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JP7578426B2 - Sensor Device - Google Patents
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JP7578426B2 - Sensor Device - Google Patents

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JP7578426B2 JP2020117253A JP2020117253A JP7578426B2 JP 7578426 B2 JP7578426 B2 JP 7578426B2 JP 2020117253 A JP2020117253 A JP 2020117253A JP 2020117253 A JP2020117253 A JP 2020117253A JP 7578426 B2 JP7578426 B2 JP 7578426B2
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Description

本発明は、制御装置及びセンサ装置に関する。 The present invention relates to a control device and a sensor device.

近年、LiDAR(Light Detection And Ranging)等のセンサ装置が開発されている。センサ装置は、赤外線等の電磁波を受信するアバランシェダイオードを備えている。 In recent years, sensor devices such as LiDAR (Light Detection and Ranging) have been developed. The sensor devices are equipped with avalanche diodes that receive electromagnetic waves such as infrared rays.

特許文献1には、アバランシェダイオードの最適増倍率を得るための所定の電圧を設定することについて記載されている。ここでは、温度補償回路がアバランシェダイオードの降伏電圧の温度傾斜に当たる電圧を出力している。これによって、出力電圧の設定と温度補償とが行われている。 Patent document 1 describes setting a specific voltage to obtain the optimal multiplication factor of the avalanche diode. Here, a temperature compensation circuit outputs a voltage that corresponds to the temperature gradient of the breakdown voltage of the avalanche diode. This allows the output voltage to be set and temperature compensated.

特開2006-303524号公報JP 2006-303524 A

アバランシェダイオードを所望の増倍率で動作させるためには、アバランシェダイオードが当該所望の増倍率となる降伏電圧等の基準動作電圧を推定する必要がある。一方、特許文献1に記載されているように、アバランシェダイオードの降伏電圧の温度傾斜を用いて、温度補償を行う場合がある。しかしながら、この場合、アバランシェダイオードの基準動作電圧自体が推定されていない。このため、推定された基準動作電圧自体を用いて、アバランシェダイオードを所望の増倍率で動作させることができない。 In order to operate an avalanche diode at a desired multiplication factor, it is necessary to estimate a reference operating voltage, such as a breakdown voltage, at which the avalanche diode has the desired multiplication factor. On the other hand, as described in Patent Document 1, temperature compensation may be performed using the temperature gradient of the breakdown voltage of the avalanche diode. However, in this case, the reference operating voltage of the avalanche diode itself is not estimated. For this reason, the avalanche diode cannot be operated at the desired multiplication factor using the estimated reference operating voltage itself.

本発明が解決しようとする課題としては、アバランシェダイオードを所望の増倍率で動作させることが一例として挙げられる。 One example of the problem that the present invention aims to solve is how to operate an avalanche diode at a desired multiplication factor.

請求項1に記載の発明は、
出射部から出射され、可動反射部によって所定の走査範囲に向けて反射され、前記走査範囲内に存在する物体によって反射された電磁波を受信するアバランシェダイオードを制御する制御装置であって、
前記アバランシェダイオードが所定の増倍率となる前記アバランシェダイオードの基準動作電圧を推定する推定部と、
前記推定部によって推定された前記基準動作電圧を用いて前記アバランシェダイオードの増倍率を設定する設定部と、
を備え、
前記推定部は、前記アバランシェダイオードの動作電圧を掃引することで、前記アバランシェダイオードの前記動作電圧に対する前記アバランシェダイオードの出力電圧の正規化された差分近似を取得して、前記差分近似から前記アバランシェダイオードの前記基準動作電圧を推定する、制御装置である。
The invention described in claim 1 is
A control device for controlling an avalanche diode that receives electromagnetic waves emitted from an emission unit, reflected by a movable reflection unit toward a predetermined scanning range, and reflected by an object present within the scanning range, comprising:
an estimation unit that estimates a reference operating voltage of the avalanche diode at which the avalanche diode has a predetermined multiplication factor;
a setting unit that sets a multiplication factor of the avalanche diode using the reference operating voltage estimated by the estimation unit;
Equipped with
The estimation unit is a control device that sweeps the operating voltage of the avalanche diode to obtain a normalized differential approximation of the output voltage of the avalanche diode with respect to the operating voltage of the avalanche diode, and estimates the reference operating voltage of the avalanche diode from the differential approximation.

請求項4に記載の発明は、
電磁波を出射する出射部と、
前記出射部から出射された前記電磁波を所定の走査範囲に向けて反射する可動反射部と、
前記走査範囲内に存在する物体によって反射された電磁波を受信するアバランシェダイオードと、
請求項1~3のいずれか一項に記載の制御装置と、
を備えるセンサ装置である。
The invention described in claim 4 is
An emission unit that emits electromagnetic waves;
a movable reflecting section that reflects the electromagnetic wave emitted from the emitting section toward a predetermined scanning range;
an avalanche diode that receives electromagnetic waves reflected by an object present within the scanning range;
A control device according to any one of claims 1 to 3;
The sensor device includes:

請求項5に記載の発明は、
アバランシェダイオードを制御する制御装置であって、
前記アバランシェダイオードが所定の増倍率となる前記アバランシェダイオードの基準動作電圧を推定する推定部と、
前記推定部によって推定された前記基準動作電圧を用いて前記アバランシェダイオードの増倍率を設定する設定部と、
を備え、
前記推定部は、前記アバランシェダイオードの動作電圧を掃引することで、前記アバランシェダイオードの前記動作電圧に対する前記アバランシェダイオードの出力電圧の正規化された差分近似を取得して、前記差分近似から前記アバランシェダイオードの前記基準動作電圧を推定する、制御装置である。
The invention described in claim 5 is
A control device for controlling an avalanche diode,
an estimation unit that estimates a reference operating voltage of the avalanche diode at which the avalanche diode has a predetermined multiplication factor;
a setting unit that sets a multiplication factor of the avalanche diode using the reference operating voltage estimated by the estimation unit;
Equipped with
The estimation unit is a control device that sweeps the operating voltage of the avalanche diode to obtain a normalized differential approximation of the output voltage of the avalanche diode with respect to the operating voltage of the avalanche diode, and estimates the reference operating voltage of the avalanche diode from the differential approximation.

実施形態に係るセンサ装置を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a sensor device according to an embodiment. 推定部及び設定部の機能ブロック図である。FIG. 4 is a functional block diagram of an estimation unit and a setting unit. アバランシェダイオード及び設定部の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of an avalanche diode and a setting unit. 変数xと、式(1)を簡易に示した式(2)によって示される関数f(x)と、の関係の光電流i依存性の一例を示すグラフである。1 is a graph showing an example of the photocurrent i dependency of the relationship between a variable x and a function f(x) expressed by equation (2), which is a simplified version of equation (1); 変数xと、式(3)によって示される関数g(x)と、の関係の一例を示すグラフである。1 is a graph showing an example of the relationship between a variable x and a function g(x) shown by equation (3). 降伏電圧VBRに対する動作電圧VAPDの比と、増倍率Mと、の関係の一例を示すグラフである。1 is a graph showing an example of the relationship between the ratio of an operating voltage V APD to a breakdown voltage V BR and a multiplication factor M. アバランシェダイオードのアバランシェに起因したイベントの第1例を説明するためのグラフである。1 is a graph for explaining a first example of an event caused by an avalanche of an avalanche diode. アバランシェダイオードのアバランシェに起因したイベントの第2例を説明するためのグラフである。11 is a graph for explaining a second example of an event caused by an avalanche of an avalanche diode.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. Note that in all drawings, similar components are given similar reference numerals and descriptions are omitted where appropriate.

図1は、実施形態に係るセンサ装置10を示す図である。 Figure 1 is a diagram showing a sensor device 10 according to an embodiment.

図1において、第1方向X及び第2方向Yは、互いに交差しており、具体的には直交している。図1において、第1方向Xは水平方向である。第1方向Xを示す矢印の方向である第1方向Xの正方向は、後述する可動反射部120から可動反射部120の走査範囲に向かって見て左方向である。第1方向Xを示す矢印の方向の反対方向である第1方向Xの負方向は、可動反射部120が位置する側から可動反射部120の走査範囲に向かって見て右方向である。第2方向Yは垂直方向である。第2方向Yを示す矢印の方向である第2方向Yの正方向は、上方向である。第2方向Yを示す矢印の方向の反対方向である第2方向Yの負方向は、下方向である。 In FIG. 1, the first direction X and the second direction Y cross each other, specifically, are perpendicular to each other. In FIG. 1, the first direction X is the horizontal direction. The positive direction of the first direction X, which is the direction of the arrow indicating the first direction X, is the left direction when viewed from the movable reflector 120 toward the scanning range of the movable reflector 120, which will be described later. The negative direction of the first direction X, which is the opposite direction to the direction of the arrow indicating the first direction X, is the right direction when viewed from the side where the movable reflector 120 is located toward the scanning range of the movable reflector 120. The second direction Y is the vertical direction. The positive direction of the second direction Y, which is the direction of the arrow indicating the second direction Y, is the upward direction. The negative direction of the second direction Y, which is the opposite direction to the direction of the arrow indicating the second direction Y, is the downward direction.

本明細書の説明から明らかなように、第1方向Xは水平方向と異なる方向であってもよく、第2方向Yは垂直方向と異なる方向であってもよい。 As will be apparent from the description in this specification, the first direction X may be a direction different from the horizontal direction, and the second direction Y may be a direction different from the vertical direction.

センサ装置10は、出射部110、可動反射部120、アバランシェダイオード130、ビームスプリッタ140及び制御装置20を備えている。制御装置20は、推定部210及び設定部220を有している。図1において、出射部110、可動反射部120、アバランシェダイオード130、ビームスプリッタ140及び走査線Lにかけて延びる点線は、出射部110、可動反射部120、アバランシェダイオード130、ビームスプリッタ140及び走査線Lに亘って伝搬する電磁波を示している。図1では、可動反射部120から走査線Lに向けて反射された電磁波は、走査線Lが形成される領域のおおよそ中央部に向けて照射されている。 The sensor device 10 includes an emitter 110, a movable reflector 120, an avalanche diode 130, a beam splitter 140, and a control device 20. The control device 20 includes an estimation unit 210 and a setting unit 220. In FIG. 1, the dotted lines extending from the emitter 110, the movable reflector 120, the avalanche diode 130, the beam splitter 140, and the scanning line L indicate electromagnetic waves propagating from the emitter 110, the movable reflector 120, the avalanche diode 130, the beam splitter 140, and the scanning line L. In FIG. 1, the electromagnetic waves reflected from the movable reflector 120 toward the scanning line L are irradiated toward approximately the center of the area in which the scanning line L is formed.

出射部110は、一定のタイミングの間隔でパルス状の赤外線等の電磁波を出射する。出射部110は、例えばレーザダイオード(LD)等、電流等の電気を光等の電磁波に変換可能な素子である。出射部110から出射された電磁波は、ビームスプリッタ140を透過して可動反射部120に入射する。 The emission unit 110 emits pulsed electromagnetic waves such as infrared rays at regular intervals. The emission unit 110 is an element, such as a laser diode (LD), that can convert electricity such as a current into electromagnetic waves such as light. The electromagnetic waves emitted from the emission unit 110 pass through the beam splitter 140 and enter the movable reflection unit 120.

可動反射部120は、出射部110から出射された電磁波を所定の走査範囲内に向けて反射する。可動反射部120の走査範囲は、可動反射部120によって反射された電磁波によって照射可能な範囲である。可動反射部120は、例えば、2軸MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーである。可動反射部120は、第1方向Xに沿って例えば正弦波状に駆動されており、第2方向Yに沿って例えば鋸歯状波状に第1方向Xに沿った正弦波より低い周波数で駆動されている。すなわち、第1方向Xは、可動反射部120の共振駆動の方向であり、第2方向Yは、可動反射部120の線型駆動の方向となっている。これにより、可動反射部120の走査線Lは、第1方向Xに蛇行しながら、第2方向Yに伸びている。 The movable reflector 120 reflects the electromagnetic waves emitted from the emission unit 110 toward a predetermined scanning range. The scanning range of the movable reflector 120 is a range that can be irradiated by the electromagnetic waves reflected by the movable reflector 120. The movable reflector 120 is, for example, a two-axis MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror. The movable reflector 120 is driven, for example, sinusoidally along the first direction X, and is driven, for example, sawtooth-shaped along the second direction Y at a frequency lower than the sinusoidal wave along the first direction X. That is, the first direction X is the direction of resonant drive of the movable reflector 120, and the second direction Y is the direction of linear drive of the movable reflector 120. As a result, the scanning line L of the movable reflector 120 extends in the second direction Y while meandering in the first direction X.

出射部110から出射されて可動反射部120によって反射された電磁波の少なくとも一部分は、センサ装置10の外部に存在する物体等の対象物によって反射又は散乱される。この電磁波は、可動反射部120に戻り、可動反射部120による反射と、ビームスプリッタ140による反射と、を順に経て、アバランシェダイオード130によって受信される。アバランシェダイオード130は、APD(アバランシェフォトダイオード)等、光等の電磁波を電流等の電気に変換可能な素子である。 At least a portion of the electromagnetic waves emitted from the emission unit 110 and reflected by the movable reflection unit 120 is reflected or scattered by an object such as an object present outside the sensor device 10. This electromagnetic wave returns to the movable reflection unit 120, is reflected by the movable reflection unit 120, and is reflected by the beam splitter 140, and is received by the avalanche diode 130. The avalanche diode 130 is an element, such as an APD (avalanche photodiode), that can convert electromagnetic waves such as light into electricity such as current.

制御装置20は、アバランシェダイオード130を制御している。具体的には、制御装置20は、アバランシェダイオード130のAGC(自動利得制御)を行っている。 The control device 20 controls the avalanche diode 130. Specifically, the control device 20 performs AGC (automatic gain control) of the avalanche diode 130.

推定部210及び設定部220は、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。推定部210及び設定部220は、任意のコンピュータのCPU、メモリ、メモリにロードされたプログラム、そのプログラムを格納するハードディスクなどの記憶メディア、ネットワーク接続用インタフェースを中心にハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法、装置には様々な変形例がある。 The estimation unit 210 and the setting unit 220 are not hardware-based configurations, but rather functional blocks. The estimation unit 210 and the setting unit 220 are realized by any combination of hardware and software, centered on the CPU of any computer, memory, a program loaded into the memory, a storage medium such as a hard disk that stores the program, and a network connection interface. There are various variations in the method and device for realizing this.

推定部210は、アバランシェダイオード130が所定の増倍率となるアバランシェダイオード130の基準動作電圧を推定する。基準動作電圧は、例えば、アバランシェダイオード130の降伏電圧である。なお、基準動作電圧は、アバランシェダイオード130の降伏電圧より低くてもよい。設定部220は、推定部210によって推定された基準動作電圧を用いてアバランシェダイオード130の増倍率を設定する。推定部210は、アバランシェダイオード130の動作電圧を掃引することで、アバランシェダイオード130の動作電圧に対するアバランシェダイオード130の出力電圧の正規化された差分近似を取得して、当該差分近似からアバランシェダイオード130の基準動作電圧を推定する。 The estimation unit 210 estimates the reference operating voltage of the avalanche diode 130 at which the avalanche diode 130 has a predetermined multiplication factor. The reference operating voltage is, for example, the breakdown voltage of the avalanche diode 130. The reference operating voltage may be lower than the breakdown voltage of the avalanche diode 130. The setting unit 220 sets the multiplication factor of the avalanche diode 130 using the reference operating voltage estimated by the estimation unit 210. The estimation unit 210 sweeps the operating voltage of the avalanche diode 130 to obtain a normalized differential approximation of the output voltage of the avalanche diode 130 relative to the operating voltage of the avalanche diode 130, and estimates the reference operating voltage of the avalanche diode 130 from the differential approximation.

差分近似を用いることで、差分近似を用いない場合と比較して、推定部210は、降伏電圧等の基準動作電圧を高速に推定することができる。また、差分近似を用いることで、差分近似を用いない場合と比較して、アバランシェダイオード130の電圧を高電圧まで上昇させる必要がない。アバランシェダイオード130の動作電圧を掃引する場合において、増倍率が高いほどアバランシェダイオード130には高電流が流れ、アバランシェダイオード130の温度が上昇する。アバランシェダイオード130の温度は、アバランシェダイオード130に電流が流れる時間が長くなるほど上昇する。そしてアバランシェダイオード130の温度が上昇するほど、アバランシェダイオード130の基準動作電圧が高くなる。本実施形態では、基準動作電圧を高速に推定することで、アバランシェダイオード130の基準動作電圧を正確に推定することができる。 By using the differential approximation, the estimation unit 210 can estimate the reference operating voltage such as the breakdown voltage at a higher speed than when the differential approximation is not used. In addition, by using the differential approximation, it is not necessary to increase the voltage of the avalanche diode 130 to a high voltage compared to when the differential approximation is not used. When sweeping the operating voltage of the avalanche diode 130, the higher the multiplication factor, the higher the current flows through the avalanche diode 130, and the higher the temperature of the avalanche diode 130. The longer the time that the current flows through the avalanche diode 130, the higher the temperature of the avalanche diode 130. And the higher the temperature of the avalanche diode 130, the higher the reference operating voltage of the avalanche diode 130. In this embodiment, the reference operating voltage of the avalanche diode 130 can be accurately estimated by estimating the reference operating voltage at a higher speed.

推定部210は、可動反射部120の走査線Lが、可動反射部120によって生成される視野Fの第2方向Yにおける両外側の少なくとも一方を通過するタイミングで、アバランシェダイオード130の基準動作電圧を推定するようにすることができる。基準動作電圧の推定には一定の時間を要する。したがって、可動反射部120の走査範囲のうち比較的長期間である上記タイミングを用いることで、可動反射部120の走査範囲のうち他のタイミングを用いるよりも、基準動作電圧の推定が容易となる。しかしながら、推定部210は、上記タイミングと異なるタイミングで、アバランシェダイオード130の基準動作電圧を推定してもよい。 The estimation unit 210 can estimate the reference operating voltage of the avalanche diode 130 at the timing when the scanning line L of the movable reflector 120 passes through at least one of the two outer sides in the second direction Y of the field of view F generated by the movable reflector 120. Estimating the reference operating voltage takes a certain amount of time. Therefore, by using the above timing, which is a relatively long period of time within the scanning range of the movable reflector 120, it becomes easier to estimate the reference operating voltage than by using other timings within the scanning range of the movable reflector 120. However, the estimation unit 210 may estimate the reference operating voltage of the avalanche diode 130 at a timing different from the above timing.

なお、視野Fは、例えば、可動反射部120によって生成されるFOV(Field Of View)である。 Note that the field of view F is, for example, the FOV (Field Of View) generated by the movable reflector 120.

センサ装置10は、制御装置20がアバランシェダイオード130のAGCを行った後、AGCが行われたアバランシェダイオード130を用いての出射部110の出力電磁波強度の調整と、AGCが行われたアバランシェダイオード130を用いての可動反射部120の振れ角の調整と、の少なくとも一方を行ってもよい。例えば、センサ装置10は、可動反射部120による走査の1フレーム内において、アバランシェダイオード130のAGCと、出射部110の出力電磁波強度の調整と、可動反射部120の振れ角の調整と、を行ってもよい。この例においては、例えば、アバランシェダイオード130のAGCは、可動反射部120によって生成される視野Fの第2方向Yにおける両外側の一方で行ってもよい。また、出射部110の出力電磁波強度の調整は、可動反射部120によって生成される視野Fの第1方向Xにおける両外側の一方で行なってもよい。さらに、可動反射部120の振れ角の調整は、可動反射部120によって生成される視野Fの第1方向Xにおける両外側の他方で行なってもよい。さらに、出射部110の出力電磁波強度の調整後、可動反射部120の振れ角の調整が行われるようにすることができる。この場合、可動反射部120の振れ角の調整後に出射部110の出力電磁波強度の調整が行われる場合と比較して、出射部110の出力電磁波強度が安定した状態で、可動反射部120の振れ角の調整を行うことができる。可動反射部120の振れ角の調整後に出射部110の出力電磁波強度の調整が行われてもよい。 After the control device 20 performs AGC on the avalanche diode 130, the sensor device 10 may perform at least one of the following: adjustment of the output electromagnetic wave intensity of the emission unit 110 using the AGC-processed avalanche diode 130; and adjustment of the deflection angle of the movable reflector 120 using the AGC-processed avalanche diode 130. For example, the sensor device 10 may perform AGC on the avalanche diode 130, adjustment of the output electromagnetic wave intensity of the emission unit 110, and adjustment of the deflection angle of the movable reflector 120 within one frame of scanning by the movable reflector 120. In this example, for example, the AGC of the avalanche diode 130 may be performed on one of the two outer sides in the second direction Y of the field of view F generated by the movable reflector 120. Also, adjustment of the output electromagnetic wave intensity of the emission unit 110 may be performed on one of the two outer sides in the first direction X of the field of view F generated by the movable reflector 120. Furthermore, the adjustment of the deflection angle of the movable reflector 120 may be performed on the other of the two outer sides in the first direction X of the field of view F generated by the movable reflector 120. Furthermore, the adjustment of the deflection angle of the movable reflector 120 may be performed after the adjustment of the output electromagnetic wave intensity of the emission unit 110. In this case, the adjustment of the deflection angle of the movable reflector 120 can be performed in a state in which the output electromagnetic wave intensity of the emission unit 110 is stable, compared to the case in which the adjustment of the output electromagnetic wave intensity of the emission unit 110 is performed after the adjustment of the deflection angle of the movable reflector 120. The adjustment of the output electromagnetic wave intensity of the emission unit 110 may be performed after the adjustment of the deflection angle of the movable reflector 120.

推定部210は、基準反射体300によって反射又は散乱された電磁波を用いてアバランシェダイオード130の基準動作電圧を推定してもよい。この電磁波は、基準反射体300による反射又は散乱によって可動反射部120に向けて戻り、可動反射部120による反射と、ビームスプリッタ140による反射と、を順に経て、アバランシェダイオード130によって受信される。仮に、背景光を用いて基準動作電圧を推定する場合、背景光のみでは基準動作電圧を推定するために十分な量の光が得られないおそれがある。これに対して、基準反射体300によって反射又は散乱された電磁波を用いる場合、背景光を用いる場合と比較して、基準動作電圧を推定するために十分な量の光が得ることができる。なお、推定部210は、背景光を用いて基準動作電圧を推定してもよい。 The estimation unit 210 may estimate the reference operating voltage of the avalanche diode 130 using electromagnetic waves reflected or scattered by the reference reflector 300. This electromagnetic wave returns toward the movable reflector 120 by reflection or scattering by the reference reflector 300, and is received by the avalanche diode 130 after being reflected by the movable reflector 120 and the beam splitter 140 in that order. If the reference operating voltage is estimated using background light, there is a risk that a sufficient amount of light for estimating the reference operating voltage cannot be obtained using only the background light. In contrast, if the electromagnetic wave reflected or scattered by the reference reflector 300 is used, a sufficient amount of light for estimating the reference operating voltage can be obtained compared to the case where background light is used. The estimation unit 210 may estimate the reference operating voltage using background light.

可動反射部120から基準反射体300までの距離は、可動反射部120から上記対象物までの距離より短くなっている。したがって、出射部110からの電磁波の出射から、基準反射体300による電磁波の反射を経て、アバランシェダイオード130による電磁波の受信までの時間は、出射部110からの電磁波の出射から、上記対象物による電磁波の反射を経て、アバランシェダイオード130による電磁波の受信までの時間より短くなる。このため、アバランシェダイオード130において発生する信号の時間差に基づいて、センサ装置10は、アバランシェダイオード130において発生した信号が、基準反射体300に起因する信号であるか、又は上記対象物に起因する信号であるかを区別することができる。 The distance from the movable reflector 120 to the reference reflector 300 is shorter than the distance from the movable reflector 120 to the object. Therefore, the time from the emission of the electromagnetic wave from the emission unit 110, through the reflection of the electromagnetic wave by the reference reflector 300, to the reception of the electromagnetic wave by the avalanche diode 130 is shorter than the time from the emission of the electromagnetic wave from the emission unit 110, through the reflection of the electromagnetic wave by the object, to the reception of the electromagnetic wave by the avalanche diode 130. Therefore, based on the time difference of the signal generated in the avalanche diode 130, the sensor device 10 can distinguish whether the signal generated in the avalanche diode 130 is a signal caused by the reference reflector 300 or a signal caused by the object.

基準反射体300は、センサ装置10に設けられていてもよい。すなわち、センサ装置10は、基準反射体300を備えていてもよい。或いは、基準反射体300は、センサ装置10の外部に設けられていてもよい。基準反射体300がセンサ装置10に設けられている場合、基準反射体300は、例えば、出射部110、可動反射部120、アバランシェダイオード130、ビームスプリッタ140等センサ装置10を構成する部材を収容する筐体の窓部、すなわち、筐体の内部と外部との間で電磁波が透過する部分に設けることができる。しかしながら、基準反射体300が設けられる場所は、窓部に限定されない。 The reference reflector 300 may be provided in the sensor device 10. That is, the sensor device 10 may include the reference reflector 300. Alternatively, the reference reflector 300 may be provided outside the sensor device 10. When the reference reflector 300 is provided in the sensor device 10, the reference reflector 300 may be provided in, for example, a window portion of a housing that houses the components that constitute the sensor device 10, such as the emission portion 110, the movable reflector 120, the avalanche diode 130, and the beam splitter 140, i.e., a portion through which electromagnetic waves pass between the inside and outside of the housing. However, the location where the reference reflector 300 is provided is not limited to the window portion.

図2は、推定部210及び設定部220の機能ブロック図である。 Figure 2 is a functional block diagram of the estimation unit 210 and the setting unit 220.

図2に示すように、設定部220には、背景光Pが入力され、電圧Vが与えられている。背景光P及び電圧Vに応じて設定部220から出力電圧Voutが出力されている。推定部210は、設定部220から出力された出力電圧Voutを用いて、アバランシェダイオード130の降伏電圧VBRを推定している。設定部220は、推定部210によって推定された降伏電圧VBRを用いて、アバランシェダイオード130の増倍率を設定している。 2 , background light P is input to the setting unit 220, and a voltage Vh is applied. An output voltage Vout is output from the setting unit 220 in accordance with the background light P and the voltage Vh . The estimation unit 210 estimates the breakdown voltage VBR of the avalanche diode 130 using the output voltage Vout output from the setting unit 220. The setting unit 220 sets the multiplication factor of the avalanche diode 130 using the breakdown voltage VBR estimated by the estimation unit 210.

図3は、アバランシェダイオード130及び設定部220の回路図である。 Figure 3 is a circuit diagram of the avalanche diode 130 and the setting unit 220.

図3に示すように、設定部220は、TIA(transimpedance amplifier)回路となっている。アバランシェダイオード130のカソードには、抵抗値Rlimの抵抗を介して電圧Vが印加されている。アバランシェダイオード130のアノードは、非反転入力端子が接地されたオペアンプUの反転入力端子に接続されている。アバランシェダイオード130には、電流Ioutが流れている。アバランシェダイオード130の動作電圧VAPDは、V-Rlimoutとなる。オペアンプUの反転入力端子と出力端子との間には、抵抗値Rの抵抗が接続されている。オペアンプUの出力端子からは、抵抗値Rの抵抗を介して出力電圧Voutが出力されている。 As shown in FIG. 3, the setting unit 220 is a TIA (transimpedance amplifier) circuit. A voltage V h is applied to the cathode of the avalanche diode 130 via a resistor with a resistance value R lim . The anode of the avalanche diode 130 is connected to the inverting input terminal of an operational amplifier U whose non-inverting input terminal is grounded. A current I out flows through the avalanche diode 130. The operating voltage V APD of the avalanche diode 130 is V h -R lim I out . A resistor with a resistance value R f is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier U. An output voltage V out is output from the output terminal of the operational amplifier U via a resistor with a resistance value R 1 .

アバランシェダイオード130の出力電圧Voutは、以下の式(1)に示されるようになる。

Figure 0007578426000001
ただし、iは光電流を示す。 The output voltage V out of the avalanche diode 130 is expressed by the following equation (1).
Figure 0007578426000001
Here, i represents a photocurrent.

図4は、変数xと、式(1)を簡易に示した式(2)によって示される関数f(x)と、の関係の光電流i依存性の一例を示すグラフである。図4では、光電流iにつき1.E+00、1.E+01、1.E+02、1.E+03及び1.E+04の関数f(x)が示されている。

Figure 0007578426000002
ただし、x=VAPD/VBRである。 4 is a graph showing an example of the photocurrent i dependency of the relationship between the variable x and a function f(x) shown by equation (2), which is a simplified version of equation (1). In FIG. 4, functions f(x) of 1.E+00, 1.E+01, 1.E+02, 1.E+03, and 1.E+04 are shown for the photocurrent i.
Figure 0007578426000002
Here, x=V APD /V BR .

図5は、変数xと、式(3)によって示される関数g(x)と、の関係の一例を示すグラフである。 Figure 5 is a graph showing an example of the relationship between the variable x and the function g(x) shown in equation (3).

光電流iによって変化する関数f(x)を規格化して、前進差分近似することで、以下の式(3)が得られる。

Figure 0007578426000003
By normalizing the function f(x) that changes with the photocurrent i and performing forward differential approximation, the following equation (3) is obtained.
Figure 0007578426000003

図5に示す例では、g(x)=1.E+00であり、かつg(x)の一次導関数が正となるxに対応する動作電圧VAPDを降伏電圧VBRとして推定することができる。なお、図5に示す例では、前進差分近似を用いているが、前進差分近似と異なる差分近似、例えば、後進差分近似又は中心差分近似を用いてもよい。 In the example shown in Fig. 5, g(x) = 1.E + 00, and the operating voltage V APD corresponding to x where the first derivative of g(x) is positive can be estimated as the breakdown voltage V BR . Note that, although the forward differential approximation is used in the example shown in Fig. 5, a differential approximation different from the forward differential approximation, for example, a backward differential approximation or a central differential approximation, may be used.

図6は、降伏電圧VBRに対する動作電圧VAPDの比と、増倍率Mと、の関係の一例を示すグラフである。この関係は、アバランシェダイオード130の温度によらず一定となっている。 6 is a graph showing an example of the relationship between the ratio of the operating voltage V APD to the breakdown voltage V BR and the multiplication factor M. This relationship is constant regardless of the temperature of the avalanche diode 130.

図7は、アバランシェダイオード130のアバランシェに起因したイベントの第1例を説明するためのグラフである。図7において、グラフの横軸は時間を示している。また、グラフの縦軸はアバランシェダイオード130に発生する信号の強度を示している。 Figure 7 is a graph for explaining a first example of an event caused by an avalanche of the avalanche diode 130. In Figure 7, the horizontal axis of the graph represents time. The vertical axis of the graph represents the strength of the signal generated in the avalanche diode 130.

アバランシェに起因したイベントは、アバランシェダイオード130の増倍率が高い、すなわちアバランシェダイオード130の動作電圧が高いとき、出現する。図7に示す例では、DC(直流)成分がほとんど存在しない状況において、4つのアバランシェに起因したイベントが発生している。 Avalanche-induced events occur when the multiplication factor of the avalanche diode 130 is high, i.e., when the operating voltage of the avalanche diode 130 is high. In the example shown in Figure 7, four avalanche-induced events occur in a situation where there is almost no DC (direct current) component.

推定部210は、アバランシェに起因したイベントを監視して降伏電圧等の基準動作電圧を推定してもよい。具体的には、推定部210は、アバランシェに起因したイベントのカウンティングによって基準動作電圧を推定することができる。 The estimation unit 210 may monitor events caused by avalanches and estimate a reference operating voltage such as a breakdown voltage. Specifically, the estimation unit 210 can estimate the reference operating voltage by counting events caused by avalanches.

図8は、アバランシェダイオード130のアバランシェに起因したイベントの第2例を説明するためのグラフである。図8に示す例は、以下の点を除いて、図7に示す例と同様である。 Figure 8 is a graph illustrating a second example of an event caused by an avalanche of the avalanche diode 130. The example shown in Figure 8 is similar to the example shown in Figure 7, except for the following points.

図8に示すように、DC成分が存在する状況においても、アバランシェに起因したイベントによるピークが発生する。この場合においても、推定部210は、アバランシェに起因したイベントを監視して基準動作電圧を推定してもよい。アバランシェに起因したイベントと、基準動作電圧と、の間には、相関がある。具体的には、アバランシェに起因したイベントが多くなるほど、基準動作電圧が高くなる。 As shown in FIG. 8, even in a situation where a DC component is present, a peak occurs due to an event caused by avalanche. In this case, the estimation unit 210 may also estimate the reference operating voltage by monitoring the events caused by avalanche. There is a correlation between the events caused by avalanche and the reference operating voltage. Specifically, the more events caused by avalanche, the higher the reference operating voltage.

以上、図面を参照して実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 The above describes the embodiments with reference to the drawings, but these are merely examples of the present invention, and various configurations other than those described above can also be adopted.

例えば、実施形態では、センサ装置10は、LiDARとなっている。すなわち、アバランシェダイオード130は、出射部110から出射され、可動反射部120によって所定の走査範囲に向けて反射され、走査範囲内に存在する物体によって反射された電磁波を受信している。しかしながら、制御装置20は、LiDAR以外に用いられるアバランシェダイオードを制御してもよい。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 出射部から出射され、可動反射部によって所定の走査範囲に向けて反射され、前記走査範囲内に存在する物体によって反射された電磁波を受信するアバランシェダイオードを制御する制御装置であって、
前記アバランシェダイオードが所定の増倍率となる前記アバランシェダイオードの基準動作電圧を推定する推定部と、
前記推定部によって推定された前記基準動作電圧を用いて前記アバランシェダイオードの増倍率を設定する設定部と、
を備え、
前記推定部は、前記アバランシェダイオードの動作電圧を掃引することで、前記アバランシェダイオードの前記動作電圧に対する前記アバランシェダイオードの出力電圧の正規化された差分近似を取得して、前記差分近似から前記アバランシェダイオードの前記基準動作電圧を推定する、制御装置。
2. 1.に記載の制御装置において、
前記推定部は、前記アバランシェダイオードのアバランシェに起因したイベントを監視して前記基準動作電圧を推定する、制御装置。
3. 1.又は2.に記載の制御装置において、
前記可動反射部の走査線が、第1方向に蛇行しながら、前記第1方向に交わる第2方向に伸びており、
前記推定部は、前記可動反射部の走査線が、前記可動反射部によって生成される視野の前記第2方向における両外側の少なくとも一方を通過するタイミングで、前記アバランシェダイオードの前記基準動作電圧を推定する、制御装置。
4. 電磁波を出射する出射部と、
前記出射部から出射された前記電磁波を所定の走査範囲に向けて反射する可動反射部と、
前記走査範囲内に存在する物体によって反射された電磁波を受信するアバランシェダイオードと、
1.~3.のいずれか一つに記載の制御装置と、
を備えるセンサ装置。
5. アバランシェダイオードを制御する制御装置であって、
前記アバランシェダイオードが所定の増倍率となる前記アバランシェダイオードの基準動作電圧を推定する推定部と、
前記推定部によって推定された前記基準動作電圧を用いて前記アバランシェダイオードの増倍率を設定する設定部と、
を備え、
前記推定部は、前記アバランシェダイオードの動作電圧を掃引することで、前記アバランシェダイオードの前記動作電圧に対する前記アバランシェダイオードの出力電圧の正規化された差分近似を取得して、前記差分近似から前記アバランシェダイオードの前記基準動作電圧を推定する、制御装置。
For example, in the embodiment, the sensor device 10 is a LiDAR. That is, the avalanche diode 130 receives electromagnetic waves emitted from the emission unit 110, reflected by the movable reflection unit 120 toward a predetermined scanning range, and reflected by an object present within the scanning range. However, the control device 20 may control an avalanche diode used other than the LiDAR.
Below, examples of reference forms are given.
1. A control device for controlling an avalanche diode that receives electromagnetic waves emitted from an emission unit, reflected by a movable reflection unit toward a predetermined scanning range, and reflected by an object present within the scanning range, comprising:
an estimation unit that estimates a reference operating voltage of the avalanche diode at which the avalanche diode has a predetermined multiplication factor;
a setting unit that sets a multiplication factor of the avalanche diode using the reference operating voltage estimated by the estimation unit;
Equipped with
The control device, wherein the estimation unit obtains a normalized differential approximation of the output voltage of the avalanche diode with respect to the operating voltage of the avalanche diode by sweeping the operating voltage of the avalanche diode, and estimates the reference operating voltage of the avalanche diode from the differential approximation.
2. In the control device according to 1.,
The control device, wherein the estimation unit estimates the reference operating voltage by monitoring an event caused by an avalanche of the avalanche diode.
3. In the control device according to 1 or 2,
a scanning line of the movable reflector extends in a second direction intersecting the first direction while meandering in a first direction,
A control device, wherein the estimation unit estimates the reference operating voltage of the avalanche diode at a timing when a scanning line of the movable reflector passes through at least one of the two outer sides in the second direction of a field of view generated by the movable reflector.
4. An emission unit that emits electromagnetic waves;
a movable reflecting section that reflects the electromagnetic wave emitted from the emitting section toward a predetermined scanning range;
an avalanche diode that receives electromagnetic waves reflected by an object present within the scanning range;
A control device according to any one of 1. to 3.
A sensor device comprising:
5. A control device for controlling an avalanche diode, comprising:
an estimation unit that estimates a reference operating voltage of the avalanche diode at which the avalanche diode has a predetermined multiplication factor;
a setting unit that sets a multiplication factor of the avalanche diode using the reference operating voltage estimated by the estimation unit;
Equipped with
The control device, wherein the estimation unit obtains a normalized differential approximation of the output voltage of the avalanche diode with respect to the operating voltage of the avalanche diode by sweeping the operating voltage of the avalanche diode, and estimates the reference operating voltage of the avalanche diode from the differential approximation.

10 センサ装置
20 制御装置
110 出射部
120 可動反射部
130 アバランシェダイオード
140 ビームスプリッタ
210 推定部
220 設定部
300 基準反射体
F 視野
L 走査線
X 第1方向
Y 第2方向
10 Sensor device 20 Control device 110 Emitter 120 Movable reflector 130 Avalanche diode 140 Beam splitter 210 Estimator 220 Setting unit 300 Reference reflector F Field of view L Scanning line X First direction Y Second direction

Claims (2)

電磁波を出射する出射部と、
前記出射部から出射された前記電磁波を所定の走査範囲に向けて反射する可動反射部と、
前記走査範囲内に存在する物体によって反射された電磁波を受信するアバランシェダイオードと、
前記アバランシェダイオードを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記アバランシェダイオードが所定の増倍率となる前記アバランシェダイオードの基準動作電圧を推定する推定部と、
前記推定部によって推定された前記基準動作電圧を用いて前記アバランシェダイオードの増倍率を設定する設定部と、
を備え、
前記推定部は、前記アバランシェダイオードの動作電圧を掃引することで、前記アバランシェダイオードの前記動作電圧に対する前記アバランシェダイオードの出力電圧の正規化された差分近似を取得して、前記差分近似から前記アバランシェダイオードの前記基準動作電圧を推定し、
前記差分近似の一次導関数において、前記推定部が前記基準動作電圧として推定する動作電圧に対応する値は正であり、
前記アバランシェダイオードのアノードには、TIA回路が接続されている
センサ装置。
An emission unit that emits electromagnetic waves;
a movable reflecting section that reflects the electromagnetic wave emitted from the emitting section toward a predetermined scanning range;
an avalanche diode that receives electromagnetic waves reflected by an object present within the scanning range;
A control device for controlling the avalanche diode;
Equipped with
The control device includes:
an estimation unit that estimates a reference operating voltage of the avalanche diode at which the avalanche diode has a predetermined multiplication factor;
a setting unit that sets a multiplication factor of the avalanche diode using the reference operating voltage estimated by the estimation unit;
Equipped with
the estimation unit sweeps an operating voltage of the avalanche diode to obtain a normalized differential approximation of an output voltage of the avalanche diode with respect to the operating voltage of the avalanche diode, and estimates the reference operating voltage of the avalanche diode from the differential approximation;
In the first derivative of the difference approximation, a value corresponding to the operating voltage estimated by the estimator as the reference operating voltage is positive,
The sensor device has a TIA circuit connected to the anode of the avalanche diode.
請求項に記載のセンサ装置において、
前記可動反射部の走査線が、第1方向に蛇行しながら、前記第1方向に交わる第2方向に伸びており、
前記推定部は、前記可動反射部の走査線が、前記可動反射部によって生成される視野の前記第2方向における両外側の少なくとも一方を通過するタイミングで、前記アバランシェダイオードの前記基準動作電圧を推定する、
センサ装置。
2. The sensor device according to claim 1 ,
a scanning line of the movable reflector extends in a second direction intersecting the first direction while meandering in a first direction,
the estimation unit estimates the reference operating voltage of the avalanche diode at a timing when a scanning line of the movable reflector passes at least one of both outer sides in the second direction of a field of view generated by the movable reflector.
Sensor device.
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