JP5703033B2

JP5703033B2 - 測距装置

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Publication number: JP5703033B2
Application number: JP2011004027A
Authority: JP
Inventors: 和田　秀夫; 秀夫和田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-01-12
Also published as: JP2012145445A

Description

この発明は、例えば、測距対象物までの距離を三角測量等の原理により測定する測距装置に関する。

従来より、三角測量を用いた測距装置は、人体検知や非接触スイッチなどに幅広く用いられている。図７に示すように、発光素子１０１より出射した光は、発光レンズ１０２により集光され、ｙ軸に沿って測距対象物へと放射される。ここで、発光レンズ１０２は、原点Ｏ（０，０）に配置され、受光レンズ１０３は、ｘ軸上の点Ｄ（ｌ，０）に配置され、受光素子１０４は、ｙ＝−ｆにｘ軸に平行に配置されている。

ｙ＝ｙ１に配置された第１の測距対象物２０１の点Ａ（０，ｙ１）で反射した光は、受光レンズ１０３で集光され、受光素子１０４上の点Ｇ（ｌ+ｘ，−ｆ）に照射される。△ＡＯＤと△ＤＥＧは相似の関係にあるので、次式より測距対象物までの距離ｙを求めることができる。

一方、ｙ＝ｙ２で発光光束Ｌの全体が点Ｃで反射される場合は、点Ｆに集光される。ところが、ｙ＝ｙ２に第２の測距対象物２０２がある場合も、発光光束Ｌは、その一部が点Ｂで第２の測距対象物２０２により反射（いわゆるスポット欠け）されて、点Ｇに集光される。

したがって、ｙ＝ｙ２に第２の測距対象物２０２があるにもかかわらず、ｙ＝ｙ１に第２の測距対象物２０２があると誤検知してしまう問題があった。このスポット欠けの問題は、上述のようなスポットの一部のみが反射される場合に加えて、発光光束Ｌの全体が反射される場合でも、白黒（反射率）のコントラストが高い測距対象物に対して、生じていた。

このような問題に対して、特開平８−２１９７７１号公報（特許文献１）に示す測距装置では、一つの発光素子の両隣にそれぞれ個別の基線長を有する二つの受光素子を備えていた。そして、両受光素子で測定される測距情報を用いて演算処理を行うことにより、スポット欠けを含む測距対象物のコントラストに依存しない測距を行っていた。

また、特開平８−１６６２３４号公報（特許文献２）に示す測距装置では、中心に切り込みのある発光素子を用いて、その切り込みの左右の何れか一方、もしくは、その切り込みの左右の両方に通電することにより、３種類の発光パターンを測距対象物に照射していた。そして、スポット欠けのある場合では、左右どちらかの発光パターンの欠け量を検出して、光位置信号の補正を行っていた。

しかしながら、上記特許文献１に示す測距装置では、受光素子が２つ必要であり、上記特許文献２に示す測距装置では、３つの発光パターンを形成する特別な発光素子が必要であり、構造が複雑になる問題があった。

また、両方の上記文献１，２とも、２つ以上の光位置信号を検出する必要があった。この結果、複数の信号処理回路が必要となり、もしくは、時系列でそれぞれの光位置を求める必要があるので、回路規模が大きくなり、または、測距に要する時間が多大となる問題があった。

特開平８−２１９７７１号公報特開平８−１６６２３４号公報

そこで、この発明の課題は、簡素な構造で複雑な付加演算を必要とせず、高速応答可能で、かつ、スポット欠けによる誤測距を回避できる測距装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の測距装置は、
光を出射する発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して測距対象物に照射する発光レンズと、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光レンズと、
上記受光レンズによって集光された反射光の光スポットを受ける受光素子と、
上記受光素子から出力された上記光スポットを表す受光信号から、上記光スポットの光強度分布のプロファイルを算出する光スポットプロファイル算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出する距離算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、この数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するエラー検出部と
を備え、
上記エラー検出部は、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットに対応するスポット径を演算するスポット径演算部と、
上記スポット径演算部から出力された上記スポット径と予め定められた閾値とを比較して、上記スポット径が上記閾値に対して予め定められた条件に従うか否かを判断する比較判断部と、
上記比較判断部によって上記スポット径が上記閾値に対して予め定められた条件に従わないと判断されると、エラー信号を出力するエラー信号出力部と
を備え、
上記スポット径演算部は、

（ここで、αは、１以下の任意の数値であり、Ｉmaxは、プロファイルの最大信号強度であり、Ｉaveは、受光素子全領域におけるプロファイルの平均信号強度である。）
によってプロファイルの信号強度Ｉthを求め、この信号強度Ｉthのレベルでのスポット径を演算することを特徴としている。

この発明の測距装置によれば、上記距離算出部は、上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出し、上記エラー検出部は、上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較するので、光スポットプロファイル算出部から出力されたプロファイルに基づいて、受光素子から測距対象物までの距離を求めることができ、かつ、反射光のスポット欠け状態を判定することができる。そして、エラー検出部は、光スポットの形状の数値化された数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するので、反射光のスポット欠けによる誤測距を回避できる。

したがって、簡素な構造で複雑な付加演算を必要とせず、高速応答可能で、かつ、スポット欠けによる誤測距を回避できる。

また、上記エラー検出部は、スポット径演算部と比較判断部とエラー信号出力部とを備えるので、光スポットの形状の数値化を、光スポットのスポット径とできる。

また、上記反射光のスポット欠けがあった場合にはスポット形状が歪んでスポット径が変化するため、上記スポット径演算部がスポット径を検出することにより、スポット欠けによる誤測距を効果的に回避できる。

また、一実施形態の測距装置では、
上記閾値は、

（ここで、βは、１以下の任意の数値であり、φmaxは、測距対象物に全発光光束が照射される時の光スポットのスポット径の最大値であり、φminは、測距対象物に全発光光束が照射される時の光スポットのスポット径の最小値である。）
によって求められる第１の閾値φth1を含む。

この実施形態の測距装置によれば、上記閾値は、上記第１の閾値φth1を含み、例えば、検出された反射光のスポット径φが第１の閾値φth1より小さい場合に、エラー信号を出力することにより、スポット欠けによる誤測距を効果的に回避できる。

また、一実施形態の測距装置では、
上記最大値φmaxおよび上記最小値φminを記憶する書き込み可能なメモリ部を備え、
上記スポット径演算部は、上記メモリ部に記憶された上記最大値φmaxおよび上記最小値φminに基づいて、上記信号強度Ｉthを求める。

この実施形態の測距装置によれば、上記メモリ部を有するので、測距装置毎に最大値φmaxおよび最小値φminをメモリ部に記憶させることができる。そして、上記スポット径演算部は、メモリ部に記憶された最大値φmaxおよび最小値φminに基づいて、信号強度Ｉthを求めるので、測距装置毎に信号強度Ｉthを求めることができる。このため、測距装置間のばらつきによるスポット形状のばらつきを除外することができる。

また、一実施形態の測距装置では、
上記発光素子から出射した光束全体が上記測距対象物に反射するときのスポット径をφ0とするとき、
上記閾値は、上記第１の閾値φth1および第２の閾値φth2を含み、
上記第２の閾値φth2は、φ0＜φth2を満足し、
上記比較判断部は、上記スポット径演算部により演算された上記光スポットのスポット径φが、φ＜φth1、または、φ＞φth2を満足するとき、上記スポット径は上記閾値に対して予め定められた条件に従わないと判断する。

この実施形態の測距装置によれば、上記比較判断部は、スポット径演算部により検出されたスポット径φが、φ＜φth1、または、φ＞φth2を満足するとき、スポット径は閾値に対して予め定められた条件に従わないと判断するので、スポット欠けによる誤測距の回避を一層効果的に行うことができる。

また、一実施形態の測距装置では、上記最大信号強度Ｉmaxから上記平均信号強度Ｉaveを引いた値が、予め定められた信号強度用閾値より小さいと判断したとき、上記エラー信号出力部にエラー信号を出力させる信号強度判断部を備える。

この実施形態の測距装置によれば、受光光量が不十分で信号強度の値が所定の値より小さい場合、回路ノイズに埋もれてスポット形状が大きく歪む場合があり、スポット径が大きく変化することがある。このような場合でも、上記信号強度判断部は、（Ｉmax−Ｉave）値が予め定められた信号強度用閾値より小さいとき、エラー信号出力部にエラー信号を出力させるので、誤測距の回避を効果的に行うことができる。

また、一実施形態の測距装置では、
上記発光素子から出射した光束全体が上記測距対象物に反射するときのスポット径をφ0とするとき、
上記閾値は、γ×φ0（ただし、０＜γ＜１）によって求められる。

この実施形態の測距装置によれば、上記閾値は、γ×φ0によって求められるので、メモリ部に、スポット径の最大値φmaxや最小値φminを記憶させる必要がなく、全光束が測距対象物に照射されるときのスポット径φ0のみを記憶すればよいので、より簡単な構成でスポット欠けによる誤測距を回避することができる。

また、この発明の測距装置は、
光を出射する発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して測距対象物に照射する発光レンズと、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光レンズと、
上記受光レンズによって集光された反射光の光スポットを受ける受光素子と、
上記受光素子から出力された上記光スポットを表す受光信号から、上記光スポットの光強度分布のプロファイルを算出する光スポットプロファイル算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出する距離算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、この数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するエラー検出部と
を備え、
上記エラー検出部は、上記光スポットプロファイル算出部の微分プロファイルの正のピーク値をＰmaxとし、負のピーク値をＰminとするとき、ＰmaxとＰminとの比、または、ＰmaxとＰminの差とＰmaxとＰminの和との比を、上記光スポットの形状の数値化された数値とする。

この発明の測距装置によれば、上記距離算出部は、上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出し、上記エラー検出部は、上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較するので、光スポットプロファイル算出部から出力されたプロファイルに基づいて、受光素子から測距対象物までの距離を求めることができ、かつ、反射光のスポット欠け状態を判定することができる。そして、エラー検出部は、光スポットの形状の数値化された数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するので、反射光のスポット欠けによる誤測距を回避できる。
したがって、簡素な構造で複雑な付加演算を必要とせず、高速応答可能で、かつ、スポット欠けによる誤測距を回避できる。
また、上記エラー検出部は、光スポットプロファイルの微分プロファイルのピーク値を用いて、スポット形状の数値化を行うので、詳細にスポット欠け状態を検出することができる。

また、この発明の測距装置は、
光を出射する発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して測距対象物に照射する発光レンズと、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光レンズと、
上記受光レンズによって集光された反射光の光スポットを受ける受光素子と、
上記受光素子から出力された上記光スポットを表す受光信号から、上記光スポットの光強度分布のプロファイルを算出する光スポットプロファイル算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出する距離算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、この数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するエラー検出部と
を備え、
上記受光素子は、イメージセンサであり、
上記距離算出部は、上記イメージセンサの各行について、上記光スポットの形状の数値化された数値と上記予め定められた閾値とを比較して、上記予め定められた条件に従わない上記数値を含むエラー判定の行を求め、このエラー判定の行を除く全ての行の受光信号を加算して、上記光スポットの位置を求める。

この発明の測距装置によれば、上記距離算出部は、上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出し、上記エラー検出部は、上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較するので、光スポットプロファイル算出部から出力されたプロファイルに基づいて、受光素子から測距対象物までの距離を求めることができ、かつ、反射光のスポット欠け状態を判定することができる。そして、エラー検出部は、光スポットの形状の数値化された数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するので、反射光のスポット欠けによる誤測距を回避できる。
したがって、簡素な構造で複雑な付加演算を必要とせず、高速応答可能で、かつ、スポット欠けによる誤測距を回避できる。
また、上記距離算出部は、上記イメージセンサの各行について、上記光スポットの形状の数値化された数値と上記予め定められた閾値とを比較して、上記予め定められた条件に従わない上記数値を含むエラー判定の行を求め、このエラー判定の行を除く全ての行の受光信号を加算して、上記光スポットの位置を求めるので、スポット欠けと判定される行を除いた状態で、光スポットの位置を求める。このため、測距対象物までの距離を精度よく測定できる。

この発明の測距装置によれば、上記距離算出部は、上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出し、上記エラー検出部は、上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、この数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するので、簡素な構造で複雑な付加演算を必要とせず、高速応答可能で、かつ、スポット欠けによる誤測距を回避できる。

本発明の測距装置の一実施形態を示す簡略構成図である。スポット欠け有無の状態での光スポットの光強度分布のプロファイルを示すグラフである。光スポットの位置より演算された距離値と測距対象物のｘ方向の位置との関係を示すグラフである。スポット径によりエラー判定された場合の距離値の出力と測距対象物のｘ方向の位置との関係を示すグラフである。スポット径と測距対象物のｘ方向の位置との関係を示すグラフである。スポット欠け有無の状態での他のプロファイルを示すグラフである。スポット径と測距対象物のｘ方向の位置との関係を示すグラフである。信号強度（Ｉmax−Ｉave）と測距対象物のｘ方向の位置との関係を示すグラフである。発光光束の光スポットが一部を欠いた測距対象物に照射された状態を示す説明図である。一部を欠いた測距対象物からの反射光のスポットがイメージセンサに照射された状態を示す説明図である。従来の測距装置を示す簡略構成図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、この発明の測距装置の一実施形態である簡略構成図を示している。図１に示すように、この測距装置は、発光素子１と、発光レンズ２と、受光レンズ３と、受光素子４と、信号処理回路１０とを有する。

上記発光素子１は、光を出射し、上記発光レンズ２は、発光素子１から出射された光を集光して、略平行光の発光光束Ｌを測距対象物５に照射する。上記受光レンズ３は、測距対象物５からの反射光を集光する。

上記受光素子４は、受光レンズ３によって集光された反射光の光スポットを受ける。受光素子４としては、例えば、ラインセンサもしくはイメージセンサを用いる。

上記信号処理回路１０は、光スポットプロファイル算出部１１と、距離算出部２０と、エラー検出部２１とを有する。

上記光スポットプロファイル算出部１１は、受光素子４から出力された光スポットを表す受光信号から、光スポットの光強度分布のプロファイルを算出する。

上記距離算出部２０は、光スポットプロファイル算出部１１から出力されたプロファイルに基づいて、受光素子４上の光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、受光素子４から測距対象物５までの距離を算出する。

上記エラー検出部２１は、光スポットプロファイル算出部１１から出力されたプロファイルに基づいて、光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、この数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力する。

また、エラー検出部２１は、この数値が予め定められた条件に従わないと、強制的に、受光素子４から測距対象物５までの距離の演算を停止する。つまり、エラー検出部２１は、光スポットの形状の数値が予め定められた条件に従わないと、測距状態を強制的に非検知状態とする。

上記距離算出部２０は、スポット位置演算部１２と、距離値演算部１３と、距離値出力部１４とを有する。

上記スポット位置演算部１２は、光スポットプロファイル算出部１１から出力されたプロファイルに基づいて、受光素子４上における光スポットの位置を演算する。上記距離値演算部１３は、スポット位置演算部１２によって求められたスポット位置から、受光素子４から測距対象物５までの距離を演算する。距離値演算部１３の演算には、例えば図７にて説明した三角測量等の原理を用いる。上記距離値出力部１４は、距離値演算部１３によって求められた距離を出力する。

上記エラー検出部２１は、スポット径演算部１５と、スポット径・閾値の比較判断部１６と、エラー信号出力部１７とを有する。

上記スポット径演算部１５は、光スポットプロファイル算出部１１から出力されたプロファイルに基づいて、光スポットに対応するスポット径を演算する。比較判断部１６は、スポット径演算部１５から出力されたスポット径と予め定められた閾値とを比較して、スポット径が閾値に対して予め定められた条件に従うか否かを判断する。エラー信号出力部１７は、比較判断部１６によってスポット径が閾値に対して予め定められた条件に従わないと判断されると、エラー信号を出力する。

具体的に述べると、上記比較判断部１６は、スポット径が閾値よりも大きいと判断したとき、スポット位置演算部１２に演算許可の信号を送り、スポット位置演算部１２にスポット位置の演算を行わせて、距離を演算させる。一方、比較判断部１６は、スポット径が閾値よりも小さいと判断したとき、スポット位置演算部１２に演算許可の信号を送らず、エラー信号出力部１７にエラー信号を送信すると共に、強制的に距離の演算を停止する。

次に、上記構成の測距装置の作用を詳細に説明する。以降の説明を簡単にするために、上記受光素子４として、１次元に画素が配列されたラインセンサを用いて説明する。このラインセンサの画素配列方向は、図１の発光素子１と受光素子４とを結ぶ方向（ｘ軸）に平行である。

上記光スポットプロファイル算出部１１から出力されたプロファイルは、上記スポット径演算部１５によって、以下の式のレベルでのスポット径が計算される。つまり、スポット径演算部１５は、

（ここで、αは、１以下の任意の数値であり、Ｉmaxは、プロファイルの最大信号強度であり、Ｉaveは、受光素子全領域におけるプロファイルの平均信号強度である。）
によってプロファイルの信号強度Ｉthを求め、この信号強度Ｉthのレベルでのスポット径を演算する。

ここで、ＩmaxとＩaveについて簡単に説明する。図２は、ラインセンサ（受光素子４）で検出されたスポットプロファイルの一例を示す図である。図中、２つのスポットプロファイルが示されているが、Ｉthの説明には、位置Ａで示されるプロファイルを用いる。

図２の位置Ｂのプロファイルは、図１に示すように発光光軸を中心として受光素子４から見て外側の略半分が照射された測距対象物５の状態から得られるスポットプロファイルを示しており、図２の位置Ａのプロファイルは、全発光光束が測距対象物５に照射された状態から得られるスポットプロファイルを示している。

図２では、簡単のため信号強度が規格化されているが、説明上変わりはない。図中、Ｉmaxは、ラインセンサの各画素の信号強度の中でもっとも大きいレベルを示す値であり、Ｉaveは、全画素の信号強度の平均値であり、ラインセンサの画素がＮ個とすると以下の式で表される。

上記測距対象物５までの距離や測距対象物５の反射率は様々であるので、受光信号の受光量は様々である。また、測定環境も様々であるため、受光信号のオフセットレベルも様々である。上式により、それぞれ信号強度(Ｉmax)とオフセット（Ｉave）を検出して、プロファイルに対して一定レベル値でのスポット径を求めることができる。

このようにして求められたスポット径φは、予め設定された閾値φth1と比較される。そして、検出されたスポット径φが閾値φth1より大きいときは、光スポットプロファイルからスポット位置を演算し、測距対象物５までの距離値を求めて出力する。一方、スポット径φが閾値φth1より小さいときは、スポットが不完全と判定し、エラー信号を出力する。

図２から分かるように、位置Ａのスポット位置は、位置Ｂのスポット位置に比べて、発光素子１から離れる側にシフトしている。また、位置Ｂのスポット径は、位置Ａのスポット径より小さいことが確認できる。

次に、スポット径とスポット位置の測距対象物の位置依存を説明する。図３Ａは、スポット位置より演算された距離値の測距対象物の位置依存を説明し、図３Ｂは、スポット径によりエラー判定された場合の距離値の測距対象物の位置依存を説明し、図３Ｃは、スポット径の測距対象物の位置依存を説明している。

図３Ａに示すように、測距対象物５がｘ軸（図１のｘ軸）の正の方向に移動するに従い、発光光束Ｌの照射される割合が増すため、演算により求められる距離値は、測距対象物５が置かれた距離ｄに近づき、距離ｄで飽和する。

このときのスポット径は、図３Ｃに示すように、測距対象物５がｘ軸の正の方向に移動するに従い大きくなって、全光束Ｌが測距対象物５に照射されると飽和する。このときのスポット径を最大値φmaxとする。一方、測距対象物５をｘ軸の負の方向に移動させると、スポット径は、ある位置で最小値となってから増大する。この現象の詳細については後述する。このスポット径の最小値をφminとする。

この最大値φmaxと最小値φminを用いて、閾値を以下のように設定する。つまり、閾値は、

そして、上記信号処理回路１０は、この信号処理回路１０により検出された反射光のスポット径φが、第１の閾値φth1よりも小さいとき、図３Ｂに示すようにエラー信号を出力する。

上記信号処理回路１０に、上記最大値φmaxおよび上記最小値φminを記憶する書き込み可能な（仮想線にて示す）メモリ部１８を設けてもよく、信号処理回路１０のスポット径演算部１５は、このメモリ部１８に記憶された最大値φmaxおよび最小値φminに基づいて、上記信号強度Ｉthを求める。このように、メモリ部１８に、個々の測距装置に対して個別のφmaxとφminを書き込むことができる。ここで、スポット径の値は、発光素子１、受光素子４、発光レンズ２、受光レンズ３の位置関係により決まるが、製造上ばらつきをなくすことは不可能であり、スポット径の値も製品個々によって異なる。φmaxとφminを個々の製品に対して記憶して、上式でスポット欠けの有無を判定することで、誤測距のエラー信号を精度よく出力することができる。

次に、上述の、測距対象物５をｘ軸の負の方向に移動させたときにスポット径が最小値となってから増大するという現象について、説明する。

図４は、測距対象物５が発光光束Ｌのごく一部のみを反射するとき（位置Ｃ）と、全光束Ｌが反射されるとき（位置Ａ）のスポットプロファイルの一例を示す。図４に示すように、位置Ｃではスポットプロファイルが大きく歪み、スポット径が位置Ａに対して大きくなっている。

図５Ａは、図３Ｃを−ｘ軸方向に延長した図であり、スポット径が急激に大きくなっている。図５Ａに示すように、位置Ａよりｘ軸の正の位置での全発光光束Ｌが反射されるときのスポット径をφ0（=φmax）とするとき、φ0より若干大きいレベルのφth2に閾値を追加し、このφth2よりスポット径が大きくなった場合もエラー信号を出力することにより、スポット欠け状態をより正確に検出し誤測距を防止することができる。

つまり、上記発光素子１から出射した光束Ｌ全体が測距対象物５に反射するときのスポット径をφ0とするとき、閾値は、上記第１の閾値φth1および第２の閾値を含み、この第２の閾値φth2は、φth1＜φ0＜φth2を満足する。そして、上記比較判断部１６は、このスポット径演算部１５により演算された光スポットのスポット径φが、φ＜φth1、または、φ＞φth2を満足するとき、スポット径は閾値に対して予め定められた条件に従わないと判断する。

また、図４に示すように、位置Ｃでの信号強度（Ｉmax−Ｉave）は、反射光量が小さいため、位置Ｂの信号強度（Ｉmax−Ｉave）より非常に小さい。図５Ｂに、（Ｉmax−Ｉave）の測距対象物の位置依存を示し、図５Ｂに示すように、測距対象物５がｘ軸方向に移動し発光光束Ｌを反射する割合が増えるに従って、信号強度（Ｉmax−Ｉave）は増大し、発光光束Ｌ全体が反射する位置Ａ以降、信号強度（Ｉmax−Ｉave）は飽和する。

そして、上記信号強度（Ｉmax−Ｉave）に予め定められた信号強度用閾値Ｉeを設け、信号処理回路１０に、図１の仮想線に示す信号強度判断部１９を設け、この信号強度判断部１９により、信号強度（Ｉmax−Ｉave）の値が、信号強度用閾値Ｉeより小さいと判断したとき、エラー信号を出力するようにしてもよい。これにより、図５Ａに示すように、２つの閾値φth1,φth2を用いても生じていた誤測距エリア（網掛け部分）での誤測距値の出力を防止できる。

なお、上記発光素子１から出射した光束Ｌ全体が測距対象物５に反射するときのスポット径をφ0とするとき、上記閾値を、γ×φ0（ただし、０＜γ＜１）によって求めるようにしてもよい。上述のφmaxとφminを用いる場合に比べて、φmax，φminをメモリ部に記憶させる必要がなく、スポット径の変化を検出する精度が落ちるが、メモリ部を削減できる。また、メモリ部に書き込むためのφminを測定するには、測距対象物５をスポット欠け状態に移動させて測定する必要があるが、φ0のみを測定すればよい。この結果、測距対象物５が全光束を反射するように対向させればよいので、測定系を簡便なものとすることができる。

さらに、スポットプロファイルを数値化する方法として、上述ではスポット径を用いて説明してきたが、微分プロファイルの正負ピーク値の比やその差と和の比とすることも可能である。つまり、信号処理回路１０のエラー検出部２１は、光スポットのプロファイルの微分プロファイルの正のピーク値をＰmaxとし、負のピーク値をＰminとするとき、ＰmaxとＰminとの比、または、ＰmaxとＰminの差とＰmaxとＰminの和との比を、光スポットの形状の数値化された数値とする。

具体的に述べると、図２に示すように、全光束Ｌが反射される状態（位置Ａ）では、ピーク位置を中心に略左右対称の形状をしているのに対し、スポット欠け状態（位置Ｂ）では、発光素子側の肩が急激に落ちており、微分係数が大きいことがわかる。よって、スポット欠けのある状態では、スポット欠けのない状態に比べ、微分係数が大きくなるので、ピーク位置（微分係数＝０）を中心として、その両隣に形成される正と負の微分係数の極値を測定してエラー判定をすることができる。

次に、上記受光素子としてイメージセンサを用いた場合の応用例を説明する。

図６Ａに示すように、測距対象物５Ａの一部が欠けており、これにより、測距対象物５Ａに照射される発光光束の光スポットＳｅの一部が欠けている場合、図６Ｂに示すように、受光素子４Ａ（イメージセンサ）上での反射光のスポットＳｒの像も同様に欠ける。

このとき、上記信号処理回路の距離算出部は、イメージセンサ４Ａの各行について、光スポットの形状の数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、予め定められた条件に従わない数値を含むエラー判定の行を求め、このエラー判定の行を除く全ての行の受光信号を加算して、反射光のスポット位置を求める。

具体的に述べると、イメージセンサ４Ａにおいて反射光のスポットＳｒ全体の像が検出されるとき、信号量を増大させるために、イメージセンサ４Ａの各行の信号を加算することで、スポットプロファイルのＳＮ比を上げて、スポット位置を精度よく検出できる。しかし、図６Ｂに示す場合、イメージセンサ４Ａの１行目からｋ行目まではスポット欠けが生じており、全ての行のデータを加算すると、スポット径が歪んで誤測距となってしまう。そこで、イメージセンサ４Ａの各行に対して、上述の方法によりエラー判定を行い、スポット欠けと判定された場合、そのエラー判定の行を加算しない処理を実行する。つまり、イメージセンサ４Ａの１行目からｋ行目までの受光信号を、加算しない非検出行とし、イメージセンサ４Ａのｋ行目からｎ行目までの受光信号を、加算する検出行とする。これにより、複雑な形状をした測距対象物５Ａにおいても正確に測距することができる。

上記構成の測距装置によれば、距離算出部２０は、光スポットプロファイル算出部１１から出力されたプロファイルに基づいて、受光素子４上の光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、受光素子４から測距対象物５までの距離を算出し、エラー検出部２１は、光スポットプロファイル算出部１１から出力されたプロファイルに基づいて、光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較するので、光スポットプロファイル算出部１１から出力されたプロファイルに基づいて、受光素子４から測距対象物５までの距離を求めることができ、かつ、反射光のスポット欠け状態を判定することができる。そして、エラー検出部２１は、光スポットの形状の数値化された数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するので、反射光のスポット欠けによる誤測距を回避できる。

また、上記反射光のスポット欠けがあった場合にはスポット形状が歪んでスポット径が変化するため、スポット径演算部１５がスポット径を検出することにより、スポット欠けによる誤測距を効果的に回避できる。

また、上記閾値は、上記第１の閾値φth1を含み、例えば、検出された反射光のスポット径φが第１の閾値φth1より小さい場合に、エラー信号を出力することにより、スポット欠けによる誤測距を効果的に回避できる。

また、上記信号処理回路１０は、メモリ部１８を有するので、測距装置毎に最大値φmaxおよび最小値φminをメモリ部１８に記憶させることができる。そして、スポット径演算部１５は、メモリ部１８に記憶された最大値φmaxおよび最小値φminに基づいて、信号強度Ｉthを求めるので、測距装置毎に信号強度Ｉthを求めることができる。このため、測距装置間のばらつきによるスポット形状のばらつきを除外することができる。

また、上記比較判断部１６は、スポット径演算部１５により検出されたスポット径φが、φ＜φth1、または、φ＞φth2を満足するとき、スポット径は閾値に対して予め定められた条件に従わないと判断するので、スポット欠けによる誤測距の回避を一層効果的に行うことができる。

また、受光光量が不十分で信号強度の値が所定の値より小さい場合、回路ノイズに埋もれてスポット形状が大きく歪む場合があり、スポット径が大きく変化することがある。このような場合でも、上記信号強度判断部１９は、（Ｉmax−Ｉave）値が予め定められた信号強度用閾値より小さいとき、エラー信号出力部にエラー信号を出力させるので、誤測距の回避を効果的に行うことができる。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、測距対象物が発光素子側に位置してスポット欠け状態となる場合において説明したが、測距対象物が受光素子側に位置してスポット欠けとなる場合においても同様に扱うことができる。また、光スポットの形状の数値化された数値として、光スポットのスポット径以外に、光スポットの周長さや面積などであってもよく、また、光スポットの等価面積円から求めた径であってもよい。

１発光素子
２発光レンズ
３受光レンズ
４，４Ａ受光素子
５，５Ａ測距対象物
１０信号処理回路
１１光スポットプロファイル算出部
１２スポット位置演算部
１３距離値演算部
１４距離値出力部
１５スポット径演算部
１６比較判断部
１７エラー信号出力部
１８メモリ部
１９信号強度判断部
２０距離算出部
２１エラー検出部

Claims

光を出射する発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して測距対象物に照射する発光レンズと、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光レンズと、
上記受光レンズによって集光された反射光の光スポットを受ける受光素子と、
上記受光素子から出力された上記光スポットを表す受光信号から、上記光スポットの光強度分布のプロファイルを算出する光スポットプロファイル算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出する距離算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、この数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するエラー検出部と
を備え、
上記エラー検出部は、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットに対応するスポット径を演算するスポット径演算部と、
上記スポット径演算部から出力された上記スポット径と予め定められた閾値とを比較して、上記スポット径が上記閾値に対して予め定められた条件に従うか否かを判断する比較判断部と、
上記比較判断部によって上記スポット径が上記閾値に対して予め定められた条件に従わないと判断されると、エラー信号を出力するエラー信号出力部と
を備え、
上記スポット径演算部は、

（ここで、αは、１以下の任意の数値であり、Ｉmaxは、プロファイルの最大信号強度であり、Ｉaveは、受光素子全領域におけるプロファイルの平均信号強度である。）
によってプロファイルの信号強度Ｉthを求め、この信号強度Ｉthのレベルでのスポット径を演算することを特徴とする測距装置。
請求項１に記載の測距装置において、
上記閾値は、

（ここで、βは、１以下の任意の数値であり、φmaxは、測距対象物に全発光光束が照射される時の光スポットのスポット径の最大値であり、φminは、測距対象物に全発光光束が照射される時の光スポットのスポット径の最小値である。）
によって求められる第１の閾値φth1を含むことを特徴とする測距装置。
請求項２に記載の測距装置において、
上記最大値φmaxおよび上記最小値φminを記憶する書き込み可能なメモリ部を備え、
上記スポット径演算部は、上記メモリ部に記憶された上記最大値φmaxおよび上記最小値φminに基づいて、上記信号強度Ｉthを求めることを特徴とする測距装置。
請求項２または３に記載の測距装置において、
上記発光素子から出射した光束全体が上記測距対象物に反射するときのスポット径をφ0とするとき、
上記閾値は、上記第１の閾値φth1および第２の閾値φth2を含み、
上記第２の閾値φth2は、φ0＜φth2を満足し、
上記比較判断部は、上記スポット径演算部により演算された上記光スポットのスポット径φが、φ＜φth1、または、φ＞φth2を満足するとき、上記スポット径は上記閾値に対して予め定められた条件に従わないと判断することを特徴とする測距装置。
請求項１から４の何れか一つに記載の測距装置において、
上記最大信号強度Ｉmaxから上記平均信号強度Ｉaveを引いた値が、予め定められた信号強度用閾値より小さいと判断したとき、上記エラー信号出力部にエラー信号を出力させる信号強度判断部を備えることを特徴とする測距装置。
請求項１に記載の測距装置において、
上記発光素子から出射した光束全体が上記測距対象物に反射するときのスポット径をφ0とするとき、
上記閾値は、γ×φ0（ただし、０＜γ＜１）によって求められることを特徴とする測距装置。
光を出射する発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して測距対象物に照射する発光レンズと、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光レンズと、
上記受光レンズによって集光された反射光の光スポットを受ける受光素子と、
上記受光素子から出力された上記光スポットを表す受光信号から、上記光スポットの光強度分布のプロファイルを算出する光スポットプロファイル算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出する距離算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、この数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するエラー検出部と
を備え、
上記エラー検出部は、上記光スポットプロファイル算出部の微分プロファイルの正のピーク値をＰmaxとし、負のピーク値をＰminとするとき、ＰmaxとＰminとの比、または、ＰmaxとＰminの差とＰmaxとＰminの和との比を、上記光スポットの形状の数値化された数値とすることを特徴とする測距装置。
光を出射する発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して測距対象物に照射する発光レンズと、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光レンズと、
上記受光レンズによって集光された反射光の光スポットを受ける受光素子と、
上記受光素子から出力された上記光スポットを表す受光信号から、上記光スポットの光強度分布のプロファイルを算出する光スポットプロファイル算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記受光素子上の上記光スポットの位置を求め、この光スポットの位置に基づいて、上記受光素子から上記測距対象物までの距離を算出する距離算出部と、
上記光スポットプロファイル算出部から出力された上記プロファイルに基づいて、上記光スポットの形状を数値化し、この数値化された数値と予め定められた閾値とを比較して、この数値が予め定められた条件に従わないと、エラー信号を出力するエラー検出部と
を備え、
上記受光素子は、イメージセンサであり、
上記距離算出部は、上記イメージセンサの各行について、上記光スポットの形状の数値化された数値と上記予め定められた閾値とを比較して、上記予め定められた条件に従わない上記数値を含むエラー判定の行を求め、このエラー判定の行を除く全ての行の受光信号を加算して、上記光スポットの位置を求めることを特徴とする測距装置。