JP3609559B2 - 位置検出素子及び距離センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速かつ高精度の位置検出が可能な位置検出検出素子、及びこれを用いた距離センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の位置検出素子を用いた距離センサとして、例えば特開昭62−28610号公報に開示されているものがある。この距離センサの基本構成である光学系を図7にを示す。
【0003】
図7において、101は発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を用いた光源、102は第1のレンズ、103は焦点距離fの第2のレンズ、104はPSDまたはCCDを用いた位置検出素子である。図7の光学系はScheimpflugの条件を満たすように構成されている。つまり、光源101の光軸と第2のレンズ103の光軸とが成す角θ、第2のレンズ103の主平面と位置検出素子104の検出面とが成す角β、光源101の光軸と第2のレンズ103の光軸との交点Oから第2のレンズ103までの距離L、光源101の光軸と第2のレンズ103の主平面の交点と第2のレンズ103の主点との距離dが、次式(数1)の関係を満たす。
【0004】
(数1) β=tan-1(f0/d)但し、f0=f・L/(L−f)であり、
【0005】
fは第2のレンズ103の焦点距離である。このScheimpflugの条件を満足すると、被測定物Obが光源101の光軸と第2のレンズ103の光軸との交点Oにある場合はもちろん、破線で示すように、光軸上の交点Oからずれた位置O´にある場合であっても、光源101から出て第1のレンズ102を通り被測定物で反射した光ビームは、第2のレンズ103により位置検出素子104上に結像する。
【0006】
このような距離センサによる距離の測定原理は次の通りである。まず、被測定物Obが位置Oにある場合、被測定物Obから反射した光の一部が第2のレンズ103により位置検出素子104上のA点に結像する。被測定物Obが位置0´にずれた場合は、図7に破線で示すように、被測定物Obから反射した光の一部は位置検出素子104上のB点に結像する。このように、光源101の光軸上での位置は位置検出素子104上での結像位置に変換される。したがって、位置検出素子104上での結像位置の移動量を測定することにより、被測定物の移動量、凹凸等を求めることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の位置検出素子は次のような課題を有している。つまり、位置検出素子としてPSDを用い、10MHz以上のサンプリング速度で位置を検出した場合、分解能(PSDの長さを1としたときの分解能)は1/100程度となり十分ではない。一方、位置検出素子としてCCDを用いた場合、例えば5000画素のラインセンサであれば分解能(CCDの長さを1としたときの分解能)は最高1/5000にまでなる。しかし、CCDのスキャンレートは数KHz程度であり、10MHzといった高速スキャンを実現することは困難である。このように、従来の位置検出素子では高速(10MHz以上)かつ高精度(高分解能)の位置検出が困難であった。従って、このような位置検出素子を用いた距離センサでは、10MHz以上の高速性と高精度の距離計測とを兼ね備えることが困難であった。
【0008】
本発明は上記のような従来の課題を解決し、高速かつ高精度の位置検出が可能な位置検出検出素子及びこれを用いた距離センサを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明による位置検出素子の第1の構成は、n個のセグメントを有する光検出素子アレイと、1対の楔形状の光検出素子と、前記1対の光検出素子の出力に基づいて光強度が最大になる概略位置を算出する概略位置算出並列演算処理部と、前記概略位置算出並列演算処理部により算出された光強度最大の概略位置に基づいて、前記光検出素子アレイの各セグメントの出力のうち、前記概略位置の近傍のm個の信号を選択する信号選択並列演算処理部と、前記信号選択並列演算処理部の出力から光強度の最大位置をサブセグメントの精度で算出する最大位置算出並列演算処理部とを備えていることを特徴とする。
【0010】
また、本発明の距離センサは、被測定物に光ビームを照射する光源と、前記被測定物の表面から反射された光を集光するレンズと、前記レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備え、この位置検出素子として上記のような本発明の構成を有するものを用いたことを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1の参考形態)
図1は本発明の第1の参考形態に係る位置検出素子の基本構成図である。図1において、1はn個のセグメントを有するPINフォトダイオードアレイ、2はPINフォトダイオードアレイの各セグメントからのn個の出力を比較することにより光強度が最大のセグメントを算出する最大セグメント算出並列演算処理部である。
【0012】
n個のセグメントを有するPINフォトダイオードアレイ1に検出光が照射されると、PINフォトダイオードアレイ1の各セグメントから図2に例示するような光強度分布を形成する信号が同時に出力される。各セグメントから出力された信号は、n個の入力端子を有する最大セグメント算出並列演算処理部2に入力される。この最大セグメント算出並列演算処理部2は、並列演算処理によってn個の入力信号を比較し、光強度が最大の出力位置(PINフォトダイオードアレイ1のセグメントの位置)を算出する。
【0013】
このPINフォトダイオードは、1GHz程度までの応答性を有しており、高速度のサンプリングを行っても性能は劣化しない。また、最大セグメント算出並列演算処理部2は並列演算によって、数十MHz以上のサイクルで比較演算を行う。従って、これらを用いた位置検出素子は、数十MHz以上のサンプリングレートで位置を検出できる。また、セグメントの個数nを千個以上とすることにより、分解能(PINフォトダイオードアレイの長さを1としたときの分解能)を1/1000まで高めることができる。
【0014】
以上説明したように、第1の参考形態によれば、PINフォトダイオードアレイ1と光強度が最大のセグメントを算出する最大セグメント算出並列演算処理部2とを設けたことにより、従来のPSDまたはCCDを用いた位置検出素子に比べ、高速かつ高分解能で位置を検出することができる。
【0015】
なお、PINフォトダイオードアレイに代えて、他の高速応答可能な受光素子を用いた光検出素子アレイを用いてもよい。
【0016】
(第2の参考形態)
図3は本発明の第2の参考形態に係る位置検出素子の基本構成図である。図3において、1はn個のセグメントを有するPINフォトダイオードアレイ、3はPINフォトダイオードアレイからのn個の出力から光強度の最大位置をサブセグメントの精度で算出する最大位置算出並列演算処理部である。
【0017】
n個のセグメントを有するPINフォトダイオードアレイ1に検出光が照射されると、PINフォトダイオードアレイ1の各セグメントからは図2に例示するような光強度分布を形成する信号が同時に出力される。各セグメントから出力された信号は、n個の入力端子を有する最大位置算出並列演算処理部3に入力される。この最大位置算出並列演算処理部3は、次に述べる演算方法を用いる並列演算により、n個の信号から光強度の最大位置を算出する。
【0018】
まず、PINフォトダイオードの各セグメントからの出力信号に対して移動平均を算出する。図4に示すように、各セグメントの出力信号から得られる光強度分布(実線で示されている)に対して、移動平均のセグメント位置に対する分布は破線のようになる。さらに、移動平均に対して微分処理を行い、一点鎖線で示すような分布の微分信号を得る。そして、この微分信号のゼロクロス点の位置を、ゼロクロス点近傍の微分信号を用いて最小自乗法等により算出する。このようにして求めたゼロクロス点の位置、即ち光強度の最大位置はセグメント単位よりも細かい。つまり、サブセグメント単位で光強度の最大位置を算出することができる。実験によれば、この演算方法を用いることにより、セグメント単位の1/10程度までサブセグメント化することができた。また、処理速度を向上させるため、第1の参考形態と同様に並列処理によって上記演算を行う。
【0019】
第1の参考形態と同様に、PINフォトダイオードは1GHz程度までの応答性を有しており、高速度のサンプリングを行っても性能は劣化しない。また、最大位置算出並列演算処理部3は並列演算によって、数十MHz以上のサイクルで演算処理を行う。従って、これらを用いた位置検出素子は、数十MHz以上のサンプリングレートで位置を検出できる。
【0020】
本第2の参考形態の最大位置算出並列演算処理部3は、第1の参考形態の最大セグメント算出並列演算処理部2と異なり、移動平均、微分、ゼロクロス点の算出によって光強度の最大位置を算出する。これにより、セグメントより細かい単位(サブセグメントの単位)で位置を検出することができる。例えば、セグメントの個数を千個以上とし、1/10のサブセグメント化を行うと、位置検出の分解能(PINフォトダイオードアレイの長さを1としたときの分解能)を1/10000まで高めることができる。
【0021】
以上説明したように、第2の参考形態によれば、PINフォトダイオードアレイ1と、光強度が最大の位置をサブセグメントの精度で算出する最大位置算出並列演算処理部3とを設けることにより、従来のPSDまたはCCDを用いた位置検出素子に比べ、高速かつ高分解能で位置を検出することができる。
【0022】
なお、PINフォトダイオードアレイに代えて、他の高速応答可能な受光素子を用いた光検出素子アレイを用いてもよい。
【0023】
(第1の実施形態)
図5は本発明の第1の実施形態に係る位置検出素子の基本構成図である。図5において、1はn個のセグメントを有するPINフォトダイオードアレイである。4及び5は1対の楔形状のPINフォトダイオードであり、両者は互いに幅方向に隣り合わせに配置され、それぞれの受光領域幅a,b(図5のA−A線を参照)の和a+b=cが長手方向(図5のx方向)に一定である。なお、受光領域幅aはxの一次関数であり、a=αx+βと表すことができる。但し、α,βは定数である。
【0024】
6は1対の楔形状のPINフォトダイオード4,5から検出光の強度が最大になる概略位置(以下、概略最大位置という)を算出する並列演算処理部である。7は並列演算処理部6が求めた検出光の概略最大位置に基づいて、PINフォトダイオードアレイ1のn個の信号出力から概略最大位置近傍のm個(n>m)の信号を抽出する信号選択並列演算処理部、8は信号選択並列演算処理部7からのm個の出力に基づいて光強度の最大位置を算出する最大位置算出並列演算処理部である。
【0025】
n個のセグメントを有するPINフォトダイオードアレイ1と1対の楔形状のPINフォトダイオード4,5にまたがって検出光が照射されると、PINフォトダイオードアレイ1の各セグメントからは図2に例示したような光強度分布を形成する信号が同時に出力され、1対の楔形状のPINフォトダイオード4,5からは信号Sa,Sbが同時に出力される。この1対の楔形状のPINフォトダイオード4,5からの信号Sa,Sbが概略位置算出並列演算処理部6に入力され、検出光の概略最大位置xoが次式(数2)から算出される。
【0026】
(数2) xo=(c・Sa/(Sa+Sb)−β)/α
【0027】
この式(数2)を用いて概略最大位置xoを算出することができる原理を簡単に説明する。検出光のエネルギー密度をI、幅をwとすると、楔形状のPINフォトダイオード4からの信号SaはSa=K・I・a・wとなり、もう一方のPINフォトダイオード5の信号SbはSb=K・I・b・wとなる。ここで、KはPINフォトダイオードの光変換定数である。また、PINフォトダイオード4の受光領域aは、前述したようにa=αx+βである。これらの式を式(数2)に代入すると、xだけが残り、検出光の概略最大位置が求められることがわかる。
【0028】
この検出光の概略最大位置は、信号選択並列演算処理部7に入力される。また、信号選択並列演算処理部7には、PINフォトダイオードアレイ1の各セグメントの信号が入力される。概略位置算出並列演算処理部6で求めた検出光の概略最大位置を用いて、PINフォトダイオードアレイ1のn個の信号から概略最大位置近傍のm個(n>m)の信号を抽出する。このとき、概略位置算出並列演算処理部6での演算処理に要する時間だけ、概略位置算出並列演算処理部6からの概略最大位置信号がPINフォトダイオードアレイ1からの信号に対して遅延する。この遅延時間によるずれは、概略位置算出並列演算処理部6の演算処理を、遅延が問題にならない程度にまで高速化するか、またはPINフォトダイオードアレイ1の信号を遅延させることにより解決できる。
【0029】
次に、信号選択並列演算処理部7により抽出された概略最大位置の近傍のm個の信号が最大位置算出並列演算処理部8に入力される。この最大位置算出並列演算処理部8は、第2の実施形態と同様の演算方法を用いた並列演算により、m個の信号から最大出力位置を算出する。
【0030】
第1の参考形態と同様に、PINフォトダイオードは1GHz程度までの応答性を有しており、高速度のサンプリングを行っても性能は劣化しない。また、概略位置算出並列演算処理部6、信号選択並列演算処理部7及び最大位置算出並列演算処理部8は並列演算によって、数十MHz以上のサイクルで演算処理を行う。従って、これらを用いた位置検出素子は、数十MHz以上のサンプリングレートで位置を検出できる。
【0031】
また、本実施形態の最大位置算出並列演算処理部8も移動平均、微分、ゼロクロス点の算出により光強度の最大位置を算出する。したがって、第2の実施形態と同様に検出光の位置分解能を高めることができる。
【0032】
本実施形態が第1及び第2の参考形態と異なるのは、1対の楔形状のPINフォトダイオード4,5、概略位置算出並列演算処理部6及び信号選択並列演算処理部7を用いて、検出光の概略最大位置を算出し、最大位置算出並列演算処理部8に入力する信号をn個からm個に削減している点にある。これにより、最大位置算出並列演算処理部8の回路構成が簡素化され、小規模の回路で実現できる。従って、大規模回路を高速駆動する場合に生じる発熱の問題の影響を低減できる。さらに、小規模の回路であるため、製造コストを低く押さえることができる。
【0033】
なお、既述の参考形態と同様に、PINフォトダイオードアレイに代えて、他の高速応答可能な受光素子を用いた光検出素子アレイを用いてもよい。
【0034】
(第2の実施形態)
図6は本発明の第2の実施形態における距離センサの基本構成図である。図6において、9は被測定物を照射する光源であって、発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を用いて構成されている。10は焦点距離fのレンズ、11は第1の参考形態で述べた位置検出素子、12は位置検出素子11の位置出力より距離を算出する距離算出手段である。これらの要素で構成される光学系は図7に示した従来例と同様に、式(数1)のScheimpflugの条件を満たすように構成されている。
【0035】
このScheimpflugの条件を満足すると、従来例と同様に、被測定物Obが発光素子9とレンズ10の光軸との交点Oにある場合はもちろん、破線で示すように、光軸上の交点Oからずれた位置O´にある場合であっても、光源9から出て被測定物Obで反射した光ビームは、レンズ10により位置検出素子11上に結像する。
【0036】
被測定物Obが位置Oにある場合、被測定物Obから反射した光の一部がレンズ10により位置検出素子11上のA点に結像する。被測定物Obが位置O´にずれた場合は、破線で示すように、被測定物Obから反射した光の一部は位置検出素子11上のB点に結像する。このように、光源9の光軸上での被測定物の位置は位置検出素子11上での結像位置に変換される。従って、被測定物の位置と位置検出素子11上での結像位置との関係を予め距離算出手段12に記憶しておき、位置検出素子11上での結像位置を距離算出手段12に入力することにより被測定物までの距離を算出することができる。
【0037】
第1の参考形態で述べたように、PINフォトダイオードアレイ等を用いた位置検出素子11は、従来のCCD、PSD等を用いた位置検出素子に比べて高速かつ高精度に位置を検出できるので、この位置検出素子11を用いた本実施形態の距離センサは高速かつ高精度に距離を計測することができる。
【0038】
なお、本実施形態で用いられる位置検出素子11は、第1の参考形態で述べたものに限らず、第2の参考形態または第1の実施形態で述べた位置検出素子を用いても良い。また、図7に示した従来例と同様に、光源9と被測定物Obとの間に集光用のレンズを設けてもよい。あるいは、他の手段によって集光した光ビームを被測定物Obに照射するように構成してもよい。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位置検出素子は、n個のセグメントを有する光検出素子アレイと最大セグメント算出並列演算処理部とを備えることにより、大画素数の信号を並列処理できるため、高速かつ高精度に検出光の位置を検出できる。また、このような位置検出素子を用いた本発明の距離センサは、検出光の位置を高速かつ高精度に検出できるため、被測定物までの距離を高速かつ高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の参考形態の位置検出素子の基本構成図
【図2】同参考形態におけるPINフォトダイオードの信号出力の説明図
【図3】本発明の第2の参考形態の位置検出素子の基本構成図
【図4】同参考形態における演算方法の説明図
【図5】本発明の第1の実施形態に係る位置検出素子の基本構成図
【図6】本発明の第2の実施形態に係る距離センサの基本構成図
【図7】従来の位置検出素子を用いた距離センサの基本構成図
【符号の説明】
1 PINフォトダイオードアレイ
2 最大セグメント算出並列演算処理部
3 最大位置算出並列演算処理部
4,5 楔形状PINフォトダイオード
6 概略位置算出並列演算処理部
7 信号選択並列演算処理部
8 最大位置算出並列演算処理部
Claims (2)
- n個のセグメントを有する光検出素子アレイと、1対の楔形状の光検出素子と、前記1対の光検出素子の出力に基づいて光強度が最大になる概略位置を算出する概略位置算出並列演算処理部と、前記概略位置算出並列演算処理部により算出された光強度最大の概略位置に基づいて、前記光検出素子アレイの各セグメントの出力のうち、前記概略位置の近傍のm個の信号を選択する信号選択並列演算処理部と、前記信号選択並列演算処理部の出力から光強度の最大位置をサブセグメントの精度で算出する最大位置算出並列演算処理部とを備えていることを特徴とする位置検出素子。
- 被測定物に光ビームを照射する光源と、前記被測定物の表面から反射された光を集光するレンズと、前記レンズにより集光された光の位置を検出する請求項1記載の位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
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