JPS63198817A - 距離検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は距離検出装置、更に詳しくは、半導体装置検出
素子（以下、ＰＳＤという）を用いた光投射式の距離検
出装置の改良に関する。

［従来の技術］ 従来、光束を被写体に向けて投射し、その反射光をＰＳ
Ｄで受光することにより、測距する光投射式ｐ距離検出
装置は周知である。この距離検出装置は第６図にその一
例を示すように、赤外光を発光する投光用発光素子（以
下、ＩＲＥＤと略記する）１で被写体３に向けて投光さ
れたパルス光は、投光用レンズ２により集光されて被写
体３に照射され、その反射光は受光レンズ４によりＰＳ
Ｄ９上に結像される。その結像位置は、受光レンズ４の
光軸からの距離を×１彼写体までの距離をΩ、受光レン
ズ４とＰＳＤ９との間隔をｆ１仄線長をＳとすれば Ｘｗ−５−ｆ／ｇ となる。ＰＳＤ９の受光部の長さをｔとし、受光レンズ
４の光軸とＰＳＤ９の中心とを合わせた場合、」二足Ｘ
の入射光位置におけるＰＳＤ９の両端信号電極から取り
出される信号電流１１およびＩ２の比は １１／Ｉ２−　（ｔ／２　＋ｘ）　／　（ｔ／２−ｘ）
＝　　（ｔ／２　＋ｓ−ｒ／Ｄ　）／　（ｔ／２−ｓ＝
［’／Ω）上式を被写体距離ｇについて解くと Ｄ　−（２ｓｌ’／ｌ）ｘ　ｔ（１／ｌ　　＋ｉ）／（
１，／Ｉ２−１）１・・・・・・・・・・・・・、・（
ｉ）即ち、ＰＳＤ９から取り出される信号電流１１およ
び１□の比を演算すれば、被写体距離ｇが求められる。

第７図は、上記ＸとＩ　ｔ　／　Ｉ　２の関係を示した
もので、被写体３が無限遠に位置するとき、投射光と反
射光は平行光線となるから、ｘ−０となり１　−１　　
となるため、１１／Ｉ２−１となる。

マタ−１＝３ａ　ｘ　−ｓ、ｒ／Ｑ　　　より　　Ｘ　
　ｏｃｌ／ＩＩ！であるから横軸にとったＸは、被写体
距離の逆数に比例している。そして、実線ａ、ｂは、そ
れぞれＰＳＤの長さを異ならしめたときの出力であり、
ＰＳＤの長さｔ’、ｔがｔ’＜ｔに対応した出力を示す
。従って、ＰＳＤの長さを長くすれば、距離Ｘに対する
出力信号電流比１　ｔ　／　Ｉ　２の変化が小さくなる
ことがわかる。

［発明が解決しようとする問題点コ ところで、上記第６図において、被写体距離Ωを小さく
していくとＸがｔ／２より大きくなり、被写体３からの
反射光はＰＳＤＱ上で結像しなくなって、ａｌｌｌ距不
可能になる。つまり、この種の距離検出装置においては
、最至近の検出可能距離に制限があることになる。そこ
で、被写体距離ｇを小さくしても、Ｘがｔ／２を超えな
いように、ＰＳＤ９の受光部の長さｔを長くすれば、最
至近の検出可能距離を実用上支障のない程度にまで近づ
けられる。しかし、実際には、被写体３から反射されＰ
ＳＤ９へ入射する信号の光量は、非常に微小であり、更
に回路ノイズ等により出力信号にノイズ成分が加わるた
めに、被写体距離ｇに対する出力信号の変化を大きくし
なければならない。この様子を第８図に示す。この第８
図は横軸に被写体圧＃ＩＲの逆数を、縦軸に信号電流比
■１／Ｉ２をそれぞれとった線図で、ＰＳＤの長さはＡ
よりＢの方を長くしてあり、７１ｐ１距可能な最至近距
離はＡよりＢの方が短い。また回路ノイズによって生ず
る出力信号のバラツキは、被写体距離が同じなら同じで
ある。図において、Ａ’　、Ａ′はＡに対するノイズ成
分、Ｂ’　Ｂ’はＢに対するノイズ成分であって、距ｉ
！ｉＩｇ、を判定するためには、Ａでは判定信号にＶＡ
を用いると、Ａ’　Ａ’のために距離成分としてΔΩａ
なる判定幅を生じ、Ｂでは判定信号にＶＢを用いると、
Ｂ’　、Ｂ’のために距離成分としてΔｎｂなる判定幅
を生じる。従つて、ΔΩａくΔｐｂよりＡの方が精度が
よいことが解る。つまり測距可能な最至近距離を短くし
ようとして、単にＰＳＤの長さを長くすると遠方側の判
定幅が広がり、精度が悪くなるという問題点がある。そ
こで、この問題点を角ｑ消するために、ノイズ成分を小
さくすることが考えられるがそれにはＩ　ＲＥＤの発光
量を増加させ、受光レンズの開口面積を大きくし、ＰＳ
Ｄへの入射光量を増加させなければならず、コスト高に
なり、またスペースも大きくなるという別の問題点が生
ずる。

そこで、本発明の目的は、上述の不具合を除去し、測距
可能な最至近距離を短くし、かつ７Ｉｌｌｌ距精度も向
上する距離検出装置を提供するにある。

［問題点を解決するための手段および作用〕本発明に係
る距離検出装置は、 被写体に光束を投射し、この被写体からの反射光を投光
部より所定の基線長だけ離れて配置したＰＳＤにて受光
し、その出力信号により上記被写体までの距離を検出す
る距離検出装置において、上記ＰＳＤに基線長方向に離
れてＮ個（Ｎ≧３）の信号電極を設け、この信号電極に
よって（Ｎ−１）個に分割された受光面の各々の両端に
存在する上記信号電極の出力信号により被写体までの距
離を検出することを特徴とするものである。

［実　施　例］ 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。なお
、上記第６図中に示した従来例における構成部材と全く
同一の構成部材については、同一符号を付すに止めその
説明が平段するのを避けてこれを省略する。

まず、第１図によって本発明の詳細な説明する。

本発明におけるＰＳＤ５は、その両端に設けられた信号
電極５ａと５ｃｓおよび中間に設けられた信号電極５ｂ
とにより、受光部５Ａと受光部５Ｂとに分割されて構成
される。第２図は、このＰＳＤ５を被写体側から見た正
面図で、中間に配設された信号電極５ｂは、ワイヤーボ
ンデング用の電極をＰＳＤ５の外部に設けることにより
、電極幅ｄ　を入射スポット像７に対し、ｄ２Φ０とな
るよう小さくすることができる。この信号電極５ｂによ
り、ＰＳＤ５は受光軸ｔＡの受光部５Ａと、受光幅ｔＢ
の受光面５Ｂの２つのＰＳＤ５ＡＳＰＳＤ５Ｂに分離さ
れている。そして、第１図に示すようにＰ　Ｓ　Ｄ　５
’Ａの中心に受光レンズ４の光軸が合わされており、信
号電極５ａ、５ｂｓおよび５Ｃは、信号処理回路６によ
り同電位に固定されていて、それぞれの信号電極からは
Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃという信号電流が得られるようになっ
ている。

今岐写休３あるいは３′に光束を投射して、その反射光
をＰＳＤ５で受光した場合、考え易いように次の４とお
りのケースについて考察する。

■入射スポット像７がＰＳＤ５Ａに凡て存在する場合 ■入射スポット像７がＰＳＤ５Ａ、ＰＳＤ５Ｂにまたが
って存在する場合 ■入射スポット像７がＰＳＤ５Ｂに凡て存在する場合 ■入射スポット像７がＰＳＤ５Ｂと信号電極５ｃにかか
っている場合 先づ、■の場合、ＰＳＤ５Ａで発生した信号光電流は、
ＰＳＤ５Ａにより分流され信号電極５ａと５ｂに流れ、
また信号電極５ｂと５ｃは同電位のため信号電極５ｃに
は流れない。また−１−記■の場合、■と同様にＰＳＤ
５Ｂで発生した信号光電流は、ＰＳＤ５Ｂにより分流さ
れて信号電極５ｂと５Ｃに流れ、信号電極５ａと５ｂは
同電位のため信号電極５ａには流れない。

次に、上記■の場合、入射スポット酸７はＰｓＤ５Ａに
かかる部分７ＡとＰＳＤ５Ｂにかかる部分７Ｂとからな
り、ＰＳＤ５Ａにかかる部分７Ａは、その光密度の重心
点をもってＰＳＤ５Ａにより、信号電極５ａ、５ｂに分
流され、ＰＳＤ５Ｂにかかる部分７Ｂは、その光密度の
重心点をもってＰＳＤ５Ｂにより、信号電極５ｂ、５ｃ
に分流される。そして、上記■の場合、入射スポット像
７はＰＳＤ５Ｂにかかる部分７Ｃのその光密度の重心点
をもってＰＳＤ５Ｂにより、信号電極５ｂ。

５Ｃに分流される。

第３図は、入射スポット像７の中心位置における光軸か
らの距離Ｘに対する信号電極５ａ、５ｂに流れる信号電
流による出力ｖ１および信号電極５ｂ、５ｃに流れる信
号電流による出力Ｖ２との関係をプロットして示したも
のである。なお、出力は測定のダイナミックレンジを拡
大するために各信号電流を対数変換して、その差をとっ
ている。

信号電極５ａ、５ｂによる出力Ｖ１は Ｖ　１−（ｌ　ｎ　　（Ｉ　ｂ　／　１　ａ　）信号電
極５ｂ、５ｃによる出力Ｖ２は Ｖ２−Ｉ　ｎ　　（ｌｃ　／　Ｉｂ　）第３図より、ｘ
＝０からｘ　＋　（１／２　）　ｔＡ　　の範囲、つま
り被写体が無限遠よりρ−５−ｒ／　（１／２　）　ｔ
Ａ近くまでの範囲では出力Ｖ１の曲線を使７１此、ｘ＊
　（１／２　）　ｔＡからＸ中（１／２　）　ｔＡ＋ｔ
１３の範囲、つまり被写体がＲ−５−Ｖ　（１／２　）
　ｔＡ　　近くから至近ｌごおいては、出力Ｖ２の曲線
を使用することにより、信号電流比を求め、前記＜ｒ＞
式より被写体距離ρを決定することができる。

第４図は、本発明の一実施例を示す距離検出装置の回路
図である。図において、受光面５Ａおよび５Ｂを有する
ＰＳＤ５は、前記第１図および第２図で説明した本発明
に係るＰＳＤで、投光用制御回路４２を介し、投光用ト
ランジスタ４３がオンすることにより作動するＩＲＥＤ
　１から投射され被写体で反射された光束に応じた光電
流１ａ〜１ｃが、信号電極５ａ〜５ｃより得られる。こ
の光電流Ｉａ〜１ｃは、オペアンプ１１．１３．　１５
と負帰還用抵抗１０．１２．１４からなる電流−電圧変
換回路に人力されて電圧に変換される。なお、上記オペ
アンプ１１，１３．１５の非反転入力端子には、基準電
圧Ｖｒｃｆか印加されているので、各信号電極５ａ、５
ｂ、５ｃは基■電圧Ｖｒｃｆとなって同電位となる。オ
ペアンプ１１．１３．　１．５の出力は、それぞれフィ
ルタ回路１Ｂ、１７．１８に供給される。このフィルタ
回路１６，１７．１８は、Ｉ　ＲＥＤ　１の投光による
被写体からの反射光を受けて発生する光電流から、背景
光等により定常的に発生している光電流を除去して変化
分のみを検出する役目をするもので、その出力は距離信
号出力回路１９と２０に印加される。この距離信号出力
回路１９は、フィルタ回路１５と１７の出力をそれぞれ
対数圧縮し、その差、即ち、ＰＳＤ５Ｂによる被写体距
離に対応した信号を出力する回路、距離信号出力回路２
０は、フィルタ回路１７と１８の出力をそれぞれ対数圧
縮してその差、即ち、ＰＳＤ５Ａによる被写体距離に対
応した信号を出力する回路である。この距離信号出力回
路１９の出力ｖ２は、コンパレータ２６〜３０、抵抗２
１〜２４および定電流源５１からなるＡ／Ｄ変換部５３
に供給される。コンパレータ２６〜３０の反転入力端子
には、定電流源５１と抵抗２１〜２４によって分割され
後記第５図に示す電圧Ｖｇ−Ｖｅが印加され、非反転入
力端子には上記距離信号出力回路１９の出力が印加され
る。

また、距離信号出力回路２０の出力Ｖ１が供給されるＡ
／Ｄ変換部５４は、コンパレータ３１と３２、抵抗２５
および定電流源５２からなり、コンパレータ３１，３２
の非反転入力端子には距離信号出力回路２０の出力Ｖ１
が印加され、その反転入力端子には定電流源５２と抵抗
２５により分割され、後記第５図に示す電圧ｖｂとＶａ
とが印加される。

Ａ／Ｄ変換部５３．５４のコンパレータ２６〜３２の出
力は、ナンドゲ−１・３３〜３９の一方の入力端子に接
続され、ナントゲート３３〜３９の出力はオーブンコレ
クタになっている。またナントゲート３６と３８、ナン
トゲート３７と３９かワイヤードオアーされている。ま
た、距離信号出力回路２０の出力Ｖ【は、コンパレータ
４０の非反転入力端子に接続され、コンパレータ４０の
出力はナントゲート３３〜３７の他方の入力端子に接続
され、更にナントゲート３ｇ、３９の他力の入力端子に
はインバータ４１にて位相反転された出力が印加される
。そして、コンパレータ４０の反転入力端子には、後記
第５図に示す電圧■。ｏ８が印加されている。

このように構成されている本実施例は次のように作動す
る。スタート信号が制御回路４２に人力されると、投光
用トランジスタ４３がオンになり、ＩＲＥＤＩが発光し
て、図示しない被写体に向けて投射され同波写体で反射
された光束はＰＳＤ５Ａあるいは５Ｂ上にスポット像と
して入射される。すると、前述のようにこの入射光はそ
の入射位置に応じて信号電極５ａ、５ｂ、５ｃから先光
電変換された信号電流ＩＨ，ＩｂＳ　ｌｃとして取り出
される。信号電流１ａｓｌｂ１１ｃは、それぞれ抵抗１
０とオペアンプ１１、抵抗１２とオペアンプ１３、およ
び抵抗１４とオペアンプ１５で形成された電流−電圧変
換回路によって電流−電圧変換され、それぞれフィルタ
回路１６．１７゜１８により定常光による光電流を除い
た変化分、即ち、被写体からの反射光に相ちした成分の
みが出力される。さらに、距離信号出力回路１９゜２０
により対数圧縮と差演算処理されて出力Ｖ２および出力
■１となる。距離信号出力回路１９の出力Ｖ２は Ｖ２−ｆ（Ωｎ　　（Ｉｃ／Ｉｂ　）　）距離信号出力
回路２０の出力Ｖ１は Ｖ　１　−　ｆ　　Ｃ（ｌ　　ｎ　　（［ｂ／　Ｉａ　
　）　　）であり、ｆは電流−電圧変換に関する関数で
ある。

従って、光学系を第１図のように設定し、第５図に示す
如く、横軸を被写体距離の逆数、縦軸をＰＳＤ５Ａ、５
Ｂの信号電流比、即ち、距離信号出力回路２０．１９の
出力とすると、図の出力曲線Ｖ１．Ｖ２が得られる。そ
こで、被写体距離Ωを■〜ｇ１．ρ［〜Ω２・・・・・
・・・・のようにいくつかのゾーンに区切ると、ＰＳＤ
５Ａによる測距範囲、即ち出力Ｖ　による距離判定範囲
■〜’　Ｃ０Ｍ内の２点ｇｌ、Ω２に対応した判定電圧
はＶａ、Ｖｂとなる。このＶａ、Ｖｂに等しい電圧値を
第４図に示すＡ／Ｄ変換部５４の定電流源５２と抵抗２
５とで作り、コンパレータ３２，３１の判定電圧として
使用する。また、同様に、出力ｖ２による距離判定点を
５点Ω３’　ｆＪ４”　５’Ω６゜Ω７とすると、その
判定電圧は第５図に示すようにＶＣ，Ｖｄ　、Ｖｃ、Ｖ
ｆ、Ｖｇとなり、それぞれを第４図のコンパレーク３０
．２９．２８．２７．２６の判定電圧として使用する。

また、ｘ　−（１／２　）　ｔΔ近くの被写体距離をｇ
。ｏＭとすると、そのときの出力Ｖ　による判定電圧は
Ｖ。ＯＮとなり、これをコンパレータ４０の反転入力端
子電圧とする。

今、被写体がｇ１〜Ω２に存在する場合、コンパレータ
３２の出力は“Ｈ“レベル、コンパレータ３１の出力は
“Ｌ”レベル、コンパレータ２６〜３０の出力は凡て“
Ｌ”レベルとなる。また、コンパレータ４０の出力は“
Ｌ″　レベルとなるから、ナントゲート３３〜３７の出
力は、コンパレータ２６〜３０の出力の如何にかかわら
ず凡て“Ｈ”レベルとなる。一方、コンパレータ４０の
出力“Ｌ”レベルがインバータ４１で反転されて“Ｈ”
レベルとなってナントゲート３８と３９の共通接続され
たゲートに加えられるから、ナントゲート３８と３９の
出力は、コンパレータ３１゜３２の出力を位相反転した
“Ｈ″レベルＬ”レベルになる。そして、ナントゲート
３６と３８および３７と３９の出力は、前述のようにオ
ープンコレタでワイヤードオアーされ、図示されないプ
ルアップ抵抗で電源にプルアップされることにより、出
力端子Ｄ１〜Ｄ５より電圧Ｖ１従ってＰＳＤ５Ａの受光
エレメントによる出力か得られることになる。このよう
に出力端子Ｄ６は、第５図の電圧Ｖ　で判定した出力が
端子Ｄ１〜Ｄ５に出力される場合“Ｌ”レベルに、電圧
■２で判定した出力の場合″Ｈ２レベルになる。

次の表は、被写体距離を閃〜Ｆ　、　、　Ｌ、〜ｇ２・
・・・・・・・・とゾーンに分割した各ゾーンにおける
出力端子Ｄ１〜Ｄ６の論理レベルの組み合わせを示した
ものである。即ち、第１行〜第３行は、被写体からの反
射光がＰＳＤＳＡ上に結像、従って第５図の電圧■１に
よる判定を、第４行以降は、ＰＳＤ５ＢＪ二に結像され
、電圧Ｖ２による判定を示し、この区分は端子Ｄ６の“
Ｈ”、　“Ｌ＃によりなされる。

表 上記実施例では、ＰＳＤ５の中間に設ける信号電極５ｂ
は、１個としているが、２個以上設けることにより３個
以−にの受光面に分割して、至近側の測距範囲の拡大と
測距精度の向」二を期待できること勿論である。この場
合、上記表の端子Ｄ６をもう一端子以上増やさねばなら
ないことは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、従来はＰＳＤ５Ａ
相当のみて測距していたことによる測距範囲の制限、つ
まりＰＳＤ５Ａの長さを長くすることにより４１す距範
囲を広げると、被写体距離が変ったときの出力の変化を
大きくとれず、外来光ノイズ等により測距精度が劣化す
るので、受光面をそれ程長くできず、測距範囲が制限さ
れていたか、ＰＳＤの受光面の中間に信号電極を追加し
、ＰＳＤを２部に分離したので、広範囲に葭り測距ｉ＋
Ｊ能となるばかりでなく、個々のＰＳＤ５Ａ、ＰＳＤ５
Ｂの長さを短くすることにより、従来の測距１１１１度
よりも高精度の／ｌｌｌ＋距検出か１＋Ｊ能になる効果
を何する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の４１！Ｅ要を説明するための距出Ｉ
Ｌ険出装置の原理図、 第２図は、本発明に係るＰＳＤの正面図、第３図は、」
二足第２図に示すＰＳＤを使用した場合の入射光位置に
対する出力を表わす線図・第４図は、本発明の一実施例
を示す距離検出装置の電気回路図、 第５図は、上記第２図に示すＰＳＤを使用した場合の被
写体圧ｉ＃ｇの逆数に対する出力を表わす線図、 第６図は、従来の距離検出装置の一例を示す構成図、 第７図は、上記第６図の装置における反射光の入射光位
置に対する信号電流比１１／Ｉ２を示す線図、 第８図は、上記第６図の装置における被写体距離の逆数
に対する信号電流比用／Ｉ２を示す線図である。 １・・・・・・・・・ＩＲＥＤ ３・・・・・・・・・被写体 ５．５Ａ、５Ｂ、９・・・・・・ＰＳＤ５ａ、５ｂ、５
ｃ・・・・・・・・・信号電極７・・・・・・・・・入
射スポット 晃６凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被写体に光束を投射し、この被写体からの反射光を投光
   部より所定の基線長だけ離れて配置したＰＳＤ（半導体
   装置検出素子）にて受光し、その出力信号により上記被
   写体までの距離を検出する距離検出装置において、 上記ＰＳＤは基線長方向に離れてＮ個（Ｎ≧３）の信号
   電極を有し、上記信号電極によって（Ｎ−１）個に分割
   された受光面の各々の両端に存在する上記信号電極の出
   力信号により被写体までの距離を検出することを特徴と
   する距離検出装置。