光センサおよび測距方法
【課題】良好な精度と応答性を両立した光センサおよび測距方法を提供する。
【解決手段】測定の基準となる基準距離を予め設定し、物体までの距離がその基準距離よりも近いか遠いかを判定する。また、基準距離を段階的に切り替えながら上記判定処理を繰り返して、物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定する。このような処理であれば、受光信号全体を詳細にサンプリングせずとも、十分な精度の判定結果を得ることができる。
【解決手段】測定の基準となる基準距離を予め設定し、物体までの距離がその基準距離よりも近いか遠いかを判定する。また、基準距離を段階的に切り替えながら上記判定処理を繰り返して、物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定する。このような処理であれば、受光信号全体を詳細にサンプリングせずとも、十分な精度の判定結果を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用して物体の有無、距離等を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光パルスを用いた測距装置が知られている。例えば、飛行時間（ＴＯＦ；Time of Flight）計測方式の光センサでは、光パルスが物体で反射して戻ってくるまでの時間から距離を測定する（特許文献１〜５参照）。
【０００３】
ＴＯＦ計測方式の光センサでは、通常、距離分解能を高めるために極小時間幅の光パルスを用いる。そして、受信側では、いわゆる等価サンプリングによって受光パルスを時間軸伸張し、受信感度を確保する。また、同一点を複数回サンプリングし平均化することで、ノイズの影響を低減し、精度の向上を図る手法も多用される。特にＬＥＤのような低速な発光デバイスを用いた場合はパルスの立ち上がりエッジがなまるために、平均化によるＳ／Ｎ比の向上が有効である。
【特許文献１】特開平２−２２８５７９号公報
【特許文献２】特開平５−１７２９４５号公報
【特許文献３】特開平５−２２３９２８号公報
【特許文献４】特開平６−２５８４３２号公報
【特許文献５】特開平５−２８８５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、等価サンプリングや平均化を行った場合、精度の向上は達成できるものの、応答性の低下を招いてしまうという問題がある。例えば、１０ＭＨｚで光パルスを照射し、１万倍の時間軸伸張と１０００点の平均を行った場合には、応答性（測定時間）は１ｓｅｃまで低下することになる。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、良好な精度と応答性を両立した光センサおよび測距方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明では、測定の基準となる基準距離を設定し、物体までの距離がその基準距離よりも近いか遠いかを判定する。このような判定処理であれば、受光信号全体を詳細にサンプリングせずとも、十分な精度の判定結果を得ることが可能である。よって、サンプリング回数を大幅に減らし、測定時間の短縮を図ることができる。
【０００７】
また、基準距離を段階的に切り替えながら上記判定処理を繰り返して、物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定することも好ましい。かかる測距処理によれば、従来の光センサに比べて格段に少ないサンプリング回数で測距を行うことが可能となる。
【０００８】
具体的には、以下のような構成を採用することが好ましい。
【０００９】
本発明の第１態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）よりも長
いパルス幅をもつ光パルスを照射し、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後のタイミング（以下、基準距離タイミングという。）で受光信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
【００１０】
光パルスのパルス幅が時間ｔよりも長いため、基準距離より近くに物体が存在する場合は必ず基準距離タイミングにおいて受光パルスが観測される。一方、基準距離よりも遠くに物体が存在する場合（測定可能範囲内に物体がまったく存在しない場合は、無限遠に物体が存在するものとみなす）には、基準距離タイミングにおいて受光パルスは観測されない。よって、その基準距離タイミングで受光信号をサンプリングするだけで、物体と基準距離との相対的位置関係を精度良く判定することができる。サンプリング回数としては、１回でもよく、複数回行ってもよい。
【００１１】
本発明の第２態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力する最大値保持手段と、最大値信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）経過後のタイミングで最大値信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
【００１２】
この構成によれば、受光パルス出現後はそのピークレベルが保持された信号が得られる。すなわち、パルス幅が時間ｔより短い場合であっても、第１態様における受光信号と実質的に同じ波形の信号が得られるのである。したがって、光パルスのパルス幅によらず、第１態様と同様、基準距離タイミングでサンプリングを行うだけで基準距離に対する物体の遠近を判定することができるようになる。そして、短いパルス幅の光パルスを用いれば、光パルスの照射時間を減らせるため、消費電力を低減することができるという利点もある。
【００１３】
ここで、受光パルスのピークレベルと閾値の比がほぼ一定となるように、受光信号または閾値のレベルを調整する調整手段を設けることも好ましい。調整手段の構成は種々考えられるが、たとえば受光信号のレベルを調整する場合には、受光手段の後段にＡＧＣ（オート・ゲイン・コントロール）を設ければよい。また、閾値のレベルを調整する場合には、受光信号（受光パルス）のピークレベルを一旦保持し、そのピークレベルの所定の割合に閾値を設定すればよい。このように調整手段にてピークレベルと閾値の比を調整することで、閾値判定の精度をほぼ一定に保つことができる。
【００１４】
本発明の第３態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、一定の周期で光パルスを繰り返し照射し、サンプリング手段は、受光された光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の粗い間隔で、各周期におけるサンプリングタイミングを徐々に遅延させていくことによって、受光信号の時間軸伸張を行い、処理手段は、時間軸伸張波形のピークが光パルスの照射時刻から時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）経過後に相当するタイミングよりも後に現れるか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
【００１５】
この構成によれば、従来の等価サンプリングよりも大幅に少ないサンプリング回数で判定処理を行うことができ、測定時間の短縮を図ることができる。第３態様も、第２態様と
同様、時間ｔよりも短いパルス幅の光パルスを用いた場合に有効である。
【００１６】
第３態様において、時間軸伸張波形のピークが、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後に相当するタイミングの近傍に現れた場合には、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後のタイミングでさらに受光信号をサンプリングし、処理手段は、そのサンプリングされた信号も判定処理に利用することが好ましい。
【００１７】
すなわち、物体が基準距離から大きく離れており、遠近の判定が容易な場合には、粗く掃引するだけで迅速に判定処理を行う。その一方で、物体が基準距離近傍に存在し、遠近の判定が難しい場合には、詳細なサンプリングを行って判定精度を向上するのである。これにより、応答性と精度の両立を図ることができる。
【００１８】
また、時間軸伸張の途中でピークが観測された場合には、発光手段は次の測定期間まで光パルスの照射を停止することが好ましい。さらに、サンプリング処理を停止してもよい。このように無駄なパルス照射や処理を省略することにより、消費電力を低減することができる。
【００１９】
発光手段の照射時刻は、たとえば、光の照射タイミングを決定する送信クロックから得ることができる。あるいは、発光手段から照射された光を直接受光する第２の受光手段をさらに備え、サンプリング手段が、第２の受光手段が光パルスを受光した時刻を発光手段の照射時刻とすることも好適である。後者の構成によれば、実際の照射時刻を正確に取得できるので、判定処理の精度が向上する。
【００２０】
本発明の第４態様では、正弦波または矩形波に変調された光を照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、時間ｔの２倍（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）よりも長い周期をもつ正弦波または矩形波を照射し、受光手段は、受光信号のＤＣ成分をカットし、サンプリング手段は、正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻から時間ｔ経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号の極性に基づき、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
【００２１】
正弦波または矩形波の半周期が、正弦波または矩形波が基準距離を往復する時間ｔよりも長いため、基準距離タイミングでサンプリングされる信号レベルは、物体までの距離が基準距離に一致する場合にちょうどゼロとなり、基準距離よりも近いか遠いかで極性が反転する。よって、その基準距離タイミングで受光信号をサンプリングするだけで、物体と基準距離との相対的な位置関係を精度良く判定することができる。
【００２２】
また、信号の極性がプラスかマイナスかで判定できるため、閾値判定に比べて判定のばらつきが小さい。さらに、正弦波または矩形波を用いているので、帯域カットによりノイズを効果的に除去できるという利点もある。
【００２３】
なお、「正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻」とは、発光手段から照射する光の強度が（最大値−最小値）／２となる時刻をいう。あるいは、発光手段から照射する光の正弦波または矩形波のＤＣ成分をカットしたときに、その信号がゼロクロスする時刻ということもできる。この時刻は、たとえば、発光手段の変調制御の内容から推定することができる。あるいは、発光手段から照射された光を直接受光し、かつ、その受光信号のＤＣ成分をカットする第２の受光手段を設け、サンプリング手段が、第２の受光手段の出力信号がゼロクロスする時刻を前記振動中心に相当する時刻とすることも好適である。
【００２４】
サンプリング手段は、サンプリングタイミングが微少時間ずつずれた複数のサンプリング手段からなり、複数のサンプリング手段によって同一の受光信号をサンプリングし、それらの信号を平均することも好ましい。
【００２５】
これにより、ノイズの影響を排除してＳ／Ｎ比の良好な信号を得ることができる。しかも、同一の受光信号から複数点のサンプリングを行うものであるため、応答性の低下を招くことがない。
【００２６】
基準距離を設定する基準距離設定手段をさらに備えることも好ましい。基準距離設定手段の構成は種々考えられ、たとえば、ユーザが手動で基準距離を設定できるようにしてもよい。あるいは、設置された物体までの距離を光センサ自身が測距し、測定された距離を基準距離に自動設定することも好適である。
【００２７】
以上のように、本発明の光センサによれば、基準距離よりも近くに物体が存在するか、遠くに物体が存在するかを精度良く判定することができる。そして、この判定処理機能を利用すれば、次のように物体までの距離を測距することも可能である。
【００２８】
たとえば、測定対象範囲を２つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定すればよい。
【００２９】
かかる構成によれば、従来方式に比べて格段に少ないサンプリング回数で高精度に測距を行うことができる。
【００３０】
また、絞り込みの過程において、絞り込みの進行度合いに応じて判定処理の精度を高くすることが好ましい。すなわち、測定対象範囲が広い絞り込みの初期段階では判定精度を低くし、絞り込みが進んで測定対象範囲が狭くなるにつれ判定精度を上げていくのである。これにより、処理の高速化と測距精度の向上とを両立することができる。
【００３１】
なお、上述した構成の光センサに限らず、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な機能を有してさえいれば、位相差方式、三角測距方式、ＰＮ符号方式などいずれの方式の光センサであっても、上記本発明に係る測距方法を適用可能である。
【００３２】
なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する光センサもしくは光測距装置として捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む物体距離判定方法もしくは測距方法、または、かかる方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、少ないサンプリング回数で高精度に物体の有無または距離を測定できるため、良好な精度と応答性の両立を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【００３５】
＜第１実施形態＞
（ハードウェア構成）
図１を参照して本発明の第１実施形態に係る光センサについて説明する。図１は、第１実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図である。
【００３６】
この光センサは、設定された基準距離よりも近い領域内に物体が存在するか否か、もしくは、基準距離よりも遠い領域内に物体が存在するか否か、または、近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するか、などの検知を行うセンサである。このような光センサの用途としては、たとえば、ベルトコンベア上を搬送される物品の検知、ゲートを通過する車両の検知などが想定される。すなわち、検知対象となる物体の移動経路や存在領域がある程度定まっており、その限られた範囲内における物体の有無を検知すれば足りるような場面で用いられる。
【００３７】
光センサは、図１に示すように、送信クロック生成部１、パルス生成部２、駆動回路３、発光素子４、受光素子５、増幅器６、遅延時間生成器７、タイミングパルス生成部８、サンプリングホールド部９、比較器１０、閾値発生器１１、および、マイクロコントローラ１２を有して構成される。
【００３８】
送信クロック生成部１は、送信クロック信号を生成する回路である。この送信クロック信号は、パルス生成部２に入力され、照射光パルスを生成するための基準クロック信号として利用される。また、送信クロック信号は遅延時間生成器７にも入力される。
【００３９】
パルス生成部２は、送信クロック信号を所定幅のパルス信号に変換する回路である。本実施形態では、下記式で表される時間Ｔに等しいパルス幅のパルス信号が生成される。
Ｔ＝２×Ｌｍａｘ／ｃ
Ｌｍａｘ：光センサの測定可能範囲（距離）
ｃ：光速
【００４０】
駆動回路３は、パルス信号に基づいて電流を変調し、その電流を発光素子４に供給することによって発光素子４を駆動する回路である。
【００４１】
発光素子４は、電気エネルギーを光エネルギーに変換し、光パルスを空間に放射する素子である。発光素子４としては、ＬＥＤやレーザダイオードなどのデバイスを用いることができるが、本実施形態ではＬＥＤを採用する。
【００４２】
受光素子５は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、フォトダイオードなどのデバイスで構成可能である。受光素子５から出力される受光信号は、増幅器６にて電圧波形へ変換・増幅され、サンプリングホールド部９へ出力される。
【００４３】
本実施形態では、発光素子４が本発明の発光手段に対応し、受光素子５および増幅器６が本発明の受光手段に対応する。
【００４４】
遅延時間生成器７は、送信クロック信号（光パルスの照射時刻に相当する。）に対して所定の遅れ時間ｔ１をもった遅延信号を生成する回路である。遅れ時間ｔ１は下記式で表される。
ｔ１＝２×Ｌ／ｃ
Ｌ：基準距離，Ｌ＜Ｌｍａｘ
【００４５】
なお、基準距離Ｌとは測定の基準となる距離であって、製品製造時にプリセットされるか、測定の前に手動にて予め設定されるパラメータである。ただし、このパラメータの内部的な保持形式は距離値である必要はなく、時間換算値や独自形式の値で保持してもよい。基準距離Ｌは、光センサの測定可能距離Ｌｍａｘよりも小さい値をとる。
【００４６】
タイミングパルス生成部８は、遅延時間生成器７から入力された遅延信号に基づきサンプリングパルスを生成する回路である。ここでは、光パルスの照射時刻から時間ｔ１経過後に出現するようなサンプリングパルスが生成される。
【００４７】
サンプリングホールド部９は、タイミングパルス生成部８から入力されたサンプリングパルスに従って、受光信号をサンプリング（標本化）するサンプリング手段である。サンプリングされた信号は比較器１０に入力される。
【００４８】
比較器１０は、サンプリングされた信号のレベルと閾値発生器１１から入力された閾値とを比較する回路である。その比較結果の信号は、マイクロコントローラ１２に入力される。
【００４９】
マイクロコントローラ１２は、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、ＣＰＵ、メモリなどから構成された回路であり、メモリに格納されているプログラムに従って種々のディジタル信号処理を実行可能である。本実施形態では、比較器１０、閾値発生器１１およびマイクロコントローラ１２が本発明の処理手段に対応する。
【００５０】
（遠近判定処理）
次に、上記構成の光センサにおける遠近判定処理について説明する。
【００５１】
まず、送信クロック生成部１で生成された送信クロック信号に同期して、発光素子４から幅Ｔの光パルスが照射される。測定可能範囲内に物体が存在するときには、物体で光パルスが反射され、その反射光が受光素子５で受光される。受光素子５の出力（受光信号）は増幅器６で増幅された後、サンプリングホールド部９に入力される。
【００５２】
図２に照射光パルスと受光信号の波形を示す。物体までの距離が基準距離Ｌに等しい場合には、図２（ａ）に示すように、パルス照射時刻から時間ｔ１経過後のタイミング（以下、「基準距離タイミングｔ１」という。）に受光信号の立ち上がりが現れる。また、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近い場合には、図２（ｂ）に示すように、基準距離タイミングｔ１よりも前に受光パルスが到達する。光パルスのパルス幅ＴはＴ＞ｔ１の関係を満たすため、この場合には、基準距離タイミングｔ１にて必ず受光パルスが観測されることになる。一方、物体までの距離が基準距離Ｌよりも遠い場合には、図２（ｃ）に示すように、基準距離タイミングｔ１の時点では受光パルスが返ってこない（観測されない）。
【００５３】
換言すれば、基準距離タイミングｔ１における受光信号レベルがＬＯＷ（受光パルス以外の部分）の場合は、物体が基準距離Ｌよりも遠くにあり、受光信号レベルがＨＩ（受光パルスの部分）の場合は、物体が基準距離Ｌよりも近くにある、といえる。
【００５４】
本実施形態の遠近判定処理はこの特性を利用したものである。すなわち、サンプリングホールド部９によって、基準距離タイミングｔ１の１点だけで受光信号をサンプリングし、比較器１０によって、サンプリングされた信号のレベルと閾値を比較し、その結果をマイクロコントローラ１２に渡す。マイクロコントローラ１２では、信号レベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いか遠いかを判定するのである。
【００５５】
かかる判定処理によれば、１点のサンプリングだけで物体と基準距離Ｌとの相対的位置関係を精度良く判定することができる。よって、受光信号全体を詳細にサンプリング（時間軸伸張）して波形を調べる処理が不要となり、従来方式に比べて応答性を格段に向上することができる。なお、基準距離タイミングｔ１におけるサンプリングは、１回実行する
だけでもよいが、好ましくは複数回実行してそれらを平均化するとよい。平均をとることにより、ノイズを低減して、遠近判定処理の精度を向上することができる。
【００５６】
＜第１実施形態の変形例１＞
図３は、第１実施形態に係る光センサの変形例１を示している。第１実施形態では閾値を固定にしていたのに対し、この変形例１では、受光パルスのピークレベルと閾値の比がほぼ一定となるように閾値のレベルを調整する。
【００５７】
一般に、物体までの距離や物体の反射面の状態などによって、受光素子５で受光される光の強度は変化する。よって、図４（ａ）に示すように、受光信号強度（レベル）が高い場合と低い場合とでは、同じタイミングでサンプリングしたとしても、閾値判定の結果が異なる場合が生ずる。本変形例１は、この点を改善すべく、閾値のレベルを動的に変化させるものである。
【００５８】
詳しくは、図３に示すように、第１実施形態の構成に加え、ピーク検知回路１３と分圧器１４とを設ける。これらの回路が本発明の調整手段に対応する。ピーク検知回路１３は、増幅器６から入力された受光信号からピークレベル（つまり、受光信号に含まれる受光パルス部分の最大電圧）を検知する回路であり、また分圧器１４は、ピーク検知回路１３から入力されたピークレベルを所定の割合に分圧する回路である。本実施形態では５０％に分圧する分圧器１４を用いている。
【００５９】
上記構成においては、初回測定時に、受光信号のピークレベルを取得し、その５０％の値を閾値として比較器１０に設定する。そして、２回目以降の測定では、第１実施形態と同様、基準距離タイミングｔ１で１点サンプリングを実施し、サンプリングされた信号のレベルと閾値とを比較し、物体の遠近を判定する。
【００６０】
これにより、図４（ｂ）に示すように、受光信号強度によらず、物体までの距離が同じであれば同一の閾値判定結果が得られるようになり、判定処理の精度および信頼性が向上する。
【００６１】
＜第１実施形態の変形例２＞
図５は、第１実施形態に係る光センサの変形例２を示している。上記変形例１では閾値のレベル調整を行ったのに対し、この変形例２では、受光信号のレベル調整を行う。狙いとする効果は、変形例１と同じである。
【００６２】
詳しくは、図５に示すように、第１実施形態の増幅器６に代えて、ＡＧＣアンプ１５を設ける。ＡＧＣアンプ１５は、受光信号のピークレベルが一定になるように増幅率を自動調整する回路である。このＡＧＣアンプ１５が本発明の調整手段に対応する。
【００６３】
この構成によれば、物体までの距離や物体の反射面の状態によらず、サンプリング対象となる受光信号のピークレベルがほぼ一定となる。よって、固定閾値を用いた場合であっても、物体までの距離が同じであれば同一の判定結果が得られるようになり、判定処理の精度および信頼性が向上する。
【００６４】
＜第１実施形態の変形例３＞
第１実施形態では、送信クロック信号から光パルスの照射時刻を得ている。しかしながら、送信クロック生成部１の出力信号が発光素子４に到達するまでにある程度の時間的遅れが存在するため、厳密にいうと、送信クロック信号と光パルスの照射時刻の間に僅かながらズレが生じる。また、そのズレ量は回路の温度特性に依存して変動する。よって、送信側の回路構成を工夫したり温度補償回路を設けるなどして、時間的遅れや温度特性を補
償することが好ましいといえる。
【００６５】
これに対し、変形例３では、発光素子から照射された光パルスを直接受光して、その受光時刻を光パルスの照射時刻として利用する構成を採用する。詳しくは、図６に示すように、第１実施形態の構成に加えて、受光素子１６と増幅器１７とを設ける。受光素子１６は、発光素子４の照射光を直接受光できるように、発光素子４に近接して配置される。これら受光素子１６および増幅器１７が本発明の第２の受光手段に対応する。
【００６６】
上記構成において、発光素子４から光パルスが照射されると、同時にその光が受光素子１６にて受光される。その受光パルスは増幅器１７で増幅された後、遅延時間生成器７に入力される。遅延時間生成器７は、その受光パルスに対して所定の遅れ時間ｔ１をもった遅延信号を生成し、遅延信号をタイミングパルス生成部８に入力する。これ以外の動作は第１実施形態のものと同様である。
【００６７】
かかる構成によれば、実際のパルス照射時刻を正確に取得できるので、判定処理の精度が向上する。しかも、温度補償回路などの追加が不要のため、コスト的に有利である。
【００６８】
＜第１実施形態の変形例４＞
図７は、第１実施形態に係る光センサの変形例４を示している。本変形例４は複数のサンプリングホールド部を並列に設けたところに特徴がある。
【００６９】
ハードウェア構成としては、増幅器６の後段に３つのサンプリングホールド部９ａ，９ｂ，９ｃを並列に配するとともに、タイミングパルス生成部８の後段に２つの微少時間遅延部１８ａ，１８ｂを直列に設ける。第１のサンプリングホールド部９ａにはタイミングパルス生成部８からのサンプリングパルスがそのまま入力されるのに対し、第２のサンプリングホールド部９ｂには時間Δｔだけ遅延したサンプリングパルスが入力され、第３のサンプリングホールド部９ｃには時間Δｔ×２だけ遅延したサンプリングパルスが入力される。また本変形例では、比較器と閾値発生器を無くし、サンプリングホールド部９ａ，９ｂ，９ｃの出力を直接マイクロコントローラ１２に渡している。
【００７０】
上記構成において、受光素子５の受光信号は増幅された後、３つのサンプリングホールド部９ａ，９ｂ，９ｃに同時に入力される。一方、タイミングパルス生成部８からは、パルス照射時刻から時間ｔ１−Δｔだけ遅延したサンプリングパルスが供給される。そうすると、図８に示すように、サンプリングホールド部９ａ，９ｂ，９ｃがそれぞれ「ｔ１−Δｔ」，「ｔ１」，「ｔ＋Δｔ」のタイミングで同一の受光信号をサンプリングする。このようにしてサンプリングされた３つの信号は、マイクロコントローラ１２によってＡ／Ｄ変換され、ディジタル信号処理によって平均される。そして、その平均値と閾値とを比較し、物体と基準距離Ｌとの相対的位置関係が判定される。
【００７１】
かかる構成によれば、ノイズの影響を排除してＳ／Ｎ比の良好な信号を得ることができる。しかも、同一の受光信号から複数点のサンプリングを行うものであるため、応答性の低下を招くことがない。
【００７２】
＜第１実施形態のその他の変形例＞
なお、上述した変形例１〜４の各構成を組み合わせることも好ましい。その一例として、変形例２と変形例３を組み合わせた光センサの構成を図９に示す。このような構成によって判定精度のさらなる向上を図ることができる。
【００７３】
また、基準距離タイミングｔ１におけるサンプリングを複数回繰り返し、それらの信号の平均をとることで、精度を向上することも好ましい。このような平均処理を行ったとし
ても、従来方式に比べれば十分な応答性が得られる。
【００７４】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態では、時間ｔ１よりも長い光パルスを用いていたのに対し、第２実施形態では、時間ｔ１よりも短いパルス幅（たとえば極小時間幅）の光パルスを用いる。
【００７５】
このようなパルス幅の短い光パルスを用いた場合、第１実施形態と同じ手法では物体の遠近を判別することができない。なぜなら、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いと、基準距離タイミングｔ１より前に受光パルスが通過してしまうことがあり（図１０（ａ）参照）、基準距離タイミングｔ１における１点サンプリングでは、物体までの距離が基準距離Ｌよりも遠い場合（図１０（ｂ）参照）と区別できないからである。
【００７６】
そこで本実施形態では、図１１に示すように、増幅器６の後段に最大値保持手段としてのピーク保持回路２０を追加する。このピーク保持回路２０は、受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力するものである。ピーク保持回路２０の保持値は、パルス生成部２からの信号によって測定周期毎にリセットされる。
【００７７】
この構成によれば、図１２に示すように、受光パルス出現後はそのピークレベルが保持された信号がサンプリングホールド部９に入力されることになる。この最大値信号は、第１実施形態における受光信号と実質的に同じ波形の信号であるため、基準距離タイミングｔ１における信号レベルを観測するだけで、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いか遠いかを判別することができる。
【００７８】
したがって、本実施形態においても第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。加えて、光パルスの照射時間を大幅に減らすことができるため、光センサの消費電力を低減することが可能となる。なお、本実施形態の場合も、第１実施形態の変形例に準じた変形を行えば、判定処理の精度および信頼性をさらに向上することができる。
【００７９】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態でも時間ｔ１よりも短いパルス幅（たとえば極小時間幅）の光パルスを用いるが、上記第２実施形態では最大値保持手段により受光信号を変換したのに対し、本実施形態では受光信号を粗い間隔で時間軸伸張することにより遠近判定を行う点で異なる。
【００８０】
光センサのハードウェア構成としては、図１３に示すように、第１実施形態の遅延時間生成器７に代えて電圧−遅延時間変換器３０を設けるとともに、鋸波生成部３１および定電圧生成部３２を追加する。
【００８１】
鋸波生成部３１は、線形増加する電圧を出力する回路であり、その傾きは可変である。また、定電圧生成部３２は一定の電圧を出力する回路である。定電圧生成部３２の出力電圧は、基準距離Ｌに対応した値に設定されている。電圧−遅延時間変換器３０は、入力された電圧に比例した遅延信号を生成する回路である。つまり、鋸波生成部３１から入力される電圧は、徐々に遅延時間が拡大するような遅延信号に変換され、一方、定電圧生成部３２から入力される電圧は、一定の遅延時間ｔ１をもつ遅延信号に変換される。
【００８２】
上記構成の光センサにおける遠近判定処理は次のように行う。
【００８３】
まず、送信クロック信号に同期した一定の周期で、発光素子４から極小時間幅の光パル
スを繰り返し照射する。物体で反射した光パルスは受光素子５で受光され、増幅された後、順次サンプリングホールド部９に入力される。
【００８４】
一方、電圧−遅延時間変換器３０は、鋸波生成部３１からの出力電圧に基づき遅延信号を生成し、タイミングパルス生成部８に供給する。よって、サンプリングパルスとしては、各周期におけるサンプリングタイミングが徐々に遅延していくような信号が生成される。
【００８５】
ここでの遅延間隔は、通常の等価サンプリングにおける間隔に比べてかなり粗くてもよく、少なくとも、受光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の間隔であれば足りる。たとえば、パルス幅の半分ないし４分の１程度の間隔でも十分である。
【００８６】
サンプリングホールド部９は、上記サンプリングパルスに従って、各周期の受光信号をサンプリングし、受光信号の時間軸伸張を行う。そして、マイクロコントローラ１２が、時間軸伸張波形のピークが基準距離タイミング（実際には時間軸伸張の拡大率を考慮する必要があるため、基準距離タイミングｔ１に相当する時刻ｔ１′）よりも後に現れるか否かで、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いか遠いかを判定する。
【００８７】
このとき、時間軸伸張波形のピークが基準距離タイミングｔ１′から明らかに離れていることが判ったら、この時点で判定結果を出力し処理を終える。しかし、ピークが基準距離タイミングｔ１′の近傍に現れた場合には、さらに詳細なサンプリングを実施する。
【００８８】
具体的には、電圧−遅延時間変換器３０に入力する電圧を定電圧生成部３２のものに切り替え、サンプリングホールド部９で基準距離タイミングｔ１でのサンプリングが行われるようにする。そして、そのタイミングで複数回サンプリングを行い、得られた信号を積算平均し、詳細な遠近判定を行う。
【００８９】
以上述べた本実施形態によれば、従来の等価サンプリングよりも大幅に少ないサンプリング回数で判定処理を行うことができ、測定時間の短縮を図ることができる。また、物体が基準距離Ｌから大きく離れており、遠近の判定が容易な場合には、粗く掃引するだけで迅速に判定処理を行う一方、物体が基準距離Ｌ近傍に存在し、遠近の判定が難しい場合には、詳細なサンプリングを行って判定精度を向上するので、応答性と判定精度の両立を図ることができる。加えて、光パルスの照射時間を大幅に減らすことができるため、光センサの消費電力を低減することが可能となる。
【００９０】
＜第３実施形態の変形例１＞
図１４は、第３実施形態に係る光センサの変形例１を説明するための図であり、照射光パルス、受光信号、サンプリングパルス、および時間軸伸張波の波形を示している。
【００９１】
この変形例１では、マイクロコントローラ１２が時間軸伸張波形を逐次監視しており、時間軸伸張の途中でピーク（受光パルス部分）が観測された場合には、パルス生成部２とタイミングパルス生成部８に停止信号を送って、次の測定期間まで光パルスの照射およびサンプリング処理を停止させる。
【００９２】
かかる制御により、無駄なパルス照射や処理を省略することができ、消費電力の低減を図ることが可能となる。
【００９３】
＜第３実施形態の変形例２＞
上述した構成では、製品製造時もしくは測定時に手動で基準距離Ｌを設定することとしたが、変形例２では、ティーチング機能により基準距離Ｌを自動設定する。ハードウェア
構成としては図１３のものと同様である。
【００９４】
ティーチングの際には、光センサと測定対象物体とを測定時と同じ位置関係に配置し、光センサのティーチングボタン（不図示）を押す。ティーチング時、光センサは一般的な飛行時間計測方式の測距センサとして動作する。
【００９５】
まず、送信クロック信号に同期した一定の周期で、発光素子４から極小時間幅の光パルスを繰り返し照射する。物体で反射した光パルスは受光素子５で受光され、増幅された後、順次サンプリングホールド部９に入力される。一方、電圧−遅延時間変換器３０は、鋸波生成部３１からの出力電圧に基づき遅延信号を生成し、タイミングパルス生成部８に供給する。このとき、鋸波生成部３１での出力電圧の傾きを、上述した測定時（遠近判定処理時）の傾きよりも小さくすることで、遅延間隔を細かくし、詳細な時間軸伸張波形を取得する。
【００９６】
そして、この時間軸伸張波形の立ち上がりが閾値を超える時刻を特定し、光パルスの飛行時間を算出する。飛行時間の半分の値に光速を乗じたものが、物体までの距離である。
【００９７】
マイクロコントローラ１２は、このようにして測定された距離を定電圧生成部３２に設定する。測定時（遠近判定処理時）には、この設定値が基準距離Ｌとして用いられる。
【００９８】
以上の構成により、基準距離Ｌの自動設定を行うことができ、光センサの操作性が向上する。
【００９９】
なお、このティーチング機能と同様の構成を第１実施形態や第２実施形態の光センサに適用することも可能である。また、第３実施形態の場合も、第１実施形態の変形例に準じた変形を行えば、判定処理の精度および信頼性をさらに向上することができる。
【０１００】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。上記第１〜第３実施形態では、光パルスを用いていたのに対し、第４実施形態では、矩形波（方形波ともいう）に変調された光を用いる。
【０１０１】
光センサのハードウェア構成としては、図１５に示すように、第１実施形態の構成における受光素子５の後段にＤＣカット部４０を加え、増幅器６の後段にバンドパスフィルタ４１を追加したものである。比較器と閾値発生器は不要である。
【０１０２】
ＤＣカット部４０は、受光信号のＤＣ成分をカットすることにより、受光信号強度の最大値と最小値の中央にグランド電位を設定する回路である。また、バンドパスフィルタ４１は、不要な帯域をカットすることにより、矩形波を正弦波に整形するとともにノイズを除去するための回路である。なお、バンドパスフィルタ４１は増幅器６の前段に設けてもよい。
【０１０３】
上記構成の光センサにおける遠近判定処理は次のように行う。
【０１０４】
パルス生成部２が、送信クロック信号に基づきパルス信号を生成する。このパルス信号に従って発光素子４から照射光が照射される。このとき、パルス信号のデューティー比を５０％とすることで、図１６（ａ）に示すような矩形波が得られる。なお、パルス信号のパルス幅は、矩形波の周期が時間ｔ１の２倍よりも長くなるように設定される。ただし、時間ｔ１は、矩形波が基準距離Ｌを往復する時間（ｔ１＝Ｌ／ｃ）である。
【０１０５】
測定可能範囲に物体が存在するときには、物体で照射光が反射され、その反射光が受光素子５で受光される。受光素子５の出力（受光信号）は、ＤＣカット部４０でＤＣカットされ、増幅器６で増幅される。ＤＣカット・増幅後の受光信号の波形を図１６（ｂ）に示す。その後、バンドパスフィルタ４１を通すことで、図１６（ｃ）に示すような正弦波が得られる。
【０１０６】
本実施形態では、照射光（矩形波）の振動中心に相当する時刻から時間ｔ１経過後の時刻を基準距離タイミングｔ１とし、この基準距離タイミングｔ１にて受光信号をサンプリングする。基準距離タイミングｔ１における受光信号のレベルは、物体までの距離が基準距離Ｌに等しいときはゼロになり、近いときはプラスになり、遠いときはマイナスになる。つまり、基準距離タイミングｔ１における信号レベルの極性を調べることにより、物体と基準距離Ｌとの相対的位置関係を判定できるのである。
【０１０７】
そこで本実施形態の遠近判定処理では、サンプリングホールド部９によって、基準距離タイミングｔ１の１点だけで受光信号をサンプリングし、その信号をマイクロコントローラ１２に入力する。マイクロコントローラ１２では、信号の極性がプラスかマイナスかで、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いか遠いかを判定する。
【０１０８】
かかる判定処理によれば、１点のサンプリングだけで物体と基準距離Ｌとの相対的位置関係を精度良く判定でき、従来方式に比べて応答性を格段に向上することができる。また、信号の極性がプラスかマイナスかで判定できるため、閾値判定に比べて判定のばらつきが小さい。さらに、正弦波または矩形波を用いているので、帯域カットによりノイズを効果的に除去できるという利点もある。ホワイトノイズレベルはスペクトル帯域幅のルートに比例するため、信号帯域を絞ることでＳ／Ｎ比の向上が期待できる。
【０１０９】
なお、ここでは矩形波の照射光を用いたが、正弦波に変調した照射光を用いても同様の作用効果を得ることができる。また、上記各実施形態やその変形例の構成を、本実施形態のものに組み合わせることも好ましい。
【０１１０】
＜第５実施形態＞
上記第１〜第４実施形態における遠近判定処理によれば、基準距離Ｌよりも近くに物体が存在するか、遠くに物体が存在するかを精度良く判定することができる。本発明の第５実施形態では、このような光センサの遠近判定処理機能を利用して、物体までの距離を測定する。
【０１１１】
以下、図１７および図１８を参照して、測距方法の処理の流れを詳しく説明する。なお、ここでは第１実施形態の光センサを用いた場合の処理を例示する。
【０１１２】
まず、ステップＳ１において、マイクロコントローラ１２が測定対象範囲の値を初期化する。たとえば、光センサの測定可能範囲Ｌｍａｘが１０メートルであった場合には、測定対象範囲の初期値を「０〜１０メートル」に設定する。
【０１１３】
ステップＳ２では、マイクロコントローラ１２が、測定対象範囲を２つの領域に分割するように基準距離Ｌ１を設定する。たとえば、測定対象範囲が「０〜１０メートル」の場合なら、その半分である「５メートル」を基準距離Ｌ１に設定する。
【０１１４】
ステップＳ３では、ステップＳ２で設定された基準距離Ｌ１に対応する基準距離タイミングｔ１でサンプリングを実施し、サンプリングされた信号のレベルと閾値を比較することによって、基準距離Ｌ１よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するか判定する。図１８（ａ）の例では、基準距離Ｌ１よりも遠い領域に物体が存在する、という判定
結果が得られる。
【０１１５】
ステップＳ４では、マイクロコントローラ１２が、上記判定結果に基づき、物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定する。すなわち、図１８（ａ）の例では、「５〜１０メートル」の範囲が新たな測定対象範囲となる。
【０１１６】
ステップＳ５では、マイクロコントローラ１２が、絞り込みを終了するか否か判断する。
【０１１７】
絞り込みを続行する場合には、再びステップＳ２〜Ｓ４の処理を繰り返す。すなわち、測定対象範囲「５〜１０メートル」を二分する「７．５メートル」が新たな基準距離Ｌ２に設定され、図１８（ｂ）に示すように、基準距離Ｌ２に対応する基準距離タイミングｔ２に関して物体の遠近が判定される。その判定結果に基づき、さらに測定対象範囲が「５〜７．５メートル」が絞り込まれ、図１８（ｃ）に示すように、基準距離「６．２５メートル」に対応する基準距離タイミングｔ３に関し物体の遠近判定が行われる。
【０１１８】
このように上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を徐々に絞り込んでいき、測定対象範囲の幅が分解能以下まで狭くなったときに絞り込みを終了する（ステップＳ５；ＹＥＳ）。
【０１１９】
ステップＳ６では、マイクロコントローラ１２が、最終回の遠近判定で用いた基準距離（もしくは基準距離タイミング）とその判定結果から、物体までの距離を算出する。
【０１２０】
以上述べた本実施形態によれば、従来方式に比べて格段に少ないサンプリング回数で高精度に測距を行うことができる。具体的には、受信信号全体を掃引する方式に比べて、最低でもlog2（range/accuracy）倍の測定時間削減効果が得られる。
【０１２１】
＜第５実施形態の変形例１＞
第５実施形態では遠近判定結果に従って測定対象範囲を１／２ずつ絞り込んでいったが、変形例１では、遠近判定処理の精度（誤差）を考慮して、新たな測定対象範囲をやや広めに設定する。
【０１２２】
たとえば、図１９（ａ）に示すように、遠近判定処理の精度（判定誤差範囲）が１メートルの場合、基準距離Ｌの±０．５メートルの範囲では誤判定が生じる可能性がある。このとき、物体が基準距離Ｌよりも近い領域ＮＡに存在するにもかかわらず、遠い領域ＦＡに存在すると誤判定されると、第５実施形態の処理では、図１９（ｂ）に示すように、物体の存在しない側の領域ＦＡに新たな測定対象範囲が設定されることとなり、それ以降の絞り込み処理が正しく行えない。
【０１２３】
そこで変形例１では、測定対象範囲の絞り込みに際し、判定誤差範囲が必ず新たな測定対象範囲に含まれるように、測定対象範囲をやや広めに設定する。具体的には、図１９（ｃ）に示すように、物体が存在するという判定結果が得られた領域ＦＡ（５〜１０メートルの範囲）に、判定誤差範囲（４．５〜５．５メートルの範囲）を加えた領域を、新たな測定対象範囲に設定するのである。
【０１２４】
これにより、仮に誤判定が生じたとしても、その影響を回避することができ、測距精度の向上を図ることができる。
【０１２５】
＜第５実施形態の変形例２＞
遠近判定処理の精度は、基準距離タイミングにおいて複数回サンプリングを行い、それ
らを平均化することにより向上する。理論的には、Ｎ点のサンプリングを行えば、判定誤差範囲の大きさは１／√Ｎになる。よって、サンプリング点数を多くとることにより、誤判定が生じる可能性自体を小さくすることもできる。
【０１２６】
とはいえ、サンプリング点数を多くするとその分、処理時間が増大する。
【０１２７】
そこで、さほど判定精度が必要とされない絞り込みの前半では平均化処理を行わないか、行ったとしてもサンプリング点数を少なくし、絞り込みの後半においてサンプリング点数を多くして精度を高めるようにするとよい。このように絞り込みの進行度合いに応じて（つまり遠近判定の要求精度が増すに従い）遠近判定処理の精度を高くすることにより、測距精度と応答性の両立を図ることができる。
【０１２８】
精度の設定法としては、たとえば、絞り込みの回数、測定対象範囲の大きさ（距離）、もしくは基準距離に概ね比例するようにサンプリング点数を増加させる方法、測定対象範囲の大きさから適切な判定誤差範囲を算出する方法など、種々のものが考えられ、いずれを採用してもよい。以下、判定誤差範囲の動的設定法の一具体例について述べる。
【０１２９】
本例では、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域が最大となるように、判定誤差範囲の大きさを決定する。
【０１３０】
ｉ回目の遠近判定処理における測定対象範囲の大きさ（距離）を、ＬＡｉ、
ｉ回目の遠近判定処理における判定誤差範囲の大きさ（距離）を、ａｉ、とすると、
ｉ＋１回目の遠近判定処理における測定対象範囲の大きさ（距離）ＬＡｉ＋１は、式１となる。
【数１】
【０１３１】
すなわち、ｉ回目の遠近判定処理にて絞り込み範囲から除外される領域ＬＡｉ−は、式２で表すことができる。
【数２】
【０１３２】
上述したように、Ｎ点のサンプリングを行えば判定誤差範囲の大きさは１／√Ｎになるので、ｉ回目の遠近判定処理にかかる時間Ｔｉは、式３を満たす。
【数３】
【０１３３】
よって、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域は、式４で表される。
【数４】
【０１３４】
式４の１次微分が０となる
【数５】
のときに、式４は最大値をとる。
【０１３５】
以上より、遠近判定処理の各段階において、式５を満たすように判定誤差範囲を動的に設定することにより、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域が最大となり、測距精度と応答性の両立を図ることができる。
【０１３６】
＜第５実施形態のその他の変形例＞
第５実施形態では分解能以下の範囲にまで絞り込みを行うこととしたが、絞り込みの途中段階においてパルス波形の立ち上がり部分が１点ないし複数点サンプリングされたら、その値から波形推定を行い、閾値を超える時刻を推定することも好ましい。これにより、応答性のさらなる向上を図ることができる。
【０１３７】
また、ここでは第１実施形態の光センサを用いた場合を例示したが、第２〜第４実施形態のいずれの光センサでも同様の測距処理を行うことができる。さらに、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な機能を有してさえいれば、位相差方式、三角測距方式、ＰＮ符号方式などいずれの方式の光センサであっても、上記測距方法を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】第１実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態における照射光パルスと受光信号の波形を示す図。
【図３】第１実施形態に係る光センサの変形例１を示す図。
【図４】閾値のレベル調整を説明する図。
【図５】第１実施形態に係る光センサの変形例２を示す図。
【図６】第１実施形態に係る光センサの変形例３を示す図。
【図７】第１実施形態に係る光センサの変形例４を示す図。
【図８】図７の光センサにおけるサンプリング処理を説明する図。
【図９】図５と図６の光センサを組み合わせた構成を示す図。
【図１０】パルス幅の短い光パルスを用いた場合の問題を説明する図。
【図１１】第２実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。
【図１２】第２実施形態における照射光パルスと受光信号の波形を示す図。
【図１３】第３実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。
【図１４】第３実施形態に係る光センサの変形例１を示す図。
【図１５】第４実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。
【図１６】第４実施形態における照射光と受光信号の波形を示す図。
【図１７】第５実施形態に係る測距方法の処理の流れを示すフローチャート。
【図１８】図１７の測距方法における絞り込み処理について説明する図。
【図１９】第５実施形態に係る測距方法の変形例について説明する図。
【符号の説明】
【０１３９】
１ 送信クロック生成部
２ パルス生成部
３ 駆動回路
４ 発光素子
５ 受光素子
６ 増幅器
７ 遅延時間生成器
８ タイミングパルス生成部
９，９ａ，９ｂ，９ｃ サンプリングホールド部
１０ 比較器
１１ 閾値発生器
１２ マイクロコントローラ
１３ ピーク検知回路
１４ 分圧器
１５ ＡＧＣアンプ
１６ 受光素子
１７ 増幅器
１８ａ，１８ｂ 微少時間遅延部
２０ ピーク保持回路
３０ 電圧−遅延時間変換器
３１ 鋸波生成部
３２ 定電圧生成部
４０ ＤＣカット部
４１ バンドパスフィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用して物体の有無、距離等を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光パルスを用いた測距装置が知られている。例えば、飛行時間（ＴＯＦ；Time of Flight）計測方式の光センサでは、光パルスが物体で反射して戻ってくるまでの時間から距離を測定する（特許文献１〜５参照）。
【０００３】
ＴＯＦ計測方式の光センサでは、通常、距離分解能を高めるために極小時間幅の光パルスを用いる。そして、受信側では、いわゆる等価サンプリングによって受光パルスを時間軸伸張し、受信感度を確保する。また、同一点を複数回サンプリングし平均化することで、ノイズの影響を低減し、精度の向上を図る手法も多用される。特にＬＥＤのような低速な発光デバイスを用いた場合はパルスの立ち上がりエッジがなまるために、平均化によるＳ／Ｎ比の向上が有効である。
【特許文献１】特開平２−２２８５７９号公報
【特許文献２】特開平５−１７２９４５号公報
【特許文献３】特開平５−２２３９２８号公報
【特許文献４】特開平６−２５８４３２号公報
【特許文献５】特開平５−２８８５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、等価サンプリングや平均化を行った場合、精度の向上は達成できるものの、応答性の低下を招いてしまうという問題がある。例えば、１０ＭＨｚで光パルスを照射し、１万倍の時間軸伸張と１０００点の平均を行った場合には、応答性（測定時間）は１ｓｅｃまで低下することになる。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、良好な精度と応答性を両立した光センサおよび測距方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明では、測定の基準となる基準距離を設定し、物体までの距離がその基準距離よりも近いか遠いかを判定する。このような判定処理であれば、受光信号全体を詳細にサンプリングせずとも、十分な精度の判定結果を得ることが可能である。よって、サンプリング回数を大幅に減らし、測定時間の短縮を図ることができる。
【０００７】
また、基準距離を段階的に切り替えながら上記判定処理を繰り返して、物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定することも好ましい。かかる測距処理によれば、従来の光センサに比べて格段に少ないサンプリング回数で測距を行うことが可能となる。
【０００８】
具体的には、以下のような構成を採用することが好ましい。
【０００９】
本発明の第１態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）よりも長
いパルス幅をもつ光パルスを照射し、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後のタイミング（以下、基準距離タイミングという。）で受光信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
【００１０】
光パルスのパルス幅が時間ｔよりも長いため、基準距離より近くに物体が存在する場合は必ず基準距離タイミングにおいて受光パルスが観測される。一方、基準距離よりも遠くに物体が存在する場合（測定可能範囲内に物体がまったく存在しない場合は、無限遠に物体が存在するものとみなす）には、基準距離タイミングにおいて受光パルスは観測されない。よって、その基準距離タイミングで受光信号をサンプリングするだけで、物体と基準距離との相対的位置関係を精度良く判定することができる。サンプリング回数としては、１回でもよく、複数回行ってもよい。
【００１１】
本発明の第２態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力する最大値保持手段と、最大値信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）経過後のタイミングで最大値信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
【００１２】
この構成によれば、受光パルス出現後はそのピークレベルが保持された信号が得られる。すなわち、パルス幅が時間ｔより短い場合であっても、第１態様における受光信号と実質的に同じ波形の信号が得られるのである。したがって、光パルスのパルス幅によらず、第１態様と同様、基準距離タイミングでサンプリングを行うだけで基準距離に対する物体の遠近を判定することができるようになる。そして、短いパルス幅の光パルスを用いれば、光パルスの照射時間を減らせるため、消費電力を低減することができるという利点もある。
【００１３】
ここで、受光パルスのピークレベルと閾値の比がほぼ一定となるように、受光信号または閾値のレベルを調整する調整手段を設けることも好ましい。調整手段の構成は種々考えられるが、たとえば受光信号のレベルを調整する場合には、受光手段の後段にＡＧＣ（オート・ゲイン・コントロール）を設ければよい。また、閾値のレベルを調整する場合には、受光信号（受光パルス）のピークレベルを一旦保持し、そのピークレベルの所定の割合に閾値を設定すればよい。このように調整手段にてピークレベルと閾値の比を調整することで、閾値判定の精度をほぼ一定に保つことができる。
【００１４】
本発明の第３態様では、光パルスを照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、一定の周期で光パルスを繰り返し照射し、サンプリング手段は、受光された光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の粗い間隔で、各周期におけるサンプリングタイミングを徐々に遅延させていくことによって、受光信号の時間軸伸張を行い、処理手段は、時間軸伸張波形のピークが光パルスの照射時刻から時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）経過後に相当するタイミングよりも後に現れるか否かで、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
【００１５】
この構成によれば、従来の等価サンプリングよりも大幅に少ないサンプリング回数で判定処理を行うことができ、測定時間の短縮を図ることができる。第３態様も、第２態様と
同様、時間ｔよりも短いパルス幅の光パルスを用いた場合に有効である。
【００１６】
第３態様において、時間軸伸張波形のピークが、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後に相当するタイミングの近傍に現れた場合には、サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後のタイミングでさらに受光信号をサンプリングし、処理手段は、そのサンプリングされた信号も判定処理に利用することが好ましい。
【００１７】
すなわち、物体が基準距離から大きく離れており、遠近の判定が容易な場合には、粗く掃引するだけで迅速に判定処理を行う。その一方で、物体が基準距離近傍に存在し、遠近の判定が難しい場合には、詳細なサンプリングを行って判定精度を向上するのである。これにより、応答性と精度の両立を図ることができる。
【００１８】
また、時間軸伸張の途中でピークが観測された場合には、発光手段は次の測定期間まで光パルスの照射を停止することが好ましい。さらに、サンプリング処理を停止してもよい。このように無駄なパルス照射や処理を省略することにより、消費電力を低減することができる。
【００１９】
発光手段の照射時刻は、たとえば、光の照射タイミングを決定する送信クロックから得ることができる。あるいは、発光手段から照射された光を直接受光する第２の受光手段をさらに備え、サンプリング手段が、第２の受光手段が光パルスを受光した時刻を発光手段の照射時刻とすることも好適である。後者の構成によれば、実際の照射時刻を正確に取得できるので、判定処理の精度が向上する。
【００２０】
本発明の第４態様では、正弦波または矩形波に変調された光を照射する発光手段と、光を受光する受光手段と、受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、測定の基準となる基準距離が予め設定されており、発光手段は、時間ｔの２倍（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）よりも長い周期をもつ正弦波または矩形波を照射し、受光手段は、受光信号のＤＣ成分をカットし、サンプリング手段は、正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻から時間ｔ経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、処理手段は、サンプリングされた信号の極性に基づき、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定する。
【００２１】
正弦波または矩形波の半周期が、正弦波または矩形波が基準距離を往復する時間ｔよりも長いため、基準距離タイミングでサンプリングされる信号レベルは、物体までの距離が基準距離に一致する場合にちょうどゼロとなり、基準距離よりも近いか遠いかで極性が反転する。よって、その基準距離タイミングで受光信号をサンプリングするだけで、物体と基準距離との相対的な位置関係を精度良く判定することができる。
【００２２】
また、信号の極性がプラスかマイナスかで判定できるため、閾値判定に比べて判定のばらつきが小さい。さらに、正弦波または矩形波を用いているので、帯域カットによりノイズを効果的に除去できるという利点もある。
【００２３】
なお、「正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻」とは、発光手段から照射する光の強度が（最大値−最小値）／２となる時刻をいう。あるいは、発光手段から照射する光の正弦波または矩形波のＤＣ成分をカットしたときに、その信号がゼロクロスする時刻ということもできる。この時刻は、たとえば、発光手段の変調制御の内容から推定することができる。あるいは、発光手段から照射された光を直接受光し、かつ、その受光信号のＤＣ成分をカットする第２の受光手段を設け、サンプリング手段が、第２の受光手段の出力信号がゼロクロスする時刻を前記振動中心に相当する時刻とすることも好適である。
【００２４】
サンプリング手段は、サンプリングタイミングが微少時間ずつずれた複数のサンプリング手段からなり、複数のサンプリング手段によって同一の受光信号をサンプリングし、それらの信号を平均することも好ましい。
【００２５】
これにより、ノイズの影響を排除してＳ／Ｎ比の良好な信号を得ることができる。しかも、同一の受光信号から複数点のサンプリングを行うものであるため、応答性の低下を招くことがない。
【００２６】
基準距離を設定する基準距離設定手段をさらに備えることも好ましい。基準距離設定手段の構成は種々考えられ、たとえば、ユーザが手動で基準距離を設定できるようにしてもよい。あるいは、設置された物体までの距離を光センサ自身が測距し、測定された距離を基準距離に自動設定することも好適である。
【００２７】
以上のように、本発明の光センサによれば、基準距離よりも近くに物体が存在するか、遠くに物体が存在するかを精度良く判定することができる。そして、この判定処理機能を利用すれば、次のように物体までの距離を測距することも可能である。
【００２８】
たとえば、測定対象範囲を２つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定すればよい。
【００２９】
かかる構成によれば、従来方式に比べて格段に少ないサンプリング回数で高精度に測距を行うことができる。
【００３０】
また、絞り込みの過程において、絞り込みの進行度合いに応じて判定処理の精度を高くすることが好ましい。すなわち、測定対象範囲が広い絞り込みの初期段階では判定精度を低くし、絞り込みが進んで測定対象範囲が狭くなるにつれ判定精度を上げていくのである。これにより、処理の高速化と測距精度の向上とを両立することができる。
【００３１】
なお、上述した構成の光センサに限らず、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な機能を有してさえいれば、位相差方式、三角測距方式、ＰＮ符号方式などいずれの方式の光センサであっても、上記本発明に係る測距方法を適用可能である。
【００３２】
なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する光センサもしくは光測距装置として捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む物体距離判定方法もしくは測距方法、または、かかる方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、少ないサンプリング回数で高精度に物体の有無または距離を測定できるため、良好な精度と応答性の両立を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【００３５】
＜第１実施形態＞
（ハードウェア構成）
図１を参照して本発明の第１実施形態に係る光センサについて説明する。図１は、第１実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図である。
【００３６】
この光センサは、設定された基準距離よりも近い領域内に物体が存在するか否か、もしくは、基準距離よりも遠い領域内に物体が存在するか否か、または、近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するか、などの検知を行うセンサである。このような光センサの用途としては、たとえば、ベルトコンベア上を搬送される物品の検知、ゲートを通過する車両の検知などが想定される。すなわち、検知対象となる物体の移動経路や存在領域がある程度定まっており、その限られた範囲内における物体の有無を検知すれば足りるような場面で用いられる。
【００３７】
光センサは、図１に示すように、送信クロック生成部１、パルス生成部２、駆動回路３、発光素子４、受光素子５、増幅器６、遅延時間生成器７、タイミングパルス生成部８、サンプリングホールド部９、比較器１０、閾値発生器１１、および、マイクロコントローラ１２を有して構成される。
【００３８】
送信クロック生成部１は、送信クロック信号を生成する回路である。この送信クロック信号は、パルス生成部２に入力され、照射光パルスを生成するための基準クロック信号として利用される。また、送信クロック信号は遅延時間生成器７にも入力される。
【００３９】
パルス生成部２は、送信クロック信号を所定幅のパルス信号に変換する回路である。本実施形態では、下記式で表される時間Ｔに等しいパルス幅のパルス信号が生成される。
Ｔ＝２×Ｌｍａｘ／ｃ
Ｌｍａｘ：光センサの測定可能範囲（距離）
ｃ：光速
【００４０】
駆動回路３は、パルス信号に基づいて電流を変調し、その電流を発光素子４に供給することによって発光素子４を駆動する回路である。
【００４１】
発光素子４は、電気エネルギーを光エネルギーに変換し、光パルスを空間に放射する素子である。発光素子４としては、ＬＥＤやレーザダイオードなどのデバイスを用いることができるが、本実施形態ではＬＥＤを採用する。
【００４２】
受光素子５は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、フォトダイオードなどのデバイスで構成可能である。受光素子５から出力される受光信号は、増幅器６にて電圧波形へ変換・増幅され、サンプリングホールド部９へ出力される。
【００４３】
本実施形態では、発光素子４が本発明の発光手段に対応し、受光素子５および増幅器６が本発明の受光手段に対応する。
【００４４】
遅延時間生成器７は、送信クロック信号（光パルスの照射時刻に相当する。）に対して所定の遅れ時間ｔ１をもった遅延信号を生成する回路である。遅れ時間ｔ１は下記式で表される。
ｔ１＝２×Ｌ／ｃ
Ｌ：基準距離，Ｌ＜Ｌｍａｘ
【００４５】
なお、基準距離Ｌとは測定の基準となる距離であって、製品製造時にプリセットされるか、測定の前に手動にて予め設定されるパラメータである。ただし、このパラメータの内部的な保持形式は距離値である必要はなく、時間換算値や独自形式の値で保持してもよい。基準距離Ｌは、光センサの測定可能距離Ｌｍａｘよりも小さい値をとる。
【００４６】
タイミングパルス生成部８は、遅延時間生成器７から入力された遅延信号に基づきサンプリングパルスを生成する回路である。ここでは、光パルスの照射時刻から時間ｔ１経過後に出現するようなサンプリングパルスが生成される。
【００４７】
サンプリングホールド部９は、タイミングパルス生成部８から入力されたサンプリングパルスに従って、受光信号をサンプリング（標本化）するサンプリング手段である。サンプリングされた信号は比較器１０に入力される。
【００４８】
比較器１０は、サンプリングされた信号のレベルと閾値発生器１１から入力された閾値とを比較する回路である。その比較結果の信号は、マイクロコントローラ１２に入力される。
【００４９】
マイクロコントローラ１２は、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、ＣＰＵ、メモリなどから構成された回路であり、メモリに格納されているプログラムに従って種々のディジタル信号処理を実行可能である。本実施形態では、比較器１０、閾値発生器１１およびマイクロコントローラ１２が本発明の処理手段に対応する。
【００５０】
（遠近判定処理）
次に、上記構成の光センサにおける遠近判定処理について説明する。
【００５１】
まず、送信クロック生成部１で生成された送信クロック信号に同期して、発光素子４から幅Ｔの光パルスが照射される。測定可能範囲内に物体が存在するときには、物体で光パルスが反射され、その反射光が受光素子５で受光される。受光素子５の出力（受光信号）は増幅器６で増幅された後、サンプリングホールド部９に入力される。
【００５２】
図２に照射光パルスと受光信号の波形を示す。物体までの距離が基準距離Ｌに等しい場合には、図２（ａ）に示すように、パルス照射時刻から時間ｔ１経過後のタイミング（以下、「基準距離タイミングｔ１」という。）に受光信号の立ち上がりが現れる。また、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近い場合には、図２（ｂ）に示すように、基準距離タイミングｔ１よりも前に受光パルスが到達する。光パルスのパルス幅ＴはＴ＞ｔ１の関係を満たすため、この場合には、基準距離タイミングｔ１にて必ず受光パルスが観測されることになる。一方、物体までの距離が基準距離Ｌよりも遠い場合には、図２（ｃ）に示すように、基準距離タイミングｔ１の時点では受光パルスが返ってこない（観測されない）。
【００５３】
換言すれば、基準距離タイミングｔ１における受光信号レベルがＬＯＷ（受光パルス以外の部分）の場合は、物体が基準距離Ｌよりも遠くにあり、受光信号レベルがＨＩ（受光パルスの部分）の場合は、物体が基準距離Ｌよりも近くにある、といえる。
【００５４】
本実施形態の遠近判定処理はこの特性を利用したものである。すなわち、サンプリングホールド部９によって、基準距離タイミングｔ１の１点だけで受光信号をサンプリングし、比較器１０によって、サンプリングされた信号のレベルと閾値を比較し、その結果をマイクロコントローラ１２に渡す。マイクロコントローラ１２では、信号レベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いか遠いかを判定するのである。
【００５５】
かかる判定処理によれば、１点のサンプリングだけで物体と基準距離Ｌとの相対的位置関係を精度良く判定することができる。よって、受光信号全体を詳細にサンプリング（時間軸伸張）して波形を調べる処理が不要となり、従来方式に比べて応答性を格段に向上することができる。なお、基準距離タイミングｔ１におけるサンプリングは、１回実行する
だけでもよいが、好ましくは複数回実行してそれらを平均化するとよい。平均をとることにより、ノイズを低減して、遠近判定処理の精度を向上することができる。
【００５６】
＜第１実施形態の変形例１＞
図３は、第１実施形態に係る光センサの変形例１を示している。第１実施形態では閾値を固定にしていたのに対し、この変形例１では、受光パルスのピークレベルと閾値の比がほぼ一定となるように閾値のレベルを調整する。
【００５７】
一般に、物体までの距離や物体の反射面の状態などによって、受光素子５で受光される光の強度は変化する。よって、図４（ａ）に示すように、受光信号強度（レベル）が高い場合と低い場合とでは、同じタイミングでサンプリングしたとしても、閾値判定の結果が異なる場合が生ずる。本変形例１は、この点を改善すべく、閾値のレベルを動的に変化させるものである。
【００５８】
詳しくは、図３に示すように、第１実施形態の構成に加え、ピーク検知回路１３と分圧器１４とを設ける。これらの回路が本発明の調整手段に対応する。ピーク検知回路１３は、増幅器６から入力された受光信号からピークレベル（つまり、受光信号に含まれる受光パルス部分の最大電圧）を検知する回路であり、また分圧器１４は、ピーク検知回路１３から入力されたピークレベルを所定の割合に分圧する回路である。本実施形態では５０％に分圧する分圧器１４を用いている。
【００５９】
上記構成においては、初回測定時に、受光信号のピークレベルを取得し、その５０％の値を閾値として比較器１０に設定する。そして、２回目以降の測定では、第１実施形態と同様、基準距離タイミングｔ１で１点サンプリングを実施し、サンプリングされた信号のレベルと閾値とを比較し、物体の遠近を判定する。
【００６０】
これにより、図４（ｂ）に示すように、受光信号強度によらず、物体までの距離が同じであれば同一の閾値判定結果が得られるようになり、判定処理の精度および信頼性が向上する。
【００６１】
＜第１実施形態の変形例２＞
図５は、第１実施形態に係る光センサの変形例２を示している。上記変形例１では閾値のレベル調整を行ったのに対し、この変形例２では、受光信号のレベル調整を行う。狙いとする効果は、変形例１と同じである。
【００６２】
詳しくは、図５に示すように、第１実施形態の増幅器６に代えて、ＡＧＣアンプ１５を設ける。ＡＧＣアンプ１５は、受光信号のピークレベルが一定になるように増幅率を自動調整する回路である。このＡＧＣアンプ１５が本発明の調整手段に対応する。
【００６３】
この構成によれば、物体までの距離や物体の反射面の状態によらず、サンプリング対象となる受光信号のピークレベルがほぼ一定となる。よって、固定閾値を用いた場合であっても、物体までの距離が同じであれば同一の判定結果が得られるようになり、判定処理の精度および信頼性が向上する。
【００６４】
＜第１実施形態の変形例３＞
第１実施形態では、送信クロック信号から光パルスの照射時刻を得ている。しかしながら、送信クロック生成部１の出力信号が発光素子４に到達するまでにある程度の時間的遅れが存在するため、厳密にいうと、送信クロック信号と光パルスの照射時刻の間に僅かながらズレが生じる。また、そのズレ量は回路の温度特性に依存して変動する。よって、送信側の回路構成を工夫したり温度補償回路を設けるなどして、時間的遅れや温度特性を補
償することが好ましいといえる。
【００６５】
これに対し、変形例３では、発光素子から照射された光パルスを直接受光して、その受光時刻を光パルスの照射時刻として利用する構成を採用する。詳しくは、図６に示すように、第１実施形態の構成に加えて、受光素子１６と増幅器１７とを設ける。受光素子１６は、発光素子４の照射光を直接受光できるように、発光素子４に近接して配置される。これら受光素子１６および増幅器１７が本発明の第２の受光手段に対応する。
【００６６】
上記構成において、発光素子４から光パルスが照射されると、同時にその光が受光素子１６にて受光される。その受光パルスは増幅器１７で増幅された後、遅延時間生成器７に入力される。遅延時間生成器７は、その受光パルスに対して所定の遅れ時間ｔ１をもった遅延信号を生成し、遅延信号をタイミングパルス生成部８に入力する。これ以外の動作は第１実施形態のものと同様である。
【００６７】
かかる構成によれば、実際のパルス照射時刻を正確に取得できるので、判定処理の精度が向上する。しかも、温度補償回路などの追加が不要のため、コスト的に有利である。
【００６８】
＜第１実施形態の変形例４＞
図７は、第１実施形態に係る光センサの変形例４を示している。本変形例４は複数のサンプリングホールド部を並列に設けたところに特徴がある。
【００６９】
ハードウェア構成としては、増幅器６の後段に３つのサンプリングホールド部９ａ，９ｂ，９ｃを並列に配するとともに、タイミングパルス生成部８の後段に２つの微少時間遅延部１８ａ，１８ｂを直列に設ける。第１のサンプリングホールド部９ａにはタイミングパルス生成部８からのサンプリングパルスがそのまま入力されるのに対し、第２のサンプリングホールド部９ｂには時間Δｔだけ遅延したサンプリングパルスが入力され、第３のサンプリングホールド部９ｃには時間Δｔ×２だけ遅延したサンプリングパルスが入力される。また本変形例では、比較器と閾値発生器を無くし、サンプリングホールド部９ａ，９ｂ，９ｃの出力を直接マイクロコントローラ１２に渡している。
【００７０】
上記構成において、受光素子５の受光信号は増幅された後、３つのサンプリングホールド部９ａ，９ｂ，９ｃに同時に入力される。一方、タイミングパルス生成部８からは、パルス照射時刻から時間ｔ１−Δｔだけ遅延したサンプリングパルスが供給される。そうすると、図８に示すように、サンプリングホールド部９ａ，９ｂ，９ｃがそれぞれ「ｔ１−Δｔ」，「ｔ１」，「ｔ＋Δｔ」のタイミングで同一の受光信号をサンプリングする。このようにしてサンプリングされた３つの信号は、マイクロコントローラ１２によってＡ／Ｄ変換され、ディジタル信号処理によって平均される。そして、その平均値と閾値とを比較し、物体と基準距離Ｌとの相対的位置関係が判定される。
【００７１】
かかる構成によれば、ノイズの影響を排除してＳ／Ｎ比の良好な信号を得ることができる。しかも、同一の受光信号から複数点のサンプリングを行うものであるため、応答性の低下を招くことがない。
【００７２】
＜第１実施形態のその他の変形例＞
なお、上述した変形例１〜４の各構成を組み合わせることも好ましい。その一例として、変形例２と変形例３を組み合わせた光センサの構成を図９に示す。このような構成によって判定精度のさらなる向上を図ることができる。
【００７３】
また、基準距離タイミングｔ１におけるサンプリングを複数回繰り返し、それらの信号の平均をとることで、精度を向上することも好ましい。このような平均処理を行ったとし
ても、従来方式に比べれば十分な応答性が得られる。
【００７４】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態では、時間ｔ１よりも長い光パルスを用いていたのに対し、第２実施形態では、時間ｔ１よりも短いパルス幅（たとえば極小時間幅）の光パルスを用いる。
【００７５】
このようなパルス幅の短い光パルスを用いた場合、第１実施形態と同じ手法では物体の遠近を判別することができない。なぜなら、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いと、基準距離タイミングｔ１より前に受光パルスが通過してしまうことがあり（図１０（ａ）参照）、基準距離タイミングｔ１における１点サンプリングでは、物体までの距離が基準距離Ｌよりも遠い場合（図１０（ｂ）参照）と区別できないからである。
【００７６】
そこで本実施形態では、図１１に示すように、増幅器６の後段に最大値保持手段としてのピーク保持回路２０を追加する。このピーク保持回路２０は、受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力するものである。ピーク保持回路２０の保持値は、パルス生成部２からの信号によって測定周期毎にリセットされる。
【００７７】
この構成によれば、図１２に示すように、受光パルス出現後はそのピークレベルが保持された信号がサンプリングホールド部９に入力されることになる。この最大値信号は、第１実施形態における受光信号と実質的に同じ波形の信号であるため、基準距離タイミングｔ１における信号レベルを観測するだけで、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いか遠いかを判別することができる。
【００７８】
したがって、本実施形態においても第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。加えて、光パルスの照射時間を大幅に減らすことができるため、光センサの消費電力を低減することが可能となる。なお、本実施形態の場合も、第１実施形態の変形例に準じた変形を行えば、判定処理の精度および信頼性をさらに向上することができる。
【００７９】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態でも時間ｔ１よりも短いパルス幅（たとえば極小時間幅）の光パルスを用いるが、上記第２実施形態では最大値保持手段により受光信号を変換したのに対し、本実施形態では受光信号を粗い間隔で時間軸伸張することにより遠近判定を行う点で異なる。
【００８０】
光センサのハードウェア構成としては、図１３に示すように、第１実施形態の遅延時間生成器７に代えて電圧−遅延時間変換器３０を設けるとともに、鋸波生成部３１および定電圧生成部３２を追加する。
【００８１】
鋸波生成部３１は、線形増加する電圧を出力する回路であり、その傾きは可変である。また、定電圧生成部３２は一定の電圧を出力する回路である。定電圧生成部３２の出力電圧は、基準距離Ｌに対応した値に設定されている。電圧−遅延時間変換器３０は、入力された電圧に比例した遅延信号を生成する回路である。つまり、鋸波生成部３１から入力される電圧は、徐々に遅延時間が拡大するような遅延信号に変換され、一方、定電圧生成部３２から入力される電圧は、一定の遅延時間ｔ１をもつ遅延信号に変換される。
【００８２】
上記構成の光センサにおける遠近判定処理は次のように行う。
【００８３】
まず、送信クロック信号に同期した一定の周期で、発光素子４から極小時間幅の光パル
スを繰り返し照射する。物体で反射した光パルスは受光素子５で受光され、増幅された後、順次サンプリングホールド部９に入力される。
【００８４】
一方、電圧−遅延時間変換器３０は、鋸波生成部３１からの出力電圧に基づき遅延信号を生成し、タイミングパルス生成部８に供給する。よって、サンプリングパルスとしては、各周期におけるサンプリングタイミングが徐々に遅延していくような信号が生成される。
【００８５】
ここでの遅延間隔は、通常の等価サンプリングにおける間隔に比べてかなり粗くてもよく、少なくとも、受光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の間隔であれば足りる。たとえば、パルス幅の半分ないし４分の１程度の間隔でも十分である。
【００８６】
サンプリングホールド部９は、上記サンプリングパルスに従って、各周期の受光信号をサンプリングし、受光信号の時間軸伸張を行う。そして、マイクロコントローラ１２が、時間軸伸張波形のピークが基準距離タイミング（実際には時間軸伸張の拡大率を考慮する必要があるため、基準距離タイミングｔ１に相当する時刻ｔ１′）よりも後に現れるか否かで、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いか遠いかを判定する。
【００８７】
このとき、時間軸伸張波形のピークが基準距離タイミングｔ１′から明らかに離れていることが判ったら、この時点で判定結果を出力し処理を終える。しかし、ピークが基準距離タイミングｔ１′の近傍に現れた場合には、さらに詳細なサンプリングを実施する。
【００８８】
具体的には、電圧−遅延時間変換器３０に入力する電圧を定電圧生成部３２のものに切り替え、サンプリングホールド部９で基準距離タイミングｔ１でのサンプリングが行われるようにする。そして、そのタイミングで複数回サンプリングを行い、得られた信号を積算平均し、詳細な遠近判定を行う。
【００８９】
以上述べた本実施形態によれば、従来の等価サンプリングよりも大幅に少ないサンプリング回数で判定処理を行うことができ、測定時間の短縮を図ることができる。また、物体が基準距離Ｌから大きく離れており、遠近の判定が容易な場合には、粗く掃引するだけで迅速に判定処理を行う一方、物体が基準距離Ｌ近傍に存在し、遠近の判定が難しい場合には、詳細なサンプリングを行って判定精度を向上するので、応答性と判定精度の両立を図ることができる。加えて、光パルスの照射時間を大幅に減らすことができるため、光センサの消費電力を低減することが可能となる。
【００９０】
＜第３実施形態の変形例１＞
図１４は、第３実施形態に係る光センサの変形例１を説明するための図であり、照射光パルス、受光信号、サンプリングパルス、および時間軸伸張波の波形を示している。
【００９１】
この変形例１では、マイクロコントローラ１２が時間軸伸張波形を逐次監視しており、時間軸伸張の途中でピーク（受光パルス部分）が観測された場合には、パルス生成部２とタイミングパルス生成部８に停止信号を送って、次の測定期間まで光パルスの照射およびサンプリング処理を停止させる。
【００９２】
かかる制御により、無駄なパルス照射や処理を省略することができ、消費電力の低減を図ることが可能となる。
【００９３】
＜第３実施形態の変形例２＞
上述した構成では、製品製造時もしくは測定時に手動で基準距離Ｌを設定することとしたが、変形例２では、ティーチング機能により基準距離Ｌを自動設定する。ハードウェア
構成としては図１３のものと同様である。
【００９４】
ティーチングの際には、光センサと測定対象物体とを測定時と同じ位置関係に配置し、光センサのティーチングボタン（不図示）を押す。ティーチング時、光センサは一般的な飛行時間計測方式の測距センサとして動作する。
【００９５】
まず、送信クロック信号に同期した一定の周期で、発光素子４から極小時間幅の光パルスを繰り返し照射する。物体で反射した光パルスは受光素子５で受光され、増幅された後、順次サンプリングホールド部９に入力される。一方、電圧−遅延時間変換器３０は、鋸波生成部３１からの出力電圧に基づき遅延信号を生成し、タイミングパルス生成部８に供給する。このとき、鋸波生成部３１での出力電圧の傾きを、上述した測定時（遠近判定処理時）の傾きよりも小さくすることで、遅延間隔を細かくし、詳細な時間軸伸張波形を取得する。
【００９６】
そして、この時間軸伸張波形の立ち上がりが閾値を超える時刻を特定し、光パルスの飛行時間を算出する。飛行時間の半分の値に光速を乗じたものが、物体までの距離である。
【００９７】
マイクロコントローラ１２は、このようにして測定された距離を定電圧生成部３２に設定する。測定時（遠近判定処理時）には、この設定値が基準距離Ｌとして用いられる。
【００９８】
以上の構成により、基準距離Ｌの自動設定を行うことができ、光センサの操作性が向上する。
【００９９】
なお、このティーチング機能と同様の構成を第１実施形態や第２実施形態の光センサに適用することも可能である。また、第３実施形態の場合も、第１実施形態の変形例に準じた変形を行えば、判定処理の精度および信頼性をさらに向上することができる。
【０１００】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。上記第１〜第３実施形態では、光パルスを用いていたのに対し、第４実施形態では、矩形波（方形波ともいう）に変調された光を用いる。
【０１０１】
光センサのハードウェア構成としては、図１５に示すように、第１実施形態の構成における受光素子５の後段にＤＣカット部４０を加え、増幅器６の後段にバンドパスフィルタ４１を追加したものである。比較器と閾値発生器は不要である。
【０１０２】
ＤＣカット部４０は、受光信号のＤＣ成分をカットすることにより、受光信号強度の最大値と最小値の中央にグランド電位を設定する回路である。また、バンドパスフィルタ４１は、不要な帯域をカットすることにより、矩形波を正弦波に整形するとともにノイズを除去するための回路である。なお、バンドパスフィルタ４１は増幅器６の前段に設けてもよい。
【０１０３】
上記構成の光センサにおける遠近判定処理は次のように行う。
【０１０４】
パルス生成部２が、送信クロック信号に基づきパルス信号を生成する。このパルス信号に従って発光素子４から照射光が照射される。このとき、パルス信号のデューティー比を５０％とすることで、図１６（ａ）に示すような矩形波が得られる。なお、パルス信号のパルス幅は、矩形波の周期が時間ｔ１の２倍よりも長くなるように設定される。ただし、時間ｔ１は、矩形波が基準距離Ｌを往復する時間（ｔ１＝Ｌ／ｃ）である。
【０１０５】
測定可能範囲に物体が存在するときには、物体で照射光が反射され、その反射光が受光素子５で受光される。受光素子５の出力（受光信号）は、ＤＣカット部４０でＤＣカットされ、増幅器６で増幅される。ＤＣカット・増幅後の受光信号の波形を図１６（ｂ）に示す。その後、バンドパスフィルタ４１を通すことで、図１６（ｃ）に示すような正弦波が得られる。
【０１０６】
本実施形態では、照射光（矩形波）の振動中心に相当する時刻から時間ｔ１経過後の時刻を基準距離タイミングｔ１とし、この基準距離タイミングｔ１にて受光信号をサンプリングする。基準距離タイミングｔ１における受光信号のレベルは、物体までの距離が基準距離Ｌに等しいときはゼロになり、近いときはプラスになり、遠いときはマイナスになる。つまり、基準距離タイミングｔ１における信号レベルの極性を調べることにより、物体と基準距離Ｌとの相対的位置関係を判定できるのである。
【０１０７】
そこで本実施形態の遠近判定処理では、サンプリングホールド部９によって、基準距離タイミングｔ１の１点だけで受光信号をサンプリングし、その信号をマイクロコントローラ１２に入力する。マイクロコントローラ１２では、信号の極性がプラスかマイナスかで、物体までの距離が基準距離Ｌよりも近いか遠いかを判定する。
【０１０８】
かかる判定処理によれば、１点のサンプリングだけで物体と基準距離Ｌとの相対的位置関係を精度良く判定でき、従来方式に比べて応答性を格段に向上することができる。また、信号の極性がプラスかマイナスかで判定できるため、閾値判定に比べて判定のばらつきが小さい。さらに、正弦波または矩形波を用いているので、帯域カットによりノイズを効果的に除去できるという利点もある。ホワイトノイズレベルはスペクトル帯域幅のルートに比例するため、信号帯域を絞ることでＳ／Ｎ比の向上が期待できる。
【０１０９】
なお、ここでは矩形波の照射光を用いたが、正弦波に変調した照射光を用いても同様の作用効果を得ることができる。また、上記各実施形態やその変形例の構成を、本実施形態のものに組み合わせることも好ましい。
【０１１０】
＜第５実施形態＞
上記第１〜第４実施形態における遠近判定処理によれば、基準距離Ｌよりも近くに物体が存在するか、遠くに物体が存在するかを精度良く判定することができる。本発明の第５実施形態では、このような光センサの遠近判定処理機能を利用して、物体までの距離を測定する。
【０１１１】
以下、図１７および図１８を参照して、測距方法の処理の流れを詳しく説明する。なお、ここでは第１実施形態の光センサを用いた場合の処理を例示する。
【０１１２】
まず、ステップＳ１において、マイクロコントローラ１２が測定対象範囲の値を初期化する。たとえば、光センサの測定可能範囲Ｌｍａｘが１０メートルであった場合には、測定対象範囲の初期値を「０〜１０メートル」に設定する。
【０１１３】
ステップＳ２では、マイクロコントローラ１２が、測定対象範囲を２つの領域に分割するように基準距離Ｌ１を設定する。たとえば、測定対象範囲が「０〜１０メートル」の場合なら、その半分である「５メートル」を基準距離Ｌ１に設定する。
【０１１４】
ステップＳ３では、ステップＳ２で設定された基準距離Ｌ１に対応する基準距離タイミングｔ１でサンプリングを実施し、サンプリングされた信号のレベルと閾値を比較することによって、基準距離Ｌ１よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するか判定する。図１８（ａ）の例では、基準距離Ｌ１よりも遠い領域に物体が存在する、という判定
結果が得られる。
【０１１５】
ステップＳ４では、マイクロコントローラ１２が、上記判定結果に基づき、物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定する。すなわち、図１８（ａ）の例では、「５〜１０メートル」の範囲が新たな測定対象範囲となる。
【０１１６】
ステップＳ５では、マイクロコントローラ１２が、絞り込みを終了するか否か判断する。
【０１１７】
絞り込みを続行する場合には、再びステップＳ２〜Ｓ４の処理を繰り返す。すなわち、測定対象範囲「５〜１０メートル」を二分する「７．５メートル」が新たな基準距離Ｌ２に設定され、図１８（ｂ）に示すように、基準距離Ｌ２に対応する基準距離タイミングｔ２に関して物体の遠近が判定される。その判定結果に基づき、さらに測定対象範囲が「５〜７．５メートル」が絞り込まれ、図１８（ｃ）に示すように、基準距離「６．２５メートル」に対応する基準距離タイミングｔ３に関し物体の遠近判定が行われる。
【０１１８】
このように上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を徐々に絞り込んでいき、測定対象範囲の幅が分解能以下まで狭くなったときに絞り込みを終了する（ステップＳ５；ＹＥＳ）。
【０１１９】
ステップＳ６では、マイクロコントローラ１２が、最終回の遠近判定で用いた基準距離（もしくは基準距離タイミング）とその判定結果から、物体までの距離を算出する。
【０１２０】
以上述べた本実施形態によれば、従来方式に比べて格段に少ないサンプリング回数で高精度に測距を行うことができる。具体的には、受信信号全体を掃引する方式に比べて、最低でもlog2（range/accuracy）倍の測定時間削減効果が得られる。
【０１２１】
＜第５実施形態の変形例１＞
第５実施形態では遠近判定結果に従って測定対象範囲を１／２ずつ絞り込んでいったが、変形例１では、遠近判定処理の精度（誤差）を考慮して、新たな測定対象範囲をやや広めに設定する。
【０１２２】
たとえば、図１９（ａ）に示すように、遠近判定処理の精度（判定誤差範囲）が１メートルの場合、基準距離Ｌの±０．５メートルの範囲では誤判定が生じる可能性がある。このとき、物体が基準距離Ｌよりも近い領域ＮＡに存在するにもかかわらず、遠い領域ＦＡに存在すると誤判定されると、第５実施形態の処理では、図１９（ｂ）に示すように、物体の存在しない側の領域ＦＡに新たな測定対象範囲が設定されることとなり、それ以降の絞り込み処理が正しく行えない。
【０１２３】
そこで変形例１では、測定対象範囲の絞り込みに際し、判定誤差範囲が必ず新たな測定対象範囲に含まれるように、測定対象範囲をやや広めに設定する。具体的には、図１９（ｃ）に示すように、物体が存在するという判定結果が得られた領域ＦＡ（５〜１０メートルの範囲）に、判定誤差範囲（４．５〜５．５メートルの範囲）を加えた領域を、新たな測定対象範囲に設定するのである。
【０１２４】
これにより、仮に誤判定が生じたとしても、その影響を回避することができ、測距精度の向上を図ることができる。
【０１２５】
＜第５実施形態の変形例２＞
遠近判定処理の精度は、基準距離タイミングにおいて複数回サンプリングを行い、それ
らを平均化することにより向上する。理論的には、Ｎ点のサンプリングを行えば、判定誤差範囲の大きさは１／√Ｎになる。よって、サンプリング点数を多くとることにより、誤判定が生じる可能性自体を小さくすることもできる。
【０１２６】
とはいえ、サンプリング点数を多くするとその分、処理時間が増大する。
【０１２７】
そこで、さほど判定精度が必要とされない絞り込みの前半では平均化処理を行わないか、行ったとしてもサンプリング点数を少なくし、絞り込みの後半においてサンプリング点数を多くして精度を高めるようにするとよい。このように絞り込みの進行度合いに応じて（つまり遠近判定の要求精度が増すに従い）遠近判定処理の精度を高くすることにより、測距精度と応答性の両立を図ることができる。
【０１２８】
精度の設定法としては、たとえば、絞り込みの回数、測定対象範囲の大きさ（距離）、もしくは基準距離に概ね比例するようにサンプリング点数を増加させる方法、測定対象範囲の大きさから適切な判定誤差範囲を算出する方法など、種々のものが考えられ、いずれを採用してもよい。以下、判定誤差範囲の動的設定法の一具体例について述べる。
【０１２９】
本例では、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域が最大となるように、判定誤差範囲の大きさを決定する。
【０１３０】
ｉ回目の遠近判定処理における測定対象範囲の大きさ（距離）を、ＬＡｉ、
ｉ回目の遠近判定処理における判定誤差範囲の大きさ（距離）を、ａｉ、とすると、
ｉ＋１回目の遠近判定処理における測定対象範囲の大きさ（距離）ＬＡｉ＋１は、式１となる。
【数１】
【０１３１】
すなわち、ｉ回目の遠近判定処理にて絞り込み範囲から除外される領域ＬＡｉ−は、式２で表すことができる。
【数２】
【０１３２】
上述したように、Ｎ点のサンプリングを行えば判定誤差範囲の大きさは１／√Ｎになるので、ｉ回目の遠近判定処理にかかる時間Ｔｉは、式３を満たす。
【数３】
【０１３３】
よって、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域は、式４で表される。
【数４】
【０１３４】
式４の１次微分が０となる
【数５】
のときに、式４は最大値をとる。
【０１３５】
以上より、遠近判定処理の各段階において、式５を満たすように判定誤差範囲を動的に設定することにより、単位時間あたりに絞り込み範囲から除外される領域が最大となり、測距精度と応答性の両立を図ることができる。
【０１３６】
＜第５実施形態のその他の変形例＞
第５実施形態では分解能以下の範囲にまで絞り込みを行うこととしたが、絞り込みの途中段階においてパルス波形の立ち上がり部分が１点ないし複数点サンプリングされたら、その値から波形推定を行い、閾値を超える時刻を推定することも好ましい。これにより、応答性のさらなる向上を図ることができる。
【０１３７】
また、ここでは第１実施形態の光センサを用いた場合を例示したが、第２〜第４実施形態のいずれの光センサでも同様の測距処理を行うことができる。さらに、物体までの距離が基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な機能を有してさえいれば、位相差方式、三角測距方式、ＰＮ符号方式などいずれの方式の光センサであっても、上記測距方法を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】第１実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態における照射光パルスと受光信号の波形を示す図。
【図３】第１実施形態に係る光センサの変形例１を示す図。
【図４】閾値のレベル調整を説明する図。
【図５】第１実施形態に係る光センサの変形例２を示す図。
【図６】第１実施形態に係る光センサの変形例３を示す図。
【図７】第１実施形態に係る光センサの変形例４を示す図。
【図８】図７の光センサにおけるサンプリング処理を説明する図。
【図９】図５と図６の光センサを組み合わせた構成を示す図。
【図１０】パルス幅の短い光パルスを用いた場合の問題を説明する図。
【図１１】第２実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。
【図１２】第２実施形態における照射光パルスと受光信号の波形を示す図。
【図１３】第３実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。
【図１４】第３実施形態に係る光センサの変形例１を示す図。
【図１５】第４実施形態に係る光センサのハードウェア構成を示すブロック図。
【図１６】第４実施形態における照射光と受光信号の波形を示す図。
【図１７】第５実施形態に係る測距方法の処理の流れを示すフローチャート。
【図１８】図１７の測距方法における絞り込み処理について説明する図。
【図１９】第５実施形態に係る測距方法の変形例について説明する図。
【符号の説明】
【０１３９】
１ 送信クロック生成部
２ パルス生成部
３ 駆動回路
４ 発光素子
５ 受光素子
６ 増幅器
７ 遅延時間生成器
８ タイミングパルス生成部
９，９ａ，９ｂ，９ｃ サンプリングホールド部
１０ 比較器
１１ 閾値発生器
１２ マイクロコントローラ
１３ ピーク検知回路
１４ 分圧器
１５ ＡＧＣアンプ
１６ 受光素子
１７ 増幅器
１８ａ，１８ｂ 微少時間遅延部
２０ ピーク保持回路
３０ 電圧−遅延時間変換器
３１ 鋸波生成部
３２ 定電圧生成部
４０ ＤＣカット部
４１ バンドパスフィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）よりも長いパルス幅をもつ光パルスを照射し、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
【請求項２】
光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力する最大値保持手段と、
最大値信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）経過後のタイミングで最大値信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
【請求項３】
受光パルスのピークレベルと前記閾値の比がほぼ一定となるように、受光信号または閾値のレベルを調整する調整手段をさらに備える
請求項１または２記載の光センサ。
【請求項４】
光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、一定の周期で光パルスを繰り返し照射し、
前記サンプリング手段は、受光された光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の粗い間隔で、各周期におけるサンプリングタイミングを徐々に遅延させていくことによって、受光信号の時間軸伸張を行い、
前記処理手段は、時間軸伸張波形のピークが光パルスの照射時刻から時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）経過後に相当するタイミングよりも後に現れるか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
【請求項５】
時間軸伸張波形のピークが、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後に相当するタイミングの近傍に現れた場合には、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後のタイミングでさらに受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、そのサンプリングされた信号も前記判定処理に利用する
請求項４記載の光センサ。
【請求項６】
時間軸伸張の途中でピークが観測された場合には、前記発光手段は次の測定期間まで光パルスの照射を停止する
請求項４または５記載の光センサ。
【請求項７】
前記発光手段から照射された光を直接受光する第２の受光手段をさらに備え、
前記サンプリング手段は、前記第２の受光手段が光パルスを受光した時刻を前記発光手段の照射時刻とする
請求項１〜６のうちいずれか１項記載の光センサ。
【請求項８】
正弦波または矩形波に変調された光を照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、時間ｔの２倍（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）よりも長い周期をもつ正弦波または矩形波を照射し、
前記受光手段は、受光信号のＤＣ成分をカットし、
前記サンプリング手段は、正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻から時間ｔ経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号の極性に基づき、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
【請求項９】
前記発光手段から照射された光を直接受光し、その受光信号のＤＣ成分をカットする第２の受光手段をさらに備え、
前記サンプリング手段は、前記第２の受光手段の出力信号がゼロクロスする時刻を前記振動中心に相当する時刻とする
請求項８記載の光センサ。
【請求項１０】
前記サンプリング手段は、サンプリングタイミングが微少時間ずつずれた複数のサンプリング手段からなり、
複数のサンプリング手段によって同一の受光信号をサンプリングし、それらの信号を平均する
請求項１〜９のうちいずれか１項記載の光センサ。
【請求項１１】
前記基準距離を設定する基準距離設定手段をさらに備える
請求項１〜１０のうちいずれか１項記載の光センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちいずれか１項記載の光センサにおいて、
測定対象範囲を２つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、
物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、
上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定する
光センサ。
【請求項１３】
絞り込みの進行度合いに応じて前記判定処理の精度を高くする請求項１２記載の光セン
サ。
【請求項１４】
物体までの距離が、設定された基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な光センサが、
測定対象範囲を２つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、
物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、
上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定する
測距方法。
【請求項１５】
絞り込みの進行度合いに応じて前記判定処理の精度を高くする請求項１４記載の測距方法。
【請求項１】
光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）よりも長いパルス幅をもつ光パルスを照射し、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
【請求項２】
光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号の最大レベルを保持し、その保持している最大レベルを最大値信号として出力する最大値保持手段と、
最大値信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）経過後のタイミングで最大値信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号のレベルが閾値を超えているか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
【請求項３】
受光パルスのピークレベルと前記閾値の比がほぼ一定となるように、受光信号または閾値のレベルを調整する調整手段をさらに備える
請求項１または２記載の光センサ。
【請求項４】
光パルスを照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、一定の周期で光パルスを繰り返し照射し、
前記サンプリング手段は、受光された光パルス部分のサンプリング漏れが生じない程度の粗い間隔で、各周期におけるサンプリングタイミングを徐々に遅延させていくことによって、受光信号の時間軸伸張を行い、
前記処理手段は、時間軸伸張波形のピークが光パルスの照射時刻から時間ｔ（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）経過後に相当するタイミングよりも後に現れるか否かで、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
【請求項５】
時間軸伸張波形のピークが、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後に相当するタイミングの近傍に現れた場合には、
前記サンプリング手段は、光パルスの照射時刻から時間ｔ経過後のタイミングでさらに受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、そのサンプリングされた信号も前記判定処理に利用する
請求項４記載の光センサ。
【請求項６】
時間軸伸張の途中でピークが観測された場合には、前記発光手段は次の測定期間まで光パルスの照射を停止する
請求項４または５記載の光センサ。
【請求項７】
前記発光手段から照射された光を直接受光する第２の受光手段をさらに備え、
前記サンプリング手段は、前記第２の受光手段が光パルスを受光した時刻を前記発光手段の照射時刻とする
請求項１〜６のうちいずれか１項記載の光センサ。
【請求項８】
正弦波または矩形波に変調された光を照射する発光手段と、
光を受光する受光手段と、
受光手段から得られる受光信号をサンプリングするサンプリング手段と、
サンプリングされた信号を処理する処理手段と、を備えた光センサにおいて、
測定の基準となる基準距離が予め設定されており、
前記発光手段は、時間ｔの２倍（ただし、ｔ＝２×基準距離／光速）よりも長い周期をもつ正弦波または矩形波を照射し、
前記受光手段は、受光信号のＤＣ成分をカットし、
前記サンプリング手段は、正弦波または矩形波の振動中心に相当する時刻から時間ｔ経過後のタイミングで受光信号をサンプリングし、
前記処理手段は、サンプリングされた信号の極性に基づき、物体までの距離が前記基準距離よりも近いか遠いかを判定する
光センサ。
【請求項９】
前記発光手段から照射された光を直接受光し、その受光信号のＤＣ成分をカットする第２の受光手段をさらに備え、
前記サンプリング手段は、前記第２の受光手段の出力信号がゼロクロスする時刻を前記振動中心に相当する時刻とする
請求項８記載の光センサ。
【請求項１０】
前記サンプリング手段は、サンプリングタイミングが微少時間ずつずれた複数のサンプリング手段からなり、
複数のサンプリング手段によって同一の受光信号をサンプリングし、それらの信号を平均する
請求項１〜９のうちいずれか１項記載の光センサ。
【請求項１１】
前記基準距離を設定する基準距離設定手段をさらに備える
請求項１〜１０のうちいずれか１項記載の光センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちいずれか１項記載の光センサにおいて、
測定対象範囲を２つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、
物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、
上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定する
光センサ。
【請求項１３】
絞り込みの進行度合いに応じて前記判定処理の精度を高くする請求項１２記載の光セン
サ。
【請求項１４】
物体までの距離が、設定された基準距離よりも近いか遠いかを判定可能な光センサが、
測定対象範囲を２つの領域に分割するように基準距離を設定した上で、その基準距離よりも近い領域と遠い領域のいずれに物体が存在するかを判定し、
物体が存在する側の領域を新たな測定対象範囲に設定し、
上記処理を複数回繰り返して物体の存在領域を絞り込むことによって、物体までの距離を測定する
測距方法。
【請求項１５】
絞り込みの進行度合いに応じて前記判定処理の精度を高くする請求項１４記載の測距方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００６−６４６４１（Ｐ２００６−６４６４１Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５０２１３（Ｐ２００４−２５０２１３）
【出願日】平成１６年８月３０日（２００４．８．３０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月３０日（２００４．８．３０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]