JP4846811B2 - 光スポット位置検出装置およびそれを含む光デバイス、並びに、その光デバイスを含む電子機器 - Google Patents

Description

この発明は、光学系によって固体撮像素子上に形成される光スポットの位置を検出する光スポット位置検出装置およびそれを含む光デバイス、並びに、その光デバイスを含む電子機器に関する。

光学系によって固体撮像素子上に形成される光スポットの上記固体撮像素子上での位置を検出する光スポット位置検出装置を搭載した装置の代表的なものに、光学式測距装置がある。この光学式測距装置による測定原理は一般によく知られている三角測距を用いており、測定対象物からの反射光束の上記固体撮像素子に対する入射角が、上記測定対象物までの距離に応じて変化することに基づき、上記固体撮像素子上における受光スポット位置を検出して上記測定対象物までの距離を算出する。

このような光学式測距装置として、特開平５‐２８０９７３号公報(特許文献１)に開示された測距装置がある。この測距装置においては、図１９に示すように、互に平行な光軸を有する投光レンズ１と受光レンズ２とが基線長Ｓだけ離れて位置し、投光レンズ１の光軸上には近赤外発光ＬＥＤ(ＩＲＥＤ)３が配置され、受光レンズ２の光軸上における受光レンズ２から受光レンズ２の焦点距離ｆ_jだけ離れた位置に、上記光軸から距離ａだけシフトした箇所に端面を有する長さｂの位置検出素子(ＰＳＤ)４が配置されている。

上記ＩＲＥＤ３から放出された光エネルギーは、距離Ｌにある被写体５で反射され、受光レンズ２を通ってＰＳＤ４上に結像される。このＰＳＤ４には２つの出力端子１chと２chとがあり、太陽光などの定常光電流成分を取り除くことによって、出力端子１ch,２chからの出力電流ｉ₁,ｉ₂と反射スポット光の入射位置ｘとの間には所定の関係式が成立する。そこで、ＩＲＥＤ３の駆動および距離演算を行う信号処理ＩＣ(集積回路)によって、「ｉ₂/(ｉ₁＋ｉ₂)」を求めることにより、被写体５までの距離Ｌの逆数を求めることができるのである。

また、受光素子として、上記ＰＳＤの代わりに固体撮像装置を用いた光学式測距装置として、特開平１１‐３３７８１５号公報(特許文献２)に開示されたカメラ用測距装置がある。このカメラ用測距装置では、図２０に示すように、赤外ＬＥＤ６が発した光が投光レンズ７を通して被写体８に達し、その反射光が受光レンズ９を経て固体撮像装置でなる受光素子１０に入射される。この固体撮像装置１０のどの位置に赤外ＬＥＤ６の像があるかによって、アクティブ方式による測距を行うようにしている。その場合に、固体撮像装置１０上における赤外ＬＥＤ６の像の位置の検出は、固体撮像装置１０上に結像された光スポットの光量分布を計算することによって求められる。

光学式測距装置に対しては、近距離から遠距離まで幅広く測定対象物までの距離を測定でき、屋外等の外乱光の強い環境下でも測定できる等の性能向上や小型化の点で、様々な要望がある。

上記特許文献１に開示された測距装置では、上記ＩＲＥＤ３,ＰＳＤ４および上記信号処理ＩＣの３チップから構成されている。そして、ＰＳＤ４による光スポット位置の検出分解能が低いためにＰＳＤ４のサイズを比較的大きくし、受発光間距離Ｓを大きくとる必要がある。したがって、小型化という点では困難な点が多い。さらに、ＰＳＤ４のサイズが大きいため、信号処理ＩＣと共に１チップ化することは製造コスト上相応しくない。

これに対して、上記特許文献２に開示されたカメラ用測距装置では、上記受光素子１０として固体撮像装置を用いているため、受光素子１０内に信号処理回路を内蔵することができる。したがって、赤外ＬＥＤ６でなる発光素子と固体撮像素子でなる受光素子１０との２チップで構成可能な点で、小型化には優れている。さらに、受光素子１０の光スポットの位置分解能でも、上記特許文献１のＰＳＤ４より優れているため、投光レンズ７と受光レンズ９との間の距離を小さくでき、小型化に優れている。

また、近距離から遠距離まで幅の広い距離測定を可能にするには、受光素子における受光量のダイナミックレンジを広くする必要がある。この点に関し、上記特許文献１に開示された測距装置では、積分条件や投光条件等を制御して、ＰＳＤ４からの出力データがＡ/Ｄ変換手段の変換可能な範囲内に納まるようにしている。

また、耐外乱光性を高める点に関しては、上記特許文献１に開示された測距装置では、ＰＳＤ４からの出力電流ｉ₁,ｉ₂に対する積分条件等を制御することによって、Ａ/Ｄ変換部手段のダイナミックレンジに対してデータが飽和しないようにし、蓄積されたデータから信号成分を抽出するようにしている。また、上記特許文献２に開示されたカメラ用測距装置では、可視光カットフィルタを利用して、フィルタの有無の差から信号成分を抽出するようにしている。

しかしながら、上記従来の光学式測距装置には、以下のような問題がある。

先ず、上記特許文献１に開示された測距装置の場合、測定環境に合わせてＰＳＤ４からの出力電流ｉ₁,ｉ₂に対する積分条件を変化させて測定するため、近距離は比較的早く測定できるのに対し、遠距離の測定には時間が掛かるため測距周期が定まらず、測距値を取り込む後段の機器にとっては非常に使いづらいという問題がある。

また、上記ＰＳＤ４を用いた信号処理を利用しており、上述した通り小型化を図るには困難であるという問題がある。

また、上記特許文献１に開示された測距装置を固体撮像装置に応用した場合、ＩＲＥＤ３から出射されて物体で反射された反射光の光量は小さいため、外乱光と共に取り込んだＩＲＥＤ３の反射光から上記反射光のみを抽出するというアナログ回路は搭載が困難であり、耐外乱光性が乏しくなるという問題がある。

次に、上記特許文献２に開示されたカメラ用測距装置の場合、受光素子１０として固体撮像素子を用いることによって耐外乱光性を向上させているが、反射光を利用した方式で近距離から遠距離までの測定は困難であるという問題がある。したがって、遠距離の測距は、受光素子に設けられた基準部と参照部とを用いるパッシブ方式を利用して行うようにしている。

特開平５‐２８０９７３号公報 特開平１１‐３３７８１５号公報

そこで、この発明の課題は、Ａ/Ｄ変換後の検出データを格納するメモリ部のビット数を増大させることなく近距離から遠距離までの入射光の光スポットの位置を検出できると共に、強い外乱光の環境下であっても上記光スポットの位置を検出でき、且つ、後段の機器にとって出力を取り込み易くすることができる小型の光スポット位置検出装置およびそれを含む光デバイス、並びに、その光デバイスを含む電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光スポット位置検出装置は、
発光素子と、
上記発光素子から放射された光束、あるいは、上記光束が物体によって反射された反射光束を集光する集光レンズと、
上記集光レンズによって集光された上記光束あるいは上記反射光束による光スポットが形成される固体撮像素子と、
上記固体撮像素子に設けられると共に、上記光スポットを検出して受光量に応じた画素データに変換する画素を含む画素部と、
上記画素部における各画素の画素データを、ディジタル値に変換するディジタル変換部と、
上記ディジタル変換部によってディジタル値に変換された画素データを、上記画素部の各画素に対応する記憶部に記憶するメモリ部と、
上記メモリ部に記憶されたディジタルの画素データに基づいて、上記画素部上における上記光スポットの位置を演算する演算処理部と、
上記発光素子,上記固体撮像素子,上記メモリ部および上記演算処理部を制御して、上記固体撮像素子上に形成された上記光スポットの位置を検出する制御部と
を備え、
上記制御部は、
上記発光素子を制御して設定時間だけ発光させ、
上記固体撮像素子を制御して、上記発光素子の発光と同期して、および、上記発光素子の発光と非同期して、上記設定時間だけ露光させ、
上記固体撮像素子および上記メモリ部を制御して、上記固体撮像素子が上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データを、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させる一方、上記固体撮像素子が上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データを、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させて、各記憶部に上記発光素子から放射された光あるいは当該光が上記物体によって反射された反射光で成る信号光のみの画素データを記憶させ
る動作を１フレームとし、
上記発光素子,上記固体撮像素子および上記メモリ部を制御して、上記フレームの動作を一定フレームだけ繰り返し行わせて、上記メモリ部の各記憶部に上記信号光のみの画素データを積算させ、
上記演算処理部を制御して、上記メモリ部の各記憶部に積算して記憶された上記信号光のみの画素データに基づいて、上記画素部上における上記光スポットの位置を演算させ
ることによって、
上記一定フレーム数分の上記光スポットの位置情報を出力させる
光スポット位置検出装置において、
上記制御部は、上記メモリ部における上記各記憶部が上記信号光の画素データによって飽和した場合には、上記飽和した記憶部に対応する上記画素部の画素の画素データに関して、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合は、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させる一方、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合は、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させるように、上記固体撮像素子および上記メモリ部を制御するようになっている
ことを特徴としている。

上記構成によれば、固体撮像素子が発光素子の発光と同期して露光した際に画素部で得られた各画素の画素データをメモリ部の各記憶部に加算させる一方、上記固体撮像素子が上記発光素子の発光と非同期して露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データを上記メモリ部の各記憶部から減算させて、各記憶部に信号光のみの画素データを記憶させるフレーム動作を、一定フレームだけ繰り返し行い、上記メモリ部の各記憶部に上記信号光のみの画素データを積算するようにしている。

したがって、小型の光スポット位置検出装置であっても、上記物体までの距離が遠距離であっても、外乱光が強い場合であっても、上記画素部上における上記光スポットの位置を高精度に検出することが可能になる。

さらに、上記メモリ部の上記各記憶部が上記画素データで飽和したか否かに関わらず、上記一定フレーム数分の上記光スポットの位置情報を出力するようにしている。したがって、上記光スポットの位置情報の出力タイミングを一定にすることができ、上記光スポットの位置情報の出力を取り込んで行われる後段の制御を容易にすることができる。すなわち、ユーザーにとって非常に使い安い光スポット位置検出装置となる。加えて、上記メモリ部の上記各記憶部のビット数を増大させることなく、近距離から遠距離までの入射光の光スポット位置を検出できる。
さらに、上記メモリ部の上記各記憶部が上記信号光の画素データによって飽和した場合には、上記飽和した記憶部の画素データに関して、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合には、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させる一方、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合には、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させるようにしている。したがって、上記メモリ部に積算された受光強度分布の形状を、飽和レベルを超えた部分の形状が上記飽和レベルで反転された形状にすることができる。
すなわち、少ないビット数で上記飽和した記憶部に関する受光強度分布の形状を得ることができ、安価な構成で高精度で光スポットの位置を検出することができる。その結果、広いダイナミックレンジの光スポット位置検出が可能になる。

また、１実施の形態の光スポット位置検出装置では、
上記制御部は、上記発光素子の発光と同期して上記固体撮像素子を露光した際の画素データを上記メモリ部の上記記憶部から減算する一方、上記発光素子の発光と非同期して上記固体撮像素子を露光した際の画素データを上記メモリ部の上記記憶部に加算する際に、上記メモリ部における上記各記憶部に記憶された画素データが零になった場合には、上記零になった記憶部に対応する上記画素部の画素の画素データに関して、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合は、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させる一方、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合は、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させるように、上記固体撮像素子および上記メモリ部を制御する。

この実施の形態によれば、上記発光素子の発光と同期して上記固体撮像素子を露光した際の画素データを上記メモリ部の上記記憶部から減算する一方、上記発光素子の発光と非同期して上記固体撮像素子を露光した際の画素データを上記メモリ部の上記記憶部に加算する際に、上記メモリ部における上記各記憶部に記憶された画素データが零になった場合には、上記零になった記憶部の画素データに関して、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合には、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させる一方、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合には、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させるようにしている。したがって、上記メモリ部に積算された受光強度分布の形状を、飽和レベルを超えた部分の形状が上記飽和レベルで反転され、さらに零レベルを下回る部分の形状が上記零レベルで反転された形状にすることができる。

すなわち、上記飽和レベルでの反転と上記零レベルでの反転とを繰り返すことにより、少ないビット数で、広範囲な受光強度の上記光スポットの受光強度分布の形状を得ることができ、安価な構成で高精度で光スポットの位置を検出することができる。その結果、理論上無限に広いダイナミックレンジの光スポット検出が可能になる。

また、１実施の形態の光スポット位置検出装置では、
上記制御部は、１フレーム中に、
上記画素部における上記発光素子の発光と同期して露光させる第１画素と上記発光素子の発光と非同期して露光させる第２画素とが、互いに異なると共に、互いに一方向に隣接して対を成すような位置関係になるように、上記固体撮像素子による露光動作を制御し、
上記第１画素の画素データから上記第２画素の画素データを減算した結果を、上記メモリ部の各記憶部に記憶させるように、上記固体撮像素子および上記メモリ部による画像データ記憶動作を制御して、
１フレーム中における上記メモリ部への画像データ記憶動作を１回にするようになっている。

この実施の形態によれば、上記発光素子の発光と同期して露光させる第１画素と上記発光素子の発光と非同期して露光させる第２画素とを、互いに異なると共に、互いに一方向に隣接して対を成すような位置関係になるように、上記固体撮像素子の露光動作を行い、上記第１画素の画素データから上記第２画素の画素データを減算した結果を上記メモリ部の各記憶部に記憶するようにしている。したがって、上記メモリ部に上記画素部の全画素に対応した数の記憶部を設ける必要がなく、上記メモリ部全体の容量を半減させることができる。さらに、上記画素部から上記メモリ部への画素データの読み出しが各フレーム毎に一回で済むので、消費電力を低減することができる。

さらに、上記画素部から上記メモリ部への画素データの１回の読み出しで、上記記憶部に上記信号光のみの画素データを積算させることができ、上記画素部上における上記光スポットの位置検出に必要な時間を短縮することができる。したがって、移動する上記物体や移動する上記発光素子からの情報を検出することが可能になる。

また、この発明の光デバイスは、
上記光スポット位置検出装置と、
上記演算処理部によって演算された上記画素部上における上記光スポットの位置に基づいて、上記物体あるいは上記発光素子に関する距離および方向を含む位置情報を演算する位置情報演算部と
を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、メモリ部のビット数を増大させることなく近距離から遠距離までの入射光の光スポットの位置を検出でき、上記固体撮像素子への入射光量が少ない環境下であっても上記光スポットの位置を検出でき、後段の機器にとって出力を取り込み易い光スポット位置検出装置を備えている。したがって、上記物体あるいは上記発光素子に関する距離および方向を含む位置情報を、高精度に演算できる小型の光学式測距装置や光学式方向検出装置や光源方向検出装置等の光デバイスを提供することができる。

尚、上記位置情報演算部の機能を、上記演算処理部に持たせることも可能である。

また、この発明の電子機器は、
上記光デバイスを備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、上記物体までの距離を高精度に検出できる小型の光学式測距装置をカメラ付携帯電話やデジタルカメラ等に搭載してオートフォーカス用の測距値として用いれば、小型で高性能なカメラ付携帯電話やデジタルカメラ等を提供することができる。また、上記物体の方向を高精度に検出できる小型の光学式方向検出装置を液晶ディスプレイ等に搭載して人の存在の有無を検知してモニター電源をオン/オフ制御する装置として用いれば、小型で高性能な液晶ディスプレイ等を提供することができる。また、上記発光素子の方向を高精度に検出できる小型の光源方向検出装置を空調機器や映像機器等に搭載してリモコン(光源)の方向や位置を特定して機器を制御する装置として用いれば、小型で高性能な空調機器や映像機器等を提供することができる。

以上より明らかなように、この発明の光スポット位置検出装置は、メモリ部の各記憶部に信号光のみの画素データを記憶させるフレーム動作を、一定フレームだけ繰り返し行って、上記各記憶部に上記信号光のみの画素データを積算するので、小型の光スポット位置検出装置であっても、上記物体までの距離が遠距離であっても、外乱光が強い場合であっても、上記画素部上における上記光スポット位置を高精度に検出することができる。

さらに、上記メモリ部の上記各記憶部が上記画素データで飽和したか否かに関わらず、上記一定フレーム数分の上記光スポットの位置情報を出力するので、上記光スポットの位置情報の出力タイミングを一定にすることができる。したがって、上記光スポット位置の情報を用いる後段の制御を容易にでき、ユーザーにとって非常に使い安い光スポット位置検出装置を提供できる。加えて、上記メモリ部の上記各記憶部のビット数を増大させることなく、近距離から遠距離までの入射光の光スポット位置を検出できる。
さらに、上記メモリ部の上記各記憶部が上記信号光の画素データによって飽和した場合には、上記飽和した記憶部の画素データに関して、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合には、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させる一方、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合には、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させるので、上記メモリ部に積算された受光強度分布の形状を、飽和レベルを超えた部分の形状が上記飽和レベルで反転された形状にすることができる。したがって、少ないビット数で上記飽和した記憶部に関する受光強度分布の形状を得ることができ、安価な構成で高精度で光スポットの位置を検出することができる。その結果、広いダイナミックレンジの光スポット位置検出が可能になる。

また、この発明の光デバイスは、メモリ部のビット数を増大させることなく近距離から遠距離までの入射光の光スポットの位置を検出でき、上記固体撮像素子への入射光量が少ない環境下であっても上記光スポットの位置を検出でき、後段に出力を取り込み易い光スポット位置検出装置を備えたので、上記物体または上記発光素子に関する距離および方向を含む位置情報を、高精度に演算できる小型の光デバイスを提供することができる。

また、この発明の電子機器は、上記物体または上記発光素子に関する距離および方向を含む位置情報を高精度に演算できる小型の光デバイスを備えたので、小型で高性能な電子機器を提供することができる。

この発明の光スポット位置検出装置を光学式測距装置に適用した場合の概略構成図である。 この発明の光スポット位置検出装置を光学式方向検出装置に適用した場合の概略構成図である。 この発明の光スポット位置検出装置を光源方向検出装置に適用した場合の概略構成図である。 図１における光スポットの状態と受光強度分布とを示す図である。 図１に示す光学式測距装置の動作タイミングチャートである。 図５に従って行われる信号光の積算動作の説明図である。 図６に続く信号光の積算動作の説明図である。 メモリ部の画素データが飽和レベルに達した状態での光スポットの状態と受光強度分布とを示す図である。 メモリ部の画素データが飽和レベルに達する場合の動作タイミングチャートである。 図９に従って信号光の積算動作を行った場合の光スポットの状態と受光強度分布とを示す図である。 測距結果の出力タイミングを示す図である。 メモリ部の画素データが飽和レベルに達する場合の図９とは異なる動作タイミングチャートである。 メモリ部の画素データが飽和レベルに達する場合の図９および図１２とは異なる動作タイミングチャートである。 飽和レベルを超える画素の画素データを飽和レベルで反転した場合の光スポットの状態と受光強度分布とを示す図である。 飽和レベルを超える画素の画素データを飽和レベルで反転し、さらに０レベルを下回る画素の画素データを０レベルで反転した場合の光スポットの状態と受光強度分布とを示す図である。 飽和レベルを超えた分の画素データを、画素データが記憶されることがない領域に記憶した場合の光スポットの状態と受光強度分布とを示す図である。 信号光および外乱光と外乱光のみとを異なる画素に蓄積する場合における画素部の露光方法の説明図である。 図１７に示す露光方法を行う光学式測距装置の動作タイミングチャートである。 ＰＳＤを用いた従来の測距装置の概略構成を示す図である。 固体撮像装置を用いた従来の測距装置の概略構成を示す図である。

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、本実施の形態の光スポット位置検出装置を三角測量に基づく光学式測距装置に適用した場合の概略構成図である。図１において、ＬＥＤ(発光ダイオード)あるいはＬＤ(レーザダイオード)でなる発光素子１１から出射された光は、投光レンズ１２で集光されて出射光束１３となり、測定対象物１４で拡散反射される。反射された光の反射光束１５は集光レンズ１６によって集光されて固体撮像素子１７上に光スポット像を結ぶ。尚、１４aは近距離にある測定対象物を示し、１４bは遠距離にある測定対象物を示している。また、近距離の測定対象物１４aで反射された反射光束を１５aで示し、遠距離の測定対象物１４bで反射された反射光束を１５bで示している。

図１から分かるように、上記近距離の測定対象物１４aで反射された光の反射光束１５aによる固体撮像素子１７上の光スポットは、遠距離の測定対象物１４bで反射された光の反射光束１５bによる光スポットよりも、発光素子１１の光軸に対して遠方に結像する。したがって、固体撮像素子１７上における光スポットの結像位置によって、測定対象物１４までの距離を検出することができるのである。

また、図２は、図１と同様に、光スポット位置検出装置を三角測量に基づく光学式方向検出装置に適用した場合の概略構成図である。但し、図２においては、測定対象物１９は様々な方向に位置することができるようになっている。発光素子１１から出射された光の出射光束１８は、図１の場合の垂直出射とは異なり、広がりを有してあるいはスキャンされながら測定対象物１９を照射する。測定対象物１９で反射された光の反射光束２０は、集光レンズ１６により集光されて固体撮像素子１７上に光スポット像を結ぶ。尚、１９aは近距離で且つ発光素子１１の光軸に対して左側にある測定対象物を示し、１９bは遠距離で且つ右側にある測定対象物を示している。さらに、近距離で左側の測定対象物１９aで反射された反射光束を２０aで示し、遠距離で右側の測定対象物１９bで反射された反射光束を２０bで示している。

図２から分かるように、上記測定対象物１９の位置によって反射光束２０の固体撮像素子１７への入射角が変化し、固体撮像素子１７上に結ばれる光スポットの位置が移動している。したがって、固体撮像素子１７上における光スポットの結像位置を検出することによって、測定対象物１９が存在する方向を特定することができるのである。

また、図３は、図２においては反射光に基づいて測定対象物１９が存在する方向を特定しているが、発光素子そのものが存在する方向を特定する光源方向検出装置の構成を示している。図３において、発光素子２１から出射された光の出射光束２２は、集光レンズ２３によって集光されて固体撮像素子２４上に光スポット像を結ぶ。この場合、発光素子２１の位置によって固体撮像素子２４への入射角が変化し、固体撮像素子２４上に結ばれる光スポット位置が移動する。したがって、固体撮像素子２４上における光スポットの結像位置を検出することによって、発光素子２１が存在する方向を特定することができるのである。

尚、この発明における光スポット位置検出装置は、図１〜図３に示す構成に加えて、固体撮像素子１７,２４における各画素の画素データを記憶するメモリ部と、上記メモリ部に記憶された画素データに基づいて、固体撮像素子１７,２４上に結ばれた光スポットの位置を演算する演算処理部と、発光素子１１・２１,固体撮像素子１７・２４,上記メモリ部および上記演算処理部を制御して光スポット位置検出を行う制御部と、を含んで構成されている。但し、上記メモリ部,上記演算処理部および上記制御部は、必ずしも発光素子１１・２１,投光レンズ１２,集光レンズ１６・２３および固体撮像素子１７・２４と一体に構成されている必要はない。

本光スポット位置検出装置を搭載した上記光学式測距装置や上記光学式方向検出装置や上記光源方向検出装置等のデバイスを「光デバイス」と定義すると、上記各素子１１,２１,１７,２４および各レンズ１２,１６,２３が搭載される光デバイス側にメモリ部,演算処理部および制御部が存在している場合、当該光デバイス用のメモリ部,演算処理部および制御部を本光スポット位置検出装置の上記メモリ部,上記演算処理部および上記制御部として使用する場合も含む概念である。

以上のように、本光スポット位置検出装置は、その用途が多様であるが、以下においては、最も一般的である図１に示す反射型の光学式測距装置に適用した場合について説明する。但し、図１に示す反射型の光学式測距装置においては、固体撮像素子１７における各画素の画素データを記憶するメモリ部２５と、固体撮像素子１７からの画素データをＡ/Ｄ変換してメモリ部２５に送出するＡ/Ｄ変換部２６と、メモリ部２５に記憶された画素データ(ディジタル値)に基づいて、固体撮像素子１７上に結ばれた光スポットの位置を演算し、この演算結果から測定対象物１４までの距離を算出する演算処理部２７と、発光素子１１,固体撮像素子１７,メモリ部２５および演算処理部２７を制御して光スポット位置検出を行う制御部２８と、を含んでいる。但し、上述したように、メモリ部２５,演算処理部２７および制御部２８は、当該光学式測距装置(光デバイス)用のメモリ部,演算処理部および制御部を使用しても差し支えない。

図４は、図１において上記固体撮像素子１７上に結像された上記光スポットの状態(図４中上段)と、上記光スポットの図中水平方向への最大幅を呈する位置における上記水平方向への受光強度の分布(図４中下段)とを示す。但し、図４(a)は、測定対象物１４が遠距離にある場合の結像状態を示している。一方、図４(b)は、測定対象物１４が近距離にある場合の結像状態を示している。

尚、図４の下段に示す受光強度分布は、上記固体撮像素子１７における画素部３１の各画素に対応するメモリ部２５の記憶部に記憶された画素データで表されており、ｘ軸は、画素部３１における上記水平方向での位置(画素順)であり、ｙ軸は、各記憶部における画素データ(ディジタル値)のビット数を示している。図中破線３２は、メモリ部２５の飽和レベルであり、この飽和レベルが８ビットの場合には２５６レベルに相当する。

図４(a)においては、上記画素部３１における発光素子１１に近い側に光スポット３３が形成されている。メモリ部２５に記憶される画素データは飽和レベル３２に達することなく光スポットが理想的に検出されており、光スポット位置「ｘ０」が検出されている。同様に、図４(b)においては、固体撮像素子１７の画素部３１における発光素子１１から遠い側に光スポット３４が形成されている。測定対象物１４が近距離にある場合には入射角が大きくなるため、図４(a)に対して受光レンズ１６への入射角が大きくなる。そのため、図４(a)の場合のように真円ではなく、歪んだスポット形状となっている。図４(b)においても、図４(a)の場合と同様に、メモリ部２５に記憶される画素データは何れの画素においても飽和レベル３２に達することがなく、理想的な光スポット形状の計測状態にあり、光スポット位置「ｘ０」が検出されている。

図５は、上記構成を有する光スポット位置検出装置を搭載した光学式測距装置の動作タイミングチャートを示す。但し、図５(a)は発光素子１１の駆動信号を示し、図５(b)は固体撮像素子１７のシャッター駆動(露光)信号を示し、図５(c)は画素部３１からメモリ部２５への読出し信号を示し、図５(d)は測距結果の出力信号を示す。本光学式測距装置の動作タイミングにおいては、画素部３１の全画素およびメモリ部２５の全記憶部が同じ動作を行うようになっている。

また、図６および図７は、図５に示すタイミングチャートに従って、画素部３１における任意の１行の画素において外乱光を除去しながら行われる信号光の積算動作を説明するための図である。図６および図７において、図中、左側に画素部３１の上記画素行の状態を示し、右側に上記画素行に対応するメモリ部２５の記憶部の状態を示している。何れにおいても、上部から下方に向かって時間が経過している。ここで、上記画素行の状態において、横軸は画素の位置(画素順)であり、縦軸は各画素での受光量を示している。また、上記記憶部の状態において、横軸は記憶部(画素)の位置(画素順)であり、縦軸は各記憶部(各画素)の積算された画素データ(ディジタル値)のビット数を示している。以下、図５〜図７を用いて、本光学式測距装置の動作について詳細に説明する。

先ず、図５における第１フレームのタイミング(a)で、図５(a)に示すように発光素子１１が発光すると同時に、図５(b)に示すように固体撮像素子１７のシャッターが開放されて発光時間と同時間だけ露光され、入射光を電荷に変換して蓄積する。この状態が図６における画素部３１側の図６(a1)であり、集光レンズ１６を介して画素部３１に入射された「発光素子１１から出射されて測定対象物１４bで反射された信号光(Ｓ１)と外乱光(Ｎ１)との両光」によって光スポットが形成される。この時、メモリ部２５側では、初期状態であるため、図６(a2)に示すように、画素データは記憶されてはいない。

続いて、図５(c)に示すように、タイミング(b)において、上記制御部２８から固体撮像素子１７およびメモリ部２５に対して読出し信号が出力され、図６(a1)に示すように画素部３１に電荷として蓄積されている画素データがＡ/Ｄ変換部２６によってディジタル値に変換されて、ハッチングが施された矢印および図６(b2)に示すようにメモリ部２５に加算される。そうした後に、図６(b1)に示すように、画素部３１に蓄積されている画素データ(電荷)がクリアされる。

次に、タイミング(c)において、図５(a)に示すように発光素子１１は駆動されないが、図５(b)に示すように固体撮像素子１７が露光されて、外乱光(Ｎ１)のみによって光スポットが形成される。この状態が、図６における画素部３１側の図６(c1)であり、メモリ部２５側では、図６(c2)に示すように「信号光(Ｓ１)＋外乱光(Ｎ１)」の状態が保持されたままとなっている。

続いて、タイミング(d)において、図５(c)に示すように、上記制御部２８から固体撮像素子１７およびメモリ部２５に対して読出し信号が出力され、図６(c1)に示すように画素部３１に電荷として蓄積されている画素データが、白抜きの矢印および図６(d2)に示すようにメモリ部２５から減算される。そうした後に、図６(d1)に示すように、画素部３１に蓄積されている画素データがクリアされる。

ここで、上記外乱光の時間的なゆらぎは微小である。そのため、図６(a1)における外乱光強度と図６(c1)における外乱光強度とは等しいとすることができ、図６(d2)に示すように、メモリ部２５における図６(c2)に示す状態から画素部３１に蓄積された外乱光(Ｎ１)の受光量を減算することによって、メモリ部２５には信号光成分Ｓ１のみが残存することになる。

この状態において、上記外乱光が弱く、反射信号光が十分に大きい場合には、１フレームの動作で画素部３１上における光スポットの位置を判別することができる。しかしながら、通常の場合には１回の動作では上記光スポットの位置判別は不可能である。それは、本願の如く、光スポット位置検出装置の小型化を図った場合、集光レンズ１６が小型化されるため信号光の受光量が減少すること、分解能を大きくするために画素サイズを小さくすることにより１画素当たりの信号量が減少すること、遠距離から到来した光の光量は微弱であること、耐外乱光性を向上させるためには画素部３１の飽和を防ぐために露光時間を短くする必要があること、等に理由がある。そのために、図５および図６(e1),(e2)〜図７(i1),(i2)に示すように、上述した第１フレームの動作と同じ動作を、第２フレーム,第３フレーム,…第ｎフレームと繰り返して信号光成分を積算する。

このように動作させることによって、図７(j2)に示すように、メモリ部２５には信号光成分のみを積算回数分だけ積み上げ(ΣＳn＝Ｓ１＋Ｓ２＋…Ｓn)ることができる。したがって、小型の光スポット位置検出装置であっても、遠距離の測定対象物１４であっても、外乱光が強い場合であっても、反射光スポットの位置を高精度に検出できるのである。また、図６および図７に示すように、画素部３１で検出された画素データをメモリ部２５に加算あるいは減算して積算できるため、各フレーム毎に各画素データを蓄積するメモリを各画素毎に用意する必要がなく固体撮像素子１７を小型化することが可能になる。

ところで、上記メモリ部２５に書き込み可能な最大受光量のビット数が十分大きく、総ての受光量範囲を書き込み可能であれば、図４の状態で理想的にスポット位置を演算することができる。ところが、メモリ部２５における最大記憶ビット数は６ビット〜８ビット程度であり精々２５６レベル程度である。これに対し、反射光の光密度は距離の二乗に比例して減衰し、さらに測定対象物(反射物)１４の反射率も多様である。そのため、受光量を表現できるビット数が８ビットでは、測定対象物１４までの距離が近距離の場合や測定対象物１４の反射率が高反射率の場合にはメモリ部２５が飽和してしまうことが考えられる。

図８は、図４の場合と同様に、上記固体撮像素子１７の画素部３１上に結像された上記光スポットの状態(図８中上段)と、上記光スポットの図中水平方向への最大幅を呈する位置における上記水平方向への受光強度の分布(図８中下段)とを示す。但し、図８(a)は、測定対象物１４が遠距離にある場合の結像状態を示している。一方、図８(b)は、測定対象物１４が近距離にある場合の結像状態を示している。

尚、図８の下段に示す受光強度分布は、上記固体撮像素子１７における画素部３１の各画素に対応するメモリ部２５の記憶部に記憶された画素データで表されており、ｘ軸は、画素部３１における上記水平方向での位置(画素順)であり、ｙ軸は、各記憶部における画素データ(ディジタル値)のビット数を示している。図中破線３２は、メモリ部２５の飽和レベルである。図８から分かるように、メモリ部２５の画素データが飽和した場合には、一定値として記憶されて受光強度分布形状が崩れる。

図９は、このように、上記メモリ部２５の画素データが飽和することを考慮した場合における本光学式測距装置のタイミングチャートを示す。図９に示すように、例えば第１フレームでメモリ部２５の何れかの記憶部が飽和した場合には、制御部２８から固体撮像素子１７およびメモリ部２５に対して読出し信号を出力しないようになっている。したがって、第２フレーム以降では、画素部３１によって光スポットが検出されるが、メモリ部２５への画素データの転送・加算は行われない。こうすることによって、図１０に示すように、光スポット３６,３７の形状および受光強度分布の形状を崩すことなく、光スポット位置を演算することが可能になる。尚、メモリ部２５が飽和したことの検知は、例えば、制御部２８によって、メモリ部２５における各画素データを監視することによって行うことができる。

その場合、上述のように上記メモリ部２５が飽和したフレーム以降のフレームを実行することなく、メモリ部２５の飽和を検出した時点で測定が完了したとして直ちに測距結果を出力すると、図１１(a)に示すように、メモリ部２５の飽和状態によって測距結果が出力されるタイミングがランダムになり、当該光学式測距装置の出力を取り込んで電子機器を制御する場合に、上記電子機器側が取り込んだ当該光学式測距装置の出力データが何れの時間帯での測距結果のデータであるのかが判別困難であり、使用勝手の悪いものとなってしまう。

これに対し、図９に示すタイミングチャートのように、メモリ部２５が飽和した後も所定の時間だけ以後のフレームを実行することによって、図１１(b)に示すように、測距結果が出力されるタイミングを一定にすることができ、測距結果の出力を取り込んで行われる上記電子機器の制御が容易になる。また、上述したように、制御部２８から固体撮像素子１７およびメモリ部２５に対する読出し信号の出力動作を休止するので、無駄な電力消費を削減することができる。

図９に示す本測距装置のタイミングチャートにおいては、メモリ部２５が飽和した以降も、図９(a)に示すように発光素子１１は発光を続け、図９(b)に示すように固体撮像素子１７が露光されるようになっている。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、図１２に示すタイミングチャートのごとく固体撮像素子１７の露光動作を停止してもよいし、図１３に示すタイミングチャートのごとく発光素子１１の発光動作と固体撮像素子１７の露光動作の両方を停止してもよい。低消費電力化の点から図１３の制御動作が最も好ましいことは言うまでもない。

ところで、図１０に示す上記メモリ部２５における画像データの飽和状態は、第１フレームにおいてメモリ部２５に記憶された画像データが飽和レベルを僅かに超えた状態であるが、発光素子１１の１回の発光動作によってメモリ部２５に記憶される画像データが飽和レベルを大きく超える場合には、図９,図１２および図１３に示すように以後のフレームを休止しても、メモリ部２５における画素データの記憶状態が図８の下段に示すようなプロファイルになってしまう。このような場合には、メモリ部２５における画素データが飽和した画素の周辺画素の画素データから、画素データが飽和している画素に関するスポット形状を推測することができ、光スポット位置を検出することができるのである。

具体的には、図８(a)に示すように、測定対象物１４が遠距離にある場合には、下段に示す光スポット３８における図中水平方向への受光強度の分布において、画素データが飽和している画素の両サイドにおけるスロープは略左右対称である。これに対し、図８(b)に示すように、測定対象物１４が近距離にある場合には、下段に示す光スポット３９における図中水平方向への受光強度の分布において、反射光束１５aの固体撮像素子１７への入射角が大きくなるため、画素データが飽和している画素の両サイドにおけるスロープはピーク位置に対して左右が異なる。この受光強度分布の形状は集光レンズ１６によって決まるので、画素データが飽和している画素の周辺画素における受光強度分布のプロファイル形状から、演算によって容易にスポット位置を求めることができるのである。

また、上記発光素子１１の１回の発光動作によってメモリ部２５に記憶される画像データが飽和レベルを大きく超える場合における光スポット位置の演算の仕方は上述のみならず、固体撮像素子１７上に形成される光スポットにおける画素データがメモリ部２５上で飽和している画素の集合体(以下飽和画素部と言う)の形状から求めることができる。

具体的には、図８(a)に示すように測定対象物１４が遠距離にある場合には、上段に示す光スポット３８における上記飽和画素部４０は略真円である。これに対して、測定対象物１４が近距離にある場合には、上段に示す光スポット３９における上記飽和画素部４１は、上述と同様の理由によって真円から歪んだ形状になる。この形状は集光レンズ１６によって決まるので、この飽和画素部の形状から光スポット位置を容易に求めることができるのである。

上述したごとく、上記メモリ部２５に記憶される画像データが飽和レベルを大きく超えた場合でも上記光スポット位置を検出することができる。したがって、制御部２８用のプログラムに制約があるためメモリ部２５が飽和したフレーム以降のフレームを休止する制御が困難な場合には、メモリ部２５が飽和した際にはメモリ部２５の記憶値が飽和した記憶部に関する画素データを飽和値に固定し、その他の記憶部に関する画素データのみを加算処理あるいは減算処理を行うようにしてもよい。

以下、上記制御部２８によるメモリ部２５への画素データの積算処理の変形例について説明する。

この変形例においては、上記メモリ部２５における画素データが飽和した記憶部に対しては、以後のフレームにおいて、図６および図７において説明したごとく画素部３１に蓄積された外乱光を含む信号光の画素データを加算し、外乱光のみの画素データを減算するのとは逆に、前者を減算し、後者を加算するように制御する。一方、画素データが飽和していない記憶部に対しては、通常通り前者を加算し、後者を減算するように制御する。こうすることによって、図１４に示すように、画素データが飽和した記憶部の画素データは以後のフレーム毎に信号光量の分だけ減少して行くことになる。一方、画素データが飽和していない記憶部は通常通り信号光量の分だけ積算(加算)される。

その結果、図１４の下段に示すように、受光強度分布の形状は飽和レベル３２を超える部分の形状を飽和レベル３２で反転した形状になる。したがって、メモリ部２５に記憶された画素データから最大受光量を呈する画素の位置を精度よく検出することができ、図８において説明したメモリ部２５に記憶された画素データが飽和レベル３２を大きく超えた場合の光スポット形状あるいは受光強度分布の形状に基づく光スポット位置検出方法に比べて、上記飽和レベルを超えた部分の受光強度分布が破棄されていないので、より正確な測距が可能となる。

この場合、上記メモリ部２５における画素データが飽和した記憶部に対して、通常とは逆に、画素部３１に蓄積された外乱光を含む信号光の画素データを減算し、外乱光のみの画素データを加算した結果、画素データが０になった場合は、画素データが０になった記憶部に対して、通常通り、画素部３１に蓄積された外乱光を含む信号光の画素データを加算する一方、外乱光のみの画素データを減算することによって、図１５の下段に示すように、受光強度分布の形状は、飽和レベル３２を超える部分の形状を飽和レベル３２で反転し、さらに０レベル４２を下回る部分の形状を０レベル４２で反転した形状になる。したがって、メモリ部２５に記憶された画素データから最大受光量を呈する画素の位置を精度よく検出することができるのである。このメモリ部２５への画素データの積算処理によれば、上記飽和レベル３２での反転と上記０レベル４２での反転とを繰り返すことにより、理論上無限に広いダイナミックレンジの光スポット検出が可能になる。

さらに、上記制御部２８によるメモリ部２５への画素データの積算処理の他の変形例について説明する。

上述したように、上記固体撮像素子１７の画素部３１に形成される光スポットの位置は測定対象物１４までの距離によって移動するので、図４に示すように、遠距離の場合には光スポットが画素部３１上における発光素子１１に近い側に位置し、近距離の場合には発光素子１１から遠い側に位置する。そこで、この変形例においては、測定対象物１４までの距離に応じて画素部３１上における光スポットの位置が変動することを利用し、画素部３１上における反射光が入射しない画素を活用して、メモリ部２５の飽和レベル３２を超える分の受光強度分布の形状を得るのである。

具体的には、図１６(a)に示すように測定対象物１４が遠距離にある場合には、画素部３１上における図中右側の領域には反射光が入射せず、この領域に対応するメモリ部２５の記憶部は、上記画素データの積算を繰り返しても画素データ量は０のままである。そこで、本変形例において、受光強度分布のピークがメモリ部２５の飽和レベル３２に達したことを制御部２８が検出すると、制御部２８は、以後において、メモリ部２５における飽和レベル３２を超えた画素の画素データを積算する領域(積算記憶領域)として上記画素データ量が０のままの記憶領域を割り当てるのである。その結果、受光強度分布のピークが飽和レベル３２を超えた画素の以後の画素データは、上記積算記憶領域に対して積算されていく。

こうすることによって、図１４および図１５の場合と同様に、飽和レベル３２を超えた部分の受光強度分布の形状を得ることができ、メモリ部２５に記憶された画素データから最大受光量を呈する画素の位置を精度よく検出してより正確な測距が可能となる。尚、図１６(b)に測定対象物１４が近距離にある場合を示すが、画素部３１上における反射光が入射されない領域が図１６(a)の場合と図中左右反対になる点以外は上述と同様である。

以上のごとく、本実施の形態においては、上記発光素子１１から出射されて測定対象物１４で反射された信号光および外乱光を固体撮像素子１７の画素部３１に電荷として蓄積し、画素部３１に蓄積された画素データをディジタル値に変換してメモリ部２５に加算すると共に、画素部３１に蓄積された画素データをクリアし、発光素子１１を駆動しないで外乱光のみを画素部３１に蓄積し、画素部３１に蓄積された画素データをディジタル値に変換してメモリ部２５から減算すると共に、画素部３１に蓄積された画素データをクリアするフレーム動作を、ｎフレーム繰り返し、メモリ部２５に信号光の画素データのみを積算するようにしている。したがって、小型の光スポット位置検出装置であっても、遠距離の測定対象物１４であっても、外乱光が強い場合であっても、画素部３１上における反射光スポットの位置を高精度に検出することが可能になる。

その場合において、上記メモリ部２５に記憶された画素部３１上における任意の画素に関する画素データが飽和した場合には、以後のフレームにおいて、発光素子１１の発光停止と、固体撮像素子１７の露光停止と、メモリ部２５への画素データの転送停止とのうちの、少なくとも何れか一つを行うようにしている。したがって、画素データが飽和したことによる受光強度分布形状の崩れを１つのフレーム分の最小限に止め、メモリ部２５において画素データが飽和した場合でも受光強度分布形状に基づく光スポット位置の演算が可能になる。その結果、近距離から遠距離までの入射光の光スポット位置を検出できる。また、メモリ部２５に対する画素データの不要な積算を行わないので、メモリ部２５における１記憶部当たりのビット数の増大を防止することができる。また、無駄な電力消費を削減することができる。

さらに、上記メモリ部２５が飽和した後も所定の時間だけ以後のフレームを形式上実行することによって、メモリ部２５の飽和・非飽和に拘わらず測距結果の出力タイミングを一定にすることができ、測距結果の出力を取り込んで行われる上記電子機器の制御を容易にすることができる。

また、変形例においては、上記メモリ部２５における画素データが飽和した画素のみに対して、以後のフレームでは、外乱光を含む信号光は減算する一方、外乱光は加算する。こうして、メモリ部２５に積算された受光強度分布の形状を、飽和レベル３２を超えた部分の形状が飽和レベル３２で反転された形状にする。さらに、メモリ部２５における画素データが飽和した記憶部に対して、以後、外乱光を含む信号光を減算し、外乱光を加算した結果、画素データが０になった場合には、画素データが０になった記憶部に対して、外乱光を含む信号光は加算し、外乱光は減算する。こうして、メモリ部２５に積算された画素データに基づく受光強度分布の形状を、飽和レベル３２を超えた部分の形状を飽和レベル３２で反転し、さらに０レベル４２を下回る部分の形状を０レベル４２で反転した形状にする。したがって、飽和レベル３２を超えた部分および０レベル４２を下回る部分の受光強度分布を飽和レベル３２あるいは０レベル４２で反転させた状態で保持することができ、この反転された受光強度分布の形状に基づいて、正確な測距を可能にすることができるのである。

また、他の変形例においては、上記受光強度分布のピークがメモリ部２５の飽和レベル３２を超えた場合には、以後のフレームにおいて、メモリ部２５における飽和レベル３２を超えた記憶部に関する画素データを積算する上記積算記憶領域として、上記画素データが全く記憶されない領域を割り当てるのである。こうして、受光強度分布のピークが飽和レベル３２に達した記憶部の画素データを、以後のフレームにおいて上記積算記憶領域に対して積算させるようにする。したがって、飽和レベル３２を超えた部分の受光強度分布の形状を得ることができ、メモリ部２５に記憶された画素データから最大受光量を呈する画素の位置を精度よく検出してより正確に測距を行うことが可能になる。

尚、本実施の形態においては、この発明の光スポット位置検出装置を図１に示す反射型の光学式測距装置に適用した場合について説明している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、図２に示す上記光学式方向検出装置に適用して測定対象物１９が存在する方向を特定するようにしてもよい。また、図３に示す上記光源方向検出装置に適用して発光素子２１が存在する方向を特定するようにしてもよい。

・第２実施の形態
本実施の形態においては、上記第１実施の形態の場合と同様に、本光スポット位置検出装置を図１に示す反射型の光学式測距装置に適用した場合を例に挙げて説明する。また、本光学式測距装置の構成は、図１に示す光学式測距装置と同じであり、以下の説明は図１をも用いて行う。

図１７は、本実施の形態の固体撮像素子１７における画素部３１に対する露光方法を説明するための図である。また、図１８は、本光スポット位置検出装置を搭載した光学式測距装置の動作タイミングチャートを示す。

上記第１実施の形態においては、発光素子１１から出射されて測定対象物１４で反射された外乱光を含む信号光と、外乱光のみとを、固体撮像素子１７の画素部３１によって電荷に変換して蓄積する場合には、画素部３１における全画素を同時に露光するようにしている。

これに対して、本実施の形態においては、上記外乱光を含む信号光を画素部３１に蓄積する場合と、外乱光のみを画素部３１に蓄積する場合とで、画素部３１における異なる画素を露光するようにしている。以下、図１７(a)に示す露光方法の場合を例に、具体的に説明する。

先ず、上記第１実施の形態の場合と同様に、図１８(a)に示すように、タイミング(a)において、上記発光素子１１が発光するのに同期して、図１８(b)に示すように固体撮像素子１７のシャッターが開放されて露光される。その際に、本実施の形態においては、図１７(a)においてハッチングで示す偶数行(あるいは奇数行)の画素のみを露光する。引き続き、図１８(b)に示すように、発光素子１１が駆動されないタイミング(b)で、図１７(a)においてハッチングが施されていない奇数行(あるいは偶数行)の画素を露光する。こうして、上記外乱光を含む上記信号光の検出と、上記外乱光のみの検出とを、互いに異なる画素行で行うのである。

続いて、図１８(c)に示すタイミング(c)で、上記画素部３１に蓄積されている画素データが、Ａ/Ｄ変換部２６によってＡ/Ｄ変換されてメモリ部２５に転送・加算される。その場合、図１７(a)において、例えば、(画素(Ｂ行,０１列)の画素データ)−(画素(Ａ行,０１列)の画素データ)、(画素(Ｂ行,０２列)の画素データ)−(画素(Ａ行,０２列)の画素データ)、…、(画素(Ｄ行,０１列)の画素データ)−(画素(Ｃ行,０１列)の画素データ)、…のごとく、互いに一方向に隣接して対を成している「上記外乱光を含む上記信号光を検出した画素」と「上記外乱光のみを検出した画素」とにおいて、前者の画素データから後者の画素データを減算する。そして、その減算値をメモリ部２５の対応する記憶部に転送・加算するのである。

上記固体撮像素子１７,メモリ部２５および制御部２８を、上述のような画素データ転送加算処理が可能なように構成することによって、メモリ部２５に画素部３１の全画素に対応した数の記憶部を設ける必要がなく、上記対を成す２つの画素に対して一つの記憶部を設ければ良い。そのために、メモリ部２５全体の容量を半減させることができる。さらに、図１８(c)に示すように、画素部３１からメモリ部２５への読出し信号の出力が各フレーム毎に一回で済む。したがって、本光スポット位置検出装置の消費電力を低減することができる。

ところで、上述したように、上記メモリ部２５における上記記憶部の数が半減するために、画素部３１上における光スポット位置の分解能の低下が危惧される。しかしながら、図１および図４に示すように、測定対象物１４までの距離の変化によって画素部３１上において光スポットの位置が変化する方向は１次元方向であり、例えば図１７(a)上において左右方向である。したがって、上記対を成すべき２つの隣接画素を、上記光スポットの位置が変化する方向と直交する方向に選択すれば、例えば図１７(a)上において上下方向に選択すれば、測定対象物１４までの距離の変化に伴う光スポットの移動によって画素抜けすることはなく、分解能が低下することはないのである。

上述においては、上記画素部３１に対する露光方法が図１７(a)に示す露光方法の場合を例に説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、図１７(b)に示すように、上記画素部３１の画素配列に対して、上記外乱光を含む上記信号光を検出する画素と、上記外乱光のみを検出する画素とが、市松模様を描くように露光してもよい。この場合も、図１７(a)の場合と同様に、互いに一方向に隣接して対を成している「上記外乱光を含む上記信号光を検出した画素」と「上記外乱光のみを検出した画素」とにおいて、前者の画素データから後者の画素データを減算する。具体的には、(画素(Ａ行,０１列)の画素データ)−(画素(Ｂ行,０１列)の画素データ)、(画素（Ｂ行,０２列)の画素データ)−(画素(Ａ行,０２列)の画素データ)、…、(画素(Ｃ行,０１列)の画素データ)−(画素(Ｄ行,０１列)の画素データ)、…のごとく減算を行う。そして、その減算値をメモリ部２５の対応する記憶部に転送・加算するのである。

さらに、図１７(b)においても、測定対象物１４までの距離の変化によって画素部３１上において光スポットの位置が変化する方向は１次元方向であり、図１７(b)上において左右方向である。したがって、上記対を成すべき２つの隣接画素を、上記光スポットの位置が変化する方向と直交する方向、つまり図１７(b)上において上下方向に選択すれば、測定対象物１４までの距離の変化に伴う光スポットの移動によって画素抜けすることはなく、分解能を低下することはない。尚、上記光スポット位置が変化する方向が図１７(b)上において上下方向であれば、上記対を成すべき２つの隣接画素を図１７(b)上において左右方向に選択することは言うまでもない。

上述のように、本実施の形態においては、上記固体撮像素子１７の画素部３１にマトリクス状に配列されている画素を、互いに一方向に隣接して対を成している「上記外乱光を含む上記信号光を検出する第１画素」と「上記外乱光のみを検出する第２画素」とに分類する。そして、発光素子１１が発光するタイミングに同期して上記第１画素を露光する一方、発光素子１１が発光しないタイミングで上記第２画素を露光し、上記第１画素に蓄積された画素データから上記第２画素に蓄積された画素データを減じた画素データのディジタル値を、メモリ部２５の上記一対の画素に対応する記憶部に記憶するのである。

したがって、上記メモリ部２５に画素部３１の全画素に対応した数の記憶部を設ける必要がなく、メモリ部２５全体の容量を半減させることができる。さらに、画素部３１からメモリ部２５への読出し信号の出力が各フレーム毎に一回で済むので、本光スポット位置検出装置の消費電力を低減することができる。

尚、本実施の形態の場合にも、上記第１実施の形態の場合と同様に、上述のフレーム動作をｎフレーム繰り返して、メモリ部２５に信号光の画素データのみを積算することによって、小型の光スポット位置検出装置であっても、遠距離の測定対象物１４であっても、外乱光が強い場合であっても、画素部３１上における反射光スポットの位置を高精度に検出可能にできることは言うまでもない。

その際に、上記第１実施の形態の場合と同様に、上記メモリ部２５に記憶された画素データが飽和した場合には、以後のフレームにおいて、発光素子１１の発光停止と、固体撮像素子１７の露光停止と、メモリ部２５への画素データの転送停止とのうちの、少なくとも何れか一つを行うようにして、画素データが飽和したことによる受光強度分布形状の崩れを一つのフレーム分の最小限に止め、メモリ部２５において画素データが飽和した場合でも受光強度分布形状に基づく光スポット位置の演算を可能にできる。

ところで、上記各実施の形態における光スポット位置検出装置は、上述したように、光学式測距装置や光学式方向検出装置や光源方向検出装置に適用すると効果的である。さらに、固体撮像素子１７を用いているため小型化が可能であり、上記光学式測距装置に適用した場合には、例えばカメラ付携帯電話やデジタルカメラ等に搭載してオートフォーカス用の測距値を提供するのに好適である。また、上記光学式方向検出装置に適用した場合には、例えば液晶ディスプレイ等に搭載して人の存在の有無を検知してモニター電源をオン/オフ制御するようにするのに好適である。また、上記光源方向検出装置に適用した場合には、例えばエアコン等の空調機器や映像機器のリモコン(光源)の角度や位置を特定して光源方向に対して機器を好適条件に制御するようにするのに好適である。

尚、上記各実施の形態における上記メモリ部２５における飽和レベル３２とは、各記憶部が画素データで完全に飽和する最大ビットである必要ではなく、上記最大ビットより適当なビット数だけ小さく設定した閾値としても差し支えない。その場合には、発光素子１１の１回の発光動作によってメモリ部２５に画像データを記憶する際に、外乱光成分によって当該画像データが上記記憶部の最大ビットを超えないような値に、飽和レベル３２を設定しておけば都合がよい。

１１,２１…発光素子、
１２…投光レンズ、
１３,１８,２２…出射光束、
１４,１９…測定対象物、
１５,２０…反射光束、
１６,２３…集光レンズ、
１７,２４…固体撮像素子、
２５…メモリ部、
２６…Ａ/Ｄ変換部、
２７…演算処理部、
２８…制御部、
３１…画素部、
３２…飽和レベル、
３３,３４,３６,３７,３８,３９…光スポット、
４０,４１…飽和画素部、
４２…０レベル。

Claims (5)

1. 発光素子と、
   上記発光素子から放射された光束、あるいは、上記光束が物体によって反射された反射光束を集光する集光レンズと、
   上記集光レンズによって集光された上記光束あるいは上記反射光束による光スポットが形成される固体撮像素子と、
   上記固体撮像素子に設けられると共に、上記光スポットを検出して受光量に応じた画素データに変換する画素を含む画素部と、
   上記画素部における各画素の画素データを、ディジタル値に変換するディジタル変換部と、
   上記ディジタル変換部によってディジタル値に変換された画素データを、上記画素部の各画素に対応する記憶部に記憶するメモリ部と、
   上記メモリ部に記憶されたディジタルの画素データに基づいて、上記画素部上における上記光スポットの位置を演算する演算処理部と、
   上記発光素子,上記固体撮像素子,上記メモリ部および上記演算処理部を制御して、上記固体撮像素子上に形成された上記光スポットの位置を検出する制御部と
   を備え、
   上記制御部は、
   上記発光素子を制御して設定時間だけ発光させ、
   上記固体撮像素子を制御して、上記発光素子の発光と同期して、および、上記発光素子の発光と非同期して、上記設定時間だけ露光させ、
   上記固体撮像素子および上記メモリ部を制御して、上記固体撮像素子が上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データを、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させる一方、上記固体撮像素子が上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データを、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させて、各記憶部に上記発光素子から放射された光あるいは当該光が上記物体によって反射された反射光で成る信号光のみの画素データを記憶させ
   る動作を１フレームとし、
   上記発光素子,上記固体撮像素子および上記メモリ部を制御して、上記フレームの動作を一定フレームだけ繰り返し行わせて、上記メモリ部の各記憶部に上記信号光のみの画素データを積算させ、
   上記演算処理部を制御して、上記メモリ部の各記憶部に積算して記憶された上記信号光のみの画素データに基づいて、上記画素部上における上記光スポットの位置を演算させ
   ることによって、
   上記一定フレーム数分の上記光スポットの位置情報を出力させる
   光スポット位置検出装置において、
   上記制御部は、上記メモリ部における上記各記憶部が上記信号光の画素データによって飽和した場合には、上記飽和した記憶部に対応する上記画素部の画素の画素データに関して、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合は、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させる一方、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合は、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させるように、上記固体撮像素子および上記メモリ部を制御するようになっている
   ことを特徴とする光スポット位置検出装置。
2. 請求項１に記載の光スポット位置検出装置において、
   上記制御部は、上記発光素子の発光と同期して上記固体撮像素子を露光した際の画素データを上記メモリ部の上記記憶部から減算する一方、上記発光素子の発光と非同期して上記固体撮像素子を露光した際の画素データを上記メモリ部の上記記憶部に加算する際に、上記メモリ部における上記各記憶部に記憶された画素データが零になった場合には、上記零になった記憶部に対応する上記画素部の画素の画素データに関して、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合は、上記メモリ部の上記対応する各記憶部に加算させる一方、上記固体撮像素子を上記発光素子の発光と非同期して上記設定時間だけ露光した際に上記画素部で得られた各画素の画素データの場合は、上記メモリ部の上記対応する各記憶部から減算させるように、上記固体撮像素子および上記メモリ部を制御するようになっている
   ことを特徴とする光スポット位置検出装置。
3. 請求項１あるいは請求項２に記載の光スポット位置検出装置において、
   上記制御部は、１フレーム中に、
   上記画素部における上記発光素子の発光と同期して露光させる第１画素と上記発光素子の発光と非同期して露光させる第２画素とが、互いに異なると共に、互いに一方向に隣接して対を成すような位置関係になるように、上記固体撮像素子による露光動作を制御し、
   上記第１画素の画素データから上記第２画素の画素データを減算した結果を、上記メモリ部の各記憶部に記憶させるように、上記固体撮像素子および上記メモリ部による画像データ記憶動作を制御して、
   １フレーム中における上記メモリ部への画像データ記憶動作を１回にするようになっていることを特徴とする光スポット位置検出装置。
4. 請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の光スポット位置検出装置と、
   上記演算処理部によって演算された上記画素部上における上記光スポットの位置に基づいて、上記物体あるいは上記発光素子に関する距離および方向を含む位置情報を演算する位置情報演算部と
   を備えたことを特徴とする光デバイス。
5. 請求項４に記載の光デバイスを備えたことを特徴とする電子機器。

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