JP2013064647A - 空間情報検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数個の発光素子を用いて強度変調光を投光し、かつ投光と受光とのタイミング調整の期間を備える構成で、タイミング調整の期間における消費電力を抑制する。
【解決手段】発光素子１１は群１２１，１２２，１２３に分けられ、群１２１，１２２，１２３ごとに設けた通電制御素子１３により光出力が制御される。動作モード選択部１０３は、基準信号Ｓｇ０に対する検出信号Ｓｇ２の時間差を計測する校正モードと、発光素子１１から強度変調光を投光してから受光素子２１が受光するまでの時間を計測する測定モードとを選択する。測定モードでは、検出信号Ｓｇ２の基準信号Ｓｇ０に対する時間差が規定値に維持されるように電圧制御遅延回路１０１３による遅延時間が設定される。経路選択部１５は、校正モードが選択されているときに、発光素子１１のうちの１つの群１２１に対応する通電制御素子１３にのみ通電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、時間経過に伴って強度が変化する強度変調光を対象空間に投光し、強度変調光の投光から受光までの時間を求める空間情報検出装置に関するものである。

従来から、対象空間に信号光を投光するとともに、対象空間から受光した光に含まれる信号光を抽出し、信号光の投受光の関係を求めることにより、対象空間の空間情報を検出するアクティブ型の空間情報検出装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。ここに、対象空間は、信号光が投光される空間であって、信号光の反射光が受光される範囲の空間を意味している。

ところで、時間経過に伴って強度が変化する強度変調光を信号光に用い、強度変調光の投光時と受光時との位相の関係を求めると、投光から受光までに要した時間が検出可能になる。投光と受光との間の時間がわかれば、対象空間に存在する物体までの距離が空間情報として検出される。また、強度変調光を投光して反射光を検出すると、強度変調光の反射光成分だけを抽出することにより、外光の光量に影響されずに対象空間に存在する物体を撮像することが可能になる。さらに、強度変調光の反射光を受光するから、反射光成分のみを抽出して受光強度の平均値を求めると、対象空間に存在する物体の反射率を求めることも可能である。

強度変調光の波形が一定周期で変化する場合は、対象空間に存在する物体で反射された反射光も同じ一定周期で変化する。この場合、強度変調光の投光時と受光時との位相の差は、強度変調光の変調波形において複数の位相に対応する受光強度を計測することにより、計測した位相と受光強度との対応関係から算出される。

いま、時刻ｔの投光強度をＩ（ｔ）とすると、対象空間からの時刻ｔにおける受光強度Ｉｒ（ｔ）は、Ｉｒ（ｔ）＝η・Ｉ（ｔ−δ）＋Ｉｅと表すことができる。ここに、ηは物体までの距離や物体での反射率などによる光の減衰率であり、Ｉｅは環境光（外乱光）の強度である。また、δは物体までの距離に応じた遅れ時間であり、光速をｃ、物体までの距離をＬとすれば、δ＝２Ｌ／ｃである。

上式の未知数は、減衰率η、遅れ時間δ、環境光の強度Ｉｅの３個であるから、３個以上の異なる時刻について受光強度を求めると、３個の未知数が算出可能になる。つまり、３個以上の異なる時刻の受光強度を求めると、物体までの距離や物体の反射率などの空間情報が求められる。強度変調光の波形は、必ずしも一定周期である必要はなく、時間経過に伴って大きさが変化する強度変調光であって、投光される強度変調光の波形が既知であり、かつ受光時に波形を識別することができれば、様々な波形の強度変調光を採用することが可能である。ただし、強度変調光の強度が周期的に変化するほうが、空間情報を検出する処理が容易になる。また、強度変調光の強度が周期的に変化していれば複数周期に亘って検出した受光強度を積分することにより、環境光の変動成分の影響を抑制したり、装置の内部で発生するノイズの影響を抑制したりすることが可能になる。

上述した技術は、空間情報を検出するために、強度変調光の変調波形における複数の位相に対応した受光強度を計測している。そのため、空間情報を正確に検出するには、投光した強度変調光の位相と受光強度とを正確に対応付けることが必要である。そこで、強度変調光の位相と受光強度とを正確に対応付けるために、強度変調光の投光に用いる発光素子と受光強度を反映した電荷を取り出す受光素子とを駆動するタイミングを管理する技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特許文献２に記載された技術は、発光素子を駆動する発光制御信号と、受光素子を駆動する受光制御信号との位相差を一定に保つように、発光制御信号と受光制御信号との少なくとも一方のタイミングを調整している。タイミングを調整する期間は、空間情報を計測する期間とは別に設けられる。

特開２００４−４５３０４号公報 特開２００８−１０２０００号公報

ところで、上述したアクティブ型の空間情報検出装置を太陽光のような自然光の存在下で使用する場合、受光素子の出力から信号光（強度変調光）の成分を抽出して、空間情報を正確に検出するには、自然光の影響をできるだけ除去しなければならない。自然光の影響を低減させるには、自然光と信号光とを分離する光学フィルタ、受光素子の出力から自然光の成分と信号光の成分とを分離するフィルタ回路などが採用されている。また、受光素子に入射する信号光を相対的に増加させるために、発光素子から投光する信号光の強度を高めることも考えられている。

発光素子から投光する信号光の強度を高めるには、高出力の発光素子を用いることや発光素子の個数を増やすことが考えられる。発光素子の個数を増やす場合に、発光素子の全数を直列または並列に接続する構成を採用することが考えられるが、この構成を採用すると、発光素子を駆動するための駆動回路の耐圧や容量が大幅に増加することになる。

この種の問題を解決するために、発光素子を複数群に分割し、発光素子を群別に駆動することが考えられる。たとえば、ｍｎ個の発光素子をｎ個ずつｍ群に分け（ｍ，ｎは自然数）、群ごとの発光素子を直列接続するとともに、群ごとの発光素子を個別の駆動回路で駆動する構成が採用される。この構成では、ｍ個の駆動回路が必要ではあるが、１個の駆動回路は耐圧や容量の増加が抑制される。

しかしながら、投光と受光とのタイミングを調整する期間を設けると、この期間では空間情報を検出していないにもかかわらず、比較的大きい電力が消費されることになり、電力が必要以上に消費されることになる。

本発明は、複数個の発光素子を用いて強度変調光を投光し、かつ投光と受光とのタイミングを調整する期間を備える構成において、タイミングを調整する期間における消費電力を抑制した空間情報検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る空間情報検出装置は、対象空間に投光する発光素子を備えた投光回路部と、対象空間からの光を受光する受光素子を備えた受光回路部と、時間経過に伴って大きさが変化する基準信号を遅延要素に通して遅延させた変調信号を投光回路部に与えて発光素子から時間経過に伴って強度が変化する強度変調光を投光させる投光処理部と、変調信号に同期する復調信号を受光回路部に与えて受光素子の出力から強度変調光の成分を抽出し発光素子から対象空間に投光された強度変調光が受光素子に受光されるまでの時間を計測する受光処理部と、遅延要素の遅延時間を設定する校正モードと校正モードで設定された遅延時間を用いて時間を計測する測定モードとを択一的に選択する動作モード選択部と、変調信号に対する応答が投光回路部と等価である校正回路部と、動作モード選択部が校正モードを選択している期間に変調信号を校正回路部に入力し測定モードを選択している期間に変調信号を投光回路部に入力する経路選択部とを備え、校正モードが選択されている期間において、投光処理部は、基準信号に対する校正回路部の応答として検出される検出信号の時間差を計測しこの時間差に基づいて遅延要素の遅延時間を設定するものである。

この空間情報検出装置において、投光回路部は、校正回路部と兼用されていることが好ましい。

この空間情報検出装置において、校正回路部は、投光回路部とは別に設けられていることが好ましい。

この空間情報検出装置において、投光回路部は、発光素子を複数個備え、校正回路部は、発光素子から選択される１個の発光素子であることが好ましい。

この空間情報検出装置において、投光回路部は、発光素子が複数群に分割されており、かつ群ごとに発光素子が変調信号により駆動され、校正回路部は、群から選択される１つの群であることが好ましい。

この空間情報検出装置において、校正モードが選択されているときに通電される発光素子と、測定モードが選択されているときにのみ通電される発光素子とは、測定モードにおける温度上昇率が等しくなるように、離間して配置されていることが好ましい。

この空間情報検出装置において、発光素子は、１枚の実装基板上で複数列に並べて配列され、実装基板は、各列に含まれる発光素子が水平方向の一直線上に並び、かつ各列が上下方向の複数段に並ぶように配置され、経路選択部は、校正モードが選択されているときに、最下段に配置された発光素子にのみ通電することが好ましい。

本発明の構成によれば、複数個の発光素子を用いて強度変調光を投光し、かつ投光と受光とのタイミングを調整する期間を備える空間情報検出装置において、タイミングを調整する期間における消費電力が抑制されるという利点がある。

実施形態を示すブロック図である。 同上における発光素子の配置例を示す要部正面図である。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の他の構成例を示す要部回路図である。 同上の別の構成例を示す要部回路図である。 同上のさらに他の構成例を示すブロック図である。

以下に説明する実施形態は、対象空間に投光する発光素子として発光ダイオードを用いるとともに、対象空間からの光を受光する受光素子としてＣＣＤ撮像素子を用いる場合を想定している。ただし、発光素子は、目的に応じて１００Ｈｚ〜１ＧＨｚ程度の範囲の駆動信号で強度を変調することができればよく、用途によっては、発光ダイオードに代えてレーザダイオードなどを用いてもよい。また、受光素子としてはＣＣＤ撮像素子のほかＣＭＯＳ撮像素子、あるいはそれらに準じた素子を用いることができる。これらの撮像素子では、受光素子において電荷を蓄積するタイミングや電荷を取り出すタイミングの制御のために受光タイミング信号が用いられる。なお、撮像素子ではなくフォトダイオードのような受光素子を用い、受光素子から出力された電気信号について利用する期間を受光タイミング信号により指定する場合でも本発明の技術思想を適用可能である。

以下に説明する実施形態では、受光素子の出力を用いて距離を計測する測距装置について説明するが、他の空間情報を検出するために本発明の技術思想を用いることも可能である。距離あるいは他の空間情報は、マイコン、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などから選択されるプロセッサ用いて受光素子の出力から演算する。プロセッサは、適宜のプログラムに従って空間情報を演算する。

本実施形態の空間情報検出装置は、図１に示すように、対象空間に投光する発光素子１１を備えた投光回路部１と、対象空間を撮像する受光素子２１を備えた受光回路部２とを用いている。

発光素子１１は、図２に示すように、実装基板１１０に複数個（図示例では、１８個）配列される。発光素子１１は、順方向電流が１〜数Ａの高輝度型の発光ダイオードを用いることが望ましい。発光ダイオードの発光波長は、赤外線領域を想定しているが、用途によっては、紫外線領域や可視光領域であってもよい。

図１に示すように、発光素子１１は複数の群１２１，１２２，１２３に分割され、群１２１，１２２，１２３ごとに直列に接続される。また、発光素子１１の群１２１，１２２，１２３ごとの直列回路は、通電制御素子１３にそれぞれ直列に接続され、発光素子１１と通電制御素子１３との直列回路に発光素子１１の点灯用の電圧が印加される。通電制御素子１３は、図示例ではＭＯＳＦＥＴが用いているが、制御端子に入力される信号に応じて発光素子１１の通電電流の制御が可能な能動素子であればよい。

図示例では、投光回路部１に１８個の発光素子１１が設けられ、発光素子１１が３つの群１２１，１２２，１２３に分割されている。すなわち、群１２１，１２２，１２３ごとに６個ずつの発光素子１１を備え、各群１２１，１２２，１２３の発光素子１１は直列に接続されている。さらに、各群１２１，１２２，１２３における６個ずつの発光素子１１の直列回路に通電制御素子１３が直列に接続されている。発光素子１１の直列回路は、通電制御素子１３の一端（ドレイン）に接続される。加えて、通電制御素子１３の他端（ソース）には、電流調節用の抵抗１４が直列に接続され、発光素子１１と通電制御素子１３と抵抗１４との直列回路に点灯用の電圧Ｖｄｄ１が印加される。

したがって、群１２１，１２２，１２３ごとの通電制御素子１３の制御端子（ゲート）に変調信号Ｓｇ１を与えると、群１２１，１２２，１２３ごとの発光素子１１の光出力は変調信号Ｓｇ１の大きさに追従して変化する。すなわち、変調信号Ｓｇ１を通電制御素子１３に与えると、変調信号Ｓｇ１に応じた強度変調光が発光素子１１から出力される。本実施形態では、一定周期の矩形波信号（デューティは５０％が望ましい）を変調信号Ｓｇ１として用いている。変調信号Ｓｇ１は矩形波信号であるが、発光素子１１の応答には遅れがあるから、変調信号Ｓｇ１が数百ｋＨｚより高い範囲では、発光素子１１からは強度が正弦波状に変化する強度変調光が取り出される。変調信号Ｓｇ１は、投光処理部１０に設けた変調信号生成部１０１から出力される。

一方、受光回路部２を構成する受光素子２１の受光期間は、変調信号Ｓｇ１に同期するように生成された復調信号Ｓｇ３により制御される。受光素子２１は、上述したように撮像素子を用いているから、撮像により生成された電荷を読み出すための制御も行われる。受光素子２１の制御は受光処理部２０が行う。受光処理部２０は、復調信号Ｓｇ３を出力する復調信号生成部２０１を備える。

変調信号Ｓｇ１および復調信号Ｓｇ３は、基準信号生成部１０２から出力される一定周期の基準信号に基づいて生成される。すなわち、変調信号生成部１０１と復調信号生成部２０１とには、基準信号生成部１０２から出力される基準信号がそれぞれ入力され、変調信号生成部１０１から基準信号に基づく変調信号Ｓｇ１が出力され、復調信号生成部２０１から基準信号に基づく復調信号Ｓｇ３が出力される。

受光処理部２０は、変調信号Ｓｇ１に同期する復調信号Ｓｇ３を用いて受光素子２１の出力から強度変調光の成分を抽出する信号処理部２０２を備える。信号処理部２０２は、発光素子１１から対象空間に投光された強度変調光が受光素子２１に受光されるまでの時間を、強度変調光の投光時と受光時との位相の関係を用いて計測する。図示例において、基準信号Ｓｇ０を用いて復調信号Ｓｇ３を生成しているが、基準信号Ｓｇ０と変調信号Ｓｇ１とは時間差が一定に保たれているから、基準信号Ｓｇ０と一定の時間差を持つ復調信号Ｓｇ３は、変調信号Ｓｇ１に同期していると言える。

以下に、信号処理部２０２の動作を具体的に説明する。受光処理部２０に設けた復調信号生成部２０１は、変調信号Ｓｇ１における規定の位相に同期するように復調信号Ｓｇ３を生成する。復調信号生成部２０１は、たとえば、変調信号Ｓｇ１の０度、９０度、１８０度、２７０度の各位相に同期する４種類の復調信号Ｓｇ３を生成する。復調信号Ｓｇ３は矩形波信号であって、受光素子２１の受光期間（すなわち、受光素子２１が電荷を生成するタイミング）を制御する。したがって、実際の復調信号Ｓｇ３は、変調信号Ｓｇ１に対して所定の時間幅を有している。

たとえば、図３（ａ）のように時間経過とともに強度が正弦波状に変化する強度変調光を対象空間に投光したときに、受光素子２１の１つの画素に対象空間から入射する光の強度が図３（ｂ）のように変化した場合を考える。ここでは、復調信号の時間幅を変調信号の位相の９０度分に相当するように設定し、復調信号の時間幅を変調信号の位相区間で表す。復調信号は、図３（ａ）に示す変調信号の波形の位相区間が０〜９０度、９０〜１８０度、１８０〜２７０度、２７０〜３６０度である４つの位相（位相区間）において、受光素子２１に対象空間から入射する光の強度（受光量）を抽出するために用いられる。

いま、各位相区間の受光量がそれぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３であったとすると、投光時と受光時との位相の差φは、受光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を用いて以下のように表される（符号は適宜に選択される）。
φ＝ｔａｎ^−１（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）
この演算は、受光処理部２０に設けた信号処理部２０２が行う。ここに、位相差φは、投光から受光までの時間δに対応する（δ＝Ｔ・φ／２π、ただし、Ｔは強度変調光の変調周期）。

ところで、上述の動作から明らかなように、信号処理部２０２において位相差φを正確に求めるには、位相差φを計測している期間において、強度変調光と復調信号との位相差が一定に保たれている必要がある。しかしながら、投光処理部１０、受信処理部２０、投光回路部１は周囲温度のような環境の影響を受ける。とくに、投光回路部１は、環境や経時劣化の影響を受けやすいから、変調信号と復調信号との位相差が維持されていたとしても、変調信号に対する強度変調光の応答特性が変化し、結果的に、強度変調光と復調信号との位相差が変動することがある。

この場合、対象空間において物体までの距離に変化がなくとも、受光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３に変動が生じ、結果的に位相差φが変動して時間δの測定結果に変動が生じることがある。すなわち、時間δの測定精度が、周囲温度のような環境の変化の影響を受けることになる。たとえば、空間情報として距離を計測する場合、時間δに１ｎｓの誤差が生じると、距離の誤差は１５ｃｍになる。

この種の問題を解決するために、本実施形態は、通電制御素子１３の出力である検出信号Ｓｇ２と復調信号Ｓｇ３との時間差を調節している。本実施形態では、検出信号Ｓｇ２は、通電制御素子１３と発光素子１１との接続点から取り出している。復調信号Ｓｇ３は基準信号Ｓｇ０から生成されるから、検出信号Ｓｇ２に基づいて基準信号Ｓｇ０に対する変調信号Ｓｇ１の遅延時間を調節すれば、強度変調光を投光する際の位相を復調信号Ｓｇ３に同期させることが可能になる。したがって、上述の問題が解決されることになる。

本実施形態では、投光処理部１０に設けた変調信号生成部１０１が以下の構成を備えることにより、変調信号Ｓｇ１および復調信号Ｓｇ３を生成する基準信号Ｓｇ０に対する変調信号Ｓｇ１の遅延時間を調節する。この遅延時間は、通電制御素子１３の出力である検出信号Ｓｇ２の基準信号Ｓｇ０に対する応答特性により調節され、結果的に、強度変調光を投光する際の位相が復調信号Ｓｇ３に同期することになる。なお、変調信号ｓｇ１と
検出信号Ｓｇ２との関係は、変調信号生成部１０１を含む通電制御素子１３の応答特性を反映している。

変調信号生成部１０１は、基準信号Ｓｇ０と検出信号Ｓｇ２との位相を比較する位相比較回路１０１１を備え、位相比較回路１０１１は基準信号Ｓｇ０と検出信号Ｓｇ２との位相差に応じた電圧を出力する。すなわち、位相比較回路１０１１は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路における位相比較器および積分器と同様に機能する。

位相比較器は、たとえばＡＮＤ回路やＯＲ回路のような２入力を比較するロジック回路（ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路、ＸＯＲ回路も可能）を用いて構成される。つまり、ロジック回路の一方の入力を基準信号Ｓｇ０とし他方の入力を検出信号Ｓｇ２とする。位相比較器として、ＡＮＤ回路を用いると位相差が小さいほどＨレベルの期間が長くなり、ＯＲ回路を用いると位相差が小さいほどＨレベルの期間が短くなる。したがって、位相比較器の出力を積分器に与え、積分器の出力を位相比較回路１０１１の出力とすれば、基準信号Ｓｇ０と検出信号Ｓｇ２との位相差に応じた電圧を位相比較回路１０１１の出力として取り出すことができる。位相比較回路１０１１は乗算器形位相比較器を用いることも可能であり、位相比較回路１０１１は上述した構成に制限されない。

位相比較回路１０１１の出力はホールド回路１０１２で一時的に保持される。なお、ホールド回路１０１２は、変調信号Ｓｇ１の複数周期に相当する期間ごとにリセットされ、リセット後に得られる位相比較回路１０１１の出力で保持値が更新される。位相比較回路１０１１が検出した位相差に相当する電圧は、ホールド回路１０１２を介して電圧制御遅延回路（ＶＣＤ回路）１０１３に入力され、電圧制御遅延回路１０１３により検出信号Ｓｇ２に対する遅延時間が制御される。すなわち、電圧制御遅延回路１０１３を遅延要素として、検出信号Ｓｇ２の遅延時間が調整される。電圧制御遅延回路１０１３から出力された信号はドライバ回路１０１４を通して変調信号Ｓｇ１として通電制御素子１３に与えられる。

上述した変調信号生成部１０１を設け、遅延要素である電圧制御遅延回路１０１３の遅延時間を制御することにより、基準信号Ｓｇ０と検出信号Ｓｇ２との時間差（位相差）が規定値に維持される。したがって、適宜の時間間隔でホールド回路１０１２の保持値を更新すれば、投光と受光の時間差を計測する際に、周囲温度の変化のような環境変化の影響が抑制され、測定精度の向上が期待できる。また、上述のようにして計測した時間差には、通電制御素子１３の応答特性に加えて、変調信号生成部１０１の応答特性も折り込まれ、さらに、電圧制御遅延回路１０１３の特性を適宜に設定すれば、復調信号生成部２０１の応答特性も折り込むことが可能である。

ところで、ホールド回路１０１２の保持値を更新する時間間隔が短いほど環境変化の影響が抑制されるが、周囲温度のような環境が短時間で変化する可能性は低いから、ホールド回路１０１２の保持値を更新する時間間隔は比較的長くすることが可能である。本実施形態では、基準信号Ｓｇ０に対する検出信号Ｓｇ２の位相差を計測する校正モードＭ１と、校正モードＭ１で計測した位相差を用いて基準信号Ｓｇ０に対する検出信号Ｓｇ２の時間差を規定値に維持する測定モードＭ２とが設けられる。校正モードＭ１と測定モードＭ２とは、動作モード選択部１０３が選択する。

受光素子２１が３０フレーム／秒で撮像を繰り返す場合、一般に、図４（ａ）のように、１０ｍｓ程度が撮像期間Ｔ１に充当され、撮像期間Ｔ１の後に受光素子２１から電荷を読み出す読出期間Ｔ２と、次の撮像期間Ｔ１に備える休止期間Ｔ３とが設けられる。この場合、図４（ｂ）のように、１回の撮像期間Ｔ１において、校正モードＭ１と測定モードＭ２とを複数回（たとえば、２０回）繰り返すことが好ましい。この動作によって、測定モードＭ２ごとに校正モードＭ１によって検知信号Ｓｇ２の位相のずれが修正され、空間情報の計測精度が高くなる。

測定モードＭ２では、上述したように、変調信号Ｓｇ１の複数の位相区間に同期する復調信号Ｓｇ３が生成され、復調信号Ｓｇ３で受光素子２１の受光期間を制限することにより、受光期間に対応する電荷が受光素子２１で生成される。測定モードＭ２における変調信号Ｓｇ１は、検出対象である空間情報の分解能を高めるために比較的高い周波数（１０〜２０ＭＨｚ）が選択される。これに対して、校正モードＭ１では、通電制御素子１３などの応答特性を検出するために、測定モードＭ２における変調信号Ｓｇ１よりも低い周波数（たとえば、５ＭＨｚ）で通電制御素子１３が駆動される。このように校正モードＭ１と測定モードＭ２とにおいて通電制御素子１３を駆動する周波数を変更することによって、空間情報の分解能を高めることと、基準信号Ｓｇ０と検出信号Ｓｇ２との時間差を精度よく検出することとの両立が可能になる。

図示例では、測定モードＭ２と校正モードＭ１とが交互に設けられている。受光素子２１は、測定モードＭ２では受光量に応じた電荷を生成するが、校正モードＭ２で電荷が生成されると、空間情報の計測結果に誤差が生じるから、校正モードＭ２では電荷を生成せず、測定モードＭ２で生成された電荷を保持する。このような受光素子２１の制御は復調信号Ｓｇ３を用いて行われる。なお、測定モードＭ２と校正モードＭ１とを交互に設ける代わりに、１回の校正モードＭ１に対して、複数回の測定モードＭ２を繰り返すようにしてもよい。

以上説明したように、測定モードＭ２では、変調信号Ｓｇ１を生成する基準信号Ｓｇ０と強度変調光の波形に対応する検出信号Ｓｇ２との位相差（時間差）を比較し、この時間差が規定値に維持されるように通電制御素子１３に与える変調信号Ｓｇ１を制御する。したがって、周囲温度などの影響で通電制御素子１３の応答特性などに変動が生じたとしても、この変動を変調信号Ｓｇ１に反映させることによって、検出信号Ｓｇ２の変動が抑制される。その結果、環境変動の影響による空間情報の計測結果の変動を抑制し、計測結果の精度を高めることが可能になる。

ところで、本実施形態の投光回路部１は、上述したように、複数個の発光素子１１が３つの群１２１，１２２，１２３に分けられ、群１２１，１２２，１２３ごとに通電制御素子１３が設けられている（図１参照）。通電制御素子１３の特性のばらつきは小さいと仮定することができるから、上述した検出信号Ｓｇ２は、３個の通電制御素子１３のうちのどれから検出してもよい。言い換えると、１個の通電制御素子１３のみから検出信号Ｓｇ２を取り出せばよい。このことから、校正モードＭ１において３個の通電制御素子１３に通電することは電力を無駄に消費することになる。

そこで、図１に示すように、変調信号生成部１０１と通電制御素子１３との間に経路選択部としての選択回路部１５が設けられる。選択回路部１５は、校正モードＭ１が選択されているときに、発光素子１１の１つの群１２１に対応する通電制御素子１３にのみ通電し、残りの２個の通電制御素子１３には通電せずにオフに保つ機能を備える。すなわち、群１２１の発光素子１１と通電制御素子１３とは、校正モードＭ１において通電される校正回路部１７として機能する。校正回路部１７は、変調信号Ｓｇ１に対する応答が投光回路部１と等価であるという条件を満たすことが要求される。図１に示す構成例では、投光回路部１のうちの１つの群１２１を校正回路部１７として用いているから、条件を満たすことになる。

選択回路部１５は、たとえば、通電制御素子１３ごとに接続したＡＮＤ回路をゲート回路として構成される。すなわち、ＡＮＤ回路ごとに出力端が対応する通電制御素子１３に接続され、ＡＮＤ回路の一方の入力端には、変調信号Ｓｇ１変調信号生成部１０１から出力される変調信号Ｓｇ１が入力される。ＡＮＤ回路の他方の入力端には、校正モードＭ１と測定モードＭ２との選択時において変調信号Ｓｇ１を通過させるか否かを選択するためのモード選択信号が動作モード選択部１０３から入力される。

すなわち、群１２１に対応するＡＮＤ回路には、校正モードＭ１と測定モードＭ２との両方において変調信号Ｓｇ１を通過させるように、動作モード選択部１０３からモード選択信号が与えられる。また、群１２２，１２３に対応するＡＮＤ回路には、測定モードＭ２においてのみ変調信号Ｓｇ１を通過させるように、動作モード選択部１０３からモード選択信号が与えられる。

上述した動作を採用すると、校正モードＭ１では、１つの群の発光素子１１のみが点灯し、２つの群の発光素子１１は消灯した状態に保たれるから、３つの群の発光素子１１を点灯させる場合よりも消費電力が低減される。とくに、発光素子１１として高輝度型の発光ダイオードを用いるから、２つの群の発光素子１１を消灯状態に維持することにより、消費電力が大きく低減されることになる。

ところで、校正モードＭ１において、選択回路部１５が選択した１つの群１２１の６個の発光素子１１のうちの１個の発光素子１１のみを点灯させれば、校正モードＭ１の消費電力がさらに低減される。校正モードＭ１において１個の発光素子１１のみを点灯させるには、図５に示すように、給電する発光素子１１の個数を、動作モード選択部１０３から出力されるモード選択信号によって選択する電源選択回路１６を設ける。

電源選択回路１６は、１個の発光素子１１のみを点灯させる場合には、６個の発光素子１１を点灯させるときの電圧Ｖｄｄ１よりも低い電圧Ｖｄｄ２を出力する。ここで、６個の発光素子１１を点灯させる測定モードＭ２と１個の発光素子１１を点灯させる校正モードＭ１とで、通電制御素子１３を通過する電流が変化しないように、電源選択回路１６の電圧Ｖｄｄ１，Ｖｄｄ２が調節される。図５に示す例では、校正回路部１７は、群１２１に対応する通電制御素子１１と１個の発光素子１１とにより構成されている。

校正モードＭ１における消費電力をさらに低減させるには、図６に示すように、校正モードＭ１では発光素子１１を点灯させないようにしてもよい。すなわち、校正モードＭ１において、電源選択回路１６は、通電制御素子１３と抵抗１４との直列回路にのみ電圧を印加する。この構成では、６個の発光素子１１を点灯させる測定モードＭ２と、発光素子１１を点灯させない校正モードＭ１とで、通電制御素子１３を通過する電流が変化しないように、電源選択回路１６の電圧Ｖｄｄ１，Ｖｄｄ２が調節される。図６に示す例では、校正回路部１７は、群１２１に対応する通電制御素子１３により構成されている。

上述した各構成例では、投光回路部１の少なくとも一部が校正回路１７と兼用されているが、図７に示すように、校正回路部１７は投光回路部１とは別に設けてもよい。図示例では、校正回路部１７を通電制御素子１３に相当する構成で実現している。校正回路部１７の通電制御素子１３の一端（ドレイン）からは検出信号Ｓｇ２が取り出される。したがって、投光回路部１には検出信号Ｓｇ２を取り出すための構成が不要である。この構成を採用する場合、図６に示した構成と同様に、２種類の電圧Ｖｄｄ１，Ｖｄｄ２が必要である。すなわち、投光回路部１には電圧Ｖｄｄ１が供給され、校正回路部１７には電圧Ｖｄｄ２が供給される。

図示例では、複数個の発光素子１１を直列に接続した１群のみを記載しているが、上述した各構成例のように複数群に分割してもよいのはもちろんのことである。図７に示す構成を採用した場合でも、校正モードＭ１では発光素子１１に通電しないから、校正モードＭ１において発光素子１１に通電する場合よりも消費電力が低減される。

上述のように、校正モードＭ１において点灯させる発光素子１１が決まっている場合には、校正モードＭ１において点灯させる発光素子１１を、他の発光素子１１に対して離間させて配置することが好ましい。すなわち、校正モードＭ１において点灯する発光素子１１は、測定モードＭ２においてのみ点灯する発光素子１１よりも温度上昇が大きくなるから、測定モードＭ２においてのみ点灯する発光素子１１から離間させ放熱効率を高めることが好ましい。すなわち、測定モードＭ２におけるすべての発光素子１１の温度上昇率が等しくなるように、発光素子１１の配置間隔が調節されていることが好ましい。図１に示す構成では、１つの群１２１の発光素子１１を残りの２つの群１２２，１２３の発光素子１１から離間させ、図５に示す構成では、１個の発光素子１１を残りの５個の発光素子１１から離間させる。

図２に示すように、発光素子１１が実装基板１１０の上で複数列に並べられ、群１２１，１２２，１２３ごとに一列に並んでいる場合、１つの群１２１，１２２，１２３に含まれる発光素子１１が水平方向に並ぶように実装基板１１０を配置することが好ましい。この場合、発光素子１１の各群１２１，１２２，１２３の列が上下方向の複数段に並ぶにように、実装基板１１０を立てて配置する。また、校正モードＭ１で点灯する発光素子１１の群１２１が最下段の列に並ぶように、実装基板１１０を配置することが好ましい。

このような配置によって、校正モードＭ１で点灯する発光素子１１で発生した熱が、測定モードＭ２でのみ点灯する発光素子１１に対流によって伝達されるから、測定モードＭ２において、すべての発光素子１１の温度上昇率がほぼ等しくなる。逆に言えば、校正モードＭ１で点灯する発光素子１１が最下段に位置するから、他の発光素子１１が点灯したときに、他の発光素子１１からの熱で加熱されず、校正モードＭ１で点灯する発光素子１１の放熱が他の発光素子１１によって阻害されることがない。

上述のように、校正モードＭ１において、点灯させる発光素子１１の個数を測定モードＭ２よりも減らす場合に、選択回路部１５では、校正モードＭ１が選択されるたびに点灯させる発光素子１１の群１２１，１２２，１２３を変更することが望ましい。すなわち、校正モードＭ１において、各発光素子１１を点灯させる頻度に偏りが生じないように、校正モードＭ１において点灯させる発光素子１１を校正モードＭ１の選択毎に変更するのである。

この動作によって、発光素子１１の劣化の程度が平準化され、全体として寿命が向上する。また、校正モードＭ１ごとに、点灯させる発光素子１１の群１２１，１２２，１２３を変更することにより、発光素子１１の点灯に伴う温度上昇が、どの群１２１，１２２，１２３においてもほぼ等しくなる。その結果、各群１２１，１２２，１２３の発光効率がほぼ等しくなる。

なお、図５に示すように、校正モードＭ１において点灯させる発光素子１１の個数を測定モードＭ２よりも減らす構成を採用する場合においても、校正モードＭ１ごとに点灯さえる発光素子１１を入れ換えるようにしてもよい。

なお、上述の例では通電制御素子１３に与える変調信号Ｓｇ１が矩形波信号である場合を例示したが、正弦波信号など他の波形の信号を変調信号Ｓｇ１に用いてもよい。また、発光素子１１の個数や発光素子１１による群の個数は必要に応じて適宜に変更される。

１ 投光回路部
２ 受光回路部
１０ 投光処理部
１１ 実装基板
１２ 発光素子
１３ 通電制御素子
１５ 選択回路部（経路選択部）
１６ 電源選択部
１７ 校正回路部
２０ 受光処理部
２１ 受光素子
１０３ 動作モード選択部
１２１，１２２，１２３ 群
２０２ 信号処理部
１０１３ 電圧制御遅延回路（遅延要素）

Claims (7)

1. 対象空間に投光する発光素子を備えた投光回路部と、
   前記対象空間からの光を受光する受光素子を備えた受光回路部と、
   時間経過に伴って大きさが変化する基準信号を遅延要素に通して遅延させた変調信号を前記投光回路部に与えて前記発光素子から時間経過に伴って強度が変化する強度変調光を投光させる投光処理部と、
   前記変調信号に同期する復調信号を前記受光回路部に与えて前記受光素子の出力から強度変調光の成分を抽出し前記発光素子から対象空間に投光された強度変調光が前記受光素子に受光されるまでの時間を計測する受光処理部と、
   前記遅延要素の遅延時間を設定する校正モードと前記校正モードで設定された遅延時間を用いて前記時間を計測する測定モードとを択一的に選択する動作モード選択部と、
   前記変調信号に対する応答が前記投光回路部と等価である校正回路部と、
   前記動作モード選択部が前記校正モードを選択している期間に前記変調信号を前記校正回路部に入力し前記測定モードを選択している期間に前記変調信号を前記投光回路部に入力する経路選択部とを備え、
   前記校正モードが選択されている期間において、前記投光処理部は、前記基準信号に対する前記校正回路部の応答として検出される検出信号の時間差を計測しこの時間差に基づいて前記遅延要素の遅延時間を設定する
   ことを特徴とする空間情報検出装置。
2. 前記投光回路部は、前記校正回路部と兼用されていることを特徴とする請求項１記載の空間情報検出装置。
3. 前記校正回路部は、前記投光回路部とは別に設けられていることを特徴とする請求項１記載の空間情報検出装置。
4. 前記投光回路部は、前記発光素子を複数個備え、
   前記校正回路部は、前記発光素子から選択される１個の発光素子である
   ことを特徴とする請求項１記載の空間情報検出装置。
5. 前記投光回路部は、前記発光素子が複数群に分割されており、かつ前記群ごとに前記発光素子が前記変調信号により駆動され、
   前記校正回路部は、前記群から選択される１つの群である
   ことを特徴とする請求項１記載の空間情報検出装置。
6. 前記校正モードが選択されているときに通電される前記発光素子と、前記測定モードが選択されているときにのみ通電される前記発光素子とは、前記測定モードにおける温度上昇率が等しくなるように、離間して配置されている
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の空間情報検出装置。
7. 前記発光素子は、１枚の実装基板上で複数列に並べて配列され、
   前記実装基板は、各列に含まれる前記発光素子が水平方向の一直線上に並び、かつ各列が上下方向の複数段に並ぶように配置され、
   前記経路選択部は、前記校正モードが選択されているときに、最下段に配置された前記発光素子にのみ通電する
   ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の空間情報検出装置。

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