JP2013246048A - Distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は測定可能範囲内の被測定物の存在と、この被測定物との距離を検出する光学式の距離測定装置に関する。 The present invention relates to an optical distance measuring device that detects the presence of an object to be measured within a measurable range and the distance to the object to be measured.
従来より、光学式の距離測定装置は、被測定物である対象物体との距離を非接触方式で測定するため、種々の用途に用いられている。例えば、トイレに設置されて利用者の出入りを検知したり、プロジェクタに搭載されて投影画面のフォーカスを合わせる際にスクリーンとレンズとの距離を測定したり、自動掃除機等のロボットに搭載されて障害物を事前に検知して回避行動を行なったりするため等に、光学式の距離測定装置(以下、測距センサともいう。)が用いられている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an optical distance measuring device is used for various applications in order to measure a distance from a target object that is an object to be measured by a non-contact method. For example, it is installed in a toilet to detect the entry / exit of a user, or is installed in a projector to measure the distance between the screen and the lens when the projection screen is focused, or is installed in a robot such as an automatic vacuum cleaner. An optical distance measuring device (hereinafter also referred to as a distance measuring sensor) is used to detect an obstacle in advance and perform an avoidance action.
この測距センサでは、そのサイズや製造コストの点から三角測量方式を用いた製品が主に用いられている。この方式の測距センサは、光を出射する発光素子と、出射光を光学的に調整する発光側レンズと、この発光側レンズを通して出射された光のうち被測定物(対象物体)で反射された反射光を集光する受光側レンズと、この受光側レンズで集光された光を検出する受光素子とを備えている。 In this distance measuring sensor, a product using a triangulation method is mainly used in view of its size and manufacturing cost. A distance measuring sensor of this type is reflected by a measured object (target object) out of light emitted from the light emitting element that emits light, a light emitting side lens that optically adjusts the emitted light, and the light emitted from the light emitting side lens. A light receiving side lens for collecting the reflected light and a light receiving element for detecting the light collected by the light receiving side lens.
図4に三角測量方式による光学式の測距センサの概略構成を示す。この光学式の測距センサは、発光側レンズ51と発光素子としてのLED(発光ダイオード:Light Emitting Diode)52とから構成された発光部と、受光側レンズ53と受光素子としてのPSD(半導体位置検出素子:Position Sensitive Detector)54とから構成された受光部とが、一定の間隔を有して並んで配置されている。そして、LED52からの光が、発光側レンズ51を経由して集光されて、測距センサの前方の図示しない対象物体に照射され、この光が対象物体から反射されて戻ってくる反射光が受光側レンズ53を経由して集光されてPSD54で受光され、PSD54の受光領域上における反射光の受光位置が測距センサから対象物体までの距離に依存することを利用して、測距センサと対象物体との間の距離を算出するのである。PSD54の受光領域上における受光位置は、PSD54に設けられた2つの出力端子からの出力電流の比(電流比出力値)によって判定される。これは、PSD54の受光領域上における受光位置を表す距離と上記電流比出力値とは、例えば、図6に示すような関係にあって、一対一に対応するからである。
FIG. 4 shows a schematic configuration of an optical distance measuring sensor based on the triangulation method. This optical distance measuring sensor includes a light emitting unit composed of a light
図5は、上述の三角測量の原理をより具体的に示すもので、発光側レンズ51と受光側レンズ53との平行な光軸間の距離が基線長Sであり、受光側レンズ53の焦点距離がfであり、LED52と対象物体55との距離がLである。そして、LED52からの光が発光側レンズ51を介して対象物体55に照射され、対象物体55からの反射光が、受光側レンズ53を介して、PSD54の受光位置Rxに入射する。このPSD4の反射光の受光位置Rxと、受光レンズ53の光軸との間の距離をxとする。
FIG. 5 shows the above-mentioned triangulation principle more specifically. The distance between the parallel optical axes of the light-emitting
そうすると、三角測量の原理により、
L=S・f/x (式1)
となり、測定精度は、主として、上記基線長Sと、受光側レンズ53の光軸とPSD54上の受光位置Rxとの間の距離xの精度に依存する。
Then, by the principle of triangulation,
L = S · f / x (Formula 1)
Thus, the measurement accuracy mainly depends on the accuracy of the base line length S and the distance x between the optical axis of the light
一方、上記PSD54上における反射光の入射位置(受光位置)Rxは、LED52と対象物体55との距離Lが大きくなると、LED52の近くになり、LED52と対象物体55との距離が小さくなると、LED52から遠くなる。その際に、LED52から対象物体55までの距離LとPSD54上における反射光の入射位置Rxとは、図5から分かるように、一対一の対応を有している。また、PSD54上の受光領域における受光位置Rxを表す距離とPSD54の電流比出力値とは、図6に示すように、一対一対応の関係にある。そのため、PSD54の電流比出力値から、PSD54上の受光位置Rxを算出し、このときの受光側レンズ53とPSD54との横方向の位置関係が初期設定の通りで狂いがないと仮定して、(式1)に示す関係を利用して、LED52から対象物体55までの距離L、つまり、測距センサから対象物体55までの距離Lを算出できるのである。
On the other hand, the incident position (light receiving position) Rx of the reflected light on the
三角測量方式では距離測定の精度はその原理上、発光部と受光部の間隔に依存するが、その間隔が1cmの小型測距センサで、150cmの距離の対象物体を10%程度の精度で測定するためには、反射光の受光位置Rxの検出精度は1um以下が必要となる。 In the triangulation method, the accuracy of distance measurement depends on the distance between the light emitting part and the light receiving part in principle, but with a small distance measuring sensor with a distance of 1 cm, a target object with a distance of 150 cm is measured with an accuracy of about 10%. In order to do this, the detection accuracy of the light receiving position Rx of the reflected light is required to be 1 μm or less.
ところが、温度、湿度、応力等の影響で、受光側レンズ53に対してPSD54が図5において横方向に相対的にずれると、PSD54の電流比出力値が、受光側レンズ53の光軸とPSD54上の受光位置Rxとの間の距離xを正しく表さないことになって、距離Lを精度高く検出できないことになる。
However, if the
前述のように、三角測量方式では距離測定は、PSD54の受光領域上の反射光の入射位置Rxの受光側レンズ53の光軸に対する距離xや基線長Sを正確に検出することが重要となるが、図5に示した関係はあくまでも、各構成部品の位置関係によって決定されるため、対象物体55と測距センサとのの距離Lを正確に決定するためには、それらの位置関係を精度高く決定しなければならない。
As described above, in the triangulation method, in distance measurement, it is important to accurately detect the distance x and the base line length S of the incident position Rx of the reflected light on the light receiving area of the
勿論、測距センサを設計、製造する場合には、発光素子としてのLED52、受光素子としてのPSD54、発光側レンズ51、受光側レンズ53等の位置を予め設定しているから、測距センサと対象物体55との距離Lと反射光の入射位置Rxとの関係は一義的に決定される。
Of course, when designing and manufacturing a distance measuring sensor, the positions of the
しかしながら、測距センサの製造時の組み立て精度は勿論、測距センサを最終製品への実装する時や実装後の使用時の環境変化(温度、湿度、応力等の変化)による変形によって位置関係が変化し、距離測定に誤差が生じてしまう。三角測量の原理上、特に受光側レンズ53に対するPSD54等の受光素子の位置変化の影響が最も大きく、図6のカーブが設計値から大きくシフトしてしまうのである。このため、測距センサの距離測定値が実際の距離とずれるという問題がある。
However, the positional relationship is affected by the deformation due to environmental changes (changes in temperature, humidity, stress, etc.) when the distance sensor is mounted on the final product and after use, as well as the assembly accuracy when manufacturing the distance sensor. Change, resulting in errors in distance measurement. In particular, due to the principle of triangulation, the influence of the position change of the light receiving element such as the
この影響を補正するためには、通常は距離を測定する前に、予め既知の距離に物体を設置して測定をして、その測定値からずれ量を算出して校正を行なうという方法がある。しかしながら、このような校正を毎回行なうのは、実使用上たいへん煩雑であり、利便性を損なう上、校正後に環境が変わればその校正が無駄になってしまうという問題がある。 In order to correct this effect, there is usually a method in which an object is placed at a known distance in advance and measured before the distance is measured, and the deviation is calculated from the measured value and calibrated. . However, performing such calibration every time is very complicated in actual use, impairs convenience, and there is a problem that the calibration is wasted if the environment changes after calibration.
そこで、従来、測距センサとしては、特開2004‐317202号公報(特許文献1)に記載されているものがある。この測距センサは、出荷前に校正作業を行って、各測距センサ毎に固有の個体定数と温度係数を求めて、マイクロコンピュータに記憶させ、現場設置後は、この個体定数および温度係数と、内蔵された温度センサで検出した周囲温度とによって、三角測距の算出値を補正するようにしている。 Therefore, conventionally, as a distance measuring sensor, there is one described in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-317202 (Patent Document 1). This distance measuring sensor is calibrated before shipment, and the individual constant and temperature coefficient specific to each distance measuring sensor are obtained and stored in the microcomputer. The calculated triangulation value is corrected based on the ambient temperature detected by the built-in temperature sensor.
しかしながら、上記従来の測距センサは、温度センサで検出した周囲温度によって、三角測距の算出値を補正しているため、温度変化の影響による誤差を小さくできるが、温度センサを必要とするため、大型化、高価になる上に、湿度や応力による影響を補正できないという問題がある。 However, since the conventional distance measuring sensor corrects the calculated value of the triangular distance measuring according to the ambient temperature detected by the temperature sensor, the error due to the temperature change can be reduced, but the temperature sensor is required. In addition to increasing the size and cost, there is a problem that the influence of humidity and stress cannot be corrected.
そこで、この発明の課題は、温度センサを必要としなくて、小型、安価で、しかも、毎回校正作業をしなくても、温度や湿度や応力等の影響を補正して、正確に距離を測定できる距離測定装置を提供することにある。 Therefore, the problem of the present invention is that it does not require a temperature sensor, is small and inexpensive, and corrects the influence of temperature, humidity, stress, etc. without performing calibration work every time, and accurately measures the distance. An object of the present invention is to provide a distance measuring device that can be used.
上記課題を解決するため、この発明の距離測定装置は、
発光素子と、受光側レンズと、受光位置を検出できる受光素子とを備えて、上記発光素子から出射されて対象物体から反射された光を、上記受光側レンズを経由して受光素子で受光して、三角測量方式で、上記対象物体と発光素子との間の距離を測定する距離測定装置において、
上記受光側レンズに直接または間接に固定されていると共に、上記発光素子から出射された光を、上記対象物体を経由しないで、上記受光素子に導くリファレンス光路を形成するリファレンス光路形成手段を
備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the distance measuring device of the present invention is:
A light-emitting element, a light-receiving side lens, and a light-receiving element capable of detecting a light-receiving position are received by the light-receiving element via the light-receiving side lens. In the distance measuring device that measures the distance between the target object and the light emitting element by the triangulation method,
Reference light path forming means that is fixed directly or indirectly to the light receiving side lens and that forms a reference light path that guides the light emitted from the light emitting element to the light receiving element without passing through the target object. It is characterized by.
上記構成の距離測定装置によれば、上記受光側レンズに直接または間接に固定されているリファレンス光路形成手段によって、上記発光素子から出射された光が、上記対象物体を経由しないで、リファレンス光路を通って、リファレンス光として、上記受光素子に入射される。 According to the distance measuring apparatus having the above-described configuration, the light emitted from the light emitting element is not routed through the target object by the reference optical path forming unit fixed directly or indirectly to the light receiving side lens. Then, it enters the light receiving element as reference light.
上記リファレンス光路形成手段は、受光側レンズに直接または間接に固定されているから、上記受光素子に対して受光側レンズの位置が温度や湿度や応力などの影響で相対的にずれると、上記リファレンス光路形成手段も同じだけ相対的にずれる。したがって、上記受光素子上のリファレンス光の受光位置も、受光側レンズと受光素子との相対位置のずれ量に応じてずれる。 Since the reference optical path forming means is directly or indirectly fixed to the light receiving side lens, if the position of the light receiving side lens is shifted relative to the light receiving element due to the influence of temperature, humidity, stress, etc., the reference The optical path forming means is also relatively shifted by the same amount. Therefore, the light receiving position of the reference light on the light receiving element is also shifted according to the amount of deviation of the relative position between the light receiving side lens and the light receiving element.
したがって、上記受光素子上のリファレンス光の受光位置のずれ量から、上記受光側レンズと受光素子との間の相対位置のずれ量を検出することができる。したがって、工場出荷後に、煩雑な校正作業をしなくても、このずれ量を用いて、対象物体からの反射光の受光素子上の受光位置を補正して、温度、湿度、応力等の変化の影響を受けることなく、対象物体までの距離を正確に検出することができる。 Therefore, it is possible to detect the shift amount of the relative position between the light receiving side lens and the light receiving element from the shift amount of the reference light receiving position on the light receiving element. Therefore, even if no complicated calibration work is required after factory shipment, using this deviation amount, the light receiving position on the light receiving element of the reflected light from the target object is corrected, and changes in temperature, humidity, stress, etc. The distance to the target object can be accurately detected without being affected.
また、この発明の距離測定装置は、温度センサ等のセンサを用いていないから、小型、安価である。 The distance measuring device of the present invention does not use a sensor such as a temperature sensor, and is therefore small and inexpensive.
1実施形態では、上記リファレンス光路形成手段は、反射板である。 In one embodiment, the reference optical path forming means is a reflector.
上記実施形態では、リファレンス光路形成手段が反射板であるから、簡単、安価にリファレンス光路を形成することができる。 In the above embodiment, since the reference optical path forming means is a reflecting plate, the reference optical path can be formed easily and inexpensively.
1実施形態では、上記反射板は、上記光を反射する金属膜を有する。 In one embodiment, the reflector has a metal film that reflects the light.
上記実施形態では、上記反射板が、光を反射する金属膜を有するから、反射板を簡単、安価に製作でき、かつ、効率良く、光を反射することができる。 In the above embodiment, since the reflection plate has a metal film that reflects light, the reflection plate can be manufactured easily and inexpensively, and light can be reflected efficiently.
1実施形態では、上記反射板は、凹面を有して、この凹面で光を集光して受光素子に向ける。 In one embodiment, the reflecting plate has a concave surface, and condenses light at the concave surface and directs the light toward the light receiving element.
上記実施形態によれば、上記反射板の凹面が、リファレンス光としての光を集光して受光素子に入射させるので、受光素子上のリファレンス光の光スポットが小さく、強いものになって、光スポットの重心位置を正確に求めることができ、ひいては、上記ずれ量を正確に求めることができる。 According to the embodiment, the concave surface of the reflector condenses light as reference light and makes it incident on the light receiving element, so that the light spot of the reference light on the light receiving element is small and strong, and the light The position of the center of gravity of the spot can be obtained accurately, and thus the amount of deviation can be obtained accurately.
1実施形態では、上記対象物体から反射された光を、上記受光側レンズを経由して受ける上記受光素子の測定用受光領域と、上記発光素子から出射された光を、上記リファレンス光路形成手段を経由して受ける上記受光素子のリファレンス用受光領域とが重ならないように配置されている。 In one embodiment, the measurement light receiving region of the light receiving element that receives the light reflected from the target object via the light receiving side lens, and the light emitted from the light emitting element is transmitted to the reference optical path forming unit. The reference light receiving area of the light receiving element that is received via is arranged so as not to overlap.
上記実施形態によれば、上記受光素子の測定用受光領域と受光素子のリファレンス用受光領域とが重ならないから、対象物体から反射された光である測定光の受光素子上の入射位置と、上記リファレンス光路形成手段を経由する光であるリファレンス光の受光素子上の入射位置とを別々に検出でき、混同することがなく、したがって、測定光の入射位置とリファレンス光の入射位置とを精度高く検出して、精度の高い測定を行うことができる。 According to the embodiment, since the measurement light receiving region of the light receiving element and the reference light receiving region of the light receiving element do not overlap with each other, the incident position on the light receiving element of the measurement light, which is light reflected from the target object, The incident position on the light receiving element of the reference light, which is the light that passes through the reference optical path forming means, can be detected separately and is not confused. Therefore, the incident position of the measurement light and the incident position of the reference light can be detected with high accuracy. Thus, highly accurate measurement can be performed.
1実施形態では、上記受光素子の測定用受光領域とリファレンス用受光領域とは、上記発光素子と受光素子との整列方向に並行して配置されている。 In one embodiment, the measurement light-receiving area and the reference light-receiving area of the light-receiving element are arranged in parallel with the alignment direction of the light-emitting element and the light-receiving element.
上記実施形態では、上記受光素子の光の入射位置は、上記発光素子と受光素子との整列方向に変位するのに対して、上記受光素子の測定用受光領域とリファレンス用受光領域とは、上記発光素子と受光素子との整列方向に並行して配置されているから、測定用およびリファレンス用受光領域が夫々有効に利用でき、無駄な受光領域が少ない。もし、上記受光素子の測定用受光領域とリファレンス用受光領域とが、上記発光素子と受光素子との整列方向に並行して配置されていなく、例えば、上記整列方向と交差する方向に配置されているとすると、測定光が測定用受光領域に入射できず、測定用受光領域からはみ出したり、リファレンス光がリファレンス用受光領域に入射できず、リファレンス用受光領域からはみ出したりし、また、測定用受光領域やリファレンス用受光領域に、光が入射することがない無駄な部分が生じるのである。 In the embodiment, the light incident position of the light receiving element is displaced in the alignment direction of the light emitting element and the light receiving element, whereas the measurement light receiving area and the reference light receiving area of the light receiving element are Since the light emitting element and the light receiving element are arranged in parallel with each other in the alignment direction, the light receiving area for measurement and the reference can be used effectively, and there are few useless light receiving areas. If the light receiving element for measurement and the light receiving area for reference of the light receiving element are not arranged in parallel with the alignment direction of the light emitting element and the light receiving element, for example, arranged in a direction crossing the alignment direction. The measurement light cannot enter the measurement light reception area, and the measurement light reception area does not enter, or the reference light cannot enter the reference light reception area and the measurement light reception area. In other words, a useless portion where no light enters is generated in the region and the light receiving region for reference.
1実施形態では、上記発光素子からの光が迷光として上記受光素子に入るのを防止する遮光板が設けられ、この遮光板に上記リファレンス光路が通る穴が設けられている。 In one embodiment, a light shielding plate for preventing light from the light emitting element from entering the light receiving element as stray light is provided, and a hole through which the reference light path passes is provided in the light shielding plate.
上記実施形態では、上記発光素子からの光が迷光として上記受光素子に入るのを防止する遮光板に、上記リファレンス光路が通る穴が設けられているから、上記受光素子に迷光が入るのを防止でき、かつ、リファレンス光路を簡単に形成することができる。 In the above embodiment, since a hole through which the reference optical path passes is provided in a light shielding plate that prevents light from the light emitting element from entering the light receiving element as stray light, stray light is prevented from entering the light receiving element. And a reference optical path can be easily formed.
1実施形態では、上記リファレンス光路形成手段によって上記リファレンス光路を通って上記受光素子上に導かれた光の受光位置に基づいて、上記受光側レンズと上記受光素子との相対位置のずれ量を検出する。 In one embodiment, a shift amount of a relative position between the light receiving side lens and the light receiving element is detected based on a light receiving position of light guided on the light receiving element through the reference optical path by the reference optical path forming unit. To do.
1実施形態では、上記ずれ量に基づいて、上記対象物体からの反射光の上記受光素子上の受光位置を補正して、上記対象物体と発光素子との間の距離を算出する。 In one embodiment, a light receiving position on the light receiving element of reflected light from the target object is corrected based on the amount of deviation, and a distance between the target object and the light emitting element is calculated.
上記実施形態では、上記受光側レンズと上記受光素子との相対位置のずれ量に基づいて、上記対象物体からの反射光の上記受光素子上の受光位置を補正して、上記対象物体と発光素子との間の距離を算出するので、温度、湿度、応力等の環境の変化で、上記受光側レンズと上記受光素子との相対位置のずれがあっても、測定毎に煩雑な校正をすることなく、正確に距離を測定することができる。 In the above embodiment, the light receiving position on the light receiving element of the reflected light from the target object is corrected based on the shift amount of the relative position between the light receiving side lens and the light receiving element, and the target object and the light emitting element are corrected. Therefore, even if there is a shift in the relative position between the light receiving side lens and the light receiving element due to changes in the environment such as temperature, humidity, and stress, complicated calibration is required for each measurement. The distance can be accurately measured.
1実施形態では、上記ずれ量に基づいて、上記対象物体からの反射光の上記受光素子上の受光位置の補正を実施するか、または、実施しないかを選択することができる。 In one embodiment, it is possible to select whether or not to correct the light receiving position on the light receiving element of the reflected light from the target object based on the amount of deviation.
1実施形態では、上記ずれ量に基づいて、上記対象物体からの反射光の上記受光素子上の受光位置を補正して、上記対象物体との距離を算出する演算装置が、上記受光素子と一体に設けられている。 In one embodiment, an arithmetic unit that corrects a light receiving position on the light receiving element of reflected light from the target object based on the shift amount and calculates a distance from the target object is integrated with the light receiving element. Is provided.
上記実施形態では、上記ずれ量に基づいて、上記対象物体からの反射光の上記受光素子上の受光位置を補正して、上記対象物体との距離を算出する演算装置が、上記受光素子と一体に設けられているから、構造が小型、コンパクトになる。 In the embodiment, an arithmetic unit that corrects the light receiving position on the light receiving element of the reflected light from the target object based on the shift amount and calculates a distance from the target object is integrated with the light receiving element. The structure is small and compact.
この発明によれば、温度センサを必要としなくて、小型、安価で、しかも、毎回校正作業をしなくても、温度や湿度や応力等の影響を補正して、正確に距離を測定できる距離測定装置を実現することができる。 According to the present invention, a distance that does not require a temperature sensor, is small and inexpensive, and can accurately measure the distance by correcting the influence of temperature, humidity, stress, etc. without performing calibration work each time. A measuring device can be realized.
以下、この発明を図示の実施形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
図1Aは、本発明の第1実施形態の距離測定装置の正面図であり、図1Bは、上記距離測定装置の側断面図である。 FIG. 1A is a front view of the distance measuring device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a side sectional view of the distance measuring device.
図1Aに示すように、この第1実施形態の距離測定装置は、基板1上に発光素子の一例としての赤外光を出射する赤外LED2とイメージセンサ3とを配置している。上記赤外LED2とイメージセンサ3は、基板1上に設けられた配線パターン(図示せず)に電気的に接続されている。さらに、上記イメージセンサ3は外部端子5に接続されており、イメージセンサ3が外部端子5を介して電源および外部回路と接続されている。
As shown in FIG. 1A, the distance measuring device according to the first embodiment includes an
上記イメージセンサ3は、図2に示すように、基板部31に、受光素子の一例としてのPSD(半導体位置検出素子:Position Sensitive Detector)32と、演算装置の一例としてのDSP(デジタルシグナルプロセッサ:Digital Signal Processor)33と、不揮発性メモリ34と、電源回路35とを搭載している。上記PSD32は、測定用受光領域32aとリファレンス用受光領域32bを有する。
As shown in FIG. 2, the
図1Aに示すように、上記赤外LED2およびイメージセンサ3を搭載した基板1と一体に、外装ケース6を、赤外線を遮る赤外遮光樹脂の金型成型によって形成している。このとき同時に、上記基板1上の赤外LED2とイメージセンサ3との間に、赤外LED2から出射された赤外光が迷光となってランダムにイメージセンサ3に入射されるのを防止するための迷光防止用の赤外遮光樹脂製の赤外遮光板7が形成される。この赤外遮光板8の一部には金型で穴8を開けておく。
As shown in FIG. 1A, an
上記外装ケース6および赤外遮光板7の上端には、赤外線が透過する赤外透過樹脂製のキャップ10が装着されて、このキャップ10と外装ケース6とによって、上記基板1上の赤外LED2とイメージセンサ3とが封止されている。
A
上記キャップ10は、平板部11と発光側レンズ12と受光側レンズ13とからなり、これらは、金型による赤外透過樹脂の一体成型により形成されている。上記平板部11は、外装ケース6および赤外遮光板7の上端に密着している。
The
図1Aに示すように、上記キャップ10の受光側レンズ13の前方、かつ、図1Bにおいて、上記キャップ10の受光側レンズ13の横の平板部11には、リファレンス光路形成手段の一例としての反射板15を設けている。この反射板15は、赤外透過樹脂製で、受光側レンズ13の近傍に位置し、かつ、受光側レンズ13と一体に形成している。なお、反射板15は受光側レンズ13に直接固定してもよく、あるいは、他の部材を関して間接的に固定してもよい。
As shown in FIG. 1A, the
上記反射板15の下面の一部には、赤外線を反射する金属膜(図示せず)が蒸着法等によって形成されている。上記金属膜と赤外LED2とを結ぶ直線が、赤外遮光板7の穴8を通るようになっていて、赤外LED2から出射された赤外光の一部は、赤外遮光板7の穴8を通って、反射板15の金属膜によって反射されて、図2に示すPSD32のリファレンス用受光領域32bに光スポット17を形成するようになっている。
A metal film (not shown) that reflects infrared rays is formed on a part of the lower surface of the reflecting
上記リファレンス光路形成手段としての反射板15は、赤外LED2から赤外遮光板7の穴8を通り、反射板15を経由して、PSD32のリファレンス用受光領域32bに至る赤外光のリファレンス光路を形成する。このリファレンス光路は、図示しない測定の対象物体を経由しない。
The
また、上記赤外LED2から出射された赤外光の一部は、発光側レンズ12を通り、測定の対象物体により反射され、受光側レンズ13を通って、図2に示すPSD32の測定用受光領域32aに光スポット18を形成するようになっている。
A part of the infrared light emitted from the
ここで、この第1実施形態の距離測定装置の製造後に1度、既知の距離(例えば、150cm)に置いた校正用の対象物体(図示せず)に対して測定動作を実施する。このとき、LED2から出射され、穴8を通り、反射板15の金属膜に反射されて、イメージセンサ3のPSD32に入射した赤外光のリファレンス用の光スポット17の位置と、LED2から出射され、発光側レンズ12を通り、校正用の対象物体から反射され、受光側レンズ13を通って、イメージセンサ3のPSD32に入射した赤外光の測定用の光スポット18の位置との両方の位置を夫々測定する。この測定は、DSP33がPSD32の夫々の電流比出力値を算出し、この電流比出力値に基づいてPSD32上のリファレンス用の光スポット17と測定用の光スポット18の各位置を決定する。この位置は、DSP33に内蔵した図示しない不揮発性メモリに書き込まれて、この距離測定装置個体の初期値とする。この初期設定は、各距離測定装置毎に、工場出荷前に一度行われる。
Here, after the manufacturing of the distance measuring apparatus according to the first embodiment, a measurement operation is performed once on a calibration target object (not shown) placed at a known distance (for example, 150 cm). At this time, the light is emitted from the
上記構成の距離測定装置は、次のように動作する。 The distance measuring apparatus having the above configuration operates as follows.
まず、初期設定を行なった場合と同様に、LED2から出射され、穴8を通り、反射板15の金属膜に反射されて、イメージセンサ3のPSD32に入射した赤外光のリファレンス用の光スポット17の位置と、LED2から出射され、発光側レンズ12を通り、対象物体(測定すべき任意の位置にある)から反射され、受光側レンズ13を通って、イメージセンサ3のPSD32に入射した赤外光の測定用の光スポット18の位置との両方の位置を夫々測定する。
First, as in the case of the initial setting, the infrared light reference light spot that is emitted from the
そして、反射板15の金属膜に反射されて、イメージセンサ3のPSD32に入射した光のリファレンス用の光スポット17の位置が、上記初期値と変わっていないかをDSP33で判定し、変わっている場合は、その位置と上記初期値との差から、受光側レンズ13とイメージセンサ3との相対位置のずれ量Δxを算出する。上記差は、受光側レンズ13とイメージセンサ3との相対位置のずれ量Δxに略比例する。このずれ量Δxは、初期設定時から、温度、湿度、応力等種々の要因で生じるものである。
Then, the
その後、上記対象物体から反射されて、受光側レンズ13を通って、イメージセンサ3のPSD32に入射した赤外光の測定用の光スポット18の位置を表す値を、上記ずれ量Δxで補正し、予め設定された距離と反射光位置の関係を用いて距離データに変換して出力する。この距離と反射光位置との関係は、三角測量の原理により、基本的には、上述の(式1)と同じである。
Thereafter, the value representing the position of the
上記距離測定装置によれば、反射板3と受光側レンズ13とが、イメージセンサ3に対して同じ横方向の変位をするので、受光側レンズ13とイメージセンサ3との相対位置のずれ量Δxを、反射板15で反射されて、イメージセンサ3のPSD32に入射した光のリファレンス用の光スポット17の位置に基づいて求めることができる。したがって、この第1実施形態の距離測定装置は、製造後、工場出荷前に、初期設定で校正を行なったときと、構成部品の位置関係が温度、応力、湿度等の原因でずれていても、煩雑な校正作業をすることなしに、上記リファレンス用の光スポット17の初期設定時からに変位により求めたずれ量Δxによって、PSD32に入射した測定用の光スポット18の入射位置を補正して、対象物体への距離を正確に求めることができる。
According to the distance measuring device, the
また、この第1実施形態の距離測定装置は、従来においては必要であった高価な温度センサ等が不要であるため、小型、安価である。 In addition, the distance measuring device according to the first embodiment is small and inexpensive because it does not require an expensive temperature sensor or the like that was necessary in the prior art.
また、上記第1実施形態では、リファレンス光路形成手段が反射板15であるから、簡単、安価にリファレンス光路を形成することができる。
In the first embodiment, since the reference optical path forming means is the
また、上記第1実施形態では、上記反射板15は、蒸着により形成され、赤外光を反射する金属膜を有するから、反射能力の高い反射板を簡単、安価に製作できる。
In the first embodiment, the reflecting
また、上記第1実施形態では、対象物体から反射された赤外光を、受光側レンズ13を経由して受けるPSD32の測定用受光領域32aと、LED2から出射された光を、反射板25を経由して受けるPSD32のリファレンス用受光領域32bとが重ならないように配置されているから、対象物体から反射された光である測定光の測定用の光スポット18と、反射板15からのリファレンス光のリファレンス用の光スポット17を別々に検出でき、混同することがなく、したがって、測定光の入射位置とリファレンス光の入射位置とを精度高く検出して、精度の高い測定を行うことができる。
In the first embodiment, the measurement light-receiving
また、上記第1実施形態では、PSD32の測定用受光領域32aとリファレンス用受光領域32bとは、赤外LED2とPSD32との整列方向に並行して配置されているので、測定用およびリファレンス用受光領域が夫々有効に利用でき、無駄な受光領域が少ない。もし、仮に、上記PSD32の測定用受光領域32aとリファレンス用受光領域32bとが、赤外LED2とPSD32との整列方向に並行して配置されていなく、例えば、上記整列方向と交差する方向に配置されていると、測定光が測定用受光領域32aに入射できず、測定用受光領域32aからはみ出したり、リファレンス光がリファレンス用受光領域32bに入射できず、リファレンス用受光領域32bからはみ出したりし、また、測定用受光領域32aやリファレンス用受光領域32bに、光が入射することがない無駄な部分が生じるのである。
In the first embodiment, the measurement
上記第1実施形態では、赤外LED2からの光が迷光としてPSD32に入るのを防止する遮光板7を設け、この遮光板7にリファレンス光路が通る穴8を設けているから、上記PSD32に迷光が入るのを防止でき、かつ、リファレンス光路を簡単に形成することができる。
In the first embodiment, the light shielding plate 7 that prevents the light from the
また、上記第1実施形態では、上記ずれ量Δxに基づいて、対象物体からの反射光のPSD32上の受光位置を補正して、対象物体との距離を算出するDSP33がPSD32と一体に設けているので、構造が小型、コンパクトになる。
In the first embodiment, the
図3は、この発明の第2実施形態の距離測定装置の断面図である。この図3において、図1A、1Bおよび2に示す第1実施形態の構成要素と同一構成要素については、同一参照番号を付して、詳しい説明は省略し、異なる構成要素について、以下に説明する。 FIG. 3 is a sectional view of a distance measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same components as those of the first embodiment shown in FIGS. 1A, 1B and 2 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and different components are described below. .
この第2実施形態では、図3に示すように、受光側レンズ13の前方にリファレンス光路形成手段の一例としての反射板25を設ける他に、発光側レンズ12の前方にもリファレンス光路形成手段の一例としての反射板26を設けている。各反射板25,26の一部に、第1実施形態の反射板15と同様に、赤外線を反射する金属膜(図示せず)を蒸着法等によって形成している。
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, in addition to providing the
また、図1Aに示す第1実施形態の迷光防止用の赤外遮光板7よりも背の高さが低い赤外遮光樹脂製の赤外遮光板27を設けている。
Further, an infrared
また、赤外線が透過する赤外透過樹脂製のキャップ20の平板部21には、下方に突出する突出部21aを設け、この突出部21aが赤外遮光板27に当接するようにしている。
The
赤外LED2から出射された赤外光の一部は、反射板26の金属膜に反射され、突出部21aを通り、反射板25の金属膜に反射されて、イメージセンサ3に入射するようになっている。
A part of the infrared light emitted from the
そして、第1実施形態と同様に、図2に示すイメージセンサ3のPSD32のリファレンス用受光領域32bに光スポット17を形成する。
Then, similarly to the first embodiment, the
この第2実施形態も、第1実施形態と同様の効果が得られる。 In the second embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
上記第1、第2実施形態では、反射板15,25は、受光側レンズ13と一体に、かつ、同じ赤外透過樹脂で形成したが、反射板は、受光側レンズ13と別体に形成してもよく、また、キャップ10の赤外透過樹脂とは異なる材料で、赤外光を反射する材質で形成してもよい。要は、受光側レンズ13と反射板15,25とは、互いの位置関係が変化しないように、互いの近傍に位置し、かつ、一体化を含めて直接または間接に固定すればよい。
In the first and second embodiments, the
また、発光側レンズ12および受光側レンズ13の横に形成する反射板15,25,26は、図示しないが、凹面鏡構造にしてもよい。このようにすれば、リファレンス光のサイズを小さくかつ強度アップすることができ、リファレンス光の光スポットの重心位置をより正確に求めることができる。
Further, although not shown, the reflecting
また、上記第1、第2実施形態では、リファレンス光路形成手段として反射板15,25,26を説明したが、リファレンス光路形成手段はプリズムでも、回折格子であってもよい。
In the first and second embodiments, the
また、上記第1、第2実施形態では、受光素子の一例としてPSD32を用いたが、受光位置を検出できる受光素子として、CMOS(相補性金属酸化膜半導体)イメージセンサ、CCD(電荷結合素子)イメージセンサ等の固体撮像素子を用いてもよい。
In the first and second embodiments, the
また、上記第1、第2実施形態では、演算装置として、DSP33を用いたが、CPU(中央演算処理装置)を用いてもよい。
In the first and second embodiments, the
また、上記第1、第2実施形態では、発光素子として、LED2を用いたがが、半導体レーザを用いてもよい。また、発光側レンズは、省略してもよい。 Moreover, although LED2 was used as a light emitting element in the said 1st, 2nd embodiment, you may use a semiconductor laser. The light emitting side lens may be omitted.
図示しないが、スイッチを設けて、上記ずれ量Δxに基づいて、対象物体からの反射光の受光素子上の受光位置の補正を実施するか、または、実施しないかを選択するようにしてもよい。 Although not shown, a switch may be provided to select whether or not to correct the light receiving position on the light receiving element of the reflected light from the target object based on the deviation amount Δx. .
2 赤外LED
3 イメージセンサ
7 遮光板
8 穴
12 発光側レンズ
13 受光側レンズ
15,25,26 反射板
32 PSD
32a 測定用受光領域
32b リファレンス用受光領域
33 DSP
2 Infrared LED
3 Image sensor 7 Light-shielding
32a Light receiving area for
Claims (11)
上記受光側レンズに直接または間接に固定されていると共に、上記発光素子から出射された光を、上記対象物体を経由しないで、上記受光素子に導くリファレンス光路を形成するリファレンス光路形成手段を
備えることを特徴とする距離測定装置。 A light-emitting element, a light-receiving side lens, and a light-receiving element capable of detecting a light-receiving position are received by the light-receiving element via the light-receiving side lens. In the distance measuring device that measures the distance between the target object and the light emitting element by the triangulation method,
Reference light path forming means that is fixed directly or indirectly to the light receiving side lens and that forms a reference light path that guides the light emitted from the light emitting element to the light receiving element without passing through the target object. A distance measuring device characterized by.
上記発光素子からの光が迷光として上記受光素子に入るのを防止する遮光板が設けられ、この遮光板に上記リファレンス光路が通る穴が設けられていることを特徴とする距離測定装置。 In the distance measuring device according to any one of claims 1 to 6,
A distance measuring apparatus comprising: a light shielding plate that prevents light from the light emitting element from entering the light receiving element as stray light; and a hole through which the reference optical path passes.
上記リファレンス光路形成手段によって上記リファレンス光路を通って上記受光素子上に導かれた光の受光位置に基づいて、上記受光側レンズと上記受光素子との相対位置のずれ量を検出することを特徴とする距離測定装置。 In the distance measuring device according to any one of claims 1 to 7,
Detecting a shift amount of a relative position between the light receiving side lens and the light receiving element on the basis of a light receiving position of light guided onto the light receiving element through the reference optical path by the reference optical path forming unit; Distance measuring device.
上記ずれ量に基づいて、上記対象物体からの反射光の上記受光素子上の受光位置を補正して、上記対象物体と発光素子との間の距離を算出することを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 8, wherein
A distance measuring apparatus that corrects a light receiving position of the reflected light from the target object on the light receiving element based on the shift amount, and calculates a distance between the target object and the light emitting element.
上記ずれ量に基づいて、上記対象物体からの反射光の上記受光素子上の受光位置の補正を実施するか、または、実施しないかを選択できることを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 9,
A distance measuring device that can select whether or not to correct the light receiving position on the light receiving element of the reflected light from the target object based on the deviation amount.
上記ずれ量に基づいて、上記対象物体からの反射光の上記受光素子上の受光位置を補正して、上記対象物体との距離を算出する演算装置が、上記受光素子と一体に設けられていることを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 9 or 10,
An arithmetic device for correcting the light receiving position on the light receiving element of the reflected light from the target object based on the deviation amount and calculating the distance from the target object is provided integrally with the light receiving element. A distance measuring device characterized by that.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CN112068146A (en) * | 2020-09-02 | 2020-12-11 | 广东博智林机器人有限公司 | Laser distance measuring device |
US11609309B2 (en) | 2017-10-17 | 2023-03-21 | Denso Corporation | Housing of light emission/reception device |
-
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- 2012-05-25 JP JP2012119954A patent/JP2013246048A/en active Pending
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