JPH0219403B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光の入射位置を検出することができ
る半導体位置検出装置等を用いた、特に近距離の
位置検出に適した距離検出装置に関する。

（従来の技術） 半導体位置検出装置を用いた距離検出装置が知
られている。

第４図は半導体位置検出装置を用いた距離検出
装置の原理を説明するための略図である。

光源PDから光は、投光レンズL₁を介して前方
空間に投射される。

前方空間の物体Obからの反射光は前記投光レ
ンズL₁から一定基線長Ｄだけ離れた位置で受光
レンズL₂を介して半導体位置検出装置PSDに入
射する。半導体位置検出装置PSDは、基線長方
向に中心をレンズL₂の光軸に一致させて配置さ
れている。

半導体位置検出装置PSDの有効長を2lとし光の
入射点が受光レンズL₂の光軸からΔxだけ離れた
位置であつたとすると、両端子から流出する電流
I₁，I₂間に次の関係が成立する。

I₁（ｌ−Δx）＝I₂（ｌ＋Δx） したがつて、 Δx／ｌ＝（I₁−I₂）／（I₁＋I₂） となり、さらに Δx／ｐ＝Ｄ／Ｌの関係が成立するから物体Ob
までの距離を電流I₁，I₂から算出することができ
る。

特開昭56−143904号（発明の名称オプトエレク
トロニクス距離測定装置）は前記原理に基づくも
のであつて、多数の反射面を利用した距離測定装
置を提案している。

また特開昭60−52710号（発明の名称距離検知
装置）は光の入射位置を検出することができる半
導体位置検出装置等を用いるものではないが、同
様に３角測量の原理に基づく距離検知装置におい
て、装置を小形にするために、円筒内面を反射面
として用いる提案をしている。

この装置はモアレトポグラフイ装置としての応
用を予定している。そして、一つのレンズと前記
反射面を介して光源からの像を投影し、その反射
光を前記反射面とレンズを介して受け入れて評価
するように構成されている。

（発明が解決しようとする問題点） 本件発明者は前記距離検知装置の原理を利用
し、半導体位置検出装置を用いて距離検出をする
場合の問題点について検討した。

第５図は本件発明者が問題点検討のために作成
した距離検出装置の略図である。

光源４からの光は、レンズ２を介して前方の被
測定物６に投射される。

ａの位置にある被測定物６から反射光を円筒鏡
１の内面で反射させ、再びレンズ２により集光さ
れて、半導体位置検出装置３および５に入射させ
られる。

なお原理的にはいずれかの半導体位置検出装置
のみで測定は可能である。

被測定物が二点鎖線で示すｂの位置にΔZだけ
移動すると、光線は二点鎖線で示す光路を辿り、
半導体位置検出装置３および５上において、Δx
だけ光軸から離れた方向に移動した位置に集光さ
れる。

前述のようにして半導体位置検出装置３の出力
電流を演算することにより被測定物６までの距離
を検出することができる。

受光レンズ２の焦点距離を長くし、半導体位置
検出装置３を(B)の位置から、点線で示す位置
（B′）に移動させれば、測距分解能を上げること
ができる。

半導体位置検出装置３をB′の位置に配置する
ことにより、被測定物６の移動量（ΔZ）に対す
る半導体位置検出装置３上での集光位置の移動量
はΔxからΔx′に拡大される。それ等の間には次
の(1)式の関係が成立する。

Δx′＝（B′／Ｂ）Δx ……(1) 第６図は前記距離検出装置で形成される光路を
示す略図である。

半導体位置検出装置３および５に入射する距離
測定に寄与しない光と信号光の総和（I₀）は次の
式で与えられる。

I₀＝In₀＋Is＋In₁＋Ine ……(2) In₀：光源４の光束がレンズ２の表面および裏面
で反射し回り込んでくる光 Is：被測定物６からの反射光が円筒鏡１の内面で
反射しレンズ２で集光される信号光（図示せ
ず） In₁：被測定物からの反射光のうち円筒鏡１で反
射せず直接レンズ２に入射し回り込んでくる光 Ine：光源４以外の外来光の一部 前記I₀のうち距離情報を有している光はIsのみ
で、他の光は接続した回路系で距離演算を実行す
る際、有害な成分となり、測距誤差を生じさせる
要因となる。

この内、外来光（Ine）は光源の発光波長以外
の波長領域の光を光学バンドフイルタにより大部
分除去できる。また、光源をパルス点燈させ、光
学バンドフイルタを透過してきた光を半導体位置
検出装置３および５で光電変換後、同期検波する
ことにより除去することができる。

これに対し、In₀とIn₁は電気的な演算回路系で
の除去は困難であり、レンズ２に反射防止膜をコ
ーテイングするとか、光学系の内部に吸収塗料を
塗布して内部反射を小さくする方法があるが、そ
の効果は小さい。

また、円筒鏡の内面を鏡面とする作業は容易で
なく、製造コストの増加の原因となり得る。

この装置で前述したように、レンズ２の焦点距
離を長くすると、測距分解能を向上させることが
できるが、形状が大きくなり円筒鏡による小型化
の効果がなくなつてしまうという問題がある。

本発明の目的は、前述した装置の問題を解決す
ることができ、小形化に適した距離検出装置を提
供することにある。

（問題を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明による距離
検出装置は、光源からの光を投光レンズを介して
前方空間に投射し、前方からの反射光を前記投光
レンズから一定基線長離れた位置で受光レンズを
介して入射位置を検出することができる受光素子
で受光し、その出力を演算回路により処理して前
方空間の反射物体までの距離の情報を得る距離検
出装置において、前記受光レンズの前方に前記反
射物体からの光を前記投光レンズの光軸方向に屈
折させる屈折力をもつ光学素子を配置して構成さ
れている。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく
説明する。

第１図は本発明による距離検出装置の主として
光学系の実施例との光路を示す図である。

投光レンズ１２はレンズ７と光軸が一致させら
れて配置されている。

レンズ７は凸レンズの中心部を除去して形成し
たものである。

光源１３からの光は投光レンズ１２で集束さ
れ、前記レンズ７の中心の除去された部分を通つ
て前方の被測定物６を照射する。

被測定物６から反射光は、レンズ７で光束が前
記投光レンズの光軸方向との角度を小さくする方
向に屈折されて、受光レンズ８および９に入射さ
せられる。

各受光レンズ８および９で集束された光は、そ
れぞれ半導体位置検出装置１０および１１の受光
面上に投射される。

この光学系において、第１図の破線の示す位置
までの距離Ｚは、光学的近軸光線領域の計算法を
用いると次の式で与えられる。

Ｚ＝（bf₂−eΔx）f₁ ／（bf₂−eΔx＋f₁Δx） ……(3) ここで f₁：対物レンズ７の焦点距離 f₂：受光レンズ８，９の焦点距離 ｅ：対物レンズと受光レンズ８，９とのレンズ間
隔 Δx：半導体位置検出装置１０および１１の電気
的中心位置から集光されたスポツト光の重心位
置までの距離 ｂ：対物レンズ７および投光レンズ１２の光軸と
受光レンズ８および９の光軸との間隔（三角測
量法の基線長に相当） Ｚ：対物レンズ７から被測定物６までの距離 なお(3)式でΔx＝０時、被測定物６までの距離
（Z₀）はf₁と等しくなる。

ここで距離分解能を上げるためには、Ｚの変化
量（ΔZ）に対するスポツト光の移動量（Δx）の
比を大きくすればよい。ΔZは(4)式より求まる。

ΔZ＝Z₀−Z₁ ＝f₁ ²Δx／（bf₂−eΔx＋f₁Δx） ……(4) (4)式においてf₂≫ΔxのときΔZは(5)式になる。

ΔZ＝f₁ ²Δx／bf₂ ……(5) (5)式より変化量ΔZのΔ×の比は(6)式になる。

Δx／ΔZ＝bf₂／f₁ ² ……(6) (6)式より明らかなように、対物レンズ７の焦点
距離f₁と基線長ｂが一定の場合、距離分解能は受
光レンズ８および９の焦点距離f₂に略比例して高
くなる。

第１図において、f₂が長くなつても基線長方向
の大きさは一定のままで、Ｚ方向の長さを変える
だけでよい。

第２図は、前記光学系により半導体位置検出装
置上に形成された光点の位置を計算して、距離Ｚ
を算出する演算回路の実施例を示すブロツク図で
ある。

光源７として赤外線発光ダイオード（たとえは
浜松ホトニクス株式会社のL1909型）を用いる。
駆動回路１４は前記光源７をパルス発光させるた
めの駆動回路である。

半導体位置検出装置１０および１１として、
PSD、たとえば浜松ホトニクス株式会社のS2153
型を用いる。

それぞれの半導体位置検出装置１０，１１は同
一の形状と感度をもちレンズ７の光軸に対象に配
置されている。

各半導体位置検出装置１０，１１に入射する光
量が等しく、かつ入射位置は対象であるとし、各
半導体位置検出装置１０，１１の光源１３よりの
電極から取り出される電流をそれぞれi₁、外側よ
りの電極から取り出される電流をそれぞれi₂とす
る。各半導体位置検出装置１０，１１の外側の電
極および内側の電極はそれぞれ共通に接続されて
いる。

このような接続するのは、出力電流を２倍にし
て、検出感度を向上させるためである。

内側の電極から取り出された電流2i₁＋in（ただ
しinは外来光電流）と、外側の電極から取り出さ
れた電流2i₂＋inはそれぞれ、信号電流抜取回路
１５および１６によつて信号電流2i₁および2i₂の
みが抜き取られ増幅された後、対数変換回路１７
および１８によつて対数圧縮されて、差動アンプ
１９によつて logi₂−logi₁＝logi₂／i₁ の演算が行われる。

この演算値はサンプルホールド回路２０によつ
てホールドされ、これに基づいて距離Ｚに対応す
るデータを得ることができる。

第３図Ａに第１図に示した光学系の半分の光学
系を示す。

前述したように対象な光学系と一対の半導体位
置検出装置を設けるのは、検出感度向上させるた
めである。したがつて、十分な反射光の得られる
ときには第３図Ａに示した光学系に光源と半導体
位置検出装置を対応させることにより、同様な距
離検出が可能になる。

第３図Ｂに示すように、前記レンズ７の部分を
プリズム３０に置き換えても同様な効果が得られ
る。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように、本発明による距離
検出装置は、光源からの光を投光レンズを介して
前方空間に投射し、前方からの反射光を前記投光
レンズから一定基線長離れた位置で受光レンズを
介して入射位置を検出することができる受光素子
で受光し、その出力を演算回路により処理して前
方空間の反射物体までの距離の情報を得る距離検
出装置において、前記受光レンズの前方に前記反
射物体から光を前記投光レンズの光軸方向に屈折
させる屈折力をもつ光学素子を配置して構成して
ある。

そのため、前記投光レンズからの光は前記光学
素子による影響を受けないので、投光に関連する
雑音を大幅に少なくすることができる。

また前記光学素子を一対設けて光の入射位置を
検出する装置を対応させれば、検出感度を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による距離検出装置の主として
光学系の実施例とその光路を示す図である。第２
図は本発明による距離検出装置の主として演算回
路の実施例を示すブロツク図である。第３図は光
学系の他の実施例を示す光路図であつて、同図Ａ
は屈折力をもつ光学素子をレンズの部分を用いて
実現した場合、同図Ｂはプリズムを用いて実現し
た場合の例である。第４図は半導体位置検出装置
を用いた距離検出装置の原理を説明するための略
図である。第５図は本件発明者が問題点検討のた
めに作成した距離検出装置の略図である。第６図
は前記距離検出装置に形成される光路を示す略図
である。 ６……被測定物、７……レンズ、８，９……受
光レンズ、１０，１１……半導体位置検出装置、
１２……投光レンズ、１３……光源、１４……光
源駆動回路、１５，１６……信号電流抜取回路、
１７，１８……対数変換回路、１９……作動増幅
器、２０……サンプルホールド回路、３０……プ
リズム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源からの光を投光レンズを介して前方空間
   に投射し、前方からの反射光を前記投光レンズか
   ら一定基線長離れた位置で受光レンズを介して入
   射位置を検出することができる受光素子で受光
   し、その出力を演算回路により処理して前方空間
   の反射物体までの距離の情報を得る距離検出装置
   において、前記受光レンズの前方に前記反射物体
   からの光を前記投光レンズの光軸方向に屈折させ
   る屈折力をもつ光学素子を配置して構成したこと
   を特徴とする距離検出装置。 ２ 前記光学素子は前記投光レンズの前方で前記
   投光レンズと光軸を一致させられて設けられ、前
   記投光レンズの前方が貫通させられている正レン
   ズである特許請求の範囲第１項記載の距離検出装
   置。 ３ 前記距離検出装置の検出範囲と精度は前記投
   光レンズの前方が貫通させられている正レンズの
   焦点距離と受光レンズの焦点距離と基線長により
   決定される特許請求の範囲第２項記載の距離検出
   装置。 ４ 前記光学素子は反射光を投影光の光軸に平行
   に近づく方向に屈折させるプリズムである特許請
   求の範囲第１項記載の距離検出装置。 ５ 前記受光素子は半導体位置検出装置である特
   許請求の範囲第１項記載の距離検出装置。 ６ 光源からの光を投光レンズを介して前方空間
   に投射し、前方からの反射光を前記投光レンズか
   ら一定基線長離れた位置で受光レンズを介して入
   射位置を検出することができる受光素子で受光
   し、その出力を演算回路により処理して前方空間
   の反射物体までの距離の情報を得る距離検出装置
   において、前記受光レンズは前記投光レンズの光
   軸対象の位置に一対設けられ、前記各受光レンズ
   の前方に前記反射物体からの光を前記投光レンズ
   の光軸方向に屈折させる屈折力をもつ一対の光学
   素子を配置し、前記受光素子は前記受光レンズに
   対してそれぞれ配置され、前記受光素子の出力は
   出力が加算されるように前記演算回路で処理され
   ることを特徴とする距離検出装置。