(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）光源及び受光素子を光の進行方向に一定振幅で微小振動させて対象物により反射させ、前記受光素子で前記光源からの光を受光し、
（ｂ）前記微小振動中に前記受光素子により受光される時間平均光強度と、前記微小振動による光の強度変動の振幅を演算し、
（ｃ）前記光の強度変動の振幅と前記時間平均光強度との比率から前記対象物からの距離を測定することを特徴とする光距離測定方法。
【請求項２】
（ａ）光源及び受光素子を光の進行方向に対して横方向に一定振幅で微小振動させて対象物により反射させ、前記受光素子で前記光源からの光を受光し、
（ｂ）前記微小振動中に前記受光素子により受光される時間平均光強度と、前記微小振動による光の強度変動の振幅を演算し、
（ｃ）前記光の強度変動の振幅と前記時間平均光強度との比率から前記対象物の表面の傾きを測定することを特徴とする光距離測定方法。
【請求項３】
（ａ）センサ本体と、
（ｂ）該センサ本体に配置され、光源及び受光素子を先端に搭載して光の進行方向に微小振動させるバイブレータと、
（ｃ）前記光源からの光が反射する対象物と、
（ｄ）前記受光素子で前記光源からの光を受光し、前記微小振動中に前記受光素子により受光される時間平均光強度と、前記微小振動による光の強度変動の振幅を演算し、前記光の強度変動の振幅と前記時間平均光強度との比率から前記対象物からの距離を計測する手段とを具備することを特徴とする光距離測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の光距離測定装置において、前記バイブレータは、前記センサ本体上にソレノイドを配置し、該ソレノイドに対向する微小磁石を有する振動子を設け、該振動子と前記センサ本体間にスプリングを配置して、微小振動させることを特徴とする光距離測定装置。
【請求項５】
（ａ）センサ本体と、
（ｂ）該センサ本体に配置され、光源及び受光素子を先端に搭載して光の進行方向に対して横方向に微小振動させるバイモルフ振動体と、
（ｃ）前記光源からの光が反射する対象物と、
（ｄ）前記受光素子で前記光源からの光を受光し、前記微小振動中に前記受光素子により受光される時間平均光強度と、前記微小振動による光の強度変動の振幅を演算し、前記光の強度変動の振幅と前記時間平均光強度との比率から前記対象物の表面の傾きを計測する手段とを具備することを特徴とする光距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型の光距離測定方法及び光距離測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、
〔１〕王，劉，篠田：舌運動センサとその中国語発音学習への応用、第３７回計測自動制御学会学術講演会予稿集，Ｖｏｌ．２，ｐｐ．６４１−６４２，１９９８．
〔２〕井口征士，“広がりをみせる３次元計測技術”計測と制御，３１−９，ｐｐ．９６８−９４７，１９９２．
〔３〕Ｍ．Ｒｉｏｕｘ：Ｌａｓｅｒ  Ｒａｎｇｅ  Ｆｉｎｄｅｒ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ  Ｓｃａｎｎｅｒｓ，”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，２３−２１，ｐｐ．３８３７−３８４４，１９８４．
〔４〕センサハンドブック，培風館，ｐｐ．４２７−４２９，１９８６．
に開示されるようなものがあった。
【０００３】
ところで、マイクロカテーテルを用いた無侵襲外科手術は現代の注目技術の一つであるが、それに搭載して組織までの距離を計測する適当な小型センサが存在せず、手術をより難しいものにしている。
【０００４】
また、計算機の新しいインターフェースとして、あるいは言語学習のため、舌の位置を計測することの重要性が指摘されており、ここでも歯の隙間のようなわずかな間隙から対象物までの距離を測定可能なセンサが求められている。
【０００５】
これらに共通しているのは、センサのサイズが２、３ｍｍ程度と小型であり、水気を帯びた粘膜のように散乱性と鏡面性を併せ持つ自由曲表面までの距離を計測しなければならない点である。
【０００６】
また、特に手術への応用を考えた場合、サブミリ以下の精度は必要ないものの、センサの汚れ等に対して計測値が左右されない頑強さと安定性が要求される。
【０００７】
これまでに、光を用いた３角測量（上記文献〔２〕）、波動の伝播時間や位相を測定するもの（上記文献〔３〕）、対象像の焦点距離検出（上記文献〔４〕）等を主な基本原理として、非常に多くの非接触距離計測手法が提案され利用されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した多くの非接触距離計測手法を単純に応用して、ここで要求される小型のセンサを実現するのは難しい。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、光源と受光素子の両方を振動させることにより、安定に距離を検出することができる光距離測定方法及び光距離測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光距離測定方法において、光源及び受光素子を光の進行方向に一定振幅で微小振動させて対象物により反射させ、前記受光素子で前記光源からの光を受光し、前記微小振動中に前記受光素子により受光される時間平均光強度Ｄと、前記微小振動による光の強度変動の振幅ΔＤを演算し、前記光の強度変動の振幅ΔＤと前記時間平均光強度Ｄとの比率（ΔＤ／Ｄ）から前記対象物からの距離を測定するようにしたものである。
【００１１】
〔２〕光距離測定方法において、光源及び受光素子を光の進行方向に対して横方向に一定振幅で微小振動させて対象物により反射させ、前記受光素子で前記光源からの光を受光し、前記微小振動中に前記受光素子により受光される時間平均光強度と、前記微小振動による光の強度変動の振幅を演算し、前記光の強度変動の振幅と前記時間平均光強度との比率から前記対象物の表面の傾きを測定するようにしたものである。
【００１２】
〔３〕光距離測定装置において、センサ本体と、このセンサ本体に配置され、光源及び受光素子を先端に搭載して光の進行方向に微小振動させるバイブレータと、前記光源からの光が反射する対象物と、前記受光素子で前記光源からの光を受光し、前記微小振動中に前記受光素子により受光される時間平均光強度Ｄと、前記微小振動による光の強度変動の振幅ΔＤを演算し、前記光の強度変動の振幅ΔＤと前記時間平均光強度Ｄとの比率（ΔＤ／Ｄ）から前記対象物からの距離を計測する手段とを具備するようにしたものである。
【００１３】
〔４〕上記〔３〕記載の光距離測定装置において、前記バイブレータは、前記センサ本体上にソレノイドを配置し、このソレノイドに対向する微小磁石を有する振動子を設け、この振動子と前記センサ本体間にスプリングを配置して、微小振動させるようにしたものである。
【００１４】
〔５〕光距離測定装置において、センサ本体と、このセンサ本体に配置され、光源及び受光素子を先端に搭載して光の進行方向に対して横方向に微小振動させるバイモルフ振動体と、前記光源からの光が反射する対象物と、前記受光素子で前記光源からの光を受光し、前記微小振動中に前記受光素子により受光される時間平均光強度と、前記微小振動による光の強度変動の振幅を演算し、前記光の強度変動の振幅と前記時間平均光強度との比率から前記対象物の表面の傾きを計測する手段とを具備するようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施例を示す光距離センサの構成図である。
【００１７】
この図において、１はセンサ本体、２はそのセンサ本体１に取り付けられる振動体、３はその振動体２の表面に設けられる点光源としての発光素子（ＬＥＤ）、４はその振動体２の表面に設けられる受光素子、５は円筒体、６は対象物である。
【００１８】
この光距離センサは、図１に示すように、発光素子３と受光素子４とがｘ方向に振動可能な振動体２の表面に装着される。発光素子３、受光素子４には図に示すような円筒体５が装着され、空間的な選択性が付与されている。いま振動体２を一定振幅Ａで振動させ、そのとき受光される時間平均光強度Ｄと振動による光の強度変動の振幅ΔＤを観測量とする。このとき
ΔＤ／Ｄ
によって対象物６までの距離が計測されることを散乱性表面、および鏡面性表面の二つの場合に分けて説明する。
（１）散乱性表面の場合
光源をインコヒーレントな点光源とし、観測面までの距離をｘ，距離ｘにおける光強度をＩ（ｘ）とする。このときの受光強度は
Ｄ（ｘ）＝αＩ（ｘ）＝β／ｘ2 
と表される。
【００１９】
一方振動による強度変動の振幅は、
ΔＤ（ｘ）＝Ａ｜〔ｄＤ（ｘ）／ｄｘ〕｜＝２Ａβ／ｘ3 
であるから、
ｘ＝２ＡＤ／ΔＤ
によってｘが求まる。振動振幅が一定であれば、表面の色や発光、受光部の汚れによる感度の変化は距離推定値に影響しない。
（２）鏡面性表面の場合
いま対象が光距離センサに正対した鏡面であるとすると、図２に示すように、自由空間において受光部を鏡像点に配置した場合と等価である。この場合にも
Ｄ（ｘ）＝Ｉ（２ｘ）＝γ／ｘ2 
となるから散乱性表面の場合と同じ計算になる。つまり、
ｘ＝２ＡＤ／ΔＤ
によって、ｘが求まる。このように本発明の測定法では測定対象物表面の反射の性質によらず正しい距離を推定することができる。
【００２０】
また、時間平均光強度Ｄと光強度変動の振幅ΔＤは同一の素子によって観測され、その比が計測量となることから、素子感度のばらつきや汚れなどにも強い計測法になっている。
【００２１】
以下、本発明の光距離センサの具体例について説明する。
【００２２】
図３は本発明の具体例を示す光距離センサの構造図である。
【００２３】
この図に示すように、センサ本体１１上にはソレノイド１２を固定し、そのソレノイド１２の上端面に対向するように微小磁石１３を有する振動子１４を配置し、その振動子１４とセンサ本体１１間にはスプリング１５が装着される。そして、振動子１４の上表面には発光素子（ＬＥＤ）１６が設けられる。因みに、振動子１４の直径Ｌ1 は３ｍｍ、振動子１４のセンサ本体１１表面からの高さＬ2 は６ｍｍである。
【００２４】
このような光距離センサを試作し、原理を確認する実験を行った。
【００２５】
微小磁石１３と発光素子（ＬＥＤ）１６をスプリング１５で支持し、動電駆動することによって、点光源としての発光素子１６を振動させる。この装置には、まだ受光部が組み込まれてはいないが、基本原理を確認するために以下のような実験を行った。
【００２６】
まず、発光素子１６の前面に受光素子を配置し、受光強度と距離の関係を調べた。次に、その中間地点に透過散乱体（紙）を設置し、同様に受光強度と距離の関係を調べた。
【００２７】
その結果は、図４に重ねて表示されている。いずれの場合にも、ほぼ距離の２乗に逆比例して受光強度が減少していく様子が確認され、原理で論じたように対象物が散乱表面、鏡面表面いずれの場合にも、Ｄ（ｘ）がｘの２乗に逆比例する性質が示唆されている。なお、■は直接的な測定をした場合、◆は中間地点で薄い紙によって妨げられた場合を示している。
【００２８】
次に、光源を振動させ、ＩおよびΔＩの比を検出した結果を図５に示す。
【００２９】
Ｉの検出においては、光源を３５０Ｈｚで変調してその平均振幅を求め、ΔＩについてはその包絡線の振動周波数成分（１０Ｈｚ）から求めた。
【００３０】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
【００３１】
本発明では、上記した対象物からの距離を測定するのに加えて、その対象物の表面の傾きを測定するように構成することができる。
【００３２】
図６は本発明の他の実施例を示す光距離センサの構成図（その１）である。
【００３３】
この図に示すように、固定部２１に長尺状のバイモルフ振動体２２を設け、その先端部に、図１に示した光距離センサを配置することにより、光源３及び受光素子４を光の進行方向に対して横方向にも振動させて対象面２０の傾きを測定するようにしたものである。ここでは、バイモルフ振動体２２の長さＬが十分長いいので光源３及び受光素子４を光の進行方向に対して平行方向に振動させることができる。
【００３４】
図７は本発明の他の実施例を示す光距離センサの構成図（その２）である。
【００３５】
この図に示すように、固定部３１に短尺状のバイモルフ振動体３２を設け、その先端部に、図１に示した光距離センサを配置することにより、光源３及び受光素子４を光の進行方向に対して横方向にも振動させて対象面３０の傾きを測定するようにしたものである。ここでは、バイモルフ振動体２２の長さＬが短いので、光源３及び受光素子４を光の進行方向に対して回転方向に振動させることができる。
【００３６】
いずれの場合も、対象面２０，３０が傾いてときだけ明るさの変動（駆動周波数と同じ周波数の変動成分）が生じるから、その変動の振幅から傾きが精度よく検出される。
【００３７】
なお、上記した固定部をアクチュエータで駆動することにより、光源及び受光素子を光の進行方向に対して横方向にも移動させるように構成することも可能である。すなわち、一種の対象物の表面の走査であり、種々の形態を適用することができる。
【００３８】
このように構成することにより、対象物からの距離を測定するとともに、その対象物の傾きを測定することができ、対象物の動きなどをより精密に測定することができる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４１】
（Ａ）光源と受光素子の両方を振動させることによって安定に距離を検出することができる。また、対象物が散乱表面、鏡面表面いずれの場合にも正確な距離を検出することができる。
【００４２】
（Ｂ）振動振幅が一定であれば、表面の色や発光部や受光部の汚れによる感度の変化は距離推定値に影響しないので、正確な距離の測定を行うことができる。
【００４３】
（Ｃ）より簡単な構成により、小型の光距離センサを得ることができる。
【００４４】
（Ｄ）対象物からの距離を測定するとともに、その対象物の傾きを測定することができ、対象物の動きなどをより精密に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す光距離センサの構成図である。
【図２】  図１と等価な自由空間において受光部を鏡像点に配置した場合を示す図である。
【図３】  本発明の具体例を示す光距離センサの円筒体が取り付けられる前の基礎実験用の装置を示す図である。
【図４】  対象物からの各種の距離における受光強度を示す図である。
【図５】  対象物からの距離とＩ／ΔＩの実験結果を示す図である。
【図６】  本発明の他の実施例を示す光距離センサの構成図（その１）である。
【図７】  本発明の他の実施例を示す光距離センサの構成図（その２）である。
【符号の説明】
１，１１    センサ本体
２    振動体
３，１６    点光源としての発光素子（ＬＥＤ）
４    受光素子
５    円筒体
６    対象物
１２    ソレノイド
１３    微小磁石
１４    振動子
１５    スプリング
２１，３１    固定部
２２    長尺状のバイモルフ振動体
２０，３０    対象面
３２    短尺状のバイモルフ振動体
【図１】
0003698920.tif 000002
【図２】
0003698920.tif 000003
【図３】
0003698920.tif 000004
【図４】
0003698920.tif 000005
【図５】
0003698920.tif 000006
【図６】
0003698920.tif 000007
【図７】
0003698920.tif 000008