JPH09243746A - 距離センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、変調光を外部光路と参照光路とに
切り替える光路切替手段を備え、外部光路で測定した時
間から参照光路で測定した時間を引いて距離測定を行う
距離センサに関し、特に外部光路と参照光路の切り替え
を高速に行い高速測定が可能で、しかも振動に強く長寿
命化が可能な距離センサを提供することを目的とする。 【解決手段】 光路切替手段（３、４、５）は、変調光
の偏光特性を電気的または磁気的に変化させ、一方の偏
光を外部光路用とし、それと偏光状態が異なる他方の偏
光を参照光路用としてそれぞれ出射することを特徴とす
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、変調光を外部光路
と参照光路とに切り替えて送出し、外部光路で測定した
時間から参照光路で測定した時間を引いて距離測定を行
う距離センサに関し、特に外部光路と参照光路の切替制
御方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】光を用いた距離センサは、高精度であ
り、非接触な測定が可能であることから様々な分野で広
く利用されている。その中でも、中・長距離用のセンサ
としては光源を正弦波変調またはパルス変調する方式の
距離センサが一般的である。ここに、前者の測定方式
は、出射光と測定対象からの反射光との位相差から距離
を測定する方式であり、後者の測定方式は、出射パルス
光の測定対象までの往復時間から距離を測定する方式で
ある。

【０００３】精度の面では、前者の方式が優れている
が、以下、後者の方式による従来の距離センサを図４及
び図５を参照して説明する。なお、図４は、光源をパル
ス変調する方式の距離センサの原理的構成図である。図
５は、従来のパルス変調方式の距離センサの構成図であ
る。図４において、この距離センサは、パルス駆動回路
１、光源２、送光系６、受光系７、受光器９、増幅回路
１０、コンパレータ１１、時間計測回路１２、演算処理
回路２０等で構成される。

【０００４】演算処理回路２０は、パルス駆動回路１と
時間計測回路１２とに同時にスタート信号を出力する。
これにより、パルス駆動回路１は、光源２をパルス発光
させる。同時に、時間計測回路１２は、時間計測を開始
する。光源２から射出されるパルス光は、送光系６から
測定対象に向けて外部光路へ射出される。測定対象での
反射パルス光は、外部光路から受光系７を介して受光器
９に入力し、電気変換され、増幅回路１０で適宜レベル
に増幅されてコンパレータ１１に入力する。

【０００５】コンパレータ１１は、増幅回路１０からの
入力信号レベルが基準値を越えたときストップ信号を時
間測定回路１２に出力する。時間計測回路１２は、スタ
ート信号入力時点からストップ信号入力時点までの時間
を計測し、その計測した時間計測データを演算処理回路
２０に与える。演算処理回路２０は、入力した時間計測
データと光速とから測定対象までの距離を算出する。

【０００６】ところで、以上の原理的動作において、時
間計測回路１２は、パルス光の測定対象までの往復時間
を測定しているが、この往復時間には、厳密には、スタ
ート信号が入力されてからパルス光が出射されるまでの
時間、受光器９に反射パルス光が入力されてからコンパ
レータ１１からストップ信号が出力されるまでの時間等
の電気回路系の遅延時間が含まれている。

【０００７】従って、スタート信号とストップ信号との
間の時間から算出された距離は、実際の距離よりも大き
な値となる。つまり、誤差を含む。また、電気回路系の
遅延時間は、温度依存性があるので、測距値が温度変化
に応じて変化する温度ドリフトがあり、誤差成分が変動
すると言う問題がある。なお、この遅延時間による測定
誤差が生ずる点は、正弦波変調方式の距離センサにおい
ても同様である。

【０００８】この問題を解決するために、従来の距離セ
ンサは、パルス変調方式であるか、正弦波変調方式であ
るかを問わず、一般的に、距離センサ内部に電気回路系
の遅延時間を計測する参照光路を設け、外部光路におけ
る測定対象までの測距値から参照光路の測距値を引き算
して電気回路系の遅延時間をキャンセルできる構成を採
用している。

【０００９】具体的には、図５は、図４に示したパルス
変調方式の距離センサへの適用例であるが、図５に示す
ように光源２と送光系６との間に光路切替機構２１を設
け、また受光系７と受光器９との間に分波器８を設ける
構成となる。光路切替機構２１は、外部光路と参照光路
との光路を切り替えるもので、光源２の出射パルス光を
送光系６側へ透過すると共に、分波器８側へ反射する分
波器２１ａと、遮光板２１ｂと、図示省略したがこの遮
光板２１ｂを図中実線位置（送光系６側）と点線位置
（分波器８側）とに切り替えて配置させるモータとで構
成される。

【００１０】また、分波器８は、受光系７から入射した
反射パルス光を受光器９へ透過すると共に、分波器２１
ａからの出射パルス光を反射して受光器９へ入力させ
る。従って、距離センサ内部に光源２→分波器２１ａ→
分波器８→受光器９のルートからなる参照光路が形成さ
れる。なお、外部光路は、光源２→分波器２１ａ→送光
系６→測定対象物→受光系７→分波器８→受光器９のル
ートからなる。

【００１１】この種の距離センサでは、電気回路系の温
度ドリフトの影響を防止するため、測定の都度、参照光
路による補正をするのが一般的である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したよう
に、参照光路を形成するための光路切替機構は、機械的
に光路を切り替える構成であるので、応答速度が遅くな
り、測定時間が長くなってしまう。加えて、可動部を有
するので、外部から加えられる機械的振動に弱く長寿命
化が困難である。この問題の重要性は、距離センサを移
動体の進路センサとして使用する場合を考えれば明らか
である。

【００１３】本発明は、このような課題を解決すべくな
されたもので、高速測定が可能で、しかも振動に強く長
寿命化が可能な距離センサを提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、変調光を外部光路と参照光路とに切り替える光路切
替手段を備え、外部光路で測定した時間から参照光路で
測定した時間を引いて距離測定を行う距離センサにおい
て、光路切替手段は、変調光の偏光特性を電気的または
磁気的に変化させ、一方の偏光を外部光路用とし、それ
と偏光状態が異なる他方の偏光を参照光路用としてそれ
ぞれ出射することを特徴とする。

【００１５】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の距離センサにおいて、光路切替手段は、偏光した変調
光を出力する偏光出力手段と、偏光出力手段が出力する
変調光をその偏光を電気的にまたは磁気的に一方の偏光
とそれと偏光状態が異なる他方の偏光とに切り替えて出
射する偏光制御手段と、偏光制御手段が出力する変調光
を、一方の偏光のときは外部光路へ出射し、他方の偏光
のときは参照光路へ出射する偏光分波手段とを備えるこ
とを特徴とする。

【００１６】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の距離センサにおいて、偏光は、直線偏
光であることを特徴とする。

【００１７】（作用）請求項１に記載の発明では、変調
光を外部光路と参照光路とに切り替えることを、変調光
の偏光特性を電気的または磁気的に変化させ、一方の偏
光を外部光路用とし、それと偏光状態が異なる他方の偏
光を参照光路用としてそれぞれ出射することにより行
う。

【００１８】従って、高速に光路の切り替えが可能であ
り、つまり、高速測定が可能であり、しかも可動部分が
ないので外部から加えられる振動に強く、装置の長寿命
化が図れる。請求項２に記載の発明では、偏光出力手段
が、偏光した変調光を出力し、偏光制御手段が、その偏
光した変調光を電気的にまたは磁気的に一方の偏光とそ
れと偏光状態が異なる他方の偏光とに切り替えて出射
し、偏光分波手段が、偏光制御手段が出力する変調光
を、一方の偏光のときは外部光路へ出射し、他方の偏光
のときは参照光路へ出射する。

【００１９】これらの構成要素は、特別なものではない
ので、光路切替手段を簡易な構成とすることができる。
請求項３に記載の発明では、直線偏光を用いて光路切替
が行われる。直線偏光は、特に広く利用されているの
で、本発明を構成する際にも直線偏光を利用すれば、一
層構成を簡素化できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態の距
離センサの構成図である。本発明では、変調光の偏光特
性を電気的または磁気的に変化させ、一方の偏光を外部
光路へ、それと偏光状態が異なる他方の偏光を参照光路
へそれぞれ切り替えて出射する。偏光には直線偏光、円
偏光、楕円偏光等種々あるが、本実施の形態を示す図１
は、電気的に直線偏光を一方の直線偏光とそれと９０度
偏光軸が異なる他方の直線偏光に変化させる場合の構成
例である。

【００２１】図１において、従来装置の構成例（図５）
と同一構成部分には同一符号・名称を付してあるが、本
実施の形態では、光源２と送光系６との間に、従来の光
路切替機構２１に代えて、光源２側から、偏光子３、偏
光軸制御器４、偏光分波器５をこの順序で設けてある。
即ち、偏光子３、偏光軸制御器４、偏光分波器５は、全
体として請求項１に記載の光路切替手段に対応する。

【００２２】図２は、本発明の実施の形態での外部光路
と参照光路の切替方式の原理説明図である。以下、図２
を参照しつつ構成を説明する。光源２は、本実施の形態
では発光ダイオードである。発光ダイオードの出射パル
ス光は、無偏光である。偏光子３は、この発光ダイオー
ドの出射パルス光から１つの直線偏光成分を取り出すた
め設けてある。即ち、光源２の出射パルス光は、偏光子
３を通過する際に偏光子３の光軸方向の直線偏光パルス
光が取り出されて偏光軸制御器４に入射する。なお、レ
ーザ光は、当初から直線偏光しているので、光源２とし
てダイオードレーザを用いる場合は、偏光子３は不要で
ある。

【００２３】偏光軸制御器４は、演算処理回路１３から
の偏光軸制御信号の内容に応じて、偏光子３から入力し
た直線偏光パルス光をその偏光軸をそのままの状態（図
２では実線で示す）にして、あるいは、９０度回転（図
２では破線で示す）して、それぞれ偏光分波器５へ出力
する。この偏光軸制御器４は、例えばねじれネマチック
液晶を用いて構成できる。このねじれネマチック液晶
は、液晶の長軸の分子配列が一端から他端に向けて９０
度連続的にねじれた構造のもので、外部電圧を印加しな
い場合は、入射した直線偏光は、ねじれに沿って進行し
偏光軸が９０度回転（図２では破線で示す）して通過す
るが、外部電圧を印加すると、ねじれが解けて分子が電
界方向に再配列するので、入力した直線偏光は、回転す
ることなくそのままの状態（図２では実線で示す）で通
過する。

【００２４】その他、偏光特性を電気的に変化させるも
のとして、電気光学効果（ポッケルス効果）を有する結
晶を用いることができる。偏光分波器５は、偏光軸制御
器４で偏光軸が回転されていない直線偏光（図２では実
線で示す）は、反射して分波器８への参照光路に出射す
るが、偏光軸制御器４で偏光軸が回転された直線偏光
（図２では破線で示す）は、透過して送光系６を介した
外部光路へ出射する。偏光分波器５には、例えば、サバ
ール板やウォラストンプリズム等を使用できる。

【００２５】以上の構成において、請求項２に記載の発
明との対応関係は次のようになっている。偏光出力手段
には、光源２が発光ダイオードであるときは偏光子３が
対応し、光源２がレーザダイオードであるときは光源２
が対応する。偏光制御手段には、偏光軸制御器４が対応
する。偏光分波手段には、偏光分波器５が対応する。次
に、本実施の形態の動作を図３を参照して説明する。図
３は、本発明の実施の形態の距離測定の動作フローチャ
ートである。

【００２６】図３において、演算処理回路１３は、ま
ず、偏光軸制御器４への偏光制御信号をＯＮ状態（電圧
印加）にして光が参照光路を通る参照光路測定モードに
設定し（Ｓ１）、その後、パルス駆動回路２と時間測定
回路１２に対し同時にスタート信号を出力する(Ｓ２)。
これにより、パルス駆動回路１は、光源２をパルス発光
させる。同時に、時間計測回路１２は、時間計測を開始
する。

【００２７】光源２から出射されるパルス光は、偏光子
３で直線偏光に偏光されて偏光軸制御器４に入射する
が、偏光軸制御信号がＯＮ状態であるので、偏光子３が
出射した直線偏光は、偏光軸制御器４をそのままの状態
で通過して偏光分波器５に入射し、ここで参照光路へ向
けて反射されて分波器８に入射し、受光器９へ向けて再
反射され、受光器９に入射する。

【００２８】そして、前述したように、受光器９の出力
が増幅回路１０で適宜レベルに増幅されてコンパレータ
１１に入力し、コンパレータ１１が、増幅回路１０から
の入力信号レベルが基準値を越えたときストップ信号を
時間測定回路１２に出力する（Ｓ３）。時間計測回路１
２は、スタート信号入力時点からストップ信号入力時点
までの時間を計測し、その計測した時間計測データを演
算処理回路１３に与える。演算処理回路１３は、入力し
た時間計測データと光速とから参照光路の距離（Ｌｒ）
を算出し、参照光路測定モードを終了する。

【００２９】次いで、演算処理回路１３は、偏光軸制御
器４への偏光制御信号をＯＦＦ状態（電圧無印加）にし
て光が外部光路を通る外部光路測定モードに設定し（Ｓ
５）、その後、パルス駆動回路２と時間測定回路１２に
対し同時にスタート信号を出力する（Ｓ６）。これによ
り、パルス駆動回路１は、光源２を再びパルス発光させ
る。同時に、時間計測回路１２は、再び時間計測を開始
する。

【００３０】光源２から出射されるパルス光は、偏光子
３で直線偏光に偏光されて偏光軸制御器４に入力する
が、今度は偏光軸制御信号がＯＦＦ状態であるので、偏
光子３が出射した直線偏光は、偏光軸制御器４からその
偏光軸が９０度回転された状態で出射される。これは、
偏光分波器５を通過して送光系６から外部光路へ出射さ
れる。

【００３１】測定対象での反射パルス光は、外部光路か
ら受光系７、分波器８を介して受光器９に入射し、電気
変換され、増幅回路１０で適宜レベルに増幅されてコン
パレータ１１に入力し、前述と同様に、ストップ信号が
時間測定回路１２に出力され（Ｓ７）、演算処理回路１
３が、時間測定回路１２入力した時間計測データと光速
とから外部光路の距離（Ｌｅ）を算出する（Ｓ８）。

【００３２】そして、Ｓ４で求めた参照光路長（Ｌｒ）
をＳ８で求めた外部光路長（Ｌｅ）から引き算し、電気
回路系の遅延時間分を除いた正確な距離（Ｌｅ−Ｌｒ）
を求める（Ｓ９）。以上の距離測定の過程で、参照光路
と外部光路との測定を何れを先に実施しても構わない
が、光路の切替は、電気的に高速に行えるので高速測定
が可能であり、しかも可動部分がないので機械的振動が
外部から加わっても光路切替に故障が生ずる可能性は少
なく、長寿命化が図れる。

【００３３】以上説明した実施の形態では、パルス変調
方式を示したが、前述したように本発明の課題は、正弦
波変調方式にも同様に存するので、同様に正弦波変調方
式にも適用できることは言うまでもない。また、説明の
便宜から電気的に直線偏光を変化させて光路を切り替え
る場合を説明したが、その他、円偏光や楕円偏光等を用
いても構成でき、更に磁気光学効果を利用した態様も同
様に構成できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明では、変調光を外部光路と参照光路とに切り替える
ことを、変調光の偏光特性を電気的または磁気的に変化
させる光路切替手段によって行うので、高速に光路の切
り替えが可能であり、つまり、高速測定が可能であり、
しかも可動部分がないので外部から加えられる振動に強
く、装置の長寿命化が図れる。

【００３５】光路切替手段は、具体的には、請求項２に
記載の発明のように簡易な要素で構成することができ
る。また、偏光は、広く利用されている直線偏光を利用
できるので（請求項３に記載の発明）、一層構成を簡素
化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の距離センサの構成図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態の外部光路と参照光路の切
替方式の原理説明図である。

【図３】本発明の実施の形態の距離測定の動作フローチ
ャートである。

【図４】パルス変調方式の距離センサの原理的構成図で
ある。

【図５】従来のパルス変調方式の距離センサの構成図で
ある。

【符号の説明】

１ パルス駆動回路 ２ 光源 ３ 偏光子 ４ 偏光軸制御器 ５ 偏光分波器 ６ 送光系 ７ 受光系 ８ 分波器 ９ 受光器 １０ 増幅回路 １１ コンパレータ １２ 時間測定回路 １３ 演算処理回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変調光を外部光路と参照光路とに切り替
   える光路切替手段を備え、外部光路で測定した時間から
   参照光路で測定した時間を引いて距離測定を行う距離セ
   ンサにおいて、 前記光路切替手段は、 前記変調光の偏光特性を電気的にまたは磁気的に変化さ
   せ、一方の偏光を外部光路用とし、それと偏光状態が異
   なる他方の偏光を参照光路用としてそれぞれ出射するこ
   とを特徴とする距離センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の距離センサにおいて、 前記光路切替手段は、 偏光した前記変調光を出力する偏光出力手段と、 前記偏光出力手段が出力する変調光をその偏光を電気的
   にまたは磁気的に一方の偏光とそれと偏光状態が異なる
   他方の偏光とに切り替えて出射する偏光制御手段と、 前記偏光制御手段が出力する変調光を、一方の偏光のと
   きは前記外部光路へ出射し、他方の偏光のときは前記参
   照光路へ出射する偏光分波手段とを備えることを特徴と
   する距離センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の距離セ
   ンサにおいて、 前記偏光は、直線偏光であることを特徴とする距離セン
   サ。