１アンド素子２４ａは、遅延素子２２ａからの出力パルスＢ１と遅延素子２２ｂから出力パルスＢ２の反転値とを受けて、それらの論理積を算出して出力パルスＣ１として出力する。第２アンド素子２４ｂは、インバータ２０の出力パルスＡ１の反転値と遅延素子２２ｃからの出力パルスＢ３とを受けて、それらの論理積を算出して出力パルスＣ２として出力する。オア素子２６は、第１アンド素子２４ａの出力パルスＣ１と第２アンド素子２４ｂの出力パルスＣ２とを受けて、それらの論理和を算出して出力信号Ｄ１として出力する。これにより、弁別回路１４ａは、ＳＰＡＤ１０ａからの出力パルスＡ１に基づいて、それぞれ固定のパルス幅ｔｗを有する２つの矩形パルスが組み合わされた出力信号Ｄ１を出力する。また、弁別回路１４ｂ〜１４ｎも弁別回路１４ａと同様に機能する。
弁別回路１４ａは、図５に示した構成に限定されるものではなく、同様にインバータ２０から出力される出力パルスＡ１をパルス幅ｔｗの２つの矩形パルスを有する出力信号Ｄ１を出力するものであればよい。
＜比較例＞
従来の弁別回路３０は、図７に示すように、インバータ３２、遅延素子３４及びアンド素子３６を含んで構成することかできる。また、図８に弁別回路３０の動作を説明するためのタイミングチャートを示す。
インバータ３２は、クエンチング素子の端子電圧Ｖａを受けて、端子電圧Ｖａと基準電圧ＶＲＥＦとを比較し、端子電圧Ｖａが基準電圧ＶＲＥＦ以上であればハイレベルであり、端子電圧Ｖａが基準電圧ＶＲＥＦ未満であればローレベルである出力パルスＡ１を出力する。遅延素子３４は、インバータ３２の出力パルスを受けて、出力パルスＡ１の変化を遅延時間Ｗだけ遅延させて出力パルスＢ１として出力する。遅延時間Ｗは、例えば、１ｎ秒以上２０ｎ秒以下とされる。アンド素子３６は、インバータ３２からの出力パルスＡ１と、遅延素子３４からの出力パルスＢ１の反転信号とを受けて、それらの論理積を算出して出力する。これにより、弁別回路３０は、ＳＰＡＤからの出力である端子電圧Ｖａが基準電圧ＶＲＥＦ以上となった時点から所定の遅延時間Ｗだけのパルス幅を有する矩形パルスＣ１を生成して出力する。
＜本発明の効果＞
図９及び図１０は、第１及び第２の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００と従来の弁別回路３０を用いた光検出器について、受光部１０２にノイズを含む光が入射したときの信号ノイズ比（ＳＮＲ）をシミュレーションした結果を示す。図９及び図１０において、横軸は正規化されたノイズ発火レートを示し、縦軸は光検出器の出力の信号ノイズ比（ＳＮＲ）を示す。ここで、正規化されたノイズ発火レートは、受光部１０２に含まれるＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎが外乱光等のノイズの影響により反応する平均回数ｍＮ［ｃｏｕｎｔ／ｓ］にＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのデッドタイムｔＤを乗算した値（ｍＮ×ｔＤ）を意味する。
図９は、入力信号の信号ノイズ比（ＳＮＲ）を３とし、光源の発光パルス幅ｔｗをＳＰＡＤ１０ａのデッドタイムｔＤの１／４にしたときの計算結果を示す。また、図１０は、入力信号の信号ノイズ比（ＳＮＲ）を３とし、光源の発光パルス幅ｔｗをＳＰＡＤ１０ａのデッドタイムｔＤの１／２にしたときの計算結果を示す。
図９及び図１０において、実線は従来の弁別回路３０を用いた光検出器に対する計算結果、点線は第１の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００に対する計算結果及び破線は第２の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００に対する計算結果を示す。
図９及び図１０に示されるように、いずれの場合も従来の弁別回路３０を用いるより、第１及び第２の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００の方が信号ノイズ比（ＳＮＲ）を向上させることができた。
特に、図９に示すように、発光パルス幅ｔｗがデッドタイムｔＤの１／４のときは、正規化されたノイズ発火レートによらず第２の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００の信号ノイズ比（ＳＮＲ）が最も良好であった。また、正規化されたノイズ発火レートが０．１を超える領域では、第１の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００の信号ノイズ比（ＳＮＲ）も従来の弁別回路３０よりも向上した。
また、図１０に示すように、発光パルス幅ｔｗがデッドタイムｔＤの１／２のときは、正規化されたノイズ発火レートによらず第１及び第２の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００の信号ノイズ比（ＳＮＲ）は良好であった。特に、正規化されたノイズ発火レートが０．１を超えると、第１の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００の信号ノイズ比（ＳＮＲ）が第２の実施の形態における弁別回路１４を用いた光検出器１００の信号ノイズ比（ＳＮＲ）よりも高くなった領域もあった。
以上のように、入力した光をより正確にカウントすることが可能な光検出器１００を提供することができる。これにより、光検出器１００の信号ノイズ比（ＳＮＲ）を向上させることができる。
１０（１０ａ〜１０ｎ） シングルフォトンアバランシェフォトダイオード、１２（１２ａ〜１２ｎ） クエンチング素子、１４（１４ａ〜１４ｎ） 弁別回路、１６ 電流源、２０ インバータ、２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 遅延素子、２４，２４ａ，２４ｂ アンド素子、２６ オア素子、３０ 弁別回路、３２ インバータ、３４ 遅延素子、３６ アンド素子、１００ 光検出器、１０２ 受光部、１０４ 弁別部、１０６ 信号処理部。

Claims (7)

  1. 受光素子からの出力を矩形パルスにして出力するインバータと、
    前記矩形パルスを、前記矩形パルスの立ち上がりと前記矩形パルスの立ち下がりを基準とした矩形パルスに変換するパルス幅変換回路と、
    を備えることを特徴とする光検出器。
  2. 複数の受光素子を有するアレイと、
    前記受光素子からの出力信号を整形矩形パルスに変換する複数の弁別回路と、
    前記弁別回路からの出力を加算して出力する加算回路と、
    を備え、
    前記弁別回路は、
    前記受光素子からの出力を矩形パルスにして出力する二値化回路と、
    前記矩形パルスのパルス幅ｔｐを前記受光素子のデッドタイムｔＤから所定のパルス幅ｔｗの差分値（ｔＤ−ｔｗ）だけ短縮して前記整形矩形パルスに変換するパルス幅変換回路と、
    を備えることを特徴とする光検出器。
  3. 請求項２に記載の光検出器であって、
    前記弁別回路は、
    前記矩形パルスを前記差分値（ｔＤ−ｔｗ）だけ遅延させる遅延部と、
    前記矩形パルスと前記遅延部からの出力パルスとの論理積を出力するアンド素子と、を含むことを特徴とする光検出器。
  4. 複数の受光素子を有するアレイと、
    前記受光素子からの出力信号を整形矩形パルスに変換する複数の弁別回路と、
    前記弁別回路からの出力を加算して出力する加算回路と、
    を備え、
    前記弁別回路は、
    前記受光素子からの出力を矩形パルスにして出力する二値化回路と、
    前記矩形パルスを、前記矩形パルスの立ち上がり時点を基準とした所定のパルス幅ｔｗのパルスと、前記矩形パルスの立ち下がり時点を基準とした前記パルス幅ｔｗのパルスと、を組み合わせた前記整形矩形パルスに変換するパルス幅変換回路と、
    を備えることを特徴とする光検出器。
  5. 請求項４に記載の光検出器であって、
    前記弁別回路は、
    前記矩形パルスを前記受光素子のデッドタイムｔＤだけ遅延させる第１遅延部と、
    前記矩形パルスを前記受光素子のデッドタイムｔＤと前記パルス幅ｔｗの加算値だけ遅延させる第２遅延部と、
    前記矩形パルスを前記パルス幅ｔｗだけ遅延させる第３遅延部と、
    前記第１遅延部の出力パルスと前記第２遅延部の出力パルスの反転値との論理積を出力する第１アンド素子と、
    前記矩形パルスの反転値と前記第３遅延部の出力パルスとの論理積を出力する第２アンド素子と、
    前記第１アンド素子の出力パルスと前記第２アンド素子の出力パルスとの論理和を出力するオア素子と、
    を含むことを特徴とする光検出器。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光検出器であって、
    前記受光素子は、ガイガーモードで使用される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検出器。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光検出器を備え、
    照射光の飛行時間検出により測距を行う光学測距装置。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020196257A1 (ja) * 2019-03-27 2020-10-01 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 測距方法、測距装置、及び、プログラム
US20230221418A1 (en) * 2022-01-12 2023-07-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Shared readout multiple spad event collision recovery for lidar

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61193596A (ja) * 1985-02-21 1986-08-28 Nec Corp 遠隔操縦用受信装置
JPH11145909A (ja) * 1997-11-06 1999-05-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光信号変換器、光受信器および光ファイバ伝送装置
US6483793B1 (en) * 1998-07-16 2002-11-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Restoration of data and asymmetry compensation in an optical disk reproducing system
JP2012060012A (ja) * 2010-09-10 2012-03-22 Toyota Central R&D Labs Inc 光検出器
JP2013190327A (ja) * 2012-03-14 2013-09-26 Omron Corp ロータリーエンコーダの監視装置および監視方法
US20170307441A1 (en) * 2016-04-21 2017-10-26 Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University Apparatus for counting single photons and method thereof
WO2018047424A1 (ja) * 2016-09-08 2018-03-15 シャープ株式会社 光センサおよび電子機器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5292550A (en) * 1976-01-29 1977-08-04 Kuwano Electric Instr Oblique angle detector
JPH08152474A (ja) * 1994-09-28 1996-06-11 Nikon Corp 距離測定装置
FR2864731B1 (fr) * 2003-12-30 2006-02-03 Commissariat Energie Atomique Systeme de detection de rayonnements permettant un meilleur comptage d'evenements
JP6236758B2 (ja) * 2012-10-09 2017-11-29 株式会社豊田中央研究所 光学的測距装置
CN103913749B (zh) * 2014-03-28 2016-03-30 中国科学院上海技术物理研究所 一种基于激光脉冲飞行时间测量的测距方法
EP3206045B1 (en) * 2016-02-15 2021-03-31 Airborne Hydrography AB Single-photon lidar scanner

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61193596A (ja) * 1985-02-21 1986-08-28 Nec Corp 遠隔操縦用受信装置
JPH11145909A (ja) * 1997-11-06 1999-05-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光信号変換器、光受信器および光ファイバ伝送装置
US6483793B1 (en) * 1998-07-16 2002-11-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Restoration of data and asymmetry compensation in an optical disk reproducing system
JP2012060012A (ja) * 2010-09-10 2012-03-22 Toyota Central R&D Labs Inc 光検出器
JP2013190327A (ja) * 2012-03-14 2013-09-26 Omron Corp ロータリーエンコーダの監視装置および監視方法
US20170307441A1 (en) * 2016-04-21 2017-10-26 Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University Apparatus for counting single photons and method thereof
WO2018047424A1 (ja) * 2016-09-08 2018-03-15 シャープ株式会社 光センサおよび電子機器

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