JP2007212157A - 光学式測距装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】背景光が強い環境下であり信号光量が微小な場合でも精度の高い測距を行う。
【解決手段】第１差動演算部３０は第１蓄積素子２３からのＡch信号と第２蓄積素子２４からのＢch信号との差動演算を行う。第２差動演算部３２は第３蓄積素子２８からのＣch信号と第４蓄積素子２９からのＤch信号との差動演算を行う。こうして、背景光等のノイズ成分を適宜除去して距離計算に必要な信号成分のみを抽出する。また、Ｎ個の第１,第２受光素子２０,２５とＮ個の第１,第２差動演算部３０,３２とを設けてＮ個の第１,第２蓄積差動信号を得、第１,第２加算部３１,３３で上記Ｎ個の第１,第２蓄積差動信号を加算して第１,第２加算信号を得るようにしている。したがって、個々の受光素子２０,２５で検出される受光信号は小さくとも高速応答が可能な時間内に測距に必要な量の電荷信号を蓄積することができ、測定対象物１５が動いていても正確な距離測定を行うことができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、光が射出されてから測定対象物で反射して受光素子で検出されるまでの光の走行時間を計測して、上記測定対象物までの距離を検出する光学式測距装置に関する。
従来より、光の往復時間を測定して測定対象までの距離を算出する方法である所謂ＴＯＦ(Time Of Flight)法が、測距方法として広く知られている。この測距方法は、光の速度ｃが３.０×１０8m/sと既知であるため、その往復時間ｔ1を測定することによって、次式(１)によって対象物までの距離Ｌを算出する方法である。
Ｌ＝(ｃ・ｔ1)/２…（１）
上記ＴＯＦ法における具体的な信号処理方法は種々提案されており、例えば特開平６‐１８６６５号公報(特許文献１)に開示された距離計測装置では、スタートパルス(発光素子と同期)を開始信号とし、ストップパルス(受光信号)が検出されるまで積分器に電荷を蓄積(または放電)し続け、その増加(または減少)量から光の往復時間を検出するようにしている。このように、上記スタートパルスとストップパルスとの間の時間を測定する測定方法としては、例えば、特開平７‐２９４６４２号公報(特許文献２)に開示された距離測定装置のように、スタートパルスと同時に基準ＣＬＫのパルス数のカウントを開始し、ストップパルスが検出された時のパルス数に基づいて光の往復時間を得るもの等がある。
しかしながら、これらの方法は、何れも受光素子で検出した電流信号をパルス(電圧)信号に変換し、時間情報をパルス波形に持たせた形で信号処理を行っている。一般に、測定対象物は特定されておらず、測定対象物等からの反射光量のダイナミックレンジは非常に大きく、反射光量が小さい場合等の背景光によるノイズ成分の方が大きくなる場合が多々あり得る。このような状況において、背景光によるノイズを除去して適切に信号光パルスを抽出することは非常に困難である。また、環境(主に温度)等の影響によって電圧波形は容易に位相遅延を引き起こす。そのため、時間軸上でのばらつきが非常に大きくなり、何らかの時間補正手段を必要とする。その場合には、回路構成が非常に複雑になり、結果的に製造コストの増大につながってしまう。
これに対し、R.Miyagawaらは、一般的なＣＣＤ(電荷結合素子)構造を有するフォトゲートを用いることによって、受光信号を電圧変換する前に光電流を処理することにより距離情報が得られることを発表している(“CCD-Based Range-Finding Sensor”IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.44,No10,October,1997,p1648〜1652(非特許文献１))。図９に、R.Miyagawaらが提案しているフォトゲート構造を有する受光器の一例である模式断面図を示す。また、図１０には、上記フォトゲート構造の動作を示すタイミングチャートを示す。
図９において、１はＰ型半導体基板、２はＰ型半導体基板１と共に受光部を構成するｎ型半導体層、３はＡch(Ａチャネル)の電荷蓄積部を構成するｎ型半導体層、４はＢchの電荷蓄積部を構成するｎ型半導体層である。また、５,６はＭＯＳ(金属酸化膜半導体)構造を有するゲートであり、ｎ型半導体層２と電荷蓄積部３とゲート５とでＡch側のスイッチングＭＯＳトランジスタ７を形成している。同様に，ｎ型半導体層２と電荷蓄積部４とゲート６とで、Ｂch側のスイッチングＭＯＳトランジスタ８を構成している。
発光素子(図示せず)は、図１０(a)に示すタイミングに従って、光を測定対象物に照射する。測定対象物によって反射された光信号は、図９におけるＰ型半導体基板１とｎ型半導体層２とで構成された受光部によって検出され、図１０(b)に示すような受光信号となる。その場合、図１０(a)と図１０(b)との位相関係は、光が測定対象物までの距離を往復する時間(ｔ1)だけ受光信号が遅延している。ここで、Ａch側のスイッチングＭＯＳトランジスタ７におけるゲート５を発光信号と同期してオン・オフし、さらにＢch側のスイッチングＭＯＳトランジスタ８におけるゲート６をゲート５がオフすると同時にオンするようになっている。この場合、各ゲート５,６に入力されるゲート信号ＧA,ＧBにおけるレベル「Ｈ」の持続時間は、発光信号におけるレベル「Ｈ」の持続時間ｔ0と同じである。
上述のようなタイミングで各スイッチングＭＯＳトランジスタ７,８によるスイッチング動作を行うことによって、Ａchの電荷蓄積部３には図１０(e)に示す時間(ｔ0‐ｔl)に相当するｎ型半導体層２からの電荷が蓄積され、Ｂchの電荷蓄積部４には(ｔl)に相当するｎ型半導体層２からの電荷が蓄積される。そして、この動作を複数回繰り返して電荷蓄積部３,４に電荷を蓄積して信号成分(つまり、蓄積電荷)を大きくしてから、この両チャネルの信号を読み出すことによって、例えば両信号の比を計算して測定対象物までの距離を測定することができるのである。
図９に示すフォトゲート構造によれば、光の往復時間に相当する位相遅延量の情報は、蓄積電荷量(強度)として処理される。そのために、例えば温度変化等があっても信号処理の上で位相のばらつきについて考慮する必要はない。したがって、安定した距離の測定が可能になる。
一般の環境下においては、太陽光や照明(蛍光灯など)のような何らかの背景光が存在する。そして、背景光が存在する場合には、図１０に示す受光信号波形には背景光が重畳される。背景光の変調周波数はＤＣ(太陽光の場合)から数十ｋＨz(インバータ灯の場合)等多様であるが、一般の生活環境下では精々ｋＨzレベルである。これに対し、上記ＴＯＦ法は光の速度を用いた遅延時間測定であるので、その周波数は高く、数十ＭＨｚレベルを用いるのが一般的である。そのため、受光信号のパルス波形に対して背景光の周波数は十分低く、上記パルス波形の１周期内ではＤＣと見なすことができる。図１１に、背景光がある場合のタイミングチャートを示す。図１１(e)および図１１(f)に示すように、背景光がある場合には、Ａchの電荷蓄積部３およびＢchの電荷蓄積部４に蓄積される電荷量は、ゲート５,６がオンの持続時間における背景光の分だけ増加している。そのために、Ａchの電荷蓄積部３およびＢchの電荷蓄積部４に蓄積された電荷量を用いて遅延時間ｔ1を求めることはできないのである。
このような問題に対し、特開２００４‐２９４４２０号公報(特許文献３)に開示された距離画像センサにおいては、上記非特許文献１の場合と同様の構造に加え、さらに電荷蓄積部３,４とは別の電荷蓄積部(図示せず)を設けて、第３の時間帯に背景光のみをモニタすることによって、ＡchおよびＢchの出力から反射信号のみを抽出するようにしている。図１２に、そのタイミングチャートを示す。図１２に示すように、Ａchのゲート信号ＧAとＢchのゲート信号ＧBとに続いて、同じパルス幅ｔ0のゲート信号ＧCでオンするゲート(図示せず)を有するＣchのスイッチングＭＯＳトランジスタ(図示せず)を、上記受光部の周辺に設けている。この場合、ゲート信号ＧCがオンする時間帯には反射光に基づくパルス信号が存在しないために、背景光のみによる電荷が蓄積され、背景光強度がモニタされる。したがって、これらの３つの蓄積キャリア(強度)から、以下の式(２)を用いて、背景光があるような環境下であっても測定対象物までの距離を求めることができるのである。但し、式(２)中、ＡはＡchの電荷蓄積部３に蓄積された電荷量、ＢはＢchの電荷蓄積部４に蓄積された電荷量、ＣはＣchの(背景光用の)電荷蓄積部に蓄積された電荷量である。
Figure 2007212157
しかしながら、上記特許文献３に開示された距離画像センサにおいては、以下のような問題がある。すなわち、上述したような背景光は、例えば屋外の太陽光下では数十万ルクスにも達し、オフィス等の比較的明るい屋内でも数千ルクスの明るさがある。このような強い背景光によって、例えば受光素子に通常のフォトダイオードを用いた場合には、光学系やその受光面積にもよるが、得られる光電流は、一般的にmＡオーダー以上になることは容易に計算できる。これに対し、測定対象物から反射して戻ってくる光の量は測定対象物表面での反射の状態と測定対象物までの距離に大きく依存し、例えば、発光素子に高出力のレーザーダイオード(ＬＤ)(数百mＷ)を用いても、対象物まで数ｍの距離があると上記受光素子に入射する光量はnＷ程度まで小さくなる場合がある。
そして、上述のような高出力ＬＤ等の発光素子は大きな駆動電流を必要とし、小型の測距装置に適用するのには不適当である。また、目に対する安全性を考慮してクラス１程度の出力条件を満たした場合には、発光間隔が非常に長くなり、測定に要する時間が長くなってしまう。そのために、小型測距装置に適用する発光素子には、一般に使用されるmＷから数十mＷレベルの出力強度を有するＬＥＤ(発光ダイオード)やＬＤを用いるのが好ましい。
このような環境下では、図９における蓄積部３,４に蓄積された電荷のＳＮ比は非常に低く、大部分を占める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。ＳＮ比が小さい電荷信号の中から必要な信号成分を抽出する場合は、できるだけ対象となる信号成分が大きい方が信号増幅の際にノイズに対して強くなる。ところが、蓄積動作回数を多くしたり、受光部面積を大きくしたりして、蓄積電荷量を大きくしてもＳＮ比は変わらず、蓄積部３,４の電荷に対するキャパシティは有限であるため、ＳＮ比以上の感度の信号成分を得ることはできないのである。
さらに、微小信号を増幅する場合等は、さらにノイズ等によって誤差が生じるため、ＳＮ比が低ければ低い程測定距離の誤差が大きくなってしまうのである。
特開平６‐１８６６５号公報 特開平７‐２９４６４２号公報 特開２００４‐２９４４２０号公報 "CCD-Based Range-Finding Sensor"IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.44,No10,October,1997,p1648〜1652
そこで、この発明の課題は、背景光が強い環境下であり信号光量が微小な場合であっても精度の高い測距が可能な光学式測距装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の光学式測距装置は、
繰り返し周波数を有する変調信号に同期して光を送信する送信器と、
上記送信器から送信されて測定対象物で反射された光を受信して、受信した光信号に応じた信号を出力する受信器と、
上記受信器から出力された信号を処理する信号処理部と
を備え、
上記受信器は、同一構造を有するＮ個の受信部を有し、
上記各受信部は、
受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、
上記受光素子からの電気信号を２つの径路に上記変調信号に同期した所定のタイミングで切り換えるスイッチと、
上記２つの径路のうちの何れか一方に配置されて、上記一方の径路に切り換えられた電気信号を蓄積する第１蓄積素子と、
上記２つの径路のうちの他方に配置されて、上記他方の径路に切り換えられた電気信号を蓄積する第２蓄積素子と
を含み、
上記信号処理部は、
上記第１蓄積素子および上記第２蓄積素子に蓄積された各径路毎の電気信号の差の演算を行う演算部と、
上記演算部による演算結果を加算する加算部と、
上記加算部による加算値を用いて、上記測定対象物までの距離を判定する距離判定部と
を含むことを特徴としている。
上記構成によれば、受光素子からの電気信号が所定のタイミングで第１蓄積素子と第２蓄積素子とに振り分けられるため、上記両蓄積素子には同量の背景光による電荷が含まれる。この背景光等のノイズ成分は、演算部により上記第１蓄積素子および上記第２蓄積素子に蓄積された電気信号の差の演算を行うことによって適宜除去され、上記演算部からは測定対象物で反射された反射光による信号成分のみが抽出された電気信号が出力される。したがって、上記演算部による演算結果に基づいて、距離判定部によって、背景光が強い環境下であっても高い精度で測距を判定することが可能になる。
強い背景光の環境下で微弱な光信号を検出する場合には、個々の上記蓄積素子は飽和することなく距離の判定に必要な量の電気信号を蓄積する必要がある。上記構成によれば、受信器に同一構造を有するＮ個の受信部を設け、夫々の受信部から出力される２つの電気信号の差を演算部で演算し、夫々の演算結果を加算部で加算するので、個々の受光素子で受信される光信号は小さくとも、総ての上記蓄積素子には高速応答が可能な時間内に測距に必要な量の電気信号を蓄積することができる。したがって、上記測定対象物が動いている場合等においても正確な距離判定を行うことができる。さらに、個々の上記受光素子で受信される光信号は小さいので、個々の上記蓄積素子は飽和することがない。
すなわち、個々の上記蓄積素子が飽和しない条件下で、上記反射光による信号成分のみを抽出できる測定環境条件を大幅に拡大することができ、背景光が強い環境下であり信号光量が微小な場合であっても精度の高い測距を行うことができるのである。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記受信器は、第１受信器と第２受信器との２つの受信器から成り、
上記第１受信器は、上記各受信部に関して、上記スイッチによって、上記受光素子からの電気信号を第１のタイミングで上記２つの径路に切り換えるようになっており、
上記第２受信器は、上記各受信部に関して、上記スイッチによって、上記受光素子からの電気信号を、上記第１のタイミングとは異なる第２のタイミングで上記２つの径路に切り換えるようになっており、
上記演算部は、上記第１受信器に対応する第１演算部と上記第２受信器に対応する第２演算部との２つの演算部から成り、
上記加算部は、上記第１受信器に対応する第１加算部と上記第２受信器に対応する第２加算部との２つの加算部から成り、
上記距離判定部は、上記第１加算部による加算値と上記第２加算部による加算値とを用いて、上記測定対象物までの距離を判定するようになっている。
この実施の形態によれば、第１のタイミングで動作する第１受信器と第２のタイミングで動作する第２受信器とを備えているので、上記第１受信器によって、光の往復時間の情報が含まれた電気信号を蓄積する一方、上記第２受信器によって、上記測定対象物による反射光の受光信号の強度情報が含まれた電気信号を蓄積することが可能になる。したがって、上記両受信器に蓄積された電気信号に基づいて、上記信号処理部によって、上記反射光の受光信号の強度が未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く上記測定対象物までの距離を判定することができるのである。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記演算部は、上記Ｎ個の受信部に対応してＮ個存在している。
この実施の形態によれば、Ｎ個の上記受信部に対応してＮ個の上記演算部を備えているので、個々の受信部が上記電気信号の蓄積を終了した時点で個々の演算部で上記差の演算を行い、総ての演算結果を同時に上記加算部に入力することができる。したがって、距離の判定の高速化を図ることができる。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記信号処理部は、上記Ｎ個の第１蓄積素子のうちの１つに蓄積された電気信号と上記Ｎ個の第２蓄積素子のうちの１つに蓄積された電気信号との対を順次選択して出力する１つの選択スイッチを含んでおり、
上記演算部は１つ存在し、上記選択スイッチから出力された一対の電気信号の差を演算するようになっている。
この実施の形態によれば、Ｎ個の上記受信部に対して１つの上記演算部を備えており、１つの選択スイッチによって上記Ｎ個の第１蓄積素子に蓄積された電気信号と上記Ｎ個の第２蓄積素子に蓄積された電気信号との対を順次選択して上記演算部に出力するので、上記演算部の数を１つに低減することができる。したがって、上記信号処理部の小型化およびコストダウンを図ることができる。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記演算部は、演算増幅器および複数の抵抗を含んで構成されており、
上記複数の抵抗の抵抗値は総て等しくなっている。
この実施の形態によれば、上記演算部を構成する抵抗の抵抗値が総て等しいため、温度変化等によって各抵抗の抵抗値に変化があった場合でも変化の度合いが略等しくなり、上記差の演算の誤差を最小限に止めることができる。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記加算部は、演算増幅器および複数の抵抗を含んで構成されており、
上記複数の抵抗の抵抗値は総て等しくなっている。
この実施の形態によれば、上記加算部を構成する抵抗の抵抗値が総て等しいため、温度変化等によって各抵抗の抵抗値に変化があった場合でも変化の度合いが略等しくなり、加算演算の誤差を最小限に止めることができる。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記１つの演算部による演算結果を加算する上記加算部は、積分器を含んで構成されている。
この実施の形態によれば、上記加算部は積分器を含んで構成されているため、上記１つの演算部から順次出力される個々の上記受信部に関する演算結果を加算する際に、入力される演算結果を順次積み上げて加算することができる。したがって、Ｎ個の演算結果の上記加算部による加算が終了するまで加算値を保持する保持部を必要とはしない。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記第１受信器の上記受光素子と上記第２受信器の上記受光素子とは、同一平面上に交互に配列されている。
この実施の形態によれば、第１のタイミングで動作する上記第１受信器の受光素子と第２のタイミングで動作する上記第２受信器の受光素子とは、同一平面上に交互に配列されているので、入射光束に光密度の斑等がある場合でも、個々の上記蓄積素子に蓄積される電気信号の斑は上記第１受信器と上記第２受信器とに平均化される。したがって、測定値の誤差を低減することができる。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記第１受信器における上記受光素子の数と上記第２受信器における上記受光素子の数とは等しくなっている。
この実施の形態によれば、上記第１受信器の受光素子の数と上記第２受信器の受光素子の数とは等しいために、上記両受信器には同等レベルの電気信号が蓄積される。したがって、上記両受信器から出力される電気信号に基づく上記測定対象物までの距離の判定が容易になる。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記受信器は、第１のタイミングで上記各スイッチを駆動して上記２つの径路に切り換えて上記各第１蓄積素子および上記各第２蓄積素子に電気信号を蓄積する第１蓄積時間帯と、この第１蓄積時間帯に続いて、第２のタイミングで上記各スイッチを駆動して上記２つの径路に切り換えて上記各第１蓄積素子および上記各第２蓄積素子に電気信号を蓄積するする第２蓄積時間帯とに、分かれて動作するようになっており、
上記信号処理部は、上記第１蓄積時間帯に上記各第１蓄積素子に蓄積された電気信号と上記各第２蓄積素子に蓄積された電気信号との上記演算部による差の演算結果の上記加算部による加算値と、上記第２蓄積時間帯に上記各第１蓄積素子に蓄積された電気信号と上記各第２蓄積素子に蓄積された電気信号との上記演算部による差の演算結果の上記加算部による加算値とを用いて、上記距離判定部によって上記測定対象物までの距離を判定するようになっている。
この実施の形態によれば、１つの受信器に関して、第１蓄積時間帯では第１のタイミングで上記各スイッチを駆動し、第２蓄積時間帯では第２のタイミングで上記各スイッチを駆動して、上記第１蓄積時間帯に上記各蓄積素子に蓄積された電気信号と上記第２蓄積時間帯に上記各蓄積素子に蓄積された電気信号とに基づいて、上記測定対象物までの距離を判定するので、上記第２蓄積時間帯には、上記測定対象物による反射光の受光信号の強度情報が含まれた電気信号を上記各蓄積素子に蓄積することが可能になる。したがって、上記受信器の数を２つにすることなく、上記反射光の受光信号の強度が未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く上記測定対象物までの距離を判定することができる。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記演算部は所定のゲインを有する。
この実施の形態によれば、上記演算部は所定のゲインを有しているため、１つの上記受信部からの２つの電気信号の差の演算結果を増幅することができる。したがって、上記ゲインを有していない場合に比して、高速応答が可能な時間内に距離判定が可能な量の上記演算結果を得るのに必要な上記受信部の数を低減することができる。
また、１実施の形態の光学式測距装置では、
上記Ｎ個の受信部における総ての上記受光素子に対して略等しい光密度の信号光を入射させるための光学系を備えている。
この実施の形態によれば、上記Ｎ個の受信部における総ての上記受光素子には略等しい光密度の信号光が入射するので、上記各受光部に蓄積される電気信号の量は同等となり、正確な距離の判定が可能になる。
以上より明らかなように、この発明の光学式測距装置は、受光素子からの電気信号を所定のタイミングで第１蓄積素子と第２蓄積素子とに振り分けて上記両蓄積素子には同量の背景光による電荷が含まれた電気信号を蓄積し、演算部によって上記第１蓄積素子および上記第２蓄積素子に蓄積された電気信号の差の演算を行うので、上記背景光等のノイズ成分は上記演算によって適宜除去されて、上記演算部からは測定対象物で反射された反射光による信号成分のみが抽出された電気信号が出力される。したがって、上記演算部による演算結果に基づいて、距離判定部によって、背景光が強い環境下であっても高い精度で測距を判定することできる。
さらに、受信器に同一構造を有するＮ個の受信部を設け、夫々の受信部から出力される２つの電気信号の差を演算部で演算し、夫々の演算結果を加算部で加算するので、個々の受光素子で受信される光信号は小さくても、総ての上記蓄積素子には高速応答が可能な時間内に測距に必要な量の電気信号を蓄積することができる。したがって、上記測定対象物が動いている場合等においても正確な距離判定を行うことができる。さらに、個々の上記受光素子で受信される光信号は小さいので、個々の上記蓄積素子は飽和することがない。
すなわち、この発明によれば、背景光が強い環境下であり、信号光量が微小な場合であっても、上記測定対象物までの距離を高い精度で判定することができるのである。
また、この発明の光学式測距装置は、上記受信器を、第１のタイミングで動作する第１受信器と第１のタイミングで動作する第２受信器で構成し、上記演算部および上記加算部を、上記第１受信器に対応する第１演算部および第１加算部と上記第２受信器に対応する第２演算部および第２加算部とで構成し、上記距離判定部を、上記第１加算部による加算値と上記第２加算部による加算値とを用いて上記測定対象物までの距離を判定するようにすれば、上記第２受信器によって、上記測定対象物による反射光の受光信号の強度情報が含まれた電気信号を蓄積することが可能になる。したがって、上記反射光の受光信号の強度が未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く上記測定対象物までの距離を判定することができる。
また、この発明の光学式測距装置は、Ｎ個の上記受信部に対して１つの上記演算部を備え、１つの選択スイッチによって上記Ｎ個の第１蓄積素子に蓄積された電気信号と上記Ｎ個の第２蓄積素子に蓄積された電気信号との対を順次選択して上記演算部に出力するようにすれば、上記演算部の数を１つに低減することができる。したがって、上記信号処理部の小型化およびコストダウンを図ることができる。
また、この発明の光学式測距装置は、上記受信器を、第１蓄積時間帯では第１のタイミングで上記スイッチを駆動し、上記第１蓄積時間帯に続く第２蓄積時間帯では第２のタイミングで上記スイッチを駆動して、上記第１蓄積時間帯に上記各蓄積素子に蓄積された電気信号と、上記第２蓄積時間帯に上記各蓄積素子に蓄積された電気信号とに基づいて、上記信号処理部によって上記測定対象物までの距離を判定するようにすれば、上記第２蓄積時間帯には、上記測定対象物による反射光の受光信号の強度情報が含まれた電気信号を上記各蓄積素子に蓄積することが可能になる。したがって、上記受信器の数を２つにすることなく、上記反射光の受光信号の強度が未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く上記測定対象物までの距離を判定することができる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の光学式測距装置におけるブロック図である。また、図２は、図１に示す光学式測距装置の動作を示すタイミングチャートである。以下、図１および図２に従って本実施の形態における光学式測距装置について説明する。
図１に示すように、本光学式測距装置は、測定対象物１５に向かって光ビーム１８を発射する送信器１１と、上記測定対象物１５で反射された光ビーム１９を検出する第１受信器１２aおよび第２受信器１２bと、第１受信器１２aおよび第２受信器１２bからの検出信号を処理する信号処理部１３とで、概略構成される。
上記送信器１１は、所定の繰り返し周波数を有する変調信号を出力する変調信号発生器１６と、変調信号に同期した光信号を出射する発光素子１７とを有している。そして、変調信号発生器１６からの変調信号は、タイミング回路１４に入力されて、同一周波数で目的に応じて異なるデューティを有する変調信号に変換される。尚、発光素子１７は、高速の変調信号に応答可能で安価なＬＥＤやＬＤが好ましく、測定すべき距離範囲や環境条件等によって適宜選択される。
上記第１受信器１２aは、Ｎ個の第１受光素子２０1〜２０Nと、Ｎ個の第１スイッチ２１1〜２１Nと、Ｎ個の第２スイッチ２２1〜２２Nと、Ｎ個の第１蓄積素子２３1〜２３Nと、Ｎ個の第２蓄積素子２４1〜２４Nとを有している。
そして、上記第１受光素子２０1〜２０N(第１受光素子２０と総称する)は、測定対象物１５によって反射された光ビーム１９を受信して電気信号に変換する。また、第１スイッチ２１1〜２１N(第１スイッチ２１と総称する)および第２スイッチ２２1〜２２N(第２スイッチ２２と総称する)は、タイミング回路１４からの第１周波数の変調信号を受けて、第１受光素子２０1〜２０Nによる検出信号(受光信号＝パルス信号＋ノイズ信号)を所定のタイミングで第１経路(Ａch)と第２経路(Ｂch)との２つの経路に切り換える。また、第１経路(Ａch)の第１蓄積素子２３1〜２３N(第１蓄積素子２３と総称する)には、第１受光素子２０1〜２０Nから第１経路(Ａch)側に流れた受光信号の電荷が蓄積される。また、第２経路(Ｂch)の第２蓄積素子２４1〜２４N(第２蓄積素子２３と総称する)には、第１受光素子２０1〜２０Nから第２経路(Ｂch)側に流れた受光信号の電荷が蓄積される。
同様に、上記第２受信器１２bは、Ｎ個の第２受光素子２５1〜２５N(第２受光素子２５と総称する)と、Ｎ個の第３スイッチ２６1〜２６N(第３スイッチ２６と総称する)と、Ｎ個の第４スイッチ２７1〜２７N(第４スイッチ２７と総称する)と、Ｎ個の第３蓄積素子２８1〜２８N(第３蓄積素子２８と総称する)と、Ｎ個の第４蓄積素子２９1〜２９N(第４蓄積素子２９と総称する)とを有している。そして、第３経路(Ｃch)の第３蓄積素子２８1〜２８Nには、第２受光素子２５1〜２５Nから第３経路(Ｃch)側に流れた受光信号の電荷が蓄積される。また、第４経路(Ｄch)の第４蓄積素子２９1〜２９Nには、第１受光素子２０1〜２０Nから第４経路(Ｄch)側に流れた受光信号の電荷が蓄積される。
尚、上記第３スイッチ２６および第４スイッチ２７は、タイミング回路１４からの第２周波数の変調信号を受けて経路の切り換えを行う。
すなわち、上記「第１受光素子２０1,第１スイッチ２１1,第２スイッチ２２1,第１蓄積素子２３1および第２蓄積素子２４1」、…、「第１受光素子２０N,第１スイッチ２１N,第２スイッチ２２N,第１蓄積素子２３Nおよび第２蓄積素子２４N」の夫々で、第１受信器１２a側の上記受光部を構成する。また、「第２受光素子２５1,第３スイッチ２６1,第４スイッチ２７1,第３蓄積素子２８1および第４蓄積素子２９1」、…、「第２受光素子２５N,第３スイッチ２６N,第４スイッチ２７N,第３蓄積素子２８Nおよび第４蓄積素子２９N」の夫々で、第２受信器１２b側の上記受光部を構成するのである。
上記信号処理部１３は、Ｎ個の第１差動演算部３０1〜３０N(第１差動演算部３０と総称する)と、第１加算部３１と、Ｎ個の第２差動演算部３２1〜３２N(第２差動演算部３２と総称する)と、第２加算部３３と、距離判定部３４とを有している。
そして、上記第１差動演算部３０1〜３０Nは、第１蓄積素子２３1〜２３Nと第２蓄積素子２４1〜２４Nとからの電荷信号の差動演算を行う。また、第１加算部３１は、第１差動演算部３０1〜３０NからのＮ個の差動演算値を加算する。また、第２差動演算部３２1〜３２Nは、第３蓄積素子２８1〜２８Nと第４蓄積素子２９1〜２９Nとからの電荷信号の差動演算を行う。また、第２加算部３３は、第２差動演算部３２1〜３２NからのＮ個の差動演算値を加算する。また、距離判定部３４は、第１加算部３１および第２加算部３３の出力に基づいて測定対象物１５までの距離を判定する。
上記構成を有する光学式測距装置は、以下のように動作して測定対象物１５までの距離を測定する。
上記送信器１１の変調信号発生器１６から出力された変調信号がタイミング回路１４に入力されて、第１デューティの第１変調信号と第２デューティの第２変調信号とに変換される。そして、第１変調信号は、発光素子１７と第１スイッチ２１と第２スイッチ２２とに入力され、第２変調信号は、第３スイッチ２６と第４スイッチ２７とに入力される。
そうすると、上記タイミング回路１４からの第１変調信号に同期して、発光素子１７によって測定対象物１５に向かって光ビーム１８が発射される。ここで、上記第１変調信号は、図２(a)に示すように、パルス幅ｔ0のパルスを一定の繰り返し周波数で繰り返すパルス波である。但し、上記第１変調信号はパルス波に限定されるものではなく、三角波や鋸派等の時間を関数として表せる波形を有する信号であれば、本光学式測距装置の機能を得ることができる。尚、以下の説明はパルス波であるとして行う。また、パルス波以外の変調信号についての詳細は後述する。
上記測定対象物１５によって反射された光ビーム１９は、第１受信器１２aにおけるＮ個の第１受光素子２０1〜２０Nおよび第２受信器１２bにおけるＮ個の第２受光素子２５1〜２５Nによって検出される。その場合、光ビーム１９は、図２(b)に示すように、測定対象物１５までの距離を光ビーム１８,１９が往復する時間(ｔ1)だけ第１変調信号よりも位相遅延して検出される。ここで、図２(b)中における「Ｉp」は、第１受光素子２０および第２受光素子２５による光電変換によって発生した反射光の光ビーム１９による電流信号(以下、パルス信号と言う)の強度を表す。また、「Ｉb」は、背景光による電流信号(ノイズ信号)の強度を表している。
今、測距可能な範囲を７.５ｍとすると、上記式(１)より、発光信号のパルス幅t0は５０nsec必要であることが容易に分かる。さらに、背景光は精々数十ｋＨz程度であるためその周期は数十μsec程度であり、上記パルス幅５０nsecに対して十分大きい。そのために、図２に示すように、上記発光信号のパルス幅t0の時間長においては、背景光はＤＣ光であると見なすことができる。
その後、上記第１受光素子２０1〜２０Nによる検出信号(受光信号＝パルス信号＋ノイズ信号)は、第１スイッチ２１1〜２１Nおよび第２スイッチ２２1〜２２Nによって経路が第１経路(Ａch)と第２経路(Ｂch)とに切り換えられ、第１受光素子２０1〜２０Nから第１経路(Ａch)側に流れた受光信号は第１蓄積素子２３1〜２３Nに入力される。一方、第１受光素子２０1〜２０Nから第２経路(Ｂch)側に流れた受光信号は第２蓄積素子２４1〜２４Nに入力される。
ここで、上記第１スイッチ２１および第２スイッチ２２は、図２(c)および図２(d)に示すように、上記発光信号と同じタイミングによってオン・オフ制御される。尚、図２(c)および図２(d)中における第１開閉信号ＳAは第１スイッチ２１1〜２１N用の制御信号であり、第２開閉信号ＳBは第２スイッチ２２1〜２２N用の制御信号であり、共にタイミング回路１４から供給される。そして、第１経路(Ａch)の第１蓄積素子２３1〜２３Nの夫々には、図２(e1)〜図２(eN)に示すように、図２(a)に示す第１変調信号の１周期当たり(Ｉp（ｔ0−ｔl)＋Ｉb・ｔ0)の電荷が蓄積される。同様に、第２経路(Ｂch)の第２蓄積素子２４1〜２４Nには、図２(f1)〜図２(fN)に示すように、第１変調信号の１周期当たり(Ｉp・ｔl＋Ｉb・ｔ0)の電荷が蓄積される。
尚、上記第１受光素子２０,第１蓄積素子２３および第２蓄積素子２４は、夫々Ｎ個ずつ設けられており、図２(e1)〜図２(eN)に示すように、Ｎ個の第１蓄積素子２３は総て同じ波形のＡch信号を出力する。同様に、図２(f1)〜図２(fN)に示すように、Ｎ個の第２蓄積素子２４は総て同じ波形のＢch信号を出力する。このように、本実施の形態の光学式測距装置においては、Ｎ個の第１受光素子２０が同じ受光信号を出力するように、送信器１１には、第１受光素子２０1〜２０Nに総て同じ光強度の光ビーム１９が入射されるような光学系が備えられているのである。
こうして上記第１蓄積素子２３および第２蓄積素子２４に蓄積された電荷は、Ａch信号およびＢch信号として、信号処理部１３を構成する上記演算部としての第１差動演算部３０に入力される。そして、各第１差動演算部３０1〜３０Nによって、第１蓄積素子２３1〜２３NからのＡch信号と第２蓄積素子２４1〜２４NからのＢch信号との差の演算(差動演算)が行われる。このようにして、各第１差動演算部３０毎に、蓄積回数ｎを用いて以下の式(３)で表される第１蓄積差動信号が得られるのである。
第１蓄積差動信号＝ｎ・｛Ｉp(ｔ0−ｔ1)＋Ｉb・ｔ0｝−ｎ・(Ｉp・ｔl＋Ｉb・ｔ0)
＝ｎ・Ｉp(ｔ0−２ｔ1) …（３）
以上のごとく、本実施の形態においては、上記各第１差動演算部３０によって、各第１蓄積素子２３からのＡch信号と各第２蓄積素子２４からのＢch信号とに基づいて、式(３)によって第１蓄積差動信号を得るようにしている。このように、Ａch信号とＢch信号との差動演算を行うことによって、背景光等のノイズ成分を適宜除去して測定対象物１５までの距離計算に必要な信号成分のみを抽出して蓄積することができる。したがって、十分な電荷信号量になるように上記蓄積回数ｎを設定することによって、距離判定部３４で、上記式(３)を用いて測定対象物１５まで光ビーム１８,１９が往復する時間ｔ1を算出し、さらに上記式(１)を用いて測定対象物１５までの距離Ｌを算出することが可能になる。
しかしながら、上述したように、測定対象物１５での反射光量は一般に非常に微弱になる場合があり、上記ｎ回の電荷蓄積のみによって必要な信号量を得る場合には、非常に多くの蓄積回数ｎを要し、測定対象物１５までの距離を一回測定するのに時間が掛かってしまう。したがって、測定対象物１５が動いている場合等、距離測定を一定の時間内に終了しなければならない場合には、正確な距離測定を行うことができないことになる。
尚、一回の電荷蓄積で電荷信号量を大きくするには、個々の受光素子(各受光素子２０)の面積を大きくすることが考えられる。ところが、上記受光素子の面積を大きくした場合にはその容量(キャパシタンス)が増大するため、応答速度が低下してしまうことになる。上述したように、本光学式測距装置の各素子には、数十nsecのパルスを正確に切り替える程度の高速応答が求められるのであるが、上記受光素子の面積を大きくした場合には上記高速応答が不可能になる。
そこで、本実施の形態においては、上記第１受信器１２aにはＮ個の第１受光素子２０1〜２０Nを設け、信号処理部１３にはＮ個の第１差動演算部３０1〜３０Nを設けて、Ｎ個の第１蓄積差動信号を得るようにしている。そして、このＮ個の第１蓄積差動信号が入力される第１加算部３１によって、Ｎ個の第１蓄積差動信号が加算された第１加算信号を得るようにしている。式(４)に第１加算信号を示す。
第１加算信号＝Ｎ・ｎ・Ｉp(ｔ0−２ｔ1) …（４）
このように第１加算信号を得ることによって、各第１受光素子２０1〜２０Nは十分な高速応答が可能になる。さらに、各第１受光素子２０1〜２０Nから電気的(回路上)に加わるランダムノイズは第１加算部３１で平均化されるため、ノイズ成分を増大させることなく信号成分のみを積み重ねることが可能になるのである。
ところで、上述しようにして、上記式(３)や式(４)を用いて測定対象物１５まで光ビーム１８,１９が往復する時間ｔ1を算出できるのは、発光素子１７としてレーザ等のコヒーレント光を用いて光のエネルギーを分散させずに出射し、測定対象物１５としてミラーを用いることによって、出射したエネルギーを殆ど損失せずに第１受光素子２０1〜２０Nで受光できる場合に限られる。このような場合には、出射エネルギーと受光エネルギーとは等しくなるので、受光信号強度Ｉpを予め測定しておくことによって、式(３)や式(４)を用いて発光素子１７からレーザが出射されてから第１受光素子２０で受光されるまでの時間ｔ1を算出し、得られた時間ｔ1に基づいて式(１)を用いて測定対象物１５までの距離Ｌを算出することができるのである。
しかしながら、一般に、上記測定対象物１５が不特定の場合には、第１受光素子２０1〜２０Nに入射する光強度は様々であり、上記式(３)や式(４)中のＩpは不明である。そこで、本実施の形態においては、第２受信器１２bを設けることによって、以下のようにして、測定対象物１５からの反射光の受光信号強度Ｉpが未知であっても、測定対象物１５までの距離を測定可能にするのである。
上記第２受信器１２bにおけるＮ個の第２受光素子２５1〜２５Nによる検出信号は、図２(g)および図２(h)に示すように、図２(a)に示す発光信号に同期したパルス幅２t0の第３開閉信号ＳCおよび第４開閉信号ＳDによってオン・オフが制御されるＮ個の第３スイッチ２６1〜２６NとＮ個の第４スイッチ２７1〜２７Nとによって、第３経路(Ｃch)と第４経路(Ｄch)とに切り換えられる。ここで、上述のように、タイミング回路１４から第３スイッチ２６および第４スイッチ２７に入力される第２変調信号(第３,第４開閉信号ＳC,ＳD)は、図２(c)および図２(d)に示す第１変調信号(第１,第２開閉信号ＳA,ＳB)の２倍のパルス幅を有している。
上記第２受光素子２５1〜２５Nから第３経路(Ｃch)側に流れた受光信号は第３蓄積素子２８1〜２８Nに入力される。一方、第２受光素子２５1〜２５Nから第４経路(Ｄch)側に流れた受光信号は第４蓄積素子２９1〜２９Nに入力される。そして、第３経路(Ｃch)の第３蓄積素子２８1〜２８Nには、図２(i1)〜図２(iN)に示すように、図２(a)に示す変調信号の２周期当たり(Ｉp・ｔ0＋Ｉb・２ｔ0)の電荷が蓄積される。同様に、第４経路(Ｄch)の第４蓄積素子２９1〜２９Nには、図２(j1)〜図２(jN)に示すように、上記変調信号の２周期当たり(Ｉb・２ｔ0)の電荷が蓄積される。
尚、上記第２受光素子２５,第３蓄積素子２６および第４蓄積素子２７は、夫々Ｎ個ずつ設けられており、図２(i1)〜図２(iN)に示すように、Ｎ個の第３蓄積素子２６は総て同じ波形のＣch信号を出力する。同様に、図２(j1)〜図２(jN)に示すように、Ｎ個の第４蓄積素子２７は総て同じ波形のＤch信号を出力する。ここで、送信器１１には、第１受光素子２０1〜２０Nおよび第２受光素子２５1〜２５Nに総て同じ光強度の光ビーム１９が入射されるような光学系が設けられている。
ここで、上記第１受信器１２aおよび第２受信器１２bにおける総ての受光素子の出力を同等にするために、第１受信器１２aを構成するＮ個の第１受光素子２０1〜２０Nと、第２受信器１２bを構成するＮ個の第２受光素子２５1〜２５Nとは、図３に示すように、２次元的に交互に配置されている。こうすることによって、ビームスポット３５に光密度の斑がある場合でも、各第１受光素子２０1〜２０Nおよび各第２受光素子２５1〜２５Nから出力される受光信号の斑は、第１受信器１２aと第２受信器１２bとに平均化されるので好ましい。尚、上記光学系と受光素子の配置とに関する説明は、以後の他の実施の形態の場合においても同様に成り立つ条件であり、以後の他の実施の形態においては説明を省略する。
こうして上記第３蓄積素子２８および第４蓄積素子２９に蓄積された電荷は、Ｃch信号およびＤch信号として、信号処理部１３を構成する第２差動演算部３２に入力される。そして、各第２差動演算部３２1〜３２Nによって、第３蓄積素子２８1〜２８NからのＣch信号と第４蓄積素子２９1〜２９NからのＤch信号との上記差動演算が行われる。このようにして、各第２差動演算部３２毎に、蓄積回数ｎを用いて以下の式(５)で表される第２蓄積差動信号が得られる。
第２蓄積差動信号＝ｎ・(Ｉp・ｔ0＋Ｉb・２ｔ0)−ｎ・(Ｉb・２ｔ0)
＝ｎ・Ｉp・ｔ0 …（５）
以上のように、本実施の形態においては、上記第３経路および第４経路に関する第３スイッチ２６と第４スイッチ２７とのスイッチング時間を、上記第１経路および第２経路に関する第１スイッチ２１と第２スイッチ２２とのスイッチング時間の２倍にしている。こうすることによって、第２蓄積差動信号の値は、蓄積回数ｎとスイッチング時間t0とが既知であるため、背景光が除去されると共に、受光信号強度Ｉpのみに依存した形をとることになる。
上記第２受信器１２bには、上記第１受信器１２aの場合と同様にＮ個の第２受光素子２５1〜２５Nを設け、信号処理部１３にはＮ個の第２差動演算部３２1〜３２Nを設けて、Ｎ個の第２蓄積差動信号を得るようにしている。そして、このＮ個の第２蓄積差動信号が入力される第２加算部３３によって、Ｎ個の第２蓄積差動信号が加算された第２加算信号を得るようにしている。式(６)に第２加算信号を示す。
第２加算信号＝Ｎ・ｎ・Ｉp・ｔ0 …（６）
このように第２加算信号を得ることによって、第１加算信号の場合と同様に、各第２受光素子２５1〜２５Nから電気的(回路上)に加わるランダムノイズは第２加算部３３で平均化されるため、ノイズ成分を増大させることなく信号成分のみを積み重ねることが可能になる。
上記第１加算部３１からの出力信号(第１加算信号)と上記第２加算部３３からの出力信号(第２加算信号)とは、距離判定部３４に入力される。そして、この距離判定部３４によって、第１加算信号Ｓ1と第２加算信号Ｓ2との比が算出され、この比の値を用いて、下記の式(７)に従って、測定対象物１５までの距離Ｌが得られるのである。
尚、式(７)は、以下のようにして導き出される。すなわち、
Ｓ1/Ｓ2＝Ｎ・ｎ・Ｉp(ｔ0−２ｔ1)/Ｎ・ｎ・Ｉp・ｔ0
＝(ｔ0−２ｔ1)/ｔ0
よって、
Figure 2007212157
となる。したがって、このｔ1を式(１)に代入して、
Figure 2007212157
が得られる。
次に、上記第１差動演算部３０,第２差動演算部３２,第１加算部３１および第２加算部３３の具体的構成について説明する。
一般に用いられる差動演算器としては、図４あるいは図５に示すような回路が用いられる。図４に示す差動演算器では、各抵抗Ｒ1〜Ｒ4の抵抗値の関係が
Ｒ1＝Ｒ3 且つ Ｒ2＝Ｒ4
である場合に、出力電圧Ｖoutと２つの入力電圧Ｖin1,Ｖin2との関係は、
Ｖout＝Ｒ2/Ｒ1・(Ｖin2−ｖin1）
で表される。
また、図５に示す差動演算器では、各抵抗Ｒ1〜Ｒ6の抵抗値の関係が
Ｒ1＝Ｒ2 且つ Ｒ3＝Ｒ5 且つ Ｒ4＝Ｒ6
である場合に、出力電圧Ｖoutと２つの入力電圧Ｖin1,Ｖin2との関係は、
Ｖout＝Ｒ4/Ｒ3・(１＋２Ｒ1/Ｒ0)・(Ｖin2−Ｖin1)
で表される。
図４および図５に示すような差動演算器は、一般には半導体素子を用いて構成されている。したがって、その周辺素子である抵抗素子をオペアンプ等を構成するトランジスタ等と同一半導体基板上に作成することによって上記差動演算器を高密度で集積でき、上記差動演算器全体を小型化することが可能になる。しかしながら、半導体プロセスで形成される抵抗はその抵抗値の温度による変化が大きいという問題がある。
このような場合には、総ての抵抗素子を同一構造で同一抵抗値に形成し、総ての抵抗値の温度特性が同等となるようにすることによって、各抵抗値の比(例えばＲ2/Ｒ1等)は総て「１」となるので、上記式においてＲ1＝Ｒ2＝Ｒ3＝Ｒ4＝Ｒ0＝Ｒとした場合には、図４に示す差動演算器における出力電圧Ｖoutと２つの入力電圧Ｖin1,Ｖin2との関係は、
Ｖout＝(Ｖin2−Ｖin1) …（８）
となる。また、図５に示す差動演算器の出力電圧Ｖoutと２つの入力電圧Ｖin1,Ｖin2との関係は、
Ｖout＝３・(Ｖin2−Ｖin1) …（９）
となる。その結果、抵抗値がどのような変化をしても差動演算器の演算結果が一定となるようにすることができるのである。
さらに、上記式(９)においては、係数に「３」が付いているため、式(８)に比して増幅効果も有しており、微小信号に対して有利な差動演算器となっている。
使用環境によっては、さらに微弱信号の検出が必要となる場合がある。そのような場合には、上記抵抗素子をオペアンプ等が構成されている半導体素子と同一半導体基板上に形成せずに、例えば温度特性の優れたセラミック抵抗等をプリント基板上で実装することにより、さらに大きな増幅度を得ることができる。尚、この増幅度は使用環境に合わせて選択されるべきであるが、検出すべき光量の範囲が大きい場合には、増幅度を可変にすることによって対応することもできる。
また、一般に用いられる加算器としては、図６に示すような回路が用いられる。図６中におけるＮ個の入力Ｖinには、第１差動演算部３０あるいは第２差動演算部３３のＮ個の出力が入力される。この加算器におけるＮ個の入力電圧Ｖin1〜ＶinNと出力電圧Ｖoutとの関係は、
Ｖout＝−(Ｒ0/Ｒ1・Ｖin1＋Ｒ0/Ｒ2・Ｖin2＋…＋Ｒ0/ＲN・ＶinN)
と表すことができる。そして、上述の差動演算器の場合と同様に、同一抵抗値を有する同一構造の抵抗素子をオペアンプ等が構成されている半導体素子と同一半導体基板上に形成することによって、上記式は、
Ｖout＝−Ｎ・(Ｖin1＋Ｖin2＋…＋ＶinN)…（１０）
のように表すことができる。その結果、抵抗値がどのような変化をしても加算器の演算結果が一定となるようにすることができるのである。
上述した抵抗値に関する扱いは以後の実施の形態においても同様に成り立つものであるが、重複するため以後の実施の形態においては説明を省略する。
以上のごとく、本実施の形態においては、上記第１差動演算部３０によって、上記第１蓄積素子２３からのＡch信号と第２蓄積素子２４からのＢch信号との差動演算を行うようにしている。また、第２差動演算部３２によって、第３蓄積素子２８からのＣch信号と第４蓄積素子２９からのＤch信号との差動演算を行うようにしている。したがって、背景光等のノイズ成分を適宜除去し、測定対象物１５までの距離計算に必要な信号成分のみを抽出して蓄積することができる。したがって、上記差動演算の結果をｎ回積算することによって、第１,第２差動演算部３０,３２からは、距離計算に十分な電荷量の蓄積差動信号を得ることができるのである。
その際に、上記第３スイッチ２６および第４スイッチ２７における開閉時間を、上記発光信号のパルス幅t0の２倍に設定している。したがって、Ｃch信号には、反射光の光ビーム１９によるパルス信号全体が含まれることになり、Ｃch信号とＤch信号との差動演算を行うことによって、受光信号強度Ｉpのみに依存した第２蓄積差動信号を得ることができる。その結果、距離判定部３４によって、受光信号強度Ｉpが未知の場合であり、且つ、背景光が強い環境下であっても、精度良く測定対象物１５までの距離Ｌを測定することができる。
さらに、上記第１受信器１２aにはＮ個の第１受光素子２０1〜２０Nを設け、信号処理部１３にはＮ個の第１差動演算部３０1〜３０Nを設けて、Ｎ個の第１蓄積差動信号を得るようにしている。また、第２受信器１２bにはＮ個の第２受光素子２５1〜２５Nを設け、信号処理部１３にはＮ個の第２差動演算部３２1〜３２Nを設けて、Ｎ個の第２蓄積差動信号を得るようにしている。そして、第１加算部３１によって上記Ｎ個の第１蓄積差動信号を加算して第１加算信号を得る一方、第２加算部３３によって上記Ｎ個の第２蓄積差動信号を加算して第２加算信号を得るようにしている。したがって、個々の受光素子２０,２５で検出される受光信号は小さくとも高速応答が可能な時間内に測距に必要な量の電荷信号を蓄積することができ、測定対象物１５が動いている場合等においても正確な距離測定を行うことができる。さらに、各第１受光素子２０1〜２０Nおよび各第２受光素子２５1〜２５Nから電気的(回路上)に加わるランダムノイズを第１加算部３１および第２加算部３３で平均化させることができ、ノイズ成分を増大させることなく信号成分のみを積み重ねることが可能になる。
さらに、個々の受光素子２０,２５で検出される受光信号は小さいので、個々の受光素子２０,２５からの受光信号の電荷を蓄積する個々の蓄積素子２３,２４,２８,２９の容量は特別に大きな容量を必要とはしない。
・第２実施の形態
この実施の形態は、上記第１実施の形態における光学式測距装置よりも差動演算部の数を削減することができる光学式測距装置に関する。以下、本光学式測距装置について詳細に説明する。
図７は、本実施の形態における光学式測距装置のブロック図である。図７において、図１に示す上記第１実施の形態における光学式測距装置と同じ構成には、同じ番号を付して詳細な説明は省略する。すなわち、送信器１１,第１受信器１２aおよび第２受信器１２bは、図１に示す上記第１実施の形態における送信器１１,第１受信器１２aおよび第２受信器１２bと同じ構成を有しており、図２に示すタイミングチャートに従って動作する。
本光学式測距装置においては、信号処理部１３の内部構成において、上記第１実施の形態とは異なる。
上記信号処理部１３は、第５スイッチ４１,第１差動演算部４２,第１加算部４３,第１保持部４４,第６スイッチ４５,第２差動演算部４６,第２加算部４７,第２保持部４８および距離判定部４９を有している。
上記選択スイッチである上記第５スイッチ４１は、上記Ｎ個の第１蓄積素子２３1〜２３NからのＡch信号とＮ個の第２蓄積素子２４1〜２４NからのＢch信号とが入力されて、先ず第１蓄積素子２３1からのＡch信号と第２蓄積素子２４1からのＢch信号とを選択して、第１差動演算部４２に出力する。次に、第１蓄積素子２３2からのＡch信号と第２蓄積素子２４2からのＢch信号とを選択して、第１差動演算部４２に出力する。以下、同様にして各第１蓄積素子２３からのＡch信号と各第２蓄積素子２４からのＢch信号との対を順次選択して第１差動演算部４２に出力し、最後に第１蓄積素子２３NからのＡch信号と第２蓄積素子２４NからのＢch信号とを選択して、第１差動演算部４２に出力する。
上記第１差動演算部４２は、上記第５スイッチ４１から順次入力されるＡch信号とＢch信号との上記差動演算を行う。そして、第１差動演算部４２によって順次演算された差動演算値は順次第１加算部４３によって加算され、加算値が第１保持部４４に保持される。
同様に、上記選択スイッチである上記第６スイッチ４５は、各第３蓄積素子２８からのＣch信号と各第４蓄積素子２９からのＤch信号との対を順次選択して第２差動演算部４６に出力する。そうすると、第２差動演算部４６は、上記第６スイッチ４５から順次入力されるＣch信号とＤch信号との上記差動演算を行う。そして、第２差動演算部４６によって順次演算された差動演算値は順次第２加算部４７によって加算され、加算値が第２保持部４８に保持される。
ここで、上記第１蓄積素子２３に蓄積されるＡch信号は、図２に示すＡch信号と同じ波形を有する。また、第２蓄積素子２４に蓄積されるＢch信号は、図２に示すＢch信号と同じ波形を有する。また、第３蓄積素子２８に蓄積されるＣch信号は、図２に示すＣch信号と同じ波形を有する。また、第４蓄積素子２９に蓄積されるＤch信号は、図２に示すＤch信号と同じ波形を有する。
上記第１蓄積素子２３1〜２３Nと第２蓄積素子２４1〜２４Nとに対する規定の蓄積動作が完了すると、第５スイッチ４１は、１番目の第１,第２蓄積素子２３1,２４1からＮ番目の第１,第２蓄積素子２３N,２４Nまでの各蓄積素子からの電荷信号の対を、順次一定時間毎に後段の第１差動演算部４２に入力する。そして、上記第１差動演算部４２によって、上記一定時間間隔で入力された両信号の差が計算され、その結果が第１加算部４３で加算されて第１保持部４４に保持される。
ここで、上記第１加算部４３と第１保持部４４との組み合わせは、例えば、図６に示す加算器においてＮ＝２としたものとサンプルホールド回路とで構成することができる。そして、第１差動演算部４２から順次送られてくる差動演算結果をＶin１に入力し、Ｖin2には、上記サンプルホールド回路等で構成される第１保持部４４のホールド信号を入力することにより、時間差のあるデータの積算が可能になる。
また、上記第１加算部４３と第１保持部部４４とは、図８に示すような一般的な積分器で構成してもよい。この場合、Ｖin１に順次入力される差動演算結果(電圧信号)は抵抗Ｒで電流に変換され、容量Ｃで積算される。このような積分器を用いることによって、最も簡単な構成で第１加算部４３と第１保持部４４とを構成することができる。
また、上記第６スイッチ４５のスイッチング動作、第２差動演算部４６の差動演算、第２加算部４７の加算動作、および、第２保持部４８の保持動作は、上述した第５スイッチ４１から第１保持部４４までの一連の動作と同じであるから、説明を省略する。
こうして、上記第１差動演算部４２および第２差動演算部４６による差動演算結果の加算値が第１保持部４４および第２保持部４８に保持されると、上記第１保持部４４からの出力信号(第１加算信号)と上記第２保持部４８からの出力信号(第２加算信号)とは、距離判定部４９に入力される。そして、この距離判定部４９によって、上記第１実施の形態の場合と同様に、第１加算信号Ｓ1と第２加算信号Ｓ2との比が算出され、この比の値を用いて、上記式(７)に従って、測定対象物１５までの距離Ｌが得られるのである。
以上のごとく、本実施の形態における光学式測距装置においては、上記第５スイッチ４１によって、１番目のＡ,Ｂch信号からＮ番目のＡ,Ｂch信号までの電荷信号の対を順次第１差動演算部４２に入力し、上記電荷信号の対における差動演算を第１差動演算部４２で行い、その演算結果を第１加算部４３で加算して第１保持部４４に保持する。同様に、第６スイッチ４５によって、１番目のＣ,Ｄch信号からＮ番目のＣ,Ｄch信号までの電荷信号の対を順次第２差動演算部４６に入力し、上記電荷信号の対における差動演算を第２差動演算部４６で行い、その演算結果を第２加算部４７で加算して第２保持部４８に保持するようにしている。したがって、差動演算部の数を大幅に低減することができ、信号処理部１３の小型化を図ることができるのである。
尚、上記各実施の形態においては、第１のタイミングで動作する第１受光器１２aと第２のタイミングで動作する第２受光器１２bとの両方を有する光学式測距装置を例に説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、１つの受光器を有し、その受光器のスイッチによって、先ず、第１のタイミングで動作して第１,第２蓄積素子に対する蓄積動作を行い、一旦その蓄積結果を別の保持部等に保存する。次に、上記スイッチによって、第２のタイミングで動作して上記第１,第２蓄積素子に対する蓄積動作を行うのである。ことすることによって、目的の距離演算を行うのに必要な蓄積電荷信号を、１つの受光器によって得ることが可能である。その場合における、基本的な動作の説明は、上記各実施の形態と重複するので省略する。
また、上記各実施の形態においては、上記第３スイッチ２６および第４スイッチ２７のスイッチング時間を、上記発光信号のパルス幅t0の２倍に設定している。しかしながら、この発明は、パルス幅t0の２倍に限定されるものではなく、パルス幅t0の２倍以上であればＣch信号およびＤch信号に反射光の光ビーム１９によるパルス信号の全体が含まれることになり、同様の効果を奏することができる。しかしながら、上記第３スイッチ２６および第４スイッチ２７のスイッチング時間がパルス幅t0の２倍よりも長い場合には、単に背景光等のノイズ成分の電荷蓄積量が多くなるだけである。したがって、第３スイッチ２６および第４スイッチ２７のスイッチング時間は、上記発光信号のパルス幅t0の２倍が最も好ましいのである。
また、上記各実施の形態においては、上記発光素子１７に印加される変調信号としてパルス波を用いている。これは、上記変調信号がパルス波の場合には上記受光信号の波形もパルス波となり、反射信号光受光時における受光信号は同じ受光信号強度(一定値)を持続することになる。その結果、Ａch〜Ｄchの各信号の電荷蓄積量は測定対象物１５までの距離Ｌに比例して変化することになり、測距可能範囲内の全域において各信号の電荷蓄積量と距離Ｌとにリニアリティ(線形性)を呈するのである。したがって、距離の測定精度を測距範囲全体で一定にすることができるからである。
これに対し、上記変調信号として三角波や鋸波を用いた場合には、上記受光信号の波形は時間の１次関数となり、Ａch〜Ｄchの各信号の電荷蓄積量は時間の２次関数となる。その結果、測距範囲において測定精度に粗密が生ずることになる。したがって、上記変調信号としてパルス波を用いるか三角波や鋸波を用いるかを、用途に応じて適宜の使い分けるのが好ましい。
また、上記各実施の形態においては、上記送信器１１の変調信号発生器１６から出力された変調信号はタイミング回路１４に入力されて、第１デューティの第１変調信号と第２デューティの第２変調信号とに変換される。そして、第１変調信号は、発光素子１７と第１スイッチ２１と第２スイッチ２２とに入力され、第２変調信号は、第３スイッチ２６と第４スイッチ２７とに入力されるようにしている。
しかしながら、この発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記変調信号発生器１６からは第１デューティの第１変調信号が発光素子１７と第１スイッチ２１と第２スイッチ２２とタイミング回路１４とに入力される。そして、発光素子１７と第１スイッチ２１と第２スイッチ２２とは第１変調信号によって動作する。一方、タイミング回路１４は、上記第１変調信号を第２デューティの第２変調信号に変換して、第３スイッチ２６と第４スイッチ２７とに入力する。そして、第３スイッチ２６と第４スイッチ２７とを第２変調信号によって動作するようにしても差し支えない。
また、上記各実施の形態においては、上記第１受光素子２０からの受光信号を第１経路と第２経路と切り換えるスイッチとして、例えばＭＯＳトランジスタのようにオン・オフ動作する第１スイッチ２１と第２スイッチ２２とを対応する経路に設けている。同様に、第２受光素子２５からの受光信号を第３経路と第４経路と切り換えるスイッチとして、オン・オフ動作する第３スイッチ２６と第４スイッチ２７とを対応する経路に設けている。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、１つの入力を２つの出力位置および中立位置のうちの何れかの位置に切り換えるスイッチを、第１経路と第２経路との分岐点および第３経路と第４経路との分岐点に設けるようにしても差し支えない。
この発明の光学式測距装置におけるブロック図である。 図１に示す光学式測距装置の動作を示すタイミングチャートである。 図１における第１受信器の第１受光素子２０と第２受信器の第２受光素子２５との配置例を示す図である。 図１における第１,第２差動演算部を構成する差動演算器の回路図である。 図４とは異なる差動演算器の回路図である。 図１における第１,第２加算部部を構成する加算器の回路図である。 図１とは異なる光学式測距装置におけるブロック図である。 図７における加算部および保持部部を構成する積分回路の回路図である。 フォトゲート構造を有する受光器の一例を示す模式断面図である。 図９に示すフォトゲートの動作を示すタイミングチャートである。 図１０において背景光がある場合のタイミングチャートである。 従来の距離画像センサの動作を示すタイミングチャートである。
符号の説明
１１…送信器、
１２a…第１受信器、
１２b…第２受信器、
１３…信号処理部、
１４…タイミング回路、
１５…測定対象物、
１６…変調信号発生器、
１７…発光素子、
１８,１９…光ビーム、
２０1〜２０N…第１受光素子、
２１1〜２１N…第１スイッチ、
２２1〜２２N…第２スイッチ、
２３1〜２３N…第１蓄積素子、
２４1〜２４N…第２蓄積素子、
２５1〜２５N…第２受光素子、
２６1〜２６N…第３スイッチ、
２７1〜２７N…第４スイッチ、
２８1〜２８N…第３蓄積素子、
２９1〜２９N…第４蓄積素子、
３０1〜３０N,４２…第１差動演算部、
３１,４３…第１加算部、
３２1〜３２N,４６…第２差動演算部、
３３,４７…第２加算部、
３４,４９…距離判定部、
３５…ビームスポット、
４１…第５スイッチ、
４４…第１保持部、
４５…第６スイッチ、
４８…第２保持部。

Claims (12)

  1. 繰り返し周波数を有する変調信号に同期して光を送信する送信器と、
    上記送信器から送信されて測定対象物で反射された光を受信して、受信した光信号に応じた信号を出力する受信器と、
    上記受信器から出力された信号を処理する信号処理部と
    を備え、
    上記受信器は、同一構造を有するＮ個の受信部を有し、
    上記各受信部は、
    受信した光信号を電気信号に変換する受光素子と、
    上記受光素子からの電気信号を２つの径路に上記変調信号に同期した所定のタイミングで切り換えるスイッチと、
    上記２つの径路のうちの何れか一方に配置されて、上記一方の径路に切り換えられた電気信号を蓄積する第１蓄積素子と、
    上記２つの径路のうちの他方に配置されて、上記他方の径路に切り換えられた電気信号を蓄積する第２蓄積素子と
    を含み、
    上記信号処理部は、
    上記第１蓄積素子および上記第２蓄積素子に蓄積された各径路毎の電気信号の差の演算を行う演算部と、
    上記演算部による演算結果を加算する加算部と、
    上記加算部による加算値を用いて、上記測定対象物までの距離を判定する距離判定部と
    を含むことを特徴とする光学式測距装置。
  2. 請求項１に記載の光学式測距装置において、
    上記受信器は、第１受信器と第２受信器との２つの受信器から成り、
    上記第１受信器は、上記各受信部に関して、上記スイッチによって、上記受光素子からの電気信号を第１のタイミングで上記２つの径路に切り換えるようになっており、
    上記第２受信器は、上記各受信部に関して、上記スイッチによって、上記受光素子からの電気信号を、上記第１のタイミングとは異なる第２のタイミングで上記２つの径路に切り換えるようになっており、
    上記演算部は、上記第１受信器に対応する第１演算部と上記第２受信器に対応する第２演算部との２つの演算部から成り、
    上記加算部は、上記第１受信器に対応する第１加算部と上記第２受信器に対応する第２加算部との２つの加算部から成り、
    上記距離判定部は、上記第１加算部による加算値と上記第２加算部による加算値とを用いて、上記測定対象物までの距離を判定するようになっている
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  3. 請求項１あるいは請求項２に記載の光学式測距装置において、
    上記演算部は、上記Ｎ個の受信部に対応してＮ個存在している
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  4. 請求項１あるいは請求項２に記載の光学式測距装置において、
    上記信号処理部は、上記Ｎ個の第１蓄積素子のうちの１つに蓄積された電気信号と上記Ｎ個の第２蓄積素子のうちの１つに蓄積された電気信号との対を順次選択して出力する１つの選択スイッチを含んでおり、
    上記演算部は１つ存在し、上記選択スイッチから出力された一対の電気信号の差を演算するようになっている
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  5. 請求項１あるいは請求項２に記載の光学式測距装置において、
    上記演算部は、演算増幅器および複数の抵抗を含んで構成されており、
    上記複数の抵抗の抵抗値は総て等しくなっている
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  6. 請求項１あるいは請求項２に記載の光学式測距装置において、
    上記加算部は、演算増幅器および複数の抵抗を含んで構成されており、
    上記複数の抵抗の抵抗値は総て等しくなっている
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  7. 請求項１,請求項２あるいは請求項４の何れか一つに記載の光学式測距装置において、
    上記１つの演算部による演算結果を加算する上記加算部は、積分器を含んで構成されている
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  8. 請求項２に記載の光学式測距装置において、
    上記第１受信器の上記受光素子と上記第２受信器の上記受光素子とは、同一平面上に交互に配列されている
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  9. 請求項２に記載の光学式測距装置において、
    上記第１受信器における上記受光素子の数と上記第２受信器における上記受光素子の数とは等しくなっている
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  10. 請求項１に記載の光学式測距装置において、
    上記受信器は、第１のタイミングで上記各スイッチを駆動して上記２つの径路に切り換えて上記各第１蓄積素子および上記各第２蓄積素子に電気信号を蓄積する第１蓄積時間帯と、この第１蓄積時間帯に続いて、第２のタイミングで上記各スイッチを駆動して上記２つの径路に切り換えて上記各第１蓄積素子および上記各第２蓄積素子に電気信号を蓄積するする第２蓄積時間帯とに、分かれて動作するようになっており、
    上記信号処理部は、上記第１蓄積時間帯に上記各第１蓄積素子に蓄積された電気信号と上記各第２蓄積素子に蓄積された電気信号との上記演算部による差の演算結果の上記加算部による加算値と、上記第２蓄積時間帯に上記各第１蓄積素子に蓄積された電気信号と上記各第２蓄積素子に蓄積された電気信号との上記演算部による差の演算結果の上記加算部による加算値とを用いて、上記距離判定部によって上記測定対象物までの距離を判定するようになっている
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  11. 請求項１あるいは請求項２に記載の光学式測距装置において、
    上記演算部は所定のゲインを有する
    ことを特徴とする光学式測距装置。
  12. 請求項１あるいは請求項２に記載の光学式測距装置において、
    上記Ｎ個の受信部における総ての上記受光素子に対して略等しい光密度の信号光を入射させるための光学系を備えた
    ことを特徴とする光学式測距装置。
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JP2010008093A (ja) * 2008-06-24 2010-01-14 Toshiba Corp 赤外線撮像装置および赤外線撮像方法

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