JP2011209214A - 時間計測装置および距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アレイ化した場合であっても簡易な構成で高精度の時間計測を行うことができる時間計測装置を提供する。
【解決手段】時間計測装置１０は、定電流源１１，制御部１２，演算部１３，容量素子Ｃ_１〜Ｃ_３，抵抗器Ｒ，スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_３，ＳＷ_１１〜ＳＷ_１３を備え、アレイ化されている。制御部１２は、発光タイミング信号および受光タイミング信号を入力し、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号，ｔａｃ３信号，ｒｅｓｅｔ１信号，ｒｅｓｅｔ２信号，ｒｅｓｅｔ３信号を生成して各スイッチへ与え、スイッチの開閉動作を制御する。演算部１３は、スイッチＳＷ_１と容量素子Ｃ_１との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ１、スイッチＳＷ_２と容量素子Ｃ_２との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ２、および、スイッチＳＷ_３と容量素子Ｃ_３との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ３を入力して、電位Ｖ_ｏｕｔ１〜Ｖ_ｏｕｔ３に基づいて演算を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、時間計測装置および距離計測装置に関するものである。

対象物までの距離を計測する距離計測装置としてＴＯＦ（Time-of-flight）法に拠るものが知られている（特許文献１，２を参照）。ＴＯＦ法に拠る距離計測装置は、光源から対象物へパルス光を投光し、そのパルス光が対象物に投光されて生じた反射パルス光を受光素子により受光して、投光タイミングから受光タイミングまでの時間を計測することで、その時間から距離を求める。すなわち、ＴＯＦ法に拠る距離計測装置は、投光タイミングから受光タイミングまでの時間を計測する時間計測装置を備えている。

特開２００５−１０１３３号公報 特開平６−１８６６５号公報

ＴＯＦ法に拠る距離計測装置または時間計測装置において、複数の単位回路部をアレイ化した場合、各単位回路部に含まれる部品の特性のばらつきにより、複数の単位回路部の間で対象物までの計測結果がばらつく場合がある。

特許文献１に開示された距離計測装置のように、複数の単位回路部それぞれにおいて、既知の長さを有する光ファイバを用いた計測の結果を用いて、対象物までの距離の計測結果を補正することも考えられる。しかし、この距離計測装置も、光ファイバの特性や長さのばらつきに依って、やはり、対象物までの計測結果にばらつきを生じる場合がある。また、この距離計測装置は、複数の単位回路部それぞれにおいて光ファイバを用いた計測を行なう必要があることから、距離計測に要する時間が長くなり、また、大型となる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、アレイ化した場合であっても簡易な構成で高精度の時間計測を行うことができる時間計測装置、および、このような時間計測装置を含む距離計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る時間計測装置は、(1) 定電流源と、(2) 第１端および第２端を有し第１端が基準電位に接続されるＪ個の容量素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｊと、(3) 各容量素子Ｃ_ｊの第２端と定電流源との間に設けられたスイッチＳＷ_ｊと、(4) 外部から与えられる信号に基づいて時刻ｔ_０から時刻ｔ_Ｊまでの時間Ｔ_０が既知の期間のうち時刻ｔ_ｊ−１から時刻ｔ_ｊまでの期間においてＪ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_ＪのうちスイッチＳＷ_ｊを閉状態とするとともに他のスイッチを開状態とする制御部と、(5) 時刻ｔ_０に対する時刻ｔ_Ｊの各容量素子Ｃ_ｊの第２端の電位変化量Ｖ_ｊおよび既知の時間Ｔ_０に基づいて、時刻ｔ_ｊ−１から時刻ｔ_ｊまでの時間Ｔ_ｊの何れかを求める演算部と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る時間計測装置は、定電流源，Ｊ個の容量素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｊ，Ｊ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_Ｊおよび制御部を含む組が複数設けられていることを特徴とする。ただし、Ｊは２以上の整数であり、ｊは１以上Ｊ以下の整数である。

本発明に係る距離計測装置は、(1) パルス光を出力する光源と、(2) 光源を駆動して光源からパルス光を発光させるとともに、その発光タイミングを表す発光タイミング信号を出力する駆動部と、(3) 光源から出力されたパルス光が対象物に投光されて生じた反射パルス光を受光して当該受光強度に応じた電流信号を出力する受光素子と、(4) 受光素子から出力される電流信号を電圧信号に変換して該電圧信号を出力するＩＶ変換部と、(5) ＩＶ変換部から出力される電圧信号に基づいて、受光素子が反射パルス光を受光したタイミングを表す受光タイミング信号を出力する判断部と、(6) 駆動部から出力される発光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_０とし、判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_１〜ｔ_Ｊ−１の何れかとして、対象物までの距離を表す時間を求める上記の本発明に係る時間計測装置と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る距離計測装置は、時間計測装置の定電流源，Ｊ個の容量素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｊ，Ｊ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_Ｊおよび制御部を含む各組に対応して、受光素子，ＩＶ変換部および判断部を含む組が設けられていることを特徴とする。

本発明では、駆動部により駆動された光源からパルス光が出力される。また、駆動部からは、その発光タイミングを表す発光タイミング信号が出力される。光源から出力されたパルス光が対象物に投光されて生じた反射パルス光は受光素子により受光されて、当該受光強度に応じた電流信号が受光素子から出力される。その受光素子から出力された電流信号はＩＶ変換部により電圧信号に変換される。判断部により、その電圧信号に基づいて、受光素子が反射パルス光を受光したタイミングを表す受光タイミング信号が出力される。時間計測装置では、駆動部から出力される発光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_０とし、判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_１〜ｔ_Ｊ−１の何れかとして、対象物までの距離を表す時間が求められる。

時間計測装置では、制御部により制御されて、時刻ｔ_０から時刻ｔ_Ｊまでの時間Ｔ_０が既知の期間のうち、時刻ｔ_ｊ−１から時刻ｔ_ｊまでの期間において、Ｊ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_ＪのうちスイッチＳＷ_ｊが閉状態とされるとともに、他のスイッチが開状態とされて、これにより、Ｊ個の容量素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｊのうち容量素子Ｃ_ｊのみ電位が変化していく、そして、演算部により、時刻ｔ_０に対する時刻ｔ_Ｊの各容量素子Ｃ_ｊの電位変化量Ｖ_ｊおよび既知の時間Ｔ_０に基づいて、時刻ｔ_ｊ−１から時刻ｔ_ｊまでの時間Ｔ_ｊの何れかが求められる。この求められた時間から、対象物までの距離が求められる。

本発明に係る距離計測装置では、(a) 判断部は、ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に遷移するタイミングを表す第１受光タイミング信号を出力するとともに、ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に遷移するタイミングを表す第２受光タイミング信号を出力し、(b) 時間計測装置は、Ｊ値が３であり、判断部から出力される第１受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_１とし、判断部から出力される第２受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_２として、時間Ｔ_１，時間Ｔ_２または時間Ｔ_３を求める、のが好適である。

また、本発明に係る距離計測装置では、(a) 判断部は、ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値がピークとなるタイミング，ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に遷移するタイミング，および，ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に遷移するタイミング，のうちの何れかを表す受光タイミング信号を出力し、(b) 時間計測装置は、Ｊ値が２であり、判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_１として、時間Ｔ_１または時間Ｔ_２を求めるのも好適である。

本発明によれば、アレイ化した場合であっても簡易な構成で高精度の時間または距離の計測を行うことができる。

第１実施形態に係る距離計測装置１の断面図である。 第１実施形態に係る距離計測装置１の第２基板３の平面図である。 第１実施形態に係る距離計測装置１の構成を示す図である。 第１実施形態に係る距離計測装置１に含まれる時間計測装置１０の構成を示す図である。 第１実施形態に係る時間計測装置１０の動作例を説明するタイミングチャートである。 第２実施形態に係る距離計測装置に含まれる時間計測装置１０Ａの構成を示す図である。 第２実施形態に係る時間計測装置１０Ａの動作例を説明するタイミングチャートである。 第２実施形態に係る時間計測装置１０Ａの他の動作例を説明するタイミングチャートである。 第２実施形態に係る時間計測装置１０Ａの他の動作例を説明するタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

図１は、第１実施形態に係る距離計測装置１の断面図である。距離計測装置１は、共通の構成を有するＮ×Ｎ個の受光素子（例えば裏面入射型のアバランシュフォトダイオード）がアレイ配置された第１基板２と、受光素子から出力される信号を処理する回路が構成された第２基板３とが、バンプ４により接続されて構成される。Ｎは２以上の整数である。

図２は、第１実施形態に係る距離計測装置１の第２基板３の平面図である。第２基板３は、共通の構成を有するＮ×Ｎ個の単位回路部５がアレイ配置されており、その周囲に、タイミング発生回路６、垂直シフトレジスタ７、読み出し回路８および水平シフトレジスタ９が配置されている。Ｎ×Ｎ個の単位回路部５とＮ×Ｎ個の受光素子とは１対１に対応して設けられている。各単位回路部５は、対応する受光素子から出力された信号を処理して、その処理結果を表す信号を垂直シフトレジスタ７の指示により読み出し回路８へ出力する。

タイミング発生回路６は、垂直シフトレジスタ７および水平シフトレジスタ９それぞれの動作を制御する制御信号を発生して、その制御信号を垂直シフトレジスタ７および水平シフトレジスタ９それぞれへ与える。垂直シフトレジスタ７は、Ｎ×Ｎ個の単位回路部５のうち各行を順次に選択して、その選択した行の単位回路部５から信号を読み出し回路８へ出力させる。読み出し回路８は、各行の単位回路部５から出力された信号を一括して入力して、水平シフトレジスタ９の指示により順次に出力する。

図３は、第１実施形態に係る距離計測装置１の構成を示す図である。ここでは、第１基板２に形成されたＮ×Ｎ個の受光素子のうちの１個の受光素子４０が示され、第２基板３に形成されたＮ×Ｎ個の単位回路部５のうち上記受光素子４０に対応する１個の単位回路部５に含まれるＩＶ変換部５０，制御部６０および時間計測装置１０が示され、また更に、光源２０および駆動部３０も示されている。本実施形態は受光素子４０，ＩＶ変換部５０，制御部６０および時間計測装置１０を組として複数の組が設けられるものであるが、以降では１組について説明をする。

光源２０は、駆動部３０により駆動されて、対象物９０へ向けてパルス光を出力する。光源２０として好適にはレーザダイオードが用いられる。駆動部３０は、光源２０を駆動して光源２０からパルス光を発光させるとともに、その発光タイミングを表す発光タイミング信号を距離計測装置１０へ出力する。

受光素子４０は、光源２０から出力されたパルス光が対象物９０に投光されて生じた反射パルス光を受光して、当該受光強度に応じた電流信号をＩＶ変換部５０へ出力する。受光素子４０として好適にはアバンランシュフォトダイオードが用いられる。ＩＶ変換部５０は、受光素子４０から出力される電流信号を電圧信号に変換して、該電圧信号を判断部６０へ出力する。判断部６０は、ＩＶ変換部５０から出力される電圧信号に基づいて、受光素子４０が反射パルス光を受光したタイミングを表す受光タイミング信号を時間計測装置１０へ出力する。

時間計測装置１０は、駆動部３０から出力される発光タイミング信号を入力するとともに、判断部６０から出力される受光タイミング信号をも入力して、発光タイミング信号が表すタイミングから受光タイミング信号が表すタイミングまでの時間を求める。この求められた時間は、光源２０から対象物９０までの距離と対象物９０から受光素子４０までの距離との和を表しており、すなわち、距離計測装置１から対象物９０までの距離を表している。

図４は、第１実施形態に係る距離計測装置１に含まれる時間計測装置１０の構成を示す図である。時間計測装置１０は、定電流源１１，制御部１２，演算部１３，容量素子Ｃ_１〜Ｃ_３，抵抗器Ｒ，スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_３および スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３を備える。スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_３および スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３それぞれはトランジスタからなる。

定電流源１１は、電流源１１ａおよびトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２を含む。電流源１１ａの一端は基準電位Ｖ_ｒｅｆと接続され、電流源１１ａの他端はトランジスタＴｒ_１のドレイン端子と接続されている。トランジスタＴｒ_１のドレイン端子は、トランジスタＴｒ_１およびトランジスタＴｒ_２それぞれのゲート端子と接続されている。トランジスタＴｒ_１およびトランジスタＴｒ_２それぞれのソース端子は接地されている。トランジスタＴｒ_２のドレイン端子は、スイッチＳＷ_０および抵抗器Ｒを介して基準電位Ｖ_ｒｅｆと接続されている。定電流源１１は、カレントミラー回路を構成しており、トランジスタＴｒ_２のドレイン端子とソース端子との間に一定電流を流すことができる。

スイッチＳＷ_１の一端は、トランジスタＴｒ_２のドレイン端子と接続されている。スイッチＳＷ_１の他端は、スイッチＳＷ_１１を介してリセット電位Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}と接続され、また、容量素子Ｃ_１を介して接地電位と接続されている。スイッチＳＷ_１の他端の電位が演算部１３へ入力される。

スイッチＳＷ_２の一端は、トランジスタＴｒ_２のドレイン端子と接続されている。スイッチＳＷ_２の他端は、スイッチＳＷ_１２を介してリセット電位Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}と接続され、また、容量素子Ｃ_２を介して接地電位と接続されている。スイッチＳＷ_２の他端の電位が演算部１３へ入力される。

スイッチＳＷ_３の一端は、トランジスタＴｒ_２のドレイン端子と接続されている。スイッチＳＷ_３の他端は、スイッチＳＷ_１３を介してリセット電位Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}と接続され、また、容量素子Ｃ_３を介して接地電位と接続されている。スイッチＳＷ_３の他端の電位が演算部１３へ入力される。

スイッチＳＷ_０は、制御部１２から与えられるｔａｃｏｆｆ信号により開閉制御される。スイッチＳＷ_１は、制御部１２から与えられるｔａｃ１信号により開閉制御される。スイッチＳＷ_２は、制御部１２から与えられるｔａｃ２信号により開閉制御される。スイッチＳＷ_３は、制御部１２から与えられるｔａｃ３信号により開閉制御される。スイッチＳＷ_１１は、制御部１２から与えられるｒｅｓｅｔ１信号により開閉制御される。スイッチＳＷ_１２は、制御部１２から与えられるｒｅｓｅｔ２信号により開閉制御される。スイッチＳＷ_１３は、制御部１２から与えられるｒｅｓｅｔ３信号により開閉制御される。

制御部１２は、駆動部３０から出力される発光タイミング信号を入力するとともに、判断部６０から出力される受光タイミング信号をも入力して、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号，ｔａｃ３信号を生成する。そして、制御部１２は、これらの信号をスイッチＳＷ_０〜ＳＷ_３の何れかへ与えて、これらのスイッチの開閉動作を制御する。また、制御部１２は、駆動部３０から出力される発光タイミング信号により、ｒｅｓｅｔ１信号，ｒｅｓｅｔ２信号およびｒｅｓｅｔ３信号を生成し、これらの信号をスイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３ の何れかへ与えて、これらのスイッチの開閉動作を制御する。

演算部１３は、スイッチＳＷ_１と容量素子Ｃ_１との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ１、スイッチＳＷ_２と容量素子Ｃ_２との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ２、および、スイッチＳＷ_３と容量素子Ｃ_３との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ３を入力して、これらの電位Ｖ_ｏｕｔ１〜Ｖ_ｏｕｔ３に基づいて所定の演算を行い、対象物９０までの距離を表す時間を求める。演算部１３は、アナログ演算を行ってもよいし、デジタル演算を行ってもよい。

次に、第１実施形態に係る距離計測装置１および時間計測装置１０の動作について説明する。図５は、第１実施形態に係る時間計測装置１０の動作例を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、駆動部３０から時間計測装置１０の制御部１２に与えられる発光タイミング信号、ＩＶ変換部５０から出力され判断部６０に入力される電圧信号、判断部６０から時間計測装置１０の制御部１２に与えられる受光タイミング信号、制御部１２からスイッチＳＷ_０に与えられるｔａｃｏｆｆ信号、制御部１２からスイッチＳＷ_１に与えられるｔａｃ１信号、制御部１２からスイッチＳＷ_２に与えられるｔａｃ２信号、制御部１２からスイッチＳＷ_３に与えられるｔａｃ３信号、スイッチＳＷ_１と容量素子Ｃ_１との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ１、スイッチＳＷ_２と容量素子Ｃ_２との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ２、および、スイッチＳＷ_３と容量素子Ｃ_３との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ３、が示されている。

駆動部３０から時間計測装置１０の制御部１２に与えられる発光タイミング信号は、光源２０がパルス光を発光した時刻ｔ_０に立ち上がる。また、この発光タイミング信号は、この時刻ｔ_０から既知の時間Ｔ_０が経過した時刻ｔ_３に立ち下がる。すなわち、発光タイミング信号は、パルス幅Ｔ_０の信号である。

ＩＶ変換部５０から出力され判断部６０に入力される電圧信号は、受光素子４０に到達した反射パルス光の強度の時間的変化を表す信号である。

判断部６０から時間計測装置１０の制御部１２に与えられる受光タイミング信号は、受光素子４０が反射パルス光を受光したタイミングを表す信号であり、ＩＶ変換部５０から出力された電圧信号の値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に遷移する時刻ｔ_１に立ち上がり、該電圧信号の値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に遷移する時刻ｔ_２に立ち下がる。

制御部１２により、駆動部３０から出力される発光タイミング信号および判断部６０から出力される受光タイミング信号に基づいて、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号，ｔａｃ３信号が生成される。また、制御部１２により、駆動部３０から出力される発光タイミング信号に基づいて，ｒｅｓｅｔ１信号，ｒｅｓｅｔ２信号およびｒｅｓｅｔ３信号が生成される。

時刻ｔ_０前に、ｒｅｓｅｔ１信号，ｒｅｓｅｔ２信号およびｒｅｓｅｔ３信号それぞれが有意値であり、スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３それぞれが閉じていて、電位Ｖ_ｏｕｔ１〜Ｖ_ｏｕｔ３それぞれはリセット電位Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}とされる。時刻ｔ_０に、ｒｅｓｅｔ１信号，ｒｅｓｅｔ２信号およびｒｅｓｅｔ３信号それぞれは非有意値に転じて、スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３それぞれは開状態に転じる。

時刻ｔ_０前または時刻ｔ_３後では、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号およびｔａｃ３信号のうちｔａｃｏｆｆ信号のみが有意値となり、スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_３のうちスイッチＳＷ_０のみが閉状態となる。

時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの期間では、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号およびｔａｃ３信号のうちｔａｃ１信号のみが有意値となり、スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_３のうちスイッチＳＷ_１のみが閉状態となる。

時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの期間では、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号およびｔａｃ３信号のうちｔａｃ２信号のみが有意値となり、スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_３のうちスイッチＳＷ_２のみが閉状態となる。

時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの期間では、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号およびｔａｃ３信号のうちｔａｃ３信号のみが有意値となり、スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_３のうちスイッチＳＷ_３のみが閉状態となる。

電位Ｖ_ｏｕｔ１は時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの期間に亘って変化し、その電位変化量はＶ_１となる。電位Ｖ_ｏｕｔ２は時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの期間に亘って変化し、その電位変化量はＶ_２となる。また、電位Ｖ_ｏｕｔ３は時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの期間に亘って変化し、その電位変化量はＶ_３となる。

ここで、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの時間をＴ_１とし、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの時間をＴ_２とし、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの時間をＴ_３とする。容量素子Ｃ_１〜Ｃ_３それぞれの容量値が互いに等しくＣであるとする。また、定電流源１１を流れる電流をＩとする。このとき、これらのパラメータの間に以下の関係式が成り立つ。
Ｖ_１＝Ｔ_１Ｉ／Ｃ …(1)
Ｖ_２＝Ｔ_２Ｉ／Ｃ …(2)
Ｖ_３＝Ｔ_３Ｉ／Ｃ …(3)
Ｔ_０＝Ｔ_１＋Ｔ_２＋Ｔ_３ …(4)

上記(1)式〜(4)式から以下の関係式が得られる。
Ｔ_１＝Ｔ_０Ｖ_１／(Ｖ_１＋Ｖ_２＋Ｖ_３) …(5)
Ｔ_２＝Ｔ_０Ｖ_２／(Ｖ_１＋Ｖ_２＋Ｖ_３) …(6)
Ｔ_３＝Ｔ_０Ｖ_３／(Ｖ_１＋Ｖ_２＋Ｖ_３) …(7)

演算部１３は、電位変化量Ｖ_１〜Ｖ_３および既知の時間Ｔ_０に基づいて以上のような演算を行って、時間Ｔ_１〜Ｔ_３を求めることができる。そして、時間Ｔ_１、時間(Ｔ_１＋Ｔ_２) または 時間(Ｔ_１＋Ｔ_２／２) に基づいて、対象物９０までの距離を求めることができる。また、発光のピーク値が発光時間の中心にあるとは限らないため、受光タイミング信号の大きさ、すなわち、反射パルス光の光量と発光のピーク位置を関係づけるルックアップテーブル（ＬＵＴ）または関数を用意して、反射パルス光の光量に基づいて距離を算出してもよい。

以上のように、本実施形態では、時間Ｔ_１〜Ｔ_３は、上記(5)〜(7)式により求められるので、定電流源１１を流れる電流Ｉのばらつきの影響を受けない。また、本実施形態では、特許文献１に開示された発明の如く光ファイバを用いた補正の為の計測を行なう必要はない。したがって、本実施形態では、アレイ構成であっても簡易な構成で高精度の時間計測や距離計測を行うことができる。

また、本実施形態では、スイッチＳＷ_０および抵抗器Ｒが設けられていることにより、時刻ｔ_０前にも定電流源１１を電流が流れるので、時刻ｔ_０以降に定電流源１１の安定した動作が得られ、この点でも高精度の時間計測や距離計測を行うことができる。

（第２実施形態）

次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る距離計測装置の構成は、第１実施形態の場合と比較すると時間計測装置の構成の点で相違する。図６は、第２実施形態に係る距離計測装置に含まれる時間計測装置１０Ａの構成を示す図である。

時間計測装置１０Ａは、定電流源１１，制御部１２Ａ，演算部１３Ａ，容量素子Ｃ_１，Ｃ_２，抵抗器Ｒ，スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_２および スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１２を備える。スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_２および スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１２それぞれはトランジスタからなる。

図４に示された第１実施形態に係る時間計測装置１０の構成と比較すると、この図６に示される第２実施形態に係る時間計測装置１０Ａは、スイッチＳＷ_３，ＳＷ_１３および容量素子Ｃ_３を備えていない点で相違し、制御部１２に替えて制御部１２Ａを備える点で相違し、また、演算部１３に替えて演算部１３Ａを備える点で相違する。

制御部１２Ａは、駆動部３０から出力される発光タイミング信号を入力するとともに、判断部６０から出力される受光タイミング信号をも入力して、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号を生成する。そして、制御部１２Ａは、これらの信号をスイッチＳＷ_０〜ＳＷ_２ および スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１２の何れかへ与えて、これらのスイッチの開閉動作を制御する。また、制御部１２Ａは、駆動部３０から出力される発光タイミング信号を入力して、ｒｅｓｅｔ１信号およびｒｅｓｅｔ２信号を生成し、これらの信号をスイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１２ の何れかへ与えて、これらのスイッチの開閉動作を制御する。

演算部１３Ａは、スイッチＳＷ_１と容量素子Ｃ_１との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ１、および、スイッチＳＷ_２と容量素子Ｃ_２との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ２を入力して、これらの電位Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２に基づいて所定の演算を行い、対象物９０までの距離を表す時間を求める。演算部１３Ａは、アナログ演算を行ってもよいし、デジタル演算を行ってもよい。

次に、第２実施形態に係る距離計測装置および時間計測装置１０Ａの動作について説明する。図７は、第２実施形態に係る時間計測装置１０Ａの動作例を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、駆動部３０から時間計測装置１０Ａの制御部１２Ａに与えられる発光タイミング信号、ＩＶ変換部５０から出力され判断部６０に入力される電圧信号、判断部６０から時間計測装置１０Ａの制御部１２Ａに与えられる受光タイミング信号、制御部１２ＡからスイッチＳＷ_０に与えられるｔａｃｏｆｆ信号、制御部１２ＡからスイッチＳＷ_１に与えられるｔａｃ１信号、制御部１２ＡからスイッチＳＷ_２に与えられるｔａｃ２信号、スイッチＳＷ_１と容量素子Ｃ_１との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ１、および、スイッチＳＷ_２と容量素子Ｃ_２との接続点の電位Ｖ_ｏｕｔ２、が示されている。

駆動部３０から時間計測装置１０Ａの制御部１２Ａに与えられる発光タイミング信号は、光源２０がパルス光を発光した時刻ｔ_０に立ち上がる。また、この発光タイミング信号は、この時刻ｔ_０から既知の時間Ｔ_０が経過した時刻ｔ_２に立ち下がる。すなわち、発光タイミング信号は、パルス幅Ｔ_０の信号である。

ＩＶ変換部５０から出力され判断部６０に入力される電圧信号は、受光素子４０に到達した反射パルス光の強度の時間的変化を表す信号である。

判断部６０から時間計測装置１０Ａの制御部１２Ａに与えられる受光タイミング信号は、受光素子４０が反射パルス光を受光したタイミングを表す信号であり、ＩＶ変換部５０から出力された電圧信号の値がピークとなる時刻ｔ_１に立ち上がる。また、受光タイミング信号は、時刻ｔ_２に立ち下がる。なお、電圧信号の時間微分値の符号の変化を検出することで、電圧信号の値がピークとなるタイミングを検出することができる。

制御部１２Ａにより、駆動部３０から出力される発光タイミング信号および判断部６０から出力される受光タイミング信号に基づいて、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号，ｔａｃ２信号が生成される。また、制御部１２Ａにより、駆動部３０から出力される発光タイミング信号に基づいて，ｒｅｓｅｔ１信号およびｒｅｓｅｔ２信号が生成される。

時刻ｔ_０前に、ｒｅｓｅｔ１信号およびｒｅｓｅｔ２信号それぞれが有意値であり、スイッチＳＷ_１１，ＳＷ_１２それぞれが閉じていて、電位Ｖ_ｏｕｔ１，Ｖ_ｏｕｔ２それぞれはリセット電位Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}とされる。時刻ｔ_０に、ｒｅｓｅｔ１信号およびｒｅｓｅｔ２信号それぞれは非有意値に転じて、スイッチＳＷ_１１，ＳＷ_１２それぞれは開状態に転じる。

時刻ｔ_０前または時刻ｔ_２後では、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号およびｔａｃ２信号のうちｔａｃｏｆｆ信号のみが有意値となり、スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_２のうちスイッチＳＷ_０のみが閉状態となる。

時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの期間では、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号およびｔａｃ２信号のうちｔａｃ１信号のみが有意値となり、スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_２のうちスイッチＳＷ_１のみが閉状態となる。

時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの期間では、ｔａｃｏｆｆ信号，ｔａｃ１信号およびｔａｃ２信号のうちｔａｃ２信号のみが有意値となり、スイッチＳＷ_０〜ＳＷ_２のうちスイッチＳＷ_２のみが閉状態となる。

電位Ｖ_ｏｕｔ１は時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの期間に亘って変化し、その電位変化量はＶ_１となる。また、電位Ｖ_ｏｕｔ２は時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの期間に亘って変化し、その電位変化量はＶ_２となる。

ここで、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの時間をＴ_１とし、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの時間をＴ_２とする。容量素子Ｃ_１，Ｃ_２それぞれの容量値が互いに等しくＣであるとする。また、定電流源１１を流れる電流をＩとする。このとき、これらのパラメータの間に以下の関係式が成り立つ。
Ｖ_１＝Ｔ_１Ｉ／Ｃ …(8)
Ｖ_２＝Ｔ_２Ｉ／Ｃ …(9)
Ｔ_０＝Ｔ_１＋Ｔ_２ …(10)

上記(8)式〜(10)式から以下の関係式が得られる。
Ｔ_１＝Ｔ_０Ｖ_１／(Ｖ_１＋Ｖ_２) …(11)
Ｔ_２＝Ｔ_０Ｖ_２／(Ｖ_１＋Ｖ_２) …(12)

演算部１３Ａは、電位変化量Ｖ_１，Ｖ_２および既知の時間Ｔ_０に基づいて以上のような演算を行って、時間Ｔ_１，Ｔ_２を求めることができる。そして、時間Ｔ_１に基づいて、対象物９０までの距離を求めることができる。

図８および図９は、第２実施形態に係る時間計測装置１０Ａの他の動作例を説明するタイミングチャートである。図８に示される動作例では、判断部６０から時間計測装置１０Ａの制御部１２Ａに与えられる受光タイミング信号は、ＩＶ変換部５０から出力された電圧信号の値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に遷移する時刻ｔ_１に立ち上がる。図９に示される動作例では、判断部６０から時間計測装置１０Ａの制御部１２Ａに与えられる受光タイミング信号は、ＩＶ変換部５０から出力された電圧信号の値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に遷移する時刻ｔ_１に立ち上がる。これらの場合にも、演算部１３Ａは、電位変化量Ｖ_１，Ｖ_２および既知の時間Ｔ_０に基づいて同様の演算を行って、時間Ｔ_１，Ｔ_２を求めることができる。そして、時間Ｔ_１に基づいて、対象物９０までの距離を求めることができる。

以上のように、本実施形態でも、時間Ｔ_１，Ｔ_２は、上記(11〜(12)式により求められるので、定電流源１１を流れる電流Ｉのばらつきの影響を受けない。また、本実施形態でも、特許文献１に開示された発明の如く光ファイバを用いた補正の為の計測を行なう必要はない。したがって、本実施形態でも、アレイ構成であっても簡易な構成で高精度の時間計測や距離計測を行うことができる。

また、本実施形態でも、スイッチＳＷ_０および抵抗器Ｒが設けられていることにより、時刻ｔ_０前にも定電流源１１を電流が流れるので、時刻ｔ_０以降に定電流源１１の安定した動作が得られ、この点でも高精度の時間計測や距離計測を行うことができる。

（変形例）

定電流源１１を流れる電流Ｉは、上記実施形態では一定であるとしたが、可変であってもよい。また、容量素子Ｃ_１〜Ｃ_３それぞれの容量値は、上記実施形態では互いに等しいとしたが、可変であってもよく、互いに異ならせてもよい。例えば、第１実施形態において、時間Ｔ_１と比べて時間Ｔ_２が非常に短い場合には、容量素子Ｃ_１の容量値と比べて容量素子Ｃ_２の容量値が小さいのが好ましく、このようにすることで、電位変化量Ｖ_２が高感度に検出され得る。また、計測レンジや分解能に応じて、定電流源１１を流れる電流Ｉや容量素子の容量値を調整するのが好ましい。

１…距離計測装置、１０，１０Ａ…時間計測装置、１１…定電流源、１１ａ…電流源、１２，１２Ａ…制御部、１３，１３Ａ…演算部、２０…光源、３０…駆動部、４０…受光素子、５０…ＩＶ変換部、６０…判断部、Ｃ_１〜Ｃ_３…容量素子、Ｒ…抵抗器、ＳＷ_０〜ＳＷ_３，ＳＷ_１１〜ＳＷ_１３…スイッチ、Ｔｒ_１，Ｔｒ_２…トランジスタ。

Claims (4)

1. 定電流源と、
   第１端および第２端を有し前記第１端が基準電位に接続されるＪ個の容量素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｊと、
   各容量素子Ｃ_ｊの前記第２端と前記定電流源との間に設けられたスイッチＳＷ_ｊと、
   外部から与えられる信号に基づいて時刻ｔ_０から時刻ｔ_Ｊまでの時間Ｔ_０が既知の期間のうち時刻ｔ_ｊ−１から時刻ｔ_ｊまでの期間においてＪ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_ＪのうちスイッチＳＷ_ｊを閉状態とするとともに他のスイッチを開状態とする制御部と、
   時刻ｔ_０に対する時刻ｔ_Ｊの各容量素子Ｃ_ｊの前記第２端の電位変化量Ｖ_ｊおよび既知の時間Ｔ_０に基づいて、時刻ｔ_ｊ−１から時刻ｔ_ｊまでの時間Ｔ_ｊの何れかを求める演算部と、
   を備え、
   前記定電流源，前記Ｊ個の容量素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｊ，前記Ｊ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_Ｊおよび前記制御部を含む組が複数設けられている、
   ことを特徴とする時間計測装置（ただし、Ｊは２以上の整数、ｊは１以上Ｊ以下の整数）。
2. パルス光を出力する光源と、
   前記光源を駆動して前記光源からパルス光を発光させるとともに、その発光タイミングを表す発光タイミング信号を出力する駆動部と、
   前記光源から出力されたパルス光が対象物に投光されて生じた反射パルス光を受光して当該受光強度に応じた電流信号を出力する受光素子と、
   前記受光素子から出力される電流信号を電圧信号に変換して該電圧信号を出力するＩＶ変換部と、
   前記ＩＶ変換部から出力される電圧信号に基づいて、前記受光素子が反射パルス光を受光したタイミングを表す受光タイミング信号を出力する判断部と、
   前記駆動部から出力される発光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_０とし、前記判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_１〜ｔ_Ｊ−１の何れかとして、前記対象物までの距離を表す時間を求める請求項１に記載の時間計測装置と、
   を備え
   前記時間計測装置の前記定電流源，前記Ｊ個の容量素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｊ，前記Ｊ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_Ｊおよび前記制御部を含む各組に対応して、前記受光素子，前記ＩＶ変換部および前記判断部を含む組が設けられている、
   ことを特徴とする距離計測装置。
3. 前記判断部は、前記ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値が前記閾値未満の状態から前記閾値を超える状態に遷移するタイミングを表す第１受光タイミング信号を出力するとともに、前記ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値が前記閾値を超える状態から前記閾値未満の状態に遷移するタイミングを表す第２受光タイミング信号を出力し、
   前記時間計測装置は、Ｊ値が３であり、前記判断部から出力される第１受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_１とし、前記判断部から出力される第２受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_２として、時間Ｔ_１，時間Ｔ_２または時間Ｔ_３を求める、
   ことを特徴とする請求項２に記載の距離計測装置。
4. 前記判断部は、前記ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値がピークとなるタイミング，前記ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値が前記閾値未満の状態から前記閾値を超える状態に遷移するタイミング，および，前記ＩＶ変換部から出力される電圧信号の値が前記閾値を超える状態から前記閾値未満の状態に遷移するタイミング，のうちの何れかを表す受光タイミング信号を出力し、
   前記時間計測装置は、Ｊ値が２であり、前記判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻ｔ_１として、時間Ｔ_１または時間Ｔ_２を求める、
   ことを特徴とする請求項２に記載の距離計測装置。
   

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