JPWO2017208651A1 - 光センサ、および電子機器 - Google Patents

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Abstract

ＴＯＦセンサ（１００）は、基準パルスに応じて光を出射する発光素子（６）と、光入射によりパルスを出力する第１受光部（１）と、反射光（Ｌ２）の入射による第１受光部（１）の第３出力パルス数を算出する第１デジタル演算部（１４）と、第３出力パルス数が第１基準値よりも大きい場合、自装置から前記対象物までの距離を算出する距離演算部（３３）と、を備えている。

Description

本発明は、光センサに関し、特に、アバランシェ効果を利用した光センサに関する。
従来、光通信や飛行時間計測（ＴＯＦ）において、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。
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、２値のパルス出力を得ることができる。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１１１について、図１２に基づき説明する。図１２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１１１の構成例を示す回路図である。受光部１１１は、図１２に示すように、フォトダイオードＰＤ１１１、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１１１（ＭＯＳトランジスタの抵抗成分）、およびバッファーＢＵＦ１１１で構成されている。フォトダイオードＰＤ１１１には降伏電圧以上のバイアス電圧ＶＨが印加されており、抵抗Ｒ１１１には基準電圧ＶＧが印加されている。
フォトダイオードＰＤ１１１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ＶＨ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ＰＤ１１１に直列で接続されているアクティブクエンチング抵抗Ｒ１１１にその電流が流れることで、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１１１の端子間電圧が増加する。端子間電圧の増加に伴いフォトダイオードＰＤ１１１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Ｒ１１１の端子間電圧低下し、フォトダイオードＰＤ１１１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。このようにして、バッファーＢＵＦ１１１により、フォトダイオードＰＤ１１１とアクティブクエンチング抵抗Ｒ１１１間の電圧変化が２値のパルス出力として取り出される。
受光部１１１は微弱光を検出できるものの、受光部１１１から対象物の反射光成分により出力されたパルス（有効データ）と、対象物の反射光以外の成分、例えば信号光、外乱光または熱等、により出力されたパルス（無効データ）とを判別することはできない。
そこで、無効データを除去する手段が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されている光検出器は、複数のシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）をアレイ状に配列し、所定数のＳＰＡＤが同時に反応したときを有効データとみなす。
日本国特許公報「特許第５６４４２９４号（２０１４年１１月１４日登録）」
しかしながら、上述のような従来技術は以下のような問題がある。すなわち、クエンチング抵抗付加によるパルス出力をＴＯＦセンサに使用する場合、ＴＯＦセンサの精度は、有効データが多いほど高くなるため、高精度の測定を維持するためには有効データを一定数取得する必要がある。しかし、特許文献１に記載されている手法は、反射光成分のパルス検出確率が大きく減少するため、精度測定に必要な一定数の有効データを取得するのに時間がかかり過ぎてしまうという問題がある。
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高精度な距離測定を短時間で実施できる光センサを実現することにある。
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、基準パルスに応じて光を出射する発光部と、光入射によりパルスを出力する第１受光部と、前記発光部の出射光の対象物による反射光および外乱光を含む光の入射による前記第１受光部の第１出力パルス数、外乱光の入射による前記第１受光部の第２出力パルス数、および前記発光部の発光期間と否発光期間との比に基づき、前記反射光の入射による前記第１受光部の第３出力パルス数を算出する第１算出部と、前記第３出力パルス数が第１基準値よりも大きい場合、前記発光期間における前記基準パルスと前記第１受光部の出力パルスとの比較結果に基づき、自装置から前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えていることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、高精度な距離測定を短時間で実施できる効果を奏する。
本発明の実施形態１に係るＴＯＦセンサの概略構成を示すブロック図である。 上記ＴＯＦセンサの受光部の構成例を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は上記ＴＯＦセンサのパルス取得期間における動作を説明するための図である。 上記ＴＯＦセンサのデジタル演算部の構成例を示す回路図である。 上記デジタル演算部の動作を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は上記デジタル演算部の各期間における動作を説明するための回路図である。 上記ＴＯＦセンサのデジタル演算部の構成の変形例を示すブロック図である。 本発明の実施形態２に係るＴＯＦセンサのパルス取得期間における動作を説明するための図である。 本発明の実施形態３に係るＴＯＦセンサのパルス取得期間における発光期間と否発光期間とのタイミングのパターンを説明するための図である。 タイミングのパターンが１つの場合の外乱光の影響を説明する図である。 タイミングのパターンが複数ある場合の外乱光の影響を説明する図である。 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。なお、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付記し、適宜その説明を省略する。
〔実施形態１〕
本発明の実施形態１について、図１〜図７を参照して説明する。
（ＴＯＦセンサの概略構成）
ＴＯＦセンサ１００（光センサ）は、対象物に光を出射した時間と、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信した時間との時間差に基づいて距離を算出することで、ＴＯＦセンサ１００と対象物５０との距離を測定するものである。ＴＯＦセンサ１００は、例えば、スマートフォン、またはカメラ等の電子機器に用いられる。
まず、ＴＯＦセンサ１００の概略構成についてまとめると以下の通りである。
ＴＯＦセンサ１００は、基準パルスに応じて光を出射する発光素子６（発光部）と、光入射により第１受光パルスを出力する第１受光部１と、発光素子６の出射光の対象物による反射光Ｌ２および外乱光Ｌ４を含む光の入射による第１受光部１の第１受光パルスの数（第１出力パルス数）、外乱光Ｌ４の入射による第１受光部１の第１受光パルスの数（第２出力パルス数）、および発光素子６の発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２との比に基づき、反射光Ｌ２の入射による第１受光部１の第１受光パルスの数である第１有効パルス数（第３出力パルス数）を算出する第１デジタル演算部１４（第１算出部）と、第１有効パルス数（第３出力パルス数）が第１基準値よりも大きい場合、発光期間Ｔ１における基準パルスと第１受光部１の第１受光パルスとの比較結果に基づき、自装置から前記対象物までの距離を算出する距離演算部３３（距離算出部）と、を備えている。
また、ＴＯＦセンサ１００は、光入射により第２受光パルスを出力する第２受光部２と、発光素子６の出射光の自装置内部にて反射された内部反射光Ｌ３および外乱光Ｌ４の入射による第２受光部２の第２受光パルスの数（第１内部出力パルス数）、外乱光Ｌ４の入射による第２受光部２の第２受光パルスの数（第２内部出力パルス数）、および発光素子６の発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２との比に基づき、内部反射光Ｌ３の入射による第２受光部２の第２受光パルスの数である第２有効パルス数（第３内部出力パルス数）を算出する第２デジタル演算部２４（第２算出部）と、を備え、距離演算部３３（距離算出部）は、第１有効パルス数（第３出力パルス数）が第１基準値よりも大きく第２有効パルス数（第３内部出力パルス数）が第２基準値よりも大きい場合、発光期間Ｔ１における基準パルスと第１受光部１の第１受光パルスとの比較結果と、発光期間Ｔ１における基準パルスと第２受光部２の第２受光パルスとの比較結果に基づき、自装置から対象物５０までの距離を算出する。
以下にＴＯＦセンサ１００の概略構成について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態１に係るＴＯＦセンサ１００の概略構成を示すブロック図である。図２は、ＴＯＦセンサ１００の第１受光部１の構成例を示すブロック図である。
ＴＯＦセンサ１００は、図１に示すように、第１受光部１、第２受光部２、距離測定部３、基準パルス生成回路４、ドライバ回路５、発光素子６、第１デジタル演算部１４、第１判定回路１５、第２デジタル演算部２４、および第２判定回路２５を備えている。
基準パルス生成回路４は、基準パルスを生成する。基準パルス生成回路４は、ドライバ回路５に基準パルスを与え、また、後述する第１時間差抽出部３１および第２時間差抽出部３２に、基準クロックとして基準パルスを与える。
ドライバ回路５は、基準パルス生成回路４からの基準パルス、およびＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）で決定された発光期間および否発光期間に基づき、発光素子６をパルス駆動させる。
発光素子６（発光部）は、発光期間Ｔ１に基準パルスに応じて対象物５０に出射光Ｌ１を出射する。発光素子６は、否発光期間Ｔ２には光を出射しない。
具体的には、発光素子６は、パルス取得期間において、パルス発光（対象物５０への光の出射）を繰り返している状態αと、発光していない（光を出射していない）状態βの２つの状態を持つ。言い換えると、発光素子６が状態αである期間が発光期間Ｔ１、発光素子６が状態βである期間が否発光期間Ｔ２である。
第１受光部１は、発光期間Ｔ１において発光素子６から出射され対象物５０により反射された反射光Ｌ２および外乱光Ｌ４を含む第１入射光Ｌ１０を受光し、否発光期間Ｔ２において外乱光Ｌ４を受光し、第１受光パルスを出力する。また、第１受光部１は、第１受光パルスを第１デジタル演算部１４および第１時間差抽出部３１に出力する。
第１受光部１は、対象物５０からの反射光Ｌ２および外乱光を含む光によるフォトン入射に対して２値のパルスを出力するフォトンカウント型である。ここで、反射光Ｌ２および外乱光を含む光とは、反射光Ｌ２、パッケージ内部の反射光（内部反射光Ｌ３）および、外乱光、等（外乱光Ｌ４）であり、図１に示す第１入射光Ｌ１０である。また、第１受光部１において熱的に発生したキャリアにより出力されたパルスも、第１受光パルスに含めるものとする。
第１受光部１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を備えている。フォトダイオードＰＤ１と抵抗Ｒ１とは直列に接続されている。フォトダイオードＰＤ１には降伏電圧以上のバイアス電圧ＶＨが印加されており、抵抗Ｒ１には基準電圧ＶＧが印加されている。
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、降伏電圧以上のバイアス電圧ＶＨ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ＰＤ１に直列で接続されている抵抗Ｒ１にその電流が流れることで、抵抗Ｒ１の端子間電圧が増加する。端子間電圧の増加に伴いフォトダイオードＰＤ１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抵抗Ｒ１の端子間電圧低下し、フォトダイオードＰＤ１には再び降伏電圧以上のバイアス電圧ＶＨが印加される状態に戻る。バッファーＢＵＦ１により、フォトダイオードＰＤ１および抵抗Ｒ１の間の電圧変化が２値のパルス出力として取り出される。これにより、第１受光部１は、第１入射光Ｌ１０を受光して第１受光パルスを出力する。
第２受光部２は、ＴＯＦセンサ１００内部に設置され、発光期間Ｔ１において内部反射光Ｌ３および外乱光Ｌ４を含む光を受光し、否発光期間Ｔ２において外乱光Ｌ４を受光し、第２受光パルスを出力する。また、第２受光部２は、第２受光パルスを第２デジタル演算部２４および第２時間差抽出部３２に出力する。
具体的には、第２受光部２は、発光素子６の近傍に配置され、ＴＯＦセンサ１００の内部反射光Ｌ３および外乱光Ｌ４を含む光によるフォトン入射に対して２値のパルスを出力するフォトンカウント型である。ここで、内部反射光Ｌ３および外乱光Ｌ４を含む光とは、図１に示す第２入射光Ｌ２０である。
第２受光部２は、フォトダイオードＰＤ２、アクティブクエンチング抵抗Ｒ２、およびバッファーＢＵＦ２を備えている。フォトダイオードＰＤ２、アクティブクエンチング抵抗Ｒ２、およびバッファーＢＵＦ２は、第１受光部１のフォトダイオードＰＤ１、アクティブクエンチング抵抗Ｒ１、およびバッファーＢＵＦ１と同様の機能を有する。これにより、第２受光部２は、第２入射光Ｌ２０を受光して第２受光パルスを出力する。
なお、第１入射光Ｌ１０を受光する第１受光部１、または第２入射光Ｌ２０を受光する第２受光部２が複数ある場合は、図２に示すように、各受光部からの出力（ＢＵＦ１ａ（２ａ）、ＢＵＦ１ｂ（２ｂ）、ＢＵＦ１ｃ（２ｃ）の出力）に対しＯＲ論理でまとめた後に、第１デジタル演算部１４および第１時間差抽出部３１、または第２デジタル演算部２４および第２時間差抽出部３２に、第１受光パルスまたは第２受光パルスを出力する。
距離測定部３は、ＴＯＦセンサ１００と対象物５０との距離を測定する。距離測定部３は、第１時間差抽出部３１、第２時間差抽出部３２、および距離演算部３３を備えている。距離測定部３の各構成について、詳しくは後述する。
（有効パルスを基準値以上取得することで、有効データを必要数取得する）
ＴＯＦセンサ１００の距離測定精度を高精度に維持するためには、距離測定の演算に用いる有効データを一定数取得した後に、距離の演算を行う必要がある。
第１受光パルスにおける有効データとは、反射光Ｌ２および内部反射光Ｌ３を受光したときに出力される第１受光パルスである。以降、第１受光パルスにおける有効データを第１有効パルスと称する。第２受光パルスにおける有効データとは、内部反射光Ｌ３を受光したときに出力される第２受光パルスである。以降、第２受光パルスにおける有効データを第２有効パルスと称する。
第１有効パルス、および第２有効パルスの数を基準値以上取得することで、必要数の有効データを確保する。
（第１有効パルスを必要数取得する）
第１有効パルスを必要数取得する処理について、図１、および図３に基づき以下に説明する。
第１有効パルスを基準値以上の取得することは、第１デジタル演算部１４、および第１判定回路１５により行われる。第１デジタル演算部１４および第１判定回路１５はｂｉｔ数に応じた配線数で接続されている。
ＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）が、所定期間において所定時間比（所定比）で発光素子６の発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２とを設定し、第１デジタル演算部１４が、発光期間Ｔ１における第１受光パルスの数である第１出力パルス数、および否発光期間Ｔ２に第１受光部から出力した第１受光パルスの数である第２出力パルス数を取得（カウント）し、第１出力パルス数、第２出力パルス数、および所定時間比に基づき、反射光Ｌ２および内部反射光Ｌ３を受光したときの第１受光パルスの数である第１有効パルス数を演算する。第１デジタル演算部１４は、演算した第１有効パルス数のデジタル値を第１判定回路１５に出力する。
（第１デジタル演算部による発光期間Ｔ１および否発光期間Ｔ２の設定）
図３に基づき、ＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）による発光期間Ｔ１および否発光期間Ｔ２の設定について説明する。図３の（ａ）〜図３の（ｃ）は、ＴＯＦセンサ１００のパルス取得期間における動作を説明するための図である。図３の（ｂ）は、１周期分の第１受光部１からの出力パルスを示し、図３の（ａ）は図３の（ｂ）の部分拡大図である。図３の（ｃ）はパルス取得期間を示した図である。なお、第２受光部２においても、パルス取得期間において、第１受光部１と同様に動作する。
発光素子６の発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２とは、ＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）により決定される。具体的には、図３の（ｂ）に示すように、発光期間Ｔ１（発光素子６が状態αである時間）と否発光期間Ｔ２（発光素子６が状態βである期間）とが、発光期間Ｔ１＞否発光期間Ｔ２となるように設定される。また、ＴＯＦセンサ１００は、図３の（ｃ）に示すようにパルス取得期間において、一定の時間比率（発光期間Ｔ１：否発光期間Ｔ２＝ｔ１:ｔ２）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、状態αと状態βの環境が変化しない程度にできるだけ短く設定することが望ましい。また、否発光期間Ｔ２の長さが短すぎると有効データ数を算出する際の誤差が大きくなるため、否発光期間Ｔ２の長さは発光期間Ｔ１：否発光期間Ｔ２が１０：１程度までにおさまるように設定することが望ましい。
（第１デジタル演算部による第１有効パルス数の演算）
第１受光部１から出力される第１受光パルスには、上述したように反射光Ｌ２および内部反射光Ｌ３により発生する第１有効パルスだけでなく、外乱光Ｌ４により発生するノイズパルスも含まれる。
具体的には、図３の（ａ）に示すように、発光期間Ｔ１では、反射光Ｌ２および内部反射光Ｌ３による第１有効パルスと、外乱光Ｌ４によるノイズパルスとが混ざったパルスが、第１受光パルスとして第１受光部１から出力される。また、否発光期間Ｔ２においては、ノイズパルスのみが第１受光パルスとして第１受光部１から出力される。
そこで、第１デジタル演算部１４では以下のように１周期の第１有効パルス数を演算する。すなわち、第１デジタル演算部１４では、発光期間Ｔ１において取得した第１出力パルス数Ｃ１から、否発光期間Ｔ２において取得した第２出力パルス数Ｃ２に所定時間比（発光期間Ｔ１／否発光期間Ｔ２＝ｔ１／ｔ２）の係数を掛けた値を減算する。つまり、第１デジタル演算部１４において、１周期終了時の第１有効パルス数は、Ｃ１−Ｃ２×（ｔ１／ｔ２）・・・（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Ｔ１と否発光期間Ｔ２とが連続的に行なわれる。式１の第２項は、ノイズパルスが発光期間Ｔ１においていくつ発生していたかを導出している。第１出力パルス数Ｃ１から第２出力パルス数Ｃ２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Ｔ１における反射光Ｌ２および内部反射光Ｌ３による第１有効パルス数のみを求めることができる。
また、ｔ１（発光期間Ｔ１）＞ｔ２（否発光期間Ｔ２）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６がパルス発光を繰り返している発光期間Ｔ１の比率を上げることができるので、第１有効パルスの取得を早め、ノイズパルスのみが発生する否発光期間Ｔ２による時間のロスを低減できる。
また、ｎ周期終了時（ｎ期間終了時）における第１有効パルスは下記の式２で演算される。
ここで、Ｃ１＿ｋはｋ周期目の発光期間Ｔ１において取得した第１出力パルス数を示し、Ｃ２＿ｋはｋ周期目の否発光期間Ｔ２において取得した第２出力パルス数を示す。すなわち、第１デジタル演算部１４により第１有効パルス数のみが加算されていくことで、ｎ周期終了時における第１有効パルスが演算される。
第１デジタル演算部１４は、ｎ周期（ｎ≧１）が終了する毎に演算から取得した第１有効パルス数をデジタル値にして第１判定回路１５に出力する。
（第１有効パルス数の判定）
第１判定回路１５（第３出力パルス数判定部）は、第１デジタル演算部１４から出力された第１有効パルス数が第１基準値よりも大きいか否かを判定する。第１基準値は、対象物までの距離を求めるのに十分な測定精度を確保するために必要な第１有効データの数に規定することが望ましい。
第１判定回路１５は、ｎ周期（ｎ≧１）終了する毎に、第１デジタル演算部１４から出力されるデジタル値が、第１基準値より大きいか否かを判定する。ｎは任意に設定でき、図３の（ｃ）では、ｎ＝３の場合を示している。この場合、第１判定回路１５は、点Ｐ毎（３周期毎）に第１デジタル演算部１４から出力された第１有効パルス数が第１基準値より大きいかを判定する。
第１デジタル演算部１４から出力された第１有効パルス数が第１基準値以下の場合は、第１判定回路１５は、パルス取得期間を継続し、第１デジタル演算部１４はさらに第１受光パルスの取得を続ける。第１デジタル演算部１４から出力された第１有効パルス数が第１基準値より大きい場合は、第１判定回路１５は、パルス取得期間を終了し、当該判定結果を第１時間差抽出部３１および距離演算部３３に出力する。
（第２有効パルスを必要数取得する）
第２有効パルスを必要数取得する処理について、図１、および図３に基づき以下に説明する。
第２有効パルスを基準値以上の取得することは、第２デジタル演算部２４、および第２判定回路２５により行われる。第２デジタル演算部２４および第２判定回路２５はｂｉｔ数に応じた配線数で接続されている。
第２デジタル演算部２４は、発光期間Ｔ１における第２受光パルスの数である第１内部出力パルス数、および否発光期間Ｔ２における第２受光パルスの数である第２内部出力パルス数を取得し、第１内部出力パルス数、第２内部出力パルス数、および所定時間比に基づき、内部反射光Ｌ３を受光したときの第２受光パルスの数である第２有効パルス数を演算する。第２デジタル演算部２４は、演算した第２有効パルス数のデジタル値を第２判定回路２５に出力する。
（第２デジタル演算部による第２有効パルス数の演算）
第２受光部２からの第２受光パルスは、上述したように内部反射光Ｌ３により発生する第２有効パルスだけでなく、外乱光Ｌ４により発生するノイズパルスも含まれる。
具体的には発光期間Ｔ１では、内部反射光Ｌ３による第２有効パルスと、外乱光Ｌ４によるノイズパルスとが混ざったパルスが第２受光パルスとして第２受光部２から出力される。また、否発光期間Ｔ２においては、ノイズパルスのみが第２受光パルスとして第２受光部２から出力される。
そこで、第２デジタル演算部２４では以下のように１周期の第２有効パルス数を演算する。すなわち、第２デジタル演算部２４では、発光期間Ｔ１において取得した第１内部出力パルス数Ｄ１から、否発光期間Ｔ２において取得した第２内部出力パルス数Ｄ２に発光期間Ｔ１／否発光期間Ｔ２（ｔ１／ｔ２）の係数を掛けた値を減算する。つまり、第２デジタル演算部２４より、１周期終了時の第２有効パルス数は、Ｄ１−Ｄ２×（ｔ１／ｔ２）・・・（式３）で求められる。
式３の第２項は、ノイズパルスが発光期間Ｔ１においていくつ発生していたかを導出している。第１内部出力パルス数Ｄ１から第２内部出力パルス数Ｄ２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Ｔ１における内部反射光Ｌ３による第２有効パルス数のみを求めることができる。
また、ｎ周期終了時における第１有効パルスは下記の式４で演算される。
ここで、Ｄ１＿ｋはｋ周期目の発光期間において取得した第１内部出力パルス数を示し、Ｄ２＿ｋはｋ周期目の否発光期間において取得した第２内部出力パルス数を示す。すなわち、第２デジタル演算部２４により第２有効パルス数のみが加算されていくことで、ｎ周期終了時における第２有効パルスが演算される。
第２デジタル演算部２４は、ｎ周期（ｎ≧１）が終了する毎に演算から取得した第２有効パルス数をデジタル値にして第２判定回路２５に出力する。
（第２有効パルス数の判定）
第２判定回路２５は、第２デジタル演算部２４から出力された第２有効パルス数が第２基準値よりも大きいか否かを判定する。第２基準値は、第１基準値と同じであってもよい。
第２判定回路２５は、ｎ周期（ｎ≧１）終了する毎に、第２デジタル演算部２４により出力されるデジタル値が、第２基準値より大きいか否かを判定する。第２デジタル演算部２４から出力された第２有効パルス数が第２基準値以下の場合は、第２判定回路２５は、パルス取得期間を継続し、第２デジタル演算部２４はさらに第２受光パルスの取得を続ける。第２デジタル演算部２４から出力された第２有効パルス数が第２基準値より大きい場合は、パルス取得期間を終了し、第２判定回路２５は、当該判定結果を第２時間差抽出部３２および距離演算部３３に出力する。
（距離測定までの流れ）
第１時間差抽出部３１は、発光期間Ｔ１における第１受光パルスと基準パルスとの平均時間差である第１平均時間差を抽出する。
具体的には、第１時間差抽出部３１は、第１判定回路１５により第１有効パルス数が第１基準値よりも大きいと判定するまで、発光期間Ｔ１における第１受光パルスを取得し、取得した第１受光パルスの第１平均時間差を求める。第１平均時間差とは、発光素子６が光を出射してから（基準パルスから）第１受光部１が光を受光して第１受光パルスを出力するまでの時間の平均値である。第１時間差抽出部３１では、第１有効パルス数が第１基準値より大きくなるまで、発光期間Ｔ１における第１受光パルスの全てのデータが平均化処理される。第１時間差抽出部３１は、第１判定回路１５により第１有効パルス数が第１基準値よりも大きいと判定した場合に、第１平均時間差を距離演算部３３に出力する。
第２時間差抽出部３２は、発光期間における第２受光パルスと基準パルスとの平均時間差である第２平均時間差を抽出する。
具体的には、第２時間差抽出部３２は、第２判定回路２５により第２有効パルス数が第２基準値よりも大きいと判定するまで、発光期間Ｔ１の第２受光パルスを取得し、取得した第２受光パルスの第２平均時間差を求める。第２平均時間差とは、発光素子６が光を出射してか（基準パルスから）ら第２受光部２が光を受光して第２受光パルスを出力するまでの時間の平均値である。第２時間差抽出部３２では、第２有効パルス数が第２基準値より大きくなるまで、発光期間Ｔ１における第２受光パルスの全てのデータが平均化処理される。第２時間差抽出部３２は、第２判定回路２５により第２有効パルス数が第２基準値よりも大きいと判定した場合に、第２平均時間差を距離演算部３３に出力する。
距離演算部３３は、第１判定回路１５により第１有効パルス数が第１基準値よりも大きいと判定され、第２判定回路２５により第２有効パルス数が第２基準値よりも大きいと判定された場合に、第１平均時間差、および第２平均時間差に基づき対象物５０までの距離を演算する。
第１判定回路１５により第１有効パルス数が第１基準値よりも大きいと判定される方が、第２判定回路２５により第２有効パルス数が第２基準値よりも大きいと判定されるよりも確実に遅くなる場合は、例えば、内部反射光Ｌ３が、反射光Ｌ２に対して十分に大きい場合等である。このような場合においては、距離演算部３３は、第１有効パルス数が第１基準値よりも大きい場合に、第１平均時間差、および第２平均時間差に基づき対象物５０までの距離を演算してもよい。
第２受光部２は発光素子６の近傍に設置されているため、第２受光部２から出力される第２受光パルスは空間航路上の距離がほぼ０とみなすことができる。そのため、第１平均時間差と第２平均時間差との差は、空間航路上の距離（ＴＯＦセンサ１００から対象物５０までの往復距離）による光の到達時間の時間差とみなすことができる。距離演算部３３は、この第１平均時間差、および第２平均時間差を用いて空間航路上の距離に相当する時間差を抽出し、反射物までの距離を演算する。
従来のＴＯＦセンサにおいては、必要な有効データが取得できるように、十分余裕を持って有効データを取得する時間を設定していた。
それに対して、本実施形態に係るＴＯＦセンサ１００では、有効データとなる第１有効パルス数、および第２有効パルス数をカウントし、いつ有効データを必要数取得できたかを判定する。これにより、測定精度を高精度に維持するために必要な有効データの数を取得でき次第、対象物５０までの距離を演算できる。その結果、距離測定時間が最小化できるので、高精度な距離測定を短時間で実施できる。
また、ＴＯＦセンサ１００は、ＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）を備え、制御部が第１判定回路１５および第２判定回路２５の判定結果を受け、距離測定部３に距離測定を指示するものであってもよい。
（第１デジタル演算部の具体的な回路構成）
第１デジタル演算部１４の具体的な回路構成例を図４〜図６に基づき、以下に説明する。図４は、ＴＯＦセンサ１００の第１デジタル演算部１４の構成例を示す回路図である。図５は、第１デジタル演算部１４の動作を説明するための図である。図６の（ａ）〜図６の（ｃ）は第１デジタル演算部１４の各期間における動作を説明するための回路図であり、図６の（ａ）は発光期間Ｔ１の第１デジタル演算部１４の動作を説明するための回路図である。図６の（ｂ）はカウント反転期間Ｔ３の第１デジタル演算部１４の動作を説明するための回路図である。図６の（ｃ）は否発光期間Ｔ２の第１デジタル演算部１４の動作を説明するための回路図である。なお、第２デジタル演算部２４も以下に説明する第１デジタル演算部１４の動作と同様に動作する。
また、以下では、発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２との比が４：１、第１判定回路１５につながるｂｉｔ数は５ｂｉｔである場合について説明する。なお、Ｅｎａｂｌｅ、Ｓｉｇｎａｌ１、Ｓｉｇｎａｌ２、ＵＰ／ＤＯＷＮへのｈｉｇｈ（以下Ｈと称する）、またはＬｏｗ（以降Ｌと称する）の信号の入力は、例えば、ＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）で行われる。
第１デジタル演算部１４は、図４および図５に示すように、Ｅｎａｂｌｅ端子にＨの期間におけるＰｕｌｓｅ＿ｉｎｐｕｔ端子から入力されたパルス数をカウントする回路である。なお、図４の破線で囲われた回路部をさらに接続することでｂｉｔ数を増やすことができる。
パルス取得前にＲｅｓｅｔ＿ｓｉｇｎａｌ端子にＨ→Ｌ→Ｈの信号が入力されることで、デジタル演算出力５ｂｉｔ（ＯＵＴ＿０、ＯＵＴ＿１、ＯＵＴ＿２、ＯＵＴ＿３、ＯＵＴ＿４）を０(＝Ｌ)にリセットし、パルス取得を開始する。
発光期間Ｔ１では、図５および図６の（ａ）に示すように、Ｅｎａｂｌｅ＝Ｈ、Ｓｉｇｎａｌ１＝Ｈ、Ｓｉｇｎａｌ２＝Ｌ、ＵＰスラッシュＤＯＷＮ＝ＨとなりＰｕｌｓｅ＿ｉｎｐｕｔ端子から入力されたパルス数を加算する回路構成となる。
発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２との間には、短いカウント反転期間Ｔ３を有する。カウント反転期間Ｔ３内では、Ｓｉｇｎａｌ１、Ｓｉｇｎａｌ２、ＵＰ／ＤＯＷＮを変化させる。カウント反転期間Ｔ３は、発光期間Ｔ１、および否発光期間Ｔ２に対して十分短く、例えば、発光期間Ｔ１、または否発光期間Ｔ２の１／１０００程度である。
カウント反転期間Ｔ３中はＥｎａｂｌｅ＝Ｌが入力され、Ｐｕｌｓｅ＿ｉｎｐｕｔ端子から入力されるパルス（図５の丸囲い部）はカウントされない。また、カウント反転期間Ｔ３中、発光素子６は非発光である。図６の（ｂ）に示すように、カウント反転期間Ｔ３は各ｂｉｔ間のＤフリップフロップＤ＿ＦＦは分離され、Ｓｉｇｎａｌ２＝ＬがＨに変更される際にすべてのｂｉｔが反転する。
否発光期間Ｔ２では、図５に示すように、Ｅｎａｂｌｅ＝Ｈ、Ｓｉｇｎａｌ１＝Ｈ、Ｓｉｇｎａｌ２＝Ｌ、ＵＰ／ＤＯＷＮ＝Ｌとなり、第１デジタル演算部１４は、Ｐｕｌｓｅ＿ｉｎｐｕｔ端子から入力されたパルスの数を減算する。回路構成は、図６の（ｃ）に示すように、入力を３ｂｉｔ目(ＯＵＴ＿２)から行い、１ｂｉｔ目と２ｂｉｔ目（ＯＵＴ＿０、ＯＵＴ＿１）は変化させないことを除くと、図６の（ａ）と同様の構成であり、動作自体はパルス数を３ｂｉｔ目から加算している。
具体的な演算手順について説明する。図５に示すように、発光期間Ｔ１に第１受光パルスが２８個、否発光期間Ｔ２第１受光パルスが５個入力された場合を例にとると、以下のようになる。なお、以下の説明は、ＯＵＴ＿４、ＯＵＴ＿３、ＯＵＴ＿２、ＯＵＴ＿１、ＯＵＴ＿０の順で示し、Ｈ電圧を１、Ｌ電圧を０として説明する。
発光期間Ｔ１における第１受光パルスの数が２８（１０進数）なので、２進数では１１１００となる。また、カウント反転期間Ｔ３では、各ｂｉｔが反転されるので、０００１１となる。
否発光期間Ｔ２における第１受光パルスの数が５（１０進数）なので、０００１１を２ｂｉｔ上位ｂｉｔ方向にずらし、５を加算する。すなわち、上位３ｂｉｔ部分の０００（０）が１０１（５）に変化するので、１０１１１となる。また、カウント反転期間Ｔ３では各ｂｉｔが反転されるので０１０００（２進数）となり、１０進数で示す８となる。
以上のように、第１デジタル演算部１４では、（第１出力パルス数Ｃ１）―（第２出力パルス数Ｃ２）×（発光期間Ｔ１（ｔ１）／否発光期間Ｔ２（ｔ２））＝２８−５×４＝８の演算を行う。
否発光期間Ｔ２におけるｂｉｔ反転時の加算は、ｂｉｔを元に戻すと減算していることと等価である。またｉｂｉｔ（ｉは変数）上位ｂｉｔ方向にずらして、パルス入力し加算することは、加算値が２のｉ乗倍されていることと等価である。
本実施形態ではｔ１／ｔ２が４倍のため、否発光期間Ｔ２において２ｂｉｔずらして加算を行った。このことから、加算値を２のべき乗倍にすることは、言い換えると、発光期間Ｔ１が否発光期間Ｔ２の２のべき乗倍であることは、第１デジタル演算部１４の回路構成上、容易であり、デジタル演算回路の構成を簡易化し、回路規模を低減させることができる。
否発光期間Ｔ２の後は、再びカウント反転期間Ｔ３を間に挟み、判定期間Ｔ４となる。
〔変形例１〕
第１デジタル演算部１４の概略構成の変形例である第１デジタル演算部１４１を、図７に基づき以下に説明する。図７はＴＯＦセンサ１００の第１デジタル演算部１４の構成の変形例を示すブロック図である。なお、第２デジタル演算部２４の回路も第１デジタル演算部１４と同様の変形例を構成することができる。
第１デジタル演算部１４１は、図７に示すように、第１出力パルス数をカウントする発光期間カウンタ６０、第２出力パルス数をカウントする否発光期間カウンタ６１、乗算処理を行う乗算回路６２、および減算処理を行う減算回路６３が別々に備えられていてもよい。発光期間カウンタ６０と減算回路６３、否発光期間カウンタ６１と乗算回路６２、および乗算回路６２と減算回路６３とは、ｂｉｔ数に応じた配線数で接続されている。
第１デジタル演算部１４１は、第１デジタル演算部１４の構成に比べてＤフリップフロップＤ＿ＦＦの数が増えるため、回路規模が大きくなる。
第１デジタル演算部１４１においても、１周期内での否発光期間Ｔ２に対する発光期間Ｔ１が、２のｉ乗倍であることにより回路規模を低減させることができる。第１デジタル演算部１４１において減算処理を行う際に、第２出力パルス数Ｃ２の２進数出力をｉｂｉｔ（ｉは変数）上位ｂｉｔ方向にずらして減算することで、Ｃ１―Ｃ２×（ｔ１／ｔ２）の演算を行うことができ、ｔ１／ｔ２の係数を掛ける乗算回路６２を設ける必要がなくなるためである。
また、本実施形態では、第２受光部２を含まず、第１受光部１だけとしても対象物５０までの距離測定が可能である。その場合、距離演算部３３は、発光期間Ｔ１の第１受光パルスおよび基準パルスに基づき対象物までの距離を演算する。
また、ＴＯＦセンサ１００に第１受光部１と同じ回路の第２受光部２を備えることで、下記の（１）および（２）の理由により、純粋な光路の距離差だけで対象物５０までの距離を算出できるので、距離算出精度を高めることができる。（１）回路内の遅延を考慮することができる、（２）発光素子の発光遅延およびフォトダイオードの応答遅延を考慮することができる。
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、図１および図８を参照して説明する。図８は、本発明の実施形態２に係るＴＯＦセンサ１００Ａのパルス取得期間における動作を説明するための図である。ＴＯＦセンサ１００Ａは、ＴＯＦセンサ１００に比べて、１周期内で発光期間Ｔ１および否発光期間Ｔ２を分割して実施する点が異なり、その他の構成は同様である。
（１周期内で発光期間および否発光期間を分割して実施する）
本実施形態では、図８に示すように、１周期において発光期間Ｔ１および否発光期間Ｔ２が分割して交互に実施される。具体的には、発光期間Ｔ１は、１周期中に、発光期間Ｔ１１、発光期間Ｔ１２、および発光期間Ｔ１３に分割され、否発光期間Ｔ２は、１周期中に、否発光期間Ｔ２１、否発光期間Ｔ２２、および否発光期間Ｔ２３に分割され、発光期間と否発光期間とは交互に実施される。
発光期間の合計（発光期間Ｔ１）と否発光期間の合計（否発光期間Ｔ２）とは以下の関係を示す。すなわち、発光期間の合計（＝発光期間Ｔ１１＋発光期間Ｔ１２＋発光期間Ｔ１３）＞否発光期間の合計（＝否発光期間Ｔ２１＋否発光期間Ｔ２２＋否発光期間Ｔ２３）。言い換えると、ｔ１（＝ｔ１１＋ｔ１２＋ｔ１３）＞ｔ２（＝ｔ２１＋ｔ２２＋ｔ２３）を満たす。また、１周期中のｔ１とｔ２との比は所定時間比で決定される。ＴＯＦセンサ１００Ａは、このように設定された発光期間および否発光期間で構成される期間を１周期として、パルス取得期間中、動作を繰り返す。
（有効パルス数の演算）
実施形態１の場合と同様に、第１デジタル演算部１４では、発光期間Ｔ１において取得した第１出力パルス数Ｃ１を加算し、否発光期間Ｔ２において取得した第２出力パルス数Ｃ２に１周期内での（発光期間の合計時間（ｔ１）／否発光期間の合計時間（ｔ２））の係数を掛けた値を減算する。1周期終了時のデジタル演算部より出力されるデジタル値は、Ｃ１−Ｃ２×（ｔ１／ｔ２）・・・（式５）で求められる。
外乱光等の外的環境の変化に対して、発光期間Ｔ１１・Ｔ１２・Ｔ１３と否発光期間Ｔ２１・Ｔ２２・Ｔ２３とが１周期の短い時間に連続的に行なわれる。式５の第２項は、ノイズパルスが発光期間Ｔ１においていくつ発生していたかを導出している。第１出力パルス数Ｃ１から第２出力パルス数Ｃ２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Ｔ１における反射光Ｌ２および内部反射光Ｌ３による第１有効パルス数のみを求めることができる。
また、ｔ１（発光期間の合計）＞ｔ２（否発光期間の合計）と設定することで、１周期における発光素子６がパルス発光を繰り返している発光期間の比率を上げ、第１有効パルスの取得を早め、ノイズパルスのみが発生する否発光期間による時間のロスを低減できる。
ｎ周期終了時における第１有効パルスは上述した式６で演算される。
ここで、Ｃ１＿ｋはｋ周期目の発光期間において取得した第１出力パルス数を示し、Ｃ２＿ｋはｋ周期目における否発光期間において取得した第２出力パルス数を示す。すなわち、第１デジタル演算部１４により第１有効パルス数のみが加算されていくことで、ｎ周期終了時における第１有効パルスが演算される。
第１判定回路１５は、ｎ周期（ｎ≧１）が終了する毎に、第１デジタル演算部１４より出力される第１有効パルス数が、第１基準値を超えているか判定する。第１判定回路１５は、第１デジタル演算部１４から出力された第１有効パルス数が第１基準値以下場合は、パルス取得期間を継続し、第１デジタル演算部１４はさらに第１受光パルスの取得を続ける。第１デジタル演算部１４から出力された第１有効パルス数が第１基準値より大きい場合は、第１判定回路１５は、パルス取得期間を終了し、当該判定結果を第１時間差抽出部３１および距離演算部３３に出力する。
実施形態１と同様に、ｎ周期（ｎ≧１）が終了する毎に、ＴＯＦセンサ１００Ａの第１有効パルス数を知ることができ、必要十分なデータ数を取得次第、対象物５０までの距離を演算できる。その結果、距離測定時間が最小化できるので、高精度な距離測定を短時間で実施できる。
また、本実施形態では、第２デジタル演算部２４および第２判定回路２５も同様に、本実施形態で規定される発光期間Ｔ１および否発光期間Ｔ２を用いて、実施形態１と同様に処理を行う。
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、図１、および図９〜図１１を参照して説明する。図９は本発明の実施形態３に係るＴＯＦセンサ１００Ｂのパルス取得期間における発光期間と否発光期間とのタイミングのパターンを説明するための図である。図１０は発光期間および否発光期間のタイミングのパターンが１つの場合の外乱光の影響を説明する図である。図１１は発光期間および否発光期間のタイミングのパターンが複数ある場合の外乱光の影響を説明する図である。ＴＯＦセンサ１００Ｂは、ＴＯＦセンサ１００比べて、１周期内での発光期間と否発光期間を実施するタイミングを変化させたｍ通り（ｍ≧２）のパターンを持つ点が異なり、その他の構成は同様である。言い換えると、本実施形態では、実施形態２の１周期内で発光期間および否発光期間を分割して実施する場合において、上記分割方法は少なくとも２以上のパターンを持ち、各パターンを持つ所定期間は順に実施される。
（１周期内での発光期間と否発光期間とを実施するタイミングを変化させる）
図９には、１周期内で発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２とを様々に分割させて交互に実行するように設定したパターンＡ〜パターンＥが示されている。パターンＡ〜パターンＥの各パターンはいずれも、発光期間の合計時間（ｔ１）＞否発光期間の合計時間（ｔ２）であり、１周期中の発光期間の合計と否発光期間の合計との比（ｔ１：ｔ２）は一定の所定時間比で決定される。
パターンＡからパターンＥはそれぞれが１周期となっており、パルス取得期間中、実施パターンＡからパターンＥまで順に動作が繰り返えされる。
本実施形態では、パターンＡからパターンＥをひとまとまりとして、パターンＡからパターンＥまで実施終了毎（５周期毎）に第１デジタル演算部１４より出力される第１有効パルス数が第１基準値より大きいか否かを、第１判定回路１５が判定する。
実施形態３は実施形態１に比べて、パルス取得期間内での外乱光強度の変化の影響を受けにくい。以下に詳しく説明する。
図１０には、実施形態１と同様に、発光期間および否発光期間のタイミングのパターンが１つの場合において、発光期間、否発光期間での外乱光の強度状態が示されている。外乱光強度状態ａおよび外乱光強度状態ｃでは、１周期に同期する外乱光が第１受光部１に入射した場合が示されている。外乱光強度状態ｃおよび外乱光強度状態ｄでは、短調増加または短調減少の外乱光が第１受光部１に入射した場合が示されている。図１０に示すように、外乱光強度状態ａおよび外乱光強度状態ｃの場合、常に発光期間よりも否発光期間において外乱光が強い状態になることが分かる。さらに、外乱光強度状態ｃおよび外乱光強度状態ｄの場合、常に発光期間よりも否発光期間において外乱光が弱い状態になることが分かる。
このように、所定時間比のパターンが１つでは、外乱光によるノイズパルス発生頻度が発光期間と否発光期間とで大きく変化してしまい、有効パルス数計算時の誤差要因となる。
それに対し、本実施形態のようにパルス取得期間中、パターンＡ〜パターンＥの５周期を順に繰り返す場合、図１１に示すように、外乱光強度状態ａ〜外乱光強度状態ｄのいずれの場合においても、発光期間での外乱光が強い状態と、否発光期間での外乱光が強い状態が混在する。これにより、発光期間、否発光期間における外乱光の強度は５周期内で平均化され、外乱光によるノイズパルスの平均発生頻度の発光期間と否発光期間で差が少なくなるので、有効パルス数計算時の誤差を低減できる。その結果、本実施形態では、外乱光の短調増加、短調減少、および、インバータ蛍光灯などのＡＣ的に強度変化する外乱光に対しても、有効パルス計算時の誤差を低減でき、外乱光下においても高精度の測定を維持できる。
〔ソフトウェアによる実現例〕
ＴＯＦセンサ１００の制御ブロックは、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Cenｔral Processing Uniｔ）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
後者の場合、ＴＯＦセンサ１００は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００・１００Ａ・１００Ｂ）は、基準パルスに応じて光を出射する発光部（発光素子６）と、光入射によりパルスを出力する第１受光部（１）と、前記発光部の出射光の対象物による反射光（Ｌ２）および外乱光（Ｌ４）を含む光の入射による前記第１受光部の第１出力パルス数、外乱光の入射による前記第１受光部の第２出力パルス数、および前記発光部の発光期間（Ｔ１）と否発光期間（Ｔ２）との比に基づき、前記反射光の入射による前記第１受光部の第３出力パルス数（第１有効パルス数）を算出する第１算出部（第１デジタル演算部１４）と、前記第３出力パルス数が第１基準値よりも大きい場合、前記発光期間における前記基準パルスと前記第１受光部の出力パルスとの比較結果に基づき、自装置から前記対象物までの距離を算出する距離算出部（距離演算部３３）と、を備えている。
上記構成によれば、第１算出部により、発光期間と否発光期間との比、発光期間において発光部から出射され対象物により反射された反射光および外乱光を含む光の入射により第１受光部から出力された第１出力パルス数、否発光期間において外乱光の入射により第１受光部により出力された第２出力パルス数に基づき、上記反射光を受信したときに第１受光部により出力された第３出力パルス数を演算することができる。
また、第３出力パルス数が第１基準値よりも大きい場合、出力パルスおよび基準パルスに基づき、対象部までの距離が距離算出部により演算される。これにより、第１基準値を正確な対象物までの距離を求めるのに必要な有効データ数に規定することで、必要な有効データの数を取得でき次第、対象部までの距離を演算できる。その結果、距離測定時間が最小化できるので、高精度な距離測定を短時間で実施できる。
本発明の態様２に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００・１００Ａ・１００Ｂ）は、上記態様１において、光入射によりパルスを出力する第２受光部（２）と、前記発光部の出射光の自装置内部にて反射された内部反射光（Ｌ３）および外乱光（Ｌ４）の入射による前記第２受光部の第１内部出力パルス数、外乱光の入射による前記第２受光部の第２内部出力パルス数、および前記比に基づき、前記内部反射光の入射による前記第２受光部の第３内部出力パルス数（第２有効パルス数）を算出する第２算出部（第２デジタル演算部２４）と、を備え前記距離算出部（距離演算部３３）は、前記第３内部出力パルス数が第２基準値よりも大きい場合、前記比較結果と、前記発光期間における前記基準パルスと前記第２受光部の出力パルスとの比較結果とに基づき、自装置から前記対象物までの距離を算出することが好ましい。
上記構成によれば、第２算出部により、発光期間と否発光期間との比、発光期間において前記発光部の出射光の自装置のパッケージにより反射された内部反射光および外乱光の入射により第２受光部から出力された第１内部出力パルス数、否発光期間において外乱光の入射により第２受光部により出力された第２内部出力パルス数に基づき、上記内部反射光を受信したときに第２受光部により出力された第３内部出力パルス数を演算することができる。
また、第３出力パルス数が第１基準値よりも大きく、第３内部出力パルス数が第２基準値よりも大きい場合、第１受光部の出力パルス、第２受光部の出力パルスおよび基準パルスに基づき、対象部までの距離が距離算出部により演算される。これにより、第１基準値および第２基準値を正確な対象物までの距離を求めるのに必要な有効データ数に規定することで、必要な有効データの数を取得でき次第、センサから対象物までの距離測定をすることができる。
本発明の態様３に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００・１００Ａ・１００Ｂ）は、上記態様１または２において、前記発光期間（Ｔ１）は、前記否発光期間（Ｔ２）よりも長いことが好ましい。
上記構成によれば、発光期間を否発光期間よりも長くすることで、より早く有効データを必要数取得することができるため、距離測定時間をさらに短縮できる。
本発明の態様４に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００Ａ）は、上記態様１から３のいずれかにおいて、前記発光期間（Ｔ１）および前記否発光期間（Ｔ２）は、所定比となるように、所定期間において分割して交互に実施されることが好ましい。
上記構成によれば、外乱光の短調増加、短調減少に対しても、インバータ蛍光灯などのＡＣ（交流電流）により強度変化する外乱光に対しても、有効パルス数を演算する時の誤差を低減でき、外乱光下においても高精度の測定を維持できる。
本発明の態様５に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００Ｂ）は、上記態様４において、前記分割方法は少なくとも２以上のパターンを持ち、各パターンを持つ所定期間は順に実施されることが好ましい。
上記構成によれば、外乱光の短調増加、短調減少に対しても、インバータ蛍光灯などのＡＣ（交流電流）により強度変化する外乱光に対しても、有効パルス数を演算する時の誤差を低減でき、外乱光下においても高精度の測定を維持できる。
本発明の態様６に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００・１００Ａ・１００Ｂ）は、上記態様１から５のいずれかにおいて、前記発光期間（Ｔ１）が前記否発光期間（Ｔ２）の２のべき乗倍であることが好ましい。
上記構成によれば、第１パルス数判定部の構成を簡易化し、回路規模を低減させることができる。
本発明の態様７に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００・１００Ａ・１００Ｂ）は、上記態様１から６のいずれかにおいて、前記距離算出部（距離演算部３３）は、前記発光期間（Ｔ１）における出力パルスと前記基準パルスとの平均時間差に基づき、前記対象物（５０）までの距離を演算することが好ましい。
上記構成によれば、前記発光期間における出力パルスと基準パルスとの平均時間差に基づき、対象部までの距離を距離算出部により演算することができる。
本発明の態様８に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００・１００Ａ・１００Ｂ）は、上記態様２において、前記第１受光部（１）または前記第２受光部（２）の少なくとも一つは、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを含むことが好ましい。
上記構成によれば、微弱光を高速に検出することができる。
本発明の態様９に係る光センサ（ＴＯＦセンサ１００・１００Ａ・１００Ｂ）は、上記態様４において、前記第３出力パルス数（第１有効パルス数）が第１基準値よりも大きいか否かを判定する第３出力パルス数判定部（第１判定回路１５）を備え、前記第３出力パルス数判定部の判定は、前記所定期間がｎ期間（ｎ≧１）終了する毎に行われることが好ましい。
上記構成によれば、有効データの数を所定期間ごとに判定することができる。
本発明の態様１０に係る電子機器は、上記態様１から９のいずれかの光センサ（ＴＯＦセンサ１００・１００Ａ・１００Ｂ）を備えていることが好ましい。
上記構成によれば、態様１と同様の効果を奏する。
本発明の各態様に係るＴＯＦセンサは、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記ＴＯＦセンサが備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより上記ＴＯＦセンサをコンピュータにて実現させるＴＯＦセンサの制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
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 第１受光部
２ 第２受光部
６ 発光素子（発光部）
１４ 第１デジタル演算部（第１算出部）
１５ 第１判定回路（第３出力パルス数判定部）
２４ 第２デジタル演算部（第２算出部）
２５ 第２判定回路
３１ 第１時間差抽出部
３２ 第２時間差抽出部
３３ 距離演算部（距離算出部）
Ｌ２ 反射光
Ｌ３ 内部反射光
Ｌ４ 外乱光
Ｌ１０ 第１入射光
Ｔ１ 発光期間
Ｔ２ 否発光期間
１００・１００Ａ・１００Ｂ 光センサ
しかしながら、上述のような従来技術は以下のような問題がある。すなわち、クエンチング抵抗付加によるパルス出力をＴＯＦセンサに使用する場合、ＴＯＦセンサの精度は、有効データが多いほど高くなるため、高精度の測定を維持するためには有効データを一定数取得する必要がある。しかし、特許文献１に記載されている手法は、反射光成分のパルス検出確率が大きく減少するため、高精度の測定に必要な一定数の有効データを取得するのに時間がかかり過ぎてしまうという問題がある。
第１受光部１は、対象物５０からの反射光Ｌ２および外乱光を含む光によるフォトン入射に対して２値のパルスを出力するフォトンカウント型である。ここで、反射光Ｌ２および外乱光を含む光とは、反射光Ｌ２、パッケージ内部の反射光（内部反射光Ｌ３）および、外乱光（外乱光Ｌ４）等であり、図１に示す第１入射光Ｌ１０である。また、第１受光部１において熱的に発生したキャリアにより出力されたパルスも、第１受光パルスに含めるものとする。
ＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）が、所定期間において所定時間比（所定比）で発光素子６の発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２とを設定し、第１デジタル演算部１４が、発光期間Ｔ１における第１受光パルスの数である第１出力パルス数、および否発光期間Ｔ２に第１受光部１から出力した第１受光パルスの数である第２出力パルス数を取得（カウント）し、第１出力パルス数、第２出力パルス数、および所定時間比に基づき、反射光Ｌ２および内部反射光Ｌ３を受光したときの第１受光パルスの数である第１有効パルス数を演算する。第１デジタル演算部１４は、演算した第１有効パルス数のデジタル値を第１判定回路１５に出力する。
発光素子６の発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２とは、ＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）により決定される。具体的には、図３の（ｂ）に示すように、発光期間Ｔ１（発光素子６が状態αである期間）と否発光期間Ｔ２（発光素子６が状態βである期間）とが、発光期間Ｔ１＞否発光期間Ｔ２となるように設定される。また、ＴＯＦセンサ１００は、図３の（ｃ）に示すようにパルス取得期間において、一定の時間比率（発光期間Ｔ１：否発光期間Ｔ２＝ｔ１:ｔ２）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、状態αと状態βの環境が変化しない程度にできるだけ短く設定することが望ましい。また、否発光期間Ｔ２の長さが短すぎると有効データ数を算出する際の誤差が大きくなるため、否発光期間Ｔ２の長さは発光期間Ｔ１：否発光期間Ｔ２が１０：１程度までにおさまるように設定することが望ましい。
第２時間差抽出部３２は、発光期間Ｔ１における第２受光パルスと基準パルスとの平均時間差である第２平均時間差を抽出する。
また、以下では、発光期間Ｔ１と否発光期間Ｔ２との比が４：１、第１判定回路１５につながるｂｉｔ数は５ｂｉｔである場合について説明する。なお、Ｅｎａｂｌｅ、Ｓｉｇｎａｌ１、Ｓｉｇｎａｌ２、ＵＰ／ＤＯＷＮへのＨｉｇｈ（以下Ｈと称する）、またはＬｏｗ（以降Ｌと称する）の信号の入力は、例えば、ＴＯＦセンサ１００の各構成を制御する制御部（図示せず）で行われる。
第１デジタル演算部１４は、図４および図５に示すように、Ｅｎａｂｌｅ端子がＨである期間におけるＰｕｌｓｅ＿ｉｎｐｕｔ端子から入力されたパルス数をカウントする回路である。なお、図４の破線で囲われた回路部をさらに接続することでｂｉｔ数を増やすことができる。
発光期間Ｔ１では、図５および図６の（ａ）に示すように、Ｅｎａｂｌｅ＝Ｈ、Ｓｉｇｎａｌ１＝Ｈ、Ｓｉｇｎａｌ２＝Ｌ、ＵＰ／ＤＯＷＮ＝ＨとなりＰｕｌｓｅ＿ｉｎｐｕｔ端子から入力されたパルス数を加算する回路構成となる。
ｎ周期終了時における第１有効パルスは下記の式６で演算される。
図１０には、実施形態１と同様に、発光期間および否発光期間のタイミングのパターンが１つの場合において、発光期間、否発光期間での外乱光の強度状態が示されている。外乱光強度状態ａおよび外乱光強度状態ｂでは、１周期に同期する外乱光が第１受光部１に入射した場合が示されている。外乱光強度状態ｃおよび外乱光強度状態ｄでは、単調増加または単調減少の外乱光が第１受光部１に入射した場合が示されている。図１０に示すように、外乱光強度状態ａおよび外乱光強度状態ｃの場合、常に発光期間よりも否発光期間において外乱光が強い状態になることが分かる。さらに、外乱光強度状態ｂおよび外乱光強度状態ｄの場合、常に発光期間よりも否発光期間において外乱光が弱い状態になることが分かる。
また、第３出力パルス数が第１基準値よりも大きい場合、出力パルスおよび基準パルスに基づき、対象物までの距離が距離算出部により演算される。これにより、第１基準値を正確な対象物までの距離を求めるのに必要な有効データ数に規定することで、必要な有効データの数を取得でき次第、対象物までの距離を演算できる。その結果、距離測定時間が最小化できるので、高精度な距離測定を短時間で実施できる。
また、第３出力パルス数が第１基準値よりも大きく、第３内部出力パルス数が第２基準値よりも大きい場合、第１受光部の出力パルス、第２受光部の出力パルスおよび基準パルスに基づき、対象物までの距離が距離算出部により演算される。これにより、第１基準値および第２基準値を正確な対象物までの距離を求めるのに必要な有効データ数に規定することで、必要な有効データの数を取得でき次第、センサから対象物までの距離測定をすることができる。
上記構成によれば、外乱光の単調増加、単調減少に対しても、インバータ蛍光灯などのＡＣ（交流電流）により強度変化する外乱光に対しても、有効パルス数を演算する時の誤差を低減でき、外乱光下においても高精度の測定を維持できる。
上記構成によれば、外乱光の単調増加、単調減少に対しても、インバータ蛍光灯などのＡＣ（交流電流）により強度変化する外乱光に対しても、有効パルス数を演算する時の誤差を低減でき、外乱光下においても高精度の測定を維持できる。
上記構成によれば、第１判定回路の構成を簡易化し、回路規模を低減させることができる。

Claims (10)

  1. 基準パルスに応じて光を出射する発光部と、
    光入射によりパルスを出力する第１受光部と、
    前記発光部の出射光の対象物による反射光および外乱光を含む光の入射による前記第１受光部の第１出力パルス数、外乱光の入射による前記第１受光部の第２出力パルス数、および前記発光部の発光期間と否発光期間との比に基づき、前記反射光の入射による前記第１受光部の第３出力パルス数を算出する第１算出部と、
    前記第３出力パルス数が第１基準値よりも大きい場合、前記発光期間における前記基準パルスと前記第１受光部の出力パルスとの比較結果に基づき、自装置から前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えていることを特徴とする光センサ。
  2. 光入射によりパルスを出力する第２受光部と、
    前記発光部の出射光の自装置内部にて反射された内部反射光および外乱光の入射による前記第２受光部の第１内部出力パルス数、外乱光の入射による前記第２受光部の第２内部出力パルス数、および前記比に基づき、前記内部反射光の入射による前記第２受光部の第３内部出力パルス数を算出する第２算出部と、を備え
    前記距離算出部は、前記第３内部出力パルス数が第２基準値よりも大きい場合、前記比較結果と、前記発光期間における前記基準パルスと前記第２受光部の出力パルスとの比較結果とに基づき、自装置から前記対象物までの距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
  3. 前記発光期間は、前記否発光期間よりも長いことを特徴とする請求項１または２に記載の光センサ。
  4. 前記発光期間および前記否発光期間は、所定比となるように、所定期間において分割して交互に実施されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光センサ。
  5. 前記分割方法は少なくとも２以上のパターンを持ち、各パターンを持つ所定期間は順に実施されることを特徴とする請求項４に記載の光センサ。
  6. 前記発光期間が前記否発光期間の２のべき乗倍であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光センサ。
  7. 前記距離算出部は、前記発光期間における出力パルスと前記基準パルスとの平均時間差に基づき、前記対象物までの距離を演算することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光センサ。
  8. 前記第１受光部または前記第２受光部の少なくとも一つは、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項２に記載の光センサ。
  9. 前記第３出力パルス数が第１基準値よりも大きいか否かを判定する第３出力パルス数判定部を備え、
    前記第３出力パルス数判定部の判定は、前記所定期間がｎ期間（ｎ≧１）終了する毎に行われることを特徴とする請求項４に記載の光センサ。
  10. 請求項１から９のいずれか１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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