JP2007121116A - Optical distance measuring device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a TOP type optical distance measuring device capable of performing distance measurement with high accuracy even under environment having especially high background light in the outdoor or the like. <P>SOLUTION: A transmitter 1 comprises a light emitting element 4 for emitting a light signal synchronized with a modulating signal having a predetermined repeat frequency, and a modulating signal generator 5 for outputting the modulating signal to the light emitting element 4. A receiver 2 comprises a light receiving element 6 for receiving a light beam 11 reflected by a measured object 12 and converting it to an electric signal, a switch 7 for receiving a signal from the modulating signal generator 5 and changing the electric signal from the light receiving element 6 to two routes at a predetermined timing, and first and second accumulation sections 8a and 8b for accumulating electric signals in two routes changed with the switch 7. A signal processing section 3 comprises a differential arithmetic section 9 for performing differential operation of the electric signals accumulated by the first and second accumulation sections 8a and 8b, and a distance determining section 10 for determining distance to the measured object 12 based on the differential arithmetic result of the differential arithmetic section 9. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to an optical distance measuring device, and more specifically, detects a distance to a measurement object by measuring a travel time from when light is emitted until it is reflected by the measurement object and detected by a light receiving element. In particular, it is suitable for use in electronic equipment such as a personal robot that needs to detect an obstacle, a non-contact switch without a mechanical contact, and a non-contact control device.

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3.0×10[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。

Figure 2007121116
2. Description of the Related Art Conventionally, a so-called TOF (Time Of Flight) method for measuring a light round-trip time and calculating a distance to a measurement object is widely known as a distance measurement technique. In this method, since the speed of light c is known as 3.0 × 10 8 [m / sec], the distance L to the object is calculated by the following (Expression 1) by measuring the round-trip time Δt. Is to be calculated.
Figure 2007121116

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。   Various specific signal processing methods of the TOF method have been proposed. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-18665), a start pulse (synchronized with a light emitting element) is used as a start signal, and a stop pulse (light reception signal) is used. The charge continues to be accumulated (or discharged) in the integrator until the light is detected, and the round trip time of light is detected from the increase (decrease) amount. A similar measurement method for measuring the time between the start pulse and the stop pulse is, for example, as shown in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-294642). There are some which obtain the round trip time by measuring the number of pulses until a pulse is detected.

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。   However, in any of these methods, the signal detected by the light receiving element is converted into a pulse (voltage) signal, and signal processing is performed in such a manner that time information is given to the pulse waveform. In general, the measurement object is not specified, the dynamic range of the amount of reflected light from them is very large, and the noise component due to background light such as natural light is often larger. Under such circumstances, it is very difficult to appropriately extract the signal light pulse light by removing the background light noise. In addition, the voltage waveform easily causes phase delay due to the influence of environment (mainly temperature), etc., so the variation on the time axis becomes very large and some kind of correction means is required, so even in that case the circuit configuration is very complicated As a result, the manufacturing cost increases.

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)。   On the other hand, R. Miyagawa et al. Used a photogate structure with a general CCD structure for the distance measurement sensor, and processed the photocurrent before voltage conversion of the received light signal to measure the distance. A method for obtaining information has been announced (for example, see Non-Patent Document 1).

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。   FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of the structure of the distance measuring sensor announced, and FIG. 13 shows a timing chart for explaining the operation of the method.

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。   In FIG. 12, 101 is a P-type semiconductor substrate, 102 is an n-type semiconductor layer forming a light receiving portion, and 103 and 104 are n-type semiconductor layers corresponding to Ach and Bch charge storage portions, respectively. Reference numerals 105 and 106 denote switches having a MOS structure. The n-type semiconductor layers 102 and 103 and the switch 105 form a switching MOS transistor. Similarly, the n-type semiconductor layers 102 and 104 and the switch 106 form a switching MOS transistor. is doing.

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(t)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tと同じである。 As shown in FIG. 13, the light emitting element irradiates the object with light according to the timing of FIG. The optical signal reflected by the object is detected by the light receiving portion formed by the n-type semiconductor layers 101 and 102 shown in FIG. 12, and becomes a light receiving signal as shown in FIG. At this time, the phase relationship between the light emission signal in FIG. 13 (a) and the light reception signal in FIG. 13 (b) is such that the light reception signal is delayed by the time (t 1 ) during which the light travels back and forth the distance to the measurement object. Here, the Ach gate (GA) is turned on in synchronization with the light emission signal, and the Bch gate (GB) is turned on at the same time as the Ach is turned off. At this time, the duration of the on the respective gate signal (GA, GB) is the same as the duration t 0 of the emission signal.

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(t−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。 By performing the switching operation at such timing, the charge corresponding to (t 0 -tl) shown in FIG. 13 (e) is accumulated in the Ach charge accumulation unit (103), and the Bch charge accumulation unit In (104), a charge corresponding to (tl) is accumulated. By repeating this operation a plurality of times and accumulating signals to increase signal components and then reading out the signals of both channels, for example, the ratio of both signals can be calculated to measure the distance to the object. . According to this technique, information on the amount of phase delay corresponding to the round trip time of light is processed as accumulated charge amount (intensity). There is no need to consider. For this reason, it is possible to measure a stable distance.

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。   In a general environment, there is some background light such as sunlight and lighting (fluorescent lamps, etc.). When background light is present, the received light signal waveform is superimposed on the background light. The modulation frequency of background light varies from DC (sunlight) to several tens of kilohertz (inverter lamps), but is at most a kilohertz level in a general living environment. On the other hand, since the TOF method is a delay time measurement using the speed of light, its frequency is high, and it is common to use a level of several tens of MHz. For this reason, the frequency of the background light is sufficiently lower than the pulse waveform of the received light signal, and can be regarded as DC within one period of the pulse waveform.

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tを求めることはできない。 FIG. 14 shows a timing chart when there is background light. FIG. 14 (e), the as shown in FIG. 14 (f), Ach, since the amount of charge stored in Bch has increased by the amount of the duration of the on-gate, the delay time t l using these I can't ask for it.

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。   In order to solve such a problem, in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-294420), in addition to the structure similar to the above, another charge storage region is provided, and only background light is monitored in the third time zone. Thus, only the reflected signal is extracted from the outputs of Ach and Bch.

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。

Figure 2007121116
FIG. 15 shows the timing chart. As shown in FIG. 15, a switching MOS transistor that turns on the gate of Cch with the same pulse width following Ach and Bch is provided around the light receiving section (not shown). Since there is no reflected signal light during this time period, charges due to background light alone are accumulated, and the background light intensity is monitored. From these three accumulated carriers (intensities), the following (Equation 2) can be used to determine the distance to the object even in an environment with background light.
Figure 2007121116

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。
特開平6−18665号公報 特開平7−294642号公報 特開2004−294420号公報 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
The background light as described above reaches, for example, several hundred thousand lux under outdoor sunlight, and has a brightness of several thousand lux even in a relatively bright indoor such as an office. Due to such strong background light, for example, when a normal photodiode is used as the light receiving element, it can be easily calculated that it is generally on the order of mA although it depends on the optical system and its light receiving area. On the other hand, the amount of light reflected and returned from the object greatly depends on the state of reflection on the surface of the object and the distance to the object. Even if mW) is used, if there is a distance of several meters to the object, the amount of light incident on the light receiving element may be reduced to about nW. Under such an environment, the SN ratio of the charges accumulated in the charge accumulation units (103, 104) in FIG. 12 is very low, and a very small signal component exists in most noise components. The capacity of the charge storage unit (103, 104) with respect to the charge is finite, and the lower the S / N ratio, the greater the error in the measurement distance.
Japanese Patent Laid-Open No. 6-18665 Japanese Patent Laid-Open No. 7-294642 JP 2004-294420 A "CCD-Based Range-Finding Senseor" by Ryohei Miyagawa and Takeo Kanada, IEEE Transactions on Electron Devices), Vol. 44 (Vol.44), No. 10 (No. 10), October 1997 (October, 1997), p1648-1652

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。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a TOF type optical distance measuring device capable of measuring a distance with high accuracy even in an environment with strong background light such as outdoors.

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。
In order to achieve the above object, an optical distance measuring device of the present invention comprises:
An optical distance measuring device that detects a distance to the measurement object by measuring a travel time from transmission of light to reception of light reflected by the measurement object,
A light emitting element that emits an optical signal synchronized with a modulation signal having a predetermined repetition frequency;
A light receiving element that reflects the optical signal from the light emitting element on the object to be measured, receives the reflected optical signal, and converts it into an electrical signal;
A switch for switching the electrical signal from the light receiving element to at least two paths at a predetermined timing;
An accumulation / differential operation unit for accumulating the electric signals switched by the switch, and for performing a differential operation of the accumulated electric signals;
And a distance determination unit that determines a distance to the measurement object based on a differential calculation result of the accumulation / differential calculation unit.

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。   According to the optical distance measuring device having the above-described configuration, each electrical signal switched at a predetermined timing is accumulated, and a differential operation of the accumulated electrical signal is performed, so that noise components such as background light are appropriately generated. Removed. Thus, only the signal component accumulated as a differential calculation result is extracted. The distance can be calculated with high accuracy by detecting the travel time of the light from the object to be measured by the distance determination unit from the result of the accumulation operation until the signal component has a sufficient magnitude.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
The accumulation / differential calculation unit has an integrator using a capacitance element,
The electrical signal is accumulated by the integrator.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since a capacitance element which is a general passive element is used for the accumulation / differential calculation unit, a special circuit element is not required on the light receiving side. The light receiving side can be configured using.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
The switch switches between the first route and the second route,
The integrator of the accumulation / differential operation unit is a first integrator connected to the first path and a second integrator connected to the second path,
The accumulation / differential operation unit performs a differential operation between the output of the first integrator and the output of the second integrator.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the accumulation / differential calculation unit performs differential calculation of the outputs of the first integrator and the second integrator, the simplest circuit configuration can be obtained. .

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。   Further, the optical distance measuring device of one embodiment is characterized in that the capacitance values of the capacitance elements used in the first integrator and the second integrator are substantially the same.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the capacitance values of the capacitance elements of the first integrator and the second integrator are the same, the subsequent differential calculation can be executed easily and with high accuracy. it can.

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。   In one embodiment, at least the light receiving element, the first integrator, and the second integrator are fabricated on the same semiconductor substrate.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since at least the first integrator and the second integrator are fabricated on the same semiconductor substrate, the characteristics of the first and second integrators are ideally equalized. Since the error between the first and second integrators can be reduced, the distance can be measured with high accuracy.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
The optical distance measuring device according to claim 1.
The accumulation / differential calculation unit has an integrator using a capacitance element,
A differential operation is performed while accumulating the electrical signal by the integrator.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, in the integrator using the capacitance element of the accumulation / differential calculation unit, signal accumulation is performed while differentially calculating an electric signal including the background light component and the signal light component. Therefore, the number of parts can be reduced, and the storage means is not saturated with background light components even in a large background light environment such as outdoors.

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。   In one embodiment, the optical distance measuring device switches the photocurrent detected by the light receiving element by the switch, and inputs the photocurrent to the input terminal of the integrator of the accumulation / differential calculation unit. The differential operation is performed by reversing the direction in which the current flows.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, the effect of differential calculation is obtained by inverting the direction of the current applied to the integrator of the accumulation / differential calculation unit at a predetermined timing by switching the switch. be able to. Thereby, it is possible to accumulate the signal component of the calculation result while performing the differential calculation with one integrator.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
The light receiving element is a first light receiving element having a cathode connected to a power source and a second light receiving element having an anode connected to a reference potential.
The switch connects the anode of the first light receiving element to the input terminal of the integrator of the storage / differential operation unit at the predetermined timing, and connects the cathode of the second light receiving element to the storage / differential. It connects to the input terminal of the said integrator of a calculating part, It is characterized by the above-mentioned.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the switch is switched to the anode of the first light receiving element and the cathode of the second light receiving element at a predetermined timing, the direction of the current that effectively acts on the integrator is changed. Can be reversed.

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。   The optical distance measuring device according to an embodiment is characterized in that the first light receiving element and the second light receiving element have the same structure and the same size.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the first light receiving element and the second light receiving element have the same structure and the same size, their output characteristics are the same, and the error of the current applied to the integrator is reduced. Can be reduced.

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。   The optical distance measuring device according to an embodiment is characterized in that at least the first light receiving element and the second light receiving element are formed on the same semiconductor substrate.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the first light receiving element and the second light receiving element are fabricated on the same semiconductor substrate, an error in output characteristics between the first and second light receiving elements is ignored. In addition, since the first and second light receiving elements can be disposed adjacent to each other in the vicinity of the poles, it is possible to eliminate uneven irradiation of the optical signal between the first and second light receiving elements. Thereby, it is possible to measure the distance with high accuracy.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
A discharge-type first current mirror circuit that generates two currents of the same magnitude as the current flowing through the light receiving element;
A suction type second current mirror circuit that receives one of the two currents generated by the first current mirror circuit and generates a current of the same magnitude as the current;
The switch inputs the other of the currents generated by the first current mirror circuit to the input terminal of the integrator at the predetermined timing, or the current generated by the second current mirror circuit is It is characterized by switching whether to input to the input terminal of the integrator.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, the same current is generated by the first and second current mirror circuits for the photocurrent generated by the light receiving element, so that the number of light receiving elements and integrators is 1 respectively. As a result, the number of components can be reduced, and errors due to characteristic differences between the light receiving elements and between the integrators can be eliminated.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
A constant current source;
A discharge-type first current mirror circuit that generates two currents having the same magnitude as the current flowing through the constant current source;
A suction-type second current mirror circuit that generates two currents of the same magnitude as the current flowing through the constant current source;
The anode of the first light receiving element is connected to one output side terminal of the first current mirror circuit, the cathode of the first light receiving element is connected to the other output side terminal of the first current mirror circuit,
The switch inputs one output side terminal of the first current mirror circuit to the input terminal of the integrator and connects the other output side terminal of the first current mirror circuit to a resistive load at the predetermined timing. Or switching between whether one output side terminal of the first current mirror circuit is connected to a resistive load by inputting the other output side terminal of the first current mirror circuit to the input terminal of the integrator. It is characterized by.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, the light receiving element is connected between two paths through which the same constant current as the constant current source flows, and the amount of change corresponding to the photocurrent can be extracted. Since the input impedance of the element is reduced, a high-speed response is possible. In addition, since there are two paths through which the same constant current as the constant current source flows, one output side terminal of the first current mirror circuit is made the input terminal of the integrator at a predetermined timing by the switch. Input and connect the other output side terminal of the first current mirror circuit to the resistive load, or input the other output side terminal of the first current mirror circuit to the input terminal of the integrator and input the first current mirror circuit The direction of the current applied to the integrator can be reversed by switching whether one of the output side terminals is connected to the resistive load.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
The switch is a first switch and a second switch,
The accumulation / differential calculation unit includes a first accumulation unit and a second accumulation unit,
The light receiving element and the first switch and the second switch are disposed adjacent to each other,
The first storage unit is disposed adjacent to the first switch,
The second storage unit is disposed adjacent to the second switch,
The accumulation / differential calculation unit performs differential calculation of signals accumulated in the first accumulation unit and the second accumulation unit,
At least the light receiving element, the first switch, the second switch, the first accumulation unit, and the second accumulation unit are manufactured on the same semiconductor substrate.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, the first and second switches are disposed adjacent to the light receiving element, and the first and second storage units are disposed adjacent to the first and second switches. Since these can be manufactured on the same semiconductor substrate, they can be integrated and configured, so that the size can be easily reduced and the manufacturing cost can be reduced. Further, the light receiving element and the storage / differential calculation unit (differential calculation, signal storage) can be configured by one.

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。   In one embodiment, the optical distance measuring device is configured such that the light receiving element, the first switch, the second switch, the first accumulation unit, and the second accumulation unit are left and right with respect to a center line of the light reception element. It is symmetric.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the light receiving element, the first and second switches, and the first and second accumulating portions are symmetrical with respect to the central axis of the light receiving element, the first accumulation is performed. Since the charges are accumulated in the first and second accumulators without being biased, the distance measurement accuracy is improved and the background light can be effectively removed by the differential calculation.

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。   An optical distance measuring device according to an embodiment includes two units each including the light receiving element, the switch, and the accumulation / differential calculation unit.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, it is possible to remove the influence of the received light intensity from the measurement object by providing two sets of units each having the light receiving element, the switch, and the accumulation / differential calculation unit. It is possible to measure the distance accurately.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
Two of the units are the first unit and the second unit,
The distance determination unit calculates a ratio between the output of the first unit and the output of the second unit, and determines a distance to the measurement object based on the ratio.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the distance is determined by calculating the ratio of the outputs of the first and second units, the influence of background light can be removed, and the received light intensity from the measurement object can be reduced. Normalization is possible, and accurate distance measurement is possible.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
Two of the units are the first unit and the second unit,
When the switching time of the first unit is T, the switching time of the second unit is 2T or more.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the switching time of the second unit is twice or more that of the first unit, the second unit can detect the intensity of light received from the measurement object. Can be effectively normalized by the received light intensity, and an accurate distance measurement can be performed.

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。   In the optical distance measuring device according to an embodiment, the switching signal for driving the switch changes between a first accumulation time zone that is driven at a switching time T and a second accumulation time zone that is driven at a switching time of 2T or more. It is characterized by.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, by operating at switching time T and 2T or longer, the result measured at switching time T is held, and then the result measured at switching time 2T is measured with the same element. . Since the distance can be calculated from these two results, it is not necessary to use two units, and the apparatus can be miniaturized.

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。   The optical distance measuring device according to one embodiment is characterized in that the modulation signal is a pulse wave.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the modulation signal is a pulse wave, the resolution can be made constant over the entire distance measuring range.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
The switching times of the first unit and the second unit are substantially the same,
The modulation signal includes a sine wave signal.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the modulation signal is a sine wave and the switching times of the first and second units are substantially the same, the background light can be effectively removed, and the light reception signal Therefore, accurate distance measurement can be performed.

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。
In addition, the optical distance measuring device of one embodiment,
Two of the units are the first unit and the second unit,
The accumulation / differential operation units of the first and second units each have an integrator using a capacitance element,
The capacitance value of the capacitance element used for the integrator of the storage / differential operation unit of the first unit is substantially the same as the capacitance value of the capacitance element used for the integrator of the storage / differential operation unit of the second unit. It is characterized by being.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the capacitance elements constituting the integrator of the first unit and the second unit have substantially the same capacitance value, the received light intensity can be normalized effectively.

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。
Also, in the optical distance measuring device of one embodiment, two of the above units are a first unit and a second unit,
The first unit and the second unit are manufactured on the same semiconductor substrate.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the first unit and the second unit are fabricated on the same semiconductor substrate, the difference between the elements constituting the first and second units is eliminated. Therefore, it is possible to effectively remove the influence of the background light and to measure the distance with high accuracy.

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。   In one embodiment of the optical distance measuring device, the light emitting element is a light emitting diode.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the light emitting element is a light emitting diode, an optical distance measuring device capable of measuring a distance with high accuracy even in an environment with strong background light can be realized.

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。   In one embodiment of the optical distance measuring device, the light emitting element is a laser diode.

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。   According to the optical distance measuring device of the above-described embodiment, since the light emitting element is a laser diode, it is possible to irradiate light with a high energy density to a farther measurement object, so that the measurable range of distance can be increased. Can be enlarged.

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。   An optical distance measuring device according to an embodiment includes a scanning mechanism that scans a light beam emitted from the light emitting element.

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。   According to the optical distance measuring device of the above embodiment, since the scanning mechanism for the light beam emitted from the light emitting element is provided, it is possible to measure the distance to a wide range of objects, and the optical distance measuring device according to the present invention. The application range of can be expanded.

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。   As is clear from the above, according to the optical distance measuring device of the present invention, since the storage unit does not saturate with noise components even in an environment where the background light is very strong such as outdoors, it is possible to obtain sufficient signal components. It is possible to detect the travel time of light and calculate the distance with high accuracy.

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。   The optical distance measuring device of the present invention will be described in detail below with reference to the illustrated embodiments.

(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。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram of the optical distance measuring device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the optical distance measuring device. An outline of the optical distance measuring device of the present invention will be described with reference to FIGS.

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。   As shown in FIG. 1, this optical distance measuring device receives a light beam 11 reflected by the measurement object 12 and a transmitter 1 that emits a light beam 11 as an optical signal to the measurement object 12. And a signal processing unit 3 for processing a signal from the receiver 2.

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。   The transmitter 1 includes a light emitting element 4 that emits an optical signal synchronized with a modulation signal having a predetermined repetition frequency, and a modulation signal generator 5 that outputs the modulation signal to the light emitting element 4.

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。 The receiver 2 receives the light beam 11 reflected by the measurement object 12 and converts it into an electrical signal, and receives a signal from the modulation signal generator 5. The switch 7 switches the electrical signal of the two paths to the two paths at a predetermined timing, and the first and second storage units 8a and 8b that store the electrical signals of the two paths switched by the switch 7, respectively. . The switch 7 receives the switching signals SW A and SW B from the modulation signal generator 5 and performs a switching operation.

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。   The signal processing unit 3 includes a differential calculation unit 9 that performs a differential calculation of the electrical signals stored in the first and second storage units 8a and 8b, and a differential calculation result of the differential calculation unit 9. And a distance determination unit 10 that determines the distance to the measurement object 12 based on the above.

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。   The first and second accumulators 8a and 8b and the differential operation unit 9 constitute an accumulation / differential operation unit.

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t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。 As shown in FIG. 1, a light beam 11 is emitted from a light emitting element 4 toward a measurement object 12 in synchronization with a signal from a modulation signal generator 5. Here, the light emission signal (modulation signal) is a pulse wave having a constant repetition frequency with a pulse width t 0 as shown in FIG. However, the modulation signal is not limited to a pulse wave, and any function can be obtained as long as it has a shape that can be expressed as a time function, such as a triangular wave, a sawtooth wave, or a sine wave. Details of each modulation signal other than the pulse wave will be described later.

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(t)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。 As shown in FIG. 2B, the light beam 11 reflected by the measurement object 12 is phase-delayed from the modulation signal by the time (t 1 ) when the light beam 11 reciprocates the distance to the measurement object 12. It is detected by the light receiving element 6. Here, Ip represents the received light signal intensity due to the reflected light, and Ib represents the noise intensity due to the background light. Now, when the range that can be measured is 7.5 m, it can be easily calculated that the pulse width needs 50 nsec from (Equation 1). Furthermore, since the background light is at most about several tens of kHz, its period is about several tens of μsec, which is sufficiently large for the pulse width of 50 nsec. Therefore, as shown in FIG. Can be considered.

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(t−tl)+Ib・t)
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・t)
で表される電荷が第2蓄積部8bに蓄積される。
Thereafter, the path of the received light signal is switched by the switch 7 at the timing of the switching signals SW A and SW B (shown in FIGS. 2C and 2D). A first accumulation unit 8a is provided in the switched first route (Ach). Like the Ach signal shown in FIG. 2 (e), per period of the modulation signal,
(Ip (t 0 −t l ) + Ib · t 0 )
Is stored in the first storage section 8a. Further, the second path (Bch) includes a second storage unit 8b. Like the Bch signal shown in FIG.
(Ip · t l + Ib · t 0 )
Is stored in the second storage unit 8b.

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。

Figure 2007121116
The outputs of the first and second accumulating units 8a and 8b are respectively input to the signal processing unit 3, and the difference is calculated by the differential operation unit 9. The differential signal after the differential calculation can be expressed by the following (Equation 3) using the number of integrations N.
Figure 2007121116

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t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。 From the above, the background light is completely removed after the differential calculation, and the number of integrations N may be set so that the signal amount is sufficient. Therefore, the distance determination unit 10 calculates the time t from (Equation 3). A distance value can be obtained by calculating 1 and substituting it into (Equation 1).

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。   However, the distance can be measured using (Equation 3) when the received light signal intensity Ip is known. For example, the transmitter and the receiver are opposed to each other, and the light energy is obtained by using coherent light such as a laser as the light emitting element. This is limited to the case where a measurement system that directly receives light without dispersing the light is used. In such a case, since the emission energy and the light reception energy are equal, the distance can be measured using (Equation 3) by measuring the light reception signal intensity Ip in advance. As described above, the distance can be obtained using only (Equation 3) only in a specific case. In a general distance measuring device, the transmitter and the receiver are arranged at the same position, and the reflected light from the measurement object is obtained. Most applications detect and measure the time that light travels back and forth the distance to the measurement object.

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。   Therefore, by providing two sets of units each having the receiver 2 and the differential operation unit 9, it is possible to detect the reflected light from the measurement object and measure the distance. Details will be described below.

(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。
(Second embodiment)
FIG. 3 is a block diagram of an optical distance measuring device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a timing chart showing its operation. The outline of the optical distance measuring device of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIG. 3, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

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。   As shown in FIG. 3, the optical distance measuring device receives a light beam 11 reflected by the measurement object 12 and a transmitter 1 that emits a light beam 11 as an optical signal to the measurement object 12. And a signal processing unit 3 for processing a signal from the receiver 2.

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。   The transmitter 1 includes a light emitting element 4 that emits an optical signal synchronized with a modulation signal having a predetermined repetition frequency, and a modulation signal generator 5 that outputs the modulation signal to the light emitting element 4.

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。   The receiver 2 receives the light beam 11 reflected from the measurement object 12 and converts the light beam 11 into electric signals, and the signals from the modulation signal generator 5. The first and second switches 7A and 7B that switch the electrical signals from the first and second light receiving elements 6A and 6B at a predetermined timing, and the electrical signals of the two paths switched by the first switch 7A are received. The first and second accumulators 8a and 8b for accumulating, respectively, and the third and fourth accumulators 8c and 8d for accumulating electric signals of the two paths switched by the second switch 7B, respectively. Yes. The first and second switches 7 </ b> A and 7 </ b> B perform a switching operation by switching signals SW <b> 1 to SW <b> 4 from the modulation signal generator 5.

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。   The signal processing unit 3 includes a first differential operation unit 9A that performs a differential operation of the electrical signals accumulated by the first and second accumulation units 8a and 8b, and third and fourth accumulation units 8c, A second differential operation unit 9B that performs a differential operation of the electrical signal accumulated by 8d, and the measurement object 12 based on the differential operation results of the first and second differential operation units 9A and 9B. A distance determination unit 10 for determining the distance.

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。   The first to fourth accumulation units 8a, 8b, 8c, 8d and the first and second differential operation units 9A, 9B constitute an accumulation / differential operation unit. Here, the first light receiving element 6A, the first switch 7A, the first and second storage units 8a and 8b, and the first differential operation unit 9A constitute a first unit, and the second light receiving element 6B and the second switch 7B, the third and fourth accumulation units 8c and 8d, and the second differential operation unit 9B constitute a second unit.

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、

Figure 2007121116
となる。 As shown in FIG. 3, the light beam 11 reflected by the measurement object 12 is detected by the first light receiving element 6a and the second light receiving element 6b. For the first and second paths of the first unit indicated by the reference number “A” in FIG. 3, as shown in FIG. 4 (a) to FIG. 4 (f), FIG. Processing is performed in the same manner as the timing shown in FIG. Therefore, the output of the first unit to the (first and second routes) path is the same as in (Equation 3),
Figure 2007121116
It becomes.

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2t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(t)+Ib・2t
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・2t
で表される電荷が第4蓄積部8dに蓄積される。
On the other hand, for the first and second paths of the second unit indicated by the sub-number “B” of the reference number, FIG. 4 (a), FIG. 4 (b), FIG. at the timing of the 4 (j) are shown as light emitting signal (shown in FIG. 4 (g) and FIG. 4 (h)) (FIG. 4 (shown in a)) the switching signal SW3 of the pulse width 2t 0 synchronized with, SW4 The path is switched by the switch 7b. The first path (Cch) of the switched second unit is provided with a third accumulation unit 8c, as shown in FIG.
Ip (t 0 ) + Ib · 2t 0
Is stored in the third storage unit 8c. Further, the second path (Dch) of the second unit is provided with a fourth accumulation unit 8d, and as shown in FIG.
Ib ・ 2t 0
Is stored in the fourth storage unit 8d.

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。

Figure 2007121116
The outputs of the third and fourth accumulators 8c and 8d are input to the signal processor 3, and the difference is calculated by the differential calculator 9. The signal after the differential operation can be expressed by the following (Equation 5).
Figure 2007121116

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tが既知であるので、反射光強度Ipに依存した形になる。 As described above, the switching time t 0 is known as the differential calculation result of the second unit path by setting the switching time to be twice or more the path of the first unit with respect to the path of the second unit. The shape depends on the reflected light intensity Ip.

第1の差動信号をS、第2の差動信号をS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S/Sを取ることにより検出することができる。 Assuming that the first differential signal is S 1 and the second differential signal is S 2 , the distance (L) to the measurement object 12 is the ratio S 1 / S 2 of both differential calculation results in the distance determination unit 10. Can be detected by taking

すなわち、
/S=N・Ip(t0−2tl)/N・Ip(t0)=(t0−2tl)/t0

Figure 2007121116
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。
Figure 2007121116
That is,
S 1 / S 2 = N · Ip (t 0 −2t l ) / N · Ip (t 0 ) = (t 0 −2t l ) / t 0
Figure 2007121116
Then, the following (Expression 6) is derived, and the distance (L) can be detected.
Figure 2007121116

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2t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。 Here, the switching time of the path of the second unit is set to 2t 0 as shown in FIG. 4 for simplicity, but if the path of the second unit is not less than twice the path of the first unit in particular, the entire reflected signal light is the second unit. Since it is included in one route, the same effect can be obtained. However, when it is longer than twice, the amount of charge accumulated by the background light only increases, and as shown in FIG. 4, it is most preferable when it is twice the switching time of the path of the first unit.

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。   In the second embodiment described above, the first switching signal shown in FIGS. 4 (c) and 4 (d) and the second switching signal shown in FIGS. 4 (g) and 4 (h) are used. Was driving another unit, but in a single unit configuration, the first switching signal in the first accumulation time zone and the second switching signal in the second accumulation time zone are measured with a time difference. However, the same effect can be obtained. In this case, there is no difference in which of the first and second switching signals is calculated first, and the first measurement result is held using a memory or sample hold circuit and then measured with another switching signal. The distance value can be obtained by performing a predetermined calculation using the obtained result.

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。   In FIG. 4, the pulse wave is used as the modulation signal applied to the light emitting element. This is because when the modulation signal is a pulse wave, the light reception waveform also becomes a pulse wave, and when the reflected signal light is received, the same light reception intensity (a constant value) is maintained. Therefore, the accumulated amount of each signal is the distance to the measurement object 12 (L). Therefore, it has linearity (linearity) over the entire range. Thereby, the resolution can be made constant over the entire distance measurement range. On the other hand, when a triangular wave or a sawtooth wave is used for the modulation signal, the received light waveform is a linear function of time, and the accumulated amount is a quadratic function. It is preferable to appropriately use these according to the application.

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。   According to the optical distance measuring device, two sets of units each having a light receiving element, a switch, and an accumulation / differential calculation unit are provided, and the influence of the light receiving intensity from the measurement object 12 can be removed. Accurate distance measurement is possible.

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。   Further, since the distance is determined by calculating the ratio of the outputs of the first and second units, the influence of the background light can be removed, the received light intensity from the measurement object 12 can be normalized, and the accurate distance Can be measured.

(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。
(Third embodiment)
Next, FIG. 5 shows a block diagram showing the configuration of the optical distance measuring device of the third embodiment of the present invention when the modulation signal is a sine wave, and FIG. 6 shows a timing chart thereof. In FIG. 5, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

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。   As shown in FIG. 5, this optical distance measuring device receives a light beam 11 reflected by the measurement object 12 and a transmitter 1 that emits a light beam 11 as an optical signal to the measurement object 12. And a signal processing unit 3 for processing a signal from the receiver 2.

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。   The transmitter 1 includes a light emitting element 4 that emits an optical signal synchronized with a modulation signal having a predetermined repetition frequency, and a modulation signal generator 5 that outputs the modulation signal to the light emitting element 4.

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。 The receiver 2 receives the light beam 11 reflected by the measurement object 12 and converts it into an electrical signal, and receives a signal from the modulation signal generator 5. Switch 7 for switching the electrical signal of the four paths at a predetermined timing, and first to fourth accumulation units 8a, 8b, 8c, 8d for accumulating the electrical signals of the four paths switched by the switch 7, respectively. Have. The switch 7 performs a switching operation according to the switching signals SW A to SW D from the modulation signal generator 5.

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。   The signal processing unit 3 includes a first differential operation unit 9A that performs a differential operation of the electrical signals accumulated by the first and third accumulation units 8a and 8c, and a second and fourth accumulation unit 8b, A second differential operation unit 9B that performs a differential operation of the electrical signal accumulated by 8d, and the measurement object 12 based on the differential operation results of the first and second differential operation units 9A and 9B. A distance determination unit 10 for determining the distance.

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。   The first to fourth accumulation units 8a, 8b, 8c, 8d and the first and second differential operation units 9A, 9B constitute an accumulation / differential operation unit.

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4t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t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(t)以内の任意の時間である。 Emission signal of the light emitting element 4 (modulation signal) is oscillated at a period 4t 0 as shown in FIG. 6 (a), the light receiving signal, to the object of measurement 12 as shown in FIG. 6 (b) The light is detected by the light receiving element 6 with a phase delay of the distance (L) by the time t 1 when the light reciprocates. The signals detected by the light receiving element 6 are switched to four paths by the switch 7 at the timing of the switching signals SW A to SW D (shown in FIGS. 6C to 6F), and the first to fourth accumulations are performed. Stored in the units 8a, 8b, 8c and 8d, respectively. Here, the durations of the four switching signals SW A to SW D shown in FIGS. 6C to 6F are arbitrary times within a quarter period (t 0 ) of the sine wave of the modulation signal. .

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。

Figure 2007121116
Of the signals accumulated in the first to fourth accumulation units 8a, 8b, 8c, and 8d after being divided into four, the first difference between the signal of the first accumulation unit 8a and the signal of the third accumulation unit 8c. The differential calculation is performed by the dynamic calculation unit 9A, and the differential calculation is performed by the second differential calculation unit 9B on the signal of the second storage unit 8b and the signal of the fourth storage unit 8d. After the differential calculation by the first and second differential operation units 9A and 9B, there are storage units (not shown), and signals are stored a plurality of times. By performing the following processing on the accumulated differential signals in the distance determination unit 10, the phase of the received light signal can be obtained, and the object to be measured is determined by the phase difference from the modulation signal (shown in FIG. 6 (a)). The distance (L) up to 12 can be detected by the following (Equation 7).
Figure 2007121116

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、

Figure 2007121116
で表される。同様に、積分値Bは、
Figure 2007121116
ここで、t1=t0+π/4=t0+π/(2ω)であるから、
Figure 2007121116
で表される。また、積分値Cは、
Figure 2007121116
ここで、t2=t0+π/2=t0+π/ωであるから、
Figure 2007121116
で表される。また、積分値Dは、
Figure 2007121116
ここで、t3=t0+3π/2=t0+3π/(2ω)であるから、
Figure 2007121116
で表される。したがって、
Figure 2007121116
となり、これより、
Figure 2007121116
となり、
Figure 2007121116
が得られる。
0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、
Figure 2007121116
となり、特にψ=0とするとき、
Figure 2007121116
となり、(式1)におけるΔtは、
Figure 2007121116
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。 The derivation process of (Equation 7) will be described below.
The light emission waveform and light reception waveform are arbitrary sine wave functions g (t), f (t),
g (t) = c · exp {j (ωt + ψ)} + d
f (t) = a · exp {j (ωt + φ)} + b
In this case, the phase difference between the light emission waveform and the light reception waveform can be expressed by φ−ψ. In order to obtain this, the following calculation is performed.
In the received light waveform represented by the function f (t), A is the first interval, B is the second interval, C is the third interval, and D is the integration value of the fourth interval. It is assumed that the first section to the fourth section are out of phase by 90 degrees. Then, the integral value A is
Figure 2007121116
It is represented by Similarly, the integral value B is
Figure 2007121116
Here, since t 1 = t 0 + π / 4 = t 0 + π / (2ω),
Figure 2007121116
It is represented by The integral value C is
Figure 2007121116
Here, since t 2 = t 0 + π / 2 = t 0 + π / ω,
Figure 2007121116
It is represented by The integral value D is
Figure 2007121116
Here, since t 3 = t 0 + 3π / 2 = t 0 + 3π / (2ω),
Figure 2007121116
It is represented by Therefore,
Figure 2007121116
And from this,
Figure 2007121116
And
Figure 2007121116
Is obtained.
The output of the emission waveform at t 0 is
ωt 0 + ψ = n · 2π / ω (where n = 0, 1, 2,...)
If the relationship between t 0 and ψ is fixed so that
Figure 2007121116
Especially when ψ = 0,
Figure 2007121116
And Δt in (Equation 1) is
Figure 2007121116
(Equation 7) is derived by substituting this into Equation 1.

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。   When a sine wave is used for the modulation signal, the light receiving element 6, the switch 7 for switching to the first to fourth accumulation units 8a, 8b, 8c, and 8d with four switching signals shifted in phase by 90 degrees and the first accumulation unit 8a And a differential calculation unit of the third storage unit 8c and a differential calculation unit of the second storage unit 8b and the fourth storage unit 8d, and a single light receiving element 6 obtains a measurement value necessary for calculating the distance. be able to. Although FIG. 6 shows an example of sinusoidal modulation as a continuous wave, the same effect can be obtained by modulating a light emission signal with a sinusoidal wave having one or more cycles generated intermittently.

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、

Figure 2007121116
となり、同様に(式7)を書き換えかえると、
Figure 2007121116
となる。 Further, the signals S 1 , S 2 , S A to S D shown in the above (Equation 6) and (Equation 7) are expressed as charge amounts. Generally, when a signal is detected, it is converted into a voltage and read. The stored charge amount Q is between the capacitance C and the potential V.
Q = CV ......... (Formula 8)
The relationship holds. Therefore, the signal amounts indicated by S 1 , S 2 , S A to S D in (Expression 6) and (Expression 7) are as follows when handled as potentials.
V = Q / C = S / C (Equation 9)
When (Equation 6) is rewritten using this (Equation 9),
Figure 2007121116
Similarly, when (Equation 7) is rewritten,
Figure 2007121116
It becomes.

ここで、C、C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。 Here, C 1 and C 2 are capacitances of capacitance elements provided after differential calculation of the path of the first unit and the path of the second unit, respectively. As shown in (Equation 10) and (Equation 11), when the capacitance values of both capacitance elements are equal, the capacitance values are normalized and do not affect the calculation result.

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。   Moreover, since it is preferable that the first unit and the second unit have the same characteristics, it is preferable that the first unit and the second unit are integrated on the same semiconductor substrate.

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。   According to the optical distance measuring device having the above configuration, since background light such as outdoors does not saturate with a noise component even in a very strong environment, the light travel time is detected from a sufficient signal component, and high accuracy is achieved. It is possible to perform a simple distance calculation.

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。   The signal processing method and the outline of the configuration for removing the influence of background light have been described above. Specific examples of each configuration will be described in detail according to the following fourth to eighth embodiments.

(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。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a circuit configuration diagram of an optical distance measuring device according to a fourth embodiment of the present invention. The configuration of the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a part of the receiver 2 and the signal processing unit 3 shown in FIGS. 1, 3 and 5, and the light receiving element 6 and the first and second storage units 8a and 8b and the difference between them. The dynamic calculation unit 9 represents “1 unit”. The optical distance measuring device is configured using one or two of the configurations in FIG. 7 (first unit and second unit). Hereinafter, although the same effect as in FIG. 7 is described, different configurations will be described in the respective embodiments. However, they can be used in combination so that the above-described functions can be realized. The description of this combination is omitted in the following embodiments.

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。   As shown in FIG. 7, the cathode of the light receiving element 6 whose anode is connected to the ground is connected to the input terminal of the switch 7. One output terminal of the switch 7 is connected to an inverting input terminal of an operational amplifier (hereinafter referred to as an operational amplifier) 13a, and a capacitance element 14a is connected between the output terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 13a. The other output terminal of the switch 7 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 13b, and the capacitance element 14b is connected between the output terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 13b. The non-inverting input terminals of the operational amplifiers 13a and 13b are connected to the reference potential Vs. The output terminals of the operational amplifiers 13 a and 13 b are connected to the differential operation unit 9, and the output voltage Vo is output from the output terminal of the differential operation unit 9.

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。   In FIG. 7, the optical signal detected by the light receiving element 6 is switched between the first path and the second path by the switch 7 at the timing shown in FIGS. Here, the upper side of FIG. 7 is a first path, and the lower side is a second path. In both paths, an integrator composed of operational amplifiers 13a and 13b and capacitance elements 14a and 14b is configured, and a signal detected by the light receiving element 6 is accumulated. This integrator is the first and second accumulators 8a and 8b shown in FIGS. The first and second accumulators 8a and 8b accumulate signals for a predetermined number of times over a plurality of periods of the modulation signal. The first and second accumulators 8a and 8b input a signal represented by (Equation 3) and the like to the differential operation unit 9.

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。   By configuring the integrator using the capacitance elements 14a and 14b as the storage unit, it is possible to easily configure a high-speed response integrator, and it is possible to appropriately store the distributed charges.

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C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C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、

Figure 2007121116
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。 The input to the integrator is a current (charge amount), but the output is a voltage, and the differential operation unit 9 is also configured as a voltage process. Therefore, the equation (8) as a reference, the first integrator capacitance element values of the capacitance elements 14a of (8a) and C 1, the second integrator capacitance element value of the capacitance element 14b of (8b) C 2 Then, taking the timing of FIG. 2 as an example, the output of the first and second integrators (8a, 8b) is
Figure 2007121116
It becomes. As shown in (Expression 12A) and (Expression 12B), if the capacitance values of the capacitance elements 14a and 14b constituting the first and second integrators (8a and 8b) are different, the differential calculation result has a certain offset. It will have. Since the distance is determined using the result of the differential operation, the presence of the offset potential is not preferable because it causes an error.

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、C=Cであるので、図7の出力電圧Voは、

Figure 2007121116
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。 For this reason, the capacitance elements 14a and 14b constituting the first and second integrators (8a and 8b) have the same capacitance value. Furthermore, since the characteristic deviation between the two integrators also causes an error, the error due to the characteristic difference can be reduced ideally by being manufactured with the same structure on the same semiconductor substrate. At this time, since C 1 = C 2 , the output voltage Vo in FIG.
Figure 2007121116
Which is equivalent to the output of (Equation 3). Similarly, by changing the switching timing as shown in FIG. 4 and FIG. 6, it is possible to obtain the respective effects using the configuration of FIG. Similarly, in each of the subsequent embodiments, it is obvious that each differential operation result can be obtained by changing the switching timing in each configuration. This description is omitted in the following embodiments.

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。   In the configuration of the fourth embodiment, the charges accumulated in each integrator are accumulated simultaneously by the signal light and the background light. For this reason, in an environment where the background light is strong, the differential calculation result is not affected by the background light, but the output of the integrator is greatly affected by the background light. That is, the magnitude of the output of the differential calculation unit 9 is greatly influenced by the intensity of the background light, and it is necessary to increase the capacitance value of the capacitance element used for the integrator. If the capacitance value is increased, the integrator As a result, it is difficult to increase the accuracy of distance measurement. A configuration for solving such a problem will be described in the following embodiments.

(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。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a circuit configuration diagram of an optical distance measuring device according to a fifth embodiment of the present invention. The configuration of the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

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。   As shown in FIG. 8, the anode of the first light receiving element 26A having the cathode supplied with the power supply voltage Vcc is connected to one input terminal of the switch 27, and the cathode of the second light receiving element 26B having the anode connected to the ground. Is connected to the other input terminal of the switch 27. One output terminal of the switch 27 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 21, and the capacitance element 22 is connected between the output terminal of the operational amplifier 21 and the inverting input terminal. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 21 is connected to the reference potential Vs. The output voltage Vo is output from the output terminal of the operational amplifier 21.

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I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I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。
= Ip・f(t) ……… (式14A)
= Ip・g(t) ……… (式14B)
ここで、f(t)とg(t)はそれぞれIとIの波形(時間関数)を表している。
よって、積分器の出力(Vo)は、

Figure 2007121116
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(t)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。
Figure 2007121116
In FIG. 8, the upper side is the first light receiving element 26A, and the lower side is the second light receiving element 26B. The signal light is evenly irradiated onto the light receiving surfaces of the first and second light receiving elements 26A and 26B by an appropriate optical system. The switch 27 is switched to the anode of the first light receiving element 26A and the cathode of the second light receiving element 26B at the timings shown in FIGS. The photocurrent of the light receiving element selected by the switch 27 is accumulated in an integrator having the same configuration as in the fourth embodiment. Here, since the switch 27 is switched to the anode terminal of the first light receiving element 26A and the cathode terminal of the second light receiving element 26B, the switch 27 is connected to the first light receiving element 26A side as shown in FIG. when it is, photocurrent I 1 acts in a direction flowing into the integrator, and when the switch 27 is connected to the second light receiving element 26B side, the photocurrent I 2 is applied in a direction flowing out from the integrator To do. Since the first and second light receiving elements 26A and 26B are evenly irradiated with the reflected light, the first and second light receiving elements 26A and 26B have the same photocurrent value, and the magnitude Ip is used as follows. Can be expressed as
I 1 = Ip · f (t) (Equation 14A)
I 2 = Ip · g (t) ……… (Formula 14B)
Here, f (t) and g (t) represent the waveforms (time functions) of I 1 and I 2 , respectively.
Therefore, the output (Vo) of the integrator is
Figure 2007121116
It can be expressed as. In FIGS. 2, 4, and 6, since the duration (t 0 ) during which the switch 27 is connected to each terminal is the same, (Equation 15) can be rewritten as follows.
Figure 2007121116

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。   As described above, according to the optical distance measuring device of the fifth embodiment, the integrator (21, 22) using the capacitance element 22 performs the differential operation while accumulating the electric signals of the two paths. Since the number of parts can be reduced and the error of the differential calculation can be eliminated ideally, the distance can be measured with higher accuracy.

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。   Further, by switching the switch 27, the effect of differential calculation can be obtained by inverting the direction of the current applied to the integrators (21, 22) at a predetermined timing. In addition, the signal component of the calculation result can be accumulated.

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。   In the configuration of FIG. 8, the direction of the photocurrent applied to the integrator is reversed by switching, so that the differential calculation is realized with one integrator, and the capacitance difference and the characteristic difference of the integrator are ideal. Therefore, it can be set to 0.

(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。
(Sixth embodiment)
FIG. 9 is a circuit configuration diagram of an optical distance measuring device according to the sixth embodiment of the present invention. The configuration of the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, the first current mirror circuit 33a is a discharge type current mirror circuit including one input side terminal and two output side terminals through which a current having the same value as the current flowing through the input side terminal flows. The second current mirror circuit 33b is a suction type current mirror circuit including one input side terminal and one output side terminal through which a current having the same value as the current flowing through the input side terminal flows.

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。   As shown in FIG. 9, the cathode of the light receiving element 36 having the anode connected to the ground is connected to the input side terminal of the first current mirror circuit 33a. One output side terminal of the first current mirror circuit 33a is connected to the input side terminal of the second current mirror circuit 33b, and the other output side terminal of the first current mirror circuit 33a is connected to one input terminal of the switch 37. The other input terminal of the switch 37 is connected to the output side terminal of the second current mirror circuit 33b. The output terminal of the switch 37 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 31, and the capacitance element 32 is connected between the output terminal of the operational amplifier 31 and the inverting input terminal. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 31 is connected to the reference potential Vs. The output voltage Vo is output from the output terminal of the operational amplifier 31.

図9において、受光素子36で検出された光電流I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Iを2つ生成する。一方はスイッチ37の一方の端子にI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I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IとI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。 9, the photocurrent I 1 detected by the light receiving element 36 is a current signal I 1 having the same current value by the first current mirror circuit 33a of the discharge type two produce. One flows I 1 into one terminal of the switch 37, the other flows directly into the suction type second current mirror circuit 33 b, and the second current mirror circuit 33 b sucks I 2 from the switch 37. First, second current mirror circuit 33a, since the replicating optical current magnitude of I 1 and I 2 in 33b is the same (Ip), the current to be applied to the integrator as shown from the switch 37 Since the direction can be reversed, the output (Vo) of the integrator can be expressed as (Equation 16) as in the fifth embodiment.

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。   As described above, according to the optical distance measuring device of the sixth embodiment, the integrator (31, 32) using the capacitance element 32 performs the differential operation while accumulating the electric signals of the two paths. Since the number of parts can be reduced and the error of the differential calculation can be eliminated ideally, the distance can be measured with higher accuracy.

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。   Further, by switching the switch 37, the effect of differential operation can be obtained by inverting the direction of the current applied to the integrators (31, 32) at a predetermined timing. In addition, the signal component of the calculation result can be accumulated.

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。   In this sixth embodiment, since only one integrator and one light receiving element are used, the characteristic difference between the two integrators related to the fourth embodiment, the irradiation unevenness between the two light receiving elements related to the fifth embodiment, etc. The output difference due to can be ideally zero.

(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。
(Seventh embodiment)
FIG. 10A is a circuit configuration diagram of an optical distance measuring device according to a seventh embodiment of the present invention. The configuration of the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10A. Here, the first current mirror circuit 43a is a discharge type current mirror circuit including one input side terminal and two output side terminals through which a current having the same value as the current flowing through the input side terminal flows. The second current mirror circuit 43b is a suction-type current mirror circuit including one input side terminal and two output side terminals through which a current having the same value as the current flowing through the input side terminal flows.

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。   As shown in FIG. 10A, the negative side of the constant current source 44 is connected to the input side terminal of the first current mirror circuit 43a, and the positive side of the constant current source 44 is connected to the input side terminal of the second current mirror circuit 43b. ing. The cathode of the light receiving element 46 is connected to one output side terminal of the first current mirror circuit 43a, and one output side terminal of the first current mirror circuit 43a is connected to the other output side of the second current mirror circuit 43b. Connected to the terminal. The anode of the light receiving element 46 is connected to one output side terminal of the second current mirror circuit 43b, and one terminal of the second current mirror circuit 43b is connected to the other output side terminal of the first current mirror circuit 43a. is doing. The first output terminal 48a connected to the other output side terminal of the first current mirror circuit 43a is connected to one input terminal of each of the switches 47a and 47b. A second output terminal 48b connected to one output side terminal of the first current mirror circuit 43a is connected to the other input terminal of each switch 47a, 47b. The output terminal of the switch 47a is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 41, and the capacitance element 42 is connected between the output terminal of the operational amplifier 41 and the inverting input terminal. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 41 is connected to the reference potential Vs. The output voltage Vo is output from the output terminal of the operational amplifier 41.

図10Aにおいて、定電流源44は一定のDC電流Iを流し、この電流I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。 In FIG. 10A, the constant current source 44 supplies a constant DC current I 0 , and this current I 0 is input to the discharge-type first current mirror circuit 43 a and the suction-type second current mirror circuit 43 b, respectively. Further, the first and second output terminals 48a and 48b respectively connected to the output side terminals of the first current mirror circuit 43a are connected to the integrators (41, 42) in the subsequent stage by the switch 47a (see FIG. 2). , See FIG. 4 and FIG. A first path is between the other output side terminal of the first current mirror circuit 43a and one output side terminal of the second current mirror circuit 43b, and the first output side terminal of the first current mirror circuit 43a The second path is between the other output side terminal of the two current mirror circuit 43b.

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。   In the switching state of the switches 47a and 47b shown in FIG. 10A, when the first output terminal 48a is connected to the integrator (41, 42), the second output terminal 48b has a resistance R as an example of a load resistance. Is connected to the reference potential Vs through the ground and grounded. Conversely, in the switching state of the switches 47a and 47b shown in FIG. 10B, when the second output terminal 48b is connected to the integrator (41, 42), the first output terminal 48a is connected to the reference potential via the resistor R. Connected to Vs and grounded. The configuration of the integrators (41, 42) at the subsequent stage is the same as that in the previous first to sixth embodiments.

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I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、(I−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I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Iだけ流れ出た電流は、第1出力端子48aでIpだけ分離して、(I−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。 Since both the first path and the second path are directly connected by a current mirror circuit, the photocurrent generated by the light receiving element 46 is supplied to the first and second output terminals 48a and 48b as a current difference from the constant current source 44. appear. For example, in the switching state of the switches 47a and 47b shown in FIG. 10A, when the photocurrent Ip is generated by the light receiving element 46, I 0 flows out from one output side terminal of the first current mirror circuit 43a to the first path. current is separated by Ip at the cathode of the light receiving element 46, (I 0 -Ip) is directed to the other output terminal of the second current mirror circuit 43b. However, since the input terminal of the second current mirror circuit 43b is connected to the constant current source 44, the current I 0 is always sucked into the other output terminal of the second current mirror circuit 43b. A current corresponding to the photocurrent Ip flows through the two output terminals 48b and the resistor R. Similarly, the current flowing out from the other output side terminal of the first current mirror circuit 43a to the second path by I 0 is separated by I p at the first output terminal 48a, and (I 0 -I p) becomes the second current. While going to one output side terminal of the mirror circuit 43b, a current corresponding to the photocurrent Ip flows out to the inverting input terminal side of the operational amplifier 41 through the first output terminal 48a.

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I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、(I−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I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Iだけ流れ出た電流は、第1出力端子48aでIpだけ分離して、(I−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。 Conversely, the switch 47a shown in FIG. 10B, when you switch 47b, the light receiving element 46 when the light current Ip is generated, in one first path from the output terminal of the first current mirror circuit 43a only I 0 The flowing current is separated by Ip at the cathode of the light receiving element 46, and (I 0 -Ip) is directed to the other output side terminal of the second current mirror circuit 43b. However, since the input terminal of the second current mirror circuit 43b is connected to the constant current source 44, the current I 0 is always sucked into the other output terminal of the second current mirror circuit 43b. A current corresponding to the photocurrent Ip flows from the inverting input terminal side of the operational amplifier 41 through the two output terminal 48b. Similarly, the current flowing out from the other output side terminal of the first current mirror circuit 43a to the second path by I 0 is separated by I p at the first output terminal 48a, and (I 0 -I p) becomes the second current. The current corresponding to the photocurrent Ip flows out through the first output terminal 48a and the resistor R while going to one output side terminal of the mirror circuit 43b.

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。   In this way, since the direction of the current applied to the integrator (41, 42) can be reversed by the timing of the switches 47a, 17b, the output (Vo) of the integrator is the fifth embodiment, the sixth embodiment. It can express as (Formula 16) similarly.

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。   As described above, according to the optical distance measuring device of the seventh embodiment, the integrator (41, 42) using the capacitance element 42 performs the differential operation while accumulating the electric signals of the two paths. Since the number of parts can be reduced and the error of the differential calculation can be ideally eliminated, the distance can be measured with higher accuracy.

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。   Further, by switching the switches 47a and 17b, the direction of the current applied to the integrator (41, 42) can be reversed at a predetermined timing, so that the effect of differential operation can be obtained. The signal component of the calculation result can be accumulated while performing the dynamic calculation.

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I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。 In the seventh embodiment, the same effect as in the sixth embodiment can be obtained, and the current of I 0 always flows from the constant current source 44, and the input impedance of the light receiving element 46 can be lowered. Therefore, a high-speed response is possible compared to the sixth embodiment. For this reason, ranging accuracy can be remarkably improved.

(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。
(Eighth embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of the main part of the receiver of the optical distance measuring device according to the seventh embodiment of the present invention. The configuration of the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

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。   In FIG. 11A, a part surrounded by a dotted line is a main part of a receiver having the functions of a light receiving element, a switch, and an accumulating part. On the P-type semiconductor substrate 58, a light receiving part 56 as an example of the light receiving element. The first N-type diffusion layer is formed, and the second N-type diffusion layers serving as the first and second storage portions 50a and 50b are formed on both sides of the light receiving portion 56 with a predetermined interval therebetween. Further, between the light receiving unit 56 and the first storage unit 50a and between the light receiving unit 56 and the second storage unit 50b, an example of the first and second switches is formed on the P-type semiconductor substrate 58 by a gate oxide film and an electrode. Gates 51a and 51b are formed. The light receiving unit 56, the storage units 50a and 50b, and the gates 51a and 51b are symmetrical with respect to the center line CL of the light receiving unit 19. Furthermore, it is also targeted for a plane perpendicular to the paper surface including the center line CL.

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。   In addition, there is a differential operation unit 59 subsequent to the first and second storage units 50a and 50b made of the second N-type diffusion layer, and the difference between the signals detected by the first and second storage units 50a and 50b is output. (Vo). The first and second storage units 50a and 50b and the differential operation unit 59 constitute an accumulation / differential operation unit.

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)。   FIG. 11B shows a potential distribution along the XIB-XIB line in FIG. In FIG. 11 (b), hν represents the energy of one photon (h is Planck's constant, and ν is the frequency of light).

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。   As shown in FIG. 11 (b), by applying a potential to the gate 51a, the potential below the gate 51a rises, and the optical carriers in the light receiving section 56 move to the left side in the figure along the potential step, and are most potential. Is accumulated in the first accumulation unit 50a, which is a high accumulation unit. The gates 51a and 51b correspond to the switches described with reference to FIGS. 2, 4, and 6. By appropriately switching the gates 51a and 51b at these timings, optical carriers are transferred to the first and second storage units 50a and 50b. Sorted. Thus, the carriers stored in the first and second storage units 50a and 50 are detected as potentials corresponding to the stored charge amounts as shown in (Equation 8), where C is the storage capacity. Then, the differential calculation unit 59 represents the differential calculation result of the potential corresponding to the charge amount stored in the first and second storage units 50a and 50b by (Expression 4), (Expression 5), and the like. Output in the form. Since the subsequent processing is as described above, it is omitted here. The first and second accumulators 50a and 50b have the same effect as the integrator.

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。   Here, since the optical carriers generated in the light receiving unit 56 are distributed to the left and right by the gates 51a and 51b, if the carrier generated in the light receiving unit 56 is biased, (Expression 3), (Expression 4), (Expression 5) ) Change in the first term and the second term, and the background light component cannot be properly removed and the distance is erroneously detected. For this reason, the light receiving unit 56, the first and second accumulating units 50a and 50b, and the gates 51a and 51b are symmetrical so that the optical carriers generated in the light receiving unit 56 are equally distributed to the left and right.

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。   According to the optical distance measuring device of the eighth embodiment, the light receiving unit 56, the gates 51a and 51b, and the first and second storage units 50a and 50b are symmetrical with respect to the central axis of the light receiving element. Since charges are accumulated in the first and second accumulators 50a and 50b without deviation, the distance measurement accuracy is improved and background light can be effectively removed by differential calculation.

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。   In the above first to eighth embodiments, as described above, in order to have a cm level resolution in a range of several meters as an optical distance measuring device, a response of several tens of nsec level as a modulation signal, that is, a response of MHz or more. There is a need for a light emitting device having LEDs and LDs are capable of such a high-speed response, and can be manufactured in a small size and at a low cost, so that they are suitable as light emitting elements for the optical distance measuring device of the present invention. LED (light emitting diode) is suitable for relatively short distance applications because its luminous flux diverges, and LD (laser diode) can emit collimated light, and can irradiate a measurement object at a high energy density and far away. It is suitable for long-distance use, but is not limited to this segregation. In order to improve the SN even in the optical distance measuring device with the background light countermeasures as described above, it is better that the signal light is as strong as possible when used outdoors during the day, and the LD is also used for short distance applications. It may be preferable.

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。   Furthermore, by using a scanning mechanism that scans the light beam emitted from the light emitting element in one dimension, a two-dimensional image can be obtained using the scanning angle and the measured distance value. Similarly, a three-dimensional distance image can be obtained by using a scanning mechanism that scans a light beam two-dimensionally.

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。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the optical distance measuring device according to the first embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the optical distance measuring device. 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。FIG. 3 is a block diagram of an optical distance measuring device according to a second embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the optical distance measuring device. 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。FIG. 5 is a block diagram of an optical distance measuring device according to a third embodiment of the present invention. 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。FIG. 6 is a timing chart showing the operation of the optical distance measuring device. 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。FIG. 7 is a circuit configuration diagram showing a partial configuration of the optical distance measuring device according to the fourth embodiment of the present invention. 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。FIG. 8 is a circuit configuration diagram showing a partial configuration of the optical distance measuring device according to the fifth embodiment of the present invention. 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。FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing a partial configuration of the optical distance measuring device according to the sixth embodiment of the present invention. 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。FIG. 10A is a circuit configuration diagram showing a partial configuration of the optical distance measuring device according to the seventh embodiment of the present invention. 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。FIG. 10B is a circuit configuration diagram for explaining the operation of the optical distance measuring device. 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。FIG. 11 (a) is a cross-sectional view of the main part of the receiver of the optical distance measuring device according to the eighth embodiment of the present invention, and FIG. 11 (b) is taken along the line XIB-XIB in FIG. It is a figure which shows potential distribution. 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。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a main part of a conventional optical distance measuring device. 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。FIG. 13 is a timing chart showing the operation of the optical distance measuring device. 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。FIG. 14 is a timing chart showing the operation of the optical distance measuring device. 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。FIG. 15 is a timing chart showing the operation of the optical distance measuring device.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transmitter 2 ... Receiver 3 ... Signal processing part 4 ... Light emitting element 5 ... Modulation signal generator 6, 26A, 26B, 36, 46 ... Light receiving element 6A ... 1st light receiving element 6B ... 2nd light receiving element 7, 27 , 37, 47a, 47b ... switch 7A ... first switch 7B ... second switch 8a, 50a ... first accumulating unit 8b, 50b ... second accumulating unit 8c ... third accumulating unit 8d ... fourth accumulating unit 9, 59 ... Differential calculation unit 9A ... first differential calculation unit 9B ... second differential calculation unit 10 ... distance determination unit 11 ... light beam 12 ... measurement object 13a, 13b, 21, 31, 41 ... operational amplifiers 14a, 14b, 22 , 32, 42 ... capacitance element 33a 43a ... first current mirror circuit 33b, 43b ... second current mirror circuit 44 ... constant current circuit 48a ... first output terminal 48b ... second output terminal 51a, 51b ... gate 56 ... light receiving part 58 ... P-type semiconductor substrate

Claims (25)

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。
An optical distance measuring device that detects a distance to the measurement object by measuring a travel time from transmission of light to reception of light reflected by the measurement object,
A light emitting element that emits an optical signal synchronized with a modulation signal having a predetermined repetition frequency;
A light receiving element that reflects the optical signal from the light emitting element on the object to be measured, receives the reflected optical signal, and converts it into an electrical signal;
A switch for switching the electrical signal from the light receiving element to at least two paths at a predetermined timing;
An accumulation / differential operation unit for accumulating the electric signals switched by the switch, and for performing a differential operation of the accumulated electric signals;
An optical distance measuring device comprising: a distance determination unit that determines a distance to the measurement object based on a differential calculation result of the accumulation / differential calculation unit.
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。
The optical distance measuring device according to claim 1.
The accumulation / differential calculation unit has an integrator using a capacitance element,
An optical distance measuring device which accumulates the electric signal by the integrator.
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。
The optical distance measuring device according to claim 2,
The switch switches between the first route and the second route,
The integrator of the accumulation / differential operation unit is a first integrator connected to the first path and a second integrator connected to the second path,
The accumulation / differential calculation unit performs an optical difference calculation between the output of the first integrator and the output of the second integrator.
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。
The optical distance measuring device according to claim 3.
An optical distance measuring device characterized in that capacitance values of capacitance elements used in the first integrator and the second integrator are substantially the same.
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。
The optical distance measuring device according to claim 3.
An optical distance measuring device, wherein at least the light receiving element, the first integrator, and the second integrator are formed on the same semiconductor substrate.
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。
The optical distance measuring device according to claim 1.
The accumulation / differential calculation unit has an integrator using a capacitance element,
An optical distance measuring device that performs differential calculation while accumulating the electrical signal by the integrator.
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。
The optical distance measuring device according to claim 6,
The photocurrent detected by the light receiving element is switched by the switch, and the differential calculation is performed by reversing the direction of the photocurrent input to the input terminal of the integrator of the accumulation / differential calculation unit. An optical distance measuring device.
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。
The optical distance measuring device according to claim 7,
The light receiving element is a first light receiving element having a cathode connected to a power source and a second light receiving element having an anode connected to a reference potential.
The switch connects the anode of the first light receiving element to the input terminal of the integrator of the storage / differential operation unit at the predetermined timing, and connects the cathode of the second light receiving element to the storage / differential. An optical distance measuring device connected to an input terminal of the integrator of the arithmetic unit.
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。
The optical distance measuring device according to claim 8,
The optical distance measuring device, wherein the first light receiving element and the second light receiving element have the same structure and the same size.
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。
The optical distance measuring device according to claim 8,
An optical distance measuring device, wherein at least the first light receiving element and the second light receiving element are fabricated on the same semiconductor substrate.
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。
The optical distance measuring device according to claim 7,
A discharge-type first current mirror circuit that generates two currents of the same magnitude as the current flowing through the light receiving element;
A suction type second current mirror circuit that receives one of the two currents generated by the first current mirror circuit and generates a current of the same magnitude as the current;
The switch inputs the other of the currents generated by the first current mirror circuit to the input terminal of the integrator at the predetermined timing, or the current generated by the second current mirror circuit is An optical distance measuring device that switches whether to input to an input terminal of an integrator.
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。
The optical distance measuring device according to claim 7,
A constant current source;
A discharge-type first current mirror circuit that generates two currents having the same magnitude as the current flowing through the constant current source;
A suction-type second current mirror circuit that generates two currents of the same magnitude as the current flowing through the constant current source;
The anode of the first light receiving element is connected to one output side terminal of the first current mirror circuit, the cathode of the first light receiving element is connected to the other output side terminal of the first current mirror circuit,
The switch inputs one output side terminal of the first current mirror circuit to the input terminal of the integrator and connects the other output side terminal of the first current mirror circuit to a resistive load at the predetermined timing. Or switching between whether one output side terminal of the first current mirror circuit is connected to a resistive load by inputting the other output side terminal of the first current mirror circuit to the input terminal of the integrator. An optical distance measuring device.
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。
The optical distance measuring device according to claim 1.
The switch is a first switch and a second switch,
The accumulation / differential calculation unit includes a first accumulation unit and a second accumulation unit,
The light receiving element and the first switch and the second switch are disposed adjacent to each other,
The first storage unit is disposed adjacent to the first switch,
The second storage unit is disposed adjacent to the second switch,
The accumulation / differential calculation unit performs differential calculation of signals accumulated in the first accumulation unit and the second accumulation unit,
At least the light receiving element, the first switch, the second switch, the first accumulation unit, and the second accumulation unit are fabricated on the same semiconductor substrate.
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。
The optical distance measuring device according to claim 13,
The optical distance measuring device, wherein the light receiving element, the first switch, the second switch, the first accumulation unit, and the second accumulation unit are symmetrical with respect to a center line of the light receiving element. .
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。
The optical distance measuring device according to claim 1.
An optical distance measuring device comprising two units each having the light receiving element, the switch, and the accumulation / differential calculation unit.
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。
The optical distance measuring device according to claim 15,
Two of the units are the first unit and the second unit,
The distance determination unit calculates a ratio between the output of the first unit and the output of the second unit, and determines a distance to the measurement object based on the ratio. apparatus.
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。
The optical distance measuring device according to claim 15,
Two of the units are the first unit and the second unit,
An optical distance measuring device characterized in that when the switching time of the first unit is T, the switching time of the second unit is 2T or more.
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。
The optical distance measuring device according to claim 1.
The optical distance measuring device according to claim 1, wherein the switching signal for driving the switch changes between a first accumulation time zone driven at a switching time T and a second accumulation time zone driven at a switching time 2T or more.
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。
The optical distance measuring device according to claim 17,
An optical distance measuring device, wherein the modulation signal is a pulse wave.
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。
The optical distance measuring device according to claim 16,
The switching times of the first unit and the second unit are substantially the same,
The optical distance measuring device, wherein the modulation signal includes a sine wave signal.
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。
The optical distance measuring device according to claim 15,
Two of the units are the first unit and the second unit,
The accumulation / differential operation units of the first and second units each have an integrator using a capacitance element,
The capacitance value of the capacitance element used for the integrator of the storage / differential operation unit of the first unit is substantially the same as the capacitance value of the capacitance element used for the integrator of the storage / differential operation unit of the second unit. An optical distance measuring device characterized by the above.
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。
The optical distance measuring device according to claim 15,
At least two of the units are a first unit and a second unit,
An optical distance measuring device, wherein the first unit and the second unit are fabricated on the same semiconductor substrate.
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。
The optical distance measuring device according to any one of claims 1 to 22,
An optical distance measuring device, wherein the light emitting element is a light emitting diode.
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。
The optical distance measuring device according to any one of claims 1 to 22,
An optical distance measuring device, wherein the light emitting element is a laser diode.
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。
The optical distance measuring device according to any one of claims 1 to 24,
An optical distance measuring device comprising a scanning mechanism for scanning a light beam emitted from the light emitting element.
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