光学式測距センサおよび電子機器
【課題】小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサおよび該センサを含む電子機器を安価で提供する。
【解決手段】光学式測距センサは、発光素子と同一平面上に設けられた受光素子２を備える。受光素子２は、複数のセル２１Ａを有し、発光素子１から放射され被測定物で反射した光が集光される受光部２１と、受光部２１における所定の位置を記憶するフラッシュメモリ部２５と、複数のセル２１Ａによる上記光の検出結果に基づいて、受光部２１における上記光の集光位置を検出するとともに、フラッシュメモリ部２５に記憶された所定の位置と受光部２１における上記光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、被測定物までの距離を計測する信号処理回路部２２とを含む。
【解決手段】光学式測距センサは、発光素子と同一平面上に設けられた受光素子２を備える。受光素子２は、複数のセル２１Ａを有し、発光素子１から放射され被測定物で反射した光が集光される受光部２１と、受光部２１における所定の位置を記憶するフラッシュメモリ部２５と、複数のセル２１Ａによる上記光の検出結果に基づいて、受光部２１における上記光の集光位置を検出するとともに、フラッシュメモリ部２５に記憶された所定の位置と受光部２１における上記光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、被測定物までの距離を計測する信号処理回路部２２とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式測距センサおよび電子機器に関し、特に、所定の範囲に位置する被測定物までの距離を測定するための光学式測距センサおよび該センサを含む電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
三角測量方式により所定の範囲に位置する被測定物までの距離を測定するための光学式測距センサが、従来から知られている。図１３は、従来の光学式測距センサを示す断面図である。
【０００３】
図１３を参照して、従来の光学式測距センサは、発光素子１００と、受光素子２００と、発光素子１００の駆動および受光素子２００から出力される信号の処理を行なう集積回路部２００Ａと、発光素子１００および受光素子２００を各々封止する透光性樹脂部３００（３００Ａ，３００Ｂ）と、発光側および受光側のレンズ４００（４００Ａ，４００Ｂ）と、発光素子１００、受光素子２００および透光性樹脂部３００を保持する遮光性樹脂部５００と、リードフレーム６００と、レンズケース７００とを含む。
【０００４】
図１３に示す測距センサでは、受光素子２において、１つの受光部（PSD：Position Sensitive Detector）だけが設けられている。その受光部の抵抗値は、受光部内で均一かつ一定なものである。そして、受光素子２の２つの端子より得られる信号（電流値）を各々Ｉ1，Ｉ2とすると、Ｉ1／(Ｉ1＋Ｉ2)により、距離に対応する出力値を得て、距離計測を行なう。
【０００５】
上記のような光学式測距センサは、たとえば、特開平９−３１８３１５号公報（特許文献１）および特開２００３−２８７４２０号公報（特許文献２）に記載されている。
【０００６】
また、特開２００２−１９５８０７号公報（特許文献３）には、位置検出素子としてＣＭＯＳイメージセンサを利用したものが記載されている。
【特許文献１】特開平９−３１８３１５号公報
【特許文献２】特開２００３−２８７４２０号公報
【特許文献３】特開２００２−１９５８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１３に示す従来の光学式測距センサでは、受光側の素子として使用する位置検出受光素子（PSD）の受光部が１つだけであり、その受光部の抵抗値は受光部内で均一かつ一定なものであったため、物体までの距離が短いところでは精度よく距離を計測できるが、物体までの距離が長いところでは距離計測の精度が悪いという問題があった。この原因について図１４，図１５を用いて説明する。
【０００８】
図１４を参照して、三角測量方式により物体までの距離（ｄ）を検出する光学式測距センサにおいて、物体までの距離（ｄ）と受光部における出力（Ｘ）とは、図１５に示すような反比例の関係にあり、物体までの距離が短いところでは距離変動による出力変化が大きく、物体までの距離が長いところでは距離変動による出力変化が小さい。したがって物体までの距離（ｄ）が長いところでは、その距離（ｄ）が所定量変動しても、受光部における出力（Ｘ）はあまり変動しないことになる。
【０００９】
これに対し、発光側のレンズ中心と受光側のレンズ中心との中心間距離（Ａ）や受光側のレンズと受光素子との間の距離、すなわち受光側のレンズの焦点距離（ｆ）を大きくすることにより、精度を上げることができる。しかしながら、上記Ａ，ｆを大きくすることにより、光学式測距センサのサイズが大きくなってしまう。
【００１０】
また、従来の測距センサでは、物体までの距離（ｄ）が長いところでは距離計測の精度が悪くなるので、実用上の距離計測範囲は計測可能な最大距離と最小距離の比が８程度までのものしか存在しなかった。
【００１１】
なお、特許文献３には、位置検出素子としてＣＭＯＳイメージセンサを適用したものが示されているが、当該文献では、発光素子と受光素子とが同一平面状になく、パッケージも各素子毎に別々に形成しており、さらに、ＣＭＯＳイメージセンサより取り出した信号処理部や、発光素子の駆動回路部はＣＭＯＳイメージセンサチップの外部にある。この結果、特許文献３では、測距センサのサイズが大きくなってしまうという問題があり、さらに、生産工程も多く、各工程での作業も精度を求めると複雑になり、製造コストが高いという問題もあった。
【００１２】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサおよび該センサを含む電子機器を安価で提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る光学式測距センサは、三角測量方式により被測定物までの距離を検出する光学式測距センサである。当該センサは、発光素子と、発光素子と同一平面上に設けられた受光素子と、発光素子と受光素子とを各々封止する第１および第２の透光性樹脂部と、発光素子および受光素子の前方に各々設けられた第１および第２のレンズと、発光素子および受光素子間に所定の間隔が形成されるように発光素子および受光素子を保持する遮光性樹脂部とを備える。受光素子は、複数のセルを有し、発光素子から放射され被測定物で反射した光が集光される受光部と、受光部における所定の位置を記憶するメモリ部と、複数のセルによる上記光の検出結果に基づいて、受光部における上記光の集光位置を検出するとともに、メモリ部に記憶された所定の位置と受光部における上記光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、被測定物までの距離を計測する演算部とを含む。
【００１４】
上記構成によれば、被測定物で反射した光が集光される受光部が複数のセルを有することにより、レンズ間距離（Ａ）および受光部と受光側レンズとの焦点距離（ｆ）を過度に大きくすることなく、精度の高い計測を行なうことができる。したがって、小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサを安価で得ることができる。
【００１５】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、複数のセルは、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に一列に並んで設けられている。
【００１６】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に沿った複数のセルの幅は５μｍ以下である。
【００１７】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、第１および第２のレンズの中心間距離は１０ｍｍ以下であり、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に沿った受光部の幅は５ｍｍ以下である。
【００１８】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、第１および第２のレンズの中心間距離は２ｍｍ以下であり、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に沿った受光部の幅は１．５ｍｍ以下である。
【００１９】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光位置検出部は、受光部における光量分布に基づいて、光量のピーク値に対応する位置を受光部における上記光の集光位置として検出する。
【００２０】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光位置検出部は、受光部における光量分布に基づいて、光量重心に対応する位置を受光部における上記光の集光位置として検出する。
【００２１】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光位置検出部は、受光部における光量分布に基づいて、分布領域の幾何学的重心に対応する位置を受光部における上記光の集光位置として検出する。
【００２２】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光位置検出部は、受光部における光量分布に基づいて、光量のピーク値に対応する位置、光量重心に対応する位置、および分布領域の幾何学的重心に対応する位置のうち少なくとも２つの位置を検出し、その検出結果の組合わせに基づいて受光部における上記光の集光位置を算出する。
【００２３】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、メモリ部に記憶された受光部における所定の位置は、発光素子より投光され、光学式測距センサから所定の距離だけ離れた物体で反射した後、受光部へ集光された光の光量分布に基づいて求められた、光量のピーク値に対応する位置、光量重心に対応する位置、分布領域の幾何学的重心に対応する位置、またはこれらの組合わせに基づいて算出された位置である。
【００２４】
なお、本願明細書において、『光量重心』とは、受光部に集光された光の光量によって重み付けして求めた集光領域の中心を意味する。
【００２５】
また、本願明細書において、『分布領域の幾何学的重心』とは、受光部に集光された光が分布する領域の幾何学的な重心を意味する。
【００２６】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光素子の前方に設けられた第２のレンズはフレネルレンズである。
【００２７】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子は、共振器型発光ダイオードである。
【００２８】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子は、面発光レーザである。
【００２９】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子から被測定物に達する光経路上に設けられ、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に垂直に交差する方向に発光素子からの光を分割する回折格子をさらに備える。
【００３０】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子および受光素子は、同一のリードフレーム上に搭載される。
【００３１】
本発明に係る電子機器は、上述した光学式測距センサを備える。１つの実施態様では、上記電子機器は、パーソナルコンピュータまたは携帯電話である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサおよび該センサを含む電子機器を安価で得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００３４】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００３５】
図１は、本発明の１つの実施の形態に係る光学式測距センサの上面図であり、図２は、図１におけるII−II断面図である。
【００３６】
図１，図２を参照して、本実施の形態に係る光学式測距センサは、発光素子１と、受光素子２と、透光性樹脂部３（３Ａ，３Ｂ）と、レンズ４（４Ａ，４Ｂ）と、遮光性樹脂部５と、リードフレーム６と、レンズケース７とを含む。
【００３７】
発光素子１は、たとえば１つの赤外ＬＥＤなどから構成される。発光素子１および受光素子２は、リードフレーム６上に搭載される。発光素子１および受光素子２は、所定の間隔（Ａ）で併置されている。そして、発光素子１および受光素子２は、各々トランスファモールドによりエポキシ系の透光性樹脂３（３Ａ，３Ｂ）で封止されている。さらに、発光素子１および受光素子２は、光を受け入れる窓部１Ａ，２Ａを除き、インジェクション成形により、遮光性樹脂部５で囲まれている。
【００３８】
レンズケース７は、発光側のレンズ４Ａおよび受光側のレンズ４Ｂを保持している。レンズ４Ａ，４Ｂは、可視光カット材よりなるアクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂で形成されている。また、レンズケース７は、ＡＢＳ樹脂またはポリカーボネート樹脂で形成されている。レンズ４およびレンズケース７は、２色成形により一体成形されている。
【００３９】
図３は、受光素子２の上面図である。図３を参照して、受光素子２は、受光部２１と、信号処理回路部２２と、ソフトメモリ部２３と、データメモリ部２４と、フラッシュメモリ部２５と、駆動回路部２６とを含む。
【００４０】
受光部２１は、ｍ行×ｎ列のＣＭＯＳエリアセンサである。受光部２１は、複数の受光セル２１Ａを含む。図３の例では、ｍ＝１４（行）、ｎ＝４（列）である。すなわち、図３の例では、合計５６個の受光セル２１Ａが設けられている。ただし、典型的な他の例では、ｎ＝１（列）であってもよい。この場合、複数の受光セル２１Ａは、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向（図３中の左右方向）に沿って一列に並んで設けられる。
【００４１】
信号処理回路部２２は、後述の手法により被測定物までの距離を演算する『演算部』として機能する。ソフトメモリ部２３は、信号処理回路部２２における演算を行なうためのソフトウエアを格納する部分である。また、データメモリ部２４は、信号処理回路部２２における演算を行なう際、一時的にデータを記憶するために必要な部分である。フラッシュメモリ部２５は、受光部２１における所定の位置を記憶している。信号処理回路部２２は、後述のとおり、フラッシュメモリ部２５に記憶された『所定の位置』と受光部２１で受光された光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、被測定物までの距離を演算するものである。
【００４２】
なお、受光セル２１Ａの幅は適宜変更されるものであるが、本実施の形態の典型的な１つの例では、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向（図３中の左右方向）に沿った受光セル２１Ａの幅は、５μｍ以下程度である。また、本実施の形態の典型的な１つの例では、レンズ４Ａ，４Ｂの中心間距離は１０ｍｍ以下程度であり、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向（図３中の左右方向）に沿った受光部２１の幅は５ｍｍ以下程度である。
【００４３】
さらに、本実施の形態の典型的な１つの例では、レンズ４Ａ，４Ｂの中心間距離は２ｍｍ以下程度であり、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向（図３中の左右方向）に沿った受光部２１の幅は１．５ｍｍ以下程度である。
【００４４】
三角測量方式により物体までの距離（ｄ）を検出する光学式測距センサにおいて、物体までの距離（ｄ）と出力とは、反比例の関係にあり、物体までの距離が短いところでは、距離変動による出力変化が大きく、物体までの距離が長いところでは、距離変動による出力変化が小さい傾向にある。したがって、物体までの距離（ｄ）が長いところでは、距離変化に対し、受光部２１上の光スポット移動量が小さい。これは、発光側のレンズ４Ａの中心と受光側のレンズ４Ｂの中心との間の距離（Ａ）や、受光側のレンズ４Ｂと受光部との間の距離、つまり、受光側のレンズ４Ｂの焦点距離（ｆ）によっても変化する。すなわち、レンズ中心間距離（Ａ）および受光側の焦点距離（ｆ）を大きくすることにより、被測定物までの距離の変化に応じた光スポットの移動量を大きくすることができる。しかしながら、そのようにすることで、光学式測距センサのサイズが大きくなる。
【００４５】
たとえば、光学式測距センサをパーソナルコンピュータの人体検出（人がパーソナルコンピュータの前に居るかどうかを検出し、居なければモニタを消すなどの制御を行ない、省エネを実現する。）や携帯電話のカメラオートフォーカス用途として搭載するためのサイズとしては、発光側のレンズ４Ａの中心と受光側のレンズ４Ｂの中心間の距離（Ａ）は、ほぼ１０ｍｍ以下程度であることが好ましく、レンズ焦点距離ｆは略５ｍｍ以下であることが好ましい。この場合、測距範囲を１ｃｍ〜２００ｃｍ程度とすると、受光部２１上の光スポット移動量は、１０×５×（1／１０−１／２０００）＝４．９７５ｍｍである。本実施の形態において、受光部２１の幅（複数の受光セル２１Ａよりなる受光部２１の幅）は、発光素子１の中心と受光部２１の中心とを結ぶ直線方向において、略５ｍｍであるが、測距範囲が狭くなれば、光スポットの移動量も小さくなるため、５ｍｍよりも小さくてもよい。このとき、たとえば、遠距離側の２００ｃｍ付近で、１０ｃｍ程度の差を検知しようとする（これ以下の差を検知する必要性は実使用上低い。）と、受光部２１上の光スポット移動量は、１０×５×（１／１９００−１/２０００）＝１．３μｍ程度となる。ＣＭＯＳエリアセンサは、１つのセル内のどの程度の領域に光が照射されているかをある程度の精度（２０％程度）で検出可能である。すなわち、受光セル２１Ａの幅が、５μｍ以下程度であれば、１．３μｍ程度の光スポット移動量は検知可能である。したがって、受光部２１における受光セル２１Ａの幅は、発光素子１の中心と受光部２１の中心とを結ぶ直線方向において、略５μｍ以下程度であることが好ましい。このようにすることで、測距範囲として１〜２００ｃｍの広範囲（最大値／最小値＝２００）を確保しながら、従来よりも小型で精度のよい測距センサを実現できる。
【００４６】
また、測距範囲が従来と同等（たとえば１０〜８０ｃｍ、すなわち、最大値／最小値＝８）の場合は、上記の例と同等の精度を確保しても、発光側レンズ４Ａの中心と受光側レンズ４Ｂの中心との中心間距離（Ａ）は略５ｍｍ、レンズ焦点距離（ｆ）は略２．５ｍｍと、大幅に小型化が可能となる。この場合、受光部２１上の光スポット移動量は、５×２．５×（１／１００−１／８００）＝０．１１ｍｍとなり、受光部２１の幅（複数の受光セル２１Ａよりなる受光部２１の幅）も、大幅に小さくできる。
【００４７】
さらに、測距範囲が１〜３０ｍｍ程度の近接領域では、遠距離側である３０ｍｍ付近で、１ｍｍ程度の距離変動を検出可能な最小サイズ、すなわち、３０ｍｍｍ付近で受光部２１上の光スポット移動量が略１μｍ程度得られる最小サイズは、発光側レンズ４Ａの中心と受光側レンズ４Ｂの中心との中心間距離（Ａ）が略２ｍｍ、レンズ焦点距離（ｆ）が略０．５ｍｍである。この場合、受光部２１上の光スポット移動量は、２×０．５×（１／１−１／３０）＝０．９７ｍｍであり、受光部２１の幅（複数の受光セル２１Ａよりなる受光部２１の幅）は、発光素子１の中心と受光部２１の中心とを結ぶ直線方向において、略１．５ｍｍあればよい。したがって、かなり小型の近接センサが実現可能である。
【００４８】
上記のように、受光部２１の幅を小さくすることにより、ＣＭＯＳイメージセンサおよび他回路部を含む受光素子２のサイズが小さくなり、パッケージを小さくすることもできるので、安価な近接センサが実現可能となる。このような近接センサは、メカスイッチの代替や、たとえば携帯電話で会話中かどうか（携帯電話が耳の近くにあるかどうか）を検出し、その検出結果に基づいてモニタを消灯して省エネを図ったり、他の機能を制御することに使用可能である。
【００４９】
なお、測距範囲が５００〜５０００ｍｍ程度の領域では、５０００ｍｍ付近で１００ｍｍ程度の距離変動を検出可能な最小サイズ、すなわち、５０００ｍｍ付近で受光部２１上の光スポット移動量が略１μｍ程度得られる最小サイズは、発光側レンズ４Ａの中心と受光側レンズ４Ｂの中心との中心間距離（Ａ）が略２５ｍｍ、レンズ焦点距離（ｆ）が略１０ｍｍである。この場合、受光部２１上の光スポット移動量は、２５×１０×（１／５００−１／５０００）＝０．４５ｍｍであり、受光部２１の幅（複数の受光セル２１Ａよりなる受光部２１の幅）は、発光素子１の中心と受光部２１の中心とを結ぶ直線方向において、略１ｍｍあればよい。したがって、かなり小型の遠距離センサが実現可能である。このような遠距離センサは、道路や廊下、玄関などにいる人を検知するような防犯用途（防犯カメラと連動して使用する。カメラは人体を撮影できるが、人体までの距離は計測できないため。）や、たとえばプロジェクタでスクリーンまでの距離を計測し、フォーカスを自動で合わせる機能（特に、ポータブルタイプのプロジェクタは、使う度にスクリーンまでの距離が変わるのでこの機能が有効である。）などに適用可能である。
【００５０】
受光部２１から出力される信号の処理方法は、個々の測距センサについて予め受光素子２を構成するチップ内のフラッシュメモリ部２５に記憶させている所定の距離に対応した受光部２１上の光スポット位置と、計測したい距離に被測定物を置いて、発光側より投光された光をその物体で反射させ、受光側のレンズ４Ｂを通して受光部２１へ集光した結果得られる各受光セル２１Ａの光量分布に基づいて求められた光スポット位置との相対的な位置関係に応じた出力を行なう、というものである。このように、フラッシュメモリ部２５に記憶させている所定の距離に対応した受光部２１上の光スポット位置を利用したキャリブレーションを行なうことにより、精度の良い測距が可能になる。
【００５１】
次に、図４〜図６を用いて、光スポット位置を求める方法について説明する。図４に示すように、典型的な１つの例では、光量のピーク値に対応する位置を受光部における光スポット位置（集光位置）として検出する。しかし、図５に示すように、光量による重み付けを行なって求めた光量分布の重心（光量重心）に対応する位置をスポット位置とする場合もあり、図６に示すように、光の分布領域の幾何学的重心に対応する位置をスポット位置とする場合もある。
【００５２】
光量のピーク値に対応する位置をスポット位置とする方法は、図４に示すように、光量分布がピークを中心になだらかに減少するような分布の場合に有効である。しかし、図５，図６に示すように、光量が大きい部分が数箇所に点在する分布の場合には、単純にピーク位置によりスポット位置を検出すると、検出したピーク値より僅かに小さい部分の位置が無視されることになり、正確なスポット位置を求めることができない。このような場合には、光量分布の重心となる位置を求める方法や、その分布領域の重心となる位置（面積重心）を求める方法を採用することが好ましい。
【００５３】
また、上記３つの方法のうち、少なくとも２通りの処理結果に基づいて、スポット位置を再計算して求めることで、光スポット位置を再現性よく正確に求める事ができる。
【００５４】
次に、図７を用いて、発光素子１の構造のバリエーションについて説明する。図７（ａ）に示すように、１つの実施態様では、発光素子１として発光ダイオード１１が用いられる。この場合、あらゆる方向に光が射出されるため、この光をできるだけ有効利用するために、レンズ４Ａをある程度大きくせざるを得ない。これに対し、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、共振器型発光ダイオード(RCLED：resonant cavity LED)１２および面発光レーザ(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)１３を採用することで、光の放射角が小さく、その出射方向を限定することができるので、レンズ４Ａの径と焦点距離を小さくすることが可能である。このことは、測距センサの小型化に有効である。
【００５５】
なお、共振器型発光ダイオード１２と面発光レーザ１３とを比較すると、面発光レーザ１３の方が光の放射角が小さく、小型化の効果は大きいが、共振器型発光ダイオード１２の方がコストが低いという利点がある。また、面発光レーザ１３はチップ上面より光が出射されるので、本実施の形態のように、発光素子１をリードフレーム６上に搭載する構造においては、搭載性に優れている（普通の半導体レーザは、チップ側面から発光するので、リードフレーム上に搭載できない）。さらに、共振器型発光ダイオード１２または面発光レーザ１３を採用した場合、発光ダイオード１１に比べて有効利用できる光が格段に多く、発光させるために必要な電流が小さく消費電流も小さくできる利点がある（この点については、共振器型発光ダイオード１２よりも面発光レーザ１３の方が効果は大きい）。また、共振器型発光ダイオード１２および面発光レーザ１３の発光点の大きさは、発光ダイオード１１のそれに比べて小さいので、発光側のレンズ４Ａで平行光を作りやすく（発光ダイオード１１の場合は平行光にはならず、ある程度のビーム広がりが生じる）、距離計測の精度が向上する（この点についても、共振器型発光ダイオード１２よりも面発光レーザ１３の方が効果は大きい）。
【００５６】
図８は、本実施の形態に係る光学式測距センサの変形例の断面図である。図８に示すように、本変形例においては、受光側のレンズ４Ｂにフレネルレンズを用いている。
【００５７】
受光側のレンズ４Ｂについては、被測定物で反射した光をできるだけ多く受光部２１へ取り込む必要があるため、レンズ径を大きくしたいという要請があるが、通常のレンズでは、レンズ径を大きくすることにより、レンズ焦点距離が大きくなり、測距センサが大型化しやすくなる。これに対し、フレネルレンズを用いた場合は、レンズ径を大きく保ったままレンズ焦点距離を小さくすることができる。さらに、図９に示すように、レンズ４Ｂの厚みを薄くできる。この結果、測距センサの小型化を図ることができる。特に、測距センサの高さを小さくできる。
【００５８】
図１０は、本実施の形態に係る光学式測距センサの他の変形例の断面図である。図１０を参照して、本変形例に係る測距センサは、発光素子１から被測定物に達する光経路上に回折格子８（図１１参照）を設けたことを特徴とする。回折格子８は、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向に垂直に交差する方向（図１０における紙面の前後方向）に発光素子１からの光を分割するものである。すなわち、本変形例に係る測距センサは、発光ビームが分割されたマルチビームの光学式測距センサである。なお、分割された各ビームの光強度は、互いに同じである。
【００５９】
図１２は、図１０に示す光学式測距センサの使用状態を説明するための斜視図である。図１２を参照して、検知範囲内に被測定物Ａ，Ｂがある場合、被測定物Ａ，Ｂの各々で反射した光の一部が、受光側のレンズ４Ｂを通してＣＭＯＳエリアセンサの受光部２１に集光される。この集光位置（スポット位置）は、センサから非測定物までの距離により、図中Ｘ軸方向に変動（距離が遠いほどスポット位置はＸ軸の負の方向に寄る）し、センサから非測定物に向かう方向により、図中Ｙ軸方向に変動する。したがって、受光部２１上のどの位置にスポット位置があるかにより、被測定物の位置を検出できる。図１２のように、被測定物が複数個存在する場合、それぞれの位置を検出可能である。
【００６０】
なお、本光学式測距センサに利用する光の波長としては、赤外線を適用することで、外乱光の影響を低減できる。たとえば、発光素子１の発光波長として赤外領域のものを適用し、ＣＭＯＳエリアセンサの受光波長も赤外にピーク感度を有するものとし、受光側のレンズ４Ｂと発光側のレンズ４Ａとして可視光をカットする光学特性を有するものを適用することで、屋内の蛍光灯程度の光であれば、影響を受けることなく測定を行なうことが可能となる。しかし、白熱灯や太陽光のように赤外光が含まれる光の環境下で使用する場合は、さらに工夫が必要となる。この工夫としては、たとえば、所定のタイミングで発光素子１を駆動する駆動回路部２６により、所定に期間内で所定の回数だけ発光素子１をパルス発光させその発光タイミングに同期して受光素子２側の信号を有効信号として抽出し、パルス発光回数分の平均値として出力する機能をもたせることが考えられる。
【００６１】
本実施の形態に係る光学式測距センサによれば、被測定物で反射した光が集光される受光部２１が複数のセルを有することにより、レンズ間距離（Ａ）および受光部２１と受光側のレンズ４Ｂとの焦点距離を過度に大きくすることなく、精度の高い計測を行なうことができる。したがって、小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサを得ることができる。
【００６２】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る光学式測距センサは、三角測量方式により被測定物までの距離を検出する光学式測距センサであって、発光素子１と、発光素子１と同一平面上に設けられた受光素子２と、発光素子１と受光素子２とを各々封止する『第１および第２の透光性樹脂部』としての透光性樹脂部３（３Ａ，３Ｂ）と、発光素子１および受光素子２の前方に各々設けられた『第１および第２のレンズ』としてのレンズ４（４Ａ，４Ｂ）と、発光素子１および受光素子２間に所定の間隔（Ａ）が形成されるように発光素子１および受光素子２を保持する遮光性樹脂部５とを備える。受光素子２は、複数のセル２１Ａを有し、発光素子１から放射され被測定物で反射した光が集光される受光部２１と、受光部２１における所定の位置を記憶する『メモリ部』としてのフラッシュメモリ部２５と、複数のセル２１Ａによる上記光の検出結果に基づいて、受光部２１における上記光の集光位置を検出するとともに、フラッシュメモリ部２５に記憶された所定の位置と受光部２１における上記光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、被測定物までの距離を計測する『演算部』としての信号処理回路部２２とを含む。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係る光学式測距センサの上面図である。
【図２】図１におけるII−II断面図である。
【図３】図１，図２に示す光学式測距センサにおける受光素子の上面図である。
【図４】受光部上の集光状態を説明する図（その１）である。
【図５】受光部上の集光状態を説明する図（その２）である。
【図６】受光部上の集光状態を説明する図（その３）である。
【図７】発光素子の構造のバリエーションを説明する図である。
【図８】本発明の１つの実施の形態に係る光学式測距センサの変形例の断面図である。
【図９】フレネルレンズを示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図１０】本発明の１つの実施の形態に係る光学式測距センサの他の変形例の断面図である。
【図１１】図１０に示す光学式測距センサに含まれる回折格子の上面図である。
【図１２】図１０に示す光学式測距センサの使用状態を説明するための斜視図である。
【図１３】従来の光学式測距センサを示す断面図である。
【図１４】三角測量方式の原理を説明するための図（その１）である。
【図１５】三角測量方式の原理を説明するための図（その２）である。
【符号の説明】
【００６５】
１，１００ 発光素子、２，２００ 受光素子、１Ａ，２Ａ 窓部、３，３Ａ，３Ｂ，３００，３００Ａ，３００Ｂ 透光性樹脂部、４，４Ａ，４Ｂ，４００，４００Ａ，４００Ｂ レンズ、５，５００ 遮光性樹脂部、６，６００ リードフレーム、７，７００ レンズケース、８ 回折格子、１１ 発光ダイオード、１２ 共振器型発光ダイオード、１３ 面発光レーザ、２１ 受光部、２１Ａ 受光セル、２２ 信号処理回路部、２３ ソフトメモリ部、２４ データメモリ部、２５ フラッシュメモリ部、２６ 駆動回路部、２００Ａ 集積回路部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式測距センサおよび電子機器に関し、特に、所定の範囲に位置する被測定物までの距離を測定するための光学式測距センサおよび該センサを含む電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
三角測量方式により所定の範囲に位置する被測定物までの距離を測定するための光学式測距センサが、従来から知られている。図１３は、従来の光学式測距センサを示す断面図である。
【０００３】
図１３を参照して、従来の光学式測距センサは、発光素子１００と、受光素子２００と、発光素子１００の駆動および受光素子２００から出力される信号の処理を行なう集積回路部２００Ａと、発光素子１００および受光素子２００を各々封止する透光性樹脂部３００（３００Ａ，３００Ｂ）と、発光側および受光側のレンズ４００（４００Ａ，４００Ｂ）と、発光素子１００、受光素子２００および透光性樹脂部３００を保持する遮光性樹脂部５００と、リードフレーム６００と、レンズケース７００とを含む。
【０００４】
図１３に示す測距センサでは、受光素子２において、１つの受光部（PSD：Position Sensitive Detector）だけが設けられている。その受光部の抵抗値は、受光部内で均一かつ一定なものである。そして、受光素子２の２つの端子より得られる信号（電流値）を各々Ｉ1，Ｉ2とすると、Ｉ1／(Ｉ1＋Ｉ2)により、距離に対応する出力値を得て、距離計測を行なう。
【０００５】
上記のような光学式測距センサは、たとえば、特開平９−３１８３１５号公報（特許文献１）および特開２００３−２８７４２０号公報（特許文献２）に記載されている。
【０００６】
また、特開２００２−１９５８０７号公報（特許文献３）には、位置検出素子としてＣＭＯＳイメージセンサを利用したものが記載されている。
【特許文献１】特開平９−３１８３１５号公報
【特許文献２】特開２００３−２８７４２０号公報
【特許文献３】特開２００２−１９５８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１３に示す従来の光学式測距センサでは、受光側の素子として使用する位置検出受光素子（PSD）の受光部が１つだけであり、その受光部の抵抗値は受光部内で均一かつ一定なものであったため、物体までの距離が短いところでは精度よく距離を計測できるが、物体までの距離が長いところでは距離計測の精度が悪いという問題があった。この原因について図１４，図１５を用いて説明する。
【０００８】
図１４を参照して、三角測量方式により物体までの距離（ｄ）を検出する光学式測距センサにおいて、物体までの距離（ｄ）と受光部における出力（Ｘ）とは、図１５に示すような反比例の関係にあり、物体までの距離が短いところでは距離変動による出力変化が大きく、物体までの距離が長いところでは距離変動による出力変化が小さい。したがって物体までの距離（ｄ）が長いところでは、その距離（ｄ）が所定量変動しても、受光部における出力（Ｘ）はあまり変動しないことになる。
【０００９】
これに対し、発光側のレンズ中心と受光側のレンズ中心との中心間距離（Ａ）や受光側のレンズと受光素子との間の距離、すなわち受光側のレンズの焦点距離（ｆ）を大きくすることにより、精度を上げることができる。しかしながら、上記Ａ，ｆを大きくすることにより、光学式測距センサのサイズが大きくなってしまう。
【００１０】
また、従来の測距センサでは、物体までの距離（ｄ）が長いところでは距離計測の精度が悪くなるので、実用上の距離計測範囲は計測可能な最大距離と最小距離の比が８程度までのものしか存在しなかった。
【００１１】
なお、特許文献３には、位置検出素子としてＣＭＯＳイメージセンサを適用したものが示されているが、当該文献では、発光素子と受光素子とが同一平面状になく、パッケージも各素子毎に別々に形成しており、さらに、ＣＭＯＳイメージセンサより取り出した信号処理部や、発光素子の駆動回路部はＣＭＯＳイメージセンサチップの外部にある。この結果、特許文献３では、測距センサのサイズが大きくなってしまうという問題があり、さらに、生産工程も多く、各工程での作業も精度を求めると複雑になり、製造コストが高いという問題もあった。
【００１２】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサおよび該センサを含む電子機器を安価で提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る光学式測距センサは、三角測量方式により被測定物までの距離を検出する光学式測距センサである。当該センサは、発光素子と、発光素子と同一平面上に設けられた受光素子と、発光素子と受光素子とを各々封止する第１および第２の透光性樹脂部と、発光素子および受光素子の前方に各々設けられた第１および第２のレンズと、発光素子および受光素子間に所定の間隔が形成されるように発光素子および受光素子を保持する遮光性樹脂部とを備える。受光素子は、複数のセルを有し、発光素子から放射され被測定物で反射した光が集光される受光部と、受光部における所定の位置を記憶するメモリ部と、複数のセルによる上記光の検出結果に基づいて、受光部における上記光の集光位置を検出するとともに、メモリ部に記憶された所定の位置と受光部における上記光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、被測定物までの距離を計測する演算部とを含む。
【００１４】
上記構成によれば、被測定物で反射した光が集光される受光部が複数のセルを有することにより、レンズ間距離（Ａ）および受光部と受光側レンズとの焦点距離（ｆ）を過度に大きくすることなく、精度の高い計測を行なうことができる。したがって、小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサを安価で得ることができる。
【００１５】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、複数のセルは、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に一列に並んで設けられている。
【００１６】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に沿った複数のセルの幅は５μｍ以下である。
【００１７】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、第１および第２のレンズの中心間距離は１０ｍｍ以下であり、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に沿った受光部の幅は５ｍｍ以下である。
【００１８】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、第１および第２のレンズの中心間距離は２ｍｍ以下であり、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に沿った受光部の幅は１．５ｍｍ以下である。
【００１９】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光位置検出部は、受光部における光量分布に基づいて、光量のピーク値に対応する位置を受光部における上記光の集光位置として検出する。
【００２０】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光位置検出部は、受光部における光量分布に基づいて、光量重心に対応する位置を受光部における上記光の集光位置として検出する。
【００２１】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光位置検出部は、受光部における光量分布に基づいて、分布領域の幾何学的重心に対応する位置を受光部における上記光の集光位置として検出する。
【００２２】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光位置検出部は、受光部における光量分布に基づいて、光量のピーク値に対応する位置、光量重心に対応する位置、および分布領域の幾何学的重心に対応する位置のうち少なくとも２つの位置を検出し、その検出結果の組合わせに基づいて受光部における上記光の集光位置を算出する。
【００２３】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、メモリ部に記憶された受光部における所定の位置は、発光素子より投光され、光学式測距センサから所定の距離だけ離れた物体で反射した後、受光部へ集光された光の光量分布に基づいて求められた、光量のピーク値に対応する位置、光量重心に対応する位置、分布領域の幾何学的重心に対応する位置、またはこれらの組合わせに基づいて算出された位置である。
【００２４】
なお、本願明細書において、『光量重心』とは、受光部に集光された光の光量によって重み付けして求めた集光領域の中心を意味する。
【００２５】
また、本願明細書において、『分布領域の幾何学的重心』とは、受光部に集光された光が分布する領域の幾何学的な重心を意味する。
【００２６】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、受光素子の前方に設けられた第２のレンズはフレネルレンズである。
【００２７】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子は、共振器型発光ダイオードである。
【００２８】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子は、面発光レーザである。
【００２９】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子から被測定物に達する光経路上に設けられ、発光素子と受光素子とが並ぶ方向に垂直に交差する方向に発光素子からの光を分割する回折格子をさらに備える。
【００３０】
１つの実施態様では、上記光学式測距センサにおいて、発光素子および受光素子は、同一のリードフレーム上に搭載される。
【００３１】
本発明に係る電子機器は、上述した光学式測距センサを備える。１つの実施態様では、上記電子機器は、パーソナルコンピュータまたは携帯電話である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサおよび該センサを含む電子機器を安価で得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００３４】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００３５】
図１は、本発明の１つの実施の形態に係る光学式測距センサの上面図であり、図２は、図１におけるII−II断面図である。
【００３６】
図１，図２を参照して、本実施の形態に係る光学式測距センサは、発光素子１と、受光素子２と、透光性樹脂部３（３Ａ，３Ｂ）と、レンズ４（４Ａ，４Ｂ）と、遮光性樹脂部５と、リードフレーム６と、レンズケース７とを含む。
【００３７】
発光素子１は、たとえば１つの赤外ＬＥＤなどから構成される。発光素子１および受光素子２は、リードフレーム６上に搭載される。発光素子１および受光素子２は、所定の間隔（Ａ）で併置されている。そして、発光素子１および受光素子２は、各々トランスファモールドによりエポキシ系の透光性樹脂３（３Ａ，３Ｂ）で封止されている。さらに、発光素子１および受光素子２は、光を受け入れる窓部１Ａ，２Ａを除き、インジェクション成形により、遮光性樹脂部５で囲まれている。
【００３８】
レンズケース７は、発光側のレンズ４Ａおよび受光側のレンズ４Ｂを保持している。レンズ４Ａ，４Ｂは、可視光カット材よりなるアクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂で形成されている。また、レンズケース７は、ＡＢＳ樹脂またはポリカーボネート樹脂で形成されている。レンズ４およびレンズケース７は、２色成形により一体成形されている。
【００３９】
図３は、受光素子２の上面図である。図３を参照して、受光素子２は、受光部２１と、信号処理回路部２２と、ソフトメモリ部２３と、データメモリ部２４と、フラッシュメモリ部２５と、駆動回路部２６とを含む。
【００４０】
受光部２１は、ｍ行×ｎ列のＣＭＯＳエリアセンサである。受光部２１は、複数の受光セル２１Ａを含む。図３の例では、ｍ＝１４（行）、ｎ＝４（列）である。すなわち、図３の例では、合計５６個の受光セル２１Ａが設けられている。ただし、典型的な他の例では、ｎ＝１（列）であってもよい。この場合、複数の受光セル２１Ａは、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向（図３中の左右方向）に沿って一列に並んで設けられる。
【００４１】
信号処理回路部２２は、後述の手法により被測定物までの距離を演算する『演算部』として機能する。ソフトメモリ部２３は、信号処理回路部２２における演算を行なうためのソフトウエアを格納する部分である。また、データメモリ部２４は、信号処理回路部２２における演算を行なう際、一時的にデータを記憶するために必要な部分である。フラッシュメモリ部２５は、受光部２１における所定の位置を記憶している。信号処理回路部２２は、後述のとおり、フラッシュメモリ部２５に記憶された『所定の位置』と受光部２１で受光された光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、被測定物までの距離を演算するものである。
【００４２】
なお、受光セル２１Ａの幅は適宜変更されるものであるが、本実施の形態の典型的な１つの例では、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向（図３中の左右方向）に沿った受光セル２１Ａの幅は、５μｍ以下程度である。また、本実施の形態の典型的な１つの例では、レンズ４Ａ，４Ｂの中心間距離は１０ｍｍ以下程度であり、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向（図３中の左右方向）に沿った受光部２１の幅は５ｍｍ以下程度である。
【００４３】
さらに、本実施の形態の典型的な１つの例では、レンズ４Ａ，４Ｂの中心間距離は２ｍｍ以下程度であり、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向（図３中の左右方向）に沿った受光部２１の幅は１．５ｍｍ以下程度である。
【００４４】
三角測量方式により物体までの距離（ｄ）を検出する光学式測距センサにおいて、物体までの距離（ｄ）と出力とは、反比例の関係にあり、物体までの距離が短いところでは、距離変動による出力変化が大きく、物体までの距離が長いところでは、距離変動による出力変化が小さい傾向にある。したがって、物体までの距離（ｄ）が長いところでは、距離変化に対し、受光部２１上の光スポット移動量が小さい。これは、発光側のレンズ４Ａの中心と受光側のレンズ４Ｂの中心との間の距離（Ａ）や、受光側のレンズ４Ｂと受光部との間の距離、つまり、受光側のレンズ４Ｂの焦点距離（ｆ）によっても変化する。すなわち、レンズ中心間距離（Ａ）および受光側の焦点距離（ｆ）を大きくすることにより、被測定物までの距離の変化に応じた光スポットの移動量を大きくすることができる。しかしながら、そのようにすることで、光学式測距センサのサイズが大きくなる。
【００４５】
たとえば、光学式測距センサをパーソナルコンピュータの人体検出（人がパーソナルコンピュータの前に居るかどうかを検出し、居なければモニタを消すなどの制御を行ない、省エネを実現する。）や携帯電話のカメラオートフォーカス用途として搭載するためのサイズとしては、発光側のレンズ４Ａの中心と受光側のレンズ４Ｂの中心間の距離（Ａ）は、ほぼ１０ｍｍ以下程度であることが好ましく、レンズ焦点距離ｆは略５ｍｍ以下であることが好ましい。この場合、測距範囲を１ｃｍ〜２００ｃｍ程度とすると、受光部２１上の光スポット移動量は、１０×５×（1／１０−１／２０００）＝４．９７５ｍｍである。本実施の形態において、受光部２１の幅（複数の受光セル２１Ａよりなる受光部２１の幅）は、発光素子１の中心と受光部２１の中心とを結ぶ直線方向において、略５ｍｍであるが、測距範囲が狭くなれば、光スポットの移動量も小さくなるため、５ｍｍよりも小さくてもよい。このとき、たとえば、遠距離側の２００ｃｍ付近で、１０ｃｍ程度の差を検知しようとする（これ以下の差を検知する必要性は実使用上低い。）と、受光部２１上の光スポット移動量は、１０×５×（１／１９００−１/２０００）＝１．３μｍ程度となる。ＣＭＯＳエリアセンサは、１つのセル内のどの程度の領域に光が照射されているかをある程度の精度（２０％程度）で検出可能である。すなわち、受光セル２１Ａの幅が、５μｍ以下程度であれば、１．３μｍ程度の光スポット移動量は検知可能である。したがって、受光部２１における受光セル２１Ａの幅は、発光素子１の中心と受光部２１の中心とを結ぶ直線方向において、略５μｍ以下程度であることが好ましい。このようにすることで、測距範囲として１〜２００ｃｍの広範囲（最大値／最小値＝２００）を確保しながら、従来よりも小型で精度のよい測距センサを実現できる。
【００４６】
また、測距範囲が従来と同等（たとえば１０〜８０ｃｍ、すなわち、最大値／最小値＝８）の場合は、上記の例と同等の精度を確保しても、発光側レンズ４Ａの中心と受光側レンズ４Ｂの中心との中心間距離（Ａ）は略５ｍｍ、レンズ焦点距離（ｆ）は略２．５ｍｍと、大幅に小型化が可能となる。この場合、受光部２１上の光スポット移動量は、５×２．５×（１／１００−１／８００）＝０．１１ｍｍとなり、受光部２１の幅（複数の受光セル２１Ａよりなる受光部２１の幅）も、大幅に小さくできる。
【００４７】
さらに、測距範囲が１〜３０ｍｍ程度の近接領域では、遠距離側である３０ｍｍ付近で、１ｍｍ程度の距離変動を検出可能な最小サイズ、すなわち、３０ｍｍｍ付近で受光部２１上の光スポット移動量が略１μｍ程度得られる最小サイズは、発光側レンズ４Ａの中心と受光側レンズ４Ｂの中心との中心間距離（Ａ）が略２ｍｍ、レンズ焦点距離（ｆ）が略０．５ｍｍである。この場合、受光部２１上の光スポット移動量は、２×０．５×（１／１−１／３０）＝０．９７ｍｍであり、受光部２１の幅（複数の受光セル２１Ａよりなる受光部２１の幅）は、発光素子１の中心と受光部２１の中心とを結ぶ直線方向において、略１．５ｍｍあればよい。したがって、かなり小型の近接センサが実現可能である。
【００４８】
上記のように、受光部２１の幅を小さくすることにより、ＣＭＯＳイメージセンサおよび他回路部を含む受光素子２のサイズが小さくなり、パッケージを小さくすることもできるので、安価な近接センサが実現可能となる。このような近接センサは、メカスイッチの代替や、たとえば携帯電話で会話中かどうか（携帯電話が耳の近くにあるかどうか）を検出し、その検出結果に基づいてモニタを消灯して省エネを図ったり、他の機能を制御することに使用可能である。
【００４９】
なお、測距範囲が５００〜５０００ｍｍ程度の領域では、５０００ｍｍ付近で１００ｍｍ程度の距離変動を検出可能な最小サイズ、すなわち、５０００ｍｍ付近で受光部２１上の光スポット移動量が略１μｍ程度得られる最小サイズは、発光側レンズ４Ａの中心と受光側レンズ４Ｂの中心との中心間距離（Ａ）が略２５ｍｍ、レンズ焦点距離（ｆ）が略１０ｍｍである。この場合、受光部２１上の光スポット移動量は、２５×１０×（１／５００−１／５０００）＝０．４５ｍｍであり、受光部２１の幅（複数の受光セル２１Ａよりなる受光部２１の幅）は、発光素子１の中心と受光部２１の中心とを結ぶ直線方向において、略１ｍｍあればよい。したがって、かなり小型の遠距離センサが実現可能である。このような遠距離センサは、道路や廊下、玄関などにいる人を検知するような防犯用途（防犯カメラと連動して使用する。カメラは人体を撮影できるが、人体までの距離は計測できないため。）や、たとえばプロジェクタでスクリーンまでの距離を計測し、フォーカスを自動で合わせる機能（特に、ポータブルタイプのプロジェクタは、使う度にスクリーンまでの距離が変わるのでこの機能が有効である。）などに適用可能である。
【００５０】
受光部２１から出力される信号の処理方法は、個々の測距センサについて予め受光素子２を構成するチップ内のフラッシュメモリ部２５に記憶させている所定の距離に対応した受光部２１上の光スポット位置と、計測したい距離に被測定物を置いて、発光側より投光された光をその物体で反射させ、受光側のレンズ４Ｂを通して受光部２１へ集光した結果得られる各受光セル２１Ａの光量分布に基づいて求められた光スポット位置との相対的な位置関係に応じた出力を行なう、というものである。このように、フラッシュメモリ部２５に記憶させている所定の距離に対応した受光部２１上の光スポット位置を利用したキャリブレーションを行なうことにより、精度の良い測距が可能になる。
【００５１】
次に、図４〜図６を用いて、光スポット位置を求める方法について説明する。図４に示すように、典型的な１つの例では、光量のピーク値に対応する位置を受光部における光スポット位置（集光位置）として検出する。しかし、図５に示すように、光量による重み付けを行なって求めた光量分布の重心（光量重心）に対応する位置をスポット位置とする場合もあり、図６に示すように、光の分布領域の幾何学的重心に対応する位置をスポット位置とする場合もある。
【００５２】
光量のピーク値に対応する位置をスポット位置とする方法は、図４に示すように、光量分布がピークを中心になだらかに減少するような分布の場合に有効である。しかし、図５，図６に示すように、光量が大きい部分が数箇所に点在する分布の場合には、単純にピーク位置によりスポット位置を検出すると、検出したピーク値より僅かに小さい部分の位置が無視されることになり、正確なスポット位置を求めることができない。このような場合には、光量分布の重心となる位置を求める方法や、その分布領域の重心となる位置（面積重心）を求める方法を採用することが好ましい。
【００５３】
また、上記３つの方法のうち、少なくとも２通りの処理結果に基づいて、スポット位置を再計算して求めることで、光スポット位置を再現性よく正確に求める事ができる。
【００５４】
次に、図７を用いて、発光素子１の構造のバリエーションについて説明する。図７（ａ）に示すように、１つの実施態様では、発光素子１として発光ダイオード１１が用いられる。この場合、あらゆる方向に光が射出されるため、この光をできるだけ有効利用するために、レンズ４Ａをある程度大きくせざるを得ない。これに対し、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、共振器型発光ダイオード(RCLED：resonant cavity LED)１２および面発光レーザ(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)１３を採用することで、光の放射角が小さく、その出射方向を限定することができるので、レンズ４Ａの径と焦点距離を小さくすることが可能である。このことは、測距センサの小型化に有効である。
【００５５】
なお、共振器型発光ダイオード１２と面発光レーザ１３とを比較すると、面発光レーザ１３の方が光の放射角が小さく、小型化の効果は大きいが、共振器型発光ダイオード１２の方がコストが低いという利点がある。また、面発光レーザ１３はチップ上面より光が出射されるので、本実施の形態のように、発光素子１をリードフレーム６上に搭載する構造においては、搭載性に優れている（普通の半導体レーザは、チップ側面から発光するので、リードフレーム上に搭載できない）。さらに、共振器型発光ダイオード１２または面発光レーザ１３を採用した場合、発光ダイオード１１に比べて有効利用できる光が格段に多く、発光させるために必要な電流が小さく消費電流も小さくできる利点がある（この点については、共振器型発光ダイオード１２よりも面発光レーザ１３の方が効果は大きい）。また、共振器型発光ダイオード１２および面発光レーザ１３の発光点の大きさは、発光ダイオード１１のそれに比べて小さいので、発光側のレンズ４Ａで平行光を作りやすく（発光ダイオード１１の場合は平行光にはならず、ある程度のビーム広がりが生じる）、距離計測の精度が向上する（この点についても、共振器型発光ダイオード１２よりも面発光レーザ１３の方が効果は大きい）。
【００５６】
図８は、本実施の形態に係る光学式測距センサの変形例の断面図である。図８に示すように、本変形例においては、受光側のレンズ４Ｂにフレネルレンズを用いている。
【００５７】
受光側のレンズ４Ｂについては、被測定物で反射した光をできるだけ多く受光部２１へ取り込む必要があるため、レンズ径を大きくしたいという要請があるが、通常のレンズでは、レンズ径を大きくすることにより、レンズ焦点距離が大きくなり、測距センサが大型化しやすくなる。これに対し、フレネルレンズを用いた場合は、レンズ径を大きく保ったままレンズ焦点距離を小さくすることができる。さらに、図９に示すように、レンズ４Ｂの厚みを薄くできる。この結果、測距センサの小型化を図ることができる。特に、測距センサの高さを小さくできる。
【００５８】
図１０は、本実施の形態に係る光学式測距センサの他の変形例の断面図である。図１０を参照して、本変形例に係る測距センサは、発光素子１から被測定物に達する光経路上に回折格子８（図１１参照）を設けたことを特徴とする。回折格子８は、発光素子１と受光素子２とが並ぶ方向に垂直に交差する方向（図１０における紙面の前後方向）に発光素子１からの光を分割するものである。すなわち、本変形例に係る測距センサは、発光ビームが分割されたマルチビームの光学式測距センサである。なお、分割された各ビームの光強度は、互いに同じである。
【００５９】
図１２は、図１０に示す光学式測距センサの使用状態を説明するための斜視図である。図１２を参照して、検知範囲内に被測定物Ａ，Ｂがある場合、被測定物Ａ，Ｂの各々で反射した光の一部が、受光側のレンズ４Ｂを通してＣＭＯＳエリアセンサの受光部２１に集光される。この集光位置（スポット位置）は、センサから非測定物までの距離により、図中Ｘ軸方向に変動（距離が遠いほどスポット位置はＸ軸の負の方向に寄る）し、センサから非測定物に向かう方向により、図中Ｙ軸方向に変動する。したがって、受光部２１上のどの位置にスポット位置があるかにより、被測定物の位置を検出できる。図１２のように、被測定物が複数個存在する場合、それぞれの位置を検出可能である。
【００６０】
なお、本光学式測距センサに利用する光の波長としては、赤外線を適用することで、外乱光の影響を低減できる。たとえば、発光素子１の発光波長として赤外領域のものを適用し、ＣＭＯＳエリアセンサの受光波長も赤外にピーク感度を有するものとし、受光側のレンズ４Ｂと発光側のレンズ４Ａとして可視光をカットする光学特性を有するものを適用することで、屋内の蛍光灯程度の光であれば、影響を受けることなく測定を行なうことが可能となる。しかし、白熱灯や太陽光のように赤外光が含まれる光の環境下で使用する場合は、さらに工夫が必要となる。この工夫としては、たとえば、所定のタイミングで発光素子１を駆動する駆動回路部２６により、所定に期間内で所定の回数だけ発光素子１をパルス発光させその発光タイミングに同期して受光素子２側の信号を有効信号として抽出し、パルス発光回数分の平均値として出力する機能をもたせることが考えられる。
【００６１】
本実施の形態に係る光学式測距センサによれば、被測定物で反射した光が集光される受光部２１が複数のセルを有することにより、レンズ間距離（Ａ）および受光部２１と受光側のレンズ４Ｂとの焦点距離を過度に大きくすることなく、精度の高い計測を行なうことができる。したがって、小型化され、かつ、計測の精度が高い光学式測距センサを得ることができる。
【００６２】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る光学式測距センサは、三角測量方式により被測定物までの距離を検出する光学式測距センサであって、発光素子１と、発光素子１と同一平面上に設けられた受光素子２と、発光素子１と受光素子２とを各々封止する『第１および第２の透光性樹脂部』としての透光性樹脂部３（３Ａ，３Ｂ）と、発光素子１および受光素子２の前方に各々設けられた『第１および第２のレンズ』としてのレンズ４（４Ａ，４Ｂ）と、発光素子１および受光素子２間に所定の間隔（Ａ）が形成されるように発光素子１および受光素子２を保持する遮光性樹脂部５とを備える。受光素子２は、複数のセル２１Ａを有し、発光素子１から放射され被測定物で反射した光が集光される受光部２１と、受光部２１における所定の位置を記憶する『メモリ部』としてのフラッシュメモリ部２５と、複数のセル２１Ａによる上記光の検出結果に基づいて、受光部２１における上記光の集光位置を検出するとともに、フラッシュメモリ部２５に記憶された所定の位置と受光部２１における上記光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、被測定物までの距離を計測する『演算部』としての信号処理回路部２２とを含む。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係る光学式測距センサの上面図である。
【図２】図１におけるII−II断面図である。
【図３】図１，図２に示す光学式測距センサにおける受光素子の上面図である。
【図４】受光部上の集光状態を説明する図（その１）である。
【図５】受光部上の集光状態を説明する図（その２）である。
【図６】受光部上の集光状態を説明する図（その３）である。
【図７】発光素子の構造のバリエーションを説明する図である。
【図８】本発明の１つの実施の形態に係る光学式測距センサの変形例の断面図である。
【図９】フレネルレンズを示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図１０】本発明の１つの実施の形態に係る光学式測距センサの他の変形例の断面図である。
【図１１】図１０に示す光学式測距センサに含まれる回折格子の上面図である。
【図１２】図１０に示す光学式測距センサの使用状態を説明するための斜視図である。
【図１３】従来の光学式測距センサを示す断面図である。
【図１４】三角測量方式の原理を説明するための図（その１）である。
【図１５】三角測量方式の原理を説明するための図（その２）である。
【符号の説明】
【００６５】
１，１００ 発光素子、２，２００ 受光素子、１Ａ，２Ａ 窓部、３，３Ａ，３Ｂ，３００，３００Ａ，３００Ｂ 透光性樹脂部、４，４Ａ，４Ｂ，４００，４００Ａ，４００Ｂ レンズ、５，５００ 遮光性樹脂部、６，６００ リードフレーム、７，７００ レンズケース、８ 回折格子、１１ 発光ダイオード、１２ 共振器型発光ダイオード、１３ 面発光レーザ、２１ 受光部、２１Ａ 受光セル、２２ 信号処理回路部、２３ ソフトメモリ部、２４ データメモリ部、２５ フラッシュメモリ部、２６ 駆動回路部、２００Ａ 集積回路部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角測量方式により被測定物までの距離を検出する光学式測距センサであって、
発光素子と、
前記発光素子と同一平面上に設けられた受光素子と、
前記発光素子と前記受光素子とを各々封止する第１および第２の透光性樹脂部と、
前記発光素子および前記受光素子の前方に各々設けられた第１および第２のレンズと、
前記発光素子および前記受光素子間に所定の間隔が形成されるように前記発光素子および前記受光素子を保持する遮光性樹脂部とを備え、
前記受光素子は、
複数のセルを有し、前記発光素子から放射され前記被測定物で反射した光が集光される受光部と、
前記受光部における所定の位置を記憶するメモリ部と、
前記複数のセルによる前記光の検出結果に基づいて、前記受光部における前記光の集光位置を検出するとともに、前記メモリ部に記憶された前記所定の位置と前記受光部における前記光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、前記被測定物までの距離を計測する演算部とを含む、光学式測距センサ。
【請求項２】
前記複数のセルは、前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に一列に並んで設けられている、請求項１に記載の光学式測距センサ。
【請求項３】
前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に沿った前記複数のセルの幅は５μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の光学式測距センサ。
【請求項４】
前記第１および第２のレンズの中心間距離は１０ｍｍ以下であり、
前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に沿った前記受光部の幅は５ｍｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項５】
前記第１および第２のレンズの中心間距離は２ｍｍ以下であり、
前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に沿った前記受光部の幅は１．５ｍｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項６】
前記受光位置検出部は、前記受光部における光量分布に基づいて、光量のピーク値に対応する位置を前記受光部における前記光の集光位置として検出する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項７】
前記受光位置検出部は、前記受光部における光量分布に基づいて、光量重心に対応する位置を前記受光部における前記光の集光位置として検出する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項８】
前記受光位置検出部は、前記受光部における光量分布に基づいて、分布領域の幾何学的重心に対応する位置を前記受光部における前記光の集光位置として検出する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項９】
前記受光位置検出部は、前記受光部における光量分布に基づいて、光量のピーク値に対応する位置、光量重心に対応する位置、および分布領域の幾何学的重心に対応する位置のうち少なくとも２つの位置を検出し、その検出結果の組合わせに基づいて前記受光部における前記光の集光位置を算出する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１０】
前記メモリ部に記憶された前記受光部における所定の位置は、前記発光素子より投光され、前記光学式測距センサから所定の距離だけ離れた物体で反射した後、前記受光部へ集光された光の光量分布に基づいて求められた、光量のピーク値に対応する位置、光量重心に対応する位置、分布領域の幾何学的重心に対応する位置、またはこれらの組合わせに基づいて算出された位置である、請求項６から請求項９のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１１】
前記受光素子の前方に設けられた第２のレンズはフレネルレンズである、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１２】
前記発光素子は、共振器型発光ダイオードである、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１３】
前記発光素子は、面発光レーザである、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１４】
前記発光素子から前記被測定物に達する光経路上に設けられ、前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に垂直に交差する方向に前記発光素子からの光を分割する回折格子をさらに備えた、請求項１３に記載の光学式測距センサ。
【請求項１５】
前記発光素子および前記受光素子は、同一のリードフレーム上に搭載される、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれかに記載の光学式測距センサを備えた、電子機器。
【請求項１】
三角測量方式により被測定物までの距離を検出する光学式測距センサであって、
発光素子と、
前記発光素子と同一平面上に設けられた受光素子と、
前記発光素子と前記受光素子とを各々封止する第１および第２の透光性樹脂部と、
前記発光素子および前記受光素子の前方に各々設けられた第１および第２のレンズと、
前記発光素子および前記受光素子間に所定の間隔が形成されるように前記発光素子および前記受光素子を保持する遮光性樹脂部とを備え、
前記受光素子は、
複数のセルを有し、前記発光素子から放射され前記被測定物で反射した光が集光される受光部と、
前記受光部における所定の位置を記憶するメモリ部と、
前記複数のセルによる前記光の検出結果に基づいて、前記受光部における前記光の集光位置を検出するとともに、前記メモリ部に記憶された前記所定の位置と前記受光部における前記光の集光位置との相対的な位置関係に基づいて、前記被測定物までの距離を計測する演算部とを含む、光学式測距センサ。
【請求項２】
前記複数のセルは、前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に一列に並んで設けられている、請求項１に記載の光学式測距センサ。
【請求項３】
前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に沿った前記複数のセルの幅は５μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の光学式測距センサ。
【請求項４】
前記第１および第２のレンズの中心間距離は１０ｍｍ以下であり、
前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に沿った前記受光部の幅は５ｍｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項５】
前記第１および第２のレンズの中心間距離は２ｍｍ以下であり、
前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に沿った前記受光部の幅は１．５ｍｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項６】
前記受光位置検出部は、前記受光部における光量分布に基づいて、光量のピーク値に対応する位置を前記受光部における前記光の集光位置として検出する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項７】
前記受光位置検出部は、前記受光部における光量分布に基づいて、光量重心に対応する位置を前記受光部における前記光の集光位置として検出する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項８】
前記受光位置検出部は、前記受光部における光量分布に基づいて、分布領域の幾何学的重心に対応する位置を前記受光部における前記光の集光位置として検出する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項９】
前記受光位置検出部は、前記受光部における光量分布に基づいて、光量のピーク値に対応する位置、光量重心に対応する位置、および分布領域の幾何学的重心に対応する位置のうち少なくとも２つの位置を検出し、その検出結果の組合わせに基づいて前記受光部における前記光の集光位置を算出する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１０】
前記メモリ部に記憶された前記受光部における所定の位置は、前記発光素子より投光され、前記光学式測距センサから所定の距離だけ離れた物体で反射した後、前記受光部へ集光された光の光量分布に基づいて求められた、光量のピーク値に対応する位置、光量重心に対応する位置、分布領域の幾何学的重心に対応する位置、またはこれらの組合わせに基づいて算出された位置である、請求項６から請求項９のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１１】
前記受光素子の前方に設けられた第２のレンズはフレネルレンズである、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１２】
前記発光素子は、共振器型発光ダイオードである、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１３】
前記発光素子は、面発光レーザである、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１４】
前記発光素子から前記被測定物に達する光経路上に設けられ、前記発光素子と前記受光素子とが並ぶ方向に垂直に交差する方向に前記発光素子からの光を分割する回折格子をさらに備えた、請求項１３に記載の光学式測距センサ。
【請求項１５】
前記発光素子および前記受光素子は、同一のリードフレーム上に搭載される、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の光学式測距センサ。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれかに記載の光学式測距センサを備えた、電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−４８６０６（Ｐ２０１０−４８６０６Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１１７９６（Ｐ２００８−２１１７９６）
【出願日】平成２０年８月２０日（２００８．８．２０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２０日（２００８．８．２０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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