JP2004125651A - 光学式測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体輝度の影響を除去可能な光学式測距装置を提供する。
【解決手段】光学式測距装置は、光軸方向にある対象物に対して光束を投光する発光素子１を含む投光部と、対象物から戻って来る光束を受光して対応する電気信号を出力する受光素子を含む受光部と、電気信号に基づいて対象物までの距離を算出する演算部１１とを備える。受光部は少なくとも二個の受光素子Ｓ１，Ｓ２を有し、合体モードと分離モードで切り換え可能である。合体モードの時二個の受光素子は個々の受光量の合計に応じた単一の電気信号を出力し、分離モードの時個々の受光量に応じた複数の電気信号を出力する。演算部１１は、先ず合体モードで出力される電気信号に基づいて対象物の表面反射率を表わす反射率データを求め、次に分離モードで出力される電気信号に基づいて対象物までの距離を表わす距離データを求め、さらに反射率データに基づいて距離データを補正する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカメラの被写体の距離を光学的に測定する光学式測距装置に関する。より詳しくは、被写体の反射率に依存しない測距方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、光学式測距装置を組み込んだカメラの一例を示す模式的な斜視図である。図示する様に、カメラ５はボディ６とレンズ鏡筒７とを備えている。ボディ６の前面側に投光部１と受光部２とからなる光学式測距装置が取り付けられている。この光学式測距装置は、カメラ５の被写体の光軸方向距離を測定するものであって、測定結果は自動焦点調節などに利用される。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１８７６２１号
【０００４】
図６は、光学式測距装置の一例を示す模式図である。この装置はいわゆるアクティブ三角測距方式に基づいている。図はその基本原理を示すものであり、１は例えば赤外光を発生する投光部、３は投光レンズ、Ｔ１，Ｔ２は被写体、４は受光レンズ、２は二分割された受光素子Ｓ１，Ｓ２を有する受光部を各々示す。投光部１の出力光は投光レンズ３で被写体Ｔ１又はＴ２に向けて照射され、被写体Ｔ１又はＴ２で反射された光は受光レンズ４を介して受光部２に入射する。この時、被写体Ｔ１，Ｔ２までの距離に対応して受光部２に対する入射角が変動するので、受光部２を構成する各々の受光素子Ｓ１，Ｓ２に対する入射光量の成分比が変動する。そこで、各々の受光素子Ｓ１，Ｓ２に対する入射光量を比較演算することにより、被写体Ｔ１又はＴ２までの距離を判別することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
アクティブ三角測距方式の装置は、演算方式によって、一対の受光素子の出力比を演算する比演算方式と各受光素子の出力差を演算する差演算方式とに大別される。比演算方式は被写体反射率に関する因子が比演算の過程で分子と分母間である程度相殺されるので、被写体反射率の影響をそれ程受けることなく、多段階の距離判別を行なうことが可能である。それでも、被写体の反射率が大きく異なる場合、測距結果に悪影響を及ぼし、誤差の原因ともなるので、解決すべき課題となっている。一方、差演算方式は比演算方式に比べ回路構成が簡潔である反面、差演算の結果中には被写体反射率に関する因子が残存するので、これが大きな誤差要因となっており、解決すべき課題である。アクティブ三角測距方式は被写体に光束を投光しその反射光を受光して測距を行なう。受光量は被写体反射率に依存している。従って、アクティブ三角測距方式は原理的に被写体反射率に対する依存性を有しており、これを除くことが緊急の解決課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は比較的簡単な回路構成で被写体反射率の影響を除去可能な光学式測距装置を提供することを目的とする。係る目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明は、光軸方向にある対象物に対して光束を投光する発光素子を含む投光部と、該対象物から戻って来る光束を受光して対応する電気信号を出力する受光素子を含む受光部と、該電気信号に基づいて該対象物までの距離を算出する演算部とを備えた光学式測距装置であって、前記受光部は二個以上複数の受光素子を有し、合体モードと分離モードで切り換え可能であり、合体モードの時該複数の受光素子は個々の受光量の合計に応じた単一の電気信号を出力し、分離モードの時個々の受光量に応じた複数の電気信号を出力する。前記演算部は、先ず合体モードで出力される電気信号に基づいて該対象物の表面反射率を表わす反射率データを求め、次に分離モードで出力される電気信号に基づいて該対象物までの距離を表わす距離データを求め、さらに該反射率データに基づいて該距離データを補正して対象物の反射率に依存する誤差を除去することを特徴とする。具体的には、前記演算部は、あらかじめ反射率が既知の基準対象物からサンプリングされた参照反射率データを記憶しており、該参照反射率データに基づいて合体モード時に得られた該電気信号を処理し、もって該対象物の実際の表面反射率を表わす反射率データを算出する。また、前記演算部は、分離モードで出力される少くとも二個の電気信号の差を取った差データ及び和を取った和データを求め、該反射率データで該差データ及び和データを補正し、さらに補正された差データ及び和データの比を取って該距離データを求める。
【０００７】
本発明によれば、あらかじめ赤外投光に対する反射率が既知の基準対象物に対し、例えば二分割された受光素子を並列（又は直列）に接続し、見かけ上一つの受光素子として反射光量を測定し、その光量値を装置内に記憶しておく。この処理は光学式測距装置の工場出荷段階前に行なう。赤外光に対する反射率が未知の対象物に対して実際に測距を行なう場合、二分割された受光素子をまず一つの受光素子となる様に接続して、赤外反射光量を測定する。工場出荷段階前に記憶された基準対象物の反射光量値と、実際に測定した対象物の受光量を比較する。これにより、対象物の実際の反射率を推定する。次に二分割した受光素子で測距動作を行ない、例えば各受光素子から出力された電気信号の差演算を行なって対象物までの距離データを得る。この段階で得られた距離データは対象物の反射率の影響が含まれている。そこで、先に推定した対象物の反射率データに基づき、差演算で得られた距離データを補正する。この結果対象物の反射率の影響が除かれた距離データを得ることが可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る光学式測距装置の実施形態を示す回路図である。本光学式測距装置は投光部と受光部と演算部とで構成されている。投光部は赤外発光ダイオードからなる発光素子１を含んでおり、光軸方向にある対象物に対して光束を投光する。受光部は対象物から戻って来る光束を受光して対応する電気信号を出力する受光素子を含む。本実施形態では、二分割されたシリコンフォトダイオード（ＳＰＤ）からなる一対の受光素子Ｓ１，Ｓ２を用いている。但し本発明はこれに限られるものではなく、ＳＰＤに代えて多分割型のポジションセンシティブディテクタ（ＰＳＤ）を用いてもよい。演算部は受光部から出力された電気信号に基づいて対象物までの距離を算出する。演算部はハードウェア的な演算を行なう回路部分とソフトウェア的な演算を行なう中央演算処理装置（ＣＰＵ）とを含んでいる。対象物までの距離の算出に必要な加減算などは回路上で行ない、補正演算はＣＰＵで行なう。但し本発明はこれに限られるものではなく、全てソフトウェア上で演算を実行してもよい。
【０００９】
上述した様に受光部は二個以上複数の受光素子Ｓ１，Ｓ２を有し、スイッチＳＷにより合体モードと分離モードで切り換え可能である。合体モードの時、一対の受光素子Ｓ１，Ｓ２は個々の受光量の合計に応じた単一の電気信号を出力し、分離モードの時個々の受光量に応じた複数の電気信号を出力する様になっている。合体モードと分離モードの切り換えはスイッチ回路ＳＷを介してＣＰＵ１１により制御される。
【００１０】
引続き図１を参照して本光学式測距装置の回路部分の構成並びに動作を詳細に説明する。尚、理解を容易にする為以下の説明は分離モードを前提としている。受光素子Ｓ１は抵抗２０及びベース／コレクタ間が短絡されたトランジスタ２１の直列回路に接続されており、受光素子Ｓ１に光が入射すると、この直列回路には入射光量に対応した光電流Ｉ１が流れる。トランジスタ２１はベースを共有するトランジスタ２２とカレントミラー回路を構成しており、トランジスタ２２にはトランジスタ２１に流れる電流と等しい電流Ｉ１が流れる。
【００１１】
受光素子Ｓ２は抵抗２３及びベース／コレクタ間が短絡されたトランジスタ２４の直列回路に接続されており、受光素子Ｓ２に光が入射すると、この直列回路には入射光量に応じた光電流Ｉ２が流れる。トランジスタ２４はベースを共有するトランジスタ２５とカレントミラー回路を構成しており、トランジスタ２５とトランジスタ２６の直列回路にはトランジスタ２４に流れる電流と等しい電流Ｉ２が流れる。尚、トランジスタ２６のベース／コレクタ間にはトランジスタ２７が接続されているが、このトランジスタ２７は、ＰＮＰ構成のトランジスタ２６の場合は、そのベース電流が実質的に無視できない値であるので、トランジスタ２６のベース電流分を補償する為に設けられたものである。そして、トランジスタ２６はトランジスタ２８とカレントミラー回路を構成しており、トランジスタ２８にも同一の電流Ｉ２が流れる。
【００１２】
トランジスタ２２に流れる電流Ｉ１はオペアンプ２９の逆相入力点に減算電流として流れ、トランジスタ２８に流れる電流Ｉ２はオペアンプ２９の同じく逆相入力点に加算電流として流れる。オペアンプ２９の逆相入力点に流れる電流は全てオペアンプ２９の帰還抵抗３０を流れるので、帰還抵抗３０に流れる電流をＩａと定義した場合、Ｉａ＝Ｉ２−Ｉ１で表わされる。又、オペアンプ２９の正相入力点には電源３１から基準電圧Ｖｒｅｆが印加されているので、抵抗３０の抵抗値をＲ３０と定義し、オペアンプ２９の出力電圧をＶａと定義した場合、オペアンプ２９の出力電圧Ｖａは、
Ｖａ＝Ｖｒｅｆ−Ｒ３０×Ｉａ＝Ｖｒｅｆ−Ｒ３０×（Ｉ２−Ｉ１）
で与えられる。
【００１３】
このオペアンプ２９の出力電圧Ｖａは光電流中の定常光成分（発光ダイオードの発光とは無関係に被写界光に依存して流れる光電流成分）を除去する為のコンデンサ３２で除去された後に、オペアンプ３３の逆相入力抵抗３４に加えられる。オペアンプ３３の正相入力点には電源３１から基準電圧Ｖｒｅｆが印加されており、オペアンプ３３の両入力間のイマジナルショートによってオペアンプ３３の逆相入力レベルもＶｒｅｆと考えられるので、抵抗３４の両端に発生する電圧Ｖ３４は
Ｖ３４＝｛Ｖｒｅｆ−Ｒ３０×（Ｉ２−Ｉ１）｝−Ｖｒｅｆ
＝Ｒ３０×（Ｉ１−Ｉ２）で示され、
抵抗Ｒ３４に流れる電流Ｉ３４は、
Ｉ３４＝Ｒ３０×（Ｉ１−Ｉ２）／Ｒ３４で示される。
【００１４】
電流Ｉ３４は全て抵抗３５を介して流れるが、オペアンプ３３の基準電圧はＶｒｅｆであるので、オペアンプ３３の出力電圧Ｖｂは、
Ｖｂ＝Ｖｒｅｆ−Ｒ３５×Ｒ３０×（Ｉ１−Ｉ２）／Ｒ３４
＝Ｖｒｅｆ−ｋ×（Ｉ１−Ｉ２）で示される値になる。
但し、ｋ＝Ｒ３５×Ｒ３０／Ｒ３４である。
【００１５】
この様にしてオペアンプ３３から出力された電圧Ｖｂはサンプル／ホールド回路（Ｓ／Ｈ）３７でサンプルホールドされ、ＣＰＵ１１に内蔵されたアナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）に供給される。この様にして、分離モードでは一対の受光素子Ｓ１，Ｓ２の受光量の差に応じたデータが取り込まれ、ＣＰＵ１１側に送られる。
【００１６】
これに対し、合体モードでは一対の受光素子Ｓ１，Ｓ２に流れる光電流Ｉ１，Ｉ２がいずれもオペアンプ２９の逆相入力点に加算電流として流れる。この加算電流はオペアンプ２９及びオペアンプ３３で増幅された後、Ｓ／Ｈ３７でサンプルホールドされ、ＣＰＵ１１のＡ／Ｄに送られる。従って、合体モードでは受光素子Ｓ１，Ｓ２によって受光された受光量の加算値（合計値）に応じたデータがＣＰＵ１１に取り込まれる。
【００１７】
図２を参照して、図１に示した光学式測距装置の測距動作を詳細に説明する。まずステップＳ１でスイッチＳＷを合体モード側に投入する。続いてステップＳ２で発光素子１を駆動し、対象物に向けて光束を投光する。ステップＳ３でＳ　／Ｈ３７から反射光量値を取り込み、所定のメモリに記録する。この反射光量値は各受光素子Ｓ１，Ｓ２の受光量の合計に応じた電気信号（Ｉ１＋Ｉ２）に比例した値となっている。尚、本実施形態では、ＣＰＵ１１はあらかじめ反射率が既知の基準対象物からサンプリングされた参照反射率データを記憶しており、この参照反射率データに基づいて、合体モード時に得られた電気信号を処理し、もって対象物の実際の表面反射率を表わす反射率データを算出している。例えば、表面反射率が３６％で１ｍの距離に置かれた基準対象物から合体モード時に得られる電気信号を基準とし、これに基づいて実際の対象物の表面反射率を推定している。
【００１８】
次にステップＳ４で、スイッチＳＷを分離モード側に投入する。続いてステップＳ５で発光素子１を駆動する。ステップＳ６で測距結果を取り込み、距離データとしてＣＰＵ内に格納する。前述した様に、分離モードの時受光素子Ｓ１，Ｓ２の個々の受光量に応じた複数の電気信号が出力され、更に回路部で両者の差分が得られる。ここでＣＰＵは差分演算方式を採用する時には、この差分データをそのまま距離データとして格納する。比演算方式を採用する場合には、この差分データに加え加算データも求めておき、両者の比を取って距離データとする。尚、加算データは合体モードで得られる。この後ステップＳ７で、距離データを反射率データにより補正し、対象物の表面反射率の影響を除いた真の距離データを求める。
【００１９】
図３は図１及び図２を参照して説明した測距方式におけるデータの流れを模式的に表わしたブロック図である。図示する様に、一対の受光素子Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ受光量に応じた電気信号Ａ，Ｂを出力する。スイッチ回路ＳＷは電気信号Ａ，Ｂを切り換えて差算回路及び加算回路（２０−３０）に供給する。差算回路はＡ−Ｂを演算し、加算回路はＡ＋Ｂを求める。尚、この差算回路及び加算回路は図１の回路要素２０−３０に対応している。Ａ−Ｂ及びＡ＋Ｂは増幅回路３３−３５で増幅された後、Ｓ／Ｈ３７でサンプルホールドされる。サンプルホールドされたＡ−Ｂ及びＡ＋Ｂの値はＡ／Ｄ１１ａを介してＣＰＵ１１に取り込まれる。
【００２０】
ＣＰＵは例えば比演算方式で測距データＫ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を算出する。その際、あらかじめ推定した対象物の反射率データｒにより、補正を加える。例えば、
Ｋ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
＝ｒ（ａ−ｂ）／ｒ（ａ＋ｂ）
＝（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）
として距離データＫを求める。反射率ｒがキャンセルされ、対象物の反射率によらない精度のよい距離データＫが得られる。なお、差演算方式の場合には、元の差分データＡ−Ｂにかえて補正後の差分データａ−ｂにより距離を求めれば良い。
【００２１】
図４は、図３に示した実施例の変形を示す模式的なブロック図である。この実施例は、一対の受光素子Ｓ１，Ｓ２に直接差算回路及び加算回路が接続されている。これらの演算回路の後段にスイッチ回路ＳＷが接続されている。このスイッチ回路により差算信号及び加算信号を選択し、増幅回路、Ｓ／Ｈ、Ａ／Ｄを介しＣＰＵに取り込む。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、あらかじめ赤外光に対する反射率が既知の対象物に対し、二分割された受光素子を並列もしくは直列接続し、見かけ上一つのセンサとして反射光量を測定し、その光量値をＣＰＵのメモリに記憶する。これは、光学式測距装置の工場出荷段階で行なう。赤外光に対して未知の反射率を有する対象物に対し測距を行なう場合、一対の受光素子をまず一つのセンサとなる様に接続して反射光量を測定し、先に記憶された基準値データと比較し当該対象物の反射率を推定する。次に二分割した受光素子で得られた電気信号を差演算して距離データを求める。これには対象物の反射率の影響が含まれているので、これを除去する為先に推定した反射率に基づき、距離データを補正する。係る構成により、回路規模を大きくすることなく、表面反射率に依存しない光学測距装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学式測距装置の実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示した光学式測距装置の動作説明に供するフローチャートである。
【図３】図１に示した光学式測距装置の動作説明に供するブロック図である。
【図４】図３に示した実施例の変形を示すブロック図である。
【図５】光学式測距装置を内蔵したカメラの一例を示す斜視図である。
【図６】光学式測距の原理を示す模式図である。
【符号の説明】
１・・・投光部、２・・・受光部、１１・・・ＣＰＵ、Ｓ１・・・受光素子、Ｓ２・・・受光素子、ＳＷ・・・スイッチ回路

Claims (3)

1. 光軸方向にある対象物に対して光束を投光する発光素子を含む投光部と、
   該対象物から戻って来る光束を受光して対応する電気信号を出力する受光素子を含む受光部と、
   該電気信号に基づいて該対象物までの距離を算出する演算部とを備えた光学式測距装置であって、
   前記受光部は二個以上複数の受光素子を有し、合体モードと分離モードで切り換え可能であり、合体モードの時該複数の受光素子は個々の受光量の合計に応じた単一の電気信号を出力し、分離モードの時個々の受光量に応じた複数の電気信号を出力し、
   前記演算部は、先ず合体モードで出力される電気信号に基づいて該対象物の表面反射率を表わす反射率データを求め、次に分離モードで出力される電気信号に基づいて該対象物までの距離を表わす距離データを求め、さらに該反射率データに基づいて該距離データを補正して対象物の反射率に依存する誤差を除去することを特徴とする光学式測距装置。
2. 前記演算部は、あらかじめ反射率が既知の基準対象物からサンプリングされた参照反射率データを記憶しており、該参照反射率データに基づいて合体モード時に得られた該電気信号を処理し、もって該対象物の実際の表面反射率を表わす反射率データを算出することを特徴とする請求項１記載の光学式測距装置。
3. 前記演算部は、分離モードで出力される少くとも二個の電気信号の差を取った差データ及び和を取った和データを求め、該反射率データで該差データ及び和データを補正し、さらに補正された差データ及び和データの比を取って該距離データを求めることを特徴とする請求項１記載の光学式測距装置。

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