【手続補正書】
【提出日】令和2年10月14日(2020.10.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】受光素子、飛行時間測定装置及び光レーダー装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物までの距離を測定する光レーダー装置、それに使用される飛行時間測定装置、及びそれに使用される受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３次元イメージは、通常の写真等の２次元イメージに加えて、視野内の対象物までの距離情報も含めた概念であり、近年、自動車やロボット等の周辺認識用としての応用が広がっている。高精度の距離情報の計測法としては、レーザ光を照射して、対象物からレーザ光が反射して戻って来るまでの飛行時間（Time-of-flight）を計測する方法が普及しつつある。
【０００３】
視野に向けてレーザ光を照射する方法としては、ほぼ平行にコリメートしかつ狭い範囲に照射するレーザビーム（スポットビーム）と受光装置とを一体で回転させる回転式（特許文献１、２参照）や、スポットビームをミラー等によってスキャンするスキャンタイプ（特許文献３）と、視野全体にほぼ均一にレーザビームを広げて照射する一括照射タイプ（特許文献４）とがある。
【０００４】
一括照射タイプは、機械的な機構が必要ないため、小型化し易いが、対象物でのレーザ光強度がスキャンタイプに比べて弱くなる。このため、対象物までの距離が大きくなると、信号強度が弱くなり、距離測定精度が落ちる。
【０００５】
一方、レーザビームを線状に整形して、一方方向のみでスキャンする場合（特許文献３参照）は、一括照射に比べれば、光照射強度は改善するが、十分ではない。ただし、５０ｍ〜２００ｍと言った遠方まで測定することを目的とした装置では、対象物において強いビーム強度が得易いスポットビームのスキャンタイプが多く開発されている。
【０００６】
これに対して、近年では、複数のレーザ光源と、一対一に対応する複数の受光素子を用いる回転式（特許文献１、２参照）が最も多く利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００８／００８９７０号（２００８年１月１７日公開）
【特許文献２】国際公開第２０１１／１４６５２３号（２０１１年１１月２４日公開）
【特許文献３】特開２０１１−２１９８０号公報（２０１１年２月３日公開）
【特許文献４】米国特許６１３３９８９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の光レーダー装置では、以下の理由によって、遠方までを効率良く測定でき、かつ安価な光レーダー装置を実現できないという課題がある。
【０００９】
すなわち、光レーダー装置は、一般に、パルス光を対象物に照射し、その反射光を受光して、飛行時間（ＴｏＦ：Time of Flight）を計測し、対象物までの距離を計測する飛行時間測定装置を含んでいる。自動車用途では、飛行時間測定装置は、赤道直下の真昼の太陽光の下でも動作しなければならず、強烈な背景光の下で最大測定距離を伸ばすことが重要な課題である。
【００１０】
遠方の対象物に対しては、対象物面上での光照射強度は距離の２乗に反比例して低下する。したがって、最大測定距離を伸ばすためには、対象物面の、パルス光に照射される領域（照射領域）だけを測定対象とすることによって背景光に対する強度比を少しでも高める必要がある。
【００１１】
一般に、遠方では、照射領域はパルス光を発する半導体素子のニアフィールドで見た発光領域の大きさとコリメーションレンズの焦点距離とによって決まり、調整の余地は少ない。
【００１２】
そこで、飛行時間測定装置を構成する受光素子は、結像光学素子によって、前記照射領域が受光素子上に結像された投映部だけを受光領域とする必要がある。
【００１３】
しかし、飛行時間測定装置の組み立てには、必ず誤差が伴い、受光素子と発光素子との相対位置にはバラツキが存在する。このバラツキをカバーするためには、受光領域を広げて大きな余白を確保するか、又は組立精度を高めることによって、余白を最低限に抑える必要がある。
【００１４】
前者は背景光量の増加によるＳＮ比低下を生じ、最大測定距離が短くなる。一方、後者では組立コストが増加する。現状では、最大飛行距離を伸ばすと共に、製造コストを低減し得る受光素子は存在しない。したがって、大きな製造バラツキがあっても、最大測定距離が伸ばすことができる受光素子が求められている。
【００１５】
本発明の一態様は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、パルス光の照射領域に適合した受光領域を実現すると共に、発光素子に対する受光素子の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子を実現し、それにより、最大測定距離を落とさずにコスト低減が可能な飛行時間測定装置を実現し、最大測定距離を伸ばした安価な光レーダー装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様における受光素子は、上記の課題を解決するために、パルス光によって照射された対象物における照射を受けた照射領域からの反射光を結像光学素子にて結像して受光部で受光することによって飛行時間を計測するための受光素子であって、前記受光部は、前記対象物Ｍの照射領域ＩＡにて反射されて該受光部に結像された投影部よりも大きく形成されており、前記受光部のうち、前記投影部と重なる部分が受光領域として活性化されていることを特徴としている。
【００１７】
本発明の一態様における飛行時間測定装置は、パルス発光素子と、偏光ビームスプリッタと、結像光学素子と、前記受光素子とを少なくとも含み、前記パルス発光素子は、パルス光を、前記偏光ビームスプリッタ及び前記結像光学素子をこの順で通過させて対象物に照射し、前記対象物からの反射光は、前記結像光学素子及び前記偏光ビームスプリッタをこの順で通過して前記受光素子に結像され、前記パルス発光素子及び前記受光素子は、前記結像光学素子の一方の焦点位置にそれぞれ配されていることを特徴としている。
【００１８】
本発明の一態様における飛行時間測定装置は、パルス発光素子と、コリメーションレンズと、偏光ビームスプリッタと、結像光学素子と、前記受光素子とを少なくとも含み、前記パルス発光素子は、パルス光を、前記コリメーションレンズ及び前記偏光ビームスプリッタをこの順で通過させて対象物に照射し、前記対象物からの反射光は、前記偏光ビームスプリッタ及び前記結像光学素子をこの順で通過して前記受光素子に結像され、前記パルス発光素子は、前記コリメーションレンズの一方の焦点位置に配されており、前記受光素子は、前記結像光学素子の一方の焦点位置に配されていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の一態様における飛行時間測定装置は、パルス発光素子と、コリメーションレンズと、結像光学素子と、前記受光素子とを少なくとも含み、前記パルス発光素子は、パルス光を、前記コリメーションレンズを通過させて対象物に照射し、前記対象物からの反射光は、前記結像光学素子を通過して前記受光素子に結像され、前記パルス発光素子は、前記コリメーションレンズの一方の焦点位置に配されており、前記受光素子は、前記結像光学素子の一方の焦点位置に配されていることを特徴としている。
【００２０】
本発明の一態様における光レーダー装置は、前記飛行時間測定装置を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様によれば、パルス光の照射領域に適合した受光領域を実現すると共に、発光素子に対する受光素子の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子を実現し、それにより、最大測定距離を落とさずにコスト低減が可能な飛行時間測定装置を実現し、最大測定距離を伸ばした安価な光レーダー装置を実現するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係る光レーダー装置の飛行時間測定装置に備えられた受光素子の構成を示す模式図である。
【図２】前記光レーダー装置の全体構成を示す模式図である。
【図３】前記光レーダー装置を構成する飛行時間測定装置の構成を示す模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、前記光レーダー装置を構成する飛行時間測定装置における光照射領域と受光領域との関係を示す模式図である。
【図５】前記受光素子の受光部を構成するＳＰＡＤの具体的構成を示す模式図である。
【図６】前記受光部を構成するＳＰＡＤアレイの構成を示す模式図である。
【図７】前記受光素子のメインのセットアップフローを示すフローチャートである。
【図８】前記受光素子の詳細フローを示すものであって、受光素子の不良ＳＰＡＤ除外工程を示すフローチャートである。
【図９】前記受光素子の詳細フローを示すものであって、受光素子において、活性化する列及び行を選択する工程を示すフローチャートである。
【図１０】前記飛行時間測定装置における測定結果を示す図である。
【図１１】前記飛行時間測定装置の受光素子における受光強度分布を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態１に係る光レーダー装置の変形例１の構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施形態１に係る光レーダー装置の変形例２の構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の飛行時間測定装置に備えられた実施形態２に係る受光素子の構成を示す模式図である。
【図１５】前記受光素子における受光部を構成するＳＰＡＤアレイの構成を示す模式図である。
【図１６】前記受光部を構成するＳＰＡＤの構成を示す模式図である。
【図１７】前記受光素子の不良ＳＰＡＤ除外工程を示すフローチャートである。
【図１８】前記受光素子において、活性化するＳＰＡＤを選択するフローを示すフローチャートである。
【図１９】前記光レーダー装置の飛行時間測定装置における受光素子の受光強度分布を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態３に係る光レーダー装置における飛行時間測定装置の構成を示す模式図である。
【図２１】本発明の実施形態４に係る光レーダー装置の飛行時間測定装置を示す模式図である。
【図２２】（ａ）は前記光レーダー装置におけるパルス発光素子の構成を示す正面図であり、（ｂ）は前記光レーダー装置におけるパルス発光素子の構成を示す平面図である。
【図２３】前記光レーダー装置における受光素子の構成を示す模式図である。
【図２４】本発明の実施形態４に係る光レーダー装置の変形例の受光素子の構成を示す模式図である。
【図２５】本発明の実施形態５に係る光レーダー装置の飛行時間測定装置の構成を示す模式図である。
【図２６】前記光レーダー装置における受光素子の光照射領域と受光領域との関係を示す模式図である。
【図２７】本発明の実施形態６に係る光レーダー装置における飛行時間測定装置の構成を示す模式図である。
【図２８】本発明の実施形態７に係る光レーダー装置における受光素子の受光領域を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図１３に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００２４】
本発明における実施の形態１の飛行時間測定装置１０を備えた光レーダー装置１の構成について図２に基づいて説明する。図２は、本実施の形態の光レーダー装置１の構成を示す模式図である。
【００２５】
光レーダー装置１は、図２に示すように、パルス光Ｌ１を対象物Ｍに照射し、対象物Ｍからの反射光Ｌ２を受光する飛行時間測定装置１０と、飛行時間測定装置１０へ電源を供給し、パルス光の照射と受光のタイミングを制御する制御・電源部２０と、飛行時間測定装置１０と制御・電源部２０とを保持する筺体３０とを有している。
【００２６】
また、光レーダー装置１は、筺体３０を回転させると共に、制御・電源部２０へ電源を供給し、回転に関する同期信号を伝達し、制御・電源部２０からの計測結果を外部へ出力するインターフェイスを含む駆動・インターフェイス部４０を含んでいる。
【００２７】
図２に示す座標軸は、一般的な用途では、Ｚ軸が鉛直方向、Ｙ軸がパルス光の照射方向、すなわち測定対象方向、Ｘ−Ｙ平面が水平面を指す。
【００２８】
光レーダー装置１は、飛行時間測定装置１０を回転させることによって、パルス光Ｌ１を水平方向にスキャンする装置であり、回転角度は３６０度であってよく、又は１２０度若しくは２１０度のように、一定の範囲であっても構わない。
【００２９】
次に、前記光レーダー装置１に備えられた飛行時間測定装置１０の構成について、図３に基づいて説明する。図３は、光レーダー装置１における飛行時間測定装置１０の構成を示す模式図である。
【００３０】
飛行時間測定装置１０は、図３に示すように、レンズ５０、１／４波長板５１、偏光ビームスプリッタ６０、パルス発光素子７０、受光素子８０、光学バンドパスフィルタ６８を含んでいる。
【００３１】
レンズ５０は結像光学素子である。パルス発光素子７０の光出射部と受光素子８０の受光部とは、レンズ５０の一方の焦点位置に配置されている。レンズ５０は、パルス光Ｌ１にとってはコリメータレンズとして働く一方、遠方からの反射光Ｌ２にとっては受光素子８０へ反射光Ｌ２を集光する結像光学素子として働く。パルス発光素子７０は、Ｚ軸方向に直線偏光したパルス光Ｌ１を発する素子である。偏光ビームスプリッタ６０は、Ｚ軸に対して４５度傾斜し、Ｘ軸と平行な面に境界面を有するキューブ型であり、パルス発光素子７０から発したＺ軸方向に直線偏光した光を透過する。１／４波長板５１は、Ｚ軸方向に直線偏光した光を円偏光に変える。したがって、パルス光Ｌ１は、レンズ５０から、円偏光したほぼ平行光として、対象物Ｍへ照射される。対象物Ｍからの反射光Ｌ２はレンズ５０で集光され、偏光ビームスプリッタ６０によって、Ｘ方向に直線偏光した成分が受光素子８０へ集光される。反射光Ｌ２が円偏光している場合には、１／４波長板５１によって、Ｘ方向の直線偏光に変えられるため、偏光ビームスプリッタ６０の反射ロスは少ない。尚、本構成では、結像光学素子としてレンズ５０を用いているが、必ずしもこれに限らず、軸外れ反射鏡のような反射鏡であっても、結像光学素子として同様に構成することができる。
【００３２】
飛行時間測定装置１０は、レンズ５０の外側に、雨滴、泥、ゴミ、等の障害物の付着を防ぐための透明なカバー等のフードを有していてもよい。前記フードは、距離測定に寄与しない可視光等の光をカットするフィルター機能を有していてもよい。このような結像光学素子を保護する窓となるカバー以外には、反射鏡等の他の光学素子を含まないことが好ましい。反射による光量の低下や、偏光状態の変化を防止するためである。ただし、後述する変形例１及び変形例２では、スキャンニング用のミラーを用いる構成が示されているが、これらは回転機構を用いずにスキャンするために必須の部品であり、例外である。また、スキャンニング用のミラーは、反射率が高い高精度の物を用いることによって、光量の低下を最小限に抑制することができる。
【００３３】
パルス発光素子７０として、端面発光レーザチップを用いる場合には、発光層面をＺ軸と平行にし、発光光軸をＹ軸方向に設置する。端面発光レーザチップは発光層に平行に直線偏光するため、このような配置によって、Ｚ軸方向に直線偏光させることができる。端面発光レーザチップから発せられる光は、ニアフィールドでは、Ｚ軸方向の発散に比べ、Ｘ軸方向の発散が大きい。
【００３４】
パルス発光素子７０として、面発光レーザチップを用いる場合も同様であるが、直線偏光させた面発光レーザチップを、偏光方向がＺ軸と平行になるように設置する。
【００３５】
図２に示すように、受光素子８０の前面には、光学バンドパスフィルタ６８を設けることが好ましい。パルス光Ｌ１の波長を透過帯の中心波長として、数ｎｍから数十ｎｍの波長透過帯幅を持つ光学バンドパスフィルタ６８を加えることによって、反射光Ｌ２の内、パルス光Ｌ１とは異なる背景光によって発生する成分を削減し、ＳＮ比を向上することができるためである。
【００３６】
図３示す飛行時間測定装置１０の構成によれば、レンズ５０を光の照射と受光との両方に共用し、かつ偏光ビームスプリッタ６０を用いることによってパルス光Ｌ１と反射光Ｌ２とが同一光路上を通過するように構成することができる。光照射に関しては、パルス発光素子７０の直線偏光した光を、ほぼそのまま照射できるため、光のロスが少ない。反射光に対しても、対象物Ｍからの反射光Ｌ２がパルス光Ｌ１と同じ円偏光している場合には、ロスが少ない。また、レンズ５０を共用することによって、大きなレンズを減らし、コストを低減することができる。さらに、偏光ビームスプリッタ６０は、レンズ５０の後方（対象物Ｍとは逆方向）に設置するために、レンズ５０の径よりも小さなサイズの偏光ビームスプリッタを使用することが可能となる。その結果、コストを低減することができる。
【００３７】
尚、１／４波長板５１は必ずしも必要ではない。１／４波長板５１を設けない場合には、パルス光Ｌ１は直線偏光し、受光される反射光Ｌ２は、パルス光Ｌ１とは異なる直線偏光を有する。したがって、受光強度が対象物Ｍの反射特性によって変わるが、本発明の一態様における効果は変わらない。
【００３８】
（パルス発光素子）
パルス発光素子７０は、半値幅が１ｎｓｅｃから数百ｎｓｅｃ程度のパルス幅で発光する素子である。パルスのピークパワーは数Ｗから数百Ｗである。発光波長は用途によって決定できるが、波長７００ｎｍから１０００ｎｍ程度の赤外線であることが好ましい。
【００３９】
これにより、人の目に見えないため、邪魔にならない上に、長波長程、動物の目に対する安全性が高いという利点がある。また、発光波長が長い程、背景光強度も低下するが、特に９４０ｎｍから９５０ｎｍ付近の波長は、空気中の水分による太陽光の吸収によって強度が低下しているので、好ましい。また、発光波長が１０００ｎｍ以下では、安価なシリコン素子を受光部に使用できるという利点がある。シリコン素子では、波長が短い程、量子効率が向上するため、前記のような背景を考慮して、９００ｎｍから９５０ｎｍ付近が最も好ましい。
【００４０】
パルス光Ｌ１の遠方での断面形状は、実際にレーザ光を発する領域の大きさである発光領域の形状によって決まる。このため、端面発光レーザチップでは、発光層に対して平行方向には長く、かつ垂直方向には短い楕円形に近い形となる。一方、面発光レーザチップでは、パルス光Ｌ１の遠方での断面形状は、複数のレーザ発光ユニットの配置形状によって決まり、円形や正多角形、長方形等、様々な形状が可能である。
【００４１】
パルス発光素子７０の発する光は、遠方まで強度を落とさずに届く必要があり、発散はできる限り低減しなければならない。遠方でのパルス光Ｌ１の発散は、パルス発光素子７０の発光領域の大きさが大きい程、大きいため、発光領域は小さい方が好ましい。ここで、発光領域の大きさとは、ニアフィールドで見た発光領域の最大径Ｐを意味する。
【００４２】
端面発光レーザチップの発光領域は、発光層に対して平行方向に長く、かつ垂直方向に短く、その結果、最大径Ｐは発光層に対して平行方向の長さであり、通常、大凡リッジ幅に等しい。発光層に対して垂直方向の発光領域の大きさをＵとすると、発光領域のアスペクト比Ｐ／Ｕは、Ｐ／Ｕ＞＞１である。
【００４３】
面発光レーザチップでは、発光領域が複数のレーザ発光ユニットを含む場合が多いため、各レーザ発光ユニットの発光部の大きさを表すアパーチャのサイズではなく、複数のレーザ発光ユニット全体の最大径が、発光領域の大きさＰである。面発光レーザチップでは、通常、Ｐ／Ｕ〜１である。
【００４４】
パルス発光素子７０は、発光するレーザチップと共に、それを駆動する駆動回路を含んでいることが好ましい。その発光のための電源は、制御・電源部２０から供給され、発光前の充電動作や発光動作のタイミングも制御・電源部２０によって制御される。
【００４５】
（レンズ）
レンズ５０は、遠方まで測定するためには、焦点距離ｆが長いことが好ましい。焦点距離ｆが長いと、パルス光Ｌ１の発散を低減でき、遠方での光照射強度を高めることができる。また、焦点距離ｆが長いと、レンズ５０の近傍におけるパルス光Ｌ１の口径が大きくなるため、単位面積当たりの光強度が低減され、レーザ機器の安全基準であるクラス１条件を満足し易くなる。結果的に、パルス光のピークパワーを高くすることによって、より遠方までの測定が可能となる。
【００４６】
さらに、レンズ５０は、開口径が大きいことが好ましい。レンズ５０の開口径が大きいと、レンズ５０の集光能力が高く、遠方からの反射光Ｌ２を有効に集光できる。尚、図２においては、レンズ５０と偏光ビームスプリッタ６０との間には、１／４波長板５１しかないため、飛行時間測定装置１０のＹ軸方向の長さが、焦点距離ｆの長さに対応して長くなる構成となっている。ただし、レンズ５０と偏光ビームスプリッタ６０との間の光路を折り曲げることによって、飛行時間測定装置１０のＹ軸方向の長さを短縮する目的で、レンズ５０と偏光ビームスプリッタ６０との間にミラーを配置してもよい。
【００４７】
本構成では、レンズ５０を照射光であるパルス光Ｌ１のコリメータレンズとして用いる一方、レンズ５０を結像光学素子として用いることにより反射光Ｌ２を受光素子に集光する。
【００４８】
パルス発光素子７０の発光部の大きさをＰとし、発光部から発する光の角度分布の半値幅をθとすると、大凡以下の関係が成立する。ただし、受光部の大きさＱは、発光領域の大きさＰと同方向の受光部の長さである。
【００４９】
レンズ５０の近傍でのパルス光Ｌ１の径：
φ（０）＝２・ｆ・ｓｉｎ（θ／２）（＝１．３ｃｍ）
レンズ５０から遠方の距離Ｌの対象物Ｍのパルス光Ｌ１の照射領域ＩＡの径：
φ（Ｌ）＝Ｐ・Ｌ／ｆ＋φ（０）（＝２８．０ｃｍ）
レンズ５０によって照射領域ＩＡが受光部上に投影された投影部ＰＡの径：
Ｉφ（Ｌ）＝φ（Ｌ）／Ｌ・ｆ
＝Ｐ＋２・ｆ＾２・ｓｉｎ（θ／２）／Ｌ（＝０．２１ｍｍ）
尚、括弧内の数値は半値幅θ＝１０度、焦点距離ｆ＝７５ｍｍ、発光領域の大きさＰ＝０．２ｍｍ、距離Ｌ＝１００ｍの場合の値である。遠方では、Ｉφ（Ｌ）の第２項が無視できるため、Ｉφ（Ｌ）≒Ｐである。
【００５０】
ここで、光照射領域と受光領域との関係について、図４の（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。図４の（ａ）〜（ｄ）は、飛行時間測定装置１０における光照射領域と受光領域との関係を示す模式図である。
【００５１】
反射光Ｌ２の受光信号強度を高めるためには、図４の（ａ）に示すように、受光素子８０の実際の受光領域ＲＡを投影部ＰＡに重ね合わせなければならない。しかし、図４の（ａ）に示すように、受光領域ＲＡの大きさが発光領域の大きさＰとほぼ等しい場合には、パルス発光素子７０の中心又は受光素子８０の中心が、レンズ５０の光軸から互いに異なる方向にずれて配置されると、図４の（ｂ）（ｃ）に示すように、投影部ＰＡと受光領域ＲＡとの間にずれが生じる。その結果、パルス光Ｌ１の反射光が背景光の反射光に対して減少し、ＳＮ比が低下し、最大測定距離が短縮する。図４の（ｄ）に示すように、投影部ＰＡに対して、受光領域ＲＡを大きくすると、受光系と照射系の光軸が多少ずれても、受光は可能である。しかし、受光領域ＲＡを大きくすると、パルス光Ｌ１が照射されない対象物Ｍまで受光領域ＲＡに含んでしまい、不要な背景光を受光することとなり、ＳＮ比は低下し、最大測定距離は伸びない。この課題に対する対策については、後述する受光素子８０の欄で説明する。
【００５２】
（偏光ビームスプリッタ）
偏光ビームスプリッタ６０は、本実施の形態では、図３に示すように、偏光ビームスプリッタ６０は、２個の直角プリズムを貼り合せ、接合面に多層誘電体膜を形成したキューブ型として記述している。しかし、偏光ビームスプリッタ６０は、キューブ型に限定せず、プレート型であってもよい。キューブ型の場合、接合面に対して、入射光のＰ偏光（図２ではＺ軸方向の偏光）を透過し、Ｓ偏光（図３ではＸ軸方向の偏光）を反射する通常の偏光ビームスプリッタでよい。偏光ビームスプリッタ６０は、できるだけレンズ５０から離して設置することが好ましい。図２から明らかなように、レンズ５０から離れる程、偏光ビームスプリッタ６０の大きさを小さくできるからである。
【００５３】
（受光素子）
本実施の形態における受光素子８０の構成を図１に基づいて説明する。図１は、光レーダー装置１における受光素子８０の構成を示す模式図である。
【００５４】
受光素子８０は、図１に示すように、受光部８１と、列選択回路９１と、行選択回路９２と、総和回路９３と、ＴｏＦ計測ユニット９４と、制御回路９５と、メモリ９６とを含んでいる。
【００５５】
受光部８１は、ｎ行ｍ列のアレイ状に配置された受光検出素子であるＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）（ｉ，ｊ）からなっている。受光部８１は、照射領域ＩＡのレンズ５０による受光素子８０上への投影部ＰＡよりも大きく構成されており、パルス発光素子７０と受光素子８０との設置位置が、相対的に異なる方向にずれた場合においても、投影部ＰＡは受光部８１内に留まるように構成されている。投影部ＰＡと重なるＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）のみを活性化することによって、位置ずれがあっても常に投影部ＰＡを必要最低限のＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）でカバーすることができる。したがって、不要な背景光を受光することなく、ＳＮ比を高く保つことができ、最大測定距離が減じることを回避できる。
【００５６】
本実施の形態では、Ｓｉ基板上に形成したＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）を用いることによって、大規模なアレイを容易に製造できるため、大きなコストの増加がない。例えば、端面レーザチップの発光領域は２００μｍ×１０μｍ程度であり、図２の構成では、投影部ＰＡの大きさも同程度となる。位置ずれを縦方向及び横方向のいずれにおいても±１００μｍとしても、受光部８１の大きさは、４００μｍ×２１０μｍ程度である。これはＳｉ−ＬＳＩの通常の大きさである数ｍｍに比べれば、十分小さい。
【００５７】
また、本実施の形態のようなスキャンタイプの飛行時間測定では、一発のパルス光Ｌ１によって、飛行時間測定を行わなければならない場合がある。多数のパルス光Ｌ１に関する測定結果を加算することができない。したがって、照射領域ＩＡでのパルス光Ｌ１の強度は、背景光よりも十分強く、受光素子８０が検出する光子数は多い。このような状況では、大きなＳＰＡＤを少数配置するよりも小さなＳＰＡＤを多数配置する方が好ましい。１個のＳＰＡＤは、１回の受光の後、不感時間（Daed time）（１０ｎｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃ）には、別の受光ができないためである。１個当たりのＳＰＡＤが、不感時間に受光する平均フォトン数は１個よりも小さいことが望ましい。したがって、図１に示すように、多数のＳＰＡＤをアレイ状に配置することは、このようなスキャンタイプの飛行時間測定装置１０には適している。
【００５８】
受光部８１の形状は、投影部ＰＡの形状と許容すべき位置ずれ量とに応じて、自由に変えることができる。例えば、端面発光レーザの場合には、発光領域が楕円形であり、投影部ＰＡの形状も楕円形となるため、図４に示す長方形の形状か、楕円形の形状が好ましい。発光領域が円形に近い面発光レーザでは、投影部ＰＡも円形に近いため、四角形又は円形が好ましい。図４において、左右方向よりの上下方向の位置ずれが大きくなる可能性が高ければ、上下方向の長さを長くすることもできる。
【００５９】
また、投影部ＰＡと重なるＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）の個数は、できるだけ多いことが好ましく、少なくとも５０個以上が好ましく、１００個以上がさらに好ましい。
【００６０】
受光素子８０は、受光部８１内のＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）の内、投影部ＰＡと重なる行及び列を選択して活性化するための回路として、列選択回路９１及び行選択回路９２を有している。ＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）は、列選択線Ｃｊによって列選択回路９１と接続し、行選択線Ｒｉによって行選択回路９２と接続している。受光部８１は、活性化された列選択線Ｃｊ及び行選択線Ｒｉに繋がるＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）のみが活性化し、入射するフォトンを検知する。しかし、他のＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）は検知しないため、測定には全く寄与しない。したがって、余分な背景光を検知することが避けられる。
【００６１】
ＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）は、列信号線ＯＣｊによって列カウンタＣＴｊに接続されている。列カウンタＣＴｊは、接続されたＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）がフォトンを検知した際に発生するパルス数を加算するバイナリーカウンタであり、測定期間にｊ列のＳＰＡＤが検知したフォト数の和を積算値Ｎｊとして出力する。列カウンタＣＴ１〜ＣＴｍは総和回路９３に接続され、総和回路９３の出力はＴｏＦ計測ユニット９４に接続されている。測定期間が終わると個々の列カウンタＣＴｊの出力が総和回路９３に読み出される。総和回路９３は各列カウンタＣＴｊの出力の総和ΣＮｊ＝Ｎ１＋Ｎ２＋・・・・Ｎｍを計算し、結果をＴｏＦ計測ユニット９４へ出力する。この読み出し毎に、列カウンタＣＴ１〜ＣＴｍ及び総和回路９３はリセットされる。
【００６２】
パルス光Ｌ１の発光から一定時間ΔＴ毎に、上記動作が繰り返され、ＴｏＦ計測ユニット９４には、各時間帯のΣＮｊが時系列で蓄えられる。動作ｌ番目（ｌは０からｌｍまでの整数）のΣＮｊをＮ（ｌ）とすれば、Ｎ（ｌ）は、パルス発光によって、経過時間Ｔ＝ΔＴ・ｌから一定時間ΔＴの間に受光部８１が検出したフォトン数となる。Ｔｍ＝ΔＴ・ｌｍは最長飛行時間であり、Ｔｍ・ｃ／２（ｃ：光速）が測定可能な最大距離となる。ＴｏＦ計測ユニット９４は記録されたＮ（ｌ）から飛行時間を計算する。計算方法に関しては後述する。
【００６３】
本実施の形態では、列毎に列カウンタＣＴｊを設けたが、複数の列毎にバイナリーカウンタを設けてもよい。ただし、多数の列の出力を１個のバイナリーカウンタで計数する場合には、数え落としが生じる可能性が高まるため、各列の計数量に応じて、パルスの数え落としを最小限に抑制するように構成しなければならない。
【００６４】
また、列カウンタＣＴｊは、一定時間ΔＴ毎に、計数結果を総和回路９３へ掃き出し、リセットし、次の計数を進める。このため、計数を中断する時間帯が発生する場合がある。この係数中断時間は、極力短くすることが好ましい。そのためには、例えば、列カウンタＣＴｊに、計数結果を蓄えておくバッファを付随させることが考えられる。これにより、カウンタ部分をリセットしても、バッファの内容は保持される。このため、総和回路９３はこのバッファから計数結果を読み出し、読み出し終了後にカウンタの内容とバッファの内容とを同期させる構成を採れば、カウンタのリセット動作の時間が中断時間となる。
【００６５】
或いは、２系列のカウンタを設けて、ΔＴ毎に切り替えて使用することによって、実質的に中断時間をゼロにすることができる。尚、活性化されたＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）のフォトン検出数を所定の時間毎に計数する回路構成は、図１のような、列毎にバイナリーカウンタで集計して、全てのバイナリーカウンタの総計を取る構成に限る必要はない。活性化されたＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）のフォトン検出数の総計を、時系列で求められる回路構成であれば、どのような構成でも構わない。
【００６６】
以上のような受光素子８０の様々な機能の実行、及びそのタイミング制御を行う制御回路９５が受光素子８０に含まれる。制御回路９５は、ＣＰＵユニットや、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等のメモリ９６を含んでいてもよい。
【００６７】
次に、受光部８１を構成するＳＰＡＤの具体的構成を、図５及び図６に基づいて説明する。図５は、受光部８１を構成するＳＰＡＤの具体的構成を示す模式図である。図６は、受光部８１を構成するＳＰＡＤアレイの構成を示す模式図である。
【００６８】
ＳＰＡＤアレイの要素であるＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）は、図５に示すように、フォトダイオードＰＤ、トランジスタＴｒ、パルス出力回路８１ａを含んでいる。フォトダイオードＰＤへは、行選択線Ｒｉから電源が供給される。トランジスタＴｒのゲート電極には列選択線Ｃｊが接続されており、行選択線Ｒｉが電源に接続し、列選択線Ｃｊが活性化されたＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）のみが、フォトン検出モードとなる。本実施の形態のＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）では、非能動クエンチング方式を採用しており、トランジスタＴｒのＯＮ抵抗がクエンチング用の抵抗を兼用している。能動クエンチングの場合は、別の回路構成となる。
【００６９】
パルス出力回路８１ａは、フォトダイオードＰＤがフォトンを検出した場合に、一定時間幅のパルスをＯＣｊ上に出力する回路である。また、図５においては、トランジスタＴｒをフォトダイオードＰＤのＧＮＤ側に配置しているが、トランジスタＴｒをフォトダイオードＰＤと高電圧電源との間に配置してもよい。さらに、トランジスタＴｒもＮＭＯＳ（N - metal-oxide-semiconductor）に限定されず、ＰＭＯＳ（P - metal-oxide-semiconductor）でもよい。
【００７０】
行選択回路９２は、図６に示すように、例えば、ＳＰＡＤの電源ＶＳＰＡＤを各行選択線Ｒｉへ接続するスイッチＳＷ１〜ＳＷｎと、スイッチＳＷｉを制御する回路を含んでいる。行選択回路９２は、任意の組合せでスイッチＳＷｉをオンすることができる。図示しないが、列選択回路９１も同様に、任意の列信号線Ｃｊを活性化するスイッチと、その制御回路とを含んでいる。
【００７１】
図５に示すＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）の回路では、トランジスタＴｒがＮＭＯＳ−ＦＥＴ（field-effect transistor：電界効果トランジスタ）で構成されているため、列信号線ＣｊがＨレベルに設定されたとき、ＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）は活性化される。
【００７２】
活性化すべきＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）の選択は、図７〜９に示すフローに基づいて行われる。図７は、受光素子８０のメインのセットアップフローを示すフローチャートであり、図８及び図９は受光素子８０の詳細フローを示すフローチャートである。
【００７３】
図７に示すように、飛行時間測定装置１０が組み立てられると（Ｓ１）、パルス発光素子７０の発光テスト（Ｓ２）と、受光素子８０のテスト（Ｓ３）と、不良ＳＰＡＤの特定（Ｓ４）とが実施される。尚、Ｓ１〜Ｓ４の工程の順序は、異なっても構わない。Ｓ２のパルス発光素子７０の発光テストでは、パルス発光素子７０が仕様通りにパルス光Ｌ１を発するか否かをテストする。Ｓ３の受光素子８０のテストでは、受光素子８０が、個々のＳＰＡＤの検出特性は別にして、他の回路が正常に動作するかをテストする。すなわち、パルス光Ｌ１のパルス幅、中心波長、波長分布及び発光パワー等の、パルス発光素子７０そのものの特性が適正であることに加えて、偏光ビームスプリッタ６０、１／４波長板５１及びレンズ５０を透過した後のパルス光Ｌ１の照射方向や照射方向に垂直な面内での光強度分布が適正であること等が評価される。
【００７４】
Ｓ４の不良ＳＰＡＤの特定では、主に暗時のＳＰＡＤ特性を評価する。詳細は、図８に基づいて実施される。図８は、受光素子８０の不良ＳＰＡＤ除外工程を示すフローチャートである。
【００７５】
図８に示すように、飛行時間測定装置１０の組み立てが完了すると（Ｓ１１）、電源が投入される（Ｓ１２）。続いて、初期設定として、選択行を表すｉが１に設定されると共に、全てのＧ（ｊ）が０に設定される（Ｓ１３）。ここで、Ｇ（１）〜Ｇ（ｍ）は１ビットのメモリであり、Ｇ（ｊ）＝０であればｊ列は使用可能である一方、Ｇ（ｊ）＝１であればｊ列は使用不可であることを示す。続いて、行選択回路９２によって、スイッチＳＷｉをオン（閉）とする（Ｓ１４）。
【００７６】
次に、Ｓ１５からＳ１９までは、選択列番号１から選択列番号ｍまでを順次テストするループを示している。具体的には、まず、選択列番号１を選択する（Ｓ１５）。Ｇ（ｊ）＝０であれば（Ｓ１６）、列選択回路９１によって列選択線Ｃｊが活性化される（Ｓ１７）。これにより、ＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）が活性化され、暗時のパルス出力がＣＴｊに積算され（Ｓ１８）、積算数ＤＣｊが仕様値よりも大きいか又は小さいかが判定される（Ｓ１９）。積算数ＤＣｊが仕様値よりも大きい場合には、ＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）は使用できないため、Ｇ（ｊ）＝１に設定される（Ｓ２１）。一方、小さければ、問題ないため、選択列番号ｊに１を加算して（Ｓ２０）、Ｓ１６に戻る。
【００７７】
Ｓ１５からＳ２１までのループによって、選択行番号ｉについて、全ての選択列番号がテストされると、選択行番号ｉに１を加算して（Ｓ２２）、次の選択行番号に移るために、Ｓ１４へ戻る。選択行番号ｉがｎよりも大きくなった時点で（Ｓ２３）、テストが終了する（Ｓ２４）。
【００７８】
本構成では、選択列番号ｊに１個でもダークカウント数が多いＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）がある場合は、選択列番号ｊ全体を使用しないように設定している。このような一連のフローは、制御回路９５によってコントロールされる。ダークカウント数の多いＳＰＡＤが存在すると、該当する列の信号数が増加するために、反射光Ｌ２の入射による信号と区別できなくなる恐れがある。したがって、ダークカウント数のテストつまり図７に示す不良ＳＰＡＤの特定（Ｓ４）は、受光列の特定（Ｓ５）及び受光行の特定（Ｓ６）の前に完了する必要がある。
【００７９】
次いで、投影部ＰＡに重なるＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）を選択する図７に示す受光列の特定（Ｓ５）及び受光行の特定（Ｓ６）について、図９に基づいて説明する。図９は、受光素子８０において、活性化する列及び行を選択する工程を示すフローチャートである。
【００８０】
図９に示すように、まず、飛行時間測定装置１０の電源を投入した後（Ｓ３１）、前記不良ＳＰＡＤの特定（Ｓ４）の結果によって得られたＧ（ｊ）に基づいて、Ｇ（ｊ）＝０を満たす選択列番号ｊについてのみ、列選択回路９１がＣｊを活性化する（Ｓ３２）。行選択回路９２は全てのスイッチＳＷｉをオン（閉）とする（Ｓ３３）。この状態で、試験体にパルス光Ｌ１を照射し（Ｓ３４）、反射光Ｌ２を受光する（Ｓ３５）。このとき、活性化された選択列番号ｊの列カウンタＣＴｊには、反射光Ｌ２によるフォトン検出数が記録されている。
【００８１】
Ｓ３６からＳ４２では、列カウンタＣＴｊの結果を読み出し、仕様値以上のカウント数があった選択列番号のみを選択する。これにより、反射光Ｌ２が到達しない列を除外することができる。
【００８２】
具体的には、Ｓ３６において、選択列番号ｊ＝１に初期設定し、Ｓ３７では、不良ＳＰＡＤの特定（Ｓ４）のテストをパスした選択列番号ｊのみが選択される。Ｓ３８では、列カウンタＣＴｊのカウント数Ｎｊが読み出され、Ｓ３９では、カウント数Ｎｊが仕様値よりも小さい場合には、Ｇ（ｊ）＝１とすることによって選択列番号ｊを除外する。Ｓ４２では選択列番号ｊに１を加えて（Ｓ４１）、選択列番号ｊがｍ以下の場合（Ｓ４２）には、Ｓ３７に戻る。このようにして、ダークカウント数の異常がなく、反射光Ｌ２を検知できる選択列番号が選択され、Ｇ（ｊ）にその結果が記録される。
【００８３】
次いで、投影部ＰＡに重なるＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）を有する選択行番号ｉの選択について説明する。
【００８４】
まず、初期設定として選択行番号ｉ＝１を設定し、かつ全てのＨ（ｉ）を０に設定する（Ｓ４３）。ここで、Ｈ（ｉ）は選択行番号ｉが反射光Ｌ２を受光する上で、有効か否かを記録するメモリである。Ｈ（ｉ）＝０なら有効であり、Ｈ（ｉ）＝１なら無効である。
【００８５】
次いで、これまでのテストで得られたＧ（ｊ）に基づいて、Ｇ（ｊ）＝０を満たす選択列番号ｊのみを活性化する（Ｓ４４）。
【００８６】
その後、Ｓ４５からＳ５３までのループにおいて、行毎にパルス光Ｌ１による反射光Ｌ２の受光可否をテストする。具体的には、選択されたｉ行のスイッチＳＷｉを行選択回路９２によってオン（閉）し（Ｓ４５）、試験体にパルス光Ｌ１を照射し（Ｓ４６）、反射光Ｌ２を受光する（Ｓ４７）。続いて、各列の列カウンタＣＴｊの積算値Ｎｊを読み出し、総和回路９３によってΣＮｊを計算する（Ｓ４８）。そして、Ｓ４９においてΣＮｊが仕様値よりも大きいか又は小さいかを判定する。ΣＮｊが仕様値よりも小さければ、選択行番号ｉは反射光Ｌ２の受光に寄与しないと見做して、Ｈ（ｉ）＝１に設定する（Ｓ５０）。一方、ΣＮｊが仕様値以上であれば、反射光Ｌ２の受光に寄与するため、Ｈ（ｉ）＝０のまま、選択行番号ｉに１を加算し（Ｓ５１）、選択行番号ｉがｎ以下の場合は（Ｓ５２）、Ｓ４５へジャンプする。選択行番号ｉがｎより大きければ（Ｓ５２）、テストが終了する（Ｓ５３）。
【００８７】
このようにして、Ｇ（ｊ）＝０を満たす選択列番号ｊ、及びＨ（ｉ）＝０を満たす選択行番号ｉを選択することによって、投影部ＰＡと重なるＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）群を選択することができる。Ｇ（ｊ）及びＨ（ｉ）は、メモリ９６に記憶される。
【００８８】
次に、図１に示すＴｏＦ計測ユニット９４による飛行時間（ＴｏＦ）の決定方法の一例を説明する。
【００８９】
図２及び図３に示す飛行時間測定装置１０からの１回のパルス光Ｌ１の発光に対して、パルス光Ｌ１の発光から、ΔＴ毎に計測した反射光Ｌ２の測定値Ｎ（０）、Ｎ（１）、・・・・Ｎ（ｌｍ）が、図１に示す受光素子８０のＴｏＦ計測ユニット９４に記憶される。
【００９０】
本実施の形態では、ΔＴはパルス光Ｌ１のパルス幅の例えば半分に設定されているとする。ここで、Ｎ（ｌ）の一例を、図１０に示す。図１０は、飛行時間測定装置１０における測定結果を示す図である。
【００９１】
図１０に示すように、Ｎ（ｌ）の大半は背景光による信号であり、背景光による信号レベルＮｂを超えた信号が対象物Ｍからのパルス光Ｌ１の反射光Ｌ２である。ただし、測定値Ｎ（ｌ）は、図１０に示されるように、ポアソン分布にしたがうため、バラツキが大きく、背景光の信号レベルＮｂを決定するには注意を要する。
【００９２】
背景光の信号レベルＮｂは、次のように決定される。すなわち、Ｎ（ｌ）の平均値［Ｎ］をまず求める。ポアソン分布では分散が平均値の平方根に等しいため、背景光の信号レベルＮｂは［Ｎ］＋α・√［Ｎ］とすることができる。αは３〜５程度の定数である。図１０の例では、［Ｎ］＝４．０であり、受光フォトン数の最大値「１４」はα＝５に対応する。したがって、αを５と大きく設定することによって、背景光によるノイズを避けて、対象物Ｍからの反射光Ｌ２だけを検出することができる。
【００９３】
一方、例えばα＝３とすれば、背景光の信号レベルＮｂ＝１１となり、受光フォトン数「１２」及び前記最大値「１４」の２点が排除できないが、パルス光Ｌ１の反射光Ｌ２の信号強度が弱く、受光フォトン数の信号強度が「１２」しかない対象物Ｍに対しても、対象物と認識できる。したがって、多少ノイズを拾っても、対象物の可能性がある物を幅広く検出しようとする場合と、ノイズの可能性があるものはできる限り排除して確実に対象物である物だけを検出しようとする場合とでは、αの値を変更すればよい。このように、ＴｏＦ計測ユニット９４は記憶された一連のＮ（ｌ）から、背景光の信号レベルＮｂを決定し、背景光の信号レベルＮｂを越える信号を対象物として抽出し、その飛行時間を求める機能を有している。前述した説明では、１回のパルス光Ｌ１について説明したが、複数回のパルス発光の測定を積算し、その結果をＮ（ｌ）とする場合も同様である。
【００９４】
（制御・電源部及び駆動・インターフェイス部）
次に、図２に示す制御・電源部２０及び駆動・インターフェイス部４０について説明する。
【００９５】
まず、駆動・インターフェイス部４０は筺体３０を所定の回転角に向ける。そして、それと同期して、制御・電源部２０は飛行時間測定装置１０にパルス発光させ、対象物Ｍへパルス光Ｌ１を照射する。パルス発光と同時に、反射光Ｌ２の計測を始める。
【００９６】
飛行時間測定装置１０が決定した飛行時間は、制御・電源部２０を経由して、駆動・インターフェイス部４０から回転角の情報と共に外部へ送られる。
【００９７】
尚、制御・電源部２０及び駆動・インターフェイス部４０の詳細については、公知の技術が適用できるため、説明を省略する。
【００９８】
（効果の説明）
本実施の形態における光レーダー装置１の飛行時間測定装置１０を用いて、以下の条件及び方法で効果を検証した。
【００９９】
すなわち、飛行時間測定装置１０におけるパルス発光素子７０から発光されるパルス光Ｌ１の発光条件として、発光波長９０５ｎｍ、ピークパワー３１Ｗ、パルス幅６ｎｓｅｃとした。パルス発光素子７０における端面発光レーザチップの発光領域の大きさは、Ｐ＝２００μｍ、Ｕ＝１０μｍであった。ニアフィールドでの光の発散角度は、Ｘ方向２５度、Ｚ方向に１０度であった。
【０１００】
受光素子８０の受光部８１については、１４７μｍ×３５７μｍの領域に、７μｍ角のＳＰＡＤを２１行×５１列、総数１０７１個を配列した。配列に際しては、受光素子８０及びパルス発光素子７０の各設計位置からの相対的な位置ずれが、Ｚ方向及びＸ方向共に大凡±５０μｍ以内と想定し、この範囲内であれば、感度低下無しに測定できることを必要基準とした。
【０１０１】
図５に示すＳＰＡＤのフォトダイオードＰＤの受光部は直径４．５μｍの円形をしており、量子効率は１５％であった。
【０１０２】
また、図３に示す光学バンドパスフィルタ６８として、透過帯中心波長９０５ｎｍ、透過帯幅４５ｎｍの干渉フィルターを用いた。レンズ５０は、焦点距離７５ｍｍ、Ｆ２．８（開口径２６．８ｍｍ）であり、レンズ５０通過後のパルス光Ｌ１の発散角はＸ軸方向に±０．００４度、Ｚ軸方向に±０．０８度であった。偏光ビームスプリッタ６０は、一辺の長さが１５ｍｍのキューブ型を用い、その中心がレンズ５０から４０ｍｍの位置に設置した。受光素子８０は光学バンドパスフィルタ６８、１／４波長板５１、及び偏光ビームスプリッタ６０を介して、レンズ５０の焦点位置に設置した。同様に、パルス発光素子７０は１／４波長板５１、及び偏光ビームスプリッタ６０を介して、レンズ５０の焦点位置に設置した。尚、レンズ５０の光軸上にパルス発光素子７０における端面発光レーザチップの発光領域の中心がくるように設置したが、Ｚ軸方向及びＸ軸方向それぞれ、数十μｍの誤差があった。同様に、レンズ５０の光軸上に受光部８１の中心が来るように設置したが、こちらもやはり数十μｍの誤差が生じた。これらの誤差は、基板の加工精度、基板へのチップのマウント精度などによって、予想される誤差であった。
【０１０３】
検証方法として、飛行時間測定装置１０を組み立てた後、図７に示すＳ２からＳ４までの工程を行った。尚、ＳＰＡＤ（１２、４３）のダークカウント数が大きかったため、ｊ＝４３列は不使用とした。
【０１０４】
次いで、飛行時間測定装置１０から１００ｍ離れた点に、試験体として白色の紙を置き、この紙に向けてパルス光Ｌ１を照射し、図９のフローチャートに示す列、行の選択工程を行った。尚、試験体の設置位置は、できる限り遠方であることが好ましい。可能で有れば、最大測定距離に近いことが好ましい。そうすることで、最大測定距離付近で有効な受光領域ＲＡを特定できるためである。この工程は暗所で行った。
【０１０５】
測定結果の例を図１１に示す。図１１は、飛行時間測定装置１０の受光素子８０における受光強度分布を示す図である。尚、図１１においては、作図の都合上、行と列との配置を入れ替えている。また、図１１においては、飛行時間のタイミングで測定した受光強度を丁度１０００回積算し、最大値を１として、規格化されている。
【０１０６】
図１１において実線枠で示すように、選択行番号ｉ＝３〜９、選択列番号ｊ＝５〜３９が受光領域ＲＡとして有効であった。すなわち、受光領域ＲＡにおいて有効なＳＰＡＤ数は７×３５＝２４５個であり、全体の１０７１個の内の約２３％であった。尚、図１１から明らかなように、少しでも反射光Ｌ２を検出しているＳＰＡＤを網羅的に受光領域ＲＡとしている訳ではない。反射光Ｌ２の信号が、背景光よりも有意に強いＳＰＡＤを受光領域ＲＡとすることによって、ＳＮ比を向上することができる。本構成のように、楕円形の投影部ＰＡに対して長方形の受光領域ＲＡを設定する場合には、角部のＳＰＡＤの反射光Ｌ２の信号が弱い場合があり得るが、大半のＳＰＡＤにおいて、反射光Ｌ２の信号が背景光の信号よりも大きいことが好ましい。
【０１０７】
図１１において一点鎖線枠で示すように、本来の設計中心がＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）＝ＳＰＡＤ（１１，２６）であるのに対して、実際の受光領域ＲＡ中心がＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）＝ＳＰＡＤ（６，２２）であることから、相対的な位置ずれは、Ｚ方向に−３５μｍ（＝５×７μｍ）、Ｘ方向に−２８μｍ（＝４×７μｍ）であったことが分かる。この例では、不良列ｉ＝４３は受光領域ＲＡ含まれないため、不良列の影響は全くなかった。
【０１０８】
４３列を除いた全ＳＰＡＤでの受光信号数に対して、上記有効とした２４５個の受光信号数は約７５％であったことから、パルス光Ｌ１の反射光Ｌ２の内、約３／４を有効領域によって捕えられることとなる。また、受光素子８０の中心に位置する、受光領域ＲＡと同サイズ（７行、３５列）の領域の受光信号数は、約１９％であった。
【０１０９】
したがって、本構成のように、パルス発光素子７０と受光素子８０との位置ずれをカバーできる機構を持たない場合には、位置ずれによって、信号量が約１／４（＝１９％／７５％）に低下することとなる。背景光の信号量は変わらないため、ＳＮ比も同様に１／４に低下し、最大測定距離は大幅にて低下する。
【０１１０】
一方、総数１０７１個のＳＰＡＤを常に使用する場合には、パルス光Ｌ１の反射光Ｌ２の信号は、位置ずれ範囲が±７５μｍ以内であれば、常に本構成の並みの信号量を確保できる。しかし、この場合、背景光の反射光が４．４倍（＝１０７１／２４５）に増加するため、ＳＮ比が低下し、最大測定距離が短くなる。
【０１１１】
前記試験体を飛行時間測定装置から２００ｍの位置に置き、飛行時間を測定した結果を図１０に示している。測定は７月の良く晴れた日に行っており、背景光は非常に強い。背景光によるフォトンカウント数は最大１４個、平均は４．０個であった。
【０１１２】
この結果、２００ｍの距離においても、最大背景光信号よりも十分大きな信号が得られた。繰り返し測定では、試験体からの信号は、平均２６．７個、最大３６個、最少１６個であった。したがって、本構成での最大測定距離として、大凡２００ｍが可能である。
【０１１３】
しかし、前述のように、本構成と同じ受光領域を有し、位置ずれ補正機構を持たなければ、背景信号量は変わらずに、パルス光Ｌ１の反射光強度は１／４となるため、最大測定距離は１００ｍ以下となる。また、本実施の形態の受光素子８０の全領域を受光領域として使う場合には、反射光信号強度は１０％〜２０％程度の増加が見込めるが、背景光強度が４．４倍となるため、図１０に示した背景光信号数が、３８個程度まで増加する。したがって、最大距離は１３０ｍ〜１４０ｍ程度となる。
【０１１４】
尚、対象物Ｍまでの距離が短くなると、投影部ＰＡは受光領域ＲＡを覆って拡大し、さらに受光光量が距離の２乗に反比例して増加するため、飛行時間測定に支障を来すようなことは起きない。
【０１１５】
以上のように、本構成のように、受光素子８０の受光領域を、遠方の対象物Ｍでの、パルス光Ｌ１の照射領域ＩＡが、受光素子８０上に投影される投影部ＰＡを含むように構成し、受光素子８０とパルス発光素子７０の光軸が、組立時にずれた場合には、受光素子８０上の投影部ＰＡを含む部分のみを活性化する。この結果、高いＳＮ比を実現することができる。これにより、精密な位置合わせをする必要が無く、飛行時間測定装置１０の組立精度を緩和することができるため、生産効率を高め、組立コストを下げることができる。また、常にパルス光Ｌ１の反射光Ｌ２が到達する受光部８１のみを活かすことによって、高いＳＮ比を実現し、最大測定距離を大幅に伸ばすことができる。
【０１１６】
〔変形例１〕
本実施の形態１の光レーダー装置１における変形例１である光レーダー装置１ａの構成を図１２に基づいて説明する。図１２は，本実施の形態１における変形例１の光レーダー装置１ａの構成を示す模式図である。
【０１１７】
図１２に示すように、光レーダー装置１ａは回転機構では無く、反射ミラーによって測定領域をスキャンする点が光レーダー装置１と異なる。ただし、飛行時間測定装置１０ａは、飛行時間測定装置１０と同じ機能を有している。筺体３０ａを回転する必要がないため、小型、軽量化、低消費電力化が容易である。また、反射ミラーは、２次元スキャンできる点が有利である。
【０１１８】
詳細には、変形例１の光レーダー装置１ａは、パルス光Ｌ１を対象物Ｍに照射し、対象物Ｍからの反射光Ｌ２を受光する飛行時間測定装置１０ａと、飛行時間測定装置１０ａへ電源を供給し、かつパルス光Ｌ１の照射及び反射光Ｌ２の受光のタイミングを制御する制御・電源部２０ａと、パルス光Ｌ１の照射方向へ反射するミラー３５と、ミラー３５の向く方向を制御するミラー駆動部３６と、これらを収納する筺体３０ａとを有している。
【０１１９】
筺体３０ａは、パルス光Ｌ１及び反射光Ｌ２を透過する窓を有している。尚、窓は、雨滴、泥、及びゴミ等の障害物の付着を防ぐための透明なカバー等のフードを有していてもよい。また、フードは、距離測定に寄与しない可視光等の光をカットするフィルター機能を有していてもよい。
【０１２０】
前記構成の光レーダー装置１ａでは、反射光Ｌ２は、ミラー３５で反射されて、飛行時間測定装置１０ａへ到達する。ミラー３５の向く方向を決定し、ミラー駆動部３６に指示を出す機能は制御・電源部２０ａに含まれる。制御・電源部２０ａは、計測結果を外部へ出力するインターフェイス機能も含む。座標軸は、前記図２と同様である。ミラー３５がＺ軸を回転軸に回転する場合は、前記光レーダー装置１と同様に、Ｘ−Ｙ面内を１次元スキャンすることとなる。ミラー３５をＺ軸回りの回転に加えて、Ｚ軸に直交し、Ｘ軸と４５度に交わる軸の回りの回転を加えることによって、Ｚ軸方向のスキャンも可能となる。
【０１２１】
光レーダー装置１ａ内の飛行時間測定装置１０ａとミラー３５との位置関係は、図１２に限定されることなく、用途に合わせて決定できる。例えば、飛行時間測定装置１０ａの光軸をＺ軸方向に合せ、ミラー３５をＺ軸回りの回転とＺ軸に対する傾斜とを制御することによって、Ｘ―Ｙ面内で３６０度をカバーし、かつＺ軸方向に所定の角度を振ることができ、広範囲の領域を測定することも可能である。ミラー３５はガルバノミラーでもよく、ＭＥＭＳミラーでもよい。
【０１２２】
光レーダー装置１ａは、パルス光Ｌ１の照射領域ＩＡに適合した受光領域を実現し、パルス発光素子７０に対する受光素子８０の位置合わせ精度を大幅に緩和することによって、最大測定距離を大きく伸ばし、かつコスト低減が可能な飛行時間測定装置１０ａを採用している。これによって、光レーダー装置１ａは、最大測定距離を伸ばし、かつ生産コストを低減することができる。また、光レーダー装置１ａは、２次元スキャンが可能であり、小型化し易いという特徴を有している。
【０１２３】
〔変形例２〕
本実施の形態１の光レーダー装置１における変形例２である光レーダー装置１ｂの構成を図１３に基づいて説明する。図１２は、本実施の形態１における変形例２の光レーダー装置１ｂの構成を示す模式図である。
【０１２４】
図１３に示すように、光レーダー装置１ｂは回転機構では無く、ポリゴンミラーによって測定領域をスキャンする点が光レーダー装置１と異なる。ただし、飛行時間測定装置１０ｂは、飛行時間測定装置１０と同じ機能を有している。筺体３０ｂを回転する必要がないため、小型、軽量化、低消費電力化が容易である。また、ポリゴンミラーは、２次元スキャンできる点が有利である。
【０１２５】
詳細には、変形例２の光レーダー装置１ｂは、パルス光Ｌ１を対象物Ｍに照射し、対象物Ｍからの反射光Ｌ２を受光する飛行時間測定装置１０ｂと、飛行時間測定装置１０ｂへ電源を供給し、かつパルス光Ｌ１の照射及び反射光Ｌ２の受光のタイミングを制御する制御・電源部２０ｂと、パルス光Ｌ１の照射方向へ反射するポリゴンミラー３５ｂと、ポリゴンミラー３５ｂの回転を制御するミラー駆動部３６ｂと、これらを収納する筺体３０ｂとを有している。
【０１２６】
筺体３０ｂは、パルス光Ｌ１及び反射光Ｌ２を透過する窓を有している。尚、窓は、雨滴、泥、ゴミ、等の障害物の付着を防ぐための透明なカバー等のフードを有していてもよい。また、フードは、距離測定に寄与しない可視光等の光をカットするフィルター機能を有していてもよい。
【０１２７】
前記構成の光レーダー装置１ｂでは、反射光Ｌ２は、ポリゴンミラー３５ｂによって反射されて、飛行時間測定装置１０ｂへ到達する。ポリゴンミラー３５ｂの向く方向を決定し、ミラー駆動部３６ｂに指示を出す機能は制御・電源部２０ｂに含まれる。制御・電源部２０ｂは、計測結果を外部へ出力するインターフェイス機能も含む。座標軸は、前記図２と同様である。ポリゴンミラー３５ｂのミラー面の傾斜角が一定であり、Ｚ軸を回転軸に回転する場合は、前記光レーダー装置１と同様に、Ｘ−Ｙ面内を１次元スキャンすることとなる。ポリゴンミラー３５ｂの各ミラー面のＺ軸に対する傾斜角度を異なる角度に設定することによって、Ｚ軸方向に異なる複数の角度で、水平スキャンが可能となる。
【０１２８】
光レーダー装置１ｂ内の飛行時間測定装置１０ｂとポリゴンミラー３５ｂとの位置関係は、図１３に限定されることなく、用途に合わせて決定できる。
【０１２９】
光レーダー装置１ｂは、パルス光Ｌ１の照射領域ＩＡに適合した受光領域を実現し、パルス発光素子７０に対する受光素子８０の位置合わせ精度を大幅に緩和することによって、最大測定距離が大きく伸ばし、かつコスト低減が可能な飛行時間測定装置１０ｂを採用している。これによって、光レーダー装置１ｂは、最大測定距離を伸ばし、かつ生産コストを低減することができる。また、光レーダー装置１ｂは、２次元スキャンが可能であり、小型化し易いという特徴を有している。
【０１３０】
このように、本実施の形態における受光素子８０は、パルス光Ｌ１によって照射された対象物Ｍにおける照射を受けた照射領域ＩＡからの反射光Ｌ２を結像光学素子としてのレンズ５０にて結像して受光部８１で受光することによって飛行時間を計測する。そして、受光部８１は、対象物Ｍの照射領域ＩＡにて反射されて受光部８１に結像された投影部ＰＡよりも大きく形成されており、受光部８１のうち、投影部ＰＡと重なる部分が受光領域として活性化されている。尚、活性化とは、入射するフォトンを検知できる状態にあることをいう。
【０１３１】
これにより、少なくとも対象物の照射領域を受光部に結像させることができると共に、受光素子と発光素子との間に光軸を含む相対位置のずれがあっても受光部に結像させることが可能である。
【０１３２】
また、本実施の形態における受光素子８０では、受光部８１のうち、投影部ＰＡと重なる部分が受光領域として活性化されている。この結果、対象物Ｍの照射領域ＩＡだけを測定対象とするので、背景光に対する強度比を少しでも高めることができ、延いては最大測定距離が減じることを回避することができる。
【０１３３】
したがって、パルス光Ｌ１の照射領域ＩＡに適合した受光領域を実現すると共に、パルス発光素子７０に対する受光素子８０の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子８０を実現することができる。
【０１３４】
また、本実施の形態における飛行時間測定装置１０・１０ａ・１０ｂは、パルス発光素子７０と、偏光ビームスプリッタ６０と、結像光学素子としてのレンズ５０と、受光素子８０とを少なくとも含む。また、パルス発光素子７０は、パルス光Ｌ１を、偏光ビームスプリッタ６０及びレンズ５０をこの順で通過させて対象物Ｍに照射し、対象物Ｍからの反射光Ｌ２は、レンズ５０及び偏光ビームスプリッタ６０をこの順で通過して受光素子８０に結像される。さらに、パルス発光素子７０及び受光素子８０は、レンズ５０の一方の焦点位置にそれぞれ配されている。
【０１３５】
このため、パルス光Ｌ１によって照射された対象物Ｍにおける照射を受けた照射領域ＩＡからの反射光Ｌ２をレンズ５０にて確実に結像して受光部８１で受光することができる。したがって、パルス光Ｌ１の照射領域ＩＡに適合した受光領域を実現すると共に、パルス発光素子７０に対する受光素子８０の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子８０ｃを実現し、それにより、最大測定距離を落とさずにコスト低減が可能な飛行時間測定装置１０・１０ａ・１０ｂを実現することが可能となる。
【０１３６】
また、本実施の形態における光レーダー装置１・１ａ・１ｂは、飛行時間測定装置１０・１０ａ・１０ｂをそれぞれ備えている。これにより、光レーダー装置１・１ａ・１ｂの直近から、ブラインドスポットの発生を防止し、かつ遠距離まで測定可能な光レーダー装置を実現することが可能となるという効果を奏する。また、製造バラツキに左右されず、最大測定距離を増大させる光レーダー装置１を提供することが可能となる。尚、光レーダー装置１・１ａ・１ｂのパルス光Ｌ１及び反射光Ｌ２のスキャン機構に関しては、回転機構やミラーに限らず、液晶偏向グレーティングを用いたビームスキャン装置のような非機械的スキャン方式を用いても、同様の利点を享受することができる。
【０１３７】
〔実施の形態２〕
本発明の一実施形態について図１４〜図１９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態の光レーダー装置１ｃは、実施の形態１の光レーダー装置１に対して、受光素子８０ｃの構成が異なり、それ以外は実施の形態１と同じである。
【０１３８】
（受光素子）
本実施の形態における受光素子８０ｃの構成について、図１４及び図１５に基づいて説明する。図１４は、本実施の形態の光レーダー装置１ｃに備えられた飛行時間測定装置１０ｃの受光素子８０ｃの構成を示す模式図である。図１５は、受光素子８０ｃにおける受光部８１ｃを構成するＳＰＡＤｃアレイの構成を示す模式図である。
【０１３９】
本実施の形態の受光素子８０ｃは、図１４に示すように、前記実施の形態１の図１に示す受光素子８０に比べて、ＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）及びそのアレイ構成、特に行選択回路９２ｃの構成が異なっている。
【０１４０】
具体的には、本実施の形態の受光素子８０ｃのアレイ構成は、図１５に示すように、ＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）が、電源線ＶＳＰＡＤ、行選択線Ｒｉ、列選択線Ｃｊ及び列信号線ＯＣｊに接続されている。すなわち、図１６に示すように、本実施の形態のＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）は、前記実施の形態１において図５に示すＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）と同じであり、フォトダイオードＰＤ、トランジスタＴｒ、パルス出力回路８１ａを含んでいる。本実施の形態におけるＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）と前記実施の形態１の図５に示すＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）との大きな相違点は、フォトダイオードＰＤを検出モードにするトランジスタＴｒのゲート電極の制御法にある。
【０１４１】
詳細には、前記実施の形態１の受光素子８０の受光部８１では、図５に示すように、列選択線ＣｊによってＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）を直接制御していたのに対して、本実施の形態の構成の受光素子８０ｃの受光部８１ｃでは、図１６に示すように、トランジスタＴｒのゲート電極は記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）に繋がっており、ＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）は記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）の状態によって制御される。
【０１４２】
実施の形態１では、個々のＳＰＡＤ（ｉ，ｊ）は行単位及び列単位で選択されたが、本実施の形態では、記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）を使って、個々のＳＰＡＤを個別に選択することができる。
【０１４３】
この結果、本実施の形態では、実施の形態１よりも、きめ細かな受光領域ＲＡｃの設定が可能となる。すなわち、実施の形態１では、各ＳＰＡＤへの電源は、行選択線Ｒｉによって供給されていたが、本実施の形態では電源線ＶＳＰＡＤによって、各ＳＰＡＤｃに電源が供給される。この結果、本実施の形態では、ＳＰＡＤｃを活性化するスイッチであるトランジスタＴｒを制御する記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）が、行選択線Ｒｉと列選択線Ｃｊとによって制御される。記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）は、少なくともトランジスタＴｒのオンかオフを記憶すればよく、１ビットのメモリが有ればよい。
【０１４４】
以下では、記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）がＨ状態のとき、トランジスタＴｒがオンし、Ｌ状態のときにオフすると考える。
【０１４５】
尚、記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）のメモリは、通常のＳＲＡＭであり、電源投入時に外部メモリから読み込んで、記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）に書き込んでもよいし、不揮発性メモリであってもよい。不揮発性メモリを用いる場合には、行選択線Ｒｉと列選択線Ｃｊとによって、揮発的に制御できるモードと、不揮発性メモリに書き込みを行い、かつ書き込んだＨ／Ｌ状態によってトランジスタＴｒを制御するモードとが必要である。
【０１４６】
各記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）への書き込みは、行選択線Ｒｉと列選択線Ｃｊとを介して行われる。例えば、初期状態では、記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）は全てＬ状態である。このため、行選択線Ｒｉが活性化されたときの列選択線ＣｊがＨ状態であれば、記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）がＨ状態となり、そうでなければＬ状態を維持すればよい。したがって、行選択回路９２ｃ及び列選択回路９１は、通常のデコーダ回路の機能を有すればよい。
【０１４７】
以上のように、本実施の形態の受光素子８０ｃは、実施の形態１の受光素子８０に比べて、ＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）を選択的に活性化する方法が異なるが、投影部ＰＡと重なるＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）のみを活性化する点は受光素子８０と同じである。このため、投影部ＰＡと受光領域ＲＡとの間に位置ずれが有っても、常に投影部ＰＡを必要最低限のＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）でカバーすることができる。
【０１４８】
活性化すべきＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）の選択は、基本的には、前記実施の形態１の図７に示す受光素子８０のメインのセットアップフローを示すフローチャートにしたがう。しかし、本実施の形態では、受光列の特定と受光行の特定とは分けずに行うため、図７に示す受光列の特定（Ｓ５）と受光行の特定（Ｓ６）は、受光ＳＰＡＤの特定となる。
【０１４９】
本実施の形態の受光素子８０ｃにおける不良ＳＰＡＤの除外工程について、図１７に基づいて説明する。図１７は、受光素子８０ｃの不良ＳＰＡＤ除外工程を示すフローチャートである。尚、図１７は、実施の形態の図７の不良ＳＰＡＤの特定（Ｓ４）に相当する暗時ＳＰＡＤｃの特性評価である。
【０１５０】
図１７に示すように、光レーダー装置１ｃの組み立てが完了すると（Ｓ６１）、電源が投入される（Ｓ６２）。続いて、初期設定として、選択行番号を表すｉが１に設定される（Ｓ６３）。続いて、行選択回路９２によって、行選択線Ｒｉを活性化する（Ｓ６４）。
【０１５１】
次に、Ｓ６５からＳ７４までは、選択列番号１から選択列番号ｍまでを順次テストするループを示している。具体的には、まず、選択列番号ｊを選択列番号１から順に選択する（Ｓ６５）。これにより、列選択回路９１によって、列選択線Ｃｊが活性化される（Ｓ６６）。この結果、ＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）が活性化され、暗時のパルス出力がＣＴｊに積算され（Ｓ６７）、積算数ＤＣｊが仕様値よりも大きいか又は小さいかが判定される（Ｓ６８）。積算数ＤＣｊが仕様値よりも大きい場合には、ＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）は使用できないため、Ｋ（ｉ，ｊ）＝１に設定される（Ｓ６９）。一方、小さければ問題ないため、Ｋ（ｉ，ｊ）＝０に設定される（Ｓ７０）。尚、Ｋ（ｉ，ｊ）は１ビットのメモリであり、Ｋ（ｉ，ｊ）＝０であれば、ＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）は使用可能である一方、Ｋ（ｉ，ｊ）＝１であれば、ＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）は使用不可を示す。その後。選択列番号ｊに１を加算して（Ｓ７１）、Ｓ６６に戻る。
【０１５２】
Ｓ６４からＳ７２までのループによって、選択行番号ｉについて、全ての列がテストされると、選択行番号ｉに１を加算して（Ｓ７３）、次の行に移るために、Ｓ６４に戻る。選択行番号ｉがｎよりも大きくなった時点で（Ｓ７４）、テストが終了する（Ｓ７５）。
【０１５３】
本構成では、ダークカウント数が多いＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）のみを選別することができるため、列全体を使用不能にする実施の形態１よりも不良ＳＰＡＤｃの影響を抑えることができる。以上のような一連のフローは制御回路９５によって、コントロールされる。
【０１５４】
次いで、投影部ＰＡに重なるＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）を選択するフロー、つまり図７に示す受光列の特定（Ｓ５）と受光行の特定（Ｓ６）とを含めた受光ＳＰＡＤの特定について図１８に基づいて説明する。図１８は、受光素子８０ｃにおいて、活性化するＳＰＡＤを選択するフローを示すフローチャートである。尚、図１８のフローチャートは、試験体等の配置や測定条件は、実施の形態１と同じである。
【０１５５】
図１８に示すように、まず、光レーダー装置１ｃの電源を投入した後（Ｓ８１）、初期状態において、選択行番号を表すｉが１に設定される（Ｓ８２）。そして、選択列番号を表すｊを１に設定した後（Ｓ８３）、Ｓ８４からＳ９４までのフローにおいて、全ての選択列番号ｊについて、受光量のチェックを行う。
【０１５６】
具体的には、図１７のフローチャートで得られたＫ（ｉ，ｊ）に基づいて、Ｋ（ｉ，ｊ）＝１である選択列番号ｊのＳＰＡＤｃについては、ダークカウント不良があるため、受光量のチェックは行わず、Ｓ９１へジャンプする。その判断工程がＳ８４である。
【０１５７】
Ｓ８４の後、行選択回路９２ｃ及び列選択回路９１により、行選択線Ｒｉと列選択線Ｃｊとを活性化する（Ｓ８５）。この状態で、試験体にパルス光Ｌ１を照射し（Ｓ８６）、反射光Ｌ２を受光する（Ｓ８７）。このとき、活性化された選択列番号ｊの列カウンタＣＴｊには、反射光Ｌ２によるフォトン検出数が記録されているので、列カウンタＣＴｊのカウント数Ｌｊが読み出される（Ｓ８８）。次いで、カウント数Ｌｊが仕様値よりも小さいか否かが判断され（Ｓ８９）、カウント数Ｌｊが仕様値よりも小さい場合には、Ｋ（ｉ，ｊ）＝１とする（Ｓ９０）。これにより、反射光Ｌ２が到達しないＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）を除外することができる。
【０１５８】
次いで、選択列番号ｊに１を加え（Ｓ９１）、選択列番号ｊが選択列番号ｍ以下の場合（Ｓ９２）には、Ｓ８４に戻る。
【０１５９】
このようにして、ダークカウント数の異常が無く、反射光Ｌ２を検知できる列が選択され、Ｋ（ｉ，ｊ）にその結果が記録される。全ての選択列番号ｊのチェックが終了すると、選択行番号ｉに１を加え（Ｓ９３）、選択行番号ｉが選択行番号ｎ以下である限り、Ｓ８３に戻る。
【０１６０】
以上のようにして、全てのＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）の受光量が測定され、仕様で定められた値以上の受光量のあるＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）だけが選び出される。Ｋ（ｉ，ｊ）はそのまま記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）に書き込まれるか、又はメモリ９６に蓄えられた後に電源が投入される毎に、記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）に書き込まれる。
【０１６１】
上記の手順によって、測定領域を決定した例を図１９に示す。尚、図１９においては、作図の都合上、行と列との配置を入れ替えている。また、図１９においては、飛行時間のタイミングで測定した受光強度を丁度１０００回積算し、最大値を１として、規格化されている。本実施の形態では、規格値が０．３以上の部分を受光領域ＲＡｃとした（尚、規格値０．３未満のＳＰＡＤを一部含むのは、周囲の分布から見て、低めにばらついたためであると解釈した。）。ここで、規格値０．３は、最大背景光の信号強度の約３倍の信号量を目安として選択した。このように、受光領域の大半のＳＰＡＤにおいて、反射光Ｌ２の信号が、背景光の信号よりも有意に大きいことが好ましい。
【０１６２】
図１９においては、白抜きで示すように、ＳＰＡＤｃ（４，１０）及びＳＰＡＤｃ（４，４１）はダークカウント量が大きく、不良とした。また、図１９においては、塗り潰しで示すように、最大受光量に対して、大凡３０％以上の受光量を示すＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）のみを受光領域ＲＡｃに指定した。ここで、前記ＳＰＡＤｃ（４，１０）は受光領域ＲＡｃの中にあるが、受光領域ＲＡｃ中のＳＰＡＤ数１８７個に対して、１個の欠落なので、影響は限られている。
【０１６３】
さらに、図１９においては、受光領域ＲＡｃの中心が、受光部の中心から行方向に５６μｍ（＝７μｍ×８）、列方向に７７μｍ（＝７μｍ×１１）ずれている。このように、受光量の多い所だけを選択することによって、受光領域ＲＡｃを小さく限定しているため、パルス発光素子７０と受光素子８０ｃとの位置ずれが、より大きな所までカバーできることが、本実施の形態の利点である。
【０１６４】
一方、受光領域ＲＡｃを狭めたことによって、ＳＮ比の悪化が懸念される。図１９において、受光領域ＲＡｃに含まれるＳＰＡＤ数は１８８個であり、この個数は、実施の形態１の約７６％となり、背景光信号量は同じだけ低下する。実施の形態１では、平均４．０個、最大１４個であったが、本構成では、平均３．０個、最大で１０個であった。
【０１６５】
一方、２００ｍの距離に置いた試験体からの信号は、実施の形態１では平均２６．７個、最大３６個、最少１６個であったのに対し、本構成では、平均２１．４個、最大３０、最少１３であった。
【０１６６】
パルス光の反射光信号は約８０％であり、背景光量の減少程は減っていない。本構成でも、最大測定距離２００ｍを実現できた。この理由は、図１９に示すように、受光領域ＲＡｃが受光部８１ｃの端部に偏った場合でも、受光部８１ｃの中心側に受光領域ＲＡｃを伸ばし、信号量が多いＳＰＡＤだけを選択することによって、背景光信号の増加を抑えながら、パルス光Ｌ１の反射光Ｌ２を有効に検出できるからである。
【０１６７】
以上のように、本実施の形態の構成では、受光部８１ｃの任意のＳＰＡＤｃ（ｉ，ｊ）を選択的に活性化できるため、不良ＳＰＡＤの影響を最小限に抑えると共に、受光素子８０ｃとパルス発光素子７０との位置ずれに対して、広い範囲で対応できる。
【０１６８】
〔実施の形態３〕
本発明の一実施形態について図２０に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態における光レーダー装置１ｄの飛行時間測定装置１０ｄは、実施の形態１の光レーダー装置１の飛行時間測定装置１０に対して、図２０に示すように、光照射系と受光系とが結像光学素子を共有しない構成となっている。それ以外は実施の形態１と同じである。
【０１６９】
本実施の形態における飛行時間測定装置１０ｄの構成について、図２０に基づいて説明する。図２０は、本実施の形態における光レーダー装置１ｄにおける飛行時間測定装置１０ｄの構成を示す模式図である。
【０１７０】
図２０に示すように、本実施の形態における光レーダー装置１ｄの飛行時間測定装置１０ｄには、受光系には受光レンズ５０ｄがあり、照射系にはコリメーションレンズ５２がある。また、受光レンズ５０ｄ及びコリメーションレンズ５２の前方には、偏光ビームスプリッタ６０ｄ及び１／４波長板５１ｄが配置されている。
【０１７１】
受光素子８０ｄは受光レンズ５０ｄの焦点位置に配置される一方、パルス発光素子７０ｄはコリメーションレンズ５２の焦点位置に配置される。
【０１７２】
この構成によって、パルス光Ｌ１ｄの光軸と受光する反射光Ｌ２ｄの光軸とを一致させることができる。本構成では、対象物Ｍ上でのパルス光Ｌ１ｄの照射領域ＩＡｄはコリメーションレンズ５２によって制御でき、受光素子８０ｄの対象物Ｍ上の受光領域ＲＡｄは受光レンズ５０ｄによって制御できる。その結果、実施の形態１の飛行時間測定装置１０に対して、設計の自由度が増す。
【０１７３】
ここで、パルス発光素子７０ｄの発光部の大きさをＰｄとし、発光部から発する光の角度分布の半値幅をθｄとし、受光素子８０ｄの受光部の大きさＱｄとすると、大凡以下の関係が成立する。
【０１７４】
飛行時間測定装置１０ｄの近傍でのパルス光Ｌ１ｄの径：
φｄ（０）＝２・ｆｄ・ｓｉｎ（θｄ／２）
飛行時間測定装置１０ｄから遠方（距離Ｌ）の対象物Ｍ上でのパルス光Ｌ１ｄの照射領域ＩＡｄの径：
φｄ（Ｌ）＝Ｐｄ・Ｌ／ｆｄ＋φｄ（０）
受光部に投影される照射領域ＩＡｄのイメージである投影部ＰＡｄの径：
Ｉφｄ（Ｌ）＝ｆ／Ｌ・φｄ（Ｌ）
＝Ｐｄ・ｆ／ｆｄ＋２・ｆｄ・ｆ・ｓｉｎ（θｄ／２）／Ｌ
実施の形態１では焦点距離ｆｄ＝ｆであったため、遠方の対象物Ｍによる投影部ＰＡｄの径は、ほぼＰｄに等しかったが、本構成では焦点距離ｆ≠ｆｄが可能であり、様々な組み合わせが可能である。
【０１７５】
ところで、ＳＰＡＤを形成するプロセスの加工寸法が大きく、１個のＳＰＡＤの大きさが実施の形態１のように７μｍと小さくできず、例えば、１５μｍ程度までしか縮小できない場合がある。１個のＳＰＡＤの大きさが１５μｍ程度であるときには、実施の形態１の場合には、受光領域に含まれるＳＰＡＤ数は１／４となってしまう。この結果、そのままでは、計測時の信号数が減少し、ＳＮ比が低下してしまう。
【０１７６】
そこで、この事態を回避して実施の形態１と同数のＳＰＡＤ数を確保するには、受光部の大きさも２倍に広げ、照射領域も２倍にする必要がある。照射領域を２倍にするためには、パルス発光素子７０ｄの発光部の大きさＰｄを２倍にするか、焦点距離ｆｄを半分にするか、何れかが必要である。通常、レーザの発光域を大きくすることは難しいため、コリメーションレンズ５２の焦点距離ｆｄを半分にすればよい。
【０１７７】
逆に、パルス発光素子７０ｄの発光パワーを上げるために、より大きな発光部の大きさＰｄを有する面発光レーザをパルス発光素子７０ｄとして使用する場合には、コリメーションレンズ５２の焦点距離ｆｄを大きくすることによって、照射領域ＩＡｄの大きさを小さくして、投影部ＰＡｄの径を小さくすることができる。
【０１７８】
本実施の形態の構成によれば、パルス発光素子７０ｄの発光領域の大きさと、受光素子８０ｄの受光部との大きさの関係が変化しても、受光レンズ５０ｄの焦点距離、及びコリメーションレンズ５２の焦点距離を適切に選択することができる。これによって、受光素子８０ｄの受光部を、パルス光Ｌ１ｄの照射領域ＩＡｄが受光素子８０ｄ上に投影される投影部ＰＡよりも大きく構成することができる。この結果、受光素子８０ｄの光軸とパルス発光素子７０ｄの光軸とがずれた場合にも、受光素子８０ｄ上の投影部ＰＡｄのみを活性化することによって、高いＳＮ比を実現することができる。
【０１７９】
これにより、精密な位置合わせをする必要がなく、飛行時間測定装置１０ｄの組立精度を緩和することができるため、生産効率を高め、組立コストを下げることができる。さらに、パルス光Ｌ１ｄの反射光Ｌ２ｄが到達する受光部のみを活かすことによって、高いＳＮ比を実現し、最大測定距離を大幅に伸ばすことができる。
【０１８０】
〔実施の形態４〕
本発明の一実施形態について図２１〜図２４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態における光レーダー装置１ｅの飛行時間測定装置１０ｅは、実施の形態１の光レーダー装置１の飛行時間測定装置１０に対して、図２１に示すように、パルス発光素子７０ｅが複数の発光部を含み、受光素子８０ｅが複数の受光部を含む点が異なっている。
【０１８１】
本実施の形態における飛行時間測定装置１０ｅの構成について、図２１及び図２２の（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。図２１は、本実施の形態の光レーダー装置１ｅにおける飛行時間測定装置１０ｅの構成を示す模式図である。図２２の（ａ）は、飛行時間測定装置１０ｅにおけるパルス発光素子７０ｅの構成を示す正面図である。図２２の（ｂ）は、飛行時間測定装置１０ｅにおけるパルス発光素子７０ｅの構成を示す平面図である。
【０１８２】
前記実施の形態１における光レーダー装置１は、単チャネル構成である。このため、解像度を上げる上では不利であった。これに対して、多チャネル化し、測定点を増やすことによって、解像度を上げることが本実施の形態の主目的である。
【０１８３】
まず、多チャネル化する場合として、パルス発光素子７０ｅの発光部と受光素子８０ｅの受光部とを一対一で対応させる場合を考える。この場合、各発光部の光軸と対応する受光部の光軸とを合わせなければならない。
【０１８４】
ところで、単体の発光部の光軸と単体の受光部の光軸とを対応させるには、ミクロンオーダーの精度での位置合わせが必要となり、非常な労力が必要となる。この問題点は、光レーダー装置の小型化を進める程、大きな問題となる。この点も改善することが本実施の形態の目的である。
【０１８５】
本実施の形態の飛行時間測定装置１０ｅのパルス発光素子７０ｅは、図２１に示すように、パルス発光素子７０ｅが複数の発光部を含み、かつ受光素子８０ｅが複数の受光部を含んでいる。
【０１８６】
具体的には、図２２の（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態の飛行時間測定装置１０ｅでは、パルス発光素子７０ｅは、例えば８個の発光部７８−１〜７８−８を含んでいる。ただし、パルス発光素子７０ｅは、必ずしも８個の発光部７８−１〜７８−８に限定される必要はなく、例えば２個以上であれば、どのような数でも構わない。
【０１８７】
詳細には、図２２の（ａ）に示すように、パルス発光素子７０ｅは、Ｎ層７１とＰ層７３と間に発光層７２を有してなっている。
【０１８８】
Ｎ層７１は、Ｎ型ＧａＡｓ基板及びその上に成長されたＮ型層を含む。Ｎ層７１の上には、発光層７２及びＰ層７３が順次エピタキシー成長され、各発光部７８−１〜７８−８に対応したリッジ７７−１〜７７−８、及びＰ電極７６−１〜７６−８が形成されている。Ｎ層７１の裏面には、Ｎ電極７５が形成され、リッジ７７−１〜７７−８間は絶縁膜７４が覆っている。各リッジ７７−１〜７７−８は、等間隔Ｒで互いに平行に配置されている。
【０１８９】
図２２の（ｂ）に示すように、各リッジ７７−１〜７７−８の中心線は、端面７９Ｆ・７９Ｂと直交している。尚、端面７９Ｆが光照射方向である。パルス発光素子７０ｅは、照射系の光軸に対して、端面７９Ｆを垂直とし、かつリッジ７７−１〜７７−８が平行になるように設置される。
【０１９０】
ここで、図２１においては、発光部７８−３がパルス発光素子７０ｅの光軸上にある場合を例示しており、発光部７８−ｍ（ｍは１〜８の何れかの整数）の光軸からの距離をＺｍとすると、Ｚｍ＝（ｍ−３）・Ｒで表される。
【０１９１】
この結果、発光部７８−ｍから発した光は、偏光ビームスプリッタ６０、１／４波長板５１及びレンズ５０ｅを通して対象物Ｍに照射される。このとき、レンズ５０ｅの光軸からは、Ｚ軸方向に互いに異なる角度で対象物Ｍに照射される。
【０１９２】
発光部７８−ｍから発したパルス光をパルス光Ｌ１−ｍとし、パルス光Ｌ１−ｍの進行方向がＹ軸となす角度をＡｍとすると、ｔａｎ（Ａｍ）＝Ｚｍ／ｆの関係にある。各発光部７８−ｍは、対応するＰ電極７６−ｍと共通のＮ電極７５との間に電流を流すことによって、発光を生じる。ここでは、順次発光することを想定している。
【０１９３】
パルス発光素子７０ｅは、各発光部７８−ｍの駆動回路を含んでいることが好ましい。尚、図２０では駆動回路を省略している。その発光のための電源は、制御・電源部２０ｅから供給され、発光前の充電動作や発光動作のタイミングも制御・電源部２０ｅによって制御される。
【０１９４】
次に、受光素子８０ｅの構成を、図２３に示す。受光素子８０ｅは、図２３に示すように、パルス発光素子７０ｅと同様に、８個の受光部８１−１〜８１−８を有している。各受光部８１−ｍは、互いに等間隔Ｒで配置されている。各受光部８１−ｍは、受光制御部８２−ｍをそれぞれ有している。受光制御部８２−ｍは、受光部８１−ｍに電源を供給し、受光部８１−ｍの出力信号を増幅し、加工した後、計測回路８３へ伝達する。計測回路８３は、各受光部８１−ｍ毎の飛行時間Ｔｍを求め、制御・ＩＯ・電源部８４へ送る。受光素子８０ｅへの電源供給及びタイミング制御は、制御・電源部２０ｅにて行われる。尚、パルス発光後の受光開始は、パルス発光素子７０ｅからタイミング信号を直接送ることにより制御してもよい。
【０１９５】
ここで、図２１に示すように、受光素子８０ｅは、受光部の中心線８５がレンズ５０ｅの光軸と平行となるように、Ｚ軸に対して垂直に設置される。図２１に示すパルス発光素子７０ｅと一対一に対応させるために、受光系の光軸の中心が受光部８２−３の中心にくるように配置される。図２３において、受光部８２−ｍの受光系の光軸の中心を基準にした座標Ｙｍは、Ｙｍ＝（ｍ−３）・Ｒで表される。
【０１９６】
パルス発光素子７０ｅ及び受光素子８０ｅをモノリシックに形成すれば、発光部７８−ｍ及び受光部８１−ｍの位置関係はリソグラフィ技術の精度によって決まるため、非常に高精度に製造することができる。本実施の形態では、個々の発光部や受光部のような小さな部品を、個別に高精度に設置する必要がなく、個別の発光部や受光部に比べれば遥かに大きいパルス発光素子７０ｅや受光素子８０ｅを高精度に設置すればよい。このため、飛行時間測定装置１０ｅを製造することは桁違いに容易となる。特に、高解像度化するために、発光部や受光部の数を１６個、３２個、６４個と増やす場合には、効果はより顕著となる。
【０１９７】
したがって、本実施の形態の構成では、飛行時間測定装置１０ｅの製造が容易となり、不良の発生を抑制し、低コストで生産が可能となる。
【０１９８】
尚、本実施の形態の受光素子８０ｅの各受光部８０−ｍの構成は、実施の形態１の受光素子８０の受光部８１の構成、又は実施の形態２の受光素子８０ｃの受光部８１ｃの構成と同じである。受光制御部８２−ｍは、実施の形態１と同様に行選択回路９２や列選択回路９１を少なくとも含んでいる。受光制御部８２−ｍは、実施の形態１と同様に、列カウンタＣＴｊ、総和回路９３、及び関連する制御回路含んでいてもよい。
【０１９９】
本実施の形態の受光部８１−ｍでは、対応する発光部７８−ｍによる対象物Ｍの光照射領域ＩＡ−ｍが、レンズ５０ｅによって受光部８１−ｍ上に投影される投影部ＰＡ−ｍよりも大きく、しかも、投影部ＰＡ−ｍと重なる部分のみを活性化し、実際の光検出を行うことができる。
【０２００】
したがって、パルス発光素子７０ｅ及び受光素子８０ｅの設置に際して、パルス発光素子７０ｅ及び受光素子８０ｅが設計位置から多少ずれたとしても、受光部８０−ｍによって、位置ずれを補正することができる。
【０２０１】
尚、パルス発光素子７０ｅ及び受光素子８０ｅとして、図２２及び図２３に示す１個のデバイスを、それぞれ複数配置してもよい。例えば、図２２に示した８個の発光部を有する発光デバイスを直列に２個並べることによって、合計１６個の発光部を有するパルス発光素子として使用することができる。同時に、図２３に示した８個の受光部を有する受光デバイスを直列に２個並べることによって、合計１６個の受光部を有する受光素子として使用することができる。各デバイスを１個使う場合に比べ、工数は２倍となるが、１６個の発光部や受光部を有するデバイスを開発することなく容易に２倍の解像度を有するパルス発光素子や受光素子を製造することができる。
【０２０２】
また、このような使用方法を可能とするために、端部のリッジ７７−１及びリッジ７７−８の中心から、チップの端部までの距離はＲ／２以下であることが好ましく、端部の受光部８１−１及び受光部８１−８の中心から、チップの端部までの距離はＲ／２以下であることが好ましい。
【０２０３】
本実施の形態では、パルス発光素子７０ｅは、例えば、各リッジ７７−１〜７７−８の幅は２００μｍ、リッジの配置ピッチはＲ＝３５０μｍ、各発光部７８−１〜７８−８の発光波長９０５ｎｍ±１ｎｍ、及びピークパワー３１Ｗ±１Ｗとし、パルス幅６ｎｓｅｅで駆動している。
【０２０４】
また、受光素子８０ｅはシリコン基板に形成されており、受光部８１−１〜８１−８は、発光部の配置ピッチと同じＲ＝３５０μｍで配置されている。各受光部８１−ｍは、実施の形態１の受光部８１と同様の構成である。ただし、配置ピッチが３５０μｍであるため、例えば、ＳＰＡＤの配置数は２１×４３＝９０３個であり、受光部８１−ｍの大きさは、１４７μｍ×３０１μｍとした。受光制御部８２−ｍは、実施の形態１の行選択回路９２や列選択回路９１及び列カウンタＣＴｊを含んでいる。計測回路８３は総和回路９３及びＴｏＦ計測ユニット９４の機能を含み、制御・ＩＯ・電源部８４は制御回路９５の機能を含んでいる。すなわち、受光素子８０ｅは、少なくとも受光素子８０の受光部８１の機能を８個集積しており、ＴｏＦ計測機能を共有している。受光部８１−ｍは、対応する発光部７８−ｍによる遠方の対象物Ｍからの投影部ＰＡ−ｍを覆う受光領域ＲＡ−ｍをそれぞれの受光部８１−ｍに設定することができる。
【０２０５】
本実施の形態では、図２１に示す光学バンドパスフィルタ６８として、例えば、透過帯中心波長９０５ｎｍ、及び透過帯幅４５ｎｍの干渉フィルターを用いた。レンズ５０ｅは焦点距離４０ｍｍ、及びＦ１．８（開口径２２．２ｍｍ）である。偏光ビームスプリッタ６０は、一辺の長さが１５ｍｍのキューブ型を用い、その中心がレンズ５０ｅから２０ｍｍの位置に設置した。受光素子８０ｅは、光学バンドパスフィルタ６８、１／４波長板５１及び偏光ビームスプリッタ６０を介して、レンズ５０ｅの焦点位置に設置した。同様に、パルス発光素子７０ｅは１／４波長板５１及び偏光ビームスプリッタ６０を介して、レンズ５０ｅの焦点位置に設置した。レンズ５０ｅ通過後のパルス光の発散角は０．２９度程度であった。各発光部７８−１〜７８−８からのパルス光Ｌ１−１〜Ｌ１−８は、Ｙ軸方向に対して、Ｚ軸側に＋１．０度、＋０．５度、０度、−０．５度、−１．０度、−１．５度、−２．０度及び−２．５度の振れ角にて、それぞれ放出される。
【０２０６】
各受光部８１−１〜８１−８は、前記パルス光Ｌ１−１〜Ｌ１−８に対する反射光Ｌ２−１〜Ｌ２−８を受光する。発光部７８−１〜７８−８は順番に発光され、それに対応して、受光部８１−１〜８１−８が順次受光する。したがって、一時に活性化される発光部と受光部とは一対である。前記制御・電源部２０からの信号により、制御・ＩＯ・電源部８４が選択した受光部８１−ｍには、受光制御部８２−ｍから各ＳＰＡＤに電源が供給される。
【０２０７】
上記のような測定を順次繰り返すことによって、一度に８点の測定を実施することができる。この場合、Ｚ軸方向の角度分解能は０．５度であった。ただし、このＺ軸方向の角度分解能（Ｒ／ｆ（ｒａｄ））は、レンズ５０ｅの焦点距離ｆ、並びに発光部及び受光部の各ピッチＲによって制御することができる。例えば、長い焦点距離ｆのレンズ５０ｅを使用することによって、角度分解能を小さくすることができる。
【０２０８】
本実施の形態では、８個のチャネルを順次駆動することによって、実施の形態１と同等の最大測定距離を実現することができる。その際、受光部８１−ｍの一方の辺の長さを削減した分だけ、位置ずれ補正範囲は狭まったが、組立誤差があっても、受光領域ＲＡ−ｍを適切に設定することにより、最大測定距離が低下することはなかった。
【０２０９】
このように、本実施の形態の光レーダー装置１ｅは、角度分解能を向上するための複数発光部及び複数の受光部を有しており、最大測定距離が長く、製造方法が容易であるという特徴を有している。
【０２１０】
本実施の形態では、パルス発光素子７０ｅの発光部７８−ｍの配置ピッチは一定とした。この結果、受光素子８０ｅの受光部８１−ｍの配置ピッチも一定であった。しかし、配置ピッチは必ずしも一定である必要はなく、様々な変更が可能である。例えば、視野の中心部では、分解能を高くし、周辺部では分解能を低くするという目的で、隣接する発光部の距離を、パルス発光素子７０ｅの中央部では周辺部より、短くすることができる。その場合には、受光素子８０ｅにおける受光部８１−ｍの座標Ｙｍは、対応する発光部７８−ｍの座標Ｚｍと、等しくなければならない。
【０２１１】
尚、本実施の形態では、パルス発光素子７０ｅの発光部７８−ｍと受光素子８０ｅの受光部８１−ｍとは、一対一対応している場合を示したが、１対２等の構成も可能である。例えば、角度分解能を非常に高めたい場合、発光部７８−ｍに対して受光部８１−ｍａ、８１−ｍｂ、８１−ｍｃ等にすることが可能である。
【０２１２】
〔変形例〕
本実施の形態４の変形例における光レーダー装置１ｆの構成として、図２４に示すように、受光部８１ｆ−１〜８に対応して、計測回路８３ｆ−１〜８を複数（図２４では８個）準備することが可能である。
【０２１３】
本実施の形態４の変形例における光レーダー装置１ｆの構成について、図２４に基づいて説明する。図２４は、本実施の形態４の変形例における光レーダー装置１ｆの受光素子８０ｆの構成を示す模式図である。
【０２１４】
図２４に示すように、本実施の形態の変形例における光レーダー装置１ｆの受光素子８０ｃは、受光部８１ｆ−１〜８１ｆ−８及び受光制御部８２ｆ−１〜８２ｆ−８が複数個（図２４では８個）ある点は受光素子８０ｅと同じである。しかし、計測回路８３ｆ−１〜８３ｆ−８が受光部８１ｆ−１〜８１ｆ−８に対応して複数（図１２では８個）準備されている点が相違する。
【０２１５】
すなわち、受光部８１ｆ−ｍ、受光制御部８２ｆ−ｍ、計測回路８３ｆ−ｍは、実施の形態１の受光素子８０の受光部８１、又は実施の形態２の受光素子８０ｃの受光部８１ｃと同じ機能を有しており、同時に動作することができる。ここで、本実施の形態の変形例では、パルス発光素子７０ｆの見かけは図２２の（ａ）（ｂ）とは変わらないが、複数個（本変形例では８個）の発光部７８ｆ−１〜７８ｆ−８を同時発光することができる。また、受光部８１ｆ−１〜８１ｆ−８も同時受光することが可能である。
【０２１６】
実施の形態４では、発光部と受光部との対は、一対ずつ動作していたが、本変形例では同時動作が可能である。これにより、測定時間を短縮することができる。また、測定回数を増やすことによって、測定結果を加算し、測定精度を向上することが可能となる。
【０２１７】
〔実施の形態５〕
本発明の一実施形態について図２５及び図２６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施の形態における光レーダー装置１ｇの飛行時間測定装置１０ｇは、図２５に示すように、実施の形態３の光レーダー装置１ｄの飛行時間測定装置１０ｄと同様に、光照射系と受光系とでは光学素子を共有しない構成となっている。すなわち、受光系には受光レンズ５０ｇがあり、照射系にはコリメーションレンズ５２ｇがある。しかし、本実施の形態では、偏光ビームスプリッタ６０ｄは使用せず、光照射系の光軸と受光系の光軸とは別々に配置される点が異なっている。
【０２１８】
本実施の形態における光レーダー装置１ｇの飛行時間測定装置１０ｇの構成について、図２５及び図２６に基づいて説明する。図２５は、本実施の形態における光レーダー装置１ｇの飛行時間測定装置１０ｇの構成を示す模式図である。図２６は、光レーダー装置１ｇにおける受光素子８０ｇの光照射領域と受光領域との関係を示す模式図である。
【０２１９】
図２５に示すように、本実施の形態の飛行時間測定装置１０ｇは、偏光ビームスプリッタ６０ｄは使用せず、光照射系の光軸と受光系の光軸とは別々に配置されている。尚、本実施の形態においては、光照射系の光軸と受光系の光軸とが互いに平行な場合を想定して説明する。
【０２２０】
例えば、設計段階では、光照射系の光軸と受光系の光軸とが互いに平行であるとしても、実際の飛行時間測定装置１０ｇの製造段階では、受光レンズ５０ｇ、コリメーションレンズ５２ｇ、パルス発光素子７０ｇ及び受光素子８０ｇの取り付け精度のバラツキによって、両光軸が完全に平行である可能性は少なく、両者がクロスする場合も在り得る。
【０２２１】
本実施の形態では、このようなバラツキがあっても、最大測定距離が大きい飛行時間測定装置１０ｇを高効率で生産できるようにすることである。また、本実施の形態では、偏光ビームスプリッタ６０ｄや１／４波長板５１ｄが必要なく、構造が簡略化され、製造コストを下げることができる。
【０２２２】
図２５に示すように、例えば、パルス発光素子７０ｇの発光部の大きさをＰｇとし、発光部から発する光の角度分布の半値幅をθｇとし、受光レンズ５０ｇの光軸とコリメーションレンズ５２ｇの光軸との距離をＤとすると、実施の形態１及び実施の形態３と同様に以下の関係が成立する。
【０２２３】
飛行時間測定装置１０ｇの近傍でのパルス光Ｌ１ｇの径：
φｇ（０）＝２・ｆｇ・ｓｉｎ（θｇ／２）
飛行時間測定装置１０ｇから遠方（距離Ｌ）の対象物Ｍでのパルス光Ｌ１ｇの照射領域ＩＡｇの径：
φｇ（Ｌ）＝Ｐｇ・Ｌ／ｆｇ＋φｇ（０）
受光部８１ｇ上に投影される照射領域ＩＡｇの投影部ＰＡｇの径：
Ｉφｇ（Ｌ）＝ｆ／Ｌ・φｇ（Ｌ）
＝Ｐｇ・ｆ／ｆｇ＋２・ｆｇ・ｆ・ｓｉｎ（θｇ／２）／Ｌ
本実施の形態では、光照射系の光軸と受光系の光軸とが互いに重ならないために、投影部ＰＡｇの中心は受光レンズ５０ｇの光軸上に落ちず、下記Ｗのシフトが生じる。
【０２２４】
受光部８１ｇにおける照射領域ＩＡｇの中心と受光レンズ５０ｇの光軸との距離：
Ｗ＝Ｄ／Ｌ・ｆ
ここで、距離Ｄ＝３０ｍｍ、距離Ｌ＝１００ｍ、焦点距離ｆ＝７５ｍｍとすれば、距離Ｗ＝２２．５μｍである。したがって、遠方の対象物Ｍであれば、実施の形態１や実施の形態２で想定した位置ずれ補正範囲以下の大きさであり、受光素子８０ｇが受光素子８０又は受光素子８０ｃと同様の構成を有しておれば、同様に最大測定距離を大きくすることができる。
【０２２５】
しかし、図２５に示すように、対象物Ｍまでの距離Ｌに応じて、距離Ｗが変化するために、短距離での対応策が必要となる。遠方ではＩφｇ（Ｌ）の第２項であるｆ／Ｌ・φｇ０が無視できるため、投影部ＰＡｇの大きさは、パルス発光素子７０ｇの発光部の大きさＰｇとコリメーションレンズ５２ｇ及び受光レンズ５０ｇの各焦点距離の比で決まる定数Ｐｇ・ｆ／ｆｇとなる。
【０２２６】
一方、距離Ｌが小さくなると、第２項が大きくなるため、投影部ＰＡｇの大きさが増加すると共に、その中心がＸ軸方向に距離Ｗだけ移動する。そこで、目標とする最大測定距離での投影部ＰＡｇをカバーすると共に、短距離側の投影部ＰＡｇが存在する方向に受光部８１ｇの受光領域ＲＡｇを拡大する。これによって、遠方から近傍までの対象物Ｍを捕えることができる。
【０２２７】
遠方の対象物Ｍに対しては、投影部ＰＡｇ以外の部分まで受光領域に含まれるため、ＳＮ比は多少悪化するが、遠方から近傍まで、１個の受光素子８０ｇで計測できる。一方、近傍の対象物Ｍに対しては、その投影部ＰＡｇ全体をカバーすることはできないが、短距離であるため、受光効率が高い。このため、比較的狭い受光領域であっても、十分な信号量を得ることができる。
【０２２８】
図２５に示した投影部ＰＡｇを与えるパルス発光素子７０ｇは、端面発光レーザを使っており、発光層がＸ軸と平行となるように配置している。この配置では、遠方では、図２６に示すように、投影部ＰＡｇはＸ軸方向に長い楕円状の形状を示す。一方、近距離では投影部ＰＡｇがＸ軸方向に移動するため、受光領域の拡張を少なくすることができる。すなわち、ＳＮ比の悪化を抑制することができ、最大測定距離を伸ばすことができる。
【０２２９】
端面発光レーザの発光層をＺ軸と平行に配置する場合には、受光領域を大きく拡張せざるを得ないため、このような効果は得られない。したがって、パルス発光素子７０ｇの発光領域は、受光素子８０ｇが配置されている方向と平行に広がっていることが好ましい。そのためには、端面発光レーザを発光層がＸ軸と平行となるように配置するか、又は面発光レーザの発光領域の形状をＸ軸方向に細長くすることが好ましい。
【０２３０】
飛行時間測定装置１０ｇにおいて、最大測定距離を伸ばす一方、できる限り短距離まで測定するためには、光軸間の距離Ｄを小さくすることが効果的だが、２個のレンズ間距離を近づけることには限界がある。それ以外で可能な対策は、コリメーションレンズ５２ｇの焦点距離ｆｇを受光レンズ５０ｇの焦点距離ｆに対して、できる限り小さくすることである。
【０２３１】
例えばｆ／ｆｇ＝２とすれば、遠方の対象物Ｍに対する投影部ＰＡｇの大きさが２倍となり、近距離での投影部ＰＡｇの拡大を半分に抑えることができる。この結果、受光領域ＲＡｇの拡張によるＳＮ比の低下を抑制することができる。したがって、コリメーションレンズ５２ｇの焦点距離ｆｇは、受光レンズ５０ｇの焦点距離ｆよりも小さいことが好ましい。
【０２３２】
実際には、組立誤差の態様によって、受光部８１ｇの中心に対する投影部ＰＡｇの相対的な位置が変わる。また、対象物Ｍまでの距離によって、移動する方向も変わる。そこで、受光部８１ｇを十分大きく形成し、受光領域を遠方の対象物Ｍの投影部ＰＡｇを少なくともカバーし、近距離の対象物Ｍの投影部ＰＡｇの一部を含むように拡張する。これによって、遠距離から近距離まで対応でき、しかも、最大測定距離が大きな飛行時間測定装置１０ｇを実現することができる。また、製造誤差に対するマージンを広げ、製造コストを低減することができる。
【０２３３】
〔実施の形態６〕
本発明の一実施形態について図２７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施の形態における光レーダー装置１ｈの飛行時間測定装置１０ｈは、図２７に示すように、実施の形態３における光レーダー装置１ｄの飛行時間測定装置１０ｄと、実施の形態４における光レーダー装置１ｅの飛行時間測定装置１０ｅとを組み合せたものである。
【０２３４】
すなわち、本実施の形態の飛行時間測定装置１０ｈは、実施の形態３の飛行時間測定装置１０ｄに対して、受光素子８０ｈの受光部８１ｈ−ｍの配置ピッチＲａとパルス発光素子７０ｈの発光部７８ｈ−ｍの配置ピッチＲｂとを同一にする必要がない点が異なっている。これにより、本実施の形態の飛行時間測定装置１０ｈは、設計の自由度が高めることができるものとなっている。
【０２３５】
本実施の形態における光レーダー装置１ｈの飛行時間測定装置１０ｈの構成について、図２７に基づいて説明する。図２７は、本実施の形態における光レーダー装置１ｈの飛行時間測定装置１０ｈの構成を示す模式図である。
【０２３６】
図２７に示すように、本実施の形態における光レーダー装置１ｈの飛行時間測定装置１０ｈでは、受光素子８０ｈの受光部８１ｈ−ｍの配置ピッチＲａとパルス発光素子７０ｈの発光部７８ｈ−ｍの配置ピッチＲｂとは同一ではない。
【０２３７】
すなわち、パルス発光素子７０ｈの発光部７８ｈ−ｍから発したパルス光をパルス光Ｌ１ｈ−ｍとし、パルス光Ｌ１ｈ−ｍの進行方向がＹ軸となす角度をＡｍとすると、ｔａｎ（Ａｍ）＝Ｚｍ／ｆｈの関係にある。Ｚｍは発光部７８ｈ−ｍの中心のＺ座標であり、ｆｈはコリメーションレンズ５２ｈの焦点距離である。
【０２３８】
一方、Ｙ軸となす角度Ａｍで帰ってくる反射光Ｌ２ｈ−ｍは、Ｙｍ＝ｆ／ｆｈ・Ｚｍとなる。この理由は、受光素子８０ｈの受光部８１ｈ−ｍのＹ座標は、ｔａｎ（Ａｍ）＝Ｙｍ／ｆの関係にあるためである。
【０２３９】
この結果、Ｒａ＝ｆ／ｆｈ・Ｒｂとなり、受光レンズ５０ｈとコリメーションレンズ５２ｈの値を調整することによって、パルス発光素子７０ｈの発光部７８ｈ−ｍの配置ピッチに対して、受光素子８０ｈの受光部８１ｈ−ｍの配置ピッチを大きくしたり、又は小さくしたりすることができる。
【０２４０】
実施の形態４では、Ｒｂに合せるために、受光部を小さくしてＲａをＲｂに合せたが、位置ずれ調整範囲は縮小した。これに対して、本実施の形態の構成の場合には、ｆ／ｆｈ＞１と設定すれば、ＲａをＲｂに対して大きくできるため、受光部を設計し直す必要がなくなる。
【０２４１】
本実施の形態の受光素子８０ｈの各受光部は、遠方の対象物Ｍでの、対応するパルス光の照射領域が、受光部上に投影される投影部を含むように、受光領域を構成することができる。したがって、角度分解能を高めるための複数チャネルを有する飛行時間測定装置１０ｈにおいても、受光素子８０ｈの光軸とパルス発光素子７０ｈの光軸とが、組立時にずれた場合でも、受光素子８０ｈ上の投影部を含む部分のみに受光領域を設定することによって、高いＳＮ比を実現でき、最大測定距離を大幅に伸ばすことができる。
【０２４２】
これにより、精密な位置合わせをする必要がなく、飛行時間測定装置１０ｈの組立精度を緩和することができるため、生産効率を高め、組立コストを下げることができる。さらに、受光レンズ５０ｈとコリメーションレンズ５２ｇとを独立させることによって、受光領域と発光領域とのピッチを変更することができ、装置の設計自由度を高めることができる。
【０２４３】
〔実施の形態７〕
本発明の一実施形態について図２８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。本実施の形態における受光素子８０ｉは、実施の形態２の受光素子８０ｃと回路構成は同じであるが、動作方法のみが異なる。
【０２４４】
すなわち、実施の形態１・２では、受光領域は、飛行時間測定装置１０・１０ｃの製造段階において、一意的に決定され、以後、変更されることは想定していなかった。以降においては、実施の形態２との対比により説明する。
【０２４５】
本実施の形態では、図２８に示すように、複数の受光領域ＲＡｉ−１・ＲＡｉ−２・ＲＡｉ−３を有している。受光領域ＲＡｉ−１は、受光領域ＲＡｃと同じである。受光領域ＲＡｉ−２は、受光領域ＲＡｉ−１を包含し、受光領域ＲＡｉ−１よりも広い受光領域である。受光領域ＲＡｉ−３は、受光領域ＲＡｉ−２を包含し、受光領域ＲＡｉ−２よりも広い受光領域である。受光領域ＲＡｉ−１・ＲＡｉ−２・ＲＡｉ−３は、この順で受光領域が広く、より多くの反射光Ｌ２ｉを受光することができる。図２８の例では、受光領域ＲＡｉ−１に対して、受光領域ＲＡｉ−２は約１１％、受光領域ＲＡｉ−３は１７％多くの反射光Ｌ２ｉの信号を受光することができる。
【０２４６】
また、本実施の形態では、状況に応じて、受光領域を切り換えて使用することができる。例えば、太陽光が明るい昼間には、受光領域ＲＡｉ−１を受光領域として用いることによって反射光Ｌ２ｉが背景光よりも有意に強いＳＰＡＤのみを活性化し、ＳＮ比を高め、昼間の最大測定距離を伸ばすことができる。また、背景光が殆どない夜間には、受光領域ＲＡｉ−３を受光領域として用いることによって、より多くの反射光Ｌ２ｉの信号を計測し、夜間の最大測定距離を伸ばすことができる。受光領域ＲＡｉ−３は受光領域ＲＡｉ−１に比べて１７％信号量が多いため、距離が８％伸びても同じ信号量を計測できる。このため、受光領域ＲＡｉ−１を用いる場合に比べて、最大測定距離を約８％伸ばすことができる。
【０２４７】
上記の受光領域の切換は、メモリ９６に複数の受光領域のデータを記憶しておき、制御回路９５が、選択された受光領域のデータに基づいて、各ＳＰＡＤｉ（ｉ，ｊ）の記憶回路Ｍ（ｉ，ｊ）に「Ｈ」又は「Ｌ」のデータを書き込めばよい。受光領域の選択は、時刻や周囲の状況に応じて、外部システムから受光素子８０ｉに、使用する受光領域を指示してもよい。或いは、受光素子８０ｉが受光領域外のＳＰＡＤからの出力を測定することによって、昼間と夜間との区別を行い、受光領域を切り換えてもよい。
【０２４８】
本実施の形態の受光素子８０ｉの受光部は、遠方の対象物Ｍでの、対応するパルス光Ｌ１の照射領域が、受光部上に投影される投影部を含むように、大きさの異なる複数の受光領域を構成することができる。したがって、飛行時間測定装置１０ｉにおいても、受光素子８０ｉの光軸とパルス発光素子７０ｉの光軸とが、組立時にずれた場合でも、受光素子８０ｉ上の投影部を含む部分のみに受光領域を設定することによって、高いＳＮ比を実現することができ、最大測定距離を大幅に伸ばすことができる。
【０２４９】
これにより、精密な位置合わせをする必要がなく、飛行時間測定装置１０ｉの組立精度を緩和することができるため、生産効率を高め、組立コストを下げることができる。さらに、周囲の明暗に応じて、受光領域を切り換えることによって、暗時の最大測定距離を昼間よりさらに伸ばすことができる。これにより、光レーダー装置１ｉの性能をさらに高めることができる。
【０２５０】
尚、今回開示された実施の形態及び変形例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の一態様における範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【０２５１】
〔まとめ〕
本発明の態様１における受光素子８０は、パルス光Ｌ１によって照射された対象物Ｍにおける照射を受けた照射領域ＩＡからの反射光Ｌ２を結像光学素子（レンズ５０）にて結像して受光部８１で受光することによって飛行時間を計測するための受光素子８０であって、前記受光部８１は、前記対象物Ｍの照射領域ＩＡにて反射されて該受光部８１に結像された投影部ＰＡよりも大きく形成されており、前記受光部８１のうち、前記投影部ＰＡと重なる部分が受光領域として活性化されていることを特徴としている。尚、活性化とは、入射するフォトンを検知できる状態にあることをいう。
【０２５２】
飛行時間測定装置の組み立てには、必ず誤差が伴い、受光素子と発光素子との相対位置にはバラツキが存在する。そこで、本発明の一態様における受光素子では、受光部は、対象物の照射領域が受光部に結像された投影部よりも大きく形成されている。これにより、少なくとも対象物の照射領域を受光部に結像させることができると共に、受光素子と発光素子との間に光軸を含む相対位置のずれがあっても受光部に結像させることが可能である。
【０２５３】
また、本発明の一態様における受光素子では、受光部のうち、投影部と重なる部分が受光領域として活性化されている。この結果、対象物の照射領域だけを測定対象とするので、背景光に対する強度比を少しでも高めることができ、延いては最大測定距離が減じることを回避することができる。
【０２５４】
したがって、パルス光の照射領域に適合した受光領域を実現すると共に、発光素子に対する受光素子の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子を実現することができる。
【０２５５】
本発明の態様２における受光素子８０・８０ｃは、前記受光領域を予め記憶する記憶部（メモリ９６）を備えているとすることができる。
【０２５６】
これにより、個々の受光素子の受光領域の詳細を、外部システムから指示する必要がなくなり、受光部のうち、反射領域からの投影部と重なる部分を確実に受光領域として活性化することが可能となる。
【０２５７】
本発明の態様３における受光素子８０ｃでは、前記受光領域は、不良部を含まないことが好ましい。尚、不良部とは、当初から欠陥を有し、本来の活性可能状態になっても、入射するフォトンを検知できる状態とならない不能な受光検出素子をいう。
【０２５８】
これにより、検知不能な受光検出素子を排除することにより、受光量の変動を回避して検出精度の高い受光素子を実現することができる。
【０２５９】
本発明の態様４における受光素子８０では、前記受光部８１は、ＳＰＡＤからなる受光検出素子をアレイ状に配置しているとすることができる。
【０２６０】
ＳＰＡＤからなる受光検出素子は、検出感度が高い。このため、例えば、発光素子からの一発のパルス光によって飛行時間測定を行わなければならない場合にも容易に検出することができる。また、ＳＰＡＤからなる受光検出素子は、大規模なアレイを容易に製造することができるので、大きなコストの増加がない。
【０２６１】
本発明の態様５における受光素子８０では、前記受光領域は、前記アレイ状の行と列との単位で設定されているとすることができる。
【０２６２】
これにより、照射領域からの投影部と重なる部分である受光領域を、行と列とからなる要素の集合として特定することができる。
【０２６３】
本発明の態様６における受光素子８０では、前記受光領域は、前記ＳＰＡＤ毎に設定されているとすることができる。
【０２６４】
これにより、照射領域からの投影部と重なる部分である受光領域を、ＳＰＡＤからなる受光検出素子を個々の要素の集合として直接的に特定することができる。
【０２６５】
本発明の態様７における受光素子８０は、前記ＳＰＡＤからのパルス出力を加算するバイナリーカウンタ（列カウンタＣＴｊ）を備えているとすることができる。
【０２６６】
これにより、受光部が検出したパルス出力されるフォトン数の個数をバイナリーカウンタにて計数することができる。
【０２６７】
本発明の態様８における受光素子８０ｉでは、前記受光部は、複数の受光領域ＲＡｉ−１・ＲＡｉ−２・ＲＡｉ−３を備え、状況に応じて適用する受光領域ＲＡｉ−１・ＲＡｉ−２・ＲＡｉ−３を選択可能となっているとすることができる。
【０２６８】
これにより、周囲の明暗等の状況に応じて、受光領域を切り換えることによって、暗時である夜間の最大測定距離を明時である昼間よりもさらに伸ばすことができる。延いては、光レーダー装置１ｉの性能をさらに高めることができる。
【０２６９】
本発明の態様９における受光素子８０ｅは、複数の前記受光部８１−１〜８１−８を備えているとすることができる。
【０２７０】
これにより、受光素子を多チャネル化し、測定点を増やすことによって、解像度を上げることが可能となる。
【０２７１】
本発明の態様１０における飛行時間測定装置１０・１０ａ・１０ｂは、パルス発光素子７０と、偏光ビームスプリッタ６０と、結像光学素子（レンズ５０）と、態様１〜９のいずれかに記載の受光素子８０とを少なくとも含み、前記パルス発光素子７０は、パルス光Ｌ１を、前記偏光ビームスプリッタ６０及び前記結像光学素子（レンズ５０）をこの順で通過させて対象物Ｍに照射し、前記対象物Ｍからの反射光Ｌ２は、前記結像光学素子（レンズ５０）及び前記偏光ビームスプリッタ６０をこの順で通過して前記受光素子８０に結像され、前記パルス発光素子７０及び前記受光素子８０は、前記結像光学素子（レンズ５０）の一方の焦点位置にそれぞれ配されていることを特徴としている。
【０２７２】
前記構成によれば、パルス発光素子及び前記受光素子は、結像光学素子の一方の焦点位置にそれぞれ配されている。このため、パルス光によって照射された対象物における照射を受けた照射領域からの反射光を結像光学素子にて確実に結像して受光部で受光することができる。したがって、パルス光の照射領域に適合した受光領域を実現すると共に、発光素子に対する受光素子の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子を実現し、それにより、最大測定距離を落とさずにコスト低減が可能な飛行時間測定装置を実現することが可能となる。
【０２７３】
本発明の態様１１における飛行時間測定装置１０ｄ・１０ｈは、パルス発光素子７０ｄ・７０ｈと、コリメーションレンズ５２・５２ｈと、偏光ビームスプリッタ６０・６０ｈと、結像光学素子（受光レンズ５０ｄ・５０ｈ）と、態様１〜９のいずれかに記載の受光素子８０ｄ・８０ｈとを少なくとも含み、前記パルス発光素子７０ｄ・７０ｈは、パルス光Ｌ１ｄ・Ｌ１−１〜Ｌ１−８を、前記コリメーションレンズ５２・５２ｈ及び前記偏光ビームスプリッタ６０・６０ｈをこの順で通過させて対象物Ｍに照射し、前記対象物Ｍからの反射光Ｌ２ｄ・反射光Ｌ２−１〜Ｌ２−８は、前記偏光ビームスプリッタ６０・６０ｈ及び前記結像光学素子（受光レンズ５０ｄ・５０ｈ）をこの順で通過して前記受光素子８０ｄ・８０ｈに結像され、前記パルス発光素子７０ｄ・７０ｈは、前記コリメーションレンズ５２・５２ｈの一方の焦点位置に配されており、前記受光素子８０ｄ・８０ｈは、前記結像光学素子（受光レンズ５０ｄ・５０ｈ）の一方の焦点位置に配されていることを特徴としている。
【０２７４】
前記構成によれば、パルス発光素子は、前記コリメーションレンズの一方の焦点位置に配されており、前記受光素子は、前記結像光学素子の一方の焦点位置に配されている。このため、パルス光によって照射された対象物における照射を受けた照射領域からの反射光を結像光学素子にて確実に結像して受光部で受光することができる。したがって、パルス光の照射領域に適合した受光領域を実現すると共に、発光素子に対する受光素子の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子を実現し、それにより、最大測定距離を落とさずにコスト低減が可能な飛行時間測定装置を実現することが可能となる。
【０２７５】
本発明の態様１２における飛行時間測定装置１０ｇは、パルス発光素子７０ｇと、コリメーションレンズ５２ｇと、結像光学素子（受光レンズ５０ｇ）と、態様１〜９のいずれかに記載の受光素子８０ｇとを少なくとも含み、前記パルス発光素子７０ｇは、パルス光Ｌ１ｇを、前記コリメーションレンズ５２ｇを通過させて対象物Ｍに照射し、前記対象物Ｍからの反射光Ｌ２ｇは、前記結像光学素子（受光レンズ５０ｇ）を通過して前記受光素子受光素子８０ｇに結像され、前記パルス発光素子７０ｇは、前記コリメーションレンズ５２ｇの一方の焦点位置に配されており、前記受光素子８０ｇは、前記結像光学素子（受光レンズ５０ｇ）の一方の焦点位置に配されていることを特徴としている。
【０２７６】
前記構成によれば、パルス発光素子は、コリメーションレンズの一方の焦点位置に配されており、受光素子は、結像光学素子の一方の焦点位置に配されている。このため、パルス光によって照射された対象物における照射を受けた照射領域からの反射光を結像光学素子にて確実に結像して受光部で受光することができる。したがって、パルス光の照射領域に適合した受光領域を実現すると共に、発光素子に対する受光素子の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子を実現し、それにより、最大測定距離を落とさずにコスト低減が可能な飛行時間測定装置を実現することが可能となる。
【０２７７】
本発明の態様１３における飛行時間測定装置１０ｅ・１０ｈでは、前記パルス発光素子７０ｅ・７０ｈは、複数の発光部７８−１〜７８−８を備えているとすることができる。
【０２７８】
これにより、パルス発光素子を多チャネル化し、測定点を増やすことによって、解像度を上げることが可能となる。
【０２７９】
本発明の態様１４における光レーダー装置１・１ａ〜１ｈは、態様１０〜１３のいずれかに記載の飛行時間測定装置を備えていることを特徴としている。
【０２８０】
前記構成によれば、パルス光の照射領域に適合した受光領域を実現すると共に、発光素子に対する受光素子の位置合わせ精度を大幅に緩和できる受光素子を実現し、それにより、最大測定距離を落とさずにコスト低減が可能な飛行時間測定装置を実現し、最大測定距離を伸ばした安価な光レーダー装置を実現することができる。
【０２８１】
尚、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【０２８２】
１・１ａ〜１ｉ              光レーダー装置
１０・１０ａ〜１０ｉ          飛行時間測定装置
２０・２０ａ・２０ｂ・２０ｅ  制御・電源部
３５                          ミラー
３５ｂ                        ポリゴンミラー
３６・３６ｂ                  ミラー駆動部
４０                          駆動・インターフェイス部
５０・５０ｅ                  レンズ（結像光学素子）
５０ｄ・５０ｈ                受光レンズ（結像光学素子）
５０ｇ                        受光レンズ
５１・５１ｄ                  １／４波長板
５２・５２ｇ・５２ｈ          コリメーションレンズ
６０・６０ｄ                  偏光ビームスプリッタ
６８                          光学バンドパスフィルタ
７０・７０ｄ〜７０ｈ          パルス発光素子
７８−１〜７８−８            発光部
８０・８０ｃ〜８０ｉ          受光素子
８１ａ                        パルス出力回路
８３・８３ｆ−１〜８３ｆ−ｍ  計測回路
９１                          列選択回路
９２・９２ｃ                  行選択回路
９３                          総和回路
９４                          ＴｏＦ計測ユニット
９５                          制御回路
９６                          メモリ（記憶部）
Ｃｊ                          列選択線
ＣＴｊ                        列カウンタ（バイナリーカウンタ）
Ｌ１・Ｌ１−ｍ                パルス光
Ｌ２・Ｌ２−ｍ                反射光
Ｍ（ｉ，ｊ）                  記憶回路
ＰＤ                          フォトダイオード
Ｒｉ                          行選択線
Ｔｒ                          トランジスタ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学素子と、発光素子と、受光素子と、を備え、
前記発光素子が発するパルス光を対象物に向けて照射し、前記対象物における前記照射を受けた照射領域からの反射光を、前記結像光学素子によって、前記受光素子上に結像して、受光する飛行時間測定装置であって、
前記受光素子は、前記照射領域が前記受光素子上に結像された投影部よりも大きい受光部を有しており、
前記受光部のうち、前記投影部と重なる受光領域のみが活性化されて、前記反射光を受光することを特徴とする、飛行時間測定装置。
【請求項２】
前記受光部は、複数の受光検出素子をアレイ状に配置していることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間測定装置。
【請求項３】
前記受光素子は、個々の前記受光検出素子を活性化するための、行選択回路と、列選択回路とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の飛行時間測定装置。
【請求項４】
前記受光素子は、前記受光領域に属する前記受光検出素子を記憶する記憶部を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の飛行時間測定装置。
【請求項５】
前記受光領域は、前記アレイの特定の行と列に属する、前記複数の受光検出素子からなることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置。
【請求項６】
前記複数の受光検出素子は、各々が活性化するか否かを記憶する記憶回路を備えており、
前記受光領域は、前記記憶回路が活性化するように設定されている前記複数の受光検出素子からなることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置。
【請求項７】
前記受光素子は、前記受光検出素子からのパルス出力を加算するバイナリーカウンタを備えていることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置。
【請求項８】
前記受光領域は、前記投影部より小さく設定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置。
【請求項９】
前記受光領域は、不良部を含まないことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置。
【請求項１０】
前記受光部は、複数の受光領域を備え、状況に応じて適用する受光領域を選択可能となっていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置。
【請求項１１】
前記発光素子は、複数の発光部を有しており、
前記受光素子は、複数の前記受光部を備えていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置であって、
前記発光素子は、前記パルス光を偏光ビームスプリッタおよび前記結像光学素子をこの順で通過させて前記対象物に照射し、
前記反射光は、前記結像光学素子および前記偏光ビームスプリッタをこの順で通過して前記受光素子に結像され、
前記発光素子および前記受光素子は、前記結像光学素子の一方の焦点位置にそれぞれ配されていることを特徴とする飛行時間測定装置。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置であって、
前記発光素子は、前記パルス光を、コリメーションレンズおよび偏光ビームスプリッタをこの順で通過させて前記対象物に照射し、
前記反射光は、前記偏光ビームスプリッタおよび前記結像光学素子をこの順で通過して前記受光素子に結像され、
前記発光素子は、前記コリメーションレンズの一方の焦点距離に配されており、
前記受光素子は、前記結像光学素子の一方の焦点位置に配されていることを特徴とする飛行時間測定装置。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置であって、
前記発光素子は、前記パルス光をコリメーションレンズを通過させて前記対象物に照射し、
前記反射光は、前記結像光学素子を通過して前記受光素子に結像され、
前記発光素子は、前記コリメーションレンズの一方の焦点位置に配されており、
前記受光素子は、前記結像光学素子の一方の焦点位置に配されていることを特徴とする飛行時間測定装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の飛行時間測定装置を備えていることを特徴とする光レーダー装置。
【請求項１６】
複数の受光検出素子をアレイ状に配置してなる受光部と、
前記複数の受光検出素子の各々を選択するための列選択回路および行選択回路と、
前記複数の受光検出素子のうち、活性化する受光検出素子を記憶する記憶部と、
飛行時間を測定するＴＯＦ（Time of flight）計測ユニットと、を備える受光素子。
【請求項１７】
前記複数の受光検出素子は、特定の行と特定の列に属する場合に、活性化され、
前記記憶部は、前記特定の行と特定の列を記憶することを特徴とする請求項１６に記載の受光素子。
【請求項１８】
前記複数の受光検出素子は、各々が活性化するか否かを記憶する記憶回路を備えており、
前記記憶部は、前記複数の受光検出素子の各々が活性化するか否かを記憶することを特徴とする請求項１６に記載の受光素子。
【請求項１９】
前記複数の受光検出素子の各々からの出力を集計する列カウンタを、複数備えていることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項２０】
前記複数の列カウンタからの出力を集計する総和回路を、更に備えていることを特徴とする請求項１９に記載の受光素子。