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）。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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，所以限本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：和田秀夫，渡部恒久，民长隆之，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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