JP6788737B2 - 光センサ及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、飛行時間計測（ＴＯＦ）に基づいて対象物との間の距離を測定する光センサ及び電子機器に関する。

従来、微弱光を高速に検出する受光素子として、フォトダイオードの雪崩増幅（アバランシェ）効果を利用したアバランシェフォトダイオードが用いられている飛行時間計測（ＴＯＦ、Time-Of-Flight）技術が知られている（特許文献１及び特許文献２）。

アバランシェフォトダイオードは、降伏電圧（ブレークダウン電圧）未満の逆バイアス電圧を印加すると、リニアモードとして動作し、受光量に対して正の相関を有するように出力電流が変動する。一方、アバランシェフォトダイオードは、降伏電圧以上の逆バイアス電圧を印加すると、ガイガーモードとして動作する。ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードは、単一フォトンの入射であってもアバランシェ現象を起こすので、大きな出力電流が得られる。このため、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードは、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Single Photon Avalanche Diode）と呼ばれる。

ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードに対し、クエンチング抵抗を直列に加えることで、フォトン入射に対して同期するパルス出力を得ることができる。

図１６は、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを用いた受光部の構成例を示す回路図である。受光部は、フォトダイオードＰＤ１５と、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１５（ＭＯＳトランジスタの抵抗成分）と、バッファーＢＵＦ１５とで構成される。

フォトダイオードＰＤ１５は、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードであり、降伏電圧以上のバイアス電圧印加において、単一フォトンの入射に対してアバランシェ現象を起こし電流が流れる。フォトダイオードＰＤ１５に直列で接続されているアクティブクエンチング抵抗Ｒ１５に電流が流れることで、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１５の端子間電圧が増加し、それに伴いフォトダイオードＰＤ１５のバイアス電圧が降下し、アバランシェ現象は停止する。アバランシェ現象による電流が無くなるとアクティブクエンチング抵抗Ｒ１５の端子間電圧が低下し、フォトダイオードＰＤ１５には再び降伏電圧以上のバイアス電圧が印加される状態に戻る。バッファーＢＵＦ１５により、フォトダイオードＰＤ１５とアクティブクエンチング抵抗Ｒ１５間の電圧変化はフォトン入射に対して同期するパルス出力として取り出される。

ＴＯＦセンサは、対象物に光を出射した時刻と、当該出射された光が対象物により反射された反射光を受光した時刻との間の時間差に基づいて距離を算出することで、ＴＯＦセンサと対象物との間の距離を測定するものである。

特許文献１には、発光素子から出射されて対象物で反射された反射光と発光素子からの直接光とをそれぞれ別の二つのＤｅｌａｙ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ回路（ＤＬＬ回路）に入力し、２つのＤＬＬ出力パルス間の位相遅延量をデジタル値に変換する距離測定方法が開示されている。

特許文献２には、ＳＰＡＤからの出力パルス頻度のヒストグラムの極大値を求めることにより距離測定を行う方法が開示されている。

米国特許公開第2014/0231631号（2014年8月21日公開） 特許第6020547号明細書（2016年10月14日登録）

ＴＯＦセンサは、電子機器に搭載される際に、光センサ受発光面の前面近傍に発光素子から発光された光の一部を透過し、他の一部を反射するカバーパネルを備える場合が多い。

上記特許文献１に開示されている距離測定方法においては、発光素子からの光パルスは、検知対象物からの反射光のみならずカバーパネルからの反射光にもなることから、反射光に基づく信号が入力されるＤＬＬ回路には、検知対象物からの反射光に基づく信号とカバーパネルからの反射光に基づく信号とが混ざった状態で入力される。このため、ＴＯＦセンサ内のＤＬＬ回路は、検知対象物の位置とカバーパネルの位置（ＴＯＦセンサからの距離がほぼ零）との間の距離に検知対象物が存在すると誤認識してしまい、間違った距離を算出してしまう。

また、特許文献２に開示されているヒストグラムを用いた距離測定方法においては、カバーパネルからの反射光に基づく信号成分と検知対象物からの反射光に基づく信号成分とを分離することができ、検知対象物までの距離を正しく測定可能であるが、ＤＬＬ回路方式に比べ分解能の点で不利である。高い分解能を実現する為には、分解能に近い幅での発光パルスが必要となりヒストグラムのビン数も多くなることで、プロセスや回路規模により高価になるという欠点がある。

ＤＬＬ回路方式を用いた距離測定においては、カバーパネルからの反射光成分量（クロストーク値）を知ることが出来れば、間違った距離を正しい距離に補正する計算を行うことはできる。しかしながら、クロストーク値は、カバーパネルの指紋汚れ等によって変化する為、定期的にクロストーク値を更新する必要がある。

クロストーク値は、ＴＯＦセンサの前にカバーパネルからの反射光成分以外の対象物による反射光成分が何も無い状態にして、一定期間の反射光成分のＳＰＡＤ出力パルス数をカウントすることで求められる。ＴＯＦセンサの検出可能距離よりも遠い距離に対象物があった場合においても、対象物による反射光成分によりＳＰＡＤ出力パルス数は有限の数、増加している為、クロストーク値を正しく算出できない。従って、ＴＯＦセンサの検出可能な距離よりも十分遠い距離までの対象物による反射光成分の有無を判定する必要がある。

本発明の一態様は、カバーパネル反射光の成分量を表すクロストーク値を適切に更新して、対象物との間の距離を飛行時間計測に基づいて適切に測定することができる光センサ及び電子機器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光センサは、基準パルス信号を生成する基準パルス生成回路と、前記基準パルス生成回路により生成された基準パルス信号に基づいて対象物に向かって光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射された光の一部を透過し他の一部を反射するカバーパネルと、前記対象物により反射された対象物反射光と前記カバーパネルにより反射されたカバーパネル反射光とを受光可能に設けられたフォトンカウンティング型の第１受光素子と、前記第１受光素子により受光された対象物反射光及びカバーパネル反射光の少なくとも一方に基づく第１受光パルス信号と前記基準パルス信号とに基づいて、前記対象物反射光の前記第１受光素子による受光の有無を判定する判定回路とを備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、カバーパネル反射光の成分量を表すクロストーク値を適切に更新して、対象物との間の距離を飛行時間計測に基づいて適切に測定することができる。

実施形態１に係る光センサの構成を模式的に示すブロック図である。 上記光センサに設けられた第１受光部の構成を模式的に示す回路図である。 上記光センサに設けられた第１ＤＬＬ回路の構成を模式的に示す回路図である。 （ａ）（ｂ）は上記第１ＤＬＬ回路の動作を示す波形図である。 上記光センサの実測定期間の動作状態を説明する図であり、（ａ）は第１受光部からの第１受光パルス信号を示す波形図であり、（ｂ）は発光期間及び非発光期間における第１受光部からの第１受光パルス信号を示す波形図であり、（ｃ）は実測定期間における基準パルス信号に基づく光センサの動作を説明するための図である。 （ａ）（ｂ）は上記光センサに設けられた４個のカウンタの判定期間における動作を説明するための波形図である。 （ａ）は上記４個のカウンタにより判定期間の発光期間においてカウントされた第１出力パルス数を示すヒストグラムであり、（ｂ）は上記４個のカウンタにより判定期間の非発光期間においてカウントされた第２出力パルス数を示すヒストグラムであり、（ｃ）は上記第１出力パルス数から上記第２出力パルス数を減算した第３出力パルス数を示すヒストグラムである。 上記判定期間における反射光成分を説明するための波形図である。 （ａ）は対象物反射光が第１受光素子に受光されているときの第１出力パルス数を示すヒストグラムであり、（ｂ）は第２出力パルス数を示すヒストグラムであり、（ｃ）は上記第１出力パルス数から上記第２出力パルス数を減算した第３出力パルス数を示すヒストグラムである。 上記判定期間における反射光成分を説明するための他の波形図である。 （ａ）は対象物反射光が第１受光素子に受光されているときの第１出力パルス数を示す他のヒストグラムであり、（ｂ）は第２出力パルス数を示す他のヒストグラムであり、（ｃ）は上記第１出力パルス数から上記第２出力パルス数を減算した第３出力パルス数を示す他のヒストグラムである。 （ａ）は周波数を＋２５％に設定したときの反射光成分を示す波形図であり、（ｂ）は周波数を通常に設定したときの反射光成分を示す波形図であり、（ｃ）は周波数を−２５％に設定したときの反射光成分を示す波形図である。 実施形態２に係る光センサの発光期間及び非発光期間を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は上記光センサの開始発光期間、終了発光期間、開始非発光期間、終了非発光期間を説明するための図である。 （ａ）は実施形態３に係るスマートフォンの外観を示す斜視図であり、（ｂ）は上記スマートフォンの正面図である。 ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを用いた受光部の構成例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

〔実施形態１〕
（光センサ１の構成）
図１は、実施形態１に係る光センサ１の構成を模式的に示すブロック図である。光センサ１は、基準パルス信号ＴＸを生成する基準パルス生成回路２と、基準パルス生成回路２により生成された基準パルス信号ＴＸに基づいて対象物１９に向かって光を出射する発光素子３と、発光素子３から出射された光の一部を透過し他の一部を反射するカバーパネル４と、対象物１９により反射された対象物反射光Ｌ１とカバーパネル４により反射されたカバーパネル反射光Ｌ２とを受光可能に設けられたフォトンカウンティング型の第１受光部５（第１受光素子）とを備える。基準パルス生成回路２は、生成した基準パルス信号ＴＸをドライバ１６に供給する。ドライバ１６は、基準パルス生成回路２から供給された基準パルス信号ＴＸに基づいて発光素子３をパルス駆動する。

光センサ１には、第１受光部５により受光された対象物反射光Ｌ１及びカバーパネル反射光Ｌ２の少なくとも一方に基づく第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１と基準パルス信号ＴＸとに基づいて、対象物反射光Ｌ１の第１受光部５による受光の有無を判定する対象物判定回路１７（判定回路）が設けられる。

対象物判定回路１７は、基準パルス信号ＴＸの基準周期Ｔｂをｎ等分した（ｎは２以上の整数）第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎのそれぞれにおける第１受光部５からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数をカウントするｎ個のカウンタ７と、発光素子３が基準パルス信号ＴＸに基づいて発光する発光期間Ｔ３に含まれる第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎにおいてｎ個のカウンタ７によりカウントされた第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数を表す第１出力パルス数Ｐ１から、発光素子３が発光しない非発光期間Ｔ４に含まれる第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎにおいてｎ個のカウンタ７によりカウントされた第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数を表す第２出力パルス数Ｐ２を減算した第３出力パルス数Ｐ３を、基準パルス信号ＴＸのｍ通りの異なる周波数条件ごとに算出する第１算出回路８と、第１算出回路８により算出された基準パルス信号ＴＸのｍ通りの異なる周波数条件ごとのｍ通りの第３出力パルス数Ｐ３に基づいて、対象物反射光Ｌ１の第１受光部５による受光の有無を判定する判定回路６とを有する。

光センサ１は、対象物１９との間の距離を測定する実測定期間Ｔ１と、対象物反射光Ｌ１の第１受光部５による受光の有無を判定する判定期間Ｔ２とにおいて動作する。判定期間Ｔ２では、カバーパネル４によるカバーパネル反射光Ｌ２の成分以外の対象物１９による対象物反射光Ｌ１の成分の有無が判定される。そして、対象物反射光Ｌ１の成分が存在しないと判定された場合にクロストーク値が算出されて更新される。判定期間Ｔ２の実施タイミングは光センサ１の使用環境に応じて任意に設定してよい。

基準周期Ｔｂをn等分した第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎは、基準周期Ｔｂの１／ｎ倍の周期のパルス波形より分周して生成する。

第１算出回路８は、発光期間Ｔ３の長さと非発光期間Ｔ４の長さとの間の比率に基づいて、第１出力パルス数Ｐ１から第２出力パルス数Ｐ２を減算した第３出力パルス数Ｐ３を算出する。

光センサ１は、第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎのうちの、カバーパネル反射光Ｌ２に基づく第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１が存在する期間に対応する第３出力パルス数Ｐ３に基づいて、カバーパネル反射光Ｌ２の成分量を表すクロストーク値を算出する第２算出回路９をさらに備える。第２算出回路９は、判定回路６により対象物反射光Ｌ１の第１受光部５による受光が無いと判定されたときに、クロストーク値を算出して更新する。

光センサ１は、第１受光部５よりも発光素子３の近くに配置されてカバーパネル反射光Ｌ２及びセンサパッケージ内部の反射光（発光素子からの直接光を含む）を受光するフォトンカウンティング型の第２受光部１０と、第１受光部５からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１と基準パルス信号ＴＸに基づく基準周期Ｔｂとが入力される第１ＤＬＬ回路１３と、第２受光部１０からの第２受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ２と基準周期Ｔｂとが入力される第２ＤＬＬ回路１４とを含み、対象物１９との間の空間光路上の距離に相当する時間差を抽出する時間差抽出回路１２とをさらに備える。

光センサ１は、実測定期間Ｔ１において、発光期間Ｔ３で外乱光を含む対象物反射光Ｌ１及びカバーパネル反射光Ｌ２を受光した第１受光部５からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数を表す第４出力パルス数Ｐ４から、非発光期間Ｔ４で外乱光を受光した第１受光部５からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数を表す第５出力パルス数Ｐ５を減算した第６出力パルス数Ｐ６を算出する第３算出回路１５と、第３算出回路１５により算出された第６出力パルス数Ｐ６と、時間差抽出回路１２により抽出された時間差と、第２算出回路９により算出されたクロストーク値とに基づいて、対象物１９までの距離を算出する距離算出回路１１とをさらに備える。第４出力パルス数Ｐ４及び第５出力パルス数Ｐ５はカウンタ２０によりカウントされる。

対象物１９は、光センサ１との間の距離を検出するための検出対象物である。但し、対象物１９は、発光素子３から出射された光が向う方向に配置された非検出対象物であってもよい。非検出対象物は、例えば、検出対象物の背後に配置された壁又はタンス等の物体であり得る。

第３算出回路１５は、発光期間Ｔ３の長さと非発光期間Ｔ４の長さとの間の比率に基づいて、第４出力パルス数Ｐ４から第５出力パルス数Ｐ５を減算した第６出力パルス数Ｐ６を算出する。

（実測定期間Ｔ１）
上記構成の光センサ１は、“実測定期間Ｔ１”において、以下のようにして、発光素子３からの光を反射する検知すべき対象物１９までの距離を求める。

まず、光センサ１に設けられた発光素子３及び第１受光部５に係る受発光面の前面近傍にカバーパネル４が存在しない場合について説明する。

発光素子３からパルス光が照射される。そして、検知すべき対象物１９からの対象物反射光Ｌ１が第１受光部５に入射され、光センサ１のパッケージ内部からの反射光（発光素子３からの直接光を含む）が第２受光部１０に入射される。入射された反射光の光量に応じた頻度で、第１受光部５から第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１が出力され、第２受光部１０から第２受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ２が出力される。

これらの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１及び第２受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ２は、空間光路上の距離の差分に相当する時間差を持つパルス信号として時間差抽出回路１２に入力される。第２受光部１０から出力される第２受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ２は空間光路上の距離がほぼ零とみなすことができる。このため、時間差抽出回路１２は、この二つの入力（第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１及び第２受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ２）と、基準パルス生成回路２により生成された基準パルス信号ＴＸの基準周期Ｔｂとを用いて空間光路上の距離に相当する時間差を抽出し、検知すべき対象物１９までの距離を求める。

また、発光素子３からの発光に基づく受光に対して、第１受光部５からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１、第２受光部１０からの第２受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ２は、発光幅内で時間的にランダムに発生する。このため、時間差抽出回路１２には、ＤＬＬ（Delay Locked Loop）回路である第１ＤＬＬ回路１３及び第２ＤＬＬ回路１４を使用する。そして、第１受光部５の受光幅の中心に第１ＤＬＬ回路１３の出力をロックさせ、第２受光部１０の受光幅の中心に第２ＤＬＬ回路１４の出力をロックさせることにより時間差を抽出する。

（第１受光部５の構成）
図２は光センサ１に設けられた第１受光部５の構成を模式的に示す回路図である。ここで、第１受光部５と第２受光部１０との構成は同じであるので、第１受光部５を例に説明する。

第１受光部５は、図２に示すように、フォトダイオードＰＤ１、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１（ＭＯＳトランジスタの抵抗成分）、バッファーＢＵＦ１で構成されたセル２１を複数有している。

フォトダイオードＰＤ１は、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードである。そして、フォトダイオードＰＤ１に入射される入射光の光量が、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１、バッファーＢＵＦ１により、パルス出力（第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１）として取り出される。第１受光部５からのパルス出力は、パルス幅整形回路２２を通過し、パルス幅が一定時間幅ｔ_ｏｃに整形された後、演算器ＯＲ１（図１）でＯＲ演算が行われる。

（第１ＤＬＬ回路１３の構成）
図３は光センサ１の時間差抽出回路１２に設けられた第１ＤＬＬ回路１３の構成を模式的に示す回路図である。第１ＤＬＬ回路１３と第２ＤＬＬ回路１４とは同じ構成であるので、以下では、第１ＤＬＬ回路１３について説明する。第１ＤＬＬ回路１３は、図３に示すように、位相検出器２３、電圧制御遅延回路２４、および、電圧制御遅延回路２４の制御電圧を保持する容量素子ＣＤＬＬを有する。

位相検出器２３には、演算器ＡＮＤ１・ＡＮＤ２及び反転器ＩＮＶ１が設けられる。演算器ＡＮＤ２による演算により、（Ｅ）電圧制御遅延回路２４から供給される遅延信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ＝１、（Ｄ）第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１＝１の時に信号（Ｂ）＝１となり、電流ＩＢが容量ＣＤＬＬに流れる。演算器ＡＮＤ１と反転器ＩＮＶ１との演算により、（Ｅ）遅延信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ＝０、（Ｄ）第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１＝１の時に信号（Ａ）＝１となり、電流ＩＡが容量ＣＤＬＬから流れる。前述の動作によって電圧制御遅延回路２４の入力電圧が容量素子ＣＤＬＬの電圧により決まり、（Ｃ）基準周期Ｔｂ（ｄｕｔｙ５０％）がｔ_{ｄｅｌａｙ}分遅延した波形が（Ｅ）遅延信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥとなる。

（Ｄ）第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１に発光素子３に起因する受光以外の外乱光成分が一様に入っている場合、十分な時間積分では電流ＩＡ＝ＩＢとなるため、外乱光成分を除去することができる。なお、時間差抽出回路１２内の第２ＤＬＬ回路１４についても第１ＤＬＬ回路１３の構成と同様である。

（第１ＤＬＬ回路１３の動作）
図４（ａ）（ｂ）は第１ＤＬＬ回路１３の動作を示す波形図である。第１ＤＬＬ回路１３の動作と第２ＤＬＬ回路１４の動作とは同じであるので、第１ＤＬＬ回路１３の動作を例に説明する。図４（ａ）は第１ＤＬＬ回路１３のロック状態を示す波形図である。

図４（ａ）に示すように、第１受光部５が対象物反射光Ｌ１を受光したときの波形（受光波形）に対して、ランダムに発生した第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の波形を積分した波形が等しく２分される位置に、遅延信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥの立ち上がりエッジが来た場合に、図４（ａ）中のＩＢ積分表示におけるＩＢの積分値と図４（ａ）中のＩＡ積分表示におけるＩＡの積分値とが一致する。このため、この状態がロック状態となる。

（実測定期間Ｔ１における光センサ１の動作）
図５は、光センサ１の実測定期間Ｔ１の動作状態を説明する図であり、（ａ）は第１受光部５からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１を示す波形図であり、（ｂ）は発光期間Ｔ３及び非発光期間Ｔ４における第１受光部５からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１を示す波形図であり、（ｃ）は実測定期間Ｔ１における基準パルス信号ＴＸに基づく光センサ１の動作を説明するための図である。

実測定期間Ｔ１において、発光素子３は発光期間Ｔ３、非発光期間Ｔ４を繰り返している。図５の（ｂ）は実測定期間Ｔ１に含まれる１周期分の第１受光部５からの出力パルスを示し、図５（ａ）は図５（ｂ）の部分拡大図である。図５（ｃ）は実測定期間Ｔ１の動作全体を示している。なお第２受光部１０においても同様に動作する。また、判定期間Ｔ２においても同様に動作する。

実測定期間Ｔ１における発光素子３の発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４とは、図５（ｂ）に示すように、発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４とが、発光期間Ｔ３＞非発光期間Ｔ４となるように設定されている。また光センサ１は図５（ｃ）に示すように実測定期間Ｔ１の全体において、一定の時間比率（発光期間：非発光期間＝Ｔ３：Ｔ４）で実施される期間を１周期として動作が繰り返される。１周期は、発光期間Ｔ３の環境と非発光期間Ｔ４の環境とが変化しない程度に出来るだけ短く設定することが望ましい。第１受光部５から出力される第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１には、反射光成分による出力パルスに加えて、外乱光によるノイズパルスも含まれる。

具体的には、図５（ａ）に示すように、発光期間Ｔ３では、反射光成分による出力パルスと外乱光によるノイズパルスとが混合したパルスが第１受光部５から出力される。そして、非発光期間Ｔ４においては、ノイズパルスのみが第１受光部５から出力される。

図１に示す第３算出回路１５では、実測定期間Ｔ１において、以下のようにカウンタ２０より取得した１周期のパルス数を演算する。発光期間Ｔ３において取得した第４出力パルス数Ｐ４から、非発光期間Ｔ４において取得した第５出力パルス数Ｐ５に所定の時間比（発光期間Ｔ３／非発光期間Ｔ４）の係数を掛けた値を減算する。つまり、第３算出回路１５において、１周期終了時のパルス数（第６出力パルス数Ｐ６）は、
Ｐ４ − （Ｐ５×（Ｔ３／Ｔ４））・・・式１
で求められる。

外乱光等の外的環境の変化に対して、１周期の短い時間に発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４とが連続的に実施される。上記式１の第２項は、ノイズパルスが発光期間Ｔ３においていくつ発生したかを導出している。第４出力パルス数Ｐ４から、第５出力パルス数Ｐ５に所定時間比の係数を掛けた値を減算することで、発光期間Ｔ３における反射光によるパルスのみを求めることができる。

また発光期間Ｔ３＞非発光期間Ｔ４と設定することが望ましい。これにより、１周期における発光素子３がパルス発光を繰り返している発光期間Ｔ３の１周期に対する比率を上げることができるので、ノイズパルスのみが発生する非発光期間Ｔ４による時間のロスを低減できる。

実測定期間Ｔ１内においてｎ周期実施され、ｎ周期終了時における第３算出回路１５による第６出力パルス数Ｐ６は、下記式２で演算される。

ここでＰ４＿ｋはｋ周期目の発光期間Ｔ３において取得した第４出力パルス数Ｐ４を示し、Ｐ５＿ｋはｋ周期目の非発光期間Ｔ４において取得した第５出力パルス数Ｐ５を示す。第３算出回路１５により、パルス数が加算されていくことで、ｎ周期終了時における反射光成分による出力パルス数（第６出力パルス数Ｐ６）が演算される。

次に、光センサ１に設けられた発光素子３及び第１受光部５に係る受発光面の前面近傍にカバーパネル４が存在する場合について説明する。

図４（ｂ）は、第１ＤＬＬ回路１３のロック状態の波形図である。図４（ｂ）に示すように、第１受光部５が受光したときの波形（受光波形）は、カバーパネル４からのカバーパネル反射光Ｌ２の成分と検知すべき対象物１９からの対象物反射光Ｌ１の成分との２つの波形を含み、空間光路上の距離の差分に相当する時間分ずれて上記２つの波形が出力される。

受光波形に対して時間的にランダムに発生した第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の波形を積分した波形が等しく２分される位置に遅延信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥの立ち上がりエッジが来た場合に図４（ｂ）中のＩＢ積分表示におけるＩＢの積分値と図４（ｂ）中のＩＡ積分表示におけるＩＡの積分値とが一致する。このため、この状態がロック状態となる。

第２受光部１０が受光したときの波形（受光波形）は、カバーパネル４からのカバーパネル反射光Ｌ２の成分と、光センサ１のパッケージ内部からの反射光成分（直接光を含む）の２つの波形があるが、空間光路上の距離はともにほぼ零に等しい為、図４（ａ）の受光波形に等しい。

図４（ｂ）は、カバーパネル４からのカバーパネル反射光Ｌ２の成分と検知すべき対象物１９からの対象物反射光Ｌ１の成分との大小によって、第１ＤＬＬ回路１３のロック状態の遅延信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥの立ち上がりエッジ位置が異なる（第２ＤＬＬ回路１４のロック状態の位置は等しい）ことを意味しており、正しい時間差抽出を行えない。

正しい時間差抽出のためには、カバーパネル４が無いときの第１ＤＬＬ回路１３のロック状態の位置を推測する必要がある。その為には、第３算出回路１５により算出した反射光成分（カバーパネル４によるカバーパネル反射光Ｌ２の成分と対象物１９による対象物反射光Ｌ１の成分とを含む）による第６出力パルス数Ｐ６と、カバーパネル４からのカバーパネル反射光Ｌ２の成分のカウント値（クロストーク値）とを知る必要がある。

後述する、“判定期間”において、判定回路６でクロストーク値を更新可能と判断された場合に、事前に保持しているクロストーク値を更新することで、カバーパネル４の最新の状態でのクロストーク値を使用することができる。

（判定期間Ｔ２における光センサ１の動作）
カバーパネル４からのカバーパネル反射光Ｌ２の成分に対応するカウント値（クロストーク値）は、第１受光部５の前にカバーパネル４からのカバーパネル反射光Ｌ２の成分以外の反射光成分が何も無い状態にして、反射光成分の第１受光部５からのＳＰＡＤ出力パルス数を一定期間カウントすることで求められる。

ｎ個のカウンタ７の個数が４個であり、基準パルス信号ＴＸのｍ通りの異なる周波数条件が、ｍ＝３である場合を説明する。まず、第１受光部５の前にはカバーパネル４以外の対象物が存在しない場合の、３通りの周波数条件の内、ある１つの条件の発光期間Ｔ３における動作を考える。

図６（ａ）（ｂ）は光センサ１に設けられた４個のカウンタ７の判定期間Ｔ２における動作を説明するための波形図である。カバーパネル４以外の対象物は第１受光部５の前に存在しない状態の説明を行う。

図１に図示した光センサ１に備えられた基準パルス生成回路２は、判定期間Ｔ２に含まれる発光期間Ｔ３において、基準パルス信号ＴＸをドライバ１６に与える。そして、発光素子３は、実測定期間Ｔ１と同様にドライバ１６によりパルス光を発光する。なお、基準パルス生成回路２がドライバ１６に出力する基準パルス信号ＴＸの周期と、基準パルス生成回路２が時間差抽出回路１２に出力する基準周期Ｔｂとは、同一周期であってもよい。本実施形態においては、基準パルス信号ＴＸの周期と基準周期Ｔｂは同一周期としている。

図６（ａ）に図示されているように、カバーパネル反射光Ｌ２の成分（第１受光部５の受光波形）は、基準パルス信号ＴＸの受信遅延による発光素子３の発光遅延が生じる為、基準パルス信号ＴＸに対して一定時間遅れた波形になる。

本実施形態では、カバーパネル反射光Ｌ２の成分が、第１期間ｔ１、第２期間ｔ２内に受光されるように、また第３期間ｔ３、第４期間ｔ４には受光されないように、基準パルス信号ＴＸの幅を調整している。

基準パルス生成回路２から得られる、基準周期Ｔｂと同一周期を有する基準パルス信号ＴＸの各周期（第１周期・第２周期・第３周期・第４周期・・・）を４等分した各期間（第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４）において、第１期間がＨｉｇｈ電圧になる波形Ｗ１と、第２期間がＨｉｇｈ電圧になる波形Ｗ２と、第３期間がＨｉｇｈ電圧になる波形Ｗ３と、第４期間がＨｉｇｈ電圧になる波形Ｗ４とを用い、各期間ｔ１〜ｔ４における、第１受光部５から出力される第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１を４個のカウンタ７（第１〜第４カウンタ）でカウントする。

なお、上記基準周期Ｔｂを４等分した第１期間ｔ１から第４期間ｔ４の各分割期間波形（波形Ｗ１〜Ｗ４）は、上記基準周期Ｔｂの１／４倍の周期のパルスより分周し生成することで、第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４を均等な期間にすることができる。

基準周期Ｔｂの１／４倍のパルス波形を図６（ｂ）に示される演算器ＤＦＦ１に入力することで、基準周期Ｔｂの１／４倍のパルス波形のデューティ（ｄｕｔｙ）に依存することなく、ｄｕｔｙ５０％の基準周期Ｔｂの１／２倍のパルス波形を生成可能である。基準周期Ｔｂの１／２倍のパルス波形はＨｉｇｈ期間とＬｏｗ期間とが均等な期間である為、各Ｈ、Ｌ期間に対して第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４を割り当てることで第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４を均等な期間にすることができる。

図６（ａ）において、第１受光部５から出力される第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１には、第１受光部５の受光波形に同期したパルス（発光素子３によるカバーパネル４からのカバーパネル反射光Ｌ２によるパルス）と、外乱光や熱的に発生したキャリアにより発生した第１受光部５の受光波形に同期しないノイズパルスとが含まれる。

図７（ａ）は４個のカウンタ７により判定期間Ｔ２に含まれる発光期間Ｔ３においてカウントされた第１出力パルス数Ｐ１を示すヒストグラムであり、（ｂ）は４個のカウンタ７により判定期間Ｔ２に含まれる非発光期間Ｔ４においてカウントされた第２出力パルス数Ｐ２を示すヒストグラムであり、（ｃ）は第１出力パルス数Ｐ１から第２出力パルス数Ｐ２を減算した第３出力パルス数Ｐ３を示すヒストグラムである。

図７（ａ）に示されているように、このヒストグラムは、判定期間Ｔ２に含まれる発光期間Ｔ３の各周期における第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４でのカウント値（第１出力パルス数Ｐ１）を示す。第１受光部５の受光波形に同期したパルスとノイズパルスとを区別することはできないが、ノイズパルスは、受光波形が得られる期間、得られない期間共に、各期間に均等に発生するのに対し、受光波形に同期したパルスは、受光波形が得られる第１期間ｔ１および第２期間ｔ２のみに発生する。このため、第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４におけるカウント値は、第１期間ｔ１、第２期間ｔ２におけるカウント値が、第３期間ｔ３、第４期間ｔ４におけるカウント値と比較して大きなカウント値になる。

次に、第１受光部５の前にはカバーパネル４以外の対象物が存在しない場合の、３つの周波数条件のうちのある１条件における非発光期間Ｔ４での動作を考える。

図７（ｂ）は、非発光期間Ｔ４において光センサ１に備えられた対象物判定回路１７におけるカウンタ値のヒストグラムを示す。非発光期間Ｔ４においては図６（ａ）に示されるドライバ１６への基準パルス信号ＴＸをＬｏｗに固定し、発光素子３を発光させずに、発光期間Ｔ３と同様の動作を行う。発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４との比率は任意である。図７（ｂ）は発光期間Ｔ３＝非発光期間Ｔ４の場合を示している。

図示されているように、このヒストグラムは、判定期間Ｔ２に含まれる非発光期間Ｔ４における第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４におけるカウント値（第２出力パルス数Ｐ２）を示す。第１受光部５の受光波形に同期したパルスは存在しない為、ノイズパルスのみが各期間ｔ１〜ｔ４に均等に発生する。

上記発光素子３の発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４との比率に基づき、図７（ａ）のカウント値から、図７（ｂ）のカウント値を減算し（第３出力パルス数Ｐ３）、カバーパネル４以外の対象物が無い場合においては、カバーパネル４によるカバーパネル反射光Ｌ２の成分がある第１期間ｔ１、第２期間ｔ２に対して、上記減算結果の和を取ることで、カバーパネル４によるカバーパネル反射光Ｌ２の成分のカウント値（受光波形に同期したパルスカウント値、クロストーク値）を算出することが可能となる。

なお、図６（ａ）の第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４の繰り返しによるカウント取得期間は約２ミリ秒（ｍｓ）であり、第１受光部５の受光波形はその周期が２０ナノ秒（ｎｓ）である、従って、上記カウント取得期間には、上記第１受光部５の受光波形の約１０００００周期が含まれる。

図６（ａ）においては説明の容易化の為、第１受光部５から出力される第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の検出頻度が実際よりも高いように描いているが、実際にカバーパネル４によるカバーパネル反射光Ｌ２の成分に基づく第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の検出頻度は、上記の繰り返しによるカウント取得期間の２ｍｓで数１０カウント程度にとどまる。検知すべき対象物１９が存在する場合は、対象物１９による対象物反射光Ｌ１の成分に基づく第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の検出頻度は、対象物１９までの距離に依存して零カウント〜数千カウント程度となる。測定精度向上の為、第１期間ｔ１〜第４期間ｔ４に係るカウント取得期間（２ｍｓ）を複数回繰り返し、各期間ｔ１〜ｔ４において、複数回繰り返して取得したカウント値の平均値を使用してもよい。

上記クロストーク値の算出方法は、カバーパネル４以外の対象物１９が存在しない場合には有効であるが、対象物１９が存在する場合において正しい値にならない場合がある。

以下、第１受光部５の前に、カバーパネル４以外に対象物１９がある場合の、３つの周波数条件のうちのある１条件における動作を考える。

図８は判定期間Ｔ２における反射光成分を説明するための波形図である。図８は、カバーパネル反射光Ｌ２の成分に加えて、対象物１９からの対象物反射光Ｌ１の成分が第２期間ｔ２と第３期間ｔ３にある場合を示す。

図９（ａ）は対象物反射光Ｌ１が第１受光部５に受光されているときの第１出力パルス数Ｐ１を示すヒストグラムであり、（ｂ）は第２出力パルス数Ｐ２を示すヒストグラムであり、（ｃ）は第１出力パルス数Ｐ１から第２出力パルス数Ｐ２を減算した第３出力パルス数Ｐ３を示すヒストグラムである。

発光期間Ｔ３での対象物判定回路１７におけるカウンタ値のヒストグラムが図９（ａ）に示され、非発光期間Ｔ４での対象物判定回路１７におけるカウンタ値のヒストグラムが図９（ｂ）に示される。

非発光期間Ｔ４においては図８のドライバ１６への基準パルス信号ＴＸをＬｏｗに固定し、発光素子３を発光させずに、発光期間Ｔ３と同様の動作を行う。発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４との比率は任意である。図９は発光期間Ｔ３＝非発光期間Ｔ４の場合を示している。

上記発光素子３の発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４との比率に基づき、図９（ａ）に示されるカウント値から、図９（ｂ）に示されるカウント値を減算し（第３出力パルス数Ｐ３）、カバーパネル４によるカバーパネル反射光Ｌ２の成分が存在する第１期間ｔ１、第２期間ｔ２に対して、上記減算結果の和を取っても、第２期間ｔ２においては、カバーパネル反射光Ｌ２のカウント値と対象物反射光Ｌ１のカウント値とが混ざっており分離することができない。このため、カバーパネル反射光Ｌ２の成分のカウント値（クロストーク値）を正しく算出することができず、第２期間ｔ２の対象物反射光Ｌ１の成分のカウント値の分だけ大きな値を算出してしまう。

対象物反射光Ｌ１の成分が第２期間ｔ２と第３期間ｔ３とに存在する場合においては、正しいクロストーク値を算出することはできないが、カバーパネル反射光Ｌ２の成分を含まない第３期間ｔ３、第４期間ｔ４のうちの、第３期間ｔ３の減算結果が有限の値（第３期間ｔ３の対象物反射光Ｌ１の成分のカウント値）であることから、その値が一定数以上（≧Ｘ）であるか否かを対象物判定回路１７内の判定回路６で判定することにより、カバーパネル４以外の対象物１９の有無を判定出来る。このため、算出したクロストーク値が正しい値かどうかを判断することはできる。一定数とは、カバーパネル反射光Ｌ２の成分のカウント値（クロストーク値）に対して十分小さい値とする。

図１０は判定期間Ｔ２における反射光成分を説明するための他の波形図である。図１１（ａ）は対象物反射光Ｌ１が第１受光部５に受光されているときの第１出力パルス数Ｐ１を示す他のヒストグラムであり、（ｂ）は第２出力パルス数Ｐ２を示す他のヒストグラムであり、（ｃ）は第１出力パルス数Ｐ１から第２出力パルス数Ｐ２を減算した第３出力パルス数Ｐ３を示す他のヒストグラムである。

次に、カバーパネル反射光Ｌ２の成分に加えて、対象物反射光Ｌ１の成分が第１期間ｔ１と第２期間ｔ２とに存在する場合を考える。そして、基準パルス信号ＴＸに対する、対象物反射光Ｌ１の成分の遅延が、一周期以上（空間光路上の遅延が２０ｎｓ以上）ある場合を考える。一周期以内の場合においては、対象物１９までの距離が十分近距離である為、第１期間ｔ１、第２期間ｔ２におけるカウンタ７のカウント値は、カバーパネル反射光Ｌ２のみの成分のカウント値のオーダーに対し、非常に大きな値となる。このため、対象物１９が存在すると判定可能である。

発光期間Ｔ３において対象物判定回路１７におけるカウンタ値のヒストグラムは図１１（ａ）に示され、非発光期間Ｔ４において対象物判定回路１７におけるカウンタ値のヒストグラムは図１１（ｂ）に示される。

非発光期間Ｔ４においては図１０のドライバ１６への基準パルス信号ＴＸをＬｏｗに固定し、発光素子３を発光させずに、発光期間Ｔ３と同様の動作を行う。発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４との比率は任意である。図１１は発光期間Ｔ３＝非発光期間Ｔ４の場合を示す。発光素子３の発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４との比率に基づき、図１１（ａ）のカウント値から、図１１（ｂ）のカウント値を減算し（第３出力パルス数Ｐ３）、カバーパネル反射光Ｌ２の成分が存在する第１期間ｔ１、第２期間ｔ２に対して、上記減算結果の和を取っても、第１期間ｔ１、第２期間ｔ２において、カバーパネル反射光Ｌ２のカウント値と対象物反射光Ｌ１の成分のカウント値とが混ざっており分離することができない。このため、カバーパネル反射光Ｌ２の成分のカウント値（クロストーク値）を正しく算出することができず、対象物反射光Ｌ１の成分のカウント値の分だけ大きな値を算出してしまう。

対象物反射光Ｌ１の成分が第１期間ｔ１と第２期間ｔ２とに存在する場合においては、正しいクロストーク値を算出することができず、また、カバーパネル反射光Ｌ２の成分を含まない第３期間ｔ３、第４期間ｔ４の減算結果も反射光成分無しであることから、その値が一定数Ｘ未満である。このため、対象物判定回路１７内の判定回路６でカバーパネル４以外の対象物１９が存在しないと判定され、算出したクロストーク値が正しいと誤判断してしまう問題がある。

（周波数条件）
上記問題については、ｍ種類の（ｍ≧２）周波数条件に対して同様の動作を行うことで、誤判定を防ぐことができる。

ｍ＝３の場合を説明する。図１２は、３条件の周波数条件の内の１つ（周波数通常設定時＿条件１）が、図１０の場合（カバーパネル反射光Ｌ２の成分に加えて対象物反射光Ｌ１の成分が第１期間ｔ１と第２期間ｔ２とに存在する場合）において、周波数を＋２５％に設定した場合（条件２）と、周波数を−２５％に設定した場合（条件３）とについて示した図である。

カバーパネル反射光Ｌ２の成分は、３条件のいずれの周波数においても第１期間ｔ１、第２期間ｔ２に受光され、第３期間ｔ３、第４期間ｔ４には受光されないように、基準パルス信号ＴＸのパルス幅が調整されているものとする。

対象物反射光Ｌ１の成分の、基準パルス信号ＴＸに対する遅延時間は、周波数を変更しても変わらない。即ち、基準パルス信号ＴＸの受信遅延による発光素子３の発光遅延と、対象物反射光Ｌ１の成分の空間光路上の遅延時間との間の関係は、周波数に依存せず変化しない。このため、周波数が通常設定時（条件１）において、対象物反射光Ｌ１の成分が第１期間ｔ１と第２期間ｔ２とで受光された場合、周波数＋２５％時（条件２）において、対象物反射光Ｌ１の成分が第２期間ｔ２と第３期間ｔ３とで受光され、周波数−２５％時（条件３）において、対象物反射光Ｌ１の成分が第１期間ｔ１と第４期間ｔ４とで受光される。

カバーパネル反射光Ｌ２の成分を含まない第３期間ｔ３、第４期間ｔ４の内、周波数＋２５％時において、第３期間ｔ３での減算結果が有限の値（第３期間ｔ３での対象物反射光Ｌ１の成分のカウント値）になる。そして、周波数−２５％時において、第４期間ｔ４での減算結果が有限の値（第４期間ｔ４での対象物反射光Ｌ１の成分のカウント値）になる。このため、３種類の周波数条件下での測定それぞれに対して、第３期間ｔ３、第４期間ｔ４での減算結果の和が一定値以上（≧Ｘ１…≧Ｘ３（条件により異なる。周波数により測定時間が異なる為））であるか否かを対象物判定回路１７内の判定回路６で判定すれば、周波数＋２５％時と−２５％時において対象物が存在すると、正しく判定することができる。ここで、一定値とは、カバーパネル反射光Ｌ２の成分のカウント値（クロストーク値）に対して十分小さい値とする。

周波数３条件のいずれにおいても対象物が存在しないと判定された場合において、第１期間ｔ１、第２期間ｔ２での減算結果の値から、カバーパネル反射光Ｌ２の成分のカウント値（クロストーク値）を算出することができる。

クロストーク値を算出する際には、３種類の周波数条件のうちのどの周波数条件の結果を用いても、カウント値を測定した時間を、基準パルス信号ＴＸのパルス幅から時間換算すれば、実測定期間Ｔ１において使用するクロストーク値を算出可能である。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図１３〜図１４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図１３は、実施形態２に係る光センサの発光期間Ｔ３及び非発光期間Ｔ４を示す図である。実施形態１に比べて、発光期間Ｔ３を複数の期間に分割し、非発光期間Ｔ４を複数の期間に分割して実施している点が異なり、その他の構成は実施形態１と同様である。

実施形態２では、図１３に示すように、発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４とがそれぞれ分割されて交互に実施される。具体的には、発光期間Ｔ３は、判定期間Ｔ２において、三つの発光期間Ｔ３−１・Ｔ３−２・Ｔ３−３に分割される。非発光期間Ｔ４は二つの非発光期間Ｔ４−１・Ｔ４−２に分割される。分割された発光期間Ｔ３−１・Ｔ３−２・Ｔ３−３と非発光期間Ｔ４−１・Ｔ４−２とは図１３に示すように交互に実施される。

発光期間Ｔ３の合計は（Ｔ３＝（Ｔ３−１）＋（Ｔ３−２）＋（Ｔ３−３））である。非発光期間Ｔ４の合計は（Ｔ４＝（Ｔ４−１）＋（Ｔ４−２））である。判定期間Ｔ２における発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４との間の比率は所定の時間比で決定される。

発光期間Ｔ３での測定間隔と非発光期間Ｔ４での測定間隔とは、外乱光環境下における測定精度向上の為、測定環境が変化しない程度に出来るだけ短く設定することが望ましい。

このように発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４とを分割して測定を実施することにより、実施形態１の判定期間Ｔ２での各周波数条件において、発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４とを分割せずに１回ずつ実施する場合よりも、発光期間Ｔ３と非発光期間Ｔ４の各測定時間をより短くすることが可能になる。

図１４（ａ）〜（ｄ）は光センサ１の開始発光期間Ｔ３ｓ、終了発光期間Ｔ３ｅ、開始非発光期間Ｔ４ｓ、終了非発光期間Ｔ４ｅを説明するための図である。

分割して実施する際、図１４（ａ）に示すように、発光期間から開始する時においては、発光期間で終了とし、図１４（ｂ）に示すように、非発光期間から開始する時においては、非発光期間で終了とすることで、外乱光量が時間的にリニアに変化する環境下における測定精度を向上させることができる。

このように、判定期間Ｔ２において、発光期間Ｔ３が、最初に実施される開始発光期間Ｔ３ｓと、最後に実施される終了発光期間Ｔ３ｅとの少なくとも二つに分割して実施されるか、又は、非発光期間Ｔ４が、最初に実施される開始非発光期間Ｔ４ｓと、最後に実施される終了非発光期間Ｔ４ｅとの少なくとも二つに分割して実施される。

図１４（ａ）において、発光期間Ｔ３ｓ、発光期間Ｔ３ｅの合計時間が非発光期間Ｔ４に等しい場合を考える。外乱光強度が図１４（ｃ）に示す状態Ａの場合において、発光期間Ｔ３ｓでの外乱光によるノイズパルス発生頻度は低く、発光期間Ｔ３ｅでの外乱光によるノイズパルス発生頻度は高い。非発光期間Ｔ４での外乱光によるノイズパルス発生頻度は、発光期間Ｔ３ｓと発光期間Ｔ３ｅとの中間値になる。このため、発光期間Ｔ３ｓ・Ｔ３ｅにおけるカウント値から非発光期間Ｔ４におけるカウント値を減算した結果において、外乱光によるノイズパルス成分に基づくカウント値を除去することができる。

外乱光強度が図１４（ｄ）に示す状態Ｂの場合において、発光期間Ｔ３ｓでの外乱光によるノイズパルス発生頻度は高く、発光期間Ｔ３ｅでの外乱光によるノイズパルス発生頻度は低い。非発光期間Ｔ４での外乱光によるノイズパルス発生頻度は、発光期間Ｔ３ｓと発光期間Ｔ３ｅとの中間値になる。このため、状態Ａと同様に、発光期間Ｔ３ｓ・Ｔ３ｅにおけるカウント値から非発光期間Ｔ４におけるカウント値を減算した結果において、外乱光によるノイズパルス成分に基づくカウント値を除去することができる。

発光期間と非発光期間を入れ替えた図１４（ｂ）の場合においても同様の効果があることは自明である。

〔実施形態３〕
図１５（ａ）は実施形態３に係るスマートフォン３０の外観を示す斜視図であり、（ｂ）はスマートフォン３０の正面図である。実施形態１及び２に係る光センサ１はスマートフォン３０（電子機器）に備えることができる。スマートフォン３０は、対象物を撮像するカメラ３１と、カメラ３１により撮像される対象物を照明するためのフラッシュ３３と、カメラ３１により撮像される対象物までの距離を検知する光センサ（ＴＯＦセンサ）１とを備える。これにより、カメラ３１のオートフォーカス機能に必要な、対象物までの距離を正確に検知することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光センサ１は、基準パルス信号ＴＸを生成する基準パルス生成回路２と、前記基準パルス生成回路２により生成された基準パルス信号ＴＸに基づいて対象物１９に向かって光を出射する発光素子３と、前記発光素子３から出射された光の一部を透過し他の一部を反射するカバーパネル４と、前記対象物１９により反射された対象物反射光Ｌ１と前記カバーパネル４により反射されたカバーパネル反射光Ｌ２とを受光可能に設けられたフォトンカウンティング型の第１受光素子（第１受光部５）と、前記第１受光素子（第１受光部５）により受光された対象物反射光Ｌ１及びカバーパネル反射光Ｌ２の少なくとも一方に基づく第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１と前記基準パルス信号ＴＸとに基づいて、前記対象物反射光Ｌ１の前記第１受光素子（第１受光部５）による受光の有無を判定する判定回路（対象物判定回路１７）とを備える。

上記の構成によれば、第１受光素子により受光された対象物反射光及びカバーパネル反射光の少なくとも一方に基づく第１受光パルス信号と基準パルス信号とに基づいて、対象物反射光の第１受光素子による受光の有無が判定される。このため、対象物反射光の第１受光素子による受光が無しと判定されたときに、カバーパネル反射光の成分量を表すクロストーク値を適切に更新して、対象物との間の距離を飛行時間計測に基づいて適切に測定することができる。

本発明の態様２に係る光センサ１は、上記態様１において、前記判定回路（対象物判定回路１７）が、前記基準パルス信号ＴＸの基準周期Ｔｂをｎ等分した（ｎは２以上の整数）第１期間から第ｎ期間のそれぞれにおける前記第１受光素子（第１受光部５）からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数をカウントするｎ個のカウンタ７と、前記発光素子３が前記基準パルス信号ＴＸに基づいて発光する発光期間Ｔ３の前記第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎにおいて前記ｎ個のカウンタ７によりカウントされた前記第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数を表す第１出力パルス数Ｐ１から、前記発光素子３が発光しない非発光期間Ｔ４の前記第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎにおいて前記ｎ個のカウンタ７によりカウントされた前記第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数を表す第２出力パルス数Ｐ２を減算した第３出力パルス数Ｐ３を、前記基準パルス信号ＴＸのｍ通りの異なる周波数条件ごとに算出する第１算出回路８とを有し、前記判定回路（対象物判定回路１７）が、前記第１算出回路８により算出された前記基準パルス信号ＴＸのｍ通りの異なる周波数条件ごとのｍ通りの第３出力パルス数Ｐ３に基づいて、前記対象物反射光Ｌ１の前記第１受光素子（第１受光部５）による受光の有無を判定してもよい。

上記の構成によれば、ｍ通りの異なる周波数条件ごとに第１受光パルス信号の個数をカウントすることにより、対象物反射光の第１受光素子による受光の有無を判定することができる。

本発明の態様３に係る光センサ１は、上記態様２において、前記基準周期Ｔｂをｎ等分した第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎは、前記基準周期Ｔｂの１／ｎ倍の周期のパルス波形より分周して生成してもよい。

上記の構成によれば、基準周期Ｔｂをｎ等分した第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎを容易に生成することができる。

本発明の態様４に係る光センサ１は、上記態様２において、前記第１算出回路８が、前記発光期間Ｔ３の長さと前記非発光期間Ｔ４の長さとの間の比率に基づいて、前記第１出力パルス数Ｐ１から前記第２出力パルス数Ｐ２を減算した前記第３出力パルス数Ｐ３を算出してもよい。

上記の構成によれば、発光期間の長さと非発光期間の長さとの間の比率を考慮して対象物反射光の第１受光素子による受光の有無を判定することができる。

本発明の態様５に係る光センサ１は、上記態様２において、前記対象物１９との間の距離を測定する実測定期間Ｔ１と、前記対象物反射光Ｌ１の前記第１受光素子（第１受光部５）による受光の有無を判定する判定期間Ｔ２とにおいて動作し、前記判定期間Ｔ２において、前記発光期間Ｔ３が、最初に実施される開始発光期間Ｔ３ｓと、最後に実施される終了発光期間Ｔ３ｅとの少なくとも二つに分割して実施されるか、又は、前記非発光期間Ｔ４が、最初に実施される開始非発光期間Ｔ４ｓと、最後に実施される終了非発光期間Ｔ４ｅとの少なくとも二つに分割して実施されてもよい。

上記の構成によれば、外乱光の量が時間的にリニアに変化する環境での測定精度を向上させることができる。

本発明の態様６に係る光センサ１は、上記態様２において、前記第１期間ｔ１から第ｎ期間ｔｎのうちの、前記カバーパネル反射光Ｌ２に基づく第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１が存在する期間に対応する前記第３出力パルス数Ｐ３に基づいて、前記カバーパネル反射光Ｌ２の成分量を表すクロストーク値を算出する第２算出回路９をさらに備えてもよい。

上記の構成によれば、カバーパネル反射光の成分量を表すクロストーク値を適切に更新することができる。

本発明の態様７に係る光センサ１は、上記態様６において、前記判定回路（対象物判定回路１７）により前記対象物反射光Ｌ１の前記第１受光素子（第１受光部５）による受光が無いと判定されたときに、前記第２算出回路９が前記クロストーク値を算出して更新してもよい。

上記の構成によれば、クロストーク値が適切に更新されるため、対象物との間の距離を飛行時間計測に基づいて適切に測定することができる。

本発明の態様８に係る光センサ１は、上記態様６において、前記第１受光素子（第１受光部５）よりも前記発光素子３の近くに配置されて、前記カバーパネル反射光Ｌ２、センサパッケージ内部の反射光、及び、前記発光素子３からの直接光を受光するフォトンカウンティング型の第２受光素子（第２受光部１０）と、前記第１受光素子（第１受光部５）からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１と前記基準パルス信号ＴＸに基づく基準周期Ｔｂとが入力される第１ＤＬＬ回路１３と、前記第２受光素子（第２受光部１０）からの第２受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ２と前記基準周期Ｔｂとが入力される第２ＤＬＬ回路１４とを含み、前記対象物１９との間の空間光路上の距離に相当する時間差を抽出する時間差抽出回路１２とをさらに備え、前記光センサ１が、前記対象物１９との間の距離を測定する実測定期間Ｔ１と、前記対象物反射光Ｌ１の前記第１受光素子（第１受光部５）による受光の有無を判定する判定期間Ｔ２とにおいて動作し、前記実測定期間Ｔ１において、前記発光期間Ｔ３における前記第１受光素子（第１受光部５）からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数を表す第４出力パルス数Ｐ４から、前記非発光期間Ｔ４における前記第１受光素子（第１受光部５）からの第１受光パルス信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の個数を表す第５出力パルス数Ｐ５を減算した第６出力パルス数Ｐ６を算出する第３算出回路１５と、前記第３算出回路１５により算出された第６出力パルス数Ｐ６と、前記時間差抽出回路１２により抽出された時間差と、前記第２算出回路９により算出されたクロストーク値とに基づいて、前記対象物１９までの距離を算出する距離算出回路１１とをさらに備えてもよい。

上記の構成によれば、分解能の点で有利なＤＬＬ方式を用いて、対象物との間の距離を飛行時間計測に基づいて適切に測定することができる。

本発明の態様９に係る光センサ１は、上記態様１において、前記対象物１９が、前記光センサ１との間の距離を検出するための検出対象物と、前記発光素子３から出射された光が向う方向に配置された非検出対象物とを含んでもよい。

上記の構成によれば、検出対象物による反射光のみならず、非検出対象物による反射光の影響も排除してクロストーク値を適切に更新することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ 光センサ
２ 基準パルス生成回路
３ 発光素子
４ カバーパネル
５ 第１受光部（第１受光素子）
６ 判定回路
７ カウンタ
８ 第１算出回路
９ 第２算出回路
１０ 第２受光部（第２受光素子）
１１ 距離算出回路
１２ 時間差抽出回路
１３ 第１ＤＬＬ回路
１４ 第２ＤＬＬ回路
１５ 第３算出回路
１７ 対象物判定回路（判定回路）
１９ 対象物
３０ スマートフォン（電子機器）
Ｌ１ 対象物反射光
Ｌ２ カバーパネル反射光
Ｔ１ 実測定期間
Ｔ２ 判定期間
Ｔ３ 発光期間
Ｔ３ｓ 開始発光期間
Ｔ３ｅ 終了発光期間
Ｔ４ 非発光期間
Ｔ４ｓ 開始非発光期間
Ｔ４ｅ 終了非発光期間
ｔ１ 第１期間
ｔ２ 第２期間
ｔ３ 第３期間
ｔ４ 第４期間
ＴＸ 基準パルス信号
ＳＰＡＤ＿ＳＧ１ 第１受光パルス信号
ＳＰＡＤ＿ＳＧ２ 第２受光パルス信号
Ｐ１ 第１出力パルス数
Ｐ２ 第２出力パルス数
Ｐ３ 第３出力パルス数

Claims (9)

1. 基準パルス信号を生成する基準パルス生成回路と、
   前記基準パルス生成回路により生成された基準パルス信号に基づいて対象物に向かって光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光の一部を透過し他の一部を反射するカバーパネルと、
   前記対象物により反射された対象物反射光と前記カバーパネルにより反射されたカバーパネル反射光とを受光可能に設けられたフォトンカウンティング型の第１受光素子と、
   前記第１受光素子により受光された対象物反射光及びカバーパネル反射光の少なくとも一方に基づく第１受光パルス信号と前記基準パルス信号とに基づいて、前記対象物反射光の前記第１受光素子による受光の有無を判定する判定回路とを備え、
   前記判定回路が、前記基準パルス信号の基準周期をｎ等分した（ｎは２以上の整数）第１期間から第ｎ期間のそれぞれにおける前記第１受光素子からの第１受光パルス信号の個数をカウントするｎ個のカウンタと、
   前記発光素子が前記基準パルス信号に基づいて発光する発光期間の前記第１期間から第ｎ期間において前記ｎ個のカウンタによりカウントされた前記第１受光パルス信号の個数を表す第１出力パルス数から、前記発光素子が発光しない非発光期間の前記第１期間から第ｎ期間において前記ｎ個のカウンタによりカウントされた前記第１受光パルス信号の個数を表す第２出力パルス数を減算した第３出力パルス数を、前記基準パルス信号のｍ通りの異なる周波数条件ごとに算出する第１算出回路とを有し、
   前記判定回路が、前記第１算出回路により算出された前記基準パルス信号のｍ通りの異なる周波数条件ごとのｍ通りの第３出力パルス数に基づいて、前記対象物反射光の前記第１受光素子による受光の有無を判定する光センサ。
2. 前記基準周期をｎ等分した第１期間から第ｎ期間は、前記基準周期の１／ｎ倍の周期のパルス波形より分周して生成する請求項１に記載の光センサ。
3. 前記第１算出回路が、前記発光期間の長さと前記非発光期間の長さとの間の比率に基づいて、前記第１出力パルス数から前記第２出力パルス数を減算した前記第３出力パルス数を算出する請求項１に記載の光センサ。
4. 前記光センサが、前記対象物との間の距離を測定する実測定期間と、前記対象物反射光の前記第１受光素子による受光の有無を判定する判定期間とにおいて動作し、
   前記判定期間において、前記発光期間が、最初に実施される開始発光期間と、最後に実施される終了発光期間との少なくとも二つに分割して実施されるか、又は、前記非発光期間が、最初に実施される開始非発光期間と、最後に実施される終了非発光期間との少なくとも二つに分割して実施される請求項１に記載の光センサ。
5. 前記第１期間から第ｎ期間のうちの、前記カバーパネル反射光に基づく第１受光パルス信号が存在する期間に対応する前記第３出力パルス数に基づいて、前記カバーパネル反射光の成分量を表すクロストーク値を算出する第２算出回路をさらに備える請求項１に記載の光センサ。
6. 前記判定回路により前記対象物反射光の前記第１受光素子による受光が無いと判定されたときに、前記第２算出回路が前記クロストーク値を算出して更新する請求項５に記載の光センサ。
7. 前記第１受光素子よりも前記発光素子の近くに配置されて、前記カバーパネル反射光、センサパッケージ内部の反射光、及び、前記発光素子からの直接光を受光するフォトンカウンティング型の第２受光素子と、
   前記第１受光素子からの第１受光パルス信号と前記基準パルス信号に基づく基準周期とが入力される第１ＤＬＬ回路と、前記第２受光素子からの第２受光パルス信号と前記基準周期とが入力される第２ＤＬＬ回路とを含み、前記対象物との間の空間光路上の距離に相当する時間差を抽出する時間差抽出回路とをさらに備え、
   前記光センサが、前記対象物との間の距離を測定する実測定期間と、前記対象物反射光の前記第１受光素子による受光の有無を判定する判定期間とにおいて動作し、
   前記実測定期間において、前記発光期間における前記第１受光素子からの第１受光パルス信号の個数を表す第４出力パルス数から、前記非発光期間における前記第１受光素子からの第１受光パルス信号の個数を表す第５出力パルス数を減算した第６出力パルス数を算出する第３算出回路と、
   前記第３算出回路により算出された第６出力パルス数と、前記時間差抽出回路により抽出された時間差と、前記第２算出回路により算出されたクロストーク値とに基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出回路とをさらに備える請求項５に記載の光センサ。
8. 前記対象物が、前記光センサとの間の距離を検出するための検出対象物と、前記発光素子から出射された光が向う方向に配置された非検出対象物とを含む請求項１に記載の光センサ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の光センサを備えていることを特徴とする電子機器。

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