(57)【要約】【課題】背景光が強い環境下であっても高い測距精度を有する。【解決手段】差動演算部２４によって、第１蓄積素子２２からのＡch信号と第２蓄積素子２３からのＢch信号との蓄積差動信号を得る。こうして、Ａch信号とＢch信号との差動演算を行うことによって、背景光等のノイズ成分を適宜除去して測定対象物１４までの距離計算に必要な信号成分のみを抽出して蓄積することができ、上記差動演算の結果を複数回積算することによって、差動演算部２４には、距離計算に十分な電荷量を蓄積することができる。したがって、例えば屋外等の背景光が非常に強い環境下においても、十分な量の信号成分から測定対象物１４までの光の往復時間を検出して、高精度な距離の演算を行うことが可能になる。【選択図】図１
2007132848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返し周波数を有する変調信号に同期して光を送信する送信器と、
上記送信器から送信されて測定対象物で反射された光を受信して、受信した光信号に応じた信号を出力する受信器と、
上記受信器から出力された信号を処理する信号処理部と
を備え、
上記受信器は、
受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、
上記受光素子からの電気信号を、少なくとも２つの径路に上記変調信号に同期した所定のタイミングで切り換えるスイッチと、
上記各径路の夫々に配置されて、上記各径路に切り換えられた電気信号を蓄積する複数の蓄積素子と
を含み、
上記信号処理部は、
上記夫々の蓄積素子に蓄積された各径路毎の電気信号の差の演算を行う演算部と、
上記演算部による演算結果に基づいて上記蓄積素子の蓄積時間を決定する蓄積時間決定部と、
上記蓄積時間決定部で決定された蓄積時間分だけ上記各蓄積素子に蓄積された電気信号の上記演算部による演算結果を用いて、上記測定対象物までの距離を判定する距離判定部と
を含むことを特徴とする光学式測距装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式測距装置において、
上記蓄積時間決定部は、上記演算部による演算結果と閾値との比較によって、上記蓄積時間を決定するようになっていることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光学式測距装置において。
上記蓄積時間決定部は、上記演算部による演算結果が上記閾値に至るまでの時間をｔとし、上記変調信号の繰り返し周波数をＴとし、上記蓄積時間をＴsumとした場合に、上記蓄積時間Ｔsumを以下の関係を満たす値に決定するようになっていることを特徴とする光学式測距装置。
Ｔsum＝ｍ×Ｔ
但し、上記ｍは、ｍ＞ｔ/Ｔを満たす最小の整数
【請求項４】
請求項２に記載の光学式測距装置において、
上記受信器および信号処理部は、上記受光素子,スイッチ,蓄積素子および演算部の集合でなるユニットを２つ備えており、
上記２つのユニットのうちの一方である第１ユニットにおける上記スイッチの切り換え間隔は、上記２つのユニットのうちの他方である第２ユニットにおける上記スイッチの切り換え間隔の２倍以上であり、
上記蓄積時間決定部は、上記第１ユニットの演算部による演算結果と閾値との比較によって、上記第１ユニットの蓄積素子および上記第２ユニットの蓄積素子の蓄積時間を決定するようになっており、
上記距離判定部は、上記第１ユニットの演算部による演算結果と上記第２ユニットの演算部による演算結果とを用いて、上記測定対象物までの距離を判定するようになっている
ことを特徴とする光学式測距装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光学式測距装置において、
上記第１ユニットの蓄積素子における蓄積時間と上記第２ユニットの蓄積素子における蓄積時間とが等しくなっていることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光学式測距装置において、
上記スイッチによる上記経路の切り換えタイミングを制御すると共に、上記各蓄積素子に蓄積された電気信号の消去を行う制御部を備え、
上記制御部は、
第１のタイミングによって上記スイッチに上記経路の切り換えを行わせ、
上記蓄積時間決定部によって上記蓄積素子の蓄積時間が決定されると、上記各蓄積部に蓄積された電気信号を消去した後、第２のタイミングによって上記スイッチに上記経路の切り換えを行わせて、上記決定された蓄積時間に基づく時間だけ上記各蓄積部に電気信号を蓄積させる
ようになっており、
上記距離判定部は、上記スイッチが上記第１のタイミングで上記経路の切り換えを行った際の上記演算部による演算結果と、上記スイッチが上記第２のタイミングで上記経路の切り換えを行った際の上記演算部による演算結果とを用いて、上記測定対象物までの距離を判定するようになっている
ことを特徴とする光学式測距装置。
【請求項７】
請求項２に記載の光学式測距装置において、
上記蓄積時間決定部は、上記演算部による演算結果が第１の所定時間内において上記閾値に至らない場合には、上記蓄積時間を決定不能とし、
上記距離判定部は、上記蓄積時間決定部による上記蓄積時間の決定不能を受けて、上記測定対象物までの距離を判定不能とする
ようになっていることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項８】
請求項２に記載の光学式測距装置において、
上記蓄積時間決定部は、上記演算部による演算結果が第２の所定時間内において上記閾値に至った場合には、上記蓄積時間を決定不能とし、
上記距離判定部は、上記蓄積時間決定部による上記蓄積時間の決定不能を受けて、上記測定対象物までの距離を判定不能とする
ようになっていることを特徴とする光学式測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光が射出されてから測定対象物で反射して受光素子で検出されるまでの光の走行時間を計測して、上記測定対象物までの距離を検出する光学式測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光の往復時間を測定して測定対象までの距離を算出する方法である所謂ＴＯＦ(Time Of Flight)法が、測距方法として広く知られている。この測距方法は、光の速度ｃが３.０×１０8m/sと既知であるため、その往復時間ｔ1を測定することによって、次式(１)によって対象物までの距離Ｌを算出する方法である。
Ｌ＝(ｃ・ｔ1)/２…（１）
【０００３】
上記ＴＯＦ法における具体的な信号処理方法は種々提案されており、例えば特開平６‐１８６６５号公報(特許文献１)に開示された距離計測装置では、スタートパルス(発光素子と同期)を開始信号とし、ストップパルス(受光信号)が検出されるまで積分器に電荷を蓄積(または放電)し続け、その増加(または減少)量から光の往復時間を検出するようにしている。このように、上記スタートパルスとストップパルスとの間の時間を測定する測定方法としては、例えば、特開平７‐２９４６４２号公報(特許文献２)に開示された距離測定装置のように、スタートパルスと同時に基準ＣＬＫのパルス数のカウントを開始し、ストップパルスが検出された時のパルス数に基づいて光の往復時間を得るもの等がある。
【０００４】
しかしながら、これらの方法は、何れも受光素子で検出した電流信号をパルス(電圧)信号に変換し、時間情報をパルス波形に持たせた形で信号処理を行っている。一般に、測定対象物は特定されておらず、測定対象物等からの反射光量のダイナミックレンジは非常に大きく、自然光等の背景光によるノイズ成分の方が大きくなる場合が多々あり得る。このような状況において、背景光によるノイズを除去して適切に信号光パルスを抽出することは非常に困難である。また、環境(主に温度)等の影響によって電圧波形は容易に位相遅延を引き起こす。そのため、時間軸上でのばらつきが非常に大きくなり、何らかの時間補正手段を必要とする。その場合には、回路構成が非常に複雑になり、結果的に製造コストの増大につながってしまう。
【０００５】
これに対し、R.Miyagawaらは、一般的なＣＣＤ(電荷結合素子)構造を有するフォトゲートを用いることによって、受光信号を電圧変換する前に光電流を処理することにより距離情報が得られることを発表している(“CCD-Based Range-Finding Sensor”IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.44,No10,October,1997,p1648〜1652(非特許文献１))。図６に、R.Miyagawaらが提案しているフォトゲート構造を有する受光器の一例である模式断面図を示す。また、図７には、上記フォトゲート構造の動作を示すタイミングチャートを示す。
【０００６】
図６において、１はＰ型半導体基板、２はＰ型半導体基板１と共に受光部を構成するｎ型半導体層、３はＡch(Ａチャネル)の電荷蓄積部を構成するｎ型半導体層、４はＢchの電荷蓄積部を構成するｎ型半導体層である。また、５,６はＭＯＳ(金属酸化膜半導体)構造を有するゲートであり、ｎ型半導体層２と電荷蓄積部３とゲート５とでＡch側のスイッチングＭＯＳトランジスタ７を形成している。同様に，ｎ型半導体層２と電荷蓄積部４とゲート６とで、Ｂch側のスイッチングＭＯＳトランジスタ８を構成している。
【０００７】
発光素子(図示せず)は、図７(a)に示すタイミングに従って、光を測定対象物に照射する。測定対象物によって反射された光信号は、図６におけるＰ型半導体基板１とｎ型半導体層２とで構成された受光部によって検出され、図７(b)に示すような受光信号となる。その場合、図７(a)と図７(b)との位相関係は、光が測定対象物までの距離を往復する時間(ｔ1)だけ受光信号が遅延している。ここで、Ａch側のスイッチングＭＯＳトランジスタ７におけるゲート５を発光信号と同期してオン・オフし、さらにＢch側のスイッチングＭＯＳトランジスタ８におけるゲート６をゲート５がオフすると同時にオンするようになっている。この場合、各ゲート５,６に入力されるゲート信号ＧA,ＧBにおけるレベル「Ｈ」の持続時間は、発光信号におけるレベル「Ｈ」の持続時間ｔ0と同じである。
【０００８】
上述のようなタイミングで上記各スイッチングＭＯＳトランジスタ７,８によるスイッチング動作を行うことによって、Ａchの電荷蓄積部３には図７(e)に示す時間(ｔ0−ｔl)に相当するｎ型半導体層２からの電荷が蓄積され、Ｂchの電荷蓄積部４には(ｔl)に相当するｎ型半導体層２からの電荷が蓄積される。そして、この動作を複数回繰り返して電荷蓄積部３,４に電荷を蓄積して信号成分(つまり、蓄積電荷)を大きくしてから、この両チャネルの信号を読み出すことによって、例えば両信号の比を計算して測定対象物までの距離を測定することができるのである。
【０００９】
図６に示すフォトゲート構造によれば、光の往復時間に相当する位相遅延量の情報は、蓄積電荷量(強度)として処理される。そのために、例えば温度変化等があっても信号処理の上で位相のばらつきについて考慮する必要はない。したがって、安定した距離の測定が可能になる。
【００１０】
一般の環境下においては、太陽光や照明(蛍光灯など)のような何らかの背景光が存在する。そして、背景光が存在する場合には、図７に示す受光信号波形には背景光が重畳される。背景光の変調周波数はＤＣ(太陽光の場合)から数十ｋＨz(インバータ灯の場合)等多様であるが、一般の生活環境下では精々ｋＨzレベルである。これに対し、上記ＴＯＦ法は光の速度を用いた遅延時間測定であるので、その周波数は高く、数十ＭＨｚレベルを用いるのが一般的である。そのため、受光信号のパルス波形に対して背景光の周波数は十分低く、上記パルス波形の１周期内ではＤＣと見なすことができる。図８に、背景光がある場合のタイミングチャートを示す。図８(e)および図８(f)に示すように、背景光がある場合には、Ａchの電荷蓄積部３およびＢchの電荷蓄積部４に蓄積される電荷量は、ゲート５,６がオンの持続時間における背景光の分だけ増加している。そのために、Ａchの電荷蓄積部３およびＢchの電荷蓄積部４に蓄積された電荷量を用いて遅延時間ｔ1を求めることはできないのである。
【００１１】
このような問題に対し、特開２００４‐２９４４２０号公報(特許文献３)に開示された距離画像センサにおいては、上記非特許文献１の場合と同様の構造に加え、さらに電荷蓄積部３,４とは別の電荷蓄積部(図示せず)を設け、第３の時間帯に背景光のみをモニタすることによって、ＡchおよびＢchの出力から反射信号のみを抽出するようにしている。図９に、そのタイミングチャートを示す。図９に示すように、Ａchのゲート信号ＧAとＢchのゲート信号ＧBとに続いて、同じパルス幅ｔ0のゲート信号ＧCでオンするゲート(図示せず)を有するＣchのスイッチングＭＯＳトランジスタ(図示せず)を、上記受光部の周辺に設けている。この場合、ゲート信号ＧCがオンする時間帯には反射光に基づくパルス信号が存在しないため、背景光のみによる電荷が蓄積され、背景光強度がモニタされる。したがって、これらの３つの蓄積キャリア(強度)から、以下の式(２)を用いて、背景光があるような環境下であっても測定対象物までの距離を求めることができるのである。但し、式(２)中、ＡはＡchの電荷蓄積部３に蓄積された電荷量、ＢはＢchの電荷蓄積部４に蓄積された電荷量、ＣはＣchの(背景光用の)電荷蓄積部に蓄積された電荷量である。
2007132848.tif 000003
2007132848.tif 000004
【００１２】
しかしながら、上記特許文献３に開示された距離画像センサにおいては、以下のような問題がある。すなわち、上述したような背景光は、例えば屋外の太陽光下では数十万ルクスにも達し、オフィス等の比較的明るい屋内でも数千ルクスの明るさがある。このような強い背景光によって、例えば受光素子に通常のフォトダイオードを用いた場合には、光学系やその受光面積にもよるが、得られる光電流は、一般的にmＡオーダー以上になることは容易に計算できる。これに対し、測定対象物から反射して戻ってくる光の量は測定対象物表面での反射の状態と測定対象物までの距離に大きく依存し、例えば、発光素子に高出力のレーザーダイオード(ＬＤ)(数百mＷ)を用いても、対象物まで数ｍの距離があると上記受光素子に入射する光量はnＷ程度まで小さくなる場合がある。
【００１３】
このような環境下では、図６における蓄積部３,４に蓄積された電荷のＳＮ比は非常に低く、大部分のノイズ成分の中に微小な信号成分が存在することになる。そして、蓄積部３,４の電荷に対するキャパシティは有限であるためノイズ成分の分だけ増加した電荷を繰り返して蓄積する際の繰り返し数が制限され、ＳＮ比が低ければ低い程測定距離の誤差が大きくなってしまうのである。
【特許文献１】特開平６‐１８６６５号公報
【特許文献２】特開平７‐２９４６４２号公報
【特許文献３】特開２００４‐２９４４２０号公報
【非特許文献１】“CCD-Based Range-Finding Sensor”IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.44,No10,October,1997,p1648〜1652
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、この発明の課題は、背景光が強い環境下であっても測距精度の高い光学式測距装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、この発明の光学式測距装置は、
繰り返し周波数を有する変調信号に同期して光を送信する送信器と、
上記送信器から送信されて測定対象物で反射された光を受信して、受信した光信号に応じた信号を出力する受信器と、
上記受信器から出力された信号を処理する信号処理部と
を備え、
上記受信器は、
受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、
上記受光素子からの電気信号を、少なくとも２つの径路に上記変調信号に同期した所定のタイミングで切り換えるスイッチと、
上記各径路の夫々に配置されて、上記各径路に切り換えられた電気信号を蓄積する複数の蓄積素子と
を含み、
上記信号処理部は、
上記夫々の蓄積素子に蓄積された各径路毎の電気信号の差の演算を行う演算部と、
上記演算部による演算結果に基づいて上記蓄積素子の蓄積時間を決定する蓄積時間決定部と、
上記蓄積時間決定部で決定された蓄積時間分だけ上記各蓄積素子に蓄積された電気信号の上記演算部による演算結果を用いて、上記測定対象物までの距離を判定する距離判定部と
を含むことを特徴としている。
【００１６】
上記構成によれば、スイッチによって切り換えられる２つの径路の夫々に配置された各蓄積素子に蓄積された電気信号の差の演算を演算部によって行うので、上記演算部による演算結果からは、背景光等のノイズ成分が適宜除去される。したがって、上記演算結果には、測定対象物で反射された反射光による信号成分のみが抽出されて蓄積されることになる。さらに、上記各蓄積素子による蓄積時間は、蓄積時間決定部によって上記演算結果に基づいて決定されるので、背景光除去後の信号成分のみを距離測定に十分な量になるまで蓄積することができる。
【００１７】
以上のことより、例えば屋外等の背景光が非常に強い環境下であっても上記蓄積素子がノイズ成分で飽和することはなく、十分に蓄積された信号成分に基づいて送信器から光が送信されてから測定対象物で反射された光が受信器で受信されるまでの経過時間を精度よく検出することができ、距離判定部によって上記測定対象物までの距離を高精度に判定することができる。
【００１８】
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記蓄積時間決定部は、上記演算部による演算結果と閾値との比較によって、上記蓄積時間を決定するようになっている。
【００１９】
この実施の形態によれば、上記演算部による演算結果と閾値との比較によって上記各蓄積素子による上記蓄積時間が決定されるので、上記蓄積時間決定部を例えばコンパレータ等の比較器によって容易に構成することができると共に、上記蓄積時間の決定を確実に行うことができる。
【００２０】
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記蓄積時間決定部は、上記演算部による演算結果が上記閾値に至るまでの時間をｔとし、上記変調信号の繰り返し周波数をＴとし、上記蓄積時間をＴsumとした場合に、上記蓄積時間Ｔsumを以下の関係を満たす値に決定するようになっている。
Ｔsum＝ｍ×Ｔ
但し、上記ｍは、ｍ＞ｔ/Ｔを満たす最小の整数
【００２１】
この実施の形態によれば、上記蓄積時間Ｔsumが上記関係を満たす最小値に決定されるので、上記変調信号の１周期分の電気信号が蓄積されている最中に上記演算結果が上記閾値に至った場合であっても、上記変調信号の１周期分の単位で電気信号を蓄積することができる。したがって、不完全な状態で上記蓄積素子および上記演算部の動作を中断する必要が無く、上記測定対象物までの距離を正確に判定することができる。
【００２２】
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記受信器および信号処理部は、上記受光素子,スイッチ,蓄積素子および演算部の集合でなるユニットを２つ備えており、
上記２つのユニットのうちの一方である第１ユニットにおける上記スイッチの切り換え間隔は、上記２つのユニットのうちの他方である第２ユニットにおける上記スイッチの切り換え間隔の２倍以上であり、
上記蓄積時間決定部は、上記第１ユニットの演算部による演算結果と閾値との比較によって、上記第１ユニットの蓄積素子および上記第２ユニットの蓄積素子の蓄積時間を決定するようになっており、
上記距離判定部は、上記第１ユニットの演算部による演算結果と上記第２ユニットの演算部による演算結果とを用いて上記測定対象物までの距離を判定するようになっている。
【００２３】
この実施の形態によれば、上記受光素子,スイッチ,蓄積素子および演算部の集合でなる２つのユニットのうち、第１ユニットにおける上記スイッチの切り換え間隔を、第２ユニットにおける上記スイッチの切り換え間隔の２倍以上にしている。したがって、上記第２ユニットにおける上記スイッチの切り換え間隔を上記変調信号の繰り返し周期と同じにすれば、第１ユニットにおける各径路の蓄積素子に蓄積された電気信号には、上記測定対象物による反射光の受光信号の全体が含まれることになる。その結果、上記第１ユニットにおいて、上記各径路における上記各蓄積素子に蓄積された電気信号の差の演算を上記演算部によって行うことによって、上記受光信号の強度をモニタすることが可能になる。
【００２４】
すなわち、この発明によれば、上記第１ユニットの演算部による演算結果と上記第２ユニットの演算部による演算結果とに基づいて、上記反射光の受光信号の強度が未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く上記測定対象物までの距離を判定することができるのである。
【００２５】
さらに、上記反射光の受光信号の強度をモニタすることによって、上記測定対象物までの距離の測定に必要な信号が十分に蓄積されるまで上記演算結果を蓄積することができ、上記測定対象物までの距離をより正確に判定することができる。
【００２６】
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記第１ユニットの蓄積素子における蓄積時間と上記第２ユニットの蓄積素子における蓄積時間とが等しくなっている。
【００２７】
この実施の形態によれば、上記第１ユニットと上記第２ユニットとの蓄積素子の蓄積時間を同じにしているので、後に行われる上記距離判定部による上記距離の演算・判定を容易にすることができる。
【００２８】
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記スイッチによる上記経路の切り換えタイミングを制御すると共に、上記各蓄積素子に蓄積された電気信号の消去を行う制御部を備え、
上記制御部は、
第１のタイミングによって上記スイッチに上記経路の切り換えを行わせ、
上記蓄積時間決定部によって上記蓄積素子の蓄積時間が決定されると、上記各蓄積素子に蓄積された電気信号を消去した後、第２のタイミングによって上記スイッチに上記経路の切り換えを行わせて、上記決定された蓄積時間に基づく時間だけ上記各蓄積素子に電気信号を蓄積させる
ようになっており、
上記距離判定部は、上記スイッチが上記第１のタイミングで上記経路の切り換えを行った際の上記演算部による演算結果と、上記スイッチが上記第２のタイミングで上記経路の切り換えを行った際の上記演算部による演算結果とを用いて、上記測定対象物までの距離を判定するようになっている。
【００２９】
この実施の形態によれば、第１の時間帯において、上記スイッチを第１のタイミングで動作させて、上記蓄積時間決定部によって上記蓄積素子の蓄積時間を決定し、その蓄積時間に基づいて第２の時間帯の時間長が決定される。そして、上記第２の時間帯において、上記スイッチを第２のタイミングで動作させて、上記距離判定部によって、上記第１の時間帯と上記第２の時間帯とにおける上記演算部による演算結果を用いて、上記測定対象物までの距離が判定される。したがって、上記第１の時間帯における上記スイッチの切り換え間隔を、上記第２の時間帯における上記スイッチの切り換え間隔の２倍以上にし、上記第２の時間帯における上記スイッチの切り換え間隔を上記変調信号の繰り返し周期と同じにすれば、第１の時間帯において各径路の蓄積素子に蓄積された電気信号には、上記測定対象物による反射光の受光信号の全体が含まれることになる。その結果、上記第１の時間帯において、上記各径路における上記各蓄積素子に蓄積された電気信号の差の演算を上記演算部によって行うことによって、上記受光信号の強度をモニタすることが可能になる。
【００３０】
すなわち、この実施の形態においては、上記第１の時間帯における上記演算部による演算結果と上記第２の時間帯における上記演算部による演算結果とに基づいて、上記反射光の受光信号の強度が未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く上記測定対象物までの距離を判定することができるのである。
【００３１】
つまり、この実施の形態によれば、上記受光素子,スイッチ,蓄積素子および演算部の集合でなるユニットを２つ備えた光学式測距装置と同じ効果を、上記ユニットを一つ備えた構成で達成できる。したがって、上記ユニットを２つ備えた光学式測距装置の小型化を図ることができるのである。
【００３２】
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記蓄積時間決定部は、上記演算部による演算結果が第１の所定時間内において上記閾値に至らない場合には、上記蓄積時間を決定不能とし、
上記距離判定部は、上記蓄積時間決定部による上記蓄積時間の決定不能を受けて、上記測定対象物までの距離を判定不能とする
ようになっている。
【００３３】
上記演算部による演算結果が第１の所定時間内において上記閾値に至らない場合には、上記測定対象物が十分遠方にあることや、上記測定対象物の反射率が極端に低いことや、上記測定対象物の表面が鏡面状態であるため反射光が強すぎること等によって、上記受光素子によって受信される反射光量が弱すぎることが想定される。
【００３４】
この実施の形態によれば、上記演算部による演算結果が第１の所定時間内において上記閾値に至らない場合には、上記蓄積時間を決定不能とし、上記測定対象物までの距離を判定不能とするので、上述のような原因で上記受光素子で受信される反射光量が弱すぎる場合に、判定される距離の誤判定を防止することができる。
【００３５】
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記蓄積時間決定部は、上記演算部による演算結果が第２の所定時間内において上記閾値に至った場合には、上記蓄積時間を決定不能とし、
上記距離判定部は、上記蓄積時間決定部による上記蓄積時間の決定不能を受けて、上記測定対象物までの距離を判定不能とする
ようになっている。
【００３６】
上記演算部による演算結果が上記第１の所定時間よりも短い第２の所定時間内において上記閾値に至った場合には、上記測定対象物が近くに在ることや、上記測定対象物の表面が鏡面状態であるため反射光が強すぎること等によって、上記蓄積素子への電気信号の蓄積回数が少なくなるため十分な平均化効果が得られず、１回当たりの測定誤差が測定結果に大きく影響するようになる。
【００３７】
この実施の形態によれば、上記演算部による演算結果が第２の所定時間内において上記閾値に至った場合には、上記蓄積時間を決定不能とし、上記測定対象物までの距離を判定不能とするので、上述のように十分な平均化効果が得られず、１回当たりの測定誤差が測定結果に大きく影響するような場合には、上記距離判定部による距離の誤判定を防止することができる。
【発明の効果】
【００３８】
以上より明らかなように、この発明の光学式測距装置は、スイッチによって切り換えられる２つの径路の夫々に配置された蓄積素子に蓄積された電気信号の差の演算を演算部によって行うので、上記演算部による演算結果から背景光等のノイズ成分を適宜除去することができる。したがって、上記演算結果には、測定対象物で反射された反射光による信号成分のみを抽出して蓄積することができる。さらに、上記各蓄積素子による蓄積時間を、蓄積時間決定部によって上記演算結果に基づいて決定するので、背景光除去後の信号成分のみを距離測定に十分な量になるまで蓄積することができる。
【００３９】
すなわち、この発明によれば、例えば屋外等の背景光が非常に強い環境下であっても上記蓄積素子がノイズ成分で飽和することがなく、十分に蓄積された信号成分に基づいて送信器から光が送信されてから測定対象物での反射光が受信器で受信されるまでの経過時間を精度よく検出することができ、距離判定部によって上記測定対象物までの距離を高精度に判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４１】
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の光学式測距装置におけるブロック図である。また、図２は、図１に示す光学式測距装置の動作を示すタイミングチャートである。以下、図１および図２に従って本実施の形態における光学式測距装置について説明する。
【００４２】
図１に示すように、本光学式測距装置は、測定対象物１４に向かって光ビーム１７を発射する送信器１１と、上記測定対象物１４で反射された光ビーム１８を検出する受信器１２と、受信器１２からの検出信号を処理する信号処理回路部１３とで、概略構成される。
【００４３】
上記送信器１１においては、変調信号発生器１５からの変調信号に同期して、発光素子１６によって測定対象物１４に向かって光ビーム１７が発射される。ここで、上記変調信号は、図２(a)に示すように、パルス幅ｔ0のパルスを一定の繰り返し周波数で繰り返すパルス波である。但し、上記変調信号はパルス波に限定されるものではなく、三角波や鋸派等の時間を関数として表せる波形を有する信号であれば、本光学式測距装置の機能を得ることができる。尚、以下の説明はパルス波であるとして行う。また、夫々の変調信号についての詳細は後述する。
【００４４】
上記測定対象物１４によって反射された光ビーム１８は、上記受信器１２における受光素子１９によって検出される。その場合、光ビーム１８は、図２(b)に示すように、測定対象物１４までの距離を光ビーム１７,１８が往復する時間(ｔ1)だけ変調信号よりも位相遅延して検出される。ここで、図２(b)中における「Ｉp」は受光素子１９による光電変換によって発生した反射光の光ビーム１８による電流信号(以下、パルス信号と言う)の強度を表し、「Ｉb」は背景光による電流信号(ノイズ信号)の強度を表している。
【００４５】
今、測距可能な範囲を７.５ｍとすると、上記式(１)より、発光信号のパルス幅t0は５０nsec必要であることが容易に分かる。さらに、背景光は精々数十ｋＨz程度であるためその周期は数十μsec程度であり、上記パルス幅５０nsecに対して十分大きい。そのために、図２に示すように、上記発光信号のパルス幅t0の時間長においては、背景光はＤＣ光であると見なすことができる。
【００４６】
その後、上記受光素子１９による検出信号(受光信号＝パルス信号＋ノイズ信号)は、第１スイッチ２０および第２スイッチ２１によって経路が第１経路(Ａch)と第２経路(Ｂch)とに切り換えられ、受光素子１９から第１経路(Ａch)側に流れた受光信号は第１蓄積素子２２に入力される。一方、上記受光素子１９から第２経路(Ｂch)側に流れた受光信号は第２蓄積素子２３に入力される。ここで、第１スイッチ２０および第２スイッチ２１は、図２(c)および図２(d)に示すように、上記発光信号と同じタイミングによってオン・オフ制御される。尚、図２(c)および図２(d)中における第１開閉信号ＳAは第１スイッチ２０用の制御信号であり、第２開閉信号ＳBは第２スイッチ２１用の制御信号であり、共に送信器１１の変調信号発生器１５から供給される。そして、第１経路(Ａch)の第１蓄積素子２２には、図２(e)に示すように、図２(a)に示す変調信号の１周期当たり(Ｉp(ｔ0−ｔl)＋Ｉb・ｔ0)の電荷が蓄積される。同様に、第２経路(Ｂch)の第２蓄積素子２３には、図２（f)に示すように、上記変調信号の１周期当たり(Ｉp・ｔl＋Ｉb・ｔ0)の電荷が蓄積される。
【００４７】
すなわち、上記受信器１２を構成する受光素子１９は、具体的には、例えば、図６におけるＰ型半導体基板１およびｎ型半導体層２に相当し、第１スイッチ２０および第２スイッチ２１は図６におけるＭＯＳトランジスタ７,８に相当し、第１蓄積素子２２は図６における電荷蓄積部３に相当し、第２蓄積素子２３は図６における電荷蓄積部４に相当するのである。
【００４８】
こうして上記第１蓄積素子２２および第２蓄積素子２３に蓄積された電荷は、Ａch信号およびＢch信号として上記信号処理回路部１３を構成する上記演算部としての差動演算部２４に入力される。そして、差動演算部２４によって第１蓄積素子２２からのＡch信号と第２蓄積素子２３からのＢch信号との差の演算(差動演算)が行われる。そして、図２(g)に示すような蓄積差動信号が得られる。ここで、上記蓄積差動信号は、蓄積回数Ｎを用いて式(３)によって表すことができる。
蓄積差動信号＝Ｎ・［Ｉp(ｔ0−ｔ1)＋Ｉb・ｔ0］−Ｎ・(Ｉp・ｔl＋Ｉb・ｔ0)
＝Ｎ・Ｉp(ｔ0−２ｔ1)      …（３）
【００４９】
尚、上記式(３)における「Ｎ」は、次のようにして決定される。図３は、図２に示すタイミングチャートにおける図２(a)に示す発光信号と図２(g)に示す蓄積差動信号とを、複数周期に亘って示した図である。図３に示すように、発光信号の持続時間ｔ0に相当する差動信号が１周期毎に積算され、ある時刻ｔ2において予め設定された閾値−Ｖthと交差する。この場合における積算回数(上記発光信号の周期数)が蓄積回数Ｎとして決定されるのである。ところで、図３においては、一例として蓄積差動信号が負になる場合を例示したが、パルス幅ｔ0と遅延時間ｔ1との関係によって蓄積差動信号の符号は決まる。但し、ｔ1＝ｔ0/２なる関係を有する場合にはパルス幅ｔ0に相当する差動信号は０になるため、上記差動信号の積算を繰り返しても上記差動信号は蓄積されない。この場合には、測定可能範囲をｔ0/２までに限定する等の制限が必要である。
【００５０】
図３に示すように、上記蓄積差動信号の値が予め設定された閾値(±Ｖth)に至った時間ｔ2を検出するには、上記蓄積差動信号の値が上記閾値に至る際に出力レベルが反転する比較器(コンパレータ)を用いるのがよい。本実施の形態においては、図１に示すように、差動演算部２４からの出力信号(蓄積差動信号)を比較器２５に入力する。そして、比較器２５おいて蓄積差動信号の値と閾値(±Ｖth)との比較が行われ、｜蓄積差動信号の値｜＞Ｖthとなって比較器２５からの出力信号のレベルが「Ｈ」から「Ｌ」に反転すると、この比較器２５からの出力信号によって第１開閉信号ＳAおよび第２開閉信号ＳBのレベルを常時「Ｌ」にして、第１スイッチ２０および第２スイッチ２１を停止させて測定を終了するのである。
【００５１】
ここで、上記比較器２５から第１スイッチ２０および第２スイッチ２１への出力信号によって測定を終了するタイミングは、図３に示すように、上記蓄積差動信号の値が上記閾値に至る時間ｔ2が含まれる上記変調信号の最短周期時間ｔ3にすることが望ましい。こうすることにより、第１蓄積素子２２および第２蓄積素子２３に電荷が蓄積されている途中に測定が終了されることがなく、電荷が完全に蓄積されてから終了することができる。
【００５２】
さらに、上記差動演算部２４からの出力信号(蓄積差動信号)は、距離判定部２６にも入力される。そして、距離判定部２６によって、上記蓄積差動信号の値が上記閾値に至る時間ｔ2から蓄積回数Ｎが求められ、上記式(３)を用いて測定対象物１４まで光ビーム１７,１８が往復する時間ｔ1が算出され、さらに上記式(１)を用いて測定対象物１４までの距離Ｌが算出されるのである。
【００５３】
上述したように、本実施の形態においては、上記差動演算部２４によって、第１蓄積素子２２からのＡch信号と第２蓄積素子２３からのＢch信号とに基づいて、式(３)によって蓄積差動信号を得るようにしている。このように、Ａch信号とＢch信号との差動演算を行うことによって、背景光等のノイズ成分を適宜除去して測定対象物１４までの距離計算に必要な信号成分のみを抽出して蓄積することができる。したがって、上記差動演算の結果を複数回積算することによって、差動演算部２４には、距離計算に十分な電荷量を蓄積することができるのである。
【００５４】
また、上記蓄積差動信号を得る場合における積算回数Ｎは、上記蓄積差動演算の結果と予め設定された閾値(±Ｖth)との比較結果によって決定するため、背景光等のノイズを除去した後の信号成分のみの蓄積量が測定対象物１４までの距離を求めるのに十分な量になるまで蓄積することができる。したがって、例えば屋外等の背景光が非常に強い環境下においても、第１蓄積素子２２や第２蓄積素子２３がノイズ成分で飽和することがなく、十分な量の信号成分から測定対象物１４までの光の往復時間を検出して、高精度な距離の演算を行うことが可能になるのである。
【００５５】
ところで、上記式(３)を用いて測定対象物１４までの距離を光ビーム１７,１８が往復する時間ｔ1を算出できるのは、受光信号強度Ｉpが既知の場合である。例えば、送信器と受信器とを互いに対向させ、発光素子としてレーザ等のコヒーレント光を用いて光のエネルギーを分散させずに出力し、受光素子によって直接受光するような測定系を用いた場合に限られる。このような場合は、出射エネルギーと受光エネルギーとは等しくなるので、受光信号強度Ｉpを予め測定しておくことによって、式(３)を用いて発光素子からレーザが出射されてから受光素子で受光されるまでの時間ｔ1を算出し、得られた時間ｔ1に基づいて式(１)を用いて受信機までの距離２Ｌを算出することができる。
【００５６】
このように、上記式(３)のみを用いて上記時間ｔ1を得ることができるのは特異な場合に限られる。ところが、一般の光学式測距装置においては、送信器１１と受信器１２とは略同じ位置に配置され、測定対象物１４からの反射光を検出して測定対象物１４までの距離を光が往復する時間ｔ1を測定する場合が殆どであり、受光信号強度Ｉpが未知であるため測定対象物１４までの往復時間ｔ1を式(３)のみを用いて算出することはできない。但し、何らかの方法によって受光信号強度Ｉpの値を得ることができる場合には、往復時間ｔ1を算出できることは言うまでもない。さらに、上述したように、ｔ1＝ｔ0/２なる関係のときに不感帯が存在するため、適用の範囲や使用方法に制限を加える必要がある。
【００５７】
・第２実施の形態
この実施の形態は、測定対象物からの反射光の受光信号強度Ｉpが未知であっても、上記測定対象物までの距離を測定できる光学式測距装置に関する。本光学式測距装置においては、受信器と差動演算部とでなるユニットを２セット備えることによって、測定対象物からの反射光を検出して上記測定対象物までの距離を測定可能にしている。以下、本光学式測距装置について詳細に説明する。
【００５８】
図４は、本実施の形態における光学式測距装置のブロック図である。また、図５は、図４に示す光学式測距装置の動作を示すタイミングチャートである。以下、図４および図５を用いて本実施の形態における光学式測距装置について説明する。
【００５９】
図４において、送信器１１,測定対象物１４,変調信号発生器１５,発光素子１６および光ビーム１７,１８は、上記第１実施の形態において図１に示す光学式測距装置の場合と同じであり説明は省略する。また、受信器３１を構成する第１受光素子１９,第１スイッチ２０,第２スイッチ２１,第１蓄積素子２２および第２蓄積素子２３は、図１に示す光学式測距装置の場合と同じであり説明は省略する。また、信号処理回路部３２を構成する第１差動演算部２４は、図１に示す光学式測距装置の場合と同じであり説明は省略する。
【００６０】
ここで、上記第１受光素子１９,第１スイッチ２０,第２スイッチ２１,第１蓄積素子２２,第２蓄積素子２３および第１差動演算部２４は、図５(a)〜図５(g)のタイミングチャートに示すように、上記第１実施の形態において図２(a)〜図２(g)のタイミングチャートに示す受光素子１９,第１スイッチ２０,第２スイッチ２１,第１蓄積素子２２,第２蓄積素子２３および差動演算部２４の場合と同様に動作する。したがって、第１差動演算部２４から出力される第１蓄積差動信号は、上記第１実施の形態における式(３)と同様に蓄積回数Ｎ1を用いて表すことができる(式(４))。
第１蓄積差動信号＝Ｎ1・［Ｉp(ｔ0−ｔ1)＋Ｉb・ｔ0］−Ｎ1・(Ｉp・ｔl＋Ｉb・ｔ0)
＝Ｎ1・Ｉp(ｔ0−２ｔ1)      …（４）
【００６１】
図４に示すように、上記受信器３１は、さらに、第２受光素子３３,第３スイッチ３４,第４スイッチ３５,第３蓄積素子３６および第４蓄積素子３７を有している。そして、測定対象物１４で反射した光ビーム１８は、第２受光素子３３によって検出される。第２受光素子３３による検出信号は、図５(h)および図５(i)に示すように、図５(a)に示す発光信号に同期したパルス幅２t0の第３開閉信号ＳCおよび第４開閉信号ＳDによってオン・オフが制御される第３スイッチ３４と第４スイッチ３５とによって、第３経路(Ｃch)と第４経路(Ｄch)とに切り換えられる。
【００６２】
上記第２受光素子３３から第３経路(Ｃch)側に流れた受光信号は第３蓄積素子３６に入力される。一方、第２受光素子３３から第４経路(Ｄch)側に流れた受光信号は第４蓄積素子３７に入力される。そして、第３経路(Ｃch)の第３蓄積素子３６には、図５(j)に示すように、図２(a)に示す変調信号の２周期当たり(Ｉp・ｔ0＋Ｉb・２ｔ0)の電荷が蓄積される。同様に、第４経路(Ｄch)の第４蓄積素子３７には、図５(k)に示すように、上記変調信号の２周期当たり(Ｉb・２ｔ0)の電荷が蓄積される。
【００６３】
すなわち、本実施の形態における上記受信器３１は、具体的には、例えば、第１受光素子１９,第１スイッチ２０,第２スイッチ２１,第１蓄積素子２２および第２蓄積素子２３に相当するＰ型半導体基板,ｎ型半導体層,ＭＯＳトランジスタおよび電荷蓄積部で成るユニットの他に、第２受光素子３３,第３スイッチ３４,第４スイッチ３５,第３蓄積素子３６および第４蓄積素子３７に相当するＰ型半導体基板,ｎ型半導体層,ＭＯＳトランジスタおよび電荷蓄積部で成るユニットを、両方のｎ型半導体層に同時に光ビーム１８が入射できるように併設して構成されているのである。
【００６４】
こうして上記第３蓄積素子３６および第４蓄積素子３７に蓄積された電荷は、Ｃch信号およびＤch信号として信号処理回路部３２を構成する第２差動演算部３８に入力される。そして、第２差動演算部３８によって第３蓄積素子３６からのＣch信号と第４蓄積素子３７からのＤch信号との上記差動演算が行われる。そして、図５(l)に示すような第２蓄積差動信号が得られる。ここで、上記第２蓄積差動信号は、蓄積回数Ｎ2を用いて式(５)によって表すことができる。
第２蓄積差動信号＝Ｎ2・［Ｉp・ｔ0＋Ｉb・２ｔ0］−Ｎ2・(Ｉb・２ｔ0)
＝Ｎ2・Ｉp・ｔ0          …（５）
【００６５】
以上のように、本実施の形態においては、上記第３経路および第４経路に関する第３スイッチ３４と第４スイッチ３５とのスイッチング時間を、上記第１経路および第２経路に関する第１スイッチ２０と第２スイッチ２１とのスイッチング時間の２倍にしている。こうすることによって、第２蓄積差動信号の値は、スイッチング時間t0が既知であるため受光信号強度Ｉpに依存した形とる。
【００６６】
そこで、上記第１実施の形態において、上記式(３)の「Ｎ」を決定する場合と同様に、パルス信号の持続時間ｔ0の２倍に相当する第２差動信号を発光信号の２周期毎に積算して、予め設定された閾値に至った場合の積算回数を上記蓄積回数Ｎ2として決定するのである。
【００６７】
その場合における上記第２蓄積差動信号の値が予め設定された閾値に至った時間(つまり蓄積回数Ｎ2)を検出するのに、上記第１実施の形態の場合と同様に、第２差動演算部３８からの出力信号(第２蓄積差動信号)を比較器３９に入力する。そして、比較器３９によって第２蓄積差動信号の値と上記閾値との比較が行われ、｜第２蓄積差動信号の値｜＞上記閾値となって比較器３９からの出力信号のレベルが反転すると、この比較器３９からの出力信号によって第１スイッチ２０,第２スイッチ２１,第３スイッチ３４および第４スイッチ３５を停止させて測定を終了するのである。
【００６８】
この場合、上記式(５)から明らかなように、上記第３経路および第４経路に関する第２蓄積差動信号では、背景光等のノイズ成分を除去して受光信号強度Ｉpそのものを検出しているため、受光信号量が十分な大きさになるまで信号を蓄積することが可能である。また、上記第３経路および第４経路による上記第２蓄積差動信号によって、測定対象物１４での反射光に基づく受光信号の強度をモニタしている。そのために、上記受光信号の発光信号に対する遅延時間ｔ1と発光信号のパルス幅ｔ0との関係が「ｔ1＝ｔ0/２」である場合に、上記第１経路および第２経路による上記第１蓄積差動信号が「０」であっても、上記第２蓄積差動信号に対する増幅等の適切な処理によって、測定対象物までの距離を測定することが可能である。
【００６９】
但し、上記Ｃch信号とＤch信号との差動演算の結果をある一定時間蓄積しても上記閾値に至らない場合には、測定対象物１４が測定可能な距離範囲よりも遠くに在る場合や、測定対象物１４の反射率が極端に低い場合や、測定対象物１４の表面が鏡面状態であるため反射光が極端に弱い場合等であると考えられる。それらの場合には、測定不能と判断して信号の蓄積を停止することによって、精度の低い測定結果を得ることを防止することができる。
【００７０】
また、逆に、上記Ｃch信号とＤch信号との差動演算結果の蓄積値(つまり、第２蓄積差動信号の値)が、上記一定時間より短い他の一定時間よりも短い時間で上記閾値に至った場合には、測定対象物１４が測定可能な距離範囲より近くに在る場合や、測定対象物１４の表面が鏡面状態であるため反射光強度が強すぎる場合等であると考えられる。それらの場合には、上記式(４)および式(５)における蓄積回数Ｎ1および蓄積回数Ｎ2の値が小さくなるため、１回当たりの測定精度が測定結果に大きく影響するようになり、十分な平均化効果が得られず結果的に測定精度を低下させることになる。それを防止するために、上記第２蓄積差動信号の値が上記一定時間内に上記閾値に至る場合も、測定不能と判断するのが好ましい。
【００７１】
上記第１差動演算部２４からの出力信号(第１蓄積差動信号)と第２差動演算部３８からの出力信号(第２蓄積差動信号)とは、距離判定部４０に入力される。そして、距離判定部４０によって、第１蓄積差動信号Ｓ1と第２蓄積差動信号Ｓ2との比が算出され、この比の値を用いて、下記の式(６)に従って、測定対象物１４までの距離Ｌが得られるのである。
2007132848.tif 000005
【００７２】
上述したように、本実施の形態においては、上記受信器３１に、上記第１実施の形態の場合と同じ第１受光素子１９,第１スイッチ２０,第２スイッチ２１,第１蓄積素子２２および第２蓄積素子２３に加えて、第２受光素子３３,第３スイッチ３４,第４スイッチ３５,第３蓄積素子３６および第４蓄積素子３７を備えている。また、信号処理回路部３２には、上記第１実施の形態の場合と同じ第１差動演算部２４に加えて、第２差動演算部３８を備えている。
【００７３】
そして、上記第１受光素子１９,第１スイッチ２０,第２スイッチ２１,第１蓄積素子２２,第２蓄積素子２３および第１差動演算部２４によって、上記第１実施の形態の場合と同様にして、Ａch信号とＢch信号との差動演算を行うことによって、上記式(４)に示すような背景光等のノイズ成分が除去された第１蓄積差動信号を求める。また、第２受光素子３３,第３スイッチ３４,第４スイッチ３５,第３蓄積素子３６,第４蓄積素子３７および第２差動演算部３８によって、上記式(５)に示すようなＣch信号とＤch信号との差動演算結果の蓄積信号である第２蓄積差動信号を求めるようにしている。
【００７４】
その際に、上記第３スイッチ３４および第４スイッチ３５における開閉時間を、上記発光信号のパルス幅t0の２倍に設定している。したがって、Ｃch信号およびＤch信号には、反射光の光ビーム１８によるパルス信号の全体が含まれることになり、Ｃch信号とＤch信号との差動演算を行うことによって、受光信号強度Ｉpのみに依存した第２蓄積差動信号を得ることができる。その結果、距離判定部４０によって、上記第１蓄積差動信号と第２蓄積差動信号とに基づいて、上記式(６)を用いて測定対象物１４までの距離Ｌを得ることができるのである。
【００７５】
したがって、本実施の形態によれば、受光信号強度Ｉpが未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く測定対象物１４までの距離Ｌを測定することができるのである。
【００７６】
また、上記第１蓄積差動信号および第２蓄積差動信号を得るための積算時間は、上記第２蓄積差動演算の結果と予め設定された閾値との比較結果によって決定するようにしている。したがって、受光信号の発光信号に対する遅延時間ｔ1と発光信号のパルス幅ｔ0との関係が「ｔ1＝ｔ0/２」であって上記第１蓄積差動信号が「０」の場合でも、測定対象物１４までの距離を測定することが可能になる。さらに、上記第２蓄積差動信号によって受光信号強度Ｉpそのものを検出するので、受光信号量が十分な大きさになるまで差動信号を蓄積することができる。
【００７７】
尚、上記第２実施の形態においては、上記第３スイッチ３４および第４スイッチ３５のスイッチング時間を、上記発光信号のパルス幅t0の２倍に設定している。しかしながら、この発明は、パルス幅t0の２倍に限定されるものではなく、パルス幅t0の２倍以上であればＣch信号およびＤch信号に反射光の光ビーム１８によるパルス信号の全体が含まれることになり、同様の効果を奏することができる。しかしながら、上記第３スイッチ３４および第４スイッチ３５のスイッチング時間がパルス幅t0の２倍よりも長い場合には、単に背景光等のノイズ成分の電荷蓄積量が多くなるだけである。したがって、第３スイッチ３４および第４スイッチ３５のスイッチング時間は、上記発光信号のパルス幅t0の２倍が最も好ましいのである。
【００７８】
また、上記第２実施の形態においては、受信器と差動演算部とでなるユニットを２セット備えて、図５(c)および図５(d)に示す開閉信号によってオン・オフが制御される第１スイッチ２０および第２スイッチ２１と、図５(h)および図５(i)に示す開閉信号によってオン・オフが制御される第３スイッチ３４および第４スイッチ３５とを、異なるユニットで構成するようにしている。しかしながら、受信器と差動演算部とでなるユニットが１セットのみである図１に示す光学式測距装置によっても、図５に示すタイミングチャートに従った動作と同等の動作を実行することができる。
【００７９】
その場合には、図１に示す構成において、さらに、上記比較器２５からの出力信号を受けて、上記出力信号のレベルが「Ｈ」から「Ｌ」に反転すると、変調信号発生器１５から第１スイッチ２０および第２スイッチ２１に供給される開閉信号の周期を変更して各スイッチの上記各経路の切り換えタイミングを変更させると共に、第１蓄積素子２２および第２蓄積素子２３に蓄積された電荷の消去を行う制御部を設ける。
【００８０】
そして、上記制御部は、先ず、上記変調信号発生器１５を制御して、図５(h)および図５(i)に示す開閉信号を出力させて、第１スイッチ２０および第２スイッチ２１を図５(h)および図５(i)に示すタイミングでオン・オフさせる。その場合、差動演算部２４は、図４に示す第２差動演算部３８と同様に動作して上記式(５)に示す第２蓄積差動信号を出力する。こうして、第１の時間帯における処理が行われる。そして、比較器２５は、｜第２蓄積差動信号の値｜＞Ｖthとなると出力信号のレベルを「Ｈ」から「Ｌ」に反転させる。
【００８１】
そうすると、上記制御部は、第１蓄積素子２２および第２蓄積素子２３に蓄積された電荷の消去を行うと共に、上記第２蓄積差動信号の値と閾値Ｖthとからの上記第１の時間帯の蓄積時間(蓄積回数Ｎ2)に基づいて、上記第１の時間帯に続く第２の時間帯の時間長を決定する。そして、さらに、変調信号発生器１５に図５(c)および図５(d)に示す開閉信号を出力させて、第１スイッチ２０および第２スイッチ２１を図５(c)および図５(d)に示すタイミングで上記決定時間長だけオン・オフさせる。その場合、差動演算部２４は、図４に示す第１差動演算部２４と同様に動作して上記式(４)に示す第１蓄積差動信号を出力する。こうして、上記第２の時間帯における処理が行われる。
【００８２】
こうして、上記第２の時間帯の処理が終了すると、上記距離判定部２６は、上記第１蓄積差動信号Ｓ1と上記第２蓄積差動信号Ｓ2との比を算出し、この比の値を用いて、式(６)に従って、測定対象物１４までの距離Ｌを得るのである。
【００８３】
この場合には、受光信号強度Ｉpが未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く測定対象物１４までの距離Ｌを測定することができる等の第２実施の形態と同じ効果を、上記受信器と差動演算部とでなるユニットが１セットのみの光学式測距装置によって達成することができる。したがって、第２実施の形態における上記ユニットを２つ備えた光学式測距装置の小型化を図ることができるのである。
【００８４】
また、上記各実施の形態においては、上記発光素子１６に印加される変調信号としてパルス波を用いている。これは、上記変調信号がパルス波の場合には上記受光信号の波形もパルス波となり、反射信号光受光時における受光信号は同じ受光信号強度(一定値)を持続することになる。その結果、Ａch〜Ｄchの各信号の電荷蓄積量は測定対象物１４までの距離Ｌに比例して変化することになり、測距可能範囲内の全域において各信号の電荷蓄積量と距離Ｌとにリニアリティ(線形性)を呈するのである。したがって、分解能を測距範囲全体で一定にすることができるからである。
【００８５】
これに対し、上記変調信号として三角波や鋸波を用いた場合には、上記受光信号の波形は時間の１次関数となり、Ａch〜Ｄchの各信号の電荷蓄積量は時間の２次関数となる。その結果、測距範囲において分解能に粗密が生ずることになる。したがって、上記変調信号としてパルス波を用いるか三角波や鋸波を用いるかを、用途に応じて適宜の使い分けるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】この発明の光学式測距装置におけるブロック図である。
【図２】図１に示す光学式測距装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】図２(a)に示す発光信号と図２(g)に示す蓄積差動信号とを複数周期に亘って示した図である。
【図４】図１とは異なる光学式測距装置のブロック図である。
【図５】図４に示す光学式測距装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】フォトゲート構造を有する受光器の一例を示す模式断面図である。
【図７】図６に示すフォトゲートの動作を示すタイミングチャートである。
【図８】図７において背景光がある場合のタイミングチャートである。
【図９】従来の距離画像センサの動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００８７】
１１…送信器、
１２,３１…受信器、
１３,３２…信号処理回路部、
１４…測定対象物、
１５…変調信号発生器、
１６…発光素子、
１７,１８…光ビーム、
１９,３３…受光素子、
２０,２１,３４,３５…スイッチ、
２２,２３,３６,３７…蓄積素子、
２４,３８…差動演算部、
２５,３９…比較器、
２６,４０…距離判定部。
【図１】
2007132848.tif 000006
【図２】
2007132848.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007132848.tif 000010
【図６】
2007132848.tif 000011
【図７】
2007132848.tif 000012
【図８】
2007132848.tif 000013
【図９】
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