測距装置
【課題】測距性能の維持向上と装置の長寿命化とを両立可能なアクティブ測距装置を提供する。
【解決手段】測距装置は、対象物に対して光束を投光する投光部６と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号を出力する受光部７と、検出信号に基づいて対象物までの測距を行う演算部８と、投光部６及び受光部７の動作を制御する制御部９とからなる。投光部６は、駆動電流Ｉｌｅｄに応じて光束Ｌを放射する発光素子１と、発光素子１に駆動電流Ｉｌｅｄを供給する駆動回路１０とを含む。制御部９は、投光部６の駆動回路１０を制御して駆動電流Ｉｌｅｄのレベルを段階的に切り替えて投光を行なうとともに、受光部７の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、検出されたレベルの駆動電流Ｉｌｅｄを用いて測距を行う。
【解決手段】測距装置は、対象物に対して光束を投光する投光部６と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号を出力する受光部７と、検出信号に基づいて対象物までの測距を行う演算部８と、投光部６及び受光部７の動作を制御する制御部９とからなる。投光部６は、駆動電流Ｉｌｅｄに応じて光束Ｌを放射する発光素子１と、発光素子１に駆動電流Ｉｌｅｄを供給する駆動回路１０とを含む。制御部９は、投光部６の駆動回路１０を制御して駆動電流Ｉｌｅｄのレベルを段階的に切り替えて投光を行なうとともに、受光部７の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、検出されたレベルの駆動電流Ｉｌｅｄを用いて測距を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に対して光束を投光する投光部と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号を出力する受光部と、検出信号に基づいて対象物までの測距を行う演算部と、投光部及び受光部の動作を制御する制御部とからなる光学式のアクティブ測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式の測距装置はカメラの自動焦点合わせや券売機の対人センサーなど多様な用途に使われている。特に、対象物に赤外線などの測距用光を投光し、その反射信号光を利用して、対象物の距離を求めるアクティブ測距装置は、コンパクトカメラのオートフォーカスなどに広く応用されている。
【０００３】
この様なアクティブ測距装置は、図１２に示すような構成を基本としている。同図において、参照番号１は赤外発光ダイオード（ＩＲｌｅｄ）などからなる発光素子、２はこの光を対象物３に集光投光するための投光レンズである。そして、その対象物３からの反射信号光を、投光レンズ２から基線長Ｂだけ離れた受光レンズ４と光位置検出素子（ＰＳＤ）からなる受光素子５にて受光し、その受光位置ｘを求めると、受光レンズ４の焦点距離ｆ及び基線長Ｂを用いて、Ｌ＝Ｂ・ｆ／ｘという関係により、対象物までの距離Ｌが求められる。
【０００４】
この方式は、投光レンズ２及び受光レンズ４の幾何学的な位置の差を用いたもので、三角測距の原理に従っている。ＰＳＤなどからなる受光素子５は、光入射位置で光電流を発生するものであるが、両端電極までの導電部が抵抗成分を持つために、その光入射位置にしたがって２つの光電流信号Ｉ１，Ｉ２を出力する。これにより、受光位置ｘは両光電流信号Ｉ１，Ｉ２の比演算にて求められる。例えば、ｘ＝Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）で与えられる。
【０００５】
この様なアクティブ測距装置は、例えば以下の特許文献１ないし３に記載がある。
【特許文献１】特開平０１−１９９１０９号公報
【特許文献２】特開平０８−１３６２４７号公報
【特許文献３】実開平０５−０４３１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクティブ測距装置の発光素子は、例えば赤外発光ダイオード（ＩＲｌｅｄ）が多用されている。赤外発光ダイオードは駆動電流に応じて発光し、アクティブ測距に必要な投光を生成している。アクティブ測距の精度はシグナル対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）で決まる。Ｓ／Ｎ比を高めて測距を安定に行うため、ＩＲｌｅｄの発光強度は高い方がよい。発光強度が大きいほど、対象物から反射した光の受光量が増し、外乱光などの光ノイズや電気的なノイズに影響を受けることなく、正確な測距を行うことができる。したがって、測距性能の向上の観点から、駆動電流を高めに設定し充分な発光強度を得ることが好ましい。一方、赤外発光ダイオードなど電流駆動型の発光素子は、発光量に応じて寿命が決まるという性質がある。累積の発光量が増加するほど輝度が低下していき寿命が短くなる。したがって測距装置の耐久性の観点からは発光素子に供給する駆動電流を可能な限り抑制する事が好ましい。この様に、アクティブ測距装置は、測距性能の向上と装置の長寿命化とが両立せず、解決すべき課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は測距性能の維持向上と発光素子の長寿命化とを両立可能なアクティブ方式の測距装置を提供する事を目的とする。かかる目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち本発明は、対象物に対して光束を投光する投光部と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号を出力する受光部と、該検出信号に基づいて該対象物までの測距を行う演算部と、該投光部及び受光部の動作を制御する制御部とからなる測距装置であって、前記投光部は、駆動電流に応じて光束を放射する発光素子と、該発光素子に駆動電流を供給する駆動回路とを含み、前記制御部は、該投光部の駆動回路を制御して該駆動電流のレベルを段階的に切り替えて投光を行なうとともに、該受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、該検出されたレベルの駆動電流を用いて測距を行うことを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、前記制御部は、高レベルから低レベルに向かって該駆動電流のレベルを段階的に切り替える。又前記駆動回路は、各々レベルの異なる定電流を出力する複数個の定電流源と、該制御部からの制御に応じて該複数個の定電流源を選択的に組み合わせて、レベルが段階的に切り替わる電流を生成するスイッチ手段と、該生成された電流を増幅し駆動電流として該発光素子に供給する増幅手段とからなる。例えば前記増幅手段は、カレントミラー回路からなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アクティブ測距装置は投光部を制御して駆動電流のレベルを段階的に例えば高レベルから低レベルに向かって切り替えて投光を行うと共に、受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、この検出されたレベルに対応したレベルの駆動電流を用いて測距を行う。本発明では、受光量が測距に適したレベルに達した時点で駆動電流のレベルを固定し、発光量を抑えている。無駄な発光を節約する事で発光素子の長寿命化が図れる。また、駆動電流を抑える事で電力消費の節約に繋がる。一方、測距の対象物の状態に応じ、受光量が測距に適したレベルとなるように制御されている。これにより、測距性能を損なう恐れはない。以上により、発光素子の長寿命化と測距性能の維持を両立したアクティブ測距装置を得る事ができる。
【００１０】
本発明では特に、駆動電流のレベルを段階的に（デジタル的に）切り替えて投光を行うと共に、受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出する。これに対し、駆動電流を例えば低レベルから高レベルに連続的に掃引しながら（アナログ的に掃引しながら）投光を行うと共に、受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルに達したら駆動電流の掃引を停止して測距を行う構成も考えられる。アナログ方式の場合、受光量が測距に適したレベルに達した時点で駆動電流を保持固定する必要がある為、別途サンプルホールド回路などを組み込まなければならず、回路構成が複雑になると共に精度が悪くなる。これに対し、本発明はデジタル切り替え方式とする事で、回路構成が簡略化されると共に精度も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。まず最初に本発明の背景を明らかにする為、図１を参照して定電圧駆動方式のアクティブ測距装置を参考例として説明する。図示するように測距装置は、投光部６と受光部７と演算部を構成する演算回路８と制御部を構成するシーケンサー９とで構成されている。投光部６は対象物に対して光束を投光する。受光部７は対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号Ｉ１，Ｉ２を出力する。演算回路８は検出信号Ｉ１，Ｉ２に基づいて対象物までの測距を行う。具体的には、検出信号Ｉ１，Ｉ２の比演算を行って測距データを得る。測距データはサンプルホールド回路１２で一旦サンプルホールドされた後、アンプＡ３を介して外部機器に出力される。シーケンサー９は投光部６及び受光部７の動作を制御する。
【００１２】
投光部６は駆動電流Ｉｌｅｄに応じて光束を放射する発光素子１と、発光素子１に駆動電流Ｉｌｅｄを供給する駆動回路１０とで構成されている。発光素子１は例えば赤外発光ダイオードを用いる事ができる。駆動回路１０は二端子型発光素子１のカソードに接続した負荷抵抗Ｒｌｅｄと駆動トランジスタＴｒとを含む。駆動トランジスタＴｒのベースはシーケンサー９に接続し、コレクタは負荷抵抗Ｒｌｅｄの一端に接続し、エミッタは接地されている。駆動回路１０はさらに増幅器ＡとトランジスタＴｒ１とで構成された定電圧回路を含んでいる。二端子型増幅器Ａ（オペアンプ）の一方の入力端子はシーケンサー９に接続しており、定電圧Ｖｌｅｄの供給を受ける。増幅器Ａの他方の入力端子は、二端子型発光素子１のアノードに接続している。増幅器Ａの出力端子はトランジスタＴｒ１のベースに接続している。トランジスタＴｒ１のエミッタは電源Ｖｃｃに接続し、コレクタは発光素子１のアノードに接続している。
【００１３】
増幅器ＡとトランジスタＴｒ１からなる定電圧回路は、シーケンサー９から供給される制御電圧Ｖｌｅｄに応じ、これと等しい定電圧Ｖｌｅｄを発光素子１のアノードに印加し、これを定電圧駆動している。具体的には、発光素子１の電圧降下分をＶｆ、駆動トランジスタＴｒの電圧降下分をＶｔｒとすると、駆動電流Ｉｌｅｄは（Ｖｌｅｄ−Ｖｆ−Ｖｔｒ）／Ｒｌｅｄで与えられる。実際には、シーケンサー９が駆動トランジスタＴｒのベースに制御パルスを印加すると、駆動トランジスタＴｒが導通し、発光素子１に上記の駆動電流Ｉｌｅｄが流れ、結果的に制御電圧Ｖｌｅｄに応じた輝度Ｌで発光素子１が発光する事になる。この様に従来のアクティブ測距装置は、対象物の条件によらず常に一定の制御電圧Ｖｌｅｄで発光輝度Ｌを決めていた。
【００１４】
受光部７は例えばＰＳＤからなる受光素子５と、その両端に接続された増幅器Ａ１，Ａ２とからなる。一方の増幅器Ａ１は受光素子５の一端から出力された受光電流を増幅して検出電流Ｉ１を演算回路８に供給する。他方の増幅器Ａ２は受光素子５の他方の電極から出力された受光電流を増幅して検出電流Ｉ２を演算回路８側に供給する。なお、各増幅器Ａ１，Ａ２の入出力間には定常電流引き抜き回路（ＤＣＣ）が接続されている。この定常電流引き抜き回路ＤＣＣはシーケンサー９により制御されており、受光電流から周囲光などに起因する定常電流成分（直流成分）を引き抜き、信号成分のみを演算回路８側に供給できるようにしている。
【００１５】
受光部７側の受光素子５は対象物から反射した光の受光位置に応じた検出信号Ｉ１，Ｉ２を演算回路８側に出力する。演算回路８は検出信号Ｉ１，Ｉ２の比演算を行って測距データを得る。この段階でシーケンサー９はスイッチＳＷ１を開閉制御し、サンプルホールド回路１２に測距データをサンプルホールドする。サンプルホールドされた測距データは増幅器Ａ３を介して装置の本体側に出力される。
【００１６】
図２はアクティブ測距装置の他の参考例を示す回路図である。図１に示したアクティブ測距装置が定電圧駆動を採用していたのに対し、図２に示した参考例は定電流駆動を採用している。受光部７、演算部８、シーケンサー９及びサンプルホールド回路１２の部分は図１の参考例と同様であるが、投光部６の構成が相違している。
【００１７】
図示するように投光部６は、駆動電流Ｉｌｅｄに応じて光束を放射する発光素子１と、発光素子１に駆動電流Ｉｌｅｄを供給する駆動回路１０とを含む。発光素子１は例えば赤外ＬＥＤなどの二端子型デバイスである。駆動回路１０は２入力１出力型の増幅器（オペアンプ）Ａと駆動トランジスタＴｒと負荷抵抗Ｒｌｅｄとで構成されている。駆動トランジスタＴｒのコレクタは二端子型発光素子１のカソードに接続している。なおアノードは電源Ｖｃｃに接続している。駆動トランジスタＴｒのエミッタは負荷抵抗Ｒｌｅｄを介して接地されている。駆動トランジスタＴｒのベースは増幅器Ａの出力端子に接続されている。増幅器Ａの一方の入力端子はシーケンサー９に接続されており、制御パルスの供給を受ける。この制御パルスは電圧がＶｌｅｄで時間幅がＴｏｎとなっている。増幅器Ａの他方の入力端子は駆動トランジスタＴｒのエミッタに接続している。駆動回路１０はかかる構成により、発光素子１に対する定電流源となっている。シーケンサー９から供給される制御パルスに応じ、駆動回路１０はＩｌｅｄ＝Ｖｌｅｄ／Ｒｌｅｄで表される定電流Ｉｌｅｄを所定の発光時間Ｔｏｎだけ発光素子１に流す。発光素子１は一定の駆動電流Ｉｌｅｄに応じた輝度で発光する。
【００１８】
図１及び図２に示した参考例にかかる測距装置は、赤外ＬＥＤなどの二端子型デバイスを発光素子に用いている。周知のように、ＬＥＤは発光量や発光時間の累積によって輝度が低下し、寿命に限りがある。ＬＥＤの寿命は、発光電流、温度、発光時間、繰り返し発光インターバルなどの諸パラメーターによって顕著な影響を受け、耐久性に限りがある。
【００１９】
従来の測距装置では用途によって要求される寿命がまず決定される。この要求寿命あるいは耐久性を満たすように、所定の発光電流レベルや発光時間が決まる。当然ながら、発光電流レベルを低めに設定し且つ発光時間を短く設定した方が、寿命の長期化に繋がる。
【００２０】
反面アクティブ測距装置は周囲光（ノイズ）と発光（信号）との強度差が大きいほど、Ｓ／Ｎ比がよくなり、基本測距性能が高い。したがって、測距性能の観点からは可能な限り駆動電流を高めに設定して発光量を増やし、遠距離で且つ低反射率の対象物でも精度よく測れる事が好ましい。以上により、耐久性能の向上と基本測距性能の向上は互いに相反した関係となっている。現実的には、製品に要求される耐久性能により発光量が決められ、その規制の中で可能な限り精度を高める工夫がなされる。例えば許される範囲で同一の対象物に測距を繰り返し、得られた結果を平均演算処理して、最終的な距離データを得ているのが現状である。
【００２１】
図１および図２に示した従来のアクティブ測距装置は、発光強度や発光時間を予め固定的に設定しており、対象物の状態とは関係なく測距を行うものである。しかしながら、実際の測距では対象物の距離が変化し、さらにその表面反射率も変化するものである。例えば、対象物が０．５〜３ｍの範囲で前後に位置し、表面反射率が９〜７２％の間でばらつくと仮定すると、距離が３ｍで反射率が９％の対象物が最も受光量が少なくなる。これに対し、０．５ｍの位置にあり且つ表面反射率が７２％の対象物は、受光量が先の例の２８８倍になる。この比率は光量的シミュレーションで得られるものである。換言すると、最良の条件下で必要とされる発光量は、最悪条件で必要とされる発光量の２８８分の１でよい事になる。例えば、距離が３ｍで表面反射率が９％の対象物の測距を行うため、１Ａの駆動電流が必要な場合、０．５ｍで表面反射率が７２％の対象物では約３．５ｍＡの発光電流でよい事になる。
【００２２】
例えば図２に示したアクティブ測距装置で駆動電流を１Ａに設定すると、距離が３ｍで表面反射率が９％の対象物では適正な発光量となるのに対し、０．５ｍで表面反射率が７２％の対象物では１Ａ−３．５ｍＡ＝９９６．５ｍＡの駆動電流分に相当する発光が不要なものとなる。このロスがあるため、アクティブ測距装置の耐久性を改善する事ができない。
【００２３】
図３は本発明の基になった測距装置のプロトタイプを示す回路図である。理解を容易にするため、図１及び図２に示した参考例にかかるアクティブ測距装置と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示するように、本アクティブ測距装置は、対象物に対して光束を投光する投光部６と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号Ｉ１，Ｉ２を出力する受光部７と、検出信号Ｉ１，Ｉ２に基づいて対象物までの測距を行う演算回路（演算部）８と、投光部６及び受光部７の動作を制御するシーケンサー（制御部）９とで構成されている。
【００２４】
投光部６はＬＥＤなどからなる発光素子１と駆動回路１０とで構成されている。二端子型発光素子１のアノードは電源Ｖｃｃに接続され、カソードは駆動回路１０に接続されている。駆動回路１０は２入力１出力型の増幅器（オペアンプ）Ａと駆動トランジスタＴｒと負荷抵抗Ｒｌｅｄとで構成されている。駆動トランジスタＴｒのコレクタは発光素子１のカソードに接続し、エミッタは負荷抵抗Ｒｌｅｄを介して接地されている。トランジスタＴｒのベースは増幅器Ａの出力端子に接続している。増幅器Ａの一方の入力端子（以下本明細書では入力ノードと称する）には制御電圧Ｖｓｗｐが印加され、他方の入力端子はトランジスタＴｒのエミッタに接続している。これにより駆動回路１０はＩｌｅｄ＝Ｖｓｗｐ／Ｒｌｅｄで規定される駆動電流Ｉｌｅｄを発光素子１に流す。この結果、発光素子１は制御電圧Ｖｓｗｐに応じた輝度Ｌで発光する。
【００２５】
入力ノードには定電流源ｉと負荷容量ＣとスイッチＳＷが接続しており、駆動回路１０の一部となっている。定電流源ｉは電源Ｖｃｃと入力ノードとの間に接続されている。負荷容量Ｃは入力ノードと接地ラインとの間に接続されている。スイッチＳＷも入力ノードと接地ラインとの間に接続されている。このスイッチＳＷの開閉はシーケンサー９から供給される制御パルスによって制御される。
【００２６】
受光部７は受光素子５と一対の増幅器Ａ１，Ａ２とで構成されている。受光素子５は例えば位置検出素子（ＰＳＤ）からなり、対象物から戻ってきた光の受光位置に応じた光信号を一対の電極から出力する。増幅器Ａ１，Ａ２は受光素子５の各両電極から出力された光信号を増幅し、検出信号Ｉ１，Ｉ２として演算回路８側に出力する。各増幅器Ａ１，Ａ２の入出力端子間には、定常成分を引き抜くためのＤＣＣが接続されている。
【００２７】
演算回路８は受光部７から出力された検出信号Ｉ１，Ｉ２の比演算を行って測距データを得る。この測距データはサンプルホールド回路１２でサンプルホールドされた後、アンプＡ３を介して機器本体側に出力される。
【００２８】
シーケンサー９は上述した制御パルスを投光部６側に供給すると共に、外付けで一対の比較器Ｃ１，Ｃ２を備えている。比較器Ｃ１の正入力端子には受光部７側から検出電流Ｉ１が供給され、他方の入力端子にはシーケンサー９側から所定の参照電圧Ｖｒｅｆが供給される。比較器Ｃ１の出力端子はシーケンサー９に接続されている。同様に比較器Ｃ２の正入力端子は受光部７側から検出電流Ｉ２が供給され、負入力端子にはシーケンサー９側から所定の参照電圧Ｖｒｅｆが供給され、出力端子はシーケンサー９に接続されている。かかる構成において、シーケンサー９及び一対の比較器Ｃ１，Ｃ２などで構成される制御部は、投光部６の駆動回路１０を制御して駆動電流Ｉｌｅｄを低レベルから高レベルに掃引しながら投光を行うと共に、受光部７の受光量をモニタして、測距に適したレベルに達したら駆動電流Ｉｌｅｄの掃引を停止して測距を実行し、且つサンプルホールド回路１２のスイッチＳＷ１を制御して測距結果を確定する。
【００２９】
図４は、図３に示したプロトタイプの測距装置の動作説明に供するタイミングチャートである。待機期間Ｔ０では、スイッチＳＷがオン状態にあり、入力ノードが接地されているのでＶｓｗｐはゼロレベルにある。したがって駆動電流Ｉｌｅｄが流れないので発光強度Ｌもゼロである。また、受光部７側は対象物から何ら受光しないので、比較器Ｃ１またはＣ２の出力はない。続いてタイミングＴ１で測距が起動すると、シーケンサー９は制御パルスを出力してスイッチＳＷをオンからオフにする。これにより、定電流源ｉから供給された電流が負荷容量Ｃに充電され始めるので、入力ノードの電位Ｖｓｗｐは低レベルから高レベルに向かって直線的に上昇していく。これに伴いＩｌｅｄ＝Ｖｓｗｐ／Ｒｌｅｄで表される駆動電流が低レベルから高レベルに向かって掃引され、結果として発光強度Ｌが徐々に増加していく。これに合わせ、受光部７側での受光量も増加していく。
【００３０】
タイミングＴ２になると、受光量に対応した検出電流Ｉ１，Ｉ２のレベルが予め設定した参照電圧Ｖｒｅｆを越えるようになる。この参照電圧Ｖｒｅｆは受光量が測距に適した範囲となるように予めシーケンサー９側で設定されている。検出信号Ｉ１，Ｉ２のレベルがＶｒｅｆを越えた時点で、比較器Ｃ１，Ｃ２の出力がローレベルからハイレベルに反転する。これに応じシーケンサー９は制御パルスを解除し、スイッチＳＷはオフからオンになる。入力ノードはスイッチＳＷにより接地されるので、Ｖｓｗｐは急激にゼロレベルに落ちる。したがって発光強度Ｌもゼロとなる。実際にはタイミングＴ２の段階の発光強度Ｌをしばらく保持しながら測距を行うことで、必要な距離データが得られる。その後でシーケンサー９は制御パルスを解除し、発光素子を消灯することになる。
【００３１】
以上の説明から明らかなように、発光スタートのタイミングＴ１でＶｓｗｐの電圧を時間と共に拡大スイープする。例えば対応する駆動電流Ｉｌｅｄが０ｍＡ〜１．２Ａまで変化するようスイープする。同時に、受光部７側に戻ってくる反射光量を比較器Ｃ１，Ｃ２でモニタし、測距をするための光量として充分な受光量に達したら、スイープを停止して発光を終わらせる。受光部７側の受光量モニタリングは、検出電流Ｉ１，Ｉ２をそれぞれモニタし両方とも参照電圧Ｖｒｅｆ以上となることで、判定を下す。あるいは簡易的に、受光素子５の合計光量を表すＩ１＋Ｉ２を一個の比較器でモニタしてもよい。また、判別のためのレベルを決めるＶｒｅｆは、周囲の明るさや温度などにより補正を適宜加えるようにしてもよい。
【００３２】
図３に示したプロトタイプの測距装置は、駆動電流Ｉｌｅｄを連続的に掃引しながら測距に適したレベルを求め、これを保持固定して実際の測距を行う。いわゆるアナログ方式である為、測距に適した駆動電流を保持固定する為、駆動回路１０は容量ＣやスイッチＳＷなどからなるサンプルホールド回路が必要になる。また、アナルグ方式なので、必ずしも精密に駆動電流を制御できない。そこで本発明は、このアナログ方式のプロトタイプを改良し、デジタル方式の測距装置を提供するものである。図５は、本発明にかかるアクティブ測距装置の実施形態を示す回路図である。理解を容易にする為、図３に示したアナログ方式のアクティブ測距装置と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示するように、デジタル方式の本アクティブ測距装置は、対象物に対して光束を投光する投光部６と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号Ｉ１，Ｉ２を出力する受光部７と、検出信号Ｉ１，Ｉ２に基づいて対象物までの測距を行う演算回路（演算部）８と、投光部６及び受光部７の動作を制御するシーケンサー（制御部）９とで構成されている。
【００３３】
投光部６はＬＥＤなどからなる発光素子１と駆動回路１０とで構成されている。二端子型発光素子１のアノードは電源Ｖｃｃに接続され、カソードは駆動回路１０に接続されている。駆動回路１０は２入力１出力型の増幅器（オペアンプ）Ａと駆動トランジスタＴｒと負荷抵抗Ｒｌｅｄとで構成されている。駆動トランジスタＴｒのコレクタは発光素子１のカソードに接続し、エミッタは負荷抵抗Ｒｌｅｄを介して接地されている。トランジスタＴｒのベースは増幅器Ａの出力端子に接続している。増幅器Ａの一方の入力端子（入力ノード）には段階的に変化する制御電圧が印加され、他方の入力端子はトランジスタＴｒのエミッタに接続している。
【００３４】
駆動回路１０は、さらに複数個の定電流源１４とスイッチ手段１５と抵抗Ｒとを備えている。本実施形態では定電流源１４が５個用いられており、それぞれ定電流ｉ，２ｉ，４ｉ，８ｉ，１６ｉを供給する。スイッチ手段１５は５個のスイッチからなり、各々対応する定電流源と増幅器Ａの入力ノードとの間に接続されている。抵抗Ｒは同じく入力ノードと接地電位との間に接続されている。５個のスイッチからなるスイッチ手段１５は、シーケンサー９からの制御に応じて５個の定電流源１４を選択的に組み合わせて、レベルがｉから３１ｉまで段階的に切り替わるステップ電流Ｉｓｔｐを生成する。このステップ電流Ｉｓｔｐは抵抗Ｒを通って接地ラインに流れる。したがって、抵抗Ｒの両端に現れる電圧はＲ・Ｉｓｔｐ＝Ｒ・ｎｉ（ｎは１〜３１）で表される。この電圧Ｒ・ｎｉが制御電圧として増幅器Ａの入力ノードに印加される。増幅器ＡはＶｌｅｄ＝Ｉｌｅｄ・Ｒｌｅｄが制御電圧Ｒ・ｎｉと同じになる様に、増幅動作を行う。したがってＩｌｅｄ・Ｒｌｅｄ＝Ｒ・ｎｉから、Ｉｌｅｄ＝Ｒ・ｎｉ／Ｒｌｅｄで表される。ｎが１〜３１まで段階的に変化するので、ゲインＲ／Ｒｌｅｄで増幅された駆動電流Ｉｌｅｄもそのレベルが１〜３１まで段階的に変化する。以上により、駆動回路１０はＩｌｅｄ＝Ｒ・ｎｉ／Ｒｌｅｄで規定される駆動電流Ｉｌｅｄを発光素子１に流す。この結果、発光素子１はＩｌｅｄに応じて段階的に変化する輝度で発光する。
【００３５】
受光部７は受光素子５と一対の増幅器Ａ１，Ａ２とで構成されている。受光素子５は例えば２分割ＳＰＤからなり、対象物から戻ってきた光の受光位置に応じた光信号を一対の電極から出力する。増幅器Ａ１，Ａ２は受光素子５の各電極から出力された光信号を増幅し、検出信号Ｉ１，Ｉ２として演算回路８側に出力する。各増幅器Ａ１，Ａ２の入出力端子間には、定常成分を引き抜く為のＤＣＣが接続されている。
【００３６】
演算回路８は受光部７から出力された検出信号Ｉ１，Ｉ２の差演算を行って測距データを得る。この測距データはサンプルホールド回路１２でサンプルホールドされた後、アンプＡ３を介して機器本体側に出力される。
【００３７】
シーケンサー９は投光部６側のスイッチ手段１５を切り替え制御する為の制御信号を供給すると共に、一対の比較器Ｃ１，Ｃ２を備えている。比較器Ｃ１の正入力端子には受光部７側から検出電流Ｉ１が供給され、他方の入力端子にはシーケンサー９側から所定の参照電圧Ｖｒｅｆが供給される。比較器Ｃ１の出力端子はシーケンサー９に接続されている。同様に比較機器Ｃ２の正入力端子は受光部７側から検出電流Ｉ２が供給され、負入力端子にはシーケンサー９側から所定の参照電圧Ｖｒｅｆが供給され、出力端子はシーケンサー９に接続されている。かかる構成において、シーケンサー９及び一対の比較器Ｃ１，Ｃ２などで構成される制御部は、投光部６の駆動回路１０を制御して駆動電流Ｉｌｅｄのレベルを段階的に切り替えて投光を行うと共に、受光部７の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、この検出されたレベルの駆動電流Ｉｌｅｄを用いて測距を実行し、且つサンプルホールド回路１２のスイッチＳＷ１を制御して測定結果を確定する。
【００３８】
図６は、ステップ電流Ｉｓｔｐの時間変化を示すグラフである。本実施例では、ステップ電流Ｉｓｔｐを高レベル（３１ｉ）から低レベル（ｉ）に向かって段階的に切り替えている。例えばシーケンサー９によって５個の定電流源１４を全てオンすると、ステップ電流Ｉｓｔｐはｉ＋２ｉ＋４ｉ＋８ｉ＋１６ｉ＝３１ｉとなって最大レベルのステップ電流Ｉｓｔｐ＝３１ｉを出力する。また、５個の定電流源１４のうち一番出力の小さな定電流源を選択すると、ステップ電流Ｉｓｔｐ＝ｉとなって、最小レベルの電流が得られる。この様に、シーケンサー９はスイッチ手段１５を適切に切り替え制御して、ステップ電流Ｉｓｔｐのレベルが３１ｉ〜ｉまで段階的に減少するように制御している。これに応じ、駆動電流Ｉｌｅｄも段階的に高レベルから低レベルまで変化する。これと同時に、受光部７側に戻ってくる反射光量を比較器Ｃ１，Ｃ２でモニタし、測距をする為の光量として必要且つ充分な受光量に達したら、駆動電流の段階的な切り替えを停止する。受光部７側の受光量モニタリングは、検出信号Ｉ１，Ｉ２をそれぞれモニタし両方とも参照電圧Ｖｒｅｆ以上となることで判定を下す。あるいは簡易的に、受光素子５の合計光量を表すＩ１＋Ｉ２を１個の比較器でモニタしても良い。また、判別の為のレベルを決める参照電圧Ｖｒｅｆは、周囲の明るさや温度などにより補正を適宜加える様にしても良い。
【００３９】
図７は、投光部６に含まれる駆動回路１０の他の実施形態を示す回路図である。図５に示した先の実施形態では。オペアンプＡを用いてステップ電流Ｉｓｔｐを増幅し駆動電流Ｉｌｅｄを得ていた。この方式は抵抗Ｒにステップ電流Ｉｓｔｐを流し、その時生じる電圧降下分をオペアンプＡの入力ノードに供給するものである。その際、３２レベル分の分解能を得る為、抵抗Ｒの一端に加わる電源電圧Ｖｃｃをある程度高く設定しなければならない。そこで図７に示した実施形態では、オペアンプに代えてカレントミラー回路をカスケード接続することで、増幅回路を構成している。この様にすれば、電源電圧Ｖｃｃを低電圧化する事が可能である。具体的に見ると、複数個の定電流源１４とスイッチ手段１５とによって生成されるステップ電流Ｉｓｔｐは、三段に接続されたカレントミラー回路Ｍ１、Ｍ２，Ｍ３を介して、駆動トランジスタＴｒのベースに供給される。例えば第一段のカレントミラー回路Ｍ１の増幅率は２０対１である。第二段のカレントミラー回路Ｍ２の増幅率は例えば１０対１に設定されている。三段目のカレントミラー回路Ｍ３の増幅率は５対１に設定されている。この結果１０００倍に増幅されたステップ電流Ｉｓｔｐが駆動トランジスタＴｒに流れる。本実施形態は、純粋に電流増幅回路で投光部の駆動回路１０を構成する事ができる。
【００４０】
図８は、本発明にかかる測距装置をＩＣに組み込んだ実施例を示す回路図である。図示するように、測距ＩＣは、８つの接続端子を備えている。この内、入力端子ＩＲＤには外付けの発光素子１が接続する。又制御端子ＣＮＴＲ及びＡＤＪは外部から制御信号ＣＮＴＲ及びＡＤＪを夫々入力する。出力端子Ｄｏｕｔは測距結果を示す出力信号Ｄｏｕｔを外部に出力する。本実施例では、この測距結果を表す信号は二値であり測定対象物が遠近いずれかに位置する事を示す。電源端子ＶＢは外部から電源電位ＶＢを供給する。接地端子ＧＮＤは接地される。残りの端子ＯＳＣには外付けの容量が接続される。また端子Ｖｒｅｆにも外付けの抵抗が接続される。
【００４１】
測距ＩＣは受光素子５として２分割型のＳＰＤを内蔵している。この２分割ＳＰＤには内蔵ヘッドアンプ１１が接続されている。ヘッドアンプ１１は加算（＋）と減算（−）に切り替え可能である。加算側では、２分割ＳＰＤから出力される信号を加算して増幅する。その出力結果は受光量モニタリングに用いる。一方減算側は一対のＳＰＤの差分を求めこれを増幅する。その出力結果は測距に用いられる。具体的には、対象物の遠近判定に用いられる。ヘッドアンプ１１の出力には増幅器１７，１８が二段に接続され、その後にサンプルホールド回路１２が接続されている。ヘッドアンプ１１からの出力は二段のアンプ１７，１８で増幅された後、サンプルホールド回路１２でサンプルホールドされる。各増幅器１７，１８には受光信号からバックグランドをキャンセルする為に参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給されている。サンプルホールド回路１２には比較器Ｃが接続されており、その比較結果は内部信号Ｃｏｕｔとして出力される。比較器Ｃはサンプルホールド回路１２に保持された信号と所定の参照電圧Ｖｒｅｆ２を比較する。この比較器Ｃは受光量判定と遠近判定の両方に用いられる。その際、参照電圧Ｖｒｅｆ２は適宜切り替えられる。
【００４２】
測距ＩＣは赤外ＬＥＤなどからなる発光素子１を外付けしている。この発光素子１には内蔵駆動回路１０が接続している。この内蔵駆動回路１０は各々レベルの異なる定電流を出力する複数個の定電流源１４と、複数個の定電流源１４を選択的に組み合わせて、レベルが段階的に切り替わるステップ電流Ｉｓｔｐを生成するスイッチ手段１５と、生成されたステップ電流Ｉｓｔｐを増幅し駆動電流Ｉｌｅｄとして発光素子１に供給する増幅手段とで構成されている。本実施例ではこの増幅手段はカスケード接続されたカレントミラー回路からなる。
【００４３】
測距ＩＣはさらに内蔵のシーケンサー９として制御ロジック回路を含んでいる。この制御ロジック回路は制御信号ＣＮＴＲ，ＡＤＪと内部信号Ｃｏｕｔに応じて動作し、測距結果を表す出力信号Ｄｏｕｔを出力する。その際、制御ロジック回路はヘッドアンプ１１に対して加算／減算切り替えを行う。また比較器Ｃに対して必要に応じ参照電圧Ｖｒｅｆ２の切り替えを行う。加えて駆動回路１０に対して駆動電流（発光電流）の段階的な切り替え制御を行う。なお、制御ロジック回路９には発振回路ＯＳＣが接続されており、１０ｋＨｚないし１５０ｋＨｚの動作用クロック信号を供給している。加えて測距ＩＣはレギュレーターＶｒｅｇを備えており、電源端子ＶＢを介して外部から供給される電源電圧ＶＢを調整して、内部電源電圧Ｖｃｃを生成している。本実施例では外部電源電圧ＶＢは６〜２．４Ｖである。これに対し内部電源電圧Ｖｃｃは２．２Ｖに調整されている。
【００４４】
図９は、図８に示した測距ＩＣの動作説明に供するタイミングチャートである。時間軸Ｔに沿って外部電源電圧ＶＢ、外部制御信号ＣＮＴＲ，ＡＤＪ、駆動電流Ｉｌｅｄ、内部信号Ｃｏｕｔ及び出力信号Ｄｏｕｔの変化を表している。なお内部信号Ｃｏｕｔは外部信号と区別するためカッコを付けてある。合わせて内部リセット信号Ｒｅｓｅｔもタイミングチャートに載せてある。タイミングＴ０で電源が挿入され、外部電源電圧ＶＢが立ち上がる。これに合わせ、出力信号Ｄｏｕｔ及び内部信号Ｃｏｕｔがハイレベルに初期化される。電源投入に合わせパワーオンリセットがかかり内部リセット信号Ｒｅｓｅｔが立ち上がる。これにより、測距ＩＣに内蔵されている制御ロジック回路９などにリセットがかかり、待機状態となる。例えばヘッドアンプが加算側にリセットされる。
【００４５】
続いてタイミングＴ１で外部制御信号ＣＮＴＲ及びＡＤＪが立ち上がると、動作を開始する。第一段階としてまず駆動電流Ｉｌｅｄの設定動作が行われる。具体的には、タイミングＴ１からタイミングＴ４に向かって駆動電流Ｉｌｅｄが高レベルから低レベルまで段階的に切り替えられる。これに応じて受光量が段階的に下がっていく。始めにタイミングＴ１−Ｔ２の間で最大レベルの駆動電流Ｉｌｅｄが出力される。これに応じ受光量は通常の場合適切な量を表すＶｒｅｆ２よりも超えているので内部信号Ｃｏｕｔはハイレベルからローレベルに切り替わる。以後Ｉｌｅｄは段階的に低下していくが依然として適切なレベルを上回っているのでＣｏｕｔはローレベルに止まっている。タイミングＴ３まで来たときＩｌｅｄが適切なレベルに達したので、内部信号Ｃｏｕｔはローレベルからハイレベルに切り替わる。この時の駆動電流Ｉｌｅｄのレベルが測距用に設定される。この後タイミングＴ４で制御信号ＡＤＪがハイレベルからローレベルに戻り、第一段階が終了する。
【００４６】
引き続きタイミングＴ４以降第二段階の測距動作が行われる。その際、制御ロジック回路はヘッドアンプを減算側に切り替えるとともに、参照電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２を受光量検出用から測距用に切り替える。続いて測距であるが、具体的にはタイミングＴ４〜Ｔ５まで発光素子を所定回数（本実施例では１２８）発光させる間、内部比較信号Ｃｏｕｔの出力をカウントする。Ｃｏｕｔはハイレベルのとき対象物が遠距離にある事を表し、ローレベルのとき対象物が近距離にある事を表す二値信号である。Ｃｏｕｔのカウント結果が、例えば１２８／２＋１回以上ローレベルなら、出力信号Ｄｏｕｔをローレベルとして対象物が近距離にある事を表す。この出力判定を１２８回発光を繰り返す毎に行う。例えばタイミングＴ４からタイミングＴ５までの第１回判定では、Ｄｏｕｔがハイレベルにあり、対象物が遠距離にある事を判定している。次のタイミングＴ５−Ｔ６では、内部信号Ｃｏｕｔがハイレベルとローレベルで変動しているが、依然としてハイレベルのカウント数が多いので、Ｄｏｕｔはハイレベルに位置している。次のタイミングＴ６以降になるとＣｏｕｔのカウントが逆転し、ローレベルの回数が増え、Ｄｏｕｔもこれに応じてハイレベルからローレベルに切り替わっている。即ちタイミングＴ４以降の過程は、対象物が遠方から接近してくる状態を表しており、丁度タイミングＴ６で対象物が遠距離範囲から近距離範囲に入った事を表している。
【００４７】
以上の動作から明らかなように、本発明の測距ＩＣは必要以上に赤外ＬＥＤ素子の駆動電流を流す事なく、赤外ＬＥＤ素子の長寿命化が図れ、且つ特別仕様の高価な高耐久性赤外ＬＥＤ素子を使用しなくても、通常の安価な赤外ＬＥＤ素子を用いる事ができる。なお図８の実施例ではＩＣ化された回路のロジックで制御を行っているが、これに代えてＣＰＵでソフト的に制御を行っても良い。
【００４８】
図１０は、本発明にかかる測距装置の一応用例を示す模式図であり、人検知センサーとして用いられる。図示するように、壁面３２に備え付けられた小便器３１には、小便器３１に洗浄水を供給するための給水管３３と、汚水を排出するための配水管３４とが接続されている。給水管３３の途中には電磁弁３５が配設されている。電磁弁３５は図示しないコイルと同コイルに設けた弁体とを有し、コイルの非励磁時（通常の状態）には閉弁されて給水管３３を遮断すると共に、コイルの励磁と共に開弁して給水管３３を開通させるようにオン／オフ制御される。そして、この電磁弁３５の開弁動作によって給水管３３を通して小便器３１に洗浄水が供給される。小便器３１の上方には本発明にかかる測距装置０が配設されており、これにて小便器３１の使用者の有無が検知される。制御回路３７はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータであり、小便器３１の上方において壁面３２に埋設されている。同制御回路３７には測距装置０及び電磁弁３５が接続されており、制御回路３７は測距装置０の検知結果を入力し、その検知結果に基づいて電磁弁３５に対し駆動信号を出力する。即ち、使用者が所定の距離範囲に入った後、立ち去った時点で洗浄水を流すように制御する。
【００４９】
図１１は、本発明にかかる測距装置の他の応用例を示す模式図である。図１１は、自動取引装置の１つの実施形態であるＡＴＭの外観構成を示す斜視図である。このＡＴＭは少なくとも前面部が屋外などに露出するように設置されるものであり、装置本体には、シャッタにより開閉自在な紙幣入出金口４１、利用者との対話用の表示装置としてのＣＲＴ４２及びキー入力部４３、利用者認証用のカードが装着されるカード装着部４４、装置本体の前面部に配設された対人センサーとしての測距装置０などが備えられ、本体内には紙幣処理部が搭載されている。測距装置０は投光部６及び受光部７からなる。ＡＴＭは使用者が居ないとき待機状態もしくは節電状態におかれる。この場合でも測距装置０は動作状態にある。測距装置０が使用者の接近を感知すると、ＡＴＭは待機状態から稼動状態に復帰する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】測距装置の参考例を示す回路図である。
【図２】測距装置の他の参考例を示す回路図である。
【図３】測距装置の別の参考例を示す回路図である。
【図４】図３に示した参考例の動作説明に供するタイミングチャートである。
【図５】本発明にかかる測距装置の実施形態を示す回路図である。
【図６】図５に示した実施形態の動作説明に供する模式図である。
【図７】本発明にかかる測距装置の他の実施形態の主要部を示す回路図である。
【図８】本発明にかかる測距装置の実施例を示す回路図である。
【図９】図８に示した実施例の動作説明に供するタイミングチャートである。
【図１０】本発明にかかる測距装置の一応用例を示す模式的な断面図である。
【図１１】同じく他の応用例を示す模式的な斜視図である。
【図１２】従来の測距装置の原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
０・・・測距装置、１・・・発光素子、５・・・受光素子、６・・・投光部、７・・・受光部、８・・・演算回路、９・・・シーケンサー、１０・・・駆動回路、１４・・・定電流源、１５・・・スイッチ手段、Ａ・・・増幅器、Ｍ・・・カレントミラー回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に対して光束を投光する投光部と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号を出力する受光部と、検出信号に基づいて対象物までの測距を行う演算部と、投光部及び受光部の動作を制御する制御部とからなる光学式のアクティブ測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式の測距装置はカメラの自動焦点合わせや券売機の対人センサーなど多様な用途に使われている。特に、対象物に赤外線などの測距用光を投光し、その反射信号光を利用して、対象物の距離を求めるアクティブ測距装置は、コンパクトカメラのオートフォーカスなどに広く応用されている。
【０００３】
この様なアクティブ測距装置は、図１２に示すような構成を基本としている。同図において、参照番号１は赤外発光ダイオード（ＩＲｌｅｄ）などからなる発光素子、２はこの光を対象物３に集光投光するための投光レンズである。そして、その対象物３からの反射信号光を、投光レンズ２から基線長Ｂだけ離れた受光レンズ４と光位置検出素子（ＰＳＤ）からなる受光素子５にて受光し、その受光位置ｘを求めると、受光レンズ４の焦点距離ｆ及び基線長Ｂを用いて、Ｌ＝Ｂ・ｆ／ｘという関係により、対象物までの距離Ｌが求められる。
【０００４】
この方式は、投光レンズ２及び受光レンズ４の幾何学的な位置の差を用いたもので、三角測距の原理に従っている。ＰＳＤなどからなる受光素子５は、光入射位置で光電流を発生するものであるが、両端電極までの導電部が抵抗成分を持つために、その光入射位置にしたがって２つの光電流信号Ｉ１，Ｉ２を出力する。これにより、受光位置ｘは両光電流信号Ｉ１，Ｉ２の比演算にて求められる。例えば、ｘ＝Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）で与えられる。
【０００５】
この様なアクティブ測距装置は、例えば以下の特許文献１ないし３に記載がある。
【特許文献１】特開平０１−１９９１０９号公報
【特許文献２】特開平０８−１３６２４７号公報
【特許文献３】実開平０５−０４３１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクティブ測距装置の発光素子は、例えば赤外発光ダイオード（ＩＲｌｅｄ）が多用されている。赤外発光ダイオードは駆動電流に応じて発光し、アクティブ測距に必要な投光を生成している。アクティブ測距の精度はシグナル対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）で決まる。Ｓ／Ｎ比を高めて測距を安定に行うため、ＩＲｌｅｄの発光強度は高い方がよい。発光強度が大きいほど、対象物から反射した光の受光量が増し、外乱光などの光ノイズや電気的なノイズに影響を受けることなく、正確な測距を行うことができる。したがって、測距性能の向上の観点から、駆動電流を高めに設定し充分な発光強度を得ることが好ましい。一方、赤外発光ダイオードなど電流駆動型の発光素子は、発光量に応じて寿命が決まるという性質がある。累積の発光量が増加するほど輝度が低下していき寿命が短くなる。したがって測距装置の耐久性の観点からは発光素子に供給する駆動電流を可能な限り抑制する事が好ましい。この様に、アクティブ測距装置は、測距性能の向上と装置の長寿命化とが両立せず、解決すべき課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は測距性能の維持向上と発光素子の長寿命化とを両立可能なアクティブ方式の測距装置を提供する事を目的とする。かかる目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち本発明は、対象物に対して光束を投光する投光部と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号を出力する受光部と、該検出信号に基づいて該対象物までの測距を行う演算部と、該投光部及び受光部の動作を制御する制御部とからなる測距装置であって、前記投光部は、駆動電流に応じて光束を放射する発光素子と、該発光素子に駆動電流を供給する駆動回路とを含み、前記制御部は、該投光部の駆動回路を制御して該駆動電流のレベルを段階的に切り替えて投光を行なうとともに、該受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、該検出されたレベルの駆動電流を用いて測距を行うことを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、前記制御部は、高レベルから低レベルに向かって該駆動電流のレベルを段階的に切り替える。又前記駆動回路は、各々レベルの異なる定電流を出力する複数個の定電流源と、該制御部からの制御に応じて該複数個の定電流源を選択的に組み合わせて、レベルが段階的に切り替わる電流を生成するスイッチ手段と、該生成された電流を増幅し駆動電流として該発光素子に供給する増幅手段とからなる。例えば前記増幅手段は、カレントミラー回路からなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アクティブ測距装置は投光部を制御して駆動電流のレベルを段階的に例えば高レベルから低レベルに向かって切り替えて投光を行うと共に、受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、この検出されたレベルに対応したレベルの駆動電流を用いて測距を行う。本発明では、受光量が測距に適したレベルに達した時点で駆動電流のレベルを固定し、発光量を抑えている。無駄な発光を節約する事で発光素子の長寿命化が図れる。また、駆動電流を抑える事で電力消費の節約に繋がる。一方、測距の対象物の状態に応じ、受光量が測距に適したレベルとなるように制御されている。これにより、測距性能を損なう恐れはない。以上により、発光素子の長寿命化と測距性能の維持を両立したアクティブ測距装置を得る事ができる。
【００１０】
本発明では特に、駆動電流のレベルを段階的に（デジタル的に）切り替えて投光を行うと共に、受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出する。これに対し、駆動電流を例えば低レベルから高レベルに連続的に掃引しながら（アナログ的に掃引しながら）投光を行うと共に、受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルに達したら駆動電流の掃引を停止して測距を行う構成も考えられる。アナログ方式の場合、受光量が測距に適したレベルに達した時点で駆動電流を保持固定する必要がある為、別途サンプルホールド回路などを組み込まなければならず、回路構成が複雑になると共に精度が悪くなる。これに対し、本発明はデジタル切り替え方式とする事で、回路構成が簡略化されると共に精度も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。まず最初に本発明の背景を明らかにする為、図１を参照して定電圧駆動方式のアクティブ測距装置を参考例として説明する。図示するように測距装置は、投光部６と受光部７と演算部を構成する演算回路８と制御部を構成するシーケンサー９とで構成されている。投光部６は対象物に対して光束を投光する。受光部７は対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号Ｉ１，Ｉ２を出力する。演算回路８は検出信号Ｉ１，Ｉ２に基づいて対象物までの測距を行う。具体的には、検出信号Ｉ１，Ｉ２の比演算を行って測距データを得る。測距データはサンプルホールド回路１２で一旦サンプルホールドされた後、アンプＡ３を介して外部機器に出力される。シーケンサー９は投光部６及び受光部７の動作を制御する。
【００１２】
投光部６は駆動電流Ｉｌｅｄに応じて光束を放射する発光素子１と、発光素子１に駆動電流Ｉｌｅｄを供給する駆動回路１０とで構成されている。発光素子１は例えば赤外発光ダイオードを用いる事ができる。駆動回路１０は二端子型発光素子１のカソードに接続した負荷抵抗Ｒｌｅｄと駆動トランジスタＴｒとを含む。駆動トランジスタＴｒのベースはシーケンサー９に接続し、コレクタは負荷抵抗Ｒｌｅｄの一端に接続し、エミッタは接地されている。駆動回路１０はさらに増幅器ＡとトランジスタＴｒ１とで構成された定電圧回路を含んでいる。二端子型増幅器Ａ（オペアンプ）の一方の入力端子はシーケンサー９に接続しており、定電圧Ｖｌｅｄの供給を受ける。増幅器Ａの他方の入力端子は、二端子型発光素子１のアノードに接続している。増幅器Ａの出力端子はトランジスタＴｒ１のベースに接続している。トランジスタＴｒ１のエミッタは電源Ｖｃｃに接続し、コレクタは発光素子１のアノードに接続している。
【００１３】
増幅器ＡとトランジスタＴｒ１からなる定電圧回路は、シーケンサー９から供給される制御電圧Ｖｌｅｄに応じ、これと等しい定電圧Ｖｌｅｄを発光素子１のアノードに印加し、これを定電圧駆動している。具体的には、発光素子１の電圧降下分をＶｆ、駆動トランジスタＴｒの電圧降下分をＶｔｒとすると、駆動電流Ｉｌｅｄは（Ｖｌｅｄ−Ｖｆ−Ｖｔｒ）／Ｒｌｅｄで与えられる。実際には、シーケンサー９が駆動トランジスタＴｒのベースに制御パルスを印加すると、駆動トランジスタＴｒが導通し、発光素子１に上記の駆動電流Ｉｌｅｄが流れ、結果的に制御電圧Ｖｌｅｄに応じた輝度Ｌで発光素子１が発光する事になる。この様に従来のアクティブ測距装置は、対象物の条件によらず常に一定の制御電圧Ｖｌｅｄで発光輝度Ｌを決めていた。
【００１４】
受光部７は例えばＰＳＤからなる受光素子５と、その両端に接続された増幅器Ａ１，Ａ２とからなる。一方の増幅器Ａ１は受光素子５の一端から出力された受光電流を増幅して検出電流Ｉ１を演算回路８に供給する。他方の増幅器Ａ２は受光素子５の他方の電極から出力された受光電流を増幅して検出電流Ｉ２を演算回路８側に供給する。なお、各増幅器Ａ１，Ａ２の入出力間には定常電流引き抜き回路（ＤＣＣ）が接続されている。この定常電流引き抜き回路ＤＣＣはシーケンサー９により制御されており、受光電流から周囲光などに起因する定常電流成分（直流成分）を引き抜き、信号成分のみを演算回路８側に供給できるようにしている。
【００１５】
受光部７側の受光素子５は対象物から反射した光の受光位置に応じた検出信号Ｉ１，Ｉ２を演算回路８側に出力する。演算回路８は検出信号Ｉ１，Ｉ２の比演算を行って測距データを得る。この段階でシーケンサー９はスイッチＳＷ１を開閉制御し、サンプルホールド回路１２に測距データをサンプルホールドする。サンプルホールドされた測距データは増幅器Ａ３を介して装置の本体側に出力される。
【００１６】
図２はアクティブ測距装置の他の参考例を示す回路図である。図１に示したアクティブ測距装置が定電圧駆動を採用していたのに対し、図２に示した参考例は定電流駆動を採用している。受光部７、演算部８、シーケンサー９及びサンプルホールド回路１２の部分は図１の参考例と同様であるが、投光部６の構成が相違している。
【００１７】
図示するように投光部６は、駆動電流Ｉｌｅｄに応じて光束を放射する発光素子１と、発光素子１に駆動電流Ｉｌｅｄを供給する駆動回路１０とを含む。発光素子１は例えば赤外ＬＥＤなどの二端子型デバイスである。駆動回路１０は２入力１出力型の増幅器（オペアンプ）Ａと駆動トランジスタＴｒと負荷抵抗Ｒｌｅｄとで構成されている。駆動トランジスタＴｒのコレクタは二端子型発光素子１のカソードに接続している。なおアノードは電源Ｖｃｃに接続している。駆動トランジスタＴｒのエミッタは負荷抵抗Ｒｌｅｄを介して接地されている。駆動トランジスタＴｒのベースは増幅器Ａの出力端子に接続されている。増幅器Ａの一方の入力端子はシーケンサー９に接続されており、制御パルスの供給を受ける。この制御パルスは電圧がＶｌｅｄで時間幅がＴｏｎとなっている。増幅器Ａの他方の入力端子は駆動トランジスタＴｒのエミッタに接続している。駆動回路１０はかかる構成により、発光素子１に対する定電流源となっている。シーケンサー９から供給される制御パルスに応じ、駆動回路１０はＩｌｅｄ＝Ｖｌｅｄ／Ｒｌｅｄで表される定電流Ｉｌｅｄを所定の発光時間Ｔｏｎだけ発光素子１に流す。発光素子１は一定の駆動電流Ｉｌｅｄに応じた輝度で発光する。
【００１８】
図１及び図２に示した参考例にかかる測距装置は、赤外ＬＥＤなどの二端子型デバイスを発光素子に用いている。周知のように、ＬＥＤは発光量や発光時間の累積によって輝度が低下し、寿命に限りがある。ＬＥＤの寿命は、発光電流、温度、発光時間、繰り返し発光インターバルなどの諸パラメーターによって顕著な影響を受け、耐久性に限りがある。
【００１９】
従来の測距装置では用途によって要求される寿命がまず決定される。この要求寿命あるいは耐久性を満たすように、所定の発光電流レベルや発光時間が決まる。当然ながら、発光電流レベルを低めに設定し且つ発光時間を短く設定した方が、寿命の長期化に繋がる。
【００２０】
反面アクティブ測距装置は周囲光（ノイズ）と発光（信号）との強度差が大きいほど、Ｓ／Ｎ比がよくなり、基本測距性能が高い。したがって、測距性能の観点からは可能な限り駆動電流を高めに設定して発光量を増やし、遠距離で且つ低反射率の対象物でも精度よく測れる事が好ましい。以上により、耐久性能の向上と基本測距性能の向上は互いに相反した関係となっている。現実的には、製品に要求される耐久性能により発光量が決められ、その規制の中で可能な限り精度を高める工夫がなされる。例えば許される範囲で同一の対象物に測距を繰り返し、得られた結果を平均演算処理して、最終的な距離データを得ているのが現状である。
【００２１】
図１および図２に示した従来のアクティブ測距装置は、発光強度や発光時間を予め固定的に設定しており、対象物の状態とは関係なく測距を行うものである。しかしながら、実際の測距では対象物の距離が変化し、さらにその表面反射率も変化するものである。例えば、対象物が０．５〜３ｍの範囲で前後に位置し、表面反射率が９〜７２％の間でばらつくと仮定すると、距離が３ｍで反射率が９％の対象物が最も受光量が少なくなる。これに対し、０．５ｍの位置にあり且つ表面反射率が７２％の対象物は、受光量が先の例の２８８倍になる。この比率は光量的シミュレーションで得られるものである。換言すると、最良の条件下で必要とされる発光量は、最悪条件で必要とされる発光量の２８８分の１でよい事になる。例えば、距離が３ｍで表面反射率が９％の対象物の測距を行うため、１Ａの駆動電流が必要な場合、０．５ｍで表面反射率が７２％の対象物では約３．５ｍＡの発光電流でよい事になる。
【００２２】
例えば図２に示したアクティブ測距装置で駆動電流を１Ａに設定すると、距離が３ｍで表面反射率が９％の対象物では適正な発光量となるのに対し、０．５ｍで表面反射率が７２％の対象物では１Ａ−３．５ｍＡ＝９９６．５ｍＡの駆動電流分に相当する発光が不要なものとなる。このロスがあるため、アクティブ測距装置の耐久性を改善する事ができない。
【００２３】
図３は本発明の基になった測距装置のプロトタイプを示す回路図である。理解を容易にするため、図１及び図２に示した参考例にかかるアクティブ測距装置と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示するように、本アクティブ測距装置は、対象物に対して光束を投光する投光部６と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号Ｉ１，Ｉ２を出力する受光部７と、検出信号Ｉ１，Ｉ２に基づいて対象物までの測距を行う演算回路（演算部）８と、投光部６及び受光部７の動作を制御するシーケンサー（制御部）９とで構成されている。
【００２４】
投光部６はＬＥＤなどからなる発光素子１と駆動回路１０とで構成されている。二端子型発光素子１のアノードは電源Ｖｃｃに接続され、カソードは駆動回路１０に接続されている。駆動回路１０は２入力１出力型の増幅器（オペアンプ）Ａと駆動トランジスタＴｒと負荷抵抗Ｒｌｅｄとで構成されている。駆動トランジスタＴｒのコレクタは発光素子１のカソードに接続し、エミッタは負荷抵抗Ｒｌｅｄを介して接地されている。トランジスタＴｒのベースは増幅器Ａの出力端子に接続している。増幅器Ａの一方の入力端子（以下本明細書では入力ノードと称する）には制御電圧Ｖｓｗｐが印加され、他方の入力端子はトランジスタＴｒのエミッタに接続している。これにより駆動回路１０はＩｌｅｄ＝Ｖｓｗｐ／Ｒｌｅｄで規定される駆動電流Ｉｌｅｄを発光素子１に流す。この結果、発光素子１は制御電圧Ｖｓｗｐに応じた輝度Ｌで発光する。
【００２５】
入力ノードには定電流源ｉと負荷容量ＣとスイッチＳＷが接続しており、駆動回路１０の一部となっている。定電流源ｉは電源Ｖｃｃと入力ノードとの間に接続されている。負荷容量Ｃは入力ノードと接地ラインとの間に接続されている。スイッチＳＷも入力ノードと接地ラインとの間に接続されている。このスイッチＳＷの開閉はシーケンサー９から供給される制御パルスによって制御される。
【００２６】
受光部７は受光素子５と一対の増幅器Ａ１，Ａ２とで構成されている。受光素子５は例えば位置検出素子（ＰＳＤ）からなり、対象物から戻ってきた光の受光位置に応じた光信号を一対の電極から出力する。増幅器Ａ１，Ａ２は受光素子５の各両電極から出力された光信号を増幅し、検出信号Ｉ１，Ｉ２として演算回路８側に出力する。各増幅器Ａ１，Ａ２の入出力端子間には、定常成分を引き抜くためのＤＣＣが接続されている。
【００２７】
演算回路８は受光部７から出力された検出信号Ｉ１，Ｉ２の比演算を行って測距データを得る。この測距データはサンプルホールド回路１２でサンプルホールドされた後、アンプＡ３を介して機器本体側に出力される。
【００２８】
シーケンサー９は上述した制御パルスを投光部６側に供給すると共に、外付けで一対の比較器Ｃ１，Ｃ２を備えている。比較器Ｃ１の正入力端子には受光部７側から検出電流Ｉ１が供給され、他方の入力端子にはシーケンサー９側から所定の参照電圧Ｖｒｅｆが供給される。比較器Ｃ１の出力端子はシーケンサー９に接続されている。同様に比較器Ｃ２の正入力端子は受光部７側から検出電流Ｉ２が供給され、負入力端子にはシーケンサー９側から所定の参照電圧Ｖｒｅｆが供給され、出力端子はシーケンサー９に接続されている。かかる構成において、シーケンサー９及び一対の比較器Ｃ１，Ｃ２などで構成される制御部は、投光部６の駆動回路１０を制御して駆動電流Ｉｌｅｄを低レベルから高レベルに掃引しながら投光を行うと共に、受光部７の受光量をモニタして、測距に適したレベルに達したら駆動電流Ｉｌｅｄの掃引を停止して測距を実行し、且つサンプルホールド回路１２のスイッチＳＷ１を制御して測距結果を確定する。
【００２９】
図４は、図３に示したプロトタイプの測距装置の動作説明に供するタイミングチャートである。待機期間Ｔ０では、スイッチＳＷがオン状態にあり、入力ノードが接地されているのでＶｓｗｐはゼロレベルにある。したがって駆動電流Ｉｌｅｄが流れないので発光強度Ｌもゼロである。また、受光部７側は対象物から何ら受光しないので、比較器Ｃ１またはＣ２の出力はない。続いてタイミングＴ１で測距が起動すると、シーケンサー９は制御パルスを出力してスイッチＳＷをオンからオフにする。これにより、定電流源ｉから供給された電流が負荷容量Ｃに充電され始めるので、入力ノードの電位Ｖｓｗｐは低レベルから高レベルに向かって直線的に上昇していく。これに伴いＩｌｅｄ＝Ｖｓｗｐ／Ｒｌｅｄで表される駆動電流が低レベルから高レベルに向かって掃引され、結果として発光強度Ｌが徐々に増加していく。これに合わせ、受光部７側での受光量も増加していく。
【００３０】
タイミングＴ２になると、受光量に対応した検出電流Ｉ１，Ｉ２のレベルが予め設定した参照電圧Ｖｒｅｆを越えるようになる。この参照電圧Ｖｒｅｆは受光量が測距に適した範囲となるように予めシーケンサー９側で設定されている。検出信号Ｉ１，Ｉ２のレベルがＶｒｅｆを越えた時点で、比較器Ｃ１，Ｃ２の出力がローレベルからハイレベルに反転する。これに応じシーケンサー９は制御パルスを解除し、スイッチＳＷはオフからオンになる。入力ノードはスイッチＳＷにより接地されるので、Ｖｓｗｐは急激にゼロレベルに落ちる。したがって発光強度Ｌもゼロとなる。実際にはタイミングＴ２の段階の発光強度Ｌをしばらく保持しながら測距を行うことで、必要な距離データが得られる。その後でシーケンサー９は制御パルスを解除し、発光素子を消灯することになる。
【００３１】
以上の説明から明らかなように、発光スタートのタイミングＴ１でＶｓｗｐの電圧を時間と共に拡大スイープする。例えば対応する駆動電流Ｉｌｅｄが０ｍＡ〜１．２Ａまで変化するようスイープする。同時に、受光部７側に戻ってくる反射光量を比較器Ｃ１，Ｃ２でモニタし、測距をするための光量として充分な受光量に達したら、スイープを停止して発光を終わらせる。受光部７側の受光量モニタリングは、検出電流Ｉ１，Ｉ２をそれぞれモニタし両方とも参照電圧Ｖｒｅｆ以上となることで、判定を下す。あるいは簡易的に、受光素子５の合計光量を表すＩ１＋Ｉ２を一個の比較器でモニタしてもよい。また、判別のためのレベルを決めるＶｒｅｆは、周囲の明るさや温度などにより補正を適宜加えるようにしてもよい。
【００３２】
図３に示したプロトタイプの測距装置は、駆動電流Ｉｌｅｄを連続的に掃引しながら測距に適したレベルを求め、これを保持固定して実際の測距を行う。いわゆるアナログ方式である為、測距に適した駆動電流を保持固定する為、駆動回路１０は容量ＣやスイッチＳＷなどからなるサンプルホールド回路が必要になる。また、アナルグ方式なので、必ずしも精密に駆動電流を制御できない。そこで本発明は、このアナログ方式のプロトタイプを改良し、デジタル方式の測距装置を提供するものである。図５は、本発明にかかるアクティブ測距装置の実施形態を示す回路図である。理解を容易にする為、図３に示したアナログ方式のアクティブ測距装置と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示するように、デジタル方式の本アクティブ測距装置は、対象物に対して光束を投光する投光部６と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号Ｉ１，Ｉ２を出力する受光部７と、検出信号Ｉ１，Ｉ２に基づいて対象物までの測距を行う演算回路（演算部）８と、投光部６及び受光部７の動作を制御するシーケンサー（制御部）９とで構成されている。
【００３３】
投光部６はＬＥＤなどからなる発光素子１と駆動回路１０とで構成されている。二端子型発光素子１のアノードは電源Ｖｃｃに接続され、カソードは駆動回路１０に接続されている。駆動回路１０は２入力１出力型の増幅器（オペアンプ）Ａと駆動トランジスタＴｒと負荷抵抗Ｒｌｅｄとで構成されている。駆動トランジスタＴｒのコレクタは発光素子１のカソードに接続し、エミッタは負荷抵抗Ｒｌｅｄを介して接地されている。トランジスタＴｒのベースは増幅器Ａの出力端子に接続している。増幅器Ａの一方の入力端子（入力ノード）には段階的に変化する制御電圧が印加され、他方の入力端子はトランジスタＴｒのエミッタに接続している。
【００３４】
駆動回路１０は、さらに複数個の定電流源１４とスイッチ手段１５と抵抗Ｒとを備えている。本実施形態では定電流源１４が５個用いられており、それぞれ定電流ｉ，２ｉ，４ｉ，８ｉ，１６ｉを供給する。スイッチ手段１５は５個のスイッチからなり、各々対応する定電流源と増幅器Ａの入力ノードとの間に接続されている。抵抗Ｒは同じく入力ノードと接地電位との間に接続されている。５個のスイッチからなるスイッチ手段１５は、シーケンサー９からの制御に応じて５個の定電流源１４を選択的に組み合わせて、レベルがｉから３１ｉまで段階的に切り替わるステップ電流Ｉｓｔｐを生成する。このステップ電流Ｉｓｔｐは抵抗Ｒを通って接地ラインに流れる。したがって、抵抗Ｒの両端に現れる電圧はＲ・Ｉｓｔｐ＝Ｒ・ｎｉ（ｎは１〜３１）で表される。この電圧Ｒ・ｎｉが制御電圧として増幅器Ａの入力ノードに印加される。増幅器ＡはＶｌｅｄ＝Ｉｌｅｄ・Ｒｌｅｄが制御電圧Ｒ・ｎｉと同じになる様に、増幅動作を行う。したがってＩｌｅｄ・Ｒｌｅｄ＝Ｒ・ｎｉから、Ｉｌｅｄ＝Ｒ・ｎｉ／Ｒｌｅｄで表される。ｎが１〜３１まで段階的に変化するので、ゲインＲ／Ｒｌｅｄで増幅された駆動電流Ｉｌｅｄもそのレベルが１〜３１まで段階的に変化する。以上により、駆動回路１０はＩｌｅｄ＝Ｒ・ｎｉ／Ｒｌｅｄで規定される駆動電流Ｉｌｅｄを発光素子１に流す。この結果、発光素子１はＩｌｅｄに応じて段階的に変化する輝度で発光する。
【００３５】
受光部７は受光素子５と一対の増幅器Ａ１，Ａ２とで構成されている。受光素子５は例えば２分割ＳＰＤからなり、対象物から戻ってきた光の受光位置に応じた光信号を一対の電極から出力する。増幅器Ａ１，Ａ２は受光素子５の各電極から出力された光信号を増幅し、検出信号Ｉ１，Ｉ２として演算回路８側に出力する。各増幅器Ａ１，Ａ２の入出力端子間には、定常成分を引き抜く為のＤＣＣが接続されている。
【００３６】
演算回路８は受光部７から出力された検出信号Ｉ１，Ｉ２の差演算を行って測距データを得る。この測距データはサンプルホールド回路１２でサンプルホールドされた後、アンプＡ３を介して機器本体側に出力される。
【００３７】
シーケンサー９は投光部６側のスイッチ手段１５を切り替え制御する為の制御信号を供給すると共に、一対の比較器Ｃ１，Ｃ２を備えている。比較器Ｃ１の正入力端子には受光部７側から検出電流Ｉ１が供給され、他方の入力端子にはシーケンサー９側から所定の参照電圧Ｖｒｅｆが供給される。比較器Ｃ１の出力端子はシーケンサー９に接続されている。同様に比較機器Ｃ２の正入力端子は受光部７側から検出電流Ｉ２が供給され、負入力端子にはシーケンサー９側から所定の参照電圧Ｖｒｅｆが供給され、出力端子はシーケンサー９に接続されている。かかる構成において、シーケンサー９及び一対の比較器Ｃ１，Ｃ２などで構成される制御部は、投光部６の駆動回路１０を制御して駆動電流Ｉｌｅｄのレベルを段階的に切り替えて投光を行うと共に、受光部７の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、この検出されたレベルの駆動電流Ｉｌｅｄを用いて測距を実行し、且つサンプルホールド回路１２のスイッチＳＷ１を制御して測定結果を確定する。
【００３８】
図６は、ステップ電流Ｉｓｔｐの時間変化を示すグラフである。本実施例では、ステップ電流Ｉｓｔｐを高レベル（３１ｉ）から低レベル（ｉ）に向かって段階的に切り替えている。例えばシーケンサー９によって５個の定電流源１４を全てオンすると、ステップ電流Ｉｓｔｐはｉ＋２ｉ＋４ｉ＋８ｉ＋１６ｉ＝３１ｉとなって最大レベルのステップ電流Ｉｓｔｐ＝３１ｉを出力する。また、５個の定電流源１４のうち一番出力の小さな定電流源を選択すると、ステップ電流Ｉｓｔｐ＝ｉとなって、最小レベルの電流が得られる。この様に、シーケンサー９はスイッチ手段１５を適切に切り替え制御して、ステップ電流Ｉｓｔｐのレベルが３１ｉ〜ｉまで段階的に減少するように制御している。これに応じ、駆動電流Ｉｌｅｄも段階的に高レベルから低レベルまで変化する。これと同時に、受光部７側に戻ってくる反射光量を比較器Ｃ１，Ｃ２でモニタし、測距をする為の光量として必要且つ充分な受光量に達したら、駆動電流の段階的な切り替えを停止する。受光部７側の受光量モニタリングは、検出信号Ｉ１，Ｉ２をそれぞれモニタし両方とも参照電圧Ｖｒｅｆ以上となることで判定を下す。あるいは簡易的に、受光素子５の合計光量を表すＩ１＋Ｉ２を１個の比較器でモニタしても良い。また、判別の為のレベルを決める参照電圧Ｖｒｅｆは、周囲の明るさや温度などにより補正を適宜加える様にしても良い。
【００３９】
図７は、投光部６に含まれる駆動回路１０の他の実施形態を示す回路図である。図５に示した先の実施形態では。オペアンプＡを用いてステップ電流Ｉｓｔｐを増幅し駆動電流Ｉｌｅｄを得ていた。この方式は抵抗Ｒにステップ電流Ｉｓｔｐを流し、その時生じる電圧降下分をオペアンプＡの入力ノードに供給するものである。その際、３２レベル分の分解能を得る為、抵抗Ｒの一端に加わる電源電圧Ｖｃｃをある程度高く設定しなければならない。そこで図７に示した実施形態では、オペアンプに代えてカレントミラー回路をカスケード接続することで、増幅回路を構成している。この様にすれば、電源電圧Ｖｃｃを低電圧化する事が可能である。具体的に見ると、複数個の定電流源１４とスイッチ手段１５とによって生成されるステップ電流Ｉｓｔｐは、三段に接続されたカレントミラー回路Ｍ１、Ｍ２，Ｍ３を介して、駆動トランジスタＴｒのベースに供給される。例えば第一段のカレントミラー回路Ｍ１の増幅率は２０対１である。第二段のカレントミラー回路Ｍ２の増幅率は例えば１０対１に設定されている。三段目のカレントミラー回路Ｍ３の増幅率は５対１に設定されている。この結果１０００倍に増幅されたステップ電流Ｉｓｔｐが駆動トランジスタＴｒに流れる。本実施形態は、純粋に電流増幅回路で投光部の駆動回路１０を構成する事ができる。
【００４０】
図８は、本発明にかかる測距装置をＩＣに組み込んだ実施例を示す回路図である。図示するように、測距ＩＣは、８つの接続端子を備えている。この内、入力端子ＩＲＤには外付けの発光素子１が接続する。又制御端子ＣＮＴＲ及びＡＤＪは外部から制御信号ＣＮＴＲ及びＡＤＪを夫々入力する。出力端子Ｄｏｕｔは測距結果を示す出力信号Ｄｏｕｔを外部に出力する。本実施例では、この測距結果を表す信号は二値であり測定対象物が遠近いずれかに位置する事を示す。電源端子ＶＢは外部から電源電位ＶＢを供給する。接地端子ＧＮＤは接地される。残りの端子ＯＳＣには外付けの容量が接続される。また端子Ｖｒｅｆにも外付けの抵抗が接続される。
【００４１】
測距ＩＣは受光素子５として２分割型のＳＰＤを内蔵している。この２分割ＳＰＤには内蔵ヘッドアンプ１１が接続されている。ヘッドアンプ１１は加算（＋）と減算（−）に切り替え可能である。加算側では、２分割ＳＰＤから出力される信号を加算して増幅する。その出力結果は受光量モニタリングに用いる。一方減算側は一対のＳＰＤの差分を求めこれを増幅する。その出力結果は測距に用いられる。具体的には、対象物の遠近判定に用いられる。ヘッドアンプ１１の出力には増幅器１７，１８が二段に接続され、その後にサンプルホールド回路１２が接続されている。ヘッドアンプ１１からの出力は二段のアンプ１７，１８で増幅された後、サンプルホールド回路１２でサンプルホールドされる。各増幅器１７，１８には受光信号からバックグランドをキャンセルする為に参照電圧Ｖｒｅｆ１が供給されている。サンプルホールド回路１２には比較器Ｃが接続されており、その比較結果は内部信号Ｃｏｕｔとして出力される。比較器Ｃはサンプルホールド回路１２に保持された信号と所定の参照電圧Ｖｒｅｆ２を比較する。この比較器Ｃは受光量判定と遠近判定の両方に用いられる。その際、参照電圧Ｖｒｅｆ２は適宜切り替えられる。
【００４２】
測距ＩＣは赤外ＬＥＤなどからなる発光素子１を外付けしている。この発光素子１には内蔵駆動回路１０が接続している。この内蔵駆動回路１０は各々レベルの異なる定電流を出力する複数個の定電流源１４と、複数個の定電流源１４を選択的に組み合わせて、レベルが段階的に切り替わるステップ電流Ｉｓｔｐを生成するスイッチ手段１５と、生成されたステップ電流Ｉｓｔｐを増幅し駆動電流Ｉｌｅｄとして発光素子１に供給する増幅手段とで構成されている。本実施例ではこの増幅手段はカスケード接続されたカレントミラー回路からなる。
【００４３】
測距ＩＣはさらに内蔵のシーケンサー９として制御ロジック回路を含んでいる。この制御ロジック回路は制御信号ＣＮＴＲ，ＡＤＪと内部信号Ｃｏｕｔに応じて動作し、測距結果を表す出力信号Ｄｏｕｔを出力する。その際、制御ロジック回路はヘッドアンプ１１に対して加算／減算切り替えを行う。また比較器Ｃに対して必要に応じ参照電圧Ｖｒｅｆ２の切り替えを行う。加えて駆動回路１０に対して駆動電流（発光電流）の段階的な切り替え制御を行う。なお、制御ロジック回路９には発振回路ＯＳＣが接続されており、１０ｋＨｚないし１５０ｋＨｚの動作用クロック信号を供給している。加えて測距ＩＣはレギュレーターＶｒｅｇを備えており、電源端子ＶＢを介して外部から供給される電源電圧ＶＢを調整して、内部電源電圧Ｖｃｃを生成している。本実施例では外部電源電圧ＶＢは６〜２．４Ｖである。これに対し内部電源電圧Ｖｃｃは２．２Ｖに調整されている。
【００４４】
図９は、図８に示した測距ＩＣの動作説明に供するタイミングチャートである。時間軸Ｔに沿って外部電源電圧ＶＢ、外部制御信号ＣＮＴＲ，ＡＤＪ、駆動電流Ｉｌｅｄ、内部信号Ｃｏｕｔ及び出力信号Ｄｏｕｔの変化を表している。なお内部信号Ｃｏｕｔは外部信号と区別するためカッコを付けてある。合わせて内部リセット信号Ｒｅｓｅｔもタイミングチャートに載せてある。タイミングＴ０で電源が挿入され、外部電源電圧ＶＢが立ち上がる。これに合わせ、出力信号Ｄｏｕｔ及び内部信号Ｃｏｕｔがハイレベルに初期化される。電源投入に合わせパワーオンリセットがかかり内部リセット信号Ｒｅｓｅｔが立ち上がる。これにより、測距ＩＣに内蔵されている制御ロジック回路９などにリセットがかかり、待機状態となる。例えばヘッドアンプが加算側にリセットされる。
【００４５】
続いてタイミングＴ１で外部制御信号ＣＮＴＲ及びＡＤＪが立ち上がると、動作を開始する。第一段階としてまず駆動電流Ｉｌｅｄの設定動作が行われる。具体的には、タイミングＴ１からタイミングＴ４に向かって駆動電流Ｉｌｅｄが高レベルから低レベルまで段階的に切り替えられる。これに応じて受光量が段階的に下がっていく。始めにタイミングＴ１−Ｔ２の間で最大レベルの駆動電流Ｉｌｅｄが出力される。これに応じ受光量は通常の場合適切な量を表すＶｒｅｆ２よりも超えているので内部信号Ｃｏｕｔはハイレベルからローレベルに切り替わる。以後Ｉｌｅｄは段階的に低下していくが依然として適切なレベルを上回っているのでＣｏｕｔはローレベルに止まっている。タイミングＴ３まで来たときＩｌｅｄが適切なレベルに達したので、内部信号Ｃｏｕｔはローレベルからハイレベルに切り替わる。この時の駆動電流Ｉｌｅｄのレベルが測距用に設定される。この後タイミングＴ４で制御信号ＡＤＪがハイレベルからローレベルに戻り、第一段階が終了する。
【００４６】
引き続きタイミングＴ４以降第二段階の測距動作が行われる。その際、制御ロジック回路はヘッドアンプを減算側に切り替えるとともに、参照電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２を受光量検出用から測距用に切り替える。続いて測距であるが、具体的にはタイミングＴ４〜Ｔ５まで発光素子を所定回数（本実施例では１２８）発光させる間、内部比較信号Ｃｏｕｔの出力をカウントする。Ｃｏｕｔはハイレベルのとき対象物が遠距離にある事を表し、ローレベルのとき対象物が近距離にある事を表す二値信号である。Ｃｏｕｔのカウント結果が、例えば１２８／２＋１回以上ローレベルなら、出力信号Ｄｏｕｔをローレベルとして対象物が近距離にある事を表す。この出力判定を１２８回発光を繰り返す毎に行う。例えばタイミングＴ４からタイミングＴ５までの第１回判定では、Ｄｏｕｔがハイレベルにあり、対象物が遠距離にある事を判定している。次のタイミングＴ５−Ｔ６では、内部信号Ｃｏｕｔがハイレベルとローレベルで変動しているが、依然としてハイレベルのカウント数が多いので、Ｄｏｕｔはハイレベルに位置している。次のタイミングＴ６以降になるとＣｏｕｔのカウントが逆転し、ローレベルの回数が増え、Ｄｏｕｔもこれに応じてハイレベルからローレベルに切り替わっている。即ちタイミングＴ４以降の過程は、対象物が遠方から接近してくる状態を表しており、丁度タイミングＴ６で対象物が遠距離範囲から近距離範囲に入った事を表している。
【００４７】
以上の動作から明らかなように、本発明の測距ＩＣは必要以上に赤外ＬＥＤ素子の駆動電流を流す事なく、赤外ＬＥＤ素子の長寿命化が図れ、且つ特別仕様の高価な高耐久性赤外ＬＥＤ素子を使用しなくても、通常の安価な赤外ＬＥＤ素子を用いる事ができる。なお図８の実施例ではＩＣ化された回路のロジックで制御を行っているが、これに代えてＣＰＵでソフト的に制御を行っても良い。
【００４８】
図１０は、本発明にかかる測距装置の一応用例を示す模式図であり、人検知センサーとして用いられる。図示するように、壁面３２に備え付けられた小便器３１には、小便器３１に洗浄水を供給するための給水管３３と、汚水を排出するための配水管３４とが接続されている。給水管３３の途中には電磁弁３５が配設されている。電磁弁３５は図示しないコイルと同コイルに設けた弁体とを有し、コイルの非励磁時（通常の状態）には閉弁されて給水管３３を遮断すると共に、コイルの励磁と共に開弁して給水管３３を開通させるようにオン／オフ制御される。そして、この電磁弁３５の開弁動作によって給水管３３を通して小便器３１に洗浄水が供給される。小便器３１の上方には本発明にかかる測距装置０が配設されており、これにて小便器３１の使用者の有無が検知される。制御回路３７はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータであり、小便器３１の上方において壁面３２に埋設されている。同制御回路３７には測距装置０及び電磁弁３５が接続されており、制御回路３７は測距装置０の検知結果を入力し、その検知結果に基づいて電磁弁３５に対し駆動信号を出力する。即ち、使用者が所定の距離範囲に入った後、立ち去った時点で洗浄水を流すように制御する。
【００４９】
図１１は、本発明にかかる測距装置の他の応用例を示す模式図である。図１１は、自動取引装置の１つの実施形態であるＡＴＭの外観構成を示す斜視図である。このＡＴＭは少なくとも前面部が屋外などに露出するように設置されるものであり、装置本体には、シャッタにより開閉自在な紙幣入出金口４１、利用者との対話用の表示装置としてのＣＲＴ４２及びキー入力部４３、利用者認証用のカードが装着されるカード装着部４４、装置本体の前面部に配設された対人センサーとしての測距装置０などが備えられ、本体内には紙幣処理部が搭載されている。測距装置０は投光部６及び受光部７からなる。ＡＴＭは使用者が居ないとき待機状態もしくは節電状態におかれる。この場合でも測距装置０は動作状態にある。測距装置０が使用者の接近を感知すると、ＡＴＭは待機状態から稼動状態に復帰する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】測距装置の参考例を示す回路図である。
【図２】測距装置の他の参考例を示す回路図である。
【図３】測距装置の別の参考例を示す回路図である。
【図４】図３に示した参考例の動作説明に供するタイミングチャートである。
【図５】本発明にかかる測距装置の実施形態を示す回路図である。
【図６】図５に示した実施形態の動作説明に供する模式図である。
【図７】本発明にかかる測距装置の他の実施形態の主要部を示す回路図である。
【図８】本発明にかかる測距装置の実施例を示す回路図である。
【図９】図８に示した実施例の動作説明に供するタイミングチャートである。
【図１０】本発明にかかる測距装置の一応用例を示す模式的な断面図である。
【図１１】同じく他の応用例を示す模式的な斜視図である。
【図１２】従来の測距装置の原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
０・・・測距装置、１・・・発光素子、５・・・受光素子、６・・・投光部、７・・・受光部、８・・・演算回路、９・・・シーケンサー、１０・・・駆動回路、１４・・・定電流源、１５・・・スイッチ手段、Ａ・・・増幅器、Ｍ・・・カレントミラー回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対して光束を投光する投光部と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号を出力する受光部と、該検出信号に基づいて該対象物までの測距を行う演算部と、該投光部及び受光部の動作を制御する制御部とからなる測距装置であって、
前記投光部は、駆動電流に応じて光束を放射する発光素子と、該発光素子に駆動電流を供給する駆動回路とを含み、
前記制御部は、該投光部の駆動回路を制御して該駆動電流のレベルを段階的に切り替えて投光を行なうとともに、該受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、該検出されたレベルの駆動電流を用いて測距を行うことを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記制御部は、高レベルから低レベルに向かって該駆動電流のレベルを段階的に切り替えることを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、各々レベルの異なる定電流を出力する複数個の定電流源と、該制御部からの制御に応じて該複数個の定電流源を選択的に組み合わせて、レベルが段階的に切り替わる電流を生成するスイッチ手段と、該生成された電流を増幅し駆動電流として該発光素子に供給する増幅手段とからなることを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項４】
前記増幅手段は、カレントミラー回路からなることを特徴とする請求項３記載の測距装置。
【請求項１】
対象物に対して光束を投光する投光部と、対象物から反射して戻ってくる光束を受光して検出信号を出力する受光部と、該検出信号に基づいて該対象物までの測距を行う演算部と、該投光部及び受光部の動作を制御する制御部とからなる測距装置であって、
前記投光部は、駆動電流に応じて光束を放射する発光素子と、該発光素子に駆動電流を供給する駆動回路とを含み、
前記制御部は、該投光部の駆動回路を制御して該駆動電流のレベルを段階的に切り替えて投光を行なうとともに、該受光部の受光量をモニタして測距に適したレベルを検出し、該検出されたレベルの駆動電流を用いて測距を行うことを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記制御部は、高レベルから低レベルに向かって該駆動電流のレベルを段階的に切り替えることを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、各々レベルの異なる定電流を出力する複数個の定電流源と、該制御部からの制御に応じて該複数個の定電流源を選択的に組み合わせて、レベルが段階的に切り替わる電流を生成するスイッチ手段と、該生成された電流を増幅し駆動電流として該発光素子に供給する増幅手段とからなることを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項４】
前記増幅手段は、カレントミラー回路からなることを特徴とする請求項３記載の測距装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２４２７２８（Ｐ２００６−２４２７２８Ａ）
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５８３４５（Ｐ２００５−５８３４５）
【出願日】平成１７年３月３日（２００５．３．３）
【出願人】（０００００１２２５）日本電産コパル株式会社 (755)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３日（２００５．３．３）
【出願人】（０００００１２２５）日本電産コパル株式会社 (755)
【Ｆターム（参考）】
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