JP2007121083A

JP2007121083A - 測距装置

Info

Publication number: JP2007121083A
Application number: JP2005312868A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kubo; 浩一久保
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】反射スポット像の欠けの影響を受け難く、測距精度の高いアクティブ測距装置を提供する。
【解決手段】測距装置０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からなる。投光部は、駆動電流に応じて光束を放射する発光素子１と、光軸に沿って光束を投光し所定の光スポットを形成するレンズ２と、光軸に介在して光スポットの幅を制限するフィルタ２１とを含む。受光部は、光軸と直交する基線Ｂ方向に沿って発光素子１から離間して配され、対象物から反射して戻ってきた光スポットを受光する受光素子５を含む。フィルタ２１は縦型のスリットからなり、基線Ｂ方向と直交する方向に沿った光スポットの幅を制限する。
【選択図】図１

Description

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を備えた光学式のアクティブ測距装置に関する。

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、対人センサなどに広く応用されている。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４に記載がある。
特開２００４−１１７１６１公報特開２００１−１９０４５０公報特開平０８−０８６６４１号公報特開平０６−１４２００８号公報

アクティブ測距装置は、対象物に対して投光部から光スポットを投光する。一般に光スポットは円形のプロファイルを有する。受光部は対象物から反射した光スポット像を受光し、その受光位置に応じた検出信号を出力する。三角測距の原理によれば、光スポット像の受光位置が対象物までの距離を表している。一般に受光部はＰＳＤなどの受光素子からなり、反射スポット像の重心が受光位置となる。円形の光スポット像に何ら欠けがない場合、受光素子は正しい光スポット像の重心位置を検出でき、対象物までの距離を正確に測定できる。しかしながら、光スポット像は対象物もしくはその背景などの表面状態に応じて必ずしも真円ではなく、欠けが生じる場合がある。光スポット像に欠けがあると重心位置に誤差が生じ、正しい測距を行うことが出来ない。測距装置に誤差があると、これに接続された本体機器側の誤動作を招くので、解決すべき課題となっている。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は反射スポット像の欠けの影響を受け難く、測距精度の高いアクティブ測距装置を提供することを目的とする。かかる目的を達成するため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、光軸に沿って該光束を投光し所定の光スポットを形成するレンズと、該光軸に介在して該光スポットの幅を制限するフィルタとを含むことを特徴とする。好ましくは、前記受光部は、該光軸と直交する基線方向に沿って該発光素子から離間して配され、対象物から反射して戻ってきた光スポットを受光する受光素子を含み、前記フィルタは縦型のスリットからなり、該基線方向と直交する方向に沿った光スポットの幅を制限する。

従来のアクティブ測距装置では、背景にある鏡やガラスなどの影響で反射光スポット像が部分的に欠けることがあり、誤測距が生じていた。そこで本発明では、発光素子の前にフィルタを着け、投光スポットの幅を予め制限することで、像欠けを抑制し以って誤測距の範囲を狭めている。フィルタの形状は、発光素子の中央を除く周辺全部を覆うような環形ではなく、例えば円形の光スポットの横幅のみを制限するような縦型のスリット形状が好ましい。仮に、発光素子の中心のみを残しその周りを全部フィルタで被覆すると発光量が足らなくなり、基本測距性能が悪くなる。これに対し縦型のスリットを用いて光スポットの横幅のみを制限すれば、像欠けを抑制できる一方、光量低下を抑えることが出来る。特に三角測距の原理を用いたアクティブ方式の場合、光スポット像の横方向の重心位置が測距データとなる為、光スポット像の横方向の像欠けを防ぐことが出来れば良い。この様にして、基本測距性能に必要な発光量を確保しつつ、反射光スポット像の欠けの影響を受け難いアクティブ測距装置を提供することが可能になる。

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。図１は本発明にかかる測距装置の構成を示す模式図である。図示する様に、本測距装置０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からなる。図示の例は、測距装置０を対人センサに用いる場合で、測距装置０は距離Ｌ離れて反射壁３に対向配置している。したがって図示の例は、反射壁３が測距の対象物となっている。測距装置０と反射壁３との間に人物が不存在の場合、測距装置０は対人センサとして人物不存在を表す遠判定を出力する。逆に反射壁３と測距装置０の間に人物が存在すると、これを検出して人物存在を表す近判定を出力する。換言すると、測距装置０は人物が不存在の場合反射壁３までの遠距離を測定することになるので、遠判定を下す。逆に反射壁３の前に人物が存在すると測距装置０はこの人物までの近い距離を測定するので、近判定となる。

投光部は駆動電流に応じて光束を放射する発光素子１と、光軸に沿ってこの光束を投光し所定の光スポットを形成するレンズ２と、光軸に介在して光スポットの幅を制限するフィルタとを含んでいる。本実施形態では、縦スリット２１がこのフィルタとして、発光素子１と投光レンズ２との間に介在している。

一方受光部は、受光レンズ４と受光素子５とを含んでいる。受光素子５は光軸と直交する基線Ｂ方向に沿って発光素子１から離間して配され、反射壁３から反射して戻ってきた光スポットを受光する。前述したようにフィルタは縦型のスリット２１からなり、基線Ｂ方向と直交する方向に沿った光スポットの幅を制限している。測距装置０を構成する発光素子１、投光レンズ２、受光レンズ４、受光素子５、縦スリット２１などは固定枠２０に取り付けられている。

発光素子１は赤外発光ダイオードなどからなる。受光素子５は例えば光位置検出素子（ＰＳＤ）からなる。反射壁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という三角測距の原理に基づいた関係により、反射壁３までの距離Ｌが求められる。受光素子５がＰＳＤなどで構成されている場合、光スポット像の重心位置が受光位置ｘとなり、対象物までの距離を与える。

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、三角測距の原理にしたがっている。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、その光入射位置に従って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。

図２は、図１に示した測距装置の正面図である。図示する様に固定枠２０の正面から見て、発光素子１と受光素子５が基線方向に並んで組みつけられている。なお図示を容易にするため、投光レンズ２と受光レンズ４は取り外してある。発光素子１の前面には縦スリット２１が装着されている。受光素子５の受光面上には反射壁３から戻ってきた光スポット像２４が映し出されている。この光スポット像２４は縦スリット２１によって幅方向が制限された異形状となっている。前述したように受光素子５がＰＳＤなどで構成されている場合、光スポット像２４の重心位置が受光位置ｘとなり、対象物までの距離を与える。

図２は、参考として縦スリット２１を用いない場合の受光スポット像２４Ａも表してある。この光スポット像２４Ａは円形である。特に像欠けなどのない場合、重心位置はスリットで制限された異形の光スポット像２４と一致する。しかしながら、反射壁３の光学的な状況により何らかの像欠け２４ｘが生じた場合、円形光スポット像２４Ａの重心位置は異形光スポット像２４の重心位置よりも右側に移動する。この結果前述の式Ｌ＝Ｂ・ｆ／ｘという関係から、距離Ｌが実際より短く判定されてしまう。即ち近判定となって実際には人物が不存在であるのに人物が存在している様に誤判定してしまう。この誤判定により、対人センサが取り付けられた本体側で誤動作が生じる。

本発明では予め光スポット像２４の基線Ｂ方向両側が縦スリット２１でカットされている。したがって像欠け２４ｘの影響をまったく受けることなく、正しい受光位置ｘを与えることが出来る。したがって像欠けの影響を受け難い測距装置が得られる。なお、縦スリット２１は測距精度に影響を与える基線Ｂ方向の幅部をカットするだけで、発光量の制限を極力抑えている。したがって基本的な測距性能に必要な発光量を確保している。この様な縦スリット２１を用いる代わりに、強力な投光レンズ２を用いて投光スポット（発光プロファイル）の径を縮小することが考えられる。しかしながら発光プロファイルを抑えるために投光レンズが大きくなってしまい、対人センサの小型化を阻害する。

図３は、フィルタを用いない場合の動作を表す模式図である。反射壁３に映し出された発光プロファイル２２と受光素子５の受光面に映し出された反射スポット像２４Ａを模式的に表している。発光素子１から投光レンズ２を通して反射壁３に投光された発光プロファイル２２は、何らフィルタを用いない場合円形となっている。しかしながら対人センサを配置した部屋の反射壁３に偶々ガラス窓２３がある場合、発光プロファイル２２は斜線で示した欠け２２ｘが生じる。この様に発光プロファイル２２に欠け２２ｘが生じると、受光素子５に映し出された反射光スポット２４Ａにも対応した欠け２４ｘが生じる。この欠けの影響で、反射光スポット像２４Ａの重心位置は右側にシフトする。この結果対人センサは人物が反射壁３の前に存在しないにもかかわらず、近距離判定を下してしまう。これが誤動作の原因となる。

図４は、本発明にしたがって縦スリット２１を用いた場合の動作を示す模式図である。反射壁３の上には縦スリット２１で両側がマスクされた異形の発光プロファイル２２が映し出される。仮に反射壁３にガラス窓２３が取り付けられていても、発光プロファイル２２が予めカットされている為、図３に示したようなプロファイルの欠けは生じない。この反射壁３によって反射された異形の発光プロファイル２２はそのまま受光素子５の受光面に映し出され、光スポット像２４が形成される。この光スポット像２４の重心位置は何らガラス窓２３の影響を受けておらず、正しい測距データが得られる。

図５は、本発明の効果を表すグラフである。横軸に検知距離を取り、縦軸に誤検知範囲を取ってある。検知距離は背景壁までの距離を表しており、グラフでは１０００ｍｍ〜１８００ｍｍまで５点取ってある。対人センサは各検知距離にて遠判定となるように設定されている。この状態で、背景壁に映し出された発光プロファイルに対して横方向から反射板を挿入して、擬似的に反射スポット像に欠けを生じさせる。反射板の挿入量が多くなるほど像欠けが進み、ある点で遠判定が近判定に反転し、誤測距となる。誤測距となる挿入幅がグラフに示した縦軸の誤検知範囲である。スリットなしとスリットありで比較した場合、全ての検知距離にわたって誤検知範囲に顕著な差が生じている。スリットなしの場合、誤検知範囲が６０ｍｍ〜８０ｍｍ程度であるのに対し、スリットありだと誤検知範囲が５０ｍｍ〜４０ｍｍに縮小する。この様に本発明は像欠けによる誤検知範囲を縮小するために効果がある。

図６は、参考のために図５のグラフの元になった数値データを表にしたものである。図６の表で「差」とある数値データが、図５の誤検知範囲に対応している。図６の表のＭＡＸ値は、誤検知範囲の最大値である。

図７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。

図８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８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９は、図１に示した測距装置０の具体的な回路構成を示すブロック図である。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。

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。

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。

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。

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。

本発明にかかる測距装置の全体構成を示す模式的なブロック図である。図１に示した測距装置の正面図である。参考例にかかる測距装置の動作説明に供する模式図である。図１に示した測距装置の動作説明に供する模式図である。本発明の効果を表すグラフである。同じく本発明の効果を表す表図である。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。同じく他の応用例を示す模式的な斜視図である。図１に示した測距装置の具体的な構成を示す回路図である。

符号の説明

０・・・測距装置、１・・・発光素子、２・・・レンズ、４・・・レンズ、５・・・受光素子、２１・・・縦スリット

Claims

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、光軸に沿って該光束を投光し所定の光スポットを形成するレンズと、該光軸に介在して該光スポットの幅を制限するフィルタとを含むことを特徴とする測距装置。
前記受光部は、該光軸と直交する基線方向に沿って該発光素子から離間して配され、対象物から反射して戻ってきた光スポットを受光する受光素子を含み、
前記フィルタは縦型のスリットからなり、該基線方向と直交する方向に沿った光スポットの幅を制限することを特徴とする請求項１記載の測距装置。