JPH09218035A

JPH09218035A - 測距センサ

Info

Publication number: JPH09218035A
Application number: JP2825696A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kawajiri; 和広川尻
Original assignee: Fujifilm Microdevices Co Ltd; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp; Fujifilm Microdevices Co Ltd
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】三角測距方式を用いる測距センサに関し、広
範囲の測距エリアかつ高精度を維持しつつ、センサエリ
アを小さくすることができる測距センサを提供すること
である。【解決手段】それぞれが光軸に直交する面でお互いに
直交する第１および第２の軸に対して異なる倍率で像を
結像させるレンズ部材であり、被写体を空間的に異なる
経路を経て結像させるための第１および第２のレンズ部
材（１Ｌ，１Ｒ）と、各々が光電変換を行う２次元の画
素の並びであり、第１および第２のレンズによりそれぞ
れ結像される第１および第２のエリアセンサ（３Ｌ，３
Ｒ）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測距センサに関
し、特に三角測距方式を用いる測距センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１７は、従来技術による２次元測距セ
ンサの構成を示す。２次元測距センサは、センサチップ
５２と左レンズ５１Ｌと右レンズ５１Ｒを有する。セン
サチップ５２は、表面に左エリアセンサ５３Ｌと右エリ
アセンサ５３Ｒを有する。

【０００３】ここで、Ｘ軸とＹ軸を定義する。Ｘ軸とＹ
軸は、センサチップ５２の表面を画定する２次元の軸で
ある。Ｘ軸は、左レンズ５１Ｌと右レンズ５１Ｒを結ぶ
方向の軸である。Ｙ軸は、Ｘ軸に直交する軸である。

【０００４】左エリアセンサ５３Ｌには、Ｘ軸方向に長
い、光電変換を行うラインセンサ５４Ｌが複数本Ｙ軸方
向に並んで配列されている。各ラインセンサ５４Ｌは、
Ｘ軸の方向にフォトダイオードが複数配列されている。
１つのフォトダイオードが１つの画素に相当する。ライ
ンセンサ５４ＬをＹ軸の方向に沿って複数本配列するこ
とにより、２次元のエリアセンサ５３Ｌが形成される。

【０００５】右エリアセンサ５３Ｒにも、同様に、Ｘ軸
方向に長い、光電変換を行うラインセンサ５４Ｒが複数
本Ｙ軸方向に沿って配列されている。センサチップ５２
の表面は、左エリアセンサ５３Ｌと右エリアセンサ５３
Ｒを含み、面積はＡ×Ｂである。Ａは、Ｘ軸方向の長さ
であり、ＢはＹ軸方向の長さである。Ａ×Ｂは、センサ
チップ５２の大きさに相当する。センサチップ５２が小
さいほど、低コストになる。

【０００６】測距対象である被写体から発せられる光
は、左レンズ５１Ｌを通過して左エリアセンサ５３Ｌ
に、右レンズ５１Ｒを通過して右エリアセンサ５３Ｒ
に、それぞれ照射される。エリアセンサ５３Ｌ，５３Ｒ
には、被写体の２次元の光像が結像される。

【０００７】被写体までの距離は、三角測距方式を用い
て算出する。すなわち、左エリアセンサ５３Ｌに結像さ
れる像と、右エリアセンサ５３Ｒに結像される像との間
隔（相関関係）に応じて、測距値を算出する。

【０００８】レンズ５１Ｌ，５１Ｒは、共にいわゆる丸
レンズであり、レンズの光軸に対して垂直面の方向に等
方的な倍率を有する。当該垂直面は、センサチップ５２
の表面とほぼ平行であるので、エリアセンサ５３Ｌ，５
３Ｒには、等方的に縮小された像が結像される。結像さ
れる像は、Ｘ軸方向の倍率とＹ軸方向の倍率が同じであ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】測距センサのコスト
は、センサチップ５２のコストに大きく依存する。セン
サチップ５２は、大きさが小さいほどコストが低くな
る。センサチップ５２の大きさは、Ａ×Ｂである。

【００１０】センサチップ５２を小さくすると、左エリ
アセンサ５３Ｌおよび右エリアセンサ５３Ｒの領域が狭
くなる。左エリアセンサ５３Ｌと右エリアセンサ５３Ｒ
の領域が狭くなると、測距可能な被写体のエリア（測距
エリア）が狭くなる。測距エリアを同じ広さに保とうと
すれば、レンズの焦点距離を短くする必要がある。しか
し、その場合には、エリアセンサ５３Ｌ，５３Ｒに結像
される像が小さくなり、物空間での分解能が低下して測
距により得られる測距値の精度が低下する。

【００１１】本発明の目的は、広範囲の測距エリアかつ
高精度を維持しつつ、センサエリアを小さくすることが
できる測距センサを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の測距センサは、
それぞれが光軸に直交する面でお互いに直交する第１お
よび第２の軸に対して異なる倍率で像を結像させるレン
ズ部材であり、被写体を空間的に異なる経路を経て結像
させるための第１および第２のレンズ部材と、各々が光
電変換を行う画素の並びであり、前記第１および第２の
レンズによりそれぞれ結像される第１および第２のセン
サとを有する。

【００１３】第１および第２のレンズ部材は、お互いに
直交する第１および第２の軸に対して異なる倍率で像を
結像する。第１および第２のセンサには、それぞれ第１
および第２のレンズにより像が結像される。当該像は、
第１の軸の倍率と第２の軸の倍率が異なる。第１の軸と
第２の軸を比べ、相対的に精度を要求されない方の軸の
倍率を小さくすれば、測距精度への影響を防止しつつ、
同一の物空間の光をより狭い像空間に集光できる。第２
の軸の倍率を第１の軸の倍率よりも小さくすれば、第１
および第２のセンサの第２の軸方向の長さを小さくする
ことができる。

【００１４】第１および第２のセンサは、２次元の画素
の並びであっても、１次元の画素の並びであっても、第
１および第２のセンサを構成するセンサチップの大きさ
を小さくすることができる。すなわち、１次元センサに
も２次元センサにも適用できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例による２
次元測距センサの構成を示す。２次元測距センサは、セ
ンサチップ２と左レンズの組１Ｌａ，１Ｌｂと右レンズ
の組１Ｒａ，１Ｒｂを有する。センサチップ２は、表面
に左エリアセンサ３Ｌと右エリアセンサ３Ｒを有する。

【００１６】左エリアセンサ３Ｌには、Ｘ軸方向に長
く、光電変換を行うラインセンサ４Ｌが複数本Ｙ軸方向
に沿って配列されている。各ラインセンサ４Ｌは、Ｘ軸
の方向にフォトダイオードを複数配列したものである。
１つのフォトダイオードが１つの画素に相当する。ライ
ンセンサ４ＬをＹ軸の方向に複数本配列することによ
り、２次元のエリアセンサ３Ｌが形成される。右エリア
センサ３Ｒにも、同様に、光電変換を行うラインセンサ
４Ｒが複数本配列されている。

【００１７】左レンズの組１Ｌａと１Ｌｂは、焦点距離
が異なる２種類のシリンドリカルレンズである。Ｘ軸方
向のレンズ１Ｌａの焦点距離ｆ１は、Ｙ軸方向のレンズ
１Ｌｂの焦点距離ｆ２よりも長い。すなわち、両レンズ
を同一材料で形成する場合、レンズ１Ｌａの曲線は、レ
ンズ１Ｌｂの曲線よりも曲率半径が大きい。

【００１８】レンズ１Ｌａとレンズ１Ｌｂは、共にエリ
アセンサ３Ｌに焦点が合うように重ねて配置される。焦
点は、Ｚ軸方向で±０．５ｍｍ以内に収めることが望ま
しい。好ましくは、±０．１ｍｍ以内である。レンズ１
Ｌａはレンズ１Ｌｂよりも焦点距離が長いので、レンズ
１Ｌａの方がレンズ１Ｌｂよりもエリアセンサ３Ｌまで
の距離は遠い。

【００１９】レンズ１Ｌａは、Ｘ軸方向の倍率を決める
ためのレンズである。レンズ１Ｌｂは、Ｙ軸方向の倍率
を決めるためのレンズである。レンズ１Ｌａとレンズ１
Ｌｂの軸は、Ｘ−Ｙ平面内で直交している。

【００２０】ここでの直交とは、８０°〜１００°であ
る。好ましくは、８９°〜９１°である。右レンズの組
１Ｒａ，１Ｒｂは、左レンズの組１Ｌａ，１Ｌｂに対応
している。右レンズ１Ｒａは、左レンズ１Ｌａと同じ焦
点距離ｆ１を有する。右レンズ１Ｒｂは、左レンズ１Ｌ
ｂと同じ焦点距離ｆ２を有する。

【００２１】レンズ１Ｒａは、Ｘ軸方向の倍率を決める
ためのレンズであり、レンズ１Ｒｂは、Ｙ軸方向の倍率
を決めるためのレンズである。レンズ１Ｌａとレンズ１
Ｌｂは、共にエリアセンサ３Ｒに焦点が合うように重ね
て配置される。

【００２２】焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ２は異なる。つ
まり、エリアセンサ３Ｌと３Ｒに結像される像は、Ｘ軸
の倍率とＹ軸の倍率が異なる。例えば、焦点距離ｆ１は
３０ｍｍであり、焦点距離ｆ２は１５ｍｍである。この
場合、Ｙ軸はＸ軸に比べ１／２縮小する。Ｙ軸をＸ軸の
１／２にするには、ｆ２＝ｆ１／２にすればよい。

【００２３】図１７に示す測距センサで、レンズ５１
Ｌ，５１Ｒの焦点距離をｆ１にすると、センサチップ５
２の大きさはＡ×Ｂになる。本実施例による測距センサ
は、Ｙ軸がＸ軸の１／２に縮小され、センサチップ２の
大きさはＡ×（Ｂ／２）になる。Ｘ軸方向の長さがＡで
あり、Ｙ軸方向の長さがＢ／２である。本実施例によれ
ば、センサチップ２の大きさを小さくできるので、セン
サチップのコスト、すなわち測距センサのコストを低減
させることができる。ただし、測距精度は低下せず、か
つ測距エリアは狭まらない。

【００２４】測距精度を維持するのであれば、Ｘ軸を縮
小することは許されない。測距センサは、左エリアセン
サ４Ｌに結像される像と右エリアセンサ４Ｒに結像され
る像のＸ軸方向の間隔に応じて測距値を求める。Ｘ軸の
尺度は、測距精度に直接影響する。

【００２５】それに対し、Ｙ軸を縮小しても、測距精度
はほとんど変わらない。２次元測距センサは、ラインセ
ンサ４Ｌ，４Ｒに結像される像を基に測距値を算出する
ので、ラインセンサのセンサ配列方向（Ｘ軸）に直交す
るＹ軸は比較的高精度を要求されない。なお、Ｙ軸を縮
小することによる影響については、後に示す。

【００２６】測距対象である被写体から発せられる光
は、左レンズの組１Ｌａと１Ｌｂを通過して左エリアセ
ンサ３Ｌに、右レンズの組１Ｒａと１Ｒｂを通過して右
エリアセンサ３Ｒに、それぞれ照射される。エリアセン
サ３Ｌと３Ｒには、それぞれ被写体の２次元の光像が非
等方的に結像される。当該光像は、Ｘ軸方向に比べＹ軸
方向が１／２に縮小されている。

【００２７】測距センサから被写体までの距離は、左エ
リアセンサ３Ｌに結像される像と、右エリアセンサ３Ｒ
に結像される像との間隔に応じて算出される。図２は、
測距センサに不要な光が入射するのを防止するための遮
光板５，６の配置例を示す。

【００２８】図１では、図を簡素化するために遮光板の
図示を省いた。図２は、図１の測距センサのうち左レン
ズの組１Ｌａと１Ｌｂおよび左エリアセンサ３Ｌに係る
部分のみを示す。図示しないが、右レンズの組１Ｒａと
１Ｒｂおよび右エリアセンサ３Ｒに係る部分についても
同様に、遮光板５と６が配置される。

【００２９】遮光板５と６は、エリアセンサ３Ｌの領域
を画定すると共に、エリアセンサ３Ｌに不要な光が入射
するのを防止する。遮光板５は、レンズ１Ｌａの上に設
けられ、Ｘ軸成分の不要な光を遮光する。レンズ１Ｌａ
は、Ｘ軸の倍率を決めるためのレンズである。遮光板６
は、レンズ１Ｌｂの上に設けられ、Ｙ軸成分の不要な光
を遮光する。レンズ１Ｌｂは、Ｙ軸の倍率を決めるため
のレンズである。

【００３０】図３（Ａ）は、丸レンズ５１Ｌを用いて等
方的に像を結像させる例を示す。被写体１１は、丸レン
ズ５１Ｌを介してエリアセンサ５３Ｌに光像１２として
結像される。光像１２は、Ｘ軸の倍率とＹ軸の倍率が同
じである。エリアセンサ５３Ｌの大きさは、Ｖ×Ｗであ
る。Ｘ軸方向の長さがＶであり、Ｙ軸方向の長さがＷで
ある。

【００３１】図３（Ｂ）は、２枚のシリンドリカルレン
ズ１Ｌａと１Ｌｂを用いて非等方的に像を結像させる例
を示す。被写体１１は、２枚のシリンドリカルレンズ１
Ｌａと１Ｌｂを介してエリアセンサ３Ｌに光像１２とし
て結像される。光像１２は、Ｘ軸の倍率とＹ軸の倍率が
異なる。Ｙ軸の倍率はＸ軸の倍率の１／２である。エリ
アセンサ３Ｌの大きさは、Ｖ×（Ｗ／２）である。Ｘ軸
方向の長さがＶであり、Ｙ軸方向の長さがＷ／２であ
る。

【００３２】図４（Ａ）は、丸レンズを用いて３つの被
写体１１ａ，１１ｂ，１１ｃを左エリアセンサ５３Ｌと
右エリアセンサ５３Ｒにそれぞれ等方的に結像させた例
を示す。図４（Ｂ）は、２枚のシリンドリカルレンズを
用いて図４（Ａ）と同じ被写体１１ａ，１１ｂ，１１ｃ
を左エリアセンサ３Ｌと右エリアセンサ３Ｒにそれぞれ
非等方的に結像させた例を示す。

【００３３】被写体１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、それぞ
れレンズを介して左エリアセンサと右エリアセンサ上に
光像１２ａ，１２ｂ，１２ｃとして結像される。丸レン
ズを使用した場合（図４（Ａ））と２枚のシリンドリカ
ルレンズを使用した場合（図４（Ｂ））を比べると、３
つの光像１２ａ，１２ｂ，１２ｃの間のＸ軸方向の間隔
は同じである。しかし、３つの光像１２ａ，１２ｂ，１
２ｃのＹ軸方向の倍率が異なる。２枚のシリンドリカル
レンズを用いた場合（図４（Ｂ））の光像は、丸レンズ
を用いた場合（図４（Ａ））の光像よりもＹ軸が１／２
に縮小される。

【００３４】図５は、センサチップ２の詳細な構成を示
す。これまでは、説明の便宜上、Ｘ軸を図の横方向に示
し、Ｙ軸を図の縦方向に示した。図５では、Ｘ軸を縦方
向に示し、Ｙ軸を横方向に示す。測距センサは、用途に
応じてＸ軸を水平方向にしたり垂直方向にする。

【００３５】測距センサを例えば車載用に用いる場合に
は、Ｙ軸を水平方向とし、Ｘ軸を垂直方向とするのがよ
い。車載用測距センサの場合、代表的な被写体は車であ
る。車載用測距センサは、一般的に、車の運転席から前
車の後ろの部分を撮影する。前車の後ろの部分が被写体
である。当該被写体は、水平線が多い。例えば、車の屋
根、窓ガラス、トランク、バンパー、ナンバープレート
等は水平線を含む。水平線を多く含む被写体を測距する
には、Ｙ軸を水平方向とし、Ｘ軸を垂直方向とするのが
よい。ラインセンサは、Ｘ軸方向（垂直方向）にセンサ
が並んでいるからである。

【００３６】センサチップ２上には、左エリアセンサ３
Ｌと右エリアセンサ３ＲがＸ軸方向に並ぶ。前述の通
り、センサチップ２の大きさは、Ａ×（Ｂ／２）であ
る。左エリアセンサ３Ｌの大きさは、Ｖ×（Ｗ／２）で
あり、例えば５．３ｍｍ×５．４ｍｍである。右エリア
センサ３Ｒも同じ大きさである。

【００３７】左エリアセンサ３Ｌは、Ｘ軸方向に長いラ
インセンサ４ＬをＹ軸方向に３０本並べることにより構
成される。１本のラインセンサ４Ｌは、５つの領域に分
割される。この測距センサは、３０×５ポイントの測距
を行うことができる。つまり、エリアセンサに結像され
る２次元の像の中で３０×５ポイントの領域の測距値を
計測することができる。

【００３８】ｔａは、ラインセンサ４Ｌの幅、すなわち
ラインセンサ４ＬのＹ軸方向の長さを示す。ｔｂは、ラ
インセンサ４Ｌの配列ピッチを示す。ｔｂ−ｔａは、ラ
インセンサ４Ｌ間の不要領域（フォトダイオードのない
領域）の長さである。

【００３９】以下、丸レンズを使用した場合と２枚のシ
リンドリカルレンズを使用した場合を比較して、ｔａと
ｔｂの長さを示す。（１）丸レンズを使用した場合ｔａ＝１００μｍｔｂ＝３２０μｍｔｂ−ｔａ＝２２０μｍ（２）２枚のシリンドリカルレンズを使用した場合ｔａ＝５０μｍｔｂ＝１６０μｍｔｂ−ｔａ＝１１０μｍ２枚のシリンドリカルレンズを使用すれば、ラインセン
サ４Ｌの幅ｔａとラインセンサ間の長さｔｂを１／２に
することができる。不要領域の長さｔｂ−ｔａも１／２
になる。その結果、センサチップ２全体の大きさを小さ
くすることができる。

【００４０】丸レンズを使用した場合、エリアセンサ３
Ｌの大きさはＶ×Ｗ（＝５．３ｍｍ×１０．８ｍｍ）で
ある。２枚のシリンドリカルレンズを使用した場合、エ
リアセンサ３Ｌの大きさはＶ×（Ｗ／２）（＝５．３ｍ
ｍ×５．４ｍｍ）である。Ｙ軸が１／２になる。センサ
チップ２が小さくなれば、測距センサのコストを下げる
ことができる。

【００４１】ラインセンサ４Ｌは複数のフォトダイオー
ドを含む。１つのフォトダイオードの受光面積は、Ｙ軸
方向がｔａ＝５０μｍであり、Ｘ軸方向が２４〜１２μ
ｍ（標準的には２０μｍ）である。

【００４２】以上は、左エリアセンサ３Ｌについて説明
したが、右エリアセンサ３Ｒにも、同様に、ラインセン
サ４ＲがＹ軸方向に３０本並んでおり、１本のラインセ
ンサ４Ｒは５つの領域に分割されている。

【００４３】次に、測距センサの測距原理を説明する。
図５のセンサチップの構成は、２次元多点測距を行うた
めの構成である。まず、基本的な測距として、１次元１
点測距を説明する。

【００４４】図６は、１次元１点測距の原理を示す。セ
ンサチップ２の表面に１本の左ラインセンサ４Ｌと１本
の右ラインセンサ４Ｒが配置されている。

【００４５】レンズ１Ｌと１Ｒは、それぞれ２枚のシリ
ンドリカルレンズからなる。被写体１１から発せられる
光は、レンズ１Ｌと１Ｒを介して、それぞれ左ラインセ
ンサ４Ｌと右ラインセンサ４Ｒ上に照射され、像１２Ｌ
と１２Ｒを生成する。

【００４６】２つの像１２Ｌと１２Ｒは、基線長Ｂに位
相差ｄの長さだけ加算した間隔だけ離れた位置に写し出
される。２つの像１２Ｌと１２Ｒの間隔は、Ｂ＋ｄの長
さとなる。基線長Ｂは、被写体１１が無限遠に位置する
ときに２つのレンズ１Ｌ，１Ｒを介してセンサチップ２
上に写し出される２つの像の間隔である。

【００４７】レンズ・センサ間距離ｆは、レンズ１か
ら、被写体１１の光像が写し出されるセンサチップ２の
面までの距離であり、レンズの焦点距離に相当する。測
距値Ｌは、被写体１１からレンズ１Ｌ，１Ｒまでの距離
であり、この距離が被写体１１までの距離として測定さ
れる。

【００４８】底辺Ｂ、高さＬの直角三角形と底辺ｄ、高
さｆの直角三角形とが相似するので、測距値Ｌは、次式
のように基線長Ｂとレンズ・センサ間距離ｆとの積Ｂｆ
を位相差ｄで除算した商により表される。

【００４９】Ｌ＝（Ｂ・ｆ）／ｄ・・・（１）基線長Ｂおよび位相差ｄは、Ｘ軸方向の長さである。測
距値Ｌの精度を維持するためには、Ｘ軸を縮小すること
はできない。本実施例では、２枚のシリンドリカルレン
ズを用いてＸ軸と比較してＹ軸を縮小する。

【００５０】以上は、１次元１点測距を行う例を示し
た。次に、１次元多点測距を行う例を示す。図７は、１
次元多点測距の原理を示す。

【００５１】センサチップには、１本の左ラインセンサ
４Ｌと１本の右ラインセンサ４Ｒが配置されている。左
ラインセンサ４Ｌは、２つの領域ｚｎ１とｚｎ２に分割
されている。右ラインセンサ４Ｒも、２つの領域ｚｎ１
とｚｎ２に分割されている。

【００５２】測距センサは、Ｘ軸方向に並ぶ測距エリア
ＺＮ１と測距エリアＺＮ２の２点の測距を行うことがで
きる。被写体１１ａは、測距エリアＺＮ１の被写体であ
る。被写体１１ａから発せられる光は、左レンズ１Ｌと
右レンズ１Ｒを通過して、それぞれ左ラインセンサ４Ｌ
のエリアｚｎ１と右ラインセンサ４Ｒのエリアｚｎ１に
照射され、それぞれ光像１２ａを生成する。２つの光像
１２ａの像間隔（位相差ｄ）を基に、上式（１）を用い
て、被写体１１ａの測距値Ｌを算出する。

【００５３】一方、被写体１１ｂは、測距エリアＺＮ２
の被写体である。被写体１１ｂから発せられる光は、左
レンズ１Ｌと右レンズ１Ｒを通過して、それぞれ左ライ
ンセンサ４Ｌのエリアｚｎ２と右ラインセンサ４Ｒのエ
リアｚｎ２に照射され、それぞれ光像１２ｂを生成す
る。２つの光像１２ｂの像間隔（位相差ｄ）を基に、上
式（１）を用いて、被写体１１ｂの測距値Ｌを算出す
る。レンズから等距離に２つの測距エリアを図示した
が、２つの測距エリアまでの距離は任意でよい。

【００５４】図８は、２次元多点測距の原理を示す。セ
ンサチップは、左エリアセンサ３Ｌと右エリアセンサ３
Ｒを有する。エリアセンサ３Ｌと３Ｒは、共に３本のラ
インセンサを有する。各ラインセンサは、２つの領域に
分割されている。エリアセンサ３Ｌと３Ｒは、共に６つ
の領域ｚｎ１１，ｚｎ１２，ｚｎ１３，ｚｎ２１，ｚｎ
２２，ｚｎ２３に分割される。

【００５５】測距エリアは、Ｘ軸方向に２つ、Ｙ軸方向
に３つ分割され、計６つのエリアＺＮ１１，ＺＮ１２，
ＺＮ１３，ＺＮ２１，ＺＮ２２，ＺＮ２３に分割され
る。測距センサは、２次元に配置された当該６つのエリ
アの測距を行うことができる。

【００５６】６つの測距エリアＺＮ１１〜ＺＮ２３の被
写体は、左レンズ１Ｌと右レンズ１Ｒを通過して、それ
ぞれ左エリアセンサ３Ｌの６つのエリアｚｎ１１〜ｚｎ
２３と右エリアセンサ３Ｒの６つのエリアｚｎ１１〜ｚ
ｎ２３に結像される。

【００５７】左エリアセンサ３Ｌと右エリアセンサ３Ｒ
の対応するエリアに結像される像の間隔（位相差ｄ）を
基に、式（１）を用いて、測距値Ｌを算出する。図９
（Ａ）、（Ｂ）は、測距エリアとエリアセンサの大きさ
の関係を示す。右エリアセンサ３Ｒについても、左エリ
アセンサ３Ｌと同じである。

【００５８】図９（Ａ）は、丸レンズ５１Ｌを用いたと
きの測距エリアを示す。被写体１１の像は、レンズ５１
Ｌを境界に反転してエリアセンサ５３Ｌに結像される。
丸レンズ５１Ｌとエリアセンサ５３Ｌとの距離は焦点距
離ｆである。焦点距離ｆは、例えば３０ｍｍである。エ
リアセンサ５３ＬのＹ軸方向の長さは、Ｗである。

【００５９】図９（Ｂ）は、２枚のシリンドリカルレン
ズを用いたときの測距エリアを示す。被写体１１の像
は、シリンドリカルレンズ１Ｌｂを境界に反転してエリ
アセンサ３Ｌに結像される。シリンドリカルレンズ１Ｌ
ｂとエリアセンサ３Ｌとの距離は焦点距離ｆ２である。
焦点距離ｆは、例えば１５ｍｍである。エリアセンサ３
ＬのＹ軸方向の長さは、Ｗ／２である。

【００６０】丸レンズを用いたときのエリアセンサ５３
ＬのＹ軸方向の長さはＷであり、２枚のシリンドリカル
レンズを用いたときのエリアセンサ３ＬのＹ軸方向の長
さはＷ／２である。被写体１１の範囲、すなわち測距エ
リアは両者とも同じである。

【００６１】図１０（Ａ）は、Ｙ−Ｚ平面であり、視野
角θを示す。シリンドリカルレンズ１Ｌｂとエリアセン
サ３Ｌの距離は、約レンズ１Ｌａの焦点距離ｆ２であ
る。視野角θに納まるエリアセンサ３ＬのＹ軸方向の長
さはＷ／２である。

【００６２】視野角θは、次式で表される。ｔａｎ（θ／２）＝（Ｗ／２）／（２×ｆ２） θ／２＝ｔａｎ^-1〔（Ｗ／２）／（２×ｆ２）〕 θ＝２×ｔａｎ^-1〔（Ｗ／２）／（２×ｆ２）〕本実施例では、Ｗ／２が５．４ｍｍであり、ｆ２が１５
ｍｍである。視野角θは、以下のようになる。

【００６３】 θ＝２×ｔａｎ^-1〔（Ｗ／２）／（２×ｆ２）〕＝２×ｔａｎ^-1〔５．４／（２×１５）〕＝２×ｔａｎ^-1（０．１８） ≒２０．４° 図１７の丸レンズを用いた測距センサでは、エリアセン
サの長さはＷ／２＝５．４ｍｍではなくＷ＝１０．８ｍ
ｍであり、焦点距離はｆ２＝１５ｍｍではなくｆ＝３０
ｍｍである。このときの視野角θは、以下のようにな
る。

【００６４】 θ＝２×ｔａｎ^-1〔Ｗ／（２×ｆ）〕＝２×ｔａｎ^-1〔１０．８／（２×３０）〕＝２×ｔａｎ^-1（０．１８） ≒２０．４° すなわち、２枚のシリンドリカルレンズを用いた測距セ
ンサ（図１）と、丸レンズを用いた測距センサ（図１
７）とは、視野角θが同じである。すなわち、測距エリ
アは同じである。

【００６５】図１０（Ｂ）は、Ｘ−Ｚ平面であり、視野
角φを示す。シリンドリカルレンズ１Ｌａとエリアセン
サ３Ｌとの距離は、約レンズ１Ｌａの焦点距離ｆ１であ
る。視野角φに納まるエリアセンサ３ＬのＸ軸方向の長
さはＶである。

【００６６】Ｘ軸方向については、通常の縮小を行うの
で、レンズが丸レンズであっても２枚のシリンドリカル
レンズであっても、視野角φは、同じであり、次式で表
される。

【００６７】φ＝２×ｔａｎ^-1〔Ｖ／（２×ｆ１）〕本実施例では、Ｖが５．３ｍｍであり、ｆ１が３０ｍｍ
である。視野角φは以下のようになる。

【００６８】 φ＝２×ｔａｎ^-1〔５．３／（２×３０）〕 ≒１０．１° 以上のように、丸レンズを用いた測距センサ（図１７）
と２枚のシリンドリカルレンズを用いた測距センサ（図
１）とは、視野角θとφの両方が同じである。すなわ
ち、測距エリアが同じである。

【００６９】本実施例による測距センサは、Ｙ軸方向の
視野角θは約２０．４°であり、Ｘ軸方向の視野角φは
約１０．１°である。丸レンズを用いた場合（図１７）
に比べ、同じ測距エリアを維持しながらセンサチップの
大きさを小さくすることができる。

【００７０】以上は、２枚のシリンドリカルレンズを用
いれば、同じ測距エリアを維持しながらも、センサチッ
プの大きさを小さくできることを示した。次に、センサ
チップを小さくしても、測距精度を維持できることを説
明する。

【００７１】シリンドリカルレンズを用いて光像のＹ軸
をＸ軸の１／２に縮小し、エリアセンサをＹ軸方向に１
／２に縮小するのであれば、測距精度を維持できること
は自明であろう。

【００７２】次に、エリアセンサをＹ軸方向に単純に１
／２に縮小するのではなく、ラインセンサ（フォトダイ
オード）のＹ軸方向の長さｔａ（図５）を同じに保ちな
がら、エリアセンサのＹ軸方向の長さを１／２に縮小す
る場合を考える。

【００７３】図１１（Ａ）は、垂直パターンの被写体が
ラインセンサ４Ｌに結像される例を示す。垂直パターン
１２は、ある垂直パターンの被写体が丸レンズを通過し
てラインセンサ４Ｌ上に結像されるパターンである。垂
直パターン１２’は、同じ被写体が２枚のシリンドリカ
ルレンズを通過してラインセンサ４Ｌ上に結像されるパ
ターンである。垂直パターン１２，１２’は、共にライ
ンセンサ４Ｌに対して垂直方向（Ｙ軸方向）に交わる。

【００７４】垂直パターン１２’は、垂直パターン１２
に比べ、Ｘ軸方向の倍率は変わらず、Ｙ軸方向がレンズ
の中心に対応する点ＣＮを軸に１／２縮小されたパター
ンになる。

【００７５】ｘ₀は、点ＣＮのＸ座標である。垂直パタ
ーン１２は、ラインセンサ４Ｌ上のｘ₀−Δｘからｘ₀
＋Δｘの間に結像される。垂直パターン１２’も同じ
く、ラインセンサ４Ｌ上のｘ₀−Δｘからｘ₀＋Δｘの
間に結像される。

【００７６】図１１（Ｂ）は、上記のラインセンサ４Ｌ
が検出するセンサデータを示すグラフである。横軸はＸ
軸（画素位置）であり、縦軸はセンサデータの大きさを
示す。センサデータ１３は、垂直パターン１２のセンサ
データであり、垂直パターン１２’のセンサデータでも
ある。なお、ここでは、センサデータの大きさについて
は追求しない。重要なのは、Ｘ軸の位置が同じであるこ
とである。

【００７７】丸レンズを用いた場合でも、２枚のシリン
ドリカルレンズを用いた場合でも、被写体が垂直パター
ンであるときには、ラインセンサが検出するセンサデー
タは同じである。すなわち、被写体が垂直パターンであ
るときには、両者の測距精度は同じである。

【００７８】図１２（Ａ）は、斜めパターンの被写体が
ラインセンサ４Ｌに結像される例を示す。斜めパターン
１５は、ある斜めパターンの被写体が丸レンズを通過し
てラインセンサ４Ｌ上に結像されるパターンである。斜
めパターン１５’は、同じ被写体が２枚のシリンドリカ
ルレンズを通過してラインセンサ４Ｌ上に結像されるパ
ターンである。斜めパターン１５，１５’は、共にライ
ンセンサ４Ｌに対して斜め方向に交わる。

【００７９】斜めパターン１５’は、斜めパターン１５
に比べ、Ｘ軸方向の倍率は変わらず、Ｙ軸方向がレンズ
の中心に対応する点ＣＮを軸に１／２縮小されたパター
ンになる。

【００８０】ｘ₀は、点ＣＮのＸ座標である。斜めパタ
ーン１５は、ラインセンサ４Ｌ上のｘ₀−Δｘ₁からｘ
₀＋Δｘ₁の間に結像される。一方、斜めパターン１
５’は、ラインセンサ４Ｌ上のｘ₀−Δｘ₂からｘ₀＋
Δｘ₂の間に結像される。ここで、Δｘ₁＜Δｘ₂であ
る。

【００８１】図１２（Ｂ）は、上記のラインセンサ４Ｌ
が検出するセンサデータを示すグラフである。横軸はＸ
軸（画素位置）であり、縦軸はセンサデータの大きさを
示す。センサデータ１６は、斜めパターン１５のセンサ
データである。センサデータ１６’は、斜めパターン１
５’のセンサデータである。

【００８２】センサデータ１６’は、センサデータ１６
に比べ裾が広がった形である。センサデータ１６と１
６’は、中心位置ｘ₀が同じであり、Ｘ軸方向のずれは
ない。上記の式（１）により測距値Ｌを求める際、左ラ
インセンサの像と右ラインセンサの像との間隔（位相
差）ｄを用いる。この位相差ｄは、丸レンズを用いて
も、２枚のシリンドリカルレンズを用いても、同じであ
る。すなわち、被写体が斜めパターンであっても、両者
の測距精度は同じである。

【００８３】以上のように、被写体が垂直パターンであ
っても斜めパターンであっても、両者の測距精度は同じ
である。２枚のシリンドリカルレンズを用いて、センサ
チップを小さくしたとしても、測距精度は低下しない。

【００８４】図１３は、本発明の他の実施例による２次
元測距センサの構成を示す。２次元測距センサは、セン
サチップ２と左レンズ部材２１Ｌと右レンズ部材２１Ｒ
を有する。センサチップ２は、先の実施例と同じもので
あり、表面に左エリアセンサ３Ｌと右エリアセンサ３Ｒ
を有する。

【００８５】本実施例の測距センサは、先の実施例の測
距センサ（図１）においてレンズを置き換えただけであ
る。レンズ部材２１Ｌと２１Ｒは、２枚のシリンドリカ
ルレンズを一体化したものであり、２枚のシリンドリカ
ルレンズを用いたものと実質的に同一である。視点ＣＣ
から見た図を図１４（Ａ）に示し、視点ＤＤから見た図
を図１４（Ｂ）に示す。

【００８６】左レンズ部材２１Ｌは、Ｘ軸方向の倍率を
決めるためのシリンドリカルレンズ部２２Ｌと、Ｙ軸方
向の倍率を決めるためのシリンドリカルレンズ部２３Ｌ
と、当該２つのシリンドリカルレンズ部を結合するため
の胴体２４Ｌからなる。

【００８７】胴体２４Ｌの表面にレンズ部２２Ｌが設け
られ、胴体２４Ｌの裏面にレンズ部２３Ｌが設けられ
る。レンズ部２２Ｌとレンズ部２３Ｌとは、ほぼ直交す
るように設けられる。

【００８８】シリンドリカルレンズ部２２Ｌの焦点距離
はｆ１であり、シリンドリカルレンズ部２３Ｌの焦点距
離はｆ２である。焦点距離ｆ１は、焦点距離ｆ２よりも
長い。すなわち、レンズ部２２Ｌの曲線は、レンズ部２
３Ｌの曲線よりも曲率半径が大きい。

【００８９】レンズ部材２１Ｌは、レンズ部２２Ｌとレ
ンズ部２３Ｌの焦点が共にエリアセンサ３Ｌに合うよう
に構成される。胴体２３Ｌの厚さｇは、レンズ部２２Ｌ
とレンズ部２３Ｌの間隔である。厚さｇの決定方法を次
に示す。

【００９０】Ｙ軸を１／２にするため、例えば、レンズ
部２２Ｌの焦点距離ｆ１を３０ｍｍにし、レンズ部２３
Ｌの焦点距離ｆ２を１５ｍｍにする。レンズ部２２Ｌと
レンズ部２３Ｌの間には胴体２４Ｌが介在するので、胴
体２４Ｌの屈折率ｎを考慮する必要がある。レンズ部材
２１Ｌをプラスチックで成形する場合、胴体２４Ｌの屈
折率ｎは約１．５である。

【００９１】胴体２４Ｌの厚さｇは、以下のように表さ
れる。ｇ＝（ｆ１−ｆ２）／ｎ＝（３０−１５）／１．５＝１０ｍｍ胴体２４Ｌの厚さｇは限定されない。ただし、胴体２４
Ｌの厚さｇが厚すぎると、レンズ部材２１Ｌ全体が大き
くなりすぎ好ましくない。厚さｇは１０ｍｍ程度以下が
好ましい。

【００９２】右レンズ部材２１Ｒは、左レンズ部材２１
Ｌと同じ形状であり、Ｘ軸方向の倍率を決めるためのシ
リンドリカルレンズ部２２Ｒと、Ｙ軸方向の倍率を決め
るためのシリンドリカルレンズ部２３Ｒと、当該２つの
シリンドリカルレンズ部を結合するための胴体２４Ｒか
らなる。

【００９３】左レンズ部材２１Ｌと右レンズ部材２１Ｒ
を通過して結像される像は、Ｘ軸と比べＹ軸が１／２に
縮小される。センサチップ２の大きさはＡ×（Ｂ／２）
になる。センサチップ２の大きさは小さくてすむので、
センサチップのコスト、すなわち測距センサのコストを
低減させることができる。

【００９４】図１５は、図１３の測距センサに不要な光
が入射するのを防止するための遮光板２５，２６の配置
例を示す。図１３では、図を簡素化するために遮光板の
記載を省いた。図１５は、図１３の測距センサのうち左
レンズ部材２１Ｌおよび左エリアセンサ３Ｌに係る部分
のみを示す。図示しないが、右レンズ部材２１Ｒおよび
右エリアセンサ３Ｒに係る部分についても同様に、遮光
板２５と２６が配置される。

【００９５】遮光板２５と２６は、図２に示した遮光板
５と６と同じ役割を果たす。遮光板２５は、シリンドリ
カルレンズ部２２Ｌを挟むように胴体２４Ｌの上面に固
定され、Ｘ軸成分の不要な光を遮光する。遮光板２６
は、シリンドリカルレンズ部２３Ｌを挟むように胴体２
４Ｌの下面に固定され、Ｙ軸成分の不要な光を遮光す
る。

【００９６】図１６は、他のレンズ部材の例を示す。上
記のレンズ部材は、胴体に遮光板を載せるための平面部
を有していたが、このレンズ部材は胴体にＸ−Ｙ平面を
持たない。レンズ部２２Ｌと２３Ｌは、Ｘ−Ｙ平面への
射影形状が同一であり、レンズ部２２Ｌの曲面とレンズ
部２３Ｌの曲面との間に胴体２４Ｌが収められており、
でっぱりがない。レンズ部２２Ｌとレンズ部２３Ｌは、
共に胴体２４Ｌに接する面積が同じである。

【００９７】以上のように、本実施例では、Ｘ軸の倍率
とＹ軸の倍率が異なる像を結像させるためのレンズを用
いる。当該レンズは、例えば、２枚のシリンドリカルレ
ンズを重ねたもの、またはそれに相当するものである
が、他の形状でもよい。

【００９８】シリンドリカルレンズとしてかまぼこ形の
形状を示したが、円筒形の形状を有するシリンドリカル
レンズを用いてもよい。Ｙ軸を縮小すれば、像が結像さ
れるセンサチップの大きさを小さくすることができる。
Ｙ軸を縮小しても、測距精度は低下せず、測距エリアは
狭まらない。センサチップを小さくすることにより、セ
ンサチップのコストを低くすることができるので、測距
センサ全体のコストを低くすることができる。

【００９９】なお、像のＸ軸方向の倍率とＹ軸方向の倍
率の比は２に限らず、その他の比でもよい。Ｙ軸方向の
スケールは、Ｘ軸方向に比べ精度が要求されないので、
Ｙ軸を縮小することにより、センサチップを小さくす
る。

【０１００】本実施例では、レンズを通して物空間をＸ
軸方向についてもＹ軸方向についても縮小を行う。Ｙ軸
方向の倍率をＸ軸方向の倍率よりも小さくするというこ
とは、Ｙ軸方向の縮小率をＸ軸方向の縮小率よりも大き
くするということである。

【０１０１】また、２次元測距センサの場合を例に説明
したが、１次元測距センサの場合にも適用できる。１次
元測距センサは、図６または図７に示すように、１本の
左ラインセンサと１本の右ラインセンサにより構成され
る。この場合も、Ｙ軸方向を縮小すれば、センサチップ
の大きさを小さくすることができる。

【０１０２】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１および第２のレンズ部材が、お互いに直交する第１
および第２の軸に対して異なる倍率で像を結像するの
で、第１および第２のセンサに結像される像は、第１の
軸の倍率と第２の軸の倍率が異なる。第１の軸と第２の
軸のうち、相対的に精度を要求されない方の軸の倍率を
小さくすれば、測距精度を低下させないでかつ測距エリ
アを狭めないで、第１および第２のセンサを小さくする
ことができる。第１および第２のセンサを小さくすれ
ば、測距センサのコストを低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による２次元測距センサの構成
を示す斜視図である。

【図２】測距センサに不要な光が入射するのを防止する
ための遮光板の配置例を示す斜視図である。

【図３】図３（Ａ）は丸レンズを用いて等方的に像を結
像させる例を示す概略図であり、図３（Ｂ）は２枚のシ
リンドリカルレンズを用いて非等方的に像を結像させる
例を示す概略図である。

【図４】図４（Ａ）は丸レンズを用いて３つの被写体を
左エリアセンサと右エリアセンサにそれぞれ等方的に結
像させた例を示す概略図であり、図４（Ｂ）は２枚のシ
リンドリカルレンズを用いて図４（Ａ）と同じ被写体を
左エリアセンサと右エリアセンサにそれぞれ非等方的に
結像させた例を示す概略図である。

【図５】センサチップの詳細な構成を示す平面図であ
る。

【図６】１次元１点測距の原理を示す概略図である。

【図７】１次元多点測距の原理を示す概略図である。

【図８】２次元多点測距の原理を示す概略図である。

【図９】図９（Ａ）は丸レンズを用いたときの測距エリ
アを示す図であり、図９（Ｂ）は２枚のシリンドリカル
レンズを用いたときの測距エリアを示す図である。

【図１０】図１０（Ａ）は視野角θを示す概略図であ
り、図１０（Ｂ）は視野角φを示す概略図である。

【図１１】図１１（Ａ）は垂直パターンの被写体がライ
ンセンサに結像される例を示す平面図であり、図１１
（Ｂ）はラインセンサが検出する垂直パターンのセンサ
データを示すグラフである。

【図１２】図１２（Ａ）は斜めパターンの被写体がライ
ンセンサに結像される例を示す平面図であり、図１２
（Ｂ）はラインセンサが検出する斜めパターンのセンサ
データを示すグラフである。

【図１３】本発明の他の実施例による２次元測距センサ
の構成を示す斜視図である。

【図１４】図１４（Ａ）は図１３の視点ＣＣから見た側
面図であり、図１４（Ｂ）は図１３の視点ＤＤから見た
側面図である。

【図１５】図１３の測距センサに不要な光が入射するの
を防止するための遮光板の配置例を示す斜視図である。

【図１６】他のレンズ部材の例を示す斜視図である。

【図１７】従来技術による２次元測距センサの構成を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１シリンドリカルレンズ２センサチップ３エリアセンサ４ラインセンサ５，６遮光板２１レンズ部材２５，２６遮光板５１丸レンズ５２センサチップ５３エリアセンサ５４ラインセンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれが光軸に直交する面でお互いに
直交する第１および第２の軸に対して異なる倍率で像を
結像させるレンズ部材であり、被写体を空間的に異なる
経路を経て結像させるための第１および第２のレンズ部
材（１Ｌ，１Ｒ）と、各々が光電変換を行う画素の並びであり、前記第１およ
び第２のレンズによりそれぞれ結像される第１および第
２のセンサ（３Ｌ，３Ｒ）とを有する測距センサ。
【請求項２】さらに、前記第１のセンサに結像される
像と前記第２のセンサに結像される像に応じて被写体ま
での距離を演算するための距離演算手段を有する請求項
１記載の測距センサ。
【請求項３】前記第１の軸は第１および第２のレンズ
部材を結ぶ方向の軸であり、前記第１および第２のレン
ズ部材は、共に第１の軸の倍率が第２の軸の倍率よりも
大きい請求項１または２記載の測距センサ。
【請求項４】前記第１および第２のレンズ部材は、共
に焦点距離の異なる２つのシリンドリカルレンズをほぼ
直交に配置してなる請求項１〜３のいずれかに記載の測
距センサ。
【請求項５】前記第１および第２のレンズ部材は、共
に表面と裏面にそれぞれほぼ直交する第１および第２の
シリンドリカルレンズ面が設けられ、第１および第２の
シリンドリカルレンズ面は焦点距離が異なる請求項１〜
３のいずれかに記載の測距センサ。
【請求項６】前記第１および第２のセンサは、共に前
記第１および第２のレンズ部材を結ぶ方向に画素が配列
するラインセンサを複数本並べて２次元のセンサを形成
する請求項１〜５のいずれかに記載の測距センサ。