JP7043218B2 - 光センサ、距離測定装置、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、光センサ、距離測定装置、および電子機器に関する。

従来、光通信、または飛行時間（ＴＯＦ：Time of Flight）等の計測において、微弱な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（例えば、特許文献１参照）。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ため、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てクエンチング抵抗を直列に加えることで、２値のパルス出力を得ることができる。このような回路は、例えば、フォトダイオード、アクティブクエンチング抵抗（ＭＯＳトランジスタの抵抗成分）、およびバッファーで構成される。

上述したフォトダイオードは、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。当該フォトダイオードに直列で接続されている上記アクティブクエンチング抵抗に電流が流れることで、当該アクティブクエンチング抵抗の端子間電圧が増加し、それに伴い当該フォトダイオード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当該アクティブクエンチング抵抗の端子間電圧が低下し、当該フォトダイオード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。上記バッファーにより、当該フォトダイオードと当該アクティブクエンチング抵抗との間の電圧変化は、２値のパルス出力として取り出される。

非特許文献１および特許文献２には、ＳＰＡＤおよびＴＤＣ（time to digital convertor）を用いて作成したヒストグラムの極大値を求めることにより距離を測定する方法が開示されている。

特開２０１２－０６００１２号公報 特開２０１５－１０８６２９号公報

C. Niclass, A. Rochas, P.-A. Besse and E. Charbon: "Design and characterization of a CMOS 3-D image sensor based on single photon Avalanche diodes," IEEE J. Solid-State Circ., 40（ 2005）,1847―1854.

近年、カメラのオートフォーカス用途などでは、フレームレートの高速性が要求される。しかし、時間デジタル変換器を用いたＴＯＦ装置では、時間デジタル変換器をリセットするための期間を設ける必要があり、受光素子が本来有する受光感度を十分活かし切れない。そのため、特に長距離の測定では、時間デジタル変換器によるヒストグラムの生成時間が長くなり、その結果、フレームレートが低速になる恐れがある。

本発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高速な距離測定を可能とする光センサを実現することにある。

本発明の一態様に係る光センサは、前記の課題を解決するために、フォトン入射に対して同期するパルスを生成する受光部と、前記パルスに基づくデジタル値を、同一周期で繰り返される別位相の有効期間にそれぞれ出力する複数の時間デジタル変換器と、前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれから出力された各前記デジタル値のうちいずれかを選択する選択回路と、前記選択回路によって選択された前記デジタル値に応じたビン番号の度数をカウントアップすることによって、前記ビン番号と前記度数との関係を示すヒストグラムを生成するヒストグラム生成回路とを備えており、前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれは、前記有効期間内に、前記デジタル値をカウントアップし、前記有効期間外の期間まで保持した前記デジタル値を、前記有効期間外の期間に出力し、前記有効期間外の期間に前記デジタル値をリセットし、ある前記時間デジタル変換器に対応する前記有効期間は、他のいずれかの前記時間デジタル変換器に対応する前記有効期間外の期間と重なっていることを特徴としている。

本発明の一態様によれば、高速な距離測定を可能とする光センサを実現することができるという効果を奏する。

実施形態１に係る光センサのブロック図を示す図である。 受光部の構成を示す図である。 実施形態１に係る光センサの動作がする際のタイミングチャートの一例である 比較例に係る光センサの構成を示すブロック図である。 比較例に係る光センサが動作する際のタイミングチャートの一例である。 比較例に係る光センサが動作する際のタイミングチャートの他の例である。 実施形態２に係る光センサの構成を示すブロック図である。 実施形態２に係る光センサの動作する際のタイミングチャートの一例である 実施形態３に係る光センサに備えられるヒストグラム生成回路の構成を示すブロック図である。 実施形態３に係る光センサが動作する際のタイミングチャートの一例である。 実施形態４に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。

〔実施形態１〕
（光センサ１０の構成）
図１は、実施形態１に係る光センサ１０のブロック図を示す図である。この図に示すように、光センサ１０は、受光部１１、ＴＤＣ１（時間デジタル変換器）、ＴＤＣ２（時間デジタル変換器）、選択回路１２、およびヒストグラム生成回路１３を備えている。

受光部１１は、フォトンカウント型の受光部である。詳細には、受光部１１は、受光部１１へのフォトン入射に対して同期するパルスを生成し、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２に出力する。

ＴＤＣ１およびＴＤＣ２は、入力されたパルスに基づくデジタル値を生成する。デジタル値は、一定のビット幅を有する。ＴＤＣ１およびＴＤＣ２には、同一周期で繰り返される別位相の有効期間および無効期間が設定される。より詳細には、ＴＤＣ１の有効期間および無効期間、ならびにＴＤＣ２の有効期間および無効期間の長さは、すべて同一である。ＴＤＣ１の有効期間とＴＤＣ２の無効期間とが同期し、ＴＤＣ１の無効期間とＴＤＣ２の有効期間とが同期する。

ＴＤＣ１の有効期間は、ＴＤＣ１のデジタル値が、ヒストグラム生成回路１３によって生成されるヒストグラムのビン番号範囲内に収まる期間である。ＴＤＣ１の無効期間は、ＴＤＣ１のデジタル値がヒストグラムのビン番号範囲内に収まらない期間である。ＴＤＣ２の有効期間は、ＴＤＣ２のデジタル値がヒストグラムのビン番号範囲内に収まる期間である。ＴＤＣ２の無効期間は、ＴＤＣ２のデジタル値がヒストグラムのビン番号範囲内に収まらない期間である。

ＴＤＣ１には、ｓｔａｒｔ１およびｒｅｓｅｔ１が入力される。ＴＤＣ２には、ｓｔａｒｔ２およびｒｅｓｅｔ２が入力される。

選択回路１２は、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２のそれぞれから出力された各デジタル値のうちいずれかを選択する。選択回路１２には選択信号が入力される。選択信号は、ＴＤＣ１の出力選択またはＴＤＣ２の出力選択のいずれかを指定する信号である。ＴＤＣ１の有効期間において、選択信号はＴＤＣ２の出力選択を指定する。ＴＤＣ２の有効期間において、選択信号はＴＤＣ１の出力選択を指定する。

ヒストグラム生成回路１３は、選択回路１２によって選択されたデジタル値に応じたビン番号の度数をカウントアップすることによって、ビン番号と度数との関係を示すヒストグラムを生成する。ヒストグラム生成回路１３には、取り込み信号が入力される。取り込み信号は、ヒストグラム生成回路１３へのデジタル値の取り込みのタイミングを指定する信号である。ヒストグラム生成回路１３は、取り込み信号が立ち上がるタイミングで、選択回路１２によって選択されたデジタル値を選択回路１２からヒストグラム生成回路１３に取り込む。

（受光部１１の構成）
図２は、受光部１１の構成を示す図である。この図に示すように、受光部１１は、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）、およびバッファーＢＵＦ１で構成されたＣＥＬＬ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り、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１およびバッファーＢＵＦ１によって、入射光量を２値のパルス出力として取り出す。各ＣＥＬＬの出力は、ＯＲ回路でОＲ演算が行われ、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２に出力される。図２に示す受光部１１は、パルス幅を一定にし、安定した動作にすることができる。ＰＤ１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）を適用するのが望ましい。

（タイミングチャート）
図３は、実施形態１に係る光センサ１０が動作する際のタイミングチャートの一例である。図３では、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２は、同一の周期でかつ位相を半周期ずらした状態で、動作する。ＴＤＣ１またはＴＤＣ２が動作する一周期は、一つの有効期間と一つの無効期間とを合算した期間に相当する。

ＴＤＣ１またはＴＤＣ２によって生成されるデジタル値の有効範囲は、０～９に設定されている。そのため、デジタル値のビット幅は、デジタル値が０～９のいずれかの値を取ることができる最低限のビット幅「４」であればよい。ＴＤＣ１およびＴＤＣ２の有効期間は、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２のデジタル値の有効範囲に対応する時間に設定される。言い換えれば、有効期間の長さは、デジタル値の１ビットに対応する長さを一単位として、その１０倍の長さに設定される。

ヒストグラム生成回路１３は、デジタル値の有効範囲「０～９」に対応する１０個のビンを有する。それぞれのビンには、デジタル値の有効範囲「０～９」に対応するビン番号範囲「０～９」に含まれるいずれかのビン番号が割り当てられる。以下では、ビン番号「０」～「９」が割り当てられる各ビンを、第０ビン～第９ビンと称する。第０ビン～第９ビンには、対応する度数が格納されている。

ＴＤＣ１は、ｓｔａｒｔ１の立ち上がり時に、デジタル値のカウントアップを開始する。ＴＤＣ１は、ＴＤＣ１の有効期間内にＴＤＣ１にパルスが入力されたとき、デジタル値のカウントアップを停止し、かつ、ＴＤＣ１の有効期間外までデジタル値を保持する。ＴＤＣ１は、さらに、ｒｅｓｅｔ１の立ち上がり時に、デジタル値をリセットする。図３では、リセット時のＴＤＣ１のデジタル値をＸで示している。

ＴＤＣ２は、ｓｔａｒｔ２の立ち上がり時に、デジタル値のカウントアップを開始する。ＴＤＣ２は、ＴＤＣ２の有効期間内にＴＤＣ２にパルスが入力された時点で、デジタル値のカウントアップを停止し、かつ、ＴＤＣ２の有効期間外までデジタル値を保持する。ＴＤＣ２は、さらに、ｒｅｓｅｔ２の立ち上がり時に、デジタル値をリセットする。図３では、リセット時のＴＤＣ２のデジタル値をＸで示している。

（ＴＤＣ１の動作）
図３において、ＴＤＣ１の有効期間の開始時点で、ｓｔａｒｔ１が立ち上がる。これによりＴＤＣ１は、デジタル値のカウントアップを開始する。ｓｔａｒｔ１の立ち上がりは、ＴＤＣ１の有効期間内のいずれかの時点であればよい。カウントアップ開始直後のデジタル値は「０」である。ＴＤＣ１は、カウントアップの開始後に一定時間が経過するたびに、デジタル値を１つ増加させる。ＴＤＣ１の有効期間内において、受光部１１から出力された１回目のパルスがＴＤＣ１に入力される。この時点で、ＴＤＣ１のデジタル値は「３」までカウントアップされている。ＴＤＣ１は、パルスの入力に基づいてデジタル値のカウントアップを停止する。ＴＤＣ１は、デジタル値「３」を、次のＴＤＣ１の無効期間まで保持する。

ＴＤＣ１の無効期間が開始されると共に、ＴＤＣ１の出力選択を指定する選択信号が、選択回路１２に入力される。選択回路１２は、選択信号の入力に基づいて、ＴＤＣ１の出力を選択すると共に、デジタル値の出力をＴＤＣ１に指示する。ＴＤＣ１は、選択回路１２による指示に基づいて、デジタル値のカウントアップの停止後に、デジタル値「３」を選択回路１２に出力する。選択回路１２は、入力されたデジタル値「３」を保持する。

ＴＤＣ１の無効期間が開始されてから一定時間が経過すると、取り込み信号が立ち上がる。ヒストグラム生成回路１３は、取り込み信号の立ち上がりに基づいて、選択回路１２にデジタル値の出力を指示する。選択回路１２は、この指示に基づいて、現在保持中のデジタル値「３」を、ヒストグラム生成回路１３に出力する。ヒストグラム生成回路１３は、入力されたデジタル値「３」に対応するビン番号として、「３」を特定する。ヒストグラム生成回路１３は、特定したビン番号「３」に対応する第３ビンに保持される度数を、カウントアップする。言い換えると、第３ビンに保持される度数を１つ増加させる。

ＴＤＣ１の無効期間において、ＴＤＣ１からデジタル値「３」が選択回路１２に出力された後、ｒｅｓｅｔ１が立ち上がる。これによりＴＤＣ１は、デジタル値「３」をリセットする。この後、ＴＤＣ１のデジタル値は不定値に維持される。

（ＴＤＣ２の動作）
図３において、ＴＤＣ２の有効期間の開始時点で、ｓｔａｒｔ２が立ち上がる。これによりＴＤＣ２は、デジタル値のカウントアップを開始する。ｓｔａｒｔ２の立ち上がりは、ＴＤＣ１の有効期間内のいずれかの時点であればよい。カウントアップ開始直後のデジタル値は「０」である。ＴＤＣ２は、カウントアップ開始後に一定時間が経過するたびに、デジタル値を１つ増加させる。ＴＤＣ２の有効期間内において、受光部１１から出力された２回目のパルスがＴＤＣ２に入力される。この時点で、ＴＤＣ２のデジタル値は「５」までカウントアップされている。ＴＤＣ２は、パルスの入力に基づいて、デジタル値のカウントアップを停止する。ＴＤＣ２は、デジタル値「５」を、次のＴＤＣ２の無効期間まで保持する。

ＴＤＣ２の無効期間が開始されると共に、ＴＤＣ２の出力選択を指定する選択信号が、選択回路１２に入力される。選択回路１２は、選択信号の入力に基づいて、ＴＤＣ２の出力を選択すると共に、デジタル値の出力をＴＤＣ２に指示する。ＴＤＣ２は、選択回路１２による指示に基づいて、デジタル値のカウントアップの停止後に、デジタル値「５」を選択回路１２に出力する。選択回路１２は、入力されたデジタル値「５」を保持する。

ＴＤＣ２の無効期間が開始されてから一定時間が経過すると、取り込み信号が立ち上がる。ヒストグラム生成回路１３は、取り込み信号の立ち上がりに基づいて、選択回路１２にデジタル値の出力を指示する。選択回路１２は、この指示に基づいて、現在保持中のデジタル値「５」を、ヒストグラム生成回路１３に出力する。ヒストグラム生成回路１３は、入力されたデジタル値「５」に対応するビン番号として、「５」を特定する。そして、ヒストグラム生成回路１３は、特定したビン番号「５」に対応する第５ビンに保持される度数を、カウントアップする。言い換えると、第５ビンに保持される度数を１つ増加させる。

ＴＤＣ２の無効期間において、ＴＤＣ２からデジタル値「５」が選択回路１２に出力された後、ｒｅｓｅｔ２が立ち上がる。これによりＴＤＣ２は、デジタル値「５」をリセットする。この後、この後、ＴＤＣ１のデジタル値は不定値に維持される。

図３では、取り込み信号の立ち上がり時に、ＴＤＣ１またはＴＤＣ２のデジタル値が１０または１１の場合が示される。ＴＤＣ１およびＴＤＣ２のデジタル値の有効範囲は０～９であるので、ヒストグラム生成回路１３は、ＴＤＣまたはＴＤＣ２のデジタル値が「１０」または「１１」の場合、度数をカウントアップしない。

光センサ１０は、図３に示す動作を各有効期間および各無効期間において繰り返すことによって、受光部１１における受光タイミングに応じたヒストグラムを生成することができる。受光部１１における受光タイミングがより早いほど、より小さいビン番号のビンに保持される度数がカウントアップされ、逆に、受光部１１における受光タイミングがより遅いほど、より大きいビン番号のビンに保持される度数がカウントアップされる。

（比較例）
図４は、比較例に係る光センサ１００の構成を示すブロック図である。図４の光センサ１００は、受光部１１１、ＴＤＣ１０２、およびヒストグラム生成回路１０３を備えている。これらの構成および動作は、上述した受光部１１、ＴＤＣ１、およびヒストグラム生成回路１３と同一である。

図５は、比較例に係る光センサ１００が動作する際のタイミングチャートの一例である。ＴＤＣ１０２の動作は、実施形態１に係る光センサ１０に備えられるＴＤＣ１と同一である。図５では、ＴＤＣ１０２の無効期間が、ＴＤＣ１０２の有効期間よりも短い。比較例に係る光センサ１００は、ＴＤＣ１０２を１つのみ備えているので、ＴＤＣ１０２の無効期間内に、取り込み信号の立ち上げタイミングおよびｒｅｓｅｔの立ち上げタイミングを両方とも設定する必要がある。これにより、無効期間がそのままデッドタイムとなるので、光センサ１００を特に飛行時間計測（ＴＯＦ）に用いる場合、距離測定装置から測定対象物までの距離が一定以上になると光センサが測定対象物を検知できなくなる問題が生じる。

図６は、比較例に係る光センサが動作する際のタイミングチャートの他の例である。図６では、ＴＤＣ１０２の無効期間が、ＴＤＣ１０２の有効期間と同一であるか、または、ＴＤＣ１０２の有効期間の逓倍に設定される。これにより、ＴＤＣ１０２の有効期間の周期を、ＴＤＣ１０２から出力されるデジタル値の有効範囲「０～９」に対応した周期に保つことができるので、デッドタイムが生じることはない。しかし、ＴＤＣ１０２の無効期間がより長くなることによって、受光感度が半分以下に低下する。この結果、比較例に係る光センサ１００では、実施形態１に係る光センサ１０に比較して、光センサ１００を用いた距離測定に要する時間が２倍以上に長くなる問題が生じる。

本実施形態に係る光センサ１０では、ＴＤＣ１の有効期間の後に必ずＴＤＣ２の有効期間が配置され、同様に、ＴＤＣ２の有効期間の後に必ずＴＤＣ１の有効期間が配置される。したがって、本実施形態に係る光センサ１０は、従来の光センサ１００とは異なりデッドタイムがなく、かつ従来の光センサ１００よりも受光感度が高い。したがって、本実施形態に係る光センサ１０を備えている距離測定装置は、従来の光センサ１００を備えている距離測定装置に比べて、距離をより高速に測定することができる。

〔実施形態２〕
図７は、実施形態２に係る光センサ１０の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る光センサ１０の構成は、実施形態１に係る光センサ１０と同一である。ただし、本実施形態では、ｓｔａｒｔ１の代わりにｌａｔｃｈ１がＴＤＣ１に入力され、ｓｔａｒｔ２の代わりにｌａｔｃｈ２がＴＤＣ２に入力される。

（タイミングチャート）
図８は、実施形態２に係る光センサ１０の動作する際のタイミングチャートの一例である。本実施形態では、実施形態１と同様に、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２は、同一の周期でかつ位相を半周期ずらした状態で、動作する。ＴＤＣ１またはＴＤＣ２によって生成されるデジタル値の有効範囲は「０～９」である。ＴＤＣ１およびＴＤＣ２の有効期間は、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２のデジタル値の有効範囲「０～９」に対応する時間に設定される。

ＴＤＣ１は、ＴＤＣ１の有効期間内において、受光部１１からパルスが入力された場合、デジタル値のカウントアップを開始する。ＴＤＣ１は、ＴＤＣ１の無効期間内におけるｌａｔｃｈ１の立ち上がり時に、デジタル値のカウントアップを停止する。ＴＤＣ１は、さらに、ｒｅｓｅｔ１の立ち上がり時に、デジタル値をリセットする。図８では、リセット時のＴＤＣ１のデジタル値をＸで示している。

ＴＤＣ２は、ＴＤＣ２の有効期間内において、受光部１１からパルスが入力された場合、デジタル値のカウントアップを開始する。ＴＤＣ２は、ＴＤＣ２の無効期間内におけるｌａｔｃｈ２の立ち上がり時に、デジタル値のカウントアップを停止する。ＴＤＣ２は、さらに、ｒｅｓｅｔ２の立ち上がり時に、デジタル値をリセットする。図８では、リセット時のＴＤＣ１のデジタル値をＸで示している。

（ＴＤＣ１のデジタル値）
図８において、ＴＤＣ１の有効期間内のある時点で、受光部１１から出力された１回目のパルスがＴＤＣ１に入力される。これによりＴＤＣ１は、デジタル値のカウントアップを開始する。カウントアップ開始直後のデジタル値は「０」である。ＴＤＣ１は、カウントアップの開始後に一定時間が経過するたびに、デジタル値を１つ増加させる。ＴＤＣ１の無効期間の開始時点で、ｌａｔｃｈ１が立ち上がる。この時点で、ＴＤＣ１のデジタル値は「６」までカウントアップされている。ＴＤＣ１は、ｌａｔｃｈ１の立ち上がりに基づいてデジタル値のカウントアップを停止すると共に、デジタル値「６」を保持する。

ＴＤＣ１の無効期間が開始されると共に、ＴＤＣ１の出力選択を指定する選択信号が、選択回路１２に入力される。選択回路１２は、選択信号の入力に基づいて、ＴＤＣ１の出力を選択すると共に、デジタル値の出力をＴＤＣ１に指示する。ＴＤＣ１は、選択回路１２による指示に基づいて、デジタル値「６」を選択回路１２に出力する。選択回路１２は、入力されたデジタル値「６」を保持する。

ＴＤＣ１の無効期間が開始されてから一定時間が経過すると、取り込み信号が立ち上がる。ヒストグラム生成回路１３は、取り込み信号の立ち上がりに基づいて、選択回路１２にデジタル値の出力を指示する。選択回路１２は、この指示に基づいて、現在保持中のデジタル値「６」を、ヒストグラム生成回路１３に出力する。ヒストグラム生成回路１３は、入力されたデジタル値「６」に対応するビン番号として、「６」を特定する。ヒストグラム生成回路１３は、特定したビン番号「６」に対応する第６ビンに保持される度数を、カウントアップする。

ＴＤＣ１の無効期間において、ＴＤＣ１からデジタル値「６」が選択回路１２に出力された後、ｒｅｓｅｔ１が立ち上がる。これによりＴＤＣ１は、デジタル値「６」の出力後に、デジタル値「６」をリセットする。この後、ＴＤＣ１のデジタル値は不定値に維持される。

（ＴＤＣ２のデジタル値）
図８において、ＴＤＣ２の有効期間内のある時点で、受光部１１から出力された２回目のパルスがＴＤＣ２に入力される。これによりＴＤＣ２は、デジタル値のカウントアップを開始する。カウントアップ開始直後のデジタル値は「０」である。ＴＤＣ２は、カウントアップの開始後に一定時間が経過するたびに、デジタル値を１つ増加させる。ＴＤＣ２の無効期間の開始時点で、ｌａｔｃｈ２が立ち上がる。この時点で、ＴＤＣ２のデジタル値は「４」までカウントアップされている。ＴＤＣ２は、ｌａｔｃｈ２の立ち上がりに基づいてデジタル値のカウントアップを停止すると共に、デジタル値「４」を保持する。

ＴＤＣ２の無効期間が開始されると共に、ＴＤＣ２の出力選択を指定する選択信号が、選択回路１２に入力される。選択回路１２は、選択信号の入力に基づいて、ＴＤＣ２の出力を選択すると共に、デジタル値の出力をＴＤＣ２に指示する。ＴＤＣ２は、選択回路１２による指示に基づいて、デジタル値「４」を選択回路１２に出力する。選択回路１２は、入力されたデジタル値「４」を保持する。

ＴＤＣ２の無効期間が開始されてから一定時間が経過すると、取り込み信号が立ち上がる。ヒストグラム生成回路１３は、取り込み信号の立ち上がりに基づいて、選択回路１２にデジタル値の出力を指示する。選択回路１２は、この指示に基づいて、現在保持中のデジタル値「４」を、ヒストグラム生成回路１３に出力する。ヒストグラム生成回路１３は、入力されたデジタル値「４」に対応するビン番号として、「４」を特定する。ヒストグラム生成回路１３は、特定したビン番号「４」に対応する第４ビンに保持される度数を、カウントアップする。

ＴＤＣ２の無効期間において、ＴＤＣ１からデジタル値「４」が選択回路１２に出力された後、ｒｅｓｅｔ２が立ち上がる。これによりＴＤＣ２は、デジタル値「４」の出力後に、デジタル値「４」をリセットする。この後、ＴＤＣ１のデジタル値は不定値に維持される。

光センサ１０は、図８に示す動作を各有効期間および各無効期間において繰り返すことによって、受光部１１における受光タイミングに応じたヒストグラムを生成することができる。受光部１１における受光タイミングがより早いほど、より小さいビン番号のビンに保持される度数がカウントアップされ、逆に、受光部１１における受光タイミングがより遅いほど、より大きいビン番号のビンに保持される度数がカウントアップされる。

本実施形態に係る光センサ１０は、実施形態１に係る光センサ１０と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態では、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２は、パルスが入力された場合にのみデジタル値をカウントアップする。言い換えれば、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２は、パルスが入力されない場合、デジタル値をカウントアップしない。これにより、本実施形態では、ＴＤＣ１およびＴＤＣ２の動作に必要な消費電流を、実施形態１のそれらよりも抑えることができる。

〔実施形態３〕
図９は、実施形態３に係る光センサ１０に備えられるヒストグラム生成回路１３の構成を示すブロック図である。実施形態３は、実施形態１に係るヒストグラム生成回路１３の内部構成を具体化したものである。図９に示すように、ヒストグラム生成回路１３は、レジスタ２１、ＳＲＡＭ（メモリ装置）２２、および加算器２３を備えている。

レジスタ２１は、ＴＤＣ１のデジタル値のビット幅と同一のビット幅を有する。ＳＲＡＭ２２は、レジスタ２１のビット幅と同一のビット幅を有するアドレスを有する。詳細には、ＳＲＡＭ２２は、１０個のアドレス（０～９）を有する。各アドレスには、対応するビン番号の度数が保持される。例えば、アドレス「３」には、対応するビン番号「３」の度数が保持される。加算器２３は、ＳＲＡＭ２２に保持されるいずれかの度数を１つ増加させる。ＳＲＡＭ２２のデータ出力部は加算器２３のデータ入力部に接続され、加算器２３のデータ出力部はＳＲＡＭ２２にデータ入力部に接続される。

図１０は、実施形態３に係る光センサ１０が動作する際のタイミングチャートの一例である。ＴＤＣ１の有効期間内に、受光部１１からパルスがＴＤＣ１に出力されると、ＴＤＣ１は、パルスに応じたデジタル値「３」を保持する。ＴＤＣ１の無効期間内に、取り込み信号が立ち上がると、選択回路１２は、ＴＤＣ１のデジタル値「３」をヒストグラム生成回路１３に出力する。ヒストグラム生成回路１３は、入力されたデジタル値「３」をレジスタ２１に保持する。

ＴＤＣ１の無効期間内に、制御信号「ＲＥＡＤ」がヒストグラム生成回路１３に入力される。これによりヒストグラム生成回路１３は、レジスタ２１に保持されるデジタル値「３」と同一のアドレスであるＳＲＡＭ２２のアドレス「３」を特定する。ヒストグラム生成回路１３は、さらに、アドレス「３」に格納されるビン番号３の度数を加算器２３に出力する。

加算器２３は、入力された度数を１つ増加させる。増加後の度数は、ＳＲＡＭ２２のデータ入力部に接続される。この後、ＴＤＣ１の無効期間内に、制御信号「ＷＲＩＴＥ」がヒストグラム生成回路１３に入力される。これによりヒストグラム生成回路１３は、加算器２３からＳＲＡＭ２２に入力された加算後の度数を、特定されたアドレス「３」に新たに格納する。こうして、アドレス「３」に格納される度数のカウントアップが確実に実行される。

光センサ１０は、ＴＤＣ２の有効期間および無効期間においても、上述した動作と同様に動作する。光センサ１０は、ＴＤＣ１の各有効期間および各無効期間と、ＴＤＣ２の各有効期間および各無効期間とにおいて、上述した動作を繰り返すことによって、受光タイミングに応じたヒストグラムを生成することができる。

実施形態３では、ヒストグラム生成回路１３がＳＲＡＭ２２を備えていることによって、光センサ１０を小型化することができる。さらに、ヒストグラム生成回路１３は、ＳＲＡＭ２２に保持される度数のカウントアップを、ＳＲＡＭ２２から独立した加算器２３によって実行することによって、無効期間内におけるヒストグラム生成処理を無理なく実行することができる。

〔実施形態４〕
図１１は、実施形態４に係る距離測定装置３０の構成を示すブロック図である。距離測定装置３０は、発光素子３１、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の光センサ３２（第１光センサ）、１個の光センサ３３（第２光センサ）、および演算装置３４を備えている。距離測定装置３０の外部に、検知対象物４１が存在する。距離測定装置３０は、距離測定装置３０から検知対象物４１までの距離を測定する装置である。

発光素子３１は、一定周期で発光する。発光素子３１の発光周期は、例えば、各光センサ１０に設定される有効期間と同一である。発光素子３１から照射された光は、検知対象物４１および光センサ３２に向かって進行する。

Ｎ個の光センサ３２は、実施形態１～３のいずれかに係る光センサ１０と同一の構成を有する。各光センサ３２には、発光素子３１から照射された光に対する検知対象物４１からの反射光が入力される。各光センサ３２は、入力された反射光の往復時間に対応するヒストグラムを生成する。往復時間とは、距離測定装置３０から検知対象物４１までの間を光が往復するために要する時間のことである。各発光素子３１は、生成したヒストグラムを演算装置３４に出力する。

光センサ３３は、実施形態１～３のいずれかに係る光センサ１０と同一の構成を有する。光センサ３３には、発光素子３１から照射された光が、参照光として直接入力される。光センサ３３は、入力された参照光に基づいて、ゼロ距離に対応する参照用ヒストグラムを生成する。ゼロ距離とは、距離測定装置３０から検知対象物４１までの距離がゼロであることを意味する。光センサ３３は、生成したヒストグラムを演算装置３４に出力する。

演算装置３４は、各光センサ３２によって生成されるヒストグラムと、光センサ３３によって生成される参照用ヒストグラムとから、参照光と反射光との遅延差を演算する。演算装置３４はさらに、遅延差に応じた距離を距離測定装置３０から検知対象物４１までの距離として演算する。演算装置３４は、例えば、算出された遅延差に光の速度を乗算することによって、距離を演算する。本実施形態では、光の速度は一定であると見なす。

実施形態１～３に係る各光センサ１０は、距離測定のためのヒストグラムを高速に生成することができる。本実施形態に係る距離測定装置３０は、光センサ１０と同一の構成を有する光センサ３２および光センサ３３を備えているので、飛行時間（ＴＯＦ）を高速に計測することできる。

演算装置３４は、距離測定装置３０が複数の光センサ３２を備えている場合、複数の光センサ３２のそれぞれについて、対応する距離を算出する。演算装置３４は、例えば、光センサ３２ごとに、光センサ３２に入力された反射光と、光センサ３３に入力された直接光との遅延差を算出すると共に、遅延差に応じた距離を演算する。これにより演算装置３４は、距離測定装置３０に備えられる光センサ３２の数と同一の数の距離を演算することができるので、測定される距離の精度を高めることができる。

本実施形態では、異なる光センサ３２が、異なる検知対象物４１からの反射光を、それぞれ受光することもできる。この場合、演算装置３４は、距離測定装置３０から各検知対象物４１までの距離を、個別に測定することができる。

本実施形態に係る距離測定装置３０を備えている各種の電子機器も、本発明の実施形態に含まれる。このような電子機器として、例えば、オートフォーカス機能を有するデジタルカメラなどが挙げられる。

〔まとめ〕
態様１：フォトン入射に対して同期するパルスを生成する受光部と、前記パルスに基づくデジタル値を、同一周期で繰り返される別位相の有効期間にそれぞれ出力する複数の時間デジタル変換器と、前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれから出力された各前記デジタル値のうちいずれかを選択する選択回路と、前記選択回路によって選択された前記デジタル値に応じたビン番号の度数をカウントアップすることによって、前記ビン番号と前記度数との関係を示すヒストグラムを生成するヒストグラム生成回路とを備えていることを特徴とする光センサ。

態様２：前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれは、前記有効期間内のいずれかの時点で、前記デジタル値のカウントアップを開始し、前記有効期間内に前記パルスが入力されたとき、前記デジタル値のカウントアップを停止し、前記有効期間外まで保持した前記デジタル値を出力し、前記有効期間外に前記デジタル値をリセットすることを特徴とする態様１の光センサ。

態様３：前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれは、前記有効期間に前記パルスが入力されたときから一定時間が経過するたびに、前記デジタル値のカウントアップを実行し、前記有効期間外に、前記デジタル値のカウントアップを停止し、前記デジタル値のカウントアップの停止後、前記有効期間外に前記デジタル値を出力し、前記デジタル値の出力後、前記有効期間外に前記デジタル値をリセットすることを特徴とする態様１の光センサ。

態様４：前記ヒストグラム生成回路は、前記度数を保持するメモリ装置と、前記メモリ装置に保持される前記度数を１つ増加させる加算器とを備えていることを特徴とする態様１～３のいずれかの光センサ。

態様５：同一周期で発光する発光素子と、態様１～４のいずれかの光センサであって、前記発光素子から照射された光に対する検知対象物からの反射光が入力される第１光センサと、態様１から４のいずれかの光センサであって、前記発光素子から照射された光が参照光として直接入力される第２光センサと、前記第１光センサによって生成される前記ヒストグラムと、前記第２光センサによって生成される前記ヒストグラムとから、前記参照光と前記反射光との遅延差を演算すると共に、前記遅延差に応じた距離を演算する演算部とを備えていることを特徴とする距離測定装置。

態様６：複数の前記第１光センサを備えており、前記演算部は、複数の前記第１センサのそれぞれについて、対応する前記距離を演算することを特徴とする態様５の距離測定装置。

態様７：態様５または６記載の距離測定装置を備えていることを特徴とする電子機器。

本発明は前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る。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も、本発明の技術的範囲に含まれる。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って、新しい技術的特徴を形成することもできる。

１，２ ＴＤＣ、１０ 光センサ、１１ 受光部、１２ 選択回路、１３ ヒストグラム生成回路、２１ レジスタ、２２ ＳＲＡＭ、２３ 加算器、３０ 距離測定装置、３１ 発光素子、３２，３３ 光センサ、３４ 演算装置、４１ 検知対象物

Claims (7)

1. フォトン入射に対して同期するパルスを生成する受光部と、
   前記パルスに基づくデジタル値を、同一周期で繰り返される別位相の有効期間に生成する複数の時間デジタル変換器と、
   前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれから出力された各前記デジタル値のうちいずれかを選択する選択回路と、
   前記選択回路によって選択された前記デジタル値に応じたビン番号の度数をカウントアップすることによって、前記ビン番号と前記度数との関係を示すヒストグラムを生成するヒストグラム生成回路とを備えており、
   前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれは、
   前記有効期間内に、前記デジタル値をカウントアップし、
   前記有効期間外の期間まで保持した前記デジタル値を、前記有効期間外の期間に出力し、
   前記有効期間外の期間に前記デジタル値をリセットし、
   ある前記時間デジタル変換器に対応する前記有効期間は、他のいずれかの前記時間デジタル変換器に対応する前記有効期間外の期間と重なっていることを特徴とする光センサ。
2. 前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれは、
   前記有効期間内のいずれかの時点で、前記デジタル値のカウントアップを開始し、
   前記有効期間内に前記パルスが入力されたとき、前記デジタル値のカウントアップを停止し、
   前記有効期間外まで保持した前記デジタル値を出力し、
   前記有効期間外に前記デジタル値をリセットすることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 前記複数の時間デジタル変換器のそれぞれは、
   前記有効期間に前記パルスが入力されたときから一定時間が経過するたびに、前記デジタル値のカウントアップを実行し、
   前記有効期間外に、前記デジタル値のカウントアップを停止し、
   前記デジタル値のカウントアップの停止後、前記有効期間外に前記デジタル値を出力し、
   前記デジタル値の出力後、前記有効期間外に前記デジタル値をリセットすることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
4. 前記ヒストグラム生成回路は、
   前記度数を保持するメモリ装置と、
   前記メモリ装置に保持される前記度数を１つ増加させる加算器とを備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光センサ。
5. 同一周期で発光する発光素子と、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の光センサであって、前記発光素子から照射された光に対する検知対象物からの反射光が入力される第１光センサと、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光センサであって、前記発光素子から照射された光が参照光として直接入力される第２光センサと、
   前記第１光センサによって生成される前記ヒストグラムと、前記第２光センサによって生成される前記ヒストグラムとから、前記参照光と前記反射光との遅延差を演算すると共に、前記遅延差に応じた距離を演算する演算装置とを備えていることを特徴とする距離測定装置。
6. 複数の前記第１光センサを備えており、
   前記演算装置は、複数の前記第１光センサのそれぞれについて、対応する前記距離を演算することを特徴とする請求項５に記載の距離測定装置。
7. 請求項５または６に記載の距離測定装置を備えていることを特徴とする電子機器。

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