JPH01158376A

JPH01158376A - 光測距装置

Info

Publication number: JPH01158376A
Application number: JP31615287A
Authority: JP
Inventors: Yoshitomi Sameda; 芳富鮫田; Mitsuo Matsumoto; 光雄松本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1989-06-21

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）（従来の技術）物体に光を照射し、その反射光から該物体までの距離を
測定する方法が実用化されている。例えば、一定周波数
で光強度変調された光源を用い反射光の位相遅れから光
路長を算出する装置が本出願人によって提案されている
。（特願昭５９−このような光測新装置は、照射光の光
軸と反射光の光軸が一致した集光レンズと受光素子の受
光面を持つ光学系で構成され、照射光を細い平行ビーム
とした場合、被測距物体の照射部分は点（以下物点と称
す）となる。この物点で乱反射した光の一部が受光面に
到達し、このときの遅れ時間（位相）から距離の測定が
行われる。

しかし、上記のような光学系で短距離の測定を行う場合
、物点と集光レンズ間の距離の変化に対する受光強度の
変化が大きく、測距回路のダイナミックレジンを大きく
しなければならず広い測距範囲で精度良く検出すること
が困難な場合がある。

すなわち、平行スポットビームにより物点の照射光強度
は距離の変化にかぎわらず一定となり、物点は集光レン
ズに対し光軸上を移動する一定光強度の点光源を見なす
ことができるが、受光素子の受光面面積が小さく、集光
レンズに入射した物点の反射光の一部が距離によって受
光面に到達しない場合が生じる。

以下、この様子を第３図を用いて説明する。

同図において、３０は集光レンズであり、球面レンズを
用いた一般的な光学系では、結像の収差を起す球面収差
は小さい方が良いとされ従来、球面収差の小さいレンズ
を用いているｍｓｌは受光素子の受光面を意味し、Ｓ２
はレンズ３０によるＳ４の像を意味する。点Ｐ１とＰ２
は像Ｓ２の外周とレンズ３０の外周を通る光線Ｑ１とＱ
２が光軸らと交鎖する点である。

また、点Ｐ、とＰ４はレンズ３０の外周と受光面Ｓ□の
外周を通る光線（１１１とＱ２′が光軸Ｑ。と交鎖する
点である。

このような光学系において、物点がＰ□とＰ２の間にあ
るとき、その結像は点Ｐ、とＰ、の間に位置し、光面Ｓ
１に入射する。（この場合ω１〈ωくω２となる。）物点が点Ｐ２の右側（Ｐ工）あるいは点Ｐ工の左側に位
置したとき、その結像は点Ｐ、より右側、あるいは点Ｐ
、より左側に位置し、レンズ３０に入射する光線の一部
だけが受光面Ｓ１に入射する。すなわち、物点Ｐｘから
レンズ３０を見込む立体角ω工の内、受光面Ｓ１の像Ｓ
２を見込む立体角ωＶの範囲の光線だけが受光面Ｓユに
入射する。

レンズ３０の面積を８０．物点Ｐ工とレンズ３０間の距
離をγ工とすると立体角ω工＝Ｓ、／γＸ′となり、　
また、像Ｓ２の面積をＳ３．物点Ｐｘと像Ｓ２間の距離
をγ、とすると立体角ω、＝Ｓ２／γｖ２となる。　よ
って物点がＰ２に位置したとき立体角ω工とω、は等し
くなり共にω２となる。

上述から、受光強度は物点が点Ｐ□とＰ２の間に位置し
たとき１／γｖ２に比例し、物点が点Ｐ、より左側ある
いは点Ｐ２より右側に位置したとき１／γｖ２に比例す
る。

このような従来の光学系を用いた場合の受光強度特性の
例を第２図の曲線Ａを示す。この例は、レンズに焦点距
離”　５０ｇ＋＋＊、直径＝　３８ｍｍを使用し、受光
面に直径＝０．５ｍｓ＋のものをレンズから５２．５ｍ
ｍの位置に配置した場合の測定範囲３００〜１０００＋
ｓｍの受光強度を立体角で表した特性である。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、上記従来の光学系による受光強度特性は、物点
とレンズ間の距離が３００ｍｍから１ｏ００＋＋＋ｍの
範囲で最大値と最小値の比が約１７倍と大きく変化し、
光電変換器、増幅器を含む測距回路に大きなダイナミッ
クレンジが要求され、Ｓ／Ｎ比や位相検出精度が低下し
て広い測距範囲で高精度の距離検出が困難である。

本発明は測定距離が変化しても受光面に入射する光強度
があまり変化しない様にして測距回路のダイナミックレ
ジンを大きくすることなく広い測距範囲で高精度の距離
検出を可能とした光測新装置を得ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するため本発明は、被測距物体にスポッ
トビーム光を照射し、その反射光を光電変換して距離を
検出する装置において、前記スポットビーム光軸上に光
軸を持つ集光レンズと、前記光軸上に小さな受光面を有
する光電変換素子を設け、被ａｌｌ距物体と集光レンズ
間の距離に対応して結像位置が前記受光面の前後に移動
するように前記集光レンズに積極的に球面収差を設け、
測定距離の変化による受光面の光強度の変化を抑制し約
一定となるように構成した光測新装置である。

（作　　用）スポットビーム光の照射により被測距物体上の照射スポ
ットは乱反射し、距離の変化にかＮわらず一定輝度の点
光源すなわち、物点となる。該物点から集光レンズに入
射した反射光の結像位置は集光レンズに設けられた積極
的な球面収差により小さな受光面の前後の位置に分散し
、物点と集光レンズ間の距離が変化したとき受光面に入
射する光強度がほり一定となる。

すなわち、球面収差は集光レンズに入射する光線が光軸
から離れるにつれて大きくなり、その変化の割合も大き
くなるように設けている。

これにより、受光面の光を光電変換し、距離を検出する
測距回路のダイナミックレンジを大きくすることなく広
い測距範囲で高精度の距離検出を行うことが可能となる
。

（実　施　例）本発明の実施例を第１図に示す、同図において、１はス
ポットビーム光６゜を出射し被測距物体５からの反射光
を光電変換した信号Ｅ０から距離り、を検出する測距回
路、２はスポットビーム光を被測距物体５に照射するハ
ーフミラ−１３は被測距物体５からの反射光を集光する
レンズで、中央部３ａと輪帯部３ｂに積極的な球面収差
を設けている。４は光電変換素子の小さい受光面で、こ
の面の光強度に応じた電気信号Ｅ。に変換される。

上記構成において、スポットビーム光の照射により被測
距物体５上に生じる物点Ｐ１から発散しレンズ３に入射
する反射光はレンズの積極的な球面収差により異なった
位置に結像する。すなわち、光線Ｑ。はレンズ３の中央
部３ａの外周を通過し結像点Ｐ２に向かって進行し受光
面４の外周に入射する。

このときの光線らで定まる立体角をω８とする。

また、光線Ｑｂはレンズ３の輪帯部３ｂの内周を通過し
結像点Ｐ３に向って進行し受光面の外周に入射する。こ
のとき光線Ｑｂで定まる立体角をωｂとする。

また、光線ｅ０は輪帯部３ｂの外周を通過し結像点Ｐ４
に向って進行し受光面４の外周に入射する。このとき光
ｔｌｔ＋　Ｎ　ｃで定まる立体角をω。とする。

上述から、受光面４に入射する光線は、光線Ｑａの内側
の光線と、光線Ｑｂより外側で光線ａ０より内側の光線
となる。従って受光強度はω８−ωｂ＋ω。

に比例する。

ここで、物点Ｐ□がレンズ３に近づいた場合と考える。

物点Ｐ工がレンズ３に近づくとレンズ３に入射した光線
のすべての結像位置はレンズ３から遠ざかり右側にゴれ
て受光面４の外周に入射する光線ら。

Ｑｂ＋　ＱＣのレンズ入射位置が変化し、中央部３ａの
径は小さく１輪帯部３ｂの径は大きく変化する。すなわ
ち、レンズ３には積極的な球面収差が設けられており、
光軸からの距離増加に対する結像の収差の増加の割合は
、光°線の入射位置が光軸に近い所では小さく、光軸か
ら離れた所では大きくなり。

物点Ｐ１がレンズ３に近づくときの輪帯部３ｂの内径の
増分の方が外径の増分に比べて大きくなる。従って、物
点Ｐ１とレンズ３間の距離が変化しても立体角ωａ−ω
ｂ＋ω。は一定とすることができ、受　・光面４の光強
度を一定にすることが可能となる。

本発明シ適用した場合の受光強度特性例を第２図の曲線
Ｂに示す。同側は、レンズに焦点距離＝５０ＩＩｌｌｌ
、直径＝　３８ｍｍ、屈折率＝　１．５２．中心厚＝１
１．２履ｍの平凸レンズを用い凸面を物点側に向け、受
光面は直径＝０．５ｍｍとしてレンズから５９．５＋ａ
■に配置し、測距範囲３００〜１０００ｍｍについて受
光面の受光強度を光線追跡法によって立体角で表した特
性である。この曲線Ｂから明らかなように測距範囲３０
０〜１０１００Ｏ＋において、受光強度の最大値／最小
値の比が２倍に治まり、従来装置の大きな変化（１７倍
）が抑制されている。

〔発明の効果〕

以上、説明したように１本発明によれば、物点とレンズ
間の距離の変化に対する受光面の受光強度の変化を小さ
くすることができ、測距回路に要求されるダイナミック
レンジが低減され、広い測距範囲で高精度の距離の検出
を行う光測距装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例図、第２図は本発明の装置と
従来装置の受光強度変化を説明するための特性図、第３
図は従来の集光レンズを説明するための光学図である。１・・・測距回路　　　　　２・・・ハーフミラ−３・
・・集光レンズ　　　　３ａ・・・中央部３ｂ・・・輪
帯部　　　　　　４・・・受光面（受光素子）５・・・
被測距物体代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　第子丸　健Ｄ。第１図２巨難　（ｍｍ）

Claims

【特許請求の範囲】

被測距物体にスポットビーム光を照射し、その反射光を
光電変換して距離を検出する装置において、前記スポッ
トビーム光軸上に光軸を持つ集光レンズと、前記光軸上
に受光面を有する光電変換素子を設け、被測距物体と集
光レンズ間の距離に対応して結像位置が移動するように
前記集光レンズに積極的に球面収差を設け、受光面の光
強度の変動を抑制することを特徴とする光測距装置。