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技術 距離測定装置

出願人 オリンパス株式会社
発明者 松崎弘
出願日 1992年11月6日 (28年1ヶ月経過) 出願番号 1992-297055
公開日 1994年5月27日 (26年7ヶ月経過) 公開番号 1994-148327
状態 拒絶査定
技術分野 レーダ方式及びその細部 光レーダ方式及びその細部
主要キーワード 位相ずれ検出回路 警告器 位相ずれ検出 近接情報 測定光線 集光光学 警告発生 受光方向
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年5月27日)のものです。
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図面 (8)

目的

簡単な構成で広い測定範囲対象物に対し基準平面との距離を測定することができる距離測定装置を提供する。

構成

強度変調した光線発光して対象物からの反射光変調信号と発光の変調信号との位相のずれを検出することにより対象物との距離を測定する距離測定装置において、強度変調した光線を発光する送光部1と対象物3からの反射光の集光部2とを一定の間隔に離して配置し、送光部1及び集光部2の配置位置から対象物3の測定領域を定めて送光部1から対象物3までの距離と集光部2から対象物3までの距離との和としての距離を測定し、該測定した距離及び送光部1と集光部2との間隔から送光部1と集光部3とを配置した基準平面と対象物3との間の距離を求める。また、測定された送光部から対象物までの距離と集光部からの対象物までの距離の和を基準平面から対象物までの距離情報として扱い、ある適当なしきい値との比較を行うことにより、接近警告信号を発する。

概要

背景

図6及び図7は従来の距離測定装置の構成例を示す図である。従来、距離測定装置(例えば特開平3ー220482公報)においては、図6に示すようにレーザー光等の光信号対象物23に送光する送光部21と、対象物23からの反射光受光する受光部22とから構成されている。この送光部21は、レーザダイオード等の発光素子及び駆動回路から構成され、光強度変調された光線発光するものである。また、受光部22は、フォトダイオード等の受光素子及び信号処理回路から構成され、送光部21より送光された光線が対象物23から反射されて戻ってきた光線を受光素子で受光してそれを電気信号に変換するものである。そして、距離測定では、受光した変調信号と発光した変調信号との位相のずれを位相ずれ検出回路24で検出することにより送光部21、受光部22で構成する距離測定装置と対象物23との距離情報を得ている。この測定では、図6におけるd1+d2を求めた後、(d1+d2)/2を距離として計算している。

また、特開平2ー290507号公報に示す従来例においては、図7に示すように複数の発光素子31及び複数の受光素子32を用いてそれぞれの素子が異なる方向を向くように配置し、送光方向と受光方向との交点における測距を可能としている。このようにすることにより、発光方向と受光方向との組合せからなる広い範囲の測定領域を得ている。

概要

簡単な構成で広い測定範囲の対象物に対し基準平面との距離を測定することができる距離測定装置を提供する。

強度変調した光線を発光して対象物からの反射光の変調信号と発光の変調信号との位相のずれを検出することにより対象物との距離を測定する距離測定装置において、強度変調した光線を発光する送光部1と対象物3からの反射光の集光部2とを一定の間隔に離して配置し、送光部1及び集光部2の配置位置から対象物3の測定領域を定めて送光部1から対象物3までの距離と集光部2から対象物3までの距離との和としての距離を測定し、該測定した距離及び送光部1と集光部2との間隔から送光部1と集光部3とを配置した基準平面と対象物3との間の距離を求める。また、測定された送光部から対象物までの距離と集光部からの対象物までの距離の和を基準平面から対象物までの距離情報として扱い、ある適当なしきい値との比較を行うことにより、接近警告信号を発する。

目的

本発明は、前記の課題を解決するものであって、簡単な構成で広い測定範囲の対象物に対し基準平面との距離を測定することができる距離測定装置を提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

強度変調した光線発光して対象物からの反射光変調信号と発光の変調信号との位相のずれを検出することにより対象物との距離を測定する距離測定装置において、強度変調した光線を発光する送光部と対象物からの反射光の集光部とを一定の間隔に離して配置し、送光部及び集光部の配置位置から対象物の測定領域を定めて送光部から対象物までの距離と集光部から対象物までの距離との和としての距離を測定し、該測定した距離及び送光部と集光部との間隔から送光部と集光部とを配置した基準平面と対象物との間の距離を求めることを特徴とする距離測定装置。

技術分野

0001

本発明は、強度変調した光線発光して対象物からの反射光変調信号と発光の変調信号との位相ずれを検出して対象物との距離を測定する距離測定装置に関するものである。

背景技術

0002

図6及び図7は従来の距離測定装置の構成例を示す図である。従来、距離測定装置(例えば特開平3ー220482公報)においては、図6に示すようにレーザー光等の光信号を対象物23に送光する送光部21と、対象物23からの反射光を受光する受光部22とから構成されている。この送光部21は、レーザダイオード等の発光素子及び駆動回路から構成され、光強度変調された光線を発光するものである。また、受光部22は、フォトダイオード等の受光素子及び信号処理回路から構成され、送光部21より送光された光線が対象物23から反射されて戻ってきた光線を受光素子で受光してそれを電気信号に変換するものである。そして、距離測定では、受光した変調信号と発光した変調信号との位相のずれを位相ずれ検出回路24で検出することにより送光部21、受光部22で構成する距離測定装置と対象物23との距離情報を得ている。この測定では、図6におけるd1+d2を求めた後、(d1+d2)/2を距離として計算している。

0003

また、特開平2ー290507号公報に示す従来例においては、図7に示すように複数の発光素子31及び複数の受光素子32を用いてそれぞれの素子が異なる方向を向くように配置し、送光方向と受光方向との交点における測距を可能としている。このようにすることにより、発光方向と受光方向との組合せからなる広い範囲の測定領域を得ている。

発明が解決しようとする課題

0004

上記従来の距離測定装置を用いて対象物までの距離を測定する場合、その測定値は、距離測定装置における送光部から測定対象物に発光され測定対象物から反射されて受光器入射するまでの測定光線の通過する距離である。しかも、通常、送光部と受光部とは同一点、または近接した位置に配置されているので、測定値は、測定装置を点と考えた場合の対象物までの距離ということになる。

0005

そのため、測定装置の送光部から測定光線を送光する方向に位置する対象物であれば正確な距離が測定できるが、送光する方向から横方向に位置がずれた場合には正確な測定ができないという問題が生じる。

0006

また、現実的には対象物の或る基準平面への近接情報を得たい場合もあるが、その場合、従来の方法のように送光部、受光部が或る基準平面のほぼ同一点に配置していると、前記したような1つの装置では、或る基準平面からの距離の正確な測定を行うことができない。そのため、このような測定を行いたい場合には、測定装置を対象とする基準平面内に複数個配置する必要があり、装置が複雑になってしまうという問題点がある。しかも、このような配置とした場合、基準平面からの距離を求めるには、それぞれの測定値に対して距離に変換するための演算を行う必要があるため、演算が複雑となり時間がかかってしまい、リアルタイム処理を行うには問題が生じる。

0007

また、図7に示したような方法でも測定値と、発光素子と受光素子とを特定することにより2次元的な位置はわかるが、そのためには、発光素子、受光素子の特定及び複雑な演算が必要であり、リアルタイムで処理するには向かない。

0008

本発明は、前記の課題を解決するものであって、簡単な構成で広い測定範囲の対象物に対し基準平面との距離を測定することができる距離測定装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0009

本発明は、前記の目的を達成するために、強度変調した光線を発光して対象物からの反射光の変調信号と発光の変調信号との位相のずれを検出することにより対象物との距離を測定する距離測定装置において、強度変調した光線を発光する送光部と対象物からの反射光の集光部とを一定の間隔に離して配置し、送光部及び集光部の配置位置から対象物の測定領域を定めて送光部から対象物までの距離と集光部から対象物までの距離との和としての距離を測定し、該測定した距離及び送光部と集光部との間隔から送光部と集光部とを配置した基準平面と対象物との間の距離を求めることを特徴とする。

0010

また、測定された送光部から対象物までの距離と集光部からの対象物までの距離の和を基準平面から対象物までの距離情報として扱い、ある適当なしきい値との比較を行うことにより、接近警告信号を発するものである。

0011

図5は本発明の距離測定装置における距離測定の原理を説明するための図である。反射光の変調信号と発光の変調信号との位相のずれから測定される値は、図5における発光部Sから送光され測定対象物Oで反射されて受光部Rに達するまでの距離であり、発光部Sと受光部Rとが離れていた場合、測定対象物Oから反射されて集光部に入射する光線により得られる値は、d1+d2となる。そのため、測定対象物Oの位置は異なってもd1+d2が等しければ同じ距離情報として得られることになる。ところで、発光部S、受光部Rの2点からの距離の等しい点の集合楕円となるため、この2点を焦点とする同一楕円上に位置する対象については測定装置からは同一の距離情報として得られる。

0012

しかし、図5に示す2つの点線B1、B2で囲まれた楕円の一部領域を考えた場合、基準平面からほぼ平行に位置しているとみなせるような領域がある。したがって、この領域内で測定された場合には、測定値をこの基準平面からの距離として扱うことができる。

0013

このような領域は、発光部Sと受光部Rとの距離により決定されるため、発光部Sと受光部Rとの距離を適当に選ぶことにより、この距離により決定される領域内において、対象となる基準平面からの距離として測定することができる。

0014

すなわち、楕円の軌跡上であるため、発光部Sと受光部Rを含む基準平面からその軌跡上の点までの距離は厳密に一定とはならないが、発光部Sと受光部Rとの距離に対応した一定の領域では、楕円の軌跡上の点と基準平面との距離がある誤差範囲で一定とみなせる範囲があるので、その領域においては対象としている基準平面からの距離とみなすことができる。

0015

いま、発光部Sと受光部Rとの距離を2Lとするとき、d1+d2=2dであるような楕円の方程式は、

0016

x2 /d2 +y2 /(d2 −L2 )=1
となる。

0017

ここで、対象としている楕円内にある基準平面と平行であるとみなせる領域について考えてみる。この領域として例えば発光部S、受光部Rの2点間のみを考えた場合には、対象となる基準平面からの距離が大きくなった場合であっても、その区間内において、測定値が等しいデータとして求められる楕円上の軌跡は基準平面とほぼ平行と考えることができる。このため、基準平面からの距離として扱うことができる。

0018

発光部S、受光部Rの2点間において、発光部S、受光部Rを含む基準平面から楕円の軌跡までの距離Dは、方程式〔数1〕から

0019

(d2 −L2 )/d<D<(d2 −L2 )1/2
の範囲にあることがわかる。したがって、この範囲での誤差は生じてしまうが、発光部S、受光部Rの2点間の距離が大きく、かつ、基準平面からの距離が小さければ大きな誤差とはならない。このように楕円の軌跡と基準平面とをほぼ平行とみなしての考察を行うことは、対象物体との距離が、Lに比較して等しいか、小さい範囲にある場合に特に誤差が小さくなり有効となる。

0020

距離として値を求める場合には、上記〔数2〕の例えば小さい方の、

0021

D=(d2 −L2 )/d=d−L2 /d
をとるものとすれば、計算量も少なく時間的に速い測定を行うことができる。また、ROMにルックアップテーブルを書き込み、それを参照するようにしておけば更に速い処理を行うことも可能である。

0022

更に、測定された距離の時間変化を計算することにより、基準平面と垂直な方向への速度を求めることもできる。

0023

また、この装置を近接警告器として用いることを考えた場合には、測定された距離情報がある一定値以下を示したときに警告を発するものとすれば、得られた値を演算することなくそのまま、適当に定めたしきい値と比較することにより警告発生トリガ信号として用いることができ、時間的に速い処理を行うことができる。

0024

図1に本発明に係る距離測定装置の1実施例を説明するための図であり、1は測定光線の送光部、2は集光部、3は測定する対象物、100は位相ずれ検出部、200は演算部を示す。

0025

図1において、送光部1と集光部2とは一定の間隔で離して配置する。送光部1は、発光素子及び送光光学系からなり、発光素子から強度変調された光線を所定の方向に送光するように構成したものである。集光部2は、集光光学系及び受光素子からなり、距離測定しようとする対象物3からの反射光線を集光し電気信号に変換するものである。位相ずれ検出部100は、送光部1における発光の変調信号と集光部2における反射光の変調信号との位相のずれを検出するものであり、演算部200は、送光部から対象物までの距離と集光部から対象物までの距離との和としての距離を位相ずれ検出部100で検出した位相のずれから測定し、該測定した距離及び送光部1と集光部2との間隔から前記式〔数3〕の計算を行うことにより送光部1と集光部2とを配置した基準平面と対象物3との間の距離を求め、測定した距離の時間的変化を計算することにより、基準平面と垂直な方向への対象物3の速度を求め、あるいは測定した距離を基準平面から対象物までの距離情報として扱い、ある適当なしきい値との比較を行うことにより、接近警告信号を発するものである。

0026

図2は本発明に係る距離測定装置の光学系の構成例を詳細に示す図であり、4は発光素子、5〜8は光学系、9は受光素子を示す。図2において、発光素子4から出射された光線は、集光光学系5を通して送光用光学系6に導かれ、出射する。このとき、光学系5、6により出射の角度範囲が決められる。そして、対象物からの反射光線は、集光用光学系7で集光されさらに光学系8により受光素子9上に集光される。

0027

測定光線の出射する範囲は、その範囲において測定された場合に、測定された点を含む楕円において、測定された点の位置が基準平面とある誤差範囲で平行とみなせる領域内にあるように設定する。送光部、受光部の正面より外側は楕円の端になり、基準平面との距離として考えた場合、誤差が大きくなってしまう。そのため、測定範囲から除外するものとし、例えば図2に示すように送光部、受光部の間の範囲のみを監視するように送光用光学系、集光光学系を設定するとよい。

0028

だだし、特にこの範囲である必要はなく、その範囲は、測定光線を出射する方向により自由に設定することができるので、必要とされる測定範囲を考慮して、出射の範囲を決定すればよい。

0029

図3及び図4は本発明の距離測定装置の他の実施例構成を示す図である。前記の実施例では、送光部、受光部に光学系と共に発光素子、受光素子も全て配置したが、図3に示すように送光部、受光部には光学系5〜8のみを配置し、別の位置に電気回路を含む発光素子4、受光素子9を配置して、これらの間を光ファイバ10、11で導いてもよい。このようにすると、センサヘッド部を小型化することができる。

0030

また、照射範囲を広くとるため、測定光線をレンズにより発散させているが、1つの発光素子のみでは、大きな角度に発散させた場合、光線の強度が弱くなってしまうことがある。そこで、このような問題がある場合には、図4に示すように複数個の発光素子12−1〜12−3と、これら発光素子12−1〜12−3により出射された光線を送光用光学系6に導くための光学系13ー1〜13ー3とを用いることにより、それぞれ異なる方向に発光するようにこれらを設置して、総合的に広い範囲を発光するような構成にすると対応が可能となる。

0031

集光部についても、同様に図4に示すように、複数個の受光素子14−1〜4−3と集光光学系7により集光された光線を各受光素子14ー1〜14ー3上に導くための光学系15ー1〜15ー3とを用いることにより、広い範囲からの反射光を集光できるように設定することも可能である。

0032

さらにこれらの場合にも、送光部、集光部と、発光素子、受光素子との間を光ファイバで結合するように構成してもよい。

0033

また、接近警告装置として用いる場合は、前記のように測定された距離情報とある適当に定めたしきい値とを比較して、しきい値より小さくなった場合に警告信号を発生させるようにする。

発明の効果

0034

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、測定光の送光部と、反射光の集光部とを一定の間隔で離して設置することにより、測定装置における測定光線の方向によらず、測定装置を配置した基準平面からの距離の測定を簡単な構成で行うことができる。また、送光部から測定対象物までの距離と測定対象物から集光部までの距離との和が直接求められるので、複雑な演算を行うことなく適当なしきい値と比較するのみで接近警告信号を生成することができ、時間的に速い異常接近等の検出を行うことができる。

図面の簡単な説明

0035

図1本発明に係る距離測定装置の1実施例を説明するための図である。
図2本発明に係る距離測定装置の光学系の構成例を詳細に示す図である。
図3本発明の距離測定装置の他の実施例構成を示す図である。
図4本発明の距離測定装置の他の実施例構成を示す図である。
図5本発明の距離測定装置における距離測定の原理を説明するための図である。
図6従来の距離測定装置の構成例を示す図である。
図7従来の距離測定装置の構成例を示す図である。

--

0036

1 …測定光線の送光部
2 …集光部
3 …測定する対象物
100…位相ずれ検出部
200…演算部

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