JP6728369B2 - 光センサおよび電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、光センサおよび電子機器に関する。

従来、光通信や飛行時間（ＴＯＦ：Time of Flight）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。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。

前記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前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。前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。

また、特許文献２には、前記ＳＰＡＤを用いて、発光素子からの反射光と直接光をそれぞれ別のDelay Locked Loop回路（ＤＬＬ）に入力し、２つのＤＬＬ出力間の遅延量をデジタル値に変換する方法で距離測定を行う方法が開示されている。

日本国公開特許公報「特開２０１２−０６００１２号公報（２０１２年３月２２日公開）」 米国特許公開２０１４／０２３１６３１号公報（２０１４年８月２１日公開）

しかしながら、特許文献２に開示された方法では、検知対象物と光センサ（第１受光部、第２受光部、および発光素子）との距離が０に近く、遅延信号に周期毎のバラつきがある場合、０付近よりかなり大きい値が出力される。図４は、検知対象物と光センサとの距離を示す検知対象物距離（横軸）と、距離の測定結果である測定距離（縦軸）との関係を示すグラフである。具体的に、図４においては、検知対象物距離が０またはほぼ０である場合、測定距離が０より顕著に大きくなっている。これは図５に示されるように、第１受光部から作った遅延出力をＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ、第２受光部から作った遅延出力をＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ、遅延差をＳＤ＿ＰＵＬＳＥとすると、基準出力のジッタやＤＬＬ出力パルスのジッタによりＳＤ＿ＰＵＬＳＥが最大値付近の値を発生し、これの値を含めて平均化することから起こる。図５は、従来技術に係る、ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ、ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ、ジッタを含むＳＤ＿ＰＵＬＳＥのタイミングチャートである。また、発光素子の発光周期と検知対象物による反射光の遅延が近い場合にも、別周期の測定値を含む平均化がなされるため、理想の測定最大値より小さい値が出力される。この特性により図４の領域１内の直線部分は特にバラつきが大きい場合に狭くなり、測定可能距離も狭まることになる。

また、例えば測定距離として図４のＡの値が出力されているとすると、領域１のａ１と領域２のａ２のように、検知対象物距離が領域１に属するか領域２に属するかあるいはそれ以上の領域に属するか判別することができない。このため、図６のように２周期で測定し、測定距離出力に差が無い部分を使い測定距離Ａに対応する検知対象物距離ａ１を一意に決める等する必要がある。しかしながら、例えば図６の測定距離Ｂでは周期の切り替わりでなだらかに値が変化していることにより、ｂ１とｂ２の判別ができなくなっている。

以上のように、特許文献２に開示された方法では、発光周期内での測定可能距離の範囲が狭まり、正確に空間光路上の光遅延が発光周期内であるかを判別することが難しいという問題が発生する。

本発明は、前記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、発光周期内での測定可能距離の範囲を狭めず、正確に空間光路上の光遅延が発光周期内であるかを判別することを可能とする、光センサおよび電子機器を実現することにある。

前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、第１の周期で駆動される発光素子と、測定すべき信号光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第１受光部と、時間基準となる参照光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第２受光部と、前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を抽出する時間差抽出回路とを少なくとも備えており、前記時間差抽出回路は、前記第１受光部からの出力パルスが入力される第１のＤＬＬと、前記第２受光部からの出力パルスが入力される第２のＤＬＬと、前記第１のＤＬＬの出力パルスをＮ（Ｎ≧２）分周して第１の時間オフセットを与える第１の波形生成部と、前記第２のＤＬＬの出力パルスをＮ分周して第２の時間オフセットを与える第２の波形生成部とを有しており、前記第１の時間オフセットと前記第２の時間オフセットとの差に相当する時間をＯ１、前記第１の周期をＴ１とすると、少なくとも下記数式（１）および（２）、
Ｏ１＝ｍ・Ｔ１／２ ・・・（１）
０＜Ｏ１＜（Ｎ−１）・Ｔ１ ・・・（２）
（但し、ｍ≧１）
を満足することを特徴としている。

また、前記の課題を解決するために、本発明の別の態様に係る光センサは、第１の周期で駆動される発光素子と、測定すべき信号光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第１受光部と、時間基準となる参照光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第２受光部と、前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を抽出する時間差抽出回路とを少なくとも備えており、前記時間差抽出回路は、前記第１受光部からの出力パルスが入力される第１のＤＬＬと、前記第２受光部からの出力パルスが入力される第２のＤＬＬと、前記第１のＤＬＬの出力パルスをＮ（Ｎ≧２）分周する第１の波形生成部と、前記第２のＤＬＬの出力パルスをＮ分周する第２の波形生成部とを有しており、前記第１の波形生成部は前記第１のＤＬＬの出力パルスに対して時間オフセットを与えるか、または、前記第２の波形生成部は前記第２のＤＬＬの出力パルスに対して時間オフセットを与え、前記時間オフセットに相当する時間をＯ１、前記第１の周期をＴ１とすると、少なくとも下記数式（１）および（２）、
Ｏ１＝ｍ・Ｔ１／２ ・・・（１）
０＜Ｏ１＜（Ｎ−１）・Ｔ１ ・・・（２）
（但し、ｍ≧１）
を満足することを特徴としている。

また、前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電子機器は、前記光センサを備えていることを特徴としている。

本発明の各態様によれば、発光周期内での測定可能距離の範囲を狭めず、正確に空間光路上の光遅延が発光周期内であるかを判別することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る光センサのブロック図である。 図１に示す光センサを構成する第１受光部および第２受光部のブロック図である。 図１に示す光センサを構成する時間差抽出回路のブロック図である。 従来技術に係る検知対象物距離対測定距離特性を示すグラフである。 従来技術に係るジッタの存在するＳＤ＿ＰＵＬＳＥの一例を示すグラフである。 従来技術に係る２周期測定での検知対象物距離対測定距離特性を示すグラフである。 図１に示す光センサを構成する第１のＤＬＬのブロック図である。 受光波形とＤＬＬ波形の関係を示す図である。 受光波形とＤＬＬ波形の関係を示す図である。 従来技術に係るＤＬＬ遅延差に対する出力の特性を示すグラフである。 図３に示す時間差抽出回路のＤＬＬ遅延差に対する出力の特性を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る時間差抽出回路のブロック図である。 図３に示す時間差抽出回路のＤＬＬ遅延差に対する出力の特性を示すグラフである。 図３に示す時間差抽出回路のＤＬＬ遅延差に対する出力の特性を示すグラフである。 図１２に示す時間差抽出回路のＤＬＬ遅延差に対する出力の特性を示すグラフである。 本発明の実施形態３に係るWrap Around判定用フローチャートである。 本発明の実施形態３に係る２周期測定での検知対象物距離対ＲＡＮＧＥ特性を示すグラフである。

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、先に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る光センサ１０１の概略構成を示すブロック図である。

光センサ１０１は、図１に示すように、発光素子１８、第１受光部１１、および第２受光部１２を備えている。発光素子１８は、第１の周期Ｔ１で駆動される。第１受光部１１は、検知対象物Ｓからの反射光（測定すべき信号光）の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の受光部である。第２受光部１２は、発光素子１８からの直接光（時間基準となる参照光）の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の受光部である。

また、光センサ１０１は、図１に示すように、ドライバ１７（ドライバ回路）に基準パルスを与え、また時間差抽出回路１９に基準クロックを与える基準パルス生成回路１６、当該基準パルスに基づいて発光素子１８をパルス駆動するドライバ（ドライバ回路）１７、第１受光部１１からのパルス出力と第２受光部１２からのパルス出力との時間差を抽出する時間差抽出回路１９を備えている。時間差抽出回路１９は、第１のＤＬＬ１２１、第２のＤＬＬ１２２、および遅延差測定回路２０を備えている。

光センサ１０１においては、発光素子１８からパルス光が照射され、検知対象物Ｓからの反射光が第１受光部１１に、発光素子１８からの直接光が第２受光部１２に入射されると、光量に応じた頻度で、第１受光部１１からの出力パルスと第２受光部１２からの出力パルスとは、空間光路上の距離の差に応じた時間差を持って時間差抽出回路１９の入力段に入力される。第２受光部１２からの出力パルスに対応する空間光路上の距離はほぼ０とみなすことができる。時間差抽出回路１９は、第１受光部１１からの出力パルス、第２受光部１２からの出力パルス、および前記基準クロックを用いて、第１受光部１１からの出力パルスと第２受光部１２からの出力パルスとの時間差を抽出することによって、空間光路上の距離に相当する時間差を抽出し、検知対象物Ｓまでの距離を求めることができる。

図２は、第１受光部１１および第２受光部１２の概略構成を示す回路図である。ここで、第１受光部１１および第２受光部１２の構成は同じであるので、第１受光部１１を例に説明する。第１受光部１１は、図２に示すように、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により、入射光量を２値のパルス出力として取り出される。第１受光部１１の出力パルスは、ＯＲ回路ＯＲ１（図１参照）でＯＲ演算が行われ、時間差抽出回路１９の第１のＤＬＬ１２１に供給される。第２受光部１２の出力パルスは、ＯＲ回路ＯＲ２（図１参照）でＯＲ演算が行われ、時間差抽出回路１９の第２のＤＬＬ１２２に供給される。

図３は、時間差抽出回路１９の概略構成を示す回路図である。時間差抽出回路１９は、第１のＤＬＬ１２１、第２のＤＬＬ１２２、ＤＦＦ（Ｄ−フリップフロップ）１、ＤＦＦ２、インバータＩＮＶ１、ＡＮＤ回路ＡＮＤ１、ＤＦＦ４、ＤＦＦ５、ＤＦＦ６、ＡＮＤ回路ＡＮＤ２、ＤＦＦ５およびＤＦＦ６のリセットを目的として入力信号を僅かに遅延させるＤｅｌａｙ２３、およびパルス幅平均化回路（平均化回路）２４を備えている。ＤＦＦ１は第１の波形生成部に相当し、ＤＦＦ２は第２の波形生成部に相当する。

第１受光部１１からＯＲ回路ＯＲ１を通じて作成された信号（第１受光部からの出力パルス）ＳＰＡＤ＿ＳＧ１を第１のＤＬＬ１２１に入力し、基準パルス発生回路１６から得られるＣＬＫ（基準クロック）の立ち上がりタイミングをＳＰＡＤ＿ＳＧ１の発生領域の中心まで遅延させた信号（第１のＤＬＬの出力パルス）ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥを作成する。また、第２受光部１２からＯＲ回路ＯＲ２を通じて作成された信号（第２受光部からの出力パルス）ＳＰＡＤ＿ＳＧ２を第２のＤＬＬ１２２に入力し、基準パルス発生回路１６から得られるＣＬＫ（基準クロック）の立ち上がりタイミングをＳＰＡＤ＿ＳＧ２の発生領域の中心まで遅延させた信号（第２のＤＬＬの出力パルス）ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥを作成する。

図７は、第１のＤＬＬ１２１の概略構成を示す回路図である。ここで、第１のＤＬＬ１２１および第２のＤＬＬ１２２の構成は同じであるので、第１のＤＬＬ１２１を例に説明する。第１のＤＬＬ１２１は、位相検出器（図示せず）、電圧制御遅延回路２１、および前記電圧制御遅延回路２１の制御電圧を保持する容量素子ＣＤＬＬを有し、第１の期間に前記容量素子ＣＤＬＬを一定値にチャージし、第２の期間に前記電圧制御遅延回路２１の基準クロックを４分周したクロックと前記電圧制御遅延回路２１の４分周出力を前記位相検出器に入力し、第３の期間に前記第１受光部１１からのパルスと前記電圧制御遅延回路２１の出力の２分周したクロックを前記位相検出器に入力するようになっている。

具体的には、第１のＤＬＬ１２１は、容量ＣＤＬＬ、電圧制御遅延回路２１、インバータＩＮＶ１、ＡＮＤ回路ＡＮＤ１、ＡＮＤ回路ＡＮＤ２を含み、（Ｅ）に示す信号がｈｉｇｈ（１）の場合に受光範囲でランダムに発生する信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１が発生すると（Ｂ）に示す信号がｈｉｇｈになり、電流ＩＢで容量ＣＤＬＬにチャージする。また、（Ｅ）に示す信号がｌｏｗ（０）の場合に受光範囲でランダムに発生する信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１が発生すると（Ａ）に示す信号がｈｉｇｈになり、電流ＩＡで容量ＣＤＬＬをディスチャージする。この動作を十分な期間行うと信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の発生領域の中心まで基準クロックＣＬＫを遅延させた信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥが（Ｅ）に示す信号が供給される端子から出力される。図８には、第１のＤＬＬ１２１が収束した時の波形の状態を示す。第１受光部１１が受光した時の波形（受光波形）の範囲内に各周期でランダムに発生した信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１を全周期で積分した波形（ＳＰＡＤ＿ＳＧ１の積分表示）の中心に信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥの立ち上がりエッジが来ると電流ＩＢの積分値と電流ＩＡの積分値が一致するため、この状態で安定することが示される。第２のＤＬＬ１２２の構成および動作原理についても、第１のＤＬＬ１２１の構成および動作原理と同等である。

信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥがＤＦＦ１に入力されると、ＤＦＦ１は、２分周（Ｎ分周）された信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２を作成する。ここで、ＤＦＦ１は、ネガティブエッジトリガにすることで、発光素子１８の発光周期である第１の周期Ｔ１の１／２に相当する時間、オフセットを与えている。信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥがＤＦＦ２に入力されると、ＤＦＦ２は、２分周（Ｎ分周）された信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ２を作成する。信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの１回目の立下りでＤＦＦ４の出力をｈｉｇｈにすることにより、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２の発生条件であるＤＦＦ１のネガティブエッジトリガの開始を第１の周期Ｔ１の１／２に相当する時間、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの立ち上がりに対して遅延させている。ＤＦＦ１が与える当該遅延を第１の時間オフセットとする。また、ＤＦＦ２が与える、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの立ち上がりに対する信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ２の遅延を第２の時間オフセットとするが、時間差抽出回路１９においてこの第２の時間オフセットは第１の周期Ｔ１の０周期である。ＤＦＦ５、ＤＦＦ６、ＡＮＤ回路ＡＮＤ２、Ｄｅｌａｙ２３の構成に、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ２およびＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２を入力することにより、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ２の立ち上がりがＳＤ＿ＰＵＬＳＥ（第１の波形生成部と第２の波形生成部との出力時間差）の立ち上がりとなり、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２の立下りがＳＤ＿ＰＵＬＳＥの立下りとなる。当該ＳＤ＿ＰＵＬＳＥをパルス幅平均化回路２４に入力し、ある程度の期間平均化し、例えばデジタル値に数値化した値ＳＤ＿ＡＶＥ（平均化回路の出力値）を出力する。値ＳＤ＿ＡＶＥを上述した第１の時間オフセットおよび第２の時間オフセットに基づいて補正し、信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ１と信号ＳＰＡＤ＿ＳＧ２との時間差を数値化した値を抽出する抽出部（図示せず）を設け、この抽出部により、この値ＳＤ＿ＡＶＥから第１の周期Ｔ１の１／２に相当する第１の時間オフセット分を数値化した値を減算する補正を行うことで、空間光路上の距離に対応した遅延時間ＲＡＮＧＥを得ることができる。

時間差抽出回路１９の構成において、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥとの間に時間差ｄがある場合の波形の例を、図９に示している。時間差ｄと時間オフセット（第１の周期Ｔ１の１／２）とを足した時間Ｘが、ＳＤ＿ＰＵＬＳＥのパルス幅として現れる。信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥとは発光周期Ｔｃ（すなわち、第１の周期Ｔ１）で繰り返すため、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの時間差の範囲は、０〜発光周期Ｔｃの範囲となる。ここで、ＳＤ＿ＰＵＬＳＥにある程度のジッタが存在するため、時間差ｄが０に近い場合等に信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの時間差で見ると０以下の範囲を超え発光周期Ｔｃ付近の領域に入る場合がある。しかしながら、時間差抽出回路１９の構成によれば、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥおよびＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥを分周することにより連続領域を発光周期Ｔｃの２倍にまで広げているため、時間差ｄがマイナスであっても問題無く、パルス幅平均化回路２４による平均化に悪影響を及ぼさない。

図１０には、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥを分周しない場合の、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの遅延差に対するＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の特性を示している。当該遅延差に相当する時間差ｄを中心として図の分布の範囲を持つ場合、分布の裾が０以下に入っていることにより手前の周期の特性に入り、基準の時刻に対して発光周期Ｔｃの１周期分経過後の時刻（以下、「時刻Ｔｃ」と称する）に近い値が存在するため、平均化する際の誤差要因となることが示されている。

図１１には、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥを２分周したときの、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの遅延差に対するＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の特性を示している。当該遅延差に相当する時間差ｄを中心として図の分布の範囲を持つ場合で０以下（〔１〕の領域）に分布の裾が入っていても特性は〔２〕の領域から連続でリニアな特性のため、正常に平均化することができる。また、分布が時刻Ｔｃ付近にある場合も〔３〕の領域が〔２〕の領域から連続でリニアな特性のため、正常に平均化することができる。

また、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥの遅延差に相当する時間差ｄが０付近であり時間差ｄが平均値の分布の０以下の部分が信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２発生１回目に来た（平均化回路の出力値が、第１の周期を数値化した値と時間Ｏ１を数値化した値との和より大きい）場合のＳＤ＿ＰＵＬＳＥの特性を、図１３に示している。発生１回目では信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２は遅延されているため、本来発生する信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２の発生が発光周期Ｔｃ分遅れるため、分布１の遅延が分布２にあるようなＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の状態となる。したがって、ＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の平均値も発光周期Ｔｃを数値化した値が加算された値になる。実際の正常な遅延差の範囲は発光周期Ｔｃ範囲の〔２〕の範囲に限定されることは信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥが発光周期Ｔｃと同じ周期であることから自明であるため、その範囲を超える領域である〔３〕にＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の平均値がある場合は時間差ｄの分布の０以下の部分が発生１回目に来たということが分かるため、以下の計算で正常なＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅（時間Ｘ）に変換できる。

Ｘ＝Ｘ´−Ｔｃ
（但し、Ｘ´はＳＤ＿ＡＶＥに相当する値、Ｔｃは発光周期Ｔｃを数値化した値）
また、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥの遅延差に相当する時間差ｄが時刻Ｔｃ付近であり時間差ｄの分布が時刻Ｔｃ以上の部分が信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２発生２回目に来た（平均化回路の出力値が、時間Ｏ１を数値化した値より小さい）場合のＳＤ＿ＰＵＬＳＥの特性を、図１４に示している。発生１回目では信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２は遅延されているため、本来０付近で信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２は発生しないが、時刻Ｔｃを超える時間差ｄである場合、基準の時刻としての時刻０を超えた部分に信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２が発生するため、分布１の遅延が分布２にあるようなＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の状態となる。したがって、ＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の平均値も発光周期Ｔｃを数値化した値が減算された値になる。実際の正常な遅延差の範囲は発光周期Ｔｃ範囲の〔２〕の範囲に限定されることは信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥが発光周期Ｔｃと同じ周期であることから自明であるため、その範囲を超える領域である〔１〕にＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の平均値がある場合は時間差ｄの分布の時刻Ｔｃ以上の部分が信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２発生２回目に来たということが分かるため、以下の計算で正常なＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅（時間Ｘ）に変換できる。

Ｘ＝Ｘ´＋Ｔｃ
以上の補正を行うことにより、〔２〕の範囲を外れた場合でも正常な時間差ｄを求めることができる。以上の構成により、発光周期Ｔｃ内での測定可能距離の範囲を狭めず、正確に空間光路上の光遅延が発光周期内であるかを判別することが可能となる。

なお、第１のＤＬＬ１２１が出力する信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥを、３以上に分周してもよい。また、第２のＤＬＬ１２２が出力する信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥは、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥの分周数と同じであれば、３以上に分周してもよい。また、時間差抽出回路１９においては、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥに対する第１の時間オフセットとして、発光周期Ｔｃの１／２の遅延を生じさせたがこれに限らず、発光周期Ｔｃの１／２のｍ（ｍ≧１）倍の遅延を生じさせればよい。また、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥに対して発光周期Ｔｃの０周期以外の遅延（第２の時間オフセット）をさらに生じさせてもよいし、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥに替えて信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥに対して発光周期Ｔｃの０周期以外の遅延を生じさせてもよい。但し、第１の時間オフセットに相当する時間と第２の時間オフセットに相当する時間との差をＯ１とすると、時間Ｏ１は少なくとも、
Ｏ１＝ｍ・Ｔ１／２
（但し、ｍ≧１）
０＜Ｏ１＜（Ｎ−１）・Ｔ１
（但し、Ｎは信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥおよび信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの分周数）
の関係を満たす必要がある。

光センサ１０１は、以下の構成を有していると解釈することができる。

光センサ１０１は、第１の周期Ｔ１（すなわち、発光周期Ｔｃ）で駆動される発光素子１８と、測定すべき信号光（すなわち、検知対象物Ｓからの反射光）の入射に対してパルスを出力するフォトンカウント型の第１受光部１１と、時間基準となる参照光（すなわち、発光素子１８からの直接光）の入射に対してパルスを出力するフォトンカウント型の第２受光部１２と、第１受光部１１の出力と第２受光部１２の出力との時間差を抽出する時間差抽出回路１９とを少なくとも備えている。時間差抽出回路１９は、第１受光部１１からの出力を入力する第１のＤＬＬ１２１と、第２受光部１２からの出力を入力する第２のＤＬＬ１２２と、第１のＤＬＬ１２１の出力（すなわち、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ）をＮ分周（すなわち、２分周）して第１の時間オフセット（発光周期Ｔｃの１／２分の遅延）を与えるＤＦＦ１と、第２のＤＬＬ１２２の出力（すなわち、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ）をＮ分周（すなわち、２分周）して第２の時間オフセット（発光周期Ｔｃの０周期分の遅延）を与えるＤＦＦ２と、ＤＦＦ１およびＤＦＦ２の出力時間差（すなわち、ＳＤ＿ＰＵＬＳＥ）を平均化するパルス幅平均化回路２４と、パルス幅平均化回路２４の出力（すなわち、ＳＤ＿ＡＶＥ）を第１の時間オフセットおよび第２の時間オフセットに基づいて補正し、前記出力時間差に相当する値（すなわち、ＲＡＮＧＥ）を抽出する抽出部（図示せず）を備えている。第１の時間オフセットから第２の時間オフセットを引いた時間Ｏ１が少なくともＯ１＝ｍ・Ｔ１／２（ｍ≧１）であり、０＜Ｏ１＜（Ｎ−１）・Ｔ１の関係を満たす。

また、光センサ１０１において、前記抽出部は、パルス幅平均化回路２４の出力の値から第１の時間オフセットと第２の時間オフセットとの差分（すなわち、時間Ｏ１）を数値化した値を減算する。

また、光センサ１０１において、ＤＦＦ１の出力（すなわち、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２）は、ＤＦＦ２の出力（すなわち、信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ２）が最初に発生した時間から少なくとも時間Ｏ１が経過するまで発生しない。

また、第２の時間オフセットが発光周期Ｔｃの０周期分の遅延であるということは、第２の時間オフセットが存在しないと言うこともできる。このように、第１の時間オフセットまたは第２の時間オフセットのいずれか一方のみが設定されていてもよい。

また、光センサ１０１において、時間差抽出回路１９は、パルス幅平均化回路２４の出力（すなわち、ＳＤ＿ＡＶＥ）の値が、第１の時間オフセットと第２の時間オフセットとの差分を数値化した値より小さい場合、パルス幅平均化回路２４の出力の値に第１の周期Ｔ１を数値化した値を加算し、当該差分を数値化した値と第１の周期Ｔ１を数値化した値との和より大きい場合、パルス幅平均化回路２４の出力の値から第１の周期Ｔ１を数値化した値を減算する。

〔実施形態２〕
図１２は、本発明の実施形態２に係る時間差抽出回路１９´のブロック図である。実施形態１に示した光センサ１０１において、時間差抽出回路１９の代わりに、図１２に示す時間差抽出回路１９´を用いてもよい。

時間差抽出回路１９において作成される信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ２と信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ２をそれぞれ、さらにＤＦＦ１−２およびＤＦＦ２−２を通過させる。これにより、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥおよび信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥをそれぞれ４分周（２・Ｎ分周）化した、信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ３および信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ３を作成する。信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥ３および信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥ３を、ＥＸＯＲ（排他的論理和）回路ＥＸＯＲ１を通過させることによって、ＳＤ＿ＰＵＬＳＥを作成する。

図１５には、時間差抽出回路１９´における信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの遅延差に対するＳＤ＿ＰＵＬＳＥ幅の特性を示している。この特性の場合、発光周期Ｔｃの２分周を超えた場合の特性変化が少ないため、図１５に示されるような広い遅延差の分布であっても誤差を少なく平均化でき、ＳＤ＿ＡＶＥから誤差の少ないＲＡＮＧＥを抽出することが可能になる。

時間差抽出回路１９´においては、第１のＤＬＬ１２１の出力を２・Ｎ分周（Ｎ≧２）して第１の時間オフセットを与えるＤＦＦ１およびＤＦＦ１−２と、第２のＤＬＬ１２２の出力を２・Ｎ分周（Ｎ≧２）して第２の時間オフセットを与えるＤＦＦ２およびＤＦＦ２−２と、ＤＦＦ１−２の出力とＤＦＦ２−２の出力とをＥＸＯＲした出力のパルス幅を時間差として平均化するパルス幅平均化回路２４と、パルス幅平均化回路２４の出力を第１の時間オフセットおよび第２の時間オフセットに基づいて補正し、前記出力時間差に相当する値を抽出する抽出部を備えている。

〔実施形態３〕
実施形態１に示した光センサ１０１において、時間差抽出回路１９または時間差抽出回路１９´を用いると、図１６に示されるフローで空間光路上の光遅延がWrap Around状態にあるかどうかを判別し、エラー判定をすることができる。Wrap Around状態とは、空間光路上の光遅延が発光周期Ｔｃを超える状態を意味する。

まず、発光素子１８の発光周期Ｔｃと同期する基準クロックＣＬＫをｆ１に設定し（ステップＳ１）、ＲＡＮＧＥを抽出し（ステップＳ２）、ＲＡＮＧＥ１に抽出したＲＡＮＧＥの値を保存する（ステップＳ３）。次に、発光素子１８の発光周期Ｔｃと同期する基準クロックＣＬＫをｆ２（但し、ｆ２＞ｆ１）に設定し（ステップＳ４）、ＲＡＮＧＥを抽出し（ステップＳ５）、ＲＡＮＧＥ２に保存する（ステップＳ６）。｜ＲＡＮＧＥ１−ＲＡＮＧＥ２｜を適当な閾値ＲＴＨで比較し（ステップＳ７）、閾値ＲＴＨより｜ＲＡＮＧＥ１−ＲＡＮＧＥ２｜が小であれば（ステップＳ７の結果がＹＥＳ）、空間光路上の光遅延が発光周期Ｔｃ内であると判定してＲＡＮＧＥを出力し（ステップＳ８）、閾値ＲＴＨより｜ＲＡＮＧＥ１−ＲＡＮＧＥ２｜が大であるかもしくはこれらが同一であれば（ステップＳ７の結果がＮＯ）、発光周期Ｔｃの違いによる差が出る領域にあるため、Wrap Around状態と判断することができる（ステップＳ９）。

信号ＤＬＬ１＿ＰＵＬＳＥと信号ＤＬＬ２＿ＰＵＬＳＥの分周を行わない場合は前述した図６のＲＡＮＧＥ＝Ｂ時のようにWrap Aroundが判定できない個所が存在するが、時間差抽出回路１９および時間差抽出回路１９´によれば、図１７のように周期の移り替わり時に中間値が存在しないため、ＲＡＮＧＥ１とＲＡＮＧＥ２の差を正しく測定することができ、正確に空間光路上の光遅延が発光周期Ｔｃ内であるかどうかを判別することが可能となる。

すなわち、第１の周期Ｔ１は第２の周期Ｔ２に切り替えることができ、それぞれの周期で測定された前記抽出部の出力値に一定以上の差がある場合には発光素子１８から出た光が検知対象物Ｓから反射し、第１受光部１１に入るまでの時間が第１の周期Ｔ１または第２の周期Ｔ２を超えていると判定する。

〔実施形態４〕
前記実施形態１〜３に係る各光センサを電子機器に内蔵してもよい。このような電子機器として、具体的には、カメラ、ロボット掃除機、スマートフォンなどがある。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光センサは、第１の周期で駆動される発光素子と、測定すべき信号光（検知対象物Ｓからの反射光）の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第１受光部と、時間基準となる参照光（発光素子１８からの直接光）の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第２受光部と、前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を抽出する時間差抽出回路とを少なくとも備えており、前記時間差抽出回路は、前記第１受光部からの出力パルスが入力される第１のＤＬＬと、前記第２受光部からの出力パルスが入力される第２のＤＬＬと、前記第１のＤＬＬの出力パルスをＮ（Ｎ≧２）分周して第１の時間オフセットを与える第１の波形生成部（ＤＦＦ１）と、前記第２のＤＬＬの出力パルスをＮ分周して第２の時間オフセットを与える第２の波形生成部（ＤＦＦ２）とを有しており、前記第１の時間オフセットと前記第２の時間オフセットとの差に相当する時間をＯ１、前記第１の周期をＴ１とすると、少なくとも下記数式（１）および（２）、
Ｏ１＝ｍ・Ｔ１／２ ・・・（１）
０＜Ｏ１＜（Ｎ−１）・Ｔ１ ・・・（２）
（但し、ｍ≧１）
を満足する。

また、本発明の態様４に係る光センサは、第１の周期で駆動される発光素子と、測定すべき信号光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第１受光部と、時間基準となる参照光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第２受光部と、前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を抽出する時間差抽出回路とを少なくとも備えており、前記時間差抽出回路は、前記第１受光部からの出力パルスが入力される第１のＤＬＬと、前記第２受光部からの出力パルスが入力される第２のＤＬＬと、前記第１のＤＬＬの出力パルスをＮ（Ｎ≧２）分周する第１の波形生成部と、前記第２のＤＬＬの出力パルスをＮ分周する第２の波形生成部とを有しており、前記第１の波形生成部は前記第１のＤＬＬの出力パルスに対して時間オフセットを与えるか、または、前記第２の波形生成部は前記第２のＤＬＬの出力パルスに対して時間オフセットを与え、前記時間オフセットに相当する時間をＯ１、前記第１の周期をＴ１とすると、少なくとも下記数式（１）および（２）、
Ｏ１＝ｍ・Ｔ１／２ ・・・（１）
０＜Ｏ１＜（Ｎ−１）・Ｔ１ ・・・（２）
（但し、ｍ≧１）
を満足する。

前記の各構成によれば、第１受光部からの出力パルスと第２受光部からの出力パルスとの時間差を示す信号にジッタが発生した場合に、当該時間差を補正することができる。従って、発光周期内での測定可能距離の範囲を狭めず、正確に空間光路上の光遅延が発光周期内であるかを判別することが可能となる。

本発明の態様２に係る光センサは、前記態様１において、前記時間差抽出回路は、前記第１の波形生成部および前記第２の波形生成部の出力時間差を平均化し、数値化して出力する平均化回路（パルス幅平均化回路２４）と、前記平均化回路の出力値を前記第１の時間オフセットおよび前記第２の時間オフセットに基づいて補正し、前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を数値化した値を抽出する抽出部とを有しており、前記抽出部は、前記平均化回路の出力値から前記時間Ｏ１を数値化した値を減算してもよい。

本発明の態様３に係る光センサは、前記態様１または２において、前記第１の波形生成部の出力の発生タイミングは、前記第２の波形生成部の出力の発生タイミングに対して、前記時間Ｏ１以上遅くてもよい。

本発明の態様５に係る光センサは、前記態様１から３のいずれかにおいて、前記第１の波形生成部は、前記第１のＤＬＬの出力パルスを２・Ｎ分周し、前記第２の波形生成部は、前記第２のＤＬＬの出力パルスを２・Ｎ分周し、前記時間差抽出回路は、前記第１の波形生成部の出力と前記第２の波形生成部の出力との排他的論理和を出力するＥＸＯＲ回路を有していてもよい。

本発明の態様６に係る光センサは、前記態様１から５のいずれかにおいて、前記時間差抽出回路は、前記第１の波形生成部および前記第２の波形生成部の出力時間差を平均化し、数値化して出力する平均化回路を有しており、前記平均化回路の出力値が前記時間Ｏ１を数値化した値より小さい場合、前記平均化回路の出力値に前記第１の周期を数値化した値を加算し、前記平均化回路の出力値が、前記時間Ｏ１を数値化した値と前記第１の周期を数値化した値との和より大きい場合、前記平均化回路の出力値から前記第１の周期を数値化した値を減算してもよい。

前記の各構成によれば、前記時間差抽出回路を実現することができる。

本発明の態様７に係る光センサは、前記態様１において、前記時間差抽出回路は、前記第１の波形生成部および前記第２の波形生成部の出力時間差を平均化し、数値化して出力する平均化回路と、前記平均化回路の出力値を前記第１の時間オフセットおよび前記第２の時間オフセットに基づいて補正し、前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を数値化した値を抽出する抽出部とを有しており、前記発光素子は、さらに前記第１の周期と異なる第２の周期で発光し、前記第１の周期で前記発光素子を発光させた場合に前記抽出部が抽出した値と、前記第２の周期で前記発光素子を発光させた場合に前記抽出部が抽出した値とに一定以上の差がある場合、前記発光素子の発光から前記第１受光部による受光までの時間が、前記第１の周期および前記第２の周期のうち少なくとも一方を超えていると判定してもよい。

前記の構成によれば、光センサがWrap Around状態にあるかどうかを判別し、エラー判定をすることができる。

本発明の態様８に係る電子機器は、前記態様１から７のいずれかの光センサを備えている。

前記の構成によれば、本発明のいずれかの態様に係る光センサを備えた電子機器を実現することができる。

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。

１１ 第１受光部
１２ 第２受光部
１８ 発光素子
１９、１９´ 時間差抽出回路
２４ パルス幅平均化回路（平均化回路）
１０１ 光センサ
１２１ 第１のＤＬＬ
１２２ 第２のＤＬＬ
ＤＦＦ１、ＤＦＦ１−２ ＤＦＦ（第１の波形生成部）
ＤＦＦ２、ＤＦＦ２−２ ＤＦＦ（第２の波形生成部）
ＥＸＯＲ１ ＥＸＯＲ回路

Claims (8)

1. 第１の周期で駆動される発光素子と、
   測定すべき信号光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第１受光部と、
   時間基準となる参照光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第２受光部と、
   前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を抽出する時間差抽出回路とを少なくとも備えており、
   前記時間差抽出回路は、
   前記第１受光部からの出力パルスが入力される第１のＤＬＬと、
   前記第２受光部からの出力パルスが入力される第２のＤＬＬと、
   前記第１のＤＬＬの出力パルスをＮ（Ｎ≧２）分周して第１の時間オフセットを与える第１の波形生成部と、
   前記第２のＤＬＬの出力パルスをＮ分周して第２の時間オフセットを与える第２の波形生成部とを有しており、
   前記第１の時間オフセットと前記第２の時間オフセットとの差に相当する時間をＯ１、前記第１の周期をＴ１とすると、少なくとも下記数式（１）および（２）、
   Ｏ１＝ｍ・Ｔ１／２ ・・・（１）
   ０＜Ｏ１＜（Ｎ−１）・Ｔ１ ・・・（２）
   （但し、ｍ≧１）
   を満足することを特徴とする光センサ。
2. 前記時間差抽出回路は、
   前記第１の波形生成部および前記第２の波形生成部の出力時間差を平均化し、数値化して出力する平均化回路と、
   前記平均化回路の出力値を前記第１の時間オフセットおよび前記第２の時間オフセットに基づいて補正し、前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を数値化した値を抽出する抽出部とを有しており、
   前記抽出部は、前記平均化回路の出力値から前記時間Ｏ１を数値化した値を減算することを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 前記第１の波形生成部の出力の発生タイミングは、前記第２の波形生成部の出力の発生タイミングに対して、前記時間Ｏ１以上遅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. 第１の周期で駆動される発光素子と、
   測定すべき信号光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第１受光部と、
   時間基準となる参照光の入射に応じたパルスを出力するフォトンカウント型の第２受光部と、
   前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を抽出する時間差抽出回路とを少なくとも備えており、
   前記時間差抽出回路は、
   前記第１受光部からの出力パルスが入力される第１のＤＬＬと、
   前記第２受光部からの出力パルスが入力される第２のＤＬＬと、
   前記第１のＤＬＬの出力パルスをＮ（Ｎ≧２）分周する第１の波形生成部と、
   前記第２のＤＬＬの出力パルスをＮ分周する第２の波形生成部とを有しており、
   前記第１の波形生成部は前記第１のＤＬＬの出力パルスに対して時間オフセットを与えるか、または、前記第２の波形生成部は前記第２のＤＬＬの出力パルスに対して時間オフセットを与え、
   前記時間オフセットに相当する時間をＯ１、前記第１の周期をＴ１とすると、少なくとも下記数式（１）および（２）、
   Ｏ１＝ｍ・Ｔ１／２ ・・・（１）
   ０＜Ｏ１＜（Ｎ−１）・Ｔ１ ・・・（２）
   （但し、ｍ≧１）
   を満足することを特徴とする光センサ。
5. 前記第１の波形生成部は、前記第１のＤＬＬの出力パルスを２・Ｎ分周し、
   前記第２の波形生成部は、前記第２のＤＬＬの出力パルスを２・Ｎ分周し、
   前記時間差抽出回路は、前記第１の波形生成部の出力と前記第２の波形生成部の出力との排他的論理和を出力するＥＸＯＲ回路を有してい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。
6. 前記時間差抽出回路は、
   前記第１の波形生成部および前記第２の波形生成部の出力時間差を平均化し、数値化して出力する平均化回路を有しており、
   前記平均化回路の出力値が前記時間Ｏ１を数値化した値より小さい場合、前記平均化回路の出力値に前記第１の周期を数値化した値を加算し、
   前記平均化回路の出力値が、前記時間Ｏ１を数値化した値と前記第１の周期を数値化した値との和より大きい場合、前記平均化回路の出力値から前記第１の周期を数値化した値を減算することを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
7. 前記時間差抽出回路は、
   前記第１の波形生成部および前記第２の波形生成部の出力時間差を平均化し、数値化して出力する平均化回路と、
   前記平均化回路の出力値を前記第１の時間オフセットおよび前記第２の時間オフセットに基づいて補正し、前記第１受光部からの出力パルスと前記第２受光部からの出力パルスとの時間差を数値化した値を抽出する抽出部とを有しており、
   前記発光素子は、さらに前記第１の周期と異なる第２の周期で発光し、
   前記第１の周期で前記発光素子を発光させた場合に前記抽出部が抽出した値と、前記第２の周期で前記発光素子を発光させた場合に前記抽出部が抽出した値とに一定以上の差がある場合、前記発光素子の発光から前記第１受光部による受光までの時間が、前記第１の周期および前記第２の周期のうち少なくとも一方を超えていると判定することを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
8. 請求項１から７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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