Title:
Distanzmessvorrichtung
Kind Code:
T5


Abstract:

Eine Distanzmessvorrichtung 1 ist konfiguriert, eine Distanz zu einem Objekt K zu messen. Die Distanzmessvorrichtung 1 beinhaltet eine Lichtquelle 11, die konfiguriert ist, einen Projektionsstrahl L1 auf das Objekt K zu emittieren, und ein Lichtempfangselement 18, das konfiguriert ist, Rückkehrlicht des Projektionsstrahls L1, welches vom Objekt K reflektiert wird, zu detektieren. Die Lichtquelle 11 ist eine Laserlichtquelle, die konfiguriert ist, gepulstes Licht in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich als den Projektionsstrahl L1 zu emittieren und das Lichtempfangselement 18 ist eine Lawinenfotodiode, die eine Spektralsensitivität in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich aufweist und in einem Geiger-Modus arbeitet. embedded image




Inventors:
Mase, Mitsuhito (Shizuoka, Hamamatsu-shi, JP)
Iwashina, Shinya (Shizuoka, Hamamatsu-shi, JP)
Suzuki, Takashi (Shizuoka, Hamamatsu-shi, JP)
Application Number:
DE112016004726T
Publication Date:
07/19/2018
Filing Date:
06/21/2016
Assignee:
HAMAMATSU PHOTONICS K.K. (Shizuoka, Hamamatsu-shi, JP)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
HOFFMANN - EITLE Patent- und Rechtsanwälte PartmbB, 81925, München, DE
Claims:
Distanzmessvorrichtung, die konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt zu messen, umfassend:
eine Lichtquelle, die konfiguriert ist, einen Projektionsstrahl zum Objekt zu emittieren; und
ein Lichtempfangselement, das konfiguriert ist, ein Rückkehrlicht des Projektionsstrahls, das durch das Objekt reflektiert wird, zu detektieren,
wobei die Lichtquelle eine Laserlichtquelle ist, die konfiguriert ist, gepulstes Licht in einem Ultraviolett-Bereich bis hin zu einem blauen Farbbereich als den Projektionsstrahl zu emittieren, und
das Lichtempfangselement eine Lawinenfotodiode ist, die eine spektrale Sensitivität in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich aufweist und in einem Geiger-Modus arbeitet.

Distanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 1,
wobei die Lichtquelle eine Laserlichtquelle ist, die konfiguriert ist, gepulstes Licht von 300 nm bis 400 nm als den Projektionsstrahl zu emittieren.

Distanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Lichtempfangselement eine Silizium-Fotomultiplizierröhre ist.

Description:
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Distanzmessvorrichtung.

Hintergrund

Aktuell schreitet die Entwicklung einer Distanzmessvorrichtung, die ein Flugzeit- (TOF, time of flight) Schema verwendet, in welchem Licht, wie etwa Laserlicht, auf ein Objekt projiziert wird, Rückkehrlicht vom Objekt dann detektiert wird und eine Distanz zum Objekt gemessen wird, auf Basis der Zeit von dann, wenn Licht auf das Objekt projiziert wird, bis dann, wenn Rückkehrlicht detektiert wird, fort. Es wird angenommen, dass eine solche Distanzmessvorrichtung beispielsweise als ein Automatikfahr-Unterstützungssystem in einem Fahrzeug, wie etwa einem Automobil, montiert würde. In einem Automatikfahr-Unterstützungssystem wird eine Distanz zwischen einem Fahrzeug, das fährt, und einem Objekt (einschließlich eines menschlichen Körpers) durch die Distanzmessvorrichtung gemessen. Es kann erwartet werden, dass die Kollision zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt vermieden wird, wenn eine Fahrzeuggeschwindigkeit auf Basis des Messergebnisses gesteuert wird.

Als eine Distanzmessvorrichtung im Stand der Technik gibt es beispielsweise eine in Patentliteratur 1 beschriebene Radarvorrichtung. Die Radarvorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle, eine Diode und eine Lichtdetektionssteuereinheit. Als eine Diode, die konfiguriert ist, Rückkehrlicht aus einem Objekt zu detektieren, wird eine Einzelphoton-Lawinendiode (SPAD, single photon avalanche diode) verwendet. Die Lichtdetektionseinheit betreibt die SPAD nach einem Zeitpunkt, zu welchem Streulicht innerhalb der Vorrichtung aufgrund von aus der Lichtquelle emittiertem Licht in die SPAD eindringt, und eliminiert somit den Einfluss des Streulichts.

ZitatelistePatentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2015-117970

Zusammenfassung der ErfindungTechnisches Problem

In der Radarvorrichtung von Patentliteratur 1 wird die SPAD, die eine höhere Lichtempfangssensitivität als eine übliche Fotodiode (PD) und eine Lawinenfotodiode (APD) aufweist, als ein Lichtempfangselement verwendet. Jedoch wird in einer Distanzmessvorrichtung für ein Fahrzeug, wenn ein Projektionsstrahl, der zu einem Objekt emittiert wird, und Rückkehrlicht von einem Objekt in einem externen Raum propagieren, angenommen, dass Umgebungslicht wie etwa Sonnenlicht enthalten ist. Wenn eine Menge an Umgebungslicht steigt, sinkt das S/N-Verhältnis eines Signals und als Ergebnis kann es sein, dass eine messbare Distanz und eine Distanzmessgenauigkeit nicht ausreichend hoch sind.

Zusätzlich ist es in einer Distanzmessvorrichtung für ein Fahrzeug notwendig, Punkte zu berücksichtigen, bei welchen ein Projektionsstrahl und Rückkehrlicht in einem externen Raum propagieren. Beispielsweise, da ein Projektionsstrahl und Rückkehrlicht in einem Raum propagiert werden, in welchem sich Fußgänger und dergleichen fortbewegen, ist es notwendig, ein Verfahren zu ersinnen, einen Einfluss des Projektionsstrahls und von Rückkehrlicht auf einen menschlichen Körper zu reduzieren. Weiter, um eine messbare Distanz und eine Distanzmessgenauigkeit selbst in regnerischem Wetter aufrechtzuhalten, ist es auch notwendig, die Lichtabsorptions-Charakteristika des Projetionsstrahls und des Rückkehrlichtes bezüglich Wasser zu untersuchen.

Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die obigen Probleme zu lösen und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Distanzmessvorrichtung bereitzustellen, in der eine messbare Distanz und die Messdistanzgenauigkeit bestätigt werden können, und die für ein Fahrzeug geeignet ist.

Problemlösung

Eine Distanzmessvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist konfiguriert, eine Distanz zu einem Objekt zu messen. Die Distanzmessvorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle, die konfiguriert ist, einen Projektionsstrahl zum Objekt zu emittieren; und ein Lichtempfangselement, das konfiguriert ist, ein Rückkehrlicht des Projektionsstrahls, das durch das Objekt reflektiert wird, zu detektieren. Die Lichtquelle ist eine Laserlichtquelle, die konfiguriert ist, gepulstes Licht in einem Ultraviolett-Bereich bis hin zu einem blauen Farbbereich als dem Projektionsstrahl zu emittieren und das Lichtempfangselement ist eine Lawinenfotodiode, die eine spektrale Sensitivität in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich aufweist und in einem Geiger-Modus arbeitet.

Die Energie von Umgebungslicht wie etwa Sonnenlicht tendiert dazu, auf der längeren Wellenlängenseite eines blauen Farbbereichs höher zu sein und niedriger auf der kurzen Wellenlängenseite eines blauen Farbbereichs, innerhalb eines sichtbaren Lichtbereichs. Daher, wenn ein Lichtempfangselement mit spektraler Sensitivität in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich verwendet wird, ist es möglich, einen Einfluss von Umgebungslicht zu reduzieren, wenn Rückkehrlicht aus dem Objekt detektiert wird. Wenn ein Einfluss von Umgebungslicht reduziert wird und Rückkehrlicht in einer Lawinenfotodiode detektiert wird, die in einem Geiger-Modus arbeitet, ist es möglich, ein ausreichendes S/N-Verhältnis für ein Signal sicherzustellen und eine messbare Distanz und Distanzmessgenauigkeit zu erhöhen. Zusätzlich, für Licht von einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich ist ein Absorptionskoeffizient von Wasser kleiner als derjenige für Licht im sichtbaren Lichtbereich auf Seiten einer längeren Wellenlänge eines blauen Farbbereichs und ist eine maximale zulässige Beleuchtung für die Retina des menschlichen Auges höher als diejenige für Licht im sichtbaren Lichtbereich auf einer längeren Wellenlängenseite eines blauen Farbbereichs. Daher, wenn eine Laserlichtquelle, die konfiguriert ist, gepulstes Licht in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich zu emittieren, verwendet wird, ist es möglich, einen Einfluss des menschlichen Körpers und Beeinträchtigung bei der Distanzmessvorrichtung aufgrund von regnerischem Wetter zu reduzieren.

Die Lichtquelle kann eine Laserlichtquelle sein, die konfiguriert ist, gepulstes Licht von 300 nm bis 400 nm als einen Projektionsstrahl zu emittieren. Wenn Licht in diesen Wellenlängenbereich als die Lichtquelle verwendet wird, ist es möglich, Bedingungen zu optimieren, welche den Absorptionskoeffizienten von Wasser und eine maximale zulässige Beleuchtung für die Retina des menschlichen Auges beinhalten.

Zusätzlich kann das Lichtempfangselement eine Silizium-Photomultiplizierröhre sein. Eine Silizium-Photomultiplizierröhre weist ausreichende spektrale Sensitivität in einem Ultraviolett-Bereich zu einem blauen Farbbereich auf und Funktionen, die als eine Lawinenfotodiode, die in einem Geiger-Modus arbeitet, geeignet sind.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung

In der Distanzmessvorrichtung ist es möglich, eine messbare Distanz und Distanzmessgenauigkeit zu erhöhen und die Vorrichtung ist für ein Fahrzeug geeignet.

Figurenliste

  • 1 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform einer Distanzmessvorrichtung zeigt.
  • 2 ist eine Perspektivansicht, die ein Beispiel einer Konfiguration eines Lichtempfangselementes zeigt.
  • 3 ist eine Schnittansicht, die längs III-III in 2 genommen ist.
  • 4 ist ein Graph, der Spektralsensitivitäts-Charakteristika eines MPPC zeigt.
  • 5 ist ein Graph, der den Einfluss von Umgebungslicht zeigt.
  • 6 ist ein Graph, der eine maximale zulässige Belichtung für die Retina des menschlichen Körpers zeigt.
  • 7 ist ein Graph, der Lichtabsorptions-Charakteristika für Wasser zeigt.
  • 8 ist ein Diagramm, das einen geeigneten Wellenlängenbereich, der in einer Distanzmessvorrichtung verwendet wird, zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen

Beispielhafte Ausführungsformen einer Distanzmessvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden unten im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 ist eine Perspektivansicht, die eine Ausführungsform einer Distanzmessvorrichtung zeigt. Eine Distanzmessvorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die beispielsweise als ein automatisches Fahrunterstützungssystem in einem Fahrzeug, wie etwa einem Automobil montiert ist. Im Automatikfahr-Unterstützungssystem wird eine Distanz zwischen einem Fahrzeug, das fährt, und einem Objekt K in Echtzeit durch die Distanzmessvorrichtung 1 gemessen, wird eine Fahrzeuggeschwindigkeit auf Basis des Messergebnisses gesteuert und wird eine Steuerung zum Vermeiden von Kollision zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt K durchgeführt. Das Objekt K ist beispielsweise ein anderes Fahrzeug, ein Hindernis, wie eine Wand, oder ein Fußgänger. In der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise angenommen, dass eine Distanz ab einem Objekt K, das etwa 0,1 m bis 100 m weg positioniert ist, gemessen wird.

Wie in 1 gezeigt, beinhaltet die Distanzmessvorrichtung 1 eine Lichtquelle 11, einen Kollimator 12, eine Blende 13, einen Strahlteiler 14, einen Abtastspiegel 15, einen Wellenlängen-Auswahlfilter 16, eine Kondenserlinse 17 und ein Lichtempfangselement 18. Diese Komponenten werden beispielsweise auf einer im Wesentlichen plattenförmigen Bühne assembliert.

Die Lichtquelle 11 ist eine Einheit, die konfiguriert ist, einen Projektionsstrahl L1 zum Objekt K zu emittieren. Als die Lichtquelle 11 wird eine Laserdiode, die konfiguriert ist, gepulstes Licht in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich zu emittieren, verwendet. Die Wellenlänge des Projektionsstrahls L1 ist beispielsweise 300 nm bis 500 nm, vorzugsweise 300 nm bis 400 nm und bevorzugterer Weise 350 nm bis 400 nm. Der Projektionsstrahl L1, der aus der Lichtquelle 11 emittiert wird, wird durch den Kollimator 12 kollimiert und wird zum Strahlteiler 14 geführt, während ein Strahldurchmesser auf beispielsweise φ10 mm oder weniger durch die Blende 13 reduziert wird.

Der Projektionsstrahl L1, welcher den Strahlteiler 14 passiert hat, wird zum Abtastspiegel 15 geleitet. Der Abtastspiegel 15 ist beispielsweise in Mikroelektronik-Mechanik-System- (MEMS) Spiegel. Der Abtastspiegel 15 schwingt in einer Ebenenrichtung auf einer Bühne 9, auf Basis der Steuerung durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt), und tastet in Richtung des Projektionsstrahls L1 zum Objekt K ab. Der Durchmesser des Spiegelteils des Abtastspiegels 15 ist beispielsweise ungefähr derselbe wie der Durchmesser des Projektionsstrahls L1. Ein Schwingwinkel des Abtastspiegels 15 beträgt beispielsweise etwa ±30°. Zusätzlich ist eine Abtastgeschwindigkeit des Abtastspiegels 15 beispielsweise etwa 0,1 kHz bis 10 kHz.

Zusätzlich reflektiert der Abtastspiegel 15 Rückkehrlicht L2, welches erhalten wird, wenn der Projektionsstrahl L1 durch das Objekt K zum Strahlteiler 14 reflektiert wird. Das Rückkehrlicht L2, welches durch den Strahlteiler 14 reflektiert wird, passiert den Wellenlängen-Auswahlfilter 16 und wird dann auf einer Lichtempfangsoberfläche des Lichtempfangselements 18 durch die Kondenserlinse 17 kondensiert. Der Wellenlängen-Auswahlfilter 16 ist ein Bandpassfilter, durch welchen Licht mit einer Wellenlänge entsprechend Spektralsensitivitäts-Charakteristika des Lichtempfangselements 18 gesendet wird und sendet beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 500 nm, aber blockiert Licht in anderen Wellenlängenbändern. Ein Sendeband des Wellenlängen-Auswahlfilters 16 kann geeignet eingestellt werden gemäß der Wellenlänge von aus der Lichtquelle 11 emittiertem Licht.

Das Lichtempfangselement 18 ist eine Einheit, die konfiguriert ist, das Rückkehrlicht L2 vom Objekt K zu detektieren. Als das Lichtempfangselement 18 wird eine Lawinenfotodiode, die in einem Geiger-Modus arbeitet, verwendet. Der Geiger-Modus ist ein Modus, in welchem eine Operation bei einer reversen Spannung der Lawinenfotodiode durchgeführt wird, die auf eine Durchbruchsspannung oder höher eingestellt ist. In einem hohen elektrischen Feld in einem Geiger-Modus tritt ein Entladungsphänomen (Geiger-Entladung) auf, selbst falls schwaches Licht eindringt, und ist eine Elektronen-Multiplikationskonstante etwa 105 bis 106.

Als die Lawinenfotodiode, die im Geiger-Modus arbeitet, kann eine Einzel-Photonen-Lawinendiode (SPAD) und eine Mehrpixel-Photonen Zähler/Silizium-Fotomuliplizierröhre (MPPC) beispielhaft verwendet werden. Beispielsweise in dem MPPC sind Pixel der Lawinenfotodiode, die in einem Geiger-Modus arbeitet, zwei-dimensional parallel verbunden. Ein Abschwächungswiderstand (quenching resistor) ist mit jedem Pixel verbunden und jeder Abschwächungswiderstand ist mit einem Auslesekanal verbunden. Daher, wenn eine Höhe (Ereignisanzahl) eines Impulses oder eine Ladungsmenge eines Impulses, welche Signale aus Pixeln überlagert sind, gemessen wird, ist es möglich, die Anzahl von durch die MPPC detektierten Photonen zu detektieren.

Ein Ausgabesignal aus dem Lichtempfangselement 18 wird an eine Recheneinheit (nicht gezeigt) ausgegeben. In der Recheneinheit wird eine Distanz zum Objekt K auf Basis eines Flugzeit-(TOF)-Schemas berechnet. Das heißt, dass die Recheneinheit eine Distanz zum Objekt K auf Basis einer Differenz zwischen einem Zeitpunkt, zu welchem ein Impuls des Projektionsstrahls L1 aus der Lichtquelle 11 emittiert wird, und einen Zeitpunkt, zu dem das Rückkehrlicht L2 durch das Lichtempfangselement 18 detektiert wird, berechnet.

2 ist eine Perspektivansicht, die ein Beispiel einer Konfiguration des Lichtempfangselements zeigt. Zusätzlich ist 3 eine Querschnittsansicht, der längs III-III in 2 genommen ist. 2 und 3 exemplifizieren eine Konfiguration der MPPC. Zusätzlich wird in 2 eine in 3 gezeigte Isolationsschicht 37 für die Bequemlichkeit der Illustration weggelassen.

Wie in 2 und 3 gezeigt, beinhaltet die MPPC, welche das Lichtempfangselement 18 ist, eine Lichtempfangsfläche auf einer Oberflächenseite eines aus Si hergestellten Halbleitersubstrats. Die Lichtempfangsfläche beinhaltet beispielsweise eine Mehrzahl von Lichtdetektionseinheiten 30, die in einer Matrixform zwei-dimensional angeordnet sind. Ein Verdrahtungsmuster 23C für Signalauslesen, das in einer Gitterform gemustert ist, ist auf einer vorderen Oberflächenseite des Substrats angeordnet. Das Innere einer Öffnung des Gitterverdrahtungsmusters 23C detektiert eine Lichtdetektionsfläche. Die Lichtdetektionseinheiten, die in der Lichtdetektionsfläche angeordnet sind, sind mit dem Verdrahtungsmuster 23C verbunden.

Eine Bodenelektrode 40 ist auf einer Rückoberflächenseite des Substrates vorgesehen. Wenn eine Antriebsspannung der Lichtdetektionseinheit 30 zwischen dem Verdrahtungsmuster 23C, welches die obere Elektrode ist, und der Bodenelektrode 40 angewendet wird, kann ein Ausgabesignal aus der Lichtdetektionseinheit 30 aus dem Verdrahtungsmuster 23C extrahiert werden.

Ein pn-Übergang besteht aus einem p-Typ-Halbleiterbereich, der eine Anode bildet, und einem n-Typ-Halbleiterbereich, der eine Kathode bildet. Wenn eine Antriebsspannung an eine Fotodiode angelegt wird, so dass ein Potential des p-Typ-Halbleiterbereichs höher als ein Potential des n-Typ-Halbleiterbereichs ist, ist dies eine Vorwärtsbias-Spannung. Wenn eine Antriebsspannung umgekehrt dazu an eine Fotodiode angelegt ist, ist dies eine reverse Bias-Spannung.

Die Antriebsspannung ist eine reverse Bias-Spannung, die an eine Fotodiode angelegt wird, die aus einem internen pn-Übergang in der Lichtdetektionseinheit 30 aufgebaut ist. Wenn die Antriebsspannung auf eine Durchbruchspannung der Fotodiode oder höher eingestellt wird, tritt ein Lawinendurchbruch in der Fotodiode auf und die Fotodiode arbeitet in einem Geiger-Modus. Hier, selbst falls eine Vorwärtsbias-Spannung an die Fotodiode angelegt wird, wird eine Lichtdetektionsfunktion der Fotodiode ausgeübt.

Eine Widerstandseinheit (Abschwächungswiderstand) 24, welche elektrisch mit einem Ende der Fotodiode verbunden ist, ist auf einer Frontoberflächenseite des Substrats angeordnet. Ein Ende der Widerstandseinheit 24 bildet eine Kontaktelektrode 24A, welche elektrisch mit einem Ende der Fotodiode über eine Kontaktelektrode verbunden ist, die aus einem anderen Material hergestellt ist, das direkt darunter positioniert ist. Das andere Ende der Widerstandseinheit 24 steht in Kontakt mit einem Verdrahtungsmuster 23C für Signallesen und bildet eine Kontaktelektrode 24C, die elektrisch damit verbunden ist. Das heißt, dass die Widerstandseinheit 24 in jeder der Lichtdetektionseinheiten 30 die Kontaktelektrode 24A enthält, welche mit der Fotodiode verbunden ist, eine Widerstandsschicht 24B, die sich kontinuierlich in der Kontaktelektrode 24A in einer gekrümmten Weise erstreckt, und die Kontaktelektrode 24C, die zu einem Anschlussende der Widerstandsschicht 24B kontinuierlich ist. Hier sind die Kontaktelektrode 24A, die Widerstandsschicht 24B und die Kontaktelektrode 24C durch eine Widerstandsschicht aufgebaut, die aus demselben Widerstandsmaterial hergestellt ist.

Ein Ende der Fotodiode, die in der Lichtdetektionseinheit 30 enthalten ist, ist mit dem Verdrahtungsmuster 23C mit demselben Potential im Prinzip an allen Positionen verbunden, und das andere Ende derselben ist mit der Bodenelektrode 40 verbunden, die konfiguriert ist, ein Substratpotential anzulegen. Das heißt, dass Fotodioden in allen der Lichtdetektionseinheiten 30 parallel verbunden sind.

Wie in 2 gezeigt, beinhalten die Lichtdetektionseinheiten 30 alle eine n-Typ-Ersthalbleiterschicht 32, ein p-Typ-Zweithalbleiterschicht 33, die einen pn-Übergang mit der ersten Halbleiterschicht 32 bilden und einen Hochstörstellen-Konzentrationsbereich 34. Eine erste Kontaktelektrode 3A steht in Kontakt mit dem Hochstörstellen -Konzentrationsbereich 34. Der Hochstörstellen -Konzentrationsbereich 34 ist ein diffuser Bereich, der durch Diffundieren von Verunreinigungen in die zweite Halbleiterschicht 33 gebildet wird, und der eine höhere Störstellenkonzentration als die zweite Halbleiterschicht 33 aufweist.

In der vorliegenden Ausführungsform wird die p-Typ-Halbleiterschicht 33 auf der n-Typ-Halbleiterschicht 32 gebildet und wird der p-Typ-Hochstörstellen-Konzentrationsbereich 34 auf der Frontoberflächenseite der zweiten Halbleiterschicht 33 gebildet. Daher wird ein die Fotodiode bildender pn-Übergang zwischen der ersten Halbleiterschicht 32 und der zweiten Halbleiterschicht 33 gebildet. Als eine Schichtstruktur des Halbleitersubstrats kann eine Struktur mit einem Konduktivitätstyp, welcher gegenüber demjenigen der obigen Struktur invertiert ist, verwendet werden. In diesem Fall wird die n-Typ-Ersthalbleiterschicht 33 auf der p-Typ-Ersthalbleiterschicht 32 gebildet, und wird der p-Typ-Hochstörstellen-Konzentrationsbereich 34 auf der Frontoberflächenseite der zweiten Halbleiterschicht 33 gebildet.

Zusätzlich kann eine pn-Übergangsschnittstelle auf der Oberflächenschichtseite gebildet werden. In diesem Fall wird eine Struktur, in welcher die n-Typ-Zweithalbleiterschicht 33 auf der n-Typ-Ersthalbleiterschicht 32 gebildet ist, und der p-Typ-Hochstörstellen-Konzentrationsbereich 34 auf der Frontoberflächenseite der zweiten Halbleiterschicht 33 gebildet ist, gebildet. Bei dieser Struktur wird der pn-Übergang an einer Schnittstelle zwischen der zweiten Halbleiterschicht 33 und dem Hochstörstellen-Konzentrationsbereich 34 gebildet. In einer solchen Struktur kann der Konduktivitätstyp invertiert sein.

Die Lichtdetektionseinheiten 30 beinhalten alle eine Isolierschicht 36, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist. Die Oberflächen der zweiten Halbleiterschicht 33 und des Hochstörstellen-Konzentrationsbereichs 34 sind durch die Isolierschicht 36 abgedeckt. Die Isolierschicht 36 weist ein Kontaktloch auf und eine Kontaktelektrode 23A wird im Kontaktloch gebildet. Die obere Isolierschicht 37 wird auf der Isolierschicht 36 und der Kontaktelektrode 23A gebildet. Die Isolierschicht 37 weist ein Kontaktloch auf, das koaxial mit der Kontaktelektrode 23A angeordnet ist und die Kontaktelektrode 24A ist im Kontaktloch gebildet. Die obere Isolierschicht 37 ist auf der Isolierschicht 36 und der Kontaktelektrode 23A gebildet. Die Isolierschicht 37 weist ein Kontaktloch auf, das koaxial mit der Kontaktelektrode 23A ausgebildet ist, und die Kontaktelektrode 24A ist im Kontaktloch gebildet.

4 ist ein Graph, der Spektralsensitivitäts-Charakteristika der oben beschriebenen MPPC zeigt. In 4 repräsentiert die horizontale Achse eine Wellenlänge und repräsentiert die vertikale Achse Photonen-Detektionseffizienz. Zusätzlich werden die Spektralsensitivitäts-Charakteristika ermittelt, wenn eine MPPC, die 400 Lichtdetektionseinheiten und einen Anordnungsabstand der Lichtdetektionseinheiten, der 25 µm beträgt, aufweist, in einem Geiger-Modus bei einer reversen Bias-Spannung von 74 V arbeitet. Hier beträgt eine Durchbruchsspannung der MPPC 71 V.

Wie in 4 gezeigt, weist die Photonen-Detektionseffizienz in der MPPC eine Spitze nahe einer Wellenlänge von 450 nm auf. Die Photonen-Detektionseffizienz bei einer Spitzenwellenlänge beträgt etwa 38%. Die Photonen-Detektionseffizienz in der MPPC ist etwa 22% bis 38% in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 500 nm, etwa 22% bis 35% in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 400 nm und etwa 29% bis 35% in einem Wellenlängenbereich von 350 nm bis 400 nm.

Andererseits ist die Photonen-Detektionseffizienz in der MPPC etwa 28% bei einer Wellenlänge von 600 nm, etwa 17% bei einer Wellenlänge von 700 nm und etwa 9% bei einer Wellenlänge von 800 nm und sinkt graduell auf einer längeren Wellenlängenseite eines blauen Farbbereichs. Daher ist die oben beschriebene MPPC ein Lichtempfangselement mit einer hohen spektralen Sensitivität in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich. Der Grund, warum die MPPC eine hohe Spektralsensitivität in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich aufweist, kann hergeleitet sein, an einer Struktur zu liegen, in der eine Absorptionslänge von kurzem Wellenlängenlicht, das auf die Lichtempfangsoberfläche der MPPC einfällt, zur Position der Lawinenschicht passt und Elektronen mit einer hohen Ionisationsrate in die Lawinenschicht injiziert werden. Zusätzlich, da in einem Geiger-Modus ein hohes elektrisches Feld angelegt wird, gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine elektrische Ladung durch das elektrische Feld beschleunigt wird, bevor sie in der Halbleiterschicht absorbiert wird.

Als Nächstes werden Operationen und Effekte der Distanzmessvorrichtung 1, die oben beschrieben ist, beschrieben.

Wie oben beschrieben, wird in der Distanzmessvorrichtung 1 die Lawinenfotodiode, die in einem Geiger-Modus arbeitet, als das Lichtempfangselement 18 verwendet. Das Lichtempfangselement 18 weist eine höhere Lichtempfangssensitivität als eine übliche Fotodiode (PD) oder eine Lawinenfotodiode (APD) auf, wird aber leicht durch Umgebungslicht wie etwa Sonnenlicht beeinflusst.

Hier ist 5 ein Graph, der den Einfluss von Umgebungslicht zeigt. In 5 wird Sonnenlicht als eine Hauptkomponente von Umgebungslicht exemplifiziert und repräsentiert die horizontale Achse eine Wellenlänge und repräsentiert die vertikale Achse eine Sonnenlichtenergie während des Tags nahe der Erdoberfläche. Wie in 5 gezeigt, weist die Sonnenlichtenergie eine Spitzenwellenlänge nahe 500 nm auf. Auf einer kürzeren Wellenlängenseite und einer längeren Wellenlängenseite dieser Spitze, während die Energie des Sonnenlichtes abnimmt, sich von der Spitzenwellenlänge wegbewegend, ist eine Sinkrate derselben viel größer auf der kürzeren Wellenlängenseite als auf der längeren Wellenlängenseite.

Basierend auf diesem Ergebnis versteht sich, dass in dem sichtbaren Lichtbereich die Energie von Umgebungslicht dazu tendiert, auf der längeren Wellenseite eines blauen Farbbereichs höher zu sein und auf der kürzen Wellenlängenseite eines blauen Farbbereichs niedriger zu sein. Daher, wenn das Lichtempfangselement 18, das eine spektrale Sensitivität in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich aufweist, verwendet wird, ist es möglich, einen Einfluss von Umgebungslicht, wenn das Rückkehrlicht L2 aus dem Objekt K detektiert wird, zu reduzieren. Wenn ein Einfluss von Umgebungslicht reduziert wird und Rückkehrlicht in der Lawinenfotodiode, die in einem Geiger-Modus arbeitet, detektiert wird, ist es möglich, ein ausreichendes S/N-Verhältnis eines Signales sicherzustellen und eine messbare Distanz und Distanzmessgenauigkeit zu steigern. Zusätzlich, wenn ein Wellenlängenbereich, in welchem die Energie des Umgebungslichtes klein ist, ausgewählt wird, selbst falls eine Leistung des aus der Lichtquelle 11 emittierten Projektionsstrahl L1 reduziert wird, ist es möglich, das ausreichende S/N-Verhältnis des Signales sicherzustellen. Daher ist es möglich, den Stromverbrauch der Distanzmessvorrichtung 1 zu reduzieren.

Zusätzlich ist 6 ein Graph, der eine maximal zulässige Belichtung für die Netzhaut des menschlichen Körpers zeigt. In 6 repräsentiert die horizontale Achse eine Wellenlänge und repräsentiert die vertikale Achse eine maximale zulässige Belichtung (MPE, maximum permissible exposure) für die Netzhaut. Zusätzlich wird in 6 eine maximale zulässige Belichtung von 10 ns durch eine durchgezogene Linie angegeben und wird eine maximale zulässige Belichtung von 1 s durch eine gestrichelte Linie angegeben. Die maximal zulässige Belichtung von 10 ns ist eine maximale zulässige Belichtung, wenn eine Einfallszeit eines Impulses von Laserlicht 10 ns beträgt und die maximale zulässige Belichtung von 1 s ist eine maximale zulässige Belichtung, wenn eine Einfallszeit eines Impulses von Laserlicht 1 s beträgt.

Im Allgemeinen hängt die Beschädigung der Netzhaut des menschlichen Körpers aufgrund von Laserlicht von einer Wellenlänge, einer Expositionszeit und einem kondensierenden Durchmesser von auf die Netzhaut einfallenden Laserlichts ab. Die maximale zulässige Belichtung wird als eine Laserlichtintensität von 1/10 eines Pegels definiert, bei welchem eine Fehlerauftrittsrate aufgrund von Laseremission 50% im Lasersicherheitsstandard beträgt (JIS C 6802) .

Wie in 6 gezeigt, ist sowohl bei der MPE von 10 ns als auch der MPE von 1 s, die MPE in einem nahen Infrarotbereich höher als die MPE in einem sichtbaren Lichtbereich. Die MPE von 10 ns im sichtbaren Lichtbereich ist in der Größenordnung von 0,01 J/cm2 bis 0,1 J/cm2 und die MPE von 10 ns im sichtbaren Lichtbereich ist in der Größenordnung von 100 J/cm2 bis 10000 J/cm2. Andererseits ist die MPE von 1 s in einem Wellenlängenband von 1400 nm oder höher in der Größenordnung von 10 J/cm2 bis 10000 J/cm2 und ist die MPE von 1 s im selben Band ungefähr in der Größenordnung von 10000 J/cm2.

Zusätzlich ist in sowohl der MPE von 10 ns als auch der MPE von 1 s die MPE in einem ultravioletten Bereich höher als die MPE in einem sichtbaren Lichtbereich. Die MPE von 10 ns in einem Band einer Wellenlänge von 400 nm oder kleiner ist in der Größenordnung von 10 J/cm2 bis 100 J/cm2 und die MPE von 1 s im selben Band ist in der Größenordnung von 10 J/cm2 bis 10000 J/cm2.

Basierend auf den oben beschriebenen Ergebnissen, wenn eine Laserlichtquelle, die konfiguriert ist, gepulstes Licht in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich zu emittieren, als die Lichtquelle 11 verwendet wird, ist es möglich, sicherzustellen, ausreichend innerhalb einer maximalen zulässigen Belichtung für die Netzhaut des menschlichen Körpers in Bezug auf den Projektionsstrahl L1 und das Rückkehrlicht L2 zu sein. In der Distanzmessvorrichtung 1 für ein Fahrzeug, wie in der vorliegenden Ausführungsform, breiten sich der Projektionsstrahl L1 und das Rückkehrlicht L2 in einem externen Raum ab der Distanzmessvorrichtung 1 bis zum Objekt K aus. Da dieser externe Raum ein Raum ist, der von Fußgängern und ähnlichem Verkehr begangen wird, werden der Projektionsstrahl L1 und das Rückkehrlicht L2 als zum menschlichen Körper emittiert angesehen. Daher, wenn Wellenlängen des Projektionsstrahls L1 und des Rückkehrlichts L2 ausgewählt werden und innerhalb der maximalen zulässigen Belichtung sind, sichergestellt ist, ist es möglich, die Sicherheit für die Netzhaut des menschlichen Körpers (Augensicherheit) zu realisieren.

7 ist ein Graph, der Lichtabsorptions-Charakteristika für Wasser zeigt. In 7 repräsentiert die horizontale Achse eine Wellenlänge und repräsentiert die vertikale Achse einen Absorptionskoeffizienten. Wie in 7 gezeigt, ist ein Absorptionskoeffizient von Wasser am kleinsten nahe einer Wellenlänge von 400 nm, was 10-4cm-1 oder weniger ist. Selbst in einem Bereich nahe einer Wellenlänge von 400 nm ist der Absorptionskoeffizient von Wasser kleiner als in anderen Wellenlängenbereichen und beträgt 10-4cm-1 oder weniger in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 500 nm.

Basierend auf den oben beschriebenen Ergebnissen, wenn eine Laserlichtquelle, die konfiguriert ist, gepulstes Licht in einem Ultraviolett-Bereich bis zu einem blauen Farbbereich zu emittieren, als die Lichtquelle 11 verwendet wird, ist es möglich, eine Einfluss der Absorption von Wasser auf den Projektionsstrahl L1 und das Rückkehrlicht L2 zu reduzieren. In der Distanzmessvorrichtung 1 für ein Fahrzeug, wie in der vorliegenden Ausführungsform, breiten sich der Projektionsstrahl L1 und das Rückkehrlicht L2 in einem externen Raum aus der Distanzmessvorrichtung 1 zum Objekt K aus. Wenn der Projektionsstrahl L1 und das Rückkehrlicht L2 sich im externen Raum ausbreiten, wird angenommen, dass abhängig vom Wetter der Projektionsstrahl L1 und das Rückkehrlicht L2 Regentropfen, Nebel und dergleichen passieren. Daher, wenn Wellenlängen des Projektionsstrahls L1 und des Rückkehrlichts L2 so ausgewählt werden, dass ein Einfluss der Absorption vom Wasser reduziert ist, ist es möglich, eine messbare Distanz und eine Distanzmessgenauigkeit unabhängig vom Wetter sicherzustellen.

Wie oben beschrieben wird in der Distanzmessvorrichtung 1 die Laserlichtquelle, die konfiguriert ist, gepulstes Licht in einem ultravioletten Beispiel bis zu einem blauen Farbbereich als den Projektionsstrahl L1 zu emittieren, als die Lichtquelle verwendet und wird die Lawinenfotodiode, die Spektralsensitivität in einem ultravioletten Bereich bis zu einem blauen Farbbereich aufweist und in einen Geiger-Modus arbeitet, als das Lichtempfangselement 18 verwendet. Entsprechend ist es in der Distanzmessvorrichtung 1 möglich, die messbare Distanz und die Distanzmessgenauigkeit zu verbessern, durch Eliminieren eines Einflusses von Umgebungslicht, Augensicherheit zu realisieren und Fluktuation bei der messbaren Distanz und der Distanzmessgenauigkeit zu minimieren, durch Eliminieren eines Einflusses der Absorption von Wasser.

8 ist ein Diagramm, das einen geeigneten Wellenlängenbereich zeigt, der in der Distanzmessvorrichtung verwendet wird. Bezugnehmend auf den in 5 gezeigten Graphen, beträgt ein Wellenlängenbereich, der zum Reduzieren eines Einflusses von Umgebungslicht geeignet ist, 300 nm bis 400 nm. Wie in 4 gezeigt, beträgt die Photonen-Detektionseffizienz in der MPPC etwa 22% bis 35% in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 500 nm und eine ausreichende Detektionseffizienz wird in diesem Bereich gezeigt.

Bezugnehmend auf den in 6 gezeigten Graphen ist ein angemessener Wellenlängenbereich zum Realisieren von Augensicherheit 300 nm bis 400 nm. Zusätzlich, bezugnehmend auf den in 7 gezeigten Graphen, ist ein zum Reduzieren eines Einflusses der Absorption von Wasser geeigneter Wellenlängenbereich 300 nm bis 400 nm. Basierend auf solchen Ergebnissen, wenn eine Laserlichtquelle, die konfiguriert ist, gepulstes Licht von 300 nm bis 400 nm als den Projektionsstrahl L1 zu emittieren, als die Lichtquelle 11 verwendet wird und eine MPPC (Silizium-Fotomultiplizierröhre) als das Lichtempfangselement 18 verwendet wird, ist es möglich, die obigen Effekte zuverlässiger zu zeigen.

Hier, wenn eine Laserdiode als die Lichtquelle 11 verwendet wird, muss Sorgfalt walten, weil eine Wellenlänge von aus der Laserdiode emittiertem Laserlicht von der Temperatur abhängt. Im Allgemeinen ist eine Abhängigkeit einer Wellenlänge einer Laserdiode in einem Ultraviolett-Bereich von der Temperatur um etwa eine Größenordnung kleiner als eine Abhängigkeit von einer Wellenlänge einer Laserdiode in einem nahen Infrarotbereich von der Temperatur und ist beispielsweise 0,03 nm/°C bis 0,04 nm/°C. Daher, selbst falls ein Temperaturbereich einer Umgebung, in welcher die Distanzmessvorrichtung 1 für ein Fahrzeug verwendet wird, als -40 °C bis 105 °C angenommen wird, ist ein Änderungsbetrag bei der Wellenlänge mehrere nm oder kleiner und ist ein Einfluss einer Abhängigkeit einer Wellenlänge von der Temperatur extrem klein.

Zusätzlich weist in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, die Photonen-Detektionseffizienz in der MPPC eine Spitze nahe einer Wellenlänge von 450 nm auf. Andererseits, wenn eine Wellenlänge von aus der Lichtquelle 11 emittierten Laserlicht 300 nm bis 400 nm beträgt, ist eine Wellenlänge einer Spitze von Detektionseffizienz der MPPC länger als eine Wellenlänge von Laserlicht. Daher, selbst falls eine Temperatur einer Umgebung, in der die Distanzmessvorrichtung 1 verwendet wird, sich zu einer Hochtemperaturseite verschiebt, steigt die Detektionseffizienz der MPPC und es ist möglich, eine messbare Distanz und eine Distanzmessgenauigkeit ausreichend sicherzustellen.

Bezugszeichenliste

1
Distanzmessvorrichtung
11
Lichtquelle
18
Lichtempfangselement
K
Objekt
L1
Projektionsstrahl
L2
Rückkehrlicht