JP5398333B2 - 光学式測距装置、およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、光学式測距装置、およびそれを用いた電子機器に関する。

現在、光学式測距装置を用いて被測定物までの距離を求める方式として、三角測量方式がある。この三角測量方式を用いた光学式測距装置は、測距対象物に光スポットを照射して、その反射光を受光して三角測距により対象物までの距離を測定するものである。

具体的に、従来の最も一般的な三角測量方式を用いた光学式測距装置９０では、図１９に示すように、測距対象物９１に光を照射する発光素子９０１と、発光素子９０１から照射した光を集光にする発光レンズ９０２と、測距対象物９１からの反射光を集光する受光レンズ９０３と、受光レンズ９０３で集光した光を結像して光スポット９０４を形成する受光素子９０５と、が設けられている。

発光素子９０１は原点Ｏ（０，０）に配置され、発光レンズ９０２はＡ点（０，ｄ）に配置され、受光レンズ９０３はＣ点（Ｌ，ｄ）に配置され、原点Ｏの基線上であるＸ軸上に受光素子９０５が配されている。

受光素子９０５には、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）や、複数のＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）が配置されたリニアセンサなどが用いられ、受光素子９０５上に照射されて結像された光スポット９０４の光重心位置を検出する。

この従来の光学式測距装置９０では、発光素子９０１から測距対象物９１に出射された光束９２１が、発光レンズ９０２により略平行光束９２２に集光される。この集光された平行光束９２２は、Ｙ軸上に沿って射出され、測距対象物９１上のＢ点（０，ｙ）にスポット照射され、測距対象物９１で拡散反射する。測距対象物９１により拡散反射した光束９２３は受光レンズ９０３により集光される。集光された光は、受光素子９０５上のＥ点（Ｌ＋ｌ，０）に結像されて受光素子９０５上に光スポット９０４が形成される。

ここで、Ｃ点（受光レンズ９０３中心）を通るＹ軸に平行な線がＸ軸上の受光素子９０５と交差する点をＦ点（Ｌ，０）とするとき、三角形ＡＢＣと三角形ＦＣＥとは相似形となる。そこで、発光レンズ９０２から測距対象物までの距離ｙを、受光素子９０５により光スポット９０４の位置を検出して辺ＦＥ（距離ｌ）の変位量を測定し、この距離ｌを用いて、距離ｙ＝距離Ｌ×距離ｄ／距離ｌにより検出することができる。なお、これが最も一般的な三角測距の原理である。

ところで、たとえば測距対象物９１において基線方向（Ｘ軸方向）に明暗の縞があるときや、測距対象物９１の端部に光スポット（Ｂ点）が照射されるときは、受光素子９０５上に形成される光スポット９０４は、図１９のようなスポット形状にはならず、歪んだ形状となる。その結果、受光素子９０５で検出される光重心位置は、図１９のＥ点とは異なる位置（はずれた位置）になる。

この問題を解決するために、従来技術に特許文献１に記載の技術が提案されている。この特許文献１に記載の技術では、受光レンズと受光素子とから構成される受光系を２つ配置してそれぞれの受光素子で検出される変位量の差を演算することにより光重心の移動による測定誤差を解消している。

具体的に、特許文献１に記載の三角測量方式を用いた光学式測距装置９３には、図２０に示すように、測距対象物９４に光を照射する発光素子９３１（ＩＲＥＤ）と、発光素子９３１から照射した光を集光にする発光レンズ９３２と、測距対象物９４（人）から反射した光を集光する２つの受光レンズ９３３，９３４と、２つの受光レンズ９３３，９３４でそれぞれ集光した光を結像して光スポット９３５，９３６を形成する２つの受光素子９３７，９３８と、が設けられている。なお、受光レンズ９３３と受光素子９３７とにより第１受光系が構成され、受光レンズ９３４と受光素子９３８とにより第２受光系が構成される。

この特許文献１に記載の光学式測距装置９３では、図２０に示すように、発光素子９３１から測距対象物９４に出射された光束９５１は、発光レンズ９３２により略平行光束９５２に集光される。この集光された平行光束９５２は、発光レンズ９３２から距離ｙだけ離れた測距対象物９４（人）にスポット照射され、測距対象物９４で反射する。測距対象物９４により反射した光束９５３，９５４は２つの受光レンズ９３３，９３４によりそれぞれ集光され、集光された光は、２つの受光レンズ９３３，９３４に対応した受光素子９３７，９３８上にそれぞれ照射され結像されて光スポット９３５，９３６が形成される。

なお、第１受光系における受光レンズ９３３中心位置から受光素子９３７上の光スポット９３５の位置までの基線方向の距離（変位量）をＸ１とし、第２受光系における受光レンズ９３４中心位置から受光素子９３８上の光スポット９３６の位置までの基線方向の距離（変位量）をＸ２とし、２つの受光レンズ９３３，９３４から２つの受光素子９３７，９３８までの距離をｄとし、２つの受光レンズ９３３，９３４間の距離をＢとすると、発光レンズ９３２から測距対象物９４までの距離ｙを、この距離Ｘ１，距離Ｘ２を用いて、距離ｙ＝距離Ｂ×距離ｄ／（距離Ｘ１−距離Ｘ２）により検出することができる。

この図２０に示す特許文献１に記載の光学式測距装置９３によれば、上記した図１９に示す従来技術と異なり、測距対象物９４に基線方向に明暗の縞があるときや、投光スポットが測距対象物９４の一部しか照射しない（いわゆるスポット欠け）ときでも、光重心検出位置は２つの受光素子９３７，９３８で同様に起こるので、移動変化（Ｘ１−Ｘ２）の演算により、光重心位置のずれ量をキャンセルすることができ、その結果、誤測距を防止することができる。

特開平８−３２０２２３号公報

ところで、図２０に示す特許文献１に記載の光学式測距装置９３では、受光レンズ９３３，９３４の中心位置を基準にして光スポット９３５，９３６位置までの距離（Ｘ１，Ｘ２）を検出して測距対象物までの距離を求めている。そのため、２つの受光レンズ９３３，９３４と、それぞれに対応した２つの受光素子９３７，９３８との位置関係が測距結果に大きく影響する。

そのため、光学式測距装置の製造時（具体的に、受光素子９３７，９３８のダイボンド時や受光レンズ９３３，９３４の実装時）において、第１受光系の受光素子９３７の基準位置と受光レンズ９３３の中心位置が誤差Δａだけ実装ズレが生じた時や、第２受光系の受光素子９３８の基準位置と受光レンズ９３４の中心位置が誤差Δｂだけ実装ズレが生じた時、発光レンズ９３２から測距対象物９４までの距離ｙの導出式は、距離ｙ＝距離Ｂ＊距離ｄ／（（距離Ｘ１＋誤差Δａ）−（距離Ｘ２＋誤差Δｂ））となる。

この発光レンズ９３２から測距対象物９４までの距離ｙの導出式から明らかなように、測距値に誤差が生じることとなり、光学式測距装置９３の量産時において個体差ばらつきが大きくなり、この対策として一品ずつ出力を検査して補正する回路等を入れる必要がある。

また、同様に、受光レンズ９３３，９３４の実装時にその組み立てばらつきにより受光レンズ９３３，９３４間の距離Ｂも、距離Ｂ＋誤差ΔＢだけズレが生じ、この時も測距値に誤差が生じる（導出式は省略）。

そこで、上記課題を解決するために、本発明は、測距値のばらつきの低減を図る光学式測距装置、及びそれを用いた電子機器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明にかかる測距対象物までの距離を求める三角測量方式を用いた光学式測距装置は、測距対象物に光を照射する発光素子と、前記発光素子から照射した光を集光にする発光光学系と、測距対象物からの反射光を集光して２つの光束にする受光光学系と、前記受光光学系で集光した２つの光束から２つの光スポットを形成する受光素子と、が設けられ、前記受光光学系と前記発光光学系は、一体的に設けられ、前記受光光学系は、１つの受光レンズを有し、前記１つの受光レンズは、球面レンズもしくは非球面レンズを、その中心より基線方向に左右対称となるように一定間隔広げ、前記受光光学系における基線長をΔＬとし、前記受光素子上における２つの光スポット間の距離を、距離Δｘとし、前記受光光学系と前記受光素子との間の距離を、距離ｄとし、前記発光レンズから測距対象物までの距離を、前記基線長ΔＬと、前記距離Δｘと、前記距離ｄとにより測定することを特徴とする。

本発明によれば、光学式測距装置の測距値のばらつきの低減を図ることが可能となり、特に、遠距離まで測距可能な光学式測距装置の測距値のばらつきの低減を図ることが可能である。

具体的に、本発明によれば、前記発光素子と前記発光光学系と前記受光光学系と前記受光素子とが設けられ、前記受光光学系と前記発光光学系が一体的に設けられ、前記発光レンズから測距対象物までの距離を、前記基線長ΔＬと前記距離Δｘと前記距離ｄとにより測定するので、前記受光素子や前記発光素子のダイボンドや、一体化された前記受光光学系や前記発光光学系の実装ばらつきがなく、前記発光レンズから測距対象物までの距離を、個体ばらつきを無くして測定することが可能となる。このように、前記発光レンズから測距対象物までの距離を、個体ばらつき無く測定できるので、個体バラツキを無くすために従来必要であった検査工程での出力値を補正するような工程や、ランク分けといった付帯工程を削減することが可能となる。

その結果、本発明によれば、光学式測距装置の測距値のばらつきの低減を図ることが可能であるとともに、当該光学式測距装置の製造工程の簡略化も同時に図ることが可能となる。また、本発明によれば、前記受光光学系は１つの受光レンズを有し、前記１つの受光レンズは、球面レンズもしくは非球面レンズを、その中心より基線方向に左右対称となるように一定間隔広げるので、前記１つの受光レンズは、その中心より基線方向に引き伸ばされた形状をしているため、前記基線長ΔＬを小さくすることが可能となり、その結果、当該光学式測距装置をさらに小型化することが可能となる。

なお、本発明と異なり、受光光学系と発光光学系が一体的に設けられていない上記した従来技術のような場合、受光光学系と発光光学系がそれぞれ独立して実装されるので、例えば受光光学系は設計位置より発光素子に対して右方向に、発光光学系は設計位置より受光素子に対して左方向にずれたとき、受光素子の受光面上に結像する反射光の光スポットの中心は設計どおりに配置された場合と比較して大きく異なり、測距値のばらつきが生じる。

前記構成において、前記発光素子と前記受光素子とは、一体的に設けられてもよい。

この場合、前記発光素子と前記受光素子とが一体的に設けられるので、前記発光素子と前記受光素子との位置精度が向上し、測距値のバラツキを抑えるのに好適である。

前記構成において、前記受光光学系と前記発光光学系と前記発光素子と前記受光素子とが、一体的に設けられてもよい。

この場合、前記受光光学系と前記発光光学系と前記発光素子と前記受光素子とが一体的に設けられるので、さらに前記受光光学系と前記発光光学系と前記発光素子と前記受光素子との位置精度が向上し、測距値のバラツキを抑えるのに好適である。

前記構成において、前記２つの光スポットが１つの前記受光素子に直接形成されてもよい。

この場合、前記２つの光スポットが１つの前記受光素子に直接形成されるので、当該光学式測距装置の小型化を図ることが可能となる。

前記構成において、前記基線方向に一定間隔広げた部分の少なくとも一部（例えば、表面）が、遮光性材料からなる遮光部で構成されてもよい。

この場合、前記基線方向に一定間隔広げた部分の少なくとも一部（例えば、表面）が前記遮光部で構成されるので、前記受光素子上に結像された２つの光スポットはより急峻なプロファイルを持つようになり、その結果、より高精度に前記受光素子上における２つの光スポットの位置を検出することが可能となる。

前記構成において、前記受光光学系は、１つの受光レンズを有し、前記１つの受光レンズは、２つの曲板部と、前記２つの曲板部に挟まれた平板部とからなり、前記１つの受光レンズは、その中心より基線方向に左右対称に成形されてもよい。

この場合、前記受光光学系は前記１つの受光レンズを有し、前記１つの受光レンズは、２つの曲板部と前記平板部とからなり、その中心より基線方向に左右対称に成形されるので、前記１つの受光レンズは、その中心より基線方向に引き伸ばされた形状をしているため、前記基線長ΔＬを小さくすることが可能となり、その結果、当該光学式測距装置をさらに小型化することが可能となる。

前記構成において、前記平板部の少なくとも一部（例えば、表面）が、遮光性材料からなる遮光部で構成されてもよい。

この場合、前記平板部の少なくとも一部（例えば、表面）が前記遮光部で構成されるので、前記受光素子上に結像された２つの光スポットは、より急峻なプロファイルを持つようになり、その結果、より高精度に前記受光素子上における２つの光スポットの位置を検出することが可能となる。

前記構成において、前記受光レンズには、開口数（ＮＡ）の大きなレンズが用いられてもよい。

この場合、前記受光レンズにはＮＡの大きなレンズが用いられるので、当該光学式測距装置の低背化を図ることが可能であるとともに、遠距離までの測距が可能となる。

前記構成において、前記受光レンズの焦点距離をｆとするとき、前記距離ｄは前記焦点距離ｆより小さくてもよい。

この場合、前記距離ｄは前記焦点距離ｆより小さいので、２つの光スポット間の前記距離Δｘが前記基線長ΔＬより大きくなり、測距精度を高くすることが可能である。

前記構成において、前記受光素子は、１つの受光部と、光スポットの位置を検出する信号処理部を有し、前記受光部は、複数の画素を有するラインセンサもしくはイメージセンサであってもよい。

この場合、前記受光素子は前記１つの受光部と前記信号処理部を有し、前記受光部は前記ラインセンサもしくは前記イメージセンサであるので、２つの光スポット間の前記距離Δｘを前記１つの受光部で検出するため、当該光学式測距装置を小型化することが可能となる。

前記構成において、前記受光素子は、２つの受光部と、光スポットの位置を検出する信号処理部を有し、前記２つの受光部は、複数の画素を有するラインセンサもしくはイメージセンサであり、前記受光素子内の両サイド位置に前記２つの受光部を配置してもよい。

この場合、前記受光素子は前記２つの受光部と前記信号処理部を有し、前記２つの受光部は前記ラインセンサもしくは前記イメージセンサであり、前記受光素子内の両サイド位置に前記２つの受光部を配置するので、前記２つの受光部のそれぞれで２つの光スポットの位置を検出し、その間の前記距離Δｘを求めることで、前記基線長ΔＬや、光スポット間の前記距離Δｘを大きく測定することが可能となり、その結果、測定の精度を向上させることができる。

前記構成において、前記信号処理部は、少なくとも前記２つの受光部の間に配置されてもよい。

この場合、前記信号処理部は前記２つの受光部の間に配置されるので、前記受光素子のチップ面積を最大限に活用することが可能となり、その結果、当該光学式測距装置の小型化を図ることが可能となる。

前記構成において、前記受光素子は、２つの光スポットの形状を比較して前記距離Δｘを求めてもよい。

この場合、前記受光素子は、２つの光スポットの形状を比較して前記距離Δｘを求めるので、測定し易い測距対象物だけでなく、縞模様の測距対象物や、測距対象物へ投光する光スポットの一部にしか測距対象物を照射しない場合でも正確に測距対象物までの距離を検出することが可能となる。

前記構成において、前記受光素子は、２つの受光部を有する位置検出素子（例えば、ＰＳＤ）からなり、前記受光素子からの出力に基づいて前記２つの光スポットの位置を検出する信号処理部を有し、前記２つの光スポットの位置は時分割により求めてもよい。

この場合、前記受光素子は、前記２つの受光部を有する前記位置検出素子からなり、前記受光素子からの出力に基づいて前記２つの光スポットの位置を検出する信号処理部を有し、前記２つの光スポットの位置は時分割により求めるので、２つの光スポット間の距離Δｘを検出するのに好適である。

上記の目的を達成するため、本発明にかかる電子機器は、上記した本発明にかかる光学式測距装置を搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、上記した本発明にかかる光学式測距装置を搭載するので、上記した本発明にかかる光学式測距装置と同様の作用効果を有し、光学式測距装置の測距値のばらつきの低減を図ることが可能となり、特に、遠距離まで測距可能な光学式測距装置の測距値のばらつきの低減を図ることが可能となる。具体的に、本発明にかかる電子機器は、デジタルカメラや携帯機器のカメラのオートフォーカス用測距装置として用いるのに好適であり、またカーナビゲーションシステムの非接触スイッチで用いることにも好適である。

本発明によれば、光学式測距装置の測距値のばらつきの低減を図ることが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態（実施例１）にかかる光学式測距装置の概略平面図である。 図２は、本発明の実施の形態（実施例１）にかかる光学式測距装置の内部を公開した概略断面図である。 図３は、本発明の実施の形態（実施例１）にかかる光学式測距装置の光学測定原理図である。 図４は、本発明の実施の形態（実施例１）にかかる光学式測距装置を搭載した携帯電話の使用例を示した図である。 図５は、本発明の実施の形態（実施例１）にかかる光学式測距装置を搭載したカーナビゲーションの使用例を示した図である。 図６は、本発明の実施の他の形態（実施例２）にかかる光学式測距装置の概略平面図である。 図７は、本発明の実施の他の形態（実施例２）にかかる光学式測距装置の内部を公開した概略断面図である。 図８は、本発明の実施の他の形態（実施例２）にかかる光学式測距装置の光学測定原理図である。 図９は、本発明の実施の他の形態（実施例３）にかかる光学式測距装置の概略平面図である。 図１０は、本発明の実施の他の形態（実施例３）にかかる光学式測距装置の内部を公開した概略断面図である。 図１１は、本発明の実施例２と実施例３とにおける光スポットの形状を示す図である。 図１２は、本発明の実施例３における光スポットの形状と距離Δｘ（Δｘ１〜Δｘ３）との関係を示す図であり、距離ｄを可変させた３つの例を示した図である。 図１３は、測距対象物に縞模様がある時の概略光学測定原理図である。 図１４は、図１３に示す測距対象物に縞模様がある時の光スポットの形状を示す図である。 図１５は、本発明の実施の形態にかかる受光素子の概略平面図である。 図１６は、本発明の実施の他の形態にかかる受光素子の概略平面図である。 図１７は、本発明の実施の他の形態にかかる受光素子の概略平面図である。 図１８は、本発明の実施の他の形態にかかる受光素子の概略平面図である。 図１９は、従来技術にかかる光学式測距装置の光学測定原理図である。 図２０は、他の従来技術にかかる光学式測距装置の光学測定原理図である。

以下、本発明の実施の形態（実施例１〜３）について図面を参照して説明する。

以下、本発明の実施例１にかかる光学式測距装置について、図１〜３を用いて説明する。

図１は本発明の実施例１（本実施例１）にかかる光学式測距装置１の概略平面図であり、図２は本実施例１にかかる光学式測距装置１の内部を公開した概略断面図であり、図３は本実施例１にかかる光学式測距装置１の光学測定原理図である。

本実施例１にかかる光学式測距装置１は、測距対象物７までの距離を求める三角測量方式を用い、電子機器（例えば図４，５に示す電子機器）に搭載されるものである。

この光学式測距装置１には、図１〜３に示すように、測距対象物７に光（光束８１）を照射する発光素子２と、発光素子２から照射した光（光束８１）を集光して平行光束８２にする発光光学系３と、測距対象物７からの反射光（反射光束８３１，８３２）を集光して２つの平行光束８４１，８４２にする受光光学系４と、受光光学系４で集光した２つの平行光束８４１，８４２から２つの光スポット６１，６２を形成する受光素子５と、が設けられている。

発光素子２は、図３に示すように原点Ｏ（０，０）に配置され、この発光素子２にはＬＥＤやＬＤが用いられている。なお、この発光素子２から発光光学系３（下記する発光レンズ３１）までの距離を距離ｄとする。

受光素子５は、限定Ｏの基線上であるＸ軸上に配されている。この受光素子５には、下記するＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）や、複数のＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）が配置されたリニアセンサなどが用いられ、受光素子５上に照射された光スポット６１，６２（Ｅ点、Ｆ点）の光重心位置を検出する。なお、この受光素子５から受光光学系４（下記する受光レンズ４１，４２）までの距離を距離ｄとし、受光素子５上における２つの光スポット６１，６２間の距離を、距離Δｘとする。

これら発光素子２と受光素子５とは、ともに基線方向（図１に示すＸ軸方向）に沿ったリードフレーム１２上に一体的に設けられ（実装され）、金線により電気的接続がなされている。また、これら発光素子２と受光素子５とは、透光性樹脂１３によりモールドされ、リードフレーム１２上における発光素子２と受光素子５の位置が確実に固定される。

発光光学系３は、１つの発光レンズ３１を有し、発光レンズ３１はＡ点（０，ｄ）に配置されている。

受光光学系４は、２つのＮＡの大きなレンズからなる受光レンズ４１，４２を有する。図３に示すように、受光レンズ４１はＣ点（Ｌ，ｄ）に配置され、受光レンズ４２はＤ点（Ｌ＋ΔＬ，ｄ）に配置され、受光レンズ４１，４２はＣ点とＤ点の中点で左右対称の形状をしており、これら受光レンズ４１，４２間の距離を、基線長ΔＬとする。また、２つの受光レンズ４１，４２は、基線方向（Ｘ軸方向）に沿って、基線長ΔＬの１／２（ΔＬ／２）を中心に左右対称に配されている。

これら発光光学系３と受光光学系４とはケース１１に備えられ、これら発光光学系３と受光光学系４はケース１１に一体的に設けられている。

なお、ケース１１では、図１，２に示すように、発光レンズ３１と受光レンズ４１，４２に対応する部分が透光性樹脂で成形され、その他の箱状体の外周部分が遮光性樹脂で成形され、ケース１１は２色成形により一体的に形成されている。また、ケース内部が一方（図２の図示下側）を開放とした中空状態となり、このケース内部に発光素子２と受光素子５を設けたリードフレーム１２が配される。その結果、発光素子２と受光素子５と発光光学系３と受光光学系４とが一体的にケース１１に設けられている。

上記した構成からなる光学式測距装置１を用いた発光レンズ３１から測距対象物７までの距離ｙを、基線長ΔＬと距離Δｘと距離ｄとを用いて、距離ｙ＝ΔＬ＊距離ｄ／（Δｘ−ΔＬ）により測定して求める。

次に、この光学式測距装置１を用いて、三角測量方式による発光レンズ３１から測距対象物７までの距離を求める。なお、ここでの説明には、光学式測距装置の測定原理を示す図３を用いる。

原点Ｏ（０，０）に配された発光素子２から測距対象物７に出射された光束８１は、Ａ点（０，ｄ）に配された発光レンズ３１により略平行光束８２に集光される。この集光された平行光束８２（出射光束）は、Ｙ軸上を進み、測距対象物７上のＢ点（０，ｙ）にスポット照射される。測距対象物７にスポット照射された平行光束８２は、測距対象物７で拡散反射される。測距対象物７で拡散反射された反射光束８３１，８３２は、それぞれＣ点（Ｌ，ｄ）に配された受光レンズ４１と、Ｄ点（Ｌ＋ΔＬ、ｄ）に配された受光レンズ４２とにより集光される。これら受光レンズ４１，４２により集光された平行光束８４１，８４２は、１つの受光素子５上にそれぞれ照射され結像されて、２つの光スポット６１，６２が１つの受光素子５上のＥ点（ｘ，０）、Ｆ点（ｘ＋Δｘ、０）に直接形成される（光スポット像参照）。ここで、三角形ＢＣＤと三角形ＢＥＦとは相似形となるので、発光レンズ３１から測距対象物７までの距離ｙを、基線長ΔＬと距離Δｘと距離ｄとを用いて、距離ｙ＝ΔＬ＊距離ｄ／（Δｘ−ΔＬ）により測定して求めることができる。

上記した発光レンズ３１から測距対象物７までの距離ｙを求める式に関して、基線長ΔＬは発光レンズ３１および受光レンズ４１，４２を一体形成したケース１１の金型精度で一定値となっている。また、距離ｄは、ケース１１に、発光素子２と受光素子５とを設けたリードフレームを設けた際に決定する光学式測距装置１の既知の値である。そのため、受光素子５上の光スポット６１，６２間の距離Δｘを測定することにより発光レンズ３１から測距対象物７までの距離ｙを測定することができる。このように、上記した発光レンズ３１から測距対象物７までの距離ｙを求める式に関して、実際に測定対象となるのは、受光素子５上の光スポット６１，６２間の距離Δｘであり、Ｅ点のｘ座標値は含まれない。このため、受光素子５が発光素子２やリードフレーム１２に対して実装される絶対位置（座標）は無関係である。

さらに、２つの光スポット６１，６２間の距離Δｘは、それぞれ個別に実装された２つの受光素子で検出されずに、１つの受光素子５上に２つの光スポット６１，６２が形成されるので、測定される受光レンズ４１，４２間の基線長ΔＬは受光素子５の測定精度によることになり、基線長ΔＬの測定にリードフレーム１２への受光素子５の実装精度は無関係である。

上記したように、本実施例１によれば、発光素子２、受光素子５のダイボンドによるリードフレーム１２上における位置ばらつきや、発光レンズ３１と受光レンズ４１，４２を設けたケース１１の組み立て時の位置ばらつきを無視することができる。これに対し、例えば上記した従来技術では三角測距の原理より発光軸からの距離で定義されているので受光素子で測定される絶対位置が測定対象の一要素となっており、実装のばらつきが測距結果に与える影響を無視することができない。

また、本実施例１では受光レンズ４１，４２で集光された光束８３１，８３２（反射光束）は直接受光素子５上に光スポット６１，６２を形成する。そのため、本実施例１では、受光レンズ４１，４２の径が大きく焦点距離が短かい開口数（ＮＡ）の大きなレンズを用いることができる。その結果、本実施例によれば、平行光束８４１，８４２を直接受光素子５上に照射させることができるので、受光レンズ４１，４２を介して集められた光（平行光束８４１，８４２）を効率的に利用することができる。その結果、本実施例１にかかる光学式測距装置１によれば、遠距離まで測距可能な小型化、特に低背化させることができる。

また、本実施例１によれば、受光レンズ４１，４２はＣ点とＤ点の中点で左右対称の形状をしているため、光スポット像は略左右対称の形状となる。一般に、測距対象物７の形状や模様などにより光スポット６１，６２が一様でない場合、ピーク位置や光重心により距離を検出する測距には誤差を含むことになるが、本実施例１によれば、両光スポット６１，６２の位置の差で光学式測距装置１から測距対象物７までの距離を計算するため、もし光スポット６１，６２に変形等があったとしても両光スポット６１，６２は同じ形状をしているので両光スポット６１，６２の形状（光スポット像）の相関性を検出することにより容易に光学式測距装置１から測距対象物７までの距離を安定して得ることができる。

上記したように、本実施例１にかかる光学式測距装置１によれば、光学式測距装置１の測距値のばらつきの低減を図ることができ、特に、遠距離まで測距可能な光学式測距装置１の測距値のばらつきの低減を図ることができる。

具体的に、本実施例１によれば、発光素子２と発光光学系３と受光光学系４と受光素子５とが設けられ、受光光学系４と発光光学系３が一体的に設けられ、光学式測距装置１（具体的には発光レンズ３１）から測距対象物７までの距離を、基線長ΔＬと、距離Δｘと、距離ｄとにより測定するので、受光素子５や発光素子２のダイボンドや、一体化された受光光学系４や発光光学系３の実装ばらつきがなく、発光レンズ３１から測距対象物７までの距離を、個体ばらつきを無くして測定することができる。このように、発光レンズ３１から測距対象物７までの距離を、個体ばらつき無く測定できるので、個体バラツキを無くすために従来必要であった検査工程での出力値を補正するような工程や、ランク分けといった付帯工程を削減することができる。

その結果、本実施例１によれば、光学式測距装置１の測距値のばらつきの低減を図ることができるとともに、光学式測距装置１の製造工程の簡略化も同時に図ることができる。

なお、本実施例１と異なり、受光光学系と発光光学系が一体的に設けられていない上記した従来技術のような場合、受光光学系と発光光学系がそれぞれ独立して実装されるので、例えば受光光学系は設計位置より発光素子に対して右方向に、発光光学系は設計位置より受光素子に対して左方向にずれたとき、受光素子の受光面上に結像する反射光の光スポットの中心は設計どおりに配置された場合と比較して大きく異なり、測距値のばらつきが生じる。

また、発光素子２と受光素子５とが一体的に設けられるので、発光素子２と受光素子５との位置精度が向上し、測距値のバラツキを抑えるのに好適である。

また、受光光学系４と発光光学系３と発光素子２と受光素子５とが一体的に設けられるので、さらに受光光学系４と発光光学系３と発光素子２と受光素子５との位置精度が向上し、測距値のバラツキを抑えるのに好適である。

また、２つの光スポット６１，６２が１つの受光素子５に直接形成されるので、光学式測距装置１の小型化を図ることが可能となる。

また、２つの受光レンズ４１，４２は、基線方向に沿ってΔＬ／２を中心に左右対称に配されるので、２つの受光レンズ４１，４２間の距離ΔＬと、受光素子５上の２つの光スポット６１，６２の間の距離Δｘを用いて測距対象物７までの距離を計算するのに好適である。

また、本実施例１にかかる光学式測距装置１は、電子機器に搭載されるので、電子機器は本実施例１にかかる光学式測距装置１と同様の作用効果を有する。具体的に、本実施例１にかかる電子機器は、図４に示すような携帯電話のカメラやデジタルカメラなどのカメラのオートフォーカス用測距装置として用いるのに好適である。また、本実施例１にかかる電子機器は、図５に示すようなカーナビゲーションシステムの非接触スイッチ（非接触コントローラ）として用い、例えば手（測距対象物７）を近づけると音量のボリューム操作を行うなどの各種操作を行うことにも好適である。

なお、本実施例１では、リードフレーム１２上に発光素子２と受光素子５を搭載しているが、これに限定されるものではなく、発光素子２と受光素子５が一体的に設けられていれば、発光素子２と受光素子５は当該光学式測距装置１の他の部材（例えばケース１１）に設けられても、同様の効果を有する。

次に、本実施例２にかかる光学式測距装置１を図面（図６〜８）を用いて説明する。なお、本実施例２にかかる光学式測距装置１は、上記した実施例１に対して、受光光学系４とケース１１の形状が異なる。そこで、本実施例２では、上記した実施例１と異なる構成について説明し、同一の構成についての説明を省略する。そのため、同一構成による作用効果及び変形例は、上記した実施例１と同様の作用効果及び変形例を有する。

なお、図６は本実施例２にかかる光学式測距装置１の概略平面図である。図７は、本実施例２にかかる光学式測距装置１の内部を公開した概略断面図である。図８は、本実施例２にかかる光学式測距装置の光学測定原理図である。

本実施例２にかかる光学式測距装置１は、上記した実施例１にかかる光学式測距装置１と比較してさらに小型化したものである。

本実施例２にかかる受光光学系４は、球面レンズもしくは非球面レンズからなる１つの受光レンズ４３で構成されている。

受光レンズ４３は、図６〜８に示すように、１枚のレンズの中心線より基線方向（Ｘ軸方向）に真っ直ぐ引き伸ばした形状をしている。

この受光レンズ４３は、曲率を有する曲板部である第１受光レンズ部４３１および第２受光レンズ部４３２と、これら第１受光レンズ部４３１および第２受光レンズ部４３２の間に挟まれた平板部４３３が配された構成となっている。なお、第１受光レンズ部４３１と第２受光レンズ部４３２と平板部４３３とは、同じ材料（透光性樹脂）で形成されている。

また、本実施例２にかかる受光光学系４のケース１１には、発光レンズ３１と受光レンズ４３との間に遮光性材料からなる壁部１４が設けられている。この壁部１４は、ケース１１の高さ方向（図６に示すＹ軸方向）に延設され、その先端が透光性樹脂１３と直接接している。この壁部１４により、発光素子２および受光素子５と、発光レンズ３１および受光レンズ４３（第１受光レンズ部４３１および第２受光レンズ部４３２）との高さ方向（図６のＹ軸方向）の位置決めを行うことができる。さらに、ケース１１に壁部１４を設けることで、発光素子２からの光がケース１１内面で反射して直接受光素子５に入射する迷光を防ぐことができる。

本実施例２によれば、上記した実施例１にかかる光学式測距装置１の作用効果を有するだけでなく、以下に示す作用効果をさらに有する。

本実施例２では、受光光学系４は１つの受光レンズ４３を有し、受光レンズ４３は、その中心より基線方向に左右対称となるように一定間隔広げるので、受光レンズ４３は、その中心より基線方向（Ｘ軸方向）に引き伸ばされた形状をしている。

また、本実施例２では、受光光学系４は１つの受光レンズ４３を有し、受光レンズ４３は、第１受光レンズ部４３１および第２受光レンズ部４３２と平板部４３３とからなり、その中心より基線方向に左右対称に成形されるので、受光レンズ４３はその中心より基線方向（Ｘ軸方向）に引き伸ばされた形状をしている。

そのため、本実施例２によれば、基線長ΔＬを小さくすることができ、その結果、光学式測距装置１をさらに小型化することができる。

具体的に、本実施例２によれば、第１受光レンズ部４３１と第２受光レンズ部４３２をレンズ形状とすることにより第１受光レンズ部４３１と第２受光レンズ部４３２を近接して配置することができ、測距装置を小型化することができる。より具体的には、図１に示す実施例１の受光レンズ４１，４２の半径をｒ、２つの受光レンズ４１，４２の端部（レンズエッジ）の間の距離をｓとすると、本実施例１では、レンズ中心間距離である基線長ΔＬは２ｒ＋ｓの距離が必要となる。これに対して、本実施例２によれば、図６〜８に示すように、第１受光レンズ部４３１と第２受光レンズ部４３２との間の距離ｓのみでよい。

なお、本実施例２では、第１受光レンズ部４３１と第２受光レンズ部４３２との間の部材を平板部４３３としているが、これに限定されるものではなく、左右対称の形状で受光素子５上での光スポット６１，６２が鏡像になるようなであれば、その形状は限定されない。

次に、本実施例３にかかる光学式測距装置１を図面（図９，１０）を用いて説明する。なお、本実施例３にかかる光学式測距装置１は、上記した実施例２に対して、受光レンズ４３の構成が異なる。そこで、本実施例３では、上記した実施例２と異なる構成について説明し、同一の構成についての説明を省略する。そのため、同一構成による作用効果及び変形例は、上記した実施例１，２と同様の作用効果及び変形例を有する。

なお、図９は本実施例３にかかる光学式測距装置１の概略平面図である。図１０は、本実施例３にかかる光学式測距装置１の内部を公開した概略断面図である。

本実施例３にかかる受光光学系４は、球面レンズもしくは非球面レンズからなる１つの受光レンズ４３で構成されている。この受光レンズ４３は、図９，１０に示すように、１枚のレンズの中心線より基線方向（Ｘ軸方向）に真っ直ぐ引き伸ばした形状をしている。そして、受光レンズ４３は、曲率を有する曲板部である第１受光レンズ部４３１および第２受光レンズ部４３２と、これら第１受光レンズ部４３１および第２受光レンズ部４３２の間に挟まれた平板部４４が配された構成となっている。

第１受光レンズ部４３１と第２受光レンズ部４３２とは透光性樹脂で形成され、平板部４４は、遮光性樹脂で形成された遮光部で構成されている。

本実施例３によれば、上記した実施例１，２にかかる光学式測距装置１の作用効果を有するだけでなく、以下に示す作用効果をさらに有する。

本実施例２では、基線方向に一定間隔広げた部分である平板部４４が遮光部で構成されるので、受光素子５上に結像された２つの光スポット６１，６２は、図１１に示すように、より急峻なプロファイルを持つようになり、その結果、より高精度に受光素子５上における２つの光スポット６１，６２の位置を検出することができる。

具体的に、図１１に示すように、第１受光レンズ部４３１と第２受光レンズ部４３２間の平板部４４が遮光性樹脂で覆われている場合、平板部４４に入射する光は受光素子５上に入射しない。そのため、第１受光レンズ部４３１により形成される光スポット６１と第２受光レンズ部４３２により形成される光スポット６２の間への光の入射を低減させることができる。これに対し、上記した実施例２にかかる平板部４４が透光性樹脂で形成されている場合、平板部４４に入射した光はそのまま直進して光スポット６１，６２間にオフセット成分Ｐｃとして検出される。本実施例３によれば、実施例２にかかる平板部４４によって生じるようなＰｃ成分を遮光性樹脂による平板部４４で除去できるため、光スポット６１，６２の形状がより明瞭にすることができ、その結果、光スポット６１，６２の位置をより高精度に検出することができる。

なお、本実施例３では、基線方向に一定間隔広げた部分である平板部４４全体を遮光性樹脂で形成しているが、これは好適な例であり、これに限定されるものではなく、基線方向に一定間隔広げた部分である平板部４４の表面など位置が、遮光性材料からなる遮光部で構成されていればよい。具体的に、平板部４４の上部のみに遮光性樹脂が形成されてもよい。

また、本実施例３にかかる光学式測距装置１では、受光レンズ４３の焦点距離をｆとするとき、距離ｄは焦点距離ｆより小さい方が好ましい。

図１２に、受光レンズ４３の距離ｄと焦点距離ｆと距離Δｘの関係を可変させたものを示す。

図１２では、左から順に、距離ｄ＜焦点距離ｆの関係の光スポット像（光スポット６１，６２間の距離Δｘ１）、距離ｄ＝焦点距離ｆの関係の光スポット像（光スポット６１，６２間の距離Δｘ２）、距離ｄ＞焦点距離ｆの関係の光スポット像（光スポット６１，６２間の距離Δｘ３）を示している。

図１２に示すように、焦点距離ｆより離れた位置に受光素子５があると、受光レンズ４３で集光された光束が基線長ΔＬより内側に入射するようになり、各光スポット６１，６２間の距離Δｘは、Δｘ１＞Δｘ２＞Δｘ３となる。光スポット６１，６２間の距離Δｘが大きいほど検出精度が高くなるので、距離ｄ＜焦点距離ｆの関係が好ましい。ただし、距離ｄが近すぎるとスポット光６１，６２の形状がブロード（所謂ピンボケ）になって検出精度は低下するため、焦点距離ｆに近く若干小さくなるように距離ｄを設定することが好ましい。

上記したように、受光レンズ４３の焦点距離をｆとするとき、距離ｄを焦点距離ｆより小さくすることで、２つの光スポット６１，６２間の距離Δｘが基線長ΔＬより大きくなり、測距精度を高くすることができる。

以上のような各実施例１〜３において、光スポット６１，６２間の距離Δｘを求めるには、イメージセンサを用いて両光スポット６１，６２の形状を測定し、その形状の相関性よりその間の距離を求めることにより誤測距を防止することができる。

例えば、図１３に示すように例えば基線方向に明暗縞のある測距対象物７のとき、光スポット６１，６２の形状（光スポット像）は、図１４に示すように凹凸のある形状となる。このような光スポット像の場合、光重心やピーク位置を求めると反射率の高い領域からの像に偏るため、特に近距離に位置するときの誤差が大きくなってしまう。

そこで、上記した各実施例１〜３にかかる光学式測距装置１において、受光素子５は、２つの光スポット６１，６２の形状を比較して距離Δｘを求めてもよい。この場合、測定し易い測距対象物７だけでなく、図１３に示すような縞模様の測距対象物７や、測距対象物７へ投光する光スポット６１，６２の一部にしか測距対象物７を照射しない場合でも正確に測距対象物７までの距離を検出することができ、上記したような誤差は生じない。

次に、上記した各実施例１〜３において用いる受光素子５について、以下に図面を用いて詳説する。

各実施例１〜３において用いる受光素子５は、図１５に示すように、１チップ内に複数の画素を有するラインセンサもしくはイメージセンサである１つの受光部５１と、光スポット６１，６２の位置を検出する信号処理部５２とにより形成されている。

上記したように、ケース１１内において受光素子５と受光光学系４とは接近して配置され（例えば図２参照）、１チップ内の１つの受光部５１に２つの光スポット６１，６２（光スポット像）が形成される。このように、受光素子５は１つの受光部５１と信号処理部５２を有し、受光部５１はラインセンサもしくはイメージセンサであり、２つの光スポット６１，６２間の距離Δｘを１つの受光部５１で検出するため、受光素子５のサイズを小さく（小型化）することができ、その結果、光学式測距装置１を低コストで製造することができる。

なお、受光素子５は、図１５に示す形態に限定されるものではなく、下記する図１６に示す受光部を1チップ内で２つに分離する形態であってもよい。

図１６に示す受光素子５は、複数の画素を有するラインセンサもしくはイメージセンサである２つの受光部５３，５４と、光スポット６１，６２の位置を検出する信号処理部５５を有する。この受光素子５では、両サイド位置（平面視長手方向両端部）に、２つの受光部５３，５４が配置され、信号処理部５５が、平面視Ｔ字状に形成され、２つの受光部５３，５４の間にその一部が配置されている。

各受光部５３，５４は、光スポット６１，６２がおさまるサイズであり、近距離から遠距離まで測距対象物７が移動するときの光スポット６１，６２の移動範囲を覆う大きさを有している。

この図１６に示す受光素子５は、２つの受光部５３，５４と信号処理部５５を有し、２つの受光部５３，５４はラインセンサもしくはイメージセンサであり、受光素子５内の両サイド位置に２つの受光部５３，５４をそれぞれ配置する。そのため、２つの受光部５３，５４のそれぞれで２つの光スポット６１，６２の位置を検出し、その間の距離Δｘを求めので、基線長ΔＬや、光スポット６１，６２間の距離Δｘを大きく測定することができ、その結果、測定の精度を向上させることができる。

また、図１６に示す受光素子５では、両受光部５３，５４の間のスペースは近距離から遠距離までの測距対象物の移動に対する光スポットの走査範囲外であるため、図１６に示す受光素子５のように信号処理回路である信号処理部５５を２つの受光部５３，５４の間に配置すると、受光素子５のチップ面積を最大限に活用することができ、その結果、光学式測距装置１の小型化を図ることができる。

また、図１６に示す受光素子５によれば、２つの受光部５３，５４に分離されているが、1チップ内に形成されているため両受光部５３，５４の位置関係は半導体製造プロセスのアライメント精度で決まっており、その位置ばらつきは非常に小さく測距結果に影響はない。

また、上記した図１５，１６に示す形態と異なり、受光素子として、図１７に示すようにチップの中心に位置する一つのアノードと両サイドに位置する２つのカソードを有する位置検出素子（ＰＳＤ）を用いることもできる。

図１７に示す受光素子５は、２つの受光部（第１受光部５６，第２受光部５７）を有するＰＳＤからなり、受光素子５からの出力に基づいて２つの光スポット６１，６２の位置を検出する信号処理部を有し、２つの光スポット６１，６２の位置を時分割により求める。

具体的に、２つの光スポット６１，６２は、チップ中心のアノードの両サイドに照射されるようにする。第１時間帯において信号処理部が第１受光部５６に切り替えられ、第１受光部５６に照射された光スポット６１に基づいて第１カソード５８１から電流Ｉ１が出力され、共通アノード５８２から電流Ｉ２が出力される。これら電流Ｉ１と電流Ｉ２により信号処理部で第１受光部５６での光スポット６１の位置が演算されて検出される。続いて第２時間帯において信号処理部が第２受光部５７に切り替えられ、第１受光部５６時と同様に、第２受光部５７に照射された光スポット６２に基づいて第２カソード５８３から電流Ｉ３が出力され、共通アノード５８２から電流Ｉ４が出力される。これら電流Ｉ３と電流Ｉ４により信号処理部で第２受光部５７での光スポット６２の位置が演算されて検出される。このようにして検出された２つの光スポット６１，６２の位置の差から、光学式測距装置１（発光レンズ３１）から測距対象物７までの距離を検出することができる。

なお、上記した図１７に示す受光素子５の形態では、ＰＳＤの表面電極がカソードで裏面が共通アノードである場合を説明した。しかしながら、極性が逆であってももちろん構わない。

さらに、上記した図１７に示す受光素子５の形態では、両受光部（第１受光部５６，第２受光部５７）間のアノードを共通としたため（共通アノード５８２）、時分割により第１受光部５６と第２受光部５７の出力電流を区別したが、図１８に示すように共通アノード５８２ではなく２つのアノード５８４，５８５に分割して同時にそれぞれの光スポット６１，６２に対する電流を出力するようにしてもよい。この場合は同時に出力できる代わりに信号処理部も２つ必要となるが、高速信号処理を行うことができ、応答速度が要求される場合に好適な実施形態となる。この図１８に示す受光素子５の形態によれば、イメージセンサなどの複数の画素を有する受光素子を使用しなくて済むので安価に受光素子５を提供することができる。

上記したように、図１７，１８に示す受光素子５によれば、２つの受光部（第１受光部５６，第２受光部５７）を有するＰＳＤからなり、受光素子５からの出力に基づいて２つの光スポット６１，６２の位置を検出する信号処理部を有し、２つの光スポット６１，６２の位置は時分割により求めるので、２つの光スポット６１，６２間の距離Δｘを検出するのに好適である。

なお、本発明は、その精神や主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明の光学式測距装置は、例えばカメラのオートフォーカスやカーナビゲーションシステムの非接触スイッチ等に搭載して好適な電子機器に適用できる。

１ 光学式測距装置
２ 発光素子
３ 発光光学系
３１ 発光レンズ
４ 受光光学系
４１，４２ 受光レンズ
４３ 受光レンズ
４３１ 第１受光レンズ部
４３２ 第２受光レンズ部
４３３ 平板部
４４ 平板部
５ 受光素子
５１ 受光部
５２ 信号処理部
５３，５４ 受光部
５５ 信号処理部
５６ 第１受光部
５７ 第２受光部
６１，６２ 光スポット
７ 測距対象物
８１ 光束
８２ 平行光束
８３１，８３２ 反射光束
８４１，８４２ 平行光束

Claims (5)

1. 測距対象物までの距離を求める三角測量方式を用いた光学式測距装置において、
   測距対象物に光を照射する発光素子と、
   前記発光素子から照射した光を集光にする発光光学系と、
   測距対象物からの反射光を集光して２つの光束にする受光光学系と、
   前記受光光学系で集光した２つの光束を結像して２つの光スポットを形成する受光素子と、が設けられ、
   前記受光光学系と前記発光光学系は、一体的に設けられ、
   前記受光光学系は、１つの受光レンズを有し、
   前記１つの受光レンズは、球面レンズもしくは非球面レンズを、その中心より基線方向に左右対称となるように一定間隔広げ、
   前記受光光学系における基線長をΔＬとし、
   前記受光素子上における２つの光スポット間の距離を、距離Δｘとし、
   前記受光光学系と前記受光素子との間の距離を、距離ｄとし、
   前記発光レンズから測距対象物までの距離を、前記基線長ΔＬと、前記距離Δｘと、前記距離ｄとにより測定することを特徴とする光学式測距装置。
2. 請求項１に記載の光学式測距装置において、
   前記基線方向に一定間隔広げた部分の少なくとも一部が、遮光性材料からなる遮光部で構成されたことを特徴とする光学式測距装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学式測距装置において、
   前記受光光学系は、１つの受光レンズを有し、
   前記１つの受光レンズは、２つの曲板部と、前記２つの曲板部に挟まれた平板部とからなり、
   前記１つの受光レンズは、その中心より基線方向に左右対称に成形されたことを特徴とする光学式測距装置。
4. 請求項３に記載の光学式測距装置において、
   前記平板部の少なくとも一部が、遮光性材料からなる遮光部で構成されたことを特徴とする光学式測距装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の光学式測距装置を搭載したことを特徴とする電子機器。