JPH01109284A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は距離測定装置に関し、更に詳しくは走行ロボッ
トの視覚センサとして用いられる光学式の距離測定装置
に関するものである。

（ロ）従来の技術 従来この種の装置としては、例えば、（１）雑誌「セン
サ技術Ｊ　１９８３年５月号ｐａｔ〜３３と、（２）雑
誌「センサ技術Ｊ　１９ｇ４年７月号ｐ６９〜７２とに
開示されたものが知られている。すなわち、両者とも三
角側ｊｌ法を用いて距離測定をおこなうものである。

前者は、第４図に示すように、受光素子の受光面をレン
ズの光軸に対して傾けて設置したものであり、後者は、
第５図に示すように、受光面をレンズの焦点距離位置に
、かつ光軸に垂直に設置したものである。以下、この三
角測量法の基本原理を第４図を用いて説明する。

第４図において、光源より発射されたペンシルビームｌ
は測定対象物２に当たって乱反射する。

その反射光３を集光レンズ４（以下、レンズと略記する
）で集光し、受光素子５の受光面上に結像させる。この
時、測定対象物２までの距離に応じて受光面上を結像点
Ｐが移動するため、この位置を測定することにより距離
りを計算することができる。受光素子としては一般にＣ
ＣＤ　（ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ）
リニアイメージセンサまたは半導***置検出素子（ｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｂｌｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ；
以下、ＰＳＤと略記する）が用いられる。そして、レン
ズ４の焦点距離をｆ１受光素子５の受光面の長さをＳと
し、最短測定距離Ｌａ１ｎ及び最長測定距＃ｉＬ＋＋ａ
ｘに設定した場合に、それぞれ受光面の両端で結像する
ように受光素子５を配置する。そしてペンシルビーム１
とレンズ４の光軸との角度をθとし、受光面の一端から
結像点Ｐまでの距離をｔとすると、測定範囲内の任意の
測定距離りはより計算することができる。

この時、受光素子５の受光面はレンズ４の光軸に対し角
度ψ傾け、かつその延長線が、ペンシルビームｌと、レ
ンズ４の中点を通りレンズ４の光軸に垂直な線ａとの交
点０を通るように設置する。

この交点０が距離りの始点であり、始点から、ペンシル
ビーム１とレンズ４の光軸との交点までの距離をＬｏと
すると なる角度に設定する。ここで、Ａは、レンズ位置におけ
る光軸とペンシルビームとの距離である。

この方法による距離測定は超音波距離測定に比較し、 ■ビームの広がりがなく、細部の測定が可能である。

■二次以上の多重反射の影響がほとんどなく誤測定が少
ない等の点で優れており、走行ロボットの物体形状を認
識するための視覚センサとして有効な方法である。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかしながら前者の装置では、受光素子５の受光面をレ
ンズ４の光軸に対して式（２）に示す角度ψだけ傾けて
設置する必要があり、測定距離範囲内のどの距離でも像
点と受光面が一致する反面、■受光素子取付部分の加工
が困難でコストアップになる。

■受光素子の取付けおよびその調整が難しく測定に誤差
が出る。

等の欠点がある。

一方後者の装置では、像点距離が焦点距離ｆよりも長く
受光面と像点が異なる位置にあるため、像がぼけるとい
う問題がある。すなわち、本測定方式は乱反射光を集光
するため、光源誌・らの出射光量に対し、受光面での受
光光量は第６図に示すように、単位面積当′りの受光光
量Ｐｓが遠距離になるほど極端に少なくなる。すなわち
、像がぼけると光量不足となり、このため測定可能距離
を短くする必要があったり、測定精度が低下するおそれ
がある。

この対策として出射光量を増大させるようにすれば、装
置が大型化したり、光源としてレーザ光を使用する場合
は特に出力を増大する必要があるため危険を招くおそれ
がある。

本発明は受光素子の取付は部の加工及び調整を容易にで
き、かつ測定距離を増長できる距離測定装置を提供する
ことを目的の一つとするものである。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明は、距離測定対象物に向ってペンシルビームを出
射する光源と、上記ペンシルビームの反射光を集光する
集光レンズと、集光される反射光を受光する受光素子と
を有し、この受光素子から出力される受光面上での光照
射位置検出信号にもとづいて上記距離測定対象物までの
距離を測定する距離測定装置において、上記受光ｆ子が
、その受光面を上記集光レンズの光軸に対して垂直に、
かつレンズ中心より最長測定距離の像点距離の位置に配
設してなる距離測定装置である。

すなわち、本発明は、受光素子の受光面をレンズの光軸
に垂直に配設し、かつ受光面を測定距離範囲の最長測定
距離における像点位置に配置する構成としたものである
。

この８明における受光素子としてはＰＳＤやＣＯＤイメ
ージセンサ、特にＣＣＤリニアイメージセンサなどが挙
げられる。

この発明における光源としては、半導体レーザあるいは
ガスレーザが挙げられ、発光ダイオードも適用可能であ
る。

（ホ）作用 この構成において、光源より発射されたペンシルビーム
は距離測定対象物に当り乱反射する。そして、この反射
光を集光レンズで集光すると、最も光量の少ない最長測
定距離においては受光素子の受光面と像点が一致するこ
とから、受光面には集光された光エネルギーが集中し、
これにより受光素子は十分な出力を発生できる。また、
最短測定距離に近づくにしたがい受光面上の像のぼけが
大きくなっても、受光面上に集光された光エネルギーの
増加により受光素子から十分な出力を発生できて距離が
測定されうる。

（へ）実施例 以下本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。なお
、これによって本発明は限定されることはない。

第１図において、１は出力２０ｍＷ（ミリ・ワット）の
光源６より発射された２１１径のペンシルビームで、こ
れは距離測定対象物２に当り、乱反射する。４は集光レ
ンズであり、距離測定対象物２に当って乱反射した反射
光３を集光して受光素子５に照射する。

この受光素子５は例えばＰＳＤであり、この受光面は、
最長測定距離Ｌ　ａ＋ａｘの測定対象物２ａからの反射
光３ａの像点用＠Ｋｍａｘの位置で、かつレンズ４の光
軸に垂直に配設されるとともに、結像した反射光が受光
素子５の受光面の一端に照射されるように配設されてい
る。同時に、受光素子５は、最短測定距離Ｌａ１ｎでの
反射光３ｂのレンズ４により集光された光が受光素子５
の受光面の他端にすべて照射されるように配設されてお
り、この時、受光素子５上に照射される反射光の微径φ
は、第３図に示すように、最大となる。２ｂおよび３ｂ
はそれぞれＬｓｉｎの測定対象物およびこの対象物から
の反射光、また、レンズ４の有効径をΦ、距離りにおけ
る像点距離をＫとする。

以上の如き構成において、測定範囲内の任意の測定距離
りの反射光３の受光素子５の受光面上の微径φは、 射）光量Ｐｉｎは、光源６の照射光量をＰ　ｏｕＬ反射
対象物２の反射率ηとし、反射までの光の減衰がなく、
かつ位置用に乱反射すると考えた場合、となる。

従ってレンズ４で集光された光が受光素子５の受光面上
に均一に照射されると仮定すると、受光素子５の受光面
が受ける単位面積当りの受光光量Ｐｓは Ｐｓ　＝　　午　　　・（５） となる。

このようにして受光素子５から出力される受光面での光
照射位置検出信号にもとづいて距離りが測定される。

ここで、η＝　１．Ｌ＋ｓｉｎ＝ＯＪ（ｍ）、Ｌｍａｘ
＝　ｌ　（ｍ）、Φ＝２０（ａｓ）、Ｐ　ｏｕｔ＝１（
Ｗ）、ペンシルビームｌの径を２ＪＩＪＩとした場合の
φ、Ｐｉｎ、Ｐ＋の計算例を第３図に示す。これらを、
第６図に示す従来例のものと比べると、微径φが全体的
に小さくなっていることが分かり、また、単位面積当り
の受光光量Ｐｓが遠距離では大きな値で、しかも単調に
増加しているとともに、近距離でも従来より大きな値を
示していることが分かる。

（ト）発明の効果 以上の如く本発明によれば、受光素子の受光面を、レン
ズ光軸に垂直に、かつレンズ中心より最長測定距離の像
点距離の位置に配設したので、遠距離での単位面積当り
の受光素子への照射光量を増加することができ、従って
簡単な構成で測定範囲を拡大することができる効果があ
る。また、光源の出力アップを必要としないので、コス
トアップや危険を招くおそれはないなど多大の利点を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図、第２図は
上記実施例の要部構成説明図、第３図は上記実施例の測
定距離に対する受光面の微径、受光面全面の受ける受光
光量および単位面積当りの受光光量をそれぞれ示す特性
図、第４図および第５図はそれぞれ従来例を示す構成説
明図、第６図は第５図における第３図相当図である。 １・・・・・・ペンシルビーム、 ２．２ａ、２ｂ・・・・・・距離測定対象物、３．３ａ
、３ｂ・・・・・・反射光、 ４・・・・・・集光レンズ、５・・・・・・受光素子、
６・・・・・・光源、　　　ＬＩＩｌａｘ・・・・・・
最長測定距離、Ｌ・・・・・・測定距離、　Ｋ　ａ＋ａ
ｘ・・・・・・像点距離。 第１図 第２図 第３図 託ａｉｌ（ｍ） 嫡５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、距離測定対象物に向ってペンシルビームを出射する
   光源と、上記ペンシルビームの反射光を集光する集光レ
   ンズと、集光される反射光を受光する受光素子とを有し
   、この受光素子から出力される受光面上での光照射位置
   検出信号にもとづいて上記距離測定対象物までの距離を
   測定する距離測定装置において、上記受光素子が、その
   受光面を上記集光レンズの光軸に対して垂直に、かつレ
   ンズ中心より最長測定距離の像点距離の位置に配設して
   なる距離測定装置。