(57)【要約】      （修正有）【課題】改良されたＳＰＡＤベースの飛行時間計測をするための光電センサおよび方法を提供する。【解決手段】光電センサ１０は、光信号１４を送信するための送光器１２と、物体１８による反射又は返送後に光信号２０を受信するための、ガイガーモードにおいて作動してアバランシェフォトダイオード要素として各々が構成される第１複数の画素要素２４を有する受光器２２と、光信号の送信と受信との間の飛行時間を測定するための画素要素に接続された第２複数の飛行時間計測ユニットを有する第２複数が第１複数よりも少ない距離計測ユニットと、選択済み画素要素を飛行時間計測ユニットに１対１のやり方で接続するための切替手段と、強度計測を基に切替手段により接続されるべき画素要素を決定するための画素選択ユニットとを含む。【選択図】図１
2019032305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行時間原理により物体（１８）の距離を計測するための光電センサ（１０）であって、
光信号（１４）を送信するための送光器（１２）と、
前記物体（１８）による反射又は返送後に前記光信号（２０）を受信するための受光器（２２）であって、受光するとブレークスルー電圧より大きいバイアス電圧でもってバイアスされ、従ってガイガーモードにおいて作動してアバランシェイベントをトリガするアバランシェフォトダイオード要素として各々が構成される第１複数の画素要素（２４、２４ａ）を有する受光器（２２）と、  光信号の送信と受信との間の飛行時間を測定するための、画素要素（２４ａ）に接続された第２複数の飛行時間計測ユニット（３４ａ）を有する距離計測ユニット（３４）であって、前記第２複数が前記第１複数よりも少ない距離計測ユニット（３４）と、
を含むセンサ（１０）において、
飛行時間計測用に、前記画素要素（２４ａ）のうちの幾つかのみが使用されるよう、前記画素要素（２４ａ）の選択された部分のみを飛行時間計測ユニット（３４ａ）に１対１のやり方で接続するための切替手段（３２、３２ａ）と、
強度計測を基に前記切替手段（３２、３２ａ）により接続されるべき画素要素（２４ａ）を決定するための、従って実際に環境光又はダークカウントイベントにしか貢献しない画素要素を距離計測から除外するための画素選択ユニット（２８、３０）と、
を更に含むことを特徴とするセンサ（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ（１０）であって、前記飛行時間計測ユニット（３４ａ）が各々、ＴＤＣを含む、センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のセンサ（１０）であって、前記切替手段（３２）が、マトリクス状のプログラム可能な相互接続手段（３２ａ）を含む、センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、
前記画素選択ユニット（２８）が、複数のカウンタ（２８ａ）を含み、
各カウンタ（２８ａ）が、前記接続された画素要素（２４）のアバランシェイベントをカウントするために少なくとも１つの画素要素（２４）に接続される、
センサ。
【請求項５】
請求項４に記載のセンサ（１０）であって、前記切替手段（３２、３２ａ）が、アバランシェイベントのカウントに応じて画素要素（２４ａ）を、特に最大カウントを有する及び／又は閾値を超えるカウントを有する画素要素（２４ａ）を飛行時間計測ユニット（３４ａ）に接続する、センサ。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のセンサ（１０）であって、前記カウンタ（２８）が、画素要素（２４）の列又は行に接続された列カウンタ又は行カウンタである、センサ。
【請求項７】
請求項６に記載のセンサ（１０）であって、
列カウンタ（２８ａ）が、全ての行の部分集合であるアクティブ行からのイベントのみをカウントする、又は
行カウンタが、全ての列の部分集合であるアクティブ列からのイベントのみをカウントする、
センサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、前記画素選択ユニット（２８、３０）が、製造中又はティーチイン中に前記切替手段（３２、３２ａ）により接続されるべき画素要素（２４ａ）を決定するように構成される、センサ。
【請求項９】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、前記画素要素（２４）が各々、飛行時間計測出力（４８）及びカウンタ出力（４６）を含む、センサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、前記画素要素（２４）が各々、非活性化手段（４０）を含む、センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、前記距離計測ユニット（３４）の前記飛行時間計測ユニット（３４ａ）により生成される複数の飛行時間を統計的に評価するためのヒストグラム評価手段（３６）を更に含む、センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、前記センサ（１０）が、指定された距離レンジの範囲内で物体（１８）が検出されたかどうかに依存してその出力状態を切替える切替センサである、センサ。
【請求項１３】
飛行時間原理により物体（１８）の距離を計測するための方法であって、
光信号（１４）を送信するステップと、
前記物体（１８）による反射又は返送後受光すると、ブレークスルー電圧より大きいバイアス電圧でもってバイアスされ、従ってガイガーモードにおいて作動してアバランシェイベントをトリガするアバランシェフォトダイオード要素として各々が構成される第１複数の画素要素（２４、２４ａ）を有する受光器（２２）内で、前記光信号（２２）を受信するステップと、
光信号（１４、２２）の送信と受信との間の飛行時間を、画素要素（２４ａ）に接続された第２複数の飛行時間計測ユニット（３４ａ）によって測定するステップであって、前記第２複数が前記第１複数よりも少ないステップと、
を含む方法において、
飛行時間計測用に、前記画素要素（２４ａ）のうちの幾つかのみが使用されるよう、前記画素要素（２４ａ）の選択された部分のみを飛行時間計測ユニット（３４ａ）に１対１のやり方で接続するステップと、
強度計測を基に接続されるべき画素要素（２４ａ）を選択する、従って実際に環境光又はダークカウントイベントにしか貢献しない画素要素を距離計測から除外するステップと、
を更に含む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及び１３の前文にそれぞれ記載の飛行時間原理を用いて物体の距離を計測するための光電センサ及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
知られている光飛行時間原理により、光電センサを使用して物体の距離を測定することができる。短い光パルスが送信され、返送された又は反射された光パルスが検出されるまでの時間が計測される。別法として、位相法において送信される光の振幅が変調され、送信された光と受信された光との間の位相差が測定される。位相差は飛行時間の尺度である。
【０００３】
距離計測は、例えば、工場自動化、物流自動化又は安全工学において利用することができる。考えられる用途としては、送信器と受信器又はリフレクタとの間の距離をそれぞれ監視する修正済み光バリア又は指定された距離レンジ内に物体があるかどうかに応じて切替状態が変化する、二値物体存在検出による切替システムを包含する。レーザスキャナも、それぞれの角度位置にて距離を測定する飛行時間計測に依拠するものである。
【０００４】
光電センサが、入射する受信光から電気信号を生成する受光器を含む。多くの用途では、単純なフォトダイオードの検出感度が十分でない。アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）において、入射光は、制御されたアバランシェブレークスルー（アバランシェイベント）をトリガする。アバランシェフォトダイオードは入射光子により生成される電荷キャリアを倍増するのであり、受光レベルに比例した、しかし単純なＰＩＮダイオードにおけるよりもかなり大きい光電流が生成される。アバランシェフォトダイオードは、いわゆるガイガーモードにおいてブレークダウン電圧を超えてバイアスされるため、単一の光子により生成される単一の電荷キャリアでさえもアバランシェをトリガすることがあり、電場が強いことに起因して、単一の電荷キャリアが、続いて利用可能な全ての電荷キャリアを誘起する。故にアバランシェダイオードは、名前がそれに由来するガイガーカウンタのように、個々のイベントをカウントする。ガイガーモード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。
【０００５】
放射感度の高いＳＰＡＤは多数の用途において使用される。これらの用途は、ＣＴ、ＭＲＩ、又は血液検査のような医療技術、分光法、距離計測、及び三次元画像化、核物理学における放射線検出のような光学計測技術、又は天体物理学用望遠鏡における使用を包含する。
【０００６】
従って、ガイガーＡＰＤ又はＳＰＡＤは、半導体ベースの非常に高速で高感度のフォトダイオードである。高感度であることの１つの欠点は、計測光子だけでなく、環境光、光学的クロストーク、又はダークノイズからの弱い干渉イベントも、アバランシェブレークダウンをトリガし得ることである。干渉イベントは、受信される計測光と同じように比較的強い信号をもつ計測信号に貢献するのであり、信号内では区別不可能である。続いて、アバランシェダイオードは約５〜１００ｎｓの不感時間の間は反応しないため、その時間中は更なる計測に利用できない。
【０００７】
医療技術におけるような多くのＳＰＡＤ用途では、センサは環境光のない又はほとんどない、制御された暗い環境において作動するのであり、そこでは干渉光子は重大な問題ではない。他方で工業用センサは、高レベルのそのうえ予測不能に変動する環境光に暴露される。このためＳＰＡＤベースの多くの距離センサは、単一のＳＰＡＤではなく複数のＳＰＡＤを有するマトリクスを使用する。
【０００８】
ＳＰＡＤマトリクスは、ＳＰＡＤ信号を結合して処理するという問題を引き起こす。原則的には、個々の各ＳＰＡＤをＴＤＣ（時間‐ディジタル変換器）のような距離計測ユニットに接続することができよう。この手法の欠点は、膨大な数のＴＤＣがウェハエリアの禁制部分を必要とし、従って曲線因子（感光エリアと総面積との比率）を損なうことである。更に、ＴＤＣは妥当な帯域幅及び処理資源では管理できない量のデータを生成することがあろう。
【０００９】
従って従来の距離センサでは、幾つかのＳＰＡＤがＯＲゲートにより結合されてマクロピクセルを形成するが、ＴＤＣにより共通の信号しか処理されない。類似の等価物としては、抵抗ネットワークがコンパレータを用いて評価される信号同士を合計することがあろう。結合されたＳＰＡＤは、普通マルチプレクサを用いて作動され、異なるマクロピクセル又はＳＰＡＤ群が、異なる時間窓において１つの又は僅か数個のＴＤＣと接続される。更に、マトリクス上の画素位置に依存してマクロピクセルの寸法が変動する１例が、US 8 773 642 B2に開示される。多重化されたマクロピクセルの手法は、環境光及び管理可能なハードウェア資源を扱うことができる。ただし、長い計測期間を犠牲にするものである。マクロピクセルにより生成される多重化及び統計は、工業用センサにおける高速かつ堅牢な実時間計測にとって少しも理想的でないことが分かる。
【００１０】
US 2006/0202129 A1は、ＳＰＡＤのアレイを含む集積回路を開示する。ＳＰＡＤは、列方向に配置され、列ごとに１つの読出し回路を備えている。画素の読出しは、ガイガーパルスにより出力ラインがプルダウンされて、このガイガーパルスが列の読出し回路により評価されるという点でイベントベースである。
【００１１】
US 2017/0139041 A1は、画像化能力を備えた測距装置を記載する。ＳＰＡＤのアレイをゾーンに分割することができるのであり、各ゾーンにレンジ推定回路が設けられる。ゾーンは、その信号がＯＲ結合される幾つかのＳＰＡＤのマクロブロックに分割される。低いイベントカウント又は信号対雑音比を有するマクロブロックを選択解除することができる。残りの全てのマクロブロックの信号はＯＲ結合されるため、レンジ計測用に全部の信号が使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】US 8 773 642 B2
【特許文献２】US 2006/0202129 A1
【特許文献３】US 2017/0139041 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、改良されたＳＰＡＤベースの飛行時間計測を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的は、請求項１及び１３にそれぞれ記載の飛行時間原理を用いて物体の距離を計測するための光電センサ及び方法により満足される。飛行時間計測において、従来どおりその距離が計測されるべき物体にて拡散的に返送された又は直接反射された後に受光器において受信される光信号を、送光器が送信する。前記受光器は、各々がＳＰＡＤとして構成された、好ましくは線状に又はマトリクス状に配置される複数の画素要素を含む。この文脈において、画素要素という用語は個々の画素を参照するのであり、個々の画素の群から成るマクロピクセルのことではない。距離計測が前記ＳＰＡＤ信号を評価するための複数の飛行時間計測ユニットを含むが、飛行時間計測ユニットの数はＳＰＡＤの数よりも少ない。
【００１５】
本発明は、画素要素と飛行時間計測ユニットとの１対１対応に忠実であるという基本的概念から出発する。このことは、その評価がマクロピクセルデータよりはるかに信頼できる統計的飛行時間データを生成すると分かった。大量の画素要素に対処するために、飛行時間計測ユニットには、実際に前記画素要素の、選択された部分のみが接続される。前記接続は切替手段により確立される。接続を確立できるということが多重化と混同されるべきではない。多重化とは、本発明による前記１対１対応とは反対に、前記同一の飛行時間計測ユニットの多重逐次使用を示唆するものである。マルチプレクサはむしろ１：ｎ接続のための要素である。画素選択ユニットが、接続されるべき画素要素を決定する。前記選択は、例えば前記送信器の光信号の一部を実際に受信する画素要素を識別する強度計測に依拠する。これらの画素要素は、関心領域（ＲＯＩ）を形成することができる。ところで、本発明は、選択済み画素要素が特定の近傍又はその他の空間特性を一切もたない事例をも包含する。このように意味を広げて解釈すれば、ＲＯＩという用語は、前記選択済み画素要素を前記受光器にわたって一見無作為のやり方で個々に分布させることができるものと理解されるべきである。
【００１６】
本発明は信頼できる飛行時間データに起因して、計測がより堅牢かつ正確であるという利点を有する。距離を非常に高速に、しかも環境光又は背景光が強く変わりやすい逆の条件であっても計測することができる。実際には前記画素要素の選択部分しか評価されないことから、適度な数の飛行時間計測ユニットしか必要でなく、それ故に帯域幅及び評価資源が適度にしか必要でない。前記画素要素が強度計測を基に選択されるため、実際には環境光又はダークカウントイベントにしか貢献しない画素要素の影響が排除される。このことは、前記信号対雑音比をかなり増加させる。
【００１７】
前記飛行時間計測ユニットは、好ましくは各々がＴＤＣを含む。このＴＤＣは、前記受光器のチップ上で容易に一体化することのできる非常に堅牢な素子である。例えば、前記ＴＤＣは、前記送光器をもトリガする電気信号により開始され又は光学参照信号により開始され、１対１接続にある前記それぞれの画素要素内のアバランシェイベント中に生成された信号により停止される。考えられる別のＴＤＣ作動モードとして、アバランシェイベントからの前記信号によりＴＤＣをトリガし、通常は全てのアクティブＴＤＣを参照信号でもって停止させることがあろう。このことは、光が送信されると全てのＴＤＣが開始するのでなく、アバランシェイベントが実際に観察されるＴＤＣのみが活性化され、従ってデータ転送にとって必要となる前記帯域幅及び電力消費が低減されるという前記利点を有する。前記アバランシェイベントは、前記送信器の光信号の少なくとも１つの光子を受信することに起因するはずであるが、環境光、ダークノイズ、又はその他の干渉によっても引き起こされ得る。このことはこの段階では区別不可能であるが、より多数のアバランシェイベントを統計的に評価することにより、このことに取り組むことができる。前記ＴＤＣは、好ましくはＴＤＣアレイを形成する。ＴＤＣの前記数は、前記必要数の選択済み画素要素にＴＤＣを提供するには多いが、画素要素の総数よりはかなり少ない。例えば前記比率は、多くて２０％、１０％、５％、１％であり、又は特に幾千のＳＰＡＤを備えた受光器の場合はそれよりも更に少ない。
【００１８】
前記切替手段は、好ましくはマトリクス状のプログラム可能な相互接続手段を含む。このことにより、前記選択済み画素要素のうちの任意の１つに、前記飛行時間計測ユニットのうちの任意の１つを割り当てること、従ってどの画素要素を選択できるのかについて、接続を柔軟に確立することが、無制限に可能になる。
【００１９】
前記画素選択ユニットは、好ましくは複数のカウンタを含み、各カウンタは、前記接続された画素要素のアバランシェイベントをカウントするために少なくとも１つの画素要素に接続される。アバランシェイベントは、前記送光器の有用な光ではなく干渉により引き起こされ得るが、干渉イベントは背景活動レベルにしかならない。有用な光を受信すれば、やはり前記背景レベルを超えるカウントが増加し、従って距離計測に実際に貢献することのできる画素要素を識別する尺度ができる。
【００２０】
前記切替手段は、好ましくはアバランシェイベントのカウントに応じて、画素要素を、特に最大カウントを有する及び／又は閾値を超えるカウントを有する画素要素を、飛行時間計測ユニットに接続する。画素要素が利用可能な飛行時間計測ユニットよりも多いのか少ないのかを、閾値基準が識別することができる。前者の場合、前記閾値を増加させることができ又は最大カウント基準を付加的に適用することができる。後者の場合、前記センサは前記飛行時間計測ユニットのうちの幾つかは使用せず、単純に継続し、より少ない画素要素でもって計測することができる。別法として、閾値下カウントが最大である画素要素を付加的に選択することができる。
【００２１】
前記カウンタは、好ましくは画素要素の列又は行に接続された列カウンタ又は行カウンタである。ここでは、そして以下では行及び列の役割は実務において置き換え可能である。以下の実施形態の記載では列カウンタを記載するが、行カウンタを同じようなやり方で使用することができよう。列カウンタ又は行カウンタは、実装に必要となるカウンタの総数が相当少なくなるという利点を有する。このことは個々の画素要素活動ではなく、むしろ集約された列又は行の活動を促すのみである。他方で、多くの実施形態において画素要素を選択すること、特に有用な光を一切受信せず雑音レベルにしか貢献しない画素要素を除外することで十分であることになる。
【００２２】
列カウンタが、全ての行の部分集合であるアクティブ行からのイベントのみをカウントし又は行カウンタが、好ましくは全ての列の部分集合であるアクティブ列からのイベントのみをカウントする。これらのアクティブ行又はアクティブ列はそれぞれ、好ましくは構成可能であり、特に隣同士である。アクティブ行及びアクティブ列は、例えば前記センサ内の受信光学系及び光路の光学的シミュレーションを基にパラメータ表示することができる。別の選択肢として、前記受光器上の受信光スポットの外観観察がある。アクティブ行及びアクティブ列は、計測中、暫定的なアクティブ行又はアクティブ列の移動窓の種類を用いて設置することもできる。その後、計測により前記最大カウントの明らかになった列又は行が活性化され又は前記カウントが、中央値、平均値、又は同様のものでもって評価される。
【００２３】
前記画素選択ユニットは、好ましくは製造中又はティーチイン中に、前記切替手段により接続されるべき画素要素を決定するように構成される。距離値の実時間有効性が必要でない場合、この画素要素又はＲＯＩの選択は、外部操作で行うことができる。そうすれば、画素要素を選択するために、例えば多数の計測反復の統計的評価後に画素要素を選択するために時間のかかる計測さえも可能である。一方ダイナミックな画素選択、即ち前記画素選択の変更、従って作動中で距離計測間の画素要素と飛行時間計測ユニットとの間の前記接続は除外されない。
【００２４】
前記画素要素は、好ましくは各々、飛行時間計測出力及びカウンタ出力を含む。前記飛行時間計測出力を使用して、受信時点例えばＴＤＣを停止させる信号が測定される。それ故に、信号は例えばパルスの立ち上がり又は立ち下がりエッジでもって、非常に正確な時点を規定せねばならない。他方で前記カウンタ出力は、アバランシェイベントが起こったという二値情報である。画素選択と距離計測とを、全ての実用限界内で同時に行うことができるよう両方の出力を並行して生成することができる。このことにより、距離計測中に前記後続の計測において選択されるべき前記画素要素が決定されるまで、非常に高速なダイナミックな画素要素の選択が可能になる。
【００２５】
前記画素要素は、好ましくは各々、非活性化手段を含む。選択されない、従って飛行時間計測に接続されない画素要素は、前記距離計測を損なうことがない。一方、未使用のこれらの画素要素において、やはり電力を消費し発熱を増加させるアバランシェイベントがある。更に画素のなかには高ダークカウント率又はその他の不具合を有するものもあるため、これらの画素は前記画素選択ユニットが決めるであろうものに関係なく、そもそも選択処理から除外されるべきである。画素要素の非活性化は、例えばそれらのバイアス電圧がオフに切替えられること又は少なくとも前記ブレークスルー電圧以下に減少されることにおいて可能である。
【００２６】
前記画素要素は、好ましくは各々、少なくとも１つの小さい感光エリアと、少なくとも１つの大きい感光エリアとを含み、前記画素要素の前記出力信号は、前記小さい感光エリアの弱信号として、又は前記大きい感光エリアの強めの信号として、又は前記弱い感光エリア及び前記大きい感光エリアの両方の和としての強信号として構成可能である。従って、画素要素はより大きいダイナミックレンジに適合可能である。受信された光信号が弱い場合、前記大きい感光エリアが又は両方の感光エリアさえも使用され及びその逆に受信された光信号が強い場合、前記小さい感光エリアが使用される。従って前記画素要素は、構成可能な感度及び曲線因子を有する。画素要素は、前記小さい感光エリア及び大きい感光エリアを有するにもかかわらずやはり個々の画素であり、マクロピクセルではない。任意の構成において、これらの前記感光エリアが１つの信号のみを生成するのであり、前記小さい感光エリアのみの又は前記大きい感光エリアのみの信号に独立してアクセスすることは不可能である。
【００２７】
前記センサは、好ましくは前記距離計測ユニットの前記飛行時間計測ユニットにより生成される複数の飛行時間を統計的に評価するためのヒストグラム評価手段を更に含む。様々な機会に言及したように、個々の画素要素の前記信号は信頼できない。というのも、この信号が前記送信されて返送された光信号の光子から生じるのか、又は単なる干渉イベントであるのかが区別不可能であるからである。従来のマクロピクセルは、まさに評価鎖の前面にて平均化効果を利用するが、より高性能な下流に向かう統計的方法のための情報が失われるという逆効果を伴う。本発明の前記手法というものは、関連性のある元の時間情報を保護することであり、前記複数の飛行時間計測ユニット上で空間的に集積した後及び場合により計測反復にわたって更に一時的に集積した後に、充分なアバランシェイベントが利用可能になるまで統計的評価を延期することである。この統計的集積及び評価が、前記ヒストグラム評価手段のタスクである。ヒストグラム評価手段は、前記飛行時間計測ユニットに接続されるのであり、前記同一チップ上で一体化してもよく、しなくてもよい。
【００２８】
前記センサは、好ましくは指定された距離レンジの範囲内で物体が検出されたかどうかに依存してその出力状態を切替える切替センサである。この種類のセンサは工業用の用途において、選別のようなタスクに対して広く使用される。前記センサは、しばしば検出されるべき前記物体が搬送されるコンベヤに装着されている。明らかなことであるが、前記センサは距離値を出力又は表示することもできる。
【００２９】
発明的な前記方法は、同様のやり方で修正することができるのであり、同様の利点を示す。更なる有利な特徴を、例示的な、ただし非限定なやり方で前記独立請求項に続く前記従属請求項に記載する。
【００３０】
本発明を、例示的な実施形態及び同封の図面を参照して、更なる利点及び特徴に対しても以下で説明することにする。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】距離計測用の光電センサの略図。
【図２】画素マトリクス、ならびにＳＰＡＤ出力を基に距離を計測するための制御及び評価ユニットの略図。
【図３】飛行時間計測に使用されるべき画素を選択するための列カウンタの詳細部分図。
【図４】選択された画素と飛行時間計測ユニットとの間に１対１接続を確立するためのスイッチマトリクスの詳細部分図。
【図５】異なる寸法の２つの感光エリア及び２つの出力を有する個々の画素要素の略図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、一次元の実施形態において飛行時間原理により距離を計測するための光電センサ１０の簡素化した略図を示す。送光器１２、例えばＬＥＤ又はレーザ光源が、監視エリア１６内に光信号１４を送信する。物体１８がある場合、光の一部が拡散的に返送され又は反射され、返送された光信号２０としてセンサ１０に戻り、受光器２２内で記録される。
【００３３】
受光するとブレークスルー電圧より大きいバイアス電圧でもってバイアスされ、従ってガイガーモードで作動してアバランシェイベントをトリガするアバランシェフォトダイオード要素として構成されることからＳＰＡＤとも称される複数の画素要素２４を、受光器２２は含む。幾つかの基本的なＳＰＡＤ特性を導入部に記載した。画素要素２４は、好ましくはマトリクス状に配置される。
【００３４】
送信された光信号１４の送信時点から、返送された光信号２０の受信時点までの飛行時間を測定するために受光器２２は制御及び評価ユニット２６に接続され、そこで画素要素２４の信号がそれぞれ評価される。飛行時間は、光速によって距離に変換することができる。図１に、ほんの単純なブロック要素としての制御及び評価ユニット２６を示す。この制御及び評価ユニットを以下で詳細に説明することにする。制御及び評価ユニット２６は送光器１２を制御することもできるのであり、この制御及び評価ユニットにより、送光器は光信号を、特に光パルス又はパルストレインを送信することができる。飛行時間計測の参照として、光信号がトリガされる時点を使用することができる。その他の実施形態では、送信された光信号１４を送信された光の一部のための光学的な近道によって、光学的参照として使用することができる。
【００３５】
実務において、センサ１０は付加的な要素、特に送受信光学系、ならびにインタフェースを含む。これらのインタフェースは簡潔のため省略する。実務的な実施形態において、図１におけるように受光器２２と制御及び評価ユニット２６とを分割することが可能であるが、これは主として説明のためである。好ましくは、これらの素子は画素要素２４と、画素要素２４に又は画素要素２４の群にその制御及び評価のため割り当てられる又は割り当て可能である回路構成とによりその表面が共有される同一チップ上で、少なくとも部分的に一体化される。
【００３６】
図１に、送光器１２が受光器２２の前に配置される同軸配置がある。例えばビームスプリッタを使用するその他の同軸配置が可能である。送光器１２と受光器２２とが、互いに隣接配置されて相互に変位する二軸配置又は三角測量配置も想像できる。
【００３７】
センサ１０は、図１に示すような走査型の一次元センサとすることができる。その他の実施形態は、光バリア、特に監視ビームの反対端にある対応するリフレクタの距離を監視する光バリア、光格子、及びスキャナを包含する。センサ１０は、距離値を出力又は表示することができるのであり又は予測される距離レンジからの偏移を包含する特定の距離レンジにおいて物体が検出されるとスイッチイベントがトリガされるところのスイッチとして作動することもできる。例えば距離‐計測又は距離‐監視光格子を形成するために、複数のセンサ１０を結合させることができる。センサ１０が移動可能に装着される可動システム又は移動可能ミラーによって又は特に回転移動でもって計測システムを移動させることにより、送信された光信号１４が監視エリア１６にわたって掃引する走査システムも想像できる。
【００３８】
図２は、受光器２２と制御及び評価ユニット２６の素子を略図で示す。実施形態において、受光器２２は画素要素２４の規則的な二次元マトリクスを含む。画素要素２４の数は変動させることができ、例えばマトリクスは、画素要素２４が数十、数百の、又は数千でさえある、又はそれ以上である二次的配置又は矩形配置とすることができる。
【００３９】
画素要素２４内では、返送された光信号２０の受信後に、又は、環境光光子又はその他の干渉光ダークノイズによりのいずれかでアバランシェイベントがトリガされる。返送された光信号の受信は所望の計測イベントである。受光器２２及び制御及び評価ユニット２６は、高くそして変動する環境光レベルにさえ対処できるという目標をもって設計される。このことは、画素要素２４のうちの幾つかのみが選択されて飛行時間計測に使用されるという点で達成される。一方先行技術とは対照的に、選択済み画素要素２４はマクロピクセルとしてではなくむしろ個々に評価され、従って元の計測情報が、最小可能な細部レベルにて、平均化又は同様の集約処理により改変されることなく必然的に情報を損失して提供される。前提条件としては、最も見込みのある画素要素２４を選択する必要がある。
【００４０】
選択処理のために、制御及び評価ユニット２６は列カウンタユニット２８を含む。列カウンタユニット２８のタスクは、返送された光信号２０の光子を実際に記録する画素要素２４のアクティブ列を設置することである。列カウンタユニット２８のタスクを、図３を参照してより詳細に記載することにする。名前が示唆するように、列カウンタユニット２８は、単に列における全ての画素要素２４の手短なカウントを提供する。原則的には、各画素要素に対して個々のカウンタがあってもよいであろうが、費用及びエリア消費により、画素選択の利点の大部分が相殺されるであろう。列内の画素要素２４を限定するために任意の行選択ユニット３０があり、行選択ユニット３０は行のうちの幾つかのみを活性化させ、非アクティブ行内の画素要素２４が列カウントに貢献しない。この文脈において、列及び行はただの用語であり、他の実施形態ではそれらの役割を入れ替えることができよう。
【００４１】
選択された各画素要素２４が距離計測ユニット３４の飛行時間計測ユニットに１対１のやり方で接続されるように、選択処理からの情報を用いてスイッチマトリクス３２が構成される。このことを、図４を参照してより詳細に説明することにする。好適な実施形態において、飛行時間計測ユニットはＴＤＣであり、距離計測ユニット３４はＴＤＣアレイ又はＴＤＣバンクとも称される。
【００４２】
作動中、飛行時間計測ユニットは個々の飛行時間計測値又はタイムスタンプを生成することになる。これらは各々、個々の１つの距離計測値である。距離計測値は生の計測値である。というのも、この距離計測値はやはり、内部遅延及び同等のもの用の較正情報を用いた修正及び光速による単位換算を必要とするからである。ＳＰＡＤの性質に起因して、これらの個々の距離計測は非常に信頼性の低いものである。というのも、アバランシェ効果は、対応する個々の飛行時間が実際の距離と全く相関していない環境光又はダークノイズにより引き起こされ得るからである。
【００４３】
従って、個々の飛行時間はヒストグラム評価ユニット３６内で蓄積され評価される。ヒストグラムは飛行時間分布の近似値であり、Ｘ軸上に時間ビンが、Ｙ軸上にこれらのビンのうちの１つ内の、飛行時間を計測するアバランシェイベントの数がある。十分な数のアバランシェ効果があれば、ヒストグラムはその位置を使用して飛行時間全体を、従って距離を測定することのできる明確なピークを示すことになる。アバランシェイベントは、空間にわたって、つまり異なる飛行時間計測ユニットから及び／又は時間にわたって、つまり計測の反復から蓄積することができる。ヒストグラム全体を形成するのでなく、集積前にアバランシェイベントを部分的に評価する、従って迷走イベントを早期段階で除外することも可能である。例えば半透明の物体、ガラス、又は霧の場合、２つ以上のピークがあってもよい。ヒストグラムから、このような多重ターゲットを識別することもできる。本発明はヒストグラム評価についてではないことから様々な可能性に言及しただけであり、これらの可能性を詳細には一切記載しないことにする。
【００４４】
既に言及したように、受光器２２と制御及び評価ユニット２６の素子は同一チップ上で一体化することができる。好適な実施形態において、受光器２２、ならびに、画素要素２４の選択、接続、及び評価のための素子２８、３０、３２、３４がＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）の一部である一方で、ヒストグラム評価ユニット３６がマイクロプロセッサ上に実装される。更に別の実施形態において、ヒストグラム評価ユニット３６も少なくとも部分的にＡＳＩＣ上に一体化される。
【００４５】
図３は、列カウンタユニット２８及び行選択ユニット３０の細部を示す。目標は、太字で示す画素要素２４ａを識別することである。画素要素２４ａは、返送された光信号２０から生じる受信光スポット３８の有用な光を受光器２２上で記録する。列カウンタユニット２８は、画素要素２４のマトリクス配置の１つの列の画素要素２４に各々が接続された複数の列カウンタ２８ａを含む。
【００４６】
画素要素２４内でアバランシェイベントがあるたびに、対応する列カウンタ２８ａが増加する。従って、列カウンタ２８ａのカウントは、関連する列内の活動に対する計測の値である。全ての画素要素２４が、環境光及びダークノイズによりアバランシェイベントを引き起こしやすい。受信光スポット３８により、アバランシェイベントが幾つかの画素要素２４ａにおいてのみ更にトリガされる。従って、列カウンタ２８ａのカウントは、受信光スポット３８が作用する画素要素２４ａを包含する列に対応する列カウンタ内では、他の列に対してよりも多くなることになる。受信光スポットを使用して列が区別され、例えば列カウントが最大である又は列カウントが閾値を超える画素要素２４ａが選択される。
【００４７】
列カウンタユニット２８は、列方向において分解能を持たない。即ち、列カウンタユニットの情報を、関連性のある行の識別に使用して、画素要素２４ａを選択することができない。従って任意の行選択ユニット３０が画素要素２４ａに接続され、この行選択ユニットが行のうちの幾つかのみ、この例では３行を活性化することができる。点線で示す、画素要素２４の非アクティブ行は列カウントに貢献しない。
【００４８】
アクティブ行はパラメータ表示することができる。例えば、センサ１０の光学的シミュレーションがあれば、受信光スポット３８の予測されるべき行が明らかになることになる。別の選択肢として、製造中又は組立中に受信光スポット３８を外的手段により観察することがある。列カウンタユニット２８を使用して、アクティブ行を識別することも可能である。その目的で異なる群の行が系統的に活性化され、各群についての少なくとも１回の計測後、アクティブ行について、最大集約された又は同様の基準を満たす列カウントの群が使用されることになる。アクティブ行の識別は厳密である必要はないのであり、図３の受信光スポット３８と選択済み画素要素２４ａとの相対位置は、理想的な事例の種類のものである。任意の不一致があってもセンサ１０は機能不全とはならず、背景しか記録しない幾つかの画素要素２４が選択されることになることから、この不一致は全体的な信号対雑音比に対してしか影響を与えない。
【００４９】
図３の実施形態において、列及び行は同等に扱われるのではない。まず当然ながら、他の実施形態において役割を逆にすることができる。次に、列カウントに対する理由がある。センサ１０の二軸配置において、即ち図１とは対照的に送光器１２と受光器２２とが互いに隣接配置されて相互に変位する際、三角測量効果があることになる。つまり、受信光スポット３８が物体１８の距離に応じて受光器２２上を移動する。この移動は有利には、画素要素２４の行と整列させるべきである。即ち受信光スポット３８は行内を移動する。その後、アクティブ行が静止状態になる。というのも、受信光スポット３８が物体１８の任意の距離について同じ行により記録されることになるからである。一方、列は物体距離と共に変動する。故に列カウントユニット２８は、行に沿って移動する際に受信光スポット３８を追跡することができる。
【００５０】
図１の同軸配置では、製造中、組立中、又は再較正中の画素要素２４ａの静止の選択で十分である。二軸配置では、受信光スポット３８を追跡するという画素要素２４ａのダイナミックな選択が有用なことがある。同軸及び二軸の両方の事例において、受信光スポット３８は近距離に対する寸法が増加する。一方好適な実施形態において、画素要素２４ａの選択は、変動する寸法を合致させようとさえしない。近い物体１８がとにかく多くのエネルギーを返送することになるのであり、ダイナミックレンジは、このエネルギーが全て記録されるわけではない場合にのみ改良されることになる。
【００５１】
図４は、選択済み画素要素２４ａと距離計測ユニット３４の飛行時間計測ユニット３４ａとの間に１対１接続を確立するための詳細を示す。これを目的として、スイッチマトリクス３２は、一方で全ての画素要素２４に、他方で全ての飛行時間計測ユニット３４ａに接続される。画素要素２４と飛行時間計測ユニット３４ａとの間に所望の１対１接続を確立できるよう、スイッチマトリクス３２は１組のプログラム可能な相互接続手段３２ａを含む。
【００５２】
飛行時間計測ユニット３４ａが画素要素２４よりも相当少ないことから、実際には、ごく一部である、実線で示すこの接続３２ａが完全に確立される一方で、点線で示す他の接続は、スイッチマトリクス３２により中断される。飛行時間計測ユニット３４ａとの接続が確立された選択済み画素要素２４ａが、例えば図３を参照して説明したように前もって決定されたのであり、これに応じてスイッチマトリクス３２がプログラムされる。
【００５３】
従って、実際には選択済み画素要素２４ａのみが距離計測に貢献する。選択されたこれらの画素要素２４ａは、信号対雑音比の高い、関連性のある計測情報を生成する。というのも、選択済み画素要素２４ａにより記録されたアバランシェイベントが有用な光に起因している確率がかなり増加する一方で、背景しか監視しない画素要素２４はとにかく距離計測から除外されるからである。同時にそれらを評価するには、同程度に少数の飛行時間計測ユニット３４ａで十分である。
【００５４】
スイッチマトリクス３２は、任意の画素要素２４を任意の飛行時間計測ユニットに接続できるよう柔軟性があってもよい。その他の実施形態において、例えば、画素要素２４ａの連続する領域のみを飛行時間ユニット３４ａに接続できるという制約が可能である。実務において、連続する受信光スポット３８を予測することができ、考えられる接続性を限定することでスイッチマトリクス３２の構造を簡素化することができる。
【００５５】
図５は、個々の画素要素２４の実施形態の略図を示す。画素要素２４は全体としてＳＰＡＤである。図５の付加的な構造は、本発明の範囲を限定するものでない有利な例であり、特に画素要素２４が、図５に示す構造の一部のみを含むことができる。
【００５６】
画素要素２４は活性化／非活性化手段４０を含み、画素要素２４を個々に有効に又は無効にすることができる。このことは、活性化／非活性化手段４０が所望の状態に応じて設定することのできるメモリ又はフラグを有することにより達成することができる。並外れた感度を包含するＳＰＡＤ特性が失われるよう、バイアス電圧をブレークスルー電圧以下に減少させることにより、画素要素２４を効果的に無効にすることができる。
【００５７】
画素要素２４は、１つだけでない、異なる寸法の２つの感光エリア４２ａ、４２ｂをも含む。これらのエリアは、アクティブエリア選択手段４４に接続され、そのことによって、画素要素２４は、３つのうちの１つの状態において作動するように構成することができる。これらの状態とは、返送された光信号２０が強い場合の小さい感光エリア４２ａのみの使用、返送された光信号２０が適度から弱い場合の大きい感光エリア４２ｂのみの使用、及び返送された光信号２０が弱い場合の両方の感光エリア４２ａ、４２ｂの使用である。画素要素２４がやはり単一の画素要素として作動するため、感光エリア４２ａの信号に個々にアクセスすることはできない。一方、画素要素は構成可能な感度又は曲線因子を有するのであり、この適合を利用してセンサ１０のダイナミックレンジを増加させることができる。好ましくは、感度又は曲線因子の設定は、全ての画素要素にとって包括的なものであるが、画素ベースで個々に行うこともできよう。
【００５８】
最後に、画素要素２４は２つの出力４６、４８を有する。ＲＯＩ又はカウンタ出力４６は、画素要素２４内でアバランシェイベントが起こったという二値情報を提供するが、この情報は、例えば或る時間間隔後に又は計測が反復されている間にリセットされる。この情報は、列カウンタユニット２８内で、画素要素２４ａを選択するために使用される。他方でＴＤＣ又は飛行時間計測出力４８は、アバランシェイベントの時間情報が非常に正確である信号、例えばパルス又はステップを提供する。パルスは、例えばピコ秒レンジの距離分解能の規模でそれ自体短くする必要がない。というのも、この情報を立ち上がり又は立ち下がりエッジも持つことができるからである。２つの出力は同一の物理的出力で、ただし異なる種類の信号で例えば飛行時間計測ユニット３４ａ用の時間信号としての非常に短いパルス又はその他のコード、及び列カウンタユニット２８用のアバランシェイベントを単に示す或るコード又は単純な低信号又は高信号でもって、実施することもできよう。
【００５９】
２つの出力４６、４８に起因して、列カウンタユニット２８内の画素要素２４ａの選択及び飛行時間計測ユニット３４ａによる距離計測を同時に行うことができる。このことにより距離を計測しつつ、後続の計測用に画素要素２４ａを実時間でダイナミックに選択することが可能になる。
【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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