JPH11304470A

JPH11304470A - 距離検出器

Info

Publication number: JPH11304470A
Application number: JP10632398A
Authority: JP
Inventors: Chiyoharu Horiguchi; 千代春堀口; Tetsuo Amano; 哲夫天野; Yuji Nakajima; 裕司中嶋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】閉ループ制御を行うことなく信号飽和を回避
できる安価でかつ高速応答性、高精度の反射型光電セン
サ型距離検出器を提供する。【解決手段】被測定物３に時分割的にパルス光を照射
するＬＥＤアレイ２と、これと所定距離離れて配置さ
れ、被測定物３からの反射光を受光して、電気信号
Ｉ_A、Ｉ_Bを出力する半導体位置検出器１と、それぞれの
電気信号から外乱光成分を除去する信号抜取回路１８、
１９と、信号光成分を所定時間積分する積分回路１３、
１４と、この出力に所定の演算を行う回路１５ａ〜１５
ｃと、加算結果を基準値と比較するコンパレータ２１
と、ＬＥＤアレイ２の駆動信号を生成するＬＥＤドライ
ブパルス発生器２２と、ＡＮＤ回路２３とを備えてお
り、加算結果が所定の基準値に達した時点でＬＥＤアレ
イ２を消灯して処理回路系への信号入力を停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は反射型の光電センサ
を用いた非接触型の距離検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】反射型の光電センサは、自動水栓等の衛
生機器や自動焦点式カメラ、人体の３次元形状を測定す
るＢＬ（Body Line）スキャナなどにおける距離検出器
（測距センサ）として広く用いられている。

【０００３】こうした反射型光電センサの原理を図６に
示す。この反射型光電センサ５は半導体位置検出器（Po
sition Sensitive Photo Detector；ＰＳＤ）１を受光
素子として用い、発光素子２から被測定物３に投射した
光が被測定物表面で反射されてＰＳＤ１の受光面上に入
射した際の受光位置を検出することにより、三角測量方
式で被測定物までの距離Ｌを検出するものである。ここ
で、ＰＳＤ１は、受光面の両端にそれぞれ電極を有して
おり、これらの電極と受光位置との距離に応じた電気信
号を出力するものである。

【０００４】こうしたＰＳＤ１では、ＰＳＤ１への入射
光の光量に応じて電気信号の出力値が変化する。したが
って、入射光量が多くなると、距離Ｌを算出する演算回
路への入力信号が大きくなり、飽和してしまうおそれが
ある。逆にある程度入射光量が多い場合でも飽和しない
ように演算回路を設計した場合は、入射光量が小さい場
合には、入力信号が小さすぎて、演算精度が劣化してし
まう。

【０００５】こうした演算回路での信号飽和を防止する
技術として、特開平７−１６７６４８号に開示された技
術がある。この装置の回路ブロック図を図７に示す。

【０００６】この反射型光電センサの基本原理は、図６
に示すものと同じである。この装置では、ＰＳＤ１の電
流出力信号Ｉ１、Ｉ２をそれぞれ電流／電圧変換回路１
１、１２により電圧信号Ｖ１、Ｖ２に変換したうえ、そ
れぞれの信号を積分回路１３、１４により所定の期間積
分した後、マイクロコンピューター１５で所定の演算を
施すことにより被測定物までの距離を求める。このと
き、Ｖ２の値を予め設定された所定の値と比較して、こ
れを越えた場合には、発光素子２の出力光量を減少させ
る投光レベル低減回路１６を備えていることを特徴とし
ている。

【０００７】このように構成することにより、入射光量
が多い場合には、自動的に投光量を減らしてその後の光
入射を減らすフィードバック制御を行うので、演算回路
において信号が飽和することがなく、ＰＳＤへの入射光
量に関らず、正確な距離測定を行うことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このようなフィードバ
ック制御を行うには、測定時間に比較して極めて短時間
で制御を行う必要がある。ＢＬスキャナ等の測距センサ
としてＰＳＤを用いる場合には、大量の測距データを短
時間で採取するため、測定ポイント１点あたり１０マイ
クロ秒程度で距離測定を行う必要があるが、この時間内
で上記のフィードバック制御を行うには、検出系の応答
速度を数十〜数百ナノ秒程度に設定する必要がある。し
かし、こうしたフィードバック制御系を含む回路では、
閉ループが構成されるため、高速動作時には回路系の浮
遊容量により発振が起こる可能性がある。この発振を防
ぐためには、ローパスフィルタあるいは積分回路を付加
する手法があるが、これでは応答速度を低下させてしま
う。発振をおこさないで高速応答性の回路を実現するこ
とは、従来の半導体位置検出器を使用した場合、困難で
あり、また、これを実現するためには、制御回路、位置
検出器とも高価になり現実的ではない。

【０００９】さらに、ＢＬスキャナ等で着衣状態の人を
測定する場合には、衣服の材質によっては表面が光沢性
のものがあり、その正反射率は人の素肌の表面に対して
４倍以上となるため、こうした光沢性の素材を考慮して
感度を下げると、素肌やこれより反射率の小さい衣服表
面からの反射を正確にとらえることができず、測定精度
が劣化してしまう。また、反射特性も材質により異な
り、図８（ａ）に示されるように各方向への反射率がほ
ぼ均一な紙のような素材もあれば、図８（ｂ）に示され
るように指向性の高い反射率を有する下着用の布地のよ
うな素材もある。また、測定対象の場所ごとに反射率が
異なってくるため、上記の技術を使用した場合、測定箇
所ごとに個々にかつ高速で閉ループ制御を行う必要があ
る。このため、高速での正確な測定が難しい。

【００１０】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、
高速応答が困難な閉ループ制御を行うことなく信号飽和
を回避できるようにした安価でかつ高速応答性、高精度
の反射型光電センサ型距離検出器を提供することを課題
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の距離検出器は、被測定物に光を照射し、反
射光を検出して三角測量方式で被測定物までの距離を検
出する非接触型の距離検出器であって、被測定物にビー
ム状のパルス光を照射する光源と、この光源から光源の
光軸に直交する基線長方向に所定距離離れて配置されて
おり、被測定物からの反射光を受光して、その基線長方
向の受光位置に対応する所定の１組の電気信号を出力す
る一次元半導体位置検出器と、パルス光照射ごとにこれ
ら１組の電気信号間で所定時間の積分を含む所定の演算
を行うことにより被測定物までの距離を算出する演算回
路と、を備えており、この演算回路は、この積分結果が
所定の基準値に達した時点で所定時間の積分を停止する
ことを特徴とする。

【００１２】このような構成によれば、光源から出射さ
れたビーム状のパルス光は被測定物の特定位置に照射さ
れる。その反射光の半導体位置検出器への入射位置を検
出することにより、三角測量方式で被測定物までの距離
が求まる。ここで、演算回路は、半導体位置検出器から
の出力信号を所定時間積分することにより、この出力信
号の時間変動を平均化するとともに、微小信号の増幅を
行う。この積分値をモニターし、所定の基準値に達した
場合には、その時点で積分を停止し、パルス投射期間内
に基準値に達していない場合は、パルス投射期間全体の
積分値を用いて被測定物までの距離を算出する演算を行
う。したがって、この基準値を演算回路内で信号飽和が
起こらないレベルに設定することにより、演算回路内で
の信号飽和は回避される。

【００１３】積分結果がこの所定の基準値に達した時点
で光源を消灯する点灯制御回路をさらに備えていてもよ
い。このように構成することにより、積分結果がこの所
定の基準値に達した以降は、光源が消灯され、被測定物
へのパルス光照射が停止するので、半導体位置検出器へ
の入射光も基本的に停止し、積分動作も事実上停止す
る。

【００１４】あるいは、積分結果がこの所定の基準値に
達した時点以降の演算回路へのこれら１組の電気信号の
入力を停止させるバイパス回路をさらに備えていてもよ
い。これによれば、積分結果が所定の基準値に達した以
降は、演算回路自体への電気信号入力がなくなるので、
積分動作をその時点で停止させたことに相当する。

【００１５】演算回路は、パルス光照射時の１組の電気
信号値のそれぞれからパルス光照射がないときの対応す
る１組の電気信号の信号値を減算する回路を備えている
ことがさらに好ましい。これによれば、外乱光が入射し
た場合に、電気信号値中の外乱光による信号成分が除去
される。

【００１６】また、光源は、時分割的にパルス発光され
る複数の点光源から構成されていてもよい。このような
構成とすることにより、一個の半導体位置検出器で、被
測定物の複数の箇所までの距離が検出される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について説明する。なお、説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。

【００１８】図１は、本発明に係る距離検出器の回路ブ
ロック図であり、図２は、その光学系の構成を示す概略
斜視図であり、図３は、その信号抜取回路と積分回路部
分の詳細回路図である。

【００１９】まず、装置全体の構成を図１〜図３を参照
して説明する。図１に示されるように、本実施形態の距
離検出器は、発光素子としてＬＥＤアレイ２を受光素子
としてＰＳＤ１を用い、被測定物３までの距離を三角測
量方式で測定する装置である。図２に示されるように、
ＰＳＤ１とＬＥＤアレイ２は、それぞれの光軸を基線長
Ｂだけ離して配置され、それぞれの光軸上には、反射光
をＰＳＤ１の受光面に集光する受光レンズ３１、ＬＥＤ
アレイ２の投射光をビーム状の平行光束に集光する投光
レンズ３０、がそれぞれ配置されている。ＬＥＤアレイ
２は、複数の点光源２₁〜２_nが基線長に直交する方向に
配列されており、ＰＳＤ１の受光位置検出方向は、基線
長方向に一致している。

【００２０】ＰＳＤ１の受光面両端に設けられた電極１
ａ、１ｂ（ＬＥＤアレイ２側の電極を１ｂとする）のそ
れぞれには、図１に示されるようにノイズ成分を除去す
る信号抜取回路１８、１９が接続されている。この回路
の構成については、後に詳述する。これらの信号抜取回
路１８、１９は、ＰＳＤ１の出力電気信号を基にして被
測定物３までの距離を算出する演算回路１０に接続され
ている。この演算回路１０は、ＰＳＤ１の出力電気信号
の各々を所定時間積分することで平均化と増幅を行う積
分回路１３、１４と、両信号間での減算と加算を行う減
算回路１５ｂ、加算回路１５ｃと、減算結果の加算結果
による商を求める割算回路１５ｃにより構成されてい
る。

【００２１】一方、加算回路１５ｃの出力は、分岐され
て、ＬＥＤアレイ２の点灯を制御する点灯制御回路２０
に入力される。点灯制御回路２０は、加算回路１５ｃの
出力と基準信号値Ｖ_ref1を比較するコンパレータ２１
と、ＬＥＤをパルス点灯させるパルス信号の基となるパ
ルス信号を生成するＬＥＤドライブパルス発生器２２
と、コンパレータ２１の反転出力とＬＥＤドライブパル
ス発生器２２の出力を基にしてＬＥＤアレイ２の駆動信
号を生成するＡＮＤ回路２３からなる。

【００２２】ここで、信号抜取回路１８（１９）と積分
回路１３（１４）の具体的な回路構成を図３を参照して
説明する。図３に示される回路は、積分回路１３用の積
分アンプＵ１と、信号抜取回路１８用の外乱光抜取アン
プＵ２を備えており、積分アンプＵ１のＰＳＤ１からの
出力信号が入力される負入力端と出力端の間には、コン
デンサＣ１とスイッチＳ１が並列に接続されており、正
入力端は設置されている。また、外乱光抜取アンプＵ２
の正入力端は、抵抗Ｒ２を介して、２つに分岐されてお
り、一方はコンデンサＣ２を介して設置され、他方はス
イッチＳ２を介して積分アンプＵ１の出力端に分岐接続
されている。一方、この外乱光抜取アンプＵ２の負入力
端は、抵抗Ｒ３を介して接地されている。また、外乱光
抜取アンプＵ２の負入力端と出力端の間にはコンデンサ
Ｃ３が接続されている。さらに、この出力端とＰＳＤ１
の信号電極とは、抵抗Ｒ１を介して接続されている。

【００２３】以下、図１〜図４を参照して本実施形態の
距離検出器の動作を説明する。図４は、本実施形態の信
号処理回路のタイミングチャートである。

【００２４】まず、ＬＥＤドライブパルス発生器２２か
らは、図４Ａに示されるようなＬＥＤドライブパルスが
生成されている。そして、この信号はＡＮＤ回路２３に
送られて、ＡＮＤ回路２３から図４Ｂに示されるような
ＬＥＤ点灯波形が生成される。（このＬＥＤ点灯波形の
生成については後述する。）この信号に基づいて、図２
に示されるＬＥＤアレイ２の各ＬＥＤ２₁〜２_nのそれぞ
れが順次パルス点灯される。各ＬＥＤ２₁〜２_nから射出
された光は、投光レンズ３０を介してＬＥＤ２₁〜２_nの
位置に応じて図示するように扇形に走査されて前方の被
測定物３（図１参照）に照射される。投光レンズ３０は
ＬＥＤ２₁〜２_nのそれぞれに設けてもよいが、本実施形
態のように共通としたほうが、光軸の調整等が簡単であ
り、好ましい。

【００２５】そして、被測定物３により反射された光
は、受光レンズ３１によりＰＳＤ１の受光面上に集光さ
れる。図７に原理を示したように、反射光は、ＰＳＤ１
の受光面上の、被測定物３までの距離に応じた位置に集
光される。ＰＳＤ１の受光面の基線長方向の両端に設け
られた電極１ａ、１ｂからこの受光位置に応じた信号が
出力される。（出力信号の関係については後述する。）
ＬＥＤ点灯波形がＯＦＦのとき、つまりいずれのＬＥＤ
２₁〜２_nも点灯していないときにも外乱光入射によりＰ
ＳＤ１の各電極からはこの外乱光に応じた信号が出力さ
れている。この状態で図３に示されるスイッチＳ１とＳ
２をＯＮにして（図４のａの時点）積分回路１３（１
４）、信号抜取回路１８（１９）をリセットし、その後
すぐにスイッチＳ１のみをＯＦＦにする（図４のｂの時
点）。すると、この外乱光受光時の出力電流は、積分ア
ンプＵ１に流れ込み、コンデンサＣ３に蓄積される。こ
の結果、出力電圧Ｖ_outはマイナスの電位を示す。この
マイナス電圧はスイッチＳ２、抵抗Ｒ２を介して外乱光
抜取アンプＵ２へ入力され、増幅されてさらにマイナス
側に電位を下げる。これにより、外乱光信号電流Ｉｎと
コンデンサＣ１に充電されていた電荷は抵抗Ｒ１を介し
て外乱光抜取アンプＵ２に流れ込むので、積分アンプＵ
１の出力電位Ｖ_outは、ゼロに近づいていく。

【００２６】この状態で、スイッチＳ２を切断し、ＬＥ
Ｄドライブパルス、ＬＥＤ点灯波形をＯＮにして、ＬＥ
Ｄアレイ２を点灯させる（図４のｃの時点）。これによ
り上述したように、電極１ａ、１ｂから信号電流が出力
される。この時には、コンデンサＣ２にＬＥＤアレイ２
が点灯する直前の外乱光の出力電流に相当する電荷が蓄
積されているので、ＰＳＤ１から出力された信号電流の
うち外乱光電流成分Ｉｎに相当する電流は抵抗Ｒ１を介
して流れつづける。一方、信号成分Ｉｓは、積分アンプ
Ｕ１に入力され、コンデンサＣ１にこれに対応する電荷
が蓄積される。

【００２７】こうしてノイズ成分が除去された信号電流
Ｉ_A、Ｉ_Bは、それぞれ減算回路１５ａ、加算回路１５ｂ
に送られ、所定の加減算が行われる。このうち加算回路
１５ｂの出力は、コンパレータ２１に送られ、基準値Ｖ
_REF1と比較される。図４Ｅに示される加算回路１５ｂの
出力が積分中に図４Ｄに示されるこの基準電圧値を越え
ると（図４のｄの時点）、コンパレータ２１の出力は正
電圧となる。このコンパレータ２１の出力は逆転されて
ＡＮＤ回路２３へ入力されているので、図４Ａに示され
るＬＥＤドライブパルスがＯＮの場合でも、ＡＮＤ回路
２３から出力されるＬＥＤ点灯波形はＯＦＦになり、Ｌ
ＥＤアレイ２の点灯が中止される。これ以降は、積分ア
ンプＵ１への信号電流成分Ｉｓの入力はなくなるので、
これ以上の電流が演算回路１０へ入力することはない。
したがって、回路における信号飽和を防止することがで
きる。

【００２８】また、低反射時にも良好に検出できるよう
高感度に設定した場合に、強い反射光の入力があった場
合でも、この回路では、積分を途中で中断することによ
り、信号が飽和することなく正確な測定を行うことがで
きる。このため、反射率の異なる被対象物までの距離を
正確に測定することができる。特に、ＬＥＤごとに対象
物の反射率が変わる場合、例えば、前述したように光沢
性の衣服を着けた人を測定する際に、着衣部分と素肌の
部分を連続して測定する場合や衣服の反射率が場所によ
り変化する場合の測定などに有効である。

【００２９】これらの加算回路１５ａ、減算回路１５ｂ
の出力は、ピークホールドされ、ＬＥＤドライブパルス
がＯＦＦになる時点（図４のｅの時点）で後続の割算回
路１５ｃにより距離信号に変換され、出力される。

【００３０】ここで、受光レンズ３１とＰＳＤ１間の距
離をｆ、電極１ａ、１ｂ間の距離をＣ、受光位置と電極
１ｂの距離をＸとすると、

【数１】が成立する。

【００３１】また、ＰＳＤ１の各電極１ａ、１ｂからの
出力電流Ｉ_A、Ｉ_Bは両者の和をＩ₀とすると、それぞれ
受光位置と電極との距離に反比例するから、

【数２】が成立する。

【００３２】式（１）（２）より、受光レンズ３１と被
測定物３の距離Ｌは、

【数３】で表せる。したがって、割算回路１５ｃの出力と距離が
反比例することになる。

【００３３】ここでは、各電極の出力信号を積分、加算
後に基準値と比較する例を説明したが、共通電極から出
力される信号値を積分して基準値と比較しても同様の効
果を得ることができる。

【００３４】図５は、本発明の信号処理回路の別の実施
形態を示す図である。この回路では、図１に示す実施形
態の回路と演算回路１０、信号抜取回路１８、１９は同
一であり、ＬＥＤドライブパルス発生器２３が直接ＬＥ
Ｄアレイ２に接続されている点と、コンパレータ２１の
出力により積分回路１３、１４それぞれへの信号入力を
遮断するスイッチＳ３、Ｓ４が設けられている点が異な
る。このコンパレータ２１とスイッチＳ３、Ｓ４により
構成されているのがバイパス回路２０’である。

【００３５】この回路の動作は、図１の実施形態と同様
に図４に示すタイムチャートにしたがって動作する。た
だし、この回路では、図４Ｂに示されるＬＥＤ点灯波形
信号は存在しない。図４のａ〜ｃに示される時点での動
作は、上述した図１の実施形態とほぼ同じである。図４
ｄの時点、すなわち、コンパレータ２１が加算回路１５
ｂの出力値と基準値Ｖ_REF1と等しいと判定した時点で、
コンパレータ２１は、正電圧信号を出力する。これに伴
い、信号抜取回路１８または１９と積分回路１３または
１４を接続しているスイッチＳ３またはＳ４をＯＦＦに
して、信号抜取回路１８または１９から積分回路１３ま
たは１４への信号入力を遮断する。この結果、演算回路
１０への過大な信号入力が防止され、図１の実施形態と
同様の効果を得ることができる。

【００３６】本実施形態でも閉ループによるフィードバ
ック制御を行っておらず、コンパレータ２１やスイッチ
Ｓ３、Ｓ４も高速応答性のものを安価に入手できる。し
たがって、安価に高速応答性を実現できる。

【００３７】以上の説明では、光源としてＬＥＤアレイ
を用いた例について説明してきたが、単光源タイプの検
出器についても簡単に応用できる。また、光源はＬＥＤ
以外でもパルス点灯が可能なものであればよい。また、
外乱光成分を抜きとる信号抜取回路つきの実施形態につ
いて説明してきたが、例えば、外乱光の成分が無視でき
るような暗室状態で用いる装置に組み込む場合や、外乱
光の成分が一定で既知の場合には、信号抜取回路を除去
してもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
被測定物に光を投射して反射光をＰＳＤで検出し、三角
測量方式で被測定物までの距離を算出する距離検出器に
おいて、ＰＳＤの出力を時間積分して距離算出を行う際
に、この時間積分値をモニターして基準値を越えた時点
で時間積分を停止することにより、基準値を越える信号
が処理回路に流れるのを防止することができ、回路の信
号飽和が防止できる。これは、光源自体を消灯したり、
積分回路への入力を遮断したりすることにより実現で
き、閉ループ制御回路を用いる必要がないので、高速応
答性を安価に実現できる。特に、反射率の異なる被測定
物までの距離を連続して測定する際に有効である。

【００３９】本発明により、ＢＬスキャナのほかに、自
動焦点カメラの距離センサや自動水栓、便器洗浄装置、
温水洗浄便座等の衛生機器用の人体識別装置など各種の
装置へ適用できる距離検出器が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施形態のブロック図である。

【図２】図１の実施形態の光学系の概略斜視図である。

【図３】図１の実施形態の信号抜取・積分回路の回路図
である。

【図４】図１の実施形態のタイミングチャートである。

【図５】本発明の第２の好適な実施形態のブロック図で
ある。

【図６】反射型光電センサによる距離検出器の原理を示
す図である。

【図７】従来の信号飽和防止機能を備えた距離検出器の
ブロック図である。

【図８】材質の違いによる反射強度分布の違いを示す図
である。

【符号の説明】１…ＰＳＤ、２…ＬＥＤアレイ、３…被測定物、１０…
演算回路、１３、１４…積分回路、１８、１９…信号抜
取回路、２０…点灯制御回路、２１…コンパレータ、２
２…ＬＥＤドライブパルス発生器、２３…ＡＮＤ回路、
３０…投光レンズ、３１…受光レンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物に光を照射し、反射光を検出し
て三角測量方式で前記被測定物までの距離を検出する非
接触型の距離検出器であって、前記被測定物にビーム状のパルス光を照射する光源と、前記光源から該光源の光軸に直交する基線長方向に所定
距離離れて配置されており、前記被測定物からの反射光
を受光して、前記基線長方向の受光位置に対応する所定
の１組の電気信号を出力する一次元半導体位置検出器
と、前記パルス光照射ごとに前記１組の電気信号間で所定時
間の積分を含む所定の演算を行うことにより前記被測定
物までの距離を算出する演算回路と、を備えており、前記演算回路は、前記積分の結果が所定
の基準値に達した時点で前記所定時間の積分を停止する
ことを特徴とする距離検出器。
【請求項２】前記積分結果がこの所定の基準値に達し
た時点で前記光源を消灯する点灯制御回路をさらに備え
ていることを特徴とする請求項１記載の距離検出器。
【請求項３】前記積分結果がこの所定の基準値に達し
た時点以降の前記演算回路への前記１組の電気信号の入
力を遮断するバイパス回路をさらに備えていることを特
徴とする請求項１記載の距離検出器。
【請求項４】前記演算回路は、前記パルス光照射時の
前記１組の電気信号値のそれぞれから前記パルス光照射
がないときの対応する前記１組の電気信号の信号値を減
算する回路を備えていることを特徴とする請求項１記載
の距離検出器。
【請求項５】前記光源は、時分割的にパルス発光され
る複数の点光源を備えていることを特徴とする請求項１
記載の距離検出器。