JPH01140010A - 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】 （技術分野） 本発明は、被測定物までの距離、変位量、さらには、被
測定物の形状や大きさを光学的に検出する距離測定装置
に係り、オートフォーカス用距雛計、ロボット用視覚セ
ンサ、物体認識用センサ、ＦＡ用視覚センサ、変位計等
に利用するに最適な距離測定装置に関する。

（従来技術） オートフォーカスカメラや、産業用ロボット。

ファクトリ−オートメーション（ＦＡ）等においては、
物体までの距離や変位量、若しくは、物体形状等を非接
触且つ高速、高精度に測定する検出装置の開発が要望さ
れている。この要望に対応して、近年、被測定物たる物
体までの距離や変位量等を光学的に検出する距離測定装
置が提案されている。

この光学的に被測定物までの距はを測定する方法として
は、例えば、特開昭６１−１１２９１６号公報に記載さ
れているような、同一の焦点距理を有する２つのレンズ
を光軸が平行になる様に適宜の距離隔てて配置し、各レ
ンズの後方に同−距踵隔てて光軸と垂直に照度分布測定
手段たるＣＣＤアレイを配置し、各レンズによる各ＣＣ
Ｄアレイにおける物体の像の照度分布の相関をとること
により２５（７）舞の各光軸からのズレ量の差を求め、
これに基づき物体までの距離を算出する庵竺澗定方法に
おいて、測定すべき距離範囲に応じて２つのレンズの光
軸を平行に保ったままで少なくとも１つのレンズを光軸
と垂直の方向に移動させた後に照度分布の相関をとるこ
とにより測定手段たるＣＣＤアレイにおける２つの像の
位置の相対的ズレ量を求め、この量とレンズの移動量と
に基づき被測定物までの距離を算出することを特徴とす
る距離測定方法が知られている。

しカルながら、上記測定方法を用いた距離画定装置にお
いては、２つのレンズの光軸を平行に保ったままで少な
くとも１つのレンズを光軸と垂直の方向に移動させるた
めの７クチユエータや、そのアクチュエータを制御する
ための手段を設ける必要があり、装置が大型で且つ複雑
なものとなってしまうという問題が生じる。

また、上記測定方法では、測定すべき距離範囲に応じて
２つのレンズの光軸を平行に保ったままで少なくとも１
つのレンズを光軸と垂直の方向に移動させた後に照度分
布の相関をとることにより測定手段たるＣＣＤアレイ上
における２つの像の位置の相対的ズレ量を求め、この量
とレンズの移動量とに基づき被測定物までの距−を算出
しているが、ＣＣＤアレイ上における２つの像の位置の
相対的ズレ量を各レンズによる各ＣＣＤアレイにＣＣＤ
アレイ上の対応点の検出が碓しく、相対的なズレ量の検
出誤差が大きく、？＋１１Ｊ定精度を向上しにくいとい
う問題が生じる。

そこで、上記２組のレンズとＣＣＤを用いた距離画定装
置の問題点を解決し得る、新規な距離画定装置が提案さ
れている。

第６図はそのような距離測定装置の一例を示し、物体位
置の変位量を検出する距離画定装置の例を示す、この距
離画定装置では、光源たる半導体レーザ１からの光を投
光レンズ２で被測定物３に照射し、その被測定物からの
反射光を受光レンズ４で半導体装置検出素子（Ｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｖ’ｉｃｅ；以下
ＰＳＤと称す）５に結像し、ＰＳＤ５からの出力信号を
コントローラ７等によって解析して、被測定物の変位に
伴う結像位置のずれ量を検出し、被測定物の変位量を検
出している。

第７図は従来の距離測定装置の別の例を示し、被測定物
体までの距離を測定する距離画定装置の例を示す、この
距離測定装置は、ＬＥＤ駆動回路３６によって駆動され
発光するＬＥＤＩから射出された光を投光レンズ２によ
って細いビーム光に収束して被測定物たる物体３に照射
し、その物体３から反射された光を受光レンズ４によっ
てＰＳＤ５の受光面上にスポット光として集光する。こ
の時、ＰＳＤ５の左右端に夫々設けられた出力端子には
、受光ｌ上の光の集光位置に対応した電流工□。

工２がそれぞれ流れる。このＰＳＤ５からの電流Ｉｌｌ
工２はそれぞれアンプ３１．３２と信号処理回路３３．
３４を経て、距離演算回路３５に入力され、その距離演
算回路３５はＰＳＤＦ）からの出力電流Ｉ、、ｒ２に基
づいて物体３までの距離Ｌ０　を算出する。

ここで、ＰＳＤについて簡単に説明する。

ＰＳＤは、シリコンフォトダイオードを応用した光スポ
ットの位置検出用センサで、周知のビジコンやＣＣＤセ
ンサ等と異なり、非分割型の素子であるため、光スポッ
トの入射位置に対応した連続した電気信号が得られ、位
置分解能、応答性に優れた素子である。

このＰＳＤは、第１０図に示すように、平板状シリコン
の表面に２層、裏面にＮ層、そして中間にある１層の３
Ｎから構成されており、ＰＳＤに入射した光ｒは、光電
変換され、光電流工□ｔ　ＩｚとしてＰＭにつけられた
電極から分割出力される。

より詳しく説明すると、ＰＳＤに光スポラｌ”　ｒが入
射すると、入射位置には入射された光のエネルギーに比
例した電荷が発生し、発生した電荷は光電流として抵抗
層（図の場合ＰＨ）　　を通り、Ｐ屡の左右端に設けら
れた電極より電流１．、Ｉ、としてそれぞれ出力される
。ここで、上記抵抗層は、前面に均一な抵抗値を持つよ
うに作られており、したがって、上記光電流は光スポッ
トｒの入射位置からそれぞれの電極までの距離ｘＢｐ　
２Ｌ　　ＸＢ（即ち、抵抗値）に逆比例して分割され、
電流ＩＬｔエ８として取り出される。

ここで、ＰＳＤ５の長さを２Ｌ、光スポットの入射位置
、即ち、受光面上の光強度の最も強い位置からＰＳＤの
受光面中心までの距離を都とし、ＰＳＤ左右端のそれぞ
れの電極から取り出される電流をｒ、、Ｉ、とすると、
その出力電流比は、工ｉ　　Ｌ−ハ Ｉ、　　　Ｌ　＋　ＸＡ となる。したがって、上記出力電流Ｉ、、Ｉ２を検出す
ることによって、光スポツト入射位置の受光中心からの
距離−を求めることができる。

ここで、再び第７図にしたがって説明すると、投光レン
ズ２と受光レンズ４の距離、すなわち、基線長をα、受
光し〉ズ４とＰＳＤ５との距離をｆ工とすると、物体３
の位置（距離）Ｌｏは上記ＰＳＤＳ上の光の入射位置−
の検出値から、簡単な三角訓量の原理を用いて。

　　ｆｓ Ｌ０＝□ ＸＡ と求めることができる。

ところで、前記ＰＳＤ５は、前述したように、受光面上
の光強度の最も強い位置、即ち、光の集光位置靭に比例
してＩ、、Ｉ、の電流が流れるため、ＣＯＤのように受
光レンズ４の焦点がずれているような場合にも光の集光
位置を検出できるという特徴があるがこの場合、位置の
測定精度は悪くなる。したがって１、測定精度を良くし
ようとする場合には受光面上の焦点のずれを少なくする
必要がある。このため、高精度な位置検出を行なうため
には、ＰＳＤを余り大きくすることができず、比較的小
さいＰＳＤを使用せねばならず、測定範囲を広くするこ
とができないという問題が生じる。

しかも、ＰＳＤは受光面の片側（中心から半分）しか有
効に使えないという欠点があるため検出範囲はより狭く
なってしまう、事実、現在市販されている精度の良いＰ
ＳＤは、通常、受光面の長さ３ｍｍ、有効長１．５＋ａ
ｍ程度と小さく検出範囲が非常に狭い。

このため、前記第６図に示した変位検出用の距離測定装
置の高精度化を図る場合、上記市版品のような小さいＰ
ＳＤを使用せねばならず、したがって、ＰＳＤの集光位
置検出範囲が狭くなり、測定中心距ｆｉｌｏｏｎ＋＋＊
に対して測定範囲が±３０＋ａｍ程度と測定物体３まで
の距離及び変位検出範囲が狭くなり、汎用性に乏しいと
いう問題が生じる。

また、第７図に示した距離測定装置の場合にも同様に、
距離の測定精度を良くするためには高精度のＰＳＤを用
いるため、第８図に示すように、距離測定装置が１例え
ば、図中Ａ−Ｂ間に限られてしまい、やはり汎用性に乏
しいという問題が生じろ。

また、距離測定装置を応用して、第９図に示すように、
投光レンズ２によって投光される光を回転多面鏡６等に
より偏向走査し、各走査光に対して物体までの距離を測
定し、物体の表面形状や大きさを検出するいわゆる物体
認識装置として用いた場合に、高精度化を図ろうとする
と、やはりＰＳＤ５の前記有効長が小さくなるため、測
定可能な領域が図示の斜線部Ｓｔ！囲内に限られてしま
い。

測定可能な物体の大きさ、形状、及び物体までの距離な
どがかなり制約されてしまい、やはり汎用性に乏しくな
るという問題が生じる。

（目　　的） 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、比
較的小型で且つ簡単な構成の、高精度でしかも検出範囲
が広く汎用性のある距離測定装置を提供することを目的
とする。

（構　　成） 上記目的を達成するため１本発明は、被測定物に投光さ
れる光を射出する光源と、光源から射出された光を収束
し被測定物に照射する投光レンズと、上記被測定物から
の反射光を受光し集光する受光レンズと、該受光レンズ
によって集光される上記反射光の集光位置を検出する位
置検出素子と、該位置検出素子からの信号に基づいて上
記被測定物までの距離や被測定物の変位量、形状を検出
する手段とを有する距離測定装置において、上記受光レ
ンズからの光を複数に分割する手段と、その分割数に対
応した数の位置検出素子とを有する構成としたことを特
徴とする特 即ち１本発明では、受光レンズからの光を複数に分割す
る手段と、その分割数に対応した数の位置検出素子とを
設け、遠方から近距離までの広い範囲を個々の位置検出
素子に分割して検出させ。

検出範囲の拡大を図るものである。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図おいて、本発明による距離測定装置は、第６図乃
至男８図に示した従来の距離測定装置と同様に、被測定
物に投光される光を射出する半導体レーザやＬＥＤ等か
らなる光源１と、その光源１から射出された光を収束し
被測定物に照射する投光レンズ２と、Ｅ記被謂定物から
の反射光を受光し集光する受光レンズ４と、該５′光レ
ンズ４によって集光される上記反射光の集光位置を検出
する位置検出素子（ＰＳＤ）５と、該位置検出素子５か
らの信号に基づいて上記被測定物までの距離や変位量を
検出する手段（図示せず）とを有し、被測定物からの反
射光を受光レンズ４でＰＳＤ５の受光面に集光し、受光
面上の光の集光位置に対応して出力されるＰＳＤ５の出
力信号と、投光レンズ２と受光レンズ４の距離、受光レ
ンズ４とＰＳＤ５との距離とから三角洞量の原理により
、被測定物までの距離や変位量を検出する。

ところで、前述したように、従来の高精度な距離測定装
置では、使用するＰＳＤにより測定距離範囲に制約を受
け、距離や変位の測定範囲が例えば第８図に示したＡ−
Ｂ間の如く、比較的狭い範囲での測定しか行なえなかっ
た。

そこで、本発明では、高精度なＰＳＤを複数個用意し、
各ＰＳＤを第１図に示すように図中Ｄ−Ａ、Ａ−Ｂ、Ｂ
−Ｃの各距雛笥囲に対応する受光レンズ４の集光範回位
置ＰＩ、　Ｐ２．　ＰＳに配置し、ヲ定範囲を図中Ｄ−
Ｃの範囲まで５広げる。即ち１図中距離範囲Ｄ−Ａに対
応するＰＳＤをＰＳ、Ａ−Ｂに対応するＰＳＤをＰ２．
Ｂ−Ｃに対応するＰＳＤをＰｌの位置にそれぞれ配置す
ることにより、測定範囲を図中Ｄ−Ｃの範囲まで広げ、
測定範囲の拡大を図るものである。

ところが、このようにＰＳＤを単に配置した場合、前述
したように、ＰＳＤの有効範囲はＰＳＤの長さの半分し
かないため１図中Ｄ−Ｃ範囲を切目無く連続して測定で
きるようにＰＳ−Ｄを配置することは物理的に不可能で
あり、したがって、第１図のＰＩ、　Ｐ２．　Ｐ３位置
にＰＳＤｔｉ−隙間無く配置しても、？ｌＦｌ定できな
い範囲が生じてしまうという開運が生じる。

そこで、本発明においては、受光レンズからの光を複数
に分割する手段と、その分割数に対応した数の位置検出
素子とを有する構成とし、遠方から近距離までの広い範
囲を個々の位置検出素子に分割して検出させ、検出範囲
の拡大を図る。

第２図は本発明の一実施例を表す距離測定装置の要部構
成例を示すものであって、図中符号３は被測定物、符号
４は受光レンズ、符号１０．１１はハーフミラ−１符号
５Ｌ　５２ｐ　５３はＰＳＤを表す。即ち１本実施例に
おいては、被測定物３によって反射され受光レンズ４に
よって集光される光の光路をハーフミラ−１０，１１に
よって三方向に分割し、各方向にそれぞれＰ　Ｓ　Ｄ５
１．５２．５３を配設した例を示す。尚、各方向に配置
されるＰ　Ｓ　Ｄ５１．５２゜５３の配置位置は、前記
Ｄ−Ａ、Ａ−Ｂ、Ｂ−Ｃの各測定距離範囲に対応してそ
れぞれ調整される。

また、上記ハーフミラ−１０，１１のうち、符号１０側
を１／３反射２／３透過のミラーとし、符号１１側を半
反射、半透過のミラーとすることにより、各ＰＳＤＳＬ
、　５２．５３の受光光量を均一にすることができる。

第３図は本発明の別の実施例を表す距離測定装置の要部
構成例を示すものであって、この実施例では、前記第２
図に示したハーフミラ−に換えてプリズム１２によって
光路を三方向に分割した例を示す。

ところで、Ｐ　Ｓ　Ｄ５１，５２．５３は受光面上の光
強度の最も強い位置を検出するため、第２図、第６図に
おいて、各位置に配置されたＰ　Ｓ　０５１，５２．５
３がそれぞれ東独に位置を検出してしまうおそれがある
。そこで本発明においては、上記第２回着しくは第３図
に示したＰ　Ｓ　Ｄ５１，５２，５３からの信号に基づ
いて被測定物までの距離や被測定物の変位量等を検出す
る手段として、第５図に一例を示すような判定回路を有
する構成の距離検出手段を設ける。

同図において、図中符号ＡＩ、Ａ２．Ａ３．Ａ４．Ａ５
．Ａ６は各ＰＳＤからの出力電流を増幅するアンプ、符
号Ｓｔ、Ｓ２．Ｓ３．Ｓ４．Ｓ５．Ｓ６は各アンプＡＩ
、Ａ２．Ａ３．Ａ４．Ａ５．Ａ６からの出力信号を処理
する信号処理回路、符号２０は各信号処理回路Ｓｌ、Ｓ
２．Ｓ３．Ｓ４．Ｓ５．Ｓ６を介して入力される各Ｐ　
Ｓ　ＤＳＬ、５２，５３の出力の和（工□＋Ｉ２）を比
較し、出力の和の最も大きい信号を判定する判定回路、
符号２１はその判定回路２０からの信号に基づいて距離
や変位量等を算出する距離演算回路を夫々示す。

即ち、第５図に示す距離検出手段では、判定回路２０に
よって各Ｐ　Ｓ　Ｄ３１，５２．５３からの４３号が比
較され、最も受光した光強度の強いものが判定されろた
め、被測定物の存在領戎を容易に判判定することができ
、正確な距離の算出を容易に行なうことができる。

第４図は本発明による距離測定装置の応用例を示す図で
あって、前記第９図に示したものと同様に、投光レンズ
２を介して投光される光源１からの光を、回転多面鏡６
等の光走査器によって偏向走査し、各走査光に対して物
体までの距離を測定し、物体の表面形状や大きさを検出
するいわゆる物体認識装置に本発明を適用した場合の等
価原理図を示す。

尚、図では測定範囲を判り易くするために、ＰＳＤの配
置位置をＰＬ、Ｐ２．Ｐ３としているが、実際は、前記
第２回着しくは第３＠に示したように、被測定物からの
光は受光レンズ４を透過後、ハーフミラ−やプリズム等
により複数方向に分割され、各分割方向に配置された各
Ｐ　Ｓ　ＤＳＬ、５２．５３上に集光される。

さて、第４図に等制約に示すように、本発明が適用され
た物体認識装置としての距離測定装置では、ＰＳＤを複
数用いたことにより洞室領域を図中斜線部の如く広げる
ことができ、第９図に示した従来装置に比べて、より広
い領域、大きさの物体の検出が可能となる。

尚、第４図において、光を走査する方式には上記回転多
面鏡の他に、ホログラムスキャナー、ガルバノミラ−等
を用いてもよい。また、同図においては、一方向走査の
例を示したが、物体の立体形状を認識するために面走査
をする場合には、装置全体を光走査方向と直角方向に移
動走査する機構を設ければよい。また、上記光源１とし
てはＬＥＤや半導体レーザ等が用いられる。

以上、第２図乃至第５図に示したように１本発明では、
被測定物３に投光される光を射出する光源１と、光源１
から射出された光を収束し被測定物３に窯射する投光レ
ンズ２と、上記被測定物３からの反射光を受光し集光す
る受光レンズ４と、該受光レンズ４によって集光される
上記反射光の集光位置を検出オるＰＳＤと、該ＰＳＤか
Ｉ）の信号に基づいて上記被測定物３までの距離や被測
定物３の変位量、形状を検出する手段とを有する距１ｍ
’Ｊ定装置において、上記受光レンズ４からの光の光路
を複数方向に分割する手段としてのハーフミラ−１０，
１１やプリズム１２等と、その分割された光に対応して
それぞれ配置されるＰ　Ｓ　ＤＳＬ、５２．５３とを有
する構成としたことにより、比較的小型で且つ簡単な構
成の、高精度でしかも検出範囲が広い距離画定装置を提
供することができる。

（効　　果） 以上説明した通り１本発明による距′Ｒ′ＩｊＡ定装置
は゛、比較的小型で且つ簡単な構成にもかかわらず、高
精度でしかも検出範囲が広いため、ロボット用視覚セン
サ、オートフォーカス用距離計、物体認識用センサ、Ｆ
Ａ泪視覚センサ、変位計等に広く応用することができ、
汎用性に偏れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による距離測定装置の原理を説明するた
めの概略要部構成図、第２図は本発明の一実施例を表す
距離測定装置の概略要部構成図、第３図は本発明の別の
実施例を表す雇難瀾定装置の概略要部構成図、第４図は
本発明の応用実施例を表す物体認識装置としての距離測
定装置の概略要部構成図、第５図は本発明による距離測
定装置の回路構成例を示すブロック図、第６図及び第７
図は従来の距離測定装置の夫々別の例を表す距離測定装
置の概略構成図、第８図は第６図及び第７図に示す従来
装置の測定範囲を説明するための図、第９図は物体認識
装置として応用したときの距離認定装置の検出範囲を説
明するための距離認定装置の概略要部構成図、第１０図
は位置検出素子の一例を表すＰＳＤの断面図である。 １・・・・光源、２・・・・投光レンズ、３・・・・被
測定物、４・・・・受光レンズ、　Ｓ、５１，５２，５
３・・・・位置検出素子、１０．１１・・・・ハーフミ
ラ−１１２・・・・プリズム。 第１図 Ｍ　２　図 第　３　図 第　４　図 第　５　図 第　６　図 第　７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物に投光される光を射出する光源と、光源から射
   出された光を収束し被測定物に照射する投光レンズと、
   上記被測定物からの反射光を受光し集光する受光レンズ
   と、該受光レンズによって集光される上記反射光の集光
   位置を検出する位置検出素子と、該位置検出素子からの
   信号に基づいて上記被測定物までの距離や被測定物の変
   位量。 形状を検出する手段とを有する距離測定装置において、
   上記受光レンズからの光を複数に分割する手段と、その
   分割数に対応した数の位置検出素子とを有することを特
   徴とした距離測定装置。