(57)【要約】【課題】測距装置において、信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を向上させ、測距性能を高める。【解決手段】光源１０を備え、光源１０から出射された光を用いて計測を行う測距装置  １００であって、光源１０から出射された光の一部を分離して受光することで、光源１０から出射されている光の光量を測定する光量測定用受光素子２０と、光量測定用受光素子２０から出力される測定光量と基準光量とを比較し、その差が小さくなるように光源１０の発光特性を変更するための制御信号を出力する光量比較器２２と、光源１０を駆動すると共に、光量比較器２２からの制御信号に基づいて光源１０の発光特性を変更する光源駆動回路１２と、を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を備え、前記光源から出射された光を用いて計測を行う光検出装置であって、
前記光源から出射された光の一部を分離して受光することで、前記光源から出射されている光の光量を測定する光量測定用受光素子と、
前記光量測定用受光素子から出力される測定光量と基準光量とを比較し、その差が小さくなるように前記光源の発光特性を変更するための制御信号を出力する光量比較器と、
前記光源を駆動すると共に、前記光量比較器からの前記制御信号に基づいて前記光源の発光特性を変更する光源駆動回路と、
を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光検出装置であって、
前記光源及び前記光量測定用受光素子は同一の筐体に収められ、
前記光源から出射される光の一部を前記筐体の内部にて反射させる内部反射体を備え、
前記光量測定用受光素子は、前記内部反射体において反射された反射光を受光することを特徴とする光検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光検出装置であって、
前記光源の発光特性は、発光の光量及び発光の波長の少なくとも１つであることを特徴とする光検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置であって、
前記光量測定用受光素子の前面に配置され、前記光源において出射可能な波長を透過波長とする光学的バンドパスフィルタを備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出装置であって、
前記光源駆動回路は、前記光量比較器からの前記制御信号に基づいて前記光源に対する電圧又は電流を制御することを特徴とする光検出装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出装置であって、
前記光源駆動回路は、前記光量比較器からの前記制御信号に基づいて前記光源の温度を制御することを特徴とする光検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光検出装置であって、
前記光源から前記光量測定用受光素子の間の光路の少なくとも一部に外光を遮光するための遮光部材が設けられていることを特徴とする光検出装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光検出装置であって、
前記光源から光が出射されていないときに前記光量測定用受光素子によって測定された光量と、前記光源から光が出射されているときに前記光量測定用受光素子によって測定された光量と、の差分値を前記測定光量とすることを特徴とする光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源からパルス光を照射し、物体によって反射された反射光を受光することによって、物体までの距離を測定する測距装置が知られている。このような測距装置において、温度検出部で半導体レーザ素子（ＬＤ）の温度を測定し、測定温度に基づいて現在の発光波長λＬＤを推定し、推定された発光波長λＬＤに応じてバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を傾けることで中心透過波長λＢＰＦを変化させる構成が開示されている（特許文献１）。これにより、温度変化に伴ってＬＤの発光波長がシフトしても、それに応じて透過波長を変化させることができ、物体によって反射された光がＢＰＦによって減衰させられることを防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８５８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、光源であるＬＤの温度の変化に伴って発光波長が変化する。そこで、発光波長を安定化させる技術が望まれている。
【０００５】
また、ＢＰＦを用いる場合、光源の発光波長が前述の温度変化が原因で安定しないことにより、ＢＰＦの光透過波長帯域を狭くすることができない。これにより、ＢＰＦを透過（通過）してしまう外光等のノイズ成分が増大し、物体検出のための信号の信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を高くすることができない。
【０００６】
また、温度検出部によって検出されたＬＤの温度に基づいてＢＰＦの角度を制御するには、ＬＤの温度に対する波長変動の関係を予め測定し、対応表等を作成しておく必要がある。また、ＬＤの温度に対する波長依存性には素子毎にばらつきがあり、一定ではない。したがって、素子毎に対応表を設けなければ精度の高い温度補償をすることができない。さらに、素子毎に対応表を作成するには莫大なコストが掛かる。
【０００７】
また、制御によって得られた結果を確認することができないので、制御した結果が適切であったか否かを知ることができない。
【０００８】
さらに、ＢＰＦを傾けるために機械的な可動部品が必要であり、装置の信頼性を高めることが難しく、コストが増加するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様は、光源を備え、前記光源から出射された光を用いて計測を行う光検出装置であって、前記光源から出射された光の一部を分離して受光することで、前記光源から出射されている光の光量を測定する光量測定用受光素子と、前記光量測定用受光素子から出力される測定光量と基準光量とを比較し、その差が小さくなるように前記光源の発光特性を変更するための制御信号を出力する光量比較器と、前記光源を駆動すると共に、前記光量比較器からの前記制御信号に基づいて前記光源の発光特性を変更する光源駆動回路と、を備えることを特徴とする光検出装置である。
【００１０】
ここで、前記光源及び前記光量測定用受光素子は同一の筐体に収められ、前記光源から出射される光の一部を前記筐体の内部にて反射させる内部反射体を備え、前記光量測定用受光素子は、前記内部反射体において反射された反射光を受光することが好適である。
【００１１】
また、前記光源の発光特性は、発光の光量及び発光の波長の少なくとも１つであることが好適である。
【００１２】
また、前記光量測定用受光素子の前面に配置され、前記光源において出射可能な波長を透過波長とする光学的バンドパスフィルタを備えることが好適である。
【００１３】
また、前記光源駆動回路は、前記光量比較器からの前記制御信号に基づいて前記光源に対する電圧又は電流を制御することが好適である。
【００１４】
また、前記光源駆動回路は、前記光量比較器からの前記制御信号に基づいて前記光源の温度を制御することが好適である。
【００１５】
また、前記光源から前記光量測定用受光素子の間の光路の少なくとも一部に外光を遮光するための遮光部材が設けられていることが好適である。
【００１６】
また、前記光源から光が出射されていないときに前記光量測定用受光素子によって測定された光量と、前記光源から光が出射されているときに前記光量測定用受光素子によって測定された光量と、の差分値を前記測定光量とすることが好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光源の発光波長を安定させることができる。また、測距装置等において、狭帯域のＢＰＦを使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態の測距装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の測距装置の変形例の構成を示す図である。
【図３】第２の実施の形態の測距装置の構成を示す図である。
【図４】レーザダイオード（ＬＤ）の特性例を示す図である。
【図５】第３の実施の形態の測距装置の制御方法を説明する図である。
【図６】第４の実施の形態の測距装置の構成を示す図である。
【図７】第５の実施の形態の測距装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態における測距装置１００は、図１に示すように、光源１０、光源駆動回路１２、測距用受光素子１４、測距演算部１６、内部反射体１８、光量測定用受光素子２０、光量比較器２２及び筐体２４を含んで構成される。本実施の形態では、光源１０、光源駆動回路１２、測距用受光素子１４、測距演算部１６、内部反射体１８、光量測定用受光素子２０及び光量比較器２２は同一の筐体２４内に収められる。筐体２４は、窓２４ａを除いて外光を遮蔽する材料で構成される。
【００２０】
測距装置１００は、光源１０から所定の波長λＬＤの光を出力し、測定対象物２００において反射された反射光を測距用受光素子１４にて受光することにより測定対象物２００までの距離を測定するために用いられる。
【００２１】
なお、本実施の形態では、測距装置１００を例に説明するが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、温度による光源１０の発光波長λＬＤの変化を補償することができる光検出装置が適用できるものであればよい。
【００２２】
光源１０は、測距装置１００において測距に利用される光を出射する。光源１０は、レーザダイオード（ＬＤ）とすることができる。光源１０は、例えば、中心発光波長λＬＤが（８７０ｎｍといった）赤外線の帯域であるＬＤを使用するのが一般的である。
【００２３】
光源駆動回路１２は、光源１０を駆動させて光を出射させるための電気回路である。光源駆動回路１２は、光源１０に対して電力を供給することで光を出力させる。また、光源駆動回路１２は、光源１０の温度を調整するための温度制御手段１２ａを含む。温度制御手段１２ａは、温調手段及び測距演算部を含んで構成することができる。温調手段は、例えば、ペルチェ素子、ファン、ヒータ等の光源１０の温度を変更するための手段である。光源駆動回路１２は、後述する光量比較器２２から出力される制御信号を受けて、当該制御信号に応じて温調手段を制御することで光源１０の温度を調整する。
【００２４】
本実施の形態では、光源駆動回路１２による制御によって光源１０からパルス光が出力される。光源１０からパルス光が出射されると、その出射時刻ｔ０が測距演算部１６に入力される。
【００２５】
測距用受光素子１４は、受光素子を含んで構成される。測距用受光素子１４は、例えば、複数の受光素子を配列させた構成とされる。例えば、縦４個×横４個の合計１６個の受光素子をアレイ状に並べた構成を示している。ただし、測距用受光素子１４における受光素子の配置は、これに限定されるものではなく、１次元的又は２次元的に配置するようなものであってもよい。また、測距用受光素子１４は、１個の受光素子で構成してもよい。
【００２６】
各受光素子は、フォトダイオードを含んで構成することができる。例えば、ガイガーモードで動作可能なシングルフォトンアバランシェ型のフォトダイオードとしてもよい。これは、ＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）と呼ばれる。この場合、１つの受光素子は、ＳＰＡＤ、クエンチング抵抗及びパルス変換部から構成することができる。ＳＰＡＤは、逆バイアス電圧を降伏電圧以上として動作させられ、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こす。したがって、ＳＰＡＤは、レーザ光等の光に対して高い感度を有する。ＳＰＡＤは、ガードリングや金属配線の領域をできるだけ小さくし、素子面積に対する受光領域の割合であるフィルファクタ（開口率）を高めることが好適である。特に、クエンチング素子やリチャージ素子を行列状に配置されたＳＰＡＤの内部に形成しないことで、フィルファクタを高めることができる。クエンチング抵抗は、ＳＰＡＤに対して直列に接続される。クエンチング抵抗は、トランジスタや抵抗で構成することができる。ＳＰＡＤにアバランシェ電流が生ずるとクエンチング抵抗の端子間の電圧上昇によってＳＰＡＤに対するバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。クエンチング抵抗は、パルス変換部に対する検出信号を発生させるためにも利用される。パルス変換部は、ＳＰＡＤ及びクエンチング抵抗のペア毎にそれぞれ設けられる。パルス変換部は、クエンチング抵抗の端子電圧を所定の基準値と比較し、その比較結果に応じて矩形パルスを生成する。パルス変換部は、例えば、コンパレータ、インバータ等を含んで構成することかできる。このような構成により、測距用受光素子１４の各受光素子に光が入射すると測距演算部１６へパルス信号が出力される。
【００２７】
測距演算部１６は、測距用受光素子１４からパルス信号を受けると、当該パルス信号を受信した受信時刻ｔｄと光源１０からのパルス光の出射時刻ｔ０との差分Δｔ（＝ｔｄ−ｔ０）に基づいて測定対象物２００までの距離を演算する。測距演算部１６は、差分Δｔに光速ｃを乗算し、それを２で割ることで測定対象物２００までの距離Ｄを求める。
【００２８】
内部反射体１８は、光源１０から出射された光の一部を反射させて、光量測定用受光素子２０へ導くための部材である。内部反射体１８は、光源１０から出射される波長λＬＤの光を反射できるミラーにより構成することができる。
【００２９】
光量測定用受光素子２０は、内部反射体１８によって反射された光源１０からの光を受光する。光量測定用受光素子２０は、受光素子を含んで構成される。光量測定用受光素子２０は、例えば、複数の受光素子を配列させた構成とされる。例えば、横４個に並べられた受光素子の構成を示している。ただし、光量測定用受光素子２０における受光素子の配置は、これに限定されるものではなく、２次元的に配置するようなものであってもよい。また、光量測定用受光素子２０は、１個の受光素子で構成されてもよい。光量測定用受光素子２０の構成は、フォトダイオードを含んで構成することができる。光量測定用受光素子２０は、内部反射体１８によって反射された光の光量に応じた強度の信号を光量比較器２２へ出力する。
【００３０】
光量比較器２２は、光量測定用受光素子２０によって測定された光量と基準光量とを比較し、その差に応じた制御信号を生成して光源駆動回路１２へ出力する。すなわち、光量比較器２２は、光量測定用受光素子２０によって測定された光量の基準光量に対する過不足を検知し、その量に応じた制御信号を出力する。
【００３１】
光源１０から出射される光の波長λＬＤが変化すると、光量測定用受光素子２０の感度の波長依存性によって測定される光量が変化する。すなわち、光源１０から出射される光の波長λＬＤの変化に伴って、光量測定用受光素子２０から出力される信号の強度は変化する。光源駆動回路１２は、光量比較器２２からの制御信号に応じて光源１０を加熱又は冷却して波長λＬＤの変化が小さくなるように温度を調整する。
【００３２】
これによって、光源１０の発光波長λＬＤが一定となるようにフィードバック制御される。したがって、光源１０の発光波長λＬＤを安定させることができる。光源１０の発光波長λＬＤを安定させることによって、測距装置１００における測距用受光素子１４での受光光量も安定させることができ、測距の精度を高めることができる。
【００３３】
また、図２に示すように、内部反射体１８を筐体２４の一部で構成するようにしてもよい。例えば、筐体２４の防砂フードや防水フードの一部に光源１０から出射された光を反射する特性を持たせ、光源１０から出射された光が当該部分にて反射されて光量測定用受光素子２０に入射するようにしてもよい。
【００３４】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態における測距装置１０２は、図３に示すように、第１の実施の形態の測距装置１００に対して測距用受光素子１４及び光量測定用受光素子２０の入射面（前面）にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３０を設けた点で相違する。
【００３５】
バンドパスフィルタ３０は、所望の波長範囲の光を透過し、その波長範囲外の光を減衰させるフィルタである。バンドパスフィルタ３０は、その中心透過波長λＢＰＦが光源１０の発光波長λＬＤに合わせることが好適である。すなわち、バンドパスフィルタ３０は、光源１０から出射可能な波長領域（中心波長、標準波長等を含む）の光を透過し、それ以外の波長領域外の光を減衰させるフィルタとすればよい。バンドパスフィルタ３０は、測距用受光素子１４及び光量測定用受光素子２０に入射する光が共に通過する光学的な位置に配置される。なお、バンドパスフィルタ３０は、測距用受光素子１４及び光量測定用受光素子２０に共通に１枚設けてもよいし、測距用受光素子１４及び光量測定用受光素子２０に対して同じ特性のものをそれぞれ別に設けてもよい。
【００３６】
このように、バンドパスフィルタ３０を設けることによって、その透過波長範囲外の光を減衰させることができ、光源１０の発光波長λＬＤ近傍以外の外光の影響を低減させ、信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を高めることができる。特に、本実施の形態によれば、光源１０の温度を制御することで、光源１０の発光波長λＬＤの変化による光量の減衰を検知して、その発光波長λＬＤを狭い範囲に維持することができる。そして、光源１０の発光波長λＬＤをバンドパスフィルタ３０の中心透過波長付近に安定化させることで、バンドパスフィルタ３０の透過波長範囲をより狭くすることができ、信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）をより高めることができる。
【００３７】
なお、第１の実施の形態の測距装置１００及び第２の実施の形態の測定対象物２００において、光源駆動回路１２の温調手段としてヒータのみを設ける構成としてもよい。この場合、常温よりも光源１０を高い温度に加熱した状態を通常時とし、その通常時における光源１０の発光波長λＬＤのときの光量測定用受光素子２０の出力を光量比較器２２での基準光量に設定しておくことが好適である。これにより、ヒータをオフすることにより光源１０を冷却することができ、ヒータのみで光源１０の加熱及び冷却の両方を実現することができる。
【００３８】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態における測距装置は、第１の実施の形態の測距装置１００の光源駆動回路１２において温調手段を設けたのに対して、光源１０自体に対する制御によって光源１０の温度を調整する構成とした点で相違する。
【００３９】
本実施の形態における測距装置の光源駆動回路１２では、光源１０であるレーザダイオード（ＬＤ）のリーク電流を利用して光源１０の温度を調整することで、光源１０の発光波長λＬＤを制御する。
【００４０】
図４に示すように、レーザダイオード（ＬＤ）は、素子の半導体特性で定まる閾値電圧ＶＴＨ以上の電圧を印加しなければ発光しない。ただし、閾値電圧ＶＴＨ未満の電圧であっても、わずかなリーク電流が流れており、その印加電圧の増加に伴ってリーク電流も増加する。このリーク電流によるジュール熱によってレーザダイオード（ＬＤ）自体が加熱される。そこで、このリーク電流を制御することによって、レーザダイオード（ＬＤ）の温度を調整し、その発光波長λＬＤを制御することができる。
【００４１】
具体的には、図５に示すように、レーザダイオード（ＬＤ）への印加電圧ＶＬＤに重畳させる直流電圧のオフセット電圧ＶＯＳを制御することによって、レーザダイオード（ＬＤ）の温度を調整し、その発光波長λＬＤを制御することができる。
【００４２】
本実施の形態の測距装置によれば、ペルチェ素子、ヒータ、ファン等の温調手段を必要とすることなく、光源１０の発光波長λＬＤを制御することができる。
【００４３】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態における測距装置１０４は、図６に示すように、外光を遮断するために内部反射体１８と光量測定用受光素子２０との間の光路に遮光部材３２を設けた構成とする。遮光部材３２は、例えば、内部反射体１８と光量測定用受光素子２０との間の光路を覆う不透明な筒状の部材とすればよい。
【００４４】
これにより、測距装置１０４によれば、外光をよく確実に遮断することができ、外光の影響を除いて得られた光量測定用受光素子２０での測定結果に基づいて光源１０の温度を調整することができる。したがって、光源１０の発光波長λＬＤをより正確に制御することができる。
【００４５】
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態における測距装置１０６は、図７に示すように、光量測定用受光素子２０によって測定された光量を一時的に記憶しておくメモリ３４を含んで構成される。メモリ３４は、光源１０を発光させない状態において光量測定用受光素子２０で測定された光量に応じた信号の強度Ｓ１を記憶する。当該信号の強度Ｓ１は、光源１０を発光させない状態における外光によるノイズ成分である。光量比較器２２は、光源１０を発光させた状態における光量測定用受光素子２０で測定された光量に応じた信号の強度Ｓ２からメモリ３４に記憶されている信号の強度Ｓ１を減算することにより、外光によるノイズ成分を除去して光源１０からの光による信号成分のみを抽出し、その量に応じた制御信号を出力する。
【００４６】
このように、本実施の形態における測距装置１０６によれば、筐体２４や遮光部材３２による遮光が十分に行えないような場合であっても、光源１０からの光の反射光による信号成分に基づいて光源１０の温度制御を行うことができる。
【００４７】
なお、光源１０を発光させない状態における光量測定用受光素子２０での測定と、光源１０を発光させた状態における光量測定用受光素子２０での測定とを可能な限り時間的に近いタイミングで行うことが好適である。
【００４８】
また、上記実施の形態では、光源１０から出射される光の一部を内部反射体１８によって分離する構成としたが、これに限定されるもではない。例えば、光源１０から出射される光の一部が光量測定用受光素子２０に直接入射するような配置としてもよい。また、内部反射体１８の代わりに回折格子等の光学素子を用いて光源１０から出射される光の一部を分離するような構成としてもよい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、測距用受光素子１４と光量測定用受光素子２０を別体としたが、１つのチップとして集積して一体としてもよい。
【００５０】
また、内部反射体１８で直ちに反射される光は極めて光量が多い（強い）。そのため、光量測定用受光素子２０と測距用受光素子１４とを同等の感度とすると、光量測定用受光素子２０において信号飽和等を引き起こして、光量を正確に測定できない懸念がある。そこで、内部反射体１８における反射光を減衰させる構成としておくことが好適である。また、光量測定用受光素子２０の感度を測距用受光素子１４の感度よりも低くしておくことが好適である。感度を低くするためには、光量測定用受光素子２０へ印加するバイアス電圧を下げたり、もともと感度の低いデバイス構造としたりする方法が挙げられる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  光源、１２  光源駆動回路、１２ａ  温度制御手段、１４  測距用受光素子、１６  測距演算部、１８  内部反射体、２０  光量測定用受光素子、２２  光量比較器、２４  筐体、２４ａ  窓、３０  バンドパスフィルタ、３２  遮光部材、３４  メモリ、１００，１０２，１０４，１０６  測距装置、２００  測定対象物。
【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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