JPH01301110A - 受光回路 - Google Patents

受光回路

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JPH01301110A
JPH01301110A JP2668288A JP2668288A JPH01301110A JP H01301110 A JPH01301110 A JP H01301110A JP 2668288 A JP2668288 A JP 2668288A JP 2668288 A JP2668288 A JP 2668288A JP H01301110 A JPH01301110 A JP H01301110A
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JP
Japan
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light
receiving element
receiving
laser
capacitor
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JP2668288A
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English (en)
Inventor
Hisanori Yoshimura
吉村 久乗
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NTT Advanced Technology Corp
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NTT Technology Transfer Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、物体にレーザビームを照射し、その反射光を
検出して、基準面から物体までの距離を測定するときに
使用される受光回路に関する。
[従来の技術] 物体にレーザビームを照射し、その物体からの散乱反射
光を検出して、基準面からその物体までの距離を測定す
る方法は、距離計の他、物体形状の認識や、産業用ロボ
ットのセンサとして広く使用されている。この方法は、
基準線上にあるレーザビームの発射点から散乱反射光が
基準線と交わる点(入射点)までの距離、レーザビーム
の基準線に対する発射角度、及び散乱反射光の基準線に
対する入射角度の三つの量から、三角測量の原理によっ
て、距離を計測するものである。この方法では反射光の
入射点を検出するために、その反射光が入射する範囲に
拡がりを持つ受光デバイスが必要である。このような受
光デバイスとして、従来から、1次または2次元の連続
的な受光面を有する位置検出用受光半導体デバイス(P
SDと呼ばれている)がある。
しかしこの受光デバイスは、対象物体の表面にに凹面部
があり、照射ビームがその凹面部で多重反射を起し、そ
の結果、受光デバイスに二つ以上の反射光が同時に入射
するような場合には、原理的に使用出来ない、このため
、受光ダイオードや受光トランジスタ等の単体素子を、
互いに電気的に分離した状態で1次元または2次元のア
レー状に多数配列し、各受光素子からの信号を個別に検
出することが必要である。このような受光デバイスとし
てMOSやCCDの受光集積化デバイスがある。
一方、受光センサの利用形態によっては、アーク溶接の
ように9強烈で且つ高周波成分を有する背景雑音光のも
とで、正常に動作することが要求される場合がある。こ
のような場合には、信号であるレーザ光と、雑音である
背景光とを分離する必要がある。このために、雑音光に
含まれる周波数成分以上の高い周波数でレーザ光を変調
し、受光信号を選択的に増幅する方法が一般的に使用さ
れていた。具体的な受光信号検出回路(センス回路)と
しては1例えば図5に示すような並列T型等の能動CR
回路が用いられていた。しかし、能動CR回路では9周
波数選択度は増幅器の利得で決まるから、大きなパルス
性雑音が入って増幅器が飽和して利得が無くなった状態
では1周波数選択増幅器として動作しない、従って、こ
の様な回路では、大きなパルス性雑音を除去することが
出来ない欠点があった。
また、必要な受光素子数が100個程度と比教的少ない
場合には、センス回路を、受光素子と1対1に配置する
ことも可能であるが、受光素子数が大きくなるとこれは
不可能となるので、一つのセンス回路を時分割的に使用
して、多数の受光素子を受持なすようにする必要がある
。このような動作に対しても良好な周波数選択性を維持
するためには、レーザ光の変調周波数を、一つのセンス
回路が受持つ受光素子数の2乗に比例して高くしなけれ
ばならない、即ち、使用するセンス回路数とレーザ変調
周波数とは、互いにトレードオフの関係にあり、能動C
Rのような複雑な回路を使用する場合1回路数を削減す
るためには、レーザの変調周波数を実用的技術では困難
な程度にまで高くしなければならないという欠点があっ
た。
一方、CCDは、1次元のものがファクシミリ送信用に
、2次元のものがテレビジョン撮像用に多数使用されて
いる。しかし、CCDのような蓄積形蛍光デバイスでは
、信号電荷は受光エネルギーの時間積分に比例するので
1周波数選択性がない、このため背景雑音光の存在下で
信号光だけを分離して検出することは不可能で、背景雑
音光が存在する場合には使用出来ない欠点がある。
「発明が解決しようとする問題点コ 本発明は、背景雑音光のもとに於ても正常に動作し、レ
ーザビーム入射光の多重反射を生ずるような表面形状を
持つ物体にも適用出来、且つ3次元物体形状認識に必要
な情報を得るのに充分な数の受光素子を有する集積化受
光デバイスの実現を可能ならしめる受光回路を提供する
ものである9[問題点を解決するための手段] 背景雑音光の存在下で、パルス変調された信号光を受光
する場合、信号光がONの状態では、信号光と雑音光と
の和に相当する電流が流れ、また信号光がOFFの状態
では、雑音光のみに相当する電流が得られる。従ってこ
れらの電流を等しい期間積分し1両者の差分をとれば、
信号光のみに相当する電荷を取り出すことが出来る1本
発明はこの原理を用いて、以下の二つの方式で5問題点
を解決するものである。
(1) 1コンデンサ方式 レーザのON期間で信号光+雑音光の光電流をコンデン
サCに充電し、レーザのOFF期間でその電荷から雑音
光に相当する光電流を放電し、信号光に相当する残留電
荷を読出す方法。
(2) 2コンデンサ方式 レーザのON期間で、信号光+雑音光の光電流を一方の
電極が接地されたコンデンサC1に充電し、レーザーの
OFF期間で、雑音光の光電流を一方の電極が接地され
た他のコンデンサC2に充電し、信号光に相当する信号
電圧をC1の非接地端子とC2の非接地端子の間の差動
電圧として読出す方法。
[実施例] 以下の説明では、受光素子はダイオードとするが、トラ
ンジスタでも同様である。
逆バイアスしたPN接合に光を照射すると光電流が流れ
る。その状態でのインピーダンスが大きく、はぼ定電流
源と考えることが出来るので、この光電流で静電容量C
を充電すると、光電流の積分が得られる。
図1〜4で、φ關、φM−(φM bar )はそれぞ
れレーザダイオードの変調パルス信号と同期したクロッ
ク、及びその反転クッロクで、レーザはφ關=HI G
Hの時にON、φM=LOW  の時にOFFであると
する。
以下に示す実施例1〜3は上記1コンデンサ方式のもの
で、実施例4は2コンデンサ方式のものである。
〈実施例1〉 図1に第1の実施例を示す、この回路は、1画素当りM
OSトランジスタ1個とフォトダイオード1個を使用し
、電源は1種間である。以下はNチャネルMoSトラン
ジスタと十電源を使用する場合について説明する。
X選択線のレベルがLOWの場合は、トランジスタM1
はOFF状態にあり、それに接続されているフォトダイ
オードPDは、センス線から切離されている。この状態
でCの電荷は0であるとする。
X選択線のレベルがHI GHになると、MlはONN
懲悪なる。このときクロックφ關がHIGHであるとす
ると、トランジスタM2とM3がONで、トランジスタ
M4とM5がOFF状憇である。従って容量Cは。
+Vcc−PD−Ml−センス線−M2−C−M3−G
ND の経路を通って、信号光+雑音光に相当する光電流で充
電される1次に、クロックφ舖がLOWになると、M2
とM3に替ってM4とM5がONになる。この時レーザ
はOFFなので、雑音光のみに相当する光電流が +Vcc  PD−Ml−センス線−M4−C−M5−
GND の経路で流れる。この電流はCに対しては前と反対方向
になるから、Cは放電される、この充電と放電の期間が
等しければ、Cには信号光に相当する電荷が残留するこ
とになるので、Cの端子間電圧を差動回路で読出すこと
により、雑音光を除去することが出来る。
〈実施例2〉 図2に第2の実施例を示す、この回路は、1画素当りN
チャネルMOSトランジスタ2個、PチャネルMOSト
ランジスタ2個及びフォトダイオード1個で構成され、
電源は+、−の両極性を使用する。
今、Nチャネル及びPチャネルMOSトランジスタの閾
値電圧をVTHN 、 VT)IP +正負の電源電圧
を+VCC,VaFL、クロックφ−のHIGH及びL
OWレベルをφMH,φ糺とし、またレベル設定のため
の直流電圧を■。とする。
X選択線のLOWレベルが充分低ければ、φ麗がLOW
の場合であっても、Nチャネルトランジス2M5をOF
F状態に、PチャネルトランジスタM6をON状態にす
ることが出来る。このときトランジスタM1〜M4のゲ
ート電圧はVoとなる。もし■。が −1VT)IP l <V。<VT)INであれば、M
l〜M4はいずれもOFF状態となり、それに接続され
ているフォトダイオードPDは、センス線から切離され
ている。この状態でCの電荷は0であるとする。
次にX選択線のレベルがHIGHになった場合を考える
。X選択線のHIGHレベルが充分高ければ、φ舖がH
IGHの場合であっても、M5はON、M6はOFF状
態になっていて、φ關の電圧がM1〜M4のゲートに印
加されている状態とすることが出来る。クロックφ輔が
HIGHて′あるとし、φMHが φMH>VT)IN +VCC であれば、Ml、M2はON、M3.M4はOFF状態
になり、従って容iCは +vcc−M1−PD−M2−センス線−〇GND の経路で信号光+雑音光に相当する光電流で充電される
9次にクロックφMがLOWになり、φ糺が φしく  (I VTHP  I +Vcc)であれば
、Ml、M2に替ってM4.M5がONN懲悪なる。こ
の時レーザはOFFなので、雑音光に相当する光電流が GND−C−センス線−M3−PD−M4M4  Vg
g の経路で流れ、Cを放電する。この充電と放電の期間が
等しければ、Cには信号光に相当する電荷が残留するこ
とになり、センス線電圧を読出すことにより、9t1音
光を除去することが出来る。
〈実施例3〉 図3に第3の実施例を示す、この回路は、1画素当りM
OS)ランジス71個とフォトダイオード2個を使用し
、電源は+、−の両極性を使用する。以下はMl、M2
がNチャネルMOSトランジスタで、M3がPチャネル
MoSトランジスタである場合について説明する。
X選択線のレベルがLOWの場合には、MlはOFF状
態にあり、それに接続されているフォトダイオードPD
Iは、センス線から切離されている。この状態でCの電
荷は0であるとす木。
X選択線レベルがHIGHになると、MlはONN懲悪
なる。クロックφMのHIGHレベルが適切であれば、
M2をON状態、M3をOFF状悪にすることが出来る
。このとき容iCは。
+vcc−M2−PD2−PDI−Ml=センス線−〇
−GND     ′ の経路で、信号光子雑音光に相当する光電流で充電され
る0次に、クロックφ關のLOWレベルが適切であれば
、M2をOFF状態、M3をONN懲悪することが出来
る。このときレーザはOFFなので、雑音光のみに相当
する光電流がGND−C−センス線−Ml−PDI PD2  M3   VIIB の経路で流れ、Cは放電される。この充電と放電の期間
が等しければ、Cには信号光に相当する電荷が残留する
ことになるので、センス線電圧を読み出すことにより、
雑音光を除去することが出来る。
〈実施例4〉 図4に第4の実施例を示す、この回路は、1画素当りM
OSトランジスタ1個とフォトダイオード1個を使用し
、電源は1種類である。以下はNチャネルMOSトラン
ジスタと十電源を使用する場合について説明する。
X選択線のレベルがLOWの場合は、トランジスタM1
はOFF状態にあり、それに接続されているフォトダイ
オードPDは、センス線から切離されている。この状態
でCの電荷はOであるとする。
X!!択線レベルがHIGHになると、MlはON状態
になる。いまクロックφ−がHIGHとすると、トラン
ジスタM2はON、トランジスタM3はOFF状態にあ
る。従って容量Cは。
+Vcc  PD−Ml−センス線−M2−C1−GN
D の経路を通って、信号光子箱音光に相当する光電流で充
電される3次に、クロックφ−がLOWになると、M2
に替ってM3がONになる。このときレーザーはOFF
なので、雑音光のみに相当する光電流が +vcc−PD−Ml−センス線−M3−C2−GND の経路で流れる。従ってクロックφMのHIGH期間と
LOW期間とが等しければ、C1とC2の端子間電圧を
差動回路で読出すことにより、ta音光を除去すること
が出来る。
なお上記説明中、全実施例で電源の極性を反対にすると
同時に、NチャネルMOSトランジスタとPチャネルM
OSトランジスタとを置換えてもよいことは明らかであ
る。また1本発明で使用しているトランジスタは、いず
れもスイッチとして使用しているので、バイポーラトラ
ンジスタ等地のスイッチング機能を有する半導体素子を
用いてし、同様な機能を有する回路を構成出来ることは
明らかである。
また以上に於いては説明を簡単にするため、レーザ光は
、φM =HI GHでON、φニーLOWでOFFと
したが、φM=LOWは必らずしも0゜FFである必要
はなく、φM =HI GHとの間にパワー差があれば
、その差分により信号光のみの情報が得られることは明
らかである。
[発明の効果] 本発明により、背景雑音光と信号光とを分離するために
パルス変調されたレーザ光を受光するに際して1周波数
同調回路を使用せずに、レーザ変調パルスと同期するク
ロックで動作する比較的簡単な回路構成で、信号成分を
取り出すことが出来る1本発明の受光回路は集積化に適
しており、3次元物体形状認識等1画素数の多い集積受
光デバイスに使用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例、第2図は本発明の第2
の実施例、第3図は本発明の第3の実施例、第4図は本
発明の第4の実施例である0図中M1〜M6はMOS)
ランジスタで、この内NはNチャネル形、PはPチャネ
ル形を示す、PDまたはPDI、PD2はフォトダイオ
ード、CまたはC1,C2は受光電流を蓄積するための
静電容量、φ輔はレーザを変調するパルスと同期してい
るクロック信号、φ、(φMbar)はその反転クロッ
クである。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)受光素子と、受光素子を選択する手段を有し、受
    光素子の受光電流によつて充放電される1個のコンデン
    サを具え、受光素子が受光すべき光信号を発射するレー
    ザの強度変調パルスに同期してコンデンサへの充放電回
    路を制御する手段を有し、レーザが発光している期間若
    しくは発光レベルが高い期間に得られる受光電流でコン
    デンサを充電し、レーザが発光していない期間若しくは
    発光レベルが低い期間に得られる受光電流で、その電荷
    の一部を放電することにより、画像信号を得る受光回路
  2. (2)受光素子と、受光素子を選択する手段を有し、受
    光素子の受光電流によって充電される一対のコンデンサ
    を具え、受光素子が受光すべき光信号を発射するレーザ
    の強度変調パルスに同期してコンデンサの充電経路を制
    御する手段を有し、レーザが発光している期間若しくは
    発光レベルが高い期間に得られる受光電流で一方のコン
    デンサを充電し、レーザが発光していない期間若しくは
    発光レベルが低い期間に得られる受光電流で、他方のコ
    ンデンサを充電し、両方のコンデンサの端子間電圧差に
    より画像信号を得る受光回路。
  3. (3)受光素子としてフォトダイオードを使用する上記
    第1項及び第2項記載の受光回路。
  4. (4)受光素子としてフォトトランジスタを使用する上
    記第1項及び第2項記載の受光回路。
  5. (5)受光素子として、フォトダイオードとそのフォト
    ダイオードの光電流を増幅するトランジスタの複合素子
    を使用する上記第1項及び第2項記載の受光回路。
  6. (6)受光素子とその受光素子を選択する手段として、
    制御端子を有するフォトトランジスタを使用する上記第
    1項及び第2項記載の受光回路。
  7. (7)受光素子とその受光素子を選択する手段として、
    フォトダイオードとトランジスタの複合素子を使用する
    上記第1項及び第2項記載の受光回路。
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Cited By (4)

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