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JP6225411B2 - Optical distance measuring device - Google Patents

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JP6225411B2
JP6225411B2 JP2012228620A JP2012228620A JP6225411B2 JP 6225411 B2 JP6225411 B2 JP 6225411B2 JP 2012228620 A JP2012228620 A JP 2012228620A JP 2012228620 A JP2012228620 A JP 2012228620A JP 6225411 B2 JP6225411 B2 JP 6225411B2
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  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Description

本発明は、光学的測距装置に関する。   The present invention relates to an optical distance measuring device.

交通事故等の低減を目指して衝突防止システム等を搭載した移動体(車両等)が開発されている。このようなシステムでは外部環境を観測するためにカメラやミリ波レーダ等を備えた環境用センサが用いられている。   Mobile bodies (vehicles, etc.) equipped with a collision prevention system and the like have been developed with the aim of reducing traffic accidents. In such a system, an environmental sensor equipped with a camera, a millimeter wave radar, or the like is used to observe the external environment.

ステレオカメラは、比較的広角で空間解像度も高いが、その反面、遠方での距離精度が著しく低下する。一方、ミリ波レーダは、200m程度の遠方の対象物を検知することができるが、視野が狭く、角度分解能も低い。   Stereo cameras have a relatively wide angle and a high spatial resolution, but on the other hand, the distance accuracy at a distant location is significantly reduced. On the other hand, the millimeter wave radar can detect a distant object of about 200 m, but has a narrow field of view and low angular resolution.

これに対して、飛行時間法(TOF:Time Of Flight)に基づく光学的測距センサは、高空間解像度(角度分解能)を有すると共に、広角及び遠距離の測距が可能である。このため、走路や障害物の検出精度とロバスト性を高められ、安全システムの機能の拡張が期待できる。例えば、より遠方の障害物を高い位置精度で検知できれば、早期の警報が可能となる。また、駐車車両の形状等の周囲環境を高精度に検知できれば衝突やすり抜けを高い信頼度で判定できる。   On the other hand, the optical distance measuring sensor based on the time-of-flight method (TOF: Time Of Flight) has a high spatial resolution (angular resolution) and can measure a wide angle and a long distance. For this reason, the detection accuracy and robustness of the runway and the obstacle can be improved, and the expansion of the function of the safety system can be expected. For example, if a distant obstacle can be detected with high position accuracy, an early warning can be made. Further, if the surrounding environment such as the shape of the parked vehicle can be detected with high accuracy, it is possible to determine the collision slipping with high reliability.

このようなTOFによる光学式測距装置において、受光素子としてアバランシェフォトダイオード(APD)やPINフォトダイオードが用いられることが多い。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界で加速され、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・正孔対が生成される。この内部増幅作用により感度が高められるため、特に長距離検出が求められる場合にAPDが用いられることが多い。APDの動作モードには、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とがある。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する(高電解領域から出る)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し、入射光量の測定に用いられる。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ので、シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD:Single Photon Avalanche Diode)とも呼ばれる。   In such an optical distance measuring device using TOF, an avalanche photodiode (APD) or PIN photodiode is often used as a light receiving element. When photons are incident on the APD, electron-hole pairs are generated, and the electrons and holes are each accelerated by a high electric field, and in succession a collision ionization is generated like an avalanche to generate new electron-hole pairs. . Since sensitivity is enhanced by this internal amplification action, APD is often used particularly when long distance detection is required. The operation mode of the APD includes a linear mode in which the reverse bias voltage is operated below a breakdown voltage (breakdown voltage) and a Geiger mode in which the reverse bias voltage is operated at a breakdown voltage or higher. In the linear mode, the proportion of electron / hole pairs that disappear (exit from the high electrolysis region) is larger than the proportion of electron / hole pairs that are generated, and the avalanche stops naturally. The output current is substantially proportional to the amount of incident light, and is used for measuring the amount of incident light. In the Geiger mode, an avalanche phenomenon can be caused even by the incidence of a single photon, so it is also called a single photon avalanche diode (SPAD).

図9は、対象物に照射した光が対象物によって反射して戻ってくるまでの時間を求めるTOF測定方法を示す。このとき、自ら対象物に照射した光以外はノイズであるので、太陽光等の外乱光の影響を除去する必要がある。入射光量にほぼ比例した出力を得る受光素子を用いる場合、受光素子の直流成分を除去した後に閾値処理をすることにより、外乱光の影響を低減して反射光の到来タイミングを抽出できる。一方、SPADのように、フォトン入射に対して電圧パルスを出力するフォトンカウント型の受光素子を用いる場合、電圧パルスの到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムを作成し、その極大値を抽出する。これにより、外乱光が存在しても正しいTOF測定をすることができる。   FIG. 9 shows a TOF measurement method for obtaining a time until light irradiated to an object is reflected by the object and returned. At this time, since the light other than the light irradiated on the object itself is noise, it is necessary to remove the influence of disturbance light such as sunlight. When using a light receiving element that obtains an output substantially proportional to the amount of incident light, the influence of disturbance light can be reduced and the arrival timing of reflected light can be extracted by performing threshold processing after removing the direct current component of the light receiving element. On the other hand, when using a photon count type light receiving element that outputs a voltage pulse in response to incident photons, such as SPAD, the arrival time of the voltage pulse is repeatedly measured to create a histogram, and the maximum value is extracted. Thereby, even if disturbance light exists, correct TOF measurement can be performed.

TOFのヒストグラムの極大値を高精度に抽出するには、多数回のTOF測定が必要となり、測定時間が長くなる。測定時間が長くなると、対象物が動くときに対象物までの距離の変化が生じ、測定誤差を生ずる。短い測定時間で外乱光の影響を除去して正しくTOFを求める方法として、シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM:Silicon Photo Multipliers)を用いた方法が開示されている(特許文献1、非特許文献1)。SiPMは、複数のSPADをアレイ状に行列配置し、全体として大きな光検出器を構成する。SiPMを用いたTOF検出回路の例を図10に示す。SiPMの出力にコンパレータを設け、所定数以上のSPADから同時にパルス出力された場合、すなわち同時に多数のフォトンが到来した場合のみTOFを測定する。これにより、外乱光のフォトンに対する応答を低減できるので、少ない測定回数で照射光のTOFを正しく抽出できるようになる。これは、自ら照射した光の反射光は多数のフォトンが同時に到来するのに対し、外乱光のフォトンはランダムなタイミングで到来するため同時に到来する確率は小さいという性質に基づく処理である。   In order to extract the maximum value of the histogram of TOF with high accuracy, TOF measurement is required many times, and the measurement time becomes long. When the measurement time becomes long, the distance to the object changes when the object moves, resulting in a measurement error. A method using silicon photomultipliers (SiPM) has been disclosed as a method for correctly obtaining TOF by removing the influence of ambient light in a short measurement time (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). SiPM forms a large photodetector as a whole by arranging a plurality of SPADs in an array. An example of a TOF detection circuit using SiPM is shown in FIG. A comparator is provided at the output of the SiPM, and the TOF is measured only when pulses are output simultaneously from a predetermined number or more of SPADs, that is, when a large number of photons arrive at the same time. As a result, the response of disturbance light to photons can be reduced, so that the TOF of irradiation light can be correctly extracted with a small number of measurements. This is a process based on the property that the reflected light of the light irradiated by itself comes in a large number of photons at the same time, whereas the photons of disturbance light arrive at random timing, so the probability of simultaneous arrival is small.

TOFに基づく光学的測距装置は、距離情報に加えて明るさ情報も出力できる。受光素子が受光する光は、照射光の対象物上での反射光、環境光(太陽やその他の照明)の対象物上での反射光、及び対象物が発光する光、がすべて加算された光である。入射光量にほぼ比例する値を出力する受光素子の場合、受光量の極大値を照射光と見なすことができ、照射光をその他の光と分離して抽出することができる。受光量の極大値を距離値で補正することにより、対象物の反射率も求められる。逆に、レーザ休止期間の受光素子出力から、照射光以外の光、すなわち外乱光を抽出することもできる(特許文献2)。   An optical distance measuring device based on TOF can output brightness information in addition to distance information. The light received by the light receiving element is the sum of the reflected light of the irradiated light on the object, the reflected light of the ambient light (sun or other illumination) on the object, and the light emitted by the object. Light. In the case of a light receiving element that outputs a value substantially proportional to the amount of incident light, the maximum value of the amount of received light can be regarded as irradiation light, and the irradiation light can be extracted separately from other light. By correcting the maximum value of the amount of received light with the distance value, the reflectance of the object is also obtained. Conversely, light other than the irradiation light, that is, disturbance light can be extracted from the light receiving element output during the laser pause period (Patent Document 2).

一方、フォトンカウント型の受光素子の場合、TOFのヒストグラムから明るさ情報を抽出できる。ヒストグラム値の合計値が全受光量であり、極大値が照射光である。また、レーザ休止期間の受光素子の出力から外乱光の情報を得ることもできる(特許文献3)。   On the other hand, in the case of a photon count type light receiving element, brightness information can be extracted from a histogram of TOF. The total value of the histogram values is the total received light amount, and the maximum value is the irradiation light. Moreover, the information of disturbance light can also be obtained from the output of the light receiving element during the laser pause period (Patent Document 3).

また、光検出器が屋外で使用される場合、広い明るさダイナミックレンジが求められる。屋外環境の明るさ変動範囲は大きく、晴天の昼間の照度は10万ルクスを超え、一方で夜間の街灯下での照度は数十ルクス程度である。さらに、対象物の反射率まで考慮すると、6桁程度のダイナミックレンジが必要とされる。フォトンカウントで光量検出する場合、光量が少ない時のカウント数は光量にほぼ比例する。光量が増加して出力電圧パルス幅よりも短い周期でフォトンが入射するようになると、複数の電圧パルスが結合することがあり、これによりカウント数が減少する。したがって、図11に示すように、光量とカウント数とが単調増加の関係にならないので、光量が増加すると正しく光量を計測できなくなる。   Further, when the photodetector is used outdoors, a wide brightness dynamic range is required. The brightness fluctuation range of the outdoor environment is large, and the illuminance during sunny daytime exceeds 100,000 lux, while the illuminance under night street lights is about several tens of lux. Furthermore, considering the reflectance of the object, a dynamic range of about 6 digits is required. When detecting the light quantity by photon counting, the count number when the light quantity is small is almost proportional to the light quantity. When the amount of light increases and photons are incident at a period shorter than the output voltage pulse width, a plurality of voltage pulses may be combined, thereby decreasing the number of counts. Therefore, as shown in FIG. 11, since the light quantity and the count number do not have a monotonically increasing relationship, the light quantity cannot be measured correctly when the light quantity increases.

そこで、リセット手段により受光素子を繰り返しリセットし、このリセットパルス間に入射するフォトンの入射個数ではなく入射するフォトンがあったか否かを検出し、この検出パルスを所定の期間計数する。これにより、カウントに必要なビット数が少なくなるのでダイナミックレンジを拡大できる(特許文献4)。また、フォトンカウント型光検出器の検出信号をA/D変換し、予め設定した閾値以上の場合には、そのまま後段の光子数算出回路に検出信号を送り、閾値以下の場合には予め定められた基準値を後段に送る処理を行う方法が開示されている。光子数算出回路では、光量測定が終了するまで、取得した検出信号波形の面積から光量を算出する(特許文献5)。   Therefore, the light receiving element is repeatedly reset by the reset means, and it is detected whether there is an incident photon instead of the number of incident photons between the reset pulses, and the detection pulses are counted for a predetermined period. As a result, the number of bits required for counting is reduced, so that the dynamic range can be expanded (Patent Document 4). Further, the detection signal of the photon count type photodetector is A / D converted, and if it is equal to or greater than a preset threshold value, the detection signal is sent to the subsequent photon number calculation circuit as it is. A method of performing processing for sending the reference value to the subsequent stage is disclosed. In the photon number calculation circuit, the light amount is calculated from the area of the acquired detection signal waveform until the light amount measurement is completed (Patent Document 5).

ところで、SPADのバイアス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。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SPAD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じるとクエンチング抵抗の端子間の電圧の上昇によってSPADのバイアス電圧が降下する。バイアス電圧が降伏電圧まで降下するとアバランシェ現象が停止する。アバランシェ電流が流れなくなると、クエンチング抵抗端子間の電圧が降下し、SPADには再び降伏電圧以上の電圧が印加される。このSPADとクエンチング抵抗との間の電圧の昇降をバッファーを介して取り出すことにより、フォトンの入射を電圧パルスとして出力することができる。この電圧パルスのパルス幅に相当する時間は、SPADのバイアス電圧が低下しているため、新たなフォトンが入射しても新たにアバランシェ現象を誘発できず、フォトンを検出できないデッドタイムとなる。   By the way, the avalanche phenomenon can be stopped by lowering the bias voltage of the SPAD to the breakdown voltage. Lowering the applied voltage to stop the avalanche phenomenon is called quenching. The simplest quenching circuit is realized by connecting a quenching resistor in series with SPAD. When an avalanche current is generated, the bias voltage of the SPAD drops due to an increase in the voltage between the terminals of the quenching resistor. When the bias voltage drops to the breakdown voltage, the avalanche phenomenon stops. When the avalanche current stops flowing, the voltage between the quenching resistance terminals drops, and a voltage higher than the breakdown voltage is again applied to SPAD. By taking out the voltage rise and fall between the SPAD and the quenching resistor through a buffer, photon incidence can be output as a voltage pulse. The time corresponding to the pulse width of this voltage pulse is a dead time in which the avalanche phenomenon cannot be newly induced even if new photons are incident because the SPAD bias voltage is lowered, and photons cannot be detected.

太陽光等の外乱光の大きい環境下にて、フォトンカウント型の受光素子を用いてTOFを検出する場合、デッドタイムによる実効的なフォトン検出レートが低下する。フォトンカウント型の受光素子のフォトン検出レートをλ、デッドタイムをtとすると、実効的なフォトン検出レートはλeffは数式(1)で表される。

Figure 0006225411
When TOF is detected using a photon-counting light receiving element in an environment with large disturbance light such as sunlight, the effective photon detection rate due to dead time decreases. The photon detection rate of photon count type light receiving element lambda, when the dead time is t, the effective photon detection rate lambda eff is represented by Equation (1).
Figure 0006225411

数式(1)は、次のように導出することができる。計測時間Tは、フォトンを検出できる有効時間の合計Teffと、フォトンを検出できないデッドタイムの合計Tdeadとの和として数式(2)で表される。

Figure 0006225411
Equation (1) can be derived as follows. The measurement time T is expressed by Equation (2) as the sum of the total effective time T eff that can detect photons and the total dead time T dead that cannot detect photons.
Figure 0006225411

計測時間Tにおけるフォトンの平均カウント数Mは数式(3)で表される。

Figure 0006225411
An average count M of photons at the measurement time T is expressed by Equation (3).
Figure 0006225411

ここで、フォトンカウント型の受光素子がM回カウントする際にM回のデッドタイムが生ずるので、デッドタイムの合計時間は数式(4)で表される。

Figure 0006225411
Here, since the dead time of M times occurs when the photon count type light receiving element counts M times, the total time of the dead time is expressed by Equation (4).
Figure 0006225411

数式(3)及び数式(4)より、デッドタイムの合計Tdeadを消去するとM/T、すなわち実効的な検出レートの数式(1)が導出される。 From Equation (3) and Equation (4), when the dead time total T dead is eliminated, M / T, that is, Equation (1) of the effective detection rate is derived.

図12は、デッドタイムを20nsとして数式(1)の関係をプロットした図である。検出レートλが小さいときは、検出レートλは実効的なフォトン検出レートλeffとほぼ等しい。しかし、検出レートλが大きくなると、実効的なフォトン検出レートλeffは大きく低下し始める。 FIG. 12 is a diagram in which the relationship of Equation (1) is plotted with a dead time of 20 ns. When the detection rate λ is small, the detection rate λ is substantially equal to the effective photon detection rate λ eff . However, as the detection rate λ increases, the effective photon detection rate λ eff begins to decrease greatly.

図12では、検出レートが5MHz付近で特性が変化し始めることがわかる。5MHzの検出周期は200nsに相当し、すなわちデッドタイムの10倍程度である。検出周期が短くなり、デッドタイムに近づくと、計測時間中に実際にフォトンを検出できる割合Teff/T、すなわち検出時間効率が低下する課題がある。 In FIG. 12, it can be seen that the characteristics start to change near the detection rate of 5 MHz. The detection period of 5 MHz corresponds to 200 ns, that is, about 10 times the dead time. When the detection cycle becomes short and the dead time approaches, there is a problem that the rate T eff / T at which photons can be actually detected during the measurement time, that is, the detection time efficiency is lowered.

次に、検出レートと実効検出レートの差が大きくなるとヒストグラムによるTOF検出に誤検出を引き起こすという問題がある。図13(a)は、受光素子に対してゲーティングしない場合の例であり、図13(b)は、受光素子をゲーティングする場合の例である。受光素子のゲーティングとは、例えば、バイアス電圧をオフにすることにより、受光素子を所定時間応答させないようにすることである。照射光の発光の直後にゲーティングをしないと、照射光が測距装置のカバーや走査ミラー等で反射して受光素子に直接入射する不要反射によってヒストグラムに偽ピークを形成することがある。ほとんどの照射光は対象物に向かい、不要反射となる光はごく僅かであるが、至近距離で反射を受けるのでヒストグラムに大きなピークを形成する。この現象は、投光と受光の光軸が同じである同軸型光学系の場合に特に顕著となる。受光素子はこの迷光(不要反射)を検出した直後にフォトンを検出できないデッドタイムとなり、その後、再びアクティブとなる。アクティブとなった直後はデッドタイムの影響がないので、検出レートは“λ”である。その後、時間が経過するとデットタイムの影響により、実効検出レートλeffに収束する。この検出レートの遷移時間に図中に破線で示したようなピークを形成し、TOFの誤検出を引き起こす原因となることがある。この偽ピークは検出レートλと実効検出レートλeffとの差が大きいほど大きくなる。図13(b)のように、照射光の発光直後に受光素子をゲーティングすると、迷光によるデッドタイムがなくなるので、デッドタイムに相当するTOFの近距離対象物を検出できるようになる。しかしながら、ゲーティング後に受光素子がアクティブとなった直後には検出レートの遷移による偽ピークが生ずるおそれがある。 Next, when the difference between the detection rate and the effective detection rate becomes large, there is a problem in that erroneous detection is caused in the TOF detection by the histogram. FIG. 13A shows an example when gating is not performed on the light receiving element, and FIG. 13B shows an example when gating the light receiving element. The gating of the light receiving element is to prevent the light receiving element from responding for a predetermined time by turning off the bias voltage, for example. If gating is not performed immediately after the emitted light is emitted, a false peak may be formed in the histogram due to unnecessary reflection in which the irradiated light is reflected by the cover of the distance measuring device, the scanning mirror or the like and directly enters the light receiving element. Most of the irradiating light is directed toward the object and only a small amount of light becomes unnecessary reflection, but since it is reflected at a close distance, a large peak is formed in the histogram. This phenomenon is particularly remarkable in the case of a coaxial optical system in which the optical axes of light projection and light reception are the same. Immediately after detecting this stray light (unnecessary reflection), the light receiving element has a dead time in which photons cannot be detected, and then becomes active again. Immediately after becoming active, there is no influence of dead time, so the detection rate is “λ”. Thereafter, when time elapses, the effective detection rate λ eff converges due to the effect of the dead time. A peak as indicated by a broken line in the figure is formed in the transition time of the detection rate, which may cause a TOF erroneous detection. The false peak increases as the difference between the detection rate λ and the effective detection rate λ eff increases. As shown in FIG. 13B, when the light receiving element is gated immediately after the irradiation light is emitted, the dead time due to the stray light is eliminated, so that it is possible to detect the near-distance object of the TOF corresponding to the dead time. However, immediately after the light receiving element becomes active after gating, there is a possibility that a false peak may occur due to the transition of the detection rate.

検出時間効率の低下や偽ピークの形成は外乱光に対する検出レートが大きすぎることに起因する。そこで、受光素子の感度を調整することでこれらの影響を回避する方法が考えられている。例えば、SPADのバイアス電圧を調整する技術が開示されている(特許文献5)。また、SPADの出力パルスをカウントし、カウント値に応じて受光素子のバイアス電圧を変更してフォトン検出確率を調整する技術等が開示されている(特許文献6)。また、電磁石を利用して投光レンズ及び受光レンズを移動させることによって測定点を走査し、次回測定領域で反射光のサイドローブを測定する技術が開示されている。これにより、次回測定において受光素子が飽和しないようにゲインを調整する(特許文献7)。   The decrease in detection time efficiency and the formation of false peaks are caused by the detection rate for disturbance light being too large. Therefore, a method of avoiding these influences by adjusting the sensitivity of the light receiving element is considered. For example, a technique for adjusting the bias voltage of SPAD is disclosed (Patent Document 5). Also disclosed is a technique for adjusting the photon detection probability by counting SPAD output pulses and changing the bias voltage of the light receiving element according to the count value (Patent Document 6). Further, a technique is disclosed in which a measurement point is scanned by moving a light projecting lens and a light receiving lens using an electromagnet, and a side lobe of reflected light is measured in the next measurement region. Thus, the gain is adjusted so that the light receiving element is not saturated in the next measurement (Patent Document 7).

特開2012−60012号公報JP 2012-60012 A 特開2011−247872号公報JP 2011-247872 A 特開2010−91378号公報JP 2010-91378 A 特開平07−067043号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-067043 特開2012−037267号公報JP 2012-037267 A 米国特許出願公開2012/0075615明細書US Patent Application Publication 2012/0075615 特開2007−183246号公報JP 2007-183246 A

C.Niclass, M.Soga, H.Matsubara, S.Kato, "A 100m-range 10-frames/s 340x96-pixel time-of-flight depth sensor in 0.18μm CMOS", Proceeding of the ESSCIRC, pp.107-110, September, 2011C.Niclass, M.Soga, H.Matsubara, S.Kato, "A 100m-range 10-frames / s 340x96-pixel time-of-flight depth sensor in 0.18μm CMOS", Proceeding of the ESSCIRC, pp.107 -110, September, 2011

ところで、反射光を繰り返し受光し、TOFを検出するヒストグラム処理をしながらフォトンの検出レートを測定する方法では、太陽光等のノイズ成分に加えて照射光の成分も含まれる。特に、近距離に高反射率の対象物がある場合、ノイズ成分を正しく検出することができなくなる。   By the way, in the method of repeatedly receiving the reflected light and measuring the photon detection rate while performing the histogram processing for detecting the TOF, the component of the irradiation light is included in addition to the noise component such as sunlight. In particular, when there is an object having a high reflectance at a short distance, the noise component cannot be detected correctly.

また、反射光のサイドローブを検出する方法では、検出される光に照射光が含まれるので外乱光を正確に測定することができない。また、サイドローブを検出できるように受光レンズの焦点距離を調整しているためにレーザ光のパワーの無駄がある。さらに、ゲイン調整用の受光素子が次回測定領域を観測するため、ゲイン調整用の受光素子と測定用の受光素子との相対的な位置を正確にアライメントしなければならない。   Further, in the method of detecting the side lobe of the reflected light, the disturbance light cannot be accurately measured because the detected light includes the irradiation light. Further, since the focal length of the light receiving lens is adjusted so that the side lobe can be detected, the power of the laser beam is wasted. Further, since the light receiving element for gain adjustment observes the next measurement area, the relative position between the light receiving element for gain adjustment and the light receiving element for measurement must be accurately aligned.

本発明は、照射光の投光時刻と反射光の受光時刻との差に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、パルス光を投光する光源と、物体からの光を受光するフォトンカウント型の測定受光素子を備えた感度が可変の測定受光手段と、投光方向と受光方向を走査する走査手段と、前記走査手段により前記測定受光手段が次回測定する領域からの光であって、前記照射光として投光された光以外の光のみを受光する参照受光素子を備えた参照受光手段と、前記参照受光手段の受光量に応じて前記測定受光手段の感度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする光学的測距装置である。 The present invention is an optical distance measuring device for measuring a distance based on a difference between a projection time of irradiation light and a reception time of reflected light, and receives a light from a light source that projects pulsed light and light from an object. Measurement light receiving means including a photon count type measurement light receiving element, scanning means for scanning the light projecting direction and the light receiving direction, and light from a region where the measurement light receiving means measures next time by the scanning means. A reference light receiving unit including a reference light receiving element that receives only light other than the light projected as the irradiation light, and a control for controlling the sensitivity of the measurement light receiving unit according to the amount of light received by the reference light receiving unit And an optical distance measuring device.

ここで、前記参照受光素子は、フォトンカウント型の受光素子から構成され、前記参照受光手段は、前記参照受光素子から出力されるパルス信号を時間的に累積して累積値として出力する累積手段を備え、前記制御手段は、前記参照受光手段の受光量として前記累積値を使用して、前記累積値に応じて前記測定受光手段の感度を制御することが好適である。また、前記測定受光手段は、前記測定受光素子として、アレイ状に配置された複数のガイガーモードの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の出力を加算する加算部と、前記加算部の出力が閾値以上である場合にトリガー信号を出力する判定部と、を含んで構成され、前記制御手段は、前記アバランシェフォトダイオードへのバイアス電圧を変化させること、及び、前記判定部の前記閾値を変化させること、の少なくとも一方により前記測定受光手段の感度を制御する、ことが好適である。 Here, the reference light receiving element is composed of a photon count type light receiving element, and the reference light receiving means includes a cumulative means for temporally accumulating pulse signals output from the reference light receiving element and outputting them as cumulative values. Preferably, the control means uses the accumulated value as the amount of light received by the reference light receiving means, and controls the sensitivity of the measurement light receiving means according to the accumulated value. The measurement light receiving means includes a plurality of Geiger mode avalanche photodiodes arranged in an array as the measurement light receiving element, an addition unit for adding outputs of the avalanche photodiodes, and an output of the addition unit is a threshold value. A determination unit that outputs a trigger signal in the case of the above, wherein the control unit changes a bias voltage to the avalanche photodiode, and changes the threshold value of the determination unit It is preferable that the sensitivity of the measurement light receiving means is controlled by at least one of the above.

本発明によれば、光検出器の明るさのダイナミックレンジを適切に広げることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the dynamic range of the brightness of a photodetector can be expanded appropriately.

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。It is a figure which shows the structure of the photodetector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における受光素子の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the light receiving element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光検出器で生成されるヒストグラムの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the histogram produced | generated with the photodetector in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における参照受光手段の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the reference light-receiving means in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光学的測距装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical distance measuring device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における測定受光素子及び参照受光素子の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the measurement light receiving element and reference light receiving element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光学的測距装置の測定方向を説明する図である。It is a figure explaining the measurement direction of the optical distance measuring device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における測定受光素子に対するバイアス電圧の制御を説明する図である。It is a figure explaining control of the bias voltage with respect to the measurement light receiving element in embodiment of this invention. 光学的測距装置によるTOF測定を説明する図である。It is a figure explaining TOF measurement by an optical distance measuring device. 従来の光学的測距装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical ranging device. 従来の光学的測距装置における受光量とフォトンのカウント数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the light reception amount and the count number of a photon in the conventional optical ranging apparatus. 従来の光学的測距装置における検出レートと実効検出レートとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the detection rate in the conventional optical ranging apparatus, and an effective detection rate. 従来の光学的測距装置におけるTOFのピーク検出の課題を説明する図である。It is a figure explaining the subject of the peak detection of TOF in the conventional optical ranging device.

本実施の形態における光検出器100は、図1に示すように、測定受光手段102、パルス整形回路104、加算手段106、比較手段114、TDC(Time to Digital Converter)116、ヒストグラム生成手段118及びバイアス手段120を含んで構成される。   As shown in FIG. 1, the photodetector 100 in the present embodiment includes a measurement light receiving means 102, a pulse shaping circuit 104, an adding means 106, a comparing means 114, a TDC (Time to Digital Converter) 116, a histogram generating means 118, and A bias unit 120 is included.

測定受光手段102は、フォトダイオード10、クエンチング抵抗12及びバッファー14を含んで構成される。一組のフォトダイオード10、クエンチング抵抗12及びバッファー14が1つの測定受光部102aを構成する。測定受光部102aは、TOFによる距離を測定するために設けられる。   The measurement light receiving means 102 includes a photodiode 10, a quenching resistor 12, and a buffer 14. One set of the photodiode 10, the quenching resistor 12, and the buffer 14 constitute one measurement light receiving unit 102a. The measurement light receiving unit 102a is provided to measure the distance by TOF.

フォトダイオード10は、ガイガーモードのシングルフォトンアバランシェフォトダイオード(SPAD)である。すなわち、フォトダイオード10は、降伏電圧以上のバイアス電圧の印加によって単一フォトンの入射に対してアバランシェ現象を引き起こし、フォトン入射に対して電圧パルスを出力する。   The photodiode 10 is a Geiger mode single photon avalanche photodiode (SPAD). That is, the photodiode 10 causes an avalanche phenomenon with respect to the incidence of a single photon by applying a bias voltage higher than the breakdown voltage, and outputs a voltage pulse with respect to the incidence of the photon.

クエンチング抵抗12は、SPADのアバランシェ現象を停止させるための抵抗素子である。本実施の形態では、クエンチング抵抗12は、FETのソース・ドレイン間の抵抗成分を利用している。フォトダイオード10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現象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、最も単純なクエンチング回路はフォトダイオード10と直列にクエンチング抵抗12を接続することで実現される。アバランシェ電流が生じるとクエンチング抵抗12の端子間の電圧の上昇によってフォトダイオード10のバイアス電圧が降下する。バイアス電圧が降伏電圧まで降下するとアバランシェ現象が停止する。アバランシェ電流が流れなくなると、クエンチング抵抗12の端子電圧が降下し、フォトダイオード10には再び降伏電圧以上の電圧が印加される。   The quenching resistor 12 is a resistance element for stopping the SPAD avalanche phenomenon. In the present embodiment, the quenching resistor 12 utilizes a resistance component between the source and drain of the FET. In the photodiode 10, the avalanche phenomenon can be stopped by lowering the applied voltage to the breakdown voltage. Lowering the applied voltage to stop the avalanche phenomenon is called quenching, and the simplest quenching circuit is realized by connecting a quenching resistor 12 in series with the photodiode 10. When an avalanche current is generated, the bias voltage of the photodiode 10 decreases due to the increase in voltage between the terminals of the quenching resistor 12. When the bias voltage drops to the breakdown voltage, the avalanche phenomenon stops. When the avalanche current stops flowing, the terminal voltage of the quenching resistor 12 drops, and a voltage higher than the breakdown voltage is applied to the photodiode 10 again.

バッファー14は、フォトダイオード10とクエンチング抵抗12との間の電圧の昇降を取り出すために設けられる。これにより、フォトダイオード10へのフォトンの入射を電圧パルスとして出力することができる。   The buffer 14 is provided to take out the voltage increase and decrease between the photodiode 10 and the quenching resistor 12. Thereby, the incidence of photons on the photodiode 10 can be output as a voltage pulse.

なお、この電圧パルスのパルス幅に相当する時間は、SPADのバイアス電圧が低下しているため、新たなフォトンが入射しても新たにアバランシェ現象を誘発できず、フォトンを検出できないデッドタイムとなる。   Note that the time corresponding to the pulse width of this voltage pulse is a dead time in which the avalanche phenomenon cannot be newly induced even if new photons are incident because the SPAD bias voltage is reduced and photons cannot be detected. .

測定受光手段102は複数の測定受光部102aを含んで構成してもよい。すなわち、測定受光手段102は、シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM:Silicon Photo Multipliers)として構成してもよい。図1では、図を簡潔に示すために、2つの測定受光部102aのみの構成を示し、他の測定受光部102aは省略した。測定受光部102aは、例えば図2の平面模式図に示すように、アレイ状に並べられた構成とするとよい。このようにアレイ状に配置すれば、合計の受光面積が大きくなり、より多くの光量を受光することができる。   The measurement light receiving unit 102 may include a plurality of measurement light receiving units 102a. That is, the measurement light receiving means 102 may be configured as a silicon photomultiplier (SiPM). In FIG. 1, for the sake of simplicity, only the two measurement light receiving units 102a are shown, and the other measurement light receiving units 102a are omitted. For example, as shown in the schematic plan view of FIG. 2, the measurement light receiving units 102a may be arranged in an array. When arranged in an array like this, the total light receiving area is increased, and a larger amount of light can be received.

パルス整形回路104では、測定受光部102aからの出力パルスのパルス幅を照射するレーザ光のパルス幅と等しくなるように整形する。加算手段106では、パルス整形回路104からの出力を加算する。   In the pulse shaping circuit 104, the pulse width of the output pulse from the measurement light receiving unit 102a is shaped so as to be equal to the pulse width of the irradiated laser beam. The adding means 106 adds the outputs from the pulse shaping circuit 104.

比較手段114は、加算手段106から出力された値Sを所定の閾値NREFと比較し、値Sが閾値NREF以上の場合にTOFの反射パルスが到来したことを示す判定結果を出力する。例えば、閾値NREFを“2”に設定した場合、値Sが“2”以上であれば出力PEAKをハイレベルとし、そうでなければローレベルとする。 The comparison unit 114 compares the value S output from the addition unit 106 with a predetermined threshold value N REF, and outputs a determination result indicating that a TOF reflection pulse has arrived when the value S is greater than or equal to the threshold value N REF . For example, when the threshold value N REF is set to “2”, the output PEAK is set to the high level if the value S is “2” or more, and is set to the low level otherwise.

TDC116は、比較手段114の出力PEAKがハイレベルである場合、反射パルスの到達時間を測定する。TDC116は、後述する光源から照射されるTOF測定用の光(レーザ光)の出力の時刻から比較手段114で反射パルスが検出された時刻までの時間をTOFの測定結果として出力する。TDC116は、数百ピコ秒の時間分解能での測定を可能とする。   The TDC 116 measures the arrival time of the reflected pulse when the output PEAK of the comparison unit 114 is at a high level. The TDC 116 outputs the time from the output time of the TOF measurement light (laser light) emitted from the light source, which will be described later, to the time when the reflected pulse is detected by the comparison means 114 as the TOF measurement result. The TDC 116 allows measurement with a time resolution of several hundred picoseconds.

ヒストグラム生成手段118は、TDC116で得られたTOFの測定結果をさらに所定の計測時間に亘って蓄積してヒストグラムを生成する。ヒストグラムは、図3に示すように、TOF測定用の照射光を計測時間に亘って繰り返し照射して得られたTOFの測定結果を累積して生成され、光の照射時刻から到達までの時間(ビン)に対して計測時間に亘って比較手段114にてパルスが検出された回数(頻度)を示す。このようにパルス信号の到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムを作成し、その極大値を抽出することによって、外乱光が存在しても正しいTOF測定をすることができる。   The histogram generation means 118 further accumulates the TOF measurement results obtained by the TDC 116 over a predetermined measurement time to generate a histogram. As shown in FIG. 3, the histogram is generated by accumulating the TOF measurement results obtained by repeatedly irradiating the irradiation light for measuring the TOF over the measurement time, and the time from the light irradiation time to the arrival ( Bin) indicates the number of times (frequency) at which the comparison means 114 has detected a pulse over the measurement time. Thus, by correctly measuring the arrival time of the pulse signal to create a histogram and extracting the maximum value, correct TOF measurement can be performed even in the presence of disturbance light.

また、光検出器100は、測定受光手段102に加えて参照受光手段122を含んで構成される。図4は、参照受光部122aを含む参照受光手段122を示す。参照受光手段122は、参照受光部122a、第1サンプリング手段124、加算手段126、第2サンプリング手段128、累積手段140及びラッチ手段142を含んで構成される。   The photodetector 100 includes a reference light receiving means 122 in addition to the measurement light receiving means 102. FIG. 4 shows the reference light receiving means 122 including the reference light receiving part 122a. The reference light receiving unit 122 includes a reference light receiving unit 122a, a first sampling unit 124, an adding unit 126, a second sampling unit 128, an accumulating unit 140, and a latch unit 142.

参照受光手段122は、フォトダイオード20、クエンチング抵抗22及びバッファー24を含んで構成される。一組のフォトダイオード20、クエンチング抵抗22及びバッファー24が1つの受光素子122aを構成し、図4では、3つの参照受光部122aによって参照受光手段122が構成された例を示している。参照受光部122aの数は、これに限定されるものではなく、単数でもよいし、複数の参照受光部122aをアレイ状に構成してもよい。   The reference light receiving unit 122 includes a photodiode 20, a quenching resistor 22, and a buffer 24. One set of the photodiode 20, the quenching resistor 22 and the buffer 24 constitute one light receiving element 122a, and FIG. 4 shows an example in which the reference light receiving means 122 is constituted by three reference light receiving portions 122a. The number of the reference light receiving parts 122a is not limited to this, and may be one or a plurality of reference light receiving parts 122a may be configured in an array.

第1サンプリング手段124は、参照受光手段122からの出力を一時的に保持する回路を含んで構成される。第1サンプリング手段124は、例えば、Dフリップフロップ16により実現することができる。参照受光手段122が複数の参照受光部122aを含む場合、各参照受光部122a毎にDフリップフロップ16が設けられる。第1サンプリング手段124は、参照受光手段122に含まれる参照受光部122aから出力される2値の出力信号(パルス電圧:NSPAD)をクロックSCLKに同期してサンプリングし、保持した値を出力する。サンプリング周波数は、参照受光部122aが出力する電圧パルスのナイキスト周波数以上とすることが好ましく、電圧パルス幅の逆数の2倍以上とすることが好適である。 The first sampling unit 124 includes a circuit that temporarily holds the output from the reference light receiving unit 122. The first sampling unit 124 can be realized by, for example, the D flip-flop 16. When the reference light receiving unit 122 includes a plurality of reference light receiving units 122a, a D flip-flop 16 is provided for each reference light receiving unit 122a. The first sampling unit 124 samples a binary output signal (pulse voltage: N SPAD ) output from the reference light receiving unit 122a included in the reference light receiving unit 122 in synchronization with the clock SCLK, and outputs the held value. . The sampling frequency is preferably equal to or higher than the Nyquist frequency of the voltage pulse output from the reference light receiving unit 122a, and is preferably equal to or higher than twice the reciprocal of the voltage pulse width.

加算手段126は、第1サンプリング手段124からの出力を加算して、加算結果(ビット幅:NADD=[log2(NSPAD)])を出力する。加算手段126によって、複数の参照受光部122aから同じタイミングで出力された電圧パルスが加算されることになる。例えば、参照受光手段122に含まれる複数の参照受光部122aのうち2つの電圧パルスがハイレベルとなっていれば加算手段126からの出力はデジタル信号の“2(10進数)”=“10(2進数)”となる。第2サンプリング手段128は、加算手段126から出力された信号をクロックSCLKが入力される毎にサンプリングして保持した値を出力する。第2サンプリング手段128は、Dフリップフロップ16を含んで構成することができる。 The adding unit 126 adds the outputs from the first sampling unit 124 and outputs the addition result (bit width: N ADD = [log 2 (N SPAD )]). The adding means 126 adds the voltage pulses output from the plurality of reference light receiving units 122a at the same timing. For example, if two voltage pulses of the plurality of reference light receiving units 122a included in the reference light receiving unit 122 are at a high level, the output from the adding unit 126 is “2 (decimal number)” = “10 ( Binary number) ”. The second sampling unit 128 outputs a value obtained by sampling and holding the signal output from the adding unit 126 every time the clock SCLK is input. The second sampling means 128 can be configured including the D flip-flop 16.

累積手段140は、加算手段126から出力され、第2サンプリング手段128に保持された加算結果をさらに所定の測定時間に亘って累積して出力する。累積手段140は、アキュムレータにより構成することができる。累積手段140は、複数の参照受光部122aの出力の加算値をさらに時間積分した累積値(ビット幅:NREG=[log2(NSPAD・T・fSCLK)]を出力する。累積値は、複数の参照受光部122aの電圧パルスのパルス幅の増加に対して常に単調に増加する値となる。 The accumulating unit 140 accumulates and outputs the addition result output from the adding unit 126 and held in the second sampling unit 128 over a predetermined measurement time. The accumulating means 140 can be constituted by an accumulator. The accumulating means 140 outputs a cumulative value (bit width: N REG = [log 2 (N SPAD · T · f SCLK )]) obtained by further integrating the added values of the outputs of the plurality of reference light receiving units 122a with time. The value always increases monotonously with an increase in the pulse width of the voltage pulse of the plurality of reference light receiving units 122a.

すなわち、フォトンの入射数が少ない(入射光量が小さい)場合、すべてのフォトダイオード20の電圧パルスのパルス幅の合計に比例する累積値が累積手段140から出力される。フォトンの入射数が多くなってくる(入射光量が増えてくる)と、フォトダイオード20の電圧パルスの出力頻度が高くなり、次第に複数の電圧パルスが結合する確率が高くなる。電圧パルスが結合し始めるとパルス数は減少するが、累積手段140での電圧パルスのパルス幅の累積値(合計時間)は常に増加する。したがって、入射光量の増加に対して常に単調に増加するダイナミックレンジの広い出力が得られる。   That is, when the number of incident photons is small (the amount of incident light is small), an accumulation value proportional to the total pulse width of the voltage pulses of all the photodiodes 20 is output from the accumulation means 140. When the number of incident photons increases (the amount of incident light increases), the output frequency of the voltage pulses of the photodiode 20 increases, and the probability that a plurality of voltage pulses are gradually combined increases. When the voltage pulses start to combine, the number of pulses decreases, but the cumulative value (total time) of the pulse width of the voltage pulse in the accumulating means 140 always increases. Therefore, it is possible to obtain an output with a wide dynamic range that constantly increases monotonously with an increase in the amount of incident light.

ラッチ手段142は、累積手段140の出力をクロックSCLKが入力される毎にサンプリングして保持した値を出力する。ラッチ手段142は、Dフリップフロップ16を含んで構成することができる。   The latch unit 142 outputs a value obtained by sampling and holding the output of the accumulating unit 140 every time the clock SCLK is input. The latch unit 142 can include the D flip-flop 16.

このように、参照受光部122aでは、フォトンの入射に対して2値の情報(電圧パルス)が出力され、温度等の変動に対してロバストである。したがって、電圧パルスのパルス幅の合計時間も内部増幅ゲイン等の変動の影響を受けず、温度に依らず安定な光検出ができる。   As described above, the reference light receiving unit 122a outputs binary information (voltage pulse) with respect to the incidence of photons, and is robust against fluctuations in temperature and the like. Therefore, the total time of the pulse width of the voltage pulse is not affected by fluctuations such as the internal amplification gain, and stable light detection can be performed regardless of the temperature.

また、複数の参照受光手段122からの電圧パルスのパルス幅の合計時間を光量として出力するので、参照受光手段122が1つの場合に比べて更にダイナミックレンジを広くすることができる。   Further, since the total time of the pulse widths of the voltage pulses from the plurality of reference light receiving means 122 is output as the amount of light, the dynamic range can be further widened as compared with the case where there is one reference light receiving means 122.

また、参照受光手段122としてガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを用いているので、光電子増倍管等の他のフォトンカウント型受光素子に比べて安価にコンパクトに装置に実装することができる。また、アバランシェフォトダイオードは半導体素子であるので、複数の参照受光手段122を集積化することも容易である。特に、参照受光手段122と測定受光手段102とを1つのチップ上に集積化することも容易である。さらに、CMOSプロセスによりアバランシェフォトダイオードを実現する技術も開発されているので、第1サンプリング手段124、加算手段126及び第2サンプリング手段128、累積手段140、ラッチ手段142等と同一のチップ上に実装が可能となる。これにより、製造工程の簡素化及び低製造コスト化が図れる。また、アバランシェフォトダイオードの寄生容量が小さくなるので、デッドタイムを短縮することができ、ダイナミックレンジをより広くすることができる。   In addition, since a Geiger mode avalanche photodiode is used as the reference light receiving means 122, it can be mounted on the apparatus at a lower cost and more compactly than other photon count type light receiving elements such as a photomultiplier tube. Further, since the avalanche photodiode is a semiconductor element, it is easy to integrate a plurality of reference light receiving means 122. In particular, it is easy to integrate the reference light receiving means 122 and the measurement light receiving means 102 on one chip. Furthermore, since a technology for realizing an avalanche photodiode by a CMOS process has been developed, it is mounted on the same chip as the first sampling means 124, the adding means 126, the second sampling means 128, the accumulating means 140, the latch means 142, and the like. Is possible. As a result, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. Further, since the parasitic capacitance of the avalanche photodiode is reduced, the dead time can be shortened and the dynamic range can be further widened.

なお、参照受光手段122が複数の参照受光部122aを含む構成としたが、参照受光部122aが1つであっても同様にダイナミックレンジを広げる作用は得られる。   The reference light receiving unit 122 includes a plurality of reference light receiving units 122a. However, even if there is only one reference light receiving unit 122a, an effect of widening the dynamic range can be obtained.

次に、上記光検出器を搭載した光学的測距装置200について説明する。光学的測距装置200は、図5に示すように、光検出器100、光源202、双曲面ミラー204及びポリゴンミラー206を含んで構成される。光学的測距装置200は、投光される光と受光される光との光軸を一致させた同軸型の光学系を有する。   Next, an optical distance measuring device 200 equipped with the photodetector will be described. As shown in FIG. 5, the optical distance measuring device 200 includes a photodetector 100, a light source 202, a hyperboloid mirror 204, and a polygon mirror 206. The optical distance measuring device 200 has a coaxial optical system in which the optical axes of the projected light and the received light are matched.

光源202は、光学的測距装置200の測距対象空間にパルス光を照射する。光源202は、例えば、レーザダイオード(LD)とすることができる。パルス光の周期及びパルス幅は、これに限定されるものではないが、それぞれ数100μs及び数ns程度とすることが好適である。光源202からのパルス光の照射時刻がTDC116に入力され、TOFの測定に用いられる。   The light source 202 irradiates pulse light to the distance measurement target space of the optical distance measuring device 200. The light source 202 can be, for example, a laser diode (LD). The period and pulse width of the pulsed light are not limited to this, but are preferably about several hundreds μs and several ns, respectively. The irradiation time of the pulsed light from the light source 202 is input to the TDC 116 and used for the measurement of TOF.

光源202は、双曲面ミラー204の中央部に設けられた孔204aからポリゴンミラー206へ向かって光を投光する。光源202から出力された光は、コリメートレンズ等によってコリメートしてもよい。   The light source 202 projects light toward the polygon mirror 206 from a hole 204 a provided at the center of the hyperboloid mirror 204. The light output from the light source 202 may be collimated by a collimating lens or the like.

双曲面ミラー204の孔204aを抜けた光は、ポリゴンミラー206にて反射され、測距対象空間へ投光される。測距対象空間に物体(例えば、車、道路、樹木、人物等)が存在している場合、それらの物体によって光が反射され、光学的測距装置200へ戻ってくる。戻された光は、再びポリゴンミラー206にて反射され、さらに双曲面ミラー204で反射し、光検出器100へ入射する。双曲面ミラー204は、レンズと同様の働きをし、光を光検出器100へ設けられた受光素子へ結像させる。   The light that has passed through the hole 204a of the hyperboloid mirror 204 is reflected by the polygon mirror 206 and projected onto the distance measurement target space. When objects (for example, a car, a road, a tree, a person, etc.) exist in the distance measurement target space, light is reflected by these objects and returns to the optical distance measuring device 200. The returned light is reflected again by the polygon mirror 206, further reflected by the hyperboloidal mirror 204, and enters the photodetector 100. The hyperboloid mirror 204 works in the same way as a lens, and forms an image of light on a light receiving element provided in the photodetector 100.

ここで、ポリゴンミラー206は、回転多角形ミラーであり、回転軸に平行又は傾けられた複数のミラー面を有する。ポリゴンミラー206は、回転軸206aを中心に所定の回転速度で回転させられ、回転に伴って光源202からの光に対してミラー面の向きを変化させて測距対象空間へ光を走査して投光する。走査方向は、ポリゴンミラー206に設けられたミラー面の回転軸206aに対する角度で決定される。複数のミラー面の俯角を異ならせることによって、水平方向のみならず垂直方向にも光を走査することが可能である。各面の俯角の差を投光される光の広がり角度以下とすれば、垂直方向にも隙間なく走査することができる。   Here, the polygon mirror 206 is a rotating polygon mirror, and has a plurality of mirror surfaces parallel or inclined with respect to the rotation axis. The polygon mirror 206 is rotated about a rotation axis 206a at a predetermined rotation speed, and with the rotation, the direction of the mirror surface is changed with respect to the light from the light source 202 to scan the light into the distance measurement target space. Flood light. The scanning direction is determined by the angle of the mirror surface provided on the polygon mirror 206 with respect to the rotation axis 206a. By making the depression angles of the plurality of mirror surfaces different, it is possible to scan light not only in the horizontal direction but also in the vertical direction. If the difference between the depression angles of each surface is set to be equal to or smaller than the spread angle of the projected light, scanning can be performed in the vertical direction without any gap.

光検出器100は、上記したTOF測定のための測定受光部102a及び外乱光の強度を検出するための参照受光部122aを含む。図6に示すように、測定受光部102a及び参照受光部122aは、それぞれアレイ状に配置された測定受光素子領域208a及び参照受光素子領域208bを含む受光素子領域208に配置される。測定受光素子領域208aは、光源202から照射されて物体によって反射された光が結像する位置に配置される。参照受光素子領域208bは、測定受光素子領域208aと隣接して配置され、光源202からの反射光が入射しない配置であって、参照受光素子領域208bに現在入射している外乱光(環境光)が次のTOFの計測時間において測定受光素子領域208aに入射してくるような位置に配置される。   The photodetector 100 includes a measurement light receiving unit 102a for the above-described TOF measurement and a reference light receiving unit 122a for detecting the intensity of disturbance light. As shown in FIG. 6, the measurement light receiving part 102a and the reference light receiving part 122a are arranged in the light receiving element area 208 including the measurement light receiving element area 208a and the reference light receiving element area 208b arranged in an array, respectively. The measurement light-receiving element region 208a is disposed at a position where light emitted from the light source 202 and reflected by an object forms an image. The reference light-receiving element region 208b is disposed adjacent to the measurement light-receiving element region 208a, and is arranged such that the reflected light from the light source 202 does not enter, and disturbance light (environment light) currently incident on the reference light-receiving element region 208b. Is arranged at a position where it enters the measurement light receiving element region 208a in the next TOF measurement time.

すなわち、図7に示すように、ポリゴンミラー206による光の走査中のある時刻において測定受光手段102と参照受光手段122とは異なる方向を観測し、参照受光手段122の測定方向Aが常に次回の測定受光手段102の測定方向Bを観測するような相対位置に配置される。観測方向の角度差は、測定受光手段102と参照受光手段122との間隔及び双曲面ミラー204の焦点距離によって決定される。また、測定受光手段102のある時刻での測定方向Bと次回の測定方向Aの角度差、すなわち水平解像度は、ポリゴンミラー206の回転速度、測定時間間隔、照射光の入射角度等によって決定される。したがって、これらの条件を考慮して測定受光手段102と参照受光手段122とを配置すればよい。例えば、水平解像度と双曲面ミラー204の焦点距離とを一定とした場合、測定受光手段102と参照受光手段122との間隔を調整することによって参照受光手段122が常に次回測定方向Aを観測するようにすることができる。   That is, as shown in FIG. 7, the measurement light receiving means 102 and the reference light receiving means 122 are observed in different directions at a certain time during light scanning by the polygon mirror 206, and the measurement direction A of the reference light receiving means 122 is always the next time. The measurement light receiving means 102 is disposed at a relative position where the measurement direction B is observed. The angle difference in the observation direction is determined by the distance between the measurement light receiving means 102 and the reference light receiving means 122 and the focal length of the hyperboloid mirror 204. Further, the angle difference between the measurement direction B at a certain time of the measurement light receiving means 102 and the next measurement direction A, that is, the horizontal resolution is determined by the rotational speed of the polygon mirror 206, the measurement time interval, the incident angle of the irradiation light, and the like. . Therefore, the measurement light receiving means 102 and the reference light receiving means 122 may be arranged in consideration of these conditions. For example, when the horizontal resolution and the focal length of the hyperboloid mirror 204 are constant, the reference light receiving unit 122 always observes the next measurement direction A by adjusting the distance between the measurement light receiving unit 102 and the reference light receiving unit 122. Can be.

測定受光部102aを複数備える場合、参照受光手段122も測定受光部102a毎又は幾つかの測定受光部102aの組毎に複数設けることが好ましい。図1に示す光検出器100の例では、測定受光手段102の水平方向に配置された複数の測定受光部102aの組毎に参照受光手段122を設ける構成となっている。もちろん、1つの測定受光手段102毎に1つの参照受光手段122を設けてもよい。   When a plurality of measurement light receiving units 102a are provided, it is preferable to provide a plurality of reference light receiving units 122 for each measurement light receiving unit 102a or for a set of several measurement light receiving units 102a. In the example of the photodetector 100 shown in FIG. 1, the reference light receiving unit 122 is provided for each set of a plurality of measurement light receiving units 102 a arranged in the horizontal direction of the measurement light receiving unit 102. Of course, one reference light receiving means 122 may be provided for each measurement light receiving means 102.

太陽光等の外乱光等が強い場合においてフォトンの検出時間効率の低下やヒストグラムの偽ピーク形成を抑制するため、外乱光が強いときに測定受光部102aの感度を低下させればよい。測定受光部102aは、降伏電圧より大きい電圧を印加して動作させるガイガーモードであり、バイアス電圧と降伏電圧との差(過剰電圧)を大きくすると感度が高くなり、小さくすると感度が低くなる。感度とは、フォトンの検出確率のことであり、フォトンの入射に対して電圧パルスを出力する確率である。過剰電圧が閾値VTH以下になるとガイガーモードでの動作ができなくなり、逆に過剰電圧を大きくしすぎると偽パルス(ノイズ)の発生頻度が高くなる。 In order to suppress a decrease in photon detection time efficiency and formation of a false peak in a histogram when disturbance light such as sunlight is strong, the sensitivity of the measurement light receiving unit 102a may be reduced when disturbance light is strong. The measurement light receiving unit 102a is a Geiger mode operated by applying a voltage larger than the breakdown voltage. The sensitivity increases when the difference (excess voltage) between the bias voltage and the breakdown voltage is increased, and the sensitivity decreases when the voltage is decreased. Sensitivity is the probability of photon detection, and is the probability of outputting a voltage pulse in response to photon incidence. When the excessive voltage becomes lower than the threshold value V TH , the operation in the Geiger mode cannot be performed. Conversely, when the excessive voltage is excessively increased, the frequency of generation of false pulses (noise) increases.

そこで、光検出器100のバイアス手段120において、参照受光手段122から出力される外乱光の強さを示す出力信号LBGに応じて測定受光部102aのバイアス電圧を調整する。 Therefore, the bias unit 120 of the photodetector 100 adjusts the bias voltage of the measurement light receiving unit 102a according to the output signal LBG indicating the intensity of the disturbance light output from the reference light receiving unit 122.

図1に示すように、バイアス手段120は、バイアス電圧設定部18及びデジタル/アナログ変換部(DAC)19を含んで構成される。バイアス電圧設定部18では、参照受光手段122から出力された出力信号LBGに応じて適切なバイアス電圧値を設定する。バイアス電圧設定部18は、例えば、予め実験等によって得られた出力信号LBGと適切なバイアス電圧とを関連付けて登録したルックアップテーブルを参照して出力信号LBGに応じて適切なバイアス電圧値を設定する。また、出力信号LBGと適切なバイアス電圧とを関数で表現し、出力信号LBGをその関数に代入することにより適切なバイアス電圧を算出してもよい。DAC19は、バイアス電圧設定部18にて設定されたバイアス電圧をアナログ値に変換して出力する。DAC19から出力されたバイアス電圧は、測定受光部102aに含まれるフォトダイオード20のマイナス側電位を制御する。バイアス電圧は、図8に示すように、出力信号LBGが高くなるほどフォトダイオード20のマイナス側電位が大きくなるように設定される。 As shown in FIG. 1, the bias unit 120 includes a bias voltage setting unit 18 and a digital / analog conversion unit (DAC) 19. The bias voltage setting unit 18 sets an appropriate bias voltage value according to the output signal LBG output from the reference light receiving unit 122. For example, the bias voltage setting unit 18 refers to a look-up table in which an output signal L BG previously obtained through experiments or the like is associated with an appropriate bias voltage and registered, and an appropriate bias voltage value according to the output signal L BG. Set. Alternatively, the appropriate bias voltage may be calculated by expressing the output signal L BG and an appropriate bias voltage as a function and substituting the output signal L BG into the function. The DAC 19 converts the bias voltage set by the bias voltage setting unit 18 into an analog value and outputs the analog value. The bias voltage output from the DAC 19 controls the negative potential of the photodiode 20 included in the measurement light receiving unit 102a. As shown in FIG. 8, the bias voltage is set so that the negative potential of the photodiode 20 increases as the output signal LBG increases.

このように、参照受光手段122及びバイアス手段120を設けることによって、外乱光が強いときにフォトダイオード20のバイアス電圧を低下させてフォトダイオード20の感度を低下させることができる。この構成により、フォトダイオード20に対して降伏電圧VBDに閾値電圧VTHを加えた電圧から電源電圧VSPADまでの範囲においてバイアス電圧を調整することが可能となる。すなわち、参照受光手段122によって観測された次回測定方向からの外乱光の強度に応じてTOF観測用の測定受光部102aの感度を適切に調整することができる。したがって、検出時間効率の低下やヒストグラムの偽ピークの発生を抑制することができ、TOFの検出効率や確度を高めることができる。 As described above, by providing the reference light receiving unit 122 and the bias unit 120, it is possible to decrease the bias voltage of the photodiode 20 and reduce the sensitivity of the photodiode 20 when disturbance light is strong. With this configuration, it is possible to adjust the bias voltage in a range from the voltage obtained by adding the threshold voltage V TH to the breakdown voltage V BD to the power supply voltage V SPAD with respect to the photodiode 20. That is, it is possible to appropriately adjust the sensitivity of the measurement light receiving unit 102a for TOF observation according to the intensity of disturbance light from the next measurement direction observed by the reference light receiving unit 122. Therefore, a decrease in detection time efficiency and occurrence of a false peak in the histogram can be suppressed, and the TOF detection efficiency and accuracy can be increased.

さらに、外乱光の強度に応じて比較手段114の閾値NREFを変更する構成としてもよい。外乱光が大きくなるほど閾値NREFを大きくすることでヒストグラムの偽ピークをより抑制することができる。特に、測定受光手段102を構成する測定受光部102aの数が多いときやTDC116のデッドタイムが長いときに閾値NREFを調整することが有効である。 Furthermore, it is good also as a structure which changes the threshold value NREF of the comparison means 114 according to the intensity | strength of disturbance light. By increasing the threshold value N REF as the disturbance light increases, the false peak of the histogram can be further suppressed. In particular, it is effective to adjust the threshold value N REF when the number of measurement light receiving units 102a constituting the measurement light receiving unit 102 is large or when the dead time of the TDC 116 is long.

また、測定受光部102aと参照受光部122aとを同一構造の受光素子とすることが好適である。これにより、測定受光部102aと参照受光部122aとの特性の差が小さくなるので、測定受光部102aのダークカウント(暗電流)の影響を参照受光部122aの出力値によって補償することができる。さらに、測定受光部102aと参照受光部122aとを同一の半導体基板(チップ)上に実装することが好適である。これにより、測定受光部102aと参照受光部122aとの特性の差がより小さくなるので、測定受光素子のバイアス制御や、比較手段の閾値の調節をより正確に行うことができる。さらに、測定受光手段102と参照受光手段122との相対的な位置関係を正確に決めることができ、他の構成要素との配置をより正確かつ容易に行うことができる。   Further, it is preferable that the measurement light receiving unit 102a and the reference light receiving unit 122a are light receiving elements having the same structure. Thereby, since the difference in characteristics between the measurement light receiving unit 102a and the reference light receiving unit 122a is reduced, the influence of the dark count (dark current) of the measurement light receiving unit 102a can be compensated by the output value of the reference light receiving unit 122a. Furthermore, it is preferable to mount the measurement light receiving unit 102a and the reference light receiving unit 122a on the same semiconductor substrate (chip). As a result, the difference in characteristics between the measurement light-receiving unit 102a and the reference light-receiving unit 122a becomes smaller, so that the bias control of the measurement light-receiving element and the adjustment of the threshold value of the comparison unit can be performed more accurately. Furthermore, the relative positional relationship between the measurement light receiving means 102 and the reference light receiving means 122 can be accurately determined, and the arrangement with other components can be performed more accurately and easily.

10 フォトダイオード、12 クエンチング抵抗、14 バッファー、16 フリップフロップ、18 バイアス電圧設定部、19 DAC、20 フォトダイオード、22 クエンチング抵抗、24 バッファー、100 光検出器、102 測定受光手段、102a 測定受光部、104 パルス整形回路、106 加算手段、114 比較手段、116 TDC、118 ヒストグラム生成手段、120 バイアス手段、122 参照受光手段、122a 参照受光部、124 第1サンプリング手段、126 加算手段、128 第2サンプリング手段、140 累積手段、142 ラッチ手段、200 光学的測距装置、202 光源、204 双曲面ミラー、204a 孔、206 ポリゴンミラー、208 受光素子領域、208a 測定受光素子領域、208b 参照受光素子領域。   10 photodiode, 12 quenching resistor, 14 buffer, 16 flip-flop, 18 bias voltage setting unit, 19 DAC, 20 photodiode, 22 quenching resistor, 24 buffer, 100 photodetector, 102 measurement light receiving means, 102a measurement light receiving 104 pulse shaping circuit, 106 addition means, 114 comparison means, 116 TDC, 118 histogram generation means, 120 bias means, 122 reference light receiving means, 122a reference light receiving section, 124 first sampling means, 126 addition means, 128 second Sampling means, 140 accumulating means, 142 latch means, 200 optical distance measuring device, 202 light source, 204 hyperboloid mirror, 204a hole, 206 polygon mirror, 208 light receiving element region, 208a measurement light receiving element Region, 208b Reference light receiving element region.

Claims (3)

照射光の投光時刻と反射光の受光時刻との差に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、
パルス光を投光する光源と、
物体からの光を受光するフォトンカウント型の測定受光素子を備えた感度が可変の測定受光手段と、
投光方向と受光方向を走査する走査手段と、
前記走査手段により前記測定受光手段が次回測定する領域からの光であって、前記照射光として投光された光以外の光のみを受光する参照受光素子を備えた参照受光手段と、
前記参照受光手段の受光量に応じて前記測定受光手段の感度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする光学的測距装置。
An optical distance measuring device that measures a distance based on a difference between a projection time of irradiation light and a reception time of reflected light,
A light source that emits pulsed light;
A measurement light receiving means having a variable sensitivity and a photon count type measurement light receiving element for receiving light from an object;
Scanning means for scanning the light emitting direction and the light receiving direction;
Reference light receiving means comprising a reference light receiving element that receives only light other than the light projected as the irradiation light, which is light from a region that the measurement light receiving means next measures by the scanning means;
Control means for controlling the sensitivity of the measurement light receiving means in accordance with the amount of light received by the reference light receiving means;
An optical distance measuring device comprising:
請求項1に記載の光学的測距装置であって、
前記参照受光素子は、フォトンカウント型の受光素子から構成され、
前記参照受光手段は、前記参照受光素子から出力されるパルス信号を時間的に累積して累積値として出力する累積手段を備え、
前記制御手段は、前記参照受光手段の受光量として前記累積値を使用して、前記累積値に応じて前記測定受光手段の感度を制御することを特徴とする光学的測距装置。
The optical distance measuring device according to claim 1,
The reference light receiving element is composed of a photon count type light receiving element,
The reference light receiving means includes accumulating means for accumulating a pulse signal output from the reference light receiving element in time and outputting it as an accumulated value,
The optical distance measuring device according to claim 1, wherein the control means uses the accumulated value as the amount of light received by the reference light receiving means, and controls the sensitivity of the measurement light receiving means according to the accumulated value.
請求項1に記載の光学的測距装置であって、
前記測定受光手段は、
前記測定受光素子として、アレイ状に配置された複数のガイガーモードの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の出力を加算する加算部と、
前記加算部の出力が閾値以上である場合にトリガー信号を出力する判定部と、
を含んで構成され、
前記制御手段は、
前記アバランシェフォトダイオードへのバイアス電圧を変化させること、及び、前記判定部の前記閾値を変化させること、の少なくとも一方により前記測定受光手段の感度を制御する、
ことを特徴とする光学的測距装置。
The optical distance measuring device according to claim 1,
The measurement light receiving means includes
As the measurement light receiving element, a plurality of Geiger mode avalanche photodiodes arranged in an array,
An adder for adding the outputs of the avalanche photodiode;
A determination unit that outputs a trigger signal when the output of the addition unit is equal to or greater than a threshold; and
Comprising
The control means includes
Controlling the sensitivity of the measurement light receiving means by at least one of changing a bias voltage to the avalanche photodiode and changing the threshold value of the determination unit;
An optical distance measuring device.
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