JPS63206610A - 測距装置 - 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】 ［技術分野］ 本発明は、被検知物体までの距離を光学的に測定するＦ
Ａ用の測距装置に関するものである。

［背景技術］ 最近、工場のＦＡ（７アクトリー・オートメーション）
化が進んでおり、生産ラインでは、物体までの距離情報
を用いて物体の位置決め、物体の有無の認識などを行う
測距装置が要望されている。

ここに、被検知物体までの距離の検出を非接触で行う測
距装置としで、被検知物体までの距離を光学的に測定す
るものがあり、オート７才一カスカメラなどに応眉され
ている三角重量方式のものが、比較的構成が簡単で測距
が行えるようになっている。第８図、この三角測量方式
の測距装置の測距原理を示すもので、光源１および投光
レンズ２よりなる投光系３と、受光レンズ４よりなる受
光系６とを所定間隔（基線長）ＢＬをもって配置すると
ともに、受光レンズ６の結像面に位置検出素子７を配置
し、位置検出素子７から出力されるＮ流に基いて被検知
物体Ｍまでの距離Ｒを演算するようになっていた。

すなわち、投光系３は、光源１から投光レンズ２を介し
て被検知物体Ｍに光ビームを照射し、受光系６は、その
光ビームの被検知物体Ｍによる反射光を受光レンズ４に
て位置検出素子７上に集光するようになっており、位置
検出素子７の両端出力端子Ａ、Ｂから集光スポットの位
置に対応した位置検出信号Ｉ　Ａ、　ｒＢが得られるよ
うになっている。ここに、演算部では、位置検出信号■
あ＋ＩＢの比■＾／ＩＢを演算して被検知物体Ｍまでの
距離Ｒを判定するようになっている。なお、αｎ（ＩＡ
／Ｉｎ）を演算して被検知物体Ｍまでの距ＭＲを判定す
るようにしても良い。

この場合、被検知物体Ｍまでの距離Ｒと、位置検出素子
７上の集光スボッ）Ｓの移動量Ｘとは次式により関係づ
けられる。但し、ｆは受光レンズ４の焦点距離である。

Ｘ＝ＢＬＸｆ／Ｒ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・（１）ここで、位置検出素子７により光スボッ）Ｓの
位置検出が行なわれる原理について説明すると、位置検
出素子７は、第９図に示すように、表面に光電効果を有
する所謂ｐｉｎ７オトダイオード構造になっており、裏
面側にｎ型層７ａが形成された高抵抗シリコン基板（１
層）７ｂの表面に均一なｐ型紙抗層７ｃが設けられ、両
端に設けられている一対の出力端子Ａ、Ｂと共通端子Ｏ
との間に集光スポットＳの位置に対応する相反した電流
よりなる位置検出信号Ｉ　Ａｙ　Ｉ　Ｂが流れるように
なっている。いま、光スボッ）Ｓが出力端子ＡよりＸだ
け離れた位置に入射した場合には、そのエネルギーに比
例した光電流は集光スボッ）Ｓから各出力端子Ａ。

Ｂまでの抵抗値に逆比例するように分割され、出力端子
Ａ、Ｂより取り出される。この集光スポットＳによる生
成電流をＩ。、出力端子Ａ、Ｂより出力される位置検出
信号を■＾、Ｉｎとすると、Ｉ　Ａ＝（Ｒｔ、−Ｒｘ）
／Ｒｔｒ。

Ｉ　ｎ”　Ｒｘ／　ＲＬ　Ｉ　。

ここに、ＲＬは距離りに設定された両出力端子Ａ。

８間の抵抗、Ｒｘは出力端子Ａから集光スポットＳまで
の距離にに比例する抵抗であり、Ｐ型紙抗層７ｃは均一
で、その長さと抵抗値が比例するものとすれば、 ＩＡ＝（Ｌ　　Ｘ）／Ｌ−１，−−・＝−（３ａ）Ｉｎ
＝Ｘ／Ｌ・■。・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・（３ｂ）となる。この両者の比をとると、 ＩＡ／ＩＢ＝（Ｌ−Ｘ）ｌＸ ＝Ｌ／Ｘ−１・・・・・・・・・・・・・・・（４）と
なり、光エネルギーに無画係に光の入射位置を知ること
ができる。したがって、出力電流Ｉ　Ａ、　Ｉｎを演算
することにより距離Ｒが求まることになる。ところが、
Ｉ　Ａ、　Ｉ　、の演算において、受光系の光軸とＰＳ
Ｄの粕のずれ量δを少なくなるように設定する必要があ
る。すなわち、（１）式を全微分すると、 ａＲ＝Ｒ２／（ＢＬＸｆ）−ａＸ・−−−−・−・・＜
５）となり、上式は、ずれ量δがｌＸだけ変化した場合
の測距誤差ΔＲを表しでいる。この測距誤差ｌＲを試算
しでみると、Ｒが１０００ｍ、ＢＬが４０１、ｆが１５
１とした場合に、測距誤差ＡＲを１０１１ＩＩ１１にす
るにはａＸは６μｍとなり、極めて高い精度の位置決め
が必要なことが分かる。

［発明の目的１ 本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目
的とするところは、位置検出素子の位置調整を簡略化で
き、組み立てが容易な測距装置を提供することにある。

［発明の開示］ （構　威） 本発明は、光ビームを被検知物体に投光する投光系と、
投光軸を対称軸として投光系の両側にそれぞれ所定距離
をもっで配設され光ビームの被検知物体による反射光を
集光する一対の受光系と、両受光系の結像面に配置され
両集光スポットの位置に応じた電流を出力する位置検出
素子と、位置検出素子出力に基いて被検知物体までの距
離を演算する演算部とでＭＩｔ成され、位置検出素子の
中央に中央出力端子を設けるとともに、位置検出素子の
中央出力端子の両側に各受光系にて集光された集光スポ
ットがそれぞれ結像されるように受光系を形成し、位置
検出素子の両端出力端子および中央出力端子から得られ
る位置検出信号ｒＡｓ１９ｓＩｃが入力される演算部に
て、（丁Ａ＋Ｉｎ）／（ＩＡ十Ｉ　Ｂ＋　Ｉ　ｃ）を演
算して被検知物体までの距離を求めるようにすることに
より、位置検出素子の位置ｌｌ！整を簡略化でき、組み
立てが容易な側Ｗ！装置を提供するものである。

（実施例１） 第１図は本発明一実施例を示すもので、光源１および投
光レンズ２にて形成され光ビームを被検知物体Ｍに投光
する投光Ｐ、３と、投光軸を対称軸として投光系３の両
側にそれぞれ所定距離をもって配設され光ビームの被検
知物体Ｍによる反射光を集光する受光レン４　ｇ、　４
　ｂおよび反射鏡５　ａ、　５　ｂ。

５ｃよりなる一対の受光４６　ａｌ　Ｓ　ｂと、両受光
系６ａ、６ｂの結像面に配置され両集光スボッ）Ｓａ、
Ｓｂの位置に応じた電流を出力する位置検出素子７と、
位置検出素子７出力に基いて被検知物体Ｍまでの距離Ｒ
を演算する演算部８とで構成され、第２図に示すように
、位置検出素子７の中央に中央出力端子Ｃを設けろとと
もに、位置検出素子７の中央出力端子Ｃの両側に各受光
系６　ａ、　６　ｂにて集光された集光スポットＳａ、
Ｓｂがそれぞれ結像されるように受光系６　ａ、　６　
ｂを形成し、位置検出素子７の両端出力端子Ａ、Ｂおよ
び中央出力端子Ｃから得られる位置検出信号工４、Ｉ８
、ｒｅが入力される演算部８にて、（Ｉ　Ａ＋Ｉ　ｎ）
／　（Ｉ　Ａ＋　Ｉ　ｎ十Ｉ　ｃ）を演算して被検知物
体Ｍまでの距離Ｒを求めるようにしたものである。なお
、実施例では、位置検出素子７を第３図に示すように、
１次元半導体装置検出素子であるＰＳＤの長さ方向（位
置検出方向）の中央に中央出力端子Ｃを設けたものを用
いでいるが、第４図に示すように、２個のＰＳＤを直列
接続（長さ方向に連結）して位置検出素子７を形成して
も良く、この場合、両ＰＳＤの接続点が中間出力端子Ｃ
となり、特別なＰＳＤ（中央出力端子付き）を用いる必
要がなく、一般的なＰＳＤを使用することができ、るの
で、コストアップを少なくすることができる。

また、演算部８は、第５図に示すように、位置検出素子
７の各出力端子Ａ、Ｂ、Ｃがら出力される電流信号より
なる位置検出信号Ｉ　Ａ、　Ｉ　ｎ、　Ｉ　Ｃを電圧信
号Ｖ＾、　Ｖ　、、　Ｖ　Ｃに変換する電圧変換回路１
０ａ。

１０ｂ、１０ｃと、ＶＡ＋ＶＢを演算する加算回路１１
ａと、■＾十■Ｂ十ｖｃを演算する加算回路１１ｂと、
（Ｖ　Ａ＋　Ｖ　ｎ）／　（Ｖ　Ａ十Ｖ　ｏ＋Ｖ　ｃ）
を演算する割算回路１２とで形成されており、割り算回
路１２出力は（Ｉ　Ａ＋　Ｉ　［１）／　（Ｉ　Ａ十Ｉ
　Ｂ＋Ｉ　ｅ）と等価な信号であり、この出力によって
距離Ｒが測定できることになる。

以下、実施例の動作について説明する。いま、投光系３
は、光源１から投光レンズ２を介して被検知物体Ｍに光
ビームを照射し、受光系６　ａ、　６　ｂは、その光ビ
ームの被検知物体Ｍによる反射光を受光レンズ４　ａ、
　４　ｂおよび反射鏡５　ａ、　５　ｂ、　５　ｃにて
位置検出素子７上の出力端子Ａと中央出力端子ｃ１出力
端子Ｂと中央出力端子Ｃの間にそれぞれ集光スボッ）Ｓ
ａ、Ｓｂを結像するようになっており、位置検出素子７
の両端の出力端子Ａ、Ｂおよび中央出力端子Ｃがら両集
光スボッ）Ｓａ、Ｓｂの位置に対応した位置検出信号Ｉ
　ｐ、、　Ｉ　ｎ、　Ｉ　ｅが得られるようになってい
る。なお、第２図中の点線は、反射鏡５　ａ、　５　ｂ
、　５　ｃの無い場合における光’ＦＭを示している。

ここに、両集光スポットＳａ、Ｓｂの間隔Ｚは、被検知
物体Ｍ＊での距離Ｒに対して以下の関係になっている。

Ｘ、＝Ｘ２＝ＢＬｘｆ／Ｒ Ｚ　＝Ｚ　＋　十Ｚ　２　＝　Ｘ　＋　十Ｘ　２　＋２
　Ｂ　Ｌ　’・・・・・・（６）また、位置検出素子７
がら出力される位置検出信号Ｉ　Ａ、　Ｉ　Ｂｔ　Ｉ　
ｏと、集光スポットＳａ、ＳＩ＋の間隔Ｚとの関係は次
式で表される。

Ｚ＝２ＬＸ（ＩＡ＋ＩＢ）／（ＩＡ十ＩＢ＋Ｉｃ）・・
・・・・・・・（７） この方式では、距離Ｒが位置検出素子７上の集光スボッ
）Ｓａ、Ｓｂの絶対位置と対応しているのではなく、両
集光スボッ）Ｓａ、Ｓｂの相対位置（間隔Ｚ）と対応し
ているため、位置検出素子７の中心ずれなどの位置精度
は問題にならなくなる。

以上のことを式を用いで説明すると、距離Ｒの被検知物
体Ｍによる反射光の一部は、受光系６ａによって位置検
出素子７の出力端子Ａ、Ｃ間に集光され、このとき、集
光スボツ）Ｓａの位ＭＸ、と距離Ｒの関係は、 Ｘ、＝ＢＬｘｆ／Ｒ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・（８ａ）となる。

一方、受光系６ｂによって位置検出素子７の出力端子Ｃ
８間に集光される集光スボッ）Ｓｂの位置Ｘ２と距離Ｒ
との関係は、 Ｘ２＝ＢＬｘｆ／Ｒ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・（８ｂ）となる。

いま、位置検出素子７の中心がδだけずれている場合に
は、各出力端子Ａ、Ｂ、Ｃから構成される装置検出信号
■＾ｔ　Ｉ　［＋１　Ｉ　Ｃは、■、＝　Ｘ＋＋ＢＬ’
−１■・・・・・・・・・・・・・（９・）となる。

ここで、次の演算を行うと、 Ｌ となり、δに無関係で距離Ｒに対応した値が求まること
になる。

したがって、受光系６ａによる集光スボツ）Ｓａが出力
端子Ａ、Ｃ間に結像され、受光系６ｂによる集光スボッ
）Ｓｂが出力端子Ｃ，Ｂ間に結像されている場合には、
位置検出索子７の中心と光軸との間に多少のずれδがあ
っても正確な測距が可能となる。

以上のことから、 −Ｌｊ二辷−Ｉ、　　　２ＢＬＸｆ　　Ｒ＋２ＢＬ’Ｉ
Ａ十Ｉ、十Ｉ。　　　　　　　２Ｌ となり、上式は距離Ｒの関数であって、ずれδは入って
こないため、位置検出素子７の位置決め作業が不要とな
って、組み立てが容易な測距装置が得られる。また生産
性がアップするためコスト低減を図ることができる。

（実施例２） 第６図は他の実施例を示すもので、演算部８ａにてＱｎ
ｌ（Ｉ　Ａ＋　Ｉ　Ｂ）／　ＣＩ　Ａ＋　Ｉ　ｒｓ＋　
Ｉ　ｃ月を演算して距離Ｒを求めるようにしたものであ
り、加算回路１１ａ、１１ｂ出力を対数増幅回路１４ａ
、１４ｂにて対数増幅して得られる信号αｎ（ＶＡ＋Ｖ
Ｂ）、（１，ｎ（Ｖ　Ａ＋　Ｖ　Ｂ十Ｖ　Ｃ）を減算回
路１５に入力し、減算回路１５から出力３ｈるＱｎ［（
ＶＡ＋ＶＢ）／（ＶＡ十Ｖｎ＋Ｖｃ）ｌにより被検知物
体Ｍまでの距離Ｒを測定するようにな、っている。なお
、他の構成は実施例１と同様であるので説明を省略する
。

（実施例３） 第７図はさらに他の実施例を示すもので、光ビ−ムを形
成するとともに反射光を受光する投受光兼用の対物レン
ズ２０と、対物レン２２０の集光位置に設けられたコン
デンサレンズ２１と、集光スボッ）　Ｓ　ａｌ　Ｓ　ｂ
を位置検出素子７の所定位置に再結像させる一対の受光
レンズ４　ａ、　４　ｂとで受光系６を構成し、コンデ
ンサレンズ２１により両受光レンズ４　ａ、　４　ｂの
瞳を対物レンズ２０の射出瞳上に作るようにしたもので
あり、他の構成は実施例１と同様である。

いま、本実施例の光学系により位置検出素子７上に結像
された集光スボッ）Ｓａ、Ｓｂの間隔Ｚを求めて見ると
、 Ｘ　＋　＝　Ｘ　２　＝　Ｂ　Ｌ　’　Ｘ　ｒ　２　／
　５Ｓ＝Ｔ−Ｒ’ Ｒ’　＝　Ｒｆ　＋　／　（Ｒ−ｆ　＋　）上式より、 ２＝２．＋２゜ ＝Ｘ、十ＢＬ’−δ十Ｘ２＋ＢＬ’十δ＝　Ｘ　＋　十
Ｘ　２　＋　２８　Ｌ　’よって、 一１ｆｊ上□−−０ｚ−Ｌ±」乙Ｉ　　Ｘｌ＋Ｘ２＋２
８Ｌ’ＩＡ十ＩＢ十ＩＣ２Ｌ　　　　　　　２Ｌ故に、
本実施例の光学系でも実施例１と同様の動作が行なわれ
るようになっており、しかも、本実施例では、対物レン
ズの焦点距離ｆ、を変えるだけで、測定距離や測定精度
を変えることができるようになっている。したがって、
コンデンサレンズ、一対の受光レンズおよび位置検出素
子７をモジュール化し、対物レンズを変えるだけで各種
の測距範囲、測距精度の要求に応じることができ、低価
格化が容易に行えることになる。

［発明の効果１ 本発明は上述のように、光ビームを被検知物体に投光す
る投光系と、投光軸を対称軸として投光系の両側にそれ
ぞれ所定距離をもって配設され光ビームの被検知物体に
よる反射光を集光する一対の受光系と、両受光系の結像
面に配置され両集光スポットの位置に応じた電流を出力
する位置検出素子と、位置検出素子出力に基いて被検知
物体までの距離を演算する演算部とで構成され、位置検
出素子の中央に中央出力端子を設けるとともに、位置検
出素子の中央出力端子の両側に各受光系にて集光された
集光スポットがそれぞれ結像されるように受光系を形威
し、位置検出素子の両端出力端子および中央出力端子か
ら得られる位置検出信号ＩＡ、ＩＢ、ｒｅが入力される
演算部にて、（ＩＡ十Ｉ　Ｂ）／　（ＩＡ＋Ｉ　Ｂ＋　
Ｉ　ｃ）を演算して被検知物体までの距離を求めるよう
にしたものであるので、位置検出素子の位置調整を簡略
化でき、組み立てが容易な測Ｉｔ’！装置を提供するこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の概略構成図、第２図は同上の
光学系の動作説明図、第３図および第４図は同上の要部
構成図、第５図は同上の要部回路図、第６図は他の実施
例の要部回路図、第７図はさらに他の実施例の概略構成
図、第８図は従来例の概略構成図、第９図は同上の要部
構成図である。 ３は投光系、６　ａ、　６　ｂは受光系、７は位置検出
−１５＝ 素子、８は演算部、Ａ、Ｂは出力端子、Ｃは中央出力端
子、Ｍは被検知物体である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームを被検知物体に投光する投光系と、投光
   軸を対称軸として投光系の両側にそれぞれ所定距離をも
   って配設され光ビームの被検知物体による反射光を集光
   する一対の受光系と、両受光系の結像面に配置され両集
   光スポットの位置に応じた電流を出力する位置検出素子
   と、位置検出素子出力に基いて被検知物体までの距離を
   演算する演算部とで構成され、位置検出素子の中央に中
   央出力端子を設けるとともに、位置検出素子の中央出力
   端子の両側に各受光系にて集光された集光スポットがそ
   れぞれ結像されるように受光系を形成し、位置検出素子
   の両端出力端子および中央出力端子から得られる位置検
   出信号Ｉ＿Ａ、Ｉ＿Ｂ、Ｉ＿Ｃが入力される演算部にて
   、（Ｉ＿Ａ＋Ｉ＿Ｂ）／（Ｉ＿Ａ＋Ｉ＿Ｂ＋Ｉ＿Ｃ）を
   演算して被検知物体までの距離を求めるようにしたこと
   を特徴とする測距装置。
2. （２）光ビームを形成するとともに反射光を受光する投
   受光兼用の対物レンズと、対物レンズの集光位置に設け
   られたコンデンサレンズと、集光スポットを位置検出素
   子の所定位置に再結像させる一対の受光レンズとで受光
   系を構成し、コンデンサレンズにより両受光レンズの瞳
   を対物レンズの射出瞳上に作るようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の測距装置。