JP2012026921A - 光学式測距装置およびそれを搭載した機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子１１からの投光方向に複数の対象物１５，１６が存在する場合であっても、個々の対象物１５，１６までの距離を測定できる光学式測距装置を提供すること。
【解決手段】発光素子１１、投光用集光部１３、受光用集光部１４、受光素子１２を備える。受光素子１２は、受光用集光部１４によって集光された光スポットＬｓ１，Ｌｓ２を受ける受光面１２ａを有する。受光面１２ａには複数の受光要素が一次元または二次元に並べて配列されている。受光面１２ａ内に光スポットＬｓ１，Ｌｓ２が入射したとき、複数の受光要素がそれぞれ出力する信号に基づいて、各光スポットＬｓ１，Ｌｓ２毎にその光スポットの受光面１２ａ内での位置ｘ１，ｘ２を求める。各光スポットの受光面内での位置ｘ１，ｘ２に応じて、発光素子１１から各光スポットに対応する対象物１５，１６までの距離をそれぞれ三角測距方式で算出する。
【選択図】図１

Description

この発明は光学式測距装置に関し、より詳しくは、発光素子と、上記発光素子から離間して配置され受光素子とを備えて、上記発光素子から対象物へ光を投射し、上記対象物からの反射光を上記受光素子で受光することにより、上記発光素子から上記対象物までの距離を三角測距方式で検知する光学式測距装置に関する。なお、「対象物」とは、上記発光素子からの距離が測定されるべき物体を意味する（以下同様）。

また、この発明は、そのような光学式測距装置を搭載した機器に関する。

従来、例えば図６に示すように、光学式測距装置１００としては、対象物までの距離を三角測距方式で検知するものが知られている（例えば特許文献１（特公平０２−１９４０３号公報）、特許文献２（実公平０７−３４３３４号公報）参照。）。この光学式測距装置１００は、発光ダイオードなどの光源である発光素子１０１と、投光用集光部１０３と、受光用集光部１０４と、受光素子１０２とを備えている。

この光学式測距装置１００において、発光素子１０１から出射された光Ｌは、投光用集光部１０３によって集光されて、対象物１０５に照射される。対象物１０５で反射された一部の光Ｌ′は、受光用集光部１０４を通して絞られ、光スポットＬｓとして受光素子１０２の受光面１０２ａに入射する。

上記受光素子１０２は、ＰＳＤ(Position Sensitive Device：位置検出素子)であり、その受光面１０２ａには、入射する光量に応じた電圧を発生する材料が一様に塗布されている。受光面１０２ａに光スポットが入射すると、光スポットが入射した部分に光量に応じた電圧が発生する。受光面内でその部分から離れた点の電位は、塗布された材料の抵抗により低下する。したがって、受光素子１０２の両端に発生する電圧の比に基づいて、上記光スポットＬｓの受光面１０２ａ内での位置ｘを求めることができる。

発光素子１０１から対象物１０５までの距離ｄが変化すると、その変化に応じて、上記光スポットＬｓが入射する受光面１０２ａ内での位置ｘは変化する。したがって、上記光スポットＬｓが入射する受光面１０２ａ内での位置ｘを求めることで、その位置ｘに応じて、発光素子１０１から対象物１０５までの距離ｄを求めることができる（三角測距方式）。

特公平０２−１９４０３号公報 実公平０７−３４３３４号公報

ところで、光学式測距装置１００から見て、略同じ方向に複数の対象物が存在する場合がある。例えば、光学式測距装置１００から見て、まず半透明の第１の対象物が存在し、その後方に不透明の第２の対象物が存在する場合などである。

このような場合、従来の光学式測距装置１００では、受光素子１０２は第１の対象物からの反射光と第２の対象物からの反射光とを合成して検知してしまうため、個々の対象物についての出力が得られない。つまり、従来の光学式測距装置１００は、発光素子からの投光方向に複数の対象物が存在する場合、個々の対象物までの距離を測定できないという問題がある。

そこで、この発明の課題は、発光素子からの投光方向に複数の対象物が存在する場合であっても、個々の対象物までの距離を測定できる光学式測距装置を提供することにある。

また、この発明の課題は、そのような光学式測距装置を搭載した機器を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光学式測距装置は、
光を出射する発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して対象物に照射する投光用集光部と、
上記対象物からの反射光を集光して光スポットにする受光用集光部と、
上記発光素子から離間して配置され、上記受光用集光部によって集光された上記光スポットを受ける受光面を有する受光素子とを備え、この受光素子の上記受光面には複数の受光要素が一次元または二次元に並べて配列され、上記複数の受光要素はそれぞれその受光要素に入射する光強度に応じた信号を出力するようになっており、
上記受光面内に光スポットが入射したとき、上記複数の受光要素がそれぞれ出力する信号に基づいて、各光スポット毎にその光スポットの上記受光面内での位置を求める光スポット位置算出部と、
上記光スポット位置算出部が求めた上記各光スポットの上記受光面内での位置に応じて、上記発光素子から上記各光スポットに対応する対象物までの距離をそれぞれ三角測距方式で算出する距離算出部を備えたことを特徴とする。

この発明の光学式測距装置では、発光素子から出射された光は、投光用集光部によって集光されて、対象物に照射される。対象物からの反射光は、受光用集光部を通して絞られ、光スポットとして受光素子の受光面に入射する。この受光素子の上記受光面には複数の受光要素が一次元または二次元に並べて配列され、上記複数の受光要素はそれぞれその受光要素に入射する光強度に応じた信号を出力する。したがって、上記受光素子の複数の受光要素の出力は、全体として、上記受光面内の光強度分布を表すものとなる。光スポット位置算出部は、上記受光面内に光スポットが入射したとき、各光スポット毎にその光スポットの上記受光面内での位置を求める。距離算出部は、上記光スポット位置算出部が求めた上記各光スポットの上記受光面内での位置に応じて、上記発光素子から上記各光スポットに対応する対象物までの距離をそれぞれ三角測距方式で算出する。したがって、この発明の光学式測距装置では、上記発光素子からの投光方向に複数の対象物が存在する場合であっても、個々の対象物までの距離を測定できる。

なお、上記光スポット位置算出部と上記距離算出部を、ＣＰＵ（中央演算処理装置）を含むハードウエアとそのハードウエアを動作させるソフトウエア（コンピュータプログラム）とによって構成すれば、個々の対象物までの距離を並行して、実質的に同時に求めることができる。

一実施形態の光学式測距装置では、上記光スポット位置算出部は、上記各光スポットの光強度分布の重心をその光スポットの上記受光面内での位置として求めることを特徴とする。

この一実施形態の光学式測距装置では、上記光スポット位置算出部は、上記各光スポットの光強度分布の重心をその光スポットの上記受光面内での位置として求める。したがって、上記各光スポットの上記受光面内での位置を精度良く求めることができる。

一実施形態の光学式測距装置では、上記光スポット位置算出部は、上記受光面内に入射する上記光スポットの光強度分布のピークの数に応じて、上記対象物の数を求めることを特徴とする。

この一実施形態の光学式測距装置では、上記光スポット位置算出部は、上記受光面内に入射する上記光スポットの光強度分布のピークの数に応じて、上記対象物の数を求める。したがって、距離を測定すべき対象物の数を正確に求めることができる。この求めた対象物の数に応じて、上記受光面内で幾つの光スポットの位置を求めるかを決定することができる。

一実施形態の光学式測距装置では、上記各光スポットに対応する対象物毎に、上記距離算出部が求めた上記距離を表示画面上に並べて表示する表示部を備えたことを特徴とする。

この一実施形態の光学式測距装置では、表示部は、上記各光スポットに対応する対象物毎に、上記距離算出部が求めた上記距離を表示画面上に並べて表示する。したがって、ユーザは、上記発光素子から対象物までの距離を、対象物毎に、ひと目で認識できる。

この発明の機器は、上記光学式測距装置を備えたことを特徴とする。

この発明の機器では、上記光学式測距装置の動作によって、上記発光素子からの投光方向に複数の対象物が存在する場合であっても、個々の対象物までの距離を測定できる。

以上より明らかなように、この発明の光学式測距装置およびそれを搭載した機器では、上記発光素子からの投光方向に複数の対象物が存在する場合であっても、個々の対象物までの距離を測定できる。

この発明の一実施形態の光学式測距装置が有する光学系の構成を示す図である。 発光素子からの投光方向に二つの対象物が存在する場合に、ＣＭＯＳイメージャが出力する受光面内の光強度分布を示す図である。 発光素子からの投光方向に一つの対象物が存在する場合に、ＣＭＯＳイメージャが出力する受光面内の光強度分布を示す図である。 上記光学式測距装置が有する信号処理回路のブロック構成を示す図である。 液晶表示素子に表示される表示内容を例示する図である。 上記光学式測距装置を内蔵した機器としてのパーソナルコンピュータを示す図である。 従来の光学式測距装置の構成および動作状態を示す図である。を示す図である。

図１は、この発明の一実施形態の光学式測距装置が有する光学系の構成を示している。

この光学式測距装置１０は、発光素子１１と、投光用集光部１３と、受光用集光部１４と、受光素子１２とを備えている。

発光素子１１は、透光性樹脂（図示せず）により樹脂封止された発光ダイオードまたは面発光レーザなどからなる光源である。発光素子１１は、光出射面１１ａから或る方向、この例では対象物１５，１６が存在する方向へ光を出射する。

投光用集光部１３は、正の屈折力を有するレンズを含み、発光素子１１から出射された光Ｌを集光して対象物１５，１６に照射する。

受光用集光部１４は、正の屈折力を有するレンズを含み、対象物１５，１６からの反射光Ｌ１，Ｌ２を集光して光スポットＬｓ１，Ｌｓ２にする。

受光素子１２は、発光素子１１とは別体として樹脂封止されたＣＭＯＳイメージャであり、発光素子１１から水平方向に離間して配置されている。この受光素子１２は、受光用集光部１４によって集光された光スポットＬｓ１，Ｌｓ２を受ける受光面１２ａを有している。三角測距を行うために、発光素子１１の光出射面１１ａと受光素子１２の受光面１２ａとは、略同一の平面内で、略同一の高さレベルに位置している。

上記受光素子１２の受光面１２ａには、受光要素として、複数のフォトダイオード１２−１，１２−２，…，１２−ｎが一次元（この例ではｘ方向）に並べて配列されている。フォトダイオードの個数ｎは、例えばｎ＝２０００〜１００００の範囲内の数とする。複数のフォトダイオード１２−１，１２−２，…，１２−ｎは、それぞれそのフォトダイオードに入射する光強度に応じた信号を出力する。したがって、受光素子１２の複数のフォトダイオード１２−１，１２−２，…，１２−ｎの出力は、全体として、受光面１２ａ内の光強度分布を表すものとなる（後述の図２Ａ、図２Ｂ参照。）。

なお、このような受光素子１２としては、市販されている「ラインセンサ」を使用することができる。

図３は、上記光学式測距装置１０が有する信号処理回路２０のブロック構成を示している。この信号処理回路２０は、光スポット位置算出部２１と、距離算出部２２と、表示処理部２３とを備えている。

光スポット位置算出部２１は、上記受光素子（ＣＭＯＳ（コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ）イメージャ）１２の複数のフォトダイオード１２−１，１２−２，…，１２−ｎがそれぞれ出力する信号に基づいて、受光面１２ａ内に入射する光スポットの受光面１２ａ内での位置を求める。

特に、この光スポット位置算出部２１は、まず、受光面１２ａ内に入射する光スポットの光強度分布のピークの数に応じて、対象物の数を求める。これにより、対象物の数を求めることができる。また、この求めた対象物の数に応じて、受光面１２ａ内で幾つの光スポットの位置を求めるかを決定することができる。次に、光スポット位置算出部２１は、各光スポット毎に（つまり各対象物毎に）、その光スポットの受光面１２ａ内での位置ｘを求める。ここで、光スポットの受光面１２ａ内での位置ｘは、各光スポットの光強度分布の重心を算出することによって、精度良く求めることができる。

距離算出部２２は、光スポット位置算出部２１が求めた各光スポットの受光面１２ａ内での位置に応じて、発光素子１１から各光スポットに対応する対象物までの距離をそれぞれ三角測距方式で算出する。

表示処理部２３は、各光スポットに対応する対象物毎に、距離算出部２２が求めた距離を、この例では液晶表示素子（ＬＣＤ）１９の表示画面上に並べて表示するように２次元画像を作成する画像処理を行う。この例では、表示処理部２３とＬＣＤ１９とによって、表示部が構成されている。

この例では、信号処理回路２０（光スポット位置算出部２１と距離算出部２２と表示処理部２３）は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）を含むハードウエアとそのハードウエアを動作させるソフトウエア（コンピュータプログラム）とによって構成されている。

この光学式測距装置１０は、全体として、次のように動作する。

（１） まず、図１において、発光素子１１からの投光方向に対象物１５が存在せず、一つの対象物１６のみが存在する場合の動作について説明する。

この場合、発光素子１１から出射された光Ｌは、投光用集光部１３によって集光されて、対象物１６に照射される。対象物１６で反射された一部の光Ｌ２は、受光用集光部１４を通して絞られ、光スポットＬｓ２として受光素子１２の受光面１２ａに入射する。

このとき、受光素子１２の複数のフォトダイオード１２−１，１２−２，…，１２−ｎの出力が表す受光面１２ａ内の光強度分布は、図２Ｂに示すように、一つのピークＩｓ２を示すものとなる。

ここで、図３中の光スポット位置算出部２１は、まず、受光面１２ａ内に入射する光スポットの光強度分布のピークＩｓ２の数が一つであることに応じて、対象物の数が一つ（この例では図１中に示す対象物１６）であると決定する。次に、光スポット位置算出部２１は、光スポットＬｓ２の受光面１２ａ内での位置ｘ２を求める。

次に、距離算出部２２は、その位置ｘ２に応じて、図１中に示す発光素子１１から対象物１６までの距離ｄ２を三角測距方式で算出する。

距離算出部２２が求めた対象物１６までの距離ｄ２は、表示処理部２３によってＬＣＤ１９の表示画面に表示される。

（２） 次に、図１において、発光素子１１からの投光方向に半透明の第１の対象物１５と不透明の第２の対象物１６とが存在する場合、つまり二つの対象物が存在する場合の動作について説明する。

この場合、発光素子１１から出射された光Ｌは、投光用集光部１３によって集光されて、まず対象物１５に照射され、一部の光Ｌ１が反射される。光Ｌの残りの部分は、対象物１５透過して、対象物１６に照射されて反射される。対象物１５，１６でそれぞれ反射された光Ｌ１，Ｌ２は、受光用集光部１４を通して絞られ、光スポットＬｓ１，Ｌｓ２として受光素子１２の受光面１２ａに入射する。

このとき、受光素子１２の複数のフォトダイオード１２−１，１２−２，…，１２−ｎの出力が表す受光面１２ａ内の光強度分布は、図２Ａに示すように、二つのピークＩｓ１，Ｉｓ２を示すものとなる。

ここで、図３中の光スポット位置算出部２１は、まず、受光面１２ａ内に入射する光スポットの光強度分布のピークＩｓ１，Ｉｓ２の数が二つであることに応じて、対象物の数が二つ（この例では図１中に示す対象物１５，１６）であると決定する。次に、光スポット位置算出部２１は、各光スポットＬｓ１，Ｌｓ２毎に、その光スポットの受光面１２ａ内での位置を求める。この例では、光スポットＬｓ１の受光面１２ａ内での位置ｘ１と、光スポットの受光面１２ａ内での位置ｘ２とを求める。

次に、距離算出部２２は、各光スポットの受光面１２ａ内での位置ｘ１，ｘ２に応じて、図１中に示す発光素子１１から対象物１５，１６までの距離ｄ１，ｄ２を三角測距方式で算出する。

距離算出部２２が求めた対象物１５，１６までの距離ｄ１，ｄ２は、例えば図４に示すように、表示処理部２３によってＬＣＤ１９の表示画面に並べて表示される。図４の例では、画面の左半分に対象物１５，１６を特定する識別番号（「１」、「２」）が、画面の上から下へ向かって表示されている。画面の左半分の表示に対応して、画面の右半分に、対象物１５，１６までの距離ｄ１，ｄ２（この例では「１．０ｍ」「１．５ｍ」）が、画面の上から下へ向かって表示されている。したがって、ユーザは、発光素子１１から対象物１５，１６までの距離ｄ１，ｄ２を、対象物１５，１６毎に、ひと目で認識できる。

このように、この光学式測距装置１０では、発光素子１１からの投光方向に複数の対象物１５，１６が存在する場合であっても、個々の対象物１５，１６までの距離を測定できる。

また、この例では、光スポット位置算出部２１と距離算出部２２と表示処理部２３を、ＣＰＵ（中央演算処理装置）を含むハードウエアとそのハードウエアを動作させるソフトウエア（コンピュータプログラム）とによって構成しているので、個々の対象物１５，１６までの距離を並行して、実質的に同時に求めることができる。

図５は、上記光学式測距装置１０を、機器の一例としてのパーソナルコンピュータ４０に内蔵した例を示している。

この例では、パーソナルコンピュータ４０は、コンピュータ本体４１と、ディスプレイ部４２と、キーボード４３と、マウス４４とを備えている。光学式測距装置１０の発光素子１１と受光素子１２は、ディスプレイ部４２の上縁部４２ａに組み込まれている。光学式測距装置１０の信号処理回路２０（光スポット位置算出部２１と距離算出部２２と表示処理部２３）は、コンピュータ本体４１内のＣＰＵ（中央演算処理装置）を含むハードウエアとそのハードウエアを動作させるソフトウエア（コンピュータプログラム）とによって構成されている。光学式測距装置１０のＬＣＤ１９は、ディスプレイ部４２の表示画面に相当する。

このように、上記光学式測距装置１０は、パーソナルコンピュータ４０に組み込んでコンパクトに内蔵することができる。このパーソナルコンピュータ４０では、上記光学式測距装置１０の動作によって、発光素子１１からの投光方向に複数の対象物が存在する場合であっても、個々の対象物までの距離を測定できる。しかも、個々の対象物までの距離を並行して、実質的に同時に求めることができる。

この実施形態では、上記光学式測距装置１０が一つの対象物１６、二つの対象物１５，１６が存在する場合について述べたが、これに限られるものではない。上記光学式測距装置１０は、発光素子１１の投光方向に三つ以上の複数の対象物が存在する場合であっても、上述の動作の仕方と同様の動作によって、個々の対象物までの距離を測定できる。

また、発光素子１１の投光方向に二つの対象物１５，１６が存在する場合において、第１の対象物１５は半透明であるものとしたが、これに限られるものではない。例えば、第１の対象物１５が不透明であり、投光用集光部１３の照射範囲に第１の対象物１５のエッジが存在し、そのエッジ越しに第２の対象物１６が存在する場合にも、本発明は適用可能である。

また、上記受光素子１２では、複数のフォトダイオード１２−１，１２−２，…，１２−ｎが一次元（この例ではｘ方向）に並べて配列されているものとしたが、これに限られるものではない、受光素子１２の受光面１２ａ内に複数のフォトダイオードが二次元に並べて配列されているものとしても良い。このような受光素子１２としては、市販されている「エリアセンサ」を使用することができる。そのようにした場合、発光素子と対象物との間の水平方向の位置の差および高さ方向の位置の差を加味して、発光素子から個々の対象物までの距離をより精度良く測定することができる。

この例では、受光素子１２は、ＣＭＯＳイメージャであるものとしたが、それに代えてＣＣＤ（チャージ・カップルド・デバイス）イメージャを用いることもできる。

１０ 光学式測距装置
１１ 発光素子
１２ 受光素子
１３ 投光用集光部
１４ 受光用集光部
１５ 第１の対象物
１６ 第２の対象物
２０ 信号処理回路
Ｌｓ１ 第１の光スポット
Ｌｓ２ 第２の光スポット

Claims (5)

1. 光を出射する発光素子と、
   上記発光素子から出射された光を集光して対象物に照射する投光用集光部と、
   上記対象物からの反射光を集光して光スポットにする受光用集光部と、
   上記発光素子から離間して配置され、上記受光用集光部によって集光された上記光スポットを受ける受光面を有する受光素子とを備え、この受光素子の上記受光面には複数の受光要素が一次元または二次元に並べて配列され、上記複数の受光要素はそれぞれその受光要素に入射する光強度に応じた信号を出力するようになっており、
   上記受光面内に光スポットが入射したとき、上記複数の受光要素がそれぞれ出力する信号に基づいて、各光スポット毎にその光スポットの上記受光面内での位置を求める光スポット位置算出部と、
   上記光スポット位置算出部が求めた上記各光スポットの上記受光面内での位置に応じて、上記発光素子から上記各光スポットに対応する対象物までの距離をそれぞれ三角測距方式で算出する距離算出部を備えたことを特徴とする光学式測距装置。
2. 請求項１に記載の光学式測距装置において、
   上記光スポット位置算出部は、上記各光スポットの光強度分布の重心をその光スポットの上記受光面内での位置として求めることを特徴とする光学式測距装置。
3. 請求項１または２に記載の光学式測距装置において、
   上記光スポット位置算出部は、上記受光面内に入射する上記光スポットの光強度分布のピークの数に応じて、上記対象物の数を求めることを特徴とする光学式測距装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の光学式測距装置において、
   上記各光スポットに対応する対象物毎に、上記距離算出部が求めた上記距離を表示画面上に並べて表示する表示部を備えたことを特徴とする光学式測距装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一つに記載の光学式測距装置を備えたことを特徴とする機器。

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