JP6170714B2 - 測距装置 - Google Patents

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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5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。
y=l×f/x
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(いわゆる光スポット欠け)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。この光スポット欠けの問題は、上述のような光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、光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、光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、複雑な構造を必要とせず、光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2次元配列を有する受光素子と、
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、エラー判定を行うエラー検出部と
を備え、
上記発光レンズと上記受光レンズとの並ぶ方向を行方向とするとき、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を行方向にn(nは、2以上の整数)個に分割することで形成されるn個のブロックごとに数値化された数値とそれぞれのブロックに対して予め定められた閾値とを比較し、
上記エラー検出部は、n個のブロックのうち、予め定められた条件と従わないと判断したブロックがm(mは、n以下の正の整数)個以上存在する場合、エラー信号を出力する機能を有することを特徴としている。
また、一実施形態の測距装置では、
上記距離算出部は、n個のブロックのうち、上記エラー検出部により予め定められた条件と従わないと判断されたブロックを、除外して光スポットの位置の算出に用いずに、その他のブロックのみを用いることにより、光スポット位置を算出する機能を有する。
また、一実施形態の測距装置では、
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より算出される上記n個のブロックに対応するn個の光スポット径と、ブロックごとに予め定められた閾値とを比較して、上記n個の光スポット径がそれぞれ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。
また、一実施形態の測距装置では、
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より算出される上記n個のブロックに対応するn個の光スポット面積と、ブロックごとに予め定められた閾値とを比較して、上記n個の光スポット面積がそれぞれ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。
この発明の測距装置によれば、発光レンズと受光レンズとの並ぶ方向を行方向とするとき、エラー検出部は、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を行方向にn個に分割することで形成されるn個のブロックごとに数値化された数値とそれぞれのブロックに対して予め定められた閾値とを比較する。これにより、複雑な構造を必要とせず、光スポット欠けによる誤測距を回避できる。
本発明の一実施形態の測距装置を示す簡略構成図である。 光スポット歪みの無い場合の光スポットの光強度分布を説明する説明図である。 光スポット歪みの有る場合の光スポットの光強度分布を説明する説明図である。 本発明の測距装置の作用を説明する説明図である。 本発明の測距装置の作用を説明する説明図である。 各ブロックの光スポット径の演算方法を説明する説明図である。 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、この発明の一実施形態の測距装置を示す簡略構成図である。図1に示すように、この測距装置は、発光素子11と、発光レンズ12と、受光レンズ13と、受光素子14と、光スポットプロファイル算出部15と、距離算出部16と、エラー検出部17とを備える。なお、図1において、図5と同じ符号は、図5と同じであるため、その説明を省略する。つまり、受発光レンズ12,13の並ぶ方向と受光素子14との配置は、図5と同じである。
上記発光素子11は、光を出射する。上記発光レンズ12は、発光素子11から出射された光を集光して測距対象物21に照射する。上記受光レンズ13は、測距対象物21からの反射光を集光する。上記受光素子14は、受光レンズ13によって集光された反射光の光スポットを受ける2次元配列を有する。
上記光スポットプロファイル算出部15は、上記受光素子14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。上記距離算出部16は、上記光スポットプロファイル算出部15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14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14から上記測距対象物21までの距離を算出する。上記エラー検出部17は、上記光スポットプロファイル算出部15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、エラー判定を行う。
上記発光レンズ12と上記受光レンズ13との並ぶ方向を行方向とするとき、上記エラー検出部17は、上記光スポットプロファイル算出部15から出力された上記プロファイルを行方向にn(nは、2以上の整数)個に分割することで形成されるn個のブロックごとに数値化された数値とそれぞれのブロックに対して予め定められた閾値とを比較する。
上記距離算出部16は、n個のブロックのうち、上記エラー検出部17により予め定められた条件と従わないと判断されたブロックを、除外して光スポットの位置の算出に用いずに、その他のブロックのみを用いることにより、光スポット位置を算出する機能を有する。このとき、距離算出部16は、n個のブロックのうち、エラー検出部17により予め定められた条件と従わないと判断されたブロック以外のブロックを、行方向に垂直な方向に加算することにより、光スポット位置を算出する機能を有する。
上記エラー検出部17は、n個のブロックのうち、予め定められた条件と従わないと判断したブロックがm(mは、n以下の正の整数)個以上存在する場合、エラー信号を出力する機能を有する。エラー検出部17は、上記光スポットプロファイル算出部15より算出される上記n個のブロックに対応するn個の光スポット径と、ブロックごとに予め定められた閾値とを比較して、上記n個の光スポット径がそれぞれ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。このとき、エラー検出部17は、各ブロック内の光強度分布を行方向と垂直方向に加算することにより形成される1次元配列で表される光スポットプロファイルの幅から光スポット径を算出する機能を有する。なお、エラー検出部17は、光スポットプロファイル算出部15より算出される上記n個のブロックに対応するn個の光スポット面積と、ブロックごとに予め定められた閾値とを比較して、上記n個の光スポット面積がそれぞれ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ようにしてもよい。
このとき、上記エラー検出部17は、
Ith=α×Imax+(1−α)×Iave
によってプロファイルの信号強度Ithを求めて、この信号強度Ith以上のレベルで、上記光スポット径または上記光スポット面積を演算するようにしてもよい。αは、1以下の任意の数値であり、Imaxは、プロファイルの受光素子14全領域における最大信号強度であり、Iaveは、受光素子14全領域におけるプロファイルの平均信号強度である。
また、上記エラー検出部17は、上記n番目のブロックの光スポットの形状を数値化した値をAnとすると、
(Thn−β)<An<(Thn+γ)
を満たすかどうかにより、予め定められた条件に従うか否かを判断するようにしてもよい。Thnは、n番目のブロックに対して予め定められた閾値であり、β,γは、任意の数である。
以下、上記構成の測距装置の作用を具体的に説明する。
従来では、図5に示すように、発光素子101からの全光束が測距対象物201,202に照射された場合、受光素子104上には、図2Aに示すような、正規分布の光強度分布が形成される。しかし、発光素子101からの光束の一部が測距対象物201,202に照射されない場合や測距対象物201,202がスリット構造やコントラスト(白黒)の高い表面等を有する場合は、光スポット欠け等により、光スポットプロファイルが図2Bのように歪み、距離算出部がこの光スポットプロファイルから光スポット位置を算出し、測距対象物201,202までの距離を演算しようとすると、実際の距離とは異なる測距値が算出され、誤測距が生じる。図中、光スポット歪みの無い場合の光スポットをS1で示し、光スポット歪みの有る場合の光スポットをS2で示す。
本発明によれば、図2Bのような光スポット形状が受光素子104上に形成された場合においても、誤測距を回避することができる。つまり、図1に示す受光素子14は、2次元配列を有する(イメージセンサ等の)受光素子であり、この2次元配列を有する受光素子14を、図3A,図3Bに示すように、受発光レンズ12,13の並ぶ方向(行方向)にn個分割する。
n個に分割されたブロックは、それぞれ予め定められた閾値を有するものとする。ここで、予め定められた閾値とは、ブロックごとの光スポット径や光スポット面積などである。
n個に分割されたブロックごとに光スポットを数値化(光スポット径や光スポット面積を算出し)し、ブロックごとに予め定められた閾値と比較し、予め定められた条件に従わないブロックをNGとする。ここで、予め定められた条件とは、例えば、ブロックnの光スポットを数値化した値をAnとすると、
Thn−β<An<Thn+γ
を満たすかどうかである。Thnは、ブロックnに対して予め定められた閾値であり、β,γは、任意の数である。この例の予め定められた条件では、予め定められた閾値をβおよびγの加減により、閾値の歪み判断の厳しさを調整することができ、効果的に光スポットの歪みの有無を判断することができる。
図3A,図3Bでは、2次元配列を有する受光素子14を、隣り合う2行の配列を1つのブロックとして、n個に分割している。例えば、予め定められた閾値を光スポット面積とすると、図3Bのブロック1’、ブロック2’では、光スポット欠け(歪み)がない場合の図3Aのブロック1、ブロック2比べて、光スポット面積(光が照射されるエリア)が小さくなっており、NGと判断される。その他のブロック3’からブロックn’は、ブロック3からブロックnと比較し、光スポット面積がほぼ同等なため、OKと判断する。
また、予め定められた閾値を光スポット径とする場合は、図4に示すように、行方向と垂直の方向(y方向)に光スポットプロファイルを加算することで形成される一次元配列の光スポットプロファイルの幅とすると、ブロックごとに光スポット径を容易に算出することができる。図4では、ブロック4の7行目と8行目の光スポットプロファイルを加算し、これにより形成される一次元配列の光スポットプロファイルの幅を光スポット径とすることを示している。
また、光スポット径もしくは光スポット面積は、
Ith=α×Imax+(1−α)×Iave
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以上のレベルでの光スポット径および光スポット面積を演算する。αは、1以下の任意の数値であり、Imaxは、光スポットプロファイルの受光素子全領域における最大信号強度であり、Iaveは、受光素子全領域における光スポットプロファイルの平均信号強度である。これにより、一定レベルでの光スポット径および光スポット面積を求めることができ、安定して各ブロックが予め定められた条件に従うかどうかを判断できる。
上記距離算出部16は、この光スポットプロファイルから光スポット位置を算出し、測距対象物までの距離を算出する。距離の算出は、従来で説明した[y=l×f/x]を用いる。このとき、距離算出部16は、エラー検出部17により、予め定められた条件に従わずNGと判断したブロックを除外し、予め定められた条件に従いOKと判断したブロックの光スポットプロファイルのみを使用する。
一般的に、光スポットプロファイルから光スポット位置を算出する際、この光スポットの重心の位置を求めることで行う。しかし、NGと判断した行も含めて重心を求めようとすると、光スポット欠け(歪み)が無い場合の光スポットプロファイルと比較して重心の位置がずれてしまい、誤った光スポット位置を算出してしまう。これにより、センサが測距対象物までの距離を正確に測定することができなくなり、誤測距につながる。一方、OKと判断したブロックのみで光スポット位置(光スポットプロファイルの重心)を算出すると、光スポット欠け(歪み)が無い場合の光スポットプロファイルとほぼ同様の値となるため、光スポット欠け(歪み)がある場合においても正確な測距が可能になる。
OKと判断したブロックのみから光スポット位置(光スポットの重心)を算出する方法の一例としては、OKと判断されたブロックを受発光レンズ12,13の並ぶ方向(行方向)と垂直な方向に全て加算することで形成される光スポットプロファイルを使用すると、容易に光スポット位置を算出することができる。
また、予め定められた条件に従わずNGと判断したブロックが多く、m個以上存在する場合は、エラー検出部17がエラー信号を出力し、距離算出部16に測距対象物までの距離を算出させないようにする機能を有するものとする。
これにより、距離算出部16は、光スポットの歪みが顕著な光スポットプロファイルから、光スポット位置を算出し、信頼性の低い測距値を無理に出力することを防ぐことができ、効果的に誤測距を回避することができる。仮に、半分以上のブロックがNGと判断された場合、OKと判断されたブロックが半分以下になる。これは、光強度(信号強度)が半分以下になることを意味し、外乱ノイズ等の影響を受けやすくなり、正確な測距値を算出できなくなることを意味する。
この発明の測距装置は、
光を出射する発光素子11と、
上記発光素子11から出射された光を集光して測距対象物21に照射する発光レンズ12と、
上記測距対象物21からの反射光を集光する受光レンズ13と、
上記受光レンズ13によって集光された反射光の光スポットを受ける2次元配列を有する受光素子14と、
上記受光素子14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15と、
上記光スポットプロファイル算出部15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14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14から上記測距対象物21までの距離を算出する距離算出部16と、
上記光スポットプロファイル算出部15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、エラー判定を行うエラー検出部17と
を備え、
上記発光レンズ12と上記受光レンズ13との並ぶ方向を行方向とするとき、上記エラー検出部17は、上記光スポットプロファイル算出部15から出力された上記プロファイルを行方向にn(nは、2以上の整数)個に分割することで形成されるn個のブロックごとに数値化された数値とそれぞれのブロックに対して予め定められた閾値とを比較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、受光素子14上に形成される光スポットプロファイルを行方向にn個に分割し、それぞれのブロックにおいて予め閾値を設けている。そして、光スポット欠け等により、光スポットプロファイルが部分的に歪んでも、距離算出部16がこの光スポットプロファイルから光スポット位置を算出し、正確に測距値を算出できない状態であるかどうかを、エラー検出部17で判断することができる。
また、一実施形態の測距装置では、
上記距離算出部16は、n個のブロックのうち、上記エラー検出部17により予め定められた条件と従わないと判断されたブロックを、除外して光スポットの位置の算出に用いずに、その他のブロックのみを用いることにより、光スポット位置を算出する機能を有する。
この実施形態の測距装置によれば、エラー検出部17が光スポット欠け等により光スポットプロファイルの形が歪んでいると判断した場合(歪んでいるブロックがあると判断した場合)、距離算出部16は、歪んでいるブロックを除外しその他のブロックを利用して、光スポット位置を算出する。これにより、距離算出部16は、測距値を算出して、誤測距を回避することができる。
また、一実施形態の測距装置では、
上記距離算出部16は、n個のブロックのうち、上記エラー検出部17により予め定められた条件と従わないと判断されたブロック以外のブロックを、行方向に垂直な方向に加算することにより、光スポット位置を算出する機能を有する。
この実施形態の測距装置によれば、エラー検出部17が光スポット欠け等により光スポットプロファイルの形が歪んでいると判断した場合(歪んでいるブロックがあると判断した場合)、距離算出部16は、歪んでいるブロック以外のブロックを行方向に加算することで1つの光スポットプロファイルとし、この光スポットプロファイルから、光スポット位置を算出する。これにより、距離算出部16は、測距値を算出して、誤測距を回避することができる。
また、一実施形態の測距装置では、
上記エラー検出部17は、n個のブロックのうち、予め定められた条件と従わないと判断したブロックがm(mは、n以下の正の整数)個以上存在する場合、エラー信号を出力する機能を有する。
この実施形態の測距装置によれば、エラー検出部17が光スポット欠け等により光スポットプロファイルの形が歪んでいると判断したブロックがm個以上ある場合、エラー検出部17は、エラー信号を出力する。これにより、距離算出部16に、この光スポットプロファイルから距離値を算出させないようにすることで、誤測距を回避することができる。
また、一実施形態の測距装置では、
上記エラー検出部17は、上記光スポットプロファイル算出部15より算出される上記n個のブロックに対応するn個の光スポット径と、ブロックごとに予め定められた閾値とを比較して、上記n個の光スポット径がそれぞれ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。
この実施形態の測距装置によれば、エラー検出部17は、各ブロックごとに光スポット径を算出し、各ブロックごとに予め定められた閾値に対して予め定められた条件に従うかどうかを判断する。これにより、効果的に光スポット欠け(歪み)の有無を判断することができる。
また、一実施形態の測距装置では、
上記エラー検出部17は、各ブロック内の光強度分布を行方向と垂直方向に加算することにより形成される1次元配列で表される光スポットプロファイルの幅から光スポット径を算出する機能を有する。
この実施形態の測距装置によれば、各ブロックでの光スポット径の算出方法は、各ブロック内で各行の光強度分布を受発光と垂直の方向に加算した光スポットプロファイルの光スポットの幅とすることで、安易に光スポット径を算出することができる。
また、一実施形態の測距装置では、
上記エラー検出部17は、上記光スポットプロファイル算出部15より算出される上記n個のブロックに対応するn個の光スポット面積と、ブロックごとに予め定められた閾値とを比較して、上記n個の光スポット面積がそれぞれ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。
この実施形態の測距装置によれば、エラー検出部17は、各ブロックごとに光スポット面積を算出し、各ブロックごとに予め定められた閾値に対して予め定められた条件に従うかどうかを判断する。これにより、効果的に光スポットの歪みの有無を判断することができる。
また、一実施形態の測距装置では、
上記エラー検出部17は、
Ith=α×Imax+(1−α)×Iave
(αは、1以下の任意の数値であり、Imaxは、プロファイルの受光素子14全領域における最大信号強度であり、Iaveは、受光素子14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を求めて、この信号強度Ith以上のレベルで、上記光スポット径または上記光スポット面積を演算する。
この実施形態の測距装置によれば、光スポットプ欠け等により光スポットプロファイルが歪んでいるかどうかを判断するとき、Ith以上のレベルでの光スポット径または光スポット面積を演算することで、効果的に光スポットの歪みの有無を判断することができる。
また、一実施形態の測距装置では、
上記エラー検出部17は、
上記n番目のブロックの光スポットの形状を数値化した値をAnとすると、
(Thn−β)<An<(Thn+γ)
(Thnは、n番目のブロックに対して予め定められた閾値であり、β,γは、任意の数である。)
を満たすかどうかにより、予め定められた条件に従うか否かを判断する。
この実施形態の測距装置によれば、予め定められた閾値をβおよびγの加減により、閾値の歪み判断の厳しさを調整することができ、効果的に光スポットの歪みの有無を判断することができる。
11 発光素子
12 発光レンズ
13 受光レンズ
14 受光素子
15 光スポットプロファイル算出部
16 距離算出部
17 エラー検出部
21 測距対象物
S1 光スポット歪みの無い場合の光スポット
S2 光スポット歪みの有る場合の光スポット

Claims (4)

  1. 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2次元配列を有する受光素子と、
    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、エラー判定を行うエラー検出部と
    を備え、
    上記発光レンズと上記受光レンズとの並ぶ方向を行方向とするとき、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を行方向にn(nは、2以上の整数)個に分割することで形成されるn個のブロックごとに数値化された数値とそれぞれのブロックに対して予め定められた閾値とを比較し、
    上記エラー検出部は、n個のブロックのうち、予め定められた条件と従わないと判断したブロックがm(mは、n以下の正の整数)個以上存在する場合、エラー信号を出力する機能を有することを特徴とする測距装置。
  2. 請求項1に記載の測距装置において、
    上記距離算出部は、n個のブロックのうち、上記エラー検出部により予め定められた条件と従わないと判断されたブロックを、除外して光スポットの位置の算出に用いずに、その他のブロックのみを用いることにより、光スポット位置を算出する機能を有することを特徴とする測距装置。
  3. 請求項1または2に記載の測距装置において、
    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より算出される上記n個のブロックに対応するn個の光スポット径と、ブロックごとに予め定められた閾値とを比較して、上記n個の光スポット径がそれぞれ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ことを特徴とする測距装置。
  4. 請求項1または2に記載の測距装置において、
    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より算出される上記n個のブロックに対応するn個の光スポット面積と、ブロックごとに予め定められた閾値とを比較して、上記n個の光スポット面積がそれぞれ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ことを特徴とする測距装置。
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