JPH06241784A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 常に安定した精度で被測定物までの距離を測
定することができる測距装置を提供することである。 【構成】 投光器により被測定物に照射された光を集光
器を通して受光器１１により認識し、該受光器によって
認識される該被測定物に照射された光の像の位置変化に
より該被測定物までの距離を測定する測距装置におい
て、前記受光器が認識する前記被測定物上の光の像の重
心位置と前記被測定物上の光の像の真の中心位置との差
を補正する補正手段３３を設けたことを特徴とする測距
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物までの距離を
測定する測距装置に関する

【０００２】

【従来の技術】被測定物までの距離を測定するための測
距装置の一つとして、図１に示すような光学系配置の装
置がある。この装置は、レーザ光源１０よりレーザ光を
被測定物２０に照射し、被測定物２０上のレーザスポッ
ト像を集光レンズ１２を通してＣＣＤセンサ１１により
検出し、被測定物２０が移動したときの移動量ΔｘをＣ
ＣＤセンサ１１の受光位置の変化量Δｙから求めるもの
である。原理的には、被測定物２０までの距離ｘとその
ときのＣＣＤセンサ１１上でのレーザスポット像の中心
位置ｙとの関係は、この測距装置の図１に示した光学系
の配置で決まり、（１０）式により距離ｘが導き出され
る。

【０００３】

【数１】

【０００４】なお、式中のＡ、ＢおよびＣは図４に示す
測定原理図中に示されているもので、Ａは原点Ｏと集光
レンズの主点Ｑを結ぶ線（以下、線分ＯＱと称する）と
測定距離ｘとのなす角であり、Ｂは線分ＯＱと原点Ｏか
ら受光器上の中心位置ｙまでの線ｙとのなす角であり、
Ｃは原点Ｏと集光レンズの主点Ｑまでの距離である。

【０００５】このような測距装置の実際の測定にあって
は、距離の確認されている位置、距離ｘに被測定物２０
となる物体を設置して、この時のＣＣＤセンサ１１上で
読み取られたレーザスポット像の中心位置ｙを求めたテ
ーブルをあらかじめ作成しておき、実際の測距の際に、
ＣＣＤセンサ１１で得られた中心位置ｙの値からこのテ
ーブルを参照することにより距離を求めているものであ
る。

【０００６】このような装置においては、被測定物に当
たっているレーザスポットは、ある幅（以下、スポット
径と称する）を有しているため、このスポット径は読み
取るＣＣＤセンサ上では照射されているレーザスポット
の径の数倍から数十倍の幅となって、ＣＣＤセンサ１１
の各フォトダイオード数個分によって読み取られること
になる。

【０００７】一般的に光の強度分布は、ガウス分布をし
ていると言われており、従来の測距装置では、ＣＣＤセ
ンサ１１により読み取られたレーザスポット像を、ＣＣ
Ｄセンサ内の各フォトダイオードにおける光強度から、
ＣＣＤセンサが受光しているレーザスポット像全体の重
心値ｙＧを求め、これを中心位置ｙとして認識するよう
にしている。すなわち重心位置ｙＧ＝中心位置ｙとして
測定距離を求めている。なお、受光している光の幅ｙＷ
は、通常、一定の閾値Ｖｓ以上のものだけが認識される
ようにしている。

【０００８】被測定物２０上のレーザスポット像は、被
測定物２０の表面状態や傾き、また外乱光の影響等によ
り必ずしもレーザスポット像の中心に対してその光強度
は対象な広がりとならないが、従来の測距装置では、照
射されたレーザスポット像の中心位置（真の中心位置）
ｙの両隣での分解能（単位ｍｍ／ビット）であるＣＣＤ
センサ１１のフォトダイオード１個分（１ビット）の変
化に対する被測定物２０の位置変化量（ｍｍ）が異なっ
ている。すなわち、図６に示すように、ＣＣＤセンサ１
１上にあるフォトダイオードＤ１からその隣のフォトダ
イオードＤ２に１ビット分変化したときの距離ｘの量が
例えば０．１０ｍｍで、Ｄ２からその次のＤ３の１ビッ
ト分の変化では０．１５ｍｍといったように、各フォト
ダイオード間で測距する量が違う。従来の装置では、こ
の分解能が異なるにもかかわらず、各フォトダイオード
の重み付けを同等として単に重心演算していたため、図
７に示すように、距離ｘが変化するとその移動量Δｘに
従い受光位置がΔｙだけ移動し、そのとき重心位置ｙＧ
もｙＧ’に変化する。このため、真の中心位置ｙと重心
位置ｙＧに誤差が生じて、さらにその誤差が測定距離ｘ
により変化するため、生じる誤差自体が測定距離により
変化し、測定距離により測定精度が変わってしまうと言
った問題点があった。

【０００９】また、被測定物上のレーザスポット像は被
測定物の表面状態や傾き、また外乱光の影響等により認
識するレーザスポット像の受光幅ｙＷが異なることによ
り、被測定物をある位置に設置した場合と、他の被測定
物を同じ位置においた場合に、被測定物の表面状態や傾
きが異なることによって生じるスポット径の変化によっ
て、それらの重心位置ｙＧが異なることにより、同じ位
置に置かれた被測定物の測定距離が異なってしまうとい
うことが生じるという問題点もあった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、常に安定した精度で被測定物までの距離を測定する
ことができる測距装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記諸目的は、投光器に
より被測定物に照射された光の像を集光器を通して受光
器により認識し、該受光器によって認識される該被測定
物に照射された光の像の位置変化により該被測定物まで
の距離を測定する測距装置において、前記受光器が認識
した前記被測定物上の光の像から得られる光の像の重心
位置と前記被測定物上の光の像の真の中心位置との差を
補正する補正手段を設けたことを特徴とする測距装置に
よって達成される。

【００１２】

【作用】本発明の測距装置は、受光器によって認識され
る被測定物上の投光器により照射された光の像の重心位
置と光の像の真の中心位置との差を補正手段によって補
正することにより、被測定物までの距離を正確に測距す
ることが可能となる。また、測定距離が異なることによ
る精度の差がなく常に安定した精度により測距すること
ができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付した図面を参照
しながら説明する。

【００１４】図１は、本発明による測距装置の光学系の
構成を説明するための図面であり、図２は制御部分の構
成を説明するためのブロック図である。

【００１５】この測距装置の光学系は、投光器である半
導体レーザ１０、被測定物２０に照射された光の像であ
るレーザスポット像を読み取る受光器であるＣＣＤセン
サ１１およびＣＣＤセンサ１１がレーザスポット像を読
み込むために焦点を合わせるための集光レンズ１２によ
り構成される。ＣＣＤセンサ１１が読み取った被測定物
２０に照射されたレーザスポット像がアナログ信号とし
て制御部３０に送られる。

【００１６】制御部３０は、ＣＣＤセンサ１１が読み取
ったレーザスポット像のアナログ信号をデジタルに変換
するＡＤ変換部３１、受光量から演算により求められる
重心位置ｙＧを算出する重心算出部３２、補正テーブル
３４を参照して真の中心位置ｙを求める補正手段である
補正処理部３３および真の中心位置ｙから距離ｘを算出
する距離算出部３５により構成される。

【００１７】本発明による測距装置により被測定物まで
の距離を計測する手順を図３に示すフローチャートによ
り説明する。まず、被測定物２０に照射されているレー
ザスポット像をＣＣＤセンサ１１が読み取り、読み取っ
た情報をＡＤ変換部３１が受信して（Ｓ１）、ＡＤ変換
部３１がアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ
変換部３１によりＡＤ変換されたＣＣＤセンサ１１の情
報により、重心算出部３２において重心位置ｙＧの算出
と受光幅ｙＷを求める（Ｓ２）。求めたｙＧおよびｙＷ
の値から、補正処理部３３において補正テーブル３４を
参照して、ｙＧを補正して真の中心位置ｙを求める（Ｓ
３）。最後に、求めた真の中心位置ｙから、距離算出部
３５において計測値を算出して（Ｓ４）、図示していな
い表示装置等に計測値を出力する（Ｓ５）。

【００１８】なお、距離算出部３５において測距した距
離を求めるには、補正処理部３３により得られた真の中
心位置ｙを用いる以外は、従来と同様に、あらかじめあ
たえられている距離ｘとそのときのｙの値が対応してい
るテーブルにより算出してもよいし、また、本発明の場
合には、距離の算定に用いるｙの値は、補正することに
より原理的に求まるスポット像の中心位置とよく一致し
たものとなるので、前述した式（１０）を用いて算出す
ることも可能である。

【００１９】次に、真の中心位置ｙを求めるための補正
原理について説明する。図４は、この測距装置において
測距のための原理を説明するための図面で、図４中、図
４（ｂ）は図４（ａ）の一点鎖線の円ａ’内の部分拡大
図である。

【００２０】レーザ光源１０からのレーザ光は、被測定
物２０にスポット径２ｋの大きさとして照射され、この
スポット像をＣＣＤセンサ１１が集光レンズ１２を通し
て読み取るのであるが、読み取られる際には、円形のス
ポット像は、図示する場合には、レーザ光に対して斜め
上方より見ることになるので僅かながら歪んだ円となっ
て読み取られる場合がある。この読み取られる円の大き
さは、被測定物２０の原点Ｏからの距離により異なる。

【００２１】真の中心位置ｙを求めるためには、まず、
ＣＣＤセンサ１１により読み取られるスポット像の演算
により求められる重心位置ｙＧと被測定物２０に照射さ
れているスポット像のＣＣＤセンサ１１上の真の中心位
置ｙとの差δｙを補正するために補正テーブルを作成す
る。

【００２２】補正テーブルの作成は、原理的には、式
（１）〜（８）を用いて、測距装置の光学系の配置によ
り決まる理論上の中心位置ｙ、演算による重心位置ｙ
Ｇ、真の中心位置ｙと重心位置ｙＧとの差δｙおよびＣ
ＣＤセンサ１１に読み取られるスポット径ｙＷを求める
ことにより行われる。

【００２３】

【数２】

【００２４】

【数３】

【００２５】上記式（１）〜（８）により求めた中心位
置ｙと重心位置ｙＧとの差δｙおよびＣＣＤセンサ１１
に読み取られるスポット径ｙＷをＣＣＤセンサの１ビッ
トごとに対応するように補正テーブルを作成すること
で、距離が異なることによりＣＣＤセンサ１１上の各フ
ォトダイオードごとの分解能の違いを補正することがで
きるが、実際の補正テーブルの作成にあっては、被測定
物２０の表面状態や傾き、また外乱光の影響等による読
み取られるスポット径の変化をも補正するために、確認
されている距離に被測定物２０を設置して実験的に補正
量を求めることにより補正テーブルを作成する方が好ま
しい。

【００２６】以下、実験的に補正テーブルを作成する方
法について説明する。まず、距離が確認されている位置
に被測定物２０を設置する。そして、この被測定物２０
にレーザのスポット径を逐次変化させながら照射し、そ
のときのＣＣＤセンサが認識した受光幅ｙＷおよび重心
位置ｙＧを求める。これは例えば、図５に示すような補
正テーブルを作成した場合には、まず、被測定物２０を
距離が確認されている位置に設置し、スポット径２ｋ₁
により、そのときの重心位置ｙＧ₁ および受光幅ｙＷ₁
を読み取る。次に被測定物の位置を動かすことなくスポ
ット径を変化させ２ｋ₂ により、そのときの受光幅ｙＷ
₂ および重心位置ｙＧを読み取り、重心位置ｙＧに変化
がない場合はｙＧ₁ のままとし、受光幅ｙＷの変化に対
して重心位置ｙＧが変化したときに重心位置ｙＧをｙＧ
₂ として、以下、これを繰り返すことによりスポット径
２ｋの違いにより得られたｙＧ₁ 、ｙＧ₂…と論理的に
求まる真の中心位置ｙとの差（補正量となる）δｙを求
め、そのときのｙＷと共に補正テーブルを作成する。さ
らに、これを被測定物２０の位置を変化させて何回か行
うことにより、より精度の向上した補正テーブルを得る
ことが可能である。

【００２７】このように、被測定物２０を定位置に固定
して、照射するレーザ光のスポット径２ｋを変化させる
ことにより、被測定物２０の表面状態や傾き、また外乱
光の影響等によりスポット径が変化した場合と同様の受
光幅ｙＷおよび重心位置ｙＧの変化を得ることができ、
同時に測定位置を変えて、何回か行うことにより、位置
変化によるスポット径２ｋの変化をも補正できる補正テ
ーブルを作成するものである。図５にこのようにして得
られる補正テーブルの一例を示す。図５においては、例
えば、定位置として原点Ｏから５００ｍｍの位置に被測
定物２０を設置し、ｙが１０２０ビットのときに、読み
取られる受光幅ｙＷが０．２ｍｍづつ変化するようにレ
ーザのスポット径２ｋを変化させた場合と、定位置とし
て６００ｍｍの位置に被測定物２０を設置し、ｙが２０
００ビットのときに、読み取られる受光幅ｙＷが０．２
ｍｍづつ変化するようにレーザのスポット径２ｋを変化
させた場合を示す。

【００２８】なお、上述の実験による補正テーブルの作
成においては、ＣＣＤセンサ１１上で読み取られるスポ
ット径の変化をレーザ光のスポット径を変化させること
により得ていたが、この他にＣＣＤセンサ１１のフォト
ダイオードが受光する量を変化させるための電子シャッ
ター等が設けられているＣＣＤセンサの場合にはこの電
子シャッターの時間を変化させて、フォトダイオードが
蓄積する受光量を変化させてもよい。

【００２９】上述の実施例において、図示する場合に
は、レーザ光源１０の位置は、被測定物２０までの測距
方向ｘ上に位置していればどこに位置していてもよい。
また、受光器としてはＣＣＤセンサのほかにＰＳＤセン
サ等を用いた測距装置などにも本発明を適応することが
可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受光器が認識した光の像の重心位置とその受光幅から、
補正手段により光の像の真の中心位置を求めた上で被測
定物までの距離の算出を行なうため、測定距離の変化に
依存することなく常に安定した精度で測距することがで
き、また、被測定物の表面状態や傾き、外乱光の影響等
により光の像の径が変化した場合でも測定距離に誤差を
生ずることなく測距することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 測距装置の光学系の構成を説明するための図
面である。

【図２】 本発明による測距装置の制御部のブロック図
である。

【図３】 本発明による測距装置の動作を説明するため
のフローチャートである。

【図４】 測距装置における測距原理を説明するための
図面である。

【図５】 本発明に用いる補正テーブルの一例を示す図
面である。

【図６】 受光位置の変化を説明するための図面であ
る。

【図７】 ＣＣＤセンサの分解能を説明するための図面
である。

【符号の説明】

１０…半導体レーザ、 １１…Ｃ
ＣＤセンサ、１２…集光レンズ、
２０…被測定物、３０…制御部、
３１…ＡＤ変換部、３２…重心算出部、
３３…補正処理部、３４…補正
テーブル、 ３５…距離算出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投光器により被測定物に照射された光の
   像を集光器を通して受光器により認識し、該受光器によ
   って認識される該被測定物に照射された光の像の位置変
   化により該被測定物までの距離を測定する測距装置にお
   いて、前記受光器が認識した前記被測定物上の光の像か
   ら得られる光の像の重心位置と前記被測定物上の光の像
   の真の中心位置との差を補正する補正手段を設けたこと
   を特徴とする測距装置。