JP2002202369A

JP2002202369A - 光信号検出装置及び測距装置

Info

Publication number: JP2002202369A
Application number: JP2000399165A
Authority: JP
Inventors: Naoto Inaba; 直人稲葉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】測距装置から目的物までの距離が長くなった
り、使用環境（目的物周囲）が変化しても、十分な検出
能を得ることができる光信号検出装置及び測距装置を提
供することを目的とする。【解決手段】レーザ測距装置１００は、レーザ光を発
生させる半導体レーザ１１２と、目的物１で反射したレ
ーザ光を検出するフォトダイオード１２２と、レーザ光
の発生からその反射光の検出までの時間に基づいて、距
離Ｌを計数する制御回路１６０とを備える。フォトダイ
オード１２２と半導体レーザ１１２との間で、かつ、該
半導体レーザ１１２と略共役な位置には、レーザ光の出
射形状と略相似の開口を有する絞り１２３が、配置され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光信号検出装置及
び測距装置に関し、特に半導体レーザから照射されたパ
ルス状のレーザ光を検出する光信号検出装置及びこれを
用いた測距装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、所定のタイミングで発信され
たパルス信号の受信タイミングを検出するための光信号
検出装置が知られている。かかる光信号検出装置は、例
えば、レーザ光を目的物に照射し、その反射光を受光し
て、目的物までの距離を測定する測距装置に用いられ
る。

【０００３】測距装置では、レーザ光の発光（発信）か
ら反射光の受光までの時間差を一定間隔で発生するクロ
ックパルスのカウント値で求め、斯く求めた時間差（カ
ウント値）と、パルス状のレーザ光の速度とに基づい
て、目的物までの距離を求めるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような測距装置で
は、空気中での光散乱によるレーザ光の減衰の影響を低
減して測定可能距離を伸ばす必要があるため、近赤外
用、赤外用の高出力の半導体レーザが使用される。

【０００５】このような半導体レーザから発生し出射さ
れたレーザ光は、広がりかつ散乱されながら目的物に照
射されて、その反射信号がフォトダイオード２０により
検出される（図９）。このとき、反射光を検出する際の
ＳＮ比が大きいと長い距離でも高精度の測定が可能にな
る。しかしながら、フォトダイオード２０にて検出され
る信号には、反射信号光のみならずその背景光（図８の
照射スポットＤ２の周辺の背景からの非信号光による反
射光、自発光、輻射等）が外乱ノイズとして混入する
（例えば、背景光が白色雑音的に混入する）。この外乱
ノイズは、測定距離が長くなっても減少しないので、長
距離の計測で影響度が高い。特に、目的物１の周囲が明
るい場合、上記した外乱ノイズ等による影響が大きくな
って、フォトダイオード２０の検出信号のＳＮ比を低下
させ、長距離の高精度な計測が困難になるという問題点
がある。

【０００６】この不具合を解消するため、半導体レーザ
１０の発振波長以外の成分（不要な可視域、赤外域の成
分）を吸収させる干渉フィルタ等を用意しておき、これ
を使用して背景光による外乱ノイズを除去する手法が考
えられる。しかし、干渉フィルタを用いる手法では、半
導体レーザ１０の発振波長に個々のばらつきが生じてし
まうと、所望の発振波長のレーザ光のみを効率よく検出
することができない。

【０００７】又、半導体レーザ１０では、発振出力がシ
フトしたり、温度変動によって波長がシフトすることが
あり、これに、レーザ光をパルス状に発光させる際の動
特性を考慮すると、外乱ノイズを除去するために透過波
長域数をｎｍレベルに制限する干渉フィルタを使用する
ことは現実的でなかった。本発明は、かかる事情に鑑み
てなされたもので、測距装置から目的物までの距離が長
くなったり、使用環境（目的物周囲）が変化しても、十
分な検出能を得ることができる光信号検出装置及び測距
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１の光信号検出装置は、光信号を発生させる
光信号発生部と、前記光信号を検出する光検出部と、前
記光信号の出射形状に応じた開口を有する絞りとを備
え、前記絞りが、前記光検出部の受光面の近傍に配置さ
れたものである。

【０００９】又、請求項２の発明は、光信号を発生させ
る光信号発生部と、前記光信号を検出する光検出部とを
備え、前記光検出部の受光面が、前記光信号の出射形状
に応じた形状とされているものである。

【００１０】又、請求項３の発明は、パルス状のレーザ
光を目的物に向けて出射する出射部と、前記目的物から
反射されたパルス状のレーザ光を検出するレーザ光検出
部と、前記レーザ光検出部の受光面の近傍に配置され前
記レーザ光のスポット形状と略相似の開口を有する絞り
と、前記パルス状のレーザ光が照射された時点から前記
反射されたパルス状のレーザ光が前記絞りを介して検出
されるまでの時間を計数する計時部と、前記計数された
時間と前記パルス状のレーザ光の速度とに基づいて前記
目的物までの距離を算出する距離演算部とを備えている
ものである。

【００１１】又、請求項４の発明は、パルス状のレーザ
光を目的物に向けて出射する出射部と、前記目的物から
反射されたパルス状のレーザ光を検出するレーザ光検出
部と、前記パルス状のレーザ光が照射された時点から前
記反射されたパルス状のレーザ光が検出されるまでの時
間を計数する計時部と、前記計数された時間と前記パル
ス状のレーザ光の速度とに基づいて前記目的物までの距
離を算出する距離演算部とを備え、前記光検出部の受光
面が、前記レーザ光のスポット形状と略相似とされてい
るものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明者は、高出力の半導体レー
ザと受光素子（例えば、フォトダイオード）２０の受光
面について調べた。一般的な半導体レーザ（小出力のレ
ーザ）はその出射形状（ビーム形状）のアスペクト比
（楕円形状の縦横比）が、１：１〜１：２程度である
が、上記した高出力の半導体レーザ１０の出射面の形状
（Ｄ１の形状）は細長くアスペクト比が１：１００〜
１：２００前後と大きい（図７）。

【００１３】この半導体レーザ１０からのレーザ光は、
コリメートレンズ等の無限遠光学系を介して目的物１に
向かって照射される。このときレーザ光は、目的物１に
至るまでに広がり、目的物１ではその照射スポットＤ２
の形状が細長い楕円になる（図８）。

【００１４】そして、目的物１からの反射光の形状もこ
の細長い楕円（Ｄ２で示す形状）となり、集光レンズ等
の結像光学系により集光された後、図９に示す受光素子
２０の受光面２２に入射する（図中、Ｄ２’で示す細長
い楕円）。一般に受光面の形状は、この受光スポットＤ
２’の形状とは無関係な、例えば、円形状に形成されて
いる。従って、図９の受光面２２においてＤ２’の部分
は、図８の照射スポットＤ２の領域からの反射信号光と
背景光を受光する。

【００１５】受光面２２のＤ２’を除いた部分は図８の
（背景）から照射スポットＤ２の領域を除いた領域から
の背景光を受光する。このＤ２’を除いた部分における
背景光の受光は検出信号のＳＮ比を低下させる。このこ
とは、半導体レーザ光が不可視光であることもあって従
来気付かれていなかった。以下、本発明の実施の形態に
ついて、図１から図９を用いて説明する。

【００１６】図１は、本発明が適用されるレーザ測距装
置１００の斜視図、図２は、その内部構成を示すブロッ
ク図である。レーザ測距装置１００は、図１に示すよう
に、その上面にパワー及び測定開始ボタン１０１、モー
ド変更ボタン１０２が設けられている。モード変更ボタ
ン１０２は距離の単位の変更等を行うためのものであ
る。又、その前面にレーザ照射窓１０３、レーザ受光窓
１０４が設けられ、その背面にはファインダ窓（図示省
略）が設けられている。

【００１７】レーザ測距装置１００の内部には、レーザ
照射窓１０３側にコリメートレンズ（無限遠光学系）１
１１が、レーザ受光窓１０４側に集光レンズ（結像光学
系）１２１が配置されている。又、レーザ測距装置１０
０の内部には、コリメートレンズ１１１側に、半導体レ
ーザ（光信号発生部）１１２、パルス発生回路１３０が
配置され、半導体レーザ１１２からのレーザ光が、コリ
メートレンズ１１１を介して、目的物１に照射されるよ
うになっている（図３）。尚、半導体レーザ１１２、コ
リメートレンズ１１１等によって、出射部が構成されて
いる。

【００１８】又、集光レンズ１２１側に、絞り１２３、
フォトダイオード（光検出部）１２２、受信回路１５０
が配置されている（図２）。この集光レンズ１２１、フ
ォトダイオード１２２によってレーザ光検出部が構成さ
れている。制御回路１６０は、上記したパルス発生回路
１３０から出力される発光開始信号Ｓ１に基づいて、半
導体レーザ１１２から所定のタイミング（発光タイミン
グ）でレーザ光を照射させる。

【００１９】一方で、制御回路１６０は、目的物１で反
射したレーザ光の受光タイミングを受信回路１５０から
の信号Ｓ２に基づいて検出する。制御回路１６０は、図
３に示すように、発光タイミングと受光タイミングとの
時間差ｔを、クロックパルス数をカウントすることによ
って検出する（計時部としての機能）。

【００２０】そして、制御回路１６０は、この計数した
時間差ｔと、レーザ光の速度とに基づいて、レーザ測距
装置１００から目的物１までの距離Ｌを算出する（距離
演算部としての機能）。制御回路１６０はこの算出結果
を、ファインダ内の液晶表示部１７０にて表示する。と
ころで、本実施の形態では、図２に示すように、絞り１
２３が集光レンズ１２１とフォトダイオード１２２との
間で、半導体レーザ１１２の出射面と共役な位置に配置
されている。

【００２１】又、この絞り１２３のスリット（開口）１
２３Ａの形状Ｅ１は、半導体レーザ１１２の出射面Ｄ１
の形状（出射形状）と無限遠光学系（コリメートレンズ
１１１）とに基づいて決定されるもので、目的物１での
レーザ光の照射スポットＤ２の形状と略相似となってい
る（図３）。この絞り１２３を配置することによって、
レーザ測距装置１００から目的物１までの距離Ｌが長く
なってレーザ光が広がり、その照射スポットＤ２が大き
くなっても、フォトダイオード１２２による検出信号の
ＳＮ比を高くすることができる。

【００２２】これは、半導体レーザ１からのレーザ光が
目的物１で反射したときに、反射光に、照射スポットＤ
２以外の部分からの背景光（背景からの反射光、自発
光、輻射等）による外乱ノイズの信号成分が増加した場
合であっても、絞り１２３によって、この外乱ノイズに
よる成分が除去されるからである。絞り１２３の働きに
よってフォトダイオード１２２による反射光の検出時の
ＳＮ比が高まることで、レーザ測距装置１００により測
定可能な距離を長くすることができる。

【００２３】又、目的物１の周囲が明るくても、上記し
た外乱ノイズ等による影響を、絞り１２３によって小さ
くできるので、長い距離の測定が可能になる。以上説明
したように、この第１の実施の形態のレーザ測距装置１
００では、絞り１２３を、フォトダイオード１２２近傍
に配置しているので、目的物１の照射スポット（Ｄ２）
周囲からの背景光による外乱ノイズを低減して、ＳＮ比
を高めることができ、この結果、レーザ測距装置１００
によって、測定可能な目的物１までの距離を長くするこ
とができる。

【００２４】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について、図６を用いて説明する。この第
２の実施の形態のレーザ測距装置では、第１の実施の形
態の絞り１２３を配置する代わりに、フォトダイオード
２２２の受光面２０２の形状が、レーザ光の照射スポッ
トＤ２の形状と略相似となっている。尚、この照射スポ
ットＤ２の形状は、フォトダイオード１２２の出射形状
（Ｄ１の形状）と無限遠光学系（コリメートレンズ１１
１等）とによって決定される。

【００２５】尚、第２の実施の形態のレーザ測距装置
は、絞り１２３を有しない点、フォトダイオード１２２
に代えてフォトダイオード２２２が用いられている点以
外は、上記した第１の実施の形態のレーザ測距装置１０
０と同じ構成であり、その詳細な説明は省略する。この
第２の実施の形態のレーザ測距装置で用いられるフォト
ダイオード２２２は、図６に示すように、半導体基板２
０１に形成されたｐｎ接合面（受光部）を覆うように、
照射スポットＤ２の形状と略相似の開口（Ｄ２’の形
状）を有する遮光膜２２３が形成されて、受光面２０２
が形成されている。

【００２６】受光面２０２を照射スポットＤ２の形状と
略相似にすることによって、上記した第１の実施の形態
の場合と同様に、レーザ測距装置１００から目的物１ま
での距離Ｌが長くなって照射スポットＤ２が大きくなっ
ても、フォトダイオード１２２による検出信号のＳＮ比
を高くすることができる。このようにフォトダイオード
１２２による反射光の検出時のＳＮ比が高まると、測定
可能な距離が長くなる。又、目的物１の周囲が明るい場
合でも、レーザ測距装置による長距離の測定が可能にな
る。

【００２７】尚、上記した第１、第２の実施の形態で
は、本発明をレーザ測距装置１００に適用する例をあげ
て説明したが、他の測定波を用いた測定機器にも本発明
は適用可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、光信号の出射形状に応じた開口を有する絞り
が、光検出部の受光面の近傍に配置されているので、光
信号発生部と光検出部との距離が遠くなって受光信号強
度が低下しても、ＳＮ比の低減を抑制することができ
る。

【００２９】又、請求項２の発明によれば、受光面が、
光信号の出射形状に応じた形状となっているので、光信
号発生部と光検出部の距離が遠くなって受光信号強度が
低下しても、ＳＮ比の低減を抑制することができる。

【００３０】又、請求項３の発明によれば、測距装置に
おいて、目的物でのレーザ光のスポット形状に略相似の
開口を有する絞りが、レーザ光検出部の受光面の近傍に
配置されているので、目的物からの反射光を検出する際
に、反射光のスポット形状が広がっても、外乱ノイズを
低減して、ＳＮ比を高めることができ、測定可能な目的
物までの距離を長くすることができる。

【００３１】又、請求項４の発明によれば、測距装置に
おいて、レーザ光検出部の受光面の形状が、目的物での
レーザ光のスポット形状に略相似であるため、目的物か
らの反射光を検出する際に、反射光のスポット形状が広
がっても、外乱ノイズを低減して、ＳＮ比を高めること
ができ、測定可能な目的物までの距離を長くすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されたレーザ測距装置１００の斜
視図である。

【図２】レーザ測距装置１００の内部構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】目的物１までの距離Ｌを求める際の受光タイミ
ングの測定の様子を示すタイミングチャートである。

【図４】半導体レーザ１１２と目的物１との関係を示す
図である。

【図５】絞り１２３を示す斜視図である。

【図６】受光面に楕円形状の開口を有する遮光膜が形成
されたフォトダイオード２２２を示す斜視図である。

【図７】高出力の半導体レーザ１０を示す斜視図であ
る。

【図８】高出力の半導体レーザの照射スポットを示す図
である。

【図９】従来のフォトダイオード２０を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１目的物１００レーザ測距装置１１１コリメートレンズ（無限遠光学系）１１２半導体レーザ（光信号発生部）１２１集光レンズ（結像光学系）１２２フォトダイオード（光検出部）１６０制御回路（計時部、距離演算部）１７０液晶表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｌ 31/02 ＢＦターム(参考） 2F065 AA06 DD04 FF12 GG06 GG12 HH04 JJ01 JJ18 LL30 UU02 2F112 AD01 BA01 BA07 CA06 CA12 DA25 EA05 FA14 5F072 AB13 KK30 SS06 YY13 5F088 AA02 BB06 JA05 JA11 5J084 AD01 BA04 BA36 BB02 BB04 BB37 CA03 DA01 EA02 EA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光信号を発生させる光信号発生部と、前記光信号を検出する光検出部と、前記光信号の出射形状に応じた開口を有する絞りとを備
え、前記絞りが、前記光検出部の受光面の近傍に配置されて
いることを特徴とする光信号検出装置。
【請求項２】光信号を発生させる光信号発生部と、前記光信号を検出する光検出部とを備え、前記光検出部の受光面が、前記光信号の出射形状に応じ
た形状とされていることを特徴とする光信号検出装置。
【請求項３】パルス状のレーザ光を目的物に向けて出
射する出射部と、前記目的物から反射されたパルス状のレーザ光を検出す
るレーザ光検出部と、前記レーザ光検出部の受光面の近傍に配置され、前記レ
ーザ光のスポット形状と略相似の開口を有する絞りと、前記パルス状のレーザ光が照射された時点から前記反射
されたパルス状のレーザ光が前記絞りを介して検出され
るまでの時間を計数する計時部と、前記計数された時間と前記パルス状のレーザ光の速度と
に基づいて前記目的物までの距離を算出する距離演算部
とを備えていることを特徴とする測距装置。
【請求項４】パルス状のレーザ光を目的物に向けて出
射する出射部と、前記目的物から反射されたパルス状のレーザ光を検出す
るレーザ光検出部と、前記パルス状のレーザ光が照射された時点から前記反射
されたパルス状のレーザ光が検出されるまでの時間を計
数する計時部と、前記計数された時間と前記パルス状のレーザ光の速度と
に基づいて前記目的物までの距離を算出する距離演算部
とを備え、前記光検出部の受光面が、前記レーザ光のスポット形状
と略相似とされていることを特徴とする測距装置。