(57)【要約】  【課題】  測定の頑健性が向上された、ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードを備えた光電センサおよび物体検出方法を提供すること。  【解決手段】  光電センサ（１０）は、監視領域（２０）からの受光（２４）を検出するための、それぞれ降伏電圧より高いバイアス電圧が印加されることによりガイガーモードで駆動される、多数のアバランシェ・フォトダイオード素子（３０）を備えた受光器（２８）を有している。センサ（１０）は少なくとも一つのグループ評価部（３６）を含み、グループ評価部（３６）は、アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）のグループ（４６）にその受光信号を受信するために接続され、グループ（４６）のうち必要最小数のアバランシェ・フォトダイオード素子（３０）が許容時間間隔内に同時に受光信号を生成するような事象のみを、受光（２４）の検出と見なすように構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域（２０）からの受光（２４）を検出するための、それぞれ破壊電圧より高いバイアス電圧が印加されることによりガイガーモードで駆動される、多数のアバランシェ・フォトダイオード素子（３０）を備えた受光器（２８）を有する光電センサ（１０）であって、
少なくとも一つのグループ評価部（３６）であって、前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）のグループ（４６）に接続されてその受光信号を受信し、前記グループ（４６）の必要最小数の前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）が許容時間間隔内に同時に受光信号を生成するような事象のみを、前記受光（２４）の検出と見なすように構成されているグループ評価部を特徴とするセンサ（１０）。
【請求項２】
前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）の破壊電圧は、最大７０Ｖ、特に最大５０Ｖ、３０Ｖ、または１５Ｖであり、および／または前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）は、ＣＭＯＳプロセスにおいて、特に共通の基板上のマトリクス構造として製造される、請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
光パルス（１８）を送光するための送光器（１２）、および、送光された光パルス（１８）の送光時点と、前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）により前記監視領域（２０）から受光された前記光パルス（１８）の受光時点との間の光伝搬時間を測定するための、光伝搬時間測定部を備えた距離測定センサである、請求項１または２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記受光器（２８）は、多数の前記グループ（４６）に編成された前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）のマトリクスを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）は、六角形のハニカム構造を形成し、特に円形に形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
前記受光器（２８）は、前記受光器（２８）の基板上に、前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）用の局所評価構造（４８）を備えている、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項７】
前記局所評価構造（４８）は、それぞれ、六角形のハニカムの中央に、六つの前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）に隣接して配置されている、請求項５または６に記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
前記グループ評価部（３６）における前記必要最小数は、特に局所的にパラメータ化可能または制御可能である、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項９】
予測される受光スポット（５０）内の前記受光器（２８）の前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）のみを活性化するように構成された、活性化部（４０）が設けられている、請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１０】
前記予測される受光スポット（５０）の位置は、ティーチング工程において決定される、請求項９に記載のセンサ（１０）。
【請求項１１】
スキャナとして構成され、送光器（１２）の送光光線（１８）を用いて前記監視領域（２０）を走査するためのＭＥＭＳミラーを有する偏向部（１６）を備え、特に偏向部（１６）の向きから、予測される受光スポット（５０）の位置が決定される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１２】
前記監視領域（２０）を前記受光器（２８）上に結像させる受光光学系（２６）が、前記受光器（２８）に割り当てられている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１３】
前記受光光学系（２６）の焦点面（３２）は前記受光器（２８）の平面とは一致しない、請求項１２に記載のセンサ（１０）。
【請求項１４】
複数のグループ評価部（３６、４８）に上位グループ評価部が接続され、該上位グループ評価部は、それに接続されたグループ評価部（３６、４８）のうち必要最少数により前記受光（２４）の検出と見なされた事象のみを前記受光（２４）の検出と見なす、請求項１から１３のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１５】
それぞれ破壊電圧より高いバイアス電圧が印加されることによりガイガーモードで駆動される、多数のアバランシェ・フォトダイオード素子（３０）を備えた受光器（２８）を用いた、監視領域（２０）における物体検出方法であって、
前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）のグループ（４６）の受光信号を一緒に評価し、前記グループ（４６）のうち必要最小数の前記アバランシェ・フォトダイオード素子（３０）が許容時間間隔内に同時に受光信号を生成するような事象のみを、受光（２４）の検出と見なす物体検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルに記載のガイガーモードで駆動される多数のアバランシェ・フォトダイオード素子を備えた受光器を有する光電センサ、および、請求項１５のプリアンブルに記載の物体検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電センサは、一次元の光バリアおよび光センサから、レーザスキャナ、カメラに及ぶ幅広い分野で用いられている。距離測定装置では、純粋な物体検出の域を越えて、物体までの距離も測定される。このために、光伝搬時間の原理に基づく距離センサは、光の速度を介して距離に相当する光信号の伝搬時間を計測する。従来、パルスに基づく測定と位相に基づく測定とが区別されてきた。パルス伝搬時間による方法では、短光パルスが送光され、この光パルスの拡散反射光または反射光が受光されるまでの時間が測定される。代替的に位相方法では、送光が振幅変調されて送光と受光間の位相差が測定されるが、この位相差が同様に光伝搬時間の尺度となる。しかし、両方法間の区別は必ずしも明確ではなく、パルスパターンが複雑な場合などには、パルス伝搬時間による方法は典型的な単一パルス測定法よりも位相法に似ている。
【０００３】
センサが空間分解型である場合、距離情報を利用して、三次元画像またはいわゆるデプスマップも検出される。このために、スキャナが光線を用いて監視領域を走査する一方、３Ｄカメラが、その各画素について、明度情報の代替としてまたは追加的に距離情報も測定する。このために、例えば各画素において光伝搬時間測定が行われる。
【０００４】
大抵の場合、そして特に距離測定においては、センサは、例えば自身のまたは割り当てられた送光器からの有効光と、周囲光または他の光源からの妨害光とを区別できなければならない。このことは、例えば特に明るい環境、拡散反射が弱い対象物体、または長い測定距離など、適用形態によっては、極度に有効光レベルが低い場合に非常に困難な課題となり得る。
【０００５】
僅かな受光強度をも検出できるように、従来、多くの光電センサにはアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ、Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）が搭載されている。この場合、入射光が、制御されたアバランシェ破壊（アバランシェ効果）を誘発する。これにより、入射光子によって生成される電荷担体が増倍し、受光強度に比例するとともに、簡素なＰＩＮダイオードの場合よりもはるかに大きい光電流が発生する。
【０００６】
非特許文献１では、いわゆるガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードの、レーザレーダへの適用について論じられている。ガイガーモードでは、アバランシェ・フォトダイオードに破壊電圧より高いバイアス電圧が印加されるため、１つの光子によって解放されるたった１つの電荷担体だけでアバランシェが誘発され、高強度の電界が作用することによって全ての利用可能な電荷担体が補充される。このように、アバランシェ・フォトダイオードは、ガイガーモードの名前の由来であるガイガー・カウンターのように個々の事象をカウントする。ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードは、ＳＰＡＤ（単一光子アバランシェ・ダイオード）とも呼ばれる。
【０００７】
しかし、その高感度には重大な欠点もある。というのは、単一の有効光光子だけでなく、外部光や光学的クロストークまたは暗雑音による弱い妨害事象によっても、アバランシェ破壊が誘発される可能性があるからである。この妨害事象は、受光される有効光と同等の、相対的に強い信号で測定結果に寄与するため、妨害事象を信号に基づいて有効光から区別することもできない。その後、アバランシェ・フォトダイオードは、約１０〜１００ナノ秒のむだ時間中は無反応状態になり、その間はさらなる測定が行われないことになる。これは、パルスに基づく距離測定においては、ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードが、非常に多くの場合、求めるべき光伝搬時間の代わりに妨害事象の偶発的な時間を出力し、そのせいで本来の測定事象を見逃してしまうということを意味する。従って、この距離測定は極めて不確実であり外部光の影響を受けやすい。このことは、光伝搬時間に基づく３Ｄカメラにも全く同様に当てはまる。３Ｄカメラでは、より多数の画素が受光パルスの代わりに妨害事象を記録し、その結果、デプスマップが穴だらけになる、あるいは妨害位置に覆われるということは、例外的ではなくよくあるケースである。
【０００８】
特許文献１より、送光光線を振動ミラーによって二つの空間方向へ偏向させるようにした、物体検出のための光電子装置が知られている。この振動ミラーは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）型スキャナ・ミラーとして構成されている。受光器として簡素なフォトダイオードが使用され、その信号が振動ミラーの偏向位置に合わせて評価される。特許文献１では、ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードの使用については言及されていない。しかし、単に既存のフォトダイオードをガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードに交換したとしても、上述の外部事象に関する問題があるため、センサの使用は現実的ではないと考えられる。さらに、特許文献１では位相法が使用されているが、ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードは、実質的にデジタル応答であること、またアバランシェ発生の都度、不応期またはむだ時間が続いて生じるため、位相測定に全く対応することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】DE 101 46 752 A1
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】オールほか（Aull et al.）、「ガイガーモード・アバランシェ・フォトダイオーズ・フォー・スリー・ディメンショナル・イメージング（Geiger-Mode Avalanche Photodiodes for Three Dimensional Imaging）」、リンカーン・ラボラトリー・ジャーナル（Lincoln Laboratory Journal）、13(2)、2002年、pp.335〜350
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明は、ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードを備えた光電センサによる測定の頑健性を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、請求項１に記載のガイガーモードで駆動される多数のアバランシェ・フォトダイオード素子を備えた受光器を有する光電センサ、および、請求項１５に記載の方法によって解決される。この場合、本発明は、ガイガーモードで駆動される、つまり活性化されて光を検出すべき時には常に破壊電圧より高いバイアス電圧が印加される、多数のアバランシェ・フォトダイオードを備えた受光器を基礎としている。外部事象を測定事象から分離するために、アバランシェ・フォトダイオードの少なくとも一つのグループが形成される。グループ評価部が、アバランシェ・フォトダイオードの受光信号を受信するためにこのグループに接続されている。この接続は、例えば、受光器の信号を外部の装置により読み出し、そこでグループ単位で評価するという構成、または、少なくとも所属するグループのアバランシェ・フォトダイオードへの接続線を備えた、適切な評価用電子機器を受光器のチップに直接設けるという構成とすることができる。
【００１３】
本発明の基本となる考えは、測定を開始するには単一の事象では不十分であり、好ましくは隣接して配置された、複数のアバランシェ・フォトダイオードにおける多重検出形式の同時性判定が必要である、ということである。このために、ある事象は、あるグループの必要最小数のアバランシェ・フォトダイオードによって許容時間窓内に同時に検出された場合のみ、測定事象と見なされる。従って、逆にグループ内のより少数のアバランシェ・フォトダイオードによる同時の信号は、外部事象として隠されることにより抑制される。この必要最小数によって二項分布に従った統計的閾値が定義され、この閾値を用いて測定事象が妨害事象から区別される。
【００１４】
本発明には、要求される多重検出によって、外部光に対する感度が著しく低下するという利点がある。センサは、妨害光が強い条件下でも測定することができる。距離測定において、対象物体の正しい距離情報を、妨害事象を含めずにより確実に検出することが保証される。３Ｄセンサによるデプスマップの精度およびその密度、つまり正しい距離値を用いた画素の割当が大幅に改善される。
【００１５】
アバランシェ・フォトダイオード素子の破壊電圧は、最大７０Ｖ、特に最大５０Ｖ、３０Ｖ、または１５Ｖであることが好ましい。これにより、従来使用されてきたアバランシェ・フォトダイオードの場合のような高電圧供給が不要となり、製造コストを大幅に削減することができる。
【００１６】
アバランシェ・フォトダイオード素子は、ＣＭＯＳプロセスにおいて、特に共通の基板上にマトリクス構造として製造されることが好ましい。これにより、受光器を安価に入手することができる。ＣＭＯＳ部品により、とりわけ構造を小型化することができ、それにより、従来のアバランシェ・フォトダイオードと比較して、破壊電圧を著しく低下させることが可能である。
【００１７】
センサは、光パルスを送光するための送光器、および、送光された光パルスの送光時点と、アバランシェ・フォトダイオード素子によって監視領域から受光された光パルスの受光時点との間の光伝搬時間を測定するための光伝搬時間測定部を備えることが好ましい。つまり、このセンサは、監視領域において直反射または拡散反射される自身の送光を受光する。従って、あるグループのアバランシェ・フォトダイオード素子における同時検出のための許容時間窓は、送光された光パルスのパルス幅程度であると予測される。送光時点と、これとほぼ同時に誘発されるアバランシェによって定義される受光時点との間の光伝搬時間についての一致判定を成立させるための、アバランシェ・フォトダイオードのインテリジェントな接続には様々な方法がある。例えば、各アバランシェ・フォトダイオードについて個別に時間測定を行い、グループ評価部において、グループ内の必要最小数のアバランシェ・フォトダイオードが光伝搬時間について一致しているかどうかを確認する。別の例では、あるグループのアバランシェ・フォトダイオードの個々の受光信号に、許容時間間隔により規定された減衰挙動が加算される。発生する総パルスが必要最小数に応じた閾値を超えれば、その位置が受光時点と見なされる。
【００１８】
受光器は、多数のグループに編成されたアバランシェ・フォトダイオード素子のマトリクスを備えることが好ましい。この関連においてマトリクスという概念は、狭義にも広義にも解釈するべきである。狭い意味でのマトリクスは、画素状に配置された複数のアバランシェ・フォトダイオードの規則的な長方形格子であり、アバランシェ・フォトダイオードが、例えばタイル状に矩形のグループに編成されている。同様に、広い意味では、マトリクスは任意の規則的配置を表すこともできる。これらのグループは互いに同一の、規則的構造の部分パターンであることが好ましい。アバランシェ・フォトダイオードのグループへの所属は一義的である必要はなく、アバランシェ・フォトダイオードを複数のグループに割り当てることによって、グループ同士を重複させることも可能である。
【００１９】
アバランシェ・フォトダイオード素子は、六角形のハニカム構造を形成することが好ましい。これにより、受光器の大幅な小型化が実現されるとともに、特に受光器のチップの充填率を高めることが可能になる。この充填率は、アバランシェ・フォトダイオード素子を円形に形成すれば、さらに最適化することができる。この配置は最密球充填に相当する。しかし、他の形状、例えば六角形のハニカムも考えられる。
【００２０】
受光器は、受光器の基板上に、アバランシェ・フォトダイオード素子用の局所評価構造を備えることが好ましい。この評価構造は、例えばグループ評価部または光伝搬測定部を含む。この局所評価構造を受光器外部の評価部で補完し、部分機能を局所的評価および外部評価に分散することができる。好ましくは、各局所評価構造は受光器上にてアバランシェ・フォトダイオードと同じセルサイズを有し、それに隣接する複数のアバランシェ・フォトダイオードの制御および評価を担う。つまり、例えばこれらのアバランシェ・フォトダイオードの光伝搬時間を測定し、ある事象が許容時間窓内にグループ内の必要最小数において検出されたかどうかの同時性判定を下す。局所的処理により、多数の個々のデータが事前にフィルタにかけられる結果、要約された測定情報のみを読み出せば済むため、発生するデータ量が大幅に削減される。この場合、ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードが元々二値的な増幅作用を示すため、評価回路を直接デジタル方式で実装することが可能である。他方、アナログ加算にすればゲート機能を省くことができ、受光器の充填率を高めることができる。
【００２１】
一つの局所評価構造が、六角形のハニカムの中心に、それぞれ六つのアバランシェ・フォトダイオードに隣接して配置されることが好ましい。この場合、六つのアバランシェ・フォトダイオードが、評価部のある中央の七つ目のセルを取り囲んで配置される。このようなハニカムが一つのグループに相当するものでもあることが好ましい。また、ハニカムの重複（つまり、評価構造を備えた複数の隣接する中心に対して同じアバランシェ・フォトダイオードを割り当てること）も考えられる。これはグループ接続の追加的な多重化につながり、全体として同時性判定および検出挙動にとって好都合である。
【００２２】
グループ評価部における必要最小数は、パラメータ化可能または制御可能であることが好ましい。これにより、動作時の光の状況への適応が可能になる。必要最小数を局所的に、さらには動的にすら適合させることができれば、センサは、明度の異なる領域あるいは段階に、高度に柔軟に反応することが可能になる。例えば、測定対象となる場所や空間（以下、「シーン」と呼ぶ）中の光源や窓に対しては、必要最小数を大きくすることによって実質的に明度を下げる一方、暗い物体は、必要最小数をより小さくすることによって高感度に検出する。
【００２３】
予測される受光スポット内の受光器のアバランシェ・フォトダイオード素子のみを活性化するように構成された活性化部が設けられることが好ましい。外部事象により誘発されるアバランシェは、大いに受光器の電力損失の要因となり得る。予測される受光スポット外の外部事象を隠すことによって、これを制限することができる。
【００２４】
実際にはこれは、バイアス電圧を、活性化されたアバランシェ・フォトダイオードにおいてのみ破壊電圧より高くし、残りのアバランシェ・フォトダイオードにおいては破壊電圧より低くすることにより行われる。このため、無制限のアバランシェとそれに伴う電力消費および測定事象として記録される高信号は、活性化されたアバランシェ・フォトダイオードにのみ発生することになる。従って、電力損失が低減されるだけでなく、活性化されたアバランシェ・フォトダイオードの外部の干渉事象は現れないか、または無視されることによりデータ・フローに含まれないため、データ発生量が大幅に減少する。
【００２５】
予測される受光スポットの位置は、ティーチング工程において決定されることが好ましい。これは、センサの電子的調整に利用される。送光器および受光器を非常に正確に位置合わせする代わりに、有効光が受光器上のいずれかの場所に入射すれば十分である。正確な位置は電子的に決定され、この位置にあるアバランシェ・フォトダイオードのみが、その後の動作時に活性化される。
【００２６】
センサはスキャナとして構成されており、送光器の送光光線を用いて監視領域を走査するためのＭＥＭＳ（微小電気機械システム）ミラーを備えることが好ましい。これにより、例えばノートパソコンまたは携帯電話などの移動通信機器にも格納可能な、極めてコンパクトなセンサを構築することができる。ＭＥＭＳミラーは、共振振動することにより、送光光線を用いて非常に高速にシーンの一行を走査する。行の代わりに矩形の領域を検出したい場合は、この高速振動に、行に垂直な方向へＭＥＭＳミラーを低速に偏向させる動作が重ねられる。
【００２７】
従来のスキャナとは異なり、受光光線は送光光線用のＭＥＭＳミラーを介しては導かれないことが好ましい。その代わりに、本実施形態において、受光器は走査されるシーン全体をミラーによる偏向を用いずに観測する。この場合、偏向部の向きから予測受光スポットの位置を決定することが可能である。この向きは送光光線により現在走査されているシーンの点と一致しており、例えば、ＭＥＭＳミラーへの制御信号、その既知の時間挙動、またはＭＥＭＳミラーのフィードバック信号から知ることができる。このため、送光光線が目下走査しているシーンの領域からの光を受光する、受光器の一部の領域のアバランシェ・フォトダイオードのみが活性化される。
【００２８】
受光器には、監視領域を受光器上に結像させる受光光学系が割り当てられることが好ましい。この受光光学系の、従来のスキャナと対照的な特徴は、受光光学系が走査光線だけではなくシーン全体を検出するということである。その際、上述の通り、受光光線は好ましい実施形態において、送光光線の方向から受光光線が予測される場所のみが活性化されている受光器上で追跡される。
【００２９】
受光光学系の焦点面は、受光器の平面と一致しないことが好ましい。言い換えれば、受光スポットが複数のアバランシェ・フォトダイオード、例えばアバランシェ・フォトダイオードの少なくとも一つのグループを覆うように、受光光学系は意図的に焦点をぼかされている。スキャナの場合、分解能は送光光線およびその断面、あるいはスキャナの角度分解によって規定されるため、これによる分解能の損失は生じない。このため、受光器の受光光線待ち受けて記録する活性化された領域も、結果として生じる分解像よりもかなり大きくすることができる。その結果、画素に寄与するアバランシェ・フォトダイオードの数、および同時発生事象の識別のための必要最小数を通じて、感度を自由に調節することができる。
【００３０】
代替の実施形態において、センサはスキャナではなく３Ｄカメラである。この場合、送光はシーンの広範囲に照射され、受光器のアバランシェ・フォトダイオードにおいて空間分解されて再び受光される。ここで、受光光学系の焦点をぼかした場合、ぼやけまたは分解能の低下が生じる。しかし、この受光器では、グループが形成されず同時性判定の評価が行われない受光器と比べて、頑強性が大幅に向上する。また、分解能の低下量を、アバランシェ・フォトダイオードをグループに編成する際の係数と直接同一視するべきではない。というのは、たとえ焦点をぼかしても、各アバランシェ・フォトダイオードは個別にも画像情報に寄与しており、巧みな接続および画像評価によりこれを利用すれば、実際の分解能の低下をより少なく抑えることができるからである。
【００３１】
さらに、受光光学系の焦点をぼかすことにより、「端部ヒット」の検出が可能になる。このような事象は、焦点の一方側において端部の一方側の距離値を生成させる。焦点の他方側には、端部の他方側が対応する距離値で結像される。端部がそれ相応の不鮮明さで結像されるグループでは、同時事象が起こる可能性が低下する。この影響を評価することにより、分解能を高めることができる。
【００３２】
複数のグループ評価部に上位グループ評価部が接続され、該上位グループ評価部は、それに接続された複数のグループ評価部のうち必要最少数により受光の検出と見なされた事象のみを、受光の検出と見なすように構成されていることが好ましい。つまり、再度グループレベルで高次の同時性判定が下されることになる。その際の統計と、同じ総数のアバランシェ・フォトダイオードが関与する一段階の同時性判定の統計との差異は、グループの大きさ、上位グループの大きさ、および必要最小数が小さい場合に、二項分布が正規分布から乖離するという程度である。しかし、階層的な判定は、局所評価電子装置および接続がより少なくて済むため、実装およびチップ設計において有利である。例えば、上位同時性判定は元の同時性判定とは異なり、受光器上で局所的にではなく、外部のマイクロプロセッサで初めて行われる。
【００３３】
本発明による方法は、さらなる特徴により同様に発展させることができ、その場合も同様の利点を得ることができる。そのようなさらなる特徴は、完結的なものではなく例示的なものとして、独立請求項に続く従属請求項に記載されている。
【００３４】
以下では添付図面を参照しながら、本発明を、さらなる利点および特徴の観点も含めて実施例に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ＭＥＭＳ偏向ミラーを有するスキャナとしての実施形態における、光電センサのブロック図である。
【図２】ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードの、例示的な概略等価回路図である。
【図３】受光器のアバランシェ・フォトダイオードの直交マトリクス構成、およびそのグループ編成を示す上面図である。
【図４】受光器のアバランシェ・フォトダイオードの六角形構成、およびそのグループ編成を示す上面図である。
【図５】受光器のアバランシェ・フォトダイオードの代替の六角形構成、およびそのグループ編成を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１は、ＭＥＭＳミラーを有する小型のスキャナとして構成された、光電センサ１０のブロック図である。この実施形態は、あくまで例示として解釈するべきものである。本発明は、例えばシングルビームのセンサおよび距離スキャナ、または３Ｄカメラなどの他の光電センサを含む。
【００３７】
センサ１０は、例えばレーザダイオードである、送光器１２を備える。この送光器の短パルスから成る送光は、まず送光光学系１４で平行化され、その後ＭＥＭＳ偏向ミラー１６により、送光１８として監視領域２０内へ偏向される。ＭＥＭＳ偏向ミラー１６は、一つの軸上で共振振動し、第二の軸上でゆっくりと周期的に旋回する。これにより、走査光スポット２２が監視領域２０を行毎に走査する。監視領域２０内の物体に当たって拡散反射する光は、受光２４として、画素に配置された多数の、アバランシェ・フォトダイオードから成る受光素子３０を有する受光器２８上に、受光光学系２６を介して導かれる。
【００３８】
破線３２で示すように、受光光学系２６の焦点面は受光器２８の平面とは一致していない。つまり、受光２４が極力少数の受光素子３０上に鮮明に結像されるのではなく、受光素子３０のグループ上に広がって結像されるように、受光光学系２６は意図的に焦点をぼかされている。
【００３９】
さらに、センサ１０内には制御評価部３４が設けられている。この制御評価部３４は、送光器１２、ＭＥＭＳ偏向ミラー１６、および受光器２８と接続されている。制御評価部３４は、グループ評価部３６、光伝搬時間測定部３８、活性化部４０、および画像評価部４２を含む。評価部３４は、出力部４４を介して画像データおよび他のセンサ測定データを出力し、あるいは逆に制御およびパラメータ指示を受け取る。
【００４０】
受光器２８の受光素子３０は、受光２４を検出するためにガイガーモードで駆動されるアバランシェ・フォトダイオードである。これを説明するため、図２には、アバランシェ・フォトダイオードの例示的な概略等価回路図が示されている。これは実際には半導体素子であり、その図示しない構成はここでは既知のものと想定されている。アバランシェ・フォトダイオード１００は、まずダイオード１０２の挙動を示す。このダイオードはキャパシタンスを有しているが、これは並列接続されたコンデンサ１０４によって表されている。アバランシェ破壊が起こると電荷担体が生成されるが、等価回路図ではその源を電源１０６として示している。このアバランシェ破壊は、衝突する光子１０８によって誘発され、その過程はスイッチ１１０のように作用する。アバランシェ・フォトダイオードは、外部へは抵抗１１２を介して電源１１４と接続されている。これらの電源およびさらなる抵抗１１６の間では、出力信号を位置１１８で観測することができる。
【００４１】
待機状態では、ダイオード１０２には破壊電圧より高い電圧が印加されている。そして、入射光子１０８が電荷担体対を生成すると、これにより、いわばスイッチ１１０が入れられるため、電荷担体が電源１０６を介してアバランシェ・フォトダイオードに溢れる。しかし、新たな電荷担体は、十分な強電界が保持されている間のみ発生する。コンデンサ１０４が、電源１０６によって破壊電圧を下回るまで放電されると、アバランシェは自然に停止する（「受動クエンチ（消滅）」）。その後、コンデンサ１０４は、ダイオード１０２に破壊電圧を超える電圧が印加されるまで、外部電源１１４により抵抗１１２を介して再び充電される。代替の構成では、アバランシェが外部から認識され、その後破壊電圧未満への降圧が開始される（「能動クエンチ（消滅）」）。
【００４２】
アバランシェの間、位置１１８における出力信号は、誘起光、ここでは光子１０８の強度とは無関係に急速に最大値まで増加し、アバランシェの停止後に再び減少する。そのパルス形状が位置１１８に簡単に示されている。アバランシェ・フォトダイオード１００のむだ時間を規定する信号減少の時間定数は、コンデンサ１０４のキャパシタンスおよび抵抗１１２により決まり、通常数ナノ秒から数十ナノ秒の範囲にある。このむだ時間は絶対的なむだ時間ではなく、バイアス電圧がアバランシェを後押しする程に十分高くなるとすぐに、出力信号も、待機状態からの場合程ではないが、再び増加することができる。通常、増幅率は１０５〜１０７程度であり、基本的に、アバランシェ・フォトダイオード１００においてアバランシェにより補充することができる電荷担体の最大数から求められる。
【００４３】
測定すべき事象がむだ時間に起こった場合、アバランシェ・フォトダイオード１００はそれをほとんど検出できない。また、アバランシェ・フォトダイオード１００は、十分なむだ時間が経過し、１つの電荷担体対が誘起されるという条件で、いずれの単一事象に対しても同じ信号で反応する。このため、受光強度を評価するには、一つのアバランシェ・フォトダイオード１００だけでは非常に不適切である。その上、周囲光の単一の光子または暗雑音による単一の電荷担体対が、測定すべき事象とは無関係なアバランシェを誘発するには十分となり得る。
【００４４】
受光器２８には、多数の個別のアバランシェ・フォトダイオード素子１００が設けられている。これに相当する部品要素は、例えばＣＭＯＳプロセスにおいて製造することができる。アバランシェ・フォトダイオード素子１００の破壊電圧は、従来のアバランシェ・フォトダイオードより著しく低く、例えば最大でも７０Ｖ、または１５Ｖ〜３０Ｖですらある。
【００４５】
図３は、直交マトリクス構造における、受光器２８のアバランシェ・フォトダイオード１００から成る受光素子３０の配置の概略上面図である。受光器２８には、受光素子３０がタイル状にグループ４６に編成されている。各グループの中央には、受光器２８の半導体構造が、アバランシェ・フォトダイオード１００を形成する代わりに、評価回路４８のために使用されている。この評価回路４８は、特に、中央のグループ評価部３６および中央の光伝搬時間測定部３８の役割を代行するか、または部分実装として、中央の評価部３４の各機能を共同で担うことができる。
【００４６】
デプスマップを記録するために、送光器１２は短光パルスで駆動され、この短光パルスが、ＭＥＭＳ偏向ミラー１６の作用により監視領域２０を行毎に走査する。受光光学系２６の焦点がぼかされていることにより、または焦点を合わせた状態の受光光学系において送光光線１８が元々有する断面にもより、受光スポット５０は複数の受光素子３０に当たる。走査対象の物体までの距離、その拡散反射、光パルスの出力、または受光素子３０の面積などの多数の要因に依存して、受光スポット５０内のいくつかのアバランシェ・フォトダイオード１００において、無制限のアバランシェに相当する信号が誘発される。同時に、受光スポット５０内外の若干数のアバランシェ・フォトダイオード１００において、外部光または暗雑音のような、測定とは無関係な事象に基づいて生じるアバランシェもある。
【００４７】
このような偶発的な事象を隠すために、グループ評価部３６では、一つのグループ４６のｎ個の受光素子３０の内、必要最小数ｋ個の受光素子３０が許容時間内に同時に測定事象を引き起こすことが要求される、同時性判定が下される。従って、測定事象の確定は、一つの受光素子３０による個別の決定から、グループ４６による二項分布統計的な同時性判定に移行される。この判定は、基本的に偶発事象に対して頑健性がより高く、さらに、グループ４６のｎの大きさおよび必要最小数ｋを調節することにより、判定を様々な周囲条件に適応させることができる。このような適応は、局所的および動的にも行うことができるため、空間的および時間的な周囲光分布に左右されずに、信頼できる測定データを監視領域２０の明るい部分領域および暗い部分領域から同様に取得することが可能になる。
【００４８】
光伝搬時間測定部３８は、一定の光速度を用いて、監視領域２０の走査対象の物体の部分までの距離を算出するために、光パルスが送光されてから受光器２８で記録されるまでの光伝搬時間を測定する。ＭＥＭＳ偏向ミラー１６による走査過程において、監視領域２０のデプスマップが生成される。同時性判定は、ｎ個の受光素子３０の内のｋ個が、光伝搬時間計算の基礎となる受光時点について一致していることを要求する。
【００４９】
ＭＥＭＳ偏向ミラー１６は、評価部３４、および特に活性化部４０と接続されているため、ＭＥＭＳ偏向ミラーの実際の向き、それとともに、送光光線１８の方向および受光スポット５０の受光器２８上の予測位置が分かる。これにより、活性化部４０は、そもそも有効光を受光できる位置にはない受光素子３０を、不活性化することができる。このために、受光スポット５０の予測位置内の受光素子３０のみが活性化される、つまり、破壊電圧より高いバイアス電圧が印加される。以上の制御により、受光スポット５０の予測位置、それとともに活性化された受光素子３０の領域は、走査光スポット２２による監視領域２０の走査に対応して、受光器２８上を移動する。その都度、図３に示すような光スポット５０の予測位置周囲の領域は、例えば一つのグループ４６に一致させることができる。しかし、これは必須ではない。なぜなら、それ以外の隣接する受光素子３０が有意義な測定に貢献できる場合もあるからである。いずれにしても、分解能は受光側ではなく送光側で、送光光線１８の断面、送光パルスのパルス長さおよびその繰り返し周波数、またはＭＥＭＳ偏向ミラー１６の角度分解能などのパラメータによって確定される。実際の受光スポットは、さらに受光光学系２６の焦点のぼかし量にも左右されるため、これを適切に設定する必要がある。
【００５０】
このように生成されるデプスマップは、引き続いて、さらに画像処理部４２において、例えば平滑化フィルタ、以前の画像との比較による検証または補完（シーン評価、物体認識、物体追跡）、端部または領域統合（領域拡張）などの画像処理によって改善される。
【００５１】
図４は、受光器２８上の受光素子３０、グループ４６、および評価回路４８の代替の配置を示している。この場合、受光素子３０は円形に構成され、六角形のハニカム構造を形成している。ハニカムの七つのセルは、それぞれ一つのグループ４６に編成され、中央のセルは、受光素子３０ではなく評価回路４８のために使用される。図４による配置では、より高い充填率を得ることができる。図示の例では、受光素子３０は、一つのグループ４６に一義的に割り当てられるのではなく、全ての隣接するグループ４６に割り当てられている。この配置は、測定事象を複数のグループ４６に寄与させる上で有利となり得る。しかし、代替として、グループ４６を重複させずに形成することも可能である。
【００５２】
図５は、六角形のハニカム構造を有する受光器上の、受光素子３０、グループ４６、および評価回路４８のさらに別の配置を示している。図４とは異なり、この場合は、評価回路４８は直交マトリクス上に配置されている。このような規則的配置は、例えば接続の観点から利点があり得る。さらに、重複の仕方、つまり、受光素子３０のグループ４６への所属の仕方が変わっている。図４および図５のようなハニカム構造、または他の構造における、さらなる配置の変形が考えられる。
【００５３】
本発明を、二方向に移動可能なＭＥＭＳスキャナに基づいて説明したが、代替として、例えば共振振動以外の追加的な旋回を省略した、一つの走査方向のみを有するスキャナも考えられる。特定の用途には行形状の検出領域で十分である。ただし、一次元走査でありながら、受光器２８を複数行の受光素子３０で構成することも考えられる。そうすれば、列方向の冗長な受光素子を使用して、行方向の寸法が小さい場合でもグループを大きく形成することができる。
【００５４】
ガイガーモードのアバランシェ・フォトダイオードは、実際には、非減衰のアバランシェの均一な強度のみを識別する。従って、そもそもこれらは強度、つまり振幅または明度情報の測定には不向きである。しかし、測定に関与する受光素子３０の数を、前述の同時性判定のように統計的に評価することにより、グループ４６の形成を通してこのような明度情報を取り戻すことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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