JPH01112188A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は距離測定装置に関し、更に詳しくは走行ロボッ
トの視覚センサとして用いられる光学式の距離測定装置
に関するものである。

（ロ）従来の技術 従来この種の装置としては、例えば、（１）雑誌［セン
サ技術Ｊ　１９８３年５月号ｐ３１〜３３と、（２）雑
誌「センサ技術ｊ　１９８４年７月号ｐ６９〜７２とに
開示されたものが知られている。すなわち、両者とも三
角測量法を用いて距離測定をおこなうものである。

前者は、第１０図に示すように、受光素子の受光面をレ
ンズの光軸に対して傾けて設置したものであり、後者は
、受光面をレンズの焦点距離位置に、かつ光軸に垂直に
設置したものであり、この三角測量法の基本原理を第１
０図を用いて説明する。

第１０図において、光源より発射されたペンシルビーム
１は測定対象物２に当たって乱反射する。

その反射光３を集光レンズ４（以下、レンズと略記する
）で集光し、受光素子５の受光面上に結像させる。この
時、測定対象物２までの距離に応じて受光面上を結像点
Ｐが移動するため、この位置を測定することにより距離
りを計算することができる。受光素子としては一般にＣ
ＣＤ　（ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ）
リニアイメージセンサまたは半導体装置検出素子（ｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｂｌｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　
：以下、ＰＳＤと略記する）が用いられる。そして、レ
ンズ４の焦点距離をｆ、受光素子５の受光面の長さをＳ
とし、最短測定距離Ｌｍｉｎ及び最長測定距離Ｌｍａｘ
に設定した場合に、それぞれ受光面の両端で結像するよ
うに受光素子５を配置する。そして、ペンシルビーム１
とレンズ４の光軸との角度をθとし、受光面の一端から
結像点Ｐまての距離をｔとすると、測定範囲内の任意の
測定距離りはより計算することができる。

この時、受光素子５の受光面はレンズ４の光軸に対し角
度ψ傾け、かつその延長線が、ペンシルビーム１と、レ
ンズ４の中点を通りレンズ４の光軸に垂直な線Ｑとの交
点０を通るように設置する。

この交点Ｏが距ＭＬの始点であり、始点から、ペンシル
ビームＩとレンズ４の光軸との交点までの距離をり。と
すると なる角度に設定する。ここで、Ａは、レンズ位置におけ
る光軸とペンシルビームとの距離である。

この方法による距離測定は超音波距離測定に比較し、 ■ビームの広がりがなく、細部の測定が可能である。

■二次以上の多重反射の影響がほとんどなく誤測定が少
ない等の点て優れており、走行ロボットの物体形状を認
識するための視覚センサとして有効な方法である。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 一般に、走行ロボットの走行に必要な測定距離範囲は数
１０ｃｍから６ｍ程度と考えられる。第１ｆ図に、従来
の光学式距離測定方法による出力例を示す。これは最短
測定距離Ｌｍｉｎを３０ｃｍ、最長測定距離Ｌｍａｘを
６ｍとし、受光素子５の受光面の長さＳに対する結像位
置までの長さｔを百分率で計算したものである。この測
定方法によれば、受光素子１つで所要測定範囲を測定す
るため、遠距離での分解能が極端に低下する欠点があっ
た。

本発明は前記欠点を解決するもので、三角測量法を用い
て距離測定を行う光学系装置において、遠距離での分解
能を向上できるとともに、測定範囲全域の測定精度を向
上できる距離測定装置を提供することを目的の一つとす
るものである。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明は、距離測定対象物に向ってペンシルビームを出
射する１つの光源と、上記ペンシルビームの反射光を集
光レンズで集光してこの集光された反射光を受光素子で
受光する受光部と、上記受光素子から出力される受光面
上での光照射位置検出用信号にもとづいて上記距離測定
対象物までの距離を演算する演算手段とを有する距離測
定装置において、受光部が、可能な距離測定範囲を分割
して得られる複数の範囲ごとに１対の集光レンズと受光
素子とを有してなり、演算手段が、上記各受光素子のう
ち光照射位置検出用信号の最大のものの信号にもとづい
て演算された値を距離測定値として弁別する弁別部を具
備してなる距離測定装置である。

すなわち、本発明はペンシルビームの光源１つに対し、
可能な距離測定範囲を複数の範囲に分割し、各範囲ごと
に１対の集光レンズと受光素子からなる受光部を配設し
、各受光素子の出力のうち最も大きい出力を弁別し、そ
れにもとづいて演算された値を距離測定値としたもので
ある。

この発明における受光素子としては、ＰＳＤやＣＯＤイ
メージセンサ、特にＣＣＤリニアイメージセンサなどが
挙げられる。

この発明における光源としては、半導体レーザあるいは
ガスレーザが挙げられ、発光ダイオードも適用可能であ
る。

（ホ）作用 前記の構成において、各受光部の所要測定範囲を距離測
定対象物の位置に応じて適当に設定する。

すなわち、この各所要測定範囲では、距離測定対象物ま
での距離を含む測定範囲内に受光部が設けられている。

当該所要測定範囲内において、光源よりペンシルビーム
を発射するとペンシルビームは距離測定対象物に当り乱
反射する。そしてこの反射光を受光部が集光レンズで集
光し、受光素子の受光面上に結像させ、その受光面上で
の光照射位置検出用信号にもとづいてその位置より距離
を測定することが可能である。しかも、この時、他の受
光部でも外乱光あるいは無用反射により出力が出るが、
これらの出力は当該測定範囲の受光部の出力より小さい
ため、出力を利用した弁別回路により、他の受光部から
の出力をグランドレベル等に引き込んで無効にでき、こ
れにより分解能及び測定精度を向」二できる。

（へ）実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお
、これによって本発明は限定されることはない。

第１図は本発明の一実施例による光学系の構成を示すも
ので、距離測定範囲を３０ｃｍから６ｍとし、これを測
定精度に応じて３０ｃｍ−１ｍ、　　Ｉ　ｍ〜２．７ｍ
、２．７ｍ〜６ｍの３つの所要測定範囲に分割している
。

６は光学系を配置する基台で、この基台６上に光源であ
る半導体レーザ７とコリメータレンズ８つ・ら構成する
光源部９と、半導体レーザ７の発振波長を中心とした光
学バンドパスフィルタ１０ａ〜１０ｃ、集光レンズ４　
ａ〜４．ｃＳＰＳＤ５　ａ−５０とから構成する３０ｃ
ｍ〜１ｍの短距離用、Ｉｍ〜２．７ｍの中距離用、２．
７ｍ〜６ｍの長距離用の受光部１１ａ’、Ｉ　ｌｂ、Ｉ
　Ｉｃとが配設されている。各受光部の光学的位置関係
は、各所要測定範囲、すなわち、測定距離を含む上記短
距離、中距離、長距離用の３つの範囲ごとに、最短及び
最長測定距離を設定した上で従来例に従って配置した乙
のとなっており、これにより各範囲内の任意の距離を測
定できる。なお、第１図には、従来例で示した距離測定
対象物２、反射光３は示されていない。０は距離測定の
始点である。

以上の構成による出力例を第２図に示す。

第３図は本実施例に使用したＰＳＤを示し、これは、受
光面であるＰ型紙抗層１８と高抵抗のＳｉからなる真性
半導体層１９及びｎ゛層２０とから構成されるフォトダ
イオード２１に、共通電極２２と２つの出力電極２３お
よび２４を設けたものである。そして、両電極間の距離
、すなわち受光面の長さをＳ、出力電極２３から入射光
位置までの距離をｔ１出力電極２３および２４それぞれ
の出力電流をＩＩ、１２とすると、 なる関係から入射光位置までの距１ｔを入射光景に関係
なく求めることができる。

第４図は上記実施例の演算手段を示す回路ブロック図で
ある。第４図において、各ＰＳＤ５ａ〜５ｃの２つの出
力電流ＩＩ、１２を電流−電子変換回路１２ａ〜１２ｃ
で電圧に変換後、これを増幅回路１３ａ〜１３ｃで増幅
し、減算回路１４ａ〜１４ｃ、加算回路１５ａ＝１５ｃ
によりそれぞれＩＩ　　１２及びＩＩ＋Ｌを計算し、除
算回路１６２Ｌ〜１６ｃにより りｔの値を演算し、更にこのｔの値と式（１）により距
離りを計算することができる。

ところて、各ＰＳＤ５ａ〜５ｃは、実際には太陽光等の
外乱光の影響あるいは無用反射の影響などにより、測定
距離りを含む測定範囲のＰＳＤ、例えば測定距離Ｉ、＝
２　（ｍ）であれば中距離用のＰＳＤ５ｂ以外のＰＳＤ
５ａ、５ｃは小さいながら出力が０にはならない。

このため各ＰＳＤ５ａ〜５ｃの 第５図は横軸に測定距離を、縦軸に各ＰＳＤ５ａで表わ
したものである。この結果から、例えば、任意の距離に
おける各ＰＳＤ５ａ〜５Ｃのいった方法がとれないこと
が判明した。

そこで、本発明者らは、各ＰＳＤ５λ〜５ｃの本来の出
力１１及びＩ、に注目し、これらが測定距離を含む測定
範囲以外のＰＳＤでは光量が減ることから小さくなるこ
とを利用した弁別回路１７を付加した。第６図は前記Ｐ
ＳＤ５ａ〜５ｃの出力和Ｉ＋＋Ｉｚ、すなわち、光照射
位置検出用信号の変化を示すもので、例えば、上述の如
く、測定距離Ｌ＝２（ｍ）であれば、各ＰＳＤ５ａ〜５
ｃの出力は、増幅回路１３ａ〜１３ｃで増幅された後、
有効な出力１つを選別するために最も大きい出力のＰＳ
Ｄ５ｂを有効とするよう弁別回路１７［第４図参照］に
入力し、有効出力を得る構成としている。

この弁別回路１７の具体的構成を第７図に示す。

第７図において、コンパレータＣＡ、ＣＢ、ＣＣにそれ
ぞれＰＳＤ５ａ〜５ｃの出力の和ＩＡ、ＩＢ。

Ｉｃを入力する。ここで、Ｉ−、ＩＢ、ＩＣはそれぞれ
各ＰＳＤ５ａ〜５ｃにおける出力の和（−Ｉ。

−”　ｒ　ｔ）である。更に、これらをゲート回路ＧＡ
。

Ｇａ、Ｇｃに入力した後、トランジスタＴ＾、ＴＢ。

Ｔｃの出力それぞれを除算回路１６ａ〜１６ｃの各出力
に接続する。この弁別回路１７の真理値表を第８図に示
す。第Ｓ図において、矢印−は弁別回路１７により弁別
された除算回路１６１〜１６ｃ本来の出力をあられす。

第９図に弁別回路１７を作動させた場合の受光部１１ａ
〜ｌｌｃの信号処理において、受光光量の最大なるもの
を弁別したことから、分解能及び測定精度が向上したこ
とが分る。

なお本実施例ては、弁別回路に、第６図に示すように、
受光素子からの２つの出力電流の和（−１＋＋Ｉｚ）を
入力したものを示したが、どちらか１つの出力電流（Ｉ
、あるいはＩ２）を入力して構成しても良い。

また本実施例では、演算手段として除算回路からの各出
力のうち有効な出力だけを弁別して、この出力にもとづ
いて距離を計算できる構成にしたものを示したが、予め
各除算回路からの出力すべてを適宜距離計算部へ入力し
、その後、これらの入力信号のうち、有効な出力信号だ
けを弁別する構成にしてもよい。

（ト）発明の効果 以上の如く、発明によれば、ペンシルビームの光源の１
つに対し、可能な距離測定範囲を複数の範囲に分割し、
その各々に１つの受光部を設けるとともに、この受光部
の光量変化に依存する信号を比較してその最大なるもの
を有効とする弁別回路を設けたので、測定精度及び分解
能を向上でき、これにより走行ロボットの視覚センサと
してその産業上の利用価値は極めて大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図、第２図は
上記実施例における測定距離対受光位置特性図、第３図
は上記実施例におけるＰＤＳの構成説明図、第４図は上
記実施例における演算手段を示す回路ブロック図、第５
図は上記実施例との比較に用いられる測定距離対出力電
流比特性図、第６図は上記実施例における測定距離対Ｐ
ＤＳの出力電流の和特性図、第７図は上記実施例におけ
る弁別回路を示す回路図、第８図はその真理値を示す図
表、第９図は上記実施例における第５図相当図、第１Ｏ
図は従来例を示す構成説明図、第１Ｉ図は従来例を示す
第２図相当図である。 １・・・・・・ペンシルビーム、 ２・・・・・・距離測定対象物、 ３・・・・・・反射光、 ４ａ、４ｂ、４ｃ・・・・・・集光レンズ、５ａ−５ｃ
−ＰＤＳ。 ７・・・・・・半導体レーザ、 １１ａ＝１１ｃ・・・・・・受光部、 １６　ａ、　　１６　ｂ、　　１６　ｃ−除算回路、１
７・・・・・・弁別回路 ２１・・・・・・フォトダイオード、 ２３．２４・・・・・・出力電極、 １１、Ｉ２・・・・・・出力電流、 ＩＡ、　　ＩＢ、　　ＩＣ・・・・・出力電流の和。 ｒ−′へｍ−、 ヤを匂吻− や　　　　勺　　　　や く　　　　山　　　　Ｑ 一一 昭和６３年２ＪＪＩＱ日 １　事件の表示 昭和６２年特許願第２７１０２９号 ２、発明の名称 距離測定装置 ３　補正をする者 事件との関係　　特許出頼人 住　所　　守口市京阪本通２丁目１８番地名　称　　　
（１８８）三洋電機株式会社代表者　　井　植　　敏 ４、代理人〒５３０ 住　所　　大阪市北区西天満５丁目１−３クォーター・
ワンビル５、補正命令の日付　　　昭和６３年１月２６
日（発送口）６、補正の対象 （１）願　書 （＋１）図面の第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、距離測定対象物に向ってペンシルビームを出射する
   １つの光源と、上記ペンシルビームの反射光を集光レン
   ズで集光してこの集光された反射光を受光素子で受光す
   る受光部と、上記受光素子から出力される受光面上での
   光照射位置検出用信号にもとづいて上記距離測定対象物
   までの距離を演算する演算手段とを有する距離測定装置
   において、受光部が、可能な距離測定範囲を分割して得
   られる複数の範囲ごとに１対の集光レンズと受光素子と
   を有してなり、 演算手段が、上記各受光素子のうち光照射位置検出用信
   号の最大のものの信号にもとづいて演算された値を距離
   測定値として弁別する弁別部を具備してなる距離測定装
   置。