Title:
Korrektureinrichtung, Korrekturverfahren und Distanzmesseinrichtung
Document Type and Number:
Kind Code:
T5

Abstract:

Die verliegende Korrektureinrichtung ist mit Folgendem ausgestattet: einer Photonenanzahl-Zähleinheit, die die Anzahl von Photonen auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, zählt; einer Korrekturwert-Erfassungseinheit, die einen Korrekturwert erfasst, der der Photonenanzahl entspricht; und einer Korrektureinheit, die eine Korrektur auf Basis des Korrekturwerts durchführt. embedded image





Inventors:
Oohata, Toyoharu (Tokyo, JP)
Koyama, Takahiro (Tokyo, JP)
Ono, Tomoki (Tokyo, JP)
Application Number:
DE112016004120T
Publication Date:
05/24/2018
Filing Date:
06/07/2016
Assignee:
SONY Corporation (Tokyo, JP)
International Classes:
G01J11/00; G01C3/06; G01S7/497
Attorney, Agent or Firm:
MFG Patentanwälte Meyer-Wildhagen Meggle-Freund Gerhard PartG mbB, 80799, München, DE
Claims:
Korrektureinrichtung, die Folgendes umfasst:
eine Photonenanzahl-Zähleinheit, die eine Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, zählt;
eine Korrekturwert-Erfassungseinheit, die einen Korrekturwert erfasst, der der Photonenanzahl entspricht; und
eine Korrektureinheit, die eine Korrektur basierend auf dem Korrekturwert durchführt.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, wobei
die Photonenanzahl-Zähleinheit eine Integrationsschaltung beinhaltet, die das Ausgangssignal integriert, und
konfiguriert ist zum Zählen der Photonenanzahl gemäß einem integrierten Wert durch die Integrationsschaltung.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Photonenanzahl-Zähleinheit konfiguriert ist zum Zählen der Photonenanzahl gemäß einer Zeitdifferenz zwischen einem ersten Timing, zu dem ein Pegel des Ausgangssignals einen ersten Schwellenwert überschreitet, und einem zweiten Timing, zu dem der Pegel des Ausgangssignals einen zweiten Schwellenwert überschreitet.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Photonenanzahl-Zähleinheit konfiguriert ist zum Ausgeben eines Digitalformat-Photonenanzahlsignals, das die Photonenanzahl angibt, an die Korrekturwert-Erfassungseinheit.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Korrekturwert-Erfassungseinheit eine Nachschlagetabelle beinhaltet, in der ein Korrekturwert, der der Photonenanzahl entspricht, beschrieben ist, und dazu konfiguriert ist, sich auf die Nachschlagetabelle zu beziehen, um den Korrekturwert, der der Photonenanzahl entspricht, zu erfassen.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Korrektureinheit konfiguriert ist zum Korrigieren eines Timings, zu dem die Lichtempfangseinheit Licht empfängt, oder einer Laufzeit des Lichts auf Basis des Korrekturwerts.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst:
eine Messeinheit, die ein Timing misst, zu dem ein Pegel des Ausgangssignals einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst:
eine Messeinheit, in die ein Ausgabetiming von Licht, das durch die Lichtempfangseinheit empfangen wird, eingegeben wird, wobei
die Messeinheit konfiguriert ist zum Messen einer Differenz zwischen dem Ausgabetiming und einem Timing, zu dem ein Pegel des Ausgangssignals einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtempfangseinheit eine ist, bei der eine Frequenzverteilung eines Spitzenwerts oder ein integrierter Wert des Ausgangssignals, das durch Empfangslicht ausgegeben wird, mehrere Maximalwerte, die einer Photonenanzahl entsprechen, aufweist.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 9, wobei die Lichtempfangseinheit mehrere miteinander verbundene Lichtempfangselemente beinhaltet, die jeweils eine Avalanche-Photodiode und einen Widerstand, der in Reihe mit der Avalanche-Photodiode geschaltet ist, aufweisen.

Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst:
die Lichtempfangseinheit.

Korrekturverfahren, das Folgendes umfasst:
Zählen einer Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, mit einer Photonenanzahl-Zähleinheit;
Erfassen eines Korrekturwerts, der der Photonenanzahl entspricht, mit einer Korrekturwert-Erfassungseinheit und
Durchführen einer Korrektur basierend auf dem Korrekturwert mit einer Korrektureinheit.

Distanzmesseinrichtung, die Folgendes umfasst:
eine Photonenanzahl-Zähleinheit, die eine Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, zählt;
eine Korrekturwert-Erfassungseinheit, die einen Korrekturwert erfasst, der der Photonenanzahl entspricht;
eine Korrektureinheit, die eine Korrektur basierend auf dem Korrekturwert durchführt; und
eine Distanzberechnungseinheit, die ein Ergebnis der Korrektur verwendet, um eine Distanz zu einem Distanzmessziel zu berechnen.

Distanzmesseinrichtung nach Anspruch 13, wobei die Korrektureinheit konfiguriert ist zum Korrigieren eines Timings, zu dem die Lichtempfangseinheit Licht empfängt, oder einer Laufzeit des Lichts auf Basis des Korrekturwerts.

Description:
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Korrektureinrichtung, ein Korrekturverfahren und eine Distanzmesseinrichtung.

STAND DER TECHNIK

Herkömmlicherweise ist eine Distanzmesseinrichtung bekannt, die gepulstes Licht zu einem Distanzmessziel emittiert, reflektiertes gepulstes List vom Ziel empfängt und eine Zeit misst, von wann das gepulste Licht emittiert wird, bis wann das reflektierte gepulste Licht empfangen wird (auch als Laufzeit (TOF) bezeichnet), um eine Distanz zu dem Messziel zu messen (siehe zum Beispiel das folgende Patentdokument 1).

ENTGEGENHALTUNGSLISTEPATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung, Offenlegungs-Nr. 2007-147322.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGDURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME

In einem Gebiet einer derartigen Distanzmesseinrichtung wird gewünscht, dass eine geeignete Korrektur für einen möglichen Fehler durchgeführt wird, um eine Genauigkeit einer Distanzmessung zu verbessern.

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, eine Korrektureinrichtung, ein Korrekturverfahren und eine Distanzmesseinrichtung bereitzustellen, die bzw. das in der Lage ist, eine geeignete Korrektur an dem Fehler durchzuführen.

LÖSUNG DER PROBLEME

Um das obige Problem zu lösen, ist die vorliegende Offenbarung zum Beispiel eine Korrektureinrichtung, die Folgendes beinhaltet:

  • eine Photonenanzahl-Zähleinheit, die eine Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, zählt;
  • eine Korrekturwert-Erfassungseinheit, die einen Korrekturwert erfasst, der der Photonenanzahl entspricht; und
  • eine Korrektureinheit, die eine Korrektur basierend auf dem Korrekturwert durchführt.

Die vorliegende Offenbarung ist zum Beispiel ein Korrekturverfahren, das Folgendes beinhaltet:

  • Zählen einer Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, mit einer Photonenanzahl-Zähleinheit;
  • Erfassen eines Korrekturwerts, der der Photonenanzahl entspricht, mit einer Korrekturwert-Erfassungseinheit und
  • Durchführen einer Korrektur basierend auf dem Korrekturwert mit einer Korrektureinheit.

Die vorliegende Offenbarung ist zum Beispiel eine Distanzmesseinrichtung, die Folgendes beinhaltet:

  • eine Photonenanzahl-Zähleinheit, die eine Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, zählt;
  • eine Korrekturwert-Erfassungseinheit, die einen Korrekturwert erfasst, der der Photonenanzahl entspricht;
  • eine Korrektureinheit, die eine Korrektur basierend auf dem Korrekturwert durchführt; und
  • eine Distanzberechnungseinheit, die ein Ergebnis der Korrektur verwendet, um eine Distanz zu einem Distanzmessziel zu berechnen.

EFFEKTE DER ERFINDUNG

Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine geeignete Korrektur für den Fehler durchgeführt werden. Es ist zu beachten, dass der hier beschriebene Effekt nicht notwendigerweise beschränkt ist und ein beliebiger in der vorliegenden Offenbarung beschriebener Effekt sein kann. Zusätzlich dazu sind die Inhalte der vorliegenden Offenbarung nicht als durch den beispielhaft dargestellten Effekt eingeschränkt anzusehen.

Figurenliste

  • 1 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Walk-Fehlers.
  • 2 ist ein Diagramm zum Erläutern, dass ein Korrekturfehler des Walk-Fehlers aufgrund eines Lichtempfangselements groß wird.
  • 3 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Überblicks einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Korrektureinrichtung in einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
  • 5 ist ein Schaltplan, der ein Konfigurationsbeispiel einer Einzelphotonen-Avalanche-Diode (SPAD) des Mehrpixeltyps veranschaulicht.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Wellenformbeispiel eines Ausgangssignals der SPAD des Mehrpixeltyps veranschaulicht.
  • 7 ist ein Diagramm zum Erläutern einer Beziehung zwischen einer Verzögerungszeit und einer Spitzenspannung des Ausgangssignals der SPAD des Mehrpixeltyps.
  • 8 ist ein Diagramm, das ein Messbeispiel einer Frequenzverteilung eines integrierten Werts für jeden Impuls des Ausgangssignals der SPAD des Mehrpixeltyps veranschaulicht.
  • 9 ist ein Diagramm zum Erläutern einer Beziehung zwischen einer Photonenanzahl und einem Verschiebungsbetrag.
  • 10 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Distanzmesseinrichtung in einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
  • 11 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Distanzmesseinrichtung in einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
  • 12 ist ein Diagramm zum Erläutern, wie eine Zeitdifferenz zwischen Timings, die mit unterschiedlichen Schwellenwerten detektiert werden, gemäß der Stärke der Impulsintensität variiert.
  • 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Nachschlagetabelle veranschaulicht, die eine Beziehung zwischen einer Detektionszeitdifferenz zwischen Timings, die mit unterschiedlichen Schwellenwerten detektiert werden, und einer detektierten Photonenanzahl beschreibt.
  • 14 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Distanzmesseinrichtung in einer vierten Ausführungsform veranschaulicht.

AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG

Nachfolgend werden Ausführungsformen und dergleichen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung in der folgenden Reihenfolge erfolgen wird.

<Überblick der Ausführungsform><Erste Ausführungsform><Zweite Ausführungsform><Dritte Ausführungsform><Vierte Ausführungsform><Modifikationen>

Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen und dergleichen sind bevorzugte spezifische Beispiele der vorliegenden Offenbarung und die Inhalte der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf diese Ausführungsformen und dergleichen beschränkt.

„Über den Walk-Fehler“

Um das Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern, wird zuerst ein Walk-Fehler (der als ein Zeit-Walk bezeichnet werden kann) beschrieben, der in einer Distanzmesseinrichtung, die eine Distanzmessung durch ein optisches Verfahren durchführt, auftreten kann. Es ist anzumerken, dass die Distanzmesseinrichtung, die die Distanzmessung durch das optische Verfahren durchführt, bei kurzer Beschreibung eine Einrichtung ist, die eine Zeitdifferenz zwischen einem Lichtemissionstiming und einem Eingangstiming von zurückkehrendem Licht des durch ein Objekt (Distanzmessziel) reflektierten Lichts misst und die Zeitdifferenz mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und dann die multiplizierte Zeitdifferenz durch zwei dividiert, um eine Distanz zum Distanzmessziel zu erhalten.

In der Distanzmesseinrichtung ist es notwendig, ein Lichtempfangstiming von reflektiertem Licht, dessen Intensität sich größtenteils gemäß der Distanz, dem Lichtreflexionsgrad, den Lichtstreuungscharakteristiken und dergleichen des Objekts ändert, zu detektieren. Eine Signalwellenform, die von einem Lichtempfangselement, in das das reflektierte Licht eingegeben wird, und der Signalverstärkungsschaltung ausgegeben wird, weist allgemein eine finite Impulsanstiegszeit (100 Picosekunden (ps) oder mehr) auf und die Intensität eines Ausgangssignals (zweckmäßig als ein Lichtempfangssignal bezeichnet), das vom Lichtempfangselement ausgegeben wird, ändert sich auch gemäß der Intensität von Eingangslicht, das in das Lichtempfangselement eingegeben wird.

An einem derartigen Lichtempfangssignal wird eine Verarbeitung durchgeführt, die eine Binarisierungsschaltung (wie etwa einen Komparator) mit einem vorbestimmten Detektionsschwellenwert verwendet, um ein Timing, zu dem ein Pegel (eine Signalintensität) des Lichtempfangssignals den Schwellenwert überschreitet, als ein Timing zu bestimmen, zu dem Licht empfangen wird. Ein Verfahren zum Detektieren, durch eine derartige Verarbeitung, des Timings, zu dem Licht empfangen wird, wird als ein Vorderflanken-Detektionsverfahren oder dergleichen bezeichnet. Hier, wie oben beschrieben, variiert dieses Timing (eine Verzögerungszeit von einem Signalanstiegsstart bis zur Detektion) aufgrund der finiten Anstiegszeit des Lichtempfangssignals in Abhängigkeit von einer Differenz in der Lichtintensität des reflektierten Lichts.

Eine Beschreibung wird spezifisch unter Bezugnahme auf 1 vorgenommen. In 1 repräsentiert die horizontale Achse Zeit und die vertikale Achse repräsentiert die Signalintensität (den Spannungspegel) des Lichtempfangssignals. Zwei Wellenformen WA1 und WA2 sind schematisch in 1 veranschaulicht und die Wellenform WA1 veranschaulicht eine Wellenform von reflektiertem Licht mit einer starken Lichtintensität und die Wellenform WA2 veranschaulicht eine Wellenform von reflektiertem Licht mit einer schwachen Lichtintensität. Dann wird ein Spannungsschwellenwert Vth zum Bestimmen des Lichtempfangstimings festgelegt.

Es wird angenommen, dass reflektierte Lichter, die die Wellenformen WA1 bzw. WA2 aufweisen, durch eine Lichtempfangseinheit empfangen werden und die Lichtempfangssignale jeweiliger Signalwellenformen, wie etwa der Wellenformen WA1 und WA2, von der Lichtempfangseinheit ausgegeben werden. Hier, wie in 1 veranschaulicht, tritt ein Fehler (eine Verschiebung) Δtd (= td2 - td1) zwischen dem Timing td1, zu dem die Wellenform WA1 den Schwellenwert Vth erreicht, und dem Timing td2, zu dem die Wellenform WA2 den Schwellenwert Vth erreicht, auf. Durch diesen Δtd wird die Distanz zum Distanzmessziel in einem Fall, bei dem das reflektierte Licht eine schwache Lichtintensität aufweist, als lang berechnet. Ein zeitlicher Fehler (eine zeitliche Verschiebung), der durch die Differenz in der Lichtintensität von reflektiertem Licht auf diese Weise verursacht werden kann, ist der Walk-Fehler.

Um zum Beispiel 1 Zentimeter (cm) als eine Distanzmessauflösung zu erhalten, ist es notwendig, eine hohe Auflösung von 67 ps als eine Auflösung einer Lichteingangstimingmessung zu erhalten. Zusätzlich dazu breitet sich das zum Objekt emittierte Licht, das diffus reflektiert wird, räumlich aus und eine Menge an Licht, die in ein getrenntes Lichtempfangselement eintritt, ist ein kleiner Anteil einer Menge an Licht, die von einer Lichtquelle emittiert wird, so dass es notwendig ist, ein Lichtempfangselement mit einer großen Fläche und hohen Empfindlichkeit zu verwenden. Eine Impulsantwort-Ausgangswellenform eines derartigen hochempfindlichen Lichtempfangselements weist typischerweise eine Anstiegszeit von 1 Nanosekunde (ns) oder mehr auf und in diesem Fall ist der Walk-Fehler auch maximal 1 ns. Um die Distanzmessauflösung und eine Genauigkeit von 1 cm zu erhalten, ist es wünschenswert, dass dieser Verschiebungsbetrag zu einem Fehler von etwa 67 ps oder weniger korrigiert werden kann.

Im Übrigen kann in Betracht gezogen werden, dass eine Photodiode (PD) oder eine Avalanche-Photodiode (APD) mit Linearmodus (auch als ein kontinuierlicher Modus bezeichnet) als das Lichtempfangselement, das die Lichtempfangseinheit in der oben beschriebenen Distanzmesseinrichtung bildet, verwendet wird. Dann kann ein Verfahren in Betracht gezogen werden, das eine derartige Lichtempfangseinheit verwendet, um ein Ausgangssignal zu bearbeiten, das einen kontinuierlichen Spitzenwert und einen integrierten Wert gemäß einer Detektionslichtempfangsintensität von Dutzenden oder mehr Photonen aufweist.

Die Photodiode und die Avalanche-Photodiode zeigen eine kontinuierliche Eingangs-/Ausgangscharakteristik und im Allgemeinen ist die Intensität des Ausgangssignals im Wesentlichen proportional zur Lichteingangsintensität. Um ein Ausgangssignal zu erhalten, das größer als ein in einer elektrischen Schaltung erzeugtes Rauschen, wie etwa thermisches Rauschen, ist, ist es notwendig, Dutzende oder mehr Photonen in einem Fall der Avalanche-Photodiode oder Hunderte oder mehr in einem Fall der Photodiode einzugeben. Da das thermische Rauschen eine Eigenschaft aufweist, dass es im Verhältnis zur Quadratwurzel des Frequenzbandes des Signals zunimmt, ist in einem Fall, bei dem extrem schwaches Licht von Dutzenden von Photonen oder weniger durch die Photodiode oder Avalanche-Photodiode empfangen wird, schwierig, das Lichtempfangstiming in einem Zeitbereich von etwa 1 ns zu detektieren.

Des Weiteren ist beim Detektieren des Timings mit dem Vorderflanken-Detektionsverfahren in einem Fall, bei dem der Anstieg des Signals linear ist, das heißt in einem Fall, bei dem die Signalintensität proportional zur Zeit ist, eine Beziehung zwischen einer Detektionsverzögerungszeit (einem Walk-Fehler) td und einer Spitzenspannung (einem Spitzenwert) Vp des Signals eine im Allgemeinen umgekehrt proportionale Beziehung, wie die in 2 veranschaulichte Kurve. Es ist zu beachten, dass in 2 der Änderungsbetrag Δtd des Walk-Fehlers, der dem am Spitzenwert auftretenden Rauschbetrag ΔVp entspricht, auch beschrieben ist. Wie in 2 veranschaulicht, in einem Fall, bei dem die Lichtintensität schwach ist, ist der Änderungsbetrag Δtd des Walk-Fehlers bezüglich einer Änderung der Impulsintensität groß, so dass der Änderungsbetrag Δtd des Walk-Fehlers selbst dann groß ist, wenn der Rauschbetrag ΔVp der gleiche ist wie das Signal mit starker Lichtintensität, und es ist schwierig, eine notwendige Timingmessgenauigkeit zu erhalten.

Des Weiteren ist die kontinuierliche Eingangs-/Ausgangscharakteristik dargestellt, so dass eine Interpolationsschaltung auch notwendig ist, die eine Interpolation von begrenzten Datenpunkten durchführt und einen Korrekturwert, der einem kontinuierlichen Wert entspricht, ausgibt. Wie oben beschrieben, wenn die Photodiode oder die Avalanche-Photodiode, deren Ausgangswert kontinuierlich ist, verwendet wird, wird ein Walk-Fehler-Korrekturfehler mit schwachem Licht selbst bei einem detektierbaren Intensitätspegel groß und infolgedessen wird die Timingmessgenauigkeit auch degradiert und ein Ausmaß der Schaltung wird auch groß. Das heißt, es ist wünschenswert, in der Lage zu sein, den oben beschriebenen Walk-Fehler angemessen zu korrigieren, während eine Konfiguration, die in der Lage ist, selbst schwaches Licht (Licht mit einer kleinen Photonenanzahl) zu empfangen, als die Lichtempfangseinheit angenommen wird. Eine Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und dergleichen der vorliegenden Offenbarung, die angesichts der obigen Punkte vorgenommen wurde, wird vorgenommen.

<Überblick der Ausführungsform>

Zuerst wird ein Überblick einer Ausführungsform (zum Beispiel einer ersten Ausführungsform) der vorliegenden Offenbarung zur Erleichterung des Verständnisses beschrieben. Die vorliegende Offenbarung kann beispielsweise als eine Korrektureinrichtung konfiguriert sein. Eine in 3 veranschaulichte Korrektureinrichtung 1 beinhaltet zum Beispiel eine gepulste Lichtquelle 2, einen Photodetektor 3 des Typs mit diskretisierter Ausgabe, der ein Beispiel einer Lichtempfangseinheit ist, eine Timingmessschaltung 4, die ein Beispiel einer Messeinheit ist, eine Photonenanzahl-Zählschaltung 5, die ein Beispiel einer Photonenanzahl-Zähleinheit ist, eine Verschiebungsbetrag-Berechnungsschaltung 6, die ein Beispiel einer Korrekturwert-Erfassungseinheit ist, und eine Timingkorrekturschaltung 7, die ein Beispiel einer Korrektureinheit ist.

Ein Betrieb der Korrektureinrichtung 1 wird kurz beschrieben. Beispielsweise wird gepulstes Licht von der gepulsten Lichtquelle 2 emittiert. Das von der gepulsten Lichtquelle 2 emittierte gepulste Licht wird durch ein Distanzmessziel reflektiert und in den Photodetektor 3 des Typs mit diskretisierter Ausgabe als reflektiertes gepulstes Licht RP eingegeben. Beim Empfang des reflektierten gepulsten Lichts RP wird ein Signal s1 vom Photodetektor 3 des Typs mit diskretisierter Ausgabe ausgegeben. Das Signal s1 wird in die Timingmessschaltung 4 eingegeben. Die Timingmessschaltung 4 misst ein Timing t1, zu dem ein Spannungspegel des Signals s1 einen Schwellenwert Vth überschreitet, und gibt ein Timingsignal t1s, das das Timing t1 angibt, an die Timingkorrekturschaltung 7 aus.

Währenddessen wird das Signal s1, das vom Photodetektor 3 des Typs mit diskretisierter Ausgabe ausgegeben wird, auch in die Photonenanzahl-Zählschaltung 5 eingegeben. Die Photonenanzahl-Zählschaltung 5 erhält eine Photonenanzahl PN, die durch den Photodetektor 3 des Typs mit diskretisierter Ausgabe empfangen wird, auf Basis des Signals s1 und gibt ein Photonenanzahlsignal PNs, das die Photonenanzahl PN angibt, an die Verschiebungsbetrag-Berechnungsschaltung 6 aus. Die Verschiebungsbetrag-Berechnungsschaltung 6 erfasst einen zeitlichen Verschiebungsbetrag M bezüglich eines Timings des reflektierten gepulsten Lichts, das eine Referenz ist, auf Basis der Photonenanzahl PN, und gibt ein Signal Ms, das den Verschiebungsbetrag M angibt, an die Timingkorrekturschaltung 7 aus. Die Timingkorrekturschaltung 7 korrigiert das Timing t1 auf Basis des Verschiebungsbetrags M, um ein korrigiertes Timing t2 zu erfassen, und gibt ein Timingsignal t2s aus, das das Timing t2 angibt.

Es ist zu beachten, dass, obwohl dies nicht veranschaulicht ist, das Timingsignal t2s zum Beispiel bei einer Distanzberechnungsverarbeitung bei einer Verarbeitung einer nachfolgenden Stufe verwendet wird. Das heißt, eine Gesamtlaufdistanz zum Distanzmessziel wird berechnet, indem eine Differenz zwischen einem Timing, zu dem das von der gepulsten Lichtquelle 2 emittierte gepulste Licht (Referenzlicht) empfangen wird, und dem Timing t2 mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert wird, und die Distanz zum Distanzmessziel wird berechnet, indem die Gesamtlaufdistanz durch zwei dividiert wird. Ein ausführlicheres Konfigurationsbeispiel und dergleichen in jeder Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben.

<Erste Ausführungsform>„Konfigurationsbeispiel der Korrektureinrichtung“

4 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Korrektureinrichtung 10 in einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. Die Korrektureinrichtung 10 in der ersten Ausführungsform beinhaltet zum Beispiel eine gepulste Lichtquelle 11, eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode (SPAD) 12 des Mehrpixeltyps (nachfolgend als SPAD abgekürzt), einen Zeit-Digital-Wandler (TDC) 13, eine Integrationsschaltung/einen Integrationswandler 14, eine Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 15 und eine Timingkorrekturschaltung 16.

Die gepulste Lichtquelle 11 beinhaltet zum Beispiel einen Halbleiterlaser als eine Lichtquelle, einen Treiber zum Ansteuern des Halbleiterlasers und dergleichen. Beispielsweise wird gepulstes Licht vom Halbleiterlaser mit einer vorbestimmten Periode durch ein intermittierendes Betreiben des Treibers emittiert.

Die SPAD 12, die ein Beispiel des Photodetektors 3 des Typs mit diskretisierter Ausgabe ist, beinhaltet eine Lichtempfangseinheit und eine Ansteuerschaltung. Die SPAD 12 empfängt Licht (nachfolgend zweckmäßig als reflektiertes gepulstes Licht RP bezeichnet), das das gepulste Licht ist, das von der gepulsten Lichtquelle 11 emittiert und durch das Distanzmessziel reflektiert wird. Beim Empfang des reflektierten gepulsten Lichts RP wird ein Signal s11 (nachfolgend zweckmäßig als ein SPAD-Ausgangssignal bezeichnet) von der SPAD 12 ausgegeben. Das SPAD-Ausgangssignal s11 wird sowohl zum Zeit-Digital-Wandler 13 als auch zur Integrationsschaltung/zum Integrationswandler 14 ausgegeben. Es ist zu beachten, dass ein spezifisches Konfigurationsbeispiel der SPAD 12 später beschrieben wird.

Der Zeit-Digital-Wandler 13, der ein Beispiel der Timingmessschaltung 4 ist, ist eine Schaltung, die ein Timing t1 misst, zu dem ein Pegel des SPAD-Ausgangssignals s11 einen vorbestimmten Schwellenwert Vth überschreitet. Der Zeit-Digital-Wandler 13 erzeugt ein Digitalformat-Timingsignal t1s, das das Timing t1 angibt.

Die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 14, die bzw. der ein Beispiel der Photonenanzahl-Zählschaltung 5 ist, beinhaltet eine Analogintegrationsschaltung und einen Analog-Digital(AD)-Umsetzer, der mit der nachfolgenden Stufe der Integrationsschaltung verbunden ist. Die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 14 integriert das SPAD-Ausgangssignal s11 durch die Integrationsschaltung, um einen integrierten Wert zu erfassen, und erfasst (zählt) eine Photonenanzahl PN, die durch die SPAD 12 empfangen wird, aus dem integrierten Wert.

Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 15, die ein Beispiel der Verschiebungsbetrag-Berechnungsschaltung 6 ist, speichert eine Nachschlagetabelle, in der die Photonenanzahl PN und ein Verschiebungsbetrag M, der ein Beispiel des Korrekturwerts ist, miteinander assoziiert sind. Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 15 bezieht sich auf die Nachschlagetabelle, um den Verschiebungsbetrag M, der der von der Integrationsschaltung/vom Integrationswandler 14 gelieferten Photonenanzahl PN entspricht, zu erfassen, und erzeugt ein Signal Ms, das den Verschiebungsbetrag M angibt.

Die Timingkorrekturschaltung 16 ist eine Schaltung, die das Timing t1 auf Basis des Verschiebungsbetrags M korrigiert. Die Timingkorrekturschaltung 16 korrigiert das Timing t1 auf Basis des Verschiebungsbetrags M, um ein Timing t2 zu erfassen, und erzeugt ein Timingsignal t2s, das das Timing t2 angibt.

„Über SPAD“

Als Nächstes werden Einzelheiten der SPAD 12 beschrieben. 5 veranschaulicht ein Konfigurationsbeispiel der SPAD 12. Die SPAD 12 beinhaltet eine Lichtempfangseinheit 121, die tatsächlich Licht empfängt. Die Lichtempfangseinheit 121 beinhaltet mehrere Lichtempfangselemente 122. Jedes der Lichtempfangselemente 122 beinhaltet eine Avalanche-Photodiode 122a und einen Löschwiderstand 122b, der in Reihe mit der Avalanche-Photodiode 122a geschaltet ist. Das heißt, die Lichtempfangseinheit 121 weist eine Konfiguration auf, in der ein Lichtempfangselement 122 als eine Basiseinheit verwendet wird, und die mehreren Lichtempfangselemente 122 elektrisch zweidimensional (zum Beispiel parallel) miteinander verbunden sind.

Des Weiteren beinhaltet die SPAD 12 eine Leistungsversorgung 123 zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die Lichtempfangseinheit 121, eine Glättungsschaltung 124, die einen Widerstand 124a und einen Kondensator 124b beinhaltet, zum Stabilisieren einer Leistungsversorgungsspannung, und einen Widerstand 125 zum Umwandeln eines Stromsignals, das von der Lichtempfangseinheit 121 ausgegeben wird, in ein Spannungssignal. Der Widerstand 125 ist mit der Ausgangsseite der Lichtempfangseinheit 121 verbunden und die Konfiguration der nachfolgenden Stufe (der Zeit-Digital-Wandler 13 und die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 14) ist mit einem Verbindungspunkt AA zwischen der Lichtempfangseinheit 121 und dem Widerstand 125 verbunden. Über diesen Verbindungspunkt AA wird das SPAD-Ausgangssignal s11 an die Konfiguration der nachfolgenden Stufe ausgegeben.

Ein Avalanche-Phänomen, das in der Lichtempfangseinheit 121 auftritt, wird beschrieben. Es ist zu beachten, dass, der Einfachheit der Erläuterung halber, ein Lichtempfangselement 122 als ein Beispiel beschrieben wird, aber ein ähnliches Phänomen auch in anderen Lichtempfangselementen auftritt. Wenn ein Photon in die Avalanche-Photodiode 122a in einem Zustand, bei dem eine Sperrspannung gleich oder höher als die Durchbruchspannung angelegt wird, eintritt, erzeugt die Avalanche-Photodiode 122a ein Elektron-Loch-Paar und das Elektron und das Loch werden durch ein hohes elektrisches Feld beschleunigt und neue Elektron-Loch-Paare werden eines nach dem anderen wie eine Lawine (Avalanche) erzeugt. Dieses Phänomen wird als das Avalanche-Phänomen bezeichnet.

Das Avalanche-Phänomen kann gestoppt werden, indem die an die Avalanche-Photodiode 122a angelegte Spannung zur Durchbruchspannung gesenkt wird. Diese Funktion kann durch den Löschwiderstand 122b, der in Reihe mit der Avalanche-Photodiode 122a geschaltet ist, umgesetzt werden. Die Vorspannung fällt aufgrund einer Spannungszunahme über Anschlüsse des Löschwiderstands 122b aufgrund eines Avalanche-Stroms ab und der Avalanche-Strom stoppt.

6 veranschaulicht eine ideale Wellenform des SPAD-Ausgangssignals s11, das von der SPAD 12 ausgegeben wird. In 6 repräsentiert die horizontale Achse Zeit und die vertikale Achse repräsentiert Spannung. Bei einer tatsächlichen Wellenform tritt eine pulsförmige Wellenform oder Zufallsrauschen-Wellenform aufgrund eines thermischen Faktors oder dergleichen an dieser Wellenform auf.

Wenn das Photon empfangen wird, zeigt das SPAD-Ausgangssignal s11 einen starken Anstieg und der Pegel erreicht eine Spitzenspannung (nachfolgend auch zweckmäßig als ein Scheitelwert bezeichnet) und nimmt dann exponentiell ab. In der SPAD 12, an der eine Vorspannung in Sperrrichtung gleich oder höher als die Durchbruchspannung angelegt ist, gibt die Avalanche-Photodiode 122a in jedem der Lichtempfangselemente 122 einen Stromimpuls mit einer Wellenform und Spitzenspannung aus, die durch jeweils ein Photon bestimmt werden, und ein Gesamtstrom aller Lichtempfangselemente wird vom Ausgangsanschluss der Lichtempfangseinheit 121 ausgegeben. Indem dieses Signal durch den Widerstand 125 läuft, kann das SPAD-Ausgangssignal s11 als ein Spannungssignal bearbeitet werden.

Wie in 6 veranschaulicht, wird der integrierte Wert, der durch Integrieren des Scheitelwerts und der Wellenform erhalten wird, gemäß der durch die Lichtempfangseinheit 121 empfangenen Photonenanzahl diskretisiert. Mit anderen Worten kann die durch die Lichtempfangseinheit 121 empfangene Photonenanzahl erhalten werden, indem der Scheitelwert des SPAD-Ausgangssignals s11 erhalten wird.

7 ist ein Diagramm, das schematisch eine Beziehung zwischen einer Spitzenspannung Vp des SPAD-Ausgangssignals s11 und einer Verzögerungszeit td (siehe 1) von einem Anstiegsstart bis zu einer Detektion beim Schwellenwert Vth veranschaulicht. In 7 repräsentiert die horizontale Achse die Spitzenspannung des SPAD-Ausgangssignals s11, die gemäß einer empfangenen Photonenanzahl diskretisiert wird, oder einen integrierten Wert, der durch Integrieren der Spannung des SPAD-Ausgangssignals s11 erhalten wird, und die vertikale Achse repräsentiert die Verzögerungszeit td. In 7 wird veranschaulicht, dass die Verzögerungszeit td auch zusammen mit der Diskretisierung der Ausgabe von der SPAD 12 diskretisiert wird. Zusätzlich dazu wird veranschaulicht, dass ein Diskretisierungsintervall der Spitzenspannung Vp oder ihr zeitintegrierter Wert konstant ist und einem Inkrement einer detektierten Photonenanzahl entspricht, und umso schwächer das Signal ist, desto größer ist das Diskretisierungsintervall der Verzögerungszeit td.

Ein spezifisches Beispiel wird beschrieben. Das Diskretisierungsintervall der Spitzenspannung Vp beträgt typischerweise 0,2 bis 0,3 Millivolt (mV) pro Photon. Die Anstiegszeit des SPAD-Ausgangssignals s11 beträgt typischerweise 0,6 ns. In einem Fall, bei dem zum Beispiel der Schwellenwert ein Äquivalent von 2,5 Photonen ist (um eine fehlerhafte Detektion von Rauschen zu verhindern, wird ein Signal von 2 Photonen oder weniger nicht in der nachfolgenden Stufe detektiert), sind die Verzögerungszeit td zur Zeit des Detektierens von drei Photonen und die Verzögerungszeit zur Zeit des Detektierens von vier Photonen 0,5 ns (= 0,6 ns * 2,5/3) bzw. 0,375 ns (= 0,6 ns * 2,4/4) und das Diskretisierungsintervall der Verzögerungszeit td beträgt 0,125 ns und es gibt keine andere Verzögerungszeit td in der Zwischenzeit.

Tatsächlich beinhalten das SPAD-Ausgangssignal s11 und dessen verstärktes Signal ein analoges Rauschen wie etwa thermisches Rauschen, aber ein hohes Signal-RauschVerhältnis (S/N) wird durch eine Strommultiplizierungsfunktion im Lichtempfangselement 122 erhalten. Aus diesem Grund ist das Diskretisierungsintervall für jede detektierte Photonenanzahl aufgrund von Rauschen größer als ein Fluktuationsbereich des Signals und wenn eine Frequenzverteilung des Impulsspitzenwerts oder des integrierten Werts des SPAD-Ausgangssignals s11 gemessen wird, wie in 8 veranschaulicht, wird ein Histogramm erhalten, das einen Maximalwert bei einem Wert aufweist, der der detektierten Photonenanzahl entspricht.

Das heißt, durch das Verwenden der SPAD 12 kann ein Signal mit einem hohen S/N selbst in einem Fall erhalten werden, bei dem schwaches Licht empfangen wird. Des Weiteren kann das SPAD-Ausgangssignal s11, das von der SPAD 12 ausgegeben wird, als ein Signal bearbeitet werden, das gemäß der Spitzenspannung oder dergleichen diskretisiert wird. Dann ist es möglich, eine Schaltung zum Detektieren der Spitzenspannung oder des integrierten Werts des SPAD-Ausgangssignals s11 zu verwenden, die detektierte Photonenanzahl in ganzzahligen Einheiten von einer Ausgabe der Schaltung zu zählen und ein digitales Signal, das der detektierten Photonenanzahl entspricht, auszugeben.

„Betrieb der Korrektureinrichtung“

Als Nächstes wird ein Betriebsbeispiel der Korrektureinrichtung 10 in der ersten Ausführungsform beschrieben. Das von der gepulsten Lichtquelle 11 emittierte gepulste Licht wird durch das Distanzmessziel reflektiert und als das reflektierte gepulste Licht RP durch die SPAD 12 eingegeben. Beim Empfang des reflektierten gepulsten Lichts RP wird das SPAD-Ausgangssignal s11 von der SPAD 12 ausgegeben. Das SPAD-Ausgangssignal s11 wird in den Zeit-Digital-Wandler 13 eingegeben. Der Zeit-Digital-Wandler 13 misst das Timing t1, zu dem ein Spannungspegel des SPAD-Ausgangssignals s11 den Schwellenwert Vth überschreitet, und gibt das Timingsignal t1s, das das Timing t1 angibt, an die Timingkorrekturschaltung 16 aus.

Währenddessen wird das von der SPAD 12 ausgegebene SPAD-Ausgangssignal s11 auch in die Integrationsschaltung/den Integrationswandler 14 eingegeben. Die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 14 integriert das SPAD-Ausgangssignal s11 durch die Integrationsschaltung, um einen integrierten Wert zu erhalten, und erhält die Photonenanzahl PN auf Basis des integrierten Werts. Dann verwendet die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 14 den AD-Umsetzer, um ein Digitalformat-Photonenanzahlsignal PNs zu erzeugen, das die Photonenanzahl PN angibt, und gibt das Signal an die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 15 aus.

Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 15 bezieht sich auf die Nachschlagetabelle, um den Verschiebungsbetrag M, der der Photonenanzahl PN entspricht, zu erfassen. In der Nachschlagetabelle, auf die sich bezogen werden soll, wie schematisch in 9 veranschaulicht, ist schon eine Korrespondenz zwischen der Photonenanzahl PN und dem Verschiebungsbetrag M beschrieben, so dass die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 15 den Verschiebungsbetrag M, der der Photonenanzahl PN entspricht, erfassen kann. Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 15 gibt das Signal Ms, das den Verschiebungsbetrag M angibt, an die Timingkorrekturschaltung 16 aus. Die Timingkorrekturschaltung 16 korrigiert das Timing t1 auf Basis des Verschiebungsbetrags M, um ein korrigiertes Timing t2 zu erfassen, und gibt das Timingsignal t2s aus, das das Timing t2 angibt.

Gemäß der wie oben beschriebenen ersten Ausführungsform kann der Walk-Fehler, der durch die Differenz in der Lichtintensität bewirkt wird, selbst in einem Fall, bei dem das empfangene Licht schwach ist (zum Beispiel die Photonenanzahl Dutzende oder weniger ist), mit hoher Genauigkeit korrigiert werden. Zusätzlich dazu wird die Photonenanzahl, die aus dem durch Integrieren des SPAD-Ausgangssignals s11 erhaltenen integrierten Wert erhalten wird, in einen digitalen Wert umgewandelt, so dass eine Überlagerung des Rauschens und des Fehlers aufgrund der Schaltung der nachfolgenden Stufe oder dergleichen von der Integrationsschaltung/dem Integrationswandler 14 verhindert werden kann.

„Modifikation der ersten Ausführungsform“

Die oben beschriebene erste Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden. In der Integrationsschaltung/im Integrationswandler 14 kann zum Beispiel eine analoge Spitzenwert-Halte-Schaltung anstatt der Integrationsschaltung verwendet werden. Zusätzlich dazu ist es in der Integrationsschaltung/im Integrationswandler 14 durch Anpassen eines Quantisierungsintervalls des AD-Umsetzers an ein Diskretisierungsintervall einer Ausgabe der Integrationsschaltung (oder der Spitzenwert-Halte-Schaltung) möglich, ein Schaltungsausmaß des AD-Umsetzers zu verringern, während die Zählgenauigkeit der Photonenanzahl beibehalten wird.

In einem Fall, bei dem die Spitzenspannung des SPAD-Ausgangssignals s11 hoch ist (in einem Bereich, in dem die Impulshöhe hoch ist), nimmt das Diskretisierungsintervall der Verzögerungszeit td ab, so dass es möglich ist, das Intervall der detektierten Photonenanzahl gemäß einer erforderlichen Korrekturgenauigkeit zu erweitern. Dies ermöglicht, eine Bittiefe von Korrekturdaten (Gesamtanzahl von Datenpunkten) im Vergleich zu dem Fall des Verwendens der Photodiode oder der Linearmodus-Avalanche-Photodiode zu verringern, und es ist möglich, den Walk-Fehler mit geringen Kosten und hoher Genauigkeit zu korrigieren.

<Zweite Ausführungsform>

Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung der gleiche Name und die gleiche Bezugsziffer das gleiche oder äquivalente Glied benennen, sofern nichts Anderes spezifiziert ist, und eine redundante Erläuterung wird entsprechend ausgelassen.

Zusätzlich dazu können die in der ersten Ausführungsform beschriebenen Gegenstände bei der zweiten Ausführungsform angewendet werden, sofern nichts Anderes spezifiziert ist.

„Konfigurationsbeispiel der Distanzmesseinrichtung“

Die zweite Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Korrektureinrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung bei einer Distanzmesseinrichtung angewendet wird. 10 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Distanzmesseinrichtung 20 in der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Die Distanzmesseinrichtung 20 beinhaltet zum Beispiel eine gepulste Lichtquelle 21, eine Photodiode 22, eine Korrektureinrichtung 23 in der zweiten Ausführungsform und eine Distanzberechnungsschaltung 24.

Die gepulste Lichtquelle 21 beinhaltet zum Beispiel einen Halbleiterlaser 21a und eine Ansteuerschaltung 21b. Die Ansteuerschaltung 21b arbeitet zum Beispiel intermittierend mit einer vorbestimmten Periode und somit wird gepulstes Laserlicht intermittierend vom Halbleiterlaser 21a emittiert. Es ist zu beachten, dass ein Teil des vom Halbleiterlaser 21a emittierten gepulsten Lichts durch einen Halbspiegel HM abgezweigt wird und als gepulstes Referenzlicht SP in die Photodiode 22 eingegeben wird, und der Rest wird zu einem Distanzmessziel MT emittiert und wird durch dieses reflektiert und wird dann als reflektiertes gepulstes Licht RP in die Korrektureinrichtung 23 eingegeben.

Die Photodiode 22 gibt ein Lichtempfangssignal s22 bei einem Empfang des gepulsten Referenzlichts SP aus. Das Lichtempfangssignal s22 wird durch einen Verstärker (nicht veranschaulicht) verstärkt und wird dann in einen Zeit-Digital-Wandler 23b eingegeben.

Die Korrektureinrichtung 23 beinhaltet zum Beispiel eine SPAD 23a (des Mehrpixeltyps), den Zeit-Digital-Wandler 23b, eine Integrationsschaltung/einen Integrationswandler 23c, eine Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 23d und eine Timingkorrekturschaltung 23e. Die Konfiguration und dergleichen der Korrektureinrichtung 23 ähnelt der der Korrektureinrichtung 10 in der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die gepulste Lichtquelle 11 nicht enthalten ist.

Die Distanzberechnungsschaltung 24 ist eine Schaltung, die eine Distanz zum Distanzmessziel MT durch eine Berechnung berechnet. Die Distanzberechnungsschaltung 24 multipliziert zum Beispiel ein Zeitdifferenzsignal t4s, das von der Timingkorrekturschaltung 23e geliefert wird, mit der Lichtgeschwindigkeit, um eine Gesamtlaufdistanz zu erhalten, und dividiert die Gesamtlaufdistanz durch zwei, um die Distanz zum Distanzmessziel MT zu berechnen.

„Betriebsbeispiel der Distanzmesseinrichtung“

Als Nächstes wird ein Betriebsbeispiel der Distanzmesseinrichtung 20 beschrieben. Das gepulste Licht wird von der gepulsten Lichtquelle 21 emittiert und Licht, das durch den Halbspiegel HM abgezweigt wird, wird als das gepulste Referenzlicht SP in die Photodiode 22 eingegeben. Wenn die Photodiode 22 das gepulste Referenzlicht SP empfängt, wird das Lichtempfangssignal s22 von der Photodiode 22 ausgegeben. Das Lichtempfangssignal s22 wird einer Verarbeitung, wie etwa einer Verstärkung durch den Verstärker (nicht veranschaulicht) unterzogen und wird dann in den Zeit-Digital-Wandler 23b eingegeben. Der Zeit-Digital-Wandler 23b erfasst ein Timing t22, zu dem die Photodiode 22 das gepulste Referenzlicht SP empfängt, durch das Vorderflanken-Detektionsverfahren.

Währenddessen wird Licht, das durch das Distanzmessziel MT reflektiert wird, als das reflektierte gepulste Licht RP in die SPAD 23a der Korrektureinrichtung 23 eingegeben. Wenn die SPAD 23a das reflektierte gepulste Licht RP empfängt, wird ein SPAD-Ausgangssignal s23 von der SPAD 23a ausgegeben. Das SPAD-Ausgangssignal s23 wird in den Zeit-Digital-Wandler 23b eingegeben. Der Zeit-Digital-Wandler 23b erfasst ein Timing t23, zu dem die SPAD 23a das reflektierte gepulste Licht RP empfängt, durch das Vorderflanken-Detektionsverfahren. Dann erfasst der Zeit-Digital-Wandler 23b ein Zeitdifferenzsignal t3s (= t23 - t22), das eine Zeitdifferenz zwischen den Timings t22 und t23 ist. Dieses Zeitdifferenzsignal t3s entspricht einer Laufzeit (hier einer unkorrigierten Laufzeit) des vom Halbleiterlaser 21a emittierten gepulsten Lichts.

Währenddessen wird das von der SPAD 23a ausgegebene SPAD-Ausgangssignal s23 auch in die Integrationsschaltung/den Integrationswandler 23c eingegeben. Die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 23c integriert das SPAD-Ausgangssignal s23 durch die Integrationsschaltung, um einen integrierten Wert zu erhalten, und erhält eine Photonenanzahl PN auf Basis des integrierten Werts. Dann verwendet die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 23c den AD-Umsetzer, um ein Digitalformat-Photonenanzahlsignal PNs zu erzeugen, das die Photonenanzahl PN angibt, und gibt das Signal an die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 23d aus.

Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 23d bezieht sich auf eine Nachschlagetabelle, um einen Verschiebungsbetrag M, der der Photonenanzahl PN entspricht, zu erfassen. Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 23d gibt ein Signal Ms, das den Verschiebungsbetrag M angibt, an die Timingkorrekturschaltung 23e aus. Die Timingkorrekturschaltung 23e korrigiert das Zeitdifferenzsignal t3s auf Basis des Verschiebungsbetrags M. Die Timingkorrekturschaltung 23e zieht zum Beispiel zur Durchführung der Korrektur den Verschiebungsbetrag M vom Zeitdifferenzsignal t3s ab und erfasst das Zeitdifferenzsignal t4s, das einer genauen Laufzeit des gepulsten Lichts entspricht. Dann gibt die Timingkorrekturschaltung 23e das Zeitdifferenzsignal t4s an die Distanzberechnungsschaltung 24 aus.

Die Distanzberechnungsschaltung 24 multipliziert das Zeitdifferenzsignal t4s mit der Lichtgeschwindigkeit und dividiert das Ergebnis durch zwei, um die Distanz zum Distanzmessziel MT zu berechnen. Wie oben beschrieben, kann die Korrektureinrichtung der vorliegenden Offenbarung auch bei der Distanzmesseinrichtung angewendet werden.

„Modifikation der zweiten Ausführungsform“

Die oben beschriebene zweite Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden. Eine Lichtintensität des durch die Photodiode 22 empfangenen gepulsten Referenzlichts SP ist allgemein groß (zum Beispiel 100 oder mehr Photonen). Daher kann, obwohl die Notwendigkeit gering ist, ein spezifisches Lichtempfangselement zu verwenden, eine Avalanche-Photodiode mit kontinuierlichem Modus oder eine SPAD anstatt der Photodiode 22 verwendet werden. Durch das Verwenden einer Einrichtung mit höherer Empfindlichkeit ist es möglich, eine Menge an Licht zu verringern, die durch den Halbspiegel HM abgezweigt wird, und die Menge an Licht zu erhöhen, die zum Distanzmessziel emittiert werden soll. Zusätzlich dazu kann die in der ersten Ausführungsform beschriebene Modifikation bei der zweiten Ausführungsform angewendet werden.

<Dritte Ausführungsform>

Als Nächstes wird eine dritte Ausführungsform beschrieben. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung der gleiche Name und die gleiche Bezugsziffer das gleiche oder äquivalente Glied benennen, sofern nichts Anderes spezifiziert ist, und eine redundante Erläuterung wird entsprechend ausgelassen. Zusätzlich dazu können die in der ersten und der zweiten Ausführungsform beschriebenen Gegenstände bei der dritten Ausführungsform angewendet werden, sofern nichts Anderes spezifiziert ist.

„Konfigurationsbeispiel der Distanzmesseinrichtung“

Die dritte Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem die Korrektureinrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung bei einer Distanzmesseinrichtung angewendet wird, ähnlich zu der zweiten Ausführungsform. 11 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Distanzmesseinrichtung 30 in der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Die Distanzmesseinrichtung 30 beinhaltet zum Beispiel eine gepulste Lichtquelle 31, eine Korrektureinrichtung 33 in der dritten Ausführungsform und eine Distanzberechnungsschaltung 34.

Die gepulste Lichtquelle 31 beinhaltet zum Beispiel einen Halbleiterlaser 31a und eine Ansteuerschaltung 31b. Die Ansteuerschaltung 31b arbeitet zum Beispiel mit einer vorbestimmten Periode und somit wird das gepulste Laserlicht intermittierend vom Halbleiterlaser 31a emittiert. Es ist zu beachten, dass das vom Halbleiterlaser 31a emittierte gepulste Licht zu einem Distanzmessziel MT emittiert und durch dieses reflektiert wird und dann als reflektiertes gepulstes Licht RP in die Korrektureinrichtung 33 eingegeben wird.

Die Korrektureinrichtung 33 beinhaltet zum Beispiel eine SPAD 33a (des Mehrpixeltyps), einen Zeit-Digital-Wandler 33b, eine Integrationsschaltung/einen Integrationswandler 33c, eine Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 33d und eine Timingkorrekturschaltung 33e. Die Konfiguration und dergleichen der Korrektureinrichtung 33 ähnelt der der Korrektureinrichtung 23 in der zweiten Ausführungsform.

Ähnlich der Distanzberechnungsschaltung 24 ist die Distanzberechnungsschaltung 34 eine Schaltung, die eine Distanz zum Distanzmessziel MT durch eine Berechnung berechnet. Die Distanzberechnungsschaltung 34 multipliziert zum Beispiel ein Zeitdifferenzsignal t6s, das von der Timingkorrekturschaltung 33e geliefert wird, mit der Lichtgeschwindigkeit, um eine Gesamtlaufdistanz zu erhalten, und dividiert die Gesamtlaufdistanz durch zwei, um die Distanz zum Distanzmessziel MT zu berechnen.

„Betriebsbeispiel der Distanzmesseinrichtung“

Die Distanzmesseinrichtung 30 extrahiert ein mit einem Ansteuertiming synchronisiertes Impulssignal von der Ansteuerschaltung 31b anstatt der Photodiode 22 in der zweiten Ausführungsform und verwendet das Impulssignal als ein Referenzsignal für eine Lichtemissionstimingdetektion (nachfolgend zweckmäßig als ein Referenzimpuls bezeichnet). Nachfolgend wird ein spezifisches Betriebsbeispiel der Distanzmesseinrichtung 30 beschrieben.

Beim Betrieb der Ansteuerschaltung 31b wird gepulstes Licht von der gepulsten Lichtquelle 31 emittiert. Zusätzlich dazu wird ein Referenzimpuls synchron mit dem Ansteuertiming der Ansteuerschaltung 31b ausgegeben und der Referenzimpuls wird von der Ansteuerschaltung 31b in den Zeit-Digital-Wandler 33b der Korrektureinrichtung 33 eingegeben. Der Zeit-Digital-Wandler 33b speichert ein Timing t31, zu dem der Referenzimpuls eingegeben wird.

Das von der gepulsten Lichtquelle 31 emittierte gepulste Licht wird durch das Distanzmessziel MT reflektiert und als das reflektierte gepulste Licht RP in die SPAD 33a der Korrektureinrichtung 33 eingegeben. Wenn die SPAD 33a das reflektierte gepulste Licht RP empfängt, wird ein SPAD-Ausgangssignal s33 von der SPAD 33a ausgegeben. Das SPAD-Ausgangssignal s33 wird in den Zeit-Digital-Wandler 33b eingegeben. Der Zeit-Digital-Wandler 33b erfasst ein Timing t33, zu dem die SPAD 33a das reflektierte gepulste Licht RP empfängt, durch das Vorderflanken-Detektionsverfahren. Dann erfasst der Zeit-Digital-Wandler 33b ein Zeitdifferenzsignal t5s (= t33 - t31), das eine Zeitdifferenz zwischen dem gespeicherten Timing t31 und dem Timing t33 ist. Es ist zu beachten, dass das Zeitdifferenzsignal t5s einer Laufzeit (hier einer unkorrigierten Laufzeit) des vom Halbleiterlaser 31a emittierten gepulsten Lichts entspricht.

Währenddessen wird das von der SPAD 33a ausgegebene SPAD-Ausgangssignal s33 auch in die Integrationsschaltung/den Integrationswandler 33c eingegeben. Die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 33c integriert das SPAD-Ausgangssignal s33 durch die Integrationsschaltung, um einen integrierten Wert zu erhalten, und erhält die Photonenanzahl PN auf Basis des integrierten Werts. Dann verwendet die Integrationsschaltung/der Integrationswandler 33c den AD-Umsetzer, um ein Digitalformat-Photonenanzahlsignal PNs zu erzeugen, das die Photonenanzahl PN angibt, und gibt das Signal an die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 33d aus.

Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 33d bezieht sich auf eine Nachschlagetabelle, um einen Verschiebungsbetrag M, der der Photonenanzahl PN entspricht, zu erfassen. Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 33d gibt ein Signal Ms, das den Verschiebungsbetrag M angibt, an die Timingkorrekturschaltung 33e aus. Die Timingkorrekturschaltung 33e korrigiert das Zeitdifferenzsignal t5s auf Basis des Verschiebungsbetrags M. Die Timingkorrekturschaltung 33e zieht zum Beispiel zur Durchführung der Korrektur den Verschiebungsbetrag M vom Zeitdifferenzsignal t5s ab und erfasst das Zeitdifferenzsignal t6s, das einer genauen Laufzeit des gepulsten Lichts entspricht. Dann gibt die Timingkorrekturschaltung 33e das Zeitdifferenzsignal t6s an die Distanzberechnungsschaltung 34 aus.

Die Distanzberechnungsschaltung 34 multipliziert das Zeitdifferenzsignal t6s mit der Lichtgeschwindigkeit und dividiert das Ergebnis durch zwei, um die Distanz zum Distanzmessziel MT zu berechnen. Wie oben beschrieben, kann die Korrektureinrichtung der vorliegenden Offenbarung auch bei der Distanzmesseinrichtung angewendet werden. Des Weiteren können die Photodiode und der Halbspiegel zum Lichtabzweigen gemäß der dritten Ausführungsform weggelassen werden, so dass das optische System vereinfacht und die Distanzmesseinrichtung verkleinert werden kann. Es ist zu beachten, dass die in der ersten und der zweiten Ausführungsform beschriebenen Modifikationen auch bei der dritten Ausführungsform angewendet werden können.

<Vierte Ausführungsform>

Als Nächstes wird eine vierte Ausführungsform beschrieben. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung der gleiche Name und die gleiche Bezugsziffer das gleiche oder äquivalente Glied benennen, sofern nichts Anderes spezifiziert ist, und eine redundante Erläuterung wird entsprechend ausgelassen. Zusätzlich dazu können die in der ersten bis dritten Ausführungsform beschriebenen Gegenstände bei der vierten Ausführungsform angewendet werden, sofern nichts Anderes spezifiziert ist.

In der vierten Ausführungsform werden mehrere unterschiedliche Schwellenwerte für gepulstes Licht zum Detektieren einer Photonenanzahl festgelegt. Dieser Punkt wird unter Bezugnahme auf die 12 und 13 beschrieben. In 12 repräsentiert die horizontale Achse Zeit und die vertikale Achse repräsentiert Signalintensität (Spannungspegel) von gepulstem Licht (zum Beispiel reflektiertem gepulstem Licht RP). In 12 sind die Wellenformen WA3 und WA4 von zwei gepulsten Lichtern veranschaulicht und Spitzenspannungen der jeweiligen gepulsten Lichter sind Vp1 und Vp2 (hier ist Vp1 > Vp2). Das heißt, eine Lichtintensität des durch die Wellenform WA3 angegebenen gepulsten Lichts ist größer als eine Lichtintensität des durch die Wellenform WA4 angegebenen gepulsten Lichts.

Wie in 12 veranschaulicht, sind zwei Schwellenwerte Vth1 und Vth2 (hier ist Vth2 > Vth1) als Spannungsschwellenwerte festgelegt. Hier ist ein Timing, zu dem ein Spannungspegel der Wellenform WA3 den Schwellenwert Vth1 überschreitet, ein Timinig t1a, ein Timing, zu dem der Spannungspegel den Schwellenwert Vth2 überschreitet, ist ein Timing t2a und eine Differenz (t2a - t1a) zwischen den Timings ist Δt1. Währenddessen ist ein Timing, zu dem ein Spannungspegel der Wellenform WA4 den Schwellenwert Vth1 überschreitet, ein Timing t1b, ein Timing, zu dem der Spannungspegel den Schwellenwert Vth2 überschreitet, ist ein Timing t2b und eine Differenz (t2b - t1b) zwischen den Timings wird auf Δt2 festgelegt. Es ist zu beachten, dass Δt1 oder Δt2 in der folgenden Beschreibung zweckmäßig als eine Detektionszeitdifferenz bezeichnet wird. In einem Fall, bei dem die Lichtintensität des gepulsten Lichts schwach ist, ist die Differenz zwischen den Timings, zu denen die jeweiligen Schwellenwerte Vth1 und Vth2 erreicht werden, groß. Beispielsweise ist Δt2 größer als Δt1.

Unter Verwendung dieses Merkmals, indem eine Nachschlagetabelle erstellt wird, in der eine detektierte Photonenanzahl, die der Detektionszeitdifferenz entspricht, beschrieben wird, kann die im gepulsten Licht enthaltene Photonenanzahl gemäß der Detektionszeitdifferenz erfasst werden. 13 veranschaulicht ein Beispiel der Nachschlagetabelle, in der die Photonenanzahl, die der Detektionszeitdifferenz entspricht, beschrieben wird. Wie in 13 veranschaulicht, wird in der Nachschlagetabelle eine Beziehung beschrieben, in der die entsprechende Photonenanzahl abnimmt, wenn die Detektionszeitdifferenz zunimmt. Es ist zu beachten, dass in einer tatsächlichen Schaltung ein Rauschen bei einem Timingmesswert auftreten kann, aber durch ein Runden des Werts zum nächstliegenden theoretischen Wert kann die Photonenanzahl in ganzzahligen Einheiten erhalten werden.

„Konfigurationsbeispiel der Distanzmesseinrichtung“

Als Nächstes wird eine Distanzmesseinrichtung beschrieben, bei der die Korrektureinrichtung in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung angewendet wird. 14 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Distanzmesseinrichtung 40 in der vierten Ausführungsform veranschaulicht. Die Distanzmesseinrichtung 40 beinhaltet zum Beispiel eine gepulste Lichtquelle 41, eine Korrektureinrichtung 43 in der vierten Ausführungsform und eine Distanzberechnungsschaltung 44.

Die gepulste Lichtquelle 41 beinhaltet zum Beispiel einen Halbleiterlaser 41a und eine Ansteuerschaltung 41b. Die Ansteuerschaltung 41b arbeitet zum Beispiel mit einer vorbestimmten Periode und somit wird das gepulste Laserlicht intermittierend vom Halbleiterlaser 41a emittiert. Es ist zu beachten, dass das vom Halbleiterlaser 41a emittierte gepulste Licht zu einem Distanzmessziel MT emittiert und durch dieses reflektiert wird und dann als das reflektierte gepulste Licht RP in die Korrektureinrichtung 43 eingegeben wird.

Die Korrektureinrichtung 43 beinhaltet zum Beispiel eine SPAD 43a (des Mehrpixeltyps), einen ersten Zeit-Digital-Wandler 43b, einen zweiten Zeit-Digital-Wandler 43c, eine Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d, eine Timingkorrekturschaltung 43e und eine Schwellenwert-Einstellschaltung 43f.

Die Distanzberechnungsschaltung 44 ist eine Schaltung, die eine Distanz zum Distanzmessziel MT durch eine Berechnung berechnet. Die Distanzberechnungsschaltung 44 multipliziert zum Beispiel ein Zeitdifferenzsignal t8s, das von der Timingkorrekturschaltung 43e geliefert wird, mit der Lichtgeschwindigkeit, um eine Gesamtlaufdistanz zu erhalten, und dividiert die Gesamtlaufdistanz durch zwei, um die Distanz zum Distanzmessziel MT zu berechnen.

Ein Konfigurationsbeispiel der Korrektureinrichtung 43 wird beschrieben. Die SPAD 43a empfängt das reflektierte gepulste Licht RP, das durch das Distanzmessziel MT reflektiert wird. Beim Empfang des reflektierten gepulsten Lichts RP wird ein SPAD-Ausgangssignal s43 von der SPAD 43a ausgegeben und das SPAD-Ausgangssignal s43 wird in sowohl den Zeit-Digital-Wandler 43b als auch 43c eingegeben.

Der Zeit-Digital-Wandler 43b misst ein Timing t43a, zu dem ein Pegel des SPAD-Ausgangssignals s43 den Schwellenwert Vth1 überschreitet. Ein mit einem Ansteuertiming der Ansteuerschaltung 41b synchronisierter Referenzimpuls wird in den Zeit-Digital-Wandler 43b eingegeben.

Der Zeit-Digital-Wandler 43c misst ein Timing t43b, zu dem der Pegel des SPAD-Ausgangssignals s43 den Schwellenwert Vth2 überschreitet.

Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d ist eine Schaltung, die sich auf die Nachschlagetabelle bezieht, um die Photonenanzahl auf Basis einer Differenz zwischen dem Timing t43a und dem Timing t43b zu erhalten. In der Nachschlagetabelle, auf die sich die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d bezieht, wird die Photonenanzahl, die der Detektionszeitdifferenz entspricht, beschrieben. Zusätzlich dazu speichert die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d auch eine Nachschlagetabelle, in der die Photonenanzahl und ein Verschiebungsbetrag beschrieben werden.

Die Timingkorrekturschaltung 43e ist eine Schaltung, die ein Timing auf Basis der Photonenanzahl korrigiert und dann ein korrigiertes Zeitdifferenzsignal t8s an die Distanzberechnungsschaltung 44 ausgibt.

„Betriebsbeispiel der Distanzmesseinrichtung“

Als Nächstes wird ein Betriebsbeispiel der Distanzmesseinrichtung 40 beschrieben. Beim Betrieb der Ansteuerschaltung 41b wird gepulstes Licht von der gepulsten Lichtquelle 41 emittiert. Ein Referenzimpuls wird synchron mit dem Ansteuertiming der Ansteuerschaltung 41b ausgegeben und der Referenzimpuls wird von der Ansteuerschaltung 41b in den Zeit-Digital-Wandler 43b der Korrektureinrichtung 43 eingegeben. Der Zeit-Digital-Wandler 43b speichert das Timing t41, zu dem der Referenzimpuls eingegeben wird.

Das von der gepulsten Lichtquelle 41 emittierte gepulste Licht wird durch das Distanzmessziel MT reflektiert und als das reflektierte gepulste Licht RP in die SPAD 43a der Korrektureinrichtung 43 eingegeben. Wenn die SPAD 43a das reflektierte gepulste Licht RP empfängt, wird das SPAD-Ausgangssignal s43 von der SPAD 43a ausgegeben. Das SPAD-Ausgangssignal s43 wird in sowohl den Zeit-Digital-Wandler 43b als auch 43c eingegeben. Es ist zu beachten, dass die Schwellenwerte Vth1 und Vth2 von der Schwellenwert-Einstellschaltung 43f in den Zeit-Digital-Wandler 43b bzw. 43c eingegeben werden.

Der Zeit-Digital-Wandler 43b erfasst das Timing t43a, zu dem das SPAD-Ausgangssignal s43 den Schwellenwert Vth1 überschreitet. Dann erzeugt der Zeit-Digital-Wandler 43b ein Digitalformat-Timingsignal, das das Timing t43a angibt, und gibt das Timingsignal an die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d aus. Des Weiteren erfasst der Zeit-Digital-Wandler 43b ein Zeitdifferenzsignal t7s (= t43 - t41), das eine Zeitdifferenz zwischen dem gespeicherten Timing t41 und dem Timing t43 ist, und liefert das Zeitdifferenzsignal t7s an die Timingkorrekturschaltung 43e.

Der Zeit-Digital-Wandler 43c erfasst das Timing t43b, zu dem das SPAD-Ausgangssignal s43 den Schwellenwert Vth2 überschreitet. Dann erzeugt der Zeit-Digital-Wandler 43b ein Digitalformat-Timingsignal, das das Timing t43b angibt, und gibt das Timingsignal an die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d aus.

Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d erhält die Detektionszeitdifferenz, die eine Differenz zwischen dem Timing t43a und dem Timing t43b ist (t43b - t43a) und bezieht sich auf die Nachschlagetabelle und erfasst eine Photonenanzahl PN, die der Detektionszeitdifferenz entspricht. Dann bezieht sich die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d auf dieselbe oder eine andere Nachschlagetabelle, um einen Verschiebungsbetrag M zu erfassen, der der Photonenanzahl PN entspricht, ähnlich dem Fall in der zweiten Ausführungsform und dergleichen. Die Nachschlagetabelle-Referenzschaltung 43d gibt ein Signal Ms, das den Verschiebungsbetrag M angibt, an die Timingkorrekturschaltung 43e aus. Die Timingkorrekturschaltung 43e korrigiert das Zeitdifferenzsignal t7s auf Basis des Verschiebungsbetrags M. Die Timingkorrekturschaltung 43e zieht zum Beispiel zur Durchführung der Korrektur den Verschiebungsbetrag M vom Zeitdifferenzsignal t7s ab und erfasst das Zeitdifferenzsignal t8s, das einer genauen Laufzeit des gepulsten Lichts entspricht. Dann gibt die Timingkorrekturschaltung 43e das Zeitdifferenzsignal t8s an die Distanzberechnungsschaltung 44 aus.

Die Distanzberechnungsschaltung 44 multipliziert das Zeitdifferenzsignal t8s mit der Lichtgeschwindigkeit und dividiert das Ergebnis durch zwei, um die Distanz zum Distanzmessziel MT zu berechnen. Gemäß der vierten Ausführungsform ist es möglich, die Photonenanzahl des gepulsten Lichts zu erfassen, ohne eine Integrationsschaltung oder eine Spitzenwert-Halte-Schaltung zu verwenden.

<Modifikationen>

Die mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind oben spezifisch beschrieben worden, aber die Inhalte der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt und verschiedene Modifikationen können basierend auf der technologischen Idee der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden. Nachfolgend werden die Modifikationen beschrieben.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die SPAD als ein Beispiel des Photodetektors 3 des Typs mit diskretisierter Ausgabe verwendet, sie ist aber nicht darauf eingeschränkt. Beispielsweise kann ein Element verwendet werden, das die Ausgabe diskretisieren und aufnehmen kann. Zusätzlich dazu kann die Konfiguration der SPAD (die Verbindungsart des Lichtempfangselements 122, die Anzahl von Verbindungen und dergleichen) zweckmäßig geändert werden. Der Löschwiderstand 122b ist nicht auf einen Widerstand eingeschränkt, sondern kann ein anderes Schaltungselement sein, wie etwa ein Transistor.

Die Timingmessschaltung 4 ist nicht auf den Zeit-Digital-Wandler eingeschränkt. Beispielsweise kann ein CFD (Constant-Fraction-Discriminator) verwendet werden, der eine Dämpfungswellenform einer vorbestimmten Wellenform und eine Wellenform, die durch ein Verzögerungsinvertieren der vorbestimmten Wellenform erhalten wird, zusammenaddiert, um einen Nulldurchgangspunkt zu detektieren.

Die Verschiebungsbetrag-Berechnungsschaltung 6 ist nicht auf eine Nachschlagetabelle-Referenzschaltung eingeschränkt, sondern kann eine Schaltung oder dergleichen sein, die einen Verschiebungsbetrag aus der Photonenanzahl durch eine vorbestimmte Berechnungsverarbeitung erhält.

Es ist nicht notwendig, dass die oben beschriebene Korrektureinrichtung oder Distanzmesseinrichtung alle beschriebenen Konfigurationen aufweist, und eine beliebige Konfiguration kann hinzugefügt oder entfernt werden, oder die Funktion einer Komponente kann in die Funktion einer anderen Komponente integriert sein. Beispielsweise muss die Korrektureinrichtung nicht die gepulste Lichtquelle und die SPAD beinhalten oder kann die Distanzberechnungsschaltung beinhalten. Zusätzlich dazu muss die Distanzmesseinrichtung nicht die gepulste Lichtquelle oder die SPAD beinhalten. Des Weiteren können die Korrektureinrichtung und die Distanzmesseinrichtung zusätzlich eine Verstärkungsschaltung oder dergleichen zum Verstärken des SPAD-Ausgangssignals beinhalten.

In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform und dergleichen wird die Laufzeit des reflektierten gepulsten Lichts RP auf Basis des Verschiebungsbetrags M korrigiert; das Timing, zu dem die SPAD 12 das reflektierte gepulste Licht RP empfängt (das Timing, zu dem der Pegel des reflektierten gepulsten Lichts RP den Schwellenwert überschreitet), kann jedoch auf Basis des Verschiebungsbetrags M korrigiert werden. Dann kann durch das Erhalten der Differenz zwischen dem korrigierten Timing und dem Lichtemissionstiming die Laufzeit des reflektierten gepulsten Lichts RP erhalten werden.

In der oben beschriebenen vierten Ausführungsform kann die Schwellenwert-Einstellschaltung 43f weggelassen werden, falls die Schwellenwerte Vth1 und Vth2 in den Zeit-Digital-Wandlern 43b bzw. 43c voreingestellt sind. Zusätzlich dazu ist die Korrektureinrichtung 43 nicht notwendigerweise in der Distanzmesseinrichtung 40 integriert und wird nicht notwendigerweise verwendet.

In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen kann die Beziehung der elektrischen Verbindung zwischen den Konfigurationen eine verdrahtete Verbindung, die Leitungen oder dergleichen verwendet, oder eine drahtlose Kommunikation basierend auf einem vorbestimmten Kommunikationsstandard sein.

Zusätzlich zur Distanzmesseinrichtung kann die Korrektureinrichtung der vorliegenden Offenbarung auch bei Einrichtungen angewendet werden, in denen die Distanzmesseinrichtung integriert ist (zum Beispiel verschiedenen elektronischen Einrichtungen wie etwa einer Projektoreinrichtung, einer Spieleinrichtung, einer Bildgebungseinrichtung; einer Sicherheitseinrichtung, die eine Distanz zu einem Fußgänger, einem Hindernis oder dergleichen detektiert, um eine Bremse gemäß der Distanz zu bedienen; einem bewegbaren Körper, in dem eine derartige Sicherheitseinrichtung verwendet werden kann, wie etwa einem Kraftfahrzeug, einem Zug, einem Flugzeug, einem Hubschrauber oder einem Kleinflugzeug; einem Roboter und einer Sicherungseinrichtung). Zusätzlich dazu, nicht auf die Distanzmesseinrichtung eingeschränkt, kann die vorliegende Offenbarung auch bei einer Einrichtung angewendet werden, die eine genaue Detektion der Photonenanzahl benötigt.

In der vorliegenden Offenbarung sind zum Beispiel die Konfigurationen, Verfahren, Prozesse, Formen, Materialien, numerischen Werte und dergleichen, die in den obigen Ausführungsformen erwähnt werden, lediglich Beispiele und andere Konfigurationen, Verfahren, Prozesse, Formen, Materialien, numerischen Werte können verwendet werden. Zusätzlich dazu kann die vorliegende Offenbarung durch eine Einrichtung, ein Verfahren, ein System, das mehrere Einrichtungen beinhaltet, und dergleichen umgesetzt werden und die in den mehreren Ausführungsformen und den Modifikationen beschriebenen Gegenstände können miteinander kombiniert werden, sofern kein technischer Widerspruch auftritt.

Es ist zu beachten, dass die vorliegende Offenbarung auch die folgenden Konfigurationen annehmen kann.

  1. (1) Eine Korrektureinrichtung, die Folgendes beinhaltet:
    • eine Photonenanzahl-Zähleinheit, die eine Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, zählt;
    • eine Korrekturwert-Erfassungseinheit, die einen Korrekturwert erfasst, der der Photonenanzahl entspricht; und
    • eine Korrektureinheit, die eine Korrektur basierend auf dem Korrekturwert durchführt.
  2. (2) Die Korrektureinrichtung nach (1), wobei
    die Photonenanzahl-Zähleinheit eine Integrationsschaltung beinhaltet, die das Ausgangssignal integriert, und
    konfiguriert ist zum Zählen der Photonenanzahl gemäß einem integrierten Wert durch die Integrationsschaltung.
  3. (3) Die Korrektureinrichtung nach (1), wobei
    die Photonenanzahl-Zähleinheit konfiguriert ist zum Zählen der Photonenanzahl gemäß einer Zeitdifferenz zwischen einem ersten Timing, zu dem ein Pegel des Ausgangssignals einen ersten Schwellenwert überschreitet, und einem zweiten Timing, zu dem der Pegel des Ausgangssignals einen zweiten Schwellenwert überschreitet.
  4. (4) Die Korrektureinrichtung nach einem von (1) bis (3), wobei
    die Photonenanzahl-Zähleinheit konfiguriert ist zum Ausgeben eines Digitalformat-Photonenanzahlsignals, das die Photonenanzahl angibt, an die Korrekturwert-Erfassungseinheit.
  5. (5) Die Korrektureinrichtung nach einem von (1) bis (4), wobei
    die Korrekturwert-Erfassungseinheit eine Nachschlagetabelle beinhaltet, in der ein Korrekturwert, der der Photonenanzahl entspricht, beschrieben ist, und dazu konfiguriert ist, sich auf die Nachschlagetabelle zu beziehen, um den Korrekturwert, der der Photonenanzahl entspricht, zu erfassen.
  6. (6) Die Korrektureinrichtung nach einem von (1) bis (5), wobei
    die Korrektureinheit konfiguriert ist zum Korrigieren eines Timings, zu dem die Lichtempfangseinheit Licht empfängt, oder einer Laufzeit des Lichts auf Basis des Korrekturwerts.
  7. (7) Die Korrektureinrichtung nach einem von (1) bis (6), die ferner Folgendes beinhaltet:
    • eine Messeinheit, die ein Timing misst, zu dem ein Pegel des Ausgangssignals einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  8. (8) Die Korrektureinrichtung nach einem von (1) bis (6), die ferner Folgendes beinhaltet:
    • eine Messeinheit, in die ein Ausgabetiming von Licht, das durch die Lichtempfangseinheit empfangen wird, eingegeben wird, wobei
    • die Messeinheit konfiguriert ist zum Messen einer Differenz zwischen dem Ausgabetiming und einem Timing, zu dem ein Pegel des Ausgangssignals einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  9. (9) Die Korrektureinrichtung nach einem von (1) bis (8), wobei
    die Lichtempfangseinheit eine ist, bei der eine Frequenzverteilung eines Spitzenwerts oder ein integrierter Wert des Ausgangssignals, das durch Empfangslicht ausgegeben wird, mehrere Maximalwerte, die einer Photonenanzahl entsprechen, aufweist.
  10. (10) Die Korrektureinrichtung nach (9), wobei
    die Lichtempfangseinheit mehrere miteinander verbundene Lichtempfangselemente beinhaltet, die jeweils eine Avalanche-Photodiode und einen Widerstand, der in Reihe mit der Avalanche-Photodiode geschaltet ist, aufweisen.
  11. (11) Die Korrektureinrichtung nach einem von (1) bis (10), die ferner Folgendes beinhaltet:
    die Lichtempfangseinheit.
  12. (12) Ein Korrekturverfahren, das Folgendes beinhaltet:
    • Zählen einer Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, mit einer Photonenanzahl-Zähleinheit;
    • Erfassen eines Korrekturwerts, der der Photonenanzahl entspricht, mit einer Korrekturwert-Erfassungseinheit und
    • Durchführen einer Korrektur basierend auf dem Korrekturwert mit einer Korrektureinheit.
  13. (13) Eine Distanzmesseinrichtung, die Folgendes beinhaltet:
    • eine Photonenanzahl-Zähleinheit, die eine Photonenanzahl auf Basis eines Ausgangssignals, das von einer Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, zählt;
    • eine Korrekturwert-Erfassungseinheit, die einen Korrekturwert erfasst, der der Photonenanzahl entspricht;
    • eine Korrektureinheit, die eine Korrektur basierend auf dem Korrekturwert durchführt; und
    • eine Distanzberechnungseinheit, die ein Ergebnis der Korrektur verwendet, um eine Distanz zu einem Distanzmessziel zu berechnen.
  14. (14) Die Distanzmesseinrichtung nach (13), wobei
    die Korrektureinheit konfiguriert ist zum Korrigieren eines Timings, zu dem die Lichtempfangseinheit Licht empfängt, oder einer Laufzeit des Lichts auf Basis des Korrekturwerts.

Bezugszeichenliste

1, 10, 23, 33
Korrektureinrichtung
3
Photodetektor des Typs mit diskretisierter Ausgabe
4
Timingmessschaltung
5
Photonenanzahl-Zählschaltung
6
Verschiebungsbetrag-Berechnungsschaltung
7, 16, 23e, 33e, 43e
Timingkorrekturschaltung
12, 23a, 33a, 43a
SPAD des Mehrpixeltyps
13, 23b, 33b, 43b, 43c
Zeit-Digital-Wandler
14, 23c, 33c
Integrationsschaltung/Integrationswandler
15, 23d,
33d, 43d Nachschlagetabelle-Referenzschaltung
20, 30,
40 Distanzmesseinrichtung
RP
Reflektiertes gepulstes Licht
MT
Distanzmessziel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • JP 2007147322 [0003]