(57)【要約】【課題】広い距離範囲を測定でき、且つＴＯＦを高い精度で測定することができる距離測定用の信号処理回路および距離測定装置を提供する。【解決手段】信号処理回路２０は、多段増幅回路３０、Ｎ個の比較回路４０、Ｎ個の時間測定回路５０、及びＴＯＦ推定回路７０を備える。多段増幅回路３０の第２段ないし第Ｎ段の増幅回路Ａ（２）〜Ａ（Ｎ）は非反転増幅回路である。ＴＯＦ推定回路７０は、時間測定回路５０によって測定された測定時間Ｔｍ（ｎ），Ｔｍ（ｎ＋１）から遅延時間差｛Ｔｍ（ｎ）−Ｔｍ（ｎ＋１）｝を算出し、該遅延時間差に基づいて測定信号電流Ｉｐの大きさを推定したのち、測定信号電流Ｉｐの大きさに基づいて、測定時間Ｔｍ（ｎ）に含まれる遅延時間Ｔｄ（ｎ）を推定し、測定時間Ｔｍ（ｎ）から遅延時間Ｔｄ（ｎ）を減ずることによって飛行時間ＴＴＯＦを算出する。【選択図】図２
2014102072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距対象物に向けて出射されたパルス光が前記測距対象物にて反射して戻るまでの飛行時間に基づく距離測定に用いられる信号処理回路であって、
互いに直列に接続された第１段ないし第Ｎ段の増幅回路（Ｎは２以上の整数）を有し、前記測距対象物において反射した前記パルス光の光強度に応じた大きさの測定信号電流を前記第１段の増幅回路の入力端に受ける多段増幅回路と、
前記第１段ないし第Ｎ段の増幅回路にそれぞれ接続され、対応する前記増幅回路から出力される測定信号電圧が基準電圧に達した場合に有意値を出力するＮ個の比較回路と、
前記パルス光の出射タイミングを示す信号と、前記Ｎ個の比較回路から出力される信号とを入力し、前記パルス光が出射されてから各比較回路の出力信号が前記有意値となるまでの各時間（以下、第１ないし第Ｎの測定時間という）を測定する時間測定回路と、
当該信号処理回路における信号遅延により各測定時間に含まれる遅延時間と前記測定信号電流との関係を表す第１のデータ、並びに、一の前記測定時間に含まれる前記遅延時間と別の前記測定時間に含まれる前記遅延時間との差である遅延時間差と前記測定信号電流との関係を表す第２のデータを予め記憶する記憶部と、
前記第１ないし第Ｎの測定時間に基づいて前記飛行時間を算出する演算部と
を備え、
前記多段増幅回路の前記第２段ないし第Ｎ段の増幅回路が非反転増幅回路によって構成されており、
前記演算部は、前記時間測定回路によって測定された前記第１ないし第Ｎの測定時間のうち少なくとも二つの前記測定時間から前記遅延時間差を算出し、該遅延時間差と前記第２のデータとに基づいて前記測定信号電流の大きさを求めたのち、該測定信号電流の大きさと前記第１のデータとに基づいて前記第１ないし第Ｎの測定時間のうち少なくとも一つの前記測定時間に含まれる前記遅延時間を求め、前記少なくとも一つの測定時間から該遅延時間を減ずることによって前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする、距離測定用の信号処理回路。
【請求項２】
測距対象物に向けて出射されたパルス光が前記測距対象物にて反射して戻るまでの飛行時間に基づく距離測定に用いられる信号処理回路であって、
互いに直列に接続された第１段ないし第Ｎ段の増幅回路（Ｎは２以上の整数）を有し、前記測距対象物において反射した前記パルス光の光強度に応じた大きさの測定信号電流を前記第１段の増幅回路の入力端に受ける多段増幅回路と、
前記第１段ないし第Ｎ段の増幅回路にそれぞれ接続され、対応する前記増幅回路から出力される測定信号電圧が基準電圧に達した場合に有意値を出力するＮ個の比較回路と、
前記パルス光の出射タイミングを示す信号と、前記Ｎ個の比較回路から出力される信号とを入力し、前記パルス光が出射されてから各比較回路の出力信号が前記有意値となるまでの各時間（以下、第１ないし第Ｎの測定時間という）を測定する時間測定回路と、
当該信号処理回路における信号遅延により各測定時間に含まれる遅延時間と前記測定信号電流との関係を表す第１のデータを予め記憶する記憶部と、
前記第１ないし第Ｎの測定時間に基づいて前記飛行時間を算出する演算部と
を備え、
前記多段増幅回路の前記第２段ないし第Ｎ段の増幅回路が非反転増幅回路によって構成されており、
前記演算部は、前記時間測定回路によって測定された前記第１ないし第Ｎの測定時間のうち少なくとも二つの前記測定時間から、一の前記測定時間に含まれる前記遅延時間と別の前記測定時間に含まれる前記遅延時間との差である遅延時間差を算出し、前記第１のデータから求められる前記遅延時間差と前記測定信号電流との関係に基づいて前記測定信号電流の大きさを求めたのち、該測定信号電流の大きさと前記第１のデータとに基づいて前記第１ないし第Ｎの測定時間のうち少なくとも一つの前記測定時間に含まれる前記遅延時間を求め、前記少なくとも一つの測定時間から該遅延時間を減ずることによって前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする、距離測定用の信号処理回路。
【請求項３】
前記演算部が、前記測定信号電流と前記第１のデータとに基づいて、前記第１ないし第Ｎの測定時間のうち二以上の前記測定時間に含まれる前記遅延時間を求め、前記二以上の測定時間から該遅延時間を減ずることによって二以上の前記飛行時間を算出したのち、前記二以上の飛行時間の平均値を算出することを特徴とする、請求項１または２に記載の距離測定用の信号処理回路。
【請求項４】
測距対象物に向けて出射されたパルス光が前記測距対象物にて反射して戻るまでの飛行時間に基づいて前記測距対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
請求項１〜３のいずれか一項に記載された信号処理回路と、
前記測距対象物に向けて前記パルス光を出射する光出射部と、
前記測距対象物において反射した前記パルス光を受け、該パルス光の光強度に応じた大きさの前記測定信号電流を生成する光検出部と
を備えることを特徴とする、距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定用の信号処理回路および距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、飛行時間（Time Of Flight；ＴＯＦ）測定方式の測距装置が開示されている。この測距装置は、パルス光を出射する送信手段と、測距対象物において反射して戻ったパルス光を受光する受信手段とを備えており、送信時点から受信時点までの時間に基づいて測距対象物までの距離を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１０８７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＴＯＦ方式による距離の測定は、測距対象物に光パルスを照射し、その反射光を検出し、測距対象物までの光のＴＯＦを求めることにより行われる。具体的には、光検出素子が反射光を受光し、その光量に応じた大きさの電流（以下、測定信号電流という）を出力する。この測定信号電流は、増幅器によって電圧信号に変換されたのち、アナログ／ディジタル変換回路に入力される。増幅器から出力される電圧信号の大きさが或る閾値に達すると、アナログ／ディジタル変換回路は、この電圧信号を短い時間間隔でもってディジタル値に変換することにより、この電圧信号の時間波形を表すデータを作成する。そして、このデータから電圧信号の時間重心が算出され、この時間重心と光パルスの照射タイミングとの時間差に基づいてＴＯＦが算出される。
【０００５】
しかしながら、上記方式によって測定されるＴＯＦには、光検出素子に反射光が入射してからディジタル値が生成されるまでの時間、すなわち回路内での信号遅延に起因する遅延時間が含まれる。すなわち、測定されたＴＯＦ（以下、測定時間という）Ｔｍは、下記の数式（１）によって表される。なお、ＴＴＯＦは本来のＴＯＦ、Ｔｄは回路内での遅延時間である。
【数１】
2014102072.tif 000003
【０００６】
図１１は、遅延時間Ｔｄと測定信号電流の対数値との関係の一例を示すグラフである。図１１に示されるように、遅延時間Ｔｄは、測定信号電流が大きいほど短くなる傾向がある。したがって、近距離から遠距離までの広範囲が測定対象である場合には、反射光強度の変動すなわち測定信号電流の変動が大きくなり、遅延時間Ｔｄが測定距離によって大きく変動してしまう。このため、高精度のＴＯＦ測定が困難となる。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、広い距離範囲を測定でき、且つＴＯＦを高い精度で測定することができる距離測定用の信号処理回路および距離測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明による距離測定用の第１の信号処理回路は、測距対象物に向けて出射されたパルス光が測距対象物にて反射して戻るまでの飛行時間に基づく距離測定に用いられる信号処理回路であって、（１）互いに直列に接続された第１段ないし第Ｎ段の増幅回路（Ｎは２以上の整数）を有し、測距対象物において反射したパルス光の光強度に応じた大きさの測定信号電流を第１段の増幅回路の入力端に受ける多段増幅回路と、（２）第１段ないし第Ｎ段の増幅回路にそれぞれ接続され、対応する増幅回路から出力される測定信号電圧が基準電圧に達した場合に有意値を出力するＮ個の比較回路と、（３）パルス光の出射タイミングを示す信号と、Ｎ個の比較回路から出力される信号とを入力し、パルス光が出射されてから各比較回路の出力信号が有意値となるまでの各時間（以下、第１ないし第Ｎの測定時間という）を測定する時間測定回路と、（４）当該信号処理回路における信号遅延により各測定時間に含まれる遅延時間と測定信号電流との関係を表す第１のデータ、並びに、一の測定時間に含まれる遅延時間と別の測定時間に含まれる遅延時間との差である遅延時間差と測定信号電流との関係を表す第２のデータを予め記憶する記憶部と、（５）第１ないし第Ｎの測定時間に基づいて飛行時間を算出する演算部とを備えている。多段増幅回路の第２段ないし第Ｎ段の増幅回路は非反転増幅回路によって構成されている。演算部は、時間測定回路によって測定された第１ないし第Ｎの測定時間のうち少なくとも二つの測定時間から遅延時間差を算出し、該遅延時間差と第２のデータとに基づいて測定信号電流の大きさを求めたのち、該測定信号電流の大きさと第１のデータとに基づいて、第１ないし第Ｎの測定時間のうち少なくとも一つの測定時間に含まれる遅延時間を求め、少なくとも一つの測定時間から遅延時間を減ずることによって飛行時間を算出する。
【０００９】
また、本発明による距離測定用の第２の信号処理回路は、測距対象物に向けて出射されたパルス光が測距対象物にて反射して戻るまでの飛行時間に基づく距離測定に用いられる信号処理回路であって、（１）互いに直列に接続された第１段ないし第Ｎ段の増幅回路（Ｎは２以上の整数）を有し、測距対象物において反射したパルス光の光強度に応じた大きさの測定信号電流を第１段の増幅回路の入力端に受ける多段増幅回路と、（２）第１段ないし第Ｎ段の増幅回路にそれぞれ接続され、対応する増幅回路から出力される測定信号電圧が基準電圧に達した場合に有意値を出力するＮ個の比較回路と、（３）パルス光の出射タイミングを示す信号と、Ｎ個の比較回路から出力される信号とを入力し、パルス光が出射されてから各比較回路の出力信号が有意値となるまでの各時間（以下、第１ないし第Ｎの測定時間という）を測定する時間測定回路と、（４）当該信号処理回路における信号遅延により各測定時間に含まれる遅延時間と測定信号電流との関係を表す第１のデータを予め記憶する記憶部と、（５）第１ないし第Ｎの測定時間に基づいて飛行時間を算出する演算部とを備えている。多段増幅回路の第２段ないし第Ｎ段の増幅回路は非反転増幅回路によって構成されている。演算部は、時間測定回路によって測定された第１ないし第Ｎの測定時間のうち少なくとも二つの測定時間から、一の測定時間に含まれる遅延時間と別の測定時間に含まれる遅延時間との差である遅延時間差を算出し、第１のデータから求められる遅延時間差と測定信号電流との関係に基づいて測定信号電流の大きさを求めたのち、該測定信号電流の大きさと第１のデータとに基づいて第１ないし第Ｎの測定時間のうち少なくとも一つの測定時間に含まれる遅延時間を求め、少なくとも一つの測定時間から該遅延時間を減ずることによって飛行時間を算出する。
【００１０】
これらの信号処理回路では、反射光に基づく測定信号電流が多段増幅回路に入力されると、第１段の増幅回路によって測定信号電流が測定信号電圧に変換され、この測定信号電圧が第２段ないし第Ｎ段の増幅回路によって順次増幅される。そして、各段の増幅回路から出力された測定信号電圧は、各増幅回路に接続された比較回路にそれぞれ入力される。比較回路は、測定信号電圧が基準電圧を超えると、有意値を出力する。このとき、増幅回路はより後段に位置するほど大きな測定信号電圧を出力するので、後段の比較回路ほど有意値を早く出力する。したがって、Ｎ個の比較回路の間で有意値を出力するタイミングに差が生じる。この差は、時間測定回路から出力される第１ないし第Ｎの測定時間の差として現れる。
【００１１】
後述するように、この測定時間の差は、一の測定時間に含まれる遅延時間と別の測定時間に含まれる遅延時間との差（遅延時間差）に等しい。したがって、上述した第１の信号処理回路のように、遅延時間差と測定信号電流との関係を表す第２のデータを予め用意しておくことによって、測定信号電流の大きさを求めることが可能となる。更に、遅延時間と測定信号電流との関係を表す第１のデータを予め用意しておくことによって、遅延時間を求めることが可能となる。そして、この遅延時間と測定時間との差を演算することにより、本来の正確なＴＯＦを得ることができる。
【００１２】
或いは、上述した第２の信号処理回路のように、遅延時間と測定信号電流との関係を表す第１のデータを予め用意しておくことによって、この第１のデータから遅延時間差と測定信号電流との関係を求め、この関係から測定信号電流の大きさを求めることが可能となる。更に、この第１のデータを使用して測定信号電流の大きさから遅延時間を求めることが可能となる。そして、この遅延時間と測定時間との差を演算することにより、本来の正確なＴＯＦを得ることができる。
【００１３】
また、これらの信号処理回路では、多段増幅回路が第１段ないし第Ｎ段の増幅回路を有している。このように複数の増幅回路が接続された構成によれば、入力された測定信号電流が微弱であっても、後段の増幅回路からは大きく増幅された測定信号電圧が出力される。したがって、測定信号電流が微弱である場合（すなわち測定距離が長い場合）、及び測定信号電流が大きい場合（すなわち測定距離が短い場合）のいずれにおいても測定時間を好適に測定し、正確なＴＯＦを算出することができる。
【００１４】
このように、上述した距離測定用の第１及び第２の信号処理回路によれば、広い距離範囲を測定でき、且つＴＯＦを高い精度で測定することができる。
【００１５】
また、これらの信号処理回路は、演算部が、測定信号電流と第１のデータとに基づいて、第１ないし第Ｎの測定時間のうち二以上の測定時間に含まれる遅延時間を求め、二以上の測定時間から遅延時間を減ずることによって二以上の飛行時間を算出したのち、二以上の飛行時間の平均値を算出してもよい。このような構成によって、更に正確なＴＯＦを算出することができる。
【００１６】
また、本発明による距離測定装置は、測距対象物に向けて出射されたパルス光が測距対象物にて反射して戻るまでの飛行時間に基づいて測距対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、（１）上述したいずれかの信号処理回路と、（２）測距対象物に向けてパルス光を出射する光出射部と、（３）測距対象物において反射したパルス光を受け、該パルス光の光強度に応じた大きさの測定信号電流を生成する光検出部とを備える。この距離測定装置によれば、上述したいずれかの信号処理回路を備えることによって、広い距離範囲を測定でき、且つＴＯＦを高い精度で測定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による距離測定用の信号処理回路および距離測定装置によれば、広い距離範囲を測定でき、且つＴＯＦを高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態に係る距離測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】信号処理回路の内部構成の一例を示す図である。
【図３】多段増幅回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図４】時間測定回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図５】時間測定回路によって測定される測定時間の概念を説明するためのタイミングチャートであって、パルス光の時間波形、反射パルス光の時間波形、及び第１段ないし第３段の増幅回路から出力される測定信号電圧の時間波形が示されている。
【図６】ＴＯＦ推定回路におけるＴＯＦ算出方法を示すフローチャートである。
【図７】互いに同じ特性を有する６個の増幅回路によって構成される６段増幅回路における、測定信号電流と遅延時間との関係の一例を示すグラフである。
【図８】遅延時間差と測定信号電流との関係の一例を示すグラフである。
【図９】遅延時間差から測定信号電流の大きさを推定する方法を概略的に示す図である。
【図１０】測定信号電流から遅延時間を推定する方法を概略的に示す図である。
【図１１】遅延時間と測定信号電流との関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明による距離測定用の信号処理回路および距離測定装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る距離測定装置の構成を示す概略図である。この距離測定装置１０は、測距対象物Ｂに向けてパルス光Ｐ１を出射し、パルス光Ｐ１のうち測距対象物Ｂにおいて反射した光（反射パルス光）Ｐ２が戻るとその反射パルス光Ｐ２を検出し、パルス光Ｐ１の出射から反射パルス光Ｐ２の検出までの時間（ＴＯＦ）に基づいて、測距対象物Ｂまでの距離を測定する装置である。図１に示されるように、この距離測定装置１０は、測距対象物Ｂに向けてパルス光Ｐ１を出射する光出射部１１と、測距対象物Ｂにて反射した反射パルス光Ｐ２を受ける光検出部１２とを備えている。光出射部１１は、例えばレーザダイオードを含んで構成される。光検出部１２は、例えばフォトダイオードを含んで構成され、反射パルス光Ｐ２の光強度に応じた大きさの測定信号電流Ｉｐを生成する。
【００２１】
また、距離測定装置１０は、光検出部１２から出力された測定信号電流Ｉｐを受けてＴＯＦを算出する信号処理回路２０を更に備えている。信号処理回路２０は、測定信号電流Ｉｐを電圧信号に変換したのち、この電圧信号を増幅する。そして、増幅後の電圧信号が基準電圧を超えるタイミングと、光出射部１１からパルス光Ｐ１が出射されたタイミングとの差に基づいてＴＯＦを算出する。
【００２２】
図２は、信号処理回路２０の内部構成の一例を示す図である。図２に示されるように、信号処理回路２０は、多段増幅回路３０と、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の比較回路（コンパレータ）４０と、Ｎ個の時間測定回路５０と、記憶部６０と、ＴＯＦ推定回路７０とを備えている。
【００２３】
多段増幅回路３０は、第１段ないし第Ｎ段の増幅回路Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）を有している。これらの増幅回路Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）は、互いに直列に接続されている。換言すれば、増幅回路Ａ（ｎ）の信号出力端と、増幅回路Ａ（ｎ＋１）の信号入力端とが互いに電気的に接続されている。但し、ｎは１以上（Ｎ−１）以下の整数である。第１段の増幅回路Ａ（１）の信号入力端には、光検出部１２から測定信号電流Ｉｐが入力される。
【００２４】
Ｎ個の比較回路４０の信号入力端は、第１段ないし第Ｎ段の増幅回路Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）の信号出力端にそれぞれ電気的に接続されている。また、これらの比較回路４０には、互いに共通の基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。これらの比較回路４０は、対応する増幅回路Ａ（１）、Ａ（２）、・・・、又はＡ（Ｎ）から出力される電圧（以下、測定信号電圧という）ＶＯ（１）、ＶＯ（２）、・・・、又はＶＯ（Ｎ）が基準電圧Ｖｒｅｆに達した場合に、出力信号ＳＣ（１）、ＳＣ（２）、・・・、又はＳＣ（Ｎ）として有意な論理レベルの値を出力する。
【００２５】
Ｎ個の時間測定回路５０それぞれには、Ｎ個の比較回路４０それぞれから出力される信号ＳＣ（１）〜ＳＣ（Ｎ）が入力される。また、Ｎ個の時間測定回路５０には、パルス光Ｐ１の出射タイミングを示す信号Ｓｓｔａｒｔが入力される。この信号Ｓｓｔａｒｔは、例えば光出射部１１から各時間測定回路５０へ提供される。Ｎ個の時間測定回路５０それぞれは、これらの信号ＳＣ（１）〜ＳＣ（Ｎ）及び信号Ｓｓｔａｒｔに基づいて、パルス光Ｐ１が出射されてから各比較回路４０の出力信号ＳＣ（１）〜ＳＣ（Ｎ）が有意値となるまでの各時間を測定する。なお、以下の説明において、パルス光Ｐ１が出射されてから出力信号ＳＣ（ｋ）が有意値となるまでの時間を「第ｋの測定時間Ｔｍ（ｋ）」という。但し、ｋは１以上Ｎ以下の整数である。
【００２６】
ここで、図３は、多段増幅回路３０の具体的な構成例を示す回路図である。同図に示される多段増幅回路３０において、第１段の増幅回路Ａ（１）は、増幅器３１及び積分容量素子３２を含む積分回路によって構成されている。なお、積分容量素子３２は増幅器３１の反転入力端子と出力端子との間に接続されており、また、測定信号電流Ｉｐは増幅器３１の反転入力端子に入力される。したがって、測定信号電流Ｉｐは積分容量素子３２に蓄えられる。増幅器３１の非反転入力端子の電位は基準電位ＶＣＭに設定される。このような構成により、増幅器３１の出力端子では、測定信号電流Ｉｐの積分値に相当する電圧すなわち測定信号電圧ＶＯ（１）が生成される。なお、積分容量素子３２に蓄えられた電荷をリセットする為に、リセットスイッチ３３が積分容量素子３２と並列に接続されている。
【００２７】
第２段ないし第Ｎ段の増幅回路Ａ（２）〜Ａ（Ｎ）は、増幅器３４、帰還容量素子３５、及び負荷容量素子３６を含む非反転増幅回路によって構成されている。帰還容量素子３５は増幅器３４の反転入力端子と出力端子との間に接続されており、負荷容量素子３６は増幅器３４の反転入力端子と接地電位線との間に接続されている。そして、前段の増幅回路Ａ（１）、Ａ（２）、・・・、又はＡ（Ｎ−１）からの測定信号電圧ＶＯ（１）、ＶＯ（２）、・・・、ＶＯ（Ｎ−１）は、増幅器３４の非反転入力端子に入力される。このような構成によって、これらの増幅回路Ａ（２）〜Ａ（Ｎ）の増幅器３４の出力端子では、前段の増幅回路Ａ（１）〜Ａ（Ｎ−１）からの測定信号電圧ＶＯ（１）〜ＶＯ（Ｎ−１）が増幅された同相の測定信号電圧ＶＯ（２）〜ＶＯ（Ｎ）が生成される。なお、帰還容量素子３５に蓄えられた電荷をリセットする為に、リセットスイッチ３７が帰還容量素子３５と並列に接続されている。
【００２８】
図４は、時間測定回路５０の具体的な構成例を示す回路図である。同図に示される時間測定回路５０は、いわゆるＴＤＣ（Time to Digital Converter）回路を含んでおり、複数のＤ型フリップフロップ５１と、互いに直列に接続された複数の遅延回路５２と、エンコーダ５３と、リファレンスクロック回路５４と、カウンタ回路５５と、処理回路５６とを有している。リファレンスクロック回路５４から出力されるリファレンスクロックＣＬＫは、初段の遅延回路５２に入力される。各遅延回路５２からは、順次遅延されたリファレンスクロックが出力される。これらのリファレンスクロックは各Ｄ型フリップフロップ５１のＤ端子に入力される。また、各Ｄ型フリップフロップ５１のＣＫ端子には、パルス光Ｐ１の出射タイミングを示す信号Ｓｓｔａｒｔの入力に応じて立ち上がり、比較回路４０からの信号ＳＣ（ｋ）の有意な論理レベルへの変化に応じて再び立ち上がる信号が入力される。各Ｄ型フリップフロップ５１のＱ出力は、エンコーダ５３に提供される。これにより、信号Ｓｓｔａｒｔの入力、及び対応する信号ＳＣ（ｋ）の有意な論理レベルへの変化それぞれの時点で何れの遅延回路５２がリファレンスクロックを出力しているかがエンコーダ５３において特定される。一方、カウンタ回路５５は、リファレンスクロック回路５４から出力されるリファレンスクロックＣＬＫをカウントする。カウンタ回路５５から出力されるカウント信号は、処理回路５６に入力される。処理回路５６は、エンコーダ５３から提供される情報と、カウンタ回路５５からのカウント信号とに基づいて、パルス光Ｐ１が出射されてから比較回路４０の出力信号ＳＣ（ｋ）が有意値となるまでの第ｋの測定時間Ｔｍ（ｋ）に相当するディジタルデータを生成する。
【００２９】
図５は、時間測定回路５０によって測定される測定時間の概念を説明するためのタイミングチャートである。図５には、パルス光Ｐ１の時間波形（グラフＧ１）と、反射パルス光Ｐ２の時間波形（グラフＧ２）と、第１段ないし第３段の増幅回路Ａ（１）〜Ａ（３）から出力される測定信号電圧ＶＯ（１）〜ＶＯ（３）の時間波形（グラフＧ３〜Ｇ５）とが示されている。図５では、或る時刻ｔ１にパルス光Ｐ１が出射され、時刻ｔ２に反射パルス光Ｐ２が検出されている。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間ＴＴＯＦが、真の飛行時間（ＴＯＦ）である。また、測定信号電圧ＶＯ（１）〜ＶＯ（３）は、或る時定数でもってなだらかに立ち上がる。これは、主に光検出部１２（図２を参照）から比較回路４０までの回路内を信号が通過する際に生じる遅延に起因している。測定信号電圧ＶＯ（１）〜ＶＯ（３）は後段のものほど絶対値が大きくなるので、同一の時定数であれば、或る基準電圧Ｖｒｅｆに達するまでの時間（遅延時間）は後段のものほど早くなる。同図では、測定信号電圧ＶＯ（１）〜ＶＯ（３）それぞれが基準電圧Ｖｒｅｆに達するまでの遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（３）が示されており、Ｔｄ（１）＞Ｔｄ（２）＞Ｔｄ（３）である。
【００３０】
時間測定回路５０において測定される測定時間は、図５に示された真の飛行時間ＴＴＯＦと遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（３）との和となる。すなわち、測定信号電圧ＶＯ（１）について測定される測定時間Ｔｍ（１）＝ＴＴＯＦ＋Ｔｄ（１）であり、測定信号電圧ＶＯ（２）について測定される測定時間Ｔｍ（２）＝ＴＴＯＦ＋Ｔｄ（２）であり、測定信号電圧ＶＯ（３）について測定される測定時間Ｔｍ（３）＝ＴＴＯＦ＋Ｔｄ（３）である。
【００３１】
図２を再び参照する。ＴＯＦ推定回路７０は、本実施形態における演算部であり、Ｎ個の時間測定回路５０から提供される第１ないし第Ｎの測定時間Ｔｍ（１）〜Ｔｍ（Ｎ）に基づいて、ＴＯＦを算出する。図６は、ＴＯＦ推定回路７０におけるＴＯＦ算出方法を示すフローチャートである。以下、図６を参照しつつ、このＴＯＦ算出方法について詳細に説明する。
【００３２】
いま、第ｎ段の増幅回路Ａ（ｎ）から出力される測定信号電圧ＶＯ（ｎ）に基づいて測定される測定時間Ｔｍ（ｎ）は、次の数式（２）によって表される。
【数２】
2014102072.tif 000004
また、第（ｎ＋１）段の増幅回路Ａ（ｎ＋１）から出力される測定信号電圧ＶＯ（ｎ＋１）に関する測定時間Ｔｍ（ｎ＋１）は、次の数式（３）によって表される。
【数３】
2014102072.tif 000005
【００３３】
数式（２）及び（３）において、測距対象物Ｂまでの距離は一定なので真の飛行時間ＴＴＯＦは互いに等しい。したがって、数式（２）と数式（３）との差を求めると、次の数式（４）のように、真の飛行時間ＴＴＯＦに関する項を消去することができる。
【数４】
2014102072.tif 000006
数式（４）に示されるように、測定時間Ｔｍ（ｎ＋１）と測定時間Ｔｍ（ｎ）との差は、遅延時間Ｔｄ（ｎ＋１）と遅延時間Ｔｄ（ｎ）との差に等しい。
【００３４】
ここで、図７は、互いに同じ特性を有する６個の増幅回路Ａ（１）〜Ａ（６）によって構成される６段増幅回路における、測定信号電流Ｉｐの対数値と遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（６）との関係の一例を示すグラフである。同図において、グラフＧ１１〜Ｇ１６それぞれは、遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（６）それぞれを示している。また、同図では、第１段の増幅回路Ａ（１）の帰還容量Ｃ１を０．１［ｐＦ］とし、測定信号電流Ｉｐのパルス幅を１０［ｎｓｅｃ］とし、その測定信号電流Ｉｐの電流値を変化させながら、遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（６）を測定した。
【００３５】
図７に示されるように、測定信号電流Ｉｐの電流値が大きくなるほど、遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（６）が短くなる傾向がある。また、同図のような測定信号電流Ｉｐと遅延時間Ｔｄ（ｎ）との関係を予め取得しておけば、測定信号電流Ｉｐから遅延時間Ｔｄ（ｎ）を推定することが可能となる。
【００３６】
また、図８は、遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（６）の相互の差と測定信号電流Ｉｐの対数値との関係の一例を示すグラフである。なお、遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（６）の相互の差とは、例えば遅延時間Ｔｄ（１）とＴｍ（２）との差（グラフＧ２１）であり、遅延時間Ｔｄ（２）とＴｍ（３）との差（グラフＧ２２）であり、遅延時間Ｔｄ（３）とＴｄ（４）との差（グラフＧ２３）であり、遅延時間Ｔｄ（４）とＴｄ（５）との差（グラフＧ２４）であり、遅延時間Ｔｄ（５）とＴｄ（６）との差（グラフＧ２５）である。図８においても図７と同様に、測定信号電流Ｉｐが大きくなるほど遅延時間差が短くなる傾向がある。
【００３７】
図８から明らかなように、遅延時間差と測定信号電流Ｉｐとの関係を予め取得しておけば、遅延時間差から測定信号電流Ｉｐの大きさを推定することが可能となる。前述したように、測定時間Ｔｍ（ｎ＋１）と測定時間Ｔｍ（ｎ）との差は、遅延時間Ｔｄ（ｎ＋１）と遅延時間Ｔｄ（ｎ）との差に等しい。また、測定時間Ｔｍ（ｎ＋１）と測定時間Ｔｍ（ｎ）との差は、時間測定回路５０における測定結果から容易に算出される。
【００３８】
そこで、本実施形態では、図７のように遅延時間Ｔｄ（ｎ）と測定信号電流Ｉｐとの関係を表す第１のデータ、及び図８のように遅延時間差と測定信号電流Ｉｐとの関係を表す第２のデータを、記憶部６０に予め記憶させる。そして、ＴＯＦ推定回路７０は、時間測定回路５０から提供された測定時間Ｔｍ（１）〜Ｔｍ（Ｎ）のうち少なくとも二つの測定時間Ｔｍ（ｎ）及びＴｍ（ｎ＋１）から、遅延時間差｛Ｔｄ（ｎ＋１）−Ｔｄ（ｎ）｝を算出する（図６のステップＳ１１）。その後、ＴＯＦ推定回路７０は、記憶部６０に記憶された第２のデータを用いて、図９に示されるように、遅延時間差｛Ｔｄ（ｎ＋１）−Ｔｄ（ｎ）｝から測定信号電流Ｉｐの大きさを推定する（図６のステップＳ１２）。ＴＯＦ推定回路７０は、記憶部６０に記憶された第１のデータを用いて、図１０に示されるように、この推定した測定信号電流Ｉｐから遅延時間Ｔｄ（ｎ）又はＴｄ（ｎ＋１）を推定する（ステップＳ１３）。最後に、ＴＯＦ推定回路７０は、次の数式（５）に示されるように、推定した遅延時間Ｔｄ（ｎ）又はＴｄ（ｎ＋１）を測定時間Ｔｍ（ｎ）又はＴｍ（ｎ＋１）から減ずることによって、正確な飛行時間ＴＴＯＦを算出する（ステップＳ１４）。
【数５】
2014102072.tif 000007
【００３９】
なお、上記の例では第（ｎ＋１）段及び第ｎ段の各増幅回路Ａ（ｎ＋１），Ａ（ｎ）からの測定信号電圧ＶＯ（ｎ＋１），ＶＯ（ｎ）に基づいて飛行時間ＴＴＯＦを算出しているが、測定信号電圧の組み合わせはこれに限られず、Ｎ個の増幅回路Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）のうち任意の二つの増幅回路から出力される測定信号電圧に基づいて、同様の手順により飛行時間ＴＴＯＦを求めることができる。
【００４０】
また、理想的には、測定信号電圧のどのような組み合わせであっても算出される飛行時間ＴＴＯＦは等しくなる筈である。しかしながら、実際には、ディジタル変換の際の量子化誤差などが影響し、測定信号電圧の組み合わせによって飛行時間ＴＴＯＦにばらつきが生じてしまう。そこで、ＴＯＦ推定回路７０は、測定信号電流Ｉｐと第１のデータとに基づいて、測定時間Ｔｍ（１）〜Ｔｍ（Ｎ）のうち二以上の測定時間Ｔｍ（ｐ），Ｔｍ（ｑ）（但し、ｐ、ｑは１以上Ｎ以下の整数であり、ｐ≠ｑ）に含まれる遅延時間Ｔｄ（ｐ），Ｔｄ（ｑ）を求め、二以上の測定時間Ｔｍ（ｐ），Ｔｍ（ｑ）から該遅延時間Ｔｄ（ｐ），Ｔｄ（ｑ）を減ずることによって二以上の飛行時間ＴＴＯＦを算出したのち、これらの平均値を算出してもよい。より好ましくは、次の数式（６）に示されるように、全ての測定時間Ｔｍ（１）〜Ｔｍ（Ｎ）と遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（Ｎ）との差の平均値を、飛行時間ＴＴＯＦとして求めるとよい。これにより、更に正確な飛行時間ＴＴＯＦを求めることができる。
【数６】
2014102072.tif 000008
【００４１】
以上に説明したように、本実施形態の信号処理回路２０によれば、回路部分の信号遅延に起因する遅延時間を計測時間から好適に除去することができるので、飛行時間ＴＴＯＦを高い精度で測定することができる。また、この信号処理回路２０では、多段増幅回路３０が第１段ないし第Ｎ段の増幅回路Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）を有している。このように複数の増幅回路が接続された構成によって、入力された測定信号電流Ｉｐが微弱であっても、後段の増幅回路からは大きく増幅された測定信号電圧が出力される。したがって、測定信号電流Ｉｐが微弱である場合（すなわち測定距離が長い場合）、及び測定信号電流Ｉｐが大きい場合（すなわち測定距離が短い場合）のいずれにおいても測定時間を好適に測定し、正確な飛行時間ＴＴＯＦを算出することができる。
【００４２】
多段増幅回路３０によるこのようなダイナミックレンジの拡大効果について、更に詳細に説明する。多段増幅回路３０に入力された測定信号電流Ｉｐは、積分回路として構成された第１段の増幅回路Ａ（１）によって反転増幅される。このとき、第１段の増幅回路Ａ（１）から出力される測定信号電圧ＶＯ（１）は、次の数式（７）のように表される。なお、数式（７）において、Ｃｆ１は第１段の増幅回路Ａ（１）の帰還容量値である。
【数７】
2014102072.tif 000009
【００４３】
また、非反転増幅回路として構成された第２段の増幅回路Ａ（２）には、第１段の増幅回路Ａ（１）からの測定信号電圧ＶＯ（１）がそのまま入力される。第２段の増幅回路Ａ（２）からの測定信号電圧ＶＯ（２）は、次の数式（８）のように表される。なお、数式（８）において、Ｃｆ２は第２段の増幅回路Ａ（２）の帰還容量値、Ｃｉ２は第２段の増幅回路Ａ（２）の負荷容量値である。
【数８】
2014102072.tif 000010
数式（８）から明らかなように、第２段の増幅回路Ａ（２）における増幅率は、帰還容量値Ｃｆ２及び負荷容量値Ｃｉ２によって定まる。
【００４４】
第３段以降の増幅回路Ａ（３）〜Ａ（Ｎ）から出力される測定信号電圧ＶＯ（３）〜ＶＯ（Ｎ）は、前段の増幅回路から出力された電圧を反転させずに増幅するので、測定信号電圧ＶＯ（１）と同相となる。第Ｎ段の増幅回路Ａ（Ｎ）から出力される測定信号電圧ＶＯ（Ｎ）は、次の数式（９）のように表される。なお、数式（９）において、ＣｆＮは第Ｎ段の増幅回路Ａ（Ｎ）の帰還容量、ＣｉＮは第Ｎ段の増幅回路Ａ（Ｎ）の負荷容量値、ＣＮはＣｆＮ及びＣｉＮから算出される合成容量比である。
【数９】
2014102072.tif 000011
数式（９）から明らかなように、第Ｎ段の増幅回路Ａ（Ｎ）の測定信号電圧ＶＯ（Ｎ）は、第２段ないし第Ｎ段の増幅回路Ａ（２）〜Ａ（Ｎ）の合成容量比Ｃ２〜ＣＮと、第１段の増幅回路Ａ（１）の測定信号電圧ＶＯ（１）との積によって算出される。
【００４５】
このように、複数の非反転増幅回路を多段に接続することにより、測定信号電流Ｉｐが微弱であっても、後段の増幅回路Ａ（Ｎ）では測定信号電圧ＶＯ（Ｎ）を大きく増幅することができる。したがって、本実施形態のような多段増幅回路３０によれば、反射パルス光Ｐ２が微弱である場合（すなわち測定距離が長い場合）、及び反射パルス光Ｐ２が強い場合（すなわち測定距離が短い場合）のいずれにおいても、測定時間Ｔｍ（１）〜Ｔｍ（Ｎ）のうち少なくとも二つを好適に測定し、飛行時間ＴＴＯＦを算出することができる。
【００４６】
なお、先に述べた図７に示されたグラフＧ１１〜Ｇ１６は、第２段以降の増幅回路Ａ（２）〜Ａ（６）の合成容量比Ｃ２〜Ｃ６が１１となるように多段増幅回路３０を作製して、各遅延時間Ｔｄ（１）〜Ｔｄ（６）を測定した結果である。図７を参照すると、６段増幅回路によって、１０［ｎＡ］から１［ｍＡ］までといった５桁にわたる範囲の測定信号電流Ｉｐを検出することが可能となっている。また、第６段の増幅回路Ａ（６）における遅延時間Ｔｄ（６）に着目すると、測定信号電流が１００［μＡ］を越える領域では、測定信号電流Ｉｐに対する遅延時間Ｔｄ（６）の変化が小さくなっている。これは、第６段の増幅回路Ａ（６）が飽和していることを示す。なお、このような場合であっても、飽和していない他の増幅回路Ａ（１）〜Ａ（５）からの測定信号電圧ＶＯ（１）〜ＶＯ（５）を用いることによって、一つの測定信号電流Ｉｐに対して複数の測定時間Ｔｍ（１）〜Ｔｍ（５）を取得することができ、これらの測定時間Ｔｍ（１）〜Ｔｍ（５）に基づいて飛行時間ＴＴＯＦを求めることができる。
【００４７】
本発明による距離測定用の信号処理回路および距離測定装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では多段増幅回路の第１段の増幅回路が反転型の構成を有しているが、第１段の増幅回路は非反転型であってもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では遅延時間差と前記測定信号電流との関係を表す第２のデータを記憶部が予め記憶しており、演算部は、算出した遅延時間差と第２のデータとに基づいて測定信号電流の大きさを求めている。しかしながら、遅延時間と測定信号電流との関係を表す第１のデータのみが記憶部に記憶されている場合であっても、演算部は、この第１のデータから遅延時間差と測定信号電流との関係（図９参照）を演算により求めることができるので、この関係から測定信号電流の大きさを求めることが可能となる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…距離測定装置、１１…光出射部、１２…光検出部、２０…信号処理回路、３０…多段増幅回路、３１，３４…増幅器、３２…積分容量素子、３５…帰還容量素子、３６…負荷容量素子、４０…比較回路、５０…時間測定回路、５１…Ｄ型フリップフロップ、５２…遅延回路、５３…エンコーダ、５４…リファレンスクロック回路、５５…カウンタ回路、５６…処理回路、６０…記憶部、７０…ＴＯＦ推定回路、Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）…増幅回路、Ｂ…測距対象物、ＣＬＫ…リファレンスクロック、Ｉｐ…測定信号電流、Ｐ１…パルス光、Ｐ２…反射パルス光、ＶＯ（１）〜ＶＯ（Ｎ）…測定信号電圧、Ｖｒｅｆ…基準電圧。
【図１】
2014102072.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014102072.tif 000019
【図９】
2014102072.tif 000020
【図１０】
2014102072.tif 000021
【図１１】
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