JP2022034136A - 光電センサおよび光測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のトランスインピーダンスアンプを用いることなく広いダイナミックレンジで適切に光を検出することができる安価な光電センサを提供する。【解決手段】測定光を出力する投光部と、測定光が物体に当たって拡散反射した反射光を電流信号に変換する受光部と、受光部で変換した電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器と、前置増幅器の出力信号を第１増幅率Ａ１で増幅する第１増幅器と、第１増幅器の出力信号を第１閾値Ｖｔｈ１で二値化する第１二値化回路を備えた第１信号処理系統と、前置増幅器の出力信号を第２増幅率Ａ２で増幅する第２増幅器と、第２増幅器の出力信号を第２閾値Ｖｔｈ２で二値化する第２二値化回路を備えた第２信号処理系統と、を備え、第１閾値と第２閾値、および、第１増幅率と第２増幅率とが、以下の関係式 １＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１） を満たすように設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光電センサおよび光測距装置に関する。

特許文献１には、広いダイナミックレンジにわたって、受信信号を可能な限り信号に忠実に増幅することを目的とした、監視領域内の物体を検出するための光電センサが開示されている。

当該光電センサは、光を発信するための発光器と、物体に当たって拡散反射された光を光電流に変換するための受光器と、前記光電流から導出される受信信号から物体の特性を測定するための評価部とを備え、前記受光器と前記評価部との間には、前記拡散反射光をより大きいダイナミックレンジで検出するために、より高感度の増幅器を有する高感度受信経路と、より低感度の増幅器を有する低感度受信経路とが設けられ、前記拡散反射光の強度に応じて、前記高感度受信経路または前記低感度受信経路において、前記受信経路に分割された光電流から前記受信信号を生成する。

そして、少なくとも前記低感度受信経路がダイオードアレイを備えており、該ダイオードアレイの順方向電圧を用いて前記拡散反射光の強度の閾値が規定され、前記閾値を上回った場合のみ光電流が前記低感度受信経路を流れるように構成されている。

上述の光電センサによれば、受信信号が、各個々の受信経路のダイナミックレンジより広いダイナミックレンジ内で、ほとんど情報を失わずに増幅される。順方向電圧を上回った場合のみ、電流が低感度受信経路の増幅器に流入し、受信出力が小さい場合は、光電流全体が高感度受信経路に導かれるので、感度損失が生じない。

特開２０１４－１４２３４０号公報

しかし、特許文献１に記載された光電センサは、ダイオードアレイを備えた単一または複数の低感度受信経路と高感度受信経路の其々に高価なトランスインピーダンスアンプを備える必要があり部品コストが嵩むという問題があった。

本発明の目的は、複数のトランスインピーダンスアンプを用いることなく広いダイナミックレンジで適切に光を検出することができる安価な光電センサおよび光測距装置を提供する点にある。

この目的達成をするため、本発明による光電センサの第一の特徴構成は、監視領域内の物体を検出する光電センサであって、監視領域に向けて測定光を出力する投光部と、測定光が物体に当たって拡散反射した反射光を電流信号に変換する受光部と、前記受光部で変換した電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器と、前記前置増幅器の出力信号を第１増幅率Ａ１で増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器の出力信号を第１閾値Ｖｔｈ１で二値化する第１二値化回路を備えた第１信号処理系統と、前記前置増幅器の出力信号を第２増幅率Ａ２で増幅する第２増幅器と、前記第２増幅器の出力信号を第２閾値Ｖｔｈ２で二値化する第２二値化回路を備えた第２信号処理系統と、を備え、前記第１閾値Ｖｔｈ１と前記第２閾値Ｖｔｈ２、および、前記第１増幅率Ａ１と前記第２増幅率Ａ２とが、以下の関係式 １＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）を満たすように設定されている点にある。

投光部から出力された測定光が物体に当たって拡散反射した反射光が受光部で検出されて電流信号に変換され、当該電流信号が前置増幅器で電圧信号に変換されて第１信号処理系統と第２信号処理系統に入力される。第１信号処理系統では当該電圧信号が第１増幅器により第１増幅率Ａ１で増幅された後に第１閾値Ｖｔｈ１の第１二値化回路で二値化されたパルス信号が出力される。同様に第２信号処理系統では当該電圧信号が第２増幅器により第２幅率Ａ２（Ａ１＜Ａ２）で増幅された後に第２閾値Ｖｔｈ２（Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２）の第２二値化回路で二値化されたパルス信号が出力される。さらに、第１閾値Ｖｔｈ１と第２閾値Ｖｔｈ２、および、前記第１増幅率Ａ１と前記第２増幅率Ａ２とが、１＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）との関係式を満たすように設定されるため、第１信号処理系統で二値化出力が得られないような低レベルの入力信号であっても第２信号処理系統で二値化出力が得られるようになる。

同第二の特徴構成は、上述した第一の特徴構成に加えて、前記投光部から出力される測定光の出力時期と、前記第１信号処理系統または前記第２信号処理系統から出力される二値化信号の立上り時期と、に基づいて前記光電センサから物体までの距離を算出する距離演算回路を備えている点にある。

距離演算回路は、測定光の出力時期と二値化信号の立上り時期つまり拡散反射光の検出時期とから光電センサと物体間の光の伝播時間を算出し、光の伝播時間と光の速度とに基づいて光電センサから物体までの距離を算出する。

同第三の特徴構成は、上述した第一または第二の特徴構成に加えて、前記二値化信号のパルス幅に基づいて前記距離演算回路で算出した距離を補正する距離補正回路を備えている点にある。

二値化信号の立ち上がりエッジは二値化回路へ入力される電圧信号の特性によって変動し、電圧信号のピーク値が高ければ急峻に立ち上がり、電圧信号のピーク値が低ければ緩やかに立ち上がる。そのため、二値化信号の立上り時期から立下り時期までの時間であるパルス幅に基づいて二値化回路へ入力される電圧信号のピーク値が推定できるようになる。そこで、距離補正回路は予め基準とされる電圧信号に対する二値化信号の立上り時期となるように各二値化信号の立上り時期に対する補正量を求め、補正量に対応する距離を補正距離として、距離演算回路で算出した距離を補正する。

同第四の特徴構成は、上述した第二または第三の特徴構成に加えて、前記二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に前記距離演算回路による距離の算出を許容し、前記パルス幅が所定の閾値未満の場合に前記距離演算回路による距離の算出を禁止する時間判定回路を備えている点にある。

受光部で検出された光に対応して得られた二値化信号のパルス幅が測定光のパルス幅に比べて非常に短い場合には外乱と判断することができる。そこで、時間判定回路は、二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に真正な拡散反射光であると判断して距離演算回路による距離の算出を許容し、パルス幅が所定の閾値未満の場合に外乱と判断して距離演算回路による距離の算出を禁止する。

同第五の特徴構成は、上述した第二から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記第１信号処理系統および前記第２信号処理系統の双方から同時期に二値化信号が出力される場合に前記第１信号処理系統から出力される二値化信号を選択し、前記第２信号処理系統のみから二値化信号が出力される場合に前記第２信号処理系統から出力される二値化信号を選択して前記距離演算回路に出力する信号選択回路を備えている点にある。

ゲインの小さな第１増幅器を備えた第１信号処理系統と、ゲインの大きな第２増幅器を備えた第２信号処理系統から其々二値化信号が出力される場合には、第２信号処理系統に備えた第２増幅器にゲイン圧縮が生じて波形なまりが発生している可能性がある。そのため信号選択回路が第１信号処理系統から出力される二値化信号を選択することで、より正確な距離が得られるようになる。また、第２信号処理系統のみから二値化信号が出力される場合には、第１信号処理系統では二値化できなかった微弱な電圧信号に対してゲインの高い第２増幅器で適正に増幅されて得られた二値化信号を選択することで、微弱な電圧信号でも適正に距離を算出することができるようになる。

同第六の特徴構成は、上述した第二から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記第１信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて前記距離演算回路で算出した第１距離と、前記第２信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて前記距離演算回路で算出した第２距離と、の差分が所定の距離閾値未満の場合に前記第１距離を出力し、前記第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合に前記第２距離を出力する出力選択回路を備えている点にある。

第１距離と第２距離との差分が所定の距離閾値未満の場合には、同一の物体からの拡散反射光である可能性が高いため、出力選択回路は適正に増幅された第１信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて得られた第１距離を出力し、第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合には、ゲインの小さな第１増幅器を備えた第１信号処理系統では正確な距離の算出が困難となると判断して、第１距離の算出の有無にかかわらず第２距離を出力することで、光電センサからの距離が短い範囲から長い範囲までの広範囲で精度の高い距離を出力できるようになる。

同第七の特徴構成は、上述した第一の特徴構成に加えて、第１信号処理系統の出力信号および前記第２信号処理系統の出力信号の双方を外部に出力する出力インタフェース回路を備えている点にある。

出力インタフェース回路を介して第１信号処理系統の出力信号および前記第２信号処理系統の出力信号の双方を外部に出力することで、光電センサの使用者が光電センサの使用状況に応じて、臨機応変に第１信号処理系統と第２信号処理系統の各特性を考慮した距離演算を行なうことができる。

本発明による光測距装置の特徴構成は、前記投光部から出力される測定光を所定方向に偏向する光偏向部、および／または、前記投光部から出力される測定光を所定方向に偏向走査する光走査部を備えている上述した第二から第六の何れかの特徴構成を備えた光電センサを備えた点にある。

上述した何れかの特徴構成を備えた光電センサの投光部から出力される測定光を偏向または走査する光偏向部および／または光走査部を備えることにより、特定の方向に存在する物体までの距離を求める光測距装置が実現できる。

以上説明したように、本発明によれば、複数のトランスインピーダンスアンプを用いることなく広いダイナミックレンジで光を検出することができる安価な光電センサおよび光測距装置を提供することができるようになった。

光電センサを備えた光測距装置の構成説明図 光電センサに備えた信号処理回路の説明図 増幅器の出力信号の大きさと二値化信号の関係説明図 同一の入力信号に対する第１増幅器と第２増幅器の出力信号の説明図

以下に本発明による光電センサおよび光測距装置の実施形態を説明する。
図１には、光電センサ１を備えた光測距装置２００、および光電センサ１に組み込まれた信号処理回路１００が示されている。光測距装置２００は、透光窓を備えたケーシング（図中、破線で示す筒状体として例示されている。）Ｃに収容され、監視領域内の物体を検出する光電センサ１と、光電センサ１から出力される測定光を監視領域に向けて走査し、監視領域に存在する物体の表面から拡散反射された反射光を光電センサ１に導く光走査部１０と、を備えている。

光電センサ１は、ケーシングＣに備えた透光窓を介して監視領域に向けて測定光を出力する投光部２と、投光レンズ１５と、投光レンズ１５で波形整形された測定光が監視領域に存在する物体に当たって拡散反射した反射光を集光する集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光された反射光を受光して電流信号に変換する受光部３と、受光部３で変換した電流信号を処理する信号処理回路１００を備えている。信号処理回路１００は、基板上にマウントされた複数の回路素子で構成され、実際にはケーシングＣの底部などに収容される。

光走査部１０は投光部２から出力された測定光を監視領域に向けて偏向するとともに、物体からの反射光を受光部３に導く偏向ミラー１１と、偏光ミラー１１を回転軸Ｐ周りに回転駆動するモータ１３と、モータ１３の回転速度を検知するエンコーダ１４を備えている。エンコーダ１４は外周に所定間隔でスリットが形成され回転軸Ｐ周りに回転する円盤１４Ａと、円盤１４Ａに形成されたスリットを透過する光を検出する透過型のフォトインタラプタ１４Ｂで構成されている。

偏向ミラー１１は回転軸Ｐに対して４５度傾斜する姿勢で固定され、回転軸Ｐの軸心上に受光部３、集光レンズ１２、投光部２、投光レンズ１５が其々配置されている。投光部２から出力された測定光は、投光レンズ１５を通過して平行光に波形整形された後に光ガイド１６に沿って伝播し、偏向ミラー１１で直角に偏向され、偏向ミラー１１の回転とともに偏向走査されて監視領域に出力される。

物体からの反射光が光ガイド１６の周囲空間を伝播して偏向ミラー１１に入射し、回転軸Ｐの軸心方向に偏向された後に集光レンズ１２を通過して受光部３に入射する。投光部２として近赤外域のレーザー光を出力するレーザーダイオードが用いられ、受光部３としてアバランシェフォトダイオードが用いられている。

信号処理回路１００は、モータ駆動回路２０、投光部駆動回路３０、受光部駆動回路４０、受光信号処理回路５０、システム制御回路６０、入出力制御回路７０、メモリ８０などを備えている。

システム制御回路６０はＦＰＧＡなどで構成され、モータ駆動回路２０、投光部駆動回路３０、受光部駆動回路４０、受光信号処理回路５０に対して制御するとともに測距演算を行ない、演算結果をメモリ８０に格納する回路ブロックである。

入出力制御回路７０はメモリ８０に格納された演算結果を読み出して必要な処理を行ない、イーサネット（登録商標）を介して外部装置との間で処理結果などの信号を遣り取りする回路ブロックである。なお、外部装置との間の通信インタフェースはイーサネット（登録商標）に限るものではない。

モータ駆動回路２０は、エンコーダ１４からのパルス信号をシステム制御回路６０に伝達し、システム制御回路６０からの制御信号に基づいてモータ１３を駆動する回路である。

投光部駆動回路３０は、システム制御回路６０からの制御信号に基づいて投光部２を構成するレーザーダイオードをパルス駆動する回路であり、システム制御回路６０はエンコーダ１４からのパルス信号に基づいて偏向ミラー１１の回転位置を把握するとともにレーザーダイオードの駆動タイミングを把握して投光部駆動回路３０に制御信号を出力する。

図２に示すように、受光部駆動回路４０は、受光部３を構成するアバランシェフォトダイオードの駆動電圧を制御する回路で、受光部３の近傍温度を検知する温度センサＳｔｈと高圧発生回路を備え、システム制御回路６０からの制御信号に基づいて高圧発生回路の出力電圧を調整する。システム制御回路６０は温度センサの出力に基づいて受光部３の温度特性を補償するべく、高圧発生回路の出力電圧を所定電圧（本実施形態では約１５０Ｖ）近傍で可変制御する。

図１，２に示すように、受光信号処理回路５０は、反射光がアバランシェフォトダイオード３で光電変換された電流信号を処理する回路で、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプＴＩＡを用いた前置増幅器５１と、前置増幅器５１の出力信号を第１増幅率Ａ１で増幅する第１増幅器５２と、第１増幅器５２の出力信号を第１閾値Ｖｔｈ１で二値化する第１二値化回路５３を備えた第１信号処理系統５０Ａと、前置増幅器５１の出力信号を第２増幅率Ａ２で増幅する第２増幅器５４と、第２増幅器５４の出力信号を第２閾値Ｖｔｈ２で二値化する第２二値化回路５５を備えた第２信号処理系統５０Ｂを備えている。

アバランシェフォトダイオード３で光電変換された電流信号は抵抗分圧回路を介して分圧され、カップリングコンデンサを介して直流成分が除去された交流信号に変換された後に前置増幅器５１に入力される。

第１増幅器５２はＯＰアンプを用いた反転増幅器ＡＭＰ１で構成され、第２増幅器５４はＯＰアンプを用いた反転増幅器ＡＭＰ２（５４Ａ）と差動増幅器ＡＭＰ３（５４Ｂ）で構成される。第２増幅器５４は単一の反転増幅器であってもよい。

第１閾値Ｖｔｈ１と第２閾値Ｖｔｈ２は、以下の関係式を満たすように設定されている。
１＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）
つまり、Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２＜α×Ｖｔｈ１、１＜α＝Ａ２／Ａ１
これにより、第１信号処理系統５０Ａで二値化出力が得られないような低レベルの入力信号であっても第２信号処理系統５０Ｂで二値化出力が得られるようになる。

本実施形態では、前置増幅器５１の増幅率が８０ｄＢに設定され、第１増幅器５２の第１増幅率Ａ１が１６ｄＢ、第２増幅器５４の第２増幅率Ａ２が４１ｄＢに設定されている。第１増幅率Ａ１に対する第２増幅率Ａ２の真数表示での比の値α＝Ａ２／Ａ１は、対数表示の増幅率の差の値（２５ｄＢ（＝４１ｄＢ－１６ｄＢ））に等しい。したがって、増幅率の比の値αは約１７．８であり、１より大きい。

また、第１閾値Ｖｔｈ１が０．１６Ｖ、第２閾値Ｖｔｈ２が０．４０Ｖに設定されている。第１閾値Ｖｔｈ１に対する第２閾値Ｖｔｈ２の真数表示での比の値は２．５であり、１より大きく、かつ、値αよりも小さく、上述の関係式が成立する。なお、第１閾値Ｖｔｈ１に対する第２閾値Ｖｔｈ２の対数表示での差の値は７．９６ｄＢであり、０ｄＢより大きく、かつ、第１増幅率Ａ１に対する第２増幅率Ａ２の対数表示の増幅率の差の値（２５ｄＢ）よりも小さい。

つまり、第１信号処理系統５０Ａが低感度信号処理系、第２信号処理系統５０Ｂが高感度信号処理系となる。前置増幅器５１の出力信号が第１信号処理系統５０Ａと第２信号処理系統５０Ｂとにそれぞれ供給されるので、低感度な第１信号処理系統５０Ａで二値化出力が得られないような低レベルの入力信号であっても、高感度な第２信号処理系統５０Ｂで二値化出力が得られるようになる。

システム制御部６０には、上述したモータ駆動回路２０、投光部駆動回路３０、受光部駆動回路４０に対する制御に加えて、距離演算回路、距離補正回路、時間判定回路などを備え、入出力制御回路７０には出力選択回路などを備えている。距離演算回路、距離補正回路、時間判定回路は、光走査部１０の単位走査の度に作動して監視領域内の物体までの距離および走査角度を算出し、その結果をメモリ８０に格納する。

第１信号処理系統５０Ａに備えた第１二値化回路５３、および第２信号処理系統５０Ｂに備えた第２二値化回路５５で二値化された信号がシステム制御回路６０の距離演算回路に入力されて、距離演算回路に備えた時間ディジタイザ回路(Time-to-Digital Converter）により、投光部２に対する駆動信号の出力時期と光電変換された反射光の二値化信号の立ち上がり時期との時間差が算出され、当該時間差と光速に基づいて物体までの距離が算出される。また、エンコーダ１４からのパルス信号に基づいて把握される各測定光の出力時の偏光ミラー１１の回転位置（走査角度）から測定光の走査角度が求まるので、物体までの距離と方位が定まる。

つまり、距離演算回路は、投光部２から出力される測定光の出力時期と、第１信号処理系統５０Ａまたは第２信号処理系統５０Ｂから出力される二値化信号の立上り時期と、に基づいて光電センサから物体までの距離を算出するように構成されている。

図３に示すように、増幅器５２，５４で増幅された反射光に相当する電圧信号は、グランドレベルから立上る立上り時期からその後にグランドレベルに立下る立下り時期までの時間ΔＴが同一であってもピーク値が異なると其々に立上りの傾きが異なり、同じ閾値電圧Ｖｔｈで二値化した場合でも、ピーク値の低い電圧信号に対する二値化信号はピーク値の高い電圧信号に対する二値化信号よりも立上り時期が遅くパルス幅も短くなる（図３では、ピーク値の低い電圧信号に対する二値化信号のパルス幅をΔＴＬ、ピーク値の低い電圧信号に対する二値化信号のパルス幅をΔＴＨ、と表記している。）。

従って、二値化信号の立ち上がり時期は二値化回路５３，５５へ入力される電圧信号の特性によって変動し、電圧信号のピーク値が高ければ急峻に立ち上がり、電圧信号のピーク値が低ければ緩やかに立ち上がる。そして、二値化信号の立上り時期から立下り時期までの時間であるパルス幅と、本来反射光が到達した時点ｔ０から二値化信号の立ち上がり時点までの時間差との間に所定の相関関係がある。そのため、任意の二値化信号のパルス幅（例えばΔＴＬ，ΔＴＨ）に基づいて本来反射光が到達した時点ｔ０から二値化信号の立ち上がり時点までの時間差（例えばｄｔ１，ｄｔ２）を推定することができる。

そこで、上述の相関関係に基づいて任意の電圧信号に対する二値化信号のパルス幅から本来反射光が到達した時点ｔ０までの時間差ｄｔを求める補正テーブルを予め準備しておくことにより補正量（時間差ｄｔ）が求まる。なお、補正テーブルに代えて補正式を用いることも可能である。

実際には、光測距装置２００に備えた投光部２、受光部３、回路素子の部品ばらつきや機械公差の影響を排除するために、ケーシングＣに収容され基準距離が既知の基準反射板からの反射光に対する電圧信号を基準電圧信号として検出し、投光部２に対する駆動信号の出力時期と基準電圧信号を二値化した立上り時期との時間差から求まる距離が基準距離となるように、当該基準電圧信号の立上り時点ｔ０に対する時間差ｄｔを補正する補正係数が求められ、当該補正係数で上述した補正テーブルの各補正量（時間差ｄｔ）が補正される。

距離補正回路は、任意の二値化信号に対して補正テーブルから補正量（時間差ｄｔ）を求め、上述した補正係数で補正した補正量に基づいて補正距離を算出し、上述の距離演算回路で算出した距離を増減補正する。なお、距離補正回路は、第１信号処理系統５０Ａに対する補正テーブルと、第２信号処理系統５０Ｂに対する補正テーブルと、をそれぞれ別に備えてもよい。

時間判定回路は、二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に距離演算回路による距離の算出を許容し、二値化信号のパルス幅が所定の閾値未満の場合に距離演算回路による距離の算出を禁止するように構成されている。

受光部３で検出された光に対応して得られた二値化信号のパルス幅が測定光のパルス幅に比べて非常に短い場合には外乱と判断することができる。そこで、時間判定回路は、二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に真正な拡散反射光であると判断して距離演算回路による距離の算出を許容し、パルス幅が所定の閾値未満の場合に外乱と判断して距離演算回路による距離の算出を禁止する。所定の閾値として測定光のパルス幅の０．２倍～０．４倍の範囲の値を設定することが好ましいが、この値に限るものではない。少なくとも測定光のパルス幅より短い値に設定されていればよい。

このようにして、第１信号処理系統５０Ａおよび第２信号処理系統５０Ｂを経て入力された各二値化信号に対して物体までの距離および方位が其々算出される。さらに、算出された各値がフィルタ処理されて、検出対象として適正な物体と判定された距離および方位がメモリ８０に格納される。

フィルタ処理として、隣接する走査方向に沿って所定数以上連続して物体が検出され、且つ、各距離の差分が所定値以内であれば有効な物体であると判定し、それ以外であればノイズとして除去するようなサイズ判定フィルタなどを採用することができる。このような処理により雨滴や霧などの外乱を排除することができる。

入出力制御回路７０に備えた出力選択回路は、単位走査周期ごとにメモリ８０に書き込まれた距離および方位を読み出して、第１信号処理系統５０Ａに対応する第１距離と第２信号処理系統５０Ｂに対応する第２距離との差分を算出し、差分が所定の距離閾値未満の場合、つまり同一物体と判断できる場合に第１距離を外部機器に出力する。

第１距離と第２距離との差分が所定の距離閾値未満の場合には、同一の物体からの拡散反射光である可能性が高いため、出力選択回路は適正に増幅された第１信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて得られた第１距離を出力し、第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合には、ゲインの小さな第１増幅器を備えた第１信号処理系統では正確な距離の算出が困難となると判断して、第１距離の算出の有無にかかわらず第２距離を出力することで、光電センサからの距離が短い範囲から長い範囲までの広範囲で精度の高い距離を出力できるようになる。

また、出力選択回路は、第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合に第２距離を出力するように構成されている。低感度な第１信号処理系統５０Ａでは検出できなかった遠方の物体であっても、高感度な第２信号処理系統５０Ｂでは検出できるためである。

さらに、出力選択回路は、検出された物体までの距離が予め設定された近距離閾値未満となる場合に出力しない近距離除去機能を備えている。これにより、ケーシングＣの汚れに起因した反射光を有効な物体として出力するようなことが回避される。近距離閾値は、低感度な第１信号処理系統５０Ａと高感度な第２信号処理系統５０Ｂで、各々個別の値に設定してもよい。

図４には、ある走査角度で出力した測定光に対応して第１信号処理系統５０Ａに備えた第１増幅器５２の出力信号と第２信号処理系統５０Ｂに備えた第２増幅器５４の出力信号が示されている。ケーシングＣの汚れに起因した反射光に対する近距離信号、第１エコー信号、第２エコー信号、第３エコー信号が示されている。

このような場合に、上述した出力選択回路により、近距離閾値未満となる汚れに対応する信号は排除され、ほぼ同距離にある第１エコーや第２エコーは第１信号処理系統５０Ａに備えた第１増幅器５２の出力信号を二値化した信号に基づいて距離が求められ、遠距離閾値以上となる第３エコーは第２信号処理系統５０Ｂに備えた第２増幅器５４の出力信号を二値化した信号に基づいて距離が求められる。なお、図４に示すように、第２増幅器５４により増幅された第１エコーや第２エコーの信号波形は過飽和しているため、正確な距離を算出することが困難となる。

なお、上述したフィルタ処理により第１エコーが無効な物体、例えば雨や霧に対応する信号であると判断する場合には第１エコーは無効な信号と判断して出力を回避するように構成される。その他衝突防止のため、近距離の第１エコーの距離を優先して処理するシステムや、細い物体の背後にある物体の検知のため第２エコーを利用するシステムなど、目的に応じて適宜各種フィルタ処理と組み合わせてエコーを選択・利用するシステムが可能である。

以下、別実施形態を示す。
上述した実施形態で説明した出力選択回路の機能をシステム制御回路６０に備えてもよい。具体的に、第１信号処理系統５０Ａおよび第２信号処理系統５０Ｂの双方から同時期に二値化信号が出力される場合に第１信号処理系統５０Ａから出力される二値化信号を選択し、第２信号処理系統５０Ｂのみから二値化信号が出力される場合に第２信号処理系統５０Ｂから出力される二値化信号を選択して距離演算回路に出力するように構成すればよい。双方から同時期に二値化信号が出力される場合とは、二値化信号の立ち上がりエッジの時間差が所定の許容範囲に入る場合をいう。

上述した実施形態では、光電センサ１に備えた投光部２から出力される測定光を所定方向に偏向走査する光走査部１０を備えた光測距装置２００について説明したが、投光部から出力される測定光を所定の一方向に偏向する光偏向部を備えた光測距装置を構成することも可能である。

上述した実施形態では、光測距装置２００に組み込まれた光電センサ１を説明したが、単独の光電センサ１であってもよい。

光電センサ１に備えた第１信号処理系統５０Ａの出力信号および第２信号処理系統５０Ｂの出力信号の双方を測定光の出力時期を示す信号と共にそのまま外部に出力する出力インタフェース回路を備えてもよい。光電センサ１の使用者が光電センサの使用状況に応じて、臨機応変に第１信号処理系統と第２信号処理系統の各特性を考慮した距離演算を行なうことができる。

上述した実施形態の受光信号処理回路５０は、反射光がアバランシェフォトダイオード３で光電変換された電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプＴＩＡを用いた前置増幅器５１を備え、前置増幅器５１の出力信号が第１信号処理系統５０Ａと第２信号処理系統５０Ｂとにそれぞれ供給されるが、前置増幅器５１の出力信号を第ｎ増幅率Ａｎで増幅する第ｎ増幅器と、第ｎ増幅器の出力信号を第ｎ閾値Ｖｔｈｎで二値化する第ｎ二値化回路を備えた第ｎ信号処理系統５０ｎをさらに備えていてもよい（ｎ：３以上の整数）。

第（ｎ－１）信号処理系統と、第ｎ信号処理系統とは、第（ｎ－１）閾値Ｖｔｈ（ｎ－１）と第ｎ閾値Ｖｔｈｎ、並びに第（ｎ－１）増幅率Ａ（ｎ－１）と第ｎ増幅率Ａｎとが以下の関係式を満たすように設定されていればよい。
１＜（Ｖｔｈｎ／Ｖｔｈ（ｎ－１））＜α＝（Ａｎ／Ａ（ｎ－１））
これにより、第（ｎ－１）信号処理系統で二値化出力が得られないような低レベルの入力信号であっても第ｎ信号処理系統で二値化出力が得られる。

また、第ｎ信号処理系統５０ｎは、低感度の第１信号処理系統５０Ａと、高感度の第２信号処理系統５０Ｂとの間の中間感度の処理系統として設けられてもよい。少なくとも、第１信号処理系統５０Ａと第２信号処理系統５０Ｂとが関係式 １＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）を満たしていればよく、前置増幅器５１の出力信号を第ｎ増幅率Ａｎで増幅する第ｎ増幅器と、第ｎ増幅器の出力信号を第ｎ閾値Ｖｔｈｎで二値化する第ｎ二値化回路と、を備えていればよい。

上述の実施形態は何れも本発明の一実施例に過ぎず、当該記載により本発明の範囲が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更することができることはいうまでもない。

本発明は、複数のトランスインピーダンスアンプを用いることなく広いダイナミックレンジで光を検出することができる安価な光電センサおよび光測距装置を実現できる。

１：光電センサ
２：投光部
３：受光部
１０：光走査部
１１：偏向ミラー
１２：集光レンズ
２０：モータ駆動回路
３０：投光部駆動回路
４０：受光部駆動回路
５０：受光信号処理回路
５０Ａ：第１信号処理系統
５０Ｂ：第２信号処理系統
５１：前置増幅器
５２：第１増幅器
５３：第１二値化回路
５４：第２増幅器
５５：第２二値化回路
６０：システム制御回路
７０：入出力制御回路
８０：メモリ
１００：信号処理回路

Claims (8)

1. 監視領域内の物体を検出する光電センサであって、
   監視領域に向けて測定光を出力する投光部と、
   測定光が物体に当たって拡散反射した反射光を電流信号に変換する受光部と、
   前記受光部で変換した電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器と、
   前記前置増幅器の出力信号を第１増幅率Ａ１で増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器の出力信号を第１閾値Ｖｔｈ１で二値化する第１二値化回路を備えた第１信号処理系統と、
   前記前置増幅器の出力信号を第２増幅率Ａ２で増幅する第２増幅器と、前記第２増幅器の出力信号を第２閾値Ｖｔｈ２で二値化する第２二値化回路を備えた第２信号処理系統と、
   を備え、
   前記第１閾値Ｖｔｈ１と前記第２閾値Ｖｔｈ２、および、前記第１増幅率Ａ１と前記第２増幅率Ａ２とが、以下の関係式
   １＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）
   を満たすように設定されている光電センサ。
2. 前記投光部から出力される測定光の出力時期と、前記第１信号処理系統または前記第２信号処理系統から出力される二値化信号の立上り時期と、に基づいて前記光電センサから物体までの距離を算出する距離演算回路を備えている請求項１記載の光電センサ。
3. 前記二値化信号のパルス幅に基づいて前記距離演算回路で算出した距離を補正する距離補正回路を備えている請求項１または２記載の光電センサ。
4. 前記二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に前記距離演算回路による距離の算出を許容し、前記パルス幅が所定の閾値未満の場合に前記距離演算回路による距離の算出を禁止する時間判定回路を備えている請求項２または３記載の光電センサ。
5. 前記第１信号処理系統および前記第２信号処理系統の双方から同時期に二値化信号が出力される場合に前記第１信号処理系統から出力される二値化信号を選択し、前記第２信号処理系統のみから二値化信号が出力される場合に前記第２信号処理系統から出力される二値化信号を選択して前記距離演算回路に出力する信号選択回路を備えている請求項２から４の何れかに記載の光電センサ。
6. 前記第１信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて前記距離演算回路で算出した第１距離と、前記第２信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて前記距離演算回路で算出した第２距離と、の差分が所定の距離閾値未満の場合に前記第１距離を出力し、前記第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合に前記第２距離を出力する出力選択回路を備えている請求項２から４の何れかに記載の光電センサ。
7. 第１信号処理系統の出力信号および前記第２信号処理系統の出力信号の双方を外部に出力する出力インタフェース回路を備えている請求項１記載の光電センサ。
8. 前記投光部から出力される測定光を所定方向に偏向する光偏向部、および／または、前記投光部から出力される測定光を所定方向に偏向走査する光走査部を備えている請求項２から６の何れかに記載の光電センサを備えた光測距装置。

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