JPS6344169B2

JPS6344169B2 -

Info

Publication number: JPS6344169B2
Application number: JP14231182A
Authority: JP
Inventors: Koji Tsucha
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1982-08-17
Filing date: 1982-08-17
Publication date: 1988-09-02
Also published as: JPS5932810A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は半導***置検出素子PSDを用いた距
離測定装置に関する。入射光束の位置を出力することができる半導体
光位置検出素子が従来より知られている。第１図を参照して最初にこの半導体光位置検出
素子を説明する。この素子１０は比較的大きな面
を有する半導体基板１をもち、その半導体基板の
一方の面に基板と異なる導電型の半導体層２が形
成されている。半導体層２の上は抵抗層３が形成
されその抵抗層３の両端には２つの検出用電極４
ａ，４ｂが設けられ、基板３には共通電極５が設
けられている。電極４ａと４ｂの間に点状に光束Ｌが入射する
と抵抗層３を介して入射点から電極４ａへ電流
i₁、電極４ｂへ電流i₂が流れる。また電極５へ電
流i₃が流れる。それ等の間に次の関係が成立す
る。 i₃＝i₁＋i₂ ……(1) 抵抗層３の抵抗を一様にしておけば、光束Ｌの
入射点と電極４ａの間の距離l₁、光束Ｌの入射点
と電極４ｂの間の距離l₂とするとl₁・i₁＝l₂・i₂な
る関係が成立する。この関係に基づいて演算すれ
ば半導体光位置検出素子１０、入射した光束Ｌの
入射点が次式で求めることができる。ｐ＝（i₁−i₂）／i₃ ……(2) ｐは電極４ａと４ｂの中点を原点とし電極４ａ
を正方向とする座標であらわした光束の入射点で
ある。入射点がたとえば円のように面積をもつと
きｐはその重心を示す。ここでPSDは光スポツトの位置を抵抗層３で
決まる電流比で与えるため負荷RLは内部の抵抗
層３の値（Rdiv）に比べRL＜＜Rdivの関係が必
要である。第２図は上記半導体光位置検出素子を用いた測
距装置の原理を説明するための概略図である。パ
ルスジエネレータ１１で駆動されるLED１２よ
り射出される光は投光レンズ１３で平行光にされ
被写体１５で反射し、受光レンズ１４に入射す
る。受光レンズ１４の光軸にその中心が一致して
いる半導体光位置検出素子上の入射点の位置を
Ｘ、基線長をＢ、受光レンズと半導体光位置検出
素子までの距離をｆとすれば投光レンズ１３から
被写体までの距離Ｒとの間に下式が成り立つ。Ｒ＝（１／Ｘ）・ｆ・Ｂ ……(3) またPSDの長さをＬとすれば、電流i₁，i₂から
入射点の位置Ｘは次式で表される。Ｘ＝Ｌ〔（i₁−i₂）／（i₁＋i₂）〕／２ ……(3)′ 電極４ａにはi₁、電極４ｂにはi₂が流れ、電流
電圧変換器１６，１７でそれぞれの電流値に対応
する電圧に変換され、さらに減算器１８、加算器
１９でi₁−i₂、i₁＋i₂が算出され、割算器２０でi₁
−i₂とi₁＋i₂の割算がなされる。したがつてこの
値Ｘを(3)式に代入すれば投光レンズ１３から被写
体までの距離Ｒを求めることができる。次にこの測距データ（PSD上のスポツト位置）
を用い、カメラの自動焦点化を行う場合の撮影レ
ンズの駆動方法を２例説明する。第１はレンズをモータなどで連続的に移動し
PSD上のスポツト位置に対応した位置にレンズ
を駆動するものである。この場合焦点は被写体に
一致する。第２のレンズ被写界深度に被写体が入る位置に
レンズを動かすもので近距離から∞までをいくつ
かに分割してレンズの停止位置を決めるものであ
る。これを例えば35mmカメラでｆ＝38mm、F2.8の
レンズに用いるものとすればおおよそ８〜10分割
になる。ここで第１の方法を実現するには光スポツト位
置を示す信号は連続したアナログ信号が必要であ
る。また第２の方法を実現するには光スポツト位
置を示す信号はレンズの停止位置に対応したデイ
ジタル信号が適当である。さらに、カメラでは測距データを撮影者に示す
必要がありLED表示が一般的でやはりデイジタ
ル信号が必要である。カメラの自動焦点化において、PSDとLEDを
用いた従来の照射光方式の利点は照射光方式の持
つ特性を利用しPSDを用いることによりメカ的
な可動部分のない測距を可能にしていることであ
る。このことはフオーカスメモリの機能が回路的に
実現でき、しかも変更が簡単に行なえるというこ
とである。これはカメラの設計の自由度が増すこ
とにほかならない。第３，４，５図は上記原理を用いてさらに具体
化した従来の回路例を説明するための図である。
第３図は半導体光位置検出素子の概略図である。
PSDからの信号i₁，i₂を用いPSD上の光スポツト
の位置を得るには、PSDの原理のところに記し
たようにPSDのセンタを０とすれば（i₁−i₂）／（i₁＋i₂） ……(4) が成り立つ。またi₁＋i₂の電流はPSDのCOMMON端子を流
れる信号電流i₃との間に i₁＋i₂＝−i₃ ……(5) の関係があるので(4)の分母をi₃で代用できる。
PSDの端を０の位置とすると i₁／i₃ ……(6) でも光スポツトの位置を求めることができる。第
４図は(4)式の演算を実現するための演算回路のブ
ロツク図である。電流電圧変換器４１，４２は
PSDの性質上、低い負荷インピーダンスで信号
i₁，i₂を受ける回路である。信号選択回路４３，
４４は被写体からの反射信号には背景光などのノ
イズが含まれているため、そのノイズ部分を取り
除き信号成分のみを取り出す回路である。この回
路の具体例としては例えば背景光の変化がLED
発光に対しゆつくり変化すると仮定し、LEDが
発光する直前の背景光の強さを記憶してその値を
LED発光時の値から引算し、信号のみを取り出
す回路やLEDをある周波数で輝度変調しその周
波数のみを通すフイルタを用い信号成分のみを得
る回路がある。加算回路４５および減算回路４６
ではi₁，i₂の加算および減算がなされ、割算回路
４７では、（i₁−i₂）／（i₁＋i₂）の信号の比が算
出され、PSD上の光スポツト位置を表すアナロ
グ値が得られる。最後にＡ／Ｄ変換回路４８によ
つてこのアナログ値がレンズ停止位置、フアイン
ダへの距離を表示するデイジタル信号に変換され
る。第５図は(6)式の演算を実現するための演算回路
のブロツク図である。電流電圧変換器４９，５０
は第４図の電流電圧変換器と同構成でそれぞれ
i₁，i₃に対応した電圧値に変換される。信号選択
回路５１，５２はやはり信号選択回路４３，４４
と同じで割算器５３によつてi₁／i₃が算出され、
PSD上の光スポツト位置を表すアナログ値が得
られ、最後に対応のデイジタル信号に変換され
る。以上の第５図または第６図の回路によつて
PSD上の光スポツトの位置を求めれば前記の様
に被写体までの距離の対応からカメラ等の自動焦
点化を実現できる。さて、そこで従来の回路はPSD2つの出力電流
の比が位置情報を持つため、PSDから割算回路
までの処理回路が飽和すると位置情報が失われて
しまうと云う欠点があつた。また、第４，５図から明らかなようにPSDの
出力は２つあり各々を増幅する回路が２つあるた
め、それら増幅器の増幅度が異なるとその差が
PSDの出力の差となり誤差を生じる問題もあつ
た。さらに演算が複雑になる欠点もあつた。本発明の目的は上記欠点を解決した距離測定装
置を提供することにある。前記目的を達成するために、本発明による距離
測定装置は、光源装置と、前記光源装置の射出す
る光をビーム状にする投光レンズと、前記投光レ
ンズの光軸と平行に一定基線長だけ隔たつており
前記光ビームの被検出体からの反射光を結像する
ための受光レンズと、２つの電極を結ぶ直線上に
抵抗層を有し前記直線上に投射された光点から前
記各電極に電流を分流する半導体光位置検出器
と、各端が前記半導体光位置検出器の電極にそれ
ぞれ接続され測定すべき測定距離にそれぞれ対応
した前記２極間の抵抗層の抵抗値にそれぞれ対応
して分割されそれぞれの分割点にタツプ端子を設
けた分割抵抗器と、共通端子が前記半導体光位置
検出器の共通端子に選択端子が前記分割抵抗器の
各タツプ端子に切換接続される切換えスイツチ
と、前記半導体光位置検出器の２つの電極の１方
の電流とこの電極に接続された前記分割抵抗器の
電流の加算演算を行い電圧に変換する電流電圧変
換部と、前記電流電圧変換部の出力の極性を判定
する位相極性判定回路と、前記切り換えスイツチ
を順次切り換え制御し各切り換え点での前記位相
極性判定回路の判定結果より前記被検出体までの
距離を演算出力する距離演算回路から構成されて
いる。前記構成によれば、簡単な処理回路で、位置情
報を損なうことなく被検出物までの距離を測定で
きる。以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく
説明する。最初に本発明の概要より説明する。第
６図は被検出体までの距離を検出するための光学
系の概略図でレンズを被写界深度内に移動する場
合の例である。図示のように被検出体までの距離
を（近い）（真中）（遠い）で区別する場合、
PSD上では、反射光のスポツトの位置が〔P₁よ
り遠い〕、〔P₁とP₂の間）、〔P₂より近い〕の３つ
に区別が出来れば良い。 PSDに信号光が入射した場合の等価回路は第
７図で表される。第７図において、Rshはシヤン
トレジスタンス、Cjは接合容量、Isigは信号光に
よつて生じた電流、Rdivは抵抗層の抵抗をそれ
ぞれ示す。ここで第２図のところで説明したよう
にでRsh＞＞Rdivであり、，Cjは小で無視できる
のでPSDはIsigとRdivで表され第８図のPSD部
分となる。第８図はPSDのCOMMON端子に分割抵抗Ra，
Rbを接続した図である。分割抵抗Ra，Rbを流れ
る電流ia，ibはRa／R₁＝Rb／R₂の関係が成立し
たときia＝i₁、ib＝i₂の関係が成立する。光スポ
ツトの位置がＰからI₁側に移動するとia＜i₁、ib
＞i₂の関係が成り立つ。また光スポツトの位置がＰからI₂側に移動する
とia＞i₁、ib＞i₂の関係が成り立つ。したがつて
iaとi₁またはibとi₂の大きさを比較することによ
つてＰに対して光スポツトがどこにあるか判別で
きる。第８図で説明した方法で３段階に分割する第６
図を実現すると第９図のようになる。第９図は分割抵抗の一端とPSDの一端を接続
し、分割抵抗のタツプ端子とPSDのCOMMON
端子間に切換えスイツチを挿入した回路図であ
る。R₁はPSD上のI₁端から分割点P₁までの抵抗
層の抵抗値、同様にR₂はPSD上のI₁端から分割点
P₂までの抵抗値、さらにR₃はPSD上のI₁端から
分割点P₃までの抵抗値をそれぞれ示す。i₂−ibの
電流値は増幅器Ａで変換されV₀＝−Rf（i₂−ib）
で表される。条件としてRa／R₁＝Rb／R₂＝
Rc／R₃が成り立つ。このように条件を設定する
と光スポツトの位置とスイツチ位置とV₀の極性
は表１のようになる。

【表】この表１からは次のようなことがわかる。まず
切換えスイツチがS₁に接続されている場合に注目
すると光スポツトの位置がP₁とI₁の間ではV₀の
極性は＋であるが、P₁とP₂の間およびP₂とI₂の間
では−となり切換えスイツチ位置の左側では＋、
右側では−となる。同様に切換えスイツチがS₂に
接続されている場合に注目すると光スポツトの位
置がP₂とI₁の間およびP₁とP₂の間ではV₀の極性
は＋であるが、P₂とI₂の間では−となり切換えス
イツチ位置の左右の符号が上記と同様になる。し
たがつてスイツチを切り換えてV₀の極性を調べ
て行けば光スポツトの位置が求まることがわか
る。第１０図は本発明による距離測定装置の一実施
例を示す回路ブロツク図である。この例は光源装
置であるLEDをある周波数で輝度変調するもの
である。第１０図において、１０１は被検出体、
１０２は受光レンズ、１１４はPSD、１０３は
切換えスイツチ、１０４は分割抵抗、１０５は電
流電圧変換部、１１５は位相極性判定回路、１０
６は距離演算回路、１１１は光源装置をそれぞれ
示す。光源装置１１１は発光源であるLED１１
２とLED１１２に輝度変調をかけて駆動する
LED駆動回路１１３より構成されている。切換
えスイツチ１０３は距離の（分割数−１）の接点
を持つもので例えばFETスイツチなどが用いら
れる。電流電圧変換部１０５は演算器１０９と信
号選択回路であるフイルタ１１０より構成されて
いる。演算器１０９ではi₂−ibの演算を行い、i₂
とibの大小関係を電圧に変換する。フイルタ１１
０はLEDを変調している周波数のみを通し背景
光などのノイズを除去する回路である。距離演算
回路１０６は制御回路の役目を果たすLED駆動
回路１１３および位置演算回路１０７を含んでい
る。位相極性判定回路１１５はLED駆動回路１
１３の位相比較用参照信号と電流電圧変換部１０
５の出力の位相を比較し、180゜ずれているか否を
判定する。位置演算回路１０６は表１に示す手順
で切換えスイツチを切り換えスポツト位置を探し
そのときの位相極性判定回路１１５の結果を出力
する。コンデンサC₁，C₂，C₃は信号が交流成分
であることから不必要な直流分をカツトする部分
である。本回路はコントローラまたは手動によつ
て起動される。第１１図は本発明装置の光学系の部分を示した
図である。PSD１１４の一方の電極と受光レン
ズ１０２の光軸を一致させ、その光軸から入射点
までの距離をLpとするように配置してある。被
検出体１０１までの距離をLo、基線長をLB、受
光レンズ１０２の焦点距離をＦとすると Lp＝Ｆ・LB／Lo・1000 ……(7) が成り立つ。ただしLo：（ｍ）Lp、Ｆ、LB：（mm）本実施例では具体的には測定すべき距離は９分
割となり、切換えスイツチは８個の接点を持つ。
表２にその場合の数値例を示す。

【表】ただし基線長は38mm、受光レンズの焦点距離は
22mm、PSDのサイズは１mmで0.1mmあたり5Kohm
とする。なお分割点の距離Loはｆ＝38mm、Ｆ＝
2.8の撮影レンズの被写界深度から決まる点であ
る。第１２図ａ，ｂは位相極性判定回路の原理を説
明するための回路図およびその動作を説明するた
めの波形図である。バンドパスフイルタでノイズ
を取り除かれたアナログ波形はコンパレータ１２
３で矩形波にされ、アンド回路１２２に導かれ
る。アンド回路１２２には制御回路１２１からサ
ンプリングパルスが供給され、アンド出力が出た
場合はコンパレータ１２３の出力は正、出ない場
合は負となり、位相の検出が可能となる。第１３図は第１０図をさらに具体化した回路図
である。位相極性判定回路１１５のアンド回路は
スイツチ１３２の切換え点に対応して設けられた
８個のデータラツチ１０６ａ〜ｈが兼ねている。
距離演算回路１０６は制御回路１３１と上記の８
個のデータラツチ１０６ａ〜ｈより構成されてい
る。制御回路１３１はトランジスタ１３７を制御
してLEDを所定の周波数で駆動するとともに切
換えスイツチ１３２の制御を行いデータラツチ１
０６ａ〜ｈに順次パルスを供給する。Ｄ／Ａコン
バータ１３３は８個のデータラツチ１０６ａ〜ｈ
の出力よりその出力に対応したアナログ値を出力
し撮影レンズ１３６を適正位置に調整するサーボ
系を駆動する。サーボ系はサーボアンプ１３４と
サーボモータ１３５とその中間タツプが撮影レン
ズ１３６に連動するポテンシヨメータ１３８より
構成されている。スタート信号が入ると制御回路１３１は元のS₀
を選択する（近くから遠くへ調べて行くアルゴリ
ズム）。そしてスイツチ切換のトランジエントが
収まつてからラツチパルスLφを出力し、このと
きのコンパレータ出力をデータラツチ１０６ａ
（U₀）に記憶する。次にS₁を選択しラツチパルスL₁を出力し同様
にそのときのコンパレータ出力をデータラツチ１
０６ｂ（U₁）に記憶する。以下順次切換えラツチ
パルスL₂〜L₇を使用して他の６状態を調べラツ
チ１０６ｃ〜ｈに記憶する。測定結果の表示はデ
ータラツチ１０６ａ〜ｈ（U₀〜U₇）の出力Q₁〜
Q₇に各々接続されているLEDで行われる（Qn＝
１のときLEDが点灯）。したがつてS₇のスイツチのポジシヨン（5.8m）
より遠くに被写体がある場合は全部点灯すること
になる。第１４図は被検出体が1.77mと1.36mとの間す
なわちその入射点がスイツチの接点S₁とS₂の間に
ある場合のタイムチヤートである。タイムチヤー
トの例ののようにS₁とS₂の間にあるときは、 Qφ Q₁ Q₂ Q₃ LED ON ON OFF OFF Q₄ Q₅ Q₆ Q₇ OFF OFF OFF OFF 換がなされる。この例ではポテンシヨメータの設
定電圧が最大8Vでるので0Vから1Vステツプ単位
で8Vまでのいずれかの電圧値に変換される。サーボ系ではサーポアンプ１３４の出力により
サーボモータ１３５が撮影レンズ１３６を駆動
し、撮影レンズ１３６に連動したポテンシヨメー
タ１３８がＤ／Ａコンバータ１３３の出力V₀と
等しくなつたとき、サーボループは停止する。こ
れにより撮影レンズ１３６は適性な位置にもたら
されピントが調整される。第１５図はPSD上の距離の分割点とレンズ停
止位置の対応した図である。レンズ停止位置は両
端の分割点の距離を被写界深度に収めるところに
設定してある。38mm、F2.8の撮影レンズの場合で
タイムチヤートの例のように1.17m（S₁）と1.36m
（S₂）の間に被検体があるときに対応をとると
Qφ、Q₁＝１、Q₂〜Q₇＝０となりＤ／Ａコンバー
タ出力は2Vとなる。したがつてサーボループが
止まるところはポテンシヨメータのタツプの出力
が2Vのところとなる。以上ではLEDの反射光がPSDにもどつてくる
場合について説明したが、実際のオートフオーカ
スカメラでは被写体が∞にある場合には測距範囲
外であるのでもどつてこない。この場合の対策と
してこのとき反射光によるバンドパスフイルタの
出力は出ないので、この状態を利用して、コンパ
レータの比較基準入力をGNDレベルに対し、コ
ンパレータ出力に“１”が出るようにわずかな
Voffset、電圧を与える。このように構成するこ
とにより第１３図の例では反射信号光がないと
き、データラツチ１０６ａ〜ｈ（U₀〜T₇）の出力
が全て“１”になり、被写体が∞にある場合に対
応させることができる。以上、詳しく説明したように本発明による距離
測定装置はPSDから取り出す情報が振幅（大小
の比）ではなく極性（位相）の情報を取り扱う回
路構成であるので信号処理において位相の情報が
失われなければよく振幅制限回路などを使えるた
め回路が飽和する問題は生じない。また増幅系が
１つであるので増幅度の変動は誤差につながらな
い。さらにアナログ演算回路の部分が簡単になる
等の利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体光位置検出素子の構造を示す
図、第２図は半導体光位置検出素子を用いた測距
装置の原理を説明するための概略図、第３図は半
導体光位置検出素子の概略図、第４，５図は演算
回路のブロツク図、第６図は被検出体までの距離
を検出するための光学系の概略図、第７図は
PSDに信号光が入射した場合の等価回路図、第
８図はPSDのCOMMON端子に分割抵抗を接続
した図、第９図は分割抵抗の一端とPSDの一端
を接続し、分割抵抗のタツプ端子とPSDの
COMMON端子間に切換えスイツチを挿入した
回路図、第１０図は本発明による距離測定装置の
一実施例を示す回路ブロツク図、第１１図は本発
明装置の光学系の部分を示した図、第１２図ａ，
ｂは位相極性判定回路の原理を説明するための回
路図およびその動作を説明するための波形図、第
１３図は第１０図をさらに具体化した回路図、第
１４図は被検出体が1.77mと1.36mとの間すなわ
ちその入射点がスイツチの接点S₁とS₂の間にある
場合のタイムチヤート、第１５図はPSD上の距
離の分割点とレンズ停止位置の対応を示した図で
ある。１…半導体、２…半導体層、３…抵抗層、４
ａ，４ｂ…電極、１０…半導体光位置検出素子
（PSD）、１２，１１２…LED、１３，１０２…
投光レンズ、１４…受光レンズ、２０，１０９…
増幅器、４１，４２，４９，５０，１０５…電圧
電流変換器、４３，４４，５１，５２…信号選択
回路、１９，４５…加算回路、１８，４６…減算
回路、４７，５３…割算器、４８，５４…Ａ／Ｄ
変換器、１０１…被検出体、１０３，１３２…切
換えスイツチ、１０４…分割抵抗、１０６…距離
演算回路、１０７…位置演算回路、１１０…バン
ドパスフイルタ、１１１…光源装置、１１３…
LED駆動回路、１１５…位相極性判定回路、１
２１，１３１…制御回路、１２２…AND回路、
１２３…コンパレータ、１３３…Ｄ／Ａコンバー
タ、１３４…サーボアンプ、１３５…サーボモー
タ、１３６…撮影レンズ、１３７…トランジス
タ、１３８…ポテンシヨメータ。

Claims

【特許請求の範囲】１光源装置と、前記光源装置の射出する光をビ
ーム状にする投光レンズと、前記投光レンズの光
軸と平行に一定基線長だけ隔たつており前記光ビ
ームの被検出体からの反射光を結像するための受
光レンズと、２つの電極を結ぶ直線上に抵抗層を
有し前記直線上に投射された光点から前記各電極
に電流を分流する半導体光位置検出器と、各端が
前記半導体光位置検出器の電極にそれぞれ接続さ
れ測定すべき測距範囲にそれぞれ対応した前記２
極間の抵抗層の抵抗値にそれぞれ対応して分割さ
れそれぞれの分割点にタツプ端子を設けた分割抵
抗器と、共通端子が前記半導体光位置検出器の共
通端子に選択端子が前記分割抵抗器の各タツプ端
子に切換接続される切り換えスイツチと、前記半
導体光位置検出器の２つの電極の１方の電流とこ
の電極に接続された前記分割抵抗器の電流の加算
演算を行い電圧に変換する電流電圧変換部と、前
記電流電圧変換部の出力の極性を判定する位相極
性判定回路と、前記切り換えスイツチを順次切り
換え制御し各切り換え点での前記位相極性判定回
路の判定結果より前記被検出体までの距離を演算
出力する距離演算回路とから構成した距離測定装
置。２前記光源装置は輝度変調波を出力する発光ダ
イオードである第１項記載の距離測定装置。３前記位相極性判定回路は前記電流電圧変換部
のアナログ出力を矩形波に変換するコンパレータ
と、前記各切り換え点で前記距離演算回路から供
給されるサンプリングパルスと前記コンパレータ
出力を入力とするアンド回路とから構成した第１
項記載の距離測定装置。４前記切り換えスイツチは電界効果トランジス
タである第１項記載の距離測定装置。５前記電流電圧変換部は演算増幅回路とその出
力から信号成分のみを取り出すバンドパスフイル
タである第１項記載の距離測定装置。６前記距離演算回路は前記光源装置を駆動し、
かつ前記切り換えスイツチを順次切換え制御し、
その切換えに対応したパルスを出力する制御回路
と前記パルスによつて前記位相極性判定回路の判
定結果を一時記憶するデータラツチ群とから構成
した第１項記載の距離測定装置。