JP2011043467A - 測距センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測距センサのサイズに関わらず感度を高める、もしくは低くすることのできると共に、被検査物が近くにある場合も、検出部分のサイズを大きくすること無く小型な測距センサを提供すること。
【解決手段】被検査物３に対して略平行光を照射する光源１，２と、前記被検査物３と光源１，２とを結ぶ直線上とは異なる位置に配置され、当該被検査物３で散乱された光を回折する体積ホログラム４と、前記体積ホログラム４で回折した光のうち＋ｎ次光と、−ｎ次光（但し、ｎは整数）とをそれぞれ個別に受光する光検出器６，７と、前記光検出器６，７の出力から、被検査物３の変位量を出力する演算回路部８と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、三角測距法によって被検査物までの距離や変位を測定する光学式測距センサに関するものである。

近年、光学式の測距センサは、便座の蓋空けや、モバイルＰＣの省エネ、自動ドアの開閉といった人感センサとしての用途が開け、小型化、低コスト化が進められている。

三角測距法によって被検査物までの距離や変位を測定するための光学式測距センサとしては、現在ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）と呼ばれるスポット状の光の位置を検出できる光センサを用いたものが一般的に使われている。ＰＳＤを用いた測距センサについて、特許文献１（特開昭５８−４２００７号公報）を例に挙げて説明する。特許文献１に記載の測距センサは、光源にＬＥＤを用いる。ＬＥＤから出射された光は投射用レンズＬ１を介して被写体Ｏｂ（被検査物）に照射される。被写体Ｏｂで散乱した光のうち、斜め方向に反射した光の成分を、レンズＬ２を介して、ＰＳＤで検出する。レンズＬ１と被写体Ｏｂの距離ｌが変わるとＰＳＤ上のスポット位置が線形に変わるので、ＰＳＤ出力信号から被写体の変位を知ることができる。

このような従来のＰＳＤを用いた測距センサにおいて位置情報の分解能を高めるには、レンズＬ１とＬ２の距離を広げるか、レンズＬ２の焦点距離ｆを長くする必要がある。このため、高分解能と小型化はトレードオフな関係にあり、両方の性能を満たすことができない。また、ＰＳＤを用いた測距センサは、被検査物の変位を測定するときに被検査物がレンズＬ１に近いところにあると、ＰＳＤ上の光点位置が広く動くので、大きなサイズのＰＳＤを必要とする。

ところで、体積ホログラムを使ったチルトセンサがある。これを、特許文献２（特開２００４−２７９１９１号公報）を例に挙げて説明する。特許文献２に記載のチルトセンサは、光源に発光ダイオード１５１を用いる。発光ダイオード１５１を出射した光はコリメートレンズ１５２で平行光にされ、光ディスク１５照射される。光ディスク１５で反射された光は体積ホログラム１５３に入射するが、入射する光の入射角に応じて回折効率が変わる。ここで、回折光Ｌ＋１とＬ−１の差分をとることで、光の入射角に対して線形な信号（回折効率差）を得ることができる。従って、特許文献２によると、被検査物である光ディスク１５の傾きに応じて、線形な信号を取得することができる。

本発明は、かかる事情の下になされたものであり、その第１の目的は、測距センサのサイズに関わらず感度を高める、もしくは低くすることのできる測距センサを実現することにある。また本発明の第２の目的は、被検査物が近くにある場合も、検出部分のサイズを大きくすること無く小型な測距センサを実現することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る測距センサは、具体的には下記（１）〜（４）に記載の技術的特徴を有する。
（１）：被検査物に対して略平行光を照射する光源と、前記被検査物と光源とを結ぶ直線上とは異なる位置に配置され、当該被検査物で散乱された光を回折する体積ホログラムと、前記体積ホログラムで回折した光のうち＋ｎ次光と、−ｎ次光（但し、ｎは整数）とをそれぞれ個別に受光する光検出器と、前記光検出器の出力から、被検査物の変位量を出力する演算回路部と、を備えることを特徴とする測距センサである。

上記（１）の構成によれば、体積ホログラムの溝深さ、屈折率差を変えることで、測距センサのサイズに関わらず感度を高める、もしくは低くすることが可能になる。また、体積ホログラムで回折した光のうち＋ｎ次光（ｎは整数）と、−ｎ次光とをそれぞれ個別に受光する光検出器を用いることで、被検査物が近くにある場合も、検出部分のサイズを大きくすること無く被検査物の変位量を計測することができる。

（２）：前記体積ホログラムは、前記被検査物が変位測定範囲の中心にあるときに、当該被検査物で散乱された光に対して入射角が０度になるように配置されていて、かつ当該体積ホログラムの溝形状は、被検査物で散乱された光に対して平行であると共に矩形形状であることを特徴とする上記（１）に記載の測距センサである。

上記（２）の構成によれば、体積ホログラムが、被検査物で散乱した光に対して入射角が０度になるように配置されており、かつその溝形状は垂直な矩形形状であることによって、被検査物の変位量測定開始の演算回路部からの出力信号を０とし、出力信号の正負に応じて、被検査物が遠ざかる、もしくは近づいているかを判別することが可能になる。

（３）：前記体積ホログラムは、前記光源から前記被検査物へ向かう光に対して垂直に配置されていて、かつ当該体積ホログラムの溝形状は、前記被検査物が変位測定範囲の中心にあるときに、当該被検査物で散乱された光に対して平行であることを特徴とする上記（１）に記載の測距センサである。

上記（２）の構成によれば、体積ホログラムが、光源から被検査物へ向かう光に対して垂直に配置されており、かつその溝形状は被検査物で散乱した光に対して平行になるように形成されている。これによって、上記（２）の構成と同様、被検査物の変位量測定開始の演算回路部からの出力信号を０とし、出力信号の正負に応じて、被検査物が遠ざかる、もしくは近づいているかを判別することが可能になる。

（４）：前記光源を中心に、当該光源から前記被検査物へ向かう光に対して垂直な面内に、前記体積ホログラム及び前記光検出器が、それぞれ複数配置されていることを特徴とする上記（１）に記載の測距センサである。

上記（４）の構成によれば、光源を中心に、光源から被検査物へ向かう光に対して垂直な面内に前記体積ホログラム、光検出器を、複数配置したことにより、前記体積ホログラム、光検出器を複数配置することで、測定範囲を複数に増やすことが可能になる。

本発明によれば、測距センサのサイズに関わらず感度を高める、もしくは低くすることのできると共に、被検査物が近くにある場合も、検出部分のサイズを大きくすること無く小型な測距センサを提供することができる。

本発明に係る測距センサの実施形態の一例を示す概略図である。 本実施形態における三角測距の原理を説明するための図である。 体積ホログラムの構成を示す概略図である。 平面ホログラムと体積ホログラムとの回折効率の違いを示すグラフである。 本発明に係る測距センサのその他の実施形態の一例を示す概略図である。 体積ホログラムの回折効率と角度変化量との関係を示すグラフである。 測距センサの演算回路部の構成を示す概略図である。 演算回路部の出力信号を示すグラフである。 体積ホログラムの配置位置をパラメータにしたときの信号演算部の出力信号を示すグラフである。 本発明に係る測距センサにおいて複数の測距範囲における測定を実現するための構成を示す概略図である。

本発明に係る測距センサは、被検査物３に対して略平行光を照射する光源１，２と、前記被検査物３と光源１，２とを結ぶ直線上とは異なる位置に配置され、当該被検査物３で散乱された光を回折する体積ホログラム４と、前記体積ホログラム４で回折した光のうち＋ｎ次光と、−ｎ次光（但し、ｎは整数）とをそれぞれ個別に受光する光検出器６，７と、前記光検出器６，７の出力から、被検査物３の変位量を出力する演算回路部８と、を備えることを特徴とする。
次に、本発明に係る測距センサについて図面を参照しながらさらに詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施形態であるから技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の説明において本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

＜光源１，２＞
図１は本発明に係る測距センサの実施形態の一例を示す概略図である。
点光源１にはＬＤ、もしくはＬＥＤを用いる。点光源１から出射された発散光はコリメートレンズ２によって平行光束になる。
本発明における光源とは、被検査物３に対して略平行光を照射可能であれば如何なる形態であっても良いが、本実施形態では、点光源１とコリメートレンズ２を併せて光源とし用いる。コリメートレンズ２には、従来公知のものをそのまま適用できる。

＜光検出器６，７＞
次いで、平行光束は被検査物３に照射される。被検査物３は例えば人体、衣服などの表面形状の粗い散乱体を想定している。この被検査物３で斜め方向に散乱された光の一部を後述する体積ホログラム４で回折し、検出レンズ５で集光する。体積ホログラム（回折ホログラム）４で回折した光のうち、次数ｎの数値の揃った回折光±ｎ次光をそれぞれ光検出器Ａ６、光検出器Ｂ７で受光する。ここで、ｎは整数を表す。

各光検出器６，７の出力は、演算回路部８で差動演算を行い、変位信号ΔＬ（変位量）を得る。点光源１と被検査物３を結ぶ軸をｘ軸とすると、被検査物３がｘ軸上を動くと、変位信号ΔＬが変化する。
光検出器６，７には、従来公知のものをそのまま適用できる。

＜体積ホログラム４＞
本実施形態における三角測距法について図２を元に説明する。コリメートレンズ２からｘ軸方向にＬ離れた位置に被検査物３がある。また、コリメートレンズ２からｙ軸方向にＡ離れたところに体積ホログラム４を設置する。ここで、コリメートレンズ２−被検査物３−体積ホログラム４のなす角をθとする。このとき体積ホログラム４は、θ≠０ｄｅｇとなるように、即ち被検査物３と光源１，２とを結ぶ直線上とは異なる位置に配置される。
今、被検査物３がｘ軸方向にΔＬ変位し、移動後の位置３’に移動したとする。この時、コリメートレンズ２−移動後の位置３’−体積ホログラム４のなす角をθ＋Δθとすると、以下の２式が成り立つ。

Ａ／Ｌ＝ｔａｎθ ・・・式（１）
Ａ／（Ｌ＋ΔＬ）＝ｔａｎ（θ＋Δθ） ・・・式（２）

これをΔＬについて解くと、角度の変化量Δθの関数で表されることが分かる。

ΔＬ＝−（Ｌ^２＋Ａ^２）ｔａｎΔθ／（Ａ＋ＬｔａｎΔθ） ・・・式（３）

本発明で用いられる体積ホログラム４について図３を元に説明する。体積ホログラム４は、凹凸面を境に、屈折率の異なる硝材（硝材１３、硝材１４）で構成される。
体積ホログラムについて説明する。例えば、小山、西原著の「光波電子光学」（コロナ社）１１７頁〜１３２頁に記載されている如く、ホログラムには、一般的に平面ホログラムと体積ホログラムとがある。平面ホログラムであるか体積ホログラムであるかは、次の式（４）で算出されるパラメータＱの値（Ｑ値）によって判断される。ここで、λは入射光の波長、Ｔは凹凸格子の溝深さ、ｎ１は硝材１３の屈折率、ｎ２は硝材１４の屈折率、Ｐは溝間隔である。

Ｑ＝２πλＴ／Ｐ^２／（ｎ１−ｎ２） ・・・式（４）

通常、Ｑ≦０．５の場合が平面ホログラム、Ｑ≧５の場合が体積ホログラムと呼ばれている。平面ホログラムと体積ホログラムの性質の違いの一つは、回折効率の入射角依存性の有無である。例えば図４に示されるように、平面ホログラムでは光の入射角に関係なく回折効率はほぼ一定であるが、体積ホログラムでは光の入射角により回折効率は大きく変化し、特定の入射角θ_Ｂ（ブラッグ角）のときに回折効率が最大となる。

次に、体積ホログラムを用いた角度の変化量Δθを測定する技術について説明する。硝材１３の屈折率ｎ１＝１．７１、硝材１４の屈折率ｎ２＝１．５、凹凸格子の溝深さＴ＝６．５μｍ、溝間隔Ｐ＝５μｍの体積ホログラムを例にとり説明する。この設計例では、λ＝０．８３μｍであるときにＱ＝６．４６になり、体積ホログラムと定義される。

本実施形態において、Δθ＝０ｄｅｇは、体積ホログラム４に入射する光が垂直に入射する場合を示す。つまり、図１において、被検査物３で散乱した光に対して、体積ホログラム４を垂直に配置する。
即ち、体積ホログラム４は、被検査物３が変位測定範囲の中心にあるΔθ＝０ｄｅｇのときに、当該被検査物３で散乱された光に対して入射角が０度になるように配置されていて、かつ、その溝形状は、被検査物３で散乱された光に対して平行である。また、溝形状は矩形形状であることが好ましい。

もしくは、図５に示すように、体積ホログラム４の溝だけを入射する光に対して平行になるように構成してもよい。
即ち、体積ホログラム４は、光源１，２から被検査物３へ向かう光に対して垂直に配置されていて、かつその溝形状は、被検査物３が変位測定範囲の中心にあるときに、被検査物３で散乱された光に対して平行である。

この体積ホログラム４に入射する光の入射角（角度の変化量）Δθをパラメータにしたときの、回折効率の計算結果を図６に示す。この時、＋１次光の回折効率η１と−１次光の回折効率η２はそれぞれ０ｄｅｇを境に線対称な特性を示す。そこで、角度信号ＳΔθを式（５）で定義すると、光検出器に入射する光量によらず、安定した信号を得ることが可能になる。

ＳΔθ＝（η１−η２）／（η１＋η２） ・・・式（５）

特に角度の変化量±３ｄｅｇの範囲では、ＳΔθはほぼ線形な特性が得られる。すなわち、式（６）の関係が成り立つ。

ＳΔθ＝Ｃ×Δθ ・・・式（６）

＜演算回路部８＞
本発明の測距センサの演算回路部（信号演算部）８は、図７に示すような回路で構成される。光検出器Ａ６、及び光検出器Ｂ７の出力は、引き算回路９によって引き算され、信号Ａが得られる。また、光検出器Ａ６、及び光検出器Ｂ７の出力は、足し算回路１０によって足し算され、信号Ｂが得られる。そして割り算回路１１によって信号Ａを信号Ｂで割ることで、式（５）にある角度信号ＳΔθを得ることができる。さらに、その出力信号に対して、１／Ｃに信号を増幅することで、Δθの変化量そのものを測定することができる。変位量演算回路１２は、式（３）を演算する。これにより、被検査物３の変位ΔＬ（変位量）を測定することが可能になる。ここで、図１に構成において、Ｌ＝１００ｍｍ、Ａ＝２０ｍｍとしたとき、被検査物３をｘ軸方向に動かしたときの変位信号ＳΔＬを図８に示す。本実施形態においては、Ｌ＝１００ｍｍ±２５ｍｍにおいて線形な信号が得られている。ここで、コリメートレンズ２と体積ホログラム４の間隔Ａを変えると、表１に示すように、被検査物の測定範囲を変えることが可能になる。

このとき、信号は図９に示されるような応答を示す。

ここで、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示すように、光源１，２から被検査物３へ向かう光に対して垂直な面内に、体積ホログラム４，５４，６４，７４と、検出レンズ５，５５，６５，７５と、光検出器Ａ６，５６，６６，７６と、光検出器Ｂ７，５７，６７，７７と、をそれぞれ複数用いて、コリメートレンズ２を中心として、体積ホログラムの設置位置をＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４と変えることで、複数の測定範囲を一つの光源（点光源１＋コリメートレンズ２）で検出することが可能になる。（検出レンズ６５，７５、光検出器Ａ６６，７６、光検出器Ｂ６７，７７については図示を省略する。）

以上説明した実施形態に係る測距センサによれば、測距センサのサイズに関わらず感度を高める、もしくは低くすることのできると共に、被検査物が近くにある場合も、検出部分のサイズを大きくすること無く小型化が実現できた。

１ 点光源（ＬＤ、ＬＥＤ）
２ コリメートレンズ
３ 非検査物
４ 体積ホログラム
５ 検出レンズ
６ 光検出器Ａ
７ 光検出器Ｂ
８ 演算回路部
９ 引き算回路
１０ 足し算回路
１１ 割り算回路
１２ 変位量演算回路
１３ 硝材１
１４ 硝材２
５４ 第２の体積ホログラム
５５ 第２の検出レンズ
５６ 第２の光検出器Ａ
５７ 第２の光検出器Ｂ
６４ 第３の体積ホログラム
６５ 第３の検出レンズ
６６ 第３の光検出器Ａ
６７ 第３の光検出器Ｂ
７４ 第４の体積ホログラム
７５ 第４の検出レンズ
７６ 第４の光検出器Ａ
７７ 第４の光検出器Ｂ

特表２００６−５０３３１３号公報（第３図） 特開２００３−２０２７０８号公報（図７（Ａ），（Ｂ），図８（Ａ））

Claims (4)

1. 被検査物に対して略平行光を照射する光源と、
   前記被検査物と光源とを結ぶ直線上とは異なる位置に配置され、当該被検査物で散乱された光を回折する体積ホログラムと、
   前記体積ホログラムで回折した光のうち＋ｎ次光と、−ｎ次光（但し、ｎは整数）とをそれぞれ個別に受光する光検出器と、
   前記光検出器の出力から、被検査物の変位量を出力する演算回路部と、を備えることを特徴とする測距センサ。
2. 前記体積ホログラムは、前記被検査物が変位測定範囲の中心にあるときに、当該被検査物で散乱された光に対して入射角が０度になるように配置されていて、かつ当該体積ホログラムの溝形状は、被検査物で散乱された光に対して平行であると共に矩形形状であることを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。
3. 前記体積ホログラムは、前記光源から前記被検査物へ向かう光に対して垂直に配置されていて、かつ当該体積ホログラムの溝形状は、前記被検査物が変位測定範囲の中心にあるときに、当該被検査物で散乱された光に対して平行であることを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。
4. 前記光源を中心に、当該光源から前記被検査物へ向かう光に対して垂直な面内に、前記体積ホログラム及び前記光検出器が、それぞれ複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。

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