(57)【要約】【課題】測距範囲において距離に比例する出力信号を正確に得ることができ、測距範囲全域で高い測距精度が得られる光学式測距センサを提供する。【解決手段】光を出射する発光素子１１と、発光素子１１から出射された光を集光して測距対象物に照射する投光用集光手段１３と、測距対象物からの反射光を集光する受光用集光手段１４と、発光素子１１から出射された光の光軸に対して受光面が垂直になるように配置され、受光用集光手段１４により集光された反射光を受光する受光素子１２とを備える。上記投光用集光手段１３から測距対象物までの距離の変化量と受光素子１２の受光面上の光スポットの移動量とが比例するように、曲率を光軸からθ方向に累進的に変化させた単レンズを受光用集光手段１４に用いる。【選択図】図１
2005221301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角測距方式の光学式測距センサであって、
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測距対象物に照射する投光用集光手段と、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光用集光手段と、
上記発光素子から出射された光の光軸に対して受光面が垂直になるように配置され、上記受光用集光手段により集光された上記反射光を受光する受光素子とを備え、
上記受光用集光手段が単レンズであり、
上記投光用集光手段から上記測距対象物までの距離の変化量と上記受光素子の受光面上の光スポットの移動量とが比例するように、上記単レンズの曲率を光軸側から外周側に向かって累進的に変化させていることを特徴とする光学式測距センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式測距センサにおいて、
上記受光素子は、受光面上の光スポットの移動量に基づく信号を出力する位置検出素子であることを特徴とする光学式測距センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学式測距センサに関し、光を投射してその反射光を受光することにより測距対象物までの距離を検知する光学式測距センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学式測距センサとしては、図４に示すように、光を投射してその反射光を受光することにより測距対象物までの距離を検知する三角測距方式のものがある(例えば、特開２００３−１５６３２８号公報(特許文献１)参照)。この光学式測距センサ１００は、図４に示すように、測距対象物に光を投射するための発光素子１０１と、投射する光を集光する投光用集光手段１０３と、測距対象物で反射した反射光を集光する受光用集光手段１０４と、受光用集光手段１０４によって集光された反射光を受光する受光素子１０２を備える。
【０００３】
上記発光素子１０１は、発光ダイオードなどの光源であり、発光素子１０１から出射された光束は、出射部前方の光路に配設された投光用集光手段１０３により絞られ、測距対象物に対して投光される。
【０００４】
上記受光素子１０２は、ＰＳＤ(Position Sensitive Device：位置検出素子)であり、測距対象物で拡散反射した反射光は、受光面１０２ａの前方に配設された受光用集光手段１０４により絞られ、受光面１０２ａに導かれる。
【０００５】
上記構成の光学式測距センサ１００において、発光素子１０１から出射された光は、投光用集光手段１０３を通過して、測距対象物に投光され、測距対象物で拡散反射した一部の光は、受光用集光手段１０４を通過して絞られた光スポットとして受光面１０２ａに入射する。この入射光が受光面１０２ａに入射する位置は、測距対象物と光学式測距センサ１００との距離によって変化する。上記受光素子１０２の受光面１０２ａに入射する光スポットの入射位置が基準位置から変化すると、この変化量に応じて受光素子１０２の両端から取り出される信号電流Ｉ１とＩ２が変化する。上記受光素子１０２から出力される信号電流は、制御部(図示しない)の信号処理回路により、出力信号Ｓ１,Ｓ２に変換される。
Ｓ１＝Ｉ１／(Ｉ１＋Ｉ２)
Ｓ２＝(Ｉ１−Ｉ２)／(Ｉ１＋Ｉ２)
ここで、Ｉ１、Ｉ２は、
Ｉ１＝(ｄ＋２ｘ)・Ｉ０／２ｄ
Ｉ２＝(ｄ−２ｘ)・Ｉ０／２ｄ
ただし、ｄ  ：  ＰＳＤ(１０２)の受光面の光スポットの移動範囲
Ｉ０：  全光電流(Ｉ１＋Ｉ２)
ｘ  ：  ＰＳＤ(１０２)の中心から光スポットの入射位置までの距離
で表される。
【０００６】
また、三角測距の原理となる次式により、
ｘ＝(Ａ・ｆ)／Ｄ
ただし、Ａ：投光用集光手段１０３の光軸と受光用集光手段１０４の光軸との距離(基線長)、
ｆ：受光用集光手段１０４の焦点距離、
Ｄ：測距可能範囲Ｌの中心からの測距対象物の位置までの距離
出力信号Ｓ１またはＳ２は次のようになる。
Ｓ１＝(２ｘ＋ｄ)／２ｄ
＝［｛(Ａ・ｆ／Ｄ)−Ｂ｝／ｄ］＋１／２
Ｓ２＝２ｘ／ｄ
＝２｛(Ａ・ｆ／Ｄ)−Ｂ｝／ｄ
ただし、Ｂは受光用集光手段１０４の光軸からＰＳＤ(１０２)の中心までの距離を表し、Ｘを受光用集光手段１０４の光軸からＰＳＤ(１０２)上の光スポットの入射位置までの距離とすると、Ｘ＝Ｂ＋ｘの関係を有する。
【０００７】
図５に上記光学式測距センサ１００における測距対象物までの距離に対する出力信号の変化の一例を示している。図５に示すように、光学式測距センサ１００の出力信号の変動は、基本的に上記Ｓ１またはＳ２の式に基づき、測距対象物までの距離に反比例する。つまり、基本的には測距対象物までの距離が遠くなるにつれ受光素子１０２の受光面１０２ａ上の光スポットの位置変化が少なくなるため、それに伴い出力の変動も少なくなっていく。一方、測距対象物までの距離が近距離にある場合、反射光の光スポットが受光面から外れていくため、受光する光量が急速に減少し、それに伴いセンサの出力も急速に減少する。一般に、光学式測距センサでは、反射光の光スポットが受光面にある領域、すなわち出力信号が測距対象物までの距離に反比例する領域を測距範囲として使用する。
【０００８】
上記従来の光学式測距センサ１００では、出力信号が測距対象物までの距離に反比例しているため、測距対象物までの距離が遠距離になるほど出力信号Ｓの変化量が小さくなり、測距精度が低くなる課題があった。このため、遠距離で測距精度が必要な用途では、光学式測距センサが検出可能な測距範囲全域を利用することができず、測距範囲を限定する必要があった。
【特許文献１】特開２００３−１５６３２８号公報(図４)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、この発明の目的は、測距範囲において測距対象物までの距離に比例する出力信号を正確に得ることができ、測距範囲全域で高い測距精度が得られる光学式測距センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、この発明の光学式測距センサは、三角測距方式の光学式測距センサであって、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測距対象物に照射する投光用集光手段と、上記測距対象物からの反射光を集光する受光用集光手段と、上記発光素子から出射された光の光軸に対して受光面が垂直になるように配置され、上記受光用集光手段により集光された上記反射光を受光する受光素子とを備え、上記受光用集光手段が単レンズであり、上記投光用集光手段から上記測距対象物までの距離の変化量と上記受光素子の受光面上の光スポットの移動量とが比例するように、上記単レンズの曲率を光軸側から外周側に向かって累進的に変化させていることを特徴としている。
【００１１】
上記構成の光学式測距センサによれば、上記発光素子から出射された光は、投光用集光手段を通過して測距対象物に投光され、測距対象物で拡散反射し、その反射光の一部は、受光用集光手段により集光されて、発光素子の受光面に入射して光スポットを形成する。この発光素子の受光面上の光スポットの位置は、測距対象物とこの光学式測距センサとの距離によって変化する。上記発光素子の受光面上の光スポットの位置が変化すると、この変化量に応じた出力信号が受光素子から出力される。そして、上記投光用集光手段から測距対象物までの距離の変化量と受光素子の受光面上の光スポットの移動量とが比例するように、曲率を光軸側から外周側に向かって累進的に変化させた単レンズを受光用集光手段に用いることによって、受光素子の出力信号を距離に比例させることが可能となり、遠距離位置でも近距離位置でも出力信号の変化量は一定となる。したがって、遠距離位置から近距離位置まで測距精度が一定となるから、測距範囲において測距対象物までの距離に比例する出力信号を正確に得ることができ、測距範囲全域で高い測距精度が得られる。
【００１２】
また、一実施形態の光学式測距センサは、上記受光素子は、受光面上の光スポットの移動量に基づく信号を出力する位置検出素子であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上より明らかなように、この発明の光学式測距センサによれば、測距センサの測距範囲において、測距対象物までの距離に比例する信号が得られ、所定の測距精度が実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の光学式測距センサを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１５】
図１はこの発明の実施の一形態の光学式測距センサの基本的な構成を示す模式図である。
【００１６】
この第１実施形態の光学式測距センサ１０は、図１に示すように、光を出射する発光素子１１と、上記発光素子１１から出射された光を集光して測距対象物に照射する投光用集光手段１３と、上記測距対象物(図示せず)からの反射光を集光する受光用集光手段１４と、上記発光素子１１から出射された光の光軸に対して受光面が垂直になるように配置され、受光用集光手段１４により集光された反射光を受光する受光素子１２とを備えている。
【００１７】
上記発光素子１１は、発光ダイオードなどの光源であり、発光素子１１から出射された光は、出射部前方の光路に配設された投光用集光手段１３により絞られ、測距対象物に投光される。
【００１８】
上記受光素子１２は、ＰＳＤ(Position Sensitive Device：位置検出素子)であり、測距対象物で拡散反射した反射光は、受光面１２aの前方に配設された受光用集光手段１４により絞られ、受光面１２aに導かれる。
【００１９】
上記発光素子１１から出射された光は、投光用集光手段１３を通過して、測距対象物に投光され、測距対象物で拡散反射した一部の光は、受光用集光手段１４を通過して絞られた光スポットとして受光面１２aに入射する。この入射光が受光面１２aに入射する位置は、測距対象物と光学式測距センサ１０との距離によって変化する。受光面１２aに入射する光スポットの入射位置が基準位置(受光面１２aの中心)から変化すると、この変化量に応じて受光素子１２の両端から取り出される信号電流Ｉ１とＩ２が変化する。そして、上記受光素子１２から出力される信号電流は、制御部(図示しない)の信号処理回路により、出力信号に変換される。
【００２０】
ところで、従来、三角測距の原理を用いながら、測距対象物までの距離に比例する出力信号が得られる光学式測距センサとして、図６に示すような構成が知られている。
【００２１】
この場合、三角測距の原理となる式は、
ｄ＝(ｆ’／Ａ)・Ｌ
ただし、ｄ  ：  ＰＳＤの受光面上の光スポットの移動範囲
Ａ  ：  投光用集光手段２０３と受光用集光手段１４の距離(基線長)
ｆ’：  投光用集光手段２０３の焦点距離
Ｌ  ：  測距可能範囲
となる。そして、ｙをＰＳＤの中心から光スポットまでの距離とし、Ｄを測距可能範囲Ｌの中心から測距対象物の位置までの距離とすると、
ｙ＝(ｆ’／Ａ)・Ｄ
となり、受光素子２０１の出力信号Ｓ１,Ｓ２は、
Ｓ１＝(２ｙ＋ｄ)／２ｄ
＝｛ｆ’／(Ａ・ｄ)｝・Ｄ＋１／２
Ｓ２＝２ｙ／ｄ
＝２｛ｆ’／(Ａ・ｄ)｝・Ｄ
で表される。すなわち、測距可能範囲Ｌの中心からの変位量Ｄすなわち測距対象物までの距離に比例する出力信号Ｓ１,Ｓ２が得られる。
【００２２】
但し、図６に示す従来の光学式測距センサでは、受光素子２０２(ＰＳＤ)は、投射する光の光軸と平行に配置されていて、発光素子２０１と同一面上に取り付けられていないため、光学式測距センサの構成が複雑かつ大型化するといった課題があった。
【００２３】
これに対して、本発明の光学式測距センサでは、図１に示すように、投光用集光手段１３の光軸側から外周側に向かって曲率が累進的に変化している単レンズを受光用集光手段１４に用いて反射光を導き、ＰＳＤ(１２)上に投影した位置に光スポットを形成している。
【００２４】
以下、図７を用いて上記受光用集光手段１４に用いられる単レンズの曲率半径と光軸からの距離との関係について説明する。この単レンズの開口絞りの中心Ｒを通る光線がＰＳＤ(１２)上の光スポットを代表しているので、図７では、この光線について説明する。
図７に示すように、単レンズの開口絞りの中心を通る光線は、受光素子と向き合う側の曲面上の点Ｐを通り、受光素子上の点Ｓに達する。ここで、点Ｐにおける曲率半径をｒ、受光用集光手段の光軸上にある曲率半径の中心Ｑ、受光用集光手段の光軸からの距離をｈとすると、曲率半径ｒは以下の式で表され、距離ｈに従って変化する。
ｒ＝(ｎ−１)・ｆ(ｈ)
ここで、ｆ(ｈ)は、
ｆ(ｈ)＝ｈ／［(ｎＡ／Ｌ)−｛ｆ−(ｈＬ／Ａ)｝／(Ｘ−ｈ)］
で示される。
このｆ(ｈ)の式は次のようにして求められる。
まず、図７において、
ＰＱ＝ｒ
ＴＰ＝ｈ
ＲＯ＝ｆ
ＴＯ＝Ｓ
ＳＯ＝Ｘ
とし、
ｎ ：レンズの屈折率
ｎ'：空気の屈折率(＝１)
とする。また、
ｒ＝ｈ／sinθ≒ｈ／θ  (θは微小なためsinθ≒θ)  ………(式１)
ｉ＝α−θ  ………(式２)
ｉ'＝β−θ  ………(式３)
スネルの法則より、
ｎ・sinｉ＝ｎ'・sinｉ'  ………(式４)
である。さらに、ｉ,ｉ'は微小なので、
sinｉ≒ｉ , sinｉ'≒ｉ'  ………(式５)
となり、(式４),(式５)より、
ｎ・ｉ＝ｎ'・ｉ'＝ｉ'  (ｎ'＝１)  ………(式６)
となる。この(式６)に(式２),(式３)を適用して、
ｎ(α−θ)＝β−θ
θ＝(ｎα−β)／(ｎ−１)  ………(式７)
tanα≒α＝ｈ／(ｆ−Ｓ)  (αは微小なためtanα≒α)  ………(式８)
が得られる。また、
tanα≒α＝Ａ／Ｌ  ………(式９)
と表すと、(式８),(式９)より、
Ｓ＝ｆ−(ｈＬ／Ａ)  ………(式１０)
tanβ≒β＝Ｓ／(Ｘ−ｈ)
＝{ｆ−(ｈＬ／Ａ)}／(Ｘ−ｈ)  ………(式１１)
となる。そうして、(式７)に(式９)と(式１１)を代入すると、
θ＝[(ｎＬ／Ａ)−{ｆ−(ｈＬ／Ａ)}]／(Ｘ−ｈ)  ………(式１２)
となり、この(式１２)を(式１)に代入すると、
ｒ＝(ｎ−１)ｈ／[(ｎＬ／Ａ)−{ｆ−(ｈＬ／Ａ)}]／(Ｘ−ｈ)]  ………(式１３)
が得られる。
【００２５】
図３は従来の光学式測距センサの構成中の受光素子ＰＳＤ２と本発明の光学式測距センサの構成の受光素子ＰＳＤ１を同時に示しており、図３を用いて上記内容を説明する。
【００２６】
図３に示すように、受光用集光手段２０の光軸に対して受光面が垂直になるように受光素子ＰＳＤ１が配置され、受光用集光手段２０の光軸に対して受光面が平行になるように受光素子ＰＳＤ２が配置されている。上記受光素子ＰＳＤ１の受光面と受光素子ＰＳＤ２の一端との間の距離をＨとしている。上記受光素子ＰＳＤ１の受光面上の光スポットと受光素子ＰＳＤ２の受光面上の光スポットは、受光素子ＰＳＤ２の受光面の光スポットが移動する直線の延長線と受光素子ＰＳＤ１の交点から延び、かつ、受光素子ＰＳＤ１の受光面とのなす角が４５度の直線２０に対して線対称な位置にある。
【００２７】
従って、受光用集光手段２０の光軸からＰＳＤ１上の光スポットまでの距離Ｘは、次の式で表される。
Ｘ＝ｆ’＋Ｈ＋(ｄ／２)−ｙ
＝Ｃ−(ｆ’／Ａ)・Ｌ        (Ｃ＝ｆ’＋Ｈ＋(ｄ／２))
ただし、ｙはＰＳＤ２の中心から光スポットまでの距離を表し、ＰＳＤ２の中心に対してＰＳＤ１側は負、ＰＳＤ２の中心に対してＰＳＤ１側は正の値をとるものとする。また、Ｄは測距可能範囲Ｌの中心から測距対象物の位置までの距離、ｄはＰＳＤの受光面の光スポットの移動範囲とする。
【００２８】
このとき、出力信号Ｓ１,Ｓ２は以下のようになる。
Ｓ１＝(２ｘ＋ｄ)／２ｄ
＝Ｃ／ｄ−｛ｆ’／(Ａ・ｄ)｝・Ｄ＋１／２
Ｓ２＝２ｘ／ｄ
＝(２／ｄ)・｛Ｃ−(ｆ’／Ａ)・Ｄ｝
すなわち、この発明の実施形態の光学式測距センサでは、図２に示すような測距対象部までの距離に比例する出力信号Ｓ１,Ｓ２が得られる。
【００２９】
上記のような受光素子ＰＳＤ１上の光スポット位置を得るためには、曲率が一定の単レンズでは実現不可能であり、投光用集光手段から測距対象物までの距離の変化量と受光素子の受光面上の光スポットの移動量とが比例するように、光軸からθ方向に曲率が累進的に変化している単レンズを受光用集光手段２１として用いる。
【００３０】
これにより、上記実施形態の光学式測距センサは、測距範囲において測距対象物までの距離に比例する出力信号を正確に得ることができ、測距範囲全域で高い測距精度が得られる光学式測距センサを実現することができる。
【００３１】
例えば、図４に示す従来の光学式測距センサでは、図５に示すように、出力信号Ｓは距離Ｌに反比例しているため、遠距離になるほど出力信号Ｓの変化量が小さくなり、出力信号の分解能ΔＳに対応する距離ΔＬは、遠距離位置Ｌ１と近距離位置Ｌ２で異なる。即ち、遠距離位置では測距精度が近距離位置に比べて低くなる(ΔＬ１＞ΔＬ２)。
【００３２】
これに対して、本発明の光学式測距センサでは、図２に示すように、出力信号は測距対象物までの距離に比例しているため、遠距離位置や近距離位置でも出力信号の変化量は一定となり、出力信号の分解能ΔＳに対応する距離ΔＬも一定になる。従って、遠距離位置や近距離位置であっても、測距精度は一定となる(ΔＬ１＝ΔＬ２)。
【００３３】
上記実施の形態では、受光素子にＰＳＤを用いた光学式測距センサについて説明したが、受光素子は、これに限らず、受光面上の光スポットの移動量に基づく信号を出力する位置検出素子であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１はこの発明の実施の一形態の光学式測距センサの基本的な構成を示す模式図である。
【図２】図２は上記光学式測距センサの距離と出力信号との関係を示す図である。
【図３】図３は上記光学式測距センサの機能を説明するための図である。
【図４】図４は従来の光学式測距センサの基本的な構成を示す模式図である。
【図５】図５は上記光学式測距センサの距離と出力信号との関係を示す図である。
【図６】図６は距離に比例する出力信号が得られる従来の光学式測距センサの構成を示す模式図である。
【図７】図７は単レンズの曲率半径と光軸からの距離との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１…発光素子
１２…受光素子
１２a…受光面
１３…投光用集光手段
１４,２１…受光用集光手段
【図１】
2005221301.tif 000003
【図２】
2005221301.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005221301.tif 000007
【図６】
2005221301.tif 000008
【図７】
2005221301.tif 000009