JPH0754250B2

JPH0754250B2 - 位置検出器

Info

Publication number: JPH0754250B2
Application number: JP62176254A
Authority: JP
Inventors: 一成吉村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1995-06-07
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPS6420409A

Description

【発明の詳細な説明】［技術分野］本発明は、三角測量方式の測距装置に用いられ、結像ス
ポットの位置を検出する位置検出器に関するものであ
る。

［背景技術］従来、三角測量方式の測距装置に用いられ、結像スポッ
トの位置を検出するこの種の位置検出器は、第９図
（ａ）に示すように、結像スポットの移動方向（矢印
Ｘ）に多数の受光素子（例えばフォトダイオードP₁〜P
n）を列設したアレイセンサ１にて検出される光量変化
に基いてスポットの結像位置を検出するようになってお
り、アレイセンサ１の各受光素子出力をそれぞれ引き出
して位置情報を得るようになっていた。一方、第９図
（ｂ）は、多数のファイバーライトガイドLG₁〜LGnの一
端を一直線状に配置したファイバーライトガイドアレイ
と、各ファイバーライトガイドLG₁〜LGnに対応して設け
られたフォトデテクタP₁〜Pnとでアレイセンサ１′を形
成したものである。しかしながら、このような従来例に
あっては、アレイセンサ1,1′の受光素子からそれぞれ
出力が得られることになり、高分解能、高ダイナミック
レンジの位置検出器を構成する場合には、出力数が大幅
に多くなるので、構成が複雑になって現実的な位置検出
器が構成できないという問題があった。なお、TVカメラ
や、ラインセンサを用いて結像スポットの位置を検出す
る方式もあるが、処理速度が遅い上、ダイナミックレン
ジが低いという問題がある。

［発明の目的］本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目
的とするところは、高分解能、高ダイナミックレンジ化
した場合にあっても構成を簡単にでき、しかも高速処理
が可能な位置検出器を提供することにある。

［発明の開示］（構成）本発明は、結像スポットの移動方向に多数の受光素子を
列設したアレイセンサにて検出される光量変化に基いて
結像スポットの位置を検出する位置検出器において、同
じ個数の受光素子を有する２列のアレインセンサを結像
スポットの移動方向と直交方向に結像スポットの大きさ
の範囲内で互いの受光素子が一対一に並ぶように並設し
て一方の列を上位アレイセンサ、他方の列を下位アレイ
センサとし、両アレイセンサをそれぞれ３個以上で同数
個の受光素子を含む複数組に分割して、下位アレイセン
サの各組内の受光素子に互いに異なる記号を付し、上位
アレイセンサの各組内の受光素子出力をそれぞれ合成す
るとともに、下位アレイセンサの各組の同記号を付した
受光素子出力同士をそれぞれ合成するようにセンサ部を
形成し、各合成出力に基いて下位アレイセンサ上の結像
スポットの最大光量位置の記号を求めこの記号と上位ア
レイセンサ上での結像スポットの位置に対応した出力と
を組み合わせてコード化した位置情報を出力する位置検
出部を設けたことを特徴とするものである。

（作用）本発明では上述のように、結像スポットの移動方向と直
交する方向に結像スポットの大きさの範囲内で２列のア
レイセンサを設けて一方の列を上位アレイセンサ、他方
の列を下位アレイセンサとし、両アレイセンサについて
３個以上で同数個の受光素子を含む複数組に分割して、
下位アレイセンサの各組内の受光素子に互いに異なる記
号を付し、上位アレイセンサの各組内の受光素子出力を
それぞれ合成するとともに、下位アレイセンサの各組の
同記号を付した受光素子出力同士をそれぞれ合成するよ
うにセンサ部を形成しているから、下位アレイセンサの
単位寸法あたりの受光素子の個数を多くして位置情報の
分解能を高くしても、下位アレイセンサに関する出力数
は記号の種類と同数になり、分解能を高くしても出力数
の増加を抑制できるのである。また、下位アレイセンサ
に関する記号と、上位アレイセンサの出力との組合せに
よりコード化した位置情報を出力するから、上位アレイ
センサについては下位アレイセンサにおいて結像スポッ
トが形成されている位置がどの組に属するかを識別でき
ればよいのであって、比較的少数のコードで多数の位置
情報を区別することができ、結果的に、高分解能、高ダ
イナミックレンジな位置検出器を、簡単な構成で実現で
き、しかも結像スポットの位置をコードが直接的に表す
から高速な処理が可能になるのである。

たとえば、下位アレイセンサと上位アレイセンサとでと
もに８種類ずつの識別を行なうものとすれば、16種類の
記号（各列８種類で２列）を識別するだけで位置情報を
64段階で検出することができるのである。このことは64
段階の位置情報を個別に識別する場合に比較すれば処理
量の大幅な低減になり、しかもアレイセンサを２列設け
る程度であれば、特殊な光学系を用いることなく両アレ
イセンサに跨がるような結像スポットを形成することが
できるのである。これに対して、複数列のアレイセンサ
の受光素子をそれぞれ２個ずつの記号の識別するものと
すれば、64段階の位置情報を識別するために６列のアレ
イセンサが必要になって、識別すべき情報の種類は12種
類（各列２種類で６列）になるが、結像スポットを６列
に跨がるように形成するための特殊な光学系が要求され
ることになる。すなわち、本発明の構成では、光学系お
よび処理系のいずれにおいても容易に実現できるのであ
る。

ところで、結像スポットは２次反射光などの原因で、光
量分布が正規分布のような単峰性を示さないことが多
い。この場合、結像スポットは近接した複数個の受光素
子に跨がるように形成されることになる。すなわち、分
解能を高くしたときには受光素子の配列ピッチが狭くな
るから、３個以上の受光素子に跨がるような結像スポッ
トが形成されるという現象が生じやすくなる。しかる
に、下位アレイセンサの記号が２種類であれば各受光素
子の両側の受光素子には同記号が付されているから、上
位アレイセンサの出力と組み合わせて位置情報をコード
化しても、結像スポットが２個の受光素子に跨がってい
るのか３個の受光素子に跨がっているのかを識別できな
いことがある。これに対して、本発明では受光素子に３
種類以上の互いに異なる記号を付していることによっ
て、３個以上の受光素子に跨がる結像スポットが形成さ
れていても識別できるのであって、２次反射光などの影
響を受けにくくなるのである。要するに、下位アレイセ
ンサの記号が少ないと異なる状態に対して同じコードが
割り当てられる機会が増加するが、上記構成によってそ
の頻度が低減し、結果的に位置情報を精度よく求めるこ
とができるのである。しかも、結像スポットの最大光量
位置を位置情報として検出するから、最大光量位置のコ
ードの特定が容易になるのであって、２次反射光等の影
響を除去して位置情報を高精度で検出できることにな
る。とくに、本発明では下位アレイセンサと上位アレイ
センサとを構成する受光素子を各一列ずつ列設している
から、受光素子の配列ピッチ程度の分解能を得ることが
でき、このことによって高い分解能を得ることができる
のである。

さらに、本発明の構成では、上位アレイセンサと下位ア
レイセンサとが同数個の受光素子を有し、かつ上位アレ
イセンサと下位アレイセンサとが互いの受光素子が一対
一に並ぶように並設されているから、上位アレイセンサ
と下位アレイセンサとの間で結像スポットに対する応答
のずれが生じないのであって、応答性がよく位置検出を
高速に行なうことができるのである。

（実施例）第１図乃至第５図は本発明一実施例を示すもので、結像
スポットの移動方向（矢印Ｘ方向）に多数の受光素子を
列設したアレイセンサにて検出される光量変化に基いて
結像スポットの位置を検出する従来例と同様の位置検出
器において、結像スポットの移動方向と直交方向にアレ
イセンサを複数列（実施例では２列）並設して一方を上
位アレイセンサ1a、他方を下位アレイセンサ1bとし、両
アレイセンサ1a,1bをそれぞれ複数組（実施例では０〜
７）に分割して、上位アレイセンサ1aの各組の８個の受
光素子出力を合成するとともに、下位アレイセンサ1bの
各組の対応する（番号が同一の）受光素子出力同士をそ
れぞれ合成するようにセンサ部２を形成し、両合成出力
に基いてアレイセンサ1a,1b上に結像されたスポットの
結像位置を検出してコード化された位置情報を出力する
位置検出部３を設けたものである。各アレイセンサ1a,1
bは、同数個ずつ（ここでは64個ずつ）の受光素子を有
し、かつ各アレイセンサ1a,1bの受光素子同士は一対一
に対応するように結像スポットの移動方向に直交する方
向に並べられる。ここに、実施例にあっては、センサ部
２のアレイセンサ1a,1bは、各ファイバーライトガイド
の一端が一直線に列設され他端が適当に結束（同一番号
のものを結束）されたファイバーライトガイドアレイLG
a,LGbと、ファイバーライトガイドアレイLGa,LGbの結束
された他端H₀〜H₇、L₀〜L₇に対向するフォトデテクタPH
₀〜PH₇、PL₀〜PL₇とで形成されており、フォトデテクタ
PH₀〜PH₇、PL₀〜PL₇から合成出力SH₀〜SH₇,SL₀〜SL₇が
得られるようになっている。なお、ファイバーライトガ
イドアレイLGa,LGbの各ファイバーライトガイドの位置
にフォトダイオードを配置し、前述のようにファイバー
ライトガイドを結束した場合と同等の合成出力が得られ
るようにフォトダイオード出力を結線したフォトダイオ
ードアレイを用いても良いことは言うまでもない。

また、位置検出部３は、アンプAMPにて増幅された合成
出力SH₀〜SH₇に基いて上位位置を検出する上位位置検出
部５と、合成出力SL₀〜SL₇に基いて下位位置を検出する
下位位置検出部６とで形成されている。第３図は下位位
置検出部６の回路構成を示すもので、合成出力SL₀〜SL₇
をデジタルデータに変換するA/DコンバータAD₀〜AD
₇と、A/DコンバータAD₀〜AD₇から出力されるパラレルデ
ータをシリアルデータに変換するパラレル／シリアル変
換器SP₀〜SP₇と、入力されるシリアルデータA₀〜A₇に基
いて最大位置および最大値を検出する最大位置／最大値
検出部MDとで形成されている。なお、上位位置検出部５
の回路構成も第３図と同様の構成である。また、第４図
は最大位置／最大値検出部MDの最大位置検出回路の具体
例を示すもので、オア回路OR₁〜OR₄と、アンド回路AN
D₁,AND₂と、フリップフロップ回路FF₁と、インバータ回
路IN₁と、位置出力用のエンコーダECとで形成されてい
る。また、第５図は、最大値検出回路の具体例を示すも
ので、シフトレジスタSRと、ラッチ回路LCとで形成され
ている。

以下、実施例の動作について説明する。いま、三角測量
方式の測距装置にあっては、検知エリアに光ビームを投
光する投光手段と、上記光ビームの被検知物体による反
射光を受光する受光手段とを互いに適宜距離をもって並
設し、受光手段の光学系の結像面に配置された位置検知
器によって結像スポットの位置検出を行い、結像スポッ
トの位置情報に基いて被検知物体までの距離を判定する
ようになっている。ここに、結像スポットは、アレイセ
ンサ1a,1bに跨がって結像されるようになっており、フ
ォトデテクタPH₀〜PH₇,PL₀〜PL₇出力に基いて結像スポ
ットの位置を検出する位置検出部３では、複数組に分割
された上位アレイセンサ1aの何番目の組の受光量が最大
になっているかを検出するとともに、下位アレイセンサ
の各組の何番目のファイバーライトガイドの受光量が最
大になっているかを検出し、上位番号、下位番号にて位
置情報を出力するようになっている。例えば、結像スポ
ットの光量の最大位置が第１図に斜線Ｓで示すような位
置になっている場合には、上位番号「７」、下位番号
「５」の位置コードが出力されるようになっており、ア
レイセンサ1a,1bの下から62番目（７×８＋６）のファ
イバーライトガイドの位置に結像スポットが存在してい
ることが分かるようなっている。

しかして、本発明にあっては、結像スポットの移動方向
（矢印Ｘ方向）と直交方向にアレイセンサ1a,1bを並設
し、両アレイセンサ1a,1bをそれぞれ複数組に分割し
て、上位アレイセンサ1aの各組の受光素子出力を合成す
るとともに、下位アレイセンサ1bの各組の対応する受光
素子出力同士をそれぞれ合成するようにセンサ部２を形
成し、位置検出部３にて、両合成出力に基いてアレイセ
ンサ1a,1b上に結像されたスポットの結像位置を検出し
てコード化された位置情報を出力するようにしているの
で、高分解能、高ダイナミックレンジ化した場合にあっ
ても構成を簡単にでき、しかも、高速処理が可能な位置
検出器を提供することができる。また、実施例にあって
は、ファイバーライトガイドアレイを用いて結束部にフ
ォトデテクタPH₀〜PH₇,PL₀〜PL₇を設けているので、フ
ォトデテクタPH₀〜PH₇,PL₀〜PL₇の数を従来例の場合に
比べて大幅に少なくすることができる。例えば、実施例
のように分解能を64（８×８）に設定した場合には、第
８図（ｂ）に示す従来例では64個のフォトデテクタが必
要であるのに対して、実施例では上位、下位それぞれ８
個づつ（８＋８個）のフォトデテクタPH₀〜PH₇,PL₀〜PL
₇で構成でき、構成が簡単でコストを安くできることに
なる。

第６図は最大位置と最大値を求めるフローチャートを示
すもので、各入力ゲートGiを値High（＝１）にセット
し、各入力毎の光量のシリアルデータを上位ビットより
入力したビットデータDij（ｉ入力のｊビット目）とGi
＊Dijの論理積演算を行う。この演算で全入力のうちど
れかの入力にHighがあるときのみ、Low（＝０）になっ
た入力のGiをLowにセットする。この演算をシリアルデ
ータの最終ビットまで行い、GiがHighのものが最大位置
となる。また、同時に、Gi＊DijがHighになるビットｊ
のときにMDjをHighにした結果のMAXのデータが最大値で
ある。実施例では、この処理を回路で実現しているの
で、高速処理が可能な位置検出器が得られているわけで
あり、第４図の具体例においては、シリアルビット数＋
１のクロック数で最大位置を求めることができる。

以下具体例の動作について説明する。いま、全体をリセ
ットするためにリセットにHighレベル（＝１）をセット
し、クロックCLを与えると、RCK1にパルスが出てフリッ
プフロップFF₁にトリガをかける。データはリセットに
よりHighであるので、総てのＱ出力はHighになり、Ｇも
Highにセットされる。ここに、シリアル入力A₀に注目す
ると、A₀の７ビット目のデータD₀₇が入ってきたときSP₀
はG₀,D₀₇とクロックCLの論理積が出力される。すなわ
ち、A₀がHighのとき、クロックに同期してSP₀にHighが
出力される。SP₀〜SP₇のうちどれかがHighのときのみ、
RCK1にHighのパルスが出力され、各SPの値をフリップフ
ロップFFに保持し、Ｑに出力される。また、総てのシリ
アルデータ入力がLow（＝０）のときは、RCK1のパルス
は出力されないため、Ｑには、前のデータが保持され
る。一度ＱがLowになると、ＧはLowになり、次のリセッ
トまでLowが保持されるため、SPも出力しない。この処
理を７ビット目から０ビット目まで行うと、最大値をも
つシリアルデータのＱおよびＧがHighとなる。Q₀〜Q₇の
位置を読み取ることによって位置を知ることができるた
め、エンコーダECによってコード化して位置情報を出力
する。

また、最大値は、最大値のシリアル入力データで、ビッ
トデータがHigh（あるいはLow）のときはRCK1にHigh
（あるいはLow）が出力されるため、RCK1の値をビット
毎にラッチしてゆけば最大値データが得られる。第５図
に示す具体例においては、シフトレジスタSRを用いてRC
K1のデータを入力し、シフトクロックとして前述のクロ
ックCLを用いており、８ビット全部のシフトが終了した
とき、リセット信号でラッチすることにより最大値デー
タを得ている。

なお、結像スポットは、被検知物体の光反射特性の影響
によって変化し、必ずしも正規分布していない場合があ
り、結像スポットの光量の重心位置を結像位置とした場
合には、位置検出精度が低くなってしまうという問題が
あるが、実施例のように結像スポットの光量最大位置を
結像位置としている場合には、高精度の位置検出が行な
われることになる。すなわち、第７図（ａ）に示すよう
に、傾斜面を有する被検知物体Xaにレーザ光のような光
ビームが照射され、本来のビームスポットSb以外に２次
反射によるスポットSb′（但し、光量が少ない）が存在
する場合、第７図（ｂ）に示すように、積層板よりなる
被検知物体Xbに光ビームが照射されて積層板内での散乱
部Sb″によりスポット径が大きくなっている場合、第７
図（ｃ）に示すように、多数のスプリアススポットSb
が形成されるスペックルパターンになっている場合など
において、結像スポットの重心位置を求めて結像スポッ
トの位置とした場合には、本来の結像スポットの位置が
正確に求まらないことになるが、実施例のように下位ア
レイセンサ1bの各組内の受光素子に３種類以上（実施例
では８種類）の互いに異なる記号か付与され、かつ光量
最大位置を結像スポットの位置として判定している場合
には、結像スポットが複数の受光素子に跨がって形成さ
れていても異なる状態に対して同じコードが割り当てら
れる頻度が大幅に低減し、被検知物体の光反射特性の影
響を受けることなく位置検出が行なわれ、三角測量方式
の測距装置の位置検出手段として用いた場合には、常に
正確な測距が行なわれることになる。

また、第７図に示すようなビームスポットSb,Sb′,S
b″,Sbを光学系で結像させ、結像スポットが両センサ
アレイ1a,1bに跨がるようにするには、シリンドリカル
レンズを用いて第８図（ａ）に示すような幅広の結像ス
ポットを得るようにすれば良い。なお、第８図（ｂ）に
示すようにビームスプリッタBSを用いて受光ビームを分
離し、センサアレイ1a,1b上にそれぞれ結像スポットを
得るようにしても良い。

［発明の効果］本発明は上述のように、結像スポットの移動方向と直交
する方向に結像スポットの大きさの範囲内で２列のアレ
イセンサを設けて一方を上位アレイセンサ、他方を下位
アレイセンサとし、両アレイセンサについて３個以上で
同数個の受光素子を含む複数組に分割して、下位アレイ
センサの各組内の受光素子に互いに異なる記号を付し、
上位アレイセンサの各組内の受光素子出力をそれぞれ合
成するとともに、下位アレイセンサの各組の同記号を付
した受光素子出力同士をそれぞれ合成するようにセンサ
部を形成しているから、下位アレイセンサの単位寸法あ
たりの受光素子の個数を多くして位置情報の分解能を高
くしても、下位アレイセンサに関する出力数は記号の種
類と同数になり、物解能を高くしても出力数の増加を抑
制できるという効果がある。また、下位アレイセンサに
関する記号と、上位アレイセンサの出力との組合せによ
りコード化した位置情報を出力するから、上位アレイセ
ンサについては下位アレイセンサにおいて結像スポット
が形成されている位置がどの組に属するかを識別できれ
ばよいのであって、比較的少数のコードで多数の位置情
報を区別することができ、結果的に、高分解能、高ダイ
ナミックレンジな位置検出器を、簡単な構成で実現で
き、しかも結像スポットの位置をコードが直接的に表す
から高速な処理が可能になるという利点がある。

また、受光素子に３種類以上の互いに異なる記号を付し
ているから、３個以上の受光素子に跨がる結像スポット
が形成されていても識別できるのであって、２次反射光
などの影響を受けにくくなるのであり、結果的に位置情
報を精度よく求めることができるという効果がある。し
かも、結像スポットの最大光量位置を位置情報として検
出するから、最大光量位置のコードの特定が容易になる
のであって、２次反射光等の影響を除去して位置情報を
高精度で検出できるという利点を有するのである。とく
に、本発明では下位アレイセンサと上位アレイセンサと
を構成する受光素子を各一列ずつ列設しているから、受
光素子の配列ピッチ程度の分解能を得ることができ、こ
のことによって高い分解能を得ることができるという効
果が得られる。

さらに、本発明では、上位アレイセンサンと下位アレイ
センサとが同数個の受光素子を有し、かつ上位アレイセ
ンサと下位アレイセンサとが互いの受光素子が一対一に
並ぶように並設されているから、上位アレイセンサと下
位アレイセンサとの間で結像スポットに対する応答のず
れが生じないのであって、応答性がよく位置検出を高速
に行なうことができるという利点を有するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略構成図、第２図は同上
の要部概略構成図、第３図は同上の要部ブロック回路
図、第４図および第５図は同上の要部具体回路図、第６
図乃至第８図は同上の動作説明図、第９図（ａ）（ｂ）
はそれぞれ従来例の概略構成図である。 1a,1bはアレイセンサ、２はセンサ部、３は位置検出部
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結像スポットの移動方向に多数の受光素子
を列設したアレイセンサにて検出される光量変化に基い
て結像スポットの位置を検出する位置検出器において、
同じ個数の受光素子を有する２列のアレイセンサを結像
スポットの移動方向と直交方向に結像スポットの大きさ
の範囲内で互いの受光素子が一対一に並ぶように並設し
て一方の列を上位アレイセンサ他方の列を下位アレイセ
ンサとし、両アレイセンサをそれぞれ３個以上で同数個
の受光素子を含む複数組に分割して、下位アレイセンサ
の各組内の受光素子に互いに異なる記号を付し、上位ア
レイセンサの各組内の受光素子出力をそれぞれ合成する
とともに、下位アレイセンサの各組の同記号を付した受
光素子出力同士をそれぞれ合成するようにセンサ部を形
成し、各合成出力に基いて下位アレイセンサ上の結像ス
ポットの最大光量位置の記号を求めこの記号と上位アレ
イセンサ上での結像スポットの位置に対応した出力とを
組み合わせてコード化した位置情報を出力する位置検出
部を設けたことを特徴とする位置検出器。
【請求項２】多数のファイバーライトガイドの一端面を
結像スポットの移動方向に列設するとともに、ファイバ
ーライトガイドの適当に結束された他端面にフォトディ
テクタを配してアレイセンサを形成したことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の位置検出器。