JPH03223616A - 光電式測距装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ変位針などとして知られている光電式
測距装置に関する。

〔従来の技術〕

頭記した光電式測距装置は、投光素子と投光レンズを組
合せた投光部と、−次元位１検出素子を受光素子として
受光レンズと組合せた受光部と、信号処理部とからなり
、半導体レーザなどの投光素子から投光レンズを通じて
被測定物体に照射した光スボントの反射光を受光レンズ
を通じて投光軸と異なる光軸上に配置した受光素子とし
ての一次元位置検出素子（Ｐ　Ｓ　Ｄ）の受光面上に投
影して結像させ、その結像位置に対応して受光素子から
出力する信号を検出、演算処理して被測定物体までの距
離、ないしその変位を測定するようにしたものであり、
その測定原理は例えば特開昭５５−１１９００６号公報
などに開示され周知である。

ここで、前記の受光素子として用いる一次元位置検出素
子は、第５図に示すような拡散型ＰＩＮフォトダイオー
ドであり、表面の２層に入射光が照射するとその光エネ
ルギーに応じた電荷が発生し、電流としてダイオードの
両端に設けた電極から外部に取り出される。この場合に
Ｐ層の表面抵抗分布は一様であるから、入射光がスポッ
ト状であれば、両端の電極から取り出される電流の大き
さは、光スポットのエネルギー重心位置と各電極との間
の距離に逆比例する。したがって各電極から取り出され
る電流をＩＩ＋　Ｉｇとし、入射光スポットのエネルギ
ー重心と各電極までの距離をそれぞれり、、　Ｌｔとす
れば、１゜−Ｌ　＋　Ｉｔ、　　Ｌ　−Ｌｔ　＋　Ｌｔ
として、Ｉ、−１゜・Ｌｘ／Ｌ、　ｔ、−＋。・Ｌ＋／
Ｌとして表される。

〔発明が解決しようとする１！１１） ところで、前記した光電式測距装置では、被測定物体の
反射面が光ビームの光軸に対して傾いていたり、あるい
は被測定物体の表面で反射率の大きく異なる領域の境界
に光ビームを照射した状態で測定すると、受光レンズ上
での反射光の強度分布が不均一となる。すなわち、被測
定物体の状態如何によって反射光を受光部で受光する際
に、受光レンズの中心を透過する光量が大となる場合や
、逆に受光レンズの周縁部を透過する光量が大となる場
合があり、これが基で受光素子の受光面上に結像した受
光スボントのエネルギー分布が変化し、その光エネルギ
ーの重心がレンズ収差のない状態での正規な結像点位置
より偏倚するようになる。

また、一般にレンズには収差があり、受光レンズを通じ
て受光素子の受光面上に投影した受光スポットの像はレ
ンズ収差の影響を受けて歪みが住じる。そのために受光
素子の受光面上に結像した受光スポットの光エネルギー
の重心偏倚量はレンズ収差の影響も加わってますます増
大するようになる。

しかも、前記のようにレンズ収差などに起因する結像光
スポットの光エネルギー重心の偏倚は、被測定物体の変
位に対応して受光素子の受光面上を移動する結像光スポ
ットの移動と区別して検出することが原理的に不可能で
あるため、結果として光エネルギーの重心の偏倚が直接
測定誤差となって現れるようになる。

なお、受光レンズとして単レンズの代わりに収差の少な
い複合レンズを採用して測定精度を高めることも考えら
れるが、複合レンズは高価であって測距装置がコスト高
となる。また、レンズ収差を小さくする手段として受光
レンズに絞りを組合せてレンズの有効径を縮小し、入射
光の透過範囲をレンズ収差が小さい受光レンズの中央域
に制限する方法もあるが、単にレンズの有効径を縮小し
ただけでは受光レンズを透過して受光素子に到達する光
量が減少するので、受光素子から出力する検出信号のＳ
Ｎ比が小さくなる。このために外乱光などによる影響を
受は昌く測定精度が低下する。

本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、十分
な透過光量を確保しかつレンズ収差の影響を小さく抑え
ることによりＳ／Ｎ比と測定精度に優れる光電式測距装
置を提供することを目的とする。

（Ｊ’ｉ！ｆｉを解決するための手段）上記！ｉＢを解
決するために、本発明による測距装置は、受光部には受
光レンズの光軸に中心を合わせて視野絞りを設置すると
ともに、該視野絞りの絞り穴形状について、被測定物体
の遠近方向への変位に対応して受光素子の受光面上を移
動する結像点の移動方向に沿った開口幅を小に、結像点
移動方向と直角方向の開口幅を大に設定して構成するも
のとする。

〔作用〕

上記の構成で、被測定物体に照射した光スボントの反射
光は受光部で受光する際に、視野絞り。

受光レンズを透過して受光素子の受光面上に結像する。

ここで視野絞りの絞り穴の形状について、被測定物体の
遠近方向への変位に対応して受光素子の受光面上を移動
する結像点の移動方向では絞り穴の開口幅が受光レンズ
の収差の影響を殆ど無視できる程度の小さな幅に設定さ
れているのに対し、結像点移動方向と直角方向では入射
光が受光レンズの周縁まで一杯に透過するように絞り穴
の開口幅が大に設定されている。

したがって、視野絞りでは十分な開口面積が確保され、
被測定物体に照射した光スポットの反射光は十分な光量
が視野絞りを透過して受光素子の受光面上に到達する。

しかも、被測定物体の変位に対応して受光素子の受光面
上を移動する結像点の移動方向では、絞り穴の開口幅が
受光レンズの中心付近で狭く絞られているのでレンズ収
差の影響が小さく、受光面上に結像した光スポットの幾
何学的中心と光エネルギーの重心との間に偏倚が殆ど発
生しない、これに対して前記と直角方向では、絞り穴の
開口幅が大きいのでレンズ収差の影響が大きく現れるが
、この方向には一次元位置検出素子である受光素子が被
測定物体の変位に対する位置検出感度を持たないので、
レンズ収差が測定精度に影響を及ぼすことがない。

これにより、視野絞りを通過して受光素子へ到達する反
射光の光量を十分確保して受光素子の構出信号に対する
ＳＮ比の向上化を図りつつ、一方では被測定物体の距離
、変位の測定精度に及ぼすレンズ収差などによる影響が
十分低く抑えられる。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づいて説明する。まず、第１図は
測距装置全体の構成を示すものであり、図において、１
は投光部、２は受光部、３は信号処理部、４は被測定物
体である。また、投光部１は半導体レーザなどの投光素
子５．投光レンズ６を備え、受光部２は受光レンズ７、
第５図で述べた拡散型ＰＩＮフォトダイオードの一次元
位置検出素子を採用した受光素子８．および受光レンズ
７の前方に配した視野絞り９を備えている。また、信号
処理部３は投光素子５の駆動回路ｌＯ１受光素子８に接
続した受光スポフトの位置検出回路１１゜該回路１１よ
り出力した位置検出信号を所定の式により演算して被測
定物体４までの距離、変位に対応した測定信号を出力す
る演算回路１２．およびクロック信号の発振器１３など
で構成されている。

なお、前記の投光部ｌと受光部２と間では光学系がシャ
インプルーグ条件を満足するように配置されている。す
なわち、受光レンズ７の主平面と受光素子８の受光面の
各延長線が投光系の光軸上の一点で交差するように定め
である。

かかる構成で投光部ｌより被測定物体４に向けて出射し
た照射光１４は被測定物体４の表面に光スポットを形成
し、その反射光１５が受光部２に入射して視野絞り９．
受光レンズ７を透過した上で受光素子８の受光面上に結
像する。また、被測定物体４が照射光１４の光軸に沿っ
て遠近方向に変位すれば、これに対応して受光素子８の
受光面上における反射光１５の結像点位置が移動する。

一方、受光素子８からは受光面上に投影した受光スポッ
トの結像位置に相応した電流Ｉｔ、　ｌｘが出力し、こ
れを後段の検出回路１１にて信号変換して演算回路１２
に送り、ここで所定の式で演算処理して被測定物体４ま
での距離、変位に対応した測定信号を出力する。なお、
この測定原理は従来の測距装置と同様である。

次に前記した視野絞り９について、その絞り穴の形状を
第２図に示す、なお第２図において、受光素子８の受光
面上で仮想したｘ−ｙ座標軸のうち、Ｙ軸は第１図にお
ける被測定物体４の変位に対応して受光素子４の受光面
上を移動する結像点の移動方向に一致し、Ｘ軸はＹ軸と
直角をなす方向軸を表している。そして、視野絞り９に
はその中心を受光レンズ７の光軸Ｏに合わせて楕円形の
絞り穴９ａが開口している。ここで楕円の短径ａは前記
したＹ軸方向に、また長径すはＸ軸方向に向くように定
めてあり、かつ長径すに対応する開口幅は受光レンズ７
の直径と略同じに合わせである。

つまり、受光素子８の受光面上に仮想した前記のＹ軸方
向に沿った絞り穴９ａの開口幅（短径ａ）は小であり、
Ｘ軸方向の開口幅（長径ｂ）は大である。

したがって、反射光１５が前記視野絞り９の絞り穴９ａ
＋受光レンズ７を透過して受光素子８の受光面上に結像
した受光スポット像の形状は第３図のようになる。すな
わち、反射光１５が視野絞り９の楕円形の絞り穴９ａを
透過する際に、楕円の短径ａ方向では、光線が狭い開口
幅に制限されて受光レンズ７の光軸付近を通過するする
のでレンズ収差の影響を受ける度合が少なく、Ｙ軸に沿
った像の高さＡは小である。これに対して楕円の長径す
方向では、光線が広い開口幅一杯に拡がりで受光しンズ
７を通過するのでＸ軸に沿った像のｌ！Ｂは高さ人に比
べて大となる。

これにより、受光素子８の受光面上に結像した受光スボ
ントについて、その光エネルギーの重心は第３図に斜線
で表した横長な像の範囲内にあり、先述のように被測定
物体の光軸に対する傾き、レンズ収差などに起因して受
光スポットの光エネルギーの重心が偏倚したとしても、
その偏倚量は受光面上のＹ軸方向に沿った像高さＡの狭
い範囲内に収まる。一方、第１図で述べたように受光素
子８の受光面上に結像した受光スポットは被測定物体４
の変位に対応してＹ軸方向に移動し、これと直角なＸ軸
方向では位置積出感度を持たない。

この結果、レンズ収差などに起因する受光スポットの光
エネルギー重心の偏倚が距離、変位の測定精度に及ぼす
影響は小さくなる。しかも、視野絞り９の絞り穴９ａは
Ｘ軸方向の開口幅（長径ｂ）を広げたので開口面積が大
であり、この絞り穴９ａを透過して受光素子８に十分な
光量が到達するので受光素子８から出力する検出信号の
ＳＮ比を低めるごともなく、これにより高い測定精度が
得られる。

なお、第２図では視野絞り９の絞り穴の形状を楕円とし
た例を示したが楕円に限定されることはなく、第４図（
５）、山）のように絞り穴９ａの開口形状を矩形、菱形
として実施しても同様な効果を奏することができる。

（発明の効果〕 本発明の光電式測距装置は、受光部には受光レンズの光
軸に中心を合わせて視野絞りを設置するとともに、該視
野絞りの絞り穴形状について、被測定物体の遠近方向へ
の変位に対応して受光素子の受光面上を移動する結像点
の移動方向に沿った開口幅を小に、結像点移動方向と直
角方向の開口幅を大に設定したことにより、次記の効果
を奏する。

（１）視野絞りを透過して受光素子の受光面上に到達す
る光量を極端に絞ることなく、したがって受光素子より
出力する検出信号のＳＮ比を十分高く確保しつつ、一方
では受光レンズのレンズ収差などの影響を小さく抑えて
測定精度の向上化が図れる。

（２）シたがって受光レンズとしてレンズ収差の少ない
高価な複合レンズを採用することなく、安価な単レンズ
を使用して測定精度の高い測距装置を得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による光電式測距装置全体の構
成図、第２図は第１図における要部構造を示す斜視図、
第３図は受光素子の受光面上に結像した受光スポットの
形状図、第４図（４）、　（ｂ）はそれぞれ視野絞りに
ついて第２図と異なる実施例の形状図、第５図は受光素
子として用いた一次元位置検出素子（拡散型ＰＩＮフォ
トダイオード）の構成図である０図において、 １−投光部、２：受光部、３：信号処理部、４：被測定
物体、５：投光素子、６；投光レンズ、７：受光レンズ
、８：受光素子、９：視野絞り、第２日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）投光素子と投光レンズを組合せた投光部と、一次元
   位置検出素子を受光素子として受光レンズと組合せた受
   光部と、信号処理部とを備え、投光部から被測定物体に
   照射した光スポットの反射光を受光部における受光素子
   の受光面上に結像させ、その結像位置に対応して受光素
   子から出力する信号を検出、演算処理して被測定物体ま
   での距離、ないし変位を測定する光電式測距装置におい
   て、受光部には受光レンズの光軸に中心を合わせて視野
   絞りを設置するとともに、該視野絞りの絞り穴形状につ
   いて、被測定物体の遠近方向への変位に対応して受光素
   子の受光面上を移動する結像点の移動方向に沿った開口
   幅を小に、結像点移動方向と直角方向の開口幅を大に設
   定したことを特徴とする光電式測距装置。