(57)【要約】      （修正有）【課題】デジタル型ＳＰＡＤマトリックスを備える光電センサの性能を改善する。【解決手段】監視領域１８内の物体２０を検出するための光電センサ１０であって、監視領域へ光信号１６を送出するための発光器１２と、監視領域からの受信光を検出するための多数のアバランシェフォトダイオード素子２８を含む受光器２６とを備え、アバランシェフォトダイオード素子がそれぞれ降伏電圧を超えるバイアス電圧を印加されることによりガイガーモードで駆動され、受光器がデジタル方式で構成されることにより個々のアバランシェフォトダイオード素子又はそのグループを活性化又は不活性化することが可能となっており、また、制御及び評価ユニット３０を備え、該ユニットが、受光器の受光信号を評価するように、及び、物体により拡散反射又は直反射された光信号２２の光スポットの到来が見込まれるアバランシェフォトダイオード素子を活性化する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（１８）内の物体（２０）を検出するための光電センサ（１０）であって、前記監視領域（１８）へ光信号（１６）を送出するための発光器（１２）と、前記監視領域（１８）からの受信光を検出するための多数のアバランシェフォトダイオード素子（２８）を含む受光器（２６）とを備え、前記アバランシェフォトダイオード素子（２８）がそれぞれ降伏電圧を超えるバイアス電圧を印加されることによりガイガーモードで駆動され、前記受光器（２６）がデジタル方式で構成されることにより個々のアバランシェフォトダイオード素子（２８、２８ａ）又はそのグループを活性化又は不活性化することが可能となっており、また、制御及び評価ユニット（３０）を備え、該ユニットが、受光器（２６）の受光信号を評価するように、及び、前記物体（２０）により拡散反射又は直反射された光信号（２２）の光スポット（４４）の到来が見込まれるアバランシェフォトダイオード素子（２８ａ）を活性化するように構成されている、光電センサ（１０）において、
前記光スポット（４４）が細長いこと
を特徴とする光電センサ（１０）。
【請求項２】
前記光スポット（４４）のアスペクト比が少なくとも２：１であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
前記光スポット（４４）が長方形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記光信号（１６）の送出から前記物体（２０）により拡散反射又は直反射された光信号（２２）の受光までの光伝播時間から前記物体（２０）までの距離を求めるように前記制御及び評価ユニット（３０）が構成された測距センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
前記受光器（２６）が前記光スポット（４４）の細長い形状を作り出す受光光学系（２５）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
前記受光光学系（２５）が前記光スポット（４４）を均質化することを特徴とする請求項５に記載のセンサ（１０）。
【請求項７】
前記受光光学系（２５）が少なくとも１つの自由形状面（４６）を備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
前記制御及び評価ユニット（３０）が、活性化すべき受光器（２６）の領域を光スポット（４４）の位置に基づいて教え込む教え込みモードを実行するように構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項９】
前記受光器（２６）の手前にマイクロレンズフィールド（２４）が配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１０】
監視領域（１８）内の物体（２０）を検出するための方法であって、光信号（１６）が前記監視領域（１８）へ送出され、それぞれ降伏電圧を超える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起動される多数のアバランシェフォトダイオード素子（２８）を含むデジタル方式の受光器（２６）を用いて光スポット（４４）が検出され、該光スポット（４４）は前記物体（２０）により直反射又は拡散反射された光信号（２２）により前記受光器（２６）上に生成され、その際、該光スポット（４４）の到来が見込まれるアバランシェフォトダイオード素子（２８ａ）のみが活性化されるという方法において、
前記光スポット（４４）が細長いこと
を特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１又は１０のプレアンブルに記載の光電センサ及び監視領域内の物体の検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電センサには、一次元的な光遮断機や光センサから、レーザスキャナ、更にはカメラまで、幅広い種類がある。測距システムの場合は、単なる物体検出にとどまらず、物体までの距離も測定される。光伝播時間原理に基づく距離センサはそのために光信号の伝播時間を測定する。この時間は光速を介して距離に対応する。従来の測定法はパルスベースと位相ベースの２つの測定法に分けられる。パルス伝播時間法では、短い光パルスが発射され、その光パルスの拡散反射又は直反射が受光されるまでの時間が測定される。一方、位相法では、発信光が振幅変調され、発信光と受信光の間の位相差が特定され、この位相差が同様に光伝播時間の尺度となる。ただし、２つの方法の間の境界は常に明確に引けるとは限らない。なぜなら、例えば複雑なパルスパターンを用いる場合、パルス伝播時間法は典型的な個別パルス測定法よりもむしろ位相法に近くなるからである。
【０００３】
低い受光強度でも検出できるようにするため、従来より多くの光電センサでアバランシェフォトダイオード（以下、適宜「ＡＰＤ」と略す）が用いられている。ＡＰＤでは、光が入射すると制御されたアバランシェ降伏（アバランシェ効果）が誘発される。この現象により、入射光子が作り出した電荷担体が増倍され、光電流が生じる。この電流は受光強度に比例するが、単なるＰＩＮダイオードの場合よりもはるかに大きい。
【０００４】
いわゆるガイガーモードで駆動されるＡＰＤ（ＳＰＡＤ：シングルフォトンアバランシェフォトダイオード）を用いれば更に高い感度を達成できる。この技術では、降伏電圧より高いバイアス電圧がＡＰＤに印加されるため、単一の光子により放出されるたった１つの電荷担体でさえ、もはや制御されないアバランシェを誘発し得る。電界強度が高いため、このアバランシェは利用可能な全ての電荷担体を取り込む。その後、アバランシェは止まり（「受動クエンチ（消滅）」）、一定のむだ時間の間はもうそれを検出に利用できない。別の方法として、アバランシェを外部から認識して鎮めるという方法（「能動クエンチ（消滅）」も知られている。
【０００５】
このようにＳＰＡＤはガイガーカウンターのように一つ一つの事象を計数する。ＳＰＡＤは高感度であるだけでなく、比較的低コストで効率良くシリコン半導体に統合できる。更にＳＰＡＤは低コストで回路基板に統合できる。ただし、外部光の光子や暗騒音のような微小なノイズ事象でも有効光と同様に最大の受光信号が生じるという特徴がある。この作用に対処するため、実際には複数のＳＰＡＤが一緒に評価される。
【０００６】
ＳＰＡＤをマトリックス状に配置したものがある。これは総和信号を供給するだけでなく、画素分解型画像センサの場合と同様に個々のＳＰＡＤの読み出しとそれに続く量子化を行うことが原理的には可能である。以下ではこれをデジタル型ＳＰＡＤマトリックスと呼ぶ。この装置では部分領域又は下位グループの情報を得ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように高速且つ高感度であって個々の画素の情報を処理できる受光素子を用いるには、装置全体の性能を最適化できるような、それ自体新規な光学的概念が必要である。しかし、従来から用いられている系には、球面又は非球面の発光レンズと受光レンズを用いて発信光から円形の光スポットを受光面内に生成するものしかなく、しかもその光スポットは放射照度が均一ではない。
【０００８】
故に、本発明の課題は、デジタル型ＳＰＡＤマトリックスを備える光電センサの性能を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１又は１０に記載の光電センサ及び監視領域内の物体の検出方法により解決される。本センサは、光信号を送出するための発光器、並びに、受光器として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又はＳＰＡＤを備える。アバランシェフォトダイオード又はＳＰＡＤは好ましくは画素として列状又はマトリックス状に配置される。このセンサでは、デジタル型ＳＰＡＤマトリックスのように、個々のアバランシェフォトダイオード素子（以下、ＡＰＤ素子）又はそのグループを狙いを定めて活性化すること又は不活性化することが可能である。活性化されたＡＰＤ素子だけが実際に測定に寄与する。この活性化では、活性化されない画素でアバランシェ降伏が全く生じないように実際に個々の画素のオン／オフを切り換えてもよいが、活性化されない画素からの情報の読み出しを止めたり、評価の際にその情報を考慮しないようにしたりしてもよい。センサの評価ユニットは、監視領域から戻ってくる光信号により受光器上に生成される光スポットを受ける画素を活性化し、好ましくは他の画素を不活性化する。この選択は、例えば適宜のアルゴリズムにより予測したり、パラメータ化したり、教え込んだり、測定に基づいて事後的に行ったりすることができる。そして、本発明の出発点となる基本思想は、その光スポットの形状を適合化すること、特に、細長い光スポットを受光面内に形成することでそれを行うことにある。そのために、受光器に到達する光信号の断面が相応に細長くなるようにする。
【００１０】
本発明には、長めの光スポットがＳＰＡＤマトリックスの具体的な要求及びセンサの典型的な用途に適合化されるという利点がある。これにより、例えば余分な光の反射や回折パターンの誤検出が防止される。しかもそれは電子的であるため、幅の狭い機械的な絞りよりもはるかに容易に実現できる。光スポットと活性化される領域の適合化により該領域での放射照度を高め、以て信号強度を増大させ、ひいては射程を拡大することができる。有効光を受光するＡＰＤ素子を狙いを定めて考慮することによりＳＮ比が大幅に改善される。視野を非常に細く調節できるため、外部光への耐性がより高まる。まとめて言うと、射程、動作時間、外部光への耐性、及び光軸に垂直な方向でのピンポイントのスイッチングに関して、センサの性能が明らかに高まる。
【００１１】
光スポットはアスペクト比が少なくとも２：１、可能であれば３：１又はそれ以上であることが好ましい。水平方向及び垂直方向に同じ画素形状を持つＳＰＡＤマトリックスを前提とした場合、光スポットが覆う画素の長さ方向の数が幅方向の数の少なくとも２倍になる。また、幅方向の画素数は１個、２個又はいずれにせよ非常に少ないことが好ましい。光スポットはその長さ方向がＳＰＡＤマトリックスの列又は行方向と一致していることが有利であるが、原理的にはそれらに対して斜めに回転していてもよい。
【００１２】
光スポットは長方形状であることが好ましい。これにより受光器のＳＰＡＤ又は画素構造に対して最良の適合化が可能となる。もっとも、例えば楕円形状等、場合によっては光学的により容易に達成できる他の形状も考えられる。
【００１３】
本センサは、光信号の送出から物体により拡散反射又は直反射された光信号の受光までの光伝播時間から前記物体までの距離を求めるように制御及び評価ユニットが構成された測距センサであることが好ましい。ガイガーモードのＡＰＤ素子を備える受光器の高い感度は距離測定の場合に特に有利である。本発明ではその高い感度をより一層、十分に利用できる。光伝播時間は例えばＴＤＣ（時間デジタル変換器）により測定できる。ＴＤＣは受光器の結晶内に直接モノリシックに統合することができる。ＡＰＤ素子とＴＤＣを接続することにより入射光子の衝突位置及び時間情報を得ることができる。画素毎にＴＤＣが設けられる実施形態もいくつかあるが、必要な回路素子を減らしてチップ面積が最小限になるように、１個のＴＤＣと１個の画素又は画素群との接続を調整することが好ましい。ＴＤＣの割り当てによりＡＰＤ素子の活性化が可能となる。なぜなら、そのような割り当てのないＡＰＤ素子は伝播時間の測定に寄与しないからである。
【００１４】
送出された光信号は光パルス状を呈することが好ましい。つまり、このセンサはパルス法により距離を測定する。また、二重パルスやパルス符号のようなより複雑な形状も考えられる。複数の光パルスを次々に送出し、それらを受光して、パルス平均法等により各々の個別事象をまとめて統計的に評価することもできる。あるいは位相法も考えられる。
【００１５】
受光器は光スポットの細長い形状を作り出す受光光学系を備えていることが好ましい。この受光光学系の適合化により光スポットを更に最適化することができる。また、細長い光スポットを、複数の光源を線状に配置した系やそれに相当する発光光学系によって生成し、その系を受光光学系の代わりに又はそれに加えて用いて前記細長い形状を生成することもできる。
【００１６】
受光光学系は光スポットを均質化することが好ましい。これにより、強度の変動による誤差、特に伝播時間の誤差が回避される。光スポット内の放射照度が一定になれば、個々のＡＰＤ素子がより一層、十分に利用され、以て信号が強くなる。これにより射程が拡大するため、より効率的な統計処理により、測定値が利用可能になるまでの見込み動作時間を短縮できる。強度の変動が小さくなるため、ＡＰＤ素子のむだ時間の影響はあまり大きくならず、均質でない光スポットの場合よりも全体的により多くの有効光子が認識される。最初の信号光子の到着時間のばらつきも小さくなるため、光伝播時間測定の際に物体の距離がより正確に特定される。発光光学系で均質化を補助したり、受光光学系の代わりに発光光学系で均質化を行ったりしてもよい。
【００１７】
受光光学系は少なくとも１つの自由形状面を備えている。その自由形状面はレンズ又は鏡の表面で実現することができる。「自由形状」とはその形状を非球面又はその回転体として描画できないということを意味する。この形状により光スポットの正確な適合化が可能となる。自由形状面を備えるレンズ又は鏡は、別の光学素子、特に同様に自由形状を有する素子や、非球面若しくは円柱レンズ又はそれらに相当する曲面鏡と組み合わせることができる。それぞれ少なくとも１つの自由形状表面を有する２つの素子を凹凸型のレンズ系又は鏡系として備える特殊な受光光学系によれば、未公開の独国実用新案登録出願第２０  ２０１６  １００  ００６．８号に記載のように、温度変化があっても光スポットの形状を維持することができる。自由形状の代わりに、非球面と円柱レンズの組み合わせのような１つ又は複数の単純な光学素子も考えられるが、これでは光スポットをあまり良好に適合させることができない。自由形状の代わりに又はそれと組み合わせて回折型光学素子を用いることも考えられる。以上の説明は発光光学系にも当てはまる。
【００１８】
制御及び評価ユニットは、活性化すべき受光器の領域を光スポットの位置に基づいて教え込む教え込みモードを実行するように構成されていることが好ましい。教え込みは予め製造時に行ってもよいし、後で現場で行ってもよい。例えば製造時には、どのＡＰＤ素子が重要であって活性化すべきかを決定することにより許容誤差を補償することができる。現場では、活性化すべき領域の選択を較正又は保守プロセスの一部とすることもできるが、測定の途中又は測定と測定の間に動的に適合化を行うこともできる。
【００１９】
受光器の手前にはマイクロレンズフィールドが配置されていることが好ましい。このマイクロレンズフィールドがＡＰＤ素子毎に１つのマイクロレンズを備えていれば更に好ましいが、代わりにグループ毎の割り当ても考えられる。マイクロレンズの作用により受信光の全て又は少なくともその大部分がＡＰＤ素子そのもの、つまり受光器のうち接続配線や評価用構造のある中間領域ではなく感光領域に入射する。これにより、高い曲線因子を持つ受光器であれば理想的には光学的感度が１００％に達する。活性化されたＡＰＤ素子を照らす光スポットの放射照度が高まり、以てセンサの射程が拡大する。マイクロレンズフィールドは自由形状と組み合わせると特に効果がある。
【００２０】
本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に模範的に記載されているが、それらに限定されるものではない。
【００２１】
以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】光電センサの概略ブロック図。
【図２】ガイガーモードのアバランシェフォトダイオード素子の簡略化した等価回路図。
【図３】（ａ）余分な反射による測定値のずれを説明するための、センサ及びその検出対象の物体の概略図、及び（ｂ）図３（ａ）の状況における受光器と模範的な光スポットの概略図。
【図４】（ａ）ＳＰＡＤマトリックス上の円形の光スポットの模範的な図、及び（ｂ）ＳＰＡＤマトリックス上の細長い光スポットの模範的な図。
【図５】（ａ）細長い均質な光スポットを形成するための自由形状を有するレンズの断面図、及び、（ｂ）図５（ａ）のレンズを同図に垂直な方向から見た補足的な断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は単一ビーム方式の検知器として実施された光電センサ１０の簡略化した概略ブロック図である。発光器１２（例えばＬＥＤ又はレーザ光源）が発光光学系１４を通じて監視領域１８へ光信号１６を送出する。この光信号が物体２０に当たると、拡散反射又は直反射された光信号２２が受光光学系２４、２５を通って受光器２６へ戻ってくる。この受光器２６は多数の受光素子を備えている。これらはガイガーモードのアバランシェフォトダイオード素子（以下、ＡＰＤ素子）２８又はＳＰＡＤで構成されており、画素とみなすことができる。ここではＳＰＡＤマトリックスを例にあげて本発明を説明するが、原理的には、受光器がＳＰＡＤ以外の受光素子から成る画素構造を持つ場合にも本発明を応用できる。ＡＰＤ素子２８の受光信号は制御及び評価ユニット３０により読み出され、そこで評価される。
【００２４】
制御及び評価ユニット３０の少なくとも一部はＡＰＤ素子２８とともに共通のチップ上に統合してもよい。その場合、チップの表面は、ＡＰＤ素子２８の感光領域と、個々のＡＰＤ素子２８又はそのグループに対してその評価及び制御のために割り当てられたスイッチ回路とに分かれる。受光光学系２４、２５が図のようにマイクロレンズフィールド２４を備えていれば、光信号２２を個々の感光領域へ狙いを定めて収束させることができる。追加のレンズ２５は受信光線の集光及び成形並びに光の再分配を行うものとするができる。マイクロレンズフィールド２４は任意であり、また受光光学系２４、２５の全体を図とは異なる構成、例えば複数のレンズを備える構成、反射型の構成、又は回折型光学素子を備える構成にしてもよい。
【００２５】
受光器２６はデジタル型ＳＰＡＤマトリックスと呼ぶこともできる。これは、制御及び評価ユニット３０が個々のＡＰＤ素子２８又はそのグループから情報を受け取るということ、又は、狙いを定めてそれらのオン／オフを切り換えることさえできるということを意味する。いずれの場合も受光器２６の一部領域を活性化することができる。
【００２６】
センサ１０は距離測定型であることが好ましい。そのために制御及び評価ユニット３０は光信号１６の送出から、戻ってくる光信号２２の受信までの光伝播時間を特定し、光速を介してその時間を距離に変換する。複数のセンサ１０を組み合わせることで複数の光線（多くの場合、平行光線）を有するセンサ型光格子を構成し、その光線毎に距離測定又は監視を行うこともできる。また、センサ１０を移動可能に取り付けた移動型システムや、光信号１６、２２を可動式の鏡で方向転換させたり発光器１２又は受光器２６そのものを駆動したりする走査システムも考えられる。
【００２７】
図１のセンサ１０の配置は単なる模範例と理解すべきである。代わりに、例えばビームスプリッタ及び共通の光学系を備えるオートコリメーションや、発光器１２を受光器２６の前に配置したもの等、他の公知の光学的解決手段を用いることもできる。
【００２８】
図２はガイガーモードの１個のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）２８を示す模範的な簡略化した等価回路図である。これは実際には半導体部品であり、その構造（図示せず）はここでは周知のものとする。ＡＰＤ２８はまずダイオード３２としての挙動を示す。該素子は容量を有しており、それが並列接続されたコンデンサ３４で表されている。アバランシェ降伏が起きれば電荷担体が生じるが、その源は等価回路図中に電源３６として描かれている。アバランシェ降伏は入射光子３８により誘発されるが、そのプロセスはスイッチ４０のように働く。その際の出力信号４２を観察するには様々なやり方が可能であるが、ここではその詳細は立ち入らない。
【００２９】
待機状態では、ダイオード３２には降伏電圧より高い電圧が印加されている。この状況で入射光子３８が電荷担体対を生成すると、いわばスイッチ４０が入り、その結果、電荷担体が電源３６を介してＡＰＤ２８に溢れる。しかし、新たな電荷担体は十分に強い電界が維持されている間のみ発生する。コンデンサ３４が電源３６によって降伏電圧を下回るまで放電されると、アバランシェは自然に止まる（「受動クエンチ（消滅）」）。その後、コンデンサ３４は、降伏電圧を超える電圧が再びダイオード３２にかかるまで再充電される。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、降伏電圧より低い電圧までの放電が開始される（「能動クエンチ（消滅）」）。
【００３０】
図３（ａ）は典型的な使用状況におけるセンサ１０の概略図である。ここでは矢印で示したように横方向に移動する物体２０ａ〜ｂが認識される。この例では物体２０ａは拡散反射率が低く、物体２０ｂは拡散反射率が高い。図３（ａ）に示した座標系は以下の説明でもｘ、ｙ及びｚ方向を示すために用いられる。図３（ｂ）は、各時点に戻ってくる光信号２２により受光器２６上に生成される光スポット４４ａ〜ｂを示している。
【００３１】
その際、いわゆる横方向の明暗のずれが生じる。これは、物体からの拡散反射に基づいて該物体が検出される点であるスイッチング点の不所望なずれのことである。このずれの原因は、スイッチング点にある物体２０ａによる所望の光スポット４４ａの他に別の光スポット４４ｂが存在し得るということである。その理由として、前面パネルからの反射、発光器１２の鏡胴内での反射、又は発光器の絞り等の回折構造物等、様々なものが考えられる。このように妨害する余分な光スポット４４ｂが、例えばその広がりが大きいため、あるいは妨害する物体２０ｂの拡散反射率が検出対象の物体２０ａの拡散反射率よりも大きいために、十分な信号成分を生じさせると、予定より早くスイッチが入る可能性がある。故に、センサ１０のスイッチが入るときの物体の横方向の運動の位置は、妨害作用、特に物体２０ａ〜ｂの拡散反射率に不所望に依存している。
【００３２】
原理的には、例えば幅２００μｍ未満の狭い絞りで視野を制限することで横方向の明暗のずれを最小限にすることができる。しかし、まずそれを機械的に実施するとコストがかかる上に調整が必要となり、更にその装置は駆動時に適合化がほとんどできない。そこで本発明では、図３（ｂ）に長方形で示したように、特定のＡＰＤ素子２８ａだけを活性化するという方法を代わりに採用する。これにより、本来認識すべき領域の外側の光が遮断され、拡散反射率の異なる物体２０ａ〜ｂがあってもスイッチング位置が固定的に維持される。ただ、図３（ｂ）では活性化されたＡＰＤ素子２８ａの長方形に対する光スポット４４ａの適合度が非常に低いため、今度はそれを更に改善する。
【００３３】
図４（ａ）及び（ｂ）は戻ってくる光信号２２により表面に光スポット４４が生成された受光器２６の模範的な図である。本例では２×８画素の細長い長方形状に配置された少数の太い縁取りのＡＰＤ素子２８ａだけが受光器２６上で活性化されている。図４（ａ）では比較のための円形の光スポット４４が、また図４（ｂ）では活性化されたＡＰＤ素子２８ａの配置に適合化された細長い光スポット４４が、それぞれ同じ縦方向の広がりで描かれている。このような長めの光スポット４４は受光光学系２４、２５、特にレンズ２５で生成することが好ましいが、その代わりに又はそれを補助するように発光光学系１４において光線成形を行ったり、長めの発光器１２（例えば線状に配置された複数の光源を有するもの）を用いたりしてもよい。
【００３４】
図４（ｂ）に示した長めの光スポット４４はアスペクト比ｈ／ｂが少なくともｈ／ｂ＝２：１以上であり、本例では４：１である。図から明らかなように、この光スポットは、図４（ａ）に示した円形の光スポット４４よりも、活性化されたＡＰＤ２８ａに対してはるかに良く適合化されている。
【００３５】
まずは光スポット４４ひいては活性化されたＡＰＤ２８ａの領域を正確なスイッチング点に対してできるだけ小さくすべきだと仮定すべきである。しかし、一定の信号ダイナミックレンジを確保するため、そして冒頭で述べたＳＰＡＤの誤作動及びむだ時間の作用を補償するために、最低限必要な数の個々のＡＰＤ素子２８を活性化させ、光スポット４４でくまなく照らす必要がある。例えば、図３のように横方向の位置だけが重要であれば、移動方向ｘに垂直な方向ｙに用いるＡＰＤ素子２８ａの数ｎをｎ＞１とする。
【００３６】
この活性化されたＡＰＤ素子２８ａの領域に適合化された、好ましくは長方形の細長い光スポット４４は、デジタル型マトリックスとして構成された受光器２６との関連で大きな利点をもたらす。なぜなら、全信号光が受光器２６の重要な領域に投射されるからである。
【００３７】
数値例として、網目サイズが２０μｍで個々のＡＰＤ素子又はＳＰＡＤの大きさが１５μｍ×１５μｍのＳＰＡＤマトリックスを考える。簡単のためここでは受光光学系２４がマイクロレンズアレイとして構成されていない単一のレンズであり、そのｘｚ平面内での焦点距離を１０ｍｍとする。１×ｎ個のＡＰＤ素子２８ａを活性化させた領域を用いる場合、ｘｚ平面内での受光角は約±０．０５°である。そうすると、距離が１ｍであれば視野の幅は１．５ｍｍとなる。これにより、ｘ方向に横断する検出対象の物体２０はピンポイントで検出される。故にｘ方向のスイッチング点は物体の拡散反射率にほとんど依存しない。受光光学系２４の焦点距離を変えたり、活性化されるＡＰＤ素子２８ａのｘ方向の個数を変えたりすることで受光角を変更することができる。
【００３８】
いま、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれｎ個のＡＰＤ素子２８、２８ａを覆う円形の光スポット４４の放射照度と、ｙ方向には同様にｎ個のＡＰＤ素子２８ａを覆うものの、ｘ方向には僅かな個数しか覆わない長方形の光スポット４４の放射照度とを比較すると、長方形の光スポットの方が放射照度が著しく高いことがわかる。図４の例では、円形の光スポット４４は全部で５１個分のＡＰＤ素子２８ａ〜ｂに当たっている。これは適合化された長方形の光スポット４４の３倍にもなる。領域をＡＰＤ素子２８ａの１個分の幅まで狭めたりｙ方向に伸ばしたりして更に細長くすれば放射照度の利得はより大きくなり、アスペクト比を小さくすれば利得は小さくなるが、光スポット４４が細長いままである限り利得が無くなることはない。
【００３９】
放射照度の大幅な向上とそれに伴う有効信号の改善による効果の１つはセンサ１０の射程の拡大である。スイッチング点のずれの回避については既に図３との関連で説明した。別の利点は外部光への耐性が高まるということである。すなわち、外部光がｙｚ平面と非平行に受光光学系２４に入射すると、活性化されたＡＰＤ素子２８ａの外側の領域が主として照らされるため、このような外部光は検出されない。また、活性化されたＡＰＤ素子２８ａのその都度の視野を可変的に調節することができる。
【００４０】
加えて、例えば受光光学系２４、２５（特にレンズ２５）を適切に設計すること、又はその代替若しくはその補助となるように発光光学系１４を適切に設計することにより、光スポット４４内の放射照度を均一化することができる。これにより更なる著しい利点が得られる。ＳＰＡＤでは受光事象の後にむだ時間があるため、光スポット４４内の放射照度が均一な場合に検出される光子の総数は、非球面の受光レンズの場合に生じるような不均一な照射分布の場合よりも多くなる。それにより受光信号も強まり、以てセンサ１０の射程も拡大する。均一な照明の別の利点は、各ＡＰＤ素子２８、２８ａにおける最初の信号光子の到着時点のばらつきが非常に小さくなるため、測距システムにおいて物体の距離がより正確に特定されるということである。
【００４１】
図５は細長い均質な光スポット４４を生成するために受光光学系２４、２５のレンズ２５として利用できる自由形状のレンズを示している。図５（ａ）はｙｚ平面での断面、図５（ｂ）はそれに垂直なｘｚ平面での断面である。このレンズは一方の面４６が自由形状面であり、他方の面４８が非球面である。図示した形状では３０μｍ×２５０μｍ（ｂ×ｈ）の広がりを持つ長方形の光スポット４４が得られる。
【００４２】
このような自由形状レンズ、又は反射型の配置において同様に利用できる自由形状の鏡は、その都度の要求に特に正確に適合させることができる。なぜなら、光スポット４４を完全に狙いを定めて成形するとともに、光スポット４４内の強度分布も選ぶことができるからである。自由形状の例には、多項式で表される面、基底関数の有限和（例えば、ゼルニケ多項式やルジャンドル多項式）、ＮＵＲＢＳ（非一様有理Ｂスプライン）面がある。具体的な自由形状は、例えば光学用プログラムにおけるシミュレーションにより、又はモンジュ・アンペール微分方程式の解に基づくいわゆる光学面のテーラリングのような明示的な計算により得られる。図５は一例であって、実際に最も良く適合する自由形状は、センサ１０とその寸法及び内部構造、並びに具体的な検出用途等、数多くの要因に依存する。
【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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【外国語明細書】
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