JPH0552550A - 距離検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】正確な距離検出を実現する。 【構成】この距離検出装置は、光源１，コンデンサレン
ズ８，アパーチャ（絞り）９，投光レンズ２を有し、ま
た、受光レンズ４Ａ，位置検出用受光素子の半導体位置
検出素子５Ａと、投光レンズ２の光軸を中心軸として対
称に受光レンズ４Ｂ，半導体位置検出素子５Ｂとを有し
ている。この距離検出装置は、投光レンズ２の光軸を中
心軸として対称に受光レンズ及び半導体位置検出素子が
２系統配置され、光源１に近い方の半導体位置検出素子
５Ａ，５Ｂの出力端子と遠い方の半導体位置検出素子５
Ａ，５Ｂの出力端子とがそれぞれ結線されて出力されて
いる点に特徴を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物に光を照射し
その反射光を検出して距離を計測する距離検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体位置検出素子（ＰＳＤ）を用いた
距離検出装置は、精密に距離が測定できかつ小型である
という利点があり、小型カメラやＦＡなど距離計測を利
用する様々な分野で利用されている。この距離検出装置
における距離検出を図５を用いて簡単に説明する。キャ
ンタイプの発光ダイオードの光源１からの光束を投光レ
ンズ２で被測定物３上の照射点ＳＰに収束させ、照射点
ＳＰからの反射光は受光レンズ４により半導体位置検出
素子５の受光面上に集光される。半導体位置検出素子５
の両端にある出力端子からは、受光面上の集光位置に応
じた検出信号が出力され、この検出信号が増幅回路６
Ａ，６Ｂで増幅され、信号演算回路７に入力される。信
号演算回路７では、検出信号から受光面上の集光位置が
算出され、三角法により被測定物３までの距離が求めら
れる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の光源１では、発
光ダイオードのキャン内部で光が多重反射しており、内
部全体が等価的に低発光輝度の２次光源となっている。
そのため、光源１からの光束は、図５の実線で示した光
束だけでなく、点線で示すような広がりを持つ光束を有
している。光源１からの光束の被測定物上の照射領域
（スポット）は照射点ＳＰを重心位置とした広がったも
のになっている。このスポットからの反射光は受光レン
ズ４により集光され、半導体位置検出素子５の受光面上
に広がった集光領域を形成している。このように、半導
体位置検出素子５ではこの集光領域を検出しているの
で、例えば、被測定物３が点線の光束の照射径即ちスポ
ットよりも小さい場合、被測定物３に照射された光束の
重心は照射点ＳＰに一致しなくなって、半導体位置検出
素子５からの検出信号はずれたものになり、信号演算回
路７から正しい結果が得られなくなる。スポットでの光
の反射率が異なる場合も同様に、正しい結果が得られな
くなる。

【０００４】また、図６に示すように、被測定物３に障
害物１０がある場合、光源１からの光束の一部が障害物
１０で反射し、半導体位置検出素子５に入射する。この
ため、受光面上の光束の重心が図の上のほうに移動する
ことになり、被測定物３が近距離になったような検出結
果になってしまう。このように、従来の距離検出装置で
は、上述の誤差要因によって精密計測の限界を有してい
た。

【０００５】本発明は、前述の問題点に鑑み、上述の誤
差要因があっても精密に被測定物までの距離を測定でき
る距離検出装置を提供することをその目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の距離検出装置
は、被測定物に光を照射する光照射手段と、位置検出用
受光素子を有するとともに被測定物上の光照射手段から
の光の照射領域を位置検出用受光素子に集光して被測定
物までの距離に対応した検出信号を出力する距離検出手
段とを備え、光照射手段が、点状の光源と、この光源か
らの直接光を収束させるコンデンサレンズと、このコン
デンサレンズによる直接光の集束点近傍に小孔を有する
アパーチャと、このアパーチャを通った光を被測定物上
に集光させる投光レンズとで構成されていることを特徴
とする。

【０００７】より精密に距離検出する場合、上記構成に
加えて、距離検出手段が、光照射手段からの光を中心軸
として対称に配置された少なくとも１対以上の位置検出
用受光素子を有し、互いに対称位置にある位置検出用受
光素子の出力が等価的に加算されていることを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】本発明の距離検出装置によれば、点状の光源
（発光ダイオードなど）からの直接光は、コンデンサレ
ンズによってその集束点即ちアパーチャの小孔近傍に集
められ、この小孔を通ってアパーチャを通過する。乱反
射光などの２次光源成分はその大部分がアパーチャで遮
られる。アパーチャを通った光はほぼ点状の光源からの
直接光であり、投光レンズによって形成される被測定物
上の照射領域は小さなものになる。そのため、この照射
領域からの位置検出用受光素子上の集光領域は、乱反射
光などの２次光源成分によるものは含まれない小さなも
のになり、検出信号は、２次光源成分による誤差成分が
なくなる。

【０００９】より精密に距離検出する場合では、位置検
出用受光素子上の集光領域も、光照射手段からの光を中
心軸として対象になっている。照射領域での光の反射率
が異なるとき若しくは光照射手段と距離検出手段との間
に機械的な誤差などの位置ずれがあるとき、位置検出用
受光素子上の集光領域の重心は、ともに同一方向に移動
するが、中心軸から見ると、一方の位置検出用受光素子
上の集光は遠ざかり、他方は近付く。互いに対称位置の
出力が（結線される若しくは演算されるなどで）加算さ
れると、互いにキャンセルされて、位置ずれがこの出力
にはあらわれない。

【００１０】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。

【００１１】図１には、本発明の距離検出装置の基本構
成が示され、この図を用いてこの装置の基本原理を説明
する。この距離検出装置は、前述の従来例と同様、光源
１，投光レンズ２，受光レンズ４，半導体位置検出素子
５，増幅回路６Ａ，６Ｂ，信号演算回路７を備え、さら
に、光源１と投光レンズ２との間に、コンデンサレンズ
８とアパーチャ（絞り）９が設けられていて、この点に
特徴を有している。コンデンサレンズ８は光源からの直
接光を収束させ、アパーチャ９は、その直接光の集束点
近傍にその小孔（ピンホール）が位置するように配置さ
れている。

【００１２】光源１からの直接光（図中の実線）は、コ
ンデンサレンズ８で集光され、アパーチャ９の小孔付近
で収束し、この小孔を通って投光レンズ２に向かう。一
方、光源１のキャン内部での乱反射光など２次光源成分
（図中の点線）は、コンデンサレンズ８によってアパー
チャ９上に結像し、このアパーチャ９に遮られる。アパ
ーチャ９を通過する光は、ほぼ光源からの直接光だけに
なっており、投光レンズ２によって被測定物３上の照射
点ＳＰに集光する。光源１からの光は２次光源成分が除
去されているため、被測定物３上の照射領域（スポッ
ト）は、前述の従来例と比較して非常に小さくなり、ほ
ぼ照射点ＳＰ近傍の狭いものになる。このスポットから
の反射光は受光レンズ４により集光されて、半導体位置
検出素子５の受光面上に、前述の従来例と比較して非常
に小さな集光領域を形成する。半導体位置検出素子５で
はこの集光領域の位置が検出され、増幅回路６Ａ，６Ｂ
で増幅され、信号演算回路７で被測定物３までの距離が
求められる。。

【００１３】被測定物３上のスポットが非常に小さいの
で、前述のような、被測定物３がスポットよりも小さい
ケースは非常にまれなものになる。また、スポットでの
光の反射率が異なる場合でも、集光領域が小さいのでそ
の重心位置の変化が小さくなり、半導体位置検出素子５
の検出出力における誤差が非常に小さくなる。また、２
次光源成分がないので、図６に示したような場合は存在
しない。このように、前述の誤差要因について解決がな
されている。

【００１４】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。

【００１５】図２は、より精密に距離検出する場合の光
学系の基本構成である。この距離検出装置では、投光レ
ンズ２の光軸を中心軸として対称に受光レンズ及び半導
体位置検出素子が２系統配置され、受光レンズ４Ａ及び
位置検出用受光素子の半導体位置検出素子５Ａと受光レ
ンズ４Ｂ及び半導体位置検出素子５Ｂとは、互いに投光
レンズ２の光軸を中心軸として対称に位置し、これらで
距離検出手段が構成されている。また、図４のように、
光源１に近い方の半導体位置検出素子５Ａ，５Ｂの出力
端子５１Ａ，５１Ｂと遠い方の半導体位置検出素子５
Ａ，５Ｂの出力端子５２Ａ，５２Ｂとがそれぞれ結線さ
れて出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２として増幅回路６Ａ，６Ｂ
に出力されている点に特徴を有している。光照射手段
は、前述の実施例と同様、光源１，コンデンサレンズ
８，アパーチャ（絞り）９，投光レンズ２で構成されて
いる。光源１には、赤外発光ダイオード（ＩＲ−ＬＥ
Ｄ）が用いられ、また、コンデンサレンズ８は２枚のレ
ンズで構成されている。赤外発光ダイオードの発光部は
０．５mmφ程度の大きさを有しており、アパーチャ９の
小孔の大きさは、「発光部の大きさ×コンデンサレンズ
８の結像倍率」程度の大きさになっている。

【００１６】光源１からの光束は、コンデンサレンズ８
により収束され空間像を形成する。この空間像の位置に
配置されたアパーチャ９で空間像の最も明るい部分がそ
の小孔から通過し、乱反射光など２次光源成分はアパー
チャ９に遮られ除去される。アパーチャ９を通過した光
束は、投光レンズ２によって被測定物３の表面上の照射
点ＳＰ近傍に集光される。被測定物３上のスポットは、
「アパーチャ９の小孔×投光レンズ２の結像倍率」程度
の大きさの小さなものになり、図３に示すような形状を
有している。このスポットからの反射光は、受光レンズ
４Ａ，４Ｂにより集光され、半導体位置検出素子５Ａ，
５Ｂの受光面上にそれぞれ集光される。半導体位置検出
素子５Ａ，５Ｂではこの集光領域の位置が検出されて、
被測定物３までの距離が求められる。

【００１７】この実施例でも、乱反射光など２次光源成
分が除去されており、図６に示したような場合は存在せ
ず、前述の実施例同様の誤差要因について解決がなされ
ている。また、図３の斜線部のようなスポットでの光の
反射率が異なる場合、図４に示すように、集光領域の重
心位置ＳＰは等価的に重心位置ＳＰ’に移動することに
なる。半導体位置検出素子５Ａ，５Ｂの受光面上の集光
位置はそれぞれ図の上，下といった逆方向に変化し、半
導体位置検出素子５Ａ，５Ｂからはその変化に対応した
検出信号が出力される。出力端子５１Ａから出力される
検出信号の変化は増加、出力端子５１Ｂからの検出信号
の変化は減少、とういように対称なものになっている。
それらの出力が結線されており、加算されているため、
出力ＯＵＴ１の変化が小さくなる。出力ＯＵＴ２につい
ても同様に変化が押さえられ、半導体位置検出素子５の
検出出力における誤差は非常に小さいので、より正確な
距離検出が実現されている。

【００１８】また、光源１が点線のような位置にきた場
合、等価的に集光領域の重心位置ＳＰが移動したのと同
じことになり、同様に、半導体位置検出素子５の検出出
力には非常に小さな変化しかあらわれない。このため、
機械的な誤差などの位置ずれが補償される。このよう
に、距離検出手段が対称に配置された位置検出用受光素
子を有している場合、投光レンズの光軸に垂直方向の変
化は押さえられ、平行な方向即ち被測定物までの距離が
正確に検出される。

【００１９】この実施例では、出力端子を結線して加算
しているが、増幅回路の出力若しくは信号演算回路で加
算しても同様の結果が得られる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、乱反射
光などの２次光源成分が除去され点状の光源からの直接
光だけで被測定物上の集光領域が形成されるため、検出
信号は、乱反射光などの２次光源成分によるものは含ま
れないので、正確な距離検出ができる。また、距離検出
手段が対称に配置された位置検出用受光素子を有してい
る場合、照射領域での光の反射むら若しくは機械的な誤
差などの位置ずれが互いにキャンセルされるので、正確
な距離検出が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の距離検出装置の基本構成図。

【図２】第２実施例の基本構成図。

【図３】スポットの拡大図。

【図４】第２実施例の効果の説明図。

【図５】従来例の構成図。

【図６】従来例の問題点の説明図。

【符号の説明】

１…光源 ２…投光レンズ ３…被測定物 ４…受光レンズ ４Ａ…受光レンズ ４Ｂ…受光レンズ ５…半導体位置検出素子 ５Ａ…半導体位置検出素子 ５Ｂ…半導体位置検出素子 ８…コンデンサレンズ ９…アパーチャ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に光を照射する光照射手段と、
   位置検出用受光素子を有するとともに前記被測定物上の
   前記光照射手段からの光の照射領域を前記位置検出用受
   光素子に集光して前記被測定物までの距離に対応した検
   出信号を出力する距離検出手段とを備え、 前記光照射手段が、点状の光源と、この光源からの直接
   光を収束させるコンデンサレンズと、このコンデンサレ
   ンズによる前記直接光の収束点近傍に小孔を有するアパ
   ーチャと、このアパーチャを通った光を前記被測定物上
   に集光させる投光レンズとを含んで構成されていること
   を特徴とする距離検出装置。
2. 【請求項２】 前記距離検出手段が、前記光照射手段か
   らの光を中心軸として対称に配置された少なくとも１対
   以上の前記位置検出用受光素子を有し、互いに対称位置
   にある前記位置検出用受光素子の出力が等価的に加算さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の距離検出装
   置。