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JP7273565B2 - 受光装置及び距離測定装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、受光装置、受光方法及び距離測定装置に関する。
距離計測システムのLIDAR（Light Detection and Ranging）は、レーザを計測対象物に照射し、計測対象物から反射された反射光の強度をセンサで感知し、センサの出力に基づいて時系列のデジタル信号に変換する。この変換によりレーザが発光してからデジタル信号の信号値のピーク等までの時間差に基づいて、計測対象物の距離を計測する。
このLIDARの技術、特に、車載用LIDARにおいて、シリコンフォトマルチプライヤ（Silicon Photo Multiplier：以下SiPMと記載する）を利用する２次元配列センサの研究が行われている。しかしながら、従来の方法では、環境光によるノイズを広く取むこと、また、受光を受け付けるセンサの正確な同期が要求されること等から、SiPMを利用した高性能のLIDARを実現することは困難である。
特開２０１８－４４９２３号公報
一実施形態は、２次元配列センサの性能を向上させた受光装置及び距離測定装置を提供する。
一実施形態によれば、受光装置は、画素と、受光部と、受光領域と、を備える。画素は、１又は複数の受光素子を備える。受光部は、第１方向及び前記第１方向と交わる方向である第２方向にアレイ状に配置された複数の前記画素を備える。受光領域は、前記受光部に属する複数の連続した前記画素を備え、前記複数の連続した画素のそれぞれにおいて受光した光の強度に基づいて信号を出力する、前記第１方向における位置及び前記第２方向における位置を示す信号により前記受光部内における位置が変更される。
SiPMアレイを有する受光装置の受光部の模式的に示す図。 一実施形態に係る受光領域を示す図。 一実施形態に係る受光領域を示す図。 一実施形態に係る画素と信号線との接続を示す図。 一実施形態に係る画素と第１信号線との接続を示す図。 一実施形態に係る画素と第１信号線との接続を示す図。 一実施形態に係る画素と第１信号線との接続を示す図。 一実施形態に係る第１信号線と第２信号線との接続を示す図。 一実施形態に係る第１信号線と第２信号線との接続を示す図。 一実施形態に係る受光装置の画素と出力との関係を示す図。 一実施形態に係る受光装置の機能を示すブロック図。 一実施形態に係る第１スイッチを示す図。 一実施形態に係る画素と第１信号線との接続を示す図。 一実施形態に係る受光装置の受光部の別例を示す図。 一実施形態に係る受光装置の受光部の別例を示す図。 一実施形態に係る距離測定装置の機能を示すブロック図。 一実施形態に係る受光強度の一例を示す図。 一実施形態に係る受光強度の分布の一例を示す図。 一実施形態に係る受光装置の受光部の別例を示す図。 一実施形態に係る受光装置の画素の出力の一例を示す図。 一実施形態に係る受光装置の画素の出力の別例を示す図。
以下、図面を参照して実施形態について説明する。図面は、一例として示したものであり、本実施形態を限定するものではない。また、図面中の位置、寸法比等についても説明の簡単のために一例として示したものであり、特に記載の無い限り、正確な位置、正確な寸法比を示すものではない。説明において、例えば、位置を表すインデクスが小さい方を上流と呼び、信号が伝達される方向は、インデクスが小さい方から大きい方へ伝達する方向であるものとする。これらは一例として示すものであり、実装においては、一意的に信号が伝達される向きであれば、インデクスの大小が逆であっても構わない。
（第１実施形態）
図１は、受光装置１の受光部１０を示す模式図である。受光装置１は、受光センサとして、受光部１０を備える。受光部１０は、チャネル１２を備える。図１においては、２５個のチャネルが示されているがこれには限られず、受光部１０は、１チャネルから構成されてもよいし、２５チャネルよりも多いチャネルを備えていてもよい。すなわち、受光部１０は、１又は複数のチャネル１２を備える。
図１の右図は、チャネル１２部分の拡大図を示す。チャネル１２は、１又は複数のSPAD１４を備える。SPAD１４の数は、図１に示すものには限定されない。SPAD１４は、受光素子として、例えば、アバランシェフォトダイオード（APD：Avalanche Photodiode）、又は、単一光子アバランシェフォトダイオード（所謂SPAD：Single Photon Avalanche Diode）を備える。SPAD１４は、アバランシェ降伏により、フォトン単位での受光を検知し、電気信号へと変換して光を検出する。以下、本明細書においては、チャネルのことを画素と呼ぶ。一般に、SPADのことを画素（ピクセル）と呼ぶことがあるが、本明細書においては、当該呼び方はしないことに留意されたい。
受光装置１は、アレイ状に配置された画素１２うち、いずれの位置に配置された画素１２により受光がされたかにより、受光位置及び受光した光の強度を検出することができる。以下、説明においては、便宜上、図示している第１方向と、第１方向と交わる方向である第２方向を用いて説明する。説明において、上下とは、第１方向に沿った方向であり、左右とは、第２方向に沿った方向を示す。これらの方向は、画素１２をアレイ状に配置する場合に定義される相対的なものであり、入れ替えられてもよい。また、受光装置１の適性上、第１方向と第２方向は、垂直に交わることが望ましいが、厳密に垂直でなくてもよく、SPADの形状等に基づいて厳密には垂直ではない所定の角度で交わっていてもよい。また、画素１２、SPAD１４は、それぞれ正方形として図示されているがこれに限られるものではなく、他の形状、例えば、長方形であってもよい。
図２は、本実施形態に係る受光部１０における受光領域と、画素１２の配置の一例を示す図である。ここで、受光領域とは単に名称であり、必ずしもこの領域全てが光を受けていなくても構わない。画素１２の境界を点線で示し、受光領域１６の境界を実線で示す。本実施形態では、画素１２のそれぞれにおいて検知された光により位置を検出するのではなく、ある程度の範囲において検知された光に基づいて受光されたか否かを判断する。例えば、図２においては、受光領域１６は、３×４画素を有する矩形領域である。
第１方向における受光領域１６の画素数を第１所定数、第２方向における受光領域１６の画素数を第２所定数と記載する。このように、受光領域１６は、指定された受光する位置において所定範囲に配置される複数の連続した画素を有する領域である。例えば、図２において、第１所定数は３であり、第２所定数は４である。
位置の指定は、例えば、図２に斜線で示されるように、左上の画素の第１方向及び第２方向の座標を用いて行われる。例えば、第１方向にＭ番目、第２方向にＮ番目の画素であれば、それぞれの座標Ｍ、Ｎを用いて位置が示される。位置の示し方は、左上に限るものではなく、例えば、左下、右上、右下等であってもよいし、中心の画素の座標であってもよく、これ以外であっても一意的に位置が決定できる示し方であれば構わない。例えば、左上の位置Ｍ、Ｎが指定されると、その画素１２から第１方向に第１所定数、第２方向に第２所定数である矩形領域におけるそれぞれの画素１２において受光した光を信号に変換して出力される。この位置を指定することにより、受光部１０内の任意に指定された位置において受光されたか否かを検知する。
受光領域１６内におけるそれぞれの画素１２は、それぞれに受光強度を出力する。このように、それぞれの画素１２により受光された信号を結合するのではなく、それぞれの画素１２からの信号を別々に出力させる。光が受光領域全域に一様に照射されるのではなく、一部の画素のみに照射される場合、それぞれの画素１２からの信号を別々に出力することにより、光の照射された画素の信号だけを用いることが出来る。光の照射されなかった画素からのノイズを除去できるため、Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）がそれだけ高くなる。受光領域内の光の照射には偏りがあること、また、光の焦点を絞る結果この偏りは大きくなることから、別々に出力することにより、Ｓ／Ｎ比は改善される。一方で、受光領域１６内のそれぞれの画素１２の出力を受信したデバイス（例えば、プロセッサ）側でまとめることが可能であるので、受光領域１６をあたかも１つの画素のように扱うことが可能である。
図３は、受光領域の別の形態を示す図である。図３に示すように、受光領域は、１つである必要は無く、複数の受光領域１６Ａ、１６Ｂを備えていてもよい。この場合、各受光領域において座標により位置決めされる。受光領域１６Ａは、座標ＭＡ、ＮＡにより決定され、受光領域１６Ｂは、座標ＭＢ、ＮＢにより決定される。このように複数の受光領域を備えることにより、受光の対象となるレーザ等の発光デバイスが複数ある場合に、それぞれの発光デバイスに対する受光をそれぞれの受光領域を走査することにより取得することが可能となる。また、図３においては、受光領域１６Ａ、１６Ｂは、隔離された構成となっているが、これには限られず一部の画素を共有してもよい。
図４は、受光領域１６を実装するための画素１２に関する接続関係を示す図である。それぞれの画素１２には、出力経路として、第１所定数の第１信号線１００が接続される。受光領域１６が図２のように３×４の領域である場合には、図４に示すように、３本の信号線と接続される。第１方向に沿った画素１２のそれぞれは、同じ第１信号線１００に接続される。
それぞれの第１信号線１００は、第２方向に沿って備えられる第２信号線１４０と接続される。例えば、第２信号線１４０は、受光領域１６に存在する画素数と同じ本数、すなわち、（第１所定数）×（第２所定数）本が備えられる。上記の例では、３×４＝１２本の第２信号線１４０が備えられる。
画素１２からの信号線と第１信号線１００との交点、及び、第１信号線１００と第２信号線１４０との交点には、それぞれスイッチが備えられる。これらのスイッチによる信号線の切り替えにより、それぞれの画素１２からの信号を第１信号線１００及び第２信号線１４０を介して、それぞれ取得することが可能となる。
スイッチの切り替えには、位置を示す選択線が用いられる。画素１２からの信号線と第１信号線１００とのそれぞれの交点における第１スイッチには、第１選択線が接続され、第１信号線１００と第２信号線１４０とのそれぞれの交点における第２スイッチには、第２選択線が接続される。第１選択線及び第２選択線により上述した受光領域１６の第１方向の位置及び第２方向の位置がそれぞれ示され、受光領域１６が決定される。
スイッチは、例えば、MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor）を備えて構成されてもよい。この場合、スイッチの駆動端子は、ゲートであり、選択線には、選択された場合にゲート・ソース間のしきい値電圧を超える電圧が印加される。
各信号線と、スイッチ、及び、選択線について詳しく説明する。
図５は、画素１２と、第１信号線１００との接続の一例を示す図である。説明のため、１画素について、３本の信号線と接続する図を用いる。便宜上、第１信号線１００の符号を１０１、１０２、１０３として、第１スイッチ１１０の符号を１１１、１１２、１１３として、後述する第１ダミー線１３０の符号を１３１、１３２、１３３として、それぞれ複数の要素のうち１つを示すものとする。画素１２は、第１信号線１０１、１０２、１０３と、それぞれ第１スイッチ１１１、１１２、１１３を介して接続される。
画素１２は、第１スイッチ１１１を介して第１信号線１０１と接続される。オフ状態において、第１スイッチ１１１は、第１信号線１０１と接続されない状態である。第１スイッチ１１１は、その駆動させるための端子が選択信号を受信する第１選択線１２１と接続される。第１選択線１２１から画素１２と第１信号線１０１を選択する信号が入力されるとオン状態へと遷移して、第１スイッチ１１１が切り替わり、第１信号線１０１と、画素１２とを接続する。選択線に流される信号は、例えば、High又はLowの値を示す信号であり、スイッチの駆動状態を当該信号により決定する信号である。
オフ状態、すなわち、第１選択線１２１から第１信号線１０１への出力信号が入力されていない場合においては、例えば、第１スイッチ１１１を介して、画素１２は、第１ダミー線１３１と接続される。第１ダミー線１３１は、第１信号線と接続されない信号線であり、入力された信号を装置に影響が少なくなるように処理するデバイス等へと接続される。例えば、第１ダミー線１３１は、接地され、画素１２からの信号を接地面へと流してもよい。また、第１ダミー線１３１は、必須の構成ではなく、第１ダミー線１３１が第１スイッチ１１１に接続されない場合には、第１スイッチ１１１のオフ状態において、画素１２からの信号線が開放状態となるようにしてもよい。
同様に、画素１２は、第１選択線１２２からの信号により第１スイッチ１１２を介して第１信号線１０２又は第１ダミー線１３２のいずれかと接続され、第１選択線１２３からの信号により第１スイッチ１１３を介して第１信号線１０３又は第１ダミー線１３３のいずれかと接続される。画素１２は、第１信号線１０１、１０２、１０３のいずれか１本と接続するか、又は、いずれにも接続されないかの状態になる。
１つの画素１２についての接続は、図５に示す通りである。次に、第１方向に並んだ複数の画素１２についての接続について説明する。受光領域１６の位置は、上述したように、画素１２の位置を指定することにより行われる。指定された画素１２に基づいて、受光領域１６内のそれぞれの画素１２がいずれかの第１信号線と接続される。例えば、図２に示す受光領域１６内の左上の画素１２である位置Ｍ、Ｎが指定された場合について説明する。受光領域１６の位置は、領域内の左上の画素１２を指定するものとするが、他の場合であっても同様の構成をとり、動作させることが可能である。
図６は、いくつかの画素１２と、第１信号線１００との接続を示した図である。第１選択線１２０は、第２方向に沿って配置される画素１２に共通する。この図６においては、第１選択線１２０が実線で、第１スイッチ１１０、画素１２が点線で示されており、第１ダミー線１３０は図示されていない。以下、特に記載の無い場合、４桁の符号は、その上２桁が同じ符号で示される要素、例えば、１１ｘｘであれば第１スイッチ、１０ｘｘであれば第１信号線等を表す。
それぞれの第１スイッチ１１０には、いずれかの第１選択線１２０が接続される。第１スイッチ１１０は、接続される第１選択線１２０から入力される選択信号に基づいて、切り替えられる。この切り替えにより、第１方向に沿った第１信号線１００のうちいずれかへ画素１２からの信号が選択的に出力される。
第１方向位置Ｍを選択する第１選択線１２０は、例えば、第１方向位置Ｍにおける一番左の第１スイッチ１１００と、第１方向Ｍ＋１における左から二番目の第１スイッチ１１１０と、第１方向Ｍ＋２における左から三番目の第１スイッチ１１２０と、の選択信号入力端子（駆動端子）と接続される。このように、１つの第１選択線１２０は、第２方向位置Ｎにおける画素１２のうち、第１方向において第１所定数（例えば、３つ）の連続する画素１２（例えば、第１方向位置Ｍ、Ｍ＋１、Ｍ＋２の画素）について、それぞれ異なる第１信号線１００との接続を切り替えることが可能であるように備えられる。第１信号線１００は、３つの第１スイッチ１１０の駆動端子と接続した後、適切に信号が流れるように接続、例えば、抵抗を介して接地されてもよい。
第１方向位置Ｍに対応する第１選択線１２０は、第２方向位置Ｎ、Ｎ＋１、・・・、における第１方向位置Ｍの画素１２の出力を切り替える第１スイッチ１１０とそれぞれ接続される。このように、１つの信号線において選択信号を送信することにより、指定された第１方向位置に存在する画素１２が選択されるように、第１スイッチ１１０と接続される。
一例として、受光領域１６が左上の画素１２の位置により指定され、受光領域１６の第１方向の画素数が３、第２方向の画素数が３以上であるものとし、左上の画素１２の位置がＭ、Ｎである受光領域１６を指定する場合について説明する。すなわち、受光領域１６に含まれる画素が、位置Ｍ～Ｍ＋２、Ｎ～Ｎ＋ｎ（ｎ≧２）である場合について説明する。この場合、位置Ｍに対する第１方向における第１選択線１２０において、選択されたことを示す選択信号が入力される。
図７は、上記の場合における画素１２と第１信号線１００との接続状態を示す図である。第１方向位置Ｍの第１選択線１２０に選択信号を流す場合について説明する。図において、実線で示される画素１２が選択されアクティブになっている画素であり、実線で示される線がアクティブになっている導線を示す。
位置Ｍ、Ｎの画素１２は、第２方向位置Ｎに対応する第１信号線１０１０と第１スイッチ１１００を介して接続される。これは、第１選択線１２０から入力された選択信号が第１スイッチ１１００を駆動して、画素１２と第１信号線１０１０とが接続するためである。そして、当該位置の画素１２において受光され変換された信号が第１信号線１０１０に出力される。
位置Ｍ＋１、Ｎの画素１２は、第２方向位置Ｎに対応する第１信号線１０２０と第１スイッチ１１１０を介して接続される。当該位置の画素１２において受光され変換された信号が第１信号線１０２０に出力される。位置Ｍ＋２、Ｎの画素１２は、第２方向位置Ｎに対応する第１信号線１０３０と第１スイッチ１１２０を介して接続される。当該位置の画素１２において受光され変換された信号が第１信号線１０３０に出力される。
同様に、第２方向位置Ｎ＋１、Ｎ＋２、・・・に存在する、第１方向位置Ｍ、Ｍ＋１、Ｍ＋２に対応する画素１２は、それぞれの第２位置に対応する第１信号線１０１１、１０２１、１０３１、１０１２、１０２２、１０３２と、第１スイッチ１１０１、１１１１、１１２１、１１０２、１１１２、１１２２を介して接続される。このように、第１位置Ｍ、Ｍ＋１、Ｍ＋２の位置に存在する画素１２がそれぞれ一意的に第１信号線１００と接続され、それぞれの画素１２において受光した場合には、第１信号線１００を介して信号が出力される。
このように、それぞれの第１信号線１００には、第１方向において指定された位置に基づいていずれかの画素１２と接続され、当該画素１２が受光したタイミングにおいて信号が出力される。第２方向において隣接する画素１２同士の間に備えられた第１方向に沿った第１信号線１００と接続され、第２方向の位置を指定するのが第２信号線１４０である。図４に示すように、第２信号線１４０は、例えば、画素１２の配置領域外に、第２方向に沿って備えられる。
なお、図７における配線は、一例を示すものであり、この通りの配置に配線されている必要は無い。画素１２と、対応する第１信号線１００、第１スイッチ１１０及び第１選択線１２０の接続状態が同じ状態となるような配線であれば構わない。例えば、第１選択線１２０は、第１スイッチ１１０のそれぞれと接続するために階段状に配線されているが、これには限られず、接続される第１スイッチ１１０の駆動端子と接続するように第１方向及び第２方向に対して斜めに直線状に配線されてもよい。また、２次元空間で記載されているが、３次元方向にも展開されるものであってもよい。以下の図においても同様である。
図８は、第１信号線１００と、第２信号線１４０との接続を示す図である。図５と同様に、便宜上、第１信号線１００の符号を１０１、１０２、１０３として、第２信号線１４０の符号を１４１、１４２、１４３として、第２スイッチ１５０の符号を１５１、１５２、１５３として、第２選択線１６０の符号を１６１、１６２、１６３として、第２ダミー線１７０の符号を１７１、１７２、１７３として、それぞれ複数の要素のうち１つを示すものとする。
第１信号線１０１は、第２スイッチ１５１を介して第２信号線１４１と接続される。第２スイッチ１５１は、駆動端子に第２選択線１６１が接続される。第２選択線１６１から選択信号が入力されると、第２スイッチ１５１は、オフ状態からオン状態へと遷移し、第１信号線１０１と第２信号線１４１とを接続する。この状態において第１信号線１０１に信号が流れると、第２信号線１４１にも信号が出力される。第１信号線１０２と第２信号線１４２、及び、第１信号線１０３と第２信号線１４３についても同様に、それぞれ第２スイッチ１５２、１５３を介して接続が切り替えられる。第２スイッチ１５２、１５３には、それらの駆動端子に、それぞれ第２選択線１６２、１６３が接続される。
同一の第２方向位置に属する第１信号線１００に接続されるそれぞれの第２信号線１４１、１４２、１４３においては、第２スイッチ１５１、１５２、１５３に接続される第２選択線１６１、１６２、１６３は、電気的に接続されている、あるいは、同一の第２選択線１６０であってもよい。
図９は、第１信号線１００と第２信号線１４０との接続を示す図であり、特に、第２スイッチ１５０と第２選択線１６０の接続を詳しく示す図である。第１信号線１００と第２信号線１４０とは、例えば、１つの第２選択線１６０を介して、それぞれの第２信号線１４０が１つの第１信号線１００と接続されるように備えられる。
例えば、実線で示されている信号線が第２方向位置Ｎを示す選択線である場合を説明する。第２方向位置Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋２、Ｎ＋３に対応する第１信号線１００と、それぞれの第２信号線１４０とが一意的に接続する第２スイッチ１５０の駆動部と、第２選択線１６０は、接続される。このように接続することにより、第１方向及び第２方向に並ぶ画素１２のそれぞれの出力する信号が、第２信号線１４０へと出力される。
図１０は、第１選択線１２０と第２選択線１６０により位置Ｍ、Ｎの画素１２が指定された場合に、それぞれの第２信号線１４０においてどの画素１２の出力がされるかを表す一例を示す。すなわち、図６における第１選択線１２０においてＭの画素を選択し、図９における第２選択線１６０においてＮの画素を選択するものである。本図においては、選択線、ダミー線の図示は省略する。
第１所定数を３、第２所定数を４として、Ｍ、Ｎの位置の画素１２を受光領域１６の左上の画素として指定した場合、斜線で示した画素１２からの信号を出力する。この場合、第１方向の位置Ｍ、Ｍ＋１、Ｍ＋２、かつ、第２方向の位置Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋２、Ｎ＋３に位置する画素１２からの信号を受光領域１６の信号として出力する。
第１スイッチ１１０及び第２スイッチ１５０は、白丸又は黒丸で示される。白丸で示されるスイッチは、オフとなっているスイッチであり、例えば、ダミー線と接続されるスイッチである。黒丸で示されるスイッチは、駆動部から選択線を介して選択信号が駆動信号として印加され、オンとなっているスイッチである。すなわち、黒丸で示すスイッチにおいて、画素１２からの出力と第１信号線１００、又は、第１信号線１００と第２信号線１４０がそれぞれ接続される。
位置Ｍ、Ｎの画素１２は、第１スイッチ１１０を介して接続されうる第１信号線１００のうち、例えば、一番左の信号線と接続される。この第１信号線１００は、図示している第２スイッチ１５０のうち、左上の第２スイッチ１５０を介して一番上の第２信号線１４０と接続される。そして、この一番上の第２信号線１４０を介して受光した情報を受信する回路（又はデバイス）と接続され、この第２信号線１４０を介して画素１２が受光した光の情報を出力する。
位置Ｍ＋１、Ｎの画素１２は、第１スイッチ１１０を介して左から２番目の第１信号線１００と接続される。この第１信号線１００は、第２スイッチ１５０を介して上から２番目の第２信号線１４０と接続される。位置Ｍ、Ｎ＋１の画素１２は、対応する第１信号線１００のうち一番左の信号線と第１スイッチ１１０を介して接続される。この第１信号線１００は、第２スイッチ１５０を介して上から４番目の第２信号線１４０と接続される。
図１０の右下に示すのは、それぞれの第２信号線１４０からいずれの位置にある画素１２からの信号を出力するかである。このように、受光領域１６を示す画素１２の位置が選択されると、当該受光領域１６に属するそれぞれの画素１２に対する信号が一意的に第２信号線１４０を介して出力される。
なお、画素１２と接続される第１信号線１００、及び、第１信号線１００と接続される第２信号線１４０の並び順は、一例として示したものであり、必ずしもこの通りに並んでいるとは限らない。第２信号線１４０から受光領域１６に属する画素１２の出力がそれぞれ一意的に出力されるのであれば、どのような順番であっても構わない。
また、受光領域１６の大きさ、すなわち、第１所定数と第２所定数を、計測したい粒度に応じて変更できるようにしてもよい。この場合、第２方向に沿った画素１２間には、第１所定数の最大数の第１信号線１００が備えられ、（第１所定数の最大値）×（第２所定数の最大値）本の第２信号線１４０がそれぞれの第１信号線１００と第２スイッチ１５０を介して接続されるように備えられる。第１選択線１２０は、上述の第１信号線１００と画素１２との接続の場合と同様に備えられる。第２スイッチ１５０及び第２選択線１６０についても同様である。
図１１は、受光装置１の回路構成（又はデバイス構成）を示す図である。受光装置１は、上述した受光部１０と、領域指定部２０と、信号処理部２２とを備える。これらの各部は、上述した構成を含め、その一部又は全部が処理回路により構成されていてもよい。信号処理部２２は、また、受光装置から独立した装置であってもよい。
領域指定部２０は、受光領域１６の指定をする。受光領域１６の指定は、例えば、定められたアルゴリズム（例えば、正弦振動）とパラメタに基づいて、領域指定部２０により実行される。また、別の例では、外部から入力された位置情報又は同期情報に基づいて、受光領域１６の指定を実行する。領域の指定は、第１方向における位置及び第２方向における位置に基づいて実行される。指定する第１方向の位置に対応する第１選択線１２０及び指定する第２方向の位置に対応する第２選択線１６０にそれぞれ、領域指定部２０は、各スイッチを駆動するための電圧、又は、電流等を印加する。この領域指定部２０により電圧等が印加された選択線により、受光部１０における上述した動作が駆動される。
信号処理部２２は、受光部１０における各第２信号線１４０からの出力信号を処理する。例えば、その出力信号をAD変換し、その信号がpeakを取る時刻をもって受光されたと判断する。また、別の例では、複数の出力信号のAD変換結果を積算（平均化）し、そのpeak時刻をもって受光されたと判断する。さらに別の例としては、複数の第２信号線１４０から出力された信号の和が第１しきい値を超えた場合に、受光領域１６において受光がされたと判断する。またさらに別の例としては、第２しきい値を超える信号を出力する第２信号線の数が第３しきい値を超えた場合に、受光領域１６において受光がされたと判断してもよい。さらに別の例として、第２方向Ｎにおける第１方向Ｍ、Ｍ＋１、・・・に対応する第２信号線１４０からの出力の和を第４しきい値と比較して、判断してもよい。
信号処理部２２は、受光領域１６において受光された時刻と、受光信号の強さ、および環境光の強さを出力する。受光領域にSAT（Smart Accumulation Technique）という技術を適用すれば、注目する画素（当該画素）について、その周囲の画素の信号のうち、当該画素の対象からの信号のみを積算することが出来る。従って、Ｓ／Ｎを高めて、個々の画素について結果を出力することが出来る。また、別の例として、受光領域１６内の複数の画素１２において検知した受光強度を補間して、受光領域全体のpeak値と強度分布を求めて出力してもよい。上記と同様に、第１方向に沿った画素１２の第１所定数ごとに、第２所定数分の受光強度を出力してもよい。
LIDARで利用する場合には、例えば、受光領域１６を発光装置（例えば、レーザ）の動きと同期するようにさせることにより、受光するタイミングを測定することにより、反射物への距離の測定を行うことが可能である。前述のように、本実施形態によれば、所定の広がりを有する領域を受光領域１６として設定し、当該受光領域１６の位置を指定して、対応する画素１２を選択することにより、ある程度の広がりを有する領域において受光をすることが可能となる。従って、ある程度の範囲でもって測定を行うので、厳密に同期を取る必要は無く、比較的緩い同期であってもLIDARによる距離測定を行うことが可能である。同様に、ある程度の範囲において測定をしているので、受光位置の位置ずれにもロバスト性を有する。さらに、画素間において受光がされた場合においても、検出することが可能である。
また、例えば、LIDARの受光装置として用いる場合、受光光学系の焦点を無限遠とした場合に、近距離物体から反射光はデフォーカスし、広いエリアに照射されるが、このように光量に大きな差が現れる場合においても精度よく受光を検知することが可能となる。また、光量が特に大きい場合には、センサが飽和したり、長時間残留出力が残ったりすることがあるが、このように所定の広がりを有して計測する場合にも、それ以外の周辺の画素である光量の小さい領域で計測することができる。また、非同軸の光学系を適用する場合が多いが、その場合には、距離に応じて照射位置が異なる。特に、反射物体が近い場合には受光位置のずれが起こりやすいが、広がりを持って検出しているため、このような場合においても精度よく計測することができる。このように、受光装置１の受光の精度の向上を図ることが可能となる。
図３に示すように複数個の受光領域を備えることにより、複数のレーザ光における反射を検出することができる。複数の発光デバイスを用いることにより、レーザのパワーを増大することができ、また、測定回数を増やすことが可能となる。この結果、距離や解像度の増大を図ることができる。さらに、マルチスタックの発光デバイスを用いること、特に、スタックの間隔の大きいものを活用することもできる。
また、この実施例においては、図４から図１０までに記した、スイッチ１１０による画素１２と第１信号線１００の接続、および、スイッチ１５０による第１信号線１００と第２信号線１４０の接続により、受光領域１６内における相対位置と出力の順序は、第１方向位置Ｍと第２方向位置Ｎの値によらず変わらない。例えば、図１０に示した通り、受光領域１６内の左上に位置する画素が最も上に出力される。その順序は、（Ｍ，Ｎ）について昇順になる。この特徴により、信号処理部２２および、その後段の回路は、第１方向位置Ｍと第２方向位置Ｎだけから、第２信号線１４０における出力された個々の信号が、どの画素１２からの出力信号であるかを特定できる。この特定に要する処理を省くことにより、信号処理部２２および、その後段の回路をそれだけ簡単にすることが可能になる。
（第２実施形態）
図１２は、前述した実施形態における第１スイッチ１１０の別の例を示す図である。第１スイッチ１１０は、例えば、トランジスタ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｄと、論理否定回路１１０Ｃと、論理和回路１１０Ｅと、を備える。それぞれのトランジスタは、例えば、ゲートにしきい値以上の電圧を印加するとドレインからソースへと電流を流すｎ型のMOSFETを備えて構成される。
最も単純な前述の実施形態においては、上記の回路素子のうち、トランジスタ１１０Ａを備える。この場合、トランジスタ１１０Ａのドレインは、画素１２と接続され、ゲートは、第１選択線１２０と接続され、ソースは、第１信号線１００と接続される。
前述の実施形態においてダミー線を有する場合には、上記の回路素子のうち、トランジスタ１１０Ａ、１１０Ｂと、論理否定回路１１０Ｃを備える。この場合、トランジスタ１１０Ａの接続は、上記と同様である。一方、トランジスタ１１０Ｂのドレインは、画素１２と接続され、ゲートは、論理否定回路１１０Ｃを介して第１選択線１２０と接続され、ソースは、第１ダミー線１３０と接続される。この場合、第１選択線１２０において選択されている信号が印加されていない場合には、トランジスタ１１０Ａが駆動せずにトランジスタ１１０Ｂが駆動し、第１ダミー線１３０へと画素１２からの信号が出力される。逆に、第１選択線１２０において選択されている信号が印加されている場合には、トランジスタ１１０Ｂが駆動せずにトランジスタ１１０Ａが駆動し、第１信号線１００へと画素１２からの信号が出力される。
本実施形態においては、ダミー線を有する場合に加え、さらに、トランジスタ１１０Ｄと、論理和回路１１０Ｅと、を備える。また、第１スイッチ１１０には、当該スイッチよりも上流の第１スイッチ１１０において当該スイッチに対応する画素からの信号を出力したか否かを示す信号が流れる、第１フラグ線１８０が接続される。フラグ線に流れる信号は、例えば、選択線と同様にHigh又はLowを示す信号であってもよい。この場合、第１フラグ線１８０には、最上流においてLowの信号が印加される。
全ての第１スイッチ１１０が図１２の構成ではなく、一部の第１スイッチ１１０のみを当該構成とし、他の第１スイッチ１１０については、前述の実施形態に記載の構成に論理和回路１１０Ｅを加えた構成としてもよい。トランジスタ１１０Ｄは、ドレインが第１信号線１００と接続され、ゲートが第１フラグ線１８０と接続され、ソースが第１信号線及びトランジスタ１１０Ａと接続される。
第１選択線１２０において、画素１２からの信号を第１信号線１００へと出力する電圧が印加されていない場合、トランジスタ１１０Ａは、オフに、トランジスタ１１０Ｂは、オンの状態となり、第１信号線１００には画素１２からの信号が出力されず、第１ダミー線１３０へと画素１２からの信号が出力される。この画素１２からの信号は、第１ダミー線１３０へと出力され、受光領域１６における出力とはならないように処理される。
この場合、第１フラグ線１８０には、論理和回路１１０Ｅを介して、上流からきた信号と同じ信号が下流へと出力される。すなわち、上流においていずれかの第１選択線にHighの信号が印加された場合には、当該信号が印加された画素に対応する第１スイッチより上流にあるトランジスタ１１０Ｄに対応するトランジスタがオフとなり、当該信号が印加された画素に対応する第１スイッチ以下の直近の下流にあるトランジスタ１１０Ｄに対応するトランジスタがオンとなる。この結果、選択された画素以下において第１信号線１００と第２信号線１４０とが第２スイッチ１５０を介して接続される状態となる。
一方で、第１選択線１２０に画素１２からの信号を第１信号線１００へと出力する電圧が印加されている場合、トランジスタ１１０Ａは、オンに、トランジスタ１１０Ｂは、オフの状態となる。第１信号線１００には、画素１２からの信号が出力され、第１ダミー線１３０には、画素１２からの信号が出力されない。そして、画素１２からの信号は、第１信号線１００へと出力され、第２スイッチ１５０を介して第２信号線１４０へと出力される。
この場合、上流において、対応する第１選択線１２０における選択信号は、印加されておらず、同一の第１信号線１００には画素からの信号が出力されておらず、かつ、第１フラグ線１８０には、信号が出力されていない、又は、Lowの信号が流れている。このため、トランジスタ１１０Ｄは、ゲートにしきい値電圧よりも低い電圧が印加されていることとなり、オフ状態となる。すなわち、第１信号線１００は、この画素１２よりも上流においては電気的に遮断された状態となる。
一方で、下流に対しては、第１フラグ線１８０は、論理和回路１１０Ｅを介して第１選択線１２０と上流の第１フラグ線１８０とが論理和された結果が出力されるので、第１フラグ線１８０にはHighの信号が出力される。この結果、下流においては、この画素１２から出力された信号が出力されることとなる。
以上のように、本実施形態によっても、所定の広がりを有する領域を受光領域１６として設定し、当該受光領域１６の位置を指定して、対応する画素１２を選択することにより、ある程度の広がりを有する領域において受光をすることが可能となる。画素１２が、スイッチがオフ状態の場合において、スイッチを介してダミー線と接続されるため、選択されていない領域に属する画素１２において受けた環境光（ノイズ）が出力に伝達されず、Ｓ／Ｎを改善することが可能である。また、大光量が照射された場合に、選択された領域以外からのキャリアが出力へと流れることを抑制することができ、画素の出力が飽和している期間を短くできるなど、飽和状態を緩和することが可能である。さらに、トランジスタ１１０Ｄにより、上流からの信号を第１信号線１００に伝達するか否かを決定できるので、信号線の寄生容量を低減することが出来、その結果、画素１２からの出力帯域が悪化することを抑制することが可能となる。
なお、第１方向のみにフラグ線が存在するものとしたが、これには限られない。例えば、第２フラグ線をそれぞれの第２信号線１４０に沿って備え、第２スイッチ１５０のうち一部又は全部を図１２と同様に第２フラグ線と接続されるようにしてもよい。
（第３実施形態）
前述の実施形態においては、第２方向に沿って隣り合う画素１２同士のそれぞれの間において第１信号線１００を備えるものとしたが、これには限られない。
図１３は、画素１２と、第１信号線１００との接続の別例を示す図である。図１３に示すように、第２方向に沿って隣り合う画素１２において、第１信号線１００を共有してもよい。共有することにより、第２方向に沿って隣り合う画素１２において受光される場合に、その受光感度を向上させることが可能となる。
この場合、第１信号線１００及び第２信号線１４０の本数を削減することが可能となる。すなわち、上記の受光感度の向上とともに、実装面積の削減をすることも可能となる。また、配線自体を減らすことにより、不具合の発生確率を抑制することもできる。
（第４実施形態）
第４実施形態においては、受光領域１６のズレを修正するために、前述の第１～第３実施形態に係る受光装置１のように、受光領域１６の位置に拘わらず、受光領域１６内の画素位置と出力順序の関係が一意に保たれていることが重要であった。具体的には、３×４の受光領域の場合、出力順序は、図１０に示された通り（Ｍ，Ｎ→Ｍ＋１，Ｎ→Ｍ＋２，Ｎ→・・・）となる。本実施形態においては、この順序を保ちつつもより配線容量を削減し、受光部の面積を削減する受光装置１について説明する。
図１４は、本実施形態に係る受光部１０からの出力を示す図である。受光部１０は、受光領域１６からの信号を出力するために、受光部１０から出力された信号の順序を整列するスイッチ回路１８を介して信号処理回路と接続される。スイッチ回路１８は、前述の各実施形態で示した各スイッチ及び各信号線においてＭ、Ｎが決定されると自動的に整列されていた代わりに、条件に基づいて受光領域１６内の各画素１２からの出力を整列する。
なお、スイッチ回路１８は、信号処理と一体化していてもよく、信号処理の一部あるいは全部の回路より後段に位置してもよい。信号処理は、先に記した様に、アンプの様なアナログ回路、AD変換器と、SATの様な積算などのロジック回路からなることが有るが、その場合、AD変換器と前記ロジック回路の間に位置させても良い。そうすることにより、スイッチ回路による、アナログ信号の劣化が発生せず、正しい出力順序あるいは画素位置情報を必要とするロジック処理が可能になるからである。
受光領域１６内の画素位置と出力順序の関係を一意に維持せず、スイッチ回路１８を受光部１０と信号処理の間に追加し、スイッチ回路１８で出力順序を受光領域１６内における一意のものに変更する。受光領域１６の位置を示すＮとＭの信号をスイッチ回路１８も受信し、ＭとＮに基づいて、スイッチを繋ぎ変えて、出力順序を決定する。スイッチ回路１８は、ロジックのみ及びテーブルに基づくものの何れかであってもよい。スイッチ回路１８の入力線数は、出力線数と同じ場合と、それより多い場合の２通りがある。スイッチ回路は、後述する様なアルゴリズムに基づく論理回路、あるいはテーブルドリブンの回路にて実現する。後者は、Ｍ、Ｎ、および出力信号の順序と、受光領域内の相対位置の対応を記したテーブルを使用する。
受光部１０内の画素１２は、それぞれに対応する画素スイッチ間信号線１９０を介してスイッチ回路１８と接続される。受光領域１６に属する画素１２からの信号を受信したスイッチ回路１８は、例えば、受光領域１６内において図１４の右下に示される順序に基づいて、画素１２からの信号をそれぞれの出力線１９２へと出力する。例えば、画素における当該順序の番号をｘとすると、受光領域１６内でｘの位置に対応する画素は、出力線１９２＿ｘを介して出力される。出力線１９２＿ｘの受信側において、このｎに対応して信号処理を行うことにより、前述の実施形態で示したような位置ズレ等の較正、又は、その他の受光領域１６内における位置に基づいた処理を行う。このように、受光領域１６内における相対的な位置に関する順序を変更せずに、信号処理を実行することが可能となる。
図１５は、図１４の受光部１０をより詳しく示す図である。受光部は、第１方向の画素数と同じ数の、第１選択線１２０と、第２方向の画素数と同じ数の、第２選択線１６０を有する。第１方向の位置Ｎと第２方向の位置Ｍに基づいて、第１選択線１２０と第２選択線１６０の一部がオンとなり、その他がオフになる。右側に示した画素周りの拡大図が示すように、画素に対応する、第１選択線１２０と第２選択線１６０が両方ともオンの場合に、ＡＮＤ回路を介して対応するスイッチがオンとなり、その画素の信号が所定の画素スイッチ間信号線１９０に当該スイッチを介して接続される。スイッチについては、図１２と同じものが適用可能であり、接続されなかった画素の信号は、ダミー線（図１２の１３０）に接続される。このように、受光領域１６に属する画素１２に対して、第１選択線１２０及び第２選択線１６０に印加されている信号に基づいて、画素１２からの信号を出力する制御を行う。
本実施形態では、ＮとＭの値に拘わらず、それぞれの画素１２は、受光部１０の所定の出力線に出力される。従って、信号処理のためには、出力順序を一定に保つ様に、スイッチ回路１８を追加してスイッチ回路で並び替えをする必要がある。しかし、受光部１０に存在する画素スイッチ間信号線は、第１選択線１２０、第２選択線１６０と画素スイッチ間信号線１９０となり、その本数は各段に少なくなり、その配線容量も小さくなる。また、受光部におけるスイッチ回路の総数も、第１の実施形態と比べて少なくなる。受光部においては、そのセンサの面積比率が感度を左右するが、信号線とスイッチ回路が少なくなることにより、センサの面積比率が大きくなり、感度が向上する。
画素１２と画素スイッチ間信号線１９０との対応は、例えば、画素１２の受光部１０における第１方向の位置をｍ、第２方向の位置をｎとした場合に、ｍの第１所定数による剰余、及び、ｎの第２所定数による剰余に基づいて決定されてもよい。受光領域１６が指定された場合に、当該領域内における画素が同一の画素スイッチ間信号線１９０に接続されないように画素と画素スイッチ間信号線１９０とが接続されればよい。
第１所定数が３、第２所定数が４である場合には、例えば、ｍの第１所定数の剰余がａ、ｎの第２所定数の剰余がｂの画素を（ａ，ｂ）と表すとき、（０，０）が、第１の画素スイッチ間信号線１９０＿１と、（０，１）が第２の画素スイッチ間信号線１９０＿２と、・・・、（１，０）が第５の画素スイッチ間信号線１９０＿５と、・・・、（２，３）が第１２の画素スイッチ間信号線１９０＿１２と、それぞれ接続する。
これに対して、スイッチ回路１８においては、例えば、ロジックで順序づけする場合には、受光部１０内における受光領域１６の位置を示すＭ、Ｎについて、それぞれ、第１所定数、第２所定数の剰余に基づいて、各画素からの出力を整列する。例えば、Ｍの３の剰余がＡ、Ｎの４の剰余がＢであれば、Ｘ＝（１＋（Ａ×第２所定数）＋Ｂ）とする第Ｘの画素スイッチ間信号線１９０＿Ｘを出力線１９２＿１と接続し、第Ｘ＋１の画素スイッチ間信号線１９０＿（Ｘ＋１）を、出力線１９２＿２と、接続する。以下、同様に、Ｘの値に基づいて画素スイッチ間信号線と出力線とを接続する。なお、画素スイッチ間信号線及び出力線を示す番号（Ｘ、Ｘ＋１等）が１２を超える場合には、適宜１からサイクリックに数えた番号のものと接続する。
なお、画素スイッチ間信号線１９０は、受光領域１６に属する画素数よりも多くてもよい。この場合、剰余に関しては、当該画素スイッチ間信号線１９０の数に基づいて変更される。また、上述したように、剰余によるものではなく、例えば、Ｍ、Ｎが入力された上で、接続関係を示すテーブルに基づいてスイッチを切り替えてもよい。剰余を用いることは、あくまでも一例であり、スイッチ回路１８は、順序を調整するものであればどのような回路であってもよい。また、順序は、図に示したものではなく、例えば、下記に示す実施形態において位置の調整等のために、受光位置の対応付けができるものであればよい。
以上のように、本実施形態によっても前述の各実施形態と同様に受光領域１６を設定することによりある程度の広がりを有する領域において受光をすることが可能となる。さらに、受光領域１６において相対的にどこに位置する画素からの出力かを把握することが可能であるので、中間の信号線の数を削減して配線容量をより小さく、かつ受光部の面積を小さくしつつも、受光領域１６内における画素の順序を維持しつつ出力をすることが可能となる。
（第５実施形態）
前述した実施形態に係る受光装置１は、LIDARに用いられてもよい。通常のLIDARに備えられる場合、発光部と、距離測定部を備えた距離測定装置において、前述の受光装置１が備えられ、発光部が発した光を受光した受光装置１からの出力に基づいて距離の測定が行われる。本実施形態は、さらに、受光位置、すなわち、受光領域１６にズレが生じた場合に、受光領域の出力に基づいて、特に、複数の出力の出力分布に基づいて、受光領域１６の位置を補正する受光装置１又は距離測定装置に関する。
図１６は、本実施形態における距離測定装置（LIDAR）に受光装置１が実装された状態のブロック図の一例を示す。距離測定装置３は、受光位置補正部２４をさらに備える受光装置１に加え、発光部３０と、距離測定部３２と、を少なくとも備える。
発光部３０は、少なくともレーザ（例えば、LD：Laser Diode）等の発光デバイスを備える。また、発光デバイスを走査させるためのデバイスを備える。また、発光デバイスの向きを計測するセンサ、当該向きに関する情報を出力する出力デバイス等のデバイス（又は回路）が備えられていてもよい。本実施形態においては、発光部３０は、対象に発光するとともに、発光デバイスの計測開始のタイミング及び計測開始のタイミングにおける向きを領域指定部２０へと出力するデバイスを備えていてもよい。
領域指定部２０は、例えば、定められたアルゴリズム（例えば、正弦振動）とパラメタに基づいて、前述の実施形態において説明した受光領域１６に対応する画素１２の位置により受光部１０へと受光領域１６を通知する。受光領域１６は、図１及び図２に示すように、受光部１０に属する画素１２のうち、所定の領域のことである。受光部１０は、通知された位置に基づいて受光領域１６内に存在する画素１２からの出力を信号処理部２２へと出力する。信号処理部２２は、画素１２からの信号を処理して距離測定部３２及び受光位置補正部２４へと出力する。本実施形態においては、例えば、信号処理部２２は、第１方向に沿って連続する受光領域１６内の画素１２について、距離測定部３２へと受光した結果を出力し、併せて、その信号強度の和を受光位置補正部２４へと出力する。
受光位置補正部２４は、信号処理部２２から出力された情報に基づいて、受光領域１６の位置を補正する情報を決定する。この実施例では、受光領域１６において受光された強度の分布に基づいて受光領域１６の位置を補正する。補正情報は、領域指定部２０又は受光部１０へと出力され、受光装置１における受光領域１６の位置の補正に用いられる。補正情報は、例えば、領域指定部２０が定められたアルゴリズムとパラメタに基づいた情報に対して、補正情報に基づいて補正をして受光領域１６として選択する位置を第１選択線１２０及び第２選択線１６０において選択してもよいし、受光部１０において、領域指定部２０から通知された情報に基づいて選択する信号の位置をずらして選択してもよい。この補正についての詳細は、後述する。
距離測定部３２は、信号処理部２２において変換された信号を受信し、対象までの距離を測定する。対象までの距離は、発光部３０から発光された時刻と、受光部１０において受光された時刻とに基づいて決定される。この時間の決定は、距離測定部３２が、発光部３０の発光したタイミング、及び、信号処理部２２を介して受光部１０が受光したタイミングを受信して計測した結果に基づいてもよいし、発光部３０が受光装置１へと発光タイミングを通知し、受光装置１において受光部１０が受光したタイミングに基づいて、計測された時間を距離測定部３２へと通知してもよい。
距離測定部３２は、発光及び受光したタイミングと、光速に基づいて対象までの距離を計測して外部へ出力する。
前述で説明した受光部１０の受光領域１６を設定することにより、発光部３０から発せられた光が広がりを有する場合について、受光することが可能であるが、受光部１０等の温度変化や経年劣化等により、受光のタイミングがずれる場合がある。本実施形態では、このズレを計測し、自動的に受光領域１６の位置の補正をする受光装置１について説明する。
図１６においては、受光位置補正部２４は、受光装置１の内部に示されているが、これには限られず、受光装置１に備えられていてもよい。すなわち、受光装置１内で自動的に受光領域１６のキャリブレーションを行ってもよいし、受光装置１外において情報を取得してキャリブレーションを行ってもよい。受光装置１外において補正情報を取得する場合には、当該補正情報を通知された受光装置１で補正をしてもよいし、受光装置１外から補正命令を通知して受光装置１における情報を補正してもよいし、あるいは、発光部３０から領域指定部２０への情報の通知を補正したものとして実質的に受光領域１６の位置を補正してもよい。また、受光位置補正部２４は、距離測定部３２に備えられ、距離測定とともに受光位置の補正をしてもよい。受光装置１以外の距離測定装置３との情報の伝達において、時間が掛かることがあるので、より望ましくは、図１６に示されるように、受光装置１において受光位置補正部２４が備えられる構成である。
図１７は、受光領域１６における受光強度の一例を示す図である。この図１７において、受光領域１６内の画素を示す色の濃さは、受光強度を示し、色が明るいほど受光強度が大きく、色が暗いほど受光強度が小さいことを示す。受光領域１６は、第１所定値が３、第２所定値が５である３×５の領域で示している。受光領域１６において、例えば、受光された強度が図に示すように第２位置により異なっているものとする。
図１８は、図１７の第２方向位置と受光強度との関係を示す図である。これは、例えば、遠方からの反射光を画素２つ分の幅に光がフォーカスされるようにした受光光学系設計に基づく。その設計の結果、２～３画素に遠方からの反射光が集光され、その周囲にも弱く光が当たる光の拡がりが観測される。
なお、説明のために第２方向のみに拡がっていることを示しているが、これには限られず、第１方向にも拡がっていてもよい。以下の説明は、第２方向の広がりのみについての計測及び補正について説明するが、これは、第１方向についても同様に行うことが可能である。すなわち、第１方向又は第２方向のいずれかの方向である補正方向において、受光強度からズレを推定し、補正する。第１方向又は第２方向のいずれかではなく、双方においてズレを補正してもよく、この場合、補正方向は、それぞれの補正の向きに基づいて、第１方向又は第２方向として考慮してズレの補正を実行する。
発光部３０において発光素子が第２方向に対して単振動をして走査されている場合、例えば、受光部１０において発光部３０が発した光が到達する位置は、以下の式により求められる。
Figure 0007273565000001
一方、実際に受光領域１６において受光された光の強度について出力された信号処理部２２において、第１方向に連続する画素１２からの出力の和を、それぞれ図１７に示すように、２１０Ａ、２１０Ｂ、・・・、２１０Ｅとおく。図１７の場合、受光した強度分布は、２１０Ａ＜２１０Ｂ＜２１０Ｃ＜２１０Ｄ＞２１０Ｅとなる。当該受光領域１６においては、受光領域１６が左にずれており、その領域を右側へずらすことにより、より精度よく受光されることが推定される。上記のように、受光領域１６中の全ての第１方向に沿って和を取った強度２１０Ａ、２１０Ｂ、・・・について大小関係を求めてもよいし、単純に、２１０Ａと２１０Ｅ（受光領域１６の両端における和）を比較して、２１０Ａ＞２１０Ｂなら左へ、２１０Ａ＜２１０Ｅなら右へずれているとしてもよい。
［数１］において、ａ、ω又はφの値を変更することにより受光領域１６の位置を補正することが可能である。例えば、受光領域１６の位置がＮの小さい方から大きい方へと移動している場合について考える。この場合、単純にφを大きくして位相をずらすことにより、受光領域１６を右側へずらすことが可能である。第２方向の位置Ｎが受光部１０の中心から右側である場合には、例えば、振幅ａを大きくする、又は、振動数ωを大きくすることにより、受光領域１６を右側へずらすことが可能である。逆に、第２方向の位置Ｎが中心から左側である場合には、例えば、振幅ａを小さくする、又は、振動数ωを小さくすることにより、受光領域１６を右側へずらすことが可能である。このように、次の受光タイミングにおいてより望ましい結果が得られるように、受光領域１６の位置を補正することができる。
受光領域１６の位置がＮの大きい方から小さい方へと移動している場合には、例えば、上記の逆となるように補正を行う。また、さらに単純に、いずれの場合においても、領域指定部２０が、選択する領域について、第２方向の位置を、例えば、現在の値に対して＋α（α≧１）することにより、受光領域１６を右側へ動かしてもよい。
このαの値は、受光領域１６において受光された強度分布に基づいて算出されてもよいし、所定の値、例えば、α＝１等としてもよい。最も単純には、受光領域１６が左にずれている場合には、第２方向の受光位置を＋１とし、受光領域１６が右側にずれている場合には、第２方向の受光位置を－１とする。
αの値を可変とする場合、例えば、以下のようにαを求める。図１８のような強度分布になる場合、実線で示されるような上に凸の曲線を求めて分布の中央からαを推定する。また、FIR相関フィルタ等を用いて実線の曲線にフィットさせた破線の直線を求め、分布の中央を求め、αを推定してもよい。このように強度分布に基づいて推定されたαにより受光領域１６の位置を補正する。
また、対象に照射して反射された光の強度を取得して補正を行う場合、反射の対象となる物体により、反射強度にムラがでる場合がある。このような場合に対処するべく、例えば、複数回の受光データを取得し、受光領域１６内における位置における受光強度の平均値等の統計量を用いて、受光領域１６内における強度分布を取得し、このように取得された強度分布に基づいて、位置ズレ量αを推定する。これにより、対象となる物体における反射ムラ等の意図しない偏りを排除した安定した画素走査が可能となる。
別の例として、上記では、２１０Ａ、・・・の一つの第１方向に沿った和を対象としたが、これには限られず、例えば、２１０ＡＣ＝２１０Ａ＋２１０Ｂ＋２１０Ｃ、２１０ＢＤ＝２１０Ｂ＋２１０Ｃ＋２１０Ｄ、２１０ＣＥ＝２１０Ｃ＋２１０Ｄ＋２１０Ｅとして、相当数の（例えば、1フレーム分の）計測を行ってその合計値を求め、２１０ＡＣ、２１０ＢＤ、２１０ＣＥの合計値の大小を比較して、補正をしてもよい。例えば、２１０ＡＣの合計値が最も大きい場合には、位置を１左にずらし、２１０ＢＤの合計値が最も大きい場合には、ずらさず、２１０ＣＥの合計値が最も大きい場合には、位置を１右にずらす補正をする。このように、強度分布に基づいて高速に演算が行える指標を用いて補正を行う。
さらに別の例として、迷光を用いて補正をしてもよい。迷光とは、距離測定装置３において、射出された光がその筐体により反射、散乱される場合があり、この反射、散乱のことを言う。迷光を受光部１０により受光される領域が存在する場合がある。例えば、発光部３０による発光デバイスの振幅が大きいと、距離測定装置３の筐体の内部において反射が発生し、この反射光を受光部１０が受光する場合がある。
このように迷光が発生する状態において、受光部１０が受光する位置データ等を図示しない記憶部に記憶しておき、当該記憶された位置データとのズレをもちいて補正を行ってもよい。記憶するデータは、例えば、工場出荷時や自動車等に搭載して初めて起動したタイミングにおいて取得されたデータである。基準となる迷光の受光状態を記憶し、距離測定の実行時や実行前等に、同じ状態における迷光を受光して記憶部に記憶されている位置データと比較することにより、ズレを補正してもよい。
この場合、検出までの時間と、強度分布とに基づいて、走査の同期、走査範囲等を調整する。迷光を用いることにより、射出した位置により一意に定まる値であるので、物体からの反射光を用いる方法と比べてより安定した調整を図ることが可能である。また、より少ない計測回数での調整が可能であるので、より迅速な調整が可能となり、異常が発生した場合にも早期に検知できる。
従来、１画素の範囲に受光させ、その受光位置と画素位置の指定を、発光デバイスに備え付けられたセンサに基づいて合わせるには、非常に精度のセンシングと制御を必要とした。しかし、以上のように、本実施形態によれば、ある程度の範囲を有する受光領域１６における画素１２からの受光により、容易かつ確実に、受光位置の補正をも行うことが可能となる。また、このように補正を行うことにより、装置の経年劣化や突発的に発生した異常に対しても対応することが可能となる。
（第６実施形態）
図１９は、受光装置の出力に対して、一定時間の信号の数をカウントする積算器（積分器）を、受光装置の中に設けたものである。本実施形態において、受光装置１は、画素１２と出力との間に、パルス検出器４０と、各種スイッチ（第１スイッチ１１０及び第２スイッチ１５０、又は、スイッチ回路１８）と、積算器４２と、を備える。スイッチの構成については、前述の各実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。第２信号線１４０が、積算器４２の入力として接続される。信号処理装置の有る場合は、積算器４２の出力が、信号処理装置の入力として接続される。
パルス検出器４０は、画素１２が検出して出力した信号からパルス状の信号を検出する。例えば、パルス検出器４０は、１つの画素１２に対して１つ備えられる。別の例としては、図４等における第２信号線１４０のそれぞれに対して、又は、図１４に示す出力線１９２のそれぞれに対して１つのパルス検出器４０が備えられてもよい。画素１２の性能によっては、このパルス検出器４０は必須の構成ではない。例えば、画素１２からのパルス状の信号が積算器４２においてパルス検出器４０を介さずに適切に検出できる場合には、パルス検出器４０を省略してもよい。パルス検出器４０は、アナログ又はデジタル回路により構成されるパルス検出回路として備えられるものであってもよい。
積算器４２は、パルス検出器４０が出力した結果、又は、パルス検出器４０が備えられない場合には、画素１２が出力した結果を、積算する。積算器４２は、例えば、受光領域１６内にある画素１２からの出力を受信するように、スイッチを介してパルス検出器４０又は画素１２と接続される。スイッチについては、前述に示す各種スイッチと同様に、画素１２が受光領域１６内である場合にはオンとなり、それ以外の場合にはオフとなる。すなわち、受光領域１６に属する画素について、パルス検出器４０又は画素１２と、積算器４２とが接続される。また、この積算器の出力値は、定期的に、例えば、10ns毎にリセットされる。
この積算器４２は、アナログ又はデジタル回路により実装される積算回路であってもよい。また、別の例として、積算器４２は、所定時間ごとにリセットされるパルスを計数するカウンタ回路であってもよい。なお、積算器４２は、受光装置１の内部ではなく、外部に備えられ、受光装置１からのパルス出力に対する積算を行ってもよい。画素当たりのSPAD数が１個の場合は、出力信号は２値のデジタル信号に相当するが、この積算器により、出力信号が多値化され（多値のアナログ信号になり）、後段のAD変換器にて復元される。受光装置１と信号処理部２２は異なる半導体プロセスによって製造されることが望ましく、別のICチップとして実装されることが多い。その場合に、多値化により、チップ間の配線数を低減し、チップのピン数を減らし、ICパッケージを小型化することが可能になる。
SPADの応答は、受光する光がパルス状である場合には高速であり、例えば、数GHzの帯域を有する。これは、SPADを備える画素についても同様であり、１つのSPADを備える画素又は複数のSPADを備える画素の応答もまた、受光する光がパルス状である場合には、例えば、数GHzの帯域を有する。このため、受光装置と信号処理装置の間の配線が長い場合は、信号が劣化して伝わらない場合がある。
そこで、例えば、10nsという時間に発生するパルスの数をカウントすることにより、受光した強度を測定する。図２０は、SPADがパルスを受光する場合の測定例を示す図である。受光したパルスの数をほぼ10nsの間維持されるアナログ値として出力することにより、より確実に伝搬させることが可能になる。
この積算器４２は、受光部１０に備えられる全てのSPAD又は全ての画素に１対１対応するように搭載する必要はなく、出力と同じ数、すなわち、受光領域１６に備えられるSPAD又は画素の数だけ搭載すればよい。出力の数は、受光部１０に備えられる画素等の数より遥かに少ないため、全ての画素等に対応して搭載することと比較し、より少ないシリコン面積で実装できる。また、積算器４２は、必ずしも受光部１０に実装する必要ない。積算器４２が受光部１０ではなく、受光装置１、又は、受光装置１外の距離測定装置３に実装される場合、受光部１０のセンサ面積比率を低下させること、すなわち、受光感度を低下させることがなく実装することが可能である。
図２１は、パルス状の光を受光する場合の測定について、別の例を示す図である。この図２１に示すように、積算器としてローパスフィルタを使用することもできる。ローパスフィルタを用いることにより、近似的に積算と同様の測定を行うことが可能である。また、ローパスフィルタの一部又は全部を受光装置の外に備えていてもよい。ローパスフィルタは、キャパシタと抵抗により構成されるが、一般には、アナログ又はデジタルの回路、IIR回路又はFIR回路により実装されてもよい。なお、ローパスフィルタの場合は、前述のリセット機能は必要ない。図１９に示すように、SPAD又は画素と出力の間に、パルス検出を行う回路を挿入し、それによりSPAD等の信号をデジタル信号に変換してから、出力することも可能である。
本実施形態の積算器と、小型で高速なSPADを組み合わせることにより、高解像な受光装置を実現できる。例えば、従来のSPADよりも4倍高速、かつ、同じサイズのSPADを搭載し、4bitの積算器４２を備えて多値化（4値化）してもよい。この場合、従来のSPAD4個と同等の検出能力が期待され、おおよそ1/4の面積で受光装置１を実現できる。また、視点を変えると、同等の面積で約4倍の画素数の受光装置１を実現できる。さらに、小さいSPADと積算器を組み合わせた場合、小さいSPADは反応速度が高速になるため、面積の小ささと積算器による多値化の相乗効果により、更に画素数の大きな（高解像な）受光装置１を実現できることになる。
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され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。これら実施形態やその変形は、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。
１：受光装置
１０：受光部
１２：画素
１４：SPAD
１６、１６Ａ、１６Ｂ：受光領域
１００、１０１、１０２、１０３：第１信号線
１１０、１１１、１１２、１１３：第１スイッチ
１２０、１２１、１２２、１２３：第１選択線
１３０、１３１、１３２、１３３：第１ダミー線
１４０、１４１、１４２、１４３：第２信号線
１５０、１５１、１５２、１５３：第２スイッチ
１６０、１６１、１６２、１６３：第２選択線
１７０、１７１、１７２、１７３：第２ダミー線
１８０：第１フラグ線
１９０：画素スイッチ間信号線
１９２：出力線
２０：領域指定部
２２：信号処理部
２４：受光位置補正部
３：距離測定装置
３０：発光部
３２：距離測定部
４０：パルス検出器
４２：積算器

Claims (9)

  1. １又は複数の受光素子を備える、画素と、
    第１方向及び前記第１方向と交わる方向である第２方向にアレイ状に配置された複数の前記画素を備える、受光部と、
    前記受光部に属する複数の連続した前記画素を備え、前記複数の連続した画素のそれぞれにおいて受光した光の強度に基づいて複数の信号を出力し、前記第１方向における一及び前記第２方向における位置を示す信号により前記受光部内における位置が変更される、受光領域と、
    を備え、
    前記受光領域は、前記第１方向に沿って第１所定数、前記第２方向に沿って第２所定数の前記画素を有する領域であり、
    前記受光部において、前記第２方向に沿って配置され、隣接する前記画素の間に前記画素からの信号を伝達する、前記第１方向に沿った前記第１所定数の第１信号線、
    をさらに備える、受光装置。
  2. 前記画素と、当該画素に対応する前記第１所定数の前記第１信号線のそれぞれと、を選択的に接続する、第１スイッチと、
    前記第１方向に沿った前記第１所定数の前記画素のそれぞれが、異なる前記第１信号線と接続するようにそれぞれの前記第１スイッチの駆動端子と接続して前記第１スイッチを切り替える信号を出力する、第１選択線と、
    をさらに備え、
    前記第１選択線は、前記第１方向において指定された位置における前記第２方向に沿った前記画素に対応する前記第１スイッチの駆動端子と接続する、
    請求項１に記載の受光装置。
  3. 前記第１信号線のいずれかと接続する、前記受光領域に存在する前記画素の数と同数の第２信号線をさらに備える、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の受光装置。
  4. 前記第１信号線と、前記第２信号線と、を選択的に接続する、第２スイッチと、
    前記第２方向に沿った前記受光領域に属する前記第２所定数の前記画素と接続される前記第１信号線のそれぞれが、異なる前記第２信号線と接続するようにそれぞれの前記第２スイッチの駆動端子と接続して前記第２スイッチを切り替える信号を出力する、第２選択線と、
    をさらに備える、請求項３に記載の受光装置。
  5. 前記受光部における前記受光領域の位置を指定する、領域指定部をさらに備える、請求項１から請求項４のいずれかに記載の受光装置。
  6. 前記第１方向又は前記第２方向の少なくとも一方である補正方向において、検知された受光強度に基づいて前記受光領域の位置を補正する受光位置補正部を有する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の受光装置。
  7. 前記画素において受光したことを示す信号を外部へと出力する場合に、所定時間における信号の積算値を算出する、積算器、
    を備え、前記積算値を出力する、請求項１から請求項６のいずれかに記載の受光装置。
  8. 対象へ光を発する、発光部と、
    請求項１から請求項７のいずれかに記載の受光装置と、
    前記受光装置において前記発光部が光を発したタイミングと、前記発光部が発した光を前記受光装置が受光したタイミングと、に基づいて、前記対象までの距離を測定する、距離測定部と、
    を備える距離測定装置。
  9. 対象へ光を発する、発光部と、
    請求項１から請求項７のいずれかに記載の受光装置と、
    前記受光装置からの出力される信号の所定時間における積算値を算出する、積算器と、
    前記発光部が光を発したタイミングと、前記受光装置が受光したタイミングと、に基づいて、前記積算器の出力を用いて前記対象までの距離を測定する、距離測定部と、
    を備える距離測定装置。
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