(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ個のセグメントを有する光検出素子アレイと、１対の楔形状の光検出素子と、前記１対の光検出素子の出力に基づいて光強度が最大になる概略位置を算出する概略位置算出並列演算処理部と、前記概略位置算出並列演算処理部により算出された光強度最大の概略位置に基づいて、前記光検出素子アレイの各セグメントの出力のうち、前記概略位置の近傍のｍ個の信号を選択する信号選択並列演算処理部と、前記信号選択並列演算処理部の出力から光強度の最大位置をサブセグメントの精度で算出する最大位置算出並列演算処理部とを備えていることを特徴とする位置検出素子。
【請求項２】
被測定物に光ビームを照射する光源と、前記被測定物の表面から反射された光を集光するレンズと、前記レンズにより集光された光の位置を検出する請求項１記載の位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速かつ高精度の位置検出が可能な位置検出検出素子、及びこれを用いた距離センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の位置検出素子を用いた距離センサとして、例えば特開昭６２−２８６１０号公報に開示されているものがある。この距離センサの基本構成である光学系を図７にを示す。
【０００３】
図７において、１０１は発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を用いた光源、１０２は第１のレンズ、１０３は焦点距離ｆの第２のレンズ、１０４はＰＳＤまたはＣＣＤを用いた位置検出素子である。図７の光学系はＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満たすように構成されている。つまり、光源１０１の光軸と第２のレンズ１０３の光軸とが成す角θ、第２のレンズ１０３の主平面と位置検出素子１０４の検出面とが成す角β、光源１０１の光軸と第２のレンズ１０３の光軸との交点Ｏから第２のレンズ１０３までの距離Ｌ、光源１０１の光軸と第２のレンズ１０３の主平面の交点と第２のレンズ１０３の主点との距離ｄが、次式（数１）の関係を満たす。
【０００４】
（数１）  β＝ｔａｎ-1（ｆ0／ｄ）但し、ｆ0＝ｆ・Ｌ／（Ｌ−ｆ）であり、
【０００５】
ｆは第２のレンズ１０３の焦点距離である。このＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足すると、被測定物Ｏｂが光源１０１の光軸と第２のレンズ１０３の光軸との交点Ｏにある場合はもちろん、破線で示すように、光軸上の交点Ｏからずれた位置Ｏ´にある場合であっても、光源１０１から出て第１のレンズ１０２を通り被測定物で反射した光ビームは、第２のレンズ１０３により位置検出素子１０４上に結像する。
【０００６】
このような距離センサによる距離の測定原理は次の通りである。まず、被測定物Ｏｂが位置Ｏにある場合、被測定物Ｏｂから反射した光の一部が第２のレンズ１０３により位置検出素子１０４上のＡ点に結像する。被測定物Ｏｂが位置０´にずれた場合は、図７に破線で示すように、被測定物Ｏｂから反射した光の一部は位置検出素子１０４上のＢ点に結像する。このように、光源１０１の光軸上での位置は位置検出素子１０４上での結像位置に変換される。したがって、位置検出素子１０４上での結像位置の移動量を測定することにより、被測定物の移動量、凹凸等を求めることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の位置検出素子は次のような課題を有している。つまり、位置検出素子としてＰＳＤを用い、１０ＭＨｚ以上のサンプリング速度で位置を検出した場合、分解能（ＰＳＤの長さを１としたときの分解能）は１／１００程度となり十分ではない。一方、位置検出素子としてＣＣＤを用いた場合、例えば５０００画素のラインセンサであれば分解能（ＣＣＤの長さを１としたときの分解能）は最高１／５０００にまでなる。しかし、ＣＣＤのスキャンレートは数ＫＨｚ程度であり、１０ＭＨｚといった高速スキャンを実現することは困難である。このように、従来の位置検出素子では高速（１０ＭＨｚ以上）かつ高精度（高分解能）の位置検出が困難であった。従って、このような位置検出素子を用いた距離センサでは、１０ＭＨｚ以上の高速性と高精度の距離計測とを兼ね備えることが困難であった。
【０００８】
本発明は上記のような従来の課題を解決し、高速かつ高精度の位置検出が可能な位置検出検出素子及びこれを用いた距離センサを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による位置検出素子の第１の構成は、ｎ個のセグメントを有する光検出素子アレイと、１対の楔形状の光検出素子と、前記１対の光検出素子の出力に基づいて光強度が最大になる概略位置を算出する概略位置算出並列演算処理部と、前記概略位置算出並列演算処理部により算出された光強度最大の概略位置に基づいて、前記光検出素子アレイの各セグメントの出力のうち、前記概略位置の近傍のｍ個の信号を選択する信号選択並列演算処理部と、前記信号選択並列演算処理部の出力から光強度の最大位置をサブセグメントの精度で算出する最大位置算出並列演算処理部とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の距離センサは、被測定物に光ビームを照射する光源と、前記被測定物の表面から反射された光を集光するレンズと、前記レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備え、この位置検出素子として上記のような本発明の構成を有するものを用いたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の参考形態）
図１は本発明の第１の参考形態に係る位置検出素子の基本構成図である。図１において、１はｎ個のセグメントを有するＰＩＮフォトダイオードアレイ、２はＰＩＮフォトダイオードアレイの各セグメントからのｎ個の出力を比較することにより光強度が最大のセグメントを算出する最大セグメント算出並列演算処理部である。
【００１２】
ｎ個のセグメントを有するＰＩＮフォトダイオードアレイ１に検出光が照射されると、ＰＩＮフォトダイオードアレイ１の各セグメントから図２に例示するような光強度分布を形成する信号が同時に出力される。各セグメントから出力された信号は、ｎ個の入力端子を有する最大セグメント算出並列演算処理部２に入力される。この最大セグメント算出並列演算処理部２は、並列演算処理によってｎ個の入力信号を比較し、光強度が最大の出力位置（ＰＩＮフォトダイオードアレイ１のセグメントの位置）を算出する。
【００１３】
このＰＩＮフォトダイオードは、１ＧＨｚ程度までの応答性を有しており、高速度のサンプリングを行っても性能は劣化しない。また、最大セグメント算出並列演算処理部２は並列演算によって、数十ＭＨｚ以上のサイクルで比較演算を行う。従って、これらを用いた位置検出素子は、数十ＭＨｚ以上のサンプリングレートで位置を検出できる。また、セグメントの個数ｎを千個以上とすることにより、分解能（ＰＩＮフォトダイオードアレイの長さを１としたときの分解能）を１／１０００まで高めることができる。
【００１４】
以上説明したように、第１の参考形態によれば、ＰＩＮフォトダイオードアレイ１と光強度が最大のセグメントを算出する最大セグメント算出並列演算処理部２とを設けたことにより、従来のＰＳＤまたはＣＣＤを用いた位置検出素子に比べ、高速かつ高分解能で位置を検出することができる。
【００１５】
なお、ＰＩＮフォトダイオードアレイに代えて、他の高速応答可能な受光素子を用いた光検出素子アレイを用いてもよい。
【００１６】
（第２の参考形態）
図３は本発明の第２の参考形態に係る位置検出素子の基本構成図である。図３において、１はｎ個のセグメントを有するＰＩＮフォトダイオードアレイ、３はＰＩＮフォトダイオードアレイからのｎ個の出力から光強度の最大位置をサブセグメントの精度で算出する最大位置算出並列演算処理部である。
【００１７】
ｎ個のセグメントを有するＰＩＮフォトダイオードアレイ１に検出光が照射されると、ＰＩＮフォトダイオードアレイ１の各セグメントからは図２に例示するような光強度分布を形成する信号が同時に出力される。各セグメントから出力された信号は、ｎ個の入力端子を有する最大位置算出並列演算処理部３に入力される。この最大位置算出並列演算処理部３は、次に述べる演算方法を用いる並列演算により、ｎ個の信号から光強度の最大位置を算出する。
【００１８】
まず、ＰＩＮフォトダイオードの各セグメントからの出力信号に対して移動平均を算出する。図４に示すように、各セグメントの出力信号から得られる光強度分布（実線で示されている）に対して、移動平均のセグメント位置に対する分布は破線のようになる。さらに、移動平均に対して微分処理を行い、一点鎖線で示すような分布の微分信号を得る。そして、この微分信号のゼロクロス点の位置を、ゼロクロス点近傍の微分信号を用いて最小自乗法等により算出する。このようにして求めたゼロクロス点の位置、即ち光強度の最大位置はセグメント単位よりも細かい。つまり、サブセグメント単位で光強度の最大位置を算出することができる。実験によれば、この演算方法を用いることにより、セグメント単位の１／１０程度までサブセグメント化することができた。また、処理速度を向上させるため、第１の参考形態と同様に並列処理によって上記演算を行う。
【００１９】
第１の参考形態と同様に、ＰＩＮフォトダイオードは１ＧＨｚ程度までの応答性を有しており、高速度のサンプリングを行っても性能は劣化しない。また、最大位置算出並列演算処理部３は並列演算によって、数十ＭＨｚ以上のサイクルで演算処理を行う。従って、これらを用いた位置検出素子は、数十ＭＨｚ以上のサンプリングレートで位置を検出できる。
【００２０】
本第２の参考形態の最大位置算出並列演算処理部３は、第１の参考形態の最大セグメント算出並列演算処理部２と異なり、移動平均、微分、ゼロクロス点の算出によって光強度の最大位置を算出する。これにより、セグメントより細かい単位（サブセグメントの単位）で位置を検出することができる。例えば、セグメントの個数を千個以上とし、１／１０のサブセグメント化を行うと、位置検出の分解能（ＰＩＮフォトダイオードアレイの長さを１としたときの分解能）を１／１００００まで高めることができる。
【００２１】
以上説明したように、第２の参考形態によれば、ＰＩＮフォトダイオードアレイ１と、光強度が最大の位置をサブセグメントの精度で算出する最大位置算出並列演算処理部３とを設けることにより、従来のＰＳＤまたはＣＣＤを用いた位置検出素子に比べ、高速かつ高分解能で位置を検出することができる。
【００２２】
なお、ＰＩＮフォトダイオードアレイに代えて、他の高速応答可能な受光素子を用いた光検出素子アレイを用いてもよい。
【００２３】
（第１の実施形態）
図５は本発明の第１の実施形態に係る位置検出素子の基本構成図である。図５において、１はｎ個のセグメントを有するＰＩＮフォトダイオードアレイである。４及び５は１対の楔形状のＰＩＮフォトダイオードであり、両者は互いに幅方向に隣り合わせに配置され、それぞれの受光領域幅ａ，ｂ（図５のＡ−Ａ線を参照）の和ａ＋ｂ＝ｃが長手方向（図５のｘ方向）に一定である。なお、受光領域幅ａはｘの一次関数であり、ａ＝αｘ＋βと表すことができる。但し、α，βは定数である。
【００２４】
６は１対の楔形状のＰＩＮフォトダイオード４，５から検出光の強度が最大になる概略位置（以下、概略最大位置という）を算出する並列演算処理部である。７は並列演算処理部６が求めた検出光の概略最大位置に基づいて、ＰＩＮフォトダイオードアレイ１のｎ個の信号出力から概略最大位置近傍のｍ個（ｎ＞ｍ）の信号を抽出する信号選択並列演算処理部、８は信号選択並列演算処理部７からのｍ個の出力に基づいて光強度の最大位置を算出する最大位置算出並列演算処理部である。
【００２５】
ｎ個のセグメントを有するＰＩＮフォトダイオードアレイ１と１対の楔形状のＰＩＮフォトダイオード４，５にまたがって検出光が照射されると、ＰＩＮフォトダイオードアレイ１の各セグメントからは図２に例示したような光強度分布を形成する信号が同時に出力され、１対の楔形状のＰＩＮフォトダイオード４，５からは信号Ｓａ，Ｓｂが同時に出力される。この１対の楔形状のＰＩＮフォトダイオード４，５からの信号Ｓａ，Ｓｂが概略位置算出並列演算処理部６に入力され、検出光の概略最大位置ｘｏが次式（数２）から算出される。
【００２６】
（数２）  ｘｏ＝（ｃ・Ｓａ／（Ｓａ＋Ｓｂ）−β）／α
【００２７】
この式（数２）を用いて概略最大位置ｘｏを算出することができる原理を簡単に説明する。検出光のエネルギー密度をＩ、幅をｗとすると、楔形状のＰＩＮフォトダイオード４からの信号ＳａはＳａ＝Ｋ・Ｉ・ａ・ｗとなり、もう一方のＰＩＮフォトダイオード５の信号ＳｂはＳｂ＝Ｋ・Ｉ・ｂ・ｗとなる。ここで、ＫはＰＩＮフォトダイオードの光変換定数である。また、ＰＩＮフォトダイオード４の受光領域ａは、前述したようにａ＝αｘ＋βである。これらの式を式（数２）に代入すると、ｘだけが残り、検出光の概略最大位置が求められることがわかる。
【００２８】
この検出光の概略最大位置は、信号選択並列演算処理部７に入力される。また、信号選択並列演算処理部７には、ＰＩＮフォトダイオードアレイ１の各セグメントの信号が入力される。概略位置算出並列演算処理部６で求めた検出光の概略最大位置を用いて、ＰＩＮフォトダイオードアレイ１のｎ個の信号から概略最大位置近傍のｍ個（ｎ＞ｍ）の信号を抽出する。このとき、概略位置算出並列演算処理部６での演算処理に要する時間だけ、概略位置算出並列演算処理部６からの概略最大位置信号がＰＩＮフォトダイオードアレイ１からの信号に対して遅延する。この遅延時間によるずれは、概略位置算出並列演算処理部６の演算処理を、遅延が問題にならない程度にまで高速化するか、またはＰＩＮフォトダイオードアレイ１の信号を遅延させることにより解決できる。
【００２９】
次に、信号選択並列演算処理部７により抽出された概略最大位置の近傍のｍ個の信号が最大位置算出並列演算処理部８に入力される。この最大位置算出並列演算処理部８は、第２の実施形態と同様の演算方法を用いた並列演算により、ｍ個の信号から最大出力位置を算出する。
【００３０】
第１の参考形態と同様に、ＰＩＮフォトダイオードは１ＧＨｚ程度までの応答性を有しており、高速度のサンプリングを行っても性能は劣化しない。また、概略位置算出並列演算処理部６、信号選択並列演算処理部７及び最大位置算出並列演算処理部８は並列演算によって、数十ＭＨｚ以上のサイクルで演算処理を行う。従って、これらを用いた位置検出素子は、数十ＭＨｚ以上のサンプリングレートで位置を検出できる。
【００３１】
また、本実施形態の最大位置算出並列演算処理部８も移動平均、微分、ゼロクロス点の算出により光強度の最大位置を算出する。したがって、第２の実施形態と同様に検出光の位置分解能を高めることができる。
【００３２】
本実施形態が第１及び第２の参考形態と異なるのは、１対の楔形状のＰＩＮフォトダイオード４，５、概略位置算出並列演算処理部６及び信号選択並列演算処理部７を用いて、検出光の概略最大位置を算出し、最大位置算出並列演算処理部８に入力する信号をｎ個からｍ個に削減している点にある。これにより、最大位置算出並列演算処理部８の回路構成が簡素化され、小規模の回路で実現できる。従って、大規模回路を高速駆動する場合に生じる発熱の問題の影響を低減できる。さらに、小規模の回路であるため、製造コストを低く押さえることができる。
【００３３】
なお、既述の参考形態と同様に、ＰＩＮフォトダイオードアレイに代えて、他の高速応答可能な受光素子を用いた光検出素子アレイを用いてもよい。
【００３４】
（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態における距離センサの基本構成図である。図６において、９は被測定物を照射する光源であって、発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を用いて構成されている。１０は焦点距離ｆのレンズ、１１は第１の参考形態で述べた位置検出素子、１２は位置検出素子１１の位置出力より距離を算出する距離算出手段である。これらの要素で構成される光学系は図７に示した従来例と同様に、式（数１）のＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満たすように構成されている。
【００３５】
このＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足すると、従来例と同様に、被測定物Ｏｂが発光素子９とレンズ１０の光軸との交点Ｏにある場合はもちろん、破線で示すように、光軸上の交点Ｏからずれた位置Ｏ´にある場合であっても、光源９から出て被測定物Ｏｂで反射した光ビームは、レンズ１０により位置検出素子１１上に結像する。
【００３６】
被測定物Ｏｂが位置Ｏにある場合、被測定物Ｏｂから反射した光の一部がレンズ１０により位置検出素子１１上のＡ点に結像する。被測定物Ｏｂが位置Ｏ´にずれた場合は、破線で示すように、被測定物Ｏｂから反射した光の一部は位置検出素子１１上のＢ点に結像する。このように、光源９の光軸上での被測定物の位置は位置検出素子１１上での結像位置に変換される。従って、被測定物の位置と位置検出素子１１上での結像位置との関係を予め距離算出手段１２に記憶しておき、位置検出素子１１上での結像位置を距離算出手段１２に入力することにより被測定物までの距離を算出することができる。
【００３７】
第１の参考形態で述べたように、ＰＩＮフォトダイオードアレイ等を用いた位置検出素子１１は、従来のＣＣＤ、ＰＳＤ等を用いた位置検出素子に比べて高速かつ高精度に位置を検出できるので、この位置検出素子１１を用いた本実施形態の距離センサは高速かつ高精度に距離を計測することができる。
【００３８】
なお、本実施形態で用いられる位置検出素子１１は、第１の参考形態で述べたものに限らず、第２の参考形態または第１の実施形態で述べた位置検出素子を用いても良い。また、図７に示した従来例と同様に、光源９と被測定物Ｏｂとの間に集光用のレンズを設けてもよい。あるいは、他の手段によって集光した光ビームを被測定物Ｏｂに照射するように構成してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位置検出素子は、ｎ個のセグメントを有する光検出素子アレイと最大セグメント算出並列演算処理部とを備えることにより、大画素数の信号を並列処理できるため、高速かつ高精度に検出光の位置を検出できる。また、このような位置検出素子を用いた本発明の距離センサは、検出光の位置を高速かつ高精度に検出できるため、被測定物までの距離を高速かつ高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考形態の位置検出素子の基本構成図
【図２】同参考形態におけるＰＩＮフォトダイオードの信号出力の説明図
【図３】本発明の第２の参考形態の位置検出素子の基本構成図
【図４】同参考形態における演算方法の説明図
【図５】本発明の第１の実施形態に係る位置検出素子の基本構成図
【図６】本発明の第２の実施形態に係る距離センサの基本構成図
【図７】従来の位置検出素子を用いた距離センサの基本構成図
【符号の説明】
１  ＰＩＮフォトダイオードアレイ
２  最大セグメント算出並列演算処理部
３  最大位置算出並列演算処理部
４，５  楔形状ＰＩＮフォトダイオード
６  概略位置算出並列演算処理部
７  信号選択並列演算処理部
８  最大位置算出並列演算処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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