JPH073336B2

JPH073336B2 - 距離算出方法

Info

Publication number: JPH073336B2
Application number: JP30596488A
Authority: JP
Inventors: 信一中島
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1988-12-05
Publication date: 1995-01-18
Anticipated expiration: 2010-01-18
Also published as: JPH02151709A

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。

〔従来の技術〕

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。

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）。

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。

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。

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X_A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X_B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。

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X_O、PSD3の右端から光入射位置５までの距離
をX_Bとすれば、Ｘ＝X_O＋X_B （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。

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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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。

〔課題を解決するための手段〕

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。

〔作用〕

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。

一方、（２）式をX_Bについて解くととなる。ここで（４）式に上述のX_B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。X_O,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、 X_O＋Ｌ＝A,L＝B,b・Ｂ＝Ｃと置くと、（６）式は次式となる。

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。

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。

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。

〔実施例〕

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。

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。

（６）式の分母および分子をX_O＋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。

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。

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,X_O/L＝Ｅと置くと、となる。

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物に光ビームを投光し、該被測定物
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。