JP2023132789A - 受光装置、及び距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光装置の消費電力の抑制が可能な光装置、及び距離計測装置を提供する。【解決手段】本実施形態に係る受光装置は、複数の画素を備える。画素は、フォトンの入射を検出可能な光電変換素子と、光電変換素子の両端部の印可電圧を変更する電源部と、を有する。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、受光装置、及び距離計測装置に関する。

ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）と称される距離計測装置が知られている。この距離計測装置では、レーザ光を計測対象物に照射し、計測対象物により反射された反射光の強度を例えばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄ）などの複数のフォトダイオードを有する受光装置の出力に基づき、時系列な計測信号に変換する。これにより、レーザ光の発光の時点と、反射光が受光装置に受信された時点との時間差に基づき、計測対象物までの距離が計測される。

特開２０１６－１４５３５号公報

ところが、太陽光などの背景光が定常的に受光され、背景光も含めて増倍してしまう。このため、背景光しか受光していないフォトダイオードも背景光などの不要光を増倍するために使用され、受光装置の消費電力が増加してしまう恐れがある。

本発明が解決しようとする課題は、受光装置の消費電力の抑制が可能な受光装置、及び距離計測装置を提供することである。

本実施形態に係る受光装置は、複数の画素を備える。画素は、フォトンの入射を検出可能な光電変換素子と、光電変換素子の両端部の印可電圧を変更する電源部と、を有する。

本実施形態に係る運転支援システムの概略的な全体構成を示す図。 第１実施形態に係る距離計測装置の構成例を示す図。 １フレームにおける光源の出射パターンを模式的に示している図。 １フレームにおけるレーザ光の計測対象物上の照射位置を拡大して示す模式図。 光学機構系と異なる光学系を介して計測する計測部の構成例を示す図。 図２で示した距離計測装置の構成を光学機構系と異なる系を介して計測する例を示す図。 受光装置の構成例を示すブロック図。 ＰＤの印可電圧に対する増幅率の例を示す図。 逆バイアス電圧と、測距部側電源の電圧と、ＰＤの両端に印可される受光器印可電圧の例を示す表。 ２次元状に配置されたＰＤの測定画素と非測定画素の分布例を示す図。 画素のより詳細な構成例を示すブロック図。 比較例の電源電圧の動作例を示す表。 制御部による準備動作を含む電源電圧の動作例を示す表。 ＰＤの測定画素、準備画素、及び非測定画素の分布例を示す図。 縦３画素の駆動状態の時間変化を示す図。 逆バイアス電圧を複数有する受光装置の構成例を示すブロック図。 複数のＰＤに対して逆バイアス電源が接続される受光装置の構成例を示すブロック図。 複数のＰＤ毎に逆バイアス電圧をそれぞれ印可可能である受光装置の構成例を示す図。 制御部の構成例を示すブロック図。 各モードの制御例を示すタイムチャート。 第３モードでの処理例を示すフローチャート。 第２実施形態に係る距離計測装置の構成例を示すブロック図。 印可電圧に対する増倍率の温度特性を示す図。 逆バイアス電圧を±３ボルトに変更可能とした例を示す受光装置の構成例の図。 逆バイアス電圧を更に変更可能とした例を示す受光装置の構成例の図。 複数のＰＤ１に対して逆バイアス電圧を±３ボルトに変更可能とした例を示す受光装置の構成例の図。 測距部側電源の電圧を変更可能とした例を示す受光装置の構成例の図。 測距部側電源の電圧を±３ボルト変更可能とした例を示す受光装置の構成例の図。 計測部に第２制御部を構成した例を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態に係る受光装置、及び距離計測装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る運転支援システムの概略的な全体構成を示す図である。図１に示すように運転支援システム１は、距離画像に基づく運転支援を行う。運転支援システム１は、距離計測システム２と、運転支援装置５００と、音声装置５０２と、制動装置５０４と、表示装置５０６とを、を備えて構成されている。距離計測システム２は、計測対象１０の距離画像、速度画像を生成するものであり、距離計測装置５と、計測情報処理装置４００とを備える。

距離計測装置５は、走査方式及びＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いて、計測対象１０までの距離を計測する。より具体的には、この距離計測装置５は、出射部１００と、光学機構系２００と、計測部３００とを備えて構成されている。

出射部１００は、レーザ光Ｌ１を間欠的に出射する。光学機構系２００は、出射部１００が出射するレーザ光Ｌ１を計測対象１０に照射するとともに、計測対象１０上で反射されたレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２を計測部３００に入射させる。ここで、レーザ光とは、位相および周波数が揃った光を意味する。また、反射光Ｌ２は、レーザ光Ｌ１による散乱光のうちの所定方向の光を意味する。

計測部３００は、光学機構系２００を介して受光した反射光Ｌ２に基づき、計測対象１０までの距離を計測する。すなわち、この計測部３００は、出射部１００がレーザ光Ｌ１を計測対象１０に照射した時点と、反射光Ｌ２が計測された時点との時間差に基づき、計測対象１０までの距離を計測する。計測情報処理装置４００は、ノイズの低減処理を行い、計測対象１０上の複数の測定点までの距離に基づき距離画像データを出力する。計測情報処理装置４００の一部または全ては、距離計測装置５の筐体内に組み込んでもよい。

運転支援装置５００は、計測情報処理装置４００の出力信号に応じて車両の運転を支援する。運転支援装置５００には、音声装置５０２、制動装置５０４、表示装置５０６などが接続されている。

音声装置５０２は、例えばスピーカであり、車両内の運転席から聴講可能な位置に配置されている。運転支援装置５００は、計測情報処理装置４００の出力信号に基づき、例えば音声装置５０２に「対象物まで５メートルです」などの音声を発生させる。これにより、例えば運転士の注意力が低下している場合にも、音声を聴講することで、運転士の注意を喚起させることが可能となる。

制動装置５０４は、例えば補助ブレーキである。運転支援装置５００は、計測情報処理装置４００の出力信号に基づき、例えば対象物が所定の距離、例えば３メートルまで近接した場合に、制動装置５０４に車両を制動させる。

表示装置５０６は、例えば液晶モニタである。運転支援装置５００は、計測情報処理装置４００の出力信号に基づき、表示装置５０６に画像を表示する。これにより、例えば逆光時などでも、表示装置５０６に表示される画像を参照することで、外部情報をより正確に把握可能となる。

次に、図２に基づき、本実施形態に係る距離計測装置５の出射部１００、光学機構系２００、および計測部３００のより詳細な構成例を説明する。図２は、第１の実施形態に係る距離計測装置５の構成例を示す図である。図２に示すように、距離計測装置５は、出射部１００と、光学機構系２００と、計測部３００と、計測情報処理装置４００と、を備えて構成されている。ここでは、散乱光Ｌ３の内、所定の方向の散乱光を反射光Ｌ２と呼ぶこととする。図２に記載のブロック図は、信号例であり、順序、配線はこれに限定されない。

出射部１００は、光源１１と、発振器１１ａと、第１駆動回路１１ｂと、制御部１６と、クロック生成器１６ａと、第２駆動回路１６ｂとを、有する。

光学機構系２００は、照射光学系２０２と、受光光学系２０４とを有する。照射光学系２０２は、レンズ１２と、第１光学素子１３と、レンズ１３ａ、ミラー（反射デバイス）１５とを有する。

受光光学系２０４は、第２光学素子１４と、ミラー１５とを有する。すなわち、これら照射光学系２０２、及び受光光学系２０４は、ミラー１５を共有している。

計測部３００は、光検出器１７と、レンズ１８ａと、第１増幅器１８と、受光装置１９と、第１距離計測部１５０とを有する。なお、光を走査する既存方法として、ここではミラー１５を用いているが、ミラー１５を用いる他に、距離計測装置５を回転させる方法（以下、回転方法と呼ぶ）がある。また、別の走査する既存方法として、ＯＰＡ方法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ）がある。本実施形態は、光を走査する方法に依存しないため、回転方法やＯＰＡ方法により光を走査してもよい。

出射部１００の発振器１１ａは、制御部１６の制御に基づき、パルス信号を生成する。第１駆動回路１１ｂは、発振器１１ａの生成したパルス信号に基づいて光源１１を駆動する。光源１１は、例えばレーザダイオードなどのレーザ光源であり、第１駆動回路１１ｂによる駆動に応じてレーザ光Ｌ１を間欠的に発光する。

次に、図３に基づき１フレームにおける光源１１の出射パターンを説明する。ここで、フレームとは、周期的に繰り返されるレーザ光Ｌ１の出射の組み合わせを意味する。図３は、１フレームにおける光源１１の出射パターンを模式的に示している図である。図３において、横軸は時刻を示し、縦線は光源１１の出射タイミングを示している。上側の図は、下側の図における部分拡大図である。この図３に示すように光源１１は、例えばＴ＝数マイクロ秒～数十マイクロ秒の間隔で、レーザ光Ｌ１（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）を間欠的に繰り返し発光する。ここで、ｎ番目に発光されるレーザ光Ｌ１をＬ１（ｎ）と表記する。Ｎは、１フレームにおける計測対象１０を測定するために照射するレーザ光Ｌ１（ｎ）の照射回数を示している。１フレーム分の照射が終了すると、次フレーム分の照射をＬ１（０）から開始する。

図２に示すように、照射光学系２０２の光軸Ｏ１上には、光源１１、レンズ１２、第１光学素子１３、第２光学素子１４、及びミラー１５がこの順番に配置されている。これにより、レンズ１２は、間欠的に出射されるレーザ光Ｌ１をコリメートして、第１光学素子１３に導光する。

第１光学素子１３は、レーザ光Ｌ１を透過させると共に、レーザ光Ｌ１の一部を光軸Ｏ３に沿って光検出器１７に入射させる。第１光学素子１３は、例えばビームスプリッタである。なお、本実施形態では、第１光学素子１３を有するが、これに限定されない。例えば、第１光学素子１３を有さない構成でもよい。

第２光学素子１４は、第１光学素子１３を透過したレーザ光Ｌ１を更に透過して、レーザ光Ｌ１をミラー１５に入射させる。第２光学素子１４は、例えばハーフミラーである。

ミラー１５は、光源１１から間欠的に出射されるレーザ光Ｌ１を反射する反射面１５ａを有する。反射面１５ａは、例えば、互いに交差する２つの回動軸線ＲＡ１、ＲＡ２を中心として回動可能となっている。これにより、ミラー１５は、レーザ光Ｌ１の照射方向を周期的に変更する。

制御部１６は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有し、クロック生成器１６ａから供給されるクロック信号に従って反射面１５ａの傾斜角度を連続的に変更させる制御を第２駆動回路１６ｂに対して行う。すなわち、クロック生成器１６ａは、クロック信号を生成し、制御部１６などに供給する。

第２駆動回路１６ｂは、制御部１６から供給された駆動信号に従って、ミラー１５を駆動する。すなわち、制御部１６は、第２駆動回路１６ｂを制御して、レーザ光Ｌ１の照射方向を変更させる。

次に、図４に基づき、１フレームにおけるレーザ光Ｌ１の照射方向について説明する。図４は、１フレームにおけるレーザ光Ｌ１の計測対象１０上の照射位置を拡大して示す模式図である。この図４に示すように、反射面１５ａ（図２）は、レーザ光Ｌ１ごとに照射方向を変更して計測対象１０上のほぼ平行な複数の直線経路Ｐ１～Ｐｍ（ｍは２以上の自然数）に沿って、離散的に照射させる。このように、本実施形態に係る距離計測装置５は、各フレームｆ（ｍ）（０≦ｍ＜Ｍ）ごとにレーザ光Ｌ１（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）の照射方向Ｏ（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）を変更しつつ、計測対象１０に向けて１回ずつ照射する。ここで、レーザ光Ｌ１（ｎ）の照射方向をＯ（ｎ）で表記する。すなわち、本実施形態に係る距離計測装置５では、レーザ光Ｌ１（ｎ）は、照射方向Ｏ（ｎ）に一回照射される。照射方向Ｏ（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）は各フレームで同一であるため、ｍフレーム目の照射方向Ｏ（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）とｍ－１フレーム目の照射方向Ｏ（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）とは一致する。このように、本実施形態に係るレーザ光Ｌ１（ｎ）は図４に示す様に一点ずつ順次照射しても良いが、これに限定されず、複数点を同時に照射してもよい。

図２に示すように、受光光学系２０４の光軸Ｏ２上には、反射光Ｌ２が入射する順に、ミラー１５の反射面１５ａ、第２光学素子１４、レンズ１８ａ、受光装置１９が配置されている。ここで、光軸Ｏ１とは、レンズ１２の中心位置を通過するレンズ１２の焦点軸である。光軸Ｏ２とは、レンズ１８ａの中心位置を通過するレンズ１８ａの焦点軸である。

反射面１５ａは、計測対象１０上で散乱された散乱光Ｌ３のうち光軸Ｏ２に沿って進む反射光Ｌ２を第２光学素子１４に入射させる。第２光学素子１４は、反射面１５ａで反射された反射光Ｌ２の進行方向を変えて、光軸Ｏ２に沿って計測部３００のレンズ１８ａに入射させる。レンズ１８ａは、光軸Ｏ２に沿って入射した反射光Ｌ２を受光装置１９に集光させる。

一方で、散乱光Ｌ３のうちレーザ光Ｌ１と異なる方向に反射された光の進行方向は、受光光学系２０４の光軸Ｏ２からずれている。このため、散乱光Ｌ３のうち光軸Ｏ２と異なる方向に反射された光は、仮に受光光学系２０４内に入射しても、受光装置１９の入射面からずれた位置に入射される。これに対して、何らかの物体により散乱された太陽光などの環境光の中には、光軸Ｏ２に沿って進行する光があり、これらの光は、ランダムに受光装置１９の入射面に入射して、ランダムなノイズとなる。

なお、図２においては、明確化のためにレーザ光Ｌ１と反射光Ｌ２の光路を分けて図示しているが、実際にはこれらは重なっていてもよい。また、レーザ光Ｌ１の光束の中心の光路を光軸Ｏ１として図示している。同様に、反射光Ｌ２の、光束の中心の光路を光軸Ｏ２として図示している。

図５Ａは、光学機構系２００ａと異なる光学系２００ｂを介して計測する計測部２００の構成例を示す図である。光学機構系２００ａは、光学機構系２００の出射側と同等の構成であり、例えばレンズ１２と、第１光学素子１３と、レンズ１３ａ、ミラー（反射デバイス）１５とを有する。一方で、光学系２００ｂは、例えば対物レンズを複数有する光学系である。このように、出射部１００側と、計測部２００側とで独立した光学系を有してもよい。

図５Ｂは、図２で示した距離計測装置５の構成を光学機構系２００と異なる系を介して計測する例を示す図である。図５Ｂに示すように、計測対象１０からの戻り光Ｌ２は、ミラー14a、及びレンズ１８aを介して撮像される点において、図２で示した距離計測装置５の構成例と相違する。

図６は、受光装置１９の構成例を示すブロック図である。図６に示すように、受光装置１９は、複数の画素１９０ｂを有する。画素１９０ｂは、フォトダイオード（ＰＤ）１８０と、逆バイアス電源１８２と、スイッチ１８４と、検出回路１８６とを有する。また、ＰＤ１８０と、逆バイアス電源１８２と、複数のスイッチ１８４と、検出回路１８６とは直列に接続される。すなわち、逆バイアス電源１８２は、ＰＤ１８０のアノード側（低電位側）の一端に接続され、ＰＤ１８０のカソード側の他端には、スイッチ１８４の一端が接続される。また、ＰＤ１８０のカソード側の他端には測距部側電源１９００の電圧が印可される。なお、本実施形態に係る逆バイアス電源１８２が第１電源に対応し、測距部側電源１９００が第２電源に対応する。また、フォトダイオード（ＰＤ）１８０を以下では、単にＰＤ１８０と記す場合がある。

ＰＤ１８０は、例えば光電変換素子であり、シングルフォトンを電気信号に変換する。この光電変換素子は、例えばガイガーモードのアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄ）により構成される。アバランシェフォトダイオードは、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を上昇させた受光素子である。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は、一般にクエンチング素子と共に使用されて単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ： Ｓｉｎｇｌｅ－Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）とよばれる。すなわち、アバランシェダイオードは、特定の逆電圧にてアバランシェ降伏を起こすことにより、受光感度を上げたダイオードである。アバランシェフォトダイオードは、シリコンを材料としたものでは、例えば２００ｎｍ～１０００ｎｍまでの波長の光に感度を有する。

なお、ＰＤ１８０は、アバランシェフォトダイオードに限定されない。例えば、フォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）により構成してもよい。フォトマルチプライヤは、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を複数集積したフォトンカウンティングデバイスである。また、ＰＤ１８０を、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、アバランシェダイオード（ＡＢＤ：ａｖａｌａｎｃｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｄｉｏｄｅ）、化合物半導体を材料としたフォトマルチプライヤなどを複数配置して構成してもよい。フォトダイオードは、例えば光検出器として働く半導体により構成される。

逆バイアス電源１８２は、複数の逆バイアス電圧を切り変えてＰＤ１８０の一端に印可する。一方で、測距部側電源１９００は、複数の電圧を切り変えてＰＤ１８０の他端に印可する。スイッチ１８４は、例えばトランジスタである。スイッチ１８４は、ＰＤ１８０と、検出回路１８６とを電気的に接続、又は非接続にする。

検出回路１８６は、ＰＤ１８０が出力する電気信号を所定のサンプリング間隔で時系列輝度信号に変換する。この検出回路１８６は、例えば増幅器と、ＡＤ変換器と、を有する。増幅器には、ＰＤ１８０の電流信号を、電圧信号に変換して増幅するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）などが用いられる。ＡＤ変換器（ＡＤＣ： Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）は、増幅器が増幅した計測信号を複数のサンプリングタイミングにおいてサンプリングして、レーザ光Ｌ１の照射方向に対応するデジタルの時系列輝度信号に変換する。すなわち、ＡＤ変換器は、増幅器が増幅した計測信号をサンプリングする。このように、反射光Ｌ２に基づく電気信号を所定のサンプリング間隔でサンプリングしたデジタル信号を時系列輝度信号と呼ぶこととする。すなわち、時系列輝度信号は、反射光Ｌ２の時間的変化を所定のサンプリング間隔でサンプリングして得た値の系列である。検出回路１８６は、時系列輝度信号を信号処理部２２に供給する。なお、検出回路１８６は、号処理部２２内に構成してもよい。また、検出回路１８６は、複数の画素１９０ｂに対して一つ構成するようにしてもよい。

信号処理部２２は、例えば、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んだロジック回路で構成され、光検出器１７がレーザ光Ｌ１を検出するタイミングと、受光装置１９が反射光Ｌ２を検出するタイミングとの時間差に基づき、距離を計測する。

図７は、ＰＤ１８０の印可電圧に対する増幅率の例を示す図である。横軸は、ＰＤ１８０の２端子間に印可される電圧を示し、縦軸は増幅率を示す。図７に示すように、増幅率が高いほどＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が改善し、結果として装置性能は良くなる。ただし、単に高電圧にすると、電力消費が増加してしまう。

このため、本実施形態では図８で示す範囲に、例えば受光器印可電圧を設定する。図８は、逆バイアス電源１８２の逆バイアス電圧と、測距部側電源１９００の電圧と、ＰＤ１８０の両端に印可される受光器印可電圧の例を示す表である。このように、逆バイアス電源１８２は、例えば、―３０ボルト、又は－１０ボルトの逆バイアス電圧をＰＤ１８０の一端に印可する。一方で、ＰＤ１８０の他端には、測距部側電源の電圧として、例えば０ボルト、又は５ボルトが印可される。このように、本実施形態では通常測定時の測定に用いる画素１９０ｂのＰＤ１８０の端子間電圧を例えば３５ボルトとし、非測定の場合の電圧を、消費電力を抑制可能な範囲として、例えば１０ボルトなどとする。

再び図７を参照すると、端子間電圧を１０ボルトとすると、増幅率は０に近づく。これにより、非測定画素Ｔ１のＰＤ１８０の消費電力を０に近づけることが可能となる。このように、非測定画素Ｔ１の端ＰＤ１８０の子間電圧を低電圧にすることにより、電力消費が抑制される。また、測定画素Ｔ３は、スイッチ１８４を接続状態とする。一方で、非測定画素Ｔ１は、スイッチ１８４を非接続状態とする。なお、本実施系形態に係る画素１９０ｂのうち測定に用いる画素を測定画素Ｔ３と称し、測定に用いない画素を非測定画素Ｔ１と称し、測定の準備状態の画素を準備画素Ｔ２と称することとする。

図９は、２次元状に配置されたＰＤ１８０の測定画素Ｔ３と非測定画素Ｔ１の分布例を模式的に示す図である。図９に示すように、逆バイアス電源１８２の印可電圧を切り変えることにより、任意の画素１９０ｂを測定画素Ｔ３とし、任意の画素１９０ｂを非測定画素Ｔ１とすることが可能である。

図１０は、画素１９０ｂのより詳細な構成例を示すブロック図である。図１０に示すように、画素１９０ｂは、高耐圧側の素子と、低耐圧側の素子とで構成される。図１０では、ＰＤ１８０と、ＰＤ１８０に対応する逆バイアス電源１８２と、スイッチ１８４と、測距部側電源１９００とが図示されている。検出回路１８６、及び信号処理部２２などは、論理演算などを行うため、低耐圧側の素子で構成される。このため、測距部側電源１９００も低耐圧素子で構成される。

逆バイアス電源１８２は複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１８６０、１８８０と、複数のコンデンサ１９００、１９２０と、スイッチ１９４とを有する。コンデンサ１９００の一端は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８６０とスイッチ１９４とに接続され、他端は測距部側電源１９００の一端に接続される。コンデンサ１９２０の一端は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８８とスイッチ１８４とに接続され、他端は測距部側電源１９００の一端に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１８６０は、グランドから－１０ボルトの電圧を出力する。これによりコンデンサ１９００には、グランドから－１０ボルトの電位に応じた電荷が蓄積される。同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９２は、グランドから－３０ボルトの電圧を出力する。これによりコンデンサ１９２０には、グランドから－１０ボルトの電位に応じた電荷が蓄積される。スイッチ１９４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１９２０と、ＰＤ１８０との接続を切り変える。この場合、コンデンサ１９００、１９２０の蓄積電荷により、切り変え電圧の変動を抑制できる。また、スイッチ１９４は、例えばトランジスタである。

測距部側電源１９００は、０ボルトと５ボルトとを切り変える。測距部側電源１９００も例えば逆バイアス電源１８２と同様に、複数のＤＣ／ＤＣコンバータと複数の容量で構成される。この場合、測距部側電源１９００のコンデンサの容量は、逆バイアス電源１８２よりも小さくなる。スイッチを構成するトランジスタも低耐圧となる。制御部１６（図２参照）は、逆バイアス電源１８２、スイッチ１８４、及び測距部側電源１９００を制御する。

図１１は、比較例の電源電圧の動作例を示す表である。すなわち、図１０は、逆バイアス電圧と、測距部側電源の電圧と、ＰＤ１８０の両端に印可される受光器印可電圧の一般的な例を示す。比較例は、逆バイアス電圧は、―３０ボルトで固定の例である。測距部側電源１９００の電圧として、例えば０ボルト、又は５ボルトが印可される。このような場合、ＰＤ１８０の端子間には、測距部側電源１９００の電圧を例えば０ボルトとしても３０ボルト印可されるので、ＰＤ１８０で数倍の増倍率を維持してしまう（図７参照）。なお、非測定時の測距部側電源１９００を仮に－２０ボルトにできれば、ＰＤ１８０の端子間電圧は１０ボルト程度に抑制可能となる。しかしながら、測距部側電源１９００は、低耐圧側であり、０ボルトから－２０ボルトの変更は実現困難である。これらから分かるように、端子間電圧を２０ボルト程度変動させるためには、高耐圧側の回路の電源、すなわち逆バイアス電源１８２で調整する必要がある。

図１２は、制御部１６（図２参照）による準備動作を含む電源電圧の動作例を示す表である。すなわち、この図１２は、逆バイアス電圧と、測距部側電源１９００の電圧と、ＰＤ１８０の両端に印可される受光器印可電圧（端子間電圧）の例を示す。上述のように、画素１９０ｂは、測定画素Ｔ３と非測定画素Ｔ１との中間的な動作状態の画素として、準備画素Ｔ２（次に測定する画素）を有する。準備画素Ｔ２では、逆バイアス電圧を－３０ボルトとし、測距部側電源１９００の電圧を例えば０ボルトとして、受光器印可電圧を３０ボルトとする。測定画素Ｔ３は、スイッチ１８４を接続とする。一方で、非測定画素Ｔ１と準備画素Ｔ２とは、スイッチ１８４を非接続とする。また、図１２のように、次に測定する準備画素Ｔ２を中間電圧にすることにより、電圧制御に必要な応答時間を短縮することが可能となる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８６０、１８８０（図１０参照）の応答速度の制約を緩和することが可能となる。

図１３は、２次元状に配置されたＰＤ１８０の測定画素Ｔ３、準備画素Ｔ２、及び非測定画素Ｔ１の分布例を示す図である。図１３に示すように、制御部１６の駆動制御により、逆バイアス電源１８２及び測距部側電源１９００の印可電圧の組合せを切り変えることにより、任意の画素１９０ｂを測定画素Ｔ３、準備画素Ｔ２、及び非測定画素Ｔ１のいずれかとすることが可能である。

図１４は、縦３画素の駆動状態の時間変化を模式的に示す図である。矢印Ｇ１８が縦３列の画素を示し、横軸が時間を示す。図１４に示すように、例えば、撮影対象の位置の時間変化に合わせて測定画素Ｔ３、準備画素Ｔ２、及び非測定画素Ｔ１の位置を変更することが可能である。このように、制御部１６の受光装置１９に対する駆動制御により、例えば測定画素Ｔ３、準備画素Ｔ２、及び非測定画素Ｔ１の位置を時間経過に応じて変更することも可能である。

図１５は、受光装置１９ａの構成例を示すブロック図である。図１５に示すように、この受光装置１９ａは、複数の逆バイアス電源１８２ａ、ｂと、逆バイアス電源１８２ａ、ｂとＰＤ１８０との間を接続、又は非接続にするスイッチ１８５を有する点で図６に示した受光装置１９と相違する。逆バイアス電源１８２ａは、例えば０、－１０、－２０ボルトの切り替えが可能である。また、逆バイアス電源１８２ｂは、例えば－２０、－３０ボルトの切り替えが可能である。これにより、ＰＤ１８０毎に逆バイアス電圧０、－１０、－２０、－３０ボルトをそれぞれ印可可能である。このように、複数個の逆バイアス電圧を用意し、１画素毎にその電圧をスイッチ１８５で選択できるように構成してもよい。

図１６は、受光装置１９ｂの構成例を示すブロック図である。図１６に示すように、受光装置１９ｂは、複数のＰＤ１８０に対して逆バイアス電源１８２ｃ、ｄが接続される点で図６に示した受光装置１９と相違する。逆バイアス電源１８２ｃ、ｄは、例えば－１０、－３０ボルトの切り替えが可能である。これにより、受光装置１９ｂでは、複数のＰＤ１８０毎にバイアス電圧が切り変えられる。

図１７は、受光装置１９ｃの構成例を示すブロック図である。図１７に示すように、受光装置１９ｃは、複数の逆バイアス電源１８２ａ、ｂと、複数のＰＤ１８０との間をスイッチ１８５ａ、ｂを介して接続される。スイッチ１８５ａ、ｂは、逆バイアス電源１８２ａ、ｂの一方を選択する。逆バイアス電源１８２ａは、例えば０、－１０、ボルトの切り替えが可能である。また、逆バイアス電源１８２ｂは、例えば－２０、－３０ボルトの切り替えが可能である。これにより、複数のＰＤ１８０毎に逆バイアス電圧０、－１０、－２０、－３０ボルトをそれぞれ印可可能である。このように、複数個の逆バイアス電圧を用意し、複数の画素毎にその電圧をスイッチ１８５ａ、ｂで選択できるように構成してもよい

図１８は、制御部１６の構成例を示すブロック図である。図１８に示すように、制御部１６は、機構制御部１６０ａと、駆動モード設定部１６０ｂと、電圧制御部１６０ｃと、判定部１６０ｄとを有する。機構制御部１６０ａは、上述のように、発振器１１ａと、第２駆動回路１６ｂを制御し、レーザ光の照射位置と照射タイミングを制御する。入出力部（ＩＦ）２３は、デコーダ機能とシリアル、パラレル変換機能を有する。これにより、制御部１６がエンコーダした信号、及びシリアル変換した信号をパラレル変換し、デコードすることが可能である。

電圧制御部１６０ｃは、ＰＤ１８０に印可させる電圧と、ＰＤ１８０の接続、及び非接続を制御する。モード設定部は、ＰＤ１８０の動作状態を設定する。モード設定部は、例えば第１モード、第２モード、第３モードのいずれかを設定する。例えばモード設定部は、運転支援装置５００（図１参照）などの上位の装置からの制御指示にしたがい、各モードを設定する。

図１９は、各モードの制御例を示すタイムチャートである。上から画素の駆動信号、画素Ｃ（１９０ｂ）における第１モードの逆バイアス電圧、測距部電圧、画素Ｃにおける第２モードの逆バイアス電圧、測距部電圧、画素Ｃにおける第３モードの逆バイアス電圧、測距部電圧、及び測定種類それぞれを示す。横軸は時間である。

画素の駆動信号は、図４に示すように１行上に並ぶ各ＰＤ１８０の駆動タイミングをハイレベルで示す。例えば画素Ａ～Ｄの各ＰＤ１８０の駆動タイミングをハイレベルで示す。つまり、反射レーザＬ２の受光位置に合わせて、各ＰＤ１８０が連動して駆動される。

ここでは、走査方式における画素Ｃの駆動を例として、第１モード、第２モード、及び第３モードを説明する。第１モードは、画素Ｃを非測定画素Ｔ１、測定画素Ｔ３と時系列に駆動を変更するモードである。すなわち、第１モードでは、電圧制御部１６０ｃは、隣接するＰＤ１８０（画素Ｂ）の駆動の終了のタイミングｔ１２で、逆バイアス電圧を－３０ボルトとし、測距部電圧を５ボルトとして、画素Ｃを測定画素Ｔ３として駆動する。

第２モードでは、非測定画素Ｔ１、準備画素Ｔ２、測定画素Ｔ３と時系列に駆動を変更するモードである。すなわち、第２モードでは、電圧制御部１６０ｃは、隣接するのＰＤ１８０（画素Ｂ）の駆動の開始のタイミングｔ１０で、逆バイアス電圧を－３０ボルトとし、画素Ｃを非測定画素Ｔ１から準備画素Ｔ２として駆動する。そして、電圧制御部１６０ｃは、隣接するＰＤ１８０の駆動の終了のタイミングｔ１２で、測距部電圧を５ボルトとして、画素Ｃを準備画素Ｔ２から測定画素Ｔ３として駆動する。

第３モードは、プリ測定の結果により、太陽光などが入射していない場合に本測定を行うモードである。すなわち、第３モードでは、電圧制御部１６０ｃは、隣接するＰＤ１８０（画素Ｂ）の駆動の開始のタイミングｔ１０で、逆バイアス電圧を－３０ボルトとしとして、画素Ｃを準備画素Ｔ２として駆動する。ＰＤ１８０の端子間電圧が３０ボルトであれば、通常の測定は困難であるが、太陽光などの大光量であれば、ＰＤ１８０は、増倍を行うことが可能である。これにより、消費電力が抑制される。判定部１６０ｄは、プリ測定で画素ＣのＰＤ１８０が所定値以上の電流を生成している場合に、太陽光を受光していると判定する。

第３モードでは、判定部１６０ｄが太陽光を受光していると判定する場合には、画素Ｃの測定タイミングの開始ｔ１４となっても本測定を行わずに、測距部電圧を０ボルトととして維持する。これにより、消費電力が抑制される。この場合、電圧制御部１６０ｃは、画素Ｂの測定タイミングの終了時ｔ１２に、逆バイアス電圧を０ボルトにして、画素Ｃを準備画素Ｔ２から測定画素Ｔ３としてもよい。これにより、更に消費電力が抑制される。

図２０は、第３モードでの処理例を示すフローチャートである。ここでは、走査方式における画素の駆動を例として図１９を参照しつつ説明する。まず、制御部１６の駆動モード設定部１６０ｂは、第３モードを設定し、隣接するＰＤ１８０の駆動の開始のタイミングｔ１０で、逆バイアス電圧を－３０ボルトとしとして、ＰＤ１８０を準備画素Ｔ２として駆動し、プリ測定を行う（ステップＳ１００）。

次に、ＰＤ１８０が生成する電流値は、判定部１６０ｄに送信される（ステップＳ１０２）。そして、判定部１６０ｄは、電流値が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。判定部１６０ｄは、所定値以下であれば（ステップＳ１０４のＹ）、電圧制御部１６０ｃを制御し、測距部電圧を５ボルトとして、ＰＤ１８０を準備画素Ｔ２から測定画素Ｔ３として駆動する（ステップＳ１０６）。

続けて、信号処理部２２（図２参照）は、測定画素Ｔ３として駆動される信号のピークタイミングと測定光の出射タイミングの時間差に基づき、距離値を生成する（ステップＳ１０６）。一方で、判定部１６０ｄは、所定値以上であれば（ステップＳ１０４のＹ）、電圧制御部１６０ｃを制御し、逆バイアス電圧を０ボルトとして、ＰＤ１８０を準備画素Ｔ２から非測定画素Ｔ１として駆動する（ステップＳ１１０）。信号処理部２２（図２参照）は非測定画素Ｔ１として駆動される画素の信号処理をおこなわず、例えば距離値としてヌル（ＮＵＬＬ）値を生成する（ステップＳ１０６）。

駆動モード設定部１６０ｂは、全画素が終了したか否かを判定し（ステップＳ１１２）、全画素の測定が終了したと判定する場合（ステップＳ１１２のＹ）、第３モードでの処理を終了する。一方で、駆動モード設定部１６０ｂは、画素の測定が終了したと判定しない場合（ステップＳ１１２のＮ）、次画素に駆動対象を変更し、ステップＳ１００からの処理をくり返す。

このように、駆動モード設定部１６０ｂは、プリ測定で、電流値が所定値以上であれば、対象画素の端子間電圧を非測定画素Ｔ３のレベルまで下げる制御を行う。これにより、電流値が所定値以上であれば、対象画素には太陽光などが入射した状態であり、通常の距離測定ができないので、対象画素の消費電力を抑制できる。

以上説明したように本実施形態によれば、ＰＤ１８０の両端に印可する電圧を画素１９０ｂ毎に変更可能に構成することとした。これにより、準備画素Ｔ２、非測定画素Ｔ１などの測定に用いない画素１９０ｂの消費電力を測定画素Ｔ３よりも低減可能となり、受光装置１９の消費電力を抑制できる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る運転支援システム１は、受光装置１９の温度変動によるＰＤ１８０の特性の変化に合わせて端子間電圧を変更させる点で、第１実施形態に係る運転支援システム１と相違する。以下では、第１実施形態に係る運転支援システム１と相違する点を説明する。

図２１は、第２実施形態に係る距離計測装置５の構成例を示すブロック図である。第２実施形態に係る距離計測装置５は、温度センサ７０を更に備える点で第１実施形態に係る距離計測装置５と相違する。温度センサ７０は、受光装置１９のＰＤ１８０の近傍に配置され、ＰＤ１８０の環境温度を測定し、制御部１６に送信する。制御部１６の駆動モード設定部１６０ｂは、環境温度が所定の温度（例えば３０℃）以上である場合に、端子間電圧を例えば通常モードよりも３ボルト増加させる高温モードとする。一方で、環境温度が所定の温度未満である場合に、端子間電圧を高温モードよりも例えば３ボルト低い通常モードとする。

図２２は、印可電圧に対する増倍率の温度特性を示す図である。横軸は端子間電圧（印可電圧）を示し、縦軸は増倍率を示す。ラインＬ２２は、低温時の特性を示し、ラインＬ２４は、高温時の特性を示す。このように、高温になるに従い増倍率は低下する。このため、本実施形態では、高温になるに従い端子間電圧を増加させる制御を行うこととする。

図２３乃至図２７は、駆動モード設定部１６０ｂがＰＤ１８０端子間電圧を変動可能に構成した受光装置１９の例を示す図である。図２３は、逆バイアス電圧を３０ボルト±３ボルトに変更可能とした例を示す受光装置１９ｄの構成例の図である。すなわち、図１７で示す受光装置１９ｃからスイッチ１８４をのぞき、逆バイアス電源１８２ａ、ｂの電圧設定を変更した点で相違する。すなわち、受光装置１９ｄでは、逆バイアス電圧を、０ボルト、－３０ボルト±３ボルトに変更可能である。これにより、高温モードでは、逆バイアス電圧を－３３ボルトとし、通常モードでは、逆バイアス電圧を－３０、又は－２７ボルトとすることが可能である。

図２４は、逆バイアス電圧を更に－１０、－２０ボルトに変更可能とした例を示す受光装置１９ｅの構成例を示す図である。すなわち、図２３で示す受光装置１９ｄに対して逆バイアス電圧を更に－１０、－２０ボルトに変更可能である。

図２５は、複数のＰＤ１８０に対して逆バイアス電圧を３０ボルト±３ボルトに変更可能とした例を示す受光装置１９ｆの構成例を示す図である。複数のＰＤ１８０に対して逆バイアス電圧を３０ボルト±３ボルトに変更可能である点で、図２３で示す受光装置１９ｄと相違する。

図２６は、測距部側電源１９００の電圧を±３ボルト変更可能とした例を示す受光装置１９ｇの構成例の図である。ＰＤ１８０に対して測距部側電源１９００の電圧を±３ボルトに変更可能である点で、図２３で示す受光装置１９ｄと相違する。これにより、高温モードでは、例えば測距部側電源１９００の電圧を８ボルトとし、通常モードでは距部側電源１９０の電圧を５又は２ボルトとすることが可能である。

図２７は、測距部側電源１９００の電圧を±３ボルト変更可能とした例を示す受光装置１９ｈの構成例を示す図である。ＰＤ１８０に対して測距部側電源１９００の電圧を±３ボルトに変更可能である点で、図２４で示す受光装置１９ｅと相違する。これにより、高温モードでは、例えば測距部側電源１９００の電圧を８ボルトとし、通常モードでは距部側電源１９０の電圧を５又は２ボルトとすることが可能である。

図２８は、計測部３００に第２第２制御部１６０を構成した例を示すブロック図である。第２実施形態に係る距離計測装置５では、計測部３００に第２第２制御部１６０を構成する点で第１実施形態に係る距離計測装置５と相違する。すなわち、駆動モード設定部１６０ｂと、電圧制御部１６０ｃと、判定部１６０ｄとを計測部３００内の第２第２制御部１６０に構成する。これにより、計測部３００は、発振器１１ａと、ドライバ１６ｂ（図２参照）の制御と連動させるための制御信号を受信するだけで制御動作が可能となる。このため、通信処理をより簡略化することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、受光装置１９ｄ～ｈの温度変動によるＰＤ１８０の特性の変化に合わせてＰＤ１８０の端子間電圧を変更させることした。これにより、ＰＤ１８０の特性が温度依存を有する場合にも、測定精度に合わせた電力制御が可能となり、受光装置の電力消費を抑制できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５：距離計測装置、１６：制御部、１９、１９ａ～ｈ：受光装置、２２：信号処理部、１６０：第２制御部、１６０ａ：機構制御部、１６０ｂ：駆動モード設定部、１６０ｃ：電圧制御部、１６０ｄ：判定部、１８０：フォトダイオードＰＤ（光電変換素子）、１８２、１８２ａ、１８２ｃ、１８２ｄ：逆バイアス電源（第１電源）、１９０：測距部側電源（第２電源）、１９０ｂ：画素。

Claims (15)

1. 複数の画素を備えた受光装置であって、
   前記画素は、
   フォトンの入射を検出可能な光電変換素子と、
   前記光電変換素子の両端部の印可電圧を変更する電源部と、
   を有する、受光装置。
2. 前記電源部は、
   前記光電変換素子のアノード側に電圧を供給する第１電源と、
   前記光電変換素子のカソード側に電圧を供給する第２電源と、
   前記第１電源、及び前記第２電源の供給する電圧を変更可能である、請求項１に記載の受光装置。
3. 前記第１電源と、前記第２電源とは独立に電圧変更が可能である、請求項２に記載の受光装置。
4. 請求項３に記載の受光装置と、
   前記第１電源、及び前記第２電源の少なくとも一方を制御する制御部と、
   を備える、距離計測装置。
5. 前記制御部は、前記第１電源に対する電圧の変動幅を、前記第２電源に対する電圧の変動幅よりも大きくする、請求項４に記載の距離計測装置。
6. 前記制御部は、前記第１電源に対する電圧の変動幅を、前記第２電源に対する電圧の変動幅よりも小さくする、請求項４に記載の距離計測装置。
7. 前記第１電源は、複数の前記画素がそれぞれ有する前記光電変換素子に電圧を供給する、請求項５に記載の距離計測装置。
8. 前記制御部は、
   前記制御部は、前記測定状態における前記印可電圧の絶対値を前記非測定状態における前記印可電圧よりも大きくする、請求項５に記載の距離計測装置。
9. 前記制御部は、前記非測定状態における前記印可電圧の大きさを少なくとも２段階に変更する、請求項８に記載の距離計測装置。
10. 前記制御部は、前記非測定状態における前記光電変換素子に基づく出力信号の大きさに応じて、前記画素を前記測定状態にする、請求項７に記載の距離計測装置。
11. 前記制御部は、前記出力信号が所定値未満である場合に、前記画素を前記測定状態にする、請求項１０に記載の距離計測装置。
12. 前記制御部は、前記光電変換素子の温度に応じて、前記印可電圧の大きさを変更する、請求項１０に記載の距離計測装置。
13. 前記制御部は、前記光電変換素子の温度が上昇するにしたがい、前記印可電圧の大きさを大きくする、請求項１２に記載の距離計測装置。
14. レーザ光の照射方向を変更しながら計測対象物に照射する照射光学系と
    前記照射光学系が照射した前記レーザ光の反射光を受光する受光光学系と、を備え、
    前記受光装置は、前記受光光学系を介して受光した反射光を電気信号に変換する、請求項１３に記載の距離計測装置。
15. 前記光電変換素子は、アバランシェフォトダイオードである、請求項１４に記載の距離計測装置。

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