JP4525253B2 - Optical sensor and distance measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、光を利用して物体の有無、距離等を測定する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring the presence / absence, distance, and the like of an object using light.

従来より、光パルスを用いた測距装置が知られている。例えば、飛行時間(TOF;Time of Flight)計測方式の光センサでは、光パルスが物体で反射して戻ってくるまでの時間から距離を測定する(特許文献1〜5参照)。   Conventionally, a distance measuring apparatus using an optical pulse is known. For example, in a time-of-flight (TOF) measurement type optical sensor, a distance is measured from a time until a light pulse is reflected by an object and returned (see Patent Documents 1 to 5).

TOF計測方式の光センサでは、通常、距離分解能を高めるために極小時間幅の光パルスを用いる。そして、受信側では、いわゆる等価サンプリングによって受光パルスを時間軸伸張し、受信感度を確保する。また、同一点を複数回サンプリングし平均化することで、ノイズの影響を低減し、精度の向上を図る手法も多用される。特にLEDのような低速な発光デバイスを用いた場合はパルスの立ち上がりエッジがなまるために、平均化によるS/N比の向上が有効である。
特開平2−228579号公報 特開平5−172945号公報 特開平5−223928号公報 特開平6−258432号公報 特開平5−288515号公報
In a TOF measurement type optical sensor, a light pulse having a minimum time width is usually used to increase the distance resolution. On the reception side, the received light pulse is expanded in time axis by so-called equivalent sampling to ensure reception sensitivity. In addition, a method of reducing the influence of noise and improving accuracy by sampling and averaging the same point a plurality of times is often used. In particular, when a low-speed light-emitting device such as an LED is used, since the rising edge of the pulse is dull, it is effective to improve the S / N ratio by averaging.
JP-A-2-228579 JP-A-5-172945 Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-223828 JP-A-6-258432 Japanese Patent Laid-Open No. 5-288515

しかしながら、等価サンプリングや平均化を行った場合、精度の向上は達成できるものの、応答性の低下を招いてしまうという問題がある。例えば、10MHzで光パルスを照射し、1万倍の時間軸伸張と1000点の平均を行った場合には、応答性(測定時間)は1secまで低下することになる。   However, when equivalent sampling or averaging is performed, an improvement in accuracy can be achieved, but there is a problem that the responsiveness is lowered. For example, when the optical pulse is irradiated at 10 MHz and the time base extension of 10,000 times and the average of 1000 points are performed, the responsiveness (measurement time) is reduced to 1 sec.

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、良好な精度と応答性を両立した光センサおよび測距方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical sensor and a distance measuring method that achieve both good accuracy and responsiveness.

上記目的を達成するために本発明では、測定の基準となる基準距離を設定し、物体までの距離がその基準距離よりも近いか遠いかを判定する。このような判定処理であれば、受光信号全体を詳細にサンプリングせずとも、十分な精度の判定結果を得ることが可能である。よって、サンプリング回数を大幅に減らし、測定時間の短縮を図ることができる。   In order to achieve the above object, in the present invention, a reference distance as a reference for measurement is set, and it is determined whether the distance to the object is closer or farther than the reference distance. With such a determination process, it is possible to obtain a determination result with sufficient accuracy without sampling the entire received light signal in detail. Therefore, the number of samplings can be greatly reduced and the measurement time can be shortened.

また、基準距離を段階的に切り替えながら上記判定処理を繰り返して、物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定することも好ましい。かかる測距処理によれば、従来の光センサに比べて格段に少ないサンプリング回数で測距を行うことが可能となる。   It is also preferable to measure the distance to the object by repeating the above determination process while switching the reference distance in steps to narrow down the object existing area. According to such distance measurement processing, it is possible to perform distance measurement with a significantly smaller number of samplings compared to a conventional optical sensor.

具体的には、以下のような構成を採用することが好ましい。   Specifically, it is preferable to employ the following configuration.

本発明の第1態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、時間t(ただし、t=2×基準距離/光速)よりも長
いパルス幅をもつ光パルスを照射し、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間t経過後のタイミング(以下、基準距離タイミングという。)で受光信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
In the first aspect of the present invention, a light emitting means for irradiating a light pulse, a light receiving means for receiving light, a sampling means for sampling a received light signal obtained from the light receiving means, a processing means for processing the sampled signal, In the optical sensor, a reference distance as a measurement reference is set in advance, and the light emitting means irradiates a light pulse having a pulse width longer than time t (where t = 2 × reference distance / light speed). The sampling means samples the received light signal at a timing (hereinafter referred to as a reference distance timing) after the elapse of time t from the irradiation time of the light pulse, and the processing means determines whether the level of the sampled signal exceeds a threshold value. No, it is determined whether the distance to the object is closer or farther than the reference distance.

光パルスのパルス幅が時間tよりも長いため、基準距離より近くに物体が存在する場合は必ず基準距離タイミングにおいて受光パルスが観測される。一方、基準距離よりも遠くに物体が存在する場合(測定可能範囲内に物体がまったく存在しない場合は、無限遠に物体が存在するものとみなす)には、基準距離タイミングにおいて受光パルスは観測されない。よって、その基準距離タイミングで受光信号をサンプリングするだけで、物体と基準距離との相対的位置関係を精度良く判定することができる。サンプリング回数としては、1回でもよく、複数回行ってもよい。   Since the pulse width of the light pulse is longer than the time t, the received light pulse is always observed at the reference distance timing when an object is present near the reference distance. On the other hand, if there is an object farther than the reference distance (if there is no object within the measurable range, it is assumed that the object is at infinity), no received pulse is observed at the reference distance timing. . Therefore, it is possible to accurately determine the relative positional relationship between the object and the reference distance only by sampling the received light signal at the reference distance timing. The number of times of sampling may be one time or a plurality of times.

本発明の第2態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力する最大値保持手段と、最大値信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間t(ただし、t=2×基準距離/光速)経過後のタイミングで最大値信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。   In the second aspect of the present invention, the light emitting means for irradiating the light pulse, the light receiving means for receiving the light, and the maximum level of the received light signal obtained from the light receiving means are held, and the held maximum level is set as the maximum value signal. A reference distance that is a reference for measurement is preset in an optical sensor including a maximum value holding unit that outputs a signal, a sampling unit that samples a maximum value signal, and a processing unit that processes the sampled signal. The sampling means samples the maximum value signal at the timing after the time t (where t = 2 × reference distance / light velocity) has elapsed from the irradiation time of the light pulse, and the processing means determines that the level of the sampled signal has a threshold value. Whether the distance to the object is closer or farther than the reference distance is determined based on whether or not the distance is exceeded.

この構成によれば、受光パルス出現後はそのピークレベルが保持された信号が得られる。すなわち、パルス幅が時間tより短い場合であっても、第1態様における受光信号と実質的に同じ波形の信号が得られるのである。したがって、光パルスのパルス幅によらず、第1態様と同様、基準距離タイミングでサンプリングを行うだけで基準距離に対する物体の遠近を判定することができるようになる。そして、短いパルス幅の光パルスを用いれば、光パルスの照射時間を減らせるため、消費電力を低減することができるという利点もある。   According to this configuration, after the light reception pulse appears, a signal in which the peak level is maintained can be obtained. That is, even when the pulse width is shorter than time t, a signal having substantially the same waveform as the light reception signal in the first mode can be obtained. Accordingly, regardless of the pulse width of the light pulse, it is possible to determine the distance of the object with respect to the reference distance only by sampling at the reference distance timing, as in the first mode. If a light pulse having a short pulse width is used, the irradiation time of the light pulse can be reduced, so that power consumption can be reduced.

ここで、受光パルスのピークレベルと閾値の比がほぼ一定となるように、受光信号または閾値のレベルを調整する調整手段を設けることも好ましい。調整手段の構成は種々考えられるが、たとえば受光信号のレベルを調整する場合には、受光手段の後段にAGC(オート・ゲイン・コントロール)を設ければよい。また、閾値のレベルを調整する場合には、受光信号(受光パルス)のピークレベルを一旦保持し、そのピークレベルの所定の割合に閾値を設定すればよい。このように調整手段にてピークレベルと閾値の比を調整することで、閾値判定の精度をほぼ一定に保つことができる。   Here, it is also preferable to provide an adjusting means for adjusting the level of the received light signal or the threshold so that the ratio between the peak level of the received light pulse and the threshold is substantially constant. Various configurations of the adjusting means are conceivable. For example, when adjusting the level of the light receiving signal, an AGC (auto gain control) may be provided after the light receiving means. Further, when the threshold level is adjusted, the peak level of the light reception signal (light reception pulse) is temporarily held and the threshold value is set to a predetermined ratio of the peak level. By adjusting the ratio between the peak level and the threshold value by the adjusting means in this way, the accuracy of threshold value determination can be kept substantially constant.

本発明の第3態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、一定の周期で光パルスを繰り返し照射し、サンプリング手段は、受光された光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の粗い間隔で、各周期におけるサンプリングタイミングを徐々に遅延させていくことによって、受光信号の時間軸伸張を行い、処理手段は、時間軸伸張波形のピークが光パルスの照射時刻から時間t(ただし、t=2×基準距離/光速)経過後に相当するタイミングよりも後に現れるか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。   In the third aspect of the present invention, a light emitting means for irradiating a light pulse, a light receiving means for receiving light, a sampling means for sampling a received light signal obtained from the light receiving means, a processing means for processing the sampled signal, In the optical sensor, a reference distance as a measurement reference is set in advance, the light emitting means repeatedly irradiates light pulses at a constant period, and the sampling means detects sampling leakage of the received light pulse portion. By gradually delaying the sampling timing in each cycle at a rough interval that does not occur, the time axis of the received light signal is extended, and the processing means has a peak of the time axis extension waveform from the irradiation time of the optical pulse to the time. The distance to the object is the reference depending on whether it appears after the corresponding timing after elapse of t (where t = 2 × reference distance / light speed) Determines whether near or far than away.

この構成によれば、従来の等価サンプリングよりも大幅に少ないサンプリング回数で判定処理を行うことができ、測定時間の短縮を図ることができる。第3態様も、第2態様と
同様、時間tよりも短いパルス幅の光パルスを用いた場合に有効である。
According to this configuration, the determination process can be performed with a significantly smaller number of samplings than the conventional equivalent sampling, and the measurement time can be shortened. The third mode is also effective when an optical pulse having a pulse width shorter than the time t is used, as in the second mode.

第3態様において、時間軸伸張波形のピークが、光パルスの照射時刻から時間t経過後に相当するタイミングの近傍に現れた場合には、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間t経過後のタイミングでさらに受光信号をサンプリングし、処理手段は、そのサンプリングされた信号も判定処理に利用することが好ましい。   In the third aspect, when the peak of the time-axis expanded waveform appears in the vicinity of the corresponding timing after the time t has elapsed from the irradiation time of the light pulse, the sampling means It is preferable that the received light signal is further sampled at the timing, and the processing means also uses the sampled signal for the determination process.

すなわち、物体が基準距離から大きく離れており、遠近の判定が容易な場合には、粗く掃引するだけで迅速に判定処理を行う。その一方で、物体が基準距離近傍に存在し、遠近の判定が難しい場合には、詳細なサンプリングを行って判定精度を向上するのである。これにより、応答性と精度の両立を図ることができる。   That is, when the object is far away from the reference distance and the near / far determination is easy, the determination process is quickly performed only by sweeping roughly. On the other hand, when the object is present in the vicinity of the reference distance and it is difficult to determine the perspective, detailed sampling is performed to improve the determination accuracy. Thereby, both responsiveness and accuracy can be achieved.

また、時間軸伸張の途中でピークが観測された場合には、発光手段は次の測定期間まで光パルスの照射を停止することが好ましい。さらに、サンプリング処理を停止してもよい。このように無駄なパルス照射や処理を省略することにより、消費電力を低減することができる。   Further, when a peak is observed in the middle of the time axis extension, it is preferable that the light emitting means stops the irradiation of the light pulse until the next measurement period. Further, the sampling process may be stopped. Thus, by omitting unnecessary pulse irradiation and processing, power consumption can be reduced.

発光手段の照射時刻は、たとえば、光の照射タイミングを決定する送信クロックから得ることができる。あるいは、発光手段から照射された光を直接受光する第2の受光手段をさらに備え、サンプリング手段が、第2の受光手段が光パルスを受光した時刻を発光手段の照射時刻とすることも好適である。後者の構成によれば、実際の照射時刻を正確に取得できるので、判定処理の精度が向上する。   The irradiation time of the light emitting means can be obtained from, for example, a transmission clock that determines the light irradiation timing. Alternatively, it is preferable that the apparatus further includes a second light receiving unit that directly receives light emitted from the light emitting unit, and the sampling unit sets the time when the second light receiving unit receives the light pulse as the irradiation time of the light emitting unit. is there. According to the latter configuration, since the actual irradiation time can be accurately obtained, the accuracy of the determination process is improved.

本発明の第4態様では、正弦波または矩形波に変調された光を照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、時間tの2倍(ただし、t=2×基準距離/光速)よりも長い周期をもつ正弦波または矩形波を照射し、受光手段は、受光信号のDC成分をカットし、サンプリング手段は、正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻から時間t経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号の極性に基づき、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。   In the fourth aspect of the present invention, light emitting means for irradiating light modulated into a sine wave or rectangular wave, light receiving means for receiving light, sampling means for sampling a light reception signal obtained from the light receiving means, and sampling In the optical sensor provided with the processing means for processing the signal, a reference distance as a measurement reference is set in advance, and the light emitting means is twice the time t (where t = 2 × reference distance / speed of light). Irradiates a sine wave or rectangular wave having a longer period, the light receiving means cuts the DC component of the received light signal, and the sampling means is after a time t has elapsed from the time corresponding to the vibration center of the sine wave or rectangular wave. The received light signal is sampled at the timing, and the processing means determines whether the distance to the object is closer or farther than the reference distance based on the polarity of the sampled signal.

正弦波または矩形波の半周期が、正弦波または矩形波が基準距離を往復する時間tよりも長いため、基準距離タイミングでサンプリングされる信号レベルは、物体までの距離が基準距離に一致する場合にちょうどゼロとなり、基準距離よりも近いか遠いかで極性が反転する。よって、その基準距離タイミングで受光信号をサンプリングするだけで、物体と基準距離との相対的な位置関係を精度良く判定することができる。   When the half-cycle of the sine wave or rectangular wave is longer than the time t when the sine wave or rectangular wave reciprocates the reference distance, the signal level sampled at the reference distance timing is when the distance to the object matches the reference distance The polarity is reversed depending on whether it is nearer or farther than the reference distance. Therefore, it is possible to accurately determine the relative positional relationship between the object and the reference distance only by sampling the received light signal at the reference distance timing.

また、信号の極性がプラスかマイナスかで判定できるため、閾値判定に比べて判定のばらつきが小さい。さらに、正弦波または矩形波を用いているので、帯域カットによりノイズを効果的に除去できるという利点もある。   In addition, since the determination can be made based on whether the polarity of the signal is positive or negative, the determination variation is smaller than the threshold determination. Furthermore, since a sine wave or a rectangular wave is used, there is an advantage that noise can be effectively removed by band cutting.

なお、「正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻」とは、発光手段から照射する光の強度が(最大値−最小値)/2となる時刻をいう。あるいは、発光手段から照射する光の正弦波または矩形波のDC成分をカットしたときに、その信号がゼロクロスする時刻ということもできる。この時刻は、たとえば、発光手段の変調制御の内容から推定することができる。あるいは、発光手段から照射された光を直接受光し、かつ、その受光信号のDC成分をカットする第2の受光手段を設け、サンプリング手段が、第2の受光手段の出力信号がゼロクロスする時刻を前記振動中心に相当する時刻とすることも好適である。   The “time corresponding to the center of vibration of a sine wave or a rectangular wave” refers to a time when the intensity of light emitted from the light emitting means is (maximum value−minimum value) / 2. Alternatively, it can be said that when the DC component of the sine wave or rectangular wave of the light emitted from the light emitting means is cut, the signal crosses zero. This time can be estimated from the content of modulation control of the light emitting means, for example. Alternatively, a second light receiving unit that directly receives the light emitted from the light emitting unit and cuts the DC component of the received light signal is provided, and the sampling unit sets the time when the output signal of the second light receiving unit zero-crosses. It is also preferable to set the time corresponding to the vibration center.

サンプリング手段は、サンプリングタイミングが微少時間ずつずれた複数のサンプリング手段からなり、複数のサンプリング手段によって同一の受光信号をサンプリングし、それらの信号を平均することも好ましい。   The sampling means is preferably composed of a plurality of sampling means whose sampling timings are shifted by a minute time, and it is also preferable that the same received light signal is sampled by the plurality of sampling means and these signals are averaged.

これにより、ノイズの影響を排除してS/N比の良好な信号を得ることができる。しかも、同一の受光信号から複数点のサンプリングを行うものであるため、応答性の低下を招くことがない。   Thereby, it is possible to obtain a signal having a good S / N ratio by eliminating the influence of noise. In addition, since a plurality of points are sampled from the same received light signal, the responsiveness is not lowered.

基準距離を設定する基準距離設定手段をさらに備えることも好ましい。基準距離設定手段の構成は種々考えられ、たとえば、ユーザが手動で基準距離を設定できるようにしてもよい。あるいは、設置された物体までの距離を光センサ自身が測距し、測定された距離を基準距離に自動設定することも好適である。   It is also preferable to further include reference distance setting means for setting the reference distance. Various configurations of the reference distance setting means are conceivable. For example, the user may be able to manually set the reference distance. Alternatively, it is also preferable that the optical sensor itself measures the distance to the installed object and automatically sets the measured distance as the reference distance.

以上のように、本発明の光センサによれば、基準距離よりも近くに物体が存在するか、遠くに物体が存在するかを精度良く判定することができる。そして、この判定処理機能を利用すれば、次のように物体までの距離を測距することも可能である。   As described above, according to the optical sensor of the present invention, it is possible to accurately determine whether an object is present nearer or farther than the reference distance. If this determination processing function is used, the distance to the object can be measured as follows.

たとえば、測定対象範囲を2つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定すればよい。   For example, after setting the reference distance so as to divide the measurement target range into two areas, it is determined whether the object exists in the area closer to or far from the reference distance, and the object on the side where the object exists What is necessary is just to measure the distance to an object by setting an area | region to a new measuring object range, and repeating the said process in multiple times, and narrowing down the existing area | region of an object.

かかる構成によれば、従来方式に比べて格段に少ないサンプリング回数で高精度に測距を行うことができる。   According to such a configuration, distance measurement can be performed with high accuracy with a significantly smaller number of samplings than in the conventional method.

また、絞り込みの過程において、絞り込みの進行度合いに応じて判定処理の精度を高くすることが好ましい。すなわち、測定対象範囲が広い絞り込みの初期段階では判定精度を低くし、絞り込みが進んで測定対象範囲が狭くなるにつれ判定精度を上げていくのである。これにより、処理の高速化と測距精度の向上とを両立することができる。   In the narrowing-down process, it is preferable to increase the accuracy of the determination process according to the progress of the narrowing down. In other words, the determination accuracy is lowered at the initial stage of narrowing down the measurement target range, and the determination accuracy is increased as the narrowing down of the measurement target range proceeds. Thereby, both speeding up of processing and improvement of ranging accuracy can be achieved.

なお、上述した構成の光センサに限らず、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な機能を有してさえいれば、位相差方式、三角測距方式、PN符号方式などいずれの方式の光センサであっても、上記本発明に係る測距方法を適用可能である。   In addition to the optical sensor having the above-described configuration, the phase difference method, the triangulation method, the PN code method, and the like, as long as it has a function capable of determining whether the distance to the object is closer or farther than the reference distance. The distance measuring method according to the present invention can be applied to any type of optical sensor.

なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する光センサもしくは光測距装置として捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む物体距離判定方法もしくは測距方法、または、かかる方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。   The present invention can be understood as an optical sensor or an optical distance measuring device having at least a part of the above means. The present invention can also be understood as an object distance determination method or a distance measurement method including at least a part of the above processing, or a program for realizing the method. Each of the above means and processes can be combined with each other as much as possible to constitute the present invention.

本発明によれば、少ないサンプリング回数で高精度に物体の有無または距離を測定できるため、良好な精度と応答性の両立を図ることが可能となる。   According to the present invention, since the presence / absence or distance of an object can be measured with high accuracy with a small number of samplings, it is possible to achieve both good accuracy and responsiveness.

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

<第1実施形態>
(ハードウェア構成)
図1を参照して本発明の第1実施形態に係る光センサについて説明する。図1は、第1実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図である。
<First Embodiment>
(Hardware configuration)
An optical sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating a hardware configuration of the photosensor according to the first embodiment.

この光センサは、設定された基準距離よりも近い領域内に物体が存在するか否か、もしくは、基準距離よりも遠い領域内に物体が存在するか否か、または、近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するか、などの検知を行うセンサである。このような光センサの用途としては、たとえば、ベルトコンベア上を搬送される物品の検知、ゲートを通過する車両の検知などが想定される。すなわち、検知対象となる物体の移動経路や存在領域がある程度定まっており、その限られた範囲内における物体の有無を検知すれば足りるような場面で用いられる。   This optical sensor is used to check whether an object is present in an area closer than a set reference distance, whether an object is present in an area farther than a reference distance, This is a sensor that detects whether an object is present. As an application of such an optical sensor, for example, detection of an article conveyed on a belt conveyor, detection of a vehicle passing through a gate, and the like are assumed. That is, it is used in a situation where it is sufficient to detect the presence / absence of an object within a limited range in which the movement path and existence area of the object to be detected are determined to some extent.

光センサは、図1に示すように、送信クロック生成部1、パルス生成部2、駆動回路3、発光素子4、受光素子5、増幅器6、遅延時間生成器7、タイミングパルス生成部8、サンプリングホールド部9、比較器10、閾値発生器11、および、マイクロコントローラ12を有して構成される。   As shown in FIG. 1, the optical sensor includes a transmission clock generation unit 1, a pulse generation unit 2, a drive circuit 3, a light emitting element 4, a light receiving element 5, an amplifier 6, a delay time generator 7, a timing pulse generation unit 8, and a sampling. A holding unit 9, a comparator 10, a threshold generator 11, and a microcontroller 12 are included.

送信クロック生成部1は、送信クロック信号を生成する回路である。この送信クロック信号は、パルス生成部2に入力され、照射光パルスを生成するための基準クロック信号として利用される。また、送信クロック信号は遅延時間生成器7にも入力される。   The transmission clock generation unit 1 is a circuit that generates a transmission clock signal. This transmission clock signal is input to the pulse generator 2 and used as a reference clock signal for generating an irradiation light pulse. The transmission clock signal is also input to the delay time generator 7.

パルス生成部2は、送信クロック信号を所定幅のパルス信号に変換する回路である。本実施形態では、下記式で表される時間Tに等しいパルス幅のパルス信号が生成される。
T=2×Lmax/c
Lmax:光センサの測定可能範囲(距離)
c:光速
The pulse generator 2 is a circuit that converts a transmission clock signal into a pulse signal having a predetermined width. In the present embodiment, a pulse signal having a pulse width equal to the time T expressed by the following equation is generated.
T = 2 × Lmax / c
Lmax: Measurable range (distance) of the optical sensor
c: speed of light

駆動回路3は、パルス信号に基づいて電流を変調し、その電流を発光素子4に供給することによって発光素子4を駆動する回路である。   The drive circuit 3 is a circuit that drives the light emitting element 4 by modulating the current based on the pulse signal and supplying the current to the light emitting element 4.

発光素子4は、電気エネルギーを光エネルギーに変換し、光パルスを空間に放射する素子である。発光素子4としては、LEDやレーザダイオードなどのデバイスを用いることができるが、本実施形態ではLEDを採用する。   The light emitting element 4 is an element that converts electrical energy into light energy and emits a light pulse into space. As the light emitting element 4, a device such as an LED or a laser diode can be used, but an LED is employed in the present embodiment.

受光素子5は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、フォトダイオードなどのデバイスで構成可能である。受光素子5から出力される受光信号は、増幅器6にて電圧波形へ変換・増幅され、サンプリングホールド部9へ出力される。   The light receiving element 5 is an element that converts light energy into electric energy, and can be configured by a device such as a photodiode. The light reception signal output from the light receiving element 5 is converted and amplified into a voltage waveform by the amplifier 6 and output to the sampling hold unit 9.

本実施形態では、発光素子4が本発明の発光手段に対応し、受光素子5および増幅器6が本発明の受光手段に対応する。   In the present embodiment, the light emitting element 4 corresponds to the light emitting means of the present invention, and the light receiving element 5 and the amplifier 6 correspond to the light receiving means of the present invention.

遅延時間生成器7は、送信クロック信号(光パルスの照射時刻に相当する。)に対して所定の遅れ時間t1をもった遅延信号を生成する回路である。遅れ時間t1は下記式で表される。
t1=2×L/c
L:基準距離,L<Lmax
The delay time generator 7 is a circuit that generates a delay signal having a predetermined delay time t1 with respect to the transmission clock signal (corresponding to the irradiation time of the light pulse). The delay time t1 is expressed by the following formula.
t1 = 2 × L / c
L: Reference distance, L <Lmax

なお、基準距離Lとは測定の基準となる距離であって、製品製造時にプリセットされるか、測定の前に手動にて予め設定されるパラメータである。ただし、このパラメータの内部的な保持形式は距離値である必要はなく、時間換算値や独自形式の値で保持してもよい。基準距離Lは、光センサの測定可能距離Lmaxよりも小さい値をとる。   The reference distance L is a distance that serves as a measurement reference, and is a parameter that is preset when the product is manufactured or is manually set before the measurement. However, the internal holding format of this parameter does not need to be a distance value, and may be held as a time converted value or a value in a unique format. The reference distance L is smaller than the measurable distance Lmax of the optical sensor.

タイミングパルス生成部8は、遅延時間生成器7から入力された遅延信号に基づきサンプリングパルスを生成する回路である。ここでは、光パルスの照射時刻から時間t1経過後に出現するようなサンプリングパルスが生成される。   The timing pulse generator 8 is a circuit that generates a sampling pulse based on the delay signal input from the delay time generator 7. Here, a sampling pulse that appears after the elapse of time t1 from the irradiation time of the light pulse is generated.

サンプリングホールド部9は、タイミングパルス生成部8から入力されたサンプリングパルスに従って、受光信号をサンプリング(標本化)するサンプリング手段である。サンプリングされた信号は比較器10に入力される。   The sampling hold unit 9 is a sampling unit that samples (samples) the received light signal according to the sampling pulse input from the timing pulse generation unit 8. The sampled signal is input to the comparator 10.

比較器10は、サンプリングされた信号のレベルと閾値発生器11から入力された閾値とを比較する回路である。その比較結果の信号は、マイクロコントローラ12に入力される。   The comparator 10 is a circuit that compares the level of the sampled signal with the threshold value input from the threshold value generator 11. The comparison result signal is input to the microcontroller 12.

マイクロコントローラ12は、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、CPU、メモリなどから構成された回路であり、メモリに格納されているプログラムに従って種々のディジタル信号処理を実行可能である。本実施形態では、比較器10、閾値発生器11およびマイクロコントローラ12が本発明の処理手段に対応する。   The microcontroller 12 is a circuit composed of an A / D converter, a D / A converter, a CPU, a memory, and the like, and can execute various digital signal processing according to a program stored in the memory. In the present embodiment, the comparator 10, the threshold generator 11 and the microcontroller 12 correspond to the processing means of the present invention.

(遠近判定処理)
次に、上記構成の光センサにおける遠近判定処理について説明する。
(Perspective judgment processing)
Next, the perspective determination process in the optical sensor having the above configuration will be described.

まず、送信クロック生成部1で生成された送信クロック信号に同期して、発光素子4から幅Tの光パルスが照射される。測定可能範囲内に物体が存在するときには、物体で光パルスが反射され、その反射光が受光素子5で受光される。受光素子5の出力(受光信号)は増幅器6で増幅された後、サンプリングホールド部9に入力される。   First, in synchronization with the transmission clock signal generated by the transmission clock generator 1, a light pulse having a width T is emitted from the light emitting element 4. When an object exists within the measurable range, the light pulse is reflected by the object, and the reflected light is received by the light receiving element 5. The output (light reception signal) of the light receiving element 5 is amplified by the amplifier 6 and then input to the sampling hold unit 9.

図2に照射光パルスと受光信号の波形を示す。物体までの距離が基準距離Lに等しい場合には、図2(a)に示すように、パルス照射時刻から時間t1経過後のタイミング(以下、「基準距離タイミングt1」という。)に受光信号の立ち上がりが現れる。また、物体までの距離が基準距離Lよりも近い場合には、図2(b)に示すように、基準距離タイミングt1よりも前に受光パルスが到達する。光パルスのパルス幅TはT>t1の関係を満たすため、この場合には、基準距離タイミングt1にて必ず受光パルスが観測されることになる。一方、物体までの距離が基準距離Lよりも遠い場合には、図2(c)に示すように、基準距離タイミングt1の時点では受光パルスが返ってこない(観測されない)。   FIG. 2 shows the waveforms of the irradiation light pulse and the light reception signal. When the distance to the object is equal to the reference distance L, as shown in FIG. 2A, the light reception signal is received at a timing after the time t1 has elapsed from the pulse irradiation time (hereinafter referred to as “reference distance timing t1”). A rise appears. When the distance to the object is shorter than the reference distance L, the received light pulse arrives before the reference distance timing t1, as shown in FIG. Since the pulse width T of the optical pulse satisfies the relationship of T> t1, in this case, the received light pulse is always observed at the reference distance timing t1. On the other hand, when the distance to the object is longer than the reference distance L, as shown in FIG. 2C, the received light pulse is not returned (not observed) at the reference distance timing t1.

換言すれば、基準距離タイミングt1における受光信号レベルがLOW(受光パルス以外の部分)の場合は、物体が基準距離Lよりも遠くにあり、受光信号レベルがHI(受光パルスの部分)の場合は、物体が基準距離Lよりも近くにある、といえる。   In other words, when the light reception signal level at the reference distance timing t1 is LOW (part other than the light reception pulse), the object is farther than the reference distance L and the light reception signal level is HI (light reception pulse part). It can be said that the object is closer than the reference distance L.

本実施形態の遠近判定処理はこの特性を利用したものである。すなわち、サンプリングホールド部9によって、基準距離タイミングt1の1点だけで受光信号をサンプリングし、比較器10によって、サンプリングされた信号のレベルと閾値を比較し、その結果をマイクロコントローラ12に渡す。マイクロコントローラ12では、信号レベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離Lよりも近いか遠いかを判定するのである。   The perspective determination process of the present embodiment uses this characteristic. That is, the received light signal is sampled at only one point of the reference distance timing t 1 by the sampling hold unit 9, the level of the sampled signal is compared with the threshold value by the comparator 10, and the result is passed to the microcontroller 12. The microcontroller 12 determines whether the distance to the object is closer or farther than the reference distance L depending on whether the signal level exceeds a threshold value.

かかる判定処理によれば、1点のサンプリングだけで物体と基準距離Lとの相対的位置関係を精度良く判定することができる。よって、受光信号全体を詳細にサンプリング(時間軸伸張)して波形を調べる処理が不要となり、従来方式に比べて応答性を格段に向上することができる。なお、基準距離タイミングt1におけるサンプリングは、1回実行する
だけでもよいが、好ましくは複数回実行してそれらを平均化するとよい。平均をとることにより、ノイズを低減して、遠近判定処理の精度を向上することができる。
According to such determination processing, the relative positional relationship between the object and the reference distance L can be determined with high accuracy by sampling only one point. This eliminates the need to sample the entire received light signal in detail (expand the time axis) and check the waveform, and can significantly improve the response compared to the conventional method. Note that the sampling at the reference distance timing t1 may be executed only once, but is preferably executed a plurality of times and averaged. By taking the average, noise can be reduced and the accuracy of the perspective determination process can be improved.

<第1実施形態の変形例1>
図3は、第1実施形態に係る光センサの変形例1を示している。第1実施形態では閾値を固定にしていたのに対し、この変形例1では、受光パルスのピークレベルと閾値の比がほぼ一定となるように閾値のレベルを調整する。
<Variation 1 of the first embodiment>
FIG. 3 shows a first modification of the photosensor according to the first embodiment. While the threshold is fixed in the first embodiment, in the first modification, the threshold level is adjusted so that the ratio between the peak level of the received light pulse and the threshold is substantially constant.

一般に、物体までの距離や物体の反射面の状態などによって、受光素子5で受光される光の強度は変化する。よって、図4(a)に示すように、受光信号強度(レベル)が高い場合と低い場合とでは、同じタイミングでサンプリングしたとしても、閾値判定の結果が異なる場合が生ずる。本変形例1は、この点を改善すべく、閾値のレベルを動的に変化させるものである。   Generally, the intensity of light received by the light receiving element 5 varies depending on the distance to the object and the state of the reflecting surface of the object. Therefore, as shown in FIG. 4A, the case where the received light signal intensity (level) is high and the case where it is low may result in different threshold determination results even if sampling is performed at the same timing. In the first modification, in order to improve this point, the threshold level is dynamically changed.

詳しくは、図3に示すように、第1実施形態の構成に加え、ピーク検知回路13と分圧器14とを設ける。これらの回路が本発明の調整手段に対応する。ピーク検知回路13は、増幅器6から入力された受光信号からピークレベル(つまり、受光信号に含まれる受光パルス部分の最大電圧)を検知する回路であり、また分圧器14は、ピーク検知回路13から入力されたピークレベルを所定の割合に分圧する回路である。本実施形態では50%に分圧する分圧器14を用いている。   Specifically, as shown in FIG. 3, in addition to the configuration of the first embodiment, a peak detection circuit 13 and a voltage divider 14 are provided. These circuits correspond to the adjusting means of the present invention. The peak detection circuit 13 is a circuit that detects the peak level (that is, the maximum voltage of the light reception pulse portion included in the light reception signal) from the light reception signal input from the amplifier 6, and the voltage divider 14 is provided from the peak detection circuit 13. This circuit divides the input peak level into a predetermined ratio. In this embodiment, the voltage divider 14 that divides the pressure by 50% is used.

上記構成においては、初回測定時に、受光信号のピークレベルを取得し、その50%の値を閾値として比較器10に設定する。そして、2回目以降の測定では、第1実施形態と同様、基準距離タイミングt1で1点サンプリングを実施し、サンプリングされた信号のレベルと閾値とを比較し、物体の遠近を判定する。   In the above configuration, at the first measurement, the peak level of the received light signal is acquired and 50% of the peak level is set in the comparator 10 as a threshold value. In the second and subsequent measurements, as in the first embodiment, one-point sampling is performed at the reference distance timing t1, the level of the sampled signal is compared with a threshold value, and the distance of the object is determined.

これにより、図4(b)に示すように、受光信号強度によらず、物体までの距離が同じであれば同一の閾値判定結果が得られるようになり、判定処理の精度および信頼性が向上する。   As a result, as shown in FIG. 4B, the same threshold determination result can be obtained if the distance to the object is the same regardless of the intensity of the received light signal, and the accuracy and reliability of the determination process are improved. To do.

<第1実施形態の変形例2>
図5は、第1実施形態に係る光センサの変形例2を示している。上記変形例1では閾値のレベル調整を行ったのに対し、この変形例2では、受光信号のレベル調整を行う。狙いとする効果は、変形例1と同じである。
<Modification 2 of the first embodiment>
FIG. 5 shows a second modification of the photosensor according to the first embodiment. In the first modification, the threshold level is adjusted. In the second modification, the level of the received light signal is adjusted. The targeted effect is the same as in the first modification.

詳しくは、図5に示すように、第1実施形態の増幅器6に代えて、AGCアンプ15を設ける。AGCアンプ15は、受光信号のピークレベルが一定になるように増幅率を自動調整する回路である。このAGCアンプ15が本発明の調整手段に対応する。   Specifically, as shown in FIG. 5, an AGC amplifier 15 is provided instead of the amplifier 6 of the first embodiment. The AGC amplifier 15 is a circuit that automatically adjusts the amplification factor so that the peak level of the received light signal is constant. This AGC amplifier 15 corresponds to the adjusting means of the present invention.

この構成によれば、物体までの距離や物体の反射面の状態によらず、サンプリング対象となる受光信号のピークレベルがほぼ一定となる。よって、固定閾値を用いた場合であっても、物体までの距離が同じであれば同一の判定結果が得られるようになり、判定処理の精度および信頼性が向上する。   According to this configuration, the peak level of the received light signal to be sampled is substantially constant regardless of the distance to the object and the state of the reflecting surface of the object. Therefore, even if a fixed threshold is used, the same determination result can be obtained if the distance to the object is the same, and the accuracy and reliability of the determination process are improved.

<第1実施形態の変形例3>
第1実施形態では、送信クロック信号から光パルスの照射時刻を得ている。しかしながら、送信クロック生成部1の出力信号が発光素子4に到達するまでにある程度の時間的遅れが存在するため、厳密にいうと、送信クロック信号と光パルスの照射時刻の間に僅かながらズレが生じる。また、そのズレ量は回路の温度特性に依存して変動する。よって、送信側の回路構成を工夫したり温度補償回路を設けるなどして、時間的遅れや温度特性を補
償することが好ましいといえる。
<Modification 3 of the first embodiment>
In the first embodiment, the irradiation time of the light pulse is obtained from the transmission clock signal. However, since there is a certain time delay until the output signal of the transmission clock generator 1 reaches the light emitting element 4, strictly speaking, there is a slight difference between the transmission clock signal and the irradiation time of the optical pulse. Arise. Further, the amount of deviation varies depending on the temperature characteristics of the circuit. Therefore, it can be said that it is preferable to compensate for time delay and temperature characteristics by devising a circuit configuration on the transmission side or providing a temperature compensation circuit.

これに対し、変形例3では、発光素子から照射された光パルスを直接受光して、その受光時刻を光パルスの照射時刻として利用する構成を採用する。詳しくは、図6に示すように、第1実施形態の構成に加えて、受光素子16と増幅器17とを設ける。受光素子16は、発光素子4の照射光を直接受光できるように、発光素子4に近接して配置される。これら受光素子16および増幅器17が本発明の第2の受光手段に対応する。   On the other hand, the modification 3 employs a configuration in which the light pulse emitted from the light emitting element is directly received and the light reception time is used as the light pulse irradiation time. Specifically, as shown in FIG. 6, in addition to the configuration of the first embodiment, a light receiving element 16 and an amplifier 17 are provided. The light receiving element 16 is disposed in the vicinity of the light emitting element 4 so that the light irradiated from the light emitting element 4 can be directly received. These light receiving element 16 and amplifier 17 correspond to the second light receiving means of the present invention.

上記構成において、発光素子4から光パルスが照射されると、同時にその光が受光素子16にて受光される。その受光パルスは増幅器17で増幅された後、遅延時間生成器7に入力される。遅延時間生成器7は、その受光パルスに対して所定の遅れ時間t1をもった遅延信号を生成し、遅延信号をタイミングパルス生成部8に入力する。これ以外の動作は第1実施形態のものと同様である。   In the above configuration, when a light pulse is emitted from the light emitting element 4, the light is simultaneously received by the light receiving element 16. The received light pulse is amplified by the amplifier 17 and then input to the delay time generator 7. The delay time generator 7 generates a delay signal having a predetermined delay time t 1 with respect to the received light pulse, and inputs the delay signal to the timing pulse generator 8. Other operations are the same as those in the first embodiment.

かかる構成によれば、実際のパルス照射時刻を正確に取得できるので、判定処理の精度が向上する。しかも、温度補償回路などの追加が不要のため、コスト的に有利である。   According to such a configuration, the actual pulse irradiation time can be obtained accurately, so that the accuracy of the determination process is improved. In addition, there is no need to add a temperature compensation circuit or the like, which is advantageous in terms of cost.

<第1実施形態の変形例4>
図7は、第1実施形態に係る光センサの変形例4を示している。本変形例4は複数のサンプリングホールド部を並列に設けたところに特徴がある。
<Modification 4 of the first embodiment>
FIG. 7 shows a fourth modification of the photosensor according to the first embodiment. This modification 4 is characterized in that a plurality of sampling hold units are provided in parallel.

ハードウェア構成としては、増幅器6の後段に3つのサンプリングホールド部9a,9b,9cを並列に配するとともに、タイミングパルス生成部8の後段に2つの微少時間遅延部18a,18bを直列に設ける。第1のサンプリングホールド部9aにはタイミングパルス生成部8からのサンプリングパルスがそのまま入力されるのに対し、第2のサンプリングホールド部9bには時間Δtだけ遅延したサンプリングパルスが入力され、第3のサンプリングホールド部9cには時間Δt×2だけ遅延したサンプリングパルスが入力される。また本変形例では、比較器と閾値発生器を無くし、サンプリングホールド部9a,9b,9cの出力を直接マイクロコントローラ12に渡している。   As a hardware configuration, three sampling hold units 9a, 9b, and 9c are arranged in parallel in the subsequent stage of the amplifier 6, and two minute time delay units 18a and 18b are provided in series in the subsequent stage of the timing pulse generating unit 8. While the sampling pulse from the timing pulse generator 8 is input as it is to the first sampling hold unit 9a, the sampling pulse delayed by the time Δt is input to the second sampling hold unit 9b, A sampling pulse delayed by time Δt × 2 is input to the sampling hold unit 9c. In this modification, the comparator and the threshold generator are eliminated, and the outputs of the sampling hold units 9a, 9b, 9c are directly passed to the microcontroller 12.

上記構成において、受光素子5の受光信号は増幅された後、3つのサンプリングホールド部9a,9b,9cに同時に入力される。一方、タイミングパルス生成部8からは、パルス照射時刻から時間t1−Δtだけ遅延したサンプリングパルスが供給される。そうすると、図8に示すように、サンプリングホールド部9a,9b,9cがそれぞれ「t1−Δt」,「t1」,「t+Δt」のタイミングで同一の受光信号をサンプリングする。このようにしてサンプリングされた3つの信号は、マイクロコントローラ12によってA/D変換され、ディジタル信号処理によって平均される。そして、その平均値と閾値とを比較し、物体と基準距離Lとの相対的位置関係が判定される。   In the above configuration, the light reception signal of the light receiving element 5 is amplified and then input to the three sampling hold units 9a, 9b, and 9c simultaneously. On the other hand, the timing pulse generator 8 supplies a sampling pulse delayed by time t1−Δt from the pulse irradiation time. Then, as shown in FIG. 8, the sampling hold units 9a, 9b, and 9c sample the same received light signal at timings “t1−Δt”, “t1”, and “t + Δt”, respectively. The three signals sampled in this way are A / D converted by the microcontroller 12 and averaged by digital signal processing. Then, the average value is compared with the threshold value, and the relative positional relationship between the object and the reference distance L is determined.

かかる構成によれば、ノイズの影響を排除してS/N比の良好な信号を得ることができる。しかも、同一の受光信号から複数点のサンプリングを行うものであるため、応答性の低下を招くことがない。   According to such a configuration, it is possible to obtain a signal with a good S / N ratio by eliminating the influence of noise. In addition, since a plurality of points are sampled from the same received light signal, the responsiveness is not lowered.

<第1実施形態のその他の変形例>
なお、上述した変形例1〜4の各構成を組み合わせることも好ましい。その一例として、変形例2と変形例3を組み合わせた光センサの構成を図9に示す。このような構成によって判定精度のさらなる向上を図ることができる。
<Other Modifications of First Embodiment>
In addition, it is also preferable to combine each structure of the modifications 1-4 mentioned above. As an example, FIG. 9 shows a configuration of an optical sensor in which the second modification and the third modification are combined. With such a configuration, the determination accuracy can be further improved.

また、基準距離タイミングt1におけるサンプリングを複数回繰り返し、それらの信号の平均をとることで、精度を向上することも好ましい。このような平均処理を行ったとし
ても、従来方式に比べれば十分な応答性が得られる。
It is also preferable to improve accuracy by repeating sampling at the reference distance timing t1 a plurality of times and taking an average of these signals. Even if such an average process is performed, sufficient response can be obtained as compared with the conventional method.

<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。上記第1実施形態では、時間t1よりも長い光パルスを用いていたのに対し、第2実施形態では、時間t1よりも短いパルス幅(たとえば極小時間幅)の光パルスを用いる。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, an optical pulse longer than the time t1 is used, whereas in the second embodiment, an optical pulse having a pulse width shorter than the time t1 (for example, a minimum time width) is used.

このようなパルス幅の短い光パルスを用いた場合、第1実施形態と同じ手法では物体の遠近を判別することができない。なぜなら、物体までの距離が基準距離Lよりも近いと、基準距離タイミングt1より前に受光パルスが通過してしまうことがあり(図10(a)参照)、基準距離タイミングt1における1点サンプリングでは、物体までの距離が基準距離Lよりも遠い場合(図10(b)参照)と区別できないからである。   When such an optical pulse with a short pulse width is used, the distance of the object cannot be determined by the same method as in the first embodiment. This is because if the distance to the object is shorter than the reference distance L, the received light pulse may pass before the reference distance timing t1 (see FIG. 10A), and one-point sampling at the reference distance timing t1. This is because it cannot be distinguished from the case where the distance to the object is longer than the reference distance L (see FIG. 10B).

そこで本実施形態では、図11に示すように、増幅器6の後段に最大値保持手段としてのピーク保持回路20を追加する。このピーク保持回路20は、受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力するものである。ピーク保持回路20の保持値は、パルス生成部2からの信号によって測定周期毎にリセットされる。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 11, a peak holding circuit 20 as a maximum value holding means is added to the subsequent stage of the amplifier 6. The peak holding circuit 20 holds the maximum level of the received light signal and outputs the held maximum level as a maximum value signal. The holding value of the peak holding circuit 20 is reset for each measurement cycle by a signal from the pulse generator 2.

この構成によれば、図12に示すように、受光パルス出現後はそのピークレベルが保持された信号がサンプリングホールド部9に入力されることになる。この最大値信号は、第1実施形態における受光信号と実質的に同じ波形の信号であるため、基準距離タイミングt1における信号レベルを観測するだけで、物体までの距離が基準距離Lよりも近いか遠いかを判別することができる。   According to this configuration, as shown in FIG. 12, after the light reception pulse appears, a signal whose peak level is held is input to the sampling hold unit 9. Since this maximum value signal is a signal having substantially the same waveform as the light receiving signal in the first embodiment, whether the distance to the object is closer than the reference distance L only by observing the signal level at the reference distance timing t1. You can determine how far away.

したがって、本実施形態においても第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。加えて、光パルスの照射時間を大幅に減らすことができるため、光センサの消費電力を低減することが可能となる。なお、本実施形態の場合も、第1実施形態の変形例に準じた変形を行えば、判定処理の精度および信頼性をさらに向上することができる。   Therefore, also in this embodiment, there can exist the same effect as 1st Embodiment. In addition, since the irradiation time of the light pulse can be significantly reduced, the power consumption of the optical sensor can be reduced. In the case of the present embodiment as well, the accuracy and reliability of the determination process can be further improved by performing modifications according to the modification of the first embodiment.

<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態でも時間t1よりも短いパルス幅(たとえば極小時間幅)の光パルスを用いるが、上記第2実施形態では最大値保持手段により受光信号を変換したのに対し、本実施形態では受光信号を粗い間隔で時間軸伸張することにより遠近判定を行う点で異なる。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, an optical pulse having a pulse width shorter than the time t1 (for example, a minimum time width) is used. In the second embodiment, the received light signal is converted by the maximum value holding means. Is different in that perspective is determined by extending the time axis at rough intervals.

光センサのハードウェア構成としては、図13に示すように、第1実施形態の遅延時間生成器7に代えて電圧−遅延時間変換器30を設けるとともに、鋸波生成部31および定電圧生成部32を追加する。   As the hardware configuration of the optical sensor, as shown in FIG. 13, a voltage-delay time converter 30 is provided instead of the delay time generator 7 of the first embodiment, and a sawtooth wave generation unit 31 and a constant voltage generation unit are provided. 32 is added.

鋸波生成部31は、線形増加する電圧を出力する回路であり、その傾きは可変である。また、定電圧生成部32は一定の電圧を出力する回路である。定電圧生成部32の出力電圧は、基準距離Lに対応した値に設定されている。電圧−遅延時間変換器30は、入力された電圧に比例した遅延信号を生成する回路である。つまり、鋸波生成部31から入力される電圧は、徐々に遅延時間が拡大するような遅延信号に変換され、一方、定電圧生成部32から入力される電圧は、一定の遅延時間t1をもつ遅延信号に変換される。   The sawtooth wave generator 31 is a circuit that outputs a linearly increasing voltage, and its slope is variable. The constant voltage generator 32 is a circuit that outputs a constant voltage. The output voltage of the constant voltage generator 32 is set to a value corresponding to the reference distance L. The voltage-delay time converter 30 is a circuit that generates a delay signal proportional to the input voltage. That is, the voltage input from the sawtooth wave generator 31 is converted into a delay signal whose delay time gradually increases, while the voltage input from the constant voltage generator 32 has a constant delay time t1. Converted to a delayed signal.

上記構成の光センサにおける遠近判定処理は次のように行う。   The perspective determination process in the optical sensor having the above configuration is performed as follows.

まず、送信クロック信号に同期した一定の周期で、発光素子4から極小時間幅の光パル
スを繰り返し照射する。物体で反射した光パルスは受光素子5で受光され、増幅された後、順次サンプリングホールド部9に入力される。
First, light pulses having a minimum time width are repeatedly emitted from the light emitting element 4 at a constant period synchronized with the transmission clock signal. The light pulse reflected by the object is received by the light receiving element 5, amplified, and sequentially input to the sampling hold unit 9.

一方、電圧−遅延時間変換器30は、鋸波生成部31からの出力電圧に基づき遅延信号を生成し、タイミングパルス生成部8に供給する。よって、サンプリングパルスとしては、各周期におけるサンプリングタイミングが徐々に遅延していくような信号が生成される。   On the other hand, the voltage-delay time converter 30 generates a delay signal based on the output voltage from the sawtooth generator 31 and supplies it to the timing pulse generator 8. Therefore, as the sampling pulse, a signal is generated so that the sampling timing in each cycle is gradually delayed.

ここでの遅延間隔は、通常の等価サンプリングにおける間隔に比べてかなり粗くてもよく、少なくとも、受光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の間隔であれば足りる。たとえば、パルス幅の半分ないし4分の1程度の間隔でも十分である。   The delay interval here may be considerably coarser than the interval in normal equivalent sampling, and at least it is sufficient if it is an interval that does not cause sampling leakage in the received light pulse portion. For example, an interval of about half to a quarter of the pulse width is sufficient.

サンプリングホールド部9は、上記サンプリングパルスに従って、各周期の受光信号をサンプリングし、受光信号の時間軸伸張を行う。そして、マイクロコントローラ12が、時間軸伸張波形のピークが基準距離タイミング(実際には時間軸伸張の拡大率を考慮する必要があるため、基準距離タイミングt1に相当する時刻t1′)よりも後に現れるか否かで、物体までの距離が基準距離Lよりも近いか遠いかを判定する。   The sampling and holding unit 9 samples the light reception signal of each cycle according to the sampling pulse, and performs time axis expansion of the light reception signal. Then, the microcontroller 12 indicates that the peak of the time-axis expansion waveform appears after the reference distance timing (actually the time t1 ′ corresponding to the reference distance timing t1) because it is necessary to consider the expansion rate of the time-axis expansion. Whether or not the distance to the object is closer or longer than the reference distance L.

このとき、時間軸伸張波形のピークが基準距離タイミングt1′から明らかに離れていることが判ったら、この時点で判定結果を出力し処理を終える。しかし、ピークが基準距離タイミングt1′の近傍に現れた場合には、さらに詳細なサンプリングを実施する。   At this time, if it is found that the peak of the time-axis expanded waveform is clearly separated from the reference distance timing t1 ′, the determination result is output at this point and the processing ends. However, if a peak appears in the vicinity of the reference distance timing t1 ', more detailed sampling is performed.

具体的には、電圧−遅延時間変換器30に入力する電圧を定電圧生成部32のものに切り替え、サンプリングホールド部9で基準距離タイミングt1でのサンプリングが行われるようにする。そして、そのタイミングで複数回サンプリングを行い、得られた信号を積算平均し、詳細な遠近判定を行う。   Specifically, the voltage input to the voltage-delay time converter 30 is switched to that of the constant voltage generation unit 32, and the sampling hold unit 9 performs sampling at the reference distance timing t1. Then, sampling is performed a plurality of times at the timing, the obtained signals are integrated and averaged, and detailed perspective determination is performed.

以上述べた本実施形態によれば、従来の等価サンプリングよりも大幅に少ないサンプリング回数で判定処理を行うことができ、測定時間の短縮を図ることができる。また、物体が基準距離Lから大きく離れており、遠近の判定が容易な場合には、粗く掃引するだけで迅速に判定処理を行う一方、物体が基準距離L近傍に存在し、遠近の判定が難しい場合には、詳細なサンプリングを行って判定精度を向上するので、応答性と判定精度の両立を図ることができる。加えて、光パルスの照射時間を大幅に減らすことができるため、光センサの消費電力を低減することが可能となる。   According to the present embodiment described above, the determination process can be performed with a significantly smaller number of samplings than the conventional equivalent sampling, and the measurement time can be shortened. In addition, when the object is far away from the reference distance L and the determination of perspective is easy, the determination process is performed quickly only by sweeping roughly, while the object exists in the vicinity of the reference distance L and the determination of perspective is performed. If difficult, detailed sampling is performed to improve the determination accuracy, so that both responsiveness and determination accuracy can be achieved. In addition, since the irradiation time of the light pulse can be significantly reduced, the power consumption of the optical sensor can be reduced.

<第3実施形態の変形例1>
図14は、第3実施形態に係る光センサの変形例1を説明するための図であり、照射光パルス、受光信号、サンプリングパルス、および時間軸伸張波の波形を示している。
<Modification 1 of 3rd Embodiment>
FIG. 14 is a diagram for explaining Modification Example 1 of the optical sensor according to the third embodiment, and shows waveforms of an irradiation light pulse, a light reception signal, a sampling pulse, and a time axis extension wave.

この変形例1では、マイクロコントローラ12が時間軸伸張波形を逐次監視しており、時間軸伸張の途中でピーク(受光パルス部分)が観測された場合には、パルス生成部2とタイミングパルス生成部8に停止信号を送って、次の測定期間まで光パルスの照射およびサンプリング処理を停止させる。   In the first modification, the microcontroller 12 sequentially monitors the time axis expansion waveform, and if a peak (light reception pulse portion) is observed during the time axis expansion, the pulse generation unit 2 and the timing pulse generation unit A stop signal is sent to 8 to stop the light pulse irradiation and the sampling process until the next measurement period.

かかる制御により、無駄なパルス照射や処理を省略することができ、消費電力の低減を図ることが可能となる。   By such control, useless pulse irradiation and processing can be omitted, and power consumption can be reduced.

<第3実施形態の変形例2>
上述した構成では、製品製造時もしくは測定時に手動で基準距離Lを設定することとしたが、変形例2では、ティーチング機能により基準距離Lを自動設定する。ハードウェア
構成としては図13のものと同様である。
<Modification 2 of 3rd Embodiment>
In the configuration described above, the reference distance L is manually set at the time of product manufacture or measurement. However, in the second modification, the reference distance L is automatically set by the teaching function. The hardware configuration is the same as that of FIG.

ティーチングの際には、光センサと測定対象物体とを測定時と同じ位置関係に配置し、光センサのティーチングボタン(不図示)を押す。ティーチング時、光センサは一般的な飛行時間計測方式の測距センサとして動作する。   At the time of teaching, the optical sensor and the measurement target object are arranged in the same positional relationship as at the time of measurement, and a teaching button (not shown) of the optical sensor is pressed. At the time of teaching, the optical sensor operates as a distance measuring sensor of a general time-of-flight measurement method.

まず、送信クロック信号に同期した一定の周期で、発光素子4から極小時間幅の光パルスを繰り返し照射する。物体で反射した光パルスは受光素子5で受光され、増幅された後、順次サンプリングホールド部9に入力される。一方、電圧−遅延時間変換器30は、鋸波生成部31からの出力電圧に基づき遅延信号を生成し、タイミングパルス生成部8に供給する。このとき、鋸波生成部31での出力電圧の傾きを、上述した測定時(遠近判定処理時)の傾きよりも小さくすることで、遅延間隔を細かくし、詳細な時間軸伸張波形を取得する。   First, light pulses having a minimum time width are repeatedly emitted from the light emitting element 4 at a constant period synchronized with the transmission clock signal. The light pulse reflected by the object is received by the light receiving element 5, amplified, and sequentially input to the sampling hold unit 9. On the other hand, the voltage-delay time converter 30 generates a delay signal based on the output voltage from the sawtooth generator 31 and supplies it to the timing pulse generator 8. At this time, by making the slope of the output voltage in the sawtooth generator 31 smaller than the slope at the time of measurement (during perspective determination processing) described above, the delay interval is made finer and a detailed time axis expanded waveform is acquired. .

そして、この時間軸伸張波形の立ち上がりが閾値を超える時刻を特定し、光パルスの飛行時間を算出する。飛行時間の半分の値に光速を乗じたものが、物体までの距離である。   Then, the time at which the rise of the time axis expansion waveform exceeds the threshold is specified, and the flight time of the optical pulse is calculated. The distance to the object is the value of half the flight time multiplied by the speed of light.

マイクロコントローラ12は、このようにして測定された距離を定電圧生成部32に設定する。測定時(遠近判定処理時)には、この設定値が基準距離Lとして用いられる。   The microcontroller 12 sets the distance measured in this way in the constant voltage generation unit 32. At the time of measurement (during distance determination processing), this set value is used as the reference distance L.

以上の構成により、基準距離Lの自動設定を行うことができ、光センサの操作性が向上する。   With the above configuration, the reference distance L can be automatically set, and the operability of the optical sensor is improved.

なお、このティーチング機能と同様の構成を第1実施形態や第2実施形態の光センサに適用することも可能である。また、第3実施形態の場合も、第1実施形態の変形例に準じた変形を行えば、判定処理の精度および信頼性をさらに向上することができる。   Note that the same configuration as the teaching function can be applied to the photosensors of the first and second embodiments. Also in the case of the third embodiment, the accuracy and reliability of the determination process can be further improved by performing a modification according to the modification of the first embodiment.

<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態について説明する。上記第1〜第3実施形態では、光パルスを用いていたのに対し、第4実施形態では、矩形波(方形波ともいう)に変調された光を用いる。
<Fourth embodiment>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the first to third embodiments, an optical pulse is used, whereas in the fourth embodiment, light modulated into a rectangular wave (also referred to as a square wave) is used.

光センサのハードウェア構成としては、図15に示すように、第1実施形態の構成における受光素子5の後段にDCカット部40を加え、増幅器6の後段にバンドパスフィルタ41を追加したものである。比較器と閾値発生器は不要である。   As shown in FIG. 15, the hardware configuration of the optical sensor is such that a DC cut unit 40 is added after the light receiving element 5 in the configuration of the first embodiment, and a band pass filter 41 is added after the amplifier 6. is there. A comparator and threshold generator are not required.

DCカット部40は、受光信号のDC成分をカットすることにより、受光信号強度の最大値と最小値の中央にグランド電位を設定する回路である。また、バンドパスフィルタ41は、不要な帯域をカットすることにより、矩形波を正弦波に整形するとともにノイズを除去するための回路である。なお、バンドパスフィルタ41は増幅器6の前段に設けてもよい。   The DC cut unit 40 is a circuit that sets a ground potential at the center between the maximum value and the minimum value of the received light signal intensity by cutting the DC component of the received light signal. The bandpass filter 41 is a circuit for shaping a rectangular wave into a sine wave and removing noise by cutting unnecessary bands. The band pass filter 41 may be provided in front of the amplifier 6.

上記構成の光センサにおける遠近判定処理は次のように行う。   The perspective determination process in the optical sensor having the above configuration is performed as follows.

パルス生成部2が、送信クロック信号に基づきパルス信号を生成する。このパルス信号に従って発光素子4から照射光が照射される。このとき、パルス信号のデューティー比を50%とすることで、図16(a)に示すような矩形波が得られる。なお、パルス信号のパルス幅は、矩形波の周期が時間t1の2倍よりも長くなるように設定される。ただし、時間t1は、矩形波が基準距離Lを往復する時間(t1=L/c)である。   The pulse generator 2 generates a pulse signal based on the transmission clock signal. Irradiation light is emitted from the light emitting element 4 in accordance with this pulse signal. At this time, a rectangular wave as shown in FIG. 16A is obtained by setting the duty ratio of the pulse signal to 50%. The pulse width of the pulse signal is set so that the period of the rectangular wave is longer than twice the time t1. However, time t1 is the time (t1 = L / c) when the rectangular wave reciprocates the reference distance L.

測定可能範囲に物体が存在するときには、物体で照射光が反射され、その反射光が受光素子5で受光される。受光素子5の出力(受光信号)は、DCカット部40でDCカットされ、増幅器6で増幅される。DCカット・増幅後の受光信号の波形を図16(b)に示す。その後、バンドパスフィルタ41を通すことで、図16(c)に示すような正弦波が得られる。   When an object exists in the measurable range, the irradiated light is reflected by the object, and the reflected light is received by the light receiving element 5. The output (light reception signal) of the light receiving element 5 is DC cut by the DC cut unit 40 and amplified by the amplifier 6. The waveform of the received light signal after DC cut and amplification is shown in FIG. Thereafter, by passing through the band-pass filter 41, a sine wave as shown in FIG. 16C is obtained.

本実施形態では、照射光(矩形波)の振動中心に相当する時刻から時間t1経過後の時刻を基準距離タイミングt1とし、この基準距離タイミングt1にて受光信号をサンプリングする。基準距離タイミングt1における受光信号のレベルは、物体までの距離が基準距離Lに等しいときはゼロになり、近いときはプラスになり、遠いときはマイナスになる。つまり、基準距離タイミングt1における信号レベルの極性を調べることにより、物体と基準距離Lとの相対的位置関係を判定できるのである。   In the present embodiment, the time after the elapse of time t1 from the time corresponding to the vibration center of the irradiation light (rectangular wave) is set as the reference distance timing t1, and the received light signal is sampled at the reference distance timing t1. The level of the received light signal at the reference distance timing t1 becomes zero when the distance to the object is equal to the reference distance L, becomes positive when the distance is close, and becomes negative when the distance is far. That is, the relative positional relationship between the object and the reference distance L can be determined by examining the polarity of the signal level at the reference distance timing t1.

そこで本実施形態の遠近判定処理では、サンプリングホールド部9によって、基準距離タイミングt1の1点だけで受光信号をサンプリングし、その信号をマイクロコントローラ12に入力する。マイクロコントローラ12では、信号の極性がプラスかマイナスかで、物体までの距離が基準距離Lよりも近いか遠いかを判定する。   Therefore, in the perspective determination process of this embodiment, the light receiving signal is sampled at only one point of the reference distance timing t 1 by the sampling hold unit 9 and the signal is input to the microcontroller 12. The microcontroller 12 determines whether the polarity of the signal is positive or negative and whether the distance to the object is closer or longer than the reference distance L.

かかる判定処理によれば、1点のサンプリングだけで物体と基準距離Lとの相対的位置関係を精度良く判定でき、従来方式に比べて応答性を格段に向上することができる。また、信号の極性がプラスかマイナスかで判定できるため、閾値判定に比べて判定のばらつきが小さい。さらに、正弦波または矩形波を用いているので、帯域カットによりノイズを効果的に除去できるという利点もある。ホワイトノイズレベルはスペクトル帯域幅のルートに比例するため、信号帯域を絞ることでS/N比の向上が期待できる。   According to such determination processing, the relative positional relationship between the object and the reference distance L can be determined with high accuracy by sampling at one point, and the responsiveness can be significantly improved as compared with the conventional method. In addition, since the determination can be made based on whether the polarity of the signal is positive or negative, the determination variation is smaller than the threshold determination. Furthermore, since a sine wave or a rectangular wave is used, there is an advantage that noise can be effectively removed by band cutting. Since the white noise level is proportional to the root of the spectrum bandwidth, an improvement in the S / N ratio can be expected by narrowing the signal band.

なお、ここでは矩形波の照射光を用いたが、正弦波に変調した照射光を用いても同様の作用効果を得ることができる。また、上記各実施形態やその変形例の構成を、本実施形態のものに組み合わせることも好ましい。   Note that although rectangular wave irradiation light is used here, similar effects can be obtained by using irradiation light modulated into a sine wave. In addition, it is also preferable to combine the configurations of the above-described embodiments and modifications thereof with those of the present embodiment.

<第5実施形態>
上記第1〜第4実施形態における遠近判定処理によれば、基準距離Lよりも近くに物体が存在するか、遠くに物体が存在するかを精度良く判定することができる。本発明の第5実施形態では、このような光センサの遠近判定処理機能を利用して、物体までの距離を測定する。
<Fifth Embodiment>
According to the perspective determination processing in the first to fourth embodiments, it is possible to accurately determine whether an object is present nearer or farther than the reference distance L. In the fifth embodiment of the present invention, the distance to the object is measured using such a distance determination processing function of the optical sensor.

以下、図17および図18を参照して、測距方法の処理の流れを詳しく説明する。なお、ここでは第1実施形態の光センサを用いた場合の処理を例示する。   Hereinafter, with reference to FIG. 17 and FIG. 18, the processing flow of the distance measuring method will be described in detail. Here, the processing when the photosensor of the first embodiment is used is illustrated.

まず、ステップS1において、マイクロコントローラ12が測定対象範囲の値を初期化する。たとえば、光センサの測定可能範囲Lmaxが10メートルであった場合には、測定対象範囲の初期値を「0〜10メートル」に設定する。   First, in step S1, the microcontroller 12 initializes the value of the measurement target range. For example, when the measurable range Lmax of the optical sensor is 10 meters, the initial value of the measurement target range is set to “0 to 10 meters”.

ステップS2では、マイクロコントローラ12が、測定対象範囲を2つの領域に分割するように基準距離L1を設定する。たとえば、測定対象範囲が「0〜10メートル」の場合なら、その半分である「5メートル」を基準距離L1に設定する。   In step S2, the microcontroller 12 sets the reference distance L1 so as to divide the measurement target range into two regions. For example, if the measurement target range is “0 to 10 meters”, “5 meters”, which is a half of the range, is set as the reference distance L1.

ステップS3では、ステップS2で設定された基準距離L1に対応する基準距離タイミングt1でサンプリングを実施し、サンプリングされた信号のレベルと閾値を比較することによって、基準距離L1よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するか判定する。図18(a)の例では、基準距離L1よりも遠い領域に物体が存在する、という判定
結果が得られる。
In step S3, sampling is performed at the reference distance timing t1 corresponding to the reference distance L1 set in step S2, and the region closer to and far from the reference distance L1 is compared by comparing the level of the sampled signal with a threshold value. It is determined in which of the objects the object exists. In the example of FIG. 18A, a determination result that an object exists in a region far from the reference distance L1 is obtained.

ステップS4では、マイクロコントローラ12が、上記判定結果に基づき、物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定する。すなわち、図18(a)の例では、「5〜10メートル」の範囲が新たな測定対象範囲となる。   In step S4, the microcontroller 12 sets a region on the side where the object exists as a new measurement target range based on the determination result. That is, in the example of FIG. 18A, a range of “5 to 10 meters” is a new measurement target range.

ステップS5では、マイクロコントローラ12が、絞り込みを終了するか否か判断する。   In step S5, the microcontroller 12 determines whether or not to end the narrowing down.

絞り込みを続行する場合には、再びステップS2〜S4の処理を繰り返す。すなわち、測定対象範囲「5〜10メートル」を二分する「7.5メートル」が新たな基準距離L2に設定され、図18(b)に示すように、基準距離L2に対応する基準距離タイミングt2に関して物体の遠近が判定される。その判定結果に基づき、さらに測定対象範囲が「5〜7.5メートル」が絞り込まれ、図18(c)に示すように、基準距離「6.25メートル」に対応する基準距離タイミングt3に関し物体の遠近判定が行われる。   When continuing the narrowing down, the processes in steps S2 to S4 are repeated again. That is, “7.5 meters” that bisects the measurement target range “5 to 10 meters” is set as the new reference distance L2, and the reference distance timing t2 corresponding to the reference distance L2 as shown in FIG. The perspective of the object is determined. Based on the determination result, the measurement target range is further narrowed down to “5-7.5 meters”, and as shown in FIG. 18C, the object is related to the reference distance timing t3 corresponding to the reference distance “6.25 meters”. Perspective determination is performed.

このように上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を徐々に絞り込んでいき、測定対象範囲の幅が分解能以下まで狭くなったときに絞り込みを終了する(ステップS5;YES)。   In this way, the above process is repeated a plurality of times to narrow down the object existing area gradually, and the narrowing is terminated when the width of the measurement target range becomes narrower than the resolution (step S5; YES).

ステップS6では、マイクロコントローラ12が、最終回の遠近判定で用いた基準距離(もしくは基準距離タイミング)とその判定結果から、物体までの距離を算出する。   In step S6, the microcontroller 12 calculates the distance to the object from the reference distance (or reference distance timing) used in the final perspective determination and the determination result.

以上述べた本実施形態によれば、従来方式に比べて格段に少ないサンプリング回数で高精度に測距を行うことができる。具体的には、受信信号全体を掃引する方式に比べて、最低でもlog2(range/accuracy)倍の測定時間削減効果が得られる。 According to the present embodiment described above, distance measurement can be performed with high accuracy with a significantly smaller number of samplings than in the conventional method. Specifically, the measurement time reduction effect is at least log 2 (range / accuracy) times compared to the method of sweeping the entire received signal.

<第5実施形態の変形例1>
第5実施形態では遠近判定結果に従って測定対象範囲を1/2ずつ絞り込んでいったが、変形例1では、遠近判定処理の精度(誤差)を考慮して、新たな測定対象範囲をやや広めに設定する。
<Modification 1 of 5th Embodiment>
In the fifth embodiment, the measurement target range is narrowed by 1/2 according to the perspective determination result. However, in Modification 1, the new measurement target range is slightly wider in consideration of the accuracy (error) of the perspective determination process. Set.

たとえば、図19(a)に示すように、遠近判定処理の精度(判定誤差範囲)が1メートルの場合、基準距離Lの±0.5メートルの範囲では誤判定が生じる可能性がある。このとき、物体が基準距離Lよりも近い領域NAに存在するにもかかわらず、遠い領域FAに存在すると誤判定されると、第5実施形態の処理では、図19(b)に示すように、物体の存在しない側の領域FAに新たな測定対象範囲が設定されることとなり、それ以降の絞り込み処理が正しく行えない。   For example, as shown in FIG. 19A, when the accuracy of the perspective determination process (determination error range) is 1 meter, an erroneous determination may occur in the range of ± 0.5 meters of the reference distance L. At this time, if it is erroneously determined that the object exists in the far area FA even though the object exists in the area NA closer than the reference distance L, in the process of the fifth embodiment, as shown in FIG. Therefore, a new measurement target range is set in the area FA on the side where no object exists, and the subsequent narrowing process cannot be performed correctly.

そこで変形例1では、測定対象範囲の絞り込みに際し、判定誤差範囲が必ず新たな測定対象範囲に含まれるように、測定対象範囲をやや広めに設定する。具体的には、図19(c)に示すように、物体が存在するという判定結果が得られた領域FA(5〜10メートルの範囲)に、判定誤差範囲(4.5〜5.5メートルの範囲)を加えた領域を、新たな測定対象範囲に設定するのである。   Therefore, in the first modification, when narrowing down the measurement target range, the measurement target range is set slightly wider so that the determination error range is always included in the new measurement target range. Specifically, as shown in FIG. 19C, a determination error range (4.5 to 5.5 meters) is included in an area FA (a range of 5 to 10 meters) where a determination result that an object exists is obtained. The range to which the above range is added is set as a new measurement target range.

これにより、仮に誤判定が生じたとしても、その影響を回避することができ、測距精度の向上を図ることができる。   Thereby, even if an erroneous determination occurs, the influence can be avoided, and the ranging accuracy can be improved.

<第5実施形態の変形例2>
遠近判定処理の精度は、基準距離タイミングにおいて複数回サンプリングを行い、それ
らを平均化することにより向上する。理論的には、N点のサンプリングを行えば、判定誤差範囲の大きさは1/√Nになる。よって、サンプリング点数を多くとることにより、誤判定が生じる可能性自体を小さくすることもできる。
<Modification 2 of Fifth Embodiment>
The accuracy of the perspective determination process is improved by sampling a plurality of times at the reference distance timing and averaging them. Theoretically, if N points are sampled, the size of the determination error range is 1 / √N. Therefore, the possibility of erroneous determination itself can be reduced by increasing the number of sampling points.

とはいえ、サンプリング点数を多くするとその分、処理時間が増大する。   However, if the number of sampling points is increased, the processing time increases accordingly.

そこで、さほど判定精度が必要とされない絞り込みの前半では平均化処理を行わないか、行ったとしてもサンプリング点数を少なくし、絞り込みの後半においてサンプリング点数を多くして精度を高めるようにするとよい。このように絞り込みの進行度合いに応じて(つまり遠近判定の要求精度が増すに従い)遠近判定処理の精度を高くすることにより、測距精度と応答性の両立を図ることができる。   Therefore, it is preferable that the averaging process is not performed in the first half of the narrowing-down that does not require much determination accuracy, or even if it is performed, the number of sampling points is reduced and the number of sampling points is increased in the second half of the narrowing down to increase the accuracy. Thus, by increasing the accuracy of the perspective determination process according to the progress of narrowing down (that is, as the accuracy of distance determination increases), it is possible to achieve both distance measurement accuracy and responsiveness.

精度の設定法としては、たとえば、絞り込みの回数、測定対象範囲の大きさ(距離)、もしくは基準距離に概ね比例するようにサンプリング点数を増加させる方法、測定対象範囲の大きさから適切な判定誤差範囲を算出する方法など、種々のものが考えられ、いずれを採用してもよい。以下、判定誤差範囲の動的設定法の一具体例について述べる。   Examples of accuracy setting methods include the number of times of narrowing down, the size (distance) of the measurement target range, or a method of increasing the number of sampling points so as to be roughly proportional to the reference distance, and an appropriate determination error based on the size of the measurement target range. Various methods such as a method for calculating the range are conceivable, and any of them may be adopted. A specific example of the determination error range dynamic setting method will be described below.

本例では、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域が最大となるように、判定誤差範囲の大きさを決定する。   In this example, the size of the determination error range is determined so that the area excluded from the narrowing down range per unit time is maximized.

i回目の遠近判定処理における測定対象範囲の大きさ(距離)を、LA
i回目の遠近判定処理における判定誤差範囲の大きさ(距離)を、a、とすると、
i+1回目の遠近判定処理における測定対象範囲の大きさ(距離)LAi+1は、式1となる。

Figure 0004525253
The size (distance) of the measurement target range in the i-th perspective determination process is defined as LA i ,
When the size (distance) of the determination error range in the i-th perspective determination process is a i ,
The size (distance) LA i + 1 of the measurement target range in the ( i + 1 ) th perspective determination process is expressed by Equation 1.
Figure 0004525253

すなわち、i回目の遠近判定処理にて絞り込み範囲から除外される領域LAi−は、式2で表すことができる。

Figure 0004525253
That is, the area LA i− that is excluded from the narrowing-down range in the i-th perspective determination process can be expressed by Equation 2.
Figure 0004525253

上述したように、N点のサンプリングを行えば判定誤差範囲の大きさは1/√Nになるので、i回目の遠近判定処理にかかる時間Tは、式3を満たす。

Figure 0004525253
As described above, if N points are sampled, the size of the determination error range is 1 / √N, and therefore the time T i required for the i-th perspective determination processing satisfies Expression 3.
Figure 0004525253

よって、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域は、式4で表される。

Figure 0004525253
Therefore, the area excluded from the narrowing range per unit time is expressed by Expression 4.
Figure 0004525253

式4の1次微分が0となる

Figure 0004525253
のときに、式4は最大値をとる。 The first derivative of Equation 4 is 0
Figure 0004525253
In this case, Equation 4 takes the maximum value.

以上より、遠近判定処理の各段階において、式5を満たすように判定誤差範囲を動的に設定することにより、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域が最大となり、測距精度と応答性の両立を図ることができる。   As described above, at each stage of the perspective determination process, by dynamically setting the determination error range so as to satisfy Equation 5, the area excluded from the narrowing range per unit time is maximized, and the ranging accuracy and responsiveness are maximized. Can be achieved.

<第5実施形態のその他の変形例>
第5実施形態では分解能以下の範囲にまで絞り込みを行うこととしたが、絞り込みの途中段階においてパルス波形の立ち上がり部分が1点ないし複数点サンプリングされたら、その値から波形推定を行い、閾値を超える時刻を推定することも好ましい。これにより、応答性のさらなる向上を図ることができる。
<Other Modifications of Fifth Embodiment>
In the fifth embodiment, the narrowing is performed to the range below the resolution. However, if one or more rising points of the pulse waveform are sampled in the middle of the narrowing, the waveform is estimated from that value and exceeds the threshold value. It is also preferable to estimate the time. Thereby, the further improvement of responsiveness can be aimed at.

また、ここでは第1実施形態の光センサを用いた場合を例示したが、第2〜第4実施形態のいずれの光センサでも同様の測距処理を行うことができる。さらに、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な機能を有してさえいれば、位相差方式、三角測距方式、PN符号方式などいずれの方式の光センサであっても、上記測距方法を適用可能である。   Although the case where the photosensor of the first embodiment is used is illustrated here, the same distance measurement process can be performed by any of the photosensors of the second to fourth embodiments. Furthermore, as long as it has a function that can determine whether the distance to the object is closer or farther than the reference distance, it can be any type of optical sensor such as phase difference method, triangulation method, PN code method, etc. Also, the above distance measuring method can be applied.

第1実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。The block diagram which shows the hardware constitutions of the optical sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態における照射光パルスと受光信号の波形を示す図。The figure which shows the waveform of the irradiation light pulse and light reception signal in 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光センサの変形例1を示す図。The figure which shows the modification 1 of the optical sensor which concerns on 1st Embodiment. 閾値のレベル調整を説明する図。The figure explaining the level adjustment of a threshold value. 第1実施形態に係る光センサの変形例2を示す図。The figure which shows the modification 2 of the optical sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光センサの変形例3を示す図。The figure which shows the modification 3 of the optical sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光センサの変形例4を示す図。The figure which shows the modification 4 of the optical sensor which concerns on 1st Embodiment. 図7の光センサにおけるサンプリング処理を説明する図。The figure explaining the sampling process in the optical sensor of FIG. 図5と図6の光センサを組み合わせた構成を示す図。The figure which shows the structure which combined the optical sensor of FIG. 5 and FIG. パルス幅の短い光パルスを用いた場合の問題を説明する図。The figure explaining the problem at the time of using an optical pulse with a short pulse width. 第2実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。The block diagram which shows the hardware constitutions of the optical sensor which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態における照射光パルスと受光信号の波形を示す図。The figure which shows the waveform of the irradiation light pulse and light reception signal in 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。The block diagram which shows the hardware constitutions of the optical sensor which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る光センサの変形例1を示す図。The figure which shows the modification 1 of the optical sensor which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。The block diagram which shows the hardware constitutions of the optical sensor which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態における照射光と受光信号の波形を示す図。The figure which shows the waveform of the irradiation light and light reception signal in 4th Embodiment. 第5実施形態に係る測距方法の処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of a process of the ranging method which concerns on 5th Embodiment. 図17の測距方法における絞り込み処理について説明する図。The figure explaining the narrowing-down process in the distance measuring method of FIG. 第5実施形態に係る測距方法の変形例について説明する図。The figure explaining the modification of the distance measuring method which concerns on 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 送信クロック生成部
2 パルス生成部
3 駆動回路
4 発光素子
5 受光素子
6 増幅器
7 遅延時間生成器
8 タイミングパルス生成部
9,9a,9b,9c サンプリングホールド部
10 比較器
11 閾値発生器
12 マイクロコントローラ
13 ピーク検知回路
14 分圧器
15 AGCアンプ
16 受光素子
17 増幅器
18a,18b 微少時間遅延部
20 ピーク保持回路
30 電圧−遅延時間変換器
31 鋸波生成部
32 定電圧生成部
40 DCカット部
41 バンドパスフィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission clock generation part 2 Pulse generation part 3 Drive circuit 4 Light emitting element 5 Light receiving element 6 Amplifier 7 Delay time generator 8 Timing pulse generation part 9, 9a, 9b, 9c Sampling hold part 10 Comparator 11 Threshold generator 12 Microcontroller 13 Peak detection circuit 14 Voltage divider 15 AGC amplifier 16 Light receiving element 17 Amplifier 18a, 18b Minute time delay unit 20 Peak holding circuit 30 Voltage-delay time converter 31 Saw wave generation unit 32 Constant voltage generation unit 40 DC cut unit 41 Band pass filter

Claims (15)

光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、時間t(ただし、t=2×基準距離/光速)よりも長いパルス幅をもつ光パルスを照射し、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間t経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
A light emitting means for irradiating a light pulse;
A light receiving means for receiving light;
Sampling means for sampling the received light signal obtained from the light receiving means;
In an optical sensor comprising processing means for processing a sampled signal,
A reference distance is set in advance as a measurement reference.
The light emitting means irradiates a light pulse having a pulse width longer than time t (where t = 2 × reference distance / light speed),
The sampling means samples the received light signal at a timing after the elapse of time t from the irradiation time of the light pulse,
The processing means is an optical sensor that determines whether the distance to an object is closer or farther than the reference distance depending on whether the level of the sampled signal exceeds a threshold value.
光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力する最大値保持手段と、
最大値信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間t(ただし、t=2×基準距離/光速)経過後のタイミングで最大値信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
A light emitting means for irradiating a light pulse;
A light receiving means for receiving light;
Maximum value holding means for holding the maximum level of the received light signal obtained from the light receiving means and outputting the held maximum level as a maximum value signal;
Sampling means for sampling the maximum value signal;
In an optical sensor comprising processing means for processing a sampled signal,
A reference distance is set in advance as a measurement reference.
The sampling means samples the maximum value signal at a timing after the elapse of time t (where t = 2 × reference distance / light speed) from the irradiation time of the light pulse,
The processing means is an optical sensor that determines whether the distance to an object is closer or farther than the reference distance depending on whether the level of the sampled signal exceeds a threshold value.
受光パルスのピークレベルと前記閾値の比がほぼ一定となるように、受光信号または閾値のレベルを調整する調整手段をさらに備える
請求項1または2記載の光センサ。
The optical sensor according to claim 1, further comprising an adjusting unit that adjusts the level of the received light signal or the threshold value so that a ratio between the peak level of the received light pulse and the threshold value is substantially constant.
光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、一定の周期で光パルスを繰り返し照射し、
前記サンプリング手段は、受光された光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の粗い間隔で、各周期におけるサンプリングタイミングを徐々に遅延させていくことによって、受光信号の時間軸伸張を行い、
前記処理手段は、時間軸伸張波形のピークが光パルスの照射時刻から時間t(ただし、t=2×基準距離/光速)経過後に相当するタイミングよりも後に現れるか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
A light emitting means for irradiating a light pulse;
A light receiving means for receiving light;
Sampling means for sampling the received light signal obtained from the light receiving means;
In an optical sensor comprising processing means for processing a sampled signal,
A reference distance is set in advance as a measurement reference.
The light emitting means repeatedly irradiates light pulses at a constant period,
The sampling means performs time axis expansion of the received light signal by gradually delaying the sampling timing in each cycle at a rough interval that does not cause sampling leakage of the received light pulse part,
The processing means determines whether or not the peak of the time-axis extended waveform appears after a time t (where t = 2 × reference distance / light speed) has elapsed from the irradiation time of the light pulse, after a corresponding timing. An optical sensor for determining whether is closer or farther than the reference distance.
時間軸伸張波形のピークが、光パルスの照射時刻から時間t経過後に相当するタイミングの近傍に現れた場合には、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間t経過後のタイミングでさらに受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、そのサンプリングされた信号も前記判定処理に利用する
請求項4記載の光センサ。
When the peak of the time axis extension waveform appears in the vicinity of the corresponding timing after the elapse of time t from the irradiation time of the light pulse,
The sampling means further samples the received light signal at a timing after the elapse of time t from the irradiation time of the light pulse,
The optical sensor according to claim 4, wherein the processing means also uses the sampled signal for the determination process.
時間軸伸張の途中でピークが観測された場合には、前記発光手段は次の測定期間まで光パルスの照射を停止する
請求項4または5記載の光センサ。
6. The optical sensor according to claim 4, wherein, when a peak is observed in the middle of the time axis extension, the light emitting means stops the irradiation of the light pulse until the next measurement period.
前記発光手段から照射された光を直接受光する第2の受光手段をさらに備え、
前記サンプリング手段は、前記第2の受光手段が光パルスを受光した時刻を前記発光手段の照射時刻とする
請求項1〜6のうちいずれか1項記載の光センサ。
A second light receiving means for directly receiving the light emitted from the light emitting means;
The optical sensor according to claim 1, wherein the sampling unit sets a time when the second light receiving unit receives a light pulse as an irradiation time of the light emitting unit.
正弦波または矩形波に変調された光を照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、時間tの2倍(ただし、t=2×基準距離/光速)よりも長い周期をもつ正弦波または矩形波を照射し、
前記受光手段は、受光信号のDC成分をカットし、
前記サンプリング手段は、正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻から時間t経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号の極性に基づき、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
A light emitting means for irradiating light modulated into a sine wave or a rectangular wave;
A light receiving means for receiving light;
Sampling means for sampling the received light signal obtained from the light receiving means;
In an optical sensor comprising processing means for processing a sampled signal,
A reference distance is set in advance as a measurement reference.
The light emitting means irradiates a sine wave or a rectangular wave having a period longer than twice the time t (where t = 2 × reference distance / light speed),
The light receiving means cuts a DC component of the light reception signal,
The sampling means samples the received light signal at a timing after elapse of time t from the time corresponding to the center of vibration of the sine wave or rectangular wave,
The processing means is an optical sensor that determines whether the distance to the object is closer or farther than the reference distance based on the polarity of the sampled signal.
前記発光手段から照射された光を直接受光し、その受光信号のDC成分をカットする第2の受光手段をさらに備え、
前記サンプリング手段は、前記第2の受光手段の出力信号がゼロクロスする時刻を前記振動中心に相当する時刻とする
請求項8記載の光センサ。
A second light receiving means for directly receiving the light emitted from the light emitting means and cutting a DC component of the received light signal;
The optical sensor according to claim 8, wherein the sampling unit sets a time corresponding to the vibration center as a time when the output signal of the second light receiving unit zero-crosses.
前記サンプリング手段は、サンプリングタイミングが微少時間ずつずれた複数のサンプリング手段からなり、
複数のサンプリング手段によって同一の受光信号をサンプリングし、それらの信号を平均する
請求項1〜9のうちいずれか1項記載の光センサ。
The sampling means comprises a plurality of sampling means whose sampling timings are shifted by a minute time,
The optical sensor according to claim 1, wherein the same received light signal is sampled by a plurality of sampling means and the signals are averaged.
前記基準距離を設定する基準距離設定手段をさらに備える
請求項1〜10のうちいずれか1項記載の光センサ。
The optical sensor according to claim 1, further comprising reference distance setting means for setting the reference distance.
請求項1〜11のうちいずれか1項記載の光センサにおいて、
測定対象範囲を2つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、
物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、
上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定する
光センサ。
The optical sensor according to any one of claims 1 to 11,
After setting the reference distance so as to divide the measurement target range into two areas, determine whether the object exists in an area closer or farther than the reference distance,
Set the area on the side where the object exists as a new measurement target range,
An optical sensor that measures the distance to an object by narrowing down the region where the object exists by repeating the above process a plurality of times.
絞り込みの進行度合いに応じて前記判定処理の精度を高くする請求項12記載の光セン
サ。
The optical sensor according to claim 12, wherein the accuracy of the determination process is increased in accordance with the progress of the narrowing down.
物体までの距離が、設定された基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な光センサが、
測定対象範囲を2つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、
物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、
上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定する
測距方法。
An optical sensor that can determine whether the distance to an object is closer or farther than the set reference distance.
After setting the reference distance so as to divide the measurement target range into two areas, determine whether the object exists in an area closer or farther than the reference distance,
Set the area on the side where the object exists as a new measurement target range,
A distance measuring method for measuring a distance to an object by repeating the above process a plurality of times to narrow down an object existing area.
絞り込みの進行度合いに応じて前記判定処理の精度を高くする請求項14記載の測距方法。
The distance measuring method according to claim 14, wherein the accuracy of the determination process is increased in accordance with the progress of the narrowing down.
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