光学式测距装置的制作方法

专利名称：光学式测距装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量射出光之后到由测定对象物反射而被受光元件检测的光的飞行时间，检测到上述测定对象物的距离的光学式测距装置。
背景技术：
以前，作为测距方法，测定光的往复时间并算出到测定对象物的距离的方法的所谓TOF(Time of Flight)法，为众所周知。由于已知光的速度c是3.0×108m/s，所以该测距方法是通过测定光的往复时间、并用下式(1)算出到测定对象物的距离L的方法。
L＝(c·Δt)/2 ...(1)上述TOF法的具体的信号处理方法有各种各样提案，例如，在特开平6-18665号公报公开的距离测量装置中，将起动脉冲(和发光元件同步)作为开始信号，在检测关闭(stop)脉冲(受光信号)之前积分器连续存储(或放电)电荷，根据其增加(或减少)量检测光的往复时间。这样，作为测定上述起动脉冲和关闭脉冲之间的时间的测定方法，例如，象特开平7-294642号公报公开的距离测定装置那样，存在和起动脉冲同时开始基准CLK的脉冲数计数，根据检测关闭脉冲时的脉冲数，得到光的往复时间的方法等。
但是，这些方法都把用受光元件检测出的电流信号变换成脉冲(电压)信号，以脉冲波形具有时间信息的形式进行信号处理。通常，并未确定测定对象物，来自测定对象物等的反射光量的动态范围非常大，多数情况下由自然光等的背景光产生的噪声分量比信号分量要大得多。在这样的状况下除去背景光的噪声，适当提取信号光脉冲非常困难。由于环境(主要是温度)等的影响，电压波形容易引起相位延迟。因此，在时间轴上的电压波形偏差变成非常大，必须有某种时间修正装置。这种情况下，电路结构变得非常复杂，结果导致制造成本增大。
与其相对，R.Miyagawa等发表了一种通过使用有普通的CCD(电荷耦合元件)构造的光栅(photogate)，在电压变换受光信号之前处理光电流，从而得到距离信息的技术(“CCD-Based Range-Finding Sensor”IEEETransaction on Electron Devices，Vol，44，No10，October，1997，p1648～1652)。图17中表示有R.Miyagawa等提出的光栅构造的受光器的一例示意剖面图。图18是表示上述光栅构造的动作定时图。
在图17中，101是p型半导体衬底，102是与p型半导体衬底101一同构成受光部分的n型半导体层，103是构成路径Ach的电荷存储部分的n型半导体层，104是构成路径Bch的电荷存储部分的n型半导体层。而且，105、106是有MOS(金属氧化膜半导体)构造的栅极(gate)，用n型半导体层102、电荷存储部分103和栅极105形成Ach侧的开关MOS晶体管107。同样，用n型半导体层102、电荷存储部分104和栅极106形成Bch侧的开关MOS晶体管108。
发光元件(未图示)根据图18(a)表示的定时，对测定对象物照射光。被测定对象物反射的光信号用由图17的p型半导体衬底101和n型半导体层102构成的受光部分检测，成为图18(b)所示的受光信号。那时，图18(a)和图18(b)的相位关系，受光信号离发光信号仅延迟光在到测定对象物的距离之间往复的时间(t1)。这里，使Ach侧的开关MOS晶体管107的栅极105和发光信号同步进行开-关，而且，使Bch侧的开关MOS晶体管108的栅极106在栅极105关闭的同时打开。这时，输入到各栅极105、106的栅极信号GA、GB的电平「H」持续时间和发光信号的电平「H」的持续时间t0相同。
通过以上述那样的定时进行上述各开关MOS晶体管107、108的定时动作，Ach的电荷存储部分103存储相当于图18(e)表示的时间(t0-t1)的来自n型半导体层102的电荷，Bch的电荷存储部分104存储相当于(t1)的来自n型半导体层102的电荷。而且，多次重复该动作，在电荷存储部分103、104存储电荷并使信号分量(即，存储电荷)变大后，通过读取这两个沟道(channel)的信号，例如，就能计算两个信号之比，测定到测定对象物的距离。
若使用图17所示的光栅构造，相当于光的往复时间的相位延迟量的信息作为存储电荷量(强度)来处理。因此，例如，即使有温度变化等，在信号处理方面也不需要考虑相位的偏差。因而，能进行稳定的距离测定。
在一般的环境下，存在太阳光或照明(萤光灯等)那样的某种背景光。而且，在存在背景光的情况下，在图18所示的受光信号波形上重叠背景光。背景光的调制频率是从DC(太阳光的情况)到数十kHz(变频灯的情况)等多样的，但在一般生活环境下充其量是kHz级。与此相对，上述TOF法由于是使用了光速度的延迟时间测定，其频率很高，一般用数十MHz级。因此，相对于受光信号的脉冲波形，背景光的频率非常低，在上述脉冲波形的1个周期内能当作DC。图19表示有背景光情况的定时图。如图19(e)和图19(f)所示，在有背景光的情况下，Ach的电荷存储部分103和Bch的电荷存储部分104所存储的电荷量仅增加栅极105、106导通的持续时间的背景光部分。因此，不能用Ach的电荷存储部分103和Bch的电荷存储部分104存储的电荷量求得延迟时间t1。
对应于这样的问题，在特开2004-294420号公报公开的距离图像传感器中，除了和图17同样的构造外，还设置和电荷存储部分103、104不同的电荷存储部分(未图示)，通过仅在第三时间带监视背景光，从Ach和Bch的输出仅提取反射信号。图20表示其定时图。如图20所示，在上述受光部分的周边设置着Cch的开关MOS晶体管(未图示)，该开关MOS晶体管有用与Ach的栅极信号GA和Bch的栅极信号GB连续的相同脉冲宽度t0的栅极信号GC打开的栅极(未图示)。这时，由于在栅极信号GC导通的时间带不存在基于反射光的脉冲信号，所以存储仅由背景光引起的电荷，监视背景光强度。因而，根据这三个存储载体(carrier)(强度)，用以下的式(2)，即使是有背景光那样的环境下也能求出到测定对象物的距离。其中，式(2)中，A是Ach的电荷存储部分103存储的电荷量，B是Bch的电荷存储部分104存储的电荷量，C是Cch的(背景光用的)电荷存储部分存储的电荷量。
A-BA+B-2C=(t0-2t1)t0]]>→t1=t02(1-A-BA+B-2C)]]>但是，在特开2004-294420号公报公开的距离图像传感器中，有以下那样的问题。即，上述那样的背景光，例如，在室外的太阳光下也达到数十万勒克司，在办公室等比较明亮的室内也有数千勒克司的亮度。由于这样强的背景光，例如，在受光元件使用通常的光电二极管的情况，根据光学系统和其受光面积很容易算出，获得的光电流一般为mA级以上。与此相对，从测定对象物反射并返回的光的数量较大依存于测定对象物表面的反射状态和至测定对象物的距离，例如，发光元件即使用高输出的激光二极管(LD)(数百mW)，并且至对象物有数米距离时，有时入射到上述受光元件的光量减少到nW程度。
在这样的环境下，图17的存储部分103、104所存储的电荷的SN比非常低，就是说在占有受光信号大部分的噪声分量中存在微小的信号分量。而且，电容对于存储部分103、104的电荷是有限的，所以限制在重复存储仅增加噪声分量部分的电荷时的重复次数，SN比越低，则测定距离的误差越大。

发明内容
因此，本发明的课题在于即使是背景光强的环境下，也能提供测距精度高的光学式测距装置。
为了达到上述目的，有关本发明一方面的一种光学式测距装置，测定从发送光起到接收由测定对象物反射的光为止的光的飞行时间，从而检测到上述测定对象物的距离，其特征在于，具有发光元件，出射与有规定重复频率的调制信号同步的光信号；受光元件，来自上述发光元件的上述光信号由上述测定对象物反射，该受光元件接收其反射后的上述光信号并变换为电信号；开关以规定的定时将来自上述受光元件的上述电信号向至少两条路径切换；存储/差动运算部分，分别存储由上述开关切换的上述路径的电信号，对该存储了的上述电信号进行差动运算；以及距离判定部分，根据上述存储/差动运算部分的差动运算结果，判定到上述测定对象物的距离。
若根据上述结构的光学式测距装置，通过存储以规定的定时切换的各个电信号，并进行其存储的电信号的差动运算，就能适当地除去背景光等的噪声分量。这样以来，作为差动运算部分结果仅提取存储的信号分量。由于直到成为充分大的信号分量之前都进行存储动作的结果，用距离判定部分检测其和测定对象物之间光的飞行时间，从而能进行高精度的距离的运算。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述存储/差动运算部分具有用电容元件的积分器，用上述积分器存储上述电信号。
若根据上述实施方式，上述存储/差动运算部分使用作为一般无源元件的电容元件，所以在受光侧不需要特别的构造，能用一般的电路元件构成受光侧。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述开关转换第一路径和第二路径；上述存储/差动运算部分的上述积分器是连接上述第一路径的第一积分器和连接上述第二路径的第二积分器；上述存储/差动运算部分进行上述第一积分器输出和上述第二积分器输出的差动运算。
若根据上述实施方式，用上述存储/差动运算部分进行第一积分器和第二积分器的输出的差动运算，所以能成为最简单的电路结构。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述第一积分器和上述第二积分器使用的电容元件的电容值是相同或大致相同的。
若根据上述实施方式，第一积分器和第二积分器的电容元件的电容值是相同或大致相同的，所以能容易且高精度进行第一积分器和第二积分器的输出的差动运算。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，在同一半导体衬底上至少制作上述受光元件和上述第一积分器以及上述第二积分器。
若根据上述实施方式，在同一半导体衬底上至少制作第一积分器和第二积分器，所以能使第一、第二积分器理想地相等，由于能减少第一、第二积分器间的误差，高精度的距离测定成为可能。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，在技术方案1记载的光学式测距装置中，上述存储/差动运算部分有采用了用电容元件的积分器，用上述积分器存储上述电信号并进行差动运算。
若根据上述实施方式，在使用上述存储/差动运算部分的电容元件的积分器中，由于边对包含背景光分量和信号光分量的电信号进行差动运算边进行信号存储，所以能削减零件件数，同时即使在室外等强背景光环境下存储装置也不会因背景光分量而饱和。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，用上述开关转换被上述受光元件检测出光电流的路径，通过使输入到上述存储/差动运算部分的上述积分器输入端子的上述光电流流动方向反转来进行差动运算。
若根据上述实施方式，通过切换上述开关，以规定的定时使对存储/差动运算部分的积分器起作用的电流方向反转，能得到差动运算的结果。因此，能用一个积分器一面进行差动运算一面再存储运算结果的信号分量。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述受光元件具有阴极连接到电源的第一受光元件和阳极连接到基准电位的第二受光元件，上述开关以规定的定时将上述第一受光元件的阳极连接到上述存储/差动运算部分的上述积分器输入端子，另一方面将上述第二受光元件的阴极连接到上述存储/差动运算部分的上述积分器输入端子。
若根据上述实施方式，上述开关以规定的定时切换成第一受光元件的阳极和第二受光元件的阴极，所以能有效地使对积分器起作用的电流方向反转。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述第一受光元件和上述第二受光元件是相同构造，且是相同尺寸。
若根据上述实施方式，由于上述第一受光元件和上述第二受光元件是相同构造，且是相同尺寸，所以其输出特性变为相同，能降低对积分器起作用的电流的误差。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，在同一半导体衬底上至少制作上述第一受光元件和上述第二受光元件。
若根据上述实施方式，由于在同一半导体衬底上制作上述第一受光元件和上述第二受光元件，所以第一、第二受光元件间的输出特性的误差能忽略，同时使第一、第二受光元件间能够极邻近地相邻配置，所以没有第一、第二受光元件间的光信号的照射不均。因此，能进行高精度的距离测定。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，具有
生成二个和在上述受光元件中流动的电流相同大小的电流的输出型的第一电流镜像电路；以及输入由上述第一电流镜像电路生成的二个电流的一个，生成和该电流相同大小的电流的吸入型第二电流镜像电路，上述开关以规定的定时进行以下转换，将由上述第一电流镜像电路生成的电流的另一个输入到上述积分器的输入端子，或者将由上述第二电流镜像电路生成的电流输入到上述积分器的输入端子。
若根据上述实施方式，由于用第一、第二电流镜像电路生成和由上述受光元件生成的光电流相同的电流，能用各自一个受光元件和积分器构成受光器，所以能削减零件数，同时没有因受光元件间和积分器间的特性差别而引起的误差。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，具有恒流源；生成二个和在上述恒流源中流动的电流相同大小的电流的输出型的第一电流镜像电路；生成二个和在上述恒流源中流动的电流相同大小的电流的吸入型的第二电流镜像电路，使上述第一受光元件的阳极与上述第一电流镜像电路的一个输出侧端子连接，使上述第一受光元件的阴极与上述第一电流镜像电路的另一个输出侧端子连接，上述开关以上述规定的定时进行以下转换，使上述第一电流镜像电路的一个输出侧端子与上述积分器的输入端子连接，使上述第一电流镜像电路的另一个输出侧端子与电阻负载连接，或者使上述第一电流镜像电路的另一个输出侧端子与上述积分器的输入端子连接，使上述第一电流镜像电路的一个输出侧端子与电阻负载连接。
若根据上述实施方式，在和恒流源相同的一定电流流动的二个路径之间连接着受光元件，因为能提取相当于光电流的电流变化量，降低受光元件的输入阻抗，就能高速响应。而且，由于具有两个系统的和该恒流源相同的一定电流流动的路径，用上述开关以规定的定时进行以下切换，使第一电流镜像电路的一个输出侧端子输入到积分器的输入端子，并使第一电流镜像电路的另一个输出侧端子与电阻负载连接，或者使第一电流镜像电路的另一个输出侧端子输入到上述积分器的输入端子，并使第一电流镜像电路的一个输出侧端子与电阻负载连接，使对积分器起作用的电流方向反转。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述开关是第一开关和第二开关，上述存储/差动运算部分具有第一存储部分和第二存储部分，上述受光元件和第一开关及第二开关相邻配置，上述第一存储部分与上述第一开关相邻配置，上述第二存储部分与上述第二开关相邻配置，上述存储/差动运算部分进行上述第一存储部分和上述第二存储部分中所存储的信号的差动运算，在同一半导体衬底上至少制作上述受光元件、上述第一开关、上述第二开关、上述第一存储部分和上述第二存储部分。
若根据上述实施方式，通过在同一半导体衬底上制作与上述受光元件相邻配置第一、第二开关，又与第一、第二开关相邻配置第一、第二存储部分，由于能将其集成构成，所以很容易小型化，同时能降低制造成本。而且受光元件和存储/差动运算部分(差动运算、信号存储)也能分别用一个构成。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述受光元件、上述第一开关、上述第二开关、上述第一存储部分和上述第二存储部分相对于上述受光元件的中心线是左右对称的。
若根据上述实施方式，因为上述受光元件、第一、第二开关、和第一、第二存储部分相对于上述受光元件的中心轴是左右对称的，第一存储部分和第二存储部分无偏心地存储电荷，所以能提高测距精度，同时能通过差动运算有效地消除背景光的影响。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，具备二个有上述受光元件、上述开关和上述存储/差动运算部分的单元。
若根据上述实施方式，由于具备二组有上述受光元件、开关和存储/差动运算部分的单元，能除去来自测定对象物的受光强度的影响，所以能够正确地测定距离。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述两个单元是第一单元和第二单元，上述距离判定部分计算上述第一单元的输出和上述第二单元的输出之比，根据该比判定到测定对象物的距离。
若根据上述实施方式，由于计算第一、第二单元的输出之比来判定距离，所以能消除背景光的影响，同时能使来自测定对象物的受光强度归一化，能正确地测定距离。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述两个单元是第一单元和第二单元，设上述第一单元的开关时间为T时，上述第二单元的开关时间是2T以上若根据上述实施方式，由于第二单元的开关时间是第一单元的两倍以上，用第二单元能检测来自测定对象物的受光强度，能用受光强度有效地使第一单元的输出归一化，就能正确地测定距离。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，驱动上述开关的开关信号，在以开关时间T驱动的第一存储时间带和以开关时间2T以上驱动的第二存储时间带内变化。
若根据上述实施方式，由于以转换时间T和2T动作，保持在转换时间T测定的结果，然后测定用同一元件以转换时间2T测定的结果。由于能根据这两个结果运算距离，而不需要用两个单元，所以能使装置小型化。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述调制信号是脉冲波。
若根据上述实施方式，由于调制信号是脉冲波，能在测距范围的整个区域内使分辨率固定。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述第一单元和上述第二单元的开关时间大致相同，上述调制信号包含正弦波信号。
若根据上述实施方式，由于调制信号是正弦波，第一、第二单元的开关时间大致相同，所以能有效地除去背景光，同时由于能检测受光信号的相位延迟，能正确地测定距离。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述两个单元是第一单元和第二单元，
上述第一、第二单元的上述存储/差动运算部分别有用电容元件的积分器，上述第一单元的上述存储/差动运算部分所用的电容元件和上述第二单元的上述存储/差动运算部分所用的电容元件的电容值大致相同。
若根据上述实施方式，由于构成上述第一单元和上述第二单元的积分器的电容元件是大致相同的电容值，所以能有效地使受光强度归一化。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述两个单元是第一单元和第二单元，上述第一单元和上述第二单元在同一的半导体衬底上制作。
若根据上述实施方式，由于第一单元和第二单元在同一的半导体衬底上制作，能使构成第一、第二单元间的各元件间没有差别，所以能有效地除去背景光的影响，同时能高精度地测定距离。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述发光元件是发光二极管。
若根据上述实施方式，由于发光元件是发光二极管，在背景光强的环境下也能实现可进行精度高的距离测定的光学式测距装置。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，上述发光元件是激光二极管。
若根据上述实施方式，由于发光元件是激光二极管，能对更远方的测定对象物照射高能量密度的光，所以能扩大可测定距离的范围。
一种实施方式的光学式测距装置，其特征在于，具有使从上述发光元件出射的光束进行扫描的扫描机构。
若根据上述实施方式，由于具有从上述发光元件出射的光束的扫描机构，就能对宽广范围对象的距离进行测定，能扩展本发明的光学式测距装置的应用范围。
有关本发明另一方面的光学式测距装置，其特征在于，具有与有重复频率的调制信号同步发送光的发送器；接收从上述发送器发送并被测定对象物反射的光，输出对应于已接收的光信号的信号的接收器；以及处理从上述接收器输出的信号的信号处理部分，上述接收器包含
将接收了的光信号变换成电信号的受光元件；以与上述调制信号同步的规定时，将从上述受光元件来的电信号往至少两条路径切换的开关；以及在上述各路径分别配置并存储往上述各路径切换的电信号的多个存储部分，上述信号处理部分包含对上述每个存储部分所存储的各条路径电信号之差进行运算的运算部分；根据上述运算部分的运算结果，决定上述存储部分的存储时间的存储时间决定部分；以及用仅在上述存储时间决定部分决定的存储时间上述各存储部分所存储的电信号的上述运算部分的运算结果，判定到上述测定对象物距离的距离判定部分。
若根据上述实施方式，由于用运算部分对在用开关在切换的两条路径分别配置的各存储部分内所存储的电信号之差进行运算，所以从上述运算部分的运算结果中适当除去背景光等噪声分量。因而，上述运算结果就等于仅提取并存储由被测定对象物反射的反射光引起的信号分量。上述各存储部分的存储时间，由存储时间决定部分根据上述运算结果来决定，所以能仅存储除去背景光后的信号分量直至对距离测定成为足够的量为止。
根据以上所述，例如，即使室外等的背景光是非常强的环境下，上述存储部分也不会因噪声分量饱和，根据充分存储的信号分量能精度良好地检测从发送器发送光后到被测定对象物反射的光由接收器接收的经过时间，能通过距离判定部分高精度判定到上述测定对象物的距离。
在一种实施方式中，上述存储时间决定部分就是，通过上述运算部分的运算结果和阈值的比较，决定上述存储时间。
若根据上述实施方式，由于通过上述运算部分的运算结果和阈值的比较，决定上述各运算部分的上述存储时间，所以能用比较器容易构成上述存储时间决定部分，同时能可靠地进行上述存储时间的决定。
在一种实施方式中，上述存储时间决定部分，在设上述运算部分的运算结果达到上述阈值的时间为t，设上述调制信号的重复频率为T，设上述存储时间为Tsum的情况下，决定上述存储时间Tsum为满足以下关系的值Tsum＝m×T式中，上述m是满足m＞t/T的最小的整数。
若根据上述实施方式，由于决定上述存储时间Tsum为满足上述关系的最小值，正在存储上述调制信号的一个周期部分的电信号之中，即使上述运算结果达到上述阈值时，也能以上述调制信号的一个周期分为单位存储电信号。因而，不需要在不完善状态下中断上述存储部分和上述运算部分的动作，就能正确判定到上述测定对象物的距离。
在一种实施方式中，上述接收器和信号处理部分具备二个由上述受光元件、开关、存储部分和运算部分的集合而组成的单元，作为上述两个单元之中一个的第一单元的上述开关的切换间隔是上述两个单元之中另一个的第二单元的上述开关的切换间隔的两倍以上，上述存储时间决定部分，通过上述第一单元的运算部分的运算结果和阈值的比较，决定上述第一单元的存储部分的存储时间和上述第二单元的存储部分的存储时间，上述距离判定部分，用上述第一单元的运算部分的运算结果和上述第二单元的运算部分的运算结果判定到上述测定对象物的距离。
若根据该实施方式，在由上述受光元件、开关、存储部分和运算部分的集合构成的两个单元中，设第一单元的上述开关切换间隔为第二单元的上述开关切换间隔的两倍以上。因而，若设第二单元的上述开关转换间隔和上述调制信号的重复周期相同，则第一单元的各路径的存储部分内所存储的电信号应该包含上述测定对象物的反射光的全部受光信号。其结果，在上述第一单元中，通过用上述运算部分对上述各路径的上述各存储部分内所存储的电信号差进行运算，就能监视上述受光信号的强度。
即，若使用本发明，则根据上述第一单元的运算部分的运算结果和上述第二单元的运算部分的运算结果，即使上述反射光的受光信号强度是未知的情况，且背景光是强的环境下，也能精度良好地判定到上述测定对象物的距离。
而且，由于监视上述反射光的受光信号强度，所以能存储上述运算结果，直到充分存储到上述测定对象物的距离的测定所必要的信号，能更正确判定到上述测定对象物的距离。
在一种实施方式中，上述第一单元存储部分的存储时间和上述第二单元存储部分的存储时间相等。
若根据该实施方式，由于上述第一单元和上述第二单元存储部分的存储时间相同，所以能容易进行以后进行的上述距离判定部分的上述距离的运算、判定。
在一种实施方式的光学式测距装置中，具有控制上述开关的路径切换定时，同时进行消去上述各存储部分内所存储的电信号的控制部分，上述控制部分，根据第一定时用上述开关进行上述路径的切换，用上述存储时间决定部分决定上述存储部分的存储时间时，在消去了上述各存储部分内所存储的电信号后，根据第二定时用上述开关进行上述路径的切换，仅在基于上述决定的存储时间的时间，使上述各存储部分存储电信号，上述距离判定部分使用上述开关在第一定时进行上述路径的切换时的上述运算部分的运算结果和上述开关在第二定时进行上述路径的切换时的上述运算部分的运算结果，判定到上述测定对象物的距离。
若根据该实施方式，在第一时间带，以第一定时使上述开关动作，用上述存储时间决定部分决定上述存储部分的存储时间，根据该存储时间决定第二时间带的时间长度。而且，在第二时间带，以第二定时使上述开关动作，上述距离判定部分用上述第一时间带和上述第二时间带的上述运算部分的运算结果，判定到上述测定对象物的距离。因而，若使上述第一时间带的上述开关切换间隔是上述第二时间带的上述开关切换间隔的两倍以上，使上述第二时间带的上述开关切换间隔和上述调制信号的重复周期相同，则在第一时间带各路径的存储部分存储的电信号应该包含上述测定对象物的反射光的全体受光信号。其结果，在第一时间带，用上述运算部分对上述各路径的上述各存储部分存储的电信号差进行运算，能监视上述受光信号的强度。
即，在该实施方式中，根据上述第一时间带的上述运算部分的运算结果和上述第二时间带的上述运算部分的运算结果，即使上述反射光的受光信号强度是未知的情况下，且背景光强的环境下，也能精度良好地判定到上述测定对象物的距离。
即，若根据该实施方式，能用具有一个上述单元的机构达到和具有两个由上述受光元件、开关、存储部分和运算部分的集合而构成的单元的光学式测距装置相同效果。因此，可实现具有两个上述单元的光学式测距装置的小型化。
在一个实施方式的光学式测距装置中，在上述运算部分的运算结果在第一规定时间内未达到上述阈值的情况下，上述存储时间决定部分就设定上述存储时间为不能决定，上述距离判定部分接受上述存储时间决定部分的不能决定上述存储时间，就设定到上述测定对象物的距离为不能判定。
在上述运算部分的运算结果在第一规定时间内未达到上述阈值的情况下，假设由于上述测定对象物位于十分遥远的地方、上述测定对象物的反射率极低和因上述测定对象物的表面是镜面状态而使反射光太强等，就假定被受光元件接收的反射光量过弱。
若根据该实施方式，在上述运算部分的运算结果在第一规定时间内未达到上述阈值的情况下，设定上述存储时间为不能决定，设定到上述测定对象物的距离为不能判定，所以在因上述那样的原因而使受光元件接收的反射光量过弱的情况下，能防止判定距离的误判定。
在一种实施方式中，在上述运算部分的运算结果在比上述第一规定时间还短的第二规定时间内已达到上述阈值情况下，上述存储时间决定部分设定上述存储时间为不能决定，上述距离判定部分接收上述存储时间决定部分的不能决定上述存储时间的情况，就设定到上述测定对象物的距离为不能判定。
在上述运算部分的运算结果在比上述第一规定时间还短的第二规定时间内已达到上述阈值情况下，由于上述测定对象物位于近处、上述测定对象物的表面是镜面状态而使反射光太强等，因电信号向上述存储部分的存储次数减少就不能得到充分的平均化效果，每一次的测定误差对测定结果影响较大。
若根据该实施方式，在上述运算部分的运算结果在第二规定时间内已达到上述阈值情况下，设定上述存储时间为不能决定，并设定到上述测定对象物的距离为不能判定，所以不能像上述那样得到充分的平均化效果，在每一次的测定误差对测定结果影响较大那种情况下，能防止上述距离判定部分的距离误判定。


从以下的详细说明和附图能更充分地理解本发明，附图仅作说明用，而并非限制本发明。
图1是表示本发明第一实施方式的光学式测距装置结构的方块图。
图2(a)～(f)是表示上述光学式测距装置动作的定时图。
图3是本发明第二实施方式的光学式测距装置的方块图。
图4(a)～(j)是表示上述光学式测距装置动作的定时图。
图5是本发明第三实施方式的光学式测距装置的方块图。
图6(a)～(f)是表示上述光学式测距装置动作的定时图。
图7是表示本发明第四实施方式的光学式测距装置一部分结构的电路结构图。
图8是表示本发明第五实施方式的光学式测距装置一部分结构的电路结构图。
图9是表示本发明第六实施方式的光学式测距装置一部分结构的电路结构图。
图10A是表示本发明第七实施方式的光学式测距装置一部分结构的电路结构图。
图10B是用于说明上述光学式测距装置动作的电路结构图。
图11A是本发明第八实施方式的光学式测距装置的接收器主要部分的剖面图。
图11B是表示沿图11A的XIB-XIB线的电位分布的图。
图12是本发明第九实施方式的光学式测距装置的方块图。
图13(a)～(g)是表示图12所示的光学式测距装置动作的定时图。
图14(a)和(g)是以多个周期连续表示图13(a)所示的发光信号和图13(g)所示的存储差动信号的图。
图15是和图12不同的光学式测距装置的方块图。
图16(a)～(l)是表示图15所示的光学式测距装置动作的定时图。
图17是表示有光栅结构的受光器一例的示意剖面图。
图18(a)～(f)是表示图17所示的光栅动作的定时图。
图19(a)～(f)是在图18中有背景光情况的定时图。
图20(a)～(h)是表示现有的距离图像传感器动作的定时图。
具体实施例方式
以下，用图示的实施方式，详细说明本发明的光学式测距装置。
(第一实施方式)图1是本发明第一实施方式的光学式测距装置的方块图，图2是表示该光学式测距装置动作的定时图。用图1和图2说明本发明的光学式测距装置的概略。
如图1所示，该光学式测距装置具有向测定对象物12出射光束11作为光信号的发送器1、接收由上述测定对象物12反射的光束11的接收器2和处理来自上述接收器2的信号的信号处理部分3。
上述发送器1具有出射与有规定的重复频率的调制信号同步的光信号的发光元件(light-emitting device)4和向上述发光元件4输出调制信号的调制信号发生器5。
上述接收器2具有接收由上述测定对象物12反射的光束11并变换为电信号的受光元件(photodetector)6、接收来自上述调制信号发生器5的信号并以规定的定时把来自受光元件6的电信号向两条路径切换的开关7和分别存储由上述开关7切换的两条路径的电信号的第一、第二存储部分8a、8b。上述开关7接收从调制信号发生器5来的开关信号SWA、SWB并进行切换动作。
上述信号处理部分3具有进行被第一、第二存储部分8a、8b存储的上述电信号的差动运算的差动运算部分9和根据上述差动运算部分9的差动运算结果判定到上述测定对象物12的距离的距离判定部分10。
用上述第一、第二存储部分8a、8b和差动运算部分9构成存储/差动运算部分。
如图1所示，与来自调制信号发生器5的信号同步，通过发光元件4向测定对象物12发射光束11。这里，如图2(a)所示，假设发光信号(emittedoptical signal)(调制信号)为脉冲宽度t0的有一定重复频率的脉冲波。但是，调制信号不限于脉冲波，若是三角波、锯齿波、正弦波等作为时间函数表示的形状，也能得到这种功能，但用脉冲波进行说明。关于脉冲波以外的各种调制信号的细节，后面叙述。
由测定对象物12反射的光束11，如图2(b)所示，光束11在到测定对象物12的距离往复的时间(t1)比调制信号相位延迟而且可用受光元件6检测。这里，Ip表示反射光的受光信号(received optical signal)强度，Ib表示背景光的噪声强度。现在，设可能测距的范围为7.5m时，需要脉冲宽度50nsec，这很容易从式(1)算出。而且，背景光充其量是数十KHz左右，所以该周期是数十μsec左右，由于相对于脉冲宽度50nsec是十分大，如图2所示，能在脉冲宽度的时间宽度中当作DC光。
然后，受光信号用开关7以开关信号SWA、SWB((如图2(c)、图2(d)所示)的定时切换路径。切换后的第一路径(Ach)具有第一存储部分8a。如图2(e)所示的Ach信号那样，在调制信号的每一个周期内将用Ip(t0-t1)+Ib·t0表示的电荷存入第一存储部分8a。第二路径(Bch)上具有第二存储部分8b。如图2(f)所示的Bch信号那样，在每一个周期内将用(Ip·t1+Ib·t0)表示的电荷存入第二存储部分8b。
第一、第二存储部分8a、8b的输出分别输入到信号处理部分3，用差动运算部分9计算其差。差动运算后的差动信号能用积分次数N，以下面的式(3)表示。
差动信号＝N·[Ip(t0-t1)+Ib·t0]-N·[Ip·t1+Ib·t0]＝N·Ip(t0-2t1) .........(3)从以上可知，差动运算后能完全除去背景光，而且，为了达到充分的信号量可以设定积分次数N，通过距离判定部分10从式(3)求出时间t1后代入到式(1)，就能得到距离值。
然而，用式(3)能测定距离，限于受光信号强度Ip是已知时，例如，使发送器和接收器对置，发光元件使用激光等相干光，使用不使光的能量分散并直接受光那样的测定系统的情况。这样的情况下，由于出射能量和受光能量相等，通过预先测定受光信号强度Ip能用式(3)测定距离。这样，仅用式(3)得到距离限于特别情况，一般的测距装置大部分是，发送器和接收器配置在相同的位置，检测从测定对象物来的反射光后，测定光在到测定对象物的距离往复的时间的用途。
因此，由于具有两组具有接收器2和差动运算部分9的单元，检测从测定对象物来的反射光，就能测定距离。以下，详细加以说明。
(第二实施方式)图3是本发明第二实施方式的光学式测距装置的方块图，图4是表示其动作的定时图。用图3和图4说明该实施方式的光学式测距装置的概略。
在图3中，对和图1相同的构成要素附加相同的符号。
该光学式测距装置，如图3所示，具有向测定对象物12出射光束11作为光信号的发送器1、接收由上述测定对象物12反射的光束11的接收器2和处理来自上述接收器2的信号的信号处理部分3。
上述发送器1具有出射与有规定重复频率的调制信号同步的光信号的发光元件4和向上述发光元件4输出调制信号的调制信号发生器5。
上述接收器2具有接收由上述测定对象物12反射的光束11并变换为电信号的第一、第二受光元件6A、6B；接收从上述调制信号发生器5来的信号并以规定的定时切换从第一、第二受光元件6A、6B来的电信号的第一、第二开关7A、7B；分别存储由上述第一开关7A切换的两条路径的电信号的第一、第二存储部分8a、8b；以及分别存储由上述第二开关7B切换的两条路径的电信号的第三、第四存储部分8c、8d。上述第一、第二开关7A、7B用从调制信号发生器5来的转换信号SW1、SW2进行切换动作。
上述信号处理部分3具有进行被第一、第二存储部分8a、8b存储的上述电信号的差动运算的第一差动运算部分9A、进行被第三、第四存储部分8c、8d存储的上述电信号的差动运算的第二差动运算部分9B和根据上述第一、第二差动运算部分9A、9B的差动运算结果判定到上述测定对象物12的距离的距离判定部分10。
用上述第一～第四存储部分8a、8b、8c、8d和第一、第二差动运算部分9A、9B构成存储/差动运算部分。这里，用上述第一受光元件6A、第一开关7A、第一、第二存储部分8a、8b和第一差动运算部分9A构成第一单元，用第二受光元件6B、第二开关7B、第三、第四存储部分8c、8d和第一差动运算部分9B构成第二单元。
如图3所示，由测定对象物12反射的光束11用第一受光元件6a和第二受光元件6b检测。对于图3中用参照号码的副号「A」表示的第一单元的第一、第二路径，如图4(a)～图4(f)所示，和用图2(a)～图2(f)表示的定时同样进行处理。因而，对于第一单元的(第一、第二路径)路径的输出，和式(3)相同，成为式(4)。
第一差动信号＝N[Ip(t0-t1)+Ib·t0]-N[Ip·t1+Ib·t0]＝N·Ip(t0-2t1) .........(4)与此相对，对于用参照号码的副号「B」表示的第二单元的第一、第二路径来说，如图4(a)、图4(b)、图4(g)～图4(j)所示那样，用开关7b以与发光信号(图4(a)所示)同步的脉冲宽度2t0的转换信号SW3、SW4(图4(g)和图4(h)所示)的定时转换路径。转换后的第二单元的第一路径(Cch)具有第三存储部分8c，如图4(i)所示，第三存储部分8c内存储用Ip(t0)+Ib·2t0表示的电荷。第二单元的第二路径(Dch)具有第四存储部分8d，如图4(j)所示，第四存储部分8d内存储用Ib·2t0表示的电荷。
上述第三、第四存储部分8c、8d的输出被输入到信号处理部分3，用第二差动运算部分9B计算其差。差动运算后的信号能用下面式(5)表示。
第二差动信号＝N[Ip(t0)+Ib·2·t0]-N[Ib·2·t0]＝N·Ip(t0) .........(5)如以上那样，通过对于第二单元的路径设开关时间为第一单元的路径的两倍以上，由于开关时间t0是已知的，所以第二单元的路径的差动运算结果变成依存于反射光强度Ip的形式。
设第一差动信号为S1、第二差动信号为S2时，到上述测定对象物12的距离(L)能用距离判定部分10通过取得两差动运算结果的比S1/S2来检测。
即，成为S1/S2＝N·Ip(t0-2t1)/N·Ip(t0)＝(t0-2t1)/t0∴t1=t02·(1-S1S2),]]>导出下式(6)，就能检测距离(L)。
L=c2·t1]]>=c2·t02·(1-S1S2)=c·t04·(1-S1S2)···(6)]]>这里，第二单元的路径的开关时间，为了简单，如图4所示，设为2t0，但若特别是第一单元的路径的两倍以上，由于反射信号光整体包含于第二单元的第一路径，所以能得到同样的效果。可是，比两倍长时，由于只是背景光的电荷存储量变大，所以如图4所示，在第一单元的路径开关时间的两倍时是最好的。
以上的第二实施方式，如用图4(c)、图4(d)所表示的第一开关信号和用图4(g)、图4(h)所表示的第二开关信号使另外单元驱动，在一个单元的结构中，即使设置时间差来测定第一存储时间带的第一开关信号和第二存储时间带的第二开关信号，也能得到同样的效果。这时，即使先运算第一、第二开关信号的哪一个也没有差别，用存储器或采样保持电路保持先测定的结果，然后用由另外的开关信号测定的结果进行规定的运算，所以能得到距离值。
在图4中，作为给发光元件施加的调制信号，用脉冲波进行了说明。这是因为调制信号是脉冲波时受光波形也变为脉冲波，反射信号光受光时持续相同的受光强度(一定值)，各信号存储量与到测定对象物12的距离(L)成正比例地变化，所以在可能测距范围全部分区域内呈线性(线形性)变化。因此，能在整个测距范围内设分辨率为一定。与此相对，调制信号用三角波和锯齿波时，受光波形是时间的1次函数，存储量成为2次函数，所以在测距范围内分辨率有疏密。最好根据用途适当灵活运用方法。
若使用上述光学式测距装置，由于具备两组有受光元件、开关和存储/差动运算部分的单元，能除去从测定对象物12来的受光强度的影响，所以能够正确地测定距离。
由于计算第一、第二单元的输出比来判定距离，能除去背景光的影响，同时能使从测定对象物12来的受光强度归一化，能正确地测定距离。
(第三实施方式)接着，图5中表示调制信号是正弦波时的本发明第三实施方式的光学式测距装置结构的方块图。图6中表示其定时图。在图5中，对和图1相同的构成要素附加相同的符号。
该光学式测距装置，如图5所示，具有向测定对象物12出射光束11作为光信号的发送器1、接收由上述测定对象物12反射的光束11的接收器2和处理从上述接收器2来的信号的信号处理部分3。
上述发送器1具有出射与有规定重复频率的调制信号同步的光信号的发光元件4和向上述发光元件4输出调制信号的调制信号发生器5。
此外，上述接收器2具有接收由上述测定对象物12反射的光束11并变换为电信号的受光元件6；接收从上述调制信号发生器5来的信号并以规定的定时向四条路径切换来自受光元件6的电信号的开关7；和分别存储由上述开关7切换的四条路径的电信号的第一～第四存储部分8a、8b、8c、8d。上述开关7用从调制信号发生器5来的转换信号SWA～SWD进行切换动作。
此外，上述信号处理部分3具有进行被第一、第三存储部分8a、8c存储的上述电信号的差动运算的第一差动运算部分9A；进行被第二、第四存储部分8b、8d存储的上述电信号的差动运算的第二差动运算部分9B；和根据上述第一、第二差动运算部分9A、9B的差动运算结果判定到上述测定对象物12的距离的距离判定部分10。
用上述第一～第四存储部分8a、8b、8c、8d和第一、第二差动运算部分9A、9B构成存储/差动运算部分。
上述发光元件4的发光信号(调制信号)，如图6(a)所示以周期4t0振荡，受光信号，如图6(b)所示，仅相位延迟光在到测定对象物12的距离(L)往复的时间t1，并用上述受光元件6将其进行检测。由上述受光元件6检测出的信号，以切换信号SWA～SWD(图6(c)～图6(f)所示)的定时通过开关7向4四条路径切换，分别存储在第一～第四存储部分8a、8b、8c、8d中。这里，图6(c)～图6(f)所示的四个开关信号SWA～SWD的持续时间是调制信号正弦波的1/4周期(t0)以内的任意时间。
而且，分成四个以后，被第一～第四存储部分8a、8b、8c、8d存储的信号中对第一存储部分8a的信号和第三存储部分8c的信号，用第一差动运算部分9A进行差动运算，同时对第二存储部分8b的信号和第四存储部分8d的信号，用第二差动运算部分9B进行差动运算。用第一、第二差动运算部分9A、9B差动运算后，分别用存储部分(未图示)，进行多次信号的存储。通过用距离判定部分10对存储了的两差动信号进行以下的处理，能求出受光信号的相位，能根据和调制信号(图6(a)所示)的相位差，用下式(7)检测到上述测定对象物12的距离(L)。
L=t0π·c·Tan-1(SD-SBSA-SC)···(7)]]>以下说明上述式(7)的推导过程。
设发光波形、受光波形为任意的正弦波函数g(t)、f(t)，即g(t)＝c·exp{j(ωt+ψ)}+df(t)＝a·exp{j(ωt+φ)}+b用上式表示时，发光波形和受光波形的相位差用φ-ψ表示。为了求出相位差，进行以下的运算。
在用函数f(t)表示的受光波形中，A为第一区间的积分值，B为第二区间的积分值，C为第三区间的积分值，D为第四区间的积分值。设第一区间～第四区间相位偏移各90度。这样一来，积分值A用下式表示。
A=∫t0-Δtt0+Δtf(t)dt]]>=a·[exp{j(ωt+φ)}jω+bt]t0-Δtt0+Δt]]>=a·exp{j(ω(t0+Δt)+φ)jω+b(t0+Δt)-a·exp{j(ω(t0-Δt)+φ)}jω-b(t0-Δt)]]>=-jaω·exp{j(ω(t0+Δt)+φ)}+jaω·exp{j(ω(t0-Δt)+φ)}+2b·Δt]]>=-jaω·ejωΔt·exp{j(ωt0+φ)}+jaω·e-jωΔt·exp{j(ωt0+φ)}+2b·Δt]]>=-jaω·ejπ4·exp{j(ωt0+φ)}+jaω·e-jπ4·exp{j(ωt0+φ)}+2b·Δt]]>=exp{j(ωt0+φ)}jaω(-22(1+j)+22(1-j))+2b·Δt]]>=jaω·exp{j(ωt0+φ)}22(-2j)+2b·Δt]]>=2aω·exp{j(ωt0+φ)}+2b·Δt]]>=A0+2b·Δt]]>同样，积分值B用下式表示。
B=∫t1-Δtt1+Δtf(t)dt]]>=2aω·exp{j(ωt1+φ)}+2b·Δt]]>这里，由于是t1＝t0+π/4＝t0+π/(2ω)，B=2aω·exp{j(ω(t0+π2ω)+φ)}+2b·Δt]]>=2aω·exp{j(ωt0+φ)+jπ2}+2b·Δt]]>=2aω·ejπ2·exp{j(ωt0+φ)}+2b·Δt]]>=ejπ2·A0+2b·Δt]]>积分值C用下式表示。
C=∫t2-Δtt2+Δtf(t)dt]]>=2aω·exp{j(ωt2+φ)+2b·Δt]]>这里，由于t2＝t0+π/2＝t0+π/ω，C=2aω·exp{jωt0+jπ+jφ}+2b·Δt]]>=2aω·ejπ·exp{jωt0+jφ)}+2b·Δt]]>=ejπ·A0+2b·Δt]]>积分值D用下式表示。
B=∫t3-Δtt3+Δtf(t)dt]]>=2aω·exp{j(ωt3+φ)}+2b·Δt]]>这里，由于t3＝t0+3π/2＝t0+3π/(2ω)，
B=2aω·exp{jωt0+j32π+jφ}+2b·Δt]]>=2aω·ej32π·exp{jωt0+jφ)}+2b·Δt]]>=ej32π·A0+2b·Δt]]>因而，变成A-C=A0-A0·ejπ]]>=A0(1-ejπ)]]>=2A0]]>=22aω·exp{j(ωt0+φ)}]]>D-B=A0(ej32π-ejπ2)]]>=A0(-j-j)]]>=-2jA0]]>=22aωj·exp{j(ωt0+φ)]]>=22aω·exp{j(ωt0+φ-π2)}]]>因此，成为|D-BA-C|=|exp{j(ωt0+φ-π2)}exp{j(ωt0+φ)}|=cos(ωt0+φ-π2)cos(ωt0+φ)=sin(ωt0+φ)cos(ωt0+φ)=tan(ωt0+φ)]]>得到ωt0+φ=Tan-1(D-BA-C)]]>。
因为t0时发光波形的输出变成ωt0+Ψ＝n·2π/ω(式中n＝0、1、2...)如固定t0和ψ之间的关系，则变成下式
-φ+φ+n·2πω=-φ+φ=Tan-1(D-BA-C)]]>特别是，当ψ＝0时，则变成φ=Tan-1(D-BA-C)]]>，式(1)中的Δt用下式表示Δt=2t0φπ=2t0π·Tan-1(D-BA-C)]]>将其代入到式(1)，推导出式(7)。
在调制信号用正弦波的情况，能用受光元件6以及由用四个各90度相位偏移的开关信号切换到第一～第四存储部分8a、8b、8c、8d的开关7、第一存储部分8a与第三存储部分8c的差动运算部分和第二存储部分8b与第四存储部分8d的差动运算部分构成，能用一个受光元件6得到对距离运算所必要的测定值。在图6中，表示作为连续波的正弦波调制的例子，但即使用间断发生的一个周期以上的正弦波调制发光信号，也能得到同样的效果。
以上述的式(6)和式(7)表示的信号S1、S2、SA～SD作为电荷量表示。一般在检测信号时变换成电压将其读出。存储电荷量Q与其电容C和电位V之间Q＝CV……(8)的关系式(8)成立。因而，在式(6)和式(7)中，用S1、S2、SA～SD表示的信号量作为电位处理时，变为下式(9)。
V＝Q/C＝S/C……(9)若用该式(9)改写式(6)，则变为式(10)L=c·t04·(1-C2V1C1V2)···(10)]]>同样若改写式(7)，则变为式(11)
L=t0π·c·Tan-1(C2V1C1V2)···(11)]]>这里，C1、C2分别是第一单元路径和第二单元路径的差动运算后设置的电容元件的电容值。如式(10)和式(11)所示，两电容元件的电容值相等时使电容值归一化并不影响运算结果，所以最好是设成相同电容值。
由于最好是第一单元和第二单元有相同的特性，所以在同一半导体衬底上集成化制作是理想的。
若使用上述结构的光学式测距装置，即使在室外等背景光非常强的环境下，由于不会因噪声分量而使之饱和，所以从充分的信号分量中检测光的飞行时间，就能进行高精度的距离运算。
以上虽然概略说明了用于除去背景光影响的信号处理方法和结构，但是根据下面的第四～第八实施方式详细说明各结构的具体例。
(第四实施方式)图7是本发明第四实施方式的光学式测距装置的电路结构图，用图7说明本发明第四实施方式的结构。图7表示在图1、图3和图5表示的接收器2和信号处理部分3的一部分，用受光元件6、第一、第二存储部分8a、8b和差动运算部分9表示着「一个单元」。用一个或两个(第一单元，第二单元)图7的结构构成光学式测距装置。以后，有和图7相同的效果，但在各实施方式中说明不同的结构，为了实现上述功能也能组合使用那些结构。该组合的说明在以后的实施方式中也予以省略。
如图7所示，把阳极接地的受光元件6的阴极与开关7的输入端子连接。把上述开关7的一个输出端子与运算放大器(以下称运算放大器)13a的反相输入端子连接，在运算放大器13a的输出端子和反相输入端子之间连接着电容元件14a。把上述开关7的另一个输出端子与运算放大器13b的反相输入端子连接，在运算放大器13b的输出端子和反相输入端子之间连接着电容元件14b。把上述运算放大器13a、13b的非反相输入端子分别与基准电位Vs连接起来。而且，把上述运算放大器13a、13b的输出端子与差动运算部分9连接，从差动运算部分9的输出端子输出输出电压Vo。
在图7中，用受光元件6检测的光信号，用开关7以图2、图4、图6所示的定时切换到第一路径和第二路径。这里，设图7的上侧为第一路径，设图7的下侧为第二路径。在两条路径中构成了由运算放大器13a、13b和电容元件14a、14b构成的积分器，并且存储用受光元件6检测的光信号。该积分器是在图1、图3、图5所示的第一、第二存储部分8a、8b。第一、第二存储部分8a、8b，在调制信号的多个周期范围内存储规定次数部分的信号。第一、第二存储部分8a、8b把式(3)等表示的信号输入到差动运算部分9。
由于用电容元件14a、14b构成积分器作为存储部分，就很容易构成高速响应的积分器，能适当存储所分配的电荷。
向积分器的输入是电流(电荷量)，但其输出是电压，差动运算部分9也作为电压处理构成。因此，参考式(8)，设第一积分器8a的电容元件14a的电容元件值为C1，设第二积分器8b的电容元件14b的电容元件值为C2时，以图2的定时为例，第一、第二积分器8a、8b的输出成为式(12A)、式(12B)。
如式(12A)、式(12B)所示，构成第一、第二积分器8a、8b的电容元件14a、14b的电容值不同时，差动运算结果变为具有一定的偏移。由于用差动运算的结果判定距离，偏移电位的存在成为产生误差的主要原因，这是不理想的。
因此，构成第一、第二积分器8a、8b的电容元件14a、14b是相同的电容值。由于两个积分器的特性偏差也是产生误差的主要原因，通过在同一的半导体衬底上以同样的结构制造这些积分器，能理想地降低由特性差引起的误差。这时，由于C1＝C2，图7的输出电压V0能表示为式(13)，Vo=NC·Ip(t0-2t1)···(13)]]>成为和式(3)的输出等值。同样，通过如图4和图6那样变更开关的定时，能用图7的结构得到各自效果，但说明重复，所以省略。显然，在以后的各实施方式中，也同样用各自的结构变更开关的定时，得到各自的差动运算结果，在以后的实施方式中也省略说明。
在上述第四实施方式的结构中，各积分器所存储的电荷，同时存储由信号光和背景光引起的电荷。因此，在背景光强的环境下，差动运算结果没有背景光的影响，但积分器的输出大为受到大背景光的影响。即，差动运算部分9的输出大小变成较大地被背景光的强度左右，需要增加积分器所用的电容元件的电容值，但电容值增加时积分器的响应变慢，结果是难以提高测距精度。以下的实施方式表示解决这样课题的结构。
(第五实施方式)图8是本发明第五实施方式的光学式测距装置的电路结构图，用图8说明本发明第五实施方式的结构。
如图8所示，向阴极施加了电源电压Vcc的第一受光元件26A的阳极与开关27的一个输入端子连接，同时使阳极接地的第二受光元件26B的阴极与开关27的另一个输入端子连接。上述开关27的输出端子与运算放大器21的反相输入端子连接，在运算放大器21的输出端子和反相输入端子之间连接着电容元件22。基准电位Vs连接着上述运算放大器21的非反相输入端子。而且，从上述运算放大器21的输出端子输出输出电压V0。
在图8中，设上侧为第一受光元件26A，下侧为第二受光元件26B。用适当的光学系统向这些第一、第二受光元件26A、26B的受光面上均匀地照射信号光。开关27以图2、图4、图6所示的定时，被切换到第一受光元件26A的阳极和第二受光元件26B的阴极。开关27所选择的受光元件的光电流存储在和第四实施方式相同结构的积分器中。这里，由于开关27被切换到第一受光元件26A的阳极和第二受光元件26B的阴极，在开关27被连接到第一受光元件26A侧时，光电流I1沿流入到积分器的方向作用，在开关27被连接到第二受光元件26B侧时，光电流I2沿从积分器流出的方向作用。第一、第二受光元件26A、26B上都均匀地照射着反射光，所以第一、第二受光元件26A、26B的光电流值相等，其大小可用Ip表示如下。
I1＝Ip·f(t)......(14A)I2＝Ip·g(t)......(14B)这里，f(t)和g(t)分别表示I1和I2的波形(时间函数)。
因此，积分器的输出(Vo)能表示成式(15)。
Vo=NC(∫0t1I2(t)dt-∫t2t3I1(t)dt)···(15)]]>
在图2、图4、图6中，开关27与各端子连接的持续时间(t0)相同，所以可改写式(15)如下。
Vo=NC(∫0t0{I2-I1}dt)]]>=N·IpC∫0t0{f(t)-g(t)}dt···(16)]]>这样，若使用上述第五实施方式的光学式测距装置，在使用电容元件22的积分器21、22中，由于一面存储两条路径的电信号一面进行差动运算，能削减零件件数，同时由于能理想地消除上述差动运算的误差，进而可高精度地测定距离。
由于上述开关27的切换，能通过以规定的定时使作用在积分器21、22上的电流方向反向而得到差动运算的效果，能一面用一个积分器进行差动运算，进而一面存储运算结果的信号分量。
在图8的结构中，通过切换使作用在积分器上的光电流方向反向，所以用一个积分器实现差动运算，就没有象设置二个积分器时的那种积分器的电容差和特性差。
(第6实施方式)图9是本发明第六实施方式的光学式测距装置的电路结构图，用图9说明本发明第六实施方式的结构。这里，第一电流镜像电路33a是具有一个输入侧端子和与在该输入侧端子流动的电流相同值的电流流动的二个输出侧端子的输出型电流镜像电路，第二电流镜像电路33b是具有一个输入侧端子和与在该输入侧端子流动的电流相同值的电流流动的一个输出侧端子的吸入型电流镜像电路。
如图9所示，阳极接地的受光元件36的阴极与第一电流镜像电路33a的输入侧端子连接。上述第一电流镜像电路33a的一个输出侧端子与第二电流镜像电路33b的输入侧端子连接，第一电流镜像电路33a的另一个输出侧端子与开关37的一个输入端子连接，开关37的另一个输入端子与第二电流镜像电路33b的输出侧端子连接。上述开关37的输出端子与运算放大器31的反相输入端子连接，在运算放大器31的输出端子和反相输入端子之间连接着电容元件32。基准电位Vs连接着上述运算放大器31的非反相输入端子。而且，从上述运算放大器31的输出端子输出输出电压Vo。
在图9中，由受光元件36检测出的光电流I1用输出型第一电流镜像电路33a生成两个具有相同电流值的电流信号I1。一方面在开关37的一个端子流入I1，再一方面直接向吸入型第二电流镜像电路33b流入，第二电流镜像电路33b从开关37吸入I2。由于用第一、第二电流镜像电路33a、33b复制光电流，I1和I2大小是相同(Ip)的，由于能如图示那样用开关37使作用在积分器上的电流方向反向，所以和第五实施方式相同，积分器的输出(V0)能表示为式(16)。
这样，若使用上述第六实施方式的光学式测距装置，在使用电容元件32的积分器31、32中，由于一面存储两条路径的电信号一面进行差动运算，能削减零件件数，同时由于能理想地消除上述差动运算的误差，进而就可高精度地测定距离。
由于上述开关37的切换，能通过以规定的定时将使积分器31、32起作用的电流方向反向，能得到差动运算的效果，能一面用一个积分器进行差动运算，进而一面存储运算结果的信号分量。
在该第六实施方式中，由于积分器、受光元件都仅使用一个，能使有关上述第四实施方式的两积分器间的特性差和有关上述第五实施方式的两受光元件间的因照射不匀而引起的输出差都理想地成为0。
(第七实施方式)图10A是本发明第七实施方式的光学式测距装置的电路结构图，用图10A说明本发明第七实施方式的结构。这里，第一电流镜像电路43a是具有一个输入侧端子和与在该输入侧端子流动的电流相同值的电流流动的二个输出侧端子的输出型电流镜像电路，第二电流镜像电路43b是具有一个输入侧端子和与在该输入侧端子流动的电流相同值的电流流动的二个输出侧端子的吸入型电流镜像电路。
如图10A所示，恒流源44的负极侧与第一电流镜像电路43a的输入侧端子连接，恒流源44的正极侧与第二电流镜像电路43b的输入侧端子连接。而且，受光元件46的阴极与第一电流镜像电路43a的一个输出侧端子连接，上述受光元件46的阳极与第二电流镜像电路43b的一个输出侧端子连接，该第二电流镜像电路43b的一个端子与第一电流镜像电路43a的另一个输出侧端子连接。上述第一电流镜像电路43a的一个输出侧端子与第二电流镜像电路43b的另一个输出侧端子连接。与上述第一电流镜像电路43a的另一个输出侧端子连接的第一输出端子48a与各开关47a、47b的一个输入端子连接着。与上述第一电流镜像电路43a的一个输出侧端子连接的第二输出端子48b与各开关47a、47b的另一个输入端子连接着。上述开关47a的输出端子与运算放大器41的反相输入端子连接，在运算放大器41的输出端子和反相输入端子之间连接着电容元件42。上述运算放大器41的非反相输入端子连接着基准电位Vs。而且，从上述运算放大器41输出端子输出输出电压V0。
在图10A中，恒流源44使一定的DC电流I0流动，该电流I0分别输入到输出型的第一电流镜像电路43a和吸入型的第二电流镜像电路43b。分别与上述第一电流镜像电路43a的两输出侧端子连接的第一、第二输出端子48a、48b，通过开关47a以规定的定时(参照图2、图4、图6)和后级的积分器41、42连接。上述第一电流镜像电路43a的另一个输出侧端子和第二电流镜像电路43b的一个输出侧端子之间是第一路径，第一电流镜像电路43a的一个输出侧端子和第二电流镜像电路43b的另一个输出侧端子之间是第二路径。
在图10A所示的开关47a、47b的切换状态中，当第一输出端子48a和积分器41、42连接时，第二输出端子48b通过作为负荷电阻一例的电阻R接地。相反，在图10B所示的开关47a、47b的切换状态中，当第二输出端子48b和积分器41、42连接时，第一输出端子48a通过电阻R接地。后级的积分器41、42的结构和以前的第一～第六实施方式相同。
上述第一路径、第二路径都用电流镜像电路直接连接，所以由受光元件46生成了的光电流，作为从恒流源44来的电流差呈现在第一、第二输出端子48a、48b。例如，在图10A所示的开关47a、47b的切换状态中，由受光元件46生成光电流Ip时，从第一电流镜像电路43a的一个输出侧端子向第一路径仅流出I0的电流，在受光元件46的阴极仅分流Ip，(I0-Ip)向着第二电流镜像电路43b的另一个输出侧端子。可是，由于第二电流镜像电路43b的输入侧端子和恒流源44连接，第二电流镜像电路43b的另一个输出侧端子总是吸入电流I0，所以通过中途的第二输出端子48b和电阻R流入相当于光电流Ip的电流。同样，从第一电流镜像电路43a的另一个输出侧端子向第二路径仅流出I0的电流，在第一输出端子48a仅分流Ip，(I0-Ip)向着第二电流镜像电路43b的一个输出侧端子，另一方面，相当于光电流Ip的电流通过第一输出端子48a向运算放大器41的反相输入端子侧流出。
相反，切换图10B所示的开关47a、47b的情况下，由受光元件46生成光电流Ip时，从第一电流镜像电路43a的一个输出侧端子向第一路径仅流出I0的电流，在受光元件46的阴极仅分流Ip，(I0-Ip)向着第二电流镜像电路43b的另一个输出侧端子。可是，由于第二电流镜像电路43b的输入侧端子和恒流源44连接，第二电流镜像电路43b的另一个输出侧端子总是吸入电流I0，所以通过中途的第二输出端子48b从运算放大器41的反相输入端子侧流入相当于光电流Ip的电流。同样，从第一电流镜像电路43a的另一个输出侧端子向第二路径仅流出I0的电流，在第一输出端子48a仅分流Ip，(I0-Ip)向着第二电流镜像电路43b的一个输出侧端子，另一方面，相当于光电流Ip的电流通过第一输出端子48a和电阻R流出。
这样一来，通过开关47a、47b的开关，能将使积分器41、42起作用的电流方向反向，所以积分器的输出(Vo)和第五实施方式、第六实施方式同样能表示为式(16)。
这样，若使用上述第七实施方式的光学式测距装置，在使用电容元件42的积分器41、42中，由于一面存储两条路径的电信号一面进行差动运算，能削减零件件数，同时由于能理想地消除上述差动运算的误差，可以进一步高精度地测定距离。
由于上述开关47a、17b的切换，通过以规定的定时能将使积分器41、42起作用的电流方向反向，能得到差动运算的效果，能一面用一个积分器进行差动运算，进而一面存储运算结果的信号分量。
在该第七实施方式中，能得到和第六实施方式同样的效果，而且由于恒流源44总是流动I0电流，能使受光元件46的输入阻抗降低，所以与第六实施方式相比，能高速响应。因此，能特别提高测距精度。
(第八实施方式)图11A是本发明第八实施方式的光学式测距装置的接收器主要部分的剖面图，图11B表示沿图11A中的XIB-XIB线的电位分布。用图11A、图11B说明本发明第八实施方式的结构。
在图11A中，虚线包围的部分是合并具有受光元件和开关及存储部分的功能的接收器的主要部分，在P型半导体衬底58上形成了构成作为受光元件一例的受光部分56的第一N型扩散层，在该受光部分56的两侧，空出规定的间隔分别形成着构成第一、第二存储部分50a、50b的第二N型扩散层。受光部分56和第一存储部分50a之间及受光部分56和第二存储部分50b之间，在P型半导体衬底58上用栅氧化膜和电极形成着作为第一、第二开关一例的栅极51a、51b。该受光部分56和存储部分50a、50b及栅极51a、51b相对于受光部分56的中心线CL，剖面成左右对称。对于与包含中心线CL的垂直于纸面的平面也对称。
由第二N型扩散层组成的第一、第二存储部分50a、50b的后级有差动运算部分59，输出在第一、第二存储部分50a、50b检测出的信号的差(Vo)。用上述第一、第二存储部分50a、50b和差动运算部分59构成存储/差动运算部分。
如上述那样，图11B表示着沿图11A中的XIB-XIB线的电位分布。在图11B中，hν表示一个光子具有的能量(h是普朗克常数，ν是光的振动数)。
如图11B所示，通过给栅极51a加上电位使栅极51a下部分的电位上升，受光部分56的光载流子沿电位的台阶向图中左侧移动，被作为最高电位的存储部分的第一存储部分50a存储。栅极51a、51b相当于在图2、图4、图6说明过的开关，通过以这些定时使两栅极51a、51b适当切换，将光载流子分配给第一、第二存储部分50a、50b。而且，被第一、第二存储部分50a、50b存储了的载流子，设其存储电容为C时，如式(8)那样作为相当于被存储的电荷量的电位被检测。而且，差动运算部分59，以用式(4)和式(5)等表示的形式，输出相当于被第一、第二存储部分50a、50b存储的电荷量的电位的差动运算结果。以后的处理，照前面叙述那样，所以这里省略。上述第一、第二存储部分50a、50b有和积分器同样的效果。
这里，由于在栅极51a、51b左右分配由受光部分56产生的光载流子，由受光部分56产生的载流子的移动有偏差，式(3)、(4)、(5)的第一项和第二项变化，不仅不能适当除去背景光而且成为距离的误检测。因此，为了左右均匀分配由受光部分56产生的光载流子，受光部分56和第一、第二存储部分50a、50b及栅极51a、51b应左右对称。
若使用上述第八实施方式的光学式测距装置，受光部分56和栅极51a、51b及第一、第二存储部分50a、50b对受光元件的中心轴左右对称，第一、第二存储部分50a、50b没有偏差地存储电荷，所以能提高测距精度，同时能有效地用差动运算除去背景光。
在以上的第一～第八实施方式中，作为上述那样的光学式测距装置在数米的测距范围内有厘米级的分辨率，所以作为调制信号，有数十nsec级、即需要有MHz以上响应的发光元件。LED和LD也能这样高速响应，由于能小型、廉价制造，作为本发明的光学式测距装置的发光元件是合适的。因为LED(发光二极管)的光束发散，所以适合于较近距离用途，LD(激光二极管)能出射准直光，能将光束以高能量密度照射到远方的测定对象物，适合远距离用途，但不限于这样的区分。由于用实施上述那样的背景光对策的光学式测距装置也能提高SN，所以白天室外使用的情况下，最好尽可能使信号光很强，在近距离用途方面往往LD也是理想的。
通过使用一维扫描从发光元件出射的光束的扫描机构，就能用其扫描角和测定的测距值而得到二维距离图像。同样，通过使用二维扫描光束的扫描机构，就能得到三维距离图像。
(第九实施方式)图12是本发明第九实施方式的光学式测距装置的方块图，图13是表示图12所示的光学式测距装置动作的定时图。以下，根据图12和图13说明本实施方式的光学式测距装置。
如图12所示，本光学式测距装置，用向测定对象物214发射光束217的发送器211、检测被上述测定对象物214反射的光束218的接收器212和处理从接收器212来的检测信号的信号处理器213概略构成。
在上述发送器211中，与调制信号发生器215来的调制信号同步，用发光元件216向测定对象物214发射光束217。这里，上述调制信号是如图13(a)所示以一定的重复频率使脉冲宽度t0的脉冲重复的脉冲波。但是，上述调制信号不限于脉冲波，只要是三角波和锯齿波等有波形表示时间作为函数的信号，就能得到本光学式测距装置的功能。以下作为是脉冲波进行说明。关于每个调制信号后面详细叙述。
被上述测定对象物214反射的光束218，用上述接收器212的受光元件219检测。那时，光束218，如图13(b)所示，比调制信号仅相位延迟光束217、218在到测定对象物214的距离往复的时间(t1)并予以检测。这里，图13(b)中的「Ip」表示因受光元件219的光电变换产生的反射光光束218的电流信号(以下称脉冲信号)的强度，「Ib」表示背景光的电流信号(噪声信号)的强度。
现在，设可测距的范围为7.5m时，很容易从上述式(1)知道，发光信号的脉冲宽度t0必须是50nsec。由于背景光充其量是数十kHz左右，其周期是数十μsec左右，相对于上述脉冲宽度50nsec就十分大。因此，如图13所示，在上述发光信号的脉冲宽度t0的时间长度内，背景光可看作是DC光。
然后，上述受光元件219的检测信号(受光信号＝脉冲信号+噪声信号)，通过第一开关220和第二开关221把路径切换成第一路径(Ach)和第二路径(Bch)，从受光元件219流过第一路径(Ach)侧的受光信号输入到第一存储部分222。另外，从受光元件219流过第二路径(Bch)侧的受光信号输入到第二存储部分223。这里，第一开关220和第二开关221，如图13(c)和图13(d)所示，用和上述发光信号相同的定时开-关控制。图13(c)和图13(d)中的第一开关信号SA是第一开关220用的控制信号，第二开关信号SB是第二开关221用的控制信号，都由发送器211的调制信号215供给。而且，第一路径(Ach)的第一存储部分222，如图13(e)所示，存储图13(a)所示调制信号的每一个周期(Ip(t0-t1)+Ib·t0)的电荷。同样，第二路径(Bch)的第二存储部分223，如图13(f)所示，存储上述调制信号的每1周期(Ip·t1+Ib·t0)的电荷。
即，构成上述接收器212的受光元件219，具体地说，例如，相当于图17的p型半导体衬底101和n型半导体层102，第一开关220和第二开关221相当于图17的MOS晶体管107、108，第一存储部分222相当于图17的电荷存储部分103，第二存储部分223相当于图17的电荷存储部分104。
这样被上述的第一存储部分222和第二存储部分223存储的电荷，作为Ach信号和Bch信号输入到作为构成上述信号处理部分213的上述运算部分的差动运算部分224。而且，用差动运算部分224进行从第一存储部分222来的Ach信号和从第二存储部分223来的Bch信号之差的运算(差动运算)。并且，得到图13(g)所示的存储差动信号。这里，上述存储差动信号能用存储次数N以式(17)表示。
存储差动信号＝N·[Ip(t0-t1)+Ib·t0]-N·(Ip·t1+Ib·t0)＝N·Ip(t0-2t1) …(17)决定上述式(17)的「N」如下。图14是连续多个周期表示图13(a)所示的发光信号和图13(g)所示的存储差动信号的图。如图14所示，在每个周期累计相当于发光信号的持续时间t0的差动信号，在某时刻t2和预先设定的阈值-Vth交叉。决定这时的累计次数(上述发光信号的周期数)作为存储次数N。在图14中，作为一例举例示出了存储差动信号为负的情况，但用脉冲宽度t0和延迟时间t1的关系决定存储差动信号的符号。但是，在有成为t1＝t0/2关系的情况下，相当于脉冲宽度t0的差动信号由于成为0，即使重复上述差动信号的累计也不存储上述差动信号。这时，需要限制将可能测定范围限定于直到t0/2等。
如图14所示，为了检测上述存储差动信号的值达到预先设定的阈值(±Vth)的时间t2，在上述存储差动信号的值达到上述阈值时可以使用使输出电平翻转的比较器(comparator)。在本实施方式中，如图12所示，将从差动运算部分224来的输出信号(存储差动信号)输入到比较器225。在比较器225进行存储差动信号的值和阈值(±Vth)的比较，若|存储差动信号的值|＞Vth而从比较器225来的输出信号的电平从「H」翻转成「L」时，根据从该比较器225来的输出信号，总是把第一转换信号SA和第2转换信号SB的电平变为「L」，使第一开关220和第二开关221停止并结束测定。
这里，根据从上述比较器225向第一开关220和第二开关221的输出信号结束测定的定时，如图14所示，最好是包含上述存储差动信号值达到上述阈值的时间t2的上述调制信号的最短周期时间t3。因而，在第一存储部分222和第二存储部分223存储电荷的途中不结束测定，能在完全存储电荷后结束测定。
从上述差动运算部分224来的输出信号(存储差动信号)，也输入到距离判定部分226。而且，用距离判定部分226根据上述存储差动信号的值达到上述阈值的时间t2求出存储次数N，用上述式(17)算出光束217、218到测定对象物214往复时间t1，进而用上述式(1)算出到测定对象物214的距离L。
如上述那样，在本实施方式中，通过上述差动运算部分224，根据第一存储部分222来的Ach信号和从第二存储部分223来的Bch信号，用式(17)得到存储差动信号。这样，通过进行Ach信号和Bch信号的差动运算，适当除去背景光等噪声分量，能仅提取并存储对计算到测定对象物214的距离所必要的信号分量。因而，通过多次累计上述差动运算的结果，就能在差动运算部分224存储对计算距离充分的电荷量。
在得到上述存储差动信号时的累计次数N，由于根据上述差动运算的结果和预先设定的阈值(±Vth)的比较结果来决定，所以仅除去背景光等噪声分量以后的信号分量的存储量能一直存储到对于求出到测定对象物214的距离而言充分的量。因而，例如，即使在室外等的背景光非常强的环境下，第一存储部分222和第二存储部分223也不会因噪声分量而饱和，从充分量的信号分量中检测光到测定对象物214的往复时间，能进行高精度的距离运算。
之所以能够用上述式(17)算出光束217、218在到测定对象物214的距离往复的时间t1，这是由于受光信号强度Ip已知的情况。例如，限于相互对置发送器和接收器，作为发光元件使用激光等相干光，不分散地输出光能量，用受光元件直接受光那样的测定系统的情况。这样的情况下，由于出射能量和受光能量相等，通过预先测定受光信号强度Ip，用式(17)算出从发光元件出射激光后到用受光元件受光的时间t1，能根据得到的时间t1，用式(1)算出到接收机的距离L。
这样，之所以能够仅用上述式(17)得到上述时间t1，这是限于特别的情况。可是，在一般的光学式测距装置中，大部分是将发送器211和接收器212配置在大致相同的位置，检测从测定对象物214来的反射光并测定光在到测定对象物214的距离往复的时间t1的情况，由于受光信号强度Ip是未知，不能用式(17)算出到测定对象物214的往复时间t1。但是，在能用某种方法得到受光信号强度Ip的值的情况下，不用说，能算出往复时间t1。如上述那样，在成为t1＝t0/2的关系时存在无信号区(不感带)，所以在适用范围或使用方法上必须加以限制。
(第十实施方式)该第十实施方式涉及即使从测定对象物来的反射光的受光信号强度Ip未知，也能测定到测定对象物214的距离的光学式测距装置。在本光学式测距装置中，通过具有两组由接收器和差动运算部分组成的单元，检测从测定对象物来的反射光，从而能测定到测定对象物的距离。以下详细说明本光学式测距装置。
图15是本实施方式的光学式测距装置的方块图。图16是图15所示的光学式测距装置动作的定时图。以下，用图15和图16说明本实施方式的光学式测距装置。
在图15中，发送器211、测定对象物214、调制信号发生器215、发光元件216和光束217、218，都和在上述第九实施方式中的图12所示的光学式测距装置的情况相同，省略说明。构成接收器231的第一受光元件219、第一开关220、第二开关221、第一存储部分222和第二存储部分223，和图12所示的光学式测距装置的情况相同，并省略说明。构成信号处理部分232的第一差动运算部分224，也和图12所示的光学式测距装置的情况相同，省略说明。
这里，上述第一受光元件219、第一开关220、第二开关221、第一存储部分222和第二存储部分223和第一差动运算部分224，如图16(a)～图16(g)的定时图所示，和在上述第九实施方式中图13(a)～图13(g)的定时图所示的受光元件219、第一开关220、第二开关221、第一存储部分222和第二存储部分223和第一差动运算部分224的情况同样地动作。因而，从第一差动运算部分224输出的第一存储差动信号，和上述第九实施方式的式(17)同样，也能用累计次数N1表示(式(18))。
第一存储差动信号＝N1·[Ip(t0-t1)+Ib·t0]-N1·(Ip·t1+Ib·t0)＝N1·Ip(t0-2t1) …(18)如图15所示，上述接收器231具有第二受光元件233、第三开关234、第四开关235、第三存储部分236和第四存储部分237。而且，由测定对象物214来反射的光束218被第二受光元件233检测。第二受光元件233的检测信号，如图16(h)和图16(i)所示的那样，通过用与图16(a)表示的发光信号同步的脉冲宽度2t0的第三开关信号Sc和第四开关信号SD控制开-关的第三开关234和第四开关235，切换到第三路径(Cch)和第四路径(Dch)。
从上述第二受光元件233流向第三路径(Cch)侧的受光信号被输入到第三存储部分236。另外，从第二受光元件233流向第四路径(Dch)侧的受光信号被输入到第四存储部分237。第三路径(Cch)的第三存储部分236如图16(j)所示，存储(Ip·t1+Ib·2t0)的电荷，同样地，第四路径(Dch)的第四存储部分237如图16(k)所示，存储(Ib·2t0)的电荷。
即，本实施方式的上述接收器231，具体地说，例如，除了由相当于第一受光元件219、第一开关220、第二开关221、第一存储部分222和第二存储部分223的p型半导体衬底、n型半导体层、MOS晶体管和电荷存储器组成的单元外，并设构成由相当于第二受光元件233、第三开关234、第四开关235、第三存储部分236和第四存储部分237的p型半导体衬底、n型半导体层、MOS晶体管和电荷存储部分组成的单元，能向双方的n型半导体层同时入射光束218。
这样被上述的第三存储部分236和第四存储部分237存储的电荷，作为Cch信号和Dch信号输入到构成信号处理部分232的第二差动运算部分238中。而且，用第二差动运算部分238进行从第三存储部分236来的Cch信号和从第四存储部分237来的Dch信号的上述差动运算。得到图16(1)所示的那样的第二存储差动信号。这里，上述第二存储差动信号能用存储次数N2以式(19)表示。
第二存储差动信号＝N2·[Ip·t0+Ib·2t0]-N2·(Ib·2t0)＝N2·Ip·t0 …(19)像以上那样，在本实施方式中，设关于上述第三路径和第四路径的第三开关234和第四开关235的开关时间是关于上述第一路径和第二路径的第一开关220和第二开关221的开关时间的两倍。据此，第二存储差动信号的值，由于脉冲宽度t0已知，便采用依存于受光信号强度Ip的形式。
因此，在上述第九实施方式中，和决定上述式(17)的「N」的情况相同，在发光信号的每一个周期累计相当于脉冲信号持续时间t0的两倍的第二差动信号，决定达到预先设定阈值时的累计次数，作为上述存储次数N2。
为了检测那时的上述第二存储差动信号的值达到预先设定的阈值的时间(即，累计次数N2)，和上述第一实施方式的情况相同，向比较器239输入从第二差动运算部分238来的输出信号(第二存储差动信号)。而且，用比较器239进行第二存储差动信号的值和上述阈值的比较，若|第二存储差动信号的值|＞上述阈值从而从比较器239来的输出信号的电平翻转时，用从该比较器239来的输出信号使第一开关220、第二开关221、第三开关234和第四开关235停止并结束测定。
这时，从上述式(19)就明白，在关于上述第三路径和第四路径的第二存储差动信号中，由于除去背景光的噪声分量从而检测受光信号强度Ip本身，所以能存储信号直到受光信号量成为充分大小。用上述第三路径和第四路径的第二存储差动信号，监视基于测定对象物214的反射光的受光信号的强度。因此，在上述受光信号相对发光信号的延迟时间t1和发光信号的脉冲宽度t0的关系是「t1＝t0/2」的情况下，即使上述第一路径和第二路径的上述第一存储差动信号是「0」，通过对上述第二存储差动信号的放大等适当的处理，能测定到测定对象物的距离。
但是，对于即使某一定时间存储上述Cch信号和Dch信号的差动运算结果也未达到上述阈值的情况，可以认为是测定对象物214位于比可能测定的距离范围远的情况、测定对象物214的反射率极端低的情况、和因测定对象物214的表面是镜面状态而使反射光极端弱的情况等。在那些情况下，通过判断为不能测定而停止信号的存储，能防止得到精度低的测定结果。
相反，对于上述Cch信号和Dch信号的差动运算结果的存储值(即，第二存储差动信号的值)，在比上述一定时间短的其他一定时间还短的时间达到上述阈值的情况，应认为是测定对象物214位于比可能测定的距离范围近的情况和因测定对象物214的表面是镜面状态而使反射光强度过强的情况等。在那些情况下，由于上述式(18)、式(19)的存储次数N1和存储次数N2的值减少，每一次的测定精度对测定结果影响都很大，得不到充分平均化效果，结果使测定精度降低。为了防止测定精度降低，最好是上述第二存储差动信号的值在上述一定时间内达到上述阈值的情况也判断为不能测定。
从上述第一差动运算部分224来的输出信号(第一存储差动信号)和从第二差动运算部分238来的输出信号(第二存储差动信号)被输入到距离判定部分240。而且，用距离判定部分240算出第一存储差动信号S1和第二存储差动信号S2之比，用该比值，根据下列的式(20)得到至测定对象物214的距离L。
L=c2·t1]]>=c2·t02·(1-S1S2)=c·t04(1-S1S2)]]>如上述那样，在本实施方式中，上述接收器231中和上述第九实施方式的情况相同，除了第一受光元件219、第一开关220、第二开关221、第一存储部分222和第二存储部分223外还具有第二受光元件233、第三开关234、第四开关235、第三存储部分236和第四存储部分237。信号处理部分232中和上述第九实施方式的情况相同，除了第一差动运算部分224外，还具有第二差动运算部分238。
而且，用上述第一受光元件219、第一开关220、第二开关221、第一存储部分222、第二存储部分223和第一差动运算部分224，和上述第九实施方式的情况同样，通过进行Ach信号和Bch信号的差动运算，求出除去了上述式(18)表示的那样背景光等的噪声分量后的第一存储差动信号。用第二受光元件233、第三开关234、第四开关235、第三存储部分236、第四存储部分237和第二差动运算部分238，求出作为上述式(19)表示那样的Cch信号和Dch信号的差动运算结果的存储信号的第二存储差动信号。
那时，将上述第三开关234和第四开关235的开关时间设定为上述发光信号脉冲宽度t0的两倍。因而，Cch信号和Dch信号应该包含反射光的光束218的脉冲信号的全体，通过进行Cch信号和Dch信号的差动运算，能得到仅依存于受光信号强度Ip的第二存储差动信号。其结果，用距离判定部分240，根据上述第一存储差动信号和第二存储差动信号，能利用上式(20)得到至测定对象物214的距离L。
因而，若使用本实施方式，即使受光信号强度Ip是未知的情况，而且，是背景光很强的环境下，也能高精度测定到测定对象物214的距离L。
用于得到上述第一存储差动信号和第二存储差动信号的累计时间，尽量根据上述第二差动运算的结果和与预先测定的阈值的比较结果决定。因而，即使受光信号对发光信号的延迟时间t1和发光信号的脉冲宽度t0的关系是「t1＝t0/2」从而上述第一存储差动信号是「0」的情况，也能测定到测定对象物214的距离。由于用上述第二存储差动信号检测受光信号强度Ip本身，所以能存储差动信号直到受光信号量成为充分大小。
另外，在上述第十实施方式中，将上述第三开关234和第四开关235的开关时间设定为上述发光信号的脉冲宽度t0的两倍。但是，本发明并不限于脉冲宽度t0的两倍，若是脉冲宽度t0的两倍以上，Cch信号和Dch信号中应该包含反射光的光束218的脉冲信号的全体，能取得同样效果。但是，在上述第三开关234和第四开关235的开关时间比脉冲宽度t0的两倍还长的情况，只是仅仅背景光等噪声分量的电荷存储量增多。因而，第三开关234和第四开关235的转换时间，最好的是上述发光信号的脉冲宽度t0的两倍。
在上述第十实施方式中，具有两组由接收器和差动运算部分组成的单元，并用不同的单元构成用图16(c)和图16(d)所示的开关信号控制开-关的第一开关220和第二开关221、和用图16(h)和图16(i)所示的转换信号控制开-关的第三开关234和第四开关235。但是，使用由接收器和差动运算部分组成的单元只有一组的图12所示的光学式测距装置，也能执行和根据图16所示的定时图的动作相同的动作。
那种情况下，在图12所示的结构中，接受来自上述比较器225的输出信号并使上述输出信号的电平从「H」翻转成「L」时，变更从调制信号发生器215向第一开关220和第二开关221供给的转换信号周期并且变更各开关的上述路径的切换定时，同时设置控制部分对第一存储部分222和第二存储部分223存储的电荷进行消去。
而且，上述控制部分，首先控制上述调制信号发生器215，输出图16(h)和图16(i)所示的开关信号，以图16(h)和图16(i)所示的定时开-关第一开关220和第二开关221。那时，差动运算部分224和图15所示的第二差动运算部分238同样动作，输出上述式(19)所示的第二存储差动信号。这样，进行第一时间带的处理。而且，比较器225在|第二存储差动信号的值|＞Vth时，使输出信号的电平从「H」翻转为「L」。
那样作时，上述控制部分对第一存储部分222、第二存储部分223存储的电荷进行消去，同时根据从上述第二存储差动信号的值和阈值Vth来的第一时间带的存储时间(存储次数N2)，决定与上述第一时间带连续的第二时间带的时间长度。进而，使调制信号发生器215输出图16(c)和图16(d)所示的转换信号，以图16(c)和图16(d)所示的定时使第一开关220和第二开关221仅开-关上述决定时间长度。此时，差动运算部分224和图15所示的第一差动运算部分224同样动作，输出上述式(18)表示的第一存储差动信号。这样，进行上述第二时间带的处理。
这样，上述第二时间带的处理结束时，上述距离判定部分226算出第一存储差动信号S1和第二存储差动信号S2之比，用该比值，根据式(20)得到至测定对象物214的距离L。
这种情况，即使受光信号强度Ip是未知的情况，而且，是背景光很强的环境下，用仅一组由接收器和差动运算部分组成的单元的光学式测距装置，也能达到和能精度良好地测定到测定对象物214的距离L等的第十实施方式相同的效果。因而，用比其还小型化的光学式测距装置，也能实现和具有两组第十实施方式的上述单元的光学式测距装置相同的功能。
在上述备实施方式中，使用脉冲波作为加到上述发光元件216上的调制信号。这就是说，在上述调制信号是脉冲波的情况下，上述受光信号的波形也变成脉冲波，反射信号光受光时的受光信号持续相同的受光信号强度(一定值)。其结果，Ach～Dch信号的各信号电荷存储量与到测定对象物214的距离L成正比变化，在可能测距范围内的全部分区域中各信号的电荷存储量和距离L呈线性(线形性)的关系。因而，能在整个测距范围内使分辨率为一定。
与此相反，作为上述调制信号使用三角波或锯齿波的情况下，上述受光信号的波形变为时间的一次函数，Ach～Dch信号的各信号电荷存储量成为时间的二次函数，其结果，在测距范围内分辨率产生疏密。因而，作为上述调制信号，最好根据用途适宜分别使用脉冲波或使用三角波和锯齿波。
以上说明了本发明的实施方式，但很明显也可以进行各种变更。这种变更，不应该看成超出本发明的构思和范围，本技术领域人员进行的显而易见的变更都包含在所附的权利要求书的范围中。
权利要求
1.一种光学式测距装置，测定从发送光起到接收由测定对象物反射的光为止的光的飞行时间，从而检测到上述测定对象物的距离，其特征在于，具有发光元件，出射与有规定重复频率的调制信号同步的光信号；受光元件，来自上述发光元件的上述光信号由上述测定对象物反射，该受光元件接收其反射后的上述光信号并变换为电信号；开关，以规定的定时将来自上述受光元件的上述电信号向至少两条路径切换；存储/差动运算部分，分别存储由上述开关切换的上述路径的电信号，对该被存储了的上述电信号进行差动运算；以及距离判定部分，根据上述存储/差动运算部分的差动运算结果，判定到上述测定对象物的距离。
2.如权利要求1所述的光学式测距装置，其特征在于，上述存储/差动运算部分具有使用电容元件的积分器，由上述积分器存储上述电信号。
3.如权利要求2所述的光学式测距装置，其特征在于，上述开关切换第一路径和第二路径，上述存储/差动运算部分的上述积分器是连接到上述第一路径的第一积分器和连接到上述第二路径的第二积分器，上述存储/差动运算部分进行上述第一积分器的输出和上述第二积分器的输出的差动运算。
4.如权利要求3所述的光学式测距装置，其特征在于，上述第一积分器和上述第二积分器中使用的电容元件的电容值相同或大致相同。
5.如权利要求3所述的光学式测距装置，其特征在于，在同一半导体衬底上至少制作上述受光元件和上述第一积分器及上述第二积分器。
6.如权利要求1所述的光学式测距装置，其特征在于，上述存储/差动运算部分具有使用电容元件的积分器，由上述积分器一面存储上述电信号一面进行差动运算。
7.如权利要求6所述的光学式测距装置，其特征在于，由上述开关转换被上述受光元件检测出的光电流的路径，通过使输入到上述存储/差动运算部分的上述积分器的输入端子的上述光电流的流动方向反转，进行差动运算。
8.如权利要求7所述的光学式测距装置，其特征在于，上述受光元件包括阴极连接到电源的第一受光元件和阳极连接到基准电位的第二受光元件，上述开关以上述规定的定时将上述第一受光元件的阳极连接到上述存储/差动运算部分的上述积分器的输入端子，将上述第二受光元件的阴极连接到上述存储/差动运算部分的上述积分器的输入端子。
9.如权利要求8所述的光学式测距装置，其特征在于，上述第一受光元件和上述第二受光元件是相同构造，并且是相同尺寸。
10.如权利要求8所述的光学式测距装置，其特征在于，在同一半导体衬底上至少制作上述第一受光元件和上述第二受光元件。
11.如权利要求7所述的光学式测距装置，其特征在于，具有生成两个和在上述受光元件中流动的电流相同大小的电流的输出型的第一电流镜像电路；以及输入由上述第一电流镜像电路生成的两个电流的一个，生成和该电流相同大小的电流的吸入型的第二电流镜像电路，上述开关以上述规定的定时进行以下切换，使由上述第一电流镜像电路生成的另一个电流输入到上述积分器的输入端子，或者，使由上述第二电流镜像电路生成的电流输入到上述积分器的输入端子。
12.如权利要求7所述的光学式测距装置，其特征在于，具有恒流源；生成两个和在上述恒流源流动的电流相同大小的电流的输出型的第一电流镜像电路；以及生成两个和在上述恒流源流动的电流相同大小的电流的吸入型的第二电流镜像电路，使上述受光元件的阳极与上述第一电流镜像电路的一个输出侧端子连接，使上述受光元件的阴极与上述第一电流镜像电路的另一个输出侧端子连接，上述开关以上述规定的定时进行以下切换，使上述第一电流镜像电路的一个输出侧端子与上述积分器的输入端子连接，并使上述第一电流镜像电路的另一个输出侧端子与电阻负载连接，或者，使上述第一电流镜像电路的另一个输出侧端子与上述积分器的输入端子连接，并使上述第一电流镜像电路的一个输出侧端子与电阻负载连接。
13.如权利要求1所述的光学式测距装置，其特征在于，上述开关是第一开关和第二开关，上述存储/差动运算部分具有第一存储部分和第二存储部分，上述受光元件和第一开关及第二开关相邻配置，上述第一存储部分与上述第一开关相邻配置，上述第二存储部分与上述第二开关相邻配置，上述存储/差动运算部分进行被上述第一存储部分和上述第二存储部分存储的信号的差动运算，在同一半导体衬底上至少制作上述受光元件、上述第一开关、上述第二开关、上述第一存储部分和上述第二存储部分。
14.如权利要求13所述的光学式测距装置，其特征在于，上述受光元件、上述第一开关、上述第二开关、上述第一存储部分和上述第二存储部分相对于上述受光元件的中心线是左右对称。
15.如权利要求1所述的光学式测距装置，其特征在于，具备两个有上述受光元件、上述开关和上述存储/差动运算部分的单元。
16.如权利要求15所述的光学式测距装置，其特征在于，上述两个单元是第一单元和第二单元，上述距离判定部分计算上述第一单元的输出和上述第二单元的输出之比，根据该比判定到测定对象物的距离。
17.如权利要求16所述的光学式测距装置，其特征在于，上述第一单元和上述第二单元的开关时间大致相同，上述调制信号包含正弦波信号。
18.如权利要求15所述的光学式测距装置，其特征在于，上述两个单元是第一单元和第二单元，设上述第一单元的开关时间为T时，上述第二单元的开关时间是2T以上。
19.如权利要求18所述的光学式测距装置，其特征在于，驱动上述开关的开关信号，在以开关时间T驱动的第一存储时间带和以开关时间2T以上驱动的第二存储时间带变化。
20.如权利要求18所述的光学式测距装置，其特征在于，上述调制信号是脉冲波。
21.如权利要求15所述的光学式测距装置，其特征在于，上述两个单元是第一单元和第二单元，上述第一、第二单元的上述存储/差动运算部分别具有使用电容元件的积分器，上述第一单元的上述存储/差动运算部分的上述积分器中所用的电容元件和上述第二单元的上述存储/差动运算部分的上述积分器中所用的电容元件的电容值大致相同。
22.如权利要求15所述的光学式测距装置，其特征在于，上述两个单元是第一单元和第二单元，上述第一单元和上述第二单元制作在同一半导体衬底上。
23.如权利要求1至22的任一项所述的光学式测距装置，其特征在于，上述发光元件是发光二极管。
24.如权利要求1至22的任一项所述的光学式测距装置，其特征在于，上述发光元件是激光二极管。
25.如权利要求1至22的任一项所述的光学式测距装置，其特征在于，具有扫描从上述发光元件出射的光束的扫描机构。
26.一种光学式测距装置，其特征在于，具有发送器，与具有重复频率的调制信号同步来发送光；接收器，接收从上述发送器发送并被测定对象物反射的光，输出与接收的光信号对应的信号的；以及信号处理部分，处理从上述接收器输出的信号，上述接收器包含受光元件，将接收的光信号变换成电信号；开关，以与上述调制信号同步的规定定时，将来自上述受光元件的电信号向至少两条路径切换；以及多个存储部分，在上述各路径分别配置并存储向上述各路径切换的电信号，上述信号处理部分包含运算部分，进行上述每个存储部分所存储的每条路径的电信号的差的运算；存储时间决定部分，根据上述运算部分的运算结果，决定上述存储部分的存储时间；以及距离判定部分，用仅在上述存储时间决定部分决定的存储时间上述各存储部分所存储的电信号的上述运算部分的运算结果，判定到上述测定对象物的距离。
27.如权利要求26所述的光学式测距装置，其特征在于，上述存储时间决定部分，通过上述运算部分的运算结果和阈值的比较，决定上述存储时间。
28.如权利要求27所述的光学式测距装置，其特征在于，上述存储时间决定部分在设上述运算部分的运算结果达到上述阈值的时间为t，设上述调制信号的重复频率为T，设上述存储时间为Tsum时，决定上述存储时间Tsum为满足以下关系的值，Tsum＝m×T式中，上述m是满足m＞t/T的最小整数。
29.如权利要求27所述的光学式测距装置，其特征在于，上述接收器和信号处理部分具备两个由上述受光元件、开关、存储部分和运算部分的集合而组成的单元，作为上述两个单元之中的一个的第一单元的上述开关的切换间隔是上述两个单元之中的另一个的第二单元的上述开关的切换间隔的两倍以上，上述存储时间决定部分，通过上述第一单元的运算部分的运算结果和阈值的比较，决定上述第一单元的存储部分的存储时间和上述第二单元的存储部分的存储时间，上述距离判定部分用上述第一单元的运算部分的运算结果和上述第二单元的运算部分的运算结果，判定到上述测定对象物的距离。
30.如权利要求29所述的光学式测距装置，其特征在于，上述第一单元的存储部分的存储时间和上述第二单元的存储部分的存储时间相等。
31.如权利要求26所述的光学式测距装置，其特征在于，包括控制上述开关的上述路径的转换定时，同时消去上述各存储部分存储的电信号的控制部分，上述控制部分，根据第一定时使上述开关进行上述路径的切换；通过上述存储时间决定部分决定上述存储部分的存储时间时，在消去上述各存储部分存储的电信号后，根据第二定时使上述开关进行上述路径的切换，仅在基于上述决定的存储时间的时间使上述各存储部分存储电信号，上述距离判定部分使用上述开关在上述第一定时进行上述路径的切换时的上述运算部分的运算结果和上述开关在上述第二定时进行上述路径的切换时的上述运算部分的运算结果，判定到上述测定对象物的距离。
32.如权利要求27所述的光学式测距装置，其特征在于，上述运算部分的运算结果在第一规定时间内未达到上述阈值时，上述存储时间决定部分设上述存储时间不能决定，上述距离判定部分接受上述存储时间决定部分的不能决定上述存储时间的情况，设不能判定到上述测定对象物的距离。
33.如权利要求32所述的光学式测距装置，其特征在于，在上述运算部分的运算结果在比上述第一规定时间还短的第二规定时间内达到上述阈值的情况下，上述存储时间决定部分设上述存储时间不能决定，上述距离判定部分接受上述存储时间决定部分的不能决定上述存储时间的情况，设不能判定到上述测定对象物的距离。
全文摘要
发送器(1)具有出射与有规定重复频率的调制信号同步的光信号的发光元件(4)和向发光元件(4)输出调制信号的调制信号发生器(5)。接收器(2)具有接收由测定对象物(12)反射的光束(11)并转换为电信号的受光元件(6)、接收来自调制信号发生器(5)的信号并以规定的定时向两条路径切换来自受光元件(6)的电信号的开关(7)和分别存储由上述开关(7)转换的两条路径电信号的第一、第二存储部分(8a、8b)。信号处理部分(3)具有对被第一、第二存储部分(8a、8b)存储的电信号进行差动运算的差动运算部分(9)和根据差动运算部分(9)的差动运算结果判定到测定对象物(12)距离的距离判定部分(10)。
文档编号G01S17/10GK1991407SQ200610064049
公开日2007年7月4日 申请日期2006年10月30日 优先权日2005年10月28日
发明者和田秀夫, 渡部恒久, 民长隆之 申请人:夏普株式会社