CN109196377B - 光传感器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

一种TOF传感器(100)包括：发光元件(6)，其根据基准脉冲而射出光；第一光接收部(1)，其通过光入射输出脉冲；第一数字运算部(14)，其计算基于反射光(L2)的入射的第一光接收部(1)的第三输出脉冲数；以及距离运算部(33)，其在第三输出脉冲数大于第一基准值的情况下，计算从本装置到所述对象物的距离。

Description

光传感器及电子设备
技术领域
本发明涉及光传感器，特别涉及使用雪崩效应的光传感器。
背景技术
以往，作为在光通信或飞行时间计测(TOF)中高速检测微弱光的光接收元件，使用利用光电二极管的雪崩放大(雪崩)效应的雪崩光电二极管。
雪崩光电二极管在施加低于降伏电压(击穿电压)的反偏压时，以线性模式动作，输出电流以相对于光接收量具有正相关的方式变化。另一方面，雪崩光电二极管在施加降伏电压以上的反偏压时，以盖革模式动作。盖革模式雪崩光电二极管即使是单一光子的入射也会引起雪崩现象，因此能够获得很大输出电流。因此，盖革模式雪崩光电二极管被称为单光子雪崩二极管(SPAD：Single Photon Avalanche Diode)。
针对盖革模式雪崩光电二极管，通过串联增加灭弧电阻，能够获得二值脉冲输出。基于图12对使用盖革模式雪崩光电二极管的光接收部111进行说明。图12是表示使用盖革模式雪崩光电二极管的光接收部111的构成例的电路图。光接收部111如图12所示，由光电二极管PD111、有效灭弧电阻R111(MOS晶体管的电阻成分)及缓冲器BUF111构成。光电二极管PD111被施加降伏电压以上的偏压VH，电阻R111被施加基准电压VG。
光电二极管PD111是盖革模式雪崩光电二极管，在降伏电压以上的偏压VH施加中，针对单一光子的入射引起雪崩现象而产生电流。通过使该电流流入与光电二极管PD111串联连接的有效灭弧电阻R111，从而能够使有效灭弧电阻R111的端子间电压增加。与端子间电压的增加相伴，光电二极管PD111的偏压降低，雪崩现象停止。若没有基于雪崩现象的电流，则有效灭弧电阻R111的端子间电压降低，恢复为光电二极管PD111再次被施加降伏电压以上的偏压的状态。按照这种方式，在缓冲器BUF111的作用下，光电二极管PD111与有效灭弧电阻R111间的电压变化作为二值脉冲输出被取出。
光接收部111能够检测微弱光，但无法对由于对象物的反射光成分而从光接收部111输出的脉冲(有效数据)、和由于除了对象物的反射光以外的成分例如信号光、环境光或热量等而输出的脉冲(无效数据)进行判别。
因此，在专利文献1中记载了去除无效数据的技术。专利文献1记载的光检测器将多个单光子雪崩二极管(SPAD)以阵列状排列，将规定数的SPAD同时反应时视为有效数据。
现有技术文献
专利文件
专利文献1：日本专利公报“专利第5644294号(2014年11月14日登记)”
发明内容
本发明所要解决的技术问题
但是，上述的以往技术存在以下问题。即，在将基于灭弧电阻附加的脉冲输出用于TOF传感器的情况下，由于有效数据越多TOF传感器的精度越高，因此需要为了维持高精度的测量而获取一定数量的有效数据。但是，在专利文献1中记载的技术由于反射光成分的脉冲检测概率大幅度减小，因此存在获取高精度的测量所需的一定数量的有效数据过度耗费时间的问题。
本发明是鉴于所述问题点提出的，其目的在于实现能够在短时间内实施高精度的距离测量的光传感器。
解决问题的手段
为了解决上述技术问题，本发明一方案的光传感器的特征在于，包括：发光部，其根据基准脉冲而射出光；第一光接收部，其通过光入射输出脉冲；第一计算部，其基于所述第一光接收部的由包含所述发光部的出射光的经由对象物产生的反射光及环境光在内的光的入射产生的第一输出脉冲数、所述第一光接收部的由环境光的入射产生的第二输出脉冲数及所述发光部的发光期间与不发光期间的比值，计算所述第一光接收部的由所述反射光的入射产生的第三输出脉冲数；以及距离计算部，其在所述第三输出脉冲数大于第一基准值的情况下，基于所述发光期间内的所述基准脉冲与所述第一光接收部的输出脉冲的比较结果，计算从本装置到所述对象物的距离。
发明效果
根据本发明的一方案，具有能够在短时间内实施高精度的距离测量的效果。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的TOF传感器的概略构成的框图。
图2是表示上述TOF传感器的光接收部的构成例的框图。
图3的(a)至(c)是用于说明上述TOF传感器在脉冲获取期间内的动作的图。
图4是表示上述TOF传感器的数字运算部的构成例的电路图。
图5是用于对上述数字运算部的动作进行说明的图。
图6的(a)至(c)是用于对上述数字运算部在各期间内的动作进行说明的电路图。
图7是表示上述TOF传感器的数字运算部的构成的变形例的框图。
图8是用于对本发明第二实施方式的TOF传感器在脉冲获取期间内的动作进行说明的图。
图9是用于对本发明第三实施方式的TOF传感器在脉冲获取期间内的发光期间和不发光期间的时序模式进行说明的图。
图10是对时序模式为一个的情况下的环境光的影响进行说明的图。
图11是对时序模式有多个的情况下的环境光的影响进行说明的图。
图12是表示使用盖革模式雪崩光电二极管的光接收部的构成例的电路图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行详细说明。并且，为了便于说明，对各实施方式所示的部件具有同一功能的部件标注同一附图标记，适当地省略其说明。
〔第一实施方式〕
参照图1至图7对本发明的第一实施方式进行说明。
(TOF传感器的概略构成)
TOF传感器100(光传感器)基于将光射出到对象物的时间与接收到利用对象物反射该射出的光的反射光的时间的时间差计算距离，从而测量TOF传感器100与对象物50间的距离。TOF传感器100例如用于智能手机或照相机等电子设备。
首先，对于TOF传感器100的概略构成总结如下。
TOF传感器100包括：发光元件6(发光部)，其根据基准脉冲而射出光；第一光接收部1，其通过光入射输出第一光接收脉冲；第一数字运算部14(第一计算部)，其基于第一光接收部1的由发光元件6的出射光的包含根据对象物产生的反射光L2及环境光L4在内的光的入射产生的第一光接收脉冲的数量(第一输出脉冲数)、第一光接收部1的由环境光L4的入射产生的第一光接收脉冲的数量(第二输出脉冲数)及发光元件6的发光期间T1与不发光期间T2的比值，计算第一光接收部1的由反射光L2的入射产生的第一光接收脉冲的数量即第一有效脉冲数(第三输出脉冲数)；以及距离运算部33(距离计算部)，在第一有效脉冲数(第三输出脉冲数)大于第一基准值的情况下，基于发光期间T1中的基准脉冲与第一光接收部1的第一光接收脉冲的比较结果，计算从本装置到所述对象物的距离。
另外，TOF传感器100包括：第二光接收部2，其通过光入射输出第二光接收脉冲；以及第二数字运算部24(第二计算部)，其基于第二光接收部2的由发光元件6的出射光在本装置内部反射的内部反射光L3及环境光L4的入射产生的第二光接收脉冲的数量(第一内部输出脉冲数)、第二光接收部2的由环境光L4的入射产生的第二光接收脉冲的数量(第二内部输出脉冲数)及发光元件6的发光期间T1与不发光期间T2的比值，计算第二光接收部2的由内部反射光L3的入射产生的第二光接收脉冲的数量即第二有效脉冲数(第三内部输出脉冲数)，距离运算部33(距离计算部)在第一有效脉冲数(第三输出脉冲数)大于第一基准值且第二有效脉冲数(第三内部输出脉冲数)大于第二基准值的情况下，基于发光期间T1中的基准脉冲与第一光接收部1的第一光接收脉冲的比较结果、和发光期间T1中的基准脉冲与第二光接收部2的第二光接收脉冲的比较结果，计算从本装置到对象物50的距离。
以下对TOF传感器100的概略构成进行详细说明。
图1是表示本发明第一实施方式的TOF传感器100的概略构成的框图。图2是表示TOF传感器100的第一光接收部1的构成例的框图。
TOF传感器100如图1所示，包括第一光接收部1、第二光接收部2、距离测量部3、基准脉冲生成电路4、驱动器电路5、发光元件6、第一数字运算部14、第一判断电路15、第二数字运算部24及第二判断电路25。
基准脉冲生成电路4生成基准脉冲。基准脉冲生成电路4向驱动器电路5赋予基准脉冲，另外，作为基准时钟向后述的第一时间差提取部31及第二时间差提取部32赋予基准脉冲。
驱动器电路5基于来自基准脉冲生成电路4的基准脉冲及由对TOF传感器100的各构成进行控制的控制部(未图示)决定的发光期间及不发光期间，使发光元件6进行脉冲驱动。
发光元件6(发光部)在发光期间T1内根据基准脉冲而向对象物50射出出射光L1。发光元件6在不发光期间T2内不射出光。
具体来说，发光元件6在脉冲获取期间内，具有重复进行脉冲发光(光向对象物50的出射)的状态α和不发光(不射出光)的状态β这两个状态。换言之，发光元件6处于状态α的期间为发光期间T1，发光元件6处于状态β的期间为不发光期间T2。
第一光接收部1在发光期间T1接收包含从发光元件6射出并由对象物50反射的反射光L2及环境光L4在内的第一入射光L10，在不发光期间T2接收环境光L4，输出第一光接收脉冲。另外，第一光接收部1将第一光接收脉冲向第一数字运算部146及第一时间差提取部31输出。
第一光接收部1是光子计数型，其针对由包含来自对象物50的反射光L2及环境光在内的光产生的光子入射而输出二值脉冲。在这里，所谓包含反射光L2及环境光在内的光是反射光L2、封装内部的反射光(内部反射光L3)及环境光(环境光L4)等，是图1所示的第一入射光L10。另外，在第一光接收部1中通过热产生的载波输出的脉冲也包含在第一光接收脉冲中。
第一光接收部1包括光电二极管PD1、有效灭弧电阻R1(MOS晶体管的电阻成分)及缓冲器BUF1。光电二极管PD1与电阻R1串联连接。光电二极管PD1被施加降伏电压以上的偏压VH，电阻R1被施加基准电压VG。
光电二极管PD1是盖革模式雪崩光电二极管，在降伏电压以上的偏压VH施加中，针对单一光子的入射发生雪崩现象，产生电流。通过使该电流向与光电二极管PD1串联连接的电阻R1流动，从而电阻R1的端子间电压增加。与端子间电压的增加相伴，光电二极管PD1的偏压降低，雪崩现象停止。若由雪崩现象引起的电流消失，则电阻R1的端子间电压降低，恢复为再次向光电二极管PD1施加降伏电压以上的偏压VH的状态。利用缓冲器BUF1将光电二极管PD1及电阻R1的间的电压变化作为二值脉冲输出取出。由此，第一光接收部1接收第一入射光L10并输出第一光接收脉冲。
第二光接收部2设置在TOF传感器100的内部，在发光期间T1内接收包含内部反射光L3及环境光L4在内的光，在不发光期间T2接收环境光L4，输出第二光接收脉冲。另外，第二光接收部2将第二光接收脉冲向第二数字运算部24及第二时间差提取部32输出。
具体来说，第二光接收部2是光子计数型，其配置在发光元件6的附近，针对由包含TOF传感器100的内部反射光L3及环境光L4在内的光引起的光子入射，输出二值脉冲。在这里，包含内部反射光L3及环境光L4在内的光是图1所示的第二入射光L20。
第二光接收部2包括光电二极管PD2、有效灭弧电阻R2及缓冲器BUF2。光电二极管PD2、有效灭弧电阻R2及缓冲器BUF2具有与第一光接收部1的光电二极管PD1、有效灭弧电阻R1及缓冲器BUF1相同的功能。由此，第二光接收部2接收第二入射光L20并输出第二光接收脉冲。
并且，在接收第一入射光L10的第一光接收部1或接收第二入射光L20的第二光接收部2有多个的情况下，如图2所示，针对来自各光接收部的输出(BUF1a(2a)、BUF1b(2b)、BUF1c(2c)的输出)，以OR逻辑统和后，向第一数字运算部14及第一时间差提取部31、或第二数字运算部24及第二时间差提取部32输出第一光接收脉冲或第二光接收脉冲。
距离测量部3测量TOF传感器100与对象物50间的距离。距离测量部3包括第一时间差提取部31、第二时间差提取部32及距离运算部33。关于距离测量部3的各构成具体如后所述。
(通过获取基准值以上的有效脉冲而获取需要数量的有效数据)
为了高精度维持TOF传感器100的距离测量精度，需要在获取一定数量的距离测量运算使用的有效数据后进行距离运算。
第一光接收脉冲中的有效数据，是在接收到反射光L2及内部反射光L3时输出的第一光接收脉冲。以下将第一光接收脉冲中的有效数据称为第一有效脉冲。第二光接收脉冲中的有效数据是在接收到内部反射光L3时输出的第二光接收脉冲。以下将第二光接收脉冲中的有效数据称为第二有效脉冲。
通过获取基准值以上的第一有效脉冲及第二有效脉冲的数量，从而确保需要数量的有效数据。
(获取需要数量的第一有效脉冲)
以下基于图1及图3，对获取需要数量的第一有效脉冲的处理进行说明。
获取基准值以上的第一有效脉冲这一动作，由第一数字运算部14及第一判断电路15进行。第一数字运算部14及第一判断电路15以与bit数对应的布线数连接。
对TOF传感器100的各构成进行控制的控制部(未图示)，在规定期间内以规定时间比(规定比)设定发光元件6的发光期间T1和不发光期间T2，第一数字运算部14获取(计数)发光期间T1中的第一光接收脉冲的数量即第一输出脉冲数及不发光期间T2内从第一光接收部1输出的第一光接收脉冲的数量即第二输出脉冲数，基于第一输出脉冲数、第二输出脉冲数及规定时间比，运算接收到反射光L2及内部反射光L3时的第一光接收脉冲的数量即第一有效脉冲数。第一数字运算部14将运算得到的第一有效脉冲数的数字值向第一判断电路15输出。
(第一数字运算部进行的发光期间T1及不发光期间T2的设定)
基于图3，说明对TOF传感器100的各构成进行控制的控制部(未图示)对发光期间T1及不发光期间T2的设定。图3的(a)至图3的(c)是用于说明TOF传感器100的脉冲获取期间内的动作的图。图3的(b)表示一个周期内从第一光接收部1输出的输出脉冲，图3的(a)是图3的(b)的局部放大图。图3的(c)是表示脉冲获取期间的图。并且，在第二光接收部2中，在脉冲获取期间内也与第一光接收部1同样地动作。
发光元件6的发光期间T1和不发光期间T2由对TOF传感器100的各构成进行控制的控制部(未图示)决定。具体来说，如图3的(b)所示，发光期间T1(发光元件6处于状态α的期间)和不发光期间T2(发光元件6处于状态β的期间)设定为发光期间T1＞不发光期间T2。另外，TOF传感器100如图3的(c)所示，在脉冲获取期间内，将以一定的时间比率(发光期间T1：不发光期间T2＝t1:t2)实施的期间设为一个周期，重复进行动作。一个周期优选以状态α与状态β的环境无变化的程度设定得尽可能短。另外，若不发光期间T2的长度过短，则计算有效数据数时的误差增大，因此，优选不发光期间T2的长度设定为发光期间T1：不发光期间T2为10：1左右。
(第一数字运算部的第一有效脉冲数的运算)
从第一光接收部1输出的第一光接收脉冲中，如上所述，不仅包含由反射光L2及内部反射光L3产生的第一有效脉冲，还包含由环境光L4产生的噪声脉冲。
具体来说，如图3的(a)所示，在发光期间T1内，基于反射光L2及内部反射光L3的第一有效脉冲和基于环境光L4的噪声脉冲混合而成的脉冲，作为第一光接收脉冲从第一光接收部1输出。另外，在不发光期间T2内，仅噪声脉冲作为第一光接收脉冲被从第一光接收部1输出。
因此，在第一数字运算部14中，按照下述方式运算一个周期的第一有效脉冲数。即，在第一数字运算部14中，从在发光期间T1内获取的第一输出脉冲数C1，减去在不发光期间T2内获取的第二输出脉冲数C2乘以规定时间比(发光期间T1/不发光期间T2＝t1/t2)的系数得到的值。也就是说，在第一数字运算部14中，一个周期结束时的第一有效脉冲数由C1-C2×(t1/t2)…(式1)求出。
针对环境光等外部环境的变化，在一个周期的较短时间内，连续地实施发光期间T1和不发光期间T2。式1的第二项导出在发光期间T1内产生几个噪声脉冲。通过从第一输出脉冲数C1中减去第二输出脉冲数C2乘以规定时间比的系数得到的值，从而能够仅求出发光期间T1中基于反射光L2及内部反射光L3的第一有效脉冲数。
另外，优选设定为t1(发光期间T1)＞t2(不发光期间T2)。由此，能够提高一个周期内的发光元件6重复进行脉冲发光的发光期间T1的比率，因此能够尽早获取第一有效脉冲，减小基于仅产生噪声脉冲的不发光期间T2时间损失。
另外，n个周期结束时(n个期间结束时)的第一有效脉冲以下述式2运算。
[算式1]
Figure GDA0001886124230000111
在这里，C1_k表示在第k周期发光期间T1内获取的第一输出脉冲数，C2_k表示在第k周期不发光期间T2内获取的第二输出脉冲数。即，通过利用第一数字运算部14仅加上第一有效脉冲数，从而运算n个周期结束时的第一有效脉冲。
第一数字运算部14在每当n个周期(n≥1)结束时，将运算获取的第一有效脉冲数设为数字值而向第一判断电路15输出。
(第一有效脉冲数的判断)
第一判断电路15(第三输出脉冲数判断部)判断从第一数字运算部14输出的第一有效脉冲数是否大于第一基准值。第一基准值优选规定为确保求出到对象物的距离的充分测量精度所需的第一有效数据的数量。
第一判断电路15在每当n个周期(n≥1)结束时，判断从第一数字运算部14输出的数字值是否大于第一基准值。n能够任意设定，在图3的(c)中示出n＝3的情况。在该情况下，第一判断电路15判断在每个点P(每三个周期)从第一数字运算部14输出的第一有效脉冲数是否大于第一基准值。
在从第一数字运算部14输出的第一有效脉冲数为第一基准值以下的情况下，第一判断电路15使脉冲获取期间持续，第一数字运算部14进而继续获取第一光接收脉冲。在从第一数字运算部14输出的第一有效脉冲数大于第一基准值的情况下，第一判断电路15结束脉冲获取期间，将该判断结果向第一时间差提取部31及距离运算部33输出。
(获取需要数量的第二有效脉冲)
以下基于图1及图3，对获取需要数量的第二有效脉冲的处理进行说明。
获取基准值以上的第二有效脉冲这一动作，由第二数字运算部24及第二判断电路25进行。第二数字运算部24及第二判断电路25以与bit数对应的布线数连接。
第二数字运算部24获取发光期间T1中的第二光接收脉冲的数量即第一内部输出脉冲数及不发光期间T2中的第二光接收脉冲的数量即第二内部输出脉冲数，基于第一内部输出脉冲数、第二内部输出脉冲数及规定时间比，运算接收到内部反射光L3时的第二光接收脉冲的数量即第二有效脉冲数。第二数字运算部24将运算得到的第二有效脉冲数的数字值向第二判断电路25输出。
(基于第二数字运算部的第二有效脉冲数的运算)
来自第二光接收部2的第二光接收脉冲，不仅包含上述由内部反射光L3产生的第二有效脉冲，还包含由环境光L4产生的噪声脉冲。
具体来说，在发光期间T1内，基于内部反射光L3的第二有效脉冲和基于环境光L4的噪声脉冲混合而成的脉冲，作为第二光接收脉冲被从第二光接收部2输出。另外，在不发光期间T2内，仅噪声脉冲作为第二光接收脉冲被从第二光接收部2输出。
因此，在第二数字运算部24中，按照以下方式运算一个周期的第二有效脉冲数。即，在第二数字运算部24中，从在发光期间T1内获取的第一内部输出脉冲数D1，减去在不发光期间T2内获取的第二内部输出脉冲数D2乘以发光期间T1/不发光期间T2(t1/t2)的系数得到的值。也就是说，利用第二数字运算部24，一个周期结束时的第二有效脉冲数由D1-D2×(t1/t2)…(式3)求出。
式3的第二项导出在发光期间T1内产生几个噪声脉冲。通过从第一内部输出脉冲数D1减去第二内部输出脉冲数D2乘以规定时间比的系数得到的值，能够仅求出发光期间T1中基于内部反射光L3的第二有效脉冲数。
另外，n个周期结束时的第一有效脉冲由下述式4运算。
[算式2]
Figure GDA0001886124230000131
在这里，D1_k表示在第k周期发光期间内获取的第一内部输出脉冲数，D2_k表示在第k周期不发光期间内获取的第二内部输出脉冲数。即，通过利用第二数字运算部24仅加上第二有效脉冲数，从而运算n个周期结束时的第二有效脉冲。
第二数字运算部24在每当n个周期(n≥1)结束时，将运算获取的第二有效脉冲数设为数字值向第二判断电路25输出。
(第二有效脉冲数的判断)
第二判断电路25判断从第二数字运算部24输出的第二有效脉冲数是否大于第二基准值。第二基准值也可以与第一基准值相同。
第二判断电路25在每当n个周期(n≥1)结束时，判断由第二数字运算部24输出的数字值是否大于第二基准值。在从第二数字运算部24输出的第二有效脉冲数为第二基准值以下的情况下，第二判断电路25使脉冲获取期间持续，第二数字运算部24进而继续获取第二光接收脉冲。在从第二数字运算部24输出的第二有效脉冲数大于第二基准值的情况下，结束脉冲获取期间，第二判断电路25将该判断结果向第二时间差提取部32及距离运算部33输出。
(到距离测量为止的流程)
第一时间差提取部31提取发光期间T1中的第一光接收脉冲与基准脉冲的平均时间差即第一平均时间差。
具体来说，第一时间差提取部31直到利用第一判断电路15判断为第一有效脉冲数大于第一基准值，获取发光期间T1中的第一光接收脉冲，求出所获取的第一光接收脉冲的第一平均时间差。所谓第一平均时间差，是从发光元件6射出光(从基准脉冲)到第一光接收部1接收到光并输出第一光接收脉冲为止的时间平均值。在第一时间差提取部31中，直到第一有效脉冲数大于第一基准值，对发光期间T1中的第一光接收脉冲的全部数据进行平均化处理。第一时间差提取部31在利用第一判断电路15判断为第一有效脉冲数大于第一基准值的情况下，将第一平均时间差向距离运算部33输出。
第二时间差提取部32提取发光期间T1内的第二光接收脉冲与基准脉冲的平均时间差即第二平均时间差。
具体来说，第二时间差提取部32直到利用第二判断电路25判断为第二有效脉冲数大于第二基准值，获取发光期间T1的第二光接收脉冲，求出所获取的第二光接收脉冲的第二平均时间差。第二平均时间差是从发光元件6射出光(从基准脉冲)到第二光接收部2接收到光并输出第二光接收脉冲为止的时间平均值。在第二时间差提取部32中，直到第二有效脉冲数大于第二基准值，对发光期间T1中的第二光接收脉冲的全部数据进行平均化处理。第二时间差提取部32在利用第二判断电路25判断为第二有效脉冲数大于第二基准值的情况下，将第二平均时间差向距离运算部3输出。
距离运算部33在利用第一判断电路15判断为第一有效脉冲数大于第一基准值，利用第二判断电路25判断为第二有效脉冲数大于第二基准值的情况下，基于第一平均时间差及第二平均时间差运算到对象物50的距离。
利用第一判断电路15判断为第一有效脉冲数大于第一基准值，必定比利用第二判断电路25判断为第二有效脉冲数大于第二基准值延迟的情况，例如为在内部反射光L3相对于反射光L2足够大的情况等。在这种情况下，距离运算部33在第一有效脉冲数大于第一基准值的情况下，也可以基于第一平均时间差及第二平均时间差，运算到对象物50的距离。
由于第二光接收部2设置在发光元件6的附近，因此从第二光接收部2输出的第二光接收脉冲能够视为空间信道上的距离大致为零。因此，第一平均时间差与第二平均时间差的差，能够视为基于空间信道上的距离(从TOF传感器100到对象物50的往返距离)的光到达时间的时间差。距离运算部33使用该第一平均时间差及第二平均时间差，提取与空间信道上的距离相当的时间差，运算到反射物的距离。
在以往的TOF传感器中，以能够获取必要的有效数据的方式，设定以充分余裕获取有效数据的时间。
对此，在本实施方式的TOF传感器100中，计数成为有效数据的第一有效脉冲数及第二有效脉冲数，判断什么时候能够获取需要数量的有效数据。由此，能够获取高精度维持测量精度所需的有效数据的数量，进而能够运算到对象物50的距离。其结果，由于能够使距离测量时间最小化，因此能够在短时间内实施高精度的距离测量。
另外，TOF传感器100具有对TOF传感器100的各构成进行控制的控制部(未图示)，控制部也可以接受第一判断电路15及第二判断电路25的判断结果，向距离测量部3指示距离测量。
(第一数字运算部的具体电路构成)
以下基于图4至图6，对第一数字运算部14的具体电路构成例进行说明。图4是表示TOF传感器100的第一数字运算部14的构成例的电路图。图5是用于说明第一数字运算部14的动作的图。图6的(a)至图6的(c)是用于对第一数字运算部14的各期间内的动作进行说明的电路图，图6的(a)是用于对发光期间T1的第一数字运算部14的动作进行说明的电路图。图6的(b)是用于对计数反转期间T3的第一数字运算部14的动作进行说明的电路图。图6的(c)是用于对不发光期间T2的第一数字运算部14的动作进行说明的电路图。并且，第二数字运算部24也与以下进行说明的第一数字运算部14的动作同样地动作。
另外，以下对发光期间T1与不发光期间T2的比值为4：1，即与第一判断电路15相关的bit数为5bit的情况进行说明。并且，向Enable、Signal1、Signal2、UP/DOWN的High(以下记为H)或Low(以下记为L)的信号输入，例如由对TOF传感器100的各构成进行控制的控制部(未图示)进行。
如图4及图5所示，第一数字运算部14是对Enable端子为H的期间内从Pulse_input端子输入的脉冲数进行计数的电路。并且，通过进一步连接由图4的虚线包围的电路部，能够增加bit数。
通过在脉冲获取前向Reset_signal端子输入H→L→H信号，从而将数字运算输出5bit(OUT_0、OUT_1、OUT_2、OUT_3、OUT_4)重置为0(＝L)，开始进行脉冲获取。
在发光期间T1内，如图5及图6的(a)所示，其电路构成为，Enable＝H、Signal1＝H、Signal2＝L、UP/DOWN＝H，并加上从Pulse_input端子输入的脉冲数。
在发光期间T1与不发光期间T2之间，具有短计数反转期间T3。在计数反转期间T3内，使Signal1、Signal2、UP/DOWN变化。计数反转期间T3相对于发光期间T1及不发光期间T2足够短，例如为发光期间T1或不发光期间T2的1/1000左右。
在计数反转期间T3中，输入Enable＝L，不计数从Pulse_input端子输入的脉冲(图5的圆圈包围部)。另外，在计数反转期间T3中，发光元件6不发光。如图6的(b)所示，在计数反转期间T3中，各bit间的D触发电路D_FF分离，在Signal2＝L变更为H时，全部的bit反转。
在不发光期间T2中，如图5所示，Enable＝H、Signal1＝H、Signal2＝L、UP/DOWN＝L，第一数字运算部14减去从Pulse_input端子输入的脉冲的数量。电路构成如图6的(c)所示，从第3bit(OUT_2)进行输入，除了第1bit和第2bit(OUT_0、OUT_1)不变，是与图6的(a)相同的构成，动作自身对脉冲数从第3bit开始相加。
对具体的的运算步骤进行说明。如图5所示，以在发光期间T1输入28个第一光接收脉冲、在不发光期间T2输入5个第一光接收脉冲的情况为例如下。并且，以下的说明以OUT_4、OUT_3、OUT_2、OUT_1、OUT_0的顺序进行，将H电压设为1、将L电压设为0进行说明。
发光期间T1中的第一光接收脉冲的数量为28(十进制)，在二进制下为11100。另外，在计数反转期间T3内，由于各bit反转，因此为00011。
由于不发光期间T2内的第一光接收脉冲的数量为5(十进制)，因此使00011向上位bit方向偏移2bit，加上5。即，由于上位3bit部分的000(0)变为101(5)，因此成为10111。另外，在计数反转期间T3内，由于各bit反转，因此成为01000(二进制)，以十进制表示为8。
如上所述，在第一数字运算部14中，进行(第一输出脉冲数C1)-(第二输出脉冲数C2)×(发光期间T1(t1)/不发光期间T2(t2))＝28-5×4＝8的运算。
不发光期间T2中的bit反转时的加法与使bit复原时的减法等价。另外，ibit(i为变量)向上位bit方向偏移、进行脉冲输入并进行加法运算，相加值与2的i次方倍等价。
在本实施方式中，t1/t2为4倍，因此在不发光期间T2内偏移2bit进行加法运算。由此，相加值进行2的乘方倍，换言之，发光期间T1是不发光期间T2的2的乘方倍，则在第一数字运算部14的电路构成上简易，能够简化数字运算电路的构成，减小电路规模。
在不发光期间T2后，再次将计数反转期间T3夹在中间，形成判断期间T4。
〔变形例1〕
以下基于图7，对作为第一数字运算部14的概略构成的变形例的第一数字运算部141进行说明。图7是表示TOF传感器100的第一数字运算部14的构成的变形例的框图。并且，第二数字运算部24的电路也能够构成与第一数字运算部14相同的变形例。
第一数字运算部141如图7所示，也可以分别具有对第一输出脉冲数进行计数的发光期间计数器60、对第二输出脉冲数进行计数的不发光期间计数器61、进行乘法处理的乘法电路62及进行减法处理的减法电路63。发光期间计数器60和减法电路63、不发光期间计数器61和乘法电路62及乘法电路62和减法电路63，以与bit数对应的布线数连接。
第一数字运算部141与第一数字运算部14的构成相比，由于D触发电路D_FF的数量增加，因此电路规模变大。
在第一数字运算部141中，通过使一个周期内的与不发光期间T2相对的发光期间T1为2的i倍，从而能够减小电路规模。其理由在于，在第一数字运算部141中进行减法处理时，通过使第二输出脉冲数C2的二进制输出向上位bit方向偏移ibit(i为变量)进行减法，从而能够进行C1-C2×(t1/t2)的运算，不需要设置与t1/t2的系数相乘的乘法电路62。
另外，在本实施方式中，即使不包含第二光接收部2而仅有第一光接收部1，也能够进行到对象物50的距离测量。在该情况下，距离运算部33基于发光期间T1的第一光接收脉冲及基准脉冲运算到对象物的距离。
另外，TOF传感器100具有与第一光接收部1相同电路的第二光接收部2，从而基于以下(1)及(2)的理由，能够仅以简单的光路距离差计算到对象物50的距离，因此能够提高距离计算精度。(1)能够考虑电路内的延迟，(2)能够考虑发光元件的发光延迟及光电二极管的响应延迟。
〔第二实施方式〕
参照图1及图8，对本发明的第二实施方式进行说明。图8是用于对本发明第二实施方式的TOF传感器100A的脉冲获取期间内的动作进行说明的图。TOF传感器100A与TOF传感器100相比，在一个周期内对发光期间T1及不发光期间T2进行分割实施这一点不同，其他构成相同。
(在一个周期内分割实施发光期间及不发光期间)
在本实施方式中，如图8所示，在一个周期内分割发光期间T1及不发光期间T2并交替实施。具体来说，发光期间T1在一个周期中被分割为发光期间T11、发光期间T12及发光期间T13，不发光期间T2在一个周期中被分割为不发光期间T21、不发光期间T22及不发光期间T23，发光期间与不发光期间交替实施。
发光期间的合计(发光期间T1)与不发光期间的合计(不发光期间T2)表示以下关系。即，发光期间的合计(＝发光期间T11+发光期间T12+发光期间T13)＞不发光期间的合计(＝不发光期间T21+不发光期间T22+不发光期间T23)。换言之，满足t1(＝t11+t12+t13)＞t2(＝t21+t22+t23)。另外，一个周期中的t1与t2的比值由规定时间比决定。TOF传感器100A将由按照上述方式设定的发光期间及不发光期间构成的期间设为一个周期，在脉冲获取期间内重复进行动作。
(有效脉冲数的运算)
与第一实施方式的情况同样地，在第一数字运算部14中，加上在发光期间T1中获取的第一输出脉冲数C1，减去不发光期间T2中获取的第二输出脉冲数C2乘以一个周期内的(发光期间的合计时间(t1)/不发光期间的合计时间(t2))系数得到的值。一个周期结束时由数字运算部输出的数字值由C1-C2×(t1/t2)…(式5)求出。
针对环境光等外部环境的变化，发光期间T11、T12、T13与不发光期间T21、T22、T23在一个周期的较短时间内连续实施。式5的第二项导出在发光期间T1内产生几个噪声脉冲。从第一输出脉冲数C1中减去第二输出脉冲数C2乘以规定时间比的系数得到的值，从而能够仅求出发光期间T1中基于反射光L2及内部反射光L3的第一有效脉冲数。
另外，通过设定为t1(发光期间的合计)＞t2(不发光期间的合计)，从而能够提高一个周期内发光元件6重复进行脉冲发光的发光期间的比率，尽早获取第一有效脉冲，减少由仅产生噪声脉冲的不发光期间引起的时间损失。
n个周期结束时的第一有效脉冲由下述式6运算。
[算式3]
Figure GDA0001886124230000211
在这里，C1_k表示在第k周期发光期间获取的第一输出脉冲数，C2_k表示在第k周期的不发光期间内获取的第二输出脉冲数。即，通过利用第一数字运算部14仅加上第一有效脉冲数，从而运算n个周期结束时的第一有效脉冲。
第一判断电路15在每当n个周期(n≥1)结束时，判断由第一数字运算部14输出的第一有效脉冲数是否超过第一基准值。第一判断电路15在从第一数字运算部14输出的第一有效脉冲数为第一基准值以下的情况下，使脉冲获取期间持续，第一数字运算部14进而继续获取第一光接收脉冲。在从第一数字运算部14输出的第一有效脉冲数大于第一基准值的情况下，第一判断电路15结束脉冲获取期间，将该判断结果向第一时间差提取部31及距离运算部33输出。
与第一实施方式同样地，能够在每当n个周期(n≥1)结束时，掌握TOF传感器100A的第一有效脉冲数，获取所需的足够的数据数，进而运算到对象物50的距离。其结果，能够使距离测量时间最小化，因此能够在短时间内实施高精度的距离测量。
另外，在本实施方式中，第二数字运算部24及第二判断电路25也同样地，使用本实施方式规定的发光期间T1及不发光期间T2，与第一实施方式同样地进行处理。
〔第三实施方式〕
参照图1及图9至图11，对本发明的第三实施方式进行说明。图9是用于对本发明第三实施方式的TOF传感器100B的脉冲获取期间内的发光期间与不发光期间的时序模式进行说明的图。图10是对发光期间及不发光期间的时序模式为一个情况下的环境光的影响进行说明的图。图11是对发光期间及不发光期间的时序模式有多个的情况下的环境光的影响进行说明的图。TOF传感器100B与TOF传感器100相比，在具有使一个周期内的实施发光期间和不发光期间的时序变化的m种(m≥2)模式这一点上不同，其他构成相同。换言之，在本实施方式中，在第二实施方式的一个周期内分割实施发光期间及不发光期间的情况下，上述分割方法至少具有两种以上模式，具有各模式的规定期间被依次实施。
(使一个周期内实施发光期间和不发光期间的时序变化)
图9中示出按照在一个周期内对发光期间T1和不发光期间T2进行多种分割并交替实施的方式设定的模式A至模式E。模式A模式至E各模式均为发光期间的合计时间(t1)＞不发光期间的合计时间(t2)，一个周期中的发光期间的合计与不发光期间的合计的比值(t1：t2)由一定的规定时间比决定。
从模式A到模式E分别为一个周期，在脉冲获取期间内，从该实施模式A到模式E依次重复动作。
在本实施方式中，将模式A到模式E设为一组，每当从模式A到模式E实施结束(每五个周期)，第一判断电路15判断由第一数字运算部14输出的第一有效脉冲数是否大于第一基准值。
第三实施方式与第一实施方式相比，不易受到脉冲获取期间内的环境光强度变化的影响。以下进行详细说明。
图10中示出在与第一实施方式同样地发光期间及不发光期间的时序模式为一个的情况下，发光期间、不发光期间内的环境光的强度状态。在环境光强度状态a及环境光强度状态b下，示出与一个周期同步的环境光入射到第一光接收部1的情况。示出在环境光强度状态c及环境光强度状态d下，单调增加或单调减少的环境光入射到第一光接收部1的情况。如图10所示，可知在环境光强度状态a及环境光强度状态c的情况下，与发光期间相比，环境光在不发光期间内始终处于较强状态。此外，可知在环境光强度状态b及环境光强度状态d的情况下，与发光期间相比，环境光在不发光期间内始终处于较弱状态。
按照上述方式，在规定时间比的模式为一个的情况下，基于环境光的噪声脉冲发生频度在发光期间和不发光期间变化很大，成为有效脉冲数计算时的误差要因。
与此相对，如本实施方式所示，在脉冲获取期间内依次重复施行五个周期的模式A至模式E的情况下，如图11所示，在环境光强度状态a至环境光强度状态d的任意情况下，发光期间内的环境光强的状态和不发光期间内的环境光强的状态均混合。由此，发光期间、不发光期间内的环境光的强度在5个周期内平均化，基于环境光的噪声脉冲的平均产生频度在发光期间与不发光期间的差减少，因此能够减小有效脉冲数计算时的误差。其结果，在本实施方式中，即使针对环境光的单调增加、单调减少及逆变荧光灯等AC强度变化的环境光，也能够减小有效脉冲计算时的误差，在环境光下也能够维持高精度的测量。
〔基于软件的实现例〕
TOF传感器100的控制模块可以由在集成电路(IC芯片)等上形成的逻辑电路(硬件)实现，也可以使用CPU(Central Processing Unit)由软件实现。
在后者的情况下，TOF传感器100包括实施实现各功能的软件即程序的命令的CPU、以能够由计算机(或CPU)读取的方式记录有上述程序及各种数据的ROM(Read OnlyMemory)或存储装置(将其记为“记录介质”)、展开上述程序的RAM(Random Access Memory)等。并且，通过由计算机(或CPU)从上述记录介质读取上述程序并实施，从而实现本发明的目的。作为上述记录介质，能够使用“非暂时性的有形介质”例如带、盘、卡、半导体存储器、可编程逻辑电路等。另外，上述程序也可以经由能够传送该程序的任意传送介质(通信网络或广播等)向上述计算机供给。并且，本发明由通过电子传送实现上述程序的载入传输波中的数据信号的方式也能够实现。
〔总结〕
本发明第一方案的光传感器(TOF传感器100、100A、100B)包括：发光部(发光元件6)，其根据基准脉冲而射出光；第一光接收部(1)，其利用光入射输出脉冲；第一计算部(第一数字运算部14)，其基于所述第一光接收部的包含由所述发光部的出射光的经由对象物产生的反射光(L2)及环境光(L4)在内的光的入射产生的第一输出脉冲数、所述第一光接收部的由环境光的入射产生的第二输出脉冲数及所述发光部的发光期间(T1)与不发光期间(T2)的比值，计算所述第一光接收部的由所述反射光的入射产生的第三输出脉冲数(第一有效脉冲数)；以及距离计算部(距离运算部33)，其在所述第三输出脉冲数大于第一基准值的情况下，基于所述发光期间内的所述基准脉冲与所述第一光接收部的输出脉冲的比较结果，计算从本装置到所述对象物的距离。
根据上述构成，能够利用第一计算部，基于发光期间与不发光期间的比值、由于包含在发光期间内从发光部射出并由对象物反射的反射光及环境光在内的光的入射而从第一光接收部输出的第一输出脉冲数、在不发光期间由于环境光的入射而由第一光接收部输出的第二输出脉冲数，运算在接收到上述反射光时由第一光接收部输出的第三输出脉冲数。
另外，在第三输出脉冲数大于第一基准值的情况下，基于输出脉冲及基准脉冲，利用距离计算部运算到对象物的距离。由此，通过将第一基准值规定为求出准确的到对象物的距离所需的有效数据数，从而能够获取需要的有效数据的数量，进而运算到对象物的距离。其结果，由于能够使距离测量时间最小化，因此能够在短时间内实施高精度的距离测量。
本发明第二方案的光传感器(TOF传感器100、100A、100B)优选为，在上述第一方案的基础上，包括：第二光接收部(2)，其通过光入射而输出脉冲；以及第二计算部(第二数字运算部24)，其基于所述第二光接收部的由所述发光部的出射光在本装置内部反射的内部反射光(L3)及环境光(L4)的入射产生的第一内部输出脉冲数、所述第二光接收部的由环境光的入射产生的第二内部输出脉冲数及所述比值，计算所述第二光接收部的由所述内部反射光的入射产生的第三内部输出脉冲数(第二有效脉冲数)，所述距离计算部(距离运算部33)在所述第三内部输出脉冲数大于第二基准值的情况下，基于所述比较结果、所述发光期间内的所述基准脉冲与所述第二光接收部的输出脉冲的比较结果，计算从本装置到所述对象物的距离。
根据上述构成，能够利用第二计算部，基于发光期间与不发光期间的比值、在发光期间由于所述发光部的出射光的由本装置的封装反射的内部反射光及环境光的入射而从第二光接收部输出的第一内部输出脉冲数、和在不发光期间内由于环境光的入射而由第二光接收部输出的第二内部输出脉冲数，在接收到上述内部反射光时运算由第二光接收部输出的第三内部输出脉冲数。
另外，在第三输出脉冲数大于第一基准值且第三内部输出脉冲数大于第二基准值的情况下，基于第一光接收部的输出脉冲、第二光接收部的输出脉冲及基准脉冲，利用距离计算部运算到对象物的距离。由此，通过将第一基准值及第二基准值规定为求出准确的到对象物的距离所需的有效数据数，从而能够获取需要的有效数据数，进而能够进行从传感器到对象物的距离测量。
本发明第三方案的光传感器(TOF传感器100、100A、100B)优选为，在上述第一或第二方案的基础上，所述发光期间(T1)比所述不发光期间(T2)长。
根据上述构成，通过使发光期间比不发光期间长，从而能够尽早获取需要数量的有效数据，因此能够进一步缩短距离测量时间。
本发明第四方案的光传感器(TOF传感器100A)优选为，在上述第一至第三方案中任一方案的基础上，所述发光期间(T1)及所述不发光期间(T2)以成为规定比值的方式，在规定期间内分割并交替实施。
根据上述构成，即使环境光的单调增加、单调减少，即使是由于逆变荧光灯等AC(交流电流)而强度变化的环境光，也能够减小运算有效脉冲数时的误差，即使在环境光下也能够维持高精度的测量。
本发明第五方案的光传感器(TOF传感器100B)优选为，在上述第四方案的基础上，所述分割方法至少具有两种以上模式，依次实施具有各模式的规定期间。
根据上述构成，即使环境光的单调增加、单调减少，即使是逆变荧光灯等由于AC(交流电流)而强度变化的环境光，也能够减少运算有效脉冲数时的误差，即使在环境光下也能够维持高精度的测量。
本发明第六方案的光传感器(TOF传感器100、100A、100B)优选为，在上述第一至第五任一方案的基础上，所述发光期间(T1)为所述不发光期间(T2)的2的乘方倍。
根据上述构成，能够简化第一判断电路的构成，减小电路规模。
本发明第七方案的光传感器(TOF传感器100、100A、100B)优选为，在上述第一至第六任一方案的基础上，所述距离计算部(距离运算部33)基于所述发光期间(T1)中的输出脉冲与所述基准脉冲的平均时间差，运算到所述对象物(50)的距离。
根据上述构成，能够基于所述发光期间内的输出脉冲与基准脉冲的平均时间差，利用距离计算部运算到对象物的距离。
本发明第八方案的光传感器(TOF传感器100、100A、100B)优选为，在上述第二方案的基础上，所述第一光接收部(1)或所述第二光接收部(2)中的至少一个包含盖革模式雪崩光电二极管。
根据上述构成，能够高速地检测微弱光。
本发明第九方案的光传感器(TOF传感器100、100A、100B)优选为，在上述第四方案的基础上，具备判断所述第三输出脉冲数(第一有效脉冲数)是否大于第一基准值的第三输出脉冲数判断部(第一判断电路15)，所述第三输出脉冲数判断部的判断于每当所述规定期间在n个期间(n≥1)结束时进行。
根据上述构成，能够每隔规定期间判断有效数据的数量。
本发明第十方案的电子设备优选为，具备上述第一至第九任一方案中的光传感器(TOF传感器100、100A、100B)。
根据上述构成，具有与第一方案相同的效果。
本发明的各方案的TOF传感器也可以由计算机实现，在该情况下，通过使计算机作为上述TOF传感器所具有的的各部分(软件要素)动作，从而能够由计算机实现上述TOF传感器，TOF传感器的控制程序记录有该控制程序的计算机可读取的记录介质也包含在本发明范围内。
本发明不限定于上述各实施方式，能够在权利要求表示的额范围内进行多种变更，将分别在不同实施方式中公开的技术手段适当组合得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。此外，能够通过将分别在各实施方式中公开的技术手段组合形成新的技术特征。
附图说明
1 第一光接收部
2 第二光接收部
6 发光元件(发光部)
14 第一数字运算部(第一计算部)
15 第一判断电路(第三输出脉冲数判断部)
24 第二数字运算部(第二计算部)
25 第二判断电路
31 第一时间差提取部
32 第二时间差提取部
33 距离运算部(距离计算部)
L2 反射光
L3 内部反射光
L4 环境光
L10 第一入射光
T1 发光期间
T2 不发光期间
100、100A、100B 光传感器

Claims (10)

1.一种光传感器，其特征在于，包括：
发光部，其根据基准脉冲而射出光；
第一光接收部，其通过光入射输出脉冲；
第一计算部，其基于所述第一光接收部的由包含所述发光部的出射光的经由对象物产生的反射光及环境光在内的光的入射产生的第一输出脉冲数、所述第一光接收部的由环境光的入射产生的第二输出脉冲数及所述发光部的发光期间与不发光期间的比值，计算所述第一光接收部的由所述反射光的入射产生的第三输出脉冲数；以及
距离计算部，其在所述第三输出脉冲数大于第一基准值的情况下，基于所述发光期间内的所述基准脉冲与所述第一光接收部的输出脉冲的比较结果，计算从本装置到所述对象物的距离。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其特征在于，还包括：
第二光接收部，其利用光入射输出脉冲；以及
第二计算部，其基于所述第二光接收部的由所述发光部的出射光的在本装置内部反射的内部反射光及环境光的入射产生的第一内部输出脉冲数、所述第二光接收部的由环境光的入射产生的第二内部输出脉冲数及所述比值，计算所述第二光接收部的由所述内部反射光的入射产生的第三内部输出脉冲数，
所述距离计算部在所述第三内部输出脉冲数大于第二基准值的情况下，基于所述比较结果、和所述发光期间内的所述基准脉冲与所述第二光接收部的输出脉冲的比较结果，计算从本装置到所述对象物的距离。
3.根据权利要求1所述的光传感器，其特征在于，
所述发光期间比所述不发光期间长。
4.根据权利要求1所述的光传感器，其特征在于，
所述发光期间及所述不发光期间以成为规定比的方式在规定期间内被分割并交替实施。
5.根据权利要求4所述的光传感器，其特征在于，
所述分割方法至少具有两种以上模式，具有各模式的规定期间被依次实施。
6.根据权利要求1所述的光传感器，其特征在于，
所述发光期间为所述不发光期间的2的乘方倍。
7.根据权利要求1所述的光传感器，其特征在于，
所述距离计算部基于所述发光期间内的输出脉冲与所述基准脉冲的平均时间差，运算到所述对象物的距离。
8.根据权利要求2所述的光传感器，其特征在于，
所述第一光接收部或所述第二光接收部中的至少一个包含盖革模式雪崩光电二极管。
9.根据权利要求4所述的光传感器，其特征在于，
还具备判断所述第三输出脉冲数是否大于第一基准值的第三输出脉冲数判断部，
所述第三输出脉冲数判断部的判断于每当所述规定期间在n个期间(n≥1)结束时进行。
10.一种电子设备，其特征在于，
具备权利要求1至9中任一项所述的光传感器。
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