(57)【要約】【課題】特に屋外等の背景光が強い環境下でも精度の高い距離測定が可能なＴＯＦ式の光学式測距装置を提供する。【解決手段】送信器１は、所定の繰り返し周波数を有する変調信号に同期した光信号を出射する発光素子４と、発光素子４に変調信号を出力する変調信号発生器５とを有する。受信器２は、測定対象物１２で反射した光ビーム１１を受信して電気信号に変換する受光素子６と、変調信号発生器５からの信号を受けて、受光素子６からの電気信号を所定のタイミングで２つの経路に切り替えるスイッチ７と、スイッチ７で切り替えられた２つの経路の電気信号を夫々蓄積する第１,第２蓄積部８a,８bとを有する。また、信号処理部３は、第１,第２蓄積部８a,８bにより蓄積された上記電気信号の差動演算を行う差動演算部９と、差動演算部９の差動演算結果に基づいて測定対象物１２までの距離を判定する距離判定部１０とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を送信してから測定対象物で反射した光を受信するまでの走行時間を測定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であって、
所定の繰り返し周波数を有する変調信号に同期した光信号を出射する発光素子と、
上記発光素子からの上記光信号が上記測定対象物で反射して、その反射した上記光信号を受信して電気信号に変換する受光素子と、
上記受光素子からの上記電気信号を所定のタイミングで少なくとも２つの経路に切り替えるスイッチと、
上記スイッチにより切り替えられた上記電気信号を夫々蓄積し、その蓄積された上記電気信号の差動演算を行う蓄積／差動演算部と、
上記蓄積／差動演算部の差動演算結果に基づ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
を備えた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／差動演算部は、キャパシタンス素子を用いた積分器を有し、
上記積分器により上記電気信号を蓄積す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、
上記スイッチは、第１経路および第２経路を切り替え、
上記蓄積／差動演算部の上記積分器は、上記第１経路に接続された第１積分器と、上記第２経路に接続された第２積分器であり、
上記蓄積／差動演算部は、上記第１積分器の出力と上記第２積分器の出力との差動演算を行うことを特徴とする光学式測距装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光学式測距装置において、
上記第１積分器および上記第２積分器に用いられるキャパシタンス素子の容量値が略同じであることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項５】
請求項３に記載の光学式測距装置において、
少なくとも上記受光素子と上記第１積分器および上記第２積分器が同一半導体基板上に作製され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、
上記蓄積／差動演算部は、キャパシタンス素子を用いた積分器を有し、
上記積分器により上記電気信号を蓄積しながら差動演算を行うことを特徴とする光学式測距装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光学式測距装置において、
上記受光素子で検出された光電流を上記スイッチにより切り替えて、上記蓄積／差動演算部の上記積分器の入力端子に入力される上記光電流の流れる方向を逆転させることによって差動演算を行うことを特徴とする光学式測距装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光学式測距装置において、
上記受光素子は、カソードが電源に接続された第１受光素子と、アノードが基準電位に接続された第２受光素子であり、
上記スイッチは、上記所定のタイミングで、上記第１受光素子のアノードを上記蓄積／差動演算部の上記積分器の入力端子に接続する一方、上記第２受光素子のカソードを上記蓄積／差動演算部の上記積分器の入力端子に接続することを特徴とする光学式測距装置。
【請求項９】
請求項８に記載の光学式測距装置において、
上記第１受光素子および上記第２受光素子が、同一構造でかつ同一サイズであることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の光学式測距装置において、
少なくとも上記第１受光素子および上記第２受光素子が同一半導体基板上に作製されていることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の光学式測距装置において、
上記受光素子に流れる電流と同じ大きさの電流を２つ生成する吐き出し型の第１カレントミラー回路と、
上記第１カレントミラー回路により生成された２つの電流の一方が入力され、その電流と同じ大きさの電流を生成する吸い込み型の第２カレントミラー回路と
を備え、
上記スイッチは、上記所定のタイミングで、上記第１カレントミラー回路により生成された電流の他方を上記積分器の入力端子に入力するか、または、上記第２カレントミラー回路により生成された電流を上記積分器の入力端子に入力するかを切り替えることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の光学式測距装置において、
定電流源と、
上記定電流源に流れる電流と同じ大きさの電流を２つ生成する吐き出し型の第１カレントミラー回路と、
上記定電流源に流れる電流と同じ大きさの電流を２つ生成する吸い込み型の第２カレントミラー回路と
を備え、
上記第１受光素子のアノードを上記第１カレントミラー回路の一方の出力側端子に接続し、上記第１受光素子のカソードを上記第１カレントミラー回路の他方の出力側端子に接続し、
上記スイッチは、上記所定のタイミングで、上記第１カレントミラー回路の一方の出力側端子を上記積分器の入力端子に入力して上記第１カレントミラー回路の他方の出力側端子を抵抗負荷に接続するか、または、上記第１カレントミラー回路の他方の出力側端子を上記積分器の入力端子に入力して上記第１カレントミラー回路の一方の出力側端子を抵抗負荷に接続するかを切り替えることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の光学式測距装置において、
上記スイッチは、第１スイッチおよび第２スイッチであり、
上記蓄積／差動演算部は、第１蓄積部および第２蓄積部を有し、
上記受光素子と第１スイッチおよび第２スイッチは隣接して配置され、
上記第１蓄積部は上記第１スイッチに隣接して配置され、
上記第２蓄積部は上記第２スイッチに隣接して配置され、
上記蓄積／差動演算部は、上記第１蓄積部および上記第２蓄積部に蓄積された信号の差動演算を行い、
少なくとも上記受光素子、上記第１スイッチ、上記第２スイッチ、上記第１蓄積部および上記第２蓄積部は、同一半導体基板上に作製されていることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光学式測距装置において、
上記受光素子、上記第１スイッチ、上記第２スイッチ、上記第１蓄積部および上記第２蓄積部が、上記受光素子の中心線に対して左右対称であることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の光学式測距装置において、
上記受光素子と、上記スイッチと、上記蓄積／差動演算部とを有するユニットを２つ備えたことを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光学式測距装置において、
上記ユニットの２つが第１ユニットおよび第２ユニットであって、
上記距離判定部は、上記第１ユニットの出力と上記第２ユニットの出力との比を計算し、その比に基づいて上記測定対象物までの距離を判定することを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の光学式測距装置において、
上記ユニットの２つが第１ユニットおよび第２ユニットであって、
上記第１ユニットのスイッチング時間をＴとするとき、上記第２ユニットのスイッチング時間が２Ｔ以上であることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の光学式測距装置において、
上記スイッチを駆動するスイッチング信号は、スイッチング時間Ｔで駆動する第１蓄積時間帯とスイッチング時間２Ｔ以上で駆動する第２蓄積時間帯で変化することを特徴とする光学式測距装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の光学式測距装置において、
上記変調信号がパルス波であることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項２０】
請求項１６に記載の光学式測距装置において、
上記第１ユニットおよび上記第２ユニットのスイッチング時間は略同一であり、
上記変調信号は正弦波信号を含むことを特徴とする光学式測距装置。
【請求項２１】
請求項１５に記載の光学式測距装置において、
上記ユニットの２つが第１ユニットおよび第２ユニットであって、
上記第１,第２ユニットの上記蓄積／差動演算部は、キャパシタンス素子を用いた積分器を夫々有し、
上記第１ユニットの上記蓄積／差動演算部の上記積分器に用いられるキャパシタンス素子と、上記第２ユニットの上記蓄積／差動演算部の上記積分器に用いられるキャパシタンス素子の容量値が略同一であることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項２２】
請求項１５に記載の光学式測距装置において、
上記ユニットの少なくとも２つが第１ユニットおよび第２ユニットであって、
上記第１ユニットと上記第２ユニットが同一半導体基板上に作製されていることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項２３】
請求項１乃至２２のいずれか１つに記載の光学式測距装置において、
上記発光素子が発光ダイオードであることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項２４】
請求項１乃至２２のいずれか１つに記載の光学式測距装置において、
上記発光素子がレーザーダイオードであることを特徴とする光学式測距装置。
【請求項２５】
請求項１乃至２４のいずれか１つに記載の光学式測距装置において、
上記発光素子から出射される光ビームをスキャンするスキャン機構を備えた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、光学式測距装置に関し、詳しくは、光が射出し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走行時間を計測することにより測定対象物までの距離を検出する光学式測距装置に関し、特に、障害物を検出する必要があるパーソナルロボットや機械式接点のない非接触スイッチや非接触制御用デバイスなどの電子機器に用いると好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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手法、いわゆるＴＯＦ(Time Of Flight)法は測距技術として広く知られている。この方法は、光の速度ｃが３.０×１０８[ｍ／ｓｅｃ]と既知であるため、その往復時間Δｔを測定することにより、次の(式１)で対象物までの距離Lを算出するものである。
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【０００３】
ＴＯＦ法の具体的な信号処理方法は種々提案されており、例えば特許文献１（特開平６−１８６６５号公報）にはスタートパルス(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(減少)量から光の往復時間を検出している。スタートパルスとストップパルスの間の時間を測定するような同様の測定方法は、例えば、特許文献２（特開平７−２９４６４２号公報）のようにスタートパルスと同時に基準ＣＬＫのパルスをカウントし、ストップパルスが検出されるまでのパルス数を計測して往復時間を得るものなどがある。
【０００４】
しかし、これらの方法は、いずれも受光素子で検出した信号をパルス(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、それらからの反射光量のダイナミックレンジは非常に大きく、自然光など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える。このような状況において、背景光ノイズを除去して適切に信号光パルス光を抽出することは非常に困難である。また、環境(主に温度)等の影響により電圧波形は容易に位相遅延を引き起こすため、時間軸上でのばらつきが非常に大きくなり何らかの補正手段を要するため、その場合でも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】
これに対して、リョーヘイ・ミヤガワ(R. Miyagawa)らは一般的なＣＣＤ構造をしたフォトゲート構造を距離測定センサに用いることにより、受光信号を電圧変換する前の光電流を処理することにより距離情報が得られる方法を発表している(例えば、非特許文献１参照)。
【０００６】
図１２に発表された距離測定センサの構造の模式断面図を示し、図１３にその方式による動作を説明するためのタイミングチャートを示す。
【０００７】
図１２中の１０１はＰ型半導体基板、１０２は受光部をなすｎ型半導体層、１０３および１０４はそれぞれＡｃｈ,Ｂｃｈの電荷蓄積部に相当するｎ型半導体層である。１０５,１０６はＭＯＳ構造をしたスイッチであり、ｎ型半導体層１０２,１０３およびスイッチ１０５でスイッチングＭＯＳトランジスタを形成しており、同様にｎ型半導体層１０２,１０４およびスイッチ１０６でスイッチングＭＯＳトランジスタを形成している。
【０００８】
図１３に示すように、発光素子は、図１３(a)のタイミングに従って光を対象物に照射する。対象物で反射した光信号は図１２に示すｎ型半導体層１０１,１０２で形成される受光部で検出され、図１３(ｂ)のような受光信号となる。このとき、図１３(a)の発光信号と図１３(b)の受光信号の位相関係は、測定対象物までの距離を光が往復する時間(ｔｌ)だけ受光信号が遅延している。ここで、Ａｃｈのゲート(ＧＡ)を発光信号と同期してオンし、さらにＢｃｈのゲート(ＧＢ)をＡｃｈがオフすると同時にオンするようになっている。このとき、各ゲート信号(ＧＡ, ＧＢ)のオンの持続時間は発光信号の持続時間t０と同じである。
【０００９】
このようなタイミングでスイッチング動作を行うことにより、Ａｃｈの電荷蓄積部(１０３)には、図１３(e)で示される(t０−tl)に相当する電荷が蓄積され、Ｂｃｈの電荷蓄積部(１０４)には(tl)に相当する電荷が蓄積される。この動作を複数回繰り返して信号を蓄積して信号成分を大きくしてから、この両ｃｈの信号を読み出すことにより、例えば両信号の比を計算して対象物までの距離を測定することができる。この手法によれば、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)として処理されるため、例えば温度変化などがあっても信号処理をする上で位相のばらつきについて考慮する必要はない。このため、安定した距離の測定が可能となる。
【００１０】
一般の環境下では、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。背景光が存在するとき、受光信号波形は、背景光が重畳したものとなる。背景光の変調周波数はＤＣ(太陽光)から数十ｋＨz(インバータ灯)など多様であるが、せいぜい一般の生活環境下では、ｋＨzレベルである。これに対して、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。このため、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、パルス波形の１周期内でＤＣとみなすことができる。
【００１１】
図１４に背景光があるときのタイミングチャートを示す。図１４(e)、図１４(ｆ)に示すように、Ａｃｈ,Ｂｃｈに蓄積される電荷量はゲートのオンの持続時間の分だけ増加しているため、これらを用いて遅延時間ｔｌを求めることはできない。
【００１２】
このような問題に対して、特許文献３(特開２００４−２９４４２０号公報)では、上記と同様の構造に加え、さらに別の電荷蓄積領域を設け、第３の時間帯に背景光のみをモニタすることにより、ＡｃｈとＢｃｈの出力から反射信号のみを抽出している。
【００１３】
図１５にそのタイミングチャートを示す。図１５に示すように、Ａｃｈ,Ｂｃｈに続いて同じパルス幅でＣｃｈのゲートをオンするようなスイッチングＭＯＳトランジスタを受光部周辺(図略)に設ける。この時間帯は反射信号光が存在しないため、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。これらの３つの蓄積キャリア(強度)から、次の(式２)を用いて、背景光があるような環境下でも対象物までの距離を求めることができる。
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【００１４】
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、オフィスなど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り、例えば受光素子に通常のフォトダイオードを用いたとき、光学系やその受光面積にもよるが一般的にｍＡオーダー以上になることは容易に計算できる。これに対して、対象物から反射して戻ってくる光の量は、対象物表面での反射の状態と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ＬＤ(数百ｍＷ)を用いても対象物まで数ｍの距離があると、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。このような環境下では、図１２の電荷蓄積部(１０３,１０４)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。電荷蓄積部(１０３,１０４)の電荷に対するキャパシティは有限であり、ＳＮ比が低ければ低いほど測定距離の誤差が大きくなってしまう。
【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】リョーヘイ・ミヤガワ(Ryohei Miyagawa)およびタケオ・カナダ(Takeo Kanada)著、「ＣＣＤを用いた距離測定センサ(CCD-Based Range-Finding Senseor)」、アイトリプルイー・電子デバイスの発表論文(IEEE Transactions on Electron Devices)、第４４巻(Vol.４４)、第１０号(No１０)、１９９７年１０月(October,１９９７)、p１６４８−１６５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、この発明の目的は、特に屋外等の背景光が強い環境下でも精度の高い距離測定が可能なＴＯＦ式の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】
【００１６】
上記目的を達成するため、この発明の光学式測距装置は、
光を送信してから測定対象物で反射した光を受信するまでの走行時間を測定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であって、
所定の繰り返し周波数を有する変調信号に同期した光信号を出射する発光素子と、
上記発光素子からの上記光信号が上記測定対象物で反射して、その反射した上記光信号を受信して電気信号に変換する受光素子と、
上記受光素子からの上記電気信号を所定のタイミングで少なくとも２つの経路に切り替えるスイッチと、
上記スイッチにより切り替えられた上記電気信号を夫々蓄積し、その蓄積された上記電気信号の差動演算を行う蓄積／差動演算部と、
上記蓄積／差動演算部の差動演算結果に基づ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
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
上記構成の光学式測距装置によれば、所定のタイミングで切り替えられたそれぞれの電気信号を蓄積し、その蓄積された電気信号の差動演算を行うことにより、背景光等のノイズ成分が適宜除去される。そうして、差動演算結果として蓄積された信号成分のみが抽出される。十分な信号成分の大きさになるまで蓄積動作を行った結果から距離判定部により測定対象物との間の光の走行時間を検出することによって、高精度な距離の演算を行うことができる。
【００１８】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記蓄積／差動演算部は、キャパシタンス素子を用いた積分器を有し、
上記積分器により上記電気信号を蓄積することを特徴とする。
【００１９】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記蓄積／差動演算部に一般的な受動素子であるキャパシタンス素子を用いるため、受光側に特別な構造を必要とせず、一般的な回路素子を用いて受光側を構成できる。
【００２０】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記スイッチは、第１経路および第２経路を切り替え、
上記蓄積／差動演算部の上記積分器は、上記第１経路に接続された第１積分器と、上記第２経路に接続された第２積分器であり、
上記蓄積／差動演算部は、上記第１積分器の出力と上記第２積分器の出力との差動演算を行うことを特徴とする。
【００２１】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記蓄積／差動演算部で第１積分器と第２積分器の出力の差動演算を行うため、最も簡単な回路構成とすることができる。
【００２２】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記第１積分器および上記第２積分器に用いられるキャパシタンス素子の容量値が略同じであることを特徴とする。
【００２３】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、第１積分器と第２積分器のキャパシタンス素子の容量値が同じであるため、その後の差動演算を容易にかつ高精度に実行することができる。
【００２４】
また、一実施形態の光学式測距装置は、少なくとも上記受光素子と上記第１積分器および上記第２積分器が同一半導体基板上に作製されていることを特徴とする。
【００２５】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、少なくとも第１積分器と第２積分器が同一半導体基板上に作製されているため、第１,第２積分器の特性を理想的に同等にすることができ、第１,第２積分器間の誤差を低減できるため、高精度な距離の測定が可能となる。
【００２６】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
請求項１に記載の光学式測距装置において、
上記蓄積／差動演算部は、キャパシタンス素子を用いた積分器を有し、
上記積分器により上記電気信号を蓄積しながら差動演算を行うことを特徴とする。
【００２７】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記蓄積／差動演算部のキャパシタンス素子を用いた積分器において、背景光成分と信号光成分を含んだ電気信号を差動演算しながら信号蓄積を行うため、部品点数を削減できるとともに、屋外等の大きな背景光環境下においても蓄積手段が背景光成分で飽和することない。
【００２８】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記受光素子で検出された光電流を上記スイッチにより切り替えて、上記蓄積／差動演算部の上記積分器の入力端子に入力される上記光電流の流れる方向を逆転させることによって差動演算を行うことを特徴とする。
【００２９】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記スイッチの切り替えにより、蓄積／差動演算部の積分器に作用させる電流の向きを所定のタイミングで反転させることにより差動演算の効果を得ることができる。これにより、一つの積分器で差動演算を行いつつ、さらに演算結果の信号成分を蓄積することができる。
【００３０】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記受光素子は、カソードが電源に接続された第１受光素子と、アノードが基準電位に接続された第２受光素子であり、
上記スイッチは、上記所定のタイミングで、上記第１受光素子のアノードを上記蓄積／差動演算部の上記積分器の入力端子に接続する一方、上記第２受光素子のカソードを上記蓄積／差動演算部の上記積分器の入力端子に接続することを特徴とする。
【００３１】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記スイッチが所定のタイミングで第１受光素子のアノードと第２受光素子のカソードに切り替えられるので、効果的に積分器に作用させる電流の向きを反転させることができる。
【００３２】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記第１受光素子および上記第２受光素子が、同一構造でかつ同一サイズであることを特徴とする。
【００３３】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記第１受光素子と第２受光素子が同一構造でかつ同一サイズであるため、その出力特性は同じとなり、積分器に作用させる電流の誤差を低減することができる。
【００３４】
また、一実施形態の光学式測距装置は、少なくとも上記第１受光素子および上記第２受光素子が同一半導体基板上に作製されていることを特徴とする。
【００３５】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記第１受光素子と第２受光素子が同一半導体基板上に作製されているので、第１,第２受光素子間の出力特性の誤差が無視できると共に、第１,第２受光素子間を極近傍に隣接して配置できるので、第１,第２受光素子間の光信号の照射ムラをなくすことができる。これにより、高精度の距離の測定が可能となる。
【００３６】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記受光素子に流れる電流と同じ大きさの電流を２つ生成する吐き出し型の第１カレントミラー回路と、
上記第１カレントミラー回路により生成された２つの電流の一方が入力され、その電流と同じ大きさの電流を生成する吸い込み型の第２カレントミラー回路と
を備え、
上記スイッチは、上記所定のタイミングで、上記第１カレントミラー回路により生成された電流の他方を上記積分器の入力端子に入力するか、または、上記第２カレントミラー回路により生成された電流を上記積分器の入力端子に入力するかを切り替えることを特徴とする。
【００３７】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記受光素子で生成される光電流を第１,第２カレントミラー回路により同一の電流を生成するため、受光素子と積分器の数はそれぞれ１つで受光器を構成できるので、部品数を削減できると共に、受光素子間や積分器間の特性差による誤差をなくすことができる。
【００３８】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
定電流源と、
上記定電流源に流れる電流と同じ大きさの電流を２つ生成する吐き出し型の第１カレントミラー回路と、
上記定電流源に流れる電流と同じ大きさの電流を２つ生成する吸い込み型の第２カレントミラー回路と
を備え、
上記第１受光素子のアノードを上記第１カレントミラー回路の一方の出力側端子に接続し、上記第１受光素子のカソードを上記第１カレントミラー回路の他方の出力側端子に接続し、
上記スイッチは、上記所定のタイミングで、上記第１カレントミラー回路の一方の出力側端子を上記積分器の入力端子に入力して上記第１カレントミラー回路の他方の出力側端子を抵抗負荷に接続するか、または、上記第１カレントミラー回路の他方の出力側端子を上記積分器の入力端子に入力して上記第１カレントミラー回路の一方の出力側端子を抵抗負荷に接続するかを切り替えることを特徴とする。
【００３９】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、定電流源と同じ一定の電流が流れる２つの経路の間に受光素子が接続されており、光電流に相当する変化量を抽出できるので、受光素子の入力インピーダンスが低減されるため、高速応答が可能となる。また、この定電流源と同じ一定の電流が流れる経路が２系統備えられているため、上記スイッチによって、所定のタイミングで、第１カレントミラー回路の一方の出力側端子を積分器の入力端子に入力して第１カレントミラー回路の他方の出力側端子を抵抗負荷に接続するか、または、第１カレントミラー回路の他方の出力側端子を積分器の入力端子に入力して第１カレントミラー回路の一方の出力側端子を抵抗負荷に接続するかを切り替えることで、積分器に作用させる電流の向きを反転させることができる。
【００４０】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記スイッチは、第１スイッチおよび第２スイッチであり、
上記蓄積／差動演算部は、第１蓄積部および第２蓄積部を有し、
上記受光素子と第１スイッチおよび第２スイッチは隣接して配置され、
上記第１蓄積部は上記第１スイッチに隣接して配置され、
上記第２蓄積部は上記第２スイッチに隣接して配置され、
上記蓄積／差動演算部は、上記第１蓄積部および上記第２蓄積部に蓄積された信号の差動演算を行い、
少なくとも上記受光素子、上記第１スイッチ、上記第２スイッチ、上記第１蓄積部および上記第２蓄積部は、同一半導体基板上に作製されていることを特徴とする。
【００４１】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記受光素子に隣接して第１,第２スイッチが配置され、さらに第１,第２スイッチに隣接して第１,第２蓄積部が配置されており、これらが同一半導体基板上に作製されていることにより、集積して構成することが可能であるため、容易に小型化できると共に、製造コストを低減できる。さらに、受光素子と蓄積／差動演算部(差動演算、信号蓄積)がそれぞれ一つで構成することも可能となる。
【００４２】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記受光素子、上記第１スイッチ、上記第２スイッチ、上記第１蓄積部および上記第２蓄積部が、上記受光素子の中心線に対して左右対称であることを特徴とする。
【００４３】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記受光素子と第１,第２スイッチおよび第１,第２蓄積部が、受光素子の中心軸に対して左右対称であるので、第１蓄積部および第２蓄積部に偏りがなく電荷が蓄積されるため、測距精度が向上すると共に、差動演算により背景光を効果的に除去することができる。
【００４４】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記受光素子と、上記スイッチと、上記蓄積／差動演算部とを有するユニットを２つ備えたことを特徴とする。
【００４５】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記受光素子とスイッチと蓄積／差動演算部とを有するユニットを２セット備えることにより、測定対象物からの受光強度の影響を除去することができるので、正確な距離の測定が可能となる。
【００４６】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記ユニットの２つが第１ユニットおよび第２ユニットであって、
上記距離判定部は、上記第１ユニットの出力と上記第２ユニットの出力との比を計算し、その比に基づいて上記測定対象物までの距離を判定することを特徴とする。
【００４７】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、第１,第２ユニットの出力の比を計算して距離を判定するので、背景光の影響を除去できると共に、測定対象物からの受光強度を正規化することができ、正確な距離の測定ができる。
【００４８】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記ユニットの２つが第１ユニットおよび第２ユニットであって、
上記第１ユニットのスイッチング時間をＴとするとき、上記第２ユニットのスイッチング時間が２Ｔ以上であることを特徴とする。
【００４９】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、第２ユニットのスイッチング時間が第１ユニットの２倍以上であるので、第２ユニットでは測定対象物からの受光強度を検出できるため、第１ユニットの出力を受光強度で効果的に正規化することが可能となり、正確な距離の測定が可能となる。
【００５０】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記スイッチを駆動するスイッチング信号は、スイッチング時間Ｔで駆動する第１蓄積時間帯とスイッチング時間２Ｔ以上で駆動する第２蓄積時間帯で変化することを特徴とする。
【００５１】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、スイッチング時間Ｔと２Ｔ以上で動作することにより、スイッチング時間Ｔで測定した結果を保持し、その後同一素子でスイッチング時間２Ｔで測定した結果を測定する。この二つの結果から距離を演算することができるので、ユニットを二つ用いる必要がないので、装置を小型化することができる。
【００５２】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記変調信号がパルス波であることを特徴とする。
【００５３】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、変調信号がパルス波であるので、測距範囲全域で分解能を一定にすることができる。
【００５４】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記第１ユニットおよび上記第２ユニットのスイッチング時間は略同一であり、
上記変調信号は正弦波信号を含むことを特徴とする。
【００５５】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、変調信号が正弦波であり、第１,第２ユニットのスイッチング時間が略同一であるため、効果的に背景光の除去ができると共に、受光信号の位相遅延を検出できるため、正確な距離の測定ができる。
【００５６】
また、一実施形態の光学式測距装置は、
上記ユニットの２つが第１ユニットおよび第２ユニットであって、
上記第１,第２ユニットの上記蓄積／差動演算部は、キャパシタンス素子を用いた積分器を夫々有し、
上記第１ユニットの上記蓄積／差動演算部の上記積分器に用いられるキャパシタンス素子と、上記第２ユニットの上記蓄積／差動演算部の上記積分器に用いられるキャパシタンス素子の容量値が略同一であることを特徴とする。
【００５７】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記第１ユニットと第２ユニットの積分器を構成するキャパシタンス素子が略同一容量値であるため、効果的に受光強度の正規化ができる。
【００５８】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記ユニットの２つが第１ユニットおよび第２ユニットであって、
上記第１ユニットと上記第２ユニットが同一半導体基板上に作製されていることを特徴とする。
【００５９】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、第１ユニットと第２ユニットが同一半導体基板上に作製されているので、第１,第２ユニット間を構成する各素子間の差をなくすことができるので、効果的に背景光の影響を除去できると共に高精度な距離の測定が可能となる。
【００６０】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記発光素子が発光ダイオードであることを特徴とする。
【００６１】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、発光素子が発光ダイオードであるので、背景光が強い環境下でも精度の高い距離測定が可能な光学式測距装置を実現することができる。
【００６２】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記発光素子がレーザーダイオードであることを特徴とする。
【００６３】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、発光素子がレーザーダイオードであるので、より遠方の測定対象物に対して高エネルギー密度の光を照射することができるので、距離の測定可能範囲を拡大することができる。
【００６４】
また、一実施形態の光学式測距装置は、上記発光素子から出射される光ビームをスキャンするスキャン機構を備えたことを特徴とする。
【００６５】
上記実施形態の光学式測距装置によれば、上記発光素子から出射される光ビームのスキャン機構を備えているので、広範囲の対象に対する距離の測定が可能となり、この発明による光学式測距装置の応用範囲を広げることができる。
【発明の効果】
【００６６】
以上より明らかなように、この発明の光学式測距装置によれば、屋外等の背景光が非常に強い環境下においても蓄積部がノイズ成分で飽和することはないので、十分な信号成分から光の走行時間を検出し、高精度な距離の演算を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
以下、この発明の光学式測距装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６８】
(第１実施形態)
図１はこの発明の第１実施形態の光学式測距装置のブロック図であり、図２はその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１および図２を用いてこの発明の光学式測距装置の概略を説明する。
【００６９】
この光学式測距装置は、図１に示すように、測定対象物１２に光信号としての光ビーム１１を出射する送信器１と、上記測定対象物１２で反射した光ビーム１１を受信する受信器２と、上記受信器２からの信号を処理する信号処理部３とを備えている。
【００７０】
上記送信器１は、所定の繰り返し周波数を有する変調信号に同期した光信号を出射する発光素子４と、上記発光素子４に変調信号を出力する変調信号発生器５とを有している。
【００７１】
また、上記受信器２は、上記測定対象物１２で反射した光ビーム１１を受信して電気信号に変換する受光素子６と、上記変調信号発生器５からの信号を受けて、受光素子６からの電気信号を所定のタイミングで２つの経路に切り替えるスイッチ７と、上記スイッチ７で切り替えられた２つの経路の電気信号を夫々蓄積する第１,第２蓄積部８a,８bとを有している。上記スイッチ７は、変調信号発生器５からのスイッチング信号ＳＷA,ＳＷBを受けて切り替え動作を行う。
【００７２】
また、上記信号処理部３は、第１,第２蓄積部８a,８bにより蓄積された上記電気信号の差動演算を行う差動演算部９と、上記差動演算部９の差動演算結果に基づいて測定対象物１２までの距離を判定する距離判定部１０とを有する。
【００７３】
上記第１,第２蓄積部８a,８bと差動演算部９で蓄積／差動演算部を構成している。
【００７４】
図１に示すように、変調信号発生器５からの信号に同期して発光素子４より光ビーム１１が測定対象物１２に向かって発射される。ここで、発光信号(変調信号)は、図２(a)に示すように、パルス幅t０の一定の繰り返し周波数を有するパルス波とする。ただし、変調信号はパルス波に限ったものではなく、三角波や鋸派、正弦波など時間関数として表せる形状であればその機能を得ることができるが、説明はパルス波で行う。パルス波以外のそれぞれの変調信号の詳細については後述する。
【００７５】
上記測定対象物１２で反射した光ビーム１１は、図２(b)に示すように、測定対象物１２までの距離を光ビーム１１が往復する時間(ｔｌ)だけ変調信号より位相遅延して受光素子６で検出される。ここで、Ｉpは反射光による受光信号強度を表し、Ｉbは背景光によるノイズ強度を表している。今、測距可能な範囲を７.５ｍとするとき(式１)からパルス幅は５０ｎｓｅｃ必要であることが容易に計算できる。さらに、背景光はせいぜい数十ｋＨz程度であるので、その周期は数十μｓｅｃ程度であり、パルス幅５０ｎｓｅｃに対して十分大きいため、図２に示すように、パルス幅の時間幅においてはＤＣ光とみなすことができる。
【００７６】
その後、受光信号は、スイッチング信号ＳＷA,ＳＷB(図２(c), 図２(d)に示す)のタイミングでスイッチ７により経路が切り替えられる。切り替えられた第１経路(Ａｃｈ)に第１蓄積部８aを備えている。図２(e)に示すＡｃｈ信号のように、変調信号の１周期あたり、
(Ｉp(t０−tl)＋Ｉb・t０)
で表される電荷が第１蓄積部８aに蓄積される。また、第２経路(Ｂｃｈ)には第２蓄積部８bを備えている。図２(f)に示すＢｃｈ信号のように、１周期あたり、
(Ｉp・tl＋Ｉb・t０)
で表される電荷が第２蓄積部８bに蓄積される。
【００７７】
第１,第２蓄積部８a,８bの出力は、信号処理部３に夫々入力され、差動演算部９によりその差が計算される。差動演算後の差動信号は、積分回数Ｎを用いて次の(式３)で表すことができる。
2007121116.tif 000005
【００７８】
以上より、差動演算後には背景光は完全に除去されており、かつ十分な信号量になるように積分回数Ｎを設定すればよいので、距離判定部１０にて(式３)から時間ｔ１を求めて(式１)に代入することにより距離値を得ることができる。
【００７９】
しかし、(式３)を用いて距離を測定できるのは、受光信号強度Ｉpが既知のときで、例えば送信器と受信器を対向させ、発光素子にレーザなど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、出射エネルギーと受光エネルギーは等しくなるので、受光信号強度Ｉpを予め測定しておくことにより(式３)を用いて距離が測定できる。このように、(式３)のみを用いて距離を得るには特異な場合に限られ、一般の測距装置は送信器と受信器は同じ位置に配置され、測定対象物からの反射光を検出して測定対象物までの距離を光が往復する時間を測定する用途がほとんどである。
【００８０】
そこで、受信器２と差動演算部９を有するユニットを２セット備えることにより、測定対象物からの反射光を検出して距離を測定することが可能となる。以下、詳細に説明する。
【００８１】
(第２実施形態)
図３はこの発明の第２実施形態の光学式測距装置のブロック図であり、図４はその動作を示すタイミングチャートである。図３および図４を用いてこの発明の光学式測距装置の概略を説明する。なお、図３において図１と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００８２】
この光学式測距装置は、図３に示すように、測定対象物１２に光信号としての光ビーム１１を出射する送信器１と、上記測定対象物１２で反射した光ビーム１１を受信する受信器２と、上記受信器２からの信号を処理する信号処理部３とを備えている。
【００８３】
上記送信器１は、所定の繰り返し周波数を有する変調信号に同期した光信号を出射する発光素子４と、上記発光素子４に変調信号を出力する変調信号発生器５とを有している。
【００８４】
また、上記受信器２は、上記測定対象物１２で反射した光ビーム１１を受信して電気信号に変換する第１,第２受光素子６Ａ,６Ｂと、上記変調信号発生器５からの信号を受けて、第１,第２受光素子６Ａ,６Ｂからの電気信号を所定のタイミングで切り替える第１,第２スイッチ７Ａ,７Ｂと、上記第１スイッチ７Ａで切り替えられた２つの経路の電気信号を夫々蓄積する第１,第２蓄積部８a,８bと、上記第第２スイッチ７Ｂで切り替えられた２つの経路の電気信号を夫々蓄積する第３,第４蓄積部８c,８dとを有している。上記第１,第２スイッチ７Ａ,７Ｂは、変調信号発生器５からのスイッチング信号ＳＷ１〜ＳＷ４により切り替え動作を行う。
【００８５】
また、上記信号処理部３は、第１,第２蓄積部８a,８bにより蓄積された上記電気信号の差動演算を行う第１差動演算部９Ａと、第３,第４蓄積部８c,８dにより蓄積された上記電気信号の差動演算を行う第２差動演算部９Ｂと、上記第１,第２差動演算部９Ａ,９Ｂの差動演算結果に基づいて測定対象物１２までの距離を判定する距離判定部１０とを有する。
【００８６】
上記第１〜第４蓄積部８a,８b,８c,８dと第１,第２差動演算部９Ａ,９Ｂで蓄積／差動演算部を構成している。ここで、上記第１受光素子６Ａと第１スイッチ７Ａと第１,第２蓄積部８a,８bおよび第１差動演算部９Ａで第１ユニットが構成され、第２受光素子６Ｂと第２スイッチ７Ｂと第３,第４蓄積部８c,８dおよび第２差動演算部９Ｂで第２ユニットが構成されている。
【００８７】
図３に示すように、測定対象物１２で反射した光ビーム１１は第１受光素子６aおよび第２受光素子６bで検出される。図３に参照番号の副番「Ａ」で示される第１ユニットの第１,第２経路に対しては、図４(a)〜図４(f)に示すように、図２(a)〜図２(f)で示したタイミングと同様に処理される。よって、第１ユニットの(第１,第２経路)経路に対する出力は、(式３)と同様に、
2007121116.tif 000006
となる。
【００８８】
これに対して、参照番号の副番「Ｂ」で示される第２ユニットの第１,第２経路に対しては、図４(a), 図４(b), 図４(g)〜図４(j)に示すように発光信号(図４(a)に示す)に同期したパルス幅２t０のスイッチング信号ＳＷ３,ＳＷ４(図４(g)と図４(h)に示す)のタイミングでスイッチ７bにより経路が切り替えられる。切り替えられた第２ユニットの第１経路(Ｃｃｈ)には第３蓄積部８cが備えられ、図４(i)に示すように、
Ｉp(t０)＋Ｉb・２t０
で表される電荷が第３蓄積部８cに蓄積される。また、第２ユニットの第２経路(Ｄｃｈ)には第４蓄積部８dが備えられており、図４(j)に示されるように、
Ｉb・２t０
で表される電荷が第４蓄積部８dに蓄積される。
【００８９】
上記第３,第４蓄積部８c,８dの出力は信号処理部３に入力され、差動演算部９によりその差が計算される。差動演算後の信号は次の(式５)で表すことができる。
2007121116.tif 000007
【００９０】
以上のように、第２ユニットの経路に対してスイッチング時間を第１ユニットの経路の２倍以上とすることにより第２ユニットの経路の差動演算結果は、スイッチング時間t０が既知であるので、反射光強度Ｉpに依存した形になる。
【００９１】
第１の差動信号をＳ１、第２の差動信号をＳ２とすると、測定対象物１２までの距離(Ｌ)は距離判定部１０で両差動演算結果の比Ｓ１／Ｓ２を取ることにより検出することができる。
【００９２】
すなわち、
Ｓ１／Ｓ２＝Ｎ・Ｉp（ｔ0−２ｔl）／Ｎ・Ｉp（ｔ0）＝（ｔ0−２ｔl）／ｔ0
2007121116.tif 000008
となり、次の(式６)が導き出され、距離(Ｌ)は検出することができる。
2007121116.tif 000009
【００９３】
ここで、第２ユニットの経路のスイッチング時間は簡単のため図４のように２t０としたが、特に第１ユニットの経路の２倍以上であれば、反射信号光全体が第２ユニットの第１経路に含まれるため、同様の効果を得ることができる。しかし、２倍より長いときは背景光による電荷蓄積量が大きくなるばかりであるので、図４に示したように、第１ユニットの経路のスイッチング時間の２倍であるときが最も好ましい。
【００９４】
また、以上の第２実施形態は、図４(c),図４(d)で示される第１のスイッチング信号と、図４(g),図４(h)で示される第２のスイッチング信号は別のユニットを駆動させていたが、ユニットが一つの構成において、第１蓄積時間帯における第１のスイッチング信号と第２蓄積時間帯における第２のスイッチング信号を、時間差を設けて測定するようにしても同様の効果を得ることができる。この場合、第１と第２のスイッチング信号のどちらを先に演算しても差はなく、先に測定した結果をメモリやサンプルホールド回路を用いて保持し、その後に別のスイッチング信号で測定された結果とを用いて所定の演算を行うことにより、距離値を得ることができる。
【００９５】
また、図４では、発光素子に印加する変調信号としてパルス波を用いて説明した。これは、変調信号がパルス波のとき受光波形もパルス波となり、反射信号光受光時には同じ受光強度(一定値)を持続するので、各信号の蓄積量は測定対象物１２までの距離(Ｌ)に比例して変化するため、測距可能範囲全域でリニアリティ(線形性)を有する。これにより、分解能は測距範囲全体で一定とすることができる。これに対して、三角波や鋸波を変調信号に用いると、受光波形が時間の１次関数であるので、蓄積量は２次関数となるため、測距範囲において分解能の粗密を有する。これらの使い分けは用途に応じて適宜なされるのが好ましい。
【００９６】
上記光学式測距装置によれば、受光素子とスイッチと蓄積／差動演算部とを有するユニットが２セット備えられており、測定対象物１２からの受光強度の影響を除去することができるので、正確な距離の測定が可能となる。
【００９７】
また、第１,第２ユニットの出力の比を計算して距離を判定するので、背景光の影響を除去できると共に、測定対象物１２からの受光強度を正規化することができ、正確な距離の測定ができる。
【００９８】
(第３実施形態)
次に、変調信号が正弦波のときのこの発明の第３実施形態の光学式測距装置の構成を示すブロック図を図５に示し、そのタイミングチャートを図６に示す。なお、図５において図１と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００９９】
この光学式測距装置は、図５に示すように、測定対象物１２に光信号としての光ビーム１１を出射する送信器１と、上記測定対象物１２で反射した光ビーム１１を受信する受信器２と、上記受信器２からの信号を処理する信号処理部３とを備えている。
【０１００】
上記送信器１は、所定の繰り返し周波数を有する変調信号に同期した光信号を出射する発光素子４と、上記発光素子４に変調信号を出力する変調信号発生器５とを有している。
【０１０１】
また、上記受信器２は、上記測定対象物１２で反射した光ビーム１１を受信して電気信号に変換する受光素子６と、上記変調信号発生器５からの信号を受けて、受光素子６からの電気信号を所定のタイミングで４つの経路に切り替えるスイッチ７と、上記スイッチ７で切り替えられた４つの経路の電気信号を夫々蓄積する第１〜第４蓄積部８a,８b,８c,８dとを有している。上記スイッチ７は、変調信号発生器５からのスイッチング信号ＳＷA〜ＳＷDにより切り替え動作を行う。
【０１０２】
また、上記信号処理部３は、第１,第３蓄積部８a,８cにより蓄積された上記電気信号の差動演算を行う第１差動演算部９Ａと、第２,第４蓄積部８b,８dにより蓄積された上記電気信号の差動演算を行う第２差動演算部９Ｂと、上記第１,第２差動演算部９Ａ,９Ｂの差動演算結果に基づいて測定対象物１２までの距離を判定する距離判定部１０とを有する。
【０１０３】
上記第１〜第４蓄積部８a,８b,８c,８dと第１,第２差動演算部９Ａ,９Ｂで蓄積／差動演算部を構成している。
【０１０４】
上記発光素子４の発光信号(変調信号)は、図６(a)に示すように周期４t０で発振しており、受光信号は、図６(b)に示すように測定対象物１２までの距離(Ｌ)を光が往復する時間ｔｌだけ位相遅延して受光素子６で検出される。上記受光素子６で検出された信号は、スイッチング信号ＳＷA〜ＳＷD(図６(c)〜(f)に示す)のタイミングでスイッチ７により４つの経路に切り替えられ、第１〜第４蓄積部８a,８b,８c,８dにそれぞれ蓄積される。ここで、図６(c)〜(f)で示される４つのスイッチング信号ＳＷA〜ＳＷDの持続時間は、変調信号の正弦波の１／４周期(t０)以内の任意の時間である。
【０１０５】
そして、４つに分割された後に第１〜第４蓄積部８a,８b,８c,８dに蓄積された信号のうち、第１蓄積部８aの信号と第３蓄積部８cの信号について第１差動演算部９Ａにより差動演算を行うと共に、第２蓄積部８bの信号と第４蓄積部８dの信号について第２差動演算部９Ｂにより差動演算を行う。第１,第２差動演算部９Ａ,９Ｂで差動演算後には、それぞれ蓄積部があり(図示せず)複数回の信号の蓄積が行われる。蓄積された両差動信号を距離判定部１０で以下の処理を行うことにより、受光信号の位相を求めることができ、変調信号(図６(a)に示す)との位相差により測定対象物１２までの距離(Ｌ)を次の(式７)により検出することができる。
2007121116.tif 000010
【０１０６】
以下に上記(式７)の導出過程について説明する。
発光波形、受光波形を任意の正弦波関数g(t),f(t)として、
g(t)＝ｃ・exp｛j(ωt＋ψ)｝＋ｄ
f(t)＝ａ・exp｛j(ωt＋φ)｝＋ｂ
で表すと、発光波形と受光波形の位相差は、φ-ψで表せる。これを求めるために、以下の演算を行う。
関数f(t)で表される受光波形において、Ａは第１区間、Ｂは第２区間、Ｃは第３区間、Ｄは第４区間の積分値とする。第１区間〜第４区間は９０度ずつ位相がずれているものとする。そうすると、積分値Ａは、
2007121116.tif 000011
で表される。同様に、積分値Ｂは、
2007121116.tif 000012
ここで、ｔ1＝ｔ0＋π／4＝ｔ0＋π／(2ω)であるから、
2007121116.tif 000013
で表される。また、積分値Ｃは、
2007121116.tif 000014
ここで、ｔ2＝ｔ0＋π／2＝ｔ0＋π／ωであるから、
2007121116.tif 000015
で表される。また、積分値Ｄは、
2007121116.tif 000016
ここで、ｔ3＝ｔ0＋3π／2＝ｔ0＋3π／(2ω)であるから、
2007121116.tif 000017
で表される。したがって、
2007121116.tif 000018
となり、これより、
2007121116.tif 000019
となり、
2007121116.tif 000020
が得られる。
ｔ0のときの発光波形の出力が、
ωｔ0＋ψ＝ｎ・２π／ω      (ただしｎ＝０,１,２,…)
となるように、ｔ0とψとの関係を固定すると、
2007121116.tif 000021
となり、特にψ＝０とするとき、
2007121116.tif 000022
となり、(式１)におけるΔｔは、
2007121116.tif 000023
で表され、これを式１に代入することにより(式７)が導かれる。
【０１０７】
変調信号に正弦波を用いる場合、受光素子６と、９０度ずつ位相のずれた４つのスイッチング信号で第１〜第４蓄積部８a,８b,８c,８dに切り替えるスイッチ７と第１蓄積部８aと第３蓄積部８cの差動演算部および第２蓄積部８bと第４蓄積部８dの差動演算部とで構成でき、受光素子６が一つで距離の演算に必要な測定値を得ることができる。なお、図６では、連続波としての正弦波変調の例を示したが、間欠的に発生する１周期以上の正弦波により発光信号を変調するようにしても同様の効果が得られる。
【０１０８】
また、上述の(式６)や(式７)で示されている信号Ｓ1,Ｓ2,ＳA〜ＳDは電荷量として表されている。一般に、信号を検出するときは電圧に変換して読み取られる。蓄積電荷量Ｑはその容量Ｃと電位Ｖの間に、
Ｑ  ＝  ＣＶ  ………  (式８)
の関係が成り立つ。よって、(式６)や(式７)でＳ1,Ｓ2,ＳA〜ＳDで示されている信号量は、電位として扱うと、次のようになる。
Ｖ  ＝  Ｑ／Ｃ  ＝  Ｓ／Ｃ  ………  (式９)
この(式９)を用いて(式６)を書き換えると、
2007121116.tif 000024
となり、同様に(式７)を書き換えかえると、
2007121116.tif 000025
となる。
【０１０９】
ここで、Ｃ１、Ｃ２はそれぞれ第１ユニットの経路および第２ユニットの経路の差動演算後に設けられたキャパシタンス素子の容量である。(式１０)や(式１１)に示すように、両キャパシタンス素子の容量値が等しいときは容量値が正規化されて演算結果に影響しないため、同じ容量値とするのが好ましい。
【０１１０】
また、第１ユニットと第２ユニットは同じ特性を有することが好ましいため、同一半導体基板上に集積化して作製されていることが好ましい。
【０１１１】
上記構成の光学式測距装置によれば、屋外等の背景光が非常に強い環境下においてもノイズ成分で飽和することはないので、十分な信号成分から光の走行時間を検出し、高精度な距離の演算を行うことが可能となる。
【０１１２】
以上は、背景光の影響を除去するための信号処理法や構成の概略を説明したが、各構成の具体例を次の第４〜第８実施形態に従って詳細に説明する。
【０１１３】
(第４実施形態)
図７はこの発明の第４実施形態の光学式測距装置の回路構成図であり、図７を用いてこの発明の第４実施形態の構成を説明する。また、図７は図１,図３および図５で示した受信器２および信号処理部３の一部を示したものであり、受光素子６と第１,第２蓄積部８a,８bおよび差動演算部９で「１ユニット」を表している。図７の構成を１つ、もしくは２つ(第１ユニット、第２ユニット)を用いて光学式測距装置が構成される。以後、図７と同じ効果を有するが、異なる構成を各実施形態において説明するが、それらを上述の機能が実現できるように組み合わせて用いることも可能である。この組み合わせの説明は、以降の実施形態においては省略する。
【０１１４】
図７に示すように、アノードがグランドに接続された受光素子６のカソードをスイッチ７の入力端子に接続している。上記スイッチ７の一方の出力端子を演算増幅器(以下、オペアンプという)１３aの反転入力端子に接続し、オペアンプ１３aの出力端子と反転入力端子との間にキャパシタンス素子１４aを接続している。また、上記スイッチ７の他方の出力端子をオペアンプ１３bの反転入力端子に接続し、オペアンプ１３bの出力端子と反転入力端子との間にキャパシタンス素子１４bを接続している。上記オペアンプ１３a,１３bの非反転入力端子を基準電位Ｖsに夫々接続している。そして、上記オペアンプ１３a,１３bの出力端子を差動演算部９に接続し、差動演算部９の出力端子から出力電圧Ｖｏを出力する。
【０１１５】
図７において、受光素子６で検出された光信号は、スイッチ７により図２,図４,図６で示されるタイミングで第１経路と第２経路に切り替えられる。ここで、図７の上側を第１経路とし、下側を第２経路とする。両経路にはオペアンプ１３a,１３bとキャパシタンス素子１４a,１４bにより構成される積分器が構成されており、受光素子６で検出した信号を蓄積する。この積分器が図１,図３,図５で示されている第１,第２蓄積部８a,８bである。第１,第２蓄積部８a,８bは、変調信号の複数周期に渡って所定の回数分の信号を蓄積する。第１,第２蓄積部８a,８bは、(式３)等で示されている信号を差動演算部９に入力する。
【０１１６】
蓄積部としてキャパシタンス素子１４a,１４bを用いて積分器を構成することにより、容易に高速応答の積分器を構成することが可能となり振り分けられた電荷を適切に蓄積することができる。
【０１１７】
また、積分器への入力は電流(電荷量)であるが、その出力は電圧であり、差動演算部９も電圧処理として構成されている。このため、(式８)を参考にして、第１積分器(８a)のキャパシタンス素子１４aのキャパシタンス素子値をＣ１とし、第２積分器(８b)のキャパシタンス素子１４ｂのキャパシタンス素子値をＣ２とすると、図２のタイミングを例にとると、第１,第２積分器(８a,８b)の出力は、
2007121116.tif 000026
となる。(式１２Ａ),(式１２Ｂ)に示すように、第１,第２積分器(８a,８b)を構成するキャパシタンス素子１４a,１４bの容量値が異なると、差動演算結果は一定のオフセットをもつようになる。差動演算の結果を用いて距離を判定するため、オフセット電位の存在は誤差を生む要因となり好ましくない。
【０１１８】
このため、第１,第２積分器(８a,８b)を構成するキャパシタンス素子１４a,１４bは同じ容量値である。さらに、両積分器の特性ズレも誤差を生む要因となるため、これらは同一半導体基板上に同様の構造で作製されていることにより理想的に特性差による誤差を低減できる。このとき、Ｃ１＝Ｃ２であるので、図７の出力電圧Ｖｏは、
2007121116.tif 000027
と表すことができ、(式３)の出力と等価となる。同様に、スイッチングのタイミングを図４や図６のように変更することにより、図７の構成を用いてそれぞれの効果を得ることが可能であるが、説明は重複するので省略する。以後の各実施形態においても同様にそれぞれの構成でスイッチングのタイミングを変更することによりそれぞれの差動演算結果が得られることは明らかであり、以後の実施形態においてこの説明は省略する。
【０１１９】
上記第４実施形態の構成では、各積分器に蓄積される電荷は、信号光と背景光によるものが同時に蓄積される。このため、背景光が強い環境下では、差動演算結果は背景光の影響はないが、積分器の出力は大きく背景光の影響を受けることになる。つまり、差動演算部９の出力の大きさは背景光の強さに大きく左右されることとなり、積分器に用いるキャパシタンス素子の容量値を大きくする必要があるが、容量値を大きくすると積分器の応答が遅くなるので、結果的に測距精度を高くすることが困難である。このような課題を解決する構成を以下の実施形態に示す。
【０１２０】
(第５実施形態)
図８はこの発明の第５実施形態の光学式測距装置の回路構成図であり、図８を用いてこの発明の第５実施形態の構成を説明する。
【０１２１】
図８に示すように、カソードに電源電圧Ｖccが印加された第１受光素子２６Ａのアノードをスイッチ２７の一方の入力端子に接続すると共に、アノードにグランドが接続された第２受光素子２６Ｂのカソードをスイッチ２７の他方の入力端子に接続する。上記スイッチ２７の一方の出力端子をオペアンプ２１の反転入力端子に接続し、オペアンプ２１の出力端子と反転入力端子との間にキャパシタンス素子２２を接続している。上記オペアンプ２１の非反転入力端子を基準電位Ｖsに接続している。そして、上記オペアンプ２１の出力端子から出力電圧Ｖｏを出力する。
【０１２２】
図８において、上側を第１受光素子２６Ａとし、下側を第２受光素子２６Ｂとする。これら第１,第２受光素子２６Ａ,２６Ｂの受光面上に、信号光が適切な光学系により均等に照射される。スイッチ２７は図２,図４,図６で示したタイミングで第１受光素子２６Ａのアノードと第２受光素子２６Ｂのカソードに切り替えられる。スイッチ２７が選択した受光素子の光電流は、第４実施形態と同様の構成の積分器において蓄積される。ここで、スイッチ２７は、第１受光素子２６Ａのアノード端子と第２受光素子２６Ｂのカソード端子にスイッチングされるため、図７に示すように、スイッチ２７が第１受光素子２６Ａ側に接続されているときは、光電流Ｉ１は積分器に流入する方向に作用し、またスイッチ２７が第２受光素子２６Ｂ側に接続されているときは、光電流Ｉ２は積分器から流出する方向に作用する。第１,第２受光素子２６Ａ,２６Ｂには均等に反射光が照射されているため、第１,第２受光素子２６Ａ,２６Ｂの光電流値は等しく、その大きさＩｐを用いて以下のように表すことができる。
Ｉ１ = Ｉp・f(t)  ………  (式１４Ａ)
Ｉ２ = Ｉp・g(t)  ………  (式１４Ｂ)
ここで、f(t)とg(t)はそれぞれＩ１とＩ２の波形(時間関数)を表している。
よって、積分器の出力(Ｖｏ)は、
2007121116.tif 000028
と表すことができる。図２,図４,図６においてスイッチ２７が各端子に接続する持続時間(ｔ０)は同じであるため、(式１５)は以下のように書き直すことができる。
2007121116.tif 000029
【０１２３】
このように、上記第５実施形態の光学式測距装置によれば、キャパシタンス素子２２を用いた積分器(２１,２２)おいて２つの経路の電気信号を蓄積しながら差動演算を行うため、部品点数を削減できると共に、上記差動演算の誤差を理想的になくすことができるため、さらに高精度の距離の測定が可能となる。
【０１２４】
また、上記スイッチ２７の切り替えにより、積分器(２１,２２)に作用させる電流の向きを所定のタイミングで反転させることにより差動演算の効果を得ることができ、一つの積分器で差動演算を行いつつ、さらに演算結果の信号成分を蓄積することができる。
【０１２５】
また、図８の構成では、積分器に作用させる光電流の方向をスイッチングにより反転させているので、積分器一つで差動演算を実現しており、容量差や積分器の特性差は理想的に０とすることができる。
【０１２６】
(第６実施形態)
図９はこの発明の第６実施形態の光学式測距装置の回路構成図であり、図９を用いてこの発明の第６実施形態の構成を説明する。ここで、第１カレントミラー回路３３aは、１つの入力側端子と、その入力側端子に流れる電流と同じ値の電流が流れる２つの出力側端子とを備えた吐き出し型のカレントミラー回路であり、第２カレントミラー回路３３bは、１つの入力側端子と、その入力側端子に流れる電流と同じ値の電流が流れる１つの出力側端子とを備えた吸い込み型のカレントミラー回路である。
【０１２７】
図９に示すように、アノードにグランドが接続された受光素子３６のカソードを、第１カレントミラー回路３３aの入力側端子に接続する。上記第１カレントミラー回路３３aの一方の出力側端子を第２カレントミラー回路３３bの入力側端子に接続し、第１カレントミラー回路３３aの他方の出力側端子をスイッチ３７の一方の入力端子に接続し、スイッチ３７の他方の入力端子を第２カレントミラー回路３３bの出力側端子に接続している。上記スイッチ３７の出力端子をオペアンプ３１の反転入力端子に接続し、オペアンプ３１の出力端子と反転入力端子との間にキャパシタンス素子３２を接続している。上記オペアンプ３１の非反転入力端子を基準電位Ｖsに接続している。そして、上記オペアンプ３１の出力端子から出力電圧Ｖｏを出力する。
【０１２８】
図９において、受光素子３６で検出された光電流Ｉ１は吐き出し型の第１カレントミラー回路３３aにより同じ電流値をもつ電流信号Ｉ１を２つ生成する。一方はスイッチ３７の一方の端子にＩ１を流し込み、もう一方は直接吸い込み型の第２カレントミラー回路３３bへと流れ込み、第２カレントミラー回路３３bはスイッチ３７からＩ２を吸い込む。第１,第２カレントミラー回路３３a,３３bで光電流を複製しているのでＩ１とＩ２の大きさは同じ(Ｉｐ)であり、スイッチ３７より図示のように積分器に作用させる電流の向きを反転させることができるので、第５実施形態と同様に積分器の出力(Ｖｏ)は(式１６)として表すことができる。
【０１２９】
このように、上記第６実施形態の光学式測距装置によれば、キャパシタンス素子３２を用いた積分器(３１,３２)おいて２つの経路の電気信号を蓄積しながら差動演算を行うため、部品点数を削減できると共に、上記差動演算の誤差を理想的になくすことができるため、さらに高精度の距離の測定が可能となる。
【０１３０】
また、上記スイッチ３７の切り替えにより、積分器(３１,３２)に作用させる電流の向きを所定のタイミングで反転させることにより差動演算の効果を得ることができ、一つの積分器で差動演算を行いつつ、さらに演算結果の信号成分を蓄積することができる。
【０１３１】
この第６実施形態では、積分器、受光素子ともに一つのみ使用しているので、上記第４実施形態に関する両積分器間の特性差や上記第５実施形態に関する両受光素子間の照射ムラ等による出力差を理想的に０とすることができる。
【０１３２】
(第７実施形態)
図１０Ａはこの発明の第７実施形態の光学式測距装置の回路構成図であり、図１０Ａを用いてこの発明の第７実施形態の構成を説明する。ここで、第１カレントミラー回路４３aは、１つの入力側端子と、その入力側端子に流れる電流と同じ値の電流が流れる２つの出力側端子とを備えた吐き出し型のカレントミラー回路であり、第２カレントミラー回路４３bは、１つの入力側端子と、その入力側端子に流れる電流と同じ値の電流が流れる２つの出力側端子とを備えた吸い込み型のカレントミラー回路である。
【０１３３】
図１０Ａに示すように、定電流源４４の負極側を第１カレントミラー回路４３aの入力側端子に接続し、定電流源４４の正極側を第２カレントミラー回路４３bの入力側端子に接続している。そして、受光素子４６のカソードを第１カレントミラー回路４３aの一方の出力側端子に接続し、その第１カレントミラー回路４３aの一方の出力側端子を、第２カレントミラー回路４３bの他方の出力側端子に接続している。上記受光素子４６のアノードを第２カレントミラー回路４３bの一方の出力側端子に接続し、その第２カレントミラー回路４３bの一方の端子を、第１カレントミラー回路４３aの他方の出力側端子に接続している。上記第１カレントミラー回路４３aの他方の出力側端子に接続された第１出力端子４８aを、各スイッチ４７a,４７bの一方の入力端子に接続している。上記第１カレントミラー回路４３aの一方の出力側端子に接続された第２出力端子４８bを、各スイッチ４７a,４７bの他方の入力端子に接続している。上記スイッチ４７aの出力端子をオペアンプ４１の反転入力端子に接続し、オペアンプ４１の出力端子と反転入力端子との間にキャパシタンス素子４２を接続している。上記オペアンプ４１の非反転入力端子を基準電位Ｖsに接続している。そして、上記オペアンプ４１の出力端子から出力電圧Ｖｏを出力する。
【０１３４】
図１０Ａにおいて、定電流源４４は一定のＤＣ電流Ｉ０を流し、この電流Ｉ０が吐き出し型の第１カレントミラー回路４３aと吸い込み型の第２カレントミラー回路４３bに夫々入力される。また、上記第１カレントミラー回路４３aの両出力側端子に夫々接続された第１,第２出力端子４８a,４８bが、スイッチ４７aにより後段の積分器(４１,４２)と所定のタイミング(図２,図４,図６参照)で接続される。上記第１カレントミラー回路４３aの他方の出力側端子と第２カレントミラー回路４３bの一方の出力側端子との間が第１経路であり、第１カレントミラー回路４３aの一方の出力側端子と第２カレントミラー回路４３bの他方の出力側端子との間が第２経路である。
【０１３５】
また、図１０Ａに示すスイッチ４７a,４７bの切り替え状態では、第１出力端子４８aが積分器(４１,４２)と接続されているときは、第２出力端子４８bは負荷抵抗の一例としての抵抗Ｒを介して基準電位Ｖsに接続されて接地される。逆に、図１０Ｂに示すスイッチ４７a,４７bの切り替え状態では、第２出力端子４８bが積分器(４１,４２)と接続されているときは、第１出力端子４８aは抵抗Ｒを介して基準電位Ｖsに接続されて接地される。後段の積分器(４１,４２)の構成は以前の第１〜第６実施形態と同じである。
【０１３６】
上記第１経路,第２経路ともにカレントミラー回路で直結されているため、受光素子４６で生成された光電流は、定電流源４４からの電流差として第１,第２出力端子４８a,４８bに現れる。例えば、図１０Ａに示すスイッチ４７a,４７bの切り替え状態では、受光素子４６で光電流Ｉpが生成されたとき、第１カレントミラー回路４３aの一方の出力側端子から第１経路にＩ０だけ流れ出た電流は、受光素子４６のカソードでＩpだけ分離して、(Ｉ０−Ｉp)が第２カレントミラー回路４３bの他方の出力側端子に向かう。ところが、第２カレントミラー回路４３bの入力側端子には定電流源４４と接続されているため、第２カレントミラー回路４３bの他方の出力側端子には常に電流Ｉ０を吸い込むので、途中の第２出力端子４８bと抵抗Ｒを介して光電流Ｉpに相当する電流が流れ込む。同様に、第１カレントミラー回路４３aの他方の出力側端子から第２経路にＩ０だけ流れ出た電流は、第１出力端子４８aでＩpだけ分離して、(Ｉ０−Ｉp)が第２カレントミラー回路４３bの一方の出力側端子に向かう一方、光電流Ｉpに相当する電流が第１出力端子４８aを介してオペアンプ４１の反転入力端子側へ流れ出す。
【０１３７】
逆に、図１０Ｂに示すスイッチ４７a,４７bを切り替えた場合は、受光素子４６で光電流Ｉpが生成されたとき、第１カレントミラー回路４３aの一方の出力側端子から第１経路にＩ０だけ流れ出た電流は、受光素子４６のカソードでＩpだけ分離して、(Ｉ０−Ｉp)が第２カレントミラー回路４３bの他方の出力側端子に向かう。ところが、第２カレントミラー回路４３bの入力側端子には定電流源４４と接続されているため、第２カレントミラー回路４３bの他方の出力側端子には常に電流Ｉ０を吸い込むので、途中の第２出力端子４８bを介してオペアンプ４１の反転入力端子側から光電流Ｉpに相当する電流が流れ込む。同様に、第１カレントミラー回路４３aの他方の出力側端子から第２経路にＩ０だけ流れ出た電流は、第１出力端子４８aでＩpだけ分離して、(Ｉ０−Ｉp)が第２カレントミラー回路４３bの一方の出力側端子に向かう一方、光電流Ｉpに相当する電流が第１出力端子４８aと抵抗Ｒを介して流れ出す。
【０１３８】
このようにして、積分器(４１,４２)に作用させる電流の向きをスイッチ４７a,１７bのタイミングによって反転させることができるため、積分器の出力(Ｖｏ)は第５実施形態、第６実施形態と同様に(式１６)として表すことができる。
【０１３９】
このように、上記第７実施形態の光学式測距装置によれば、キャパシタンス素子４２を用いた積分器(４１,４２)において２つの経路の電気信号を蓄積しながら差動演算を行うため、部品点数を削減できると共に、上記差動演算の誤差を理想的になくすことができるため、さらに高精度の距離の測定が可能となる。
【０１４０】
また、上記スイッチ４７a,１７bの切り替えにより、積分器(４１,４２)に作用させる電流の向きを所定のタイミングで反転させることにより差動演算の効果を得ることができ、一つの積分器で差動演算を行いつつ、さらに演算結果の信号成分を蓄積することができる。
【０１４１】
この第７実施形態においては、第６実施形態と同様の効果を得ることができる上、定電流源４４により常にＩ０の電流が流れており、受光素子４６の入力インピーダンスを低下させることができるので、第６実施形態に比べて高速応答が可能となる。このため、測距精度を格段に向上させることが可能となる。
【０１４２】
(第８実施形態)
図１１はこの発明の第７実施形態の光学式測距装置の受信器の要部の断面図であり、図１１を用いてこの発明の第８実施形態の構成を説明する。
【０１４３】
図１１(a)において、点線で囲った部分は受光素子とスイッチおよび蓄積部の機能を併せ持った受信器の要部であり、Ｐ型半導体基板５８上に、受光素子の一例としての受光部５６となる第１Ｎ型拡散層が形成され、その受光部５６の両側に所定の間隔をあけて第１,第２蓄積部５０a,５０bとなる第２Ｎ型拡散層が夫々形成されている。さらに、受光部５６と第１蓄積部５０aとの間および受光部５６と第２蓄積部５０bの間には、Ｐ型半導体基板５８上にゲート酸化膜と電極により第１,第２スイッチの一例としてのゲート５１a,５１bが形成されている。この受光部５６と蓄積部５０a,５０bおよびゲート５１a,５１bは、受光部１９の中心線ＣＬに対して断面が左右対称になっている。さらに、中心線ＣＬを含む紙面に垂直な平面に対しても対象になっている。
【０１４４】
また、第２Ｎ型拡散層からなる第１,第２蓄積部５０a,５０bの後段には差動演算部５９があり、第１,第２蓄積部５０a,５０bで検出された信号の差が出力(Ｖo)される。上記第１,第２蓄積部５０a,５０bと差動演算部５９で蓄積／差動演算部を構成している。
【０１４５】
また、図１１(b)は同図(a)中のXIB−XIB線に沿ったポテンシャル分布を示している。図１１(b)において、ｈνは光子１個のもつエネルギーを表す(ｈはプランク定数、νは光の振動数)。
【０１４６】
図１１(b)に示すように、ゲート５１aに電位を加えることによりゲート５１a下部のポテンシャルが上昇し、受光部５６の光キャリアは、ポテンシャルの階段に沿って図中左側に移動し、最も電位の高い蓄積部である第１蓄積部５０aに蓄積される。ゲート５１a,５１bは図２,図４,図６で説明したスイッチに相当し、両ゲート５１a,５１bをこれらのタイミングで適切に切り替えることにより第１,第２蓄積部５０a,５０bに光キャリアが振り分けられる。そうして第１,第２蓄積部５０a,５０で蓄えられたキャリアは、その蓄積容量をＣとすると、(式８)のように蓄積された電荷量に相当した電位として検出される。そして、差動演算部５９は、第１,第２蓄積部５０a,５０bに蓄積された電荷量に相当した電位の差動演算結果を、(式４)や(式５)などで表される形で出力する。その後の処理は先述の通りであるのでここでは省略する。上記第１,第２蓄積部５０a,５０bは、積分器と同様の効果を有する。
【０１４７】
ここで、受光部５６で発生した光キャリアをゲート５１a,５１bで左右に振り分けるため、受光部５６で発生したキャリアの移動に偏りがあっては(式３),(式４),(式５)の第１項と第２項が変化し、適切に背景光成分を除去できないばかりか距離の誤検出となってしまう。このため、受光部５６で発生した光キャリアが均等に左右に振り分けられるように、受光部５６と第１,第２蓄積部５０a,５０bおよびゲート５１a,５１bは左右対称となっている。
【０１４８】
上記第８実施形態の光学式測距装置によれば、受光部５６とゲート５１a,５１bおよび第１,第２蓄積部５０a,５０bが、受光素子の中心軸に対して左右対称であるので、第１,第２蓄積部５０a,５０bに偏りがなく電荷が蓄積されるため、測距精度が向上すると共に、差動演算により背景光を効果的に除去することができる。
【０１４９】
以上の第１〜第８実施形態において、上述したように光学式測距装置として数ｍの測距範囲でｃｍレベルの分解能を有するには、変調信号として数十ｎｓｅｃレベル、つまりＭＨｚ以上の応答を有する発光素子が必要である。ＬＥＤやＬＤはこのような高速応答も可能であり、さらに小型で安価に製造できるため、この発明の光学式測距装置の発光素子として好適である。ＬＥＤ(発光ダイオード)はその光束が発散するため比較的近距離用途に適しており、ＬＤ(レーザダイオード)はコリメート光を出射でき、光ビームを高エネルギー密度で遠くの測定対象物に照射できるため、遠距離用途に適しているが、この棲み分けに限ったものではない。上述のような背景光対策を施した光学式測距装置でもＳＮを向上させるために、日中の屋外での使用の場合はできるだけ信号光が強い方がよく、近距離用途でもＬＤの方が好ましい場合もある。
【０１５０】
さらに、発光素子から出射した光ビームを１次元に走査するスキャン機構を用いることによって、その走査角と測定した測距値を用いて２次元画像を得ることが可能となる。同様に、光ビームを２次元に走査するスキャン機構を用いることにより、３次元の距離画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の光学式測距装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は上記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３はこの発明の第２実施形態の光学式測距装置のブロック図である。
【図４】図４は上記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５】図５はこの発明の第３実施形態の光学式測距装置のブロック図である。
【図６】図６は上記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７】図７はこの発明の第４実施形態の光学式測距装置の一部の構成を示す回路構成図である。
【図８】図８はこの発明の第５実施形態の光学式測距装置の一部の構成を示す回路構成図である。
【図９】図９はこの発明の第６実施形態の光学式測距装置の一部の構成を示す回路構成図である。
【図１０Ａ】図１０Ａはこの発明の第７実施形態の光学式測距装置の一部の構成を示す回路構成図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは上記光学式測距装置の動作を説明するための回路構成図である。
【図１１】図１１(a)はこの発明の第８実施形態の光学式測距装置の受信器の要部の断面図であり、図１１(b)は図１１(a)のXIB−XIB線に沿ったポテンシャル分布を示す図である。
【図１２】図１２は従来の光学式測距装置の要部の構成を示す模式断面図である。
【図１３】図１３は上記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１４】図１４は上記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１５】図１５は上記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。
【符号の説明】
【０１５２】
１…送信器
２…受信器
３…信号処理部
４…発光素子
５…変調信号発生器
６,２６Ａ,２６Ｂ,３６,４６…受光素子
６Ａ…第１受光素子
６Ｂ…第２受光素子
７,２７,３７,４７a,４７b…スイッチ
７Ａ…第１スイッチ
７Ｂ…第２スイッチ
８a,５０a…第１蓄積部
８b,５０b…第２蓄積部
８c…第３蓄積部
８d…第４蓄積部
９,５９…差動演算部
９Ａ…第１差動演算部
９Ｂ…第２差動演算部
１０…距離判定部
１１…光ビーム
１２…測定対象物
１３a,１３b,２１,３１,４１…オペアンプ
１４a,１４b,２２,３２,４２…キャパシタンス素子
３３a４３a…第１カレントミラー回路
３３b,４３b…第２カレントミラー回路
４４…定電流回路
４８a…第１出力端子
４８b…第２出力端子
５１a,５１b…ゲート
５６…受光部
５８…Ｐ型半導体基板
【図１】
2007121116.tif 000030
【図２】
2007121116.tif 000031
【図３】
2007121116.tif 000032
【図４】
2007121116.tif 000033
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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