JP2005024523A

JP2005024523A - 距離計測装置および該装置を有するプロジェクタ

Info

Publication number: JP2005024523A
Application number: JP2003271020A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Tamura; 陽一田村
Original assignee: NEC Viewtechnology Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】単一の光源と単一の受光デバイスを利用した簡単な構成で高い精度で距離を測定できる距離測定装置を提供する。
【解決手段】周波数の変更が可能な光源駆動信号発生器１１と、光源１２と、受光素子１３と、投射光線の周期幅と受光した反射光線の周期幅との往復時間に対応するずれによる重なり状態を取得し、取得した重なり状態から往復時間に対応する対象物との距離を算出する処理演算回路とを有する。処理演算回路は、電流電圧変換器１４と、光源駆動信号発生器１１からの駆動信号と電流電圧変換器１４からの電圧信号とを入力して論理和を出力するＯＲ回路１５と、ＯＲ回路１５から出力された論理和を時間的に平滑化するローパスフィルタ回路１６と、その出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路１７と、時間的に平滑化された論理和の振幅から光源１１と対象物との距離を演算する演算回路１８とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は距離計測装置および距離計測装置を有するプロジェクタに関する。

従来、距離計測装置としては、所定の周波数で変調された発光量の可変な複数の光を測定対象物表面に照射し、一定方向の光のみを検出できる検出素子でその反射光を検出して、そこから得られる位相情報から距離情報を取得する光学形状センサが開示されている（例えば特許文献１参照）。また、距離計測対象に向けての投光とその反射光の受光とに関連する時間に基づいて距離計測対象までの距離を計測する距離計測装置が開示されている（例えば特許文献２参照）。また、超音波を検出物体に送信してその反射波を受信し、送信から受信信号までのクロック数に基づいて物体までの距離を演算する距離計測装置が開示されている（例えば特許文献３参照）。
特開２００３−４２７３３号公報特開平１１−３２５８２３号公報特開平１１−４４７５９号公報

しかし、特許文献１の光学形状センサでは複数の光源を必要とし、特許文献２の距離計測装置では外乱光による影響を避けるための受光時間設定など信号処理手段を必要とし、特許文献３の距離計測装置では超音波発信装置を必要とするなど複雑な機構を必要とする。

本発明の距離計測装置は、所定の周波数で光源を駆動するための駆動信号を発生する光源駆動信号発生器と、駆動信号に従って発光し対象物に投射光線を投射する光源と、光源に近接して配置され対象物からの反射光線を受光する受光素子と、投射光線の周期幅と受光した反射光線の周期幅との往復時間に対応するずれによる重なり状態を取得し、取得した重なり状態から往復時間に対応する対象物との距離を算出する処理演算回路とを有することを特徴としており、重なり状態の取得のためにＯＲ回路あるいはＡＮＤ回路のような論理回路と平滑化のためのローパスフィルタ回路を組み合わせたり、反射光線と同時に投射光線の一部を受光素子で受けて、反射光線と投射光線との重なりを取得するために振幅制御回路と平滑化のためのローパスフィルタ回路を組み合わせたりする。この場合予想される対象物との距離に対応して光源駆動信号発生器の駆動パルスの周波数を制御することにより精度の高い対象物の距離を取得できる。

本発明の距離計測装置を用いたプロジェクタは、投影装置の投射レンズの焦点調整にこの距離測定装置を使用する。

本発明は、単一の光源と単一の受光デバイスを用いた簡単な構成の距離測定装置で、光源駆動信号の周波数を変更することにより距離に対応して高い精度で対象物との距離を測定できるという効果がある。

単一の光源と単一の受光デバイスを利用した簡単な構成で高い精度で距離を測定できる距離測定装置を提供するという目的を、光源を駆動するパルス信号と受光デバイスからのパルス信号とをゲート回路で処理した２値信号を平滑化したり、投射時の投射光線のパルスと反射光線のパルスとを加算し振幅を制御した波形を平滑化したりして、平滑化された振幅からその振幅と比例関係にある距離を算出することにより実現した。

図１は本発明の第１の実施例の距離計測装置の模式的ブロック構成図であり、図２は図１の光源の周波数を１００ＭＨｚとしたときの距離計測機構の模式図であり、図３は図２における光源の投光サイクルと受光素子の受光サイクルとの時間的な相対関係と処理の内容と結果の説明図である。

距離計測装置１０は、所定の周波数で光源を駆動するための駆動信号を発生する光源駆動信号発生器１１と、駆動信号に従って発光し対象物に投射光線５１を投射するＬＥＤなどの光源１２と、対象物からの反射光線５２を受光して電流に変換するフォトトランジスタなどの受光素子１３と、受光素子１３で発生した電流を電圧に変換する電流電圧変換器１４と、光源駆動信号発生器１１からの駆動信号と電流電圧変換器１４からの電圧信号とを入力して論理和を出力するＯＲ回路１５と、ＯＲ回路１５から出力された論理和を時間的に平滑化するローパスフィルタ回路１６と、ローパスフィルタ回路１６の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路１７と、Ａ／Ｄ変換回路１７の出力を入力して光源１２と対象物５０との距離を演算して距離情報３１として出力する演算回路１８とを有する。

光源１２から投射された光線は光源１２と対象物５０との距離の２倍の距離を進む時間だけ遅延して受光素子１３に入射する。周波数が１００ＭＨｚの光線の波長λは、
λ＝光速／周波数＝３×１０⁸（ｍ／ｓｅｃ）／１０⁸（／ｓｅｃ）＝３（ｍ）
である。また、１サイクルの周期ｐは、
ｐ＝１／周波数＝１／１０⁸（／ｓｅｃ）＝１×１０^-8（ｓｅｃ）
であり、従って光線はその１／２の５×１０^-7（ｓｅｃ）の期間投射される。

図２の光源１２および受光素子１３と対象物５０との距離をＬ（ｍ）とすると光源の投射タイミングと受光素子１３の受光タイミングとの間の遅延ｄ（ｓｅｃ）は、波長λ＝３（ｍ）に対する周期がｐ＝１×１０^-8（ｓｅｃ）なので、
ｄ＝２Ｌ（ｍ）×１０^-8（ｓｅｃ）／３（ｍ）＝（２０／３）Ｌ×１０^-7（ｓｅｃ）
となり、
Ｌ＝０（ｍ）ではｄ＝０、
Ｌ＝０．３７５（ｍ）ではｄ＝２．５×１０^-7（ｓｅｃ）
Ｌ＝０．７５（ｍ）ではｄ＝５×１０^-7（ｓｅｃ）
となる。

図３は、ＯＲ回路１５の入力Ａに光源駆動発信器１１からの出力が入力し、入力Ｂに電流電圧変換器１４からの受光信号が入力したときのＯＲ回路１５の論理和Ｘと論理和Ｘをローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化したときの出力ｘを模式的に示す。同図より、連続的な出力Ｘをローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化したときの振幅を４／４としたときに、それぞれの平滑化した振幅は、Ｌ＝０の場合２／４、Ｌ＝０．３７５（ｍ）の場合３／４、Ｌ＝０．７５（ｍ）の場合４／４となっており、２／４と４／４との間でＬに比例して直線的に変化している。従ってローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化したときの出力ｘの振幅を演算回路１８で演算することにより容易に光源１２および受光素子１３と対象物５０との距離Ｌ（ｍ）を算出することができる。

ただし、光源１２からの投射光線５１の周波数が１００ＭＨｚの場合には、Ｌが０．７５ｍ以上では０〜０．７５ｍのサイクルを繰り返すことになるので、距離計測の範囲は０．７５ｍ以下となる。これ以上の距離を測定する場合には光源１２からの投射光線５１の周波数を変更すればよい。例えば、周波数を１０ＭＨｚとすれば距離計測の範囲は７．５ｍ以下となる。測定距離に対応して光源駆動信号発生器１１の周波数を変更することによりそれぞれの範囲で高い精度で距離を測定できる。

次に、本発明の第２の実施例について図面を参照して説明する。図４は本発明の第２の実施例の距離計測装置の模式的ブロック構成図であり、図５は図４の光源の周波数を１００ＭＨｚとしたときの距離計測機構の模式図であり、図６は図５における光源の投光サイクルと受光素子の受光サイクルとの時間的な相対関係と処理の内容と結果の説明図である。

第１の実施例では、光源駆動信号発生器１１からの駆動信号と電流電圧変換した受光素子１３の受光信号とをＯＲ回路１５に入力して出力した論理和Ｘを時間的に平滑化してその振幅ｘから光源１２と対象物５０との距離を演算したが、第２の実施例では光源駆動信号発生器１１からの駆動信号Ａと電流電圧変換した受光素子１３の受光信号ＢとをＡＮＤ回路２５に入力して出力した論理積Ｘを時間的に平滑化してその振幅ｘから光源１２と対象物５０との距離を演算している。それ以外の要素や動作は第１の実施例と同じなので同じ要素には同じ符号と名称を用い、共通部分は省略して説明する。

図６は、ＡＮＤ回路２５の入力Ａに光源駆動発信器１１からの出力が入力し、入力Ｂに電流電圧変換器１４からの受光信号が入力したときのＡＮＤ回路１５の論理積Ｘと論理積Ｘをローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化したときの出力ｘを模式的に示す。同図より、連続的な出力Ｘをローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化したときの振幅を４／４としたときに、それぞれの平滑化した振幅はＬ＝０の場合２／４、Ｌ＝０．３７５（ｍ）の場合１／４、Ｌ＝０．７５（ｍ）の場合０となっており、２／４と０との間でＬに反比例して直線的に変化している。従ってローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化したときの出力ｘの振幅を演算回路１８で演算することにより容易に光源１２および受光素子１３と対象物５０との距離Ｌ（ｍ）を算出することができる。

この場合も、光源１２からの投射光線５１の周波数が１００ＭＨｚの場合には、Ｌが０．７５ｍ以上では０〜０．７５ｍのサイクルを繰り返すことになるので、距離計測の範囲は０．７５ｍ以下となる。これ以上の距離を測定する場合には光源１２からの投射光線５１の周波数を変更すればよい。例えば、周波数を５０ＭＨｚとすれば距離計測の範囲は１．５ｍ以下となる。測定距離に対応して光源駆動信号発生器１１の周波数を変更することによりそれぞれの範囲で高い精度で距離を測定できる。

次に、本発明の第３の実施例について図面を参照して説明する。図７は本発明の第３の実施例の距離計測装置の模式的ブロック構成図であり、図８は図７の光源の周波数を１００ＭＨｚとしたときの距離計測機構の模式図であり、図９は図８における光源の投光サイクルと受光素子の受光サイクルとの時間的な相対関係と処理の内容と結果の説明図である。

第１の実施例では、光源駆動信号発生器１１からの駆動信号と電流電圧変換した受光素子１３の受光信号とをＯＲ回路１５に入力して出力した論理和を時間的に平滑化してその振幅から光源１２と対象物５０との距離を演算し、第２の実施例では光源駆動信号発生器１１からの駆動信号と電流電圧変換した受光素子１３の受光信号とをＡＮＤ回路２５に入力して出力した論理積を時間的に平滑化してその振幅から光源１２と対象物５０との距離を演算したが、第３の実施例では光源１２の投射光線５１の一部を光ファイバ５３を介して反射光線５２とともに受光素子１３に入力し、発生した出力の振幅を振幅制御回路３５で一定の振幅になるように制御し、制御した出力を時間的に平滑化して距離を演算する。それ以外の要素や動作は第１の実施例と同じなので同じ要素には同じ符号と名称を用い、共通部分は省略して説明する。

図８の受像素子１３に反射光線５２の入力Ｂとともに光源１２からの投射光線５１の一部が直接光ファイバ５３を経由して入力Ａとして入力し、従って受像素子１３の出力は投射光線と反射光線の和Ｃとなる。従って両光線の重なった位置では振幅は約２倍となるが、ここで必要なのは両光線の入力している周期なので、振幅制御回路３５によって大きい振幅も小さい振幅も一定の振幅の出力Ｄとして出力され、ローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化されて出力ｘとなる。

図９には、入力Ａ、Ｂ、出力Ｃ、Ｄ、ｘの周期を模式的に示す。同図より、連続的な出力Ｄをローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化したときの振幅を４／４としたときに、第１の実施例と同じくＬ＝０の場合２／４、Ｌ＝０．３７５（ｍ）の場合３／４、Ｌ＝０．７５（ｍ）の場合４／４となっており、２／４と４／４との間でＬに比例して直線的に変化している。従ってローパスフィルタ回路１６で時間的に平滑化したときの出力ｘの振幅を演算回路１８で演算することにより容易に光源１２および受光素子１３と対象物５０との距離Ｌ（ｍ）を算出することができる。第１の実施例ではＯＲ回路１５で電気的に取得していた論理和を、第２の実施例では光学的に取得している。

ここでも、光源１２からの投射光線５１の周波数が１００ＭＨｚの場合には、Ｌが０．７５ｍ以上では０〜０．７５ｍのサイクルを繰り返すことになるので、距離計測の範囲は０．７５ｍ以下となる。これ以上の距離を測定する場合には光源１２からの投射光線５１の周波数を変更すればよい。例えば、周波数を５ＭＨｚとすれば距離計測の範囲は１５ｍ以下となる。測定距離に対応して光源駆動信号発生器１１の周波数を変更することによりそれぞれの範囲で高い精度で距離を測定できる。

次に、本発明の第４の実施例について図面を参照して説明する。図１０は本発明の第４の実施例の距離計測装置を用いたプロジェクタの模式的ブロック構成図である。

ここでは、プロジェクタを画像表示部に液晶表示部を有する液晶プロジェクタとして説明するが、これに限定されるものではなく画像表示部にＤＭＤ（デジタルライトプロセッサ）表示部を有するＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）方式プロジェクタであっても三管式であってもよい。

液晶プロジェクタ１は投射レンズ２１と液晶表示部２２と焦点調整部２３とを有する投影装置２０と、液晶表示部２２の画像を制御する画像制御部２４と、投射面距離測定装置３０と、全体の動作を制御するＣＰＵ６０とを備える。投射面距離測定装置３０は、第１の実施例で説明した距離計測装置１０であり、所定の周波数で光源を駆動するための駆動信号を発生する光源駆動信号発生器１１と、駆動信号に従って発光し対象物に投射光線を投射するＬＥＤなどの光源１２と、対象物からの反射光線を受光して電流に変換するフォトトランジスタなどの受光素子１３と、受光素子１３で発生した電流を電圧に変換する電流電圧変換器１４と、光源駆動信号発生器１１からの駆動信号と電流電圧変換器からの電圧信号を入力して論理和を出力するＯＲ回路１５と、ＯＲ回路１５から出力された論理和を時間的に平滑化するローパスフィルタ回路１６と、ローパスフィルタ回路１６の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路１７と、Ａ／Ｄ変換回路１７の出力を入力して光源１２と対象物との距離を演算する演算回路１８とを有する。演算回路１８により算出された距離情報によって画像制御部２４が焦点調整部２３を制御して投射レンズ２１の焦点を調整する。ここでは、投射面距離測定装置３０は、第１の実施例で説明した距離計測装置１０としたが、第２あるいは第３の実施例で説明した距離計測装置１０であってもよい。

対象物との距離が変化し、そのための焦点の調整が必要な撮像装置や画像投射装置などにおける自動焦点調整のための簡単で精度の高い自動距離計測装置として適用できる。

本発明の第１の実施例の距離計測装置の模式的ブロック構成図である。図１の光源の周波数を１００ＭＨｚとしたときの距離計測機構の模式図である。図２における光源の投光サイクルと受光素子の受光サイクルとの時間的な相対関係と処理の内容と結果の説明図である。本発明の第２の実施例の距離計測装置の模式的ブロック構成図である。図４の光源の周波数を１００ＭＨｚとしたときの距離計測機構の模式図である。図５における光源の投光サイクルと受光素子の受光サイクルとの時間的な相対関係と処理の内容と結果の説明図である。本発明の第３の実施例の距離計測装置の模式的ブロック構成図である。図７の光源の周波数を１００ＭＨｚとしたときの距離計測機構の模式図である。図８における光源の投光サイクルと受光素子の受光サイクルとの時間的な相対関係と処理の内容と結果の説明図である。本発明の第４の実施例の距離計測装置を用いたプロジェクタの模式的ブロック構成図である。

符号の説明

１液晶プロジェクタ
１０距離計測装置
１１光源駆動信号発生器
１２光源
１３受光素子
１４電流電圧変換器
１５ＯＲ回路
１６ローパスフィルタ回路
１７Ａ／Ｄ変換回路
１８演算回路
２０投影装置
２１投射レンズ
２２液晶表示部
２３焦点調整部
２４画像制御部
２５ＡＮＤ回路
３０投射面距離測定装置
３１距離情報
３５振幅制御回路
５０対象物
５１投射光線
５２反射光線

Claims

光源を駆動するための駆動信号を所定の周波数で発生する光源駆動信号発生器と、前記駆動信号に従って発光して対象物に投射光線を投射する光源と、該光源に近接して配置され対象物からの反射光線を受光する受光素子と、前記投射光線の周期幅と受光した前記反射光線の周期幅との往復時間に対応するずれによる重なり状態を取得し、取得した重なり状態から往復時間に対応する対象物との距離を算出する処理演算回路とを有することを特徴とする距離計測装置。
前記処理演算回路は、前記受光素子で発生した電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、前記光源駆動信号発生器からの駆動信号と前記電流電圧変換器からの電圧信号とを入力して論理和を出力するＯＲ回路と、該ＯＲ回路から出力された論理和を時間的に平滑化するローパスフィルタ回路と、該ローパスフィルタ回路の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路と、該Ａ／Ｄ変換回路の出力を入力して時間的に平滑化された論理和の振幅から前記光源と前記対象物との距離を演算する演算回路とを有する、請求項１に記載の距離計測装置。
前記処理演算回路は、前記受光素子で発生した電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、前記光源駆動信号発生器からの駆動信号と前記電流電圧変換器からの電圧信号とを入力して論理積を出力するＡＮＤ回路と、該ＡＮＤ回路から出力された論理積を時間的に平滑化するローパスフィルタ回路と、該ローパスフィルタ回路の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路と、該Ａ／Ｄ変換回路の出力を入力して時間的に平滑化された論理積の振幅から前記光源と前記対象物との距離を演算する演算回路とを有する、請求項１に記載の距離計測装置。
前記受光素子に前記反射光線に加えて前記光源からの前記投射光線の一部が直接入射し、前記処理演算回路は、前記受光素子で発生した電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、該電流電圧変換器の出力の振幅を一定の振幅に調整して出力する振幅制御回路と、該振幅制御回路からの出力を時間的に平滑化するローパスフィルタ回路と、該ローパスフィルタ回路の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路と、該Ａ／Ｄ変換回路の出力を入力して時間的に平滑化された振幅から前記光源と前記対象物との距離を演算する演算回路とを有する、請求項１に記載の距離計測装置。
前記光源駆動信号発生器は、発生する周波数を前記光源と前記対象物との予測距離に対応して変化させることが可能である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の距離計測装置。
投射レンズと液晶表示部と焦点調整部とを有する投影装置と、前記液晶表示部の画像を制御する画像制御部と、投射面距離測定装置と、全体の動作を制御するＣＰＵとを備えるプロジェクタにおいて、
前記投射面距離測定装置が請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の距離計測装置であることを特徴とする距離計測装置を有するプロジェクタ。
前記プロジェクタが液晶プロジェクタである、請求項６に記載の距離計測装置を有するプロジェクタ。
前記プロジェクタがＤＭＤ方式プロジェクタである、請求項６に記載の距離計測装置を有するプロジェクタ。