JPH10246783A - 光伝達時間を用いた光センサ - Google Patents

光伝達時間を用いた光センサ

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JPH10246783A
JPH10246783A JP10008484A JP848498A JPH10246783A JP H10246783 A JPH10246783 A JP H10246783A JP 10008484 A JP10008484 A JP 10008484A JP 848498 A JP848498 A JP 848498A JP H10246783 A JPH10246783 A JP H10246783A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】安価で簡単に製作でき、正確に計測できる領域
を可能な限り大きくした光伝達時間計測の原理に基づく
光センサを提供する。 【解決手段】モニター領域に光信号Ｔx，Ｔxdを送信す
る光送信器3と、モニター領域にある対象物4から反射さ
れた光信号Ｒxを受信する光受信器5と、光送信器3に送
る第１信号Ｔxおよび第１信号Ｔxと明確な位相関係を有
し第１信号Ｔxと異なった信号形状を有する第２信号Ｌ0
を生成する少なくとも１つの信号発生器1と、受信光信
号Ｒxと第２信号(Ｌ0，Ｌ0dとの相関関数を生成する相
関手段6と、相関手段6の後に光センサと対象物4との距
離を決定する評価手段7とからなることを特徴とする光
センサ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光センサに関し、特
にモニター領域に光信号を送信する光送信器と、モニタ
ー領域にある対象物で反射された光信号を受信する光受
信器からなり、光信号を送信してから受信するまでの経
過時間を観測して光センサと対象物との間の距離を得る
光伝達時間計測の原理に基づく光センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】上記の光伝達時間計測の原理に基づく光
センサに加えて、光送信器と光受信器を互いに並べ光送
信ビームと光受信ビームの間の角度を決定し、この角度
から光センサと対象物との間の距離を得る三角測量の原
理に基づくセンサがある。この三角測量法では対象物の
傾きによって角度の誤差が生じ、結果的に誤った距離が
得られる欠点がある。さらに検出距離を長くしても低い
精度しか得られない。この不都合を補うには、光送信光
学系と光受信光学系との間隔を大きくとらなくてはなら
ないため、光センサを非常に大きくしなければならな
い。しかし光送信光学系と光受信光学系との間隔を大き
くとることは、光センサの非常に近くにある対象物を検
知できない点で不利である。
【０００３】上記の理由から、光伝達時間計測の原理に
基づく光センサは前述の不都合を有せず基本的に優れて
いる。しかし、これらの光伝達時間計測の原理に基づく
光センサでは光伝達時間を決定するために複雑な信号処
理が必要なため、技術的に複雑でありコストも相対的に
高い。さらに、送信信号または参照信号と受信信号との
相関から光伝達時間を計算するこのような光伝達時間セ
ンサでは、測定が正確な領域が小さいというのも欠点で
ある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、安価
で簡単に製作でき、正確に計測できる領域を可能な限り
大きくした光伝達時間計測の原理に基づく光センサを提
供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は光センサ
であって、モニター領域に光信号Ｔx，Ｔxdを送信する
光送信器と、モニター領域にある対象物から反射された
光信号Ｒxを受信する光受信器と、光送信器に送る第１
信号Ｔxおよび第１信号と明確な位相関係を有し第１信
号と異なった信号形状を有する第２信号Ｌ0を生成する
少なくとも１つの信号発生器と、受信光信号Ｒxと第２
信号Ｌ0，Ｌ0dとの相関関数ＫＫＦを生成する相関手段
と、相関手段の後に光センサと対象物との距離を決定す
る評価手段と、を有する光センサにより達成される。
【０００６】最初に述べた相関原理に基づく光伝達時間
センサと異なり、本発明では、送信光信号と第２信号を
同時に、あるいは既知の相対的時間シフトを有するよう
に生成して受信信号と第２信号との相関関数をとってい
る。送信光信号と受信光信号は第２信号と異なる信号形
状を有し、結果的に相関関数が非線形形状となるように
信号形状を選ぶことができる。この非線形性は用いる信
号形状を選ぶことにより選択でき、関心のある計測距離
外の相関関数の値を上側または下側閾値よりそれぞれ大
きくまたは小さくすることができ、関心のある計測距離
内の相関関数の形状を上側および下側閾値内で比較的急
峻にすることができる。この関心のある計測距離内での
急峻な相関関数形状によって、本発明では非常に高精度
な光センサが得られ、特に、たとえば６ｍの距離では１
乃至２ｃｍの精度で決定できる。
【０００７】関心のある計測距離外で、相関関数が上側
または下側閾値よりそれぞれ大きくまたは小さくなって
いても、本発明の光センサでは不正確さの点で何ら問題
はない。この種の不正確さの問題は、関心のある計測距
離外の相関関数の値が上側および下側閾値内にあるとき
にだけ生じるが、前述の２つの信号形状を適当に選べば
問題とならない。
【０００８】本発明において光送信器に送られる第１信
号、および相関関数を生成するために用いる第２信号は
互いに同じ周期を有することが望ましい。この第１信号
および第２信号の信号形状を、相関関数が１周期に１つ
の、この１周期内に生じる他の強度変化よりも大きくま
たは急峻な強度変化を有するように選ぶことが望まし
い。この１つの強度変化は走査距離を評価・決定するた
めに用いる相関関数の領域に正確に対応している。強度
変化が急峻なことで計測距離を非常に正確に決定でき
る。
【０００９】本発明の光センサは、特に簡単には、この
２つの信号がそれぞれ互いに異なる振幅の強度ステップ
を有するとき、すなわちこの２つの信号が矩形パルスか
らなり互いに異なる時間間隔で起こる場合に実現され
る。この点から各信号は同じ長さの連続的な個々の信号
から組立てられ、個々の信号が第１、または第２信号の
振幅を有していることが望ましい。したがって個々の信
号の長さは、たとえば光センサに組み込まれたクロック
発生器の周期に対応している。
【００１０】この２つの信号の振幅がゼロに関して対称
に配置されることが望ましい。この場合２つの信号は２
極性であり、相関関数の対称線または相関関数を生成す
る相関器の出力電圧が値ゼロをとることができる利点が
ある。したがって対称線は所定の受信レベルに依存しな
い利点がある。さらに、前述の相関関数の強度変化が急
峻で、その一時的な範囲が相関をとる２つの信号を形成
する個々の信号の長さ以下であれば有利である。この種
の急峻さによって計測距離を高精度で測定できる。
【００１１】コンピュータ支援によって、相関をとる２
つの信号に用いられるそれぞれの信号形状が見つけら
れ、信号はたとえば乱数発生器によって生成された後に
相関がとられ、またこのようにして形成された相関関数
が分析されることが望ましい。ランダムに見つけられた
信号は相関関数が特定の基準を満たす場合、特に上記の
ような強度変化を有する場合に有用であると判断され
る。
【００１２】相関関数の値が強度変化の前では上側閾値
より大きく、強度変化の後では下側閾値より小さいのが
好都合である。同様に、相関関数の値が強度変化の前で
は下側閾値より小さく、強度変化の後では上側閾値より
大きくてもよい。前述のように相関関数の対称線は上側
および下側閾値のおよそ中央にあるのが望ましい。本発
明による相関関数の非線形性を得るには、相関をとる２
つの信号はその形状が異なっている。特に２つの信号が
１周期内で周期の５０％以上において非常に異なってい
るのが適当である。
【００１３】特に本発明の好適な実施例は、所望の様々
な計測距離に光センサが対応できるように相関関数の強
度変化の位置を１周期内の任意の位置にシフトできるこ
とにある。この種の強度変化のシフト、または相関関数
の変化は用いる信号形状の変更や、相関をとる２つの信
号の時間シフトを与える遅延時間の設定によって得るこ
とができる。
【００１４】この目的のためには、光送信器に送る遅延
信号を生成するための可変遅延装置を、第１信号を生成
する信号発生器と光送信器との間に備えるのが望まし
い。これと同様に、またはこれに加えて、遅延第２信号
を生成するための可変遅延装置を、第２信号を生成する
信号発生器と相関器との間に備えてもよい。遅延時間の
設定または相関関数の強度変化のシフトは、たとえば光
センサに備えた指示キー(teach key)や光センサに接続
したパソコン(ＰＣ)によって生じさせることができる。
このように本発明の光センサは簡便に、所望の様々な計
測距離に対応が可能である。
【００１５】さらに望ましい実施態様について特許請求
の範囲に記載してある。本発明について実施例および図
面を参照して以下に説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１は本出願人内部の従来技術に
よる光センサの相互相関関数Ｋ1，Ｋ2を示し、同じ信号
形状を有する送信信号と受信信号の相互相関関数が形成
されている。相互相関関数Ｋ1は短い周期で比較的急峻
な特性を有し、相互相関関数Ｋ2は長い周期で緩い傾斜
を有している。相互相関関数Ｋ1の周期が短いことは、
３つの上昇領域のどの領域で実際の測定値があるのかを
直接決定できないため、正確さの点において不利であ
る。相互相関関数Ｋ1の測定値から２つの相関信号に３
つのシフトｄＴ1，ｄＴ2，ｄＴ3が存在する。
【００１７】相互相関関数Ｋ2の形状については、比較
的緩やかな傾斜のため２つの相関関数の検出シフト、す
なわち計測距離の精度が低く不利である。図２は本発明
による、２つの選択的に調節可能な非線形相互相関関数
Ｋ3の形状を示している。これらの形状で典型的なのは
相互相関関数が初期の領域では実質的に一定形状であ
り、比較的急峻な下り傾斜が起きることである。この相
互相関関数の下り傾斜の後で実質的に一定の小さな値と
なるか、または図２に示すように緩やかに上昇する。計
測距離の決定値ｄＴは相互相関関数Ｋ3がどの値で対称
線Ｓsymと交差するかで決められる。
【００１８】Ｋ3aの形状の場合では相互相関関数の決定
下り傾斜(determining decline)は領域Ｂ1で生じてい
る。値ｄＴ1に対応する計測距離は光センサおよび相互
相関関数により、計測対象物がｄＴ1に対応する距離だ
け前方あるいは後方に位置しているかを決定でき、Ｂ1
の範囲に対応する距離のどこに計測対象物があるかを正
確に決定することができる。
【００１９】本発明によれば、これと異なる光センサの
決定計測距離を設定したければ、相関関数の特性を前述
したように、たとえばＫ3bの形状になるようにシフトさ
せればよい。それによって範囲Ｂ2にある計測対象物の
正確な位置を決定することができる。図３は本発明によ
る光センサの回路のブロック図を示す。
【００２０】信号発生器１にはクロックＣＬＫが送ら
れ、互いに異なる２つの信号Ｔx，Ｌ0を発生する。これ
らの信号は遅延装置２に送られ、信号Ｔxまたは信号
Ｌ0、あるいはその両者が遅延される。遅延信号Ｔxdは
遅延装置２を通り、対象物４の方向に光信号を送信する
光送信装置３に送られる。したがって光信号の強度変化
または形状は信号Ｔxdの信号形状に対応する。
【００２１】対象物４は光送信装置３から送信された光
を光受信装置５に向けて反射し、光受信装置５は受信光
を電気信号Ｒxに変換し、その信号形状は受信光の強度
変化または形状に対応する。信号Ｒxは相関器６に送ら
れ、遅延信号Ｌ0dと作用する。相関器６内では、２つの
信号ＲxとＬ0dの相互相関関数がとられ、信号評価装置
７に供給される。
【００２２】図３における光センサは、遅延装置２によ
って信号ＴxまたはＬ0の遅延を設定することで光センサ
と対象物４との間隔が異なっても適用できる。図４は、
図３の信号発生器１に作用すし、周期的に繰り返す一連
の矩形パルスからなるクロック信号ＣＬＫの形状を示
す。クロック信号ＣＬＫの下には図３の信号発生器１で
生成された信号Ｌ0を示しており、ゼロに対して対称な
振幅の強度ステップである。信号Ｌ0の周期Ｔ(Ｌ0)は信
号ＣＬＫの１５クロックサイクルに対応する。
【００２３】同様に、信号Ｌ0の下には図３の信号発生
器１で生成された信号Ｔxを示しており２つの強度、す
なわち０と１を有している。信号Ｔxの周期Ｔ(Ｔx)は信
号ＣＬＫの１５クロックサイクルに対応する。実際では
信号ＣＬＫの１５クロックサイクル以上、特に数１００
クロックサイクルの周期の信号Ｌ0，Ｔxを用いることも
十分に考えられる。
【００２４】標準化された強度値で示した１周期内の２
つの信号Ｌ0，Ｔxの強度形状は以下のように表すことが
できる。 Ｌ0 1 -1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 Ｔx 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 上記の２つの信号の相互相関関数(ＫＫＦ)は標準化した
形で以下のように表すことができる。 KKF 2 2 2 2 4 2 2 2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 上記の相互相関関数の決定強度変化は値が２から−２に
変化するステップの所で生じている。相互相関関数は１
５クロックサイクルの周期を有しているので、光センサ
の明確な計測範囲も１５クロックサイクルに対応してい
る。
【００２５】この場合での理想的な状況は、２つの信号
Ｌ0，Ｔxの形状を相互相関関数のステップが値４から−
４に変化する所で生じるように選ぶことである。そのと
き強度変化の標準化レベルは８である。しかし実際強度
変化が最大値の半分、すなわちこの場合のように４であ
れば十分である。図５は、図４の信号処理によって得ら
れた相互相関関数の形状を模式的に示している。相関を
とった２つの信号は相互相関関数を形成する相関器で乗
算され、その後の信号評価のためローパスフィルタにか
けられる。
【００２６】図５に示す形状は、強度変化がクロックサ
イクルＴ2-Ｔ1で起きており、相互相関関数の強度がこ
のステップ以前において閾値ＳO以上であり、強度変化
以後では閾値ＳU以下であることを示している。したが
って、ある特定の受信信号に対して相互相関関数の値が
閾値ＳO以上にあると決定されれば対象物は前方、すな
わち設定計測距離よりも前にあり、相互相関関数の値が
閾値ＳU以下にあれば対象物は後方、すなわち設定計測
距離の後ろにあることを意味している。
【００２７】もし相互相関関数の値が図５に示すＳsym
の値、望ましくはゼロに対応すると決定されれば、対象
物は正確に設定計測距離にあるか、または対象物は全く
存在しない。この不明確さは付加的なチェックにより取
り除くことができ、たとえば並行して受信信号を調べる
ことがこの目的に適う。つまり、もし受信信号強度が所
定の閾値以下であれば対象物は存在せず、閾値以上であ
れば対象物は正確に設定計測距離にある。
【００２８】相互相関関数の値がＳUとＳOの間にあると
決定されれば、対応する範囲において相互相関関数が急
峻であることから、対象物と光センサの距離を非常に正
確に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光センサの相関関数の形状を示す図であ
る。
【図２】本発明による光センサの相関関数の形状を示す
図である。
【図３】本発明による光センサの回路配置を説明するブ
ロック図である。
【図４】本発明による光センサの相関関数を形成するた
めに用いられる、光送信器に送られる第１信号Ｔxおよ
び第２信号ＬOの形状を時間に関して示した図である。
【図５】本発明による光センサの相関関数の形状の他の
例を示す図である。
【符号の説明】
１ 信号発生器 ２ 可変遅延器 ３ 光送信器 ４ 対象物 ５ 光受信器 ６ 相関器 ７ 信号評価器

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光センサであって、 モニター領域に光信号(Ｔx，Ｔxd)を送信する光送信器
    (３)と、 前記モニター領域にある対象物(４)から反射された光信
    号(Ｒx)を受信する光受信器(５)と、 前記光送信器(３)に送る第１信号(Ｔx)および前記第１
    信号(Ｔx)と明確な位相関係を有し前記第１信号(Ｔx)と
    異なる信号形状を有する第２信号(Ｌ0)を生成する少な
    くとも１つの信号発生器(１)と、 前記受信光信号(Ｒx)と前記第２信号(Ｌ0，Ｌ0d)との相
    関関数(ＫＫＦ)を生成する相関手段(６)と、 前記相関手段(６)の後に前記光センサと前記対象物(４)
    との距離を決定する評価手段(７)と、からなることを特
    徴とする光センサ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の光センサであって、 前記第１信号(Ｔx)および前記第２信号(Ｌ0)が同一の周
    期Ｔ(Ｌ0，Ｔx)を有することを特徴とする光センサ。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の光センサであ
    って、 前記相関関数(ＫＫＦ)が１周期内に起きる他の全ての強
    度変化よりも急峻または大きな１つの強度変化を前記１
    周期内に有することを特徴とする光センサ。
  4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１に記載の光
    センサであって、 前記第１信号(Ｔx)および前記第２信号(Ｌ0)各々が、異
    なる振幅をとることを特徴とする光センサ。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の光センサであって、 前記第１信号(Ｔx)および前記第２信号(Ｌ0)が同一長さ
    (ＴCLK)を有する個別の信号の連続として組み立てら
    れ、前記個別の信号が異なる振幅をとることを特徴とす
    る光センサ。
  6. 【請求項６】 請求項４または５に記載の光センサであ
    って、 前記第２信号(Ｌ0)の前記振幅がゼロに対し対称である
    ことを特徴とする光センサ。
  7. 【請求項７】 請求項５または６に記載の光センサであ
    って、 前記強度変化が、時間軸上において略個別信号の長さ
    (ＴCLK)以下の急峻さを有することを特徴とする光セン
    サ。
  8. 【請求項８】 請求項３から７のいずれか１に記載の光
    センサであって、 前記相関関数(ＫＫＦ)の値が、前記強度変化の前では上
    側または下側閾値(ＳO，ＳU)よりそれぞれ大きいか、ま
    たは小さく、前記強度変化の後では下側または上側閾値
    (ＳU，ＳO)よりそれぞれ小さいか、または大きいことを
    特徴とする光センサ。
  9. 【請求項９】 請求項１から８のいずれか１に記載の光
    センサであって、 コンピュータを用いて前記第１信号(Ｔx)および前記第
    ２信号(Ｌ0)の形状を見出し、前記相関関数(ＫＫＦ)の
    分析を行うことを特徴とする光センサ。
  10. 【請求項１０】 請求項１から９のいずれか１に記載の
    光センサであって、 前記相関関数(ＫＫＦ)の値がゼロに対して変動するか、
    または前記相関関数(ＫＫＦ)が直流(DC)成分を有しない
    ことを特徴とする光センサ。
  11. 【請求項１１】 請求項３から１０のいずれか１に記載
    の光センサであって、 前記強度変化の時間位置を、前記光センサを調整するこ
    とによって前記相関関数(ＫＫＦ)の１周期内でシフトさ
    せ異なる計測距離に適合させ得ることを特徴とする光セ
    ンサ。
  12. 【請求項１２】 請求項１から１１のいずれか１に記載
    の光センサであって、 前記第１信号(Ｔx)および前記第２信号(Ｌ0)を位相差が
    無いように定め、１周期内で前記周期の少なくとも５０
    ％以上の範囲において前記第１信号(Ｔx)および前記第
    ２信号(Ｌ0)の値が異なることを特徴とする光センサ。
  13. 【請求項１３】 請求項１から１２のいずれか１に記載
    の光センサであって、 前記第１信号(Ｔx)を生成する前記信号発生器および前
    記光送信器の間に、前記光送信器に送る遅延信号(Ｔxd)
    を生成する可変遅延器を備えたことを特徴とする光セン
    サ。
  14. 【請求項１４】 請求項１から１３のいずれか１に記載
    の光センサであって、 前記第２信号(Ｌ0)を生成する前記信号発生器および前
    記相関手段の間に、遅延信号(Ｌ0d)を生成する可変遅延
    器を備えたことを特徴とする光センサ。
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