阅读说明：本技术 光检测器 (Light detector ) 是由 东谦太 尾崎宪幸 柏田真司 木村祯祐 高井勇 松原弘幸 太田充彦 平塚诚良 于 2018-04-09 设计创作，主要内容包括：光检测器具备：受光部(2),具备构成为响应光子的入射的SPAD(4),并构成为若SPAD作出响应则受光部输出脉冲信号；以及脉冲率控制电路(20),构成为控制受光部的灵敏度,以使来自受光部的脉冲信号的每单位时间的输出数亦即脉冲率成为预先设定的设定值、包含该设定值的设定范围内、该设定值以上、或者该设定值以下。(The photodetector includes: a light receiving unit (2) which is provided with a SPAD (4) configured to respond to the incidence of photons and is configured to output a pulse signal when the SPAD responds; and a pulse rate control circuit (20) configured to control the sensitivity of the light receiving unit so that the pulse rate, which is the number of outputs per unit time of the pulse signal from the light receiving unit, is within a preset set value, a set range including the set value, the set value or more, or the set value or less.)

光检测器

相关申请的交叉引用

本国际申请主张基于在2017年4月12日向日本专利厅申请的日本专利申请第2017－79163号的优先权，通过参照将日本专利申请第2017－79163号的全部内容引用至本国际申请。

技术领域

本公开涉及利用雪崩效应的光检测器。

背景技术

以往，作为利用雪崩效应的光检测器，已知有使雪崩光电二极管(以下，APD)以盖革模式动作来进行光检测的光检测器。

以盖革模式动作的APD被称为SPAD，通过作为反向偏置电压施加比击穿电压高的电压进行动作。此外，SPAD是Single Photon Avalanche Diode(单光子雪崩二极管)的缩写。

由于SPAD因光子的入射而击穿，所以这种光检测器通常构成为检测SPAD击穿时的电压变化，并输出规定脉冲宽度的数字脉冲(以下，脉冲信号)。

然而，由于该脉冲信号的每单位时间的输出数亦即脉冲率根据周围的光量发生变化，所以在非常强的干扰光等入射至光检测器的情况下，脉冲率增大。而且，若脉冲率增大，则对后段的处理电路带来负担，根据情况，有超过处理电路的处理能力，而处理电路成为饱和状态的情况。

因此，在将这种光检测器安装于车辆利用于测距装置的情况下，随着脉冲率的增大，测距精度降低，根据情况，有无法测距的情况。

因此，在这种光检测器中，在脉冲率增大的环境下，需要对包含SPAD的受光部的灵敏度进行调整，使脉冲率降低，作为用于该目的的装置，提出了专利文献1所记载的技术。

换句话说，在专利文献1所记载的测距装置中，构成为使用参照受光元件预先测定下次的测距点的光量，并根据该测定出的光量，使对SPAD施加的反向偏置电压等变化，来调整受光部的灵敏度。

在该提出的装置中，由于根据测定出的光量来调整受光部的灵敏度，所以在下次的测距点入射较强的干扰光的情况下，能够使受光部的灵敏度降低，并抑制从受光部输出的脉冲信号的脉冲率。

专利文献1:日本特开2014－81254号公报

然而，发明人详细研究的结果，在上述提出的装置中，为了受光部的灵敏度调整，需要设置参照受光元件来测定下次的测距点的光量，所以装置结构变得复杂。

另外，由于为了进行灵敏度调整，需要根据使用参照受光元件测定出的光量来设定反向偏置电压等的控制值，所以为了控制值设定，需要光量－控制值转换数据。因此，在设计灵敏度调整用的控制部时，也存在需要通过实测等预先求出光量－控制值转换数据，控制部的设计很麻烦的问题。

另外，若受光部的特性有偏差，则由于从光量－控制值转换数据获得的控制值偏离最佳值，所以在利用上述提出的装置调整受光部的灵敏度时，也存在无法吸收受光部的特性的偏差的问题。

另外，在上述提出的装置中，较强的干扰光入射至受光部的情况下，虽然能够使受光部的灵敏度降低，但无法将脉冲率控制为与后段的处理电路的能力相应的所希望的值。因此，也有后段的处理电路的负荷增加，且无法可靠地防止测距精度降低的问题。

发明内容

本公开的一个方面希望在利用SPAD进行光检测的光检测器中，不利用光量测定用的其它的检测器就能够调整受光部的灵敏度，并且，能够根据后段的处理电路的能力适当地实施该灵敏度调整。

本公开的一个方面的光检测器具备受光部和脉冲率控制电路，其中，受光部具备构成为响应光子的入射的SPAD，并构成为若SPAD作出响应则受光部输出脉冲信号。

脉冲率控制电路控制受光部的灵敏度，以使来自受光部的脉冲信号的每单位时间的输出数亦即脉冲率成为预先设定的设定值或包含该设定值的设定范围内、或者该设定值以上或者设定值以下。

因此，即使从受光部输出的脉冲信号的脉冲率因太阳光等外部光而发生变化，也反馈控制受光部的灵敏度，使得该脉冲率成为设定值或设定范围内、或者设定值以上或者设定值以下。

因此，根据本公开的光检测器，能够使受光部以所希望的脉冲率动作，并能够抑制因脉冲率的增加而后段的处理电路的负荷增加、或朝向后段的处理电路的输入饱和而处理电路无法正常动作的问题。

另外，根据本公开的光检测器，由于能够抑制受光部输出的脉冲信号的脉冲率异常地上升，所以也能够抑制因较强的光入射至受光部，而受光部自身成为饱和状态。

另外，根据本公开的光检测器，由于无需预先测定光量来进行受光部的灵敏度调整，所以无需设定光量测定用的参照受光元件，能够使装置结构变得简单。

另外，由于基于从受光部实际输出的脉冲信号的脉冲率，来进行受光部的灵敏度调整，所以能够不受受光部的特性的偏差影响地、适当地进行受光部的灵敏度调整。

因此，不会因受光部的特性的偏差，而产生受光部的灵敏度的过度控制或者控制不足。另外，也能够自动地吸收SPAD等受光部的特性的偏差、性能劣化、伴随着温度变化的特性变化等。

接下来，本公开的其他的方面的光检测器具备：多个受光部；阈值判定电路，构成为若从多个受光部输出的脉冲信号的数量达到阈值，则输出检测信号；以及脉冲率控制电路。

而且，脉冲率控制电路控制多个受光部的灵敏度以及阈值判定电路的阈值的至少一方，以使来自阈值判定电路的检测信号的每单位时间的输出数亦即脉冲率成为预先设定的设定值或包含该设定值的设定范围内、或者该设定值以上或者设定值以下。

因此，根据该光检测器，能够将从阈值判定电路输出的检测信号的脉冲率控制成为后段的处理电路可以正常动作的脉冲率。

因此，与上述的一个方面的光检测器相同，能够抑制因脉冲率的增加而后段的处理电路的负荷增加，朝向后段的处理电路的输入饱和而处理电路无法正常动作这样的问题。

此外，权利要求书中所记载的括号内的附图标记表示与作为一个方式后述的实施方式中所记载的具体的单元的对应关系，并不对本公开的技术的范围进行限定。

附图说明

图1是表示第一实施方式的光检测器的结构的说明图。

图2是表示第一实施方式的脉冲率控制电路的动作的流程图。

图3是表示第二实施方式的脉冲率控制电路的内部结构的框图。

图4是表示第三实施方式的光检测器的结构的说明图。

图5是表示第三实施方式的脉冲率控制电路的内部结构的框图。

图6是表示第四实施方式的可变阈值判定电路以及脉冲率控制电路的结构的框图。

图7是表示第一变形例的分立输出开关的说明图。

图8是表示第二变形例的性能监视电路的结构的说明图。

图9是表示第三变形例的脉冲率控制电路的动作的流程图。

图10是表示第四变形例的光检测器的结构的说明图。

具体实施方式

以下，基于附图对本公开的实施方式进行说明。

[第一实施方式]

如图1所示，本实施方式的光检测器具备多个受光部2，该多个受光部2具备响应光子的入射的SPAD4。通过将多个受光部2在纵向以及横向上配置成格子状，构成受光部阵列10，该受光部阵列10构成光检测用的一个像素。

另外，如图1所示，各受光部2具备SPAD4、猝灭电阻6、以及脉冲输出部8。

SPAD4如上所述是能够以盖革模式动作的APD，猝灭电阻6与朝向SPAD4的通电路径串联连接。

猝灭电阻6对SPAD4施加反向偏置电压VB，并且在光子入射至SPAD4而SPAD4击穿时，由于流过SPAD4的电流产生电压降，而使SPAD4的盖革放电停止。

此外，猝灭电阻6由具有规定的电阻值的电阻元件、或者能够以栅极电压设定导通电阻的MOSFET等构成。

另外，脉冲输出部8与SPAD4和猝灭电阻6的连接点连接。而且，脉冲输出部8在SPAD4击穿，电流流过猝灭电阻6，而在猝灭电阻6的两端间产生阈值电压以上的电压时，作为上述的脉冲信号，输出成为值1的数字脉冲。

从像这样构成的受光部2，以与周围的光量响应的频度输出脉冲信号。因此，在太阳光等较强的光入射至受光部2时，从受光部2每单位时间输出的脉冲信号的数量，换句话说，脉冲率显著增加。

而且，若脉冲率增加，则后段的处理电路中的负荷增加，并根据情况处理电路成为饱和状态，所以例如，当在安装于车辆的测距装置中利用受光部阵列10的情况下，认为无法正常地实施测距动作。

因此，在本实施方式的光检测器中具备脉冲率控制电路20，该脉冲率控制电路20控制各受光部2的灵敏度，以获取从构成受光部阵列10的受光部2输出的脉冲信号，且该脉冲率成为所希望的脉冲率。

脉冲率控制电路20以图2所示的过程控制受光部2的灵敏度。此外，脉冲率控制电路20由逻辑电路构成。

即，脉冲率控制电路20在S100中，测定从受光部2输出的脉冲信号的脉冲率，并在接下来的S200中，对其测定结果和成为脉冲率的目标值的设定值进行比较。然后，在接下来的S300中，控制受光部2的灵敏度，以使测定出的脉冲率与设定值之差成为零或规定值以下。

此外，也可以不将从受光部2输出的脉冲信号的脉冲率控制为设定值或以设定值为中心的规定范围内，而控制为包含该设定值的设定范围内、或者成为设定值以上或者设定值以下的设定范围内。

换句话说，对于从受光部2输出的脉冲率而言，能够通过使用上述设定值，根据后段的处理电路的能力而控制为该处理电路能够适当地进行处理的脉冲率即可。

另外，受光部2的灵敏度例如能够通过使对SPAD4施加的反向偏置电压VB在从SPAD4的击穿电压到SPAD4的耐压所允许的上限电压之间变化来控制。因此，从脉冲率控制电路20向受光部阵列10输出用于分别调整各受光部2的反向偏置电压VB的控制信号。

根据像这样构成的本实施方式的光检测器，从构成接收部阵列10的各受光部2输出的脉冲信号的脉冲率被控制为上述的设定值或设定范围内。

因此，能够抑制由于从各接收部2输出的脉冲信号的脉冲率的增加，而后段的处理电路的负荷增加，后段的处理电路成为饱和状态。因此，在测距装置中利用受光部阵列10的情况下，即使较强的光入射至受光部阵列10也能够正常地实施测距动作。

另外，根据本实施方式的光检测器，由于能够抑制从各受光部2输出的脉冲信号的脉冲率异常地上升，所以也能够抑制因较强的光入射至受光部2，而受光部2自身成为饱和状态。

另外，根据本实施方式的光检测器，由于无需如专利文献1所记载的那样测定光量进行受光部2的灵敏度调整，所以无需设置光量测定用的参照受光元件，而能够使装置结构变得简单。

另外，在本实施方式中，由于基于从受光部2实际输出的脉冲信号的脉冲率，来进行受光部2的灵敏度调整，所以能够不受受光部2的特性的偏差影响，适当地进行灵敏度调整。

另外，通过该灵敏度调整，能够吸收受光部2的性能劣化、或者伴随着温度变化的特性变化的影响，并将从受光部2输出的脉冲信号的脉冲率控制在设定值或设定范围内。

此外，在上述说明中，对构成受光部阵列10的全部的受光部2进行灵敏度调整，但例如，也可以仅对配置于较强的光容易入射的区域的一部分受光部2进行灵敏度调整。

[第二实施方式]

在第一实施方式中，对作为脉冲率控制电路20对构成受光部阵列10的每个受光部2测定脉冲率，并调整对应的受光部2的灵敏度，以使该脉冲率成为设定值或设定范围内的方式进行了说明。

与此相对，在本实施方式中，如图3所示，通过利用加法电路22和控制电路24构成脉冲率控制电路20，来调整受光部阵列10整体的灵敏度。

换句话说，图3所示的加法电路22通过将从受光部阵列10的所有受光部2在规定的测定时间内输出的脉冲信号的数量相加，求出将从受光部阵列10的各受光部2输出的脉冲信号的脉冲率平均化所得的值。

而且，控制电路24通过向受光部阵列10输出控制信号，以使通过加法电路22获得的脉冲率的平均值成为设定值或设定范围内，来调整受光部阵列10的灵敏度。

若像这样构成脉冲率控制电路20，由于能够测定从受光部阵列10输出的脉冲信号的脉冲率，对该受光部阵列10的灵敏度进行调整，且无需对每个受光部2进行灵敏度调整，所以能够使结构变得简单。

另外，即使像这样构成脉冲率控制电路20，也能够将从构成受光部阵列10的各受光部2输出的脉冲信号的脉冲率的平均控制为所希望的脉冲率。因此，能够抑制向后段的处理电路输入的脉冲信号的脉冲率显著增加，处理电路的负荷增加，处理电路成为饱和状态。

此外，在图3所示的脉冲率控制电路20中，也可以在控制电路24中，利用在加法电路22中相加所得的值的所有位数据，对相加值和设定值进行比较。另外，也可以利用相加值的最高位比特等上位的位数据，对相加值和设定值进行比较。

另外，由于脉冲率控制电路20能够调整受光部阵列10整体的灵敏度即可，所以利用向受光部阵列10输出的控制信号对向构成各受光部2的全部的SPAD4施加的反向偏置电压VB一并进行调整即可。另外，也可以调整与反向偏置电压VB不同的参数，来调整受光部阵列10的灵敏度。

另外，如图3所示，脉冲率控制电路20也可以构成为能够通过外部信号对内部的控制电路24输入设定值。若像这样，能够从外部任意地设定从各受光部2或受光部阵列10输出的脉冲信号的脉冲率。

[第三实施方式]

在测距装置中利用上述受光部阵列10的情况下，来自受光部阵列10的各受光部2的脉冲信号也可以如图4所示，构成为输入至阈值判定电路30。

在这里，阈值判定电路30对从构成受光部阵列10的多个受光部2大致同时输出的脉冲信号的数量进行计数。而且，阈值判定电路30在该计数值为阈值以上时，判断为规定等级以上的光入射至受光部阵列10，并输出表示入射了光的检测信号。

因此，在本实施方式中，如图4所示，将从阈值判定电路30输出的检测信号输入至脉冲率控制电路20，脉冲率控制电路20基于该检测信号的数量，来测定脉冲率。

具体而言，如图5所示，本实施方式的脉冲率控制电路20具备计数器26和控制电路28。

计数器26对从阈值判定电路30输出的检测信号的数量进行计数，控制电路28测定利用计数器26在规定的测定时间内计数的计数值，作为从阈值判定电路30输出的检测信号的脉冲率。

而且，控制电路28调整构成受光部阵列10的各受光部2的灵敏度、或阈值判定电路30的阈值，以使该测定出的脉冲率成为预先或者根据外部信号设定的设定值或与该设定值对应的设定范围内。

此外，作为设定范围内，与上述实施方式相同，可以是以设定值为中心的规定范围内，也可以为成为设定值以上的设定范围内，或者也可以为成为设定值以下的设定范围内。

换句话说，对于从阈值判定电路30输出的检测信号的脉冲率而言，调整构成受光部阵列10的各受光部2的灵敏度能够控制，调整阈值判定电路30进行判定所使用的阈值也能够控制。

因此，在本实施方式中，在控制电路28中，通过调整构成受光部阵列10的各受光部2的灵敏度、以及阈值判定电路30的阈值的至少一方，来控制从阈值判定电路30输出的检测信号的脉冲率。

其结果，根据本实施方式，能够抑制从阈值判定电路30输出至后段的处理电路的检测信号的脉冲率增加，后段的处理电路的负荷增加，而后段的处理电路成为饱和状态。因此，在本实施方式的光检测器中，也能够获得与第一、第二实施方式相同的效果。

另外，在本实施方式的光检测器中，脉冲率控制电路20由于测定从阈值判定电路30经由1个系统的信号线输出的检测信号的脉冲率即可，所以与第一、第二实施方式相比，能够使脉冲率控制电路20的结构变得简单。

[第四实施方式]

接下来，在上述第三实施方式中，通过将从阈值判定电路30输出的检测信号的脉冲率控制在设定值或设定范围内，来抑制后段的处理电路的负荷增加，而后段的处理电路成为饱和状态。

但是，为了抑制后段的处理电路的负荷增加，能够控制向后段的处理电路输入的检测信号的脉冲率即可，无需一定控制从一个阈值判定电路30输出的检测信号的脉冲率。

因此，在本实施方式中，如图6所示，使用可变阈值判定电路32，该可变阈值判定电路32具备将阈值Σ设定为不同的值TH1、TH2、TH3的3个阈值判定电路30A、30B、30C。

而且，经由可变阈值判定电路32所具备的选择电路34，选择从3个阈值判定电路30A、30B、30C中的任意一个输出的检测信号，并输出至后段的处理电路。

另外，在本实施方式中，在脉冲率控制电路20中具备3个计数器26A、26B、26C，该3个计数器26A、26B、26C对从可变阈值判定电路32的3个阈值判定电路30A、30B、30C输出的检测信号分别进行计数。

而且，设置于脉冲率控制电路20的控制电路29作为从各阈值判定电路30A、30B、30C输出的检测信号的脉冲率测定由各计数器26A、26B、26C在规定的测定时间内计数的计数值。

另外，控制电路29使用该测定出的脉冲率，从3个阈值判定电路30A、30B、30C中，确定以最接近设定值的脉冲率输出检测信号的阈值判定电路。而且，切换选择电路34，以使来自该确定出的阈值判定电路的检测信号被输出至后段的处理电路。

另外，控制电路29向受光部阵列10输出控制信号，使得从使选择电路34选择的阈值判定电路输出的检测信号的脉冲率成为设定值或设定范围内。

因此，即使在图4所示的第三实施方式的光检测器设置本实施方式的可变阈值判定电路32以及脉冲率控制电路20，也能够获得与第三实施方式相同的效果。

另外，在从由选择电路34选择的阈值判定电路输出的检测信号的脉冲率与设定值较大地偏离的情况下，通过切换由选择电路34选择的阈值判定电路，能够使向后段的处理电路输出的检测信号的脉冲率接近设定值。

另外，由于控制电路29能够把握从构成可变阈值判定电路32的多个阈值判定电路30A、30B、30C输出的检测信号的脉冲率，所以能够预先确认对由选择电路34选择的阈值判定电路进行切换之后的脉冲率。

因此，能够在短时间内将向后段的处理电路输出的检测信号的脉冲率控制在设定值或设定范围内，并能够提高控制精度。

此外，在可变阈值判定电路32中设置的阈值判定电路30的数量可以为多个，也可以为2个，也可以为4个以上。

以上，对用于实施本公开的方式进行了说明，但本公开并不限定于上述的实施方式，能够进行各种变形并实施。

[第一变形例]

在第二实施方式～第四实施方式的光检测器中，作为在进行由受光部阵列10构成的像素的灵敏度调整时，通过使对SPAD4施加的反向偏置电压或受光部2的其它参数变化进行的方式进行了说明。

与此相对，如图7所示，也可以在从受光部阵列10的各受光部2向阈值判定电路30输出脉冲信号的信号路径，对每个受光部2设置使信号路径导通或者切断的分立输出开关40。

若这样，脉冲率控制电路20通过经由该分立输出开关40，增减从受光部阵列10输出的脉冲信号的数量、或者向阈值判定电路30输入的脉冲信号的数量，能够控制脉冲率。

此外，脉冲率控制电路20也可以预先设定经由分立输出开关40切断的信号路径，也可以切断任意的路径。

[第二变形例]

在上述各实施方式中，由脉冲率控制电路20控制的受光部阵列10或各受光部2的灵敏度、或者阈值判定电路30的阈值根据周围的光量等使用环境而发生变化，但也根据受光部阵列10、周边电路的特性劣化而发生变化。

因此，如图8所示，也可以设置监视从脉冲率控制电路20输出的控制信号、阈值等控制值，并定期地存储至存储器52的性能监视电路50。

若这样，使用者能够从存储器52中存储的控制值的时间序列变化，把握光检测器的性能的劣化状态，并能够将性能监视电路50有效地利用于光检测器、利用该光检测器的测距装置等的维护管理。

[第三变形例]

在上述各实施方式中，脉冲率控制电路20调整受光部阵列10或构成受光部阵列10的各受光部2的灵敏度、或阈值判定电路30，以使测定出的脉冲率成为设定值或设定范围。

而且，在通过该脉冲率控制无法控制脉冲率时，能够判断为光检测器自身产生异常。

因此，脉冲率控制电路20在起动时等以诊断模式动作时，也可以以图9所示的过程动作。

换句话说，在诊断模式下，与图2所示的脉冲率控制相同，在通过S100～S300的处理，进行灵敏度调整以使脉冲率成为设定值或设定范围内之后，移至S400。在S400中，通过判断脉冲率是否发生了变化、或检测是否至少输出脉冲，来判定是否能够控制脉冲率。

然后，在S400中，若判断为无法控制脉冲率，则由于光检测器不会正常动作，所以移至S500，将光检测器产生异常的意思报告给使用者、外部装置。

若像这样，根据脉冲率的控制结果进行光检测器的故障判定，在发生故障时，能够禁止测距装置等外部装置实施利用光检测器的控制。另外，能够对使用者通知光检测器发生了故障，并迅速地实施修理等对策。

[第四变形例]

如上所述，在将脉冲率控制电路20构成为能够从外部对控制电路24、28、29输入设定值的情况下，如图10例示的那样，也可以从包含对来自阈值判定电路30的检测信号进行处理的处理电路的后段处理部60，输入设定值。

换句话说，作为后段处理部60，例如，能够举出利用测距装置测量从射出测距用的光到由光检测部接收反射光的时间的时间测定部等，但在后段处理部60中，存在由于外在因素，而所请求的脉冲率发生变化的情况。

例如，后段处理部60有在环境温度上升时，为了抑制自身的发热，而需要减少处理负荷，或由于与来自光检测器的信号处理不同的因素，而需要减少处理负荷的情况。

在这样的情况下，若能够由后段处理部60对脉冲率控制电路20指定设定值，则使从光检测器输出至后段处理部60的检测信号的脉冲率暂时降低，而能够减少用于该信号处理的处理负荷。

因此，在第四变形例中，能够根据来自后段处理部60的指令，变更脉冲率控制电路20所控制的脉冲率的设定值，从而能够以后段处理部60请求的脉冲率输出检测信号。而且，若这样，能够提高光检测器的使用的便利性，并能够放大其用途。

也可以通过多个构成要素实现上述实施方式中的一个构成要素所具有的多个功能、或通过多个构成要素来实现一个构成要素所具有的一个功能。另外，也可以通过一个构成要素来实现多个构成要素所具有的多个功能、或通过一个构成要素来实现由多个构成要素实现的一个功能。另外，也可以省略上述实施方式的结构的一部分。另外，也可以对其它上述实施方式的结构附加或者置换上述实施方式的结构的至少一部分。此外，仅通过权利要求书所记载的文字确定的技术思想所包含的所有方式都是本公开的实施方式。