JPH073336B2 - Distance calculation method - Google Patents
Distance calculation methodInfo
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- JPH073336B2 JPH073336B2 JP30596488A JP30596488A JPH073336B2 JP H073336 B2 JPH073336 B2 JP H073336B2 JP 30596488 A JP30596488 A JP 30596488A JP 30596488 A JP30596488 A JP 30596488A JP H073336 B2 JPH073336 B2 JP H073336B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は距離算出方法に関し、特に位置検出用受光素子
の両端部に位置する電極より出力される電流の値を用
い、三角測量の原理により被測定物への距離を算出する
ことのできる距離算出方法に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a distance calculation method, and in particular, it uses the value of current output from electrodes located at both ends of a position detection light-receiving element and uses the principle of triangulation. The present invention relates to a distance calculation method capable of calculating a distance to an object to be measured.
光学的に被計測物体の空間的な位置座標を計測するもの
としては、電子的な走査によるテレビジョン用撮像管ま
たは固体撮像素子などのイメージデバイスによるもの、
ミラー、レティクル等の機械的走査によるものなど、基
本的には画像の走査技術に立脚した方法がほとんどであ
った。このような走査方式の場合、計測のサンプリング
レートは毎秒像数により決定され、制限される問題点が
ある。画像の走査を行わないで、照射された入射光の位
置を検出する方式として、半導体表面における“Latera
l Photo Effect"を利用した位置検出用受光素子(以下P
SDと略記する)が採用されている。Optically measuring the spatial position coordinates of the object to be measured includes an image device such as a television image pickup tube or a solid-state image pickup device by electronic scanning,
Basically, most of the methods are based on image scanning technology, such as mechanical scanning of mirrors and reticles. In the case of such a scanning method, the sampling rate for measurement is determined by the number of images per second and is limited. As a method to detect the position of incident light without scanning the image, "Latera
l Light receiving element for position detection using "Photo Effect" (hereinafter P
(Abbreviated as SD) has been adopted.
PSDは走査を行なわずに入射光の位置情報を含んだ信号
が得られるものであり、CCD(電荷結合素子)、MOSなど
の固体撮像素子と比較して構造および製法が比較的簡
単である。無限に小さな画素が2次元的に無数に分布
しているものと見なされ、画素間のデッドゾーンもない
ことから、きわめて高い位置分解能をもつ。位置信号
の演算や、素子の駆動も比較的簡単である。高いサン
プリングレートが得られる。被計測点に付した光源な
どを時分割点灯することにより、多点の位置計測が容易
に行える、などがあげられる(『O plus E』,1981年3
月号の非走査形ポジションセンサー、倉沢一男他)。The PSD obtains a signal including position information of incident light without scanning, and has a relatively simple structure and manufacturing method as compared with solid-state imaging devices such as CCD (charge coupled device) and MOS. Infinitely small pixels are considered to be innumerably distributed in a two-dimensional manner, and there is no dead zone between pixels, so that the pixel has extremely high position resolution. The calculation of the position signal and the driving of the element are relatively easy. A high sampling rate can be obtained. It is possible to easily measure the position of multiple points by turning on the light source attached to the measured point in a time-division manner (“O plus E”, March 1981).
Monthly non-scanning position sensor, Kazuo Kurasawa and others).
第3図にPSDの断面の一構成例を示す。PSDの表面にはp
型抵抗層が設けられており、裏面はn+層よりなる。使用
基板としては出きるだけ高抵抗で均一な比抵抗であるこ
とが要求される。高抵抗基板を用いることにより、応答
速度が速く、低雑音、直線性に優れた素子が得られる。
基板としては例えば、高抵抗Si基板が用いられる。FIG. 3 shows an example of the cross section of the PSD. P on the surface of PSD
A mold resistance layer is provided, and the back surface is an n + layer. The substrate used is required to have as high a resistance as possible and a uniform specific resistance. By using a high resistance substrate, an element having a high response speed, low noise and excellent linearity can be obtained.
As the substrate, for example, a high resistance Si substrate is used.
次に、特公昭58−42411号公報および浜松ホトニクス
(株)カタログ−半導体位置検出素子の原理・特長を参
照して、動作原理について述べる。Next, the operation principle will be described with reference to JP-B-58-42411 and Hamamatsu Photonics KK catalog-Principles and features of semiconductor position detecting elements.
PSDに光スポットが入射すると、入射位置には入射エネ
ルギーに比例した電荷が発生する。発生した電荷は光電
流としてp型抵抗層を通り、電極Aおよび電極Bからそ
れぞれI1およびI2の電流が取り出される。PSDの電極A
およびBの間の距離を2L、PSDの中心を原点とし、PSDの
中心軸から光入射位置までの距離をXAとした場合 が成り立つ。また、PSDの一方の電極A側の端部を原点
とし、電極Aから光入射位置までの距離をXBとした場
合、 が成り立つ。従って、I1およびI2より光入射位置を求め
ることができる。When a light spot is incident on the PSD, an electric charge proportional to the incident energy is generated at the incident position. The generated charges pass as a photocurrent through the p-type resistance layer, and the currents I 1 and I 2 are extracted from the electrodes A and B, respectively. Electrode A of PSD
When the distance between B and B is 2L, the center of PSD is the origin, and the distance from the central axis of PSD to the light incident position is X A Holds. When the one end of the PSD on the electrode A side is the origin and the distance from the electrode A to the light incident position is X B , Holds. Therefore, the light incident position can be obtained from I 1 and I 2 .
一方、第4図に示すように、投光レンズ1から被測定対
象物4までの距離をa、受光レンズ2からPSD3の受光面
までの距離をb、投光レンズ1の光軸と受光レンズ2の
光軸との間の距離をB、受光レンズ2の光軸からPSD3の
光入射位置5までの距離をXとする。投光レンズ1、受
光レンズ2およびPSD3の相互の位置関係は固定されてい
る。ここで、3角測量の原理に基づくと、 が成り立つ。従って、 である。ここで、受光レンズ2の光軸からPSD3の右端ま
での距離をXO、PSD3の右端から光入射位置5までの距離
をXBとすれば、 X=XO+XB (4) である。従って、(1)式または(2)式より光入射位
置を求めることができるので、(3)式および(4)式
より被測定対象物4までの距離を求めることができる。
しかし従来は、PSD3の設定位置を考慮に入れていないた
めに被測定範囲が広くなると、PSD3の位置誤差が大きく
なり、出力の直線性が悪いという問題点を有していた。On the other hand, as shown in FIG. 4, the distance from the light projecting lens 1 to the measured object 4 is a, the distance from the light receiving lens 2 to the light receiving surface of the PSD 3 is b, the optical axis of the light projecting lens 1 and the light receiving lens. Let B be the distance from the optical axis of 2 and X be the distance from the optical axis of the light receiving lens 2 to the light incident position 5 of the PSD 3. The mutual positional relationship among the light projecting lens 1, the light receiving lens 2 and the PSD 3 is fixed. Here, based on the principle of triangulation, Holds. Therefore, Is. Here, if the distance from the optical axis of the light receiving lens 2 to the right end of PSD3 is X O and the distance from the right end of PSD3 to the light incident position 5 is X B , then X = X O + X B (4). Therefore, since the light incident position can be obtained from the equation (1) or the equation (2), the distance to the measured object 4 can be obtained from the equations (3) and (4).
However, conventionally, since the setting position of PSD3 is not taken into consideration, the position error of PSD3 becomes large when the range to be measured becomes large, and there is a problem that the linearity of the output is poor.
PSDの出力の直線性を良くするために、折線近以回路を
付加したり、例えば、特開昭61−112902号公報に示され
ているように、PSDより出力される光電流を(I1+KI2)
/(I1+KI2)あるいは(I1−I2)/(I1+KI2)(Kは
1でない定数)によって変位出力せしめることにより、
補正回路を設けずに直線性の改善を図ることが提案され
ている。しかし、簡単な方法で広い測定範囲にわたって
良好な出力の直線性を得ることはできなかった。In order to improve the linearity of the PSD output, a circuit near the broken line is added, or, for example, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 61-112902, the photocurrent output from the PSD is changed to (I 1 + KI 2 )
By using / (I 1 + KI 2 ) or (I 1 −I 2 ) / (I 1 + KI 2 ) (K is a constant not equal to 1) for displacement output,
It has been proposed to improve linearity without providing a correction circuit. However, it was not possible to obtain good output linearity over a wide measurement range by a simple method.
そこで、本発明の目的は、上述した問題点を解消し、広
い測定範囲にわたって出力の直線性を有し、位置検出用
受光素子の両端部の電極から出力される電流より被測定
対象物までの距離を簡単に算出することのできる距離算
出方法を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to have linearity of output over a wide measurement range, and to measure an object to be measured from a current output from electrodes at both ends of a position detection light receiving element. It is to provide a distance calculation method capable of easily calculating a distance.
このような目的を達成するために、本発明は、被測定物
に光ビームを投光し、被測定物からの反射光を、両端部
にそれぞれ電極を有し該両電極間の受光面に光を受けた
時受光位置と電極との距離に応じた電流I1およびI2を電
極のそれぞれから出力する位置検出用受光素子によって
受光し、下式 または (各式において、A,B,C,D,Eは投受光系および位置検出
用受光素子の構造によって定まる定数)によって被測定
物までの距離を算出することを特徴とする。In order to achieve such an object, the present invention projects a light beam on an object to be measured, and reflects light from the object to be measured on a light-receiving surface between the electrodes having electrodes at both ends. When light is received, currents I 1 and I 2 are output from each of the electrodes according to the distance between the light receiving position and the electrode. Or (In each formula, A, B, C, D, and E are constants determined by the structures of the light emitting / receiving system and the position detecting light receiving element), and the distance to the object to be measured is calculated.
本発明の原理について述べる。3角測量の原理に基づく
と、前述したように、距離aは で与えられる。The principle of the present invention will be described. Based on the principle of triangulation, the distance a is Given in.
一方、(2)式をXBについて解くと となる。ここで(4)式に上述のXBの式を代入すれば、 となる。さらに、(5)式を(3)式に代入すれば となる。XO,b,Bは設計によって決定される定数であり、
Lは使用するPSD3により決まる定数であるから、 XO+L=A,L=B,b・B=C と置くと、(6)式は次式となる。On the other hand, solving equation (2) for X B Becomes Here, by substituting the above expression of X B into the expression (4), Becomes Furthermore, if equation (5) is substituted into equation (3), Becomes X O , b, B are constants determined by design,
Since L is a constant determined by PSD3 to be used, if X O + L = A, L = B, b · B = C, then equation (6) becomes the following equation.
PSD3の出力I1およびI2を計測することにより、(7)式
より投光レンズ1から被測定対象物4までの距離aを求
めることができる。 By measuring the outputs I 1 and I 2 of the PSD 3, the distance a from the light projecting lens 1 to the measured object 4 can be obtained from the equation (7).
本発明においては、(5)式に示したようにPSDの取り
付け位置を考慮した演算方法となっているため、測定距
離と出力との間の直線性が良い。In the present invention, as shown in the equation (5), since the calculation method takes into account the PSD mounting position, the linearity between the measured distance and the output is good.
被測定距離はPSD3の受光位置の変化によって求められる
が、受光位置が中心から大きくはずれると、測定距離と
出力との間の直線性が失なわれる。受光位置がPSDの中
心位置にある時の距離を中心検出距離という。従来の装
置においては、中心検出距離が16mmに対して出力が直線
性を保つ範囲は±12%程度であったが、本発明によれ
ば、出力の直線性を保ち得る測定距離を、同じ中心検出
距離16mmに対して±100%近くまで拡大することができ
た。The measured distance is obtained by the change of the light receiving position of PSD3, but if the light receiving position is largely deviated from the center, the linearity between the measured distance and the output is lost. The distance when the light receiving position is at the center of the PSD is called the center detection distance. In the conventional device, the range in which the output maintains linearity is about ± 12% with respect to the center detection distance of 16 mm, but according to the present invention, the measurement distance that can maintain the linearity of the output is the same center. It was possible to expand to a range of ± 100% for a detection distance of 16 mm.
以下、図面を参照して本発明を適用した実施例を詳細に
説明する。Hereinafter, embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
実施例1 第1図は(7)式を実現するための回路構成の一例を示
すブロック図である。PSD3より出力される電流I1および
電流I2を、それぞれ電流電圧変換器6Aおよび6Bにより電
圧に変換してS(I1)信号およびS(I2)信号とする。
S(I1)信号およびS(I2)信号は加算器7および減算
器8に入力され、それぞれS(I1+I2)およびS(I2−
I1)信号が出力される。次にS(I1+I2)信号をC倍に
増幅する増幅器9を通し、およびS(I1+I2)信号をA
倍し、かつS(I2−I1)信号をB倍して、両者を加算す
る加算器10を通す。S(C・(I1+I2))信号およびS
(A(I1+I2)+B(I2−I1)信号を割算器11に入力す
れば、aを求めることができる。Embodiment 1 FIG. 1 is a block diagram showing an example of a circuit configuration for realizing the expression (7). The current I 1 and the current I 2 output from the PSD 3 are converted into voltages by the current-voltage converters 6A and 6B to be S (I 1 ) and S (I 2 ) signals.
The S (I 1 ) signal and the S (I 2 ) signal are input to the adder 7 and the subtractor 8, and are respectively S (I 1 + I 2 ) and S (I 2 −
I 1 ) signal is output. Next, the S (I 1 + I 2 ) signal is passed through an amplifier 9 which amplifies the signal C times, and the S (I 1 + I 2 ) signal is transferred to A
The signal is multiplied, and the S (I 2 −I 1 ) signal is multiplied by B and passed through an adder 10 for adding the two. S (C · (I 1 + I 2 )) signal and S
By inputting the (A (I 1 + I 2 ) + B (I 2 −I 1 ) signal to the divider 11, a can be obtained.
(6)式の分母および分子をXO+Lで割れば、 となり、A=1とすることができ倍率の調整を減らすこ
とができる。Dividing the denominator and numerator of equation (6) by X O + L gives Therefore, A = 1 can be set, and the adjustment of the magnification can be reduced.
分子の係数は(I1+I2)に依存しない、言いかえれば、
光学的な機械寸法によって決定される。従って、例えば
分子の係数を1と置いても演算上出力がn倍に変化する
のみで、距離の算出には何ら影響を与えないことは
(6)式より明白である。従って、増幅器9を省略する
ことができる。The numerator coefficient does not depend on (I 1 + I 2 ), in other words,
Determined by optical mechanical dimensions. Therefore, it is clear from the equation (6) that even if the coefficient of the numerator is set to 1, the output only changes n times in calculation and does not affect the calculation of the distance. Therefore, the amplifier 9 can be omitted.
実施例2 第2図は本発明を適用した他の実施例を示すブロック図
である。(6)式の分母のかっこを払うと、 となる。分母、分子をLで割れば、 となる。ここで、(b・B)/L=D,XO/L=Eと置くと、 となる。Embodiment 2 FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment to which the present invention is applied. If you pay off the brackets in the denominator of equation (6), Becomes If you divide the denominator and numerator by L, Becomes Here, if we put (b · B) / L = D, X O / L = E, Becomes
まず、PSD3より出力される電流I1および電流I2を、それ
ぞれ電流電圧変換器6Aおよび6Bにより電圧に変換してS
(I1)信号およびS(I2)信号とする。S(I1)信号お
よびS(I2)信号は加算器7を通すことにより、S(I1
+I2)信号が出力される。First, the current I 1 and the current I 2 output from the PSD 3 are converted into voltages by the current-voltage converters 6A and 6B, respectively, and S
(I 1 ) signal and S (I 2 ) signal. The S (I 1 ) signal and the S (I 2 ) signal are passed through the adder 7 to obtain the S (I 1 ) signal.
+ I 2 ) signal is output.
一方、S(I2)信号を増幅器12により2倍してS(2
I2)信号とする。次に、加算器13によりS(I1+I2)信
号をE倍し、S(E(I1+I2))信号とS(2I2)信号
とを加算する。On the other hand, the S (I 2 ) signal is doubled by the amplifier 12 and S (2
I 2 ) Signal. Next, the S (I 1 + I 2 ) signal is multiplied by E by the adder 13 and the S (E (I 1 + I 2 )) signal and the S (2I 2 ) signal are added.
割算器14に、S(I1+I2)信号とS(E(I1+I2)+2
I2)信号を入力し、割算して得られた出力をD倍すると
aを求めることができる。The S (I 1 + I 2 ) signal and S (E (I 1 + I 2 ) +2
I can be obtained by inputting the I 2 ) signal and multiplying the output obtained by division by D.
なお、A,B,C,D,Eは増幅器の係数で増幅してあるが、
(8)式より減衰器で構成しても何ら問題はないことは
明白である。よって、増幅器9の代わりに減衰器として
もよい。さらに、加算器10および13は演算増幅回路の重
み付け加算回路で実現できることは明白である。In addition, A, B, C, D, E are amplified by the coefficient of the amplifier,
It is clear from the formula (8) that there is no problem even if the attenuator is used. Therefore, an attenuator may be used instead of the amplifier 9. Furthermore, it is clear that the adders 10 and 13 can be realized by weighted addition circuits of operational amplifier circuits.
従来例においては、中心検出距離40mmに対して、測定距
離と出力との間の直線性が得られる範囲が±5mmと非常
に狭かったのに比較し、本発明においては中心検出距離
16mmに対して±8mmと広い検出範囲にもかかわらず、測
定距離と出力との間の直線性は±3%以内であった。In the conventional example, with respect to the center detection distance of 40 mm, the range in which the linearity between the measurement distance and the output was obtained was ± 5 mm, which was very narrow.
Despite the wide detection range of 16 mm to ± 8 mm, the linearity between the measured distance and the output was within ± 3%.
以上説明したように、本発明によれば、PSDの取り付け
位置の補正を考慮に入れたので、広い測定範囲にわたっ
て測定距離と出力との直線性が得られるという効果を奏
する。As described above, according to the present invention, since the correction of the PSD mounting position is taken into consideration, there is an effect that the linearity between the measurement distance and the output can be obtained over a wide measurement range.
第1図は本発明を適用した実施例を示すブロック図、 第2図は本発明を適用した他の実施例を示すブロック
図、 第3図は位置検出用受光素子の原理を示す説明図、 第4図は測定対象物への距離の求め方を示す説明図であ
る。 1…投光レンズ、2…受光レンズ、3…PSD、4…被測
定対象物、5…光入射位置、6A,6B…電流電圧変換器、
7…加算器、8…減算器、9…増幅器、10…増幅加算
器、11…割算器、12…増倍器、13…加算器、14…割算
器。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment to which the present invention is applied, FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment to which the present invention is applied, and FIG. 3 is an explanatory view showing the principle of a position detecting light receiving element, FIG. 4 is an explanatory diagram showing how to obtain the distance to the measurement object. 1 ... Emitter lens, 2 ... Light receiving lens, 3 ... PSD, 4 ... Object to be measured, 5 ... Light incident position, 6A, 6B ... Current-voltage converter,
7 ... adder, 8 ... subtractor, 9 ... amplifier, 10 ... amplifying adder, 11 ... divider, 12 ... multiplier, 13 ... adder, 14 ... divider.
Claims (1)
からの反射光を、両端部にそれぞれ電極を有し該両電極
間の受光面に光を受けた時該受光位置と電極との距離に
応じた電流I1およびI2を前記電極のそれぞれから出力す
る位置検出用受光素子によって受光し、下式 または (各式において、A,B,C,D,Eは投受光系および位置検出
用受光素子の構造によって定まる定数)によって前記被
測定物までの距離を算出することを特徴とする距離算出
方法。1. A light receiving position when a light beam is projected onto an object to be measured and reflected light from the object to be measured is received by a light receiving surface between both electrodes having electrodes at both ends thereof. And currents I 1 and I 2 according to the distance between the electrodes are received by the position detection light receiving elements that output from each of the electrodes, Or (In each formula, A, B, C, D, and E are constants determined by the structures of the light emitting / receiving system and the position detecting light receiving element), and the distance calculating method is characterized by calculating the distance to the object to be measured.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30596488A JPH073336B2 (en) | 1988-12-05 | 1988-12-05 | Distance calculation method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30596488A JPH073336B2 (en) | 1988-12-05 | 1988-12-05 | Distance calculation method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02151709A JPH02151709A (en) | 1990-06-11 |
| JPH073336B2 true JPH073336B2 (en) | 1995-01-18 |
Family
ID=17951420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30596488A Expired - Lifetime JPH073336B2 (en) | 1988-12-05 | 1988-12-05 | Distance calculation method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH073336B2 (en) |
-
1988
- 1988-12-05 JP JP30596488A patent/JPH073336B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02151709A (en) | 1990-06-11 |
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