JPH0621789B2 - 距離検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被測定物からの光を光点として入射し、この光
点の位置を検出する半導体位置検出器を用い、この半導
体位置検出器からの出力にもとづいて被測定物までの距
離を検出する距離検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、光源から被測定物に光を投射し、この光源から一
定距離だけ離れた位置に設けられた半導体位置検出器で
反射光を受け、被測定物までの距離を検出する能動距離
検出装置が知られている。

第４図はかかる距離検出装置の光学系の説明図である。
図示の通り、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源１か
らの光は、集光レンズ２を介して被測定物３に照射され
る。被測定物３からの反射光は受光レンズ４で集光さ
れ、半導体位置検出器５の受光部（図示せず）の光点と
して入射される。ここで、基線長をＢとし、被測定物３
までの距離をＬとし、受光レンズ４と半導体位置検出器
５の間隔（結像距離）をｆとし、受光レンズ４の光軸か
ら半導体位置検出器５上の光点位置（集光中心位置）Ｓ
Ｐまでの距離（スポット光の移動量）をｘとすると、下
記の（１）式が成り立つ。

ｘ＝（ｆ・Ｂ）／Ｌ …（１） 従って、第４図においてｘ，ｆ，Ｂの値が既知であれ
ば、被測定物３までの距離Ｌを求めることができる。

第５図は第４図に示す一次元の半導体位置検出器５の詳
細な断面構成図である。図示に通り、高抵抗の真性（ｉ
型）シリコン基板５１の表面側には、均一にｐ型不純物
を拡散したｐ型抵抗層５２が形成され、ｐ−ｎ接合型ダ
イオードとして受光部をなしている。また、シリコン基
板５１の裏面側にはｎ型不純物を高濃度に拡散したｎ^＋
型導電層５３が形成され、これに電極５４がオーミック
接触されている。表面側のｐ型抵抗層（受光部）５２の
両端には一体の信号取出電極５５ａ，５５ｂが配設さ
れ、ここから電流Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｂが取り出されるようになっ
ている。

いま、ｐ型抵抗層５２上の位置ＳＰに被測定物３からの
光が光点として入射され、この位置ＳＰが電極５５ａか
ら距離ｘだけ離れていたとする。また、電極５５ａ，５
５ｂの間の距離をＣとし、その間のｐ型抵抗層５２の抵
抗値をＲ_Ｃとし、位置ＳＰと電極５５ａとの間のｐ型抵
抗層５２の抵抗をＲ_ｘとし、更に光の入射により生成さ
れる光電流をＩ_Ｏとすると、電流Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｂには次の式
が成り立つ。

Ｉ_Ａ＝Ｉ_Ｏ・（Ｒ_Ｃ−Ｒ_ｘ）／Ｒ_Ｃ Ｉ_Ｂ＝Ｉ_Ｏ・Ｒ_ｘ／Ｒ_Ｃ …（２） ここで、ｐ型抵抗層５２における抵抗値はその長さと比
例するから、上記の（２）式は下記の（３）式のように
なる。

Ｉ_Ａ＝Ｉ_Ｏ・（Ｃ−ｘ）／Ｃ Ｉ_Ｂ＝Ｉ_Ｏ・ｘ／Ｃ …（３） 従って、上記の（３）式より （Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）／（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）＝１−２ｘ／Ｃ…
（４） が得られるので、入射光の強度にかかわりなく、電流Ｉ
_Ａ、Ｉ_Ｂの値から光の入射位置ＳＰを演算することがで
きる。

第６図は測距範囲をＬ_ＮからＬ_Ｆに設定した時の距離検
出用光学系を示す図である。光源１の発光光束を集光レ
ンズ２によって集光し、被測定物３を照射する。被測定
物３からの反射光は集光レンズ２に対して基線長Ｂだけ
隔てて配置された受光レンズ４により集光される。半導
体位置検出器５は受光レンズ４から距離ｆの集光位置
（光点位置）に配置されている。

ここで、測距範囲内の最至近距離（近距離側の限界）お
よび最遠距離（遠距離側の限界）をそれぞれＬ_Ｎおよび
Ｌ_Ｆとし、被測定物３までの距離をＬとする。また、受
光レンズ４の光軸から半導体位置検出器５の受光部の一
方の端までの距離をｘ_Ｆとし、他方の端までの距離ｘ_Ｎ
とし、被測定物３からの反射光が受光レンズ４によって
集光される光点位置ＳＰから受光レンズ４の光軸までの
距離をｘとし、光点位置ＳＰから半導体位置検出器５の
受光部の一方の端までの距離をｘ_１とし、半導体位置検
出器５の受光部の長さ（一対の電極の間隔）をＣとする
と、それぞれ以下の関係式が成り立つ。

従って、上記の（５），（６）の式より下記の（７）式
が得られる。

また、第６図においては、 ｘ_１＝ｘ−ｘ_Ｆ＝ｆ・Ｂ（１／Ｌ−１／Ｌ_Ｆ）…（８） の関係式も得られる。

次に、半導体位置検出器５の位置分解能をΔｘ、距離Ｌ
_ＮおよびＬ_Ｆにおける距離分解能をそれぞれΔＬ_Ｎ，Δ
Ｌ_Ｆとし、Ｌ_ＮとＬ_Ｆの関係を Ｌ_Ｆ／Ｌ_Ｎ＝ｍ …（９） で表わすと、次の関係式が得られる。

（１１）式および（１２）式より、距離分解能ΔＬ_Ｎお
よびΔＬ_Ｆはそれぞれ（１３）式および（１４）式に示
すようになる。

ΔＬ_Ｎ＝Δｘ・Ｌ▲² _N▼／（Δｘ・Ｌ_Ｎ＋ｆ・Ｂ）…
（１３） ΔＬ_Ｆ＝ｍ^２・Δｘ・Ｌ▲² _N▼ ／（ｍ・Δｘ・Ｌ_Ｎ＋ｆ・Ｂ）…（１４） （１３）式および（１４）式の比をとると、下記の（１
５）式が得られる。

ΔＬ_Ｆ／ΔＬ_Ｎ＝ｍ^２・（Δｘ・Ｌ_Ｎ＋ｆ・Ｂ） ／（ｍ・Δｘ・Ｌ_ｎ＋ｆ＋Ｂ）…（１５） （１５）式において、ｍ・Δｘ・Ｌ_Ｎ《ｆ・Ｂの条件が
成り立つ時には、これを下記の（１６）式に近似するこ
とができる。

ΔＬ_Ｆ／ΔＬ_Ｎ≒ｍ^２ …（１６） （１６）式より、遠距離側の距離分解能ΔＬ_Ｆは前述の
（９）式に示すｍが大きいと、著しく悪化することがわ
かる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

言い換えれば、測定可能な最至近距離から最遠距離まで
の範囲を大きくとれば、それだけ遠距離になったときの
分解能が低下してしまう。このため、例えばレーザ加工
機の加工部における位置検出のように近距離側での光分
解能が期待される位置検出装置を、無人搬送車の走行な
どにおける位置検出のように遠距離側での高分解能が要
求される装置に適用すると、所望の分解能が得られない
欠点があった。

そこで本発明は、遠、近の限界距離の比（Ｌ_Ｆ／Ｌ_Ｎ＝
ｍ）を大きくしても、遠距離側において高い距離分解能
を得ることのできる側距範囲の広い距離検出装置を提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る距離検出装置は、高抵抗の半導体基板の表
面側に第１導電型不純物を含む受光部を形成すると共
に、裏面側に第２導電型不純物層を形成し、受光部に被
測定物からの光が光点として入射されたときに当該受光
部の両端に配設された信号取出電極から光電流が取り出
される半導体位置検出器を備え、この半導体位置検出器
の光電流出力から被測定物までの距離を検出する距離検
出装置であって、下記のように構成されることを特徴と
する。すなわち、前述の受光部は、各一対の信号取出電
極を両端に配設した複数の受光エリアを含み、この複数
の受光エリアは各一対の信号取出電極の一方と他方が互
いに隣接するように一列に配設され、かつ複数の受光エ
リアの信号取出電極の間隔は一方から他方へ向かって順
次大きくなると共に、任意の受光エリアの信号取出電極
の間隔と任意の受光エリアと隣接する他方の側の受光エ
リアの信号取出電極の間隔との比は常に一定となってい
る。そして、本発明の距離検出装置は、複数の受光エリ
アの各一対の信号取出電極からの光電流出力にもとづい
て、いずれの受光エリアに最も強く光が当たっているか
を判別する判別手段と、複数の受光エリアの光電流出力
のうち最も強く光が当たっているものを判別手段の判別
結果にもとづいて選択するセレクト手段と、このセレク
ト手段により選択された光電流出力から受光部における
光点の位置を求め、被測定物までの距離を演算する演算
手段とを備える。

〔作用〕

本発明の構成によれば、遠距離側の被測定物からの光と
近距離側の被測定物からの光は、それぞれ異なる受光エ
リアに光点として入射され、従って各光電流はそれぞれ
の受光エリアの信号取出電極から出力される。そして、
各受光エリアからの光電流出力については、いずれに最
も強く光が当たっているかが判別される。従って、被測
定物までの距離に応じて、最も適当な受光エリアが選択
されて距離が検出されることになる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の
符号を付し、重複する説明を省略する。

第１図は実施例に係る距離検出装置のブロック図であ
り、この装置は半導体位置検出器とその出力信号を処理
する信号処理回路とを有している。図示の通りこの実施
例では、第１の特徴として半導体位置検出器の受光部が
複数のエリア（受光エリア）に分割されており、第２の
特徴として各受光エリアからの光電流出力を選択し、最
も強く光の当たっている受光エリアからの光電流出力に
もとづいて所定の演算処理を行なうようになっている。
そこで、まず半導体位置検出器の構成と作用から詳細に
説明する。

第２図は半導体位置検出器の斜視図であり、第３図
（ａ）はその平面図あり、同図（ｂ）は縦断面図であ
る。そして、これが従来のものと比べて特徴的なこと
は、半導体基板の表面側に形成された受光部が、複数の
受光エリアを列設して構成されていることである。ｎ個
（ｎは２以上の整数）の受光エリア５２_１〜５２_ｎは、
高抵抗のシリコン基板５１の表面側にＰ型の不純物を均
一に拡散させることで形成されるが、各受光エリア５２
_１〜５２_ｎの長手方向の長さは順次に大きくなってい
る。そして、各受光エリア５２_１〜５２_ｎの両端には幅
を十分に狭くした各一対の信号取出電極５５ａ_１〜５５
ａ_ｎ、５５ｂ_１〜５５ｂ_ｎが配設され、一対の取出電極
間のＰ型抵抗層（受光エリア）の長さＣ_１〜Ｃ_ｎには Ｃ_２／Ｃ_１＝Ｃ_３／Ｃ_２＝… ＝Ｃ_ｎ／Ｃ_n-1＝Ｄ（一定）…（１７） の関係が成立している。なお、各信号取出電極５５ａ_１
〜５５ａ_ｎ，５５ｂ_１〜５５ｂ_ｎの幅Ｗは、Ｗ《Ｃ_１と
みなせる程度に十分に狭くなっているものとする。

測距範囲をｎ分割し、遠距離側よりＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，
Ｌ_４，…Ｌ_ｎとすると、半導体位置検出器５が上記の
（１７）式を満足しているとき、下記の（１８）式の関
係が成り立つ。

Ｌ_１／Ｌ_２＝Ｌ_２／Ｌ_３＝Ｌ_３／Ｌ_４ ＝…＝Ｌ_n-1／Ｌ_ｎ＝Ｄ（一定）…（１８） 半導体位置検出器５に接続される増幅回路において、半
導体位置検出器５に入射する光には信号光以外に外乱光
（たとえば太陽光等）も含まれる。この場合は、電流−
電圧変換用抵抗とコンデンサを用いたＡＣ結合方式（浜
松ホトニクス株式会社発行「半導体位置検出器カタロ
グ」Ｐ．１４参照）を用いるのが一般的である。このと
き、半導体位置検出器５の電極間抵抗Ｒ_Ｃと電流−電圧
変換用抵抗の温度特性の違いにより、前述の（４）式に
示す信号演算出力に誤差を生じる。それゆえ、第２図に
示す半導体位置検出器５の高抵抗シリコン基板５１上の
各電極５５ａ_１〜５５ａ_ｎ，５５ｂ_１〜５５ｂ_ｎに近接
して電流−電圧変換用抵抗（図示せず）を形成し、抵抗
の温度特性をそろえることにより、上記信号演算出力の
誤差をなくすことができる。

第１図は本発明に適用される半導体位置検出器５と、こ
れに専用の信号処理回路のブロック図である。この実施
例では、半導体位置検出器５の受光部５１を分離層５８
_１，５８_２によって完全に三分割し、前述の（１７）式
の関係は以下の数値に設定してある。

Ｃ_２／Ｃ_１＝Ｃ_３／Ｃ_２＝２ …（１９） これに伴い、測距範囲の分割は前述の（１８）式より以
下の数値になる。

Ｌ_１／Ｌ_２＝Ｌ_２／Ｌ_３＝２ …（２０） 半導体位置検出器５上には、各受光エリア５２_１〜５２
_３の信号取出電極５５ａ_１〜５５ａ_３，５５ｂ_１〜５５
ｂ_３に接して電流−電圧変換抵抗ｒが形成されている。
光が入射することにより得られる光電流Ｉ_ＡおよびＩ_Ｂ
は、この電流−電圧変換抵抗ｒにより電圧に変換され、
コンデンサＣによりＡＣ結合されて交流成分のみが増幅
器Ｕ_１〜Ｕ_６に送られ、増幅後にゲート回路２２と加算
回路Ｕ_７〜Ｕ_９に転送される。加算回路Ｕ_７は光が半導
体位置検出器５の受光エリア５２_１に入射して得られる
光電流における交流成分の和を演算する。同様に、加算
回路Ｕ_８およびＵ_９は受光エリア５２_２および受光エリ
ア５２_３から得られる光電流の交流成分の和を演算す
る。加算回路Ｕ_７〜Ｕ_９の出力はサンプルアンドホール
ド回路Ｕ₁₀〜Ｕ₁₂に与えられ、光源１をパルス点燈させ
た時の被測定物３からの反射されてくる光の信号レベル
がホールドされる。この時のサンプリング信号は第１図
の記号φ_２で示される。

サンプルアンドホールド回路Ｕ₁₀〜Ｕ₁₂の出力はフィル
タ回路Ｕ₁₃〜Ｕ₁₅により平均化される。そして、フィル
タ回路Ｕ₁₃〜Ｕ₁₅の出力は比較回路Ｕ₁₆〜Ｕ₁₈に与えら
れ、ここで被測定物３から反射されてくる信号光が半導
体位置検出器５の受光エリア５２_１〜５２_３のうちのど
の受光エリアに最も強く当っているかが判定され、その
結果がゲート信号Ｇ１，Ｇ２およびＧ３として出力され
る。ここで、例えば光信号が受光エリア５２_１に入射し
ている場合には、ゲート信号Ｇ１が“Ｈ”（ハイレベ
ル）となり、ゲート信号Ｇ２およびＧ３が“Ｌ”（ロウ
レベル）となる。このゲート信号Ｇ１，Ｇ２およびＧ３
により、ゲート回路２２において信号光が最も強く入射
している受光エリアからの信号線をＯＮさせ、その出力
が減算回路２３および加算回路２４に送られる。

減算回路２３および加算回路２４の演算出力は信号成分
抜取回路２５に与えられ、ここで外乱光成分に重畳され
た信号成分のみが抜き取られる。ここでは、光源をパル
ス点燈させる直前の電圧レベルをサンプリング信号φ_１
により記録し、パルス点燈時の電圧レベルをサンプリン
グ信号φ_２により記録する。この両者の記録値の差分を
とることにより、信号成分の抜き取りが実行される。信
号成分抜取回路２５の出力はアナログ割算器２６に与え
られ、ここで演算が実行されてアナログ電圧の形で出力
される。その結果、ゲート信号Ｇ１，Ｇ２およびＧ３の
出力状態により三分割された測距範囲の、どこに被測定
物が存在するかが判明し、アナログ電圧出力により被測
定物３までの正確な距離を求めることができる。

この距離検出のためのアナログ演算は、具体的には前述
の（３）式および（４）式により行なうことができる。
すなわち、前述の（１）式と（４）式から距離ｘを消去
すると、 （Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）／（Ｉ_Ａ＋_Ｂ） ＝１−２ｆ・Ｂ／（Ｃ・Ｌ） …（２１） の関係が得られるので、電流演算値（Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）／
（Ｉ_Ａ＋_Ｂ）は被測定物までの距離Ｌに反比例している
ことがわかり、従って間接的に距離Ｌを求めることがで
きる。

なお、図には示していないが、信号成分抜取回路２５の
出力のうち、Ｉ_Ａ＋_Ｂの信号のレベルをモニタし、この
電圧レベルが一定になるように光源１側の駆動回路（図
示せず）を制御することにより、アナログ割算器２６の
演算精度を向上させることができる。

次に、上記実施例を具体的数値によってより詳しく説明
する。

まず、実施例の測距装置の光学条件を以下の如く設定す
る。

ｆ＝６０〔mm〕 Ｂ＝２００〔mm〕 Ｌ_N3＝７５０〔mm〕 Ｌ_F3＝Ｌ_N2１５００〔mm〕 Ｌ_F2＝Ｌ_N1３０００〔mm〕 Ｌ_F1＝６０００〔mm〕 Ｌ_F1／Ｌ_N1＝２ Ｃ１＝ｆ・Ｂ（１／Ｌ_N1−１／Ｌ_F1）＝２〔mm〕 Δｘ＝Ｃ１／５００＝４〔μｍ〕 半導体位置検出器５の分解能は入射光にもとづく信号光
電流の大きさにより変化するが、一般に信号光電流の和
（Ｉ_Ａ＋_Ｂ）が３００〔ｎＡ〕の時に、分解能Δｘは電
極間隔の１／５００程度になる。そこで、Δｘ＝Ｃ１／
５００として求める。上記の数値を前述の（１４）式に
代入すると、最遠距離の距離分解能ΔＬ_Ｆは以下の如く
なる。

ΔＬ_Ｆ＝１２〔mm〕 …（１９） これに対して、同一の光学系で従来の半導体位置検出器
を用いた場合に、同様にして最遠距離の距離分解能を求
めると以下の如くなる。

ｆ・Ｂ＝１２０００ Ｌ_Ｎ＝７５０〔mm〕 Ｌ_Ｆ＝６０００〔mm〕 Ｌ_Ｆ／Ｌ_Ｎ＝８ Ｃ＝ｆ・Ｂ（１／Ｌ_Ｎ−１／Ｌ_Ｆ）＝１４〔mm〕 ΔＬ_Ｆ＝８３〔mm〕 …（２０） そこで、（１９）式と（２０）式を比較すると、本実施
例においては従来技術の半導体位置検出器を用いた時に
比べて、遠距離測での距離分解能は同一光学系を用いて
も約７倍に改善されている。この効果は、半導体位置検
出器の受光部の分割数（受光エリアの数）を増すことに
より、さらに向上させることができる。

本発明は上記実施例を限定されるものはなく、種々の変
形が可能である。

例えば、本発明の距離検出装置に適用にされる半導体位
置検出器は、第２図に示されるものに限られない。ま
た、半導体基板についてもシリコンに限らず、例えばガ
リウムヒ素（ＧａＡｓ）とすれば、より高温の条件下で
も用いることが可能になる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明によれば、遠距離測の
被測定物からの光と近距離測の被測定物からの光は、そ
れぞれ異なる受光エリアに光点として入射され、従って
各光電流はそれぞれの受光エリアの信号取出電極から出
力される。そして、最も強く光の当たっている受光エリ
アからの光電流出力が選択されてアナログ演算がされる
ので、遠、近の限界距離の比（Ｌ_Ｆ／Ｌ_Ｎ＝ｍ）を大き
くしても、遠距離側において高い距離分解能を得ること
のできる測距範囲の広い距離検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る距離検出装置の要部ブロ
ック図、第２図は本発明の実施例に適用される半導体位
置検出器の斜視図、第３図は第２図に示す半導体位置検
出器の平面図および縦断面図、第４図は距離検出装置の
光学系の説明図、第５図は従来装置に適用される半導体
位置検出器の断面図、第６図は測距範囲をＬ_ＮからＬ_Ｆ
にしたときの距離検出用光学系の説明図である。 １……光源、２……集光レンズ、３……被測定物、４…
…受光レンズ、５……半導体位置検出器、２２……ゲー
ト回路、２３……減算回路、２４……加算回路、２５…
…信号成分抜取回路、２６……アナログ割算器、５１…
…シリコン基板、５２……受光部（Ｐ型抵抗層）、５２
_１〜５２_ｎ……受光エリア、５３……ｎ^＋型導電層、５
５ａ，５５ａ_１〜５５ａ_ｎ，５５ｂ，５５ｂ_１〜５５ｂ
_ｎ……信号取出電極、Ｕ_１〜Ｕ_６……増幅器、Ｕ_７〜Ｕ
_９……加算回路、Ｕ₁₀〜Ｕ₁₂……サンプルアンドホール
ド回路、Ｕ₁₃〜Ｕ₁₅……フィルタ回路、Ｕ₁₆〜Ｕ₁₈……
比較回路（コンパレータ）。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高抵抗の半導体基板の表面側に第１導電型
   不純物を含む受光部を形成すると共に、裏面側に第２導
   電型不純物層を形成し、前記受光部に被測定物からの光
   が光点として入射されたときに当該受光部の両端に配設
   された信号取出電極から光電流が取り出される半導体位
   置検出器を備え、この半導体位置検出器の光電流出力か
   ら前記光点の入射位置を求めて記被測定物までの距離を
   検出する距離検出装置において、 前記受光部は、各一対の信号取出電極を両端に配設した
   複数の受光エリアを含み、この複数の受光エリアは前記
   各一対の信号取出電極の一方と他方が互いに隣接するよ
   うに一列に配設され、かつ前記複数の受光エリアの信号
   取出電極の間隔は一方から他方へ向かって順次大きくな
   ると共に、任意の受光エリアの信号取出電極の間隔と前
   記任意の受光エリアと隣接する前記他方の側の受光エリ
   アの信号取出電極の間隔との比は常に一定となってお
   り、 前記複数の受光エリアの各一対の信号取出電極からの光
   電流出力にもとづいて、いずれの受光エリアに最も強く
   光が当たっているかを判別する判別手段と、 前記複数の受光エリアの光電流出力のうち最も強く光が
   当たっているものを前記判別手段の判別結果もとづいて
   選択するセレクト手段と、 このセレクト手段により選択された光電流出力から前記
   受光部における光点の位置を求め、前記被測定物までの
   距離を演算する演算手段と を備えることを特徴とする距離検出装置。
2. 【請求項２】前記受光部は、前記半導体基板に形成され
   た分離層を介して前記複数の受光エリアに分割されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の距離検
   出装置。
3. 【請求項３】前記信号取出電極は、電流／電圧変換用の
   抵抗を介して接地されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の距離検出装置。
4. 【請求項４】前記判別手段は前記複数の受光エリアの光
   電流出力のレベルを比較する比較回路を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
   に記載の距離検出装置。