JPH06281452A

JPH06281452A - 光学式距離測定装置

Info

Publication number: JPH06281452A
Application number: JP6803693A
Authority: JP
Inventors: Hayami Hosokawa; 速美細川
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】【目的】光学式距離測定装置にあって、対象物体と受
光素子とは結像関係になく、光スポットサイズの変化か
ら対象物体までの距離を検出するようにしたことによ
り、対象物体の表面状態の影響を受けずに正確な測定が
可能となり、また、三角測距方式に比べて装置形状を小
形化、測定精度の向上を図る。【構成】発光素子１から出射され対象物体Ｍによって
反射された反射光を受光素子３にて受光する。このと
き、対象物体Ｍまでの距離に応じて受光素子３上の光ス
ポットの大きさは変化し、受光素子３は少なくとも３つ
の領域に分割されているので、各領域の受光量に差が生
じる。これに基づいて対象物体Ｍまでの距離を検出する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、受光及び受光素子を用
いて光学的に物体の有無あるいは物体までの距離を検出
する距離測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の、この種の光学式距離測定装置と
しては、図１５に示すような三角測距方式を用いた光電
センサ装置がある。本センサ装置は、投光用の半導体レ
ーザ等でなる発光素子１０１及び投光レンズ１０２と、
受光用の位置検出素子（ＰＯＳＩＴＩＯＮ・ＳＥＮＳＩ
ＮＧ・ＤＥＶＩＣＥ、以下ＰＳＤという）１０３及び受
光レンズ１０４と、発光素子１０１を駆動するレーザ駆
動回路１０５と、ＰＳＤ１０３からの信号を増幅するア
ンプ１０６などからなる。そして、発光素子１０１から
対象物体（Ａ、Ｂなど）に投光し、その光スポットの反
射光を受光レンズ１０４によりＰＳＤ１０３上に結像さ
せ、対象物体の位置変化によるＰＳＤ１０３上の光スポ
ットの位置変化、すなわち、重心位置の変化として検出
するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来装置においては、対象物体とＰＳＤ１０３とは結像関
係にあるため、対象物体の表面状態（例えば色変化や表
面段差など）によって、光スポットの重心位置が変化
し、誤差が生じ易い、また、三角測距方式を用いるた
め、測定距離が長くなるほど、投光レンズと受光レンズ
の間隔を大きくとらなければ精度が劣化するため、装置
の全体形状が大型化するといった問題がある。

【０００４】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、対象物体と受光素子とは結像関係
になく、光スポットサイズの変化から対象物体までの距
離を検出するようにしたことにより、対象物体の表面状
態の影響を受けずに正確な測定が可能となり、また、三
角測距方式に比べて装置形状を小型化、測定精度の向上
が図れる光学式距離測定装置を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の光学式距離測定装置は、発光素子１と、発光
素子１から出射され対象物体Ｍによって反射された反射
光を受光する少なくとも３つの領域に分割された受光素
子３とを備え、受光素子３の少なくとも３つの領域の各
受光量に基づいて対象物体Ｍまでの距離を検出するもの
である。

【０００６】また、本装置は、発光素子１から出射され
対象物体Ｍによって反射された反射光を集光する２つの
集光手段としての受光レンズ４１、４２を有し、少なく
とも３つの領域に分割された受光素子３が一方の受光レ
ンズ４１によって集光される反射光を集光点より前方で
受光する素子３１と、他方の受光レンズ４２によって集
光される反射光を集光点より後方で受光する素子３２か
らなり、受光素子３１、３２の各受光量に基づいて対象
物体Ｍまでの距離を検出するものであってもよい。ま
た、対象物体Ｍの検知範囲が異なる複数の受光系を有し
たものであってもよい。

【０００７】また、発光素子１と集光光学系との間の発
散光路中に、対象物体Ｍからの反射光を反射もしくは透
過させることにより、発光素子１から対象物体Ｍに至る
光の光軸から分離させる光路分離手段としての分離膜１
１を設けてもよい。分離膜１１の反射率もしくは透過率
は約５０％であるか、または分離膜１１に入射する光の
それぞれの入射角に対してほぼ一様である。また、分離
膜１１の反射率もしくは透過率は、発光素子１から出射
されるすべての光の波長に対してほぼ一様であるか、対
象物体Ｍからの反射光のうち受光素子３に入射する光の
範囲に対してはほぼ一様である。

【０００８】

【作用】上記の構成によれば、発光素子から出射され対
象物体によって反射された反射光を受光素子にて受光す
る。このとき、対象物体までの距離に応じて受光素子上
の光スポットの大きさは変化し、受光素子は少なくとも
３つの領域に分割されているので、各領域の受光量に差
が生じる。これに基づいて対象物体までの距離を検出す
ることができる。

【０００９】また、対象物体Ｍからの反射光を反射もし
くは透過させる光路分離手段を設け、光路分離手段に分
離膜１１を形成し、分離膜１１の反射率もしくは透過率
を対象物体Ｍから受光素子３に入射する光の範囲でほぼ
一定とすることで、偏光膜１１に入射する反射光の入射
角精度を緩和することができる。

【００１０】

【実施例】本発明の第１実施例による光学式距離測定装
置の光学系を図１に示す。本実施例は、請求項１、２の
発明に対応するもので、発光素子１と、この発光素子１
による出射光を投光する投光レンズ２と、その光路上に
位置する対象物体Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３など（総称してＭ）
によって反射された反射光を受光する受光レンズ４及び
受光素子（ＰＳＤ）３とを備える。受光素子３は反射光
の集光点（焦点）位置よりも前方に配されている。ま
た、受光素子３は、図２に示されるように、少なくとも
３つの帯状領域３ａ、３ｂ、３ｃに分割されている。そ
の分割構成は、各帯状領域の境界方向が、発光素子１、
対象物体Ｍ、及び受光素子３を含む平面と略平行とされ
ている。さらに、受光素子３には、各領域の受光量に対
応した検出信号Ｐ０を出力する演算回路６が接続されて
おり、中央部分の領域３ａは演算回路６のマイナス端子
に、両外側部分の領域３ｂ、３ｃは演算回路６のプラス
端子に接続されている。

【００１１】図２、図３に示すように、対象物体Ｍまで
の距離によって受光素子３上での光スポットの大きさは
変わる、すなわち近側からの対象物体Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３
に対応して光スポットはＳ１、Ｓ２、Ｓ３と大きさが変
化し、従って、各受光量が変化する。図３は対象物体Ｍ
までの距離と受光素子３による出力電圧の関係を示す。
大きい光スポットＳ１の方が小さい光スポット例えばＳ
３に比べて、中央部分の領域３ａに対する両外側部分の
領域３ｂ、３ｃの受光量の割合が大きくなる。この結
果、光スポットＳ１、Ｓ２、Ｓ３の夫々に対応して出力
電圧Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が得られる。この出力電圧より対
象物体Ｍの距離を検出できる。なお、発光径の小さい光
源（発光素子１）を用いれば、スポット形状の変化が大
きくなり、感度が高くなる。

【００１２】図４は第２実施例を示す。この実施例は、
同じく請求項１、２の発明に対応するもので、レンズ７
を投受光共用とすると共に、発光素子１とレンズ７との
間の光路中にハーフミラー８を配置し、このハーフミラ
ー８により分光された反射光を受光素子３にて受光する
ようにしている。この実施例により装置の小形化が図れ
る。

【００１３】図５は第３実施例を示す。この実施例は、
同じく請求項１、２の発明に対応するもので、上記第１
の実施例では投光レンズ２と受光レンズ４、受光素子３
を平行に配置したものを示したが、この第３実施例では
受光レンズ４と受光素子３を傾けて反射光の光軸に直角
に配置している。これにより、受光素子３上での光スポ
ットの歪みを低減でき、感度及び測定範囲の拡大を図る
ことができる。

【００１４】図６は第４実施例を示す。この実施例は、
請求項６の発明に対応するもので、受光レンズ４の後方
にハーフミラー８を配して、光束を分割し、夫々の光路
に対して受光素子３１、３２を一方は焦点の前方に、他
方は焦点の後方に配置している。各受光素子３１、３２
は上述と同様に３分割に分割されている。この構成にお
いて、各受光素子３１、３２の検出出力の差を取ること
で、差動光学系を形成でき、検出感度を高めることがで
きる。

【００１５】図７は第５実施例を示す。この実施例は、
請求項６の発明に対応するもので、受光レンズ４の後方
に光束を分割するために配したハーフミラー８を、光軸
に対して垂直方向から４５度以上傾けることにより、２
つの受光素子３１、３２を同一平面上に配置し、同一パ
ッケージ内に設けることができるようにしたものであ
る。この構成により調整の容易化が図れる。

【００１６】図８は第６実施例を示す。この実施例は、
請求項５の発明に対応するもので、対象物体Ｍからの反
射光を受ける２組の受光レンズ４１、４２及び受光素子
３１、３２を設け、一方の受光素子３１は焦点よりも前
方に、他方の受光素子３２は焦点よりも後方に設けてい
る。これにより図６の実施例と同様の効果が得られ、か
つ、光量の減衰が少なくなるので、測定距離の拡大が図
れる。

【００１７】図９は本装置の第７実施例を示す。この実
施例は、請求項１８の発明に対応するもので、対象物体
Ｍからの反射光を受ける受光系を複数個として、測定領
域の分担、つまり異なる測定領域を補い合う関係とする
ことにより、全体として測定レンジの拡大を図ったもの
である。すなわち、図示実施例では、左右の受光系にお
いて、受光素子３１、３２は受光レンズ４１、４２の焦
点位置よりいずれも前方にあるが、相対的に互いに異な
った位置にある。この例の他に、一方のレンズの焦点距
離が他方に対して異なっても、あるいは一方の受光素子
の分割構成が他方に対して異なっていても、同様の効果
が得られる。また、受光系は３個以上あってもよく、そ
の場合、より一層の測定レンジの拡大を図ることができ
る。

【００１８】図１０乃至図１４に本装置の第８実施例を
示す。この実施例は請求項３及び請求項７乃至１７に対
応するもので、図４に示すハーフミラー８の代わりに光
路分離手段としてビームスプリッタを設けたものであ
る。ビームスプリッタは図１０に示すように２個の透明
プリズム状の基板２１ａ、２１ｂを接着して構成したも
のと、図１１に示すように板状基板２２からなるものと
がある。基板２１ａ、２１ｂの接着面及び板状基板２２
の表面にはそれぞれ後述する分離膜１１が設けられてい
る。

【００１９】図１２乃至図１４に分離膜１１の構成例を
示す。図１２に示す分離膜１１は誘電体の多層膜で構成
されており、その誘電体膜を保護するために基板から最
も離れた層に金属薄膜１３を積層させたものである。こ
の金属薄膜１３により、誘電体膜が接着剤中の水分、も
しくは大気中の水蒸気などに対して光学特性が不安定に
なることを防いでいる。

【００２０】図１３、図１４は分離膜１１の設計、作成
例であり、多層膜はＨｆＯ2層１１ａ、Ａ１2Ｏ3層１１
ｂ、ＴｉＯ2層１１ｃ、ＭｇＦ2層１１ｄの４種類の層で
構成されている。通常紫外域以外の波長用としては使用
されないＨｆＯ2、またはＨｆを使用しているがＺｒＯ
2、またはＺｒを使用してもよい。

【００２１】多層膜の構成としては、ＨｆＯ2層１１ａ
を基板から最も離れた層に積層し、図１３に示すように
多層膜中には光学的膜厚（膜の屈折率ｎ、膜中で光が進
む距離をｄとしてｎｄで表せる）をλ／１０以下にした
極めて薄い層１１ｅを含んでいる。

【００２２】さらに基板２１にはＰｂＯ、ＳｉＯ2を主
成分とするＳＦ系ガラスを用いており、基板と接する層
はＴｉＯ2と基板中のＰｂが混ざりあっている。

【００２３】図１４は１３層構成で、それぞれの層のお
およそな幾何学的膜厚は、基板２ａ側から順に、１１０
ｎｍ、１７０ｎｍ、８０ｎｍ、３００ｎｍ、８０ｎｍ、
１１０ｎｍ、１８０ｎｍ、１３０ｎｍ、１９０ｎｍ、８
０ｎｍ、１３０ｎｍ、２０ｎｍ、９０ｎｍである。

【００２４】２つの基板２１ａ、２１ｂを分離膜１１を
介して接着する際、接着剤は１００℃以上の環境におい
ても物理的ならびに光学的特性の変化を生じないものを
使用することにより耐環境性に優れたものが得られる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学式距
離測定装置によれば、対象物体からの反射光を結像させ
ないで、つまりデフォーカス位置で受光素子にてスポッ
ト受光し、受光素子の分割された受光領域でのスポット
光の受光量変化を観測するので、対象物体の表面形状や
色の影響を受けることなく、対象物体までの距離を安定
して計測することができる。また、位置検出素子の代わ
りに分割受光素子を用いるので、検出のための回路構成
が簡単になる。また、三角測距方式でないので、発光系
の投光レンズと受光系の受光レンズとの間隔は、測定精
度に関係がないため間隔を最小限にすることができ、装
置の小型化が図れ、場合によっては、投光レンズと受光
レンズを同軸すなわち両レンズを共用することも可能と
なる。

【００２６】また、請求項５、６の発明によれば、差動
光学系を構成することができるため測定精度の向上、ダ
イナミックレンジの拡大が図れる。

【００２７】また、請求項３、４及び７乃至１７の発明
によれば、対象物体からの反射光を反射もしくは透過さ
せる分離膜を有する光路分離手段を設けたので、偏光膜
に入射する反射光の入射角精度を緩和して測定精度を向
上することができる。

【００２８】請求項１８の発明によれば、複数の受光系
を設け、異なる測定領域を補い合う関係としているの
で、測定範囲の拡大が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による光学式距離測定装置
の光学系を示す図である。

【図２】本装置の受光素子と検出回路の構成図である。

【図３】受光素子の出力電圧の特性図である。

【図４】第２実施例による本装置の光学系を示す図であ
る。

【図５】第３実施例による本装置の光学系を示す図であ
る。

【図６】第４実施例による本装置の光学系を示す図であ
る。

【図７】第５実施例による本装置の光学系を示す図であ
る。

【図８】第６実施例による本装置の光学系を示す図であ
る。

【図９】第７実施例による本装置の光学系を示す図であ
る。

【図１０】第８実施例による本装置に用いられるキュー
ブ型ビームスプリッタの構成を示す図である。

【図１１】第８実施例による本装置に用いられる板状ビ
ームスプリッタの構成を示す図である。

【図１２】図１０のビームスプリッタに設けられた分離
膜の一例の構成を示す図である。

【図１３】図１０のビームスプリッタに設けられた分離
膜の他の一例の構成を示す図である。

【図１４】図１０のビームスプリッタに設けられた分離
膜のさらに他の一例の構成を示す図である。

【図１５】従来の光学式距離測定装置の一例の構成を示
す図である。

【符号の説明】

１発光素子２受光素子４受光レンズ（集光手段）１１分離膜（光路分離手段）Ｍ対象物体

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【手続補正書】

【提出日】平成６年３月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【図３】

【図１】

【図４】

【図５】

【図６】

【図１０】

【図１１】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１２】

【図１３】

【図１４】

【図１５】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子と、前記発光素子から出射され
対象物体によって反射された反射光を受光する少なくと
も３つの領域に分割された受光素子とを備え、前記受光
素子の少なくとも３つの領域の各受光量に基づいて前記
対象物体までの距離もしくは、対象物体までの距離の変
位量を検出することを特徴とする光学式距離測定装置。
【請求項２】発光素子と、前記発光素子から出射され
対象物体によって反射された反射光を集光する集光手段
と、前記集光手段によって集光される反射光を受光する、少
なくとも３つの領域に分割された受光素子とを備え、前
記受光素子の少なくとも３つの領域の各受光量に基づい
て前記対象物体までの距離もしくは、対象物体までの距
離の変位量を検出することを特徴とする光学式距離測定
装置。
【請求項３】発光素子と、前記発光素子から出射された光を、集光しつつ対象物体
に向かって投光させ、かつ、前記対象物体からの反射光
を集光させる集光光学系とを備えた光学式距離測定装置
であって、前記発光素子と前記集光光学系との間の発散光路中に配
置され、前記対象物体からの反射光を反射もしくは透過
させることにより、前記発光素子から前記対象物体に至
る光の光軸から分離させる光路分離手段と、前記分離された光を受光する少なくとも３つの領域に分
割された受光素子とを備え、前記受光素子の少なくとも
３つの領域の各受光量に基づいて、前記対象物体までの
距離もしくは、前記対象物体までの距離の変位量を検出
することを特徴とする光学式距離測定装置。
【請求項４】前記受光素子は前記集光光学系の集光点
の前方もしくは後方に配置されていることを特徴とする
請求項１乃至３いずれかに記載の光学式距離測定装置。
【請求項５】発光素子と、この発光素子から出射され
対象物体によって反射された反射光を集光する２つの集
光手段と、この２つの集光手段のうち一方の集光手段に
よって集光される反射光を集光点より前方で受光する少
なくとも３つの領域に分割された受光素子と、他方の集
光手段によって集光される反射光を集光点より後方で受
光する、少なくとも３つの領域に分割された受光素子と
を備え、前記受光素子の少なくとも３つの領域の各受光
量に基づいて対象物体までの距離もしくは対象物体まで
の距離へ変位量を検出することを特徴とする光学式距離
測定装置。
【請求項６】発光素子と、この発光素子から出射され
対象物体によって反射された反射光を２つの光束に分
離、集光する集光手段と、この集光手段によって分離、
集光される２つの光束のうち一方の光束を集光点より前
方で受光する、少なくとも３つの領域に分割された第１
の受光素子と、前記集光手段によって分離、集光される
２つの光束のうち他方の光束を集光点より後方で受光す
る、少なくとも３つの領域に分割された第２の受光素子
とを備え、前記第１の受光素子及び第２の受光素子の分
割された領域の各受光量に基づいて対象物体までの距離
もしくは対象物体までの距離の変位量を検出することを
特徴とする光学式距離測定装置。
【請求項７】前記対象物体からの反射光を２つの光束
に分離する光路分離手段は、前記集光手段と前記受光素
子との間の集束光路上に配置されていることを特徴とす
る請求項６に記載の光学式距離測定装置。
【請求項８】前記光路分離手段は、反射率および透過
率がそれぞれ約５０％であることを特徴とする請求項
３、４、６、７いずれかに記載の光学式距離測定装置。
【請求項９】前記光路分離手段の反射率もしくは透過
率は、前記光路分離手段に入射する光のそれぞれの入射
角に対してほぼ一様であることを特徴とする請求項３、
４、６、７、８いずれかに記載の光学式距離測定装置。
【請求項１０】前記光路分離手段の反射率もしくは透
過率は、前記発光素子から出射されるすべての光の波長
に対してほぼ一様であることを特徴とする請求項３、
４、６、７、８、９いずれかに記載の光学式距離測定装
置。
【請求項１１】前記光路分離手段の反射率もしくは透
過率は、前記対象物体からの反射光のうち、前記受光素
子に入射する光の範囲に対してほぼ一様であることを特
徴とする請求項３、４、６乃至１０いずれかに記載の光
学式距離測定装置。
【請求項１２】前記光路分離手段の光分離面は、誘電
体多層膜からなることを特徴とする請求項３、４、６乃
至１１いずれかに記載の光学式距離測定装置。
【請求項１３】前記光路分離手段の光分離面は、金属
膜を含む多層膜からなることを特徴とする請求項３、
４、６乃至１１記載の光学式距離測定装置。
【請求項１４】前記多層膜は、前記発光素子から出射
される光の波長の１／１０よりも薄い層を少なくとも１
層以上含んでいることを特徴とする請求項１２または１
３記載の光学式距離測定装置。
【請求項１５】前記多層膜は、材質の異なる４種類以
上の膜を含むことを特徴とする請求項１２、１３、１４
いずれかに記載の光学式距離測定装置。
【請求項１６】前記多層膜は、ＨｆもしくはＨｆの酸
化物を主成分とする層を少なくとも１層以上含むことを
特徴とする請求項１２乃至１５いずれかに記載の光学式
距離測定装置。
【請求項１７】前記多層膜は、ＺｒもしくはＺｒの酸
化物を主成分とする層を少なくとも１層以上含むことを
特徴とする請求項１２乃至１６いずれかに記載の光学式
距離測定装置。
【請求項１８】発光素子と、この発光素子から出射さ
れ対象物体によって反射された反射光を集光する集光手
段及びこの集光手段によって集光される反射光を受光す
る少なくとも３つの領域に分割された受光素子から成
る、前記対象物体の検知範囲の異なる複数の受光系とを
備え、前記受光系の受光素子の少なくとも３つの領域の
各受光量に基づいて対象物体の距離もしくは対象物体ま
での距離の変位量を検出することを特徴とする光学式距
離測定装置。