WO2022039186A1 - 光電センサおよび光測距装置 - Google Patents

光電センサおよび光測距装置 Download PDF

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signal processing
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明人 山本
隆弘 笠原
諭 有馬
達裕 百鳥
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北陽電機株式会社
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    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric sensor and an optical ranging device.
  • Patent Document 1 discloses a photoelectric sensor for detecting an object in a monitoring region for the purpose of amplifying a received signal as faithfully as possible over a wide dynamic range.
  • the photoelectric sensor measures the characteristics of an object from a light emitter for transmitting light, a light receiver for converting diffusely reflected light that hits the object into an optical current, and a received signal derived from the optical current.
  • a high-sensitivity receiving path having a higher-sensitivity amplifier in order to detect the diffusely reflected light in a larger dynamic range between the receiver and the evaluation unit, and more.
  • a low-sensitivity receiving path having a low-sensitivity amplifier is provided, and depending on the intensity of the diffusely reflected light, the high-sensitivity receiving path or the low-sensitivity receiving path receives the light from the optical current divided into the receiving paths. Generate a signal.
  • the low-sensitivity receiving path includes a diode array
  • the threshold value of the intensity of the diffuse reflected light is defined by using the forward voltage of the diode array
  • the optical current is low only when the threshold value is exceeded. It is configured to flow through the sensitivity reception path.
  • the received signal is amplified within a dynamic range wider than the dynamic range of each individual reception path with almost no loss of information. Only when the forward voltage is exceeded, the current flows into the amplifier of the low sensitivity reception path, and when the reception output is small, the entire photocurrent is guided to the high sensitivity reception path, so that no sensitivity loss occurs.
  • the photoelectric sensor described in Patent Document 1 needs to be provided with an expensive transimpedance amplifier for each of a single or a plurality of low-sensitivity receiving paths and a high-sensitivity receiving path including a diode array, which increases the component cost. There was a problem.
  • An object of the present invention is to provide an inexpensive photoelectric sensor and an optical range measuring device capable of appropriately detecting light in a wide dynamic range without using a plurality of transimpedance amplifiers.
  • the first characteristic configuration of the photoelectric sensor according to the present invention is a photoelectric sensor that detects an object in the monitoring area, and has a light projecting unit that outputs measurement light toward the monitoring area and measurement.
  • the light receiving unit that converts the reflected light diffused and reflected by the light hitting an object into a current signal
  • the pre-amplifier that converts the current signal converted by the light-receiving part into a voltage signal
  • the output signal of the pre-amplifier are first amplified.
  • a first signal processing system including a first amplifier that amplifies at a rate A1, a first binarization circuit that binarizes the output signal of the first amplifier at the first threshold Vth1, and an output signal of the pre-amplifier.
  • a second amplifier having a second amplification factor A2 and a second signal processing system provided with a second binarization circuit for binarizing the output signal of the second amplifier at the second threshold Vth2.
  • the measured light output from the floodlight hits the object, and the reflected light diffused and reflected is detected by the light receiving section and converted into a current signal, and the current signal is converted into a voltage signal by the pre-amplifier to form the first signal processing system. It is input to the second signal processing system.
  • the voltage signal is amplified by the first amplifier at the first amplification factor A1, and then the pulse signal binarized by the first binarization circuit of the first threshold value Vth1 is output.
  • the voltage signal is amplified by the second amplifier at the second amplification factor A2 (A1 ⁇ A2), and then binarized by the second binarization circuit of the second threshold value Vth2 (Vth1 ⁇ Vth2).
  • the converted pulse signal is output.
  • the second feature configuration includes the output timing of the measurement light output from the floodlight unit and the output from the first signal processing system or the second signal processing system. The point is that it is provided with a distance calculation circuit that calculates the distance from the photoelectric sensor to the object based on the rise time of the binarization signal.
  • the distance calculation circuit calculates the light propagation time between the photoelectric sensor and the object from the output time of the measured light and the rising time of the binarized signal, that is, the detection time of the diffused reflected light. The distance from the photoelectric sensor to the object is calculated based on.
  • the third feature configuration includes, in addition to the first or second feature configuration described above, a distance correction circuit that corrects the distance calculated by the distance calculation circuit based on the pulse width of the binarized signal. There is a point.
  • the rising edge of the binarized signal fluctuates depending on the characteristics of the voltage signal input to the binarization circuit. If the peak value of the voltage signal is high, it rises sharply, and if the peak value of the voltage signal is low, it rises gently. Therefore, the peak value of the voltage signal input to the binarization circuit can be estimated based on the pulse width, which is the time from the rise time to the fall time of the binarization signal. Therefore, the distance correction circuit obtains a correction amount for the rise time of each binarized signal so as to be the rise time of the binarized signal with respect to the voltage signal as a reference in advance, and sets the distance corresponding to the correction amount as the correction distance. Correct the distance calculated by the distance calculation circuit.
  • the fourth feature configuration allows the distance calculation circuit to calculate the distance when the pulse width of the binarized signal is equal to or greater than a predetermined threshold value. The point is that a time determination circuit for prohibiting the calculation of the distance by the distance calculation circuit when the pulse width is less than a predetermined threshold value is provided.
  • the time determination circuit determines that the pulse width of the binarized signal is genuine diffused reflected light when the pulse width is equal to or larger than a predetermined threshold value, and allows the distance calculation circuit to calculate the distance, and the pulse width is a predetermined threshold value. If it is less than, it is judged as a disturbance and the calculation of the distance by the distance calculation circuit is prohibited.
  • binarized signals are output from both the first signal processing system and the second signal processing system at the same time.
  • the binarized signal output from the first signal processing system is selected, and when the binarized signal is output only from the second signal processing system, it is output from the second signal processing system. It is provided with a signal selection circuit that selects a binarized signal and outputs it to the distance calculation circuit.
  • the second signal processing system When the binarized signal is output from the first signal processing system provided with the first amplifier having a small gain and the second signal processing system provided with the second amplifier having a large gain, the second signal processing system is used. There is a possibility that gain compression has occurred in the second amplifier prepared for the above and waveform blunting has occurred. Therefore, the signal selection circuit selects the binarized signal output from the first signal processing system, so that a more accurate distance can be obtained. Further, when the binarized signal is output only from the second signal processing system, the weak voltage signal that could not be binarized by the first signal processing system is properly amplified by the second amplifier having a high gain. By selecting the binarized signal obtained by the above, the distance can be calculated appropriately even with a weak voltage signal.
  • the sixth feature configuration is calculated by the distance calculation circuit based on the binarized signal output from the first signal processing system in addition to any of the second to fourth feature configurations described above.
  • the first distance is output when the difference between the one distance and the second distance calculated by the distance calculation circuit based on the binarized signal output from the second signal processing system is less than a predetermined distance threshold value.
  • it is provided with an output selection circuit that outputs the second distance when the second distance is equal to or greater than a predetermined remote distance threshold value.
  • the output selection circuit is properly amplified first signal processing.
  • the first signal processing provided with a first amplifier having a small gain is output when the first distance obtained based on the binarized signal output from the system is output and the second distance is equal to or more than a predetermined remote distance threshold. Judging that it is difficult to calculate the accurate distance in the system, by outputting the second distance regardless of whether the first distance is calculated, the accuracy is wide in a wide range from the short distance to the long distance from the photoelectric sensor. You will be able to output a high distance.
  • the seventh feature configuration includes an output interface circuit that outputs both the output signal of the first signal processing system and the output signal of the second signal processing system to the outside. There is a point.
  • the user of the photoelectric sensor can take the opportunity according to the usage status of the photoelectric sensor.
  • Distance calculation can be performed in consideration of the characteristics of the first signal processing system and the second signal processing system.
  • the characteristic configuration of the optical ranging device is a photoelectric sensor having any of the above-mentioned second to sixth characteristic configurations, and an optical deflection that deflects the measurement light output from the light projecting unit in a predetermined direction.
  • the point is that the unit and / or an optical scanning unit that deflects and scans the measurement light output from the light projecting unit in a predetermined direction is provided.
  • an optical deflection unit and / or an optical scanning unit that deflects or scans the measurement light output from the light projecting unit of the photoelectric sensor having any of the above-mentioned characteristic configurations, up to an object existing in a specific direction.
  • An optical distance measuring device that obtains a distance can be realized.
  • FIG. 1 is a configuration explanatory view of an optical ranging device including a photoelectric sensor.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a signal processing circuit provided in the photoelectric sensor.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of the relationship between the magnitude of the output signal of the amplifier and the binarized signal.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the output signals of the first amplifier and the second amplifier for the same input signal.
  • FIG. 1 shows an optical ranging device 200 provided with a photoelectric sensor 1 and a signal processing circuit 100 incorporated in the photoelectric sensor 1.
  • the optical ranging device 200 is housed in a casing (exemplified as a cylindrical body shown by a broken line in the figure) C provided with a translucent window, and has a photoelectric sensor 1 for detecting an object in a monitoring area and photoelectric. It is provided with an optical scanning unit 10 that scans the measurement light output from the sensor 1 toward the monitoring area and guides the reflected light diffusely reflected from the surface of the object existing in the monitoring area to the photoelectric sensor 1.
  • the photoelectric sensor 1 has a light projecting unit 2 that outputs measurement light toward a monitoring area through a translucent window provided in the casing C, a light projecting lens 15, and measurement light whose waveform is shaped by the light projecting lens 15.
  • a condenser lens 12 that collects diffused and reflected reflected light that hits an object existing in the monitoring area, a light receiving unit 3 that receives the reflected light collected by the condenser lens 12 and converts it into a current signal, and a light receiving unit 3. It is provided with a signal processing circuit 100 that processes the current signal converted in 1.
  • the signal processing circuit 100 is composed of a plurality of circuit elements mounted on the substrate, and is actually housed in the bottom of the casing C or the like.
  • the optical scanning unit 10 deflects the measurement light output from the light projecting unit 2 toward the monitoring region, and also directs the reflected light from the object to the light receiving unit 3, and deflects the deflection mirror 11 around the rotation axis P.
  • a motor 13 for rotationally driving and an encoder 14 for detecting the rotational speed of the motor 13 are provided.
  • the encoder 14 is composed of a disk 14A in which slits are formed on the outer periphery at predetermined intervals and rotates around a rotation axis P, and a transmissive photointerruptor 14B that detects light transmitted through the slits formed in the disk 14A.
  • the deflection mirror 11 is fixed in an attitude of being tilted 45 degrees with respect to the rotation axis P, and a light receiving unit 3, a condenser lens 12, a light projection unit 2, and a projection lens 15 are arranged on the axis of the rotation axis P, respectively. ing.
  • the measurement light output from the light projecting unit 2 passes through the light projecting lens 15 and is waveform-shaped into parallel light, then propagates along the light guide 16 and is deflected at a right angle by the deflection mirror 11 to be deflected by the deflection mirror 11. It is deflected and scanned with rotation and output to the monitoring area.
  • the reflected light from the object propagates in the surrounding space of the optical guide 16 and is incident on the deflection mirror 11, is deflected in the axial direction of the rotation axis P, passes through the condenser lens 12, and is incident on the light receiving unit 3.
  • a laser diode that outputs laser light in the near infrared region is used as the light projecting unit 2, and an avalanche photodiode (hereinafter, also referred to as “avalanche photodiode 3”) is used as the light receiving unit 3.
  • the signal processing circuit 100 includes a motor drive circuit 20, a floodlight drive circuit 30, a light receiving unit drive circuit 40, a light receiving signal processing circuit 50, a system control circuit 60, an input / output control circuit 70, a memory 80, and the like.
  • the system control circuit 60 is composed of an FPGA or the like, controls the motor drive circuit 20, the floodlight drive circuit 30, the light receiving unit drive circuit 40, and the light receiving signal processing circuit 50, performs distance measurement calculation, and stores the calculation result in memory. It is a circuit block stored in 80.
  • the input / output control circuit 70 is a circuit block that reads out the calculation result stored in the memory 80, performs necessary processing, and exchanges signals such as the processing result with an external device via Ethernet (registered trademark).
  • the communication interface with the external device is not limited to Ethernet (registered trademark).
  • the motor drive circuit 20 is a circuit that transmits a pulse signal from the encoder 14 to the system control circuit 60 and drives the motor 13 based on the control signal from the system control circuit 60.
  • the floodlight unit drive circuit 30 is a circuit that pulse-drives the laser diode constituting the floodlight unit 2 based on the control signal from the system control circuit 60, and the system control circuit 60 is based on the pulse signal from the encoder 14.
  • the control signal is output to the light projector drive circuit 30 by grasping the rotation position of the deflection mirror 11 and the drive timing of the laser diode.
  • the light receiving unit drive circuit 40 is a circuit that controls the drive voltage of the avalanche photodiode 3 constituting the light receiving unit 3, and includes a temperature sensor Sth for detecting the vicinity temperature of the light receiving unit 3 and a high voltage generation circuit.
  • the output voltage of the high voltage generation circuit is adjusted based on the control signal from the system control circuit 60.
  • the system control circuit 60 variably controls the output voltage of the high voltage generating circuit in the vicinity of a predetermined voltage (about 150 V in this embodiment) in order to compensate the temperature characteristic of the light receiving unit 3 based on the output of the temperature sensor.
  • the light receiving signal processing circuit 50 is a circuit that processes a current signal in which reflected light is photoelectrically converted by an avalanche photodiode 3, and uses a transimpedance amplifier TIA that converts the current signal into a voltage signal.
  • the first signal processing system 50A provided with the conversion circuit 53, the second amplifier 54 that amplifies the output signal of the pre-amplifier 51 at the second amplification factor A2, and the output signal of the second amplifier 54 at the second threshold Vth2.
  • a second signal processing system 50B including a second binarization circuit 55 for digitization is provided.
  • the current signal photoelectrically converted by the avalanche photodiode 3 is divided by a resistance voltage divider circuit, converted into an AC signal from which the DC component is removed via a coupling capacitor, and then input to the preamplifier 51. ..
  • the first amplifier 52 is composed of an inverting amplifier AMP1 using an OP amplifier
  • the second amplifier 54 is composed of an inverting amplifier AMP2 (54A) using an OP amplifier and a differential amplifier AMP3 (54B).
  • the second amplifier 54 may be a single inverting amplifier.
  • the amplification factor of the preamplifier 51 is set to 80 dB
  • the first amplification factor A1 of the first amplifier 52 is set to 16 dB
  • the second amplification factor A2 of the second amplifier 54 is set to 41 dB.
  • the first threshold value Vth1 is set to 0.16V and the second threshold value Vth2 is set to 0.40V.
  • the value of the ratio of the second threshold value Vth2 to the first threshold value Vth1 in the antilogarithm display is 2.5, which is larger than 1 and smaller than the value ⁇ , and the above relational expression is established.
  • the value of the difference between the first threshold value Vth1 and the second threshold value Vth2 in the logarithmic display is 7.96 dB, which is larger than 0 dB and is the amplification factor of the logarithmic display of the second amplification factor A2 with respect to the first amplification factor A1. It is less than the difference value (25 dB).
  • the first signal processing system 50A is a low-sensitivity signal processing system
  • the second signal processing system 50B is a high-sensitivity signal processing system. Since the output signal of the pre-amplifier 51 is supplied to the first signal processing system 50A and the second signal processing system 50B, respectively, it is so low that the low-sensitivity first signal processing system 50A cannot obtain a binarized output. Even if it is a level input signal, a binarized output can be obtained by the highly sensitive second signal processing system 50B.
  • the system control circuit 60 includes a distance calculation circuit, a distance correction circuit, a time determination circuit, and the like in addition to the control for the motor drive circuit 20, the light projecting unit drive circuit 30, and the light receiving unit drive circuit 40 described above, and input / output control.
  • the circuit 70 includes an output selection circuit and the like.
  • the distance calculation circuit, the distance correction circuit, and the time determination circuit operate every time the optical scanning unit 10 performs a unit scan to calculate the distance to the object in the monitoring area and the scanning angle, and store the result in the memory 80.
  • the signal binarized by the first binarization circuit 53 provided in the first signal processing system 50A and the second binarization circuit 55 provided in the second signal processing system 50B is the distance calculation circuit of the system control circuit 60.
  • the time-to-digital converter provided in the distance calculation circuit the output timing of the drive signal to the light projecting unit 2 and the rise timing of the binarized signal of the photoelectrically converted light are set.
  • the time difference is calculated, and the distance to the object is calculated based on the time difference and the light speed. Further, since the scanning angle of the measured light is obtained from the rotation position (scanning angle) of the deflection mirror 11 at the time of output of each measurement light grasped based on the pulse signal from the encoder 14, the distance and the direction to the object are determined.
  • the distance calculation circuit is based on the output timing of the measurement light output from the floodlight unit 2 and the rise timing of the binarized signal output from the first signal processing system 50A or the second signal processing system 50B. It is configured to calculate the distance from the photoelectric sensor to the object.
  • the voltage signals corresponding to the reflected light amplified by the amplifiers 52 and 54 have the same time ⁇ T from the rising time of rising from the ground level to the falling time of falling to the ground level thereafter.
  • the peak value is different, the rising slope is different, and even when binarized at the same threshold Vth, the binarized signal for the voltage signal with the low peak value is the binarized signal for the voltage signal with the high peak value.
  • the pulse width of the binarized signal for a voltage signal with a low peak value is ⁇ TL
  • the pulse width of the binarized signal for a voltage signal with a low peak value is ⁇ TH. It is written as.).
  • the rise timing of the binarized signal varies depending on the characteristics of the voltage signal input to the binarized circuits 53 and 55, and if the peak value of the voltage signal is high, it rises sharply, and if the peak value of the voltage signal is low, it rises gently. Stand up to. Then, a predetermined correlation is established between the pulse width, which is the time from the rise time to the fall time of the binarized signal, and the time difference from the time t0 when the originally reflected light arrives to the time when the binarized signal rises. be.
  • the correction amount (time difference). dt) is obtained. It is also possible to use a correction formula instead of the correction table.
  • the reference reflecting plate housed in the casing C and having a known reference distance.
  • the voltage signal for the reflected light from is detected as a reference voltage signal, and the distance obtained from the time difference between the output timing of the drive signal for the floodlight 2 and the rising time when the reference voltage signal is binarized is the reference distance.
  • a correction coefficient for correcting the time difference dt with respect to the rising point t0 of the reference voltage signal is obtained, and each correction amount (time difference dt) of the above-mentioned correction table is corrected by the correction coefficient.
  • the distance correction circuit obtains a correction amount (time difference dt) from a correction table for an arbitrary binarized signal, calculates a correction distance based on the correction amount corrected by the above-mentioned correction coefficient, and uses the above-mentioned distance calculation circuit. Increase / decrease the calculated distance.
  • the distance correction circuit may separately include a correction table for the first signal processing system 50A and a correction table for the second signal processing system 50B.
  • the time determination circuit allows the distance calculation by the distance calculation circuit when the pulse width of the binarized signal is equal to or greater than a predetermined threshold value, and is performed by the distance calculation circuit when the pulse width of the binarized signal is less than the predetermined threshold value. It is configured to prohibit the calculation of the distance.
  • the time determination circuit determines that the pulse width of the binarized signal is genuine diffused reflected light when the pulse width is equal to or larger than a predetermined threshold value, and allows the distance calculation circuit to calculate the distance, and the pulse width is a predetermined threshold value. If it is less than, it is judged as a disturbance and the calculation of the distance by the distance calculation circuit is prohibited. It is preferable to set a value in the range of 0.2 times to 0.4 times the pulse width of the measured light as a predetermined threshold value, but the value is not limited to this value. It suffices if it is set to a value shorter than at least the pulse width of the measurement light.
  • the distance and direction to the object are calculated for each binarized signal input via the first signal processing system 50A and the second signal processing system 50B. Further, each calculated value is filtered, and the distance and the direction determined to be an appropriate object to be detected are stored in the memory 80.
  • a filter process if a predetermined number or more of objects are continuously detected along the adjacent scanning direction and the difference between the distances is within a predetermined value, it is determined that the object is effective, otherwise noise is detected. It is possible to adopt a size determination filter or the like that removes the noise. By such treatment, disturbances such as raindrops and fog can be eliminated.
  • the output selection circuit provided in the input / output control circuit 70 reads out the distance and the direction written in the memory 80 for each unit scan cycle, and reads the distance and the direction written in the memory 80, and the first distance and the second signal processing system 50B corresponding to the first signal processing system 50A.
  • the difference from the second distance corresponding to is calculated, and the first distance is output to the external device when the difference is less than a predetermined distance threshold, that is, when it can be determined that the objects are the same.
  • the output selection circuit is properly amplified first signal processing.
  • the first signal processing provided with a first amplifier having a small gain is output when the first distance obtained based on the binarized signal output from the system is output and the second distance is equal to or more than a predetermined remote distance threshold. Judging that it is difficult to calculate the accurate distance in the system, by outputting the second distance regardless of whether the first distance is calculated, the accuracy is wide in a wide range from the short distance to the long distance from the photoelectric sensor. You will be able to output a high distance.
  • the output selection circuit is configured to output the second distance when the second distance is equal to or greater than a predetermined remote distance threshold value. This is because even a distant object that could not be detected by the low-sensitivity first signal processing system 50A can be detected by the high-sensitivity second signal processing system 50B.
  • the output selection circuit has a short-distance removal function that does not output when the distance to the detected object is less than the preset short-distance threshold.
  • the short-distance threshold value may be set to an individual value for the low-sensitivity first signal processing system 50A and the high-sensitivity second signal processing system 50B.
  • FIG. 4 shows an output signal of the first amplifier 52 provided in the first signal processing system 50A and an output signal of the second amplifier 54 provided in the second signal processing system 50B corresponding to the measurement light output at a certain scanning angle. It is shown. A short-distance signal, a first echo signal, a second echo signal, and a third echo signal with respect to the reflected light caused by the contamination of the casing C are shown.
  • the above-mentioned output selection circuit eliminates the signal corresponding to the dirt that is less than the short-range threshold value, and the first echo and the second echo at substantially the same distance are provided in the first signal processing system 50A.
  • the distance is obtained based on the binarized signal of the output signal of the first amplifier 52, and the third echo that becomes equal to or higher than the long-distance threshold value is the binary value of the output signal of the second amplifier 54 provided in the second signal processing system 50B.
  • the distance is calculated based on the converted signal. As shown in FIG. 4, since the signal waveforms of the first echo and the second echo amplified by the second amplifier 54 are supersaturated, it is difficult to calculate an accurate distance.
  • the first echo is determined to be an invalid signal and the output is avoided.
  • filters as appropriate according to the purpose, such as a system that prioritizes the distance of the first echo at a short distance to prevent collisions and a system that uses the second echo to detect an object behind a thin object.
  • a system that selects and uses echo in combination with processing is possible.
  • the system control circuit 60 may be provided with the function of the output selection circuit described in the above-described embodiment. Specifically, when the binarized signal is output from both the first signal processing system 50A and the second signal processing system 50B at the same time, the binarized signal output from the first signal processing system 50A is selected. When the binarized signal is output only from the second signal processing system 50B, the binarized signal output from the second signal processing system 50B may be selected and output to the distance calculation circuit.
  • the case where the binarization signal is output from both sides at the same time means the case where the time difference between the rising edges of the binarization signal falls within a predetermined allowable range.
  • the optical ranging device 200 including the optical scanning unit 10 that deflects and scans the measurement light output from the light projecting unit 2 provided in the photoelectric sensor 1 in a predetermined direction has been described. It is also possible to configure an optical ranging device including an optical deflection unit that deflects the output measurement light in a predetermined direction.
  • the photoelectric sensor 1 incorporated in the optical ranging device 200 has been described, but it may be a single photoelectric sensor 1.
  • An output interface circuit may be provided which outputs both the output signal of the first signal processing system 50A and the output signal of the second signal processing system 50B provided in the photoelectric sensor 1 to the outside as they are together with a signal indicating the output timing of the measurement light. ..
  • the user of the photoelectric sensor 1 can flexibly perform the distance calculation in consideration of the characteristics of the first signal processing system and the second signal processing system according to the usage status of the photoelectric sensor.
  • the light-receiving signal processing circuit 50 of the above-described embodiment includes a pre-amplifier 51 using a transimpedance amplifier TIA that converts a current signal whose reflected light is photoelectrically converted by an avalanche photodiode 3 into a voltage signal. Is supplied to the first signal processing system 50A and the second signal processing system 50B, respectively.
  • the nth signal processing system 50n provided with the nth binarization circuit for binarizing the output signal with the nth threshold Vthn may be further provided (n: an integer of 3 or more).
  • the present invention can realize an inexpensive photoelectric sensor and an optical range measuring device that can detect light in a wide dynamic range without using a plurality of transimpedance amplifiers.
  • Photoelectric sensor 2 Light emitting unit 3: Light receiving unit 10: Optical scanning unit 11: Deflection mirror 12: Condensing lens 20: Motor drive circuit 30: Light emitting unit drive circuit 40: Light receiving unit drive circuit 50: Light receiving signal processing Circuit 50A: 1st signal processing system 50B: 2nd signal processing system 51: Preamplifier 52: 1st amplifier 53: 1st binarization circuit 54: 2nd amplifier 55: 2nd binarization circuit 60: System control Circuit 70: Input / output control circuit 80: Memory 100: Signal processing circuit

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Abstract

複数のトランスインピーダンスアンプを用いることなく広いダイナミックレンジで適切に光を検出することができる安価な光電センサを提供する。 測定光を出力する投光部と、測定光が物体に当たって拡散反射した反射光を電流信号に変換する受光部と、受光部で変換した電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器と、前置増幅器の出力信号を第１増幅率Ａ１で増幅する第１増幅器と、第１増幅器の出力信号を第１閾値Ｖｔｈ１で二値化する第１二値化回路を備えた第１信号処理系統と、前置増幅器の出力信号を第２増幅率Ａ２で増幅する第２増幅器と、第２増幅器の出力信号を第２閾値Ｖｔｈ２で二値化する第２二値化回路を備えた第２信号処理系統と、を備え、第１閾値と第２閾値、および、第１増幅率と第２増幅率とが、以下の関係式　１＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）　を満たすように設定されている。

Description

光電センサおよび光測距装置
　本発明は、光電センサおよび光測距装置に関する。
　特許文献１には、広いダイナミックレンジにわたって、受信信号を可能な限り信号に忠実に増幅することを目的とした、監視領域内の物体を検出するための光電センサが開示されている。
　当該光電センサは、光を発信するための発光器と、物体に当たって拡散反射された光を光電流に変換するための受光器と、前記光電流から導出される受信信号から物体の特性を測定するための評価部とを備え、前記受光器と前記評価部との間には、前記拡散反射光をより大きいダイナミックレンジで検出するために、より高感度の増幅器を有する高感度受信経路と、より低感度の増幅器を有する低感度受信経路とが設けられ、前記拡散反射光の強度に応じて、前記高感度受信経路または前記低感度受信経路において、前記受信経路に分割された光電流から前記受信信号を生成する。
　そして、少なくとも前記低感度受信経路がダイオードアレイを備えており、該ダイオードアレイの順方向電圧を用いて前記拡散反射光の強度の閾値が規定され、前記閾値を上回った場合のみ光電流が前記低感度受信経路を流れるように構成されている。
　上述の光電センサによれば、受信信号が、各個々の受信経路のダイナミックレンジより広いダイナミックレンジ内で、ほとんど情報を失わずに増幅される。順方向電圧を上回った場合のみ、電流が低感度受信経路の増幅器に流入し、受信出力が小さい場合は、光電流全体が高感度受信経路に導かれるので、感度損失が生じない。
特開２０１４－１４２３４０号公報
　しかし、特許文献１に記載された光電センサは、ダイオードアレイを備えた単一または複数の低感度受信経路と高感度受信経路の其々に高価なトランスインピーダンスアンプを備える必要があり部品コストが嵩むという問題があった。
　本発明の目的は、複数のトランスインピーダンスアンプを用いることなく広いダイナミックレンジで適切に光を検出することができる安価な光電センサおよび光測距装置を提供する点にある。
　この目的達成をするため、本発明による光電センサの第一の特徴構成は、監視領域内の物体を検出する光電センサであって、監視領域に向けて測定光を出力する投光部と、測定光が物体に当たって拡散反射した反射光を電流信号に変換する受光部と、前記受光部で変換した前記電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器と、前記前置増幅器の出力信号を第１増幅率Ａ１で増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器の出力信号を第１閾値Ｖｔｈ１で二値化する第１二値化回路を備えた第１信号処理系統と、前記前置増幅器の出力信号を第２増幅率Ａ２で増幅する第２増幅器と、前記第２増幅器の出力信号を第２閾値Ｖｔｈ２で二値化する第２二値化回路を備えた第２信号処理系統と、を備え、前記第１閾値Ｖｔｈ１と前記第２閾値Ｖｔｈ２、および、前記第１増幅率Ａ１と前記第２増幅率Ａ２とが、以下の関係式　１＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）を満たすように設定されている点にある。
　投光部から出力された測定光が物体に当たって拡散反射した反射光が受光部で検出されて電流信号に変換され、当該電流信号が前置増幅器で電圧信号に変換されて第１信号処理系統と第２信号処理系統に入力される。第１信号処理系統では当該電圧信号が第１増幅器により第１増幅率Ａ１で増幅された後に第１閾値Ｖｔｈ１の第１二値化回路で二値化されたパルス信号が出力される。同様に第２信号処理系統では当該電圧信号が第２増幅器により第２増幅率Ａ２（Ａ１＜Ａ２）で増幅された後に第２閾値Ｖｔｈ２（Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２）の第２二値化回路で二値化されたパルス信号が出力される。さらに、第１閾値Ｖｔｈ１と第２閾値Ｖｔｈ２、および、前記第１増幅率Ａ１と前記第２増幅率Ａ２とが、１＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）との関係式を満たすように設定されるため、第１信号処理系統で二値化出力が得られないような低レベルの入力信号であっても第２信号処理系統で二値化出力が得られるようになる。
　同第二の特徴構成は、上述した第一の特徴構成に加えて、前記投光部から出力される測定光の出力時期と、前記第１信号処理系統または前記第２信号処理系統から出力される二値化信号の立上り時期と、に基づいて前記光電センサから物体までの距離を算出する距離演算回路を備えている点にある。
　距離演算回路は、測定光の出力時期と二値化信号の立上り時期つまり拡散反射光の検出時期とから光電センサと物体間の光の伝播時間を算出し、光の伝播時間と光の速度とに基づいて光電センサから物体までの距離を算出する。
　同第三の特徴構成は、上述した第一または第二の特徴構成に加えて、前記二値化信号のパルス幅に基づいて前記距離演算回路で算出した距離を補正する距離補正回路を備えている点にある。
　二値化信号の立ち上がりエッジは二値化回路へ入力される電圧信号の特性によって変動し、電圧信号のピーク値が高ければ急峻に立ち上がり、電圧信号のピーク値が低ければ緩やかに立ち上がる。そのため、二値化信号の立上り時期から立下り時期までの時間であるパルス幅に基づいて二値化回路へ入力される電圧信号のピーク値が推定できるようになる。そこで、距離補正回路は予め基準とされる電圧信号に対する二値化信号の立上り時期となるように各二値化信号の立上り時期に対する補正量を求め、補正量に対応する距離を補正距離として、距離演算回路で算出した距離を補正する。
　同第四の特徴構成は、上述した第二または第三の特徴構成に加えて、前記二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に前記距離演算回路による距離の算出を許容し、前記パルス幅が所定の閾値未満の場合に前記距離演算回路による距離の算出を禁止する時間判定回路を備えている点にある。
　受光部で検出された光に対応して得られた二値化信号のパルス幅が測定光のパルス幅に比べて非常に短い場合には外乱と判断することができる。そこで、時間判定回路は、二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に真正な拡散反射光であると判断して距離演算回路による距離の算出を許容し、パルス幅が所定の閾値未満の場合に外乱と判断して距離演算回路による距離の算出を禁止する。
　同第五の特徴構成は、上述した第二から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記第１信号処理系統および前記第２信号処理系統の双方から同時期に二値化信号が出力される場合に前記第１信号処理系統から出力される二値化信号を選択し、前記第２信号処理系統のみから二値化信号が出力される場合に前記第２信号処理系統から出力される二値化信号を選択して前記距離演算回路に出力する信号選択回路を備えている点にある。
　ゲインの小さな第１増幅器を備えた第１信号処理系統と、ゲインの大きな第２増幅器を備えた第２信号処理系統から其々二値化信号が出力される場合には、第２信号処理系統に備えた第２増幅器にゲイン圧縮が生じて波形なまりが発生している可能性がある。そのため信号選択回路が第１信号処理系統から出力される二値化信号を選択することで、より正確な距離が得られるようになる。また、第２信号処理系統のみから二値化信号が出力される場合には、第１信号処理系統では二値化できなかった微弱な電圧信号に対してゲインの高い第２増幅器で適正に増幅されて得られた二値化信号を選択することで、微弱な電圧信号でも適正に距離を算出することができるようになる。
　同第六の特徴構成は、上述した第二から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記第１信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて前記距離演算回路で算出した第１距離と、前記第２信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて前記距離演算回路で算出した第２距離と、の差分が所定の距離閾値未満の場合に前記第１距離を出力し、前記第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合に前記第２距離を出力する出力選択回路を備えている点にある。
　第１距離と第２距離との差分が所定の距離閾値未満の場合には、同一の物体からの拡散反射光である可能性が高いため、出力選択回路は適正に増幅された第１信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて得られた第１距離を出力し、第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合には、ゲインの小さな第１増幅器を備えた第１信号処理系統では正確な距離の算出が困難となると判断して、第１距離の算出の有無にかかわらず第２距離を出力することで、光電センサからの距離が短い範囲から長い範囲までの広範囲で精度の高い距離を出力できるようになる。
　同第七の特徴構成は、上述した第一の特徴構成に加えて、第１信号処理系統の出力信号および前記第２信号処理系統の出力信号の双方を外部に出力する出力インタフェース回路を備えている点にある。
　出力インタフェース回路を介して第１信号処理系統の出力信号および前記第２信号処理系統の出力信号の双方を外部に出力することで、光電センサの使用者が光電センサの使用状況に応じて、臨機応変に第１信号処理系統と第２信号処理系統の各特性を考慮した距離演算を行なうことができる。
　本発明による光測距装置の特徴構成は、上述した第二から第六の何れかの特徴構成を備えた光電センサと、前記投光部から出力される測定光を所定方向に偏向する光偏向部、および／または、前記投光部から出力される測定光を所定方向に偏向走査する光走査部を備えている点にある。
　上述した何れかの特徴構成を備えた光電センサの投光部から出力される測定光を偏向または走査する光偏向部および／または光走査部を備えることにより、特定の方向に存在する物体までの距離を求める光測距装置が実現できる。
　以上説明したように、本発明によれば、複数のトランスインピーダンスアンプを用いることなく広いダイナミックレンジで光を検出することができる安価な光電センサおよび光測距装置を提供することができるようになった。
図１は、光電センサを備えた光測距装置の構成説明図である。 図２は、光電センサに備えた信号処理回路の説明図である。 図３は、増幅器の出力信号の大きさと二値化信号の関係説明図である。 図４は、同一の入力信号に対する第１増幅器と第２増幅器の出力信号の説明図である。
　以下に本発明による光電センサおよび光測距装置の実施形態を説明する。
　図１には、光電センサ１を備えた光測距装置２００、および光電センサ１に組み込まれた信号処理回路１００が示されている。光測距装置２００は、透光窓を備えたケーシング（図中、破線で示す筒状体として例示されている。）Ｃに収容され、監視領域内の物体を検出する光電センサ１と、光電センサ１から出力される測定光を監視領域に向けて走査し、監視領域に存在する物体の表面から拡散反射された反射光を光電センサ１に導く光走査部１０と、を備えている。
　光電センサ１は、ケーシングＣに備えた透光窓を介して監視領域に向けて測定光を出力する投光部２と、投光レンズ１５と、投光レンズ１５で波形整形された測定光が監視領域に存在する物体に当たって拡散反射した反射光を集光する集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光された反射光を受光して電流信号に変換する受光部３と、受光部３で変換した電流信号を処理する信号処理回路１００を備えている。信号処理回路１００は、基板上にマウントされた複数の回路素子で構成され、実際にはケーシングＣの底部などに収容される。
　光走査部１０は投光部２から出力された測定光を監視領域に向けて偏向するとともに、物体からの反射光を受光部３に導く偏向ミラー１１と、偏向ミラー１１を回転軸Ｐ周りに回転駆動するモータ１３と、モータ１３の回転速度を検知するエンコーダ１４を備えている。エンコーダ１４は外周に所定間隔でスリットが形成され回転軸Ｐ周りに回転する円盤１４Ａと、円盤１４Ａに形成されたスリットを透過する光を検出する透過型のフォトインタラプタ１４Ｂで構成されている。
　偏向ミラー１１は回転軸Ｐに対して４５度傾斜する姿勢で固定され、回転軸Ｐの軸心上に受光部３、集光レンズ１２、投光部２、投光レンズ１５が其々配置されている。投光部２から出力された測定光は、投光レンズ１５を通過して平行光に波形整形された後に光ガイド１６に沿って伝播し、偏向ミラー１１で直角に偏向され、偏向ミラー１１の回転とともに偏向走査されて監視領域に出力される。
　物体からの反射光が光ガイド１６の周囲空間を伝播して偏向ミラー１１に入射し、回転軸Ｐの軸心方向に偏向された後に集光レンズ１２を通過して受光部３に入射する。投光部２として近赤外域のレーザー光を出力するレーザーダイオードが用いられ、受光部３としてアバランシェフォトダイオード（以下、「アバランシェフォトダイオード３」とも記す。）が用いられている。
　信号処理回路１００は、モータ駆動回路２０、投光部駆動回路３０、受光部駆動回路４０、受光信号処理回路５０、システム制御回路６０、入出力制御回路７０、メモリ８０などを備えている。
　システム制御回路６０はＦＰＧＡなどで構成され、モータ駆動回路２０、投光部駆動回路３０、受光部駆動回路４０、受光信号処理回路５０に対して制御するとともに測距演算を行ない、演算結果をメモリ８０に格納する回路ブロックである。
　入出力制御回路７０はメモリ８０に格納された演算結果を読み出して必要な処理を行ない、イーサネット（登録商標）を介して外部装置との間で処理結果などの信号を遣り取りする回路ブロックである。なお、外部装置との間の通信インタフェースはイーサネット（登録商標）に限るものではない。
　モータ駆動回路２０は、エンコーダ１４からのパルス信号をシステム制御回路６０に伝達し、システム制御回路６０からの制御信号に基づいてモータ１３を駆動する回路である。
　投光部駆動回路３０は、システム制御回路６０からの制御信号に基づいて投光部２を構成するレーザーダイオードをパルス駆動する回路であり、システム制御回路６０はエンコーダ１４からのパルス信号に基づいて偏向ミラー１１の回転位置を把握するとともにレーザーダイオードの駆動タイミングを把握して投光部駆動回路３０に制御信号を出力する。
　図２に示すように、受光部駆動回路４０は、受光部３を構成するアバランシェフォトダイオード３の駆動電圧を制御する回路で、受光部３の近傍温度を検知する温度センサＳｔｈと高圧発生回路を備え、システム制御回路６０からの制御信号に基づいて高圧発生回路の出力電圧を調整する。システム制御回路６０は温度センサの出力に基づいて受光部３の温度特性を補償するべく、高圧発生回路の出力電圧を所定電圧（本実施形態では約１５０Ｖ）近傍で可変制御する。
　図１，２に示すように、受光信号処理回路５０は、反射光がアバランシェフォトダイオード３で光電変換された電流信号を処理する回路で、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプＴＩＡを用いた前置増幅器５１と、前置増幅器５１の出力信号を第１増幅率Ａ１で増幅する第１増幅器５２と、第１増幅器５２の出力信号を第１閾値Ｖｔｈ１で二値化する第１二値化回路５３を備えた第１信号処理系統５０Ａと、前置増幅器５１の出力信号を第２増幅率Ａ２で増幅する第２増幅器５４と、第２増幅器５４の出力信号を第２閾値Ｖｔｈ２で二値化する第２二値化回路５５を備えた第２信号処理系統５０Ｂを備えている。
　アバランシェフォトダイオード３で光電変換された電流信号は抵抗分圧回路を介して分圧され、カップリングコンデンサを介して直流成分が除去された交流信号に変換された後に前置増幅器５１に入力される。
　第１増幅器５２はＯＰアンプを用いた反転増幅器ＡＭＰ１で構成され、第２増幅器５４はＯＰアンプを用いた反転増幅器ＡＭＰ２（５４Ａ）と差動増幅器ＡＭＰ３（５４Ｂ）で構成される。第２増幅器５４は単一の反転増幅器であってもよい。
　第１閾値Ｖｔｈ１と第２閾値Ｖｔｈ２は、以下の関係式を満たすように設定されている。
　１＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）
　つまり、Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２＜α×Ｖｔｈ１、１＜α＝Ａ２／Ａ１
　これにより、第１信号処理系統５０Ａで二値化出力が得られないような低レベルの入力信号であっても第２信号処理系統５０Ｂで二値化出力が得られるようになる。
　本実施形態では、前置増幅器５１の増幅率が８０ｄＢに設定され、第１増幅器５２の第１増幅率Ａ１が１６ｄＢ、第２増幅器５４の第２増幅率Ａ２が４１ｄＢに設定されている。第１増幅率Ａ１に対する第２増幅率Ａ２の真数表示での比の値α＝Ａ２／Ａ１は、対数表示の増幅率の差の値（２５ｄＢ（＝４１ｄＢ－１６ｄＢ））に等しい。したがって、増幅率の比の値αは約１７．８であり、１より大きい。
　また、第１閾値Ｖｔｈ１が０．１６Ｖ、第２閾値Ｖｔｈ２が０．４０Ｖに設定されている。第１閾値Ｖｔｈ１に対する第２閾値Ｖｔｈ２の真数表示での比の値は２．５であり、１より大きく、かつ、値αよりも小さく、上述の関係式が成立する。なお、第１閾値Ｖｔｈ１に対する第２閾値Ｖｔｈ２の対数表示での差の値は７．９６ｄＢであり、０ｄＢより大きく、かつ、第１増幅率Ａ１に対する第２増幅率Ａ２の対数表示の増幅率の差の値（２５ｄＢ）よりも小さい。
　つまり、第１信号処理系統５０Ａが低感度信号処理系、第２信号処理系統５０Ｂが高感度信号処理系となる。前置増幅器５１の出力信号が第１信号処理系統５０Ａと第２信号処理系統５０Ｂとにそれぞれ供給されるので、低感度な第１信号処理系統５０Ａで二値化出力が得られないような低レベルの入力信号であっても、高感度な第２信号処理系統５０Ｂで二値化出力が得られるようになる。
　システム制御回路６０には、上述したモータ駆動回路２０、投光部駆動回路３０、受光部駆動回路４０に対する制御に加えて、距離演算回路、距離補正回路、時間判定回路などを備え、入出力制御回路７０には出力選択回路などを備えている。距離演算回路、距離補正回路、時間判定回路は、光走査部１０の単位走査の度に作動して監視領域内の物体までの距離および走査角度を算出し、その結果をメモリ８０に格納する。
　第１信号処理系統５０Ａに備えた第１二値化回路５３、および第２信号処理系統５０Ｂに備えた第２二値化回路５５で二値化された信号がシステム制御回路６０の距離演算回路に入力されて、距離演算回路に備えた時間ディジタイザ回路(Time-to-Digital Converter）により、投光部２に対する駆動信号の出力時期と光電変換された反射光の二値化信号の立ち上がり時期との時間差が算出され、当該時間差と光速に基づいて物体までの距離が算出される。また、エンコーダ１４からのパルス信号に基づいて把握される各測定光の出力時の偏向ミラー１１の回転位置（走査角度）から測定光の走査角度が求まるので、物体までの距離と方位が定まる。
　つまり、距離演算回路は、投光部２から出力される測定光の出力時期と、第１信号処理系統５０Ａまたは第２信号処理系統５０Ｂから出力される二値化信号の立上り時期と、に基づいて光電センサから物体までの距離を算出するように構成されている。
　図３に示すように、増幅器５２，５４で増幅された反射光に相当する電圧信号は、グランドレベルから立上る立上り時期からその後にグランドレベルに立下る立下り時期までの時間ΔＴが同一であってもピーク値が異なると其々に立上りの傾きが異なり、同じ閾値Ｖｔｈで二値化した場合でも、ピーク値の低い電圧信号に対する二値化信号はピーク値の高い電圧信号に対する二値化信号よりも立上り時期が遅くパルス幅も短くなる（図３では、ピーク値の低い電圧信号に対する二値化信号のパルス幅をΔＴＬ、ピーク値の低い電圧信号に対する二値化信号のパルス幅をΔＴＨ、と表記している。）。
　従って、二値化信号の立ち上がり時期は二値化回路５３，５５へ入力される電圧信号の特性によって変動し、電圧信号のピーク値が高ければ急峻に立ち上がり、電圧信号のピーク値が低ければ緩やかに立ち上がる。そして、二値化信号の立上り時期から立下り時期までの時間であるパルス幅と、本来反射光が到達した時点ｔ０から二値化信号の立ち上がり時点までの時間差との間に所定の相関関係がある。そのため、任意の二値化信号のパルス幅（例えばΔＴＬ，ΔＴＨ）に基づいて本来反射光が到達した時点ｔ０から二値化信号の立ち上がり時点までの時間差（例えばｄｔ１，ｄｔ２）を推定することができる。
　そこで、上述の相関関係に基づいて任意の電圧信号に対する二値化信号のパルス幅から本来反射光が到達した時点ｔ０までの時間差ｄｔを求める補正テーブルを予め準備しておくことにより補正量（時間差ｄｔ）が求まる。なお、補正テーブルに代えて補正式を用いることも可能である。
　実際には、光測距装置２００に備えた投光部２、受光部３、回路素子の部品ばらつきや機械公差の影響を排除するために、ケーシングＣに収容され基準距離が既知の基準反射板からの反射光に対する電圧信号を基準電圧信号として検出し、投光部２に対する駆動信号の出力時期と基準電圧信号を二値化した立上り時期との時間差から求まる距離が基準距離となるように、当該基準電圧信号の立上り時点ｔ０に対する時間差ｄｔを補正する補正係数が求められ、当該補正係数で上述した補正テーブルの各補正量（時間差ｄｔ）が補正される。
　距離補正回路は、任意の二値化信号に対して補正テーブルから補正量（時間差ｄｔ）を求め、上述した補正係数で補正した補正量に基づいて補正距離を算出し、上述の距離演算回路で算出した距離を増減補正する。なお、距離補正回路は、第１信号処理系統５０Ａに対する補正テーブルと、第２信号処理系統５０Ｂに対する補正テーブルと、をそれぞれ別に備えてもよい。
　時間判定回路は、二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に距離演算回路による距離の算出を許容し、二値化信号のパルス幅が所定の閾値未満の場合に距離演算回路による距離の算出を禁止するように構成されている。
　受光部３で検出された光に対応して得られた二値化信号のパルス幅が測定光のパルス幅に比べて非常に短い場合には外乱と判断することができる。そこで、時間判定回路は、二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に真正な拡散反射光であると判断して距離演算回路による距離の算出を許容し、パルス幅が所定の閾値未満の場合に外乱と判断して距離演算回路による距離の算出を禁止する。所定の閾値として測定光のパルス幅の０．２倍～０．４倍の範囲の値を設定することが好ましいが、この値に限るものではない。少なくとも測定光のパルス幅より短い値に設定されていればよい。
　このようにして、第１信号処理系統５０Ａおよび第２信号処理系統５０Ｂを経て入力された各二値化信号に対して物体までの距離および方位が其々算出される。さらに、算出された各値がフィルタ処理されて、検出対象として適正な物体と判定された距離および方位がメモリ８０に格納される。
　フィルタ処理として、隣接する走査方向に沿って所定数以上連続して物体が検出され、且つ、各距離の差分が所定値以内であれば有効な物体であると判定し、それ以外であればノイズとして除去するようなサイズ判定フィルタなどを採用することができる。このような処理により雨滴や霧などの外乱を排除することができる。
　入出力制御回路７０に備えた出力選択回路は、単位走査周期ごとにメモリ８０に書き込まれた距離および方位を読み出して、第１信号処理系統５０Ａに対応する第１距離と第２信号処理系統５０Ｂに対応する第２距離との差分を算出し、差分が所定の距離閾値未満の場合、つまり同一物体と判断できる場合に第１距離を外部機器に出力する。
　第１距離と第２距離との差分が所定の距離閾値未満の場合には、同一の物体からの拡散反射光である可能性が高いため、出力選択回路は適正に増幅された第１信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて得られた第１距離を出力し、第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合には、ゲインの小さな第１増幅器を備えた第１信号処理系統では正確な距離の算出が困難となると判断して、第１距離の算出の有無にかかわらず第２距離を出力することで、光電センサからの距離が短い範囲から長い範囲までの広範囲で精度の高い距離を出力できるようになる。
　また、出力選択回路は、第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合に第２距離を出力するように構成されている。低感度な第１信号処理系統５０Ａでは検出できなかった遠方の物体であっても、高感度な第２信号処理系統５０Ｂでは検出できるためである。
　さらに、出力選択回路は、検出された物体までの距離が予め設定された近距離閾値未満となる場合に出力しない近距離除去機能を備えている。これにより、ケーシングＣの汚れに起因した反射光を有効な物体として出力するようなことが回避される。近距離閾値は、低感度な第１信号処理系統５０Ａと高感度な第２信号処理系統５０Ｂで、各々個別の値に設定してもよい。
　図４には、ある走査角度で出力した測定光に対応して第１信号処理系統５０Ａに備えた第１増幅器５２の出力信号と第２信号処理系統５０Ｂに備えた第２増幅器５４の出力信号が示されている。ケーシングＣの汚れに起因した反射光に対する近距離信号、第１エコー信号、第２エコー信号、第３エコー信号が示されている。
　このような場合に、上述した出力選択回路により、近距離閾値未満となる汚れに対応する信号は排除され、ほぼ同距離にある第１エコーや第２エコーは第１信号処理系統５０Ａに備えた第１増幅器５２の出力信号を二値化した信号に基づいて距離が求められ、遠距離閾値以上となる第３エコーは第２信号処理系統５０Ｂに備えた第２増幅器５４の出力信号を二値化した信号に基づいて距離が求められる。なお、図４に示すように、第２増幅器５４により増幅された第１エコーや第２エコーの信号波形は過飽和しているため、正確な距離を算出することが困難となる。
　なお、上述したフィルタ処理により第１エコーが無効な物体、例えば雨や霧に対応する信号であると判断する場合には第１エコーは無効な信号と判断して出力を回避するように構成される。その他衝突防止のため、近距離の第１エコーの距離を優先して処理するシステムや、細い物体の背後にある物体の検知のため第２エコーを利用するシステムなど、目的に応じて適宜各種フィルタ処理と組み合わせてエコーを選択・利用するシステムが可能である。
　以下、別実施形態を示す。
　上述した実施形態で説明した出力選択回路の機能をシステム制御回路６０に備えてもよい。具体的に、第１信号処理系統５０Ａおよび第２信号処理系統５０Ｂの双方から同時期に二値化信号が出力される場合に第１信号処理系統５０Ａから出力される二値化信号を選択し、第２信号処理系統５０Ｂのみから二値化信号が出力される場合に第２信号処理系統５０Ｂから出力される二値化信号を選択して距離演算回路に出力するように構成すればよい。双方から同時期に二値化信号が出力される場合とは、二値化信号の立ち上がりエッジの時間差が所定の許容範囲に入る場合をいう。
　上述した実施形態では、光電センサ１に備えた投光部２から出力される測定光を所定方向に偏向走査する光走査部１０を備えた光測距装置２００について説明したが、投光部から出力される測定光を所定の一方向に偏向する光偏向部を備えた光測距装置を構成することも可能である。
　上述した実施形態では、光測距装置２００に組み込まれた光電センサ１を説明したが、単独の光電センサ１であってもよい。
　光電センサ１に備えた第１信号処理系統５０Ａの出力信号および第２信号処理系統５０Ｂの出力信号の双方を測定光の出力時期を示す信号と共にそのまま外部に出力する出力インタフェース回路を備えてもよい。光電センサ１の使用者が光電センサの使用状況に応じて、臨機応変に第１信号処理系統と第２信号処理系統の各特性を考慮した距離演算を行なうことができる。
　上述した実施形態の受光信号処理回路５０は、反射光がアバランシェフォトダイオード３で光電変換された電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプＴＩＡを用いた前置増幅器５１を備え、前置増幅器５１の出力信号が第１信号処理系統５０Ａと第２信号処理系統５０Ｂとにそれぞれ供給されるが、前置増幅器５１の出力信号を第ｎ増幅率Ａｎで増幅する第ｎ増幅器と、第ｎ増幅器の出力信号を第ｎ閾値Ｖｔｈｎで二値化する第ｎ二値化回路を備えた第ｎ信号処理系統５０ｎをさらに備えていてもよい（ｎ：３以上の整数）。
　第（ｎ－１）信号処理系統と、第ｎ信号処理系統とは、第（ｎ－１）閾値Ｖｔｈ（ｎ－１）と第ｎ閾値Ｖｔｈｎ、並びに第（ｎ－１）増幅率Ａ（ｎ－１）と第ｎ増幅率Ａｎとが以下の関係式を満たすように設定されていればよい。
　１＜（Ｖｔｈｎ／Ｖｔｈ（ｎ－１））＜α＝（Ａｎ／Ａ（ｎ－１））
　これにより、第（ｎ－１）信号処理系統で二値化出力が得られないような低レベルの入力信号であっても第ｎ信号処理系統で二値化出力が得られる。
　また、第ｎ信号処理系統５０ｎは、低感度の第１信号処理系統５０Ａと、高感度の第２信号処理系統５０Ｂとの間の中間感度の処理系統として設けられてもよい。少なくとも、第１信号処理系統５０Ａと第２信号処理系統５０Ｂとが関係式　１＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）を満たしていればよく、前置増幅器５１の出力信号を第ｎ増幅率Ａｎで増幅する第ｎ増幅器と、第ｎ増幅器の出力信号を第ｎ閾値Ｖｔｈｎで二値化する第ｎ二値化回路と、を備えていればよい。
　上述の実施形態は何れも本発明の一実施例に過ぎず、当該記載により本発明の範囲が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更することができることはいうまでもない。
　本発明は、複数のトランスインピーダンスアンプを用いることなく広いダイナミックレンジで光を検出することができる安価な光電センサおよび光測距装置を実現できる。
１：光電センサ
２：投光部
３：受光部
１０：光走査部
１１：偏向ミラー
１２：集光レンズ
２０：モータ駆動回路
３０：投光部駆動回路
４０：受光部駆動回路
５０：受光信号処理回路
５０Ａ：第１信号処理系統
５０Ｂ：第２信号処理系統
５１：前置増幅器
５２：第１増幅器
５３：第１二値化回路
５４：第２増幅器
５５：第２二値化回路
６０：システム制御回路
７０：入出力制御回路
８０：メモリ
１００：信号処理回路
 

Claims (8)

  1. 　監視領域内の物体を検出する光電センサであって、
    　監視領域に向けて測定光を出力する投光部と、
    　測定光が物体に当たって拡散反射した反射光を電流信号に変換する受光部と、
    　前記受光部で変換した前記電流信号を電圧信号に変換する前置増幅器と、
    　前記前置増幅器の出力信号を第１増幅率Ａ１で増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器の出力信号を第１閾値Ｖｔｈ１で二値化する第１二値化回路を備えた第１信号処理系統と、
    　前記前置増幅器の出力信号を第２増幅率Ａ２で増幅する第２増幅器と、前記第２増幅器の出力信号を第２閾値Ｖｔｈ２で二値化する第２二値化回路を備えた第２信号処理系統と、
    を備え、
    　前記第１閾値Ｖｔｈ１と前記第２閾値Ｖｔｈ２、および、前記第１増幅率Ａ１と前記第２増幅率Ａ２とが、以下の関係式
    　１＜（Ｖｔｈ２／Ｖｔｈ１）＜α＝（Ａ２／Ａ１）
    を満たすように設定されている光電センサ。
  2. 　前記投光部から出力される測定光の出力時期と、前記第１信号処理系統または前記第２信号処理系統から出力される二値化信号の立上り時期と、に基づいて前記光電センサから物体までの距離を算出する距離演算回路を備えている請求項１記載の光電センサ。
  3. 　前記二値化信号のパルス幅に基づいて前記距離演算回路で算出した距離を補正する距離補正回路を備えている請求項１または２記載の光電センサ。
  4. 　前記二値化信号のパルス幅が所定の閾値以上の場合に前記距離演算回路による距離の算出を許容し、前記パルス幅が所定の閾値未満の場合に前記距離演算回路による距離の算出を禁止する時間判定回路を備えている請求項２または３記載の光電センサ。
  5. 　前記第１信号処理系統および前記第２信号処理系統の双方から同時期に二値化信号が出力される場合に前記第１信号処理系統から出力される二値化信号を選択し、前記第２信号処理系統のみから二値化信号が出力される場合に前記第２信号処理系統から出力される二値化信号を選択して前記距離演算回路に出力する信号選択回路を備えている請求項２から４の何れかに記載の光電センサ。
  6. 　前記第１信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて前記距離演算回路で算出した第１距離と、前記第２信号処理系統から出力される二値化信号に基づいて前記距離演算回路で算出した第２距離と、の差分が所定の距離閾値未満の場合に前記第１距離を出力し、前記第２距離が所定の遠隔距離閾値以上の場合に前記第２距離を出力する出力選択回路を備えている請求項２から４の何れかに記載の光電センサ。
  7. 　第１信号処理系統の出力信号および前記第２信号処理系統の出力信号の双方を外部に出力する出力インタフェース回路を備えている請求項１記載の光電センサ。
  8. 　請求項２から６の何れかに記載の光電センサと、
    　前記投光部から出力される測定光を所定方向に偏向する光偏向部、および／または、前記投光部から出力される測定光を所定方向に偏向走査する光走査部を備えている光測距装置。
     
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