光学的位置検出装置
【課題】対象物体の２次元的な位置を１台の装置で光学的に検出することは困難であること。
【解決手段】光学的位置検出装置は、光を照射する光照射部と、対象物体からの反射光を受光する受光部とを有する。受光部は、受光面が２次元に分割された分割フォトダイオードと、対象物体からの反射光を集光し分割フォトダイオードの受光面に対象物体の像を結像する受光レンズと、分割フォトダイオードの分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流に基づいて、受光レンズの光軸と直交する２次元方向における対象物体の位置を検出する演算部とを有する。
【解決手段】光学的位置検出装置は、光を照射する光照射部と、対象物体からの反射光を受光する受光部とを有する。受光部は、受光面が２次元に分割された分割フォトダイオードと、対象物体からの反射光を集光し分割フォトダイオードの受光面に対象物体の像を結像する受光レンズと、分割フォトダイオードの分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流に基づいて、受光レンズの光軸と直交する２次元方向における対象物体の位置を検出する演算部とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の位置を光学的に検出する光学的位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータなどのポインティング入力装置として、人の手などの動きに対応した情報を入力するジェスチャー方式が注目されている。このジェスチャー方式を実現するためには、人の手などの平面的な広がりを持った物体の位置を非接触で検出する技術が必要になる。
【０００３】
この種の技術の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載される変位測定装置では、対象物体の表面寸法よりも大きな広がりを有する光を投射する投光部と、対象物体からの反射光を集光する受光レンズと集光された反射光の結像位置近傍に置かれた位置検出素子とを有する受光部と、受光部からの出力に基づいて光の投射軸と直交する方向における対象物体の変位もしくは対象物体までの距離を演算する演算処理手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−３０７３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の変位測定装置では、測定可能は移動物体の位置は、光の投射軸と直交する方向のうち特定の１次元の方向に限定される。このため、１台の装置では対象物体の２次元的な位置は検出できない。
【０００６】
本発明の目的は、上述したような課題、すなわち対象物体の２次元的な位置を１台の装置で光学的に検出することは困難である、という課題を解決する光学的位置検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の光学的位置検出装置は、
光を照射する光照射部と、
対象物体からの反射光を受光する受光部とを有し、
上記受光部は、
受光面が２次元に分割された分割フォトダイオードと、
上記対象物体からの反射光を集光し上記分割フォトダイオードの受光面に上記対象物体の像を結像する受光レンズと、
上記分割フォトダイオードの分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流に基づいて、上記受光レンズの光軸と直交する２次元方向における上記対象物体の位置を検出する演算部と
を有する、といった構成を採る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は上述したような構成を有するため、１台の装置で受光レンズの光軸と直交する２次元方向における対象物体の位置を光学的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における演算部のブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における演算部の対数圧縮回路の構成例と赤外線発光ダイオードの駆動部の構成例とを示す回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の一例を示す回路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の別の例を示す回路図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の他の例を示す回路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の作用を説明するための回路図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の作用を説明するための回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
[第１の実施形態]
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態にかかる光学的位置検出装置は、光を照射する光照射部１０と、対象物体３０からの反射光を受光する受光部２０とから構成される。対象物体３０は、位置検出の対象となる物体であり、本実施形態では人の手を対象物体としている。しかし、対象物体３０は、人の手に限定されず、平面的な広がりを有する物体であれば他の物体、例えば人の指や棒状のスティックなどであってもよい。
【００１１】
光照射部１０は、赤外発光ダイオード１１と、この赤外発光ダイオード１１を断続的に駆動して赤外発光ダイオード１１から赤外光をパルス的に出射させる駆動部１２と、赤外発光ダイオード１１から出射した赤外光を適当な広がりの拡散光に変換する散光フィルタ１３とを有する。赤外発光ダイオード１１の代わりに半導体レーザ素子のような他の種類の発光素子を使用してもよい。また、外光と区別できる環境ならば、赤外発光ダイオード１１をパルス駆動せずに、連続駆動してもよい。
【００１２】
受光部２０は、受光面が２次元に分割された分割フォトダイオード２１と、対象物体３０からの反射光を集光し分割フォトダイオード２１の受光面に対象物体３０の像を結像する受光レンズ２２と、演算部２３とを有する。分割フォトダイオード２１は、受光レンズ２２から所定の距離を隔てた場所に、その受光面が受光レンズ２２の光軸と直交する平面にほぼ平行になるように配置されている。また、分割フォトダイオード２１の中心が受光レンズ２２の光軸と交わるように配置されている。
【００１３】
分割フォトダイオード２１として、本実施形態では、４分割フォトダイオードを使用する。４分割フォトダイオード２１は、受光面が２行２列に分割されており、分割された受光面の第１行第１列、第１行第２列、第２行第１列、第２行第２列の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流を独立に取り出すことができる。以下、分割された受光面の第１行第１列、第１行第２列、第２行第１列、第２行第２列の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと記載する。
【００１４】
演算部２３は、分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄを入力し演算を施すことにより、受光レンズ２２の光軸と直交する２次元方向における対象物体３０の位置、および対象物体３０までの距離を検出する機能を有する。本実施形態では、受光レンズ２２の光軸をＺ軸、４分割フォトダイオード２１の受光面の中心から所定の距離Ｌ０にあるＺ軸上の箇所を座標の原点Ｏ、４分割フォトダイオードの受光面を第１行と第２行とに分割する分割線に平行でＺ軸に直交し原点Ｏを通る直線をＸ軸、４分割フォトダイオードの受光面を第１列と第２列とに分割する分割線に平行でＺ軸に直交し原点Ｏを通る直線をＹ軸とする３次元座標系を使用する。
【００１５】
受光レンズ２２の光軸と直交する２次元方向における対象物体３０の位置、すなわちＸ座標値とＹ座標値は、下記の式で与えられるような比率を分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄに基づいて計算することで求めることができる。
Ｘ座標値＝（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）−0.5 …（１）
Ｙ座標値＝（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）−0.5 …（２）
なお、上記のＸ座標値およびＹ座標値は、対象物体３０の絶対位置ではなく相対位置である。
【００１６】
対象物体３０の重心が原点Ｏにある場合、Ａ＋Ｂ、Ｃ＋Ｄ、Ａ＋Ｃ、Ｂ＋Ｄのそれぞれは互いに等しくなるため、Ｘ座標値＝０、Ｙ座標値＝０になる。対象物体３０の重心がＸ軸の正方向に移動すると、Ａ＋ＣがＢ＋Ｄより大きくなっていくので、Ｘ座標値は1/2に近づいていく。逆に、対象物体３０の重心がＸ軸の負方向に移動すると、Ａ＋ＣがＢ＋Ｄより小さくなっていくので、Ｘ座標値は-1/2に近づいていく。他方、対象物体３０の重心がＹ軸の正方向に移動すると、Ｃ＋ＤがＡ＋Ｂより大きくなっていくので、Ｙ座標値は1/2に近づいていく。逆に、対象物体３０の重心がＹ軸の負方向に移動すると、Ｃ＋ＤがＡ＋Ｂより小さくなっていくので、Ｘ座標値は-1/2に近づいていく。
【００１７】
対象物体３０までの距離、すなわちＺ座標値は、下記の式で与えられるような比率を分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄに基づいて計算することで求めることができる。
Ｚ座標値＝ＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）−0.5 …（３）
ここで、ＴＨは、対象物体３０の重心が原点Ｏの箇所にあるときの分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄの総和に等しい値である。また、上記のＺ座標値は、対象物体３０の絶対位置ではなく相対位置である。
【００１８】
対象物体３０の重心が原点Ｏにある場合、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋ＤはＴＨに等しくなるため、Ｚ座標値＝０になる。対象物体３０の重心がＺ軸の正方向に移動すると、すなわち対象物体３０が遠ざかるとＡ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄの値がＴＨより小さくなっていくので、Ｚ座標値は1/2に近づいていく。逆に、対象物体３０の重心がＺ軸の負方向に移動すると、すなわち対象物体３０が接近するとＡ＋Ｂ＋Ｃ＋ＤがＴＨより大きくなっていくので、Ｚ座標値は-1/2に近づいていく。
【００１９】
上述した計算式（１）〜（３）では、−0.5の定数項を付加しているが、定数項の値をα、β、γ（０を含む予め定めれた定数）とした以下のような計算式（４）〜（６）を使用してもよい。
Ｘ座標値＝（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）＋α …（４）
Ｙ座標値＝（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）＋β …（５）
Ｚ座標値＝ＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）＋γ …（６）
この場合、座標系は、α、β、γに相当する位置だけ上述した座標系をシフトしたものとなる。
【００２０】
次に各部の詳細について説明する。
【００２１】
図２は演算部２３のブロック図である。この例の演算部２３は、分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄを増幅した後に対数圧縮して電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤとして出力する対数圧縮回路２３１Ａ〜２３１Ｄと、電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤを入力し上記式（４）で示される（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）をＸ座標値として出力する演算回路２３２Ｘと、電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤを入力し上記式（５）で示される（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）をＹ座標値として出力する演算回路２３２Ｙと、電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤと閾値ＴＨとを入力し上記式（６）で示されるＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）をＺ座標値として出力する演算回路２３２Ｚとを有する。ここで、本明細書においてＬｏｇは自然対数を表している。
【００２２】
演算回路２３２Ｘは、電圧信号ＬｏｇＡと電圧信号ＬｏｇＣとを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｃ）を出力する加算器２３３ＡＣと、電圧信号ＬｏｇＢと電圧信号ＬｏｇＤとを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ｂ＋Ｄ）を出力する加算器２３３ＢＤと、電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｃ）と電圧信号Ｌｏｇ（Ｂ＋Ｄ）とを入力して比（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を出力する比演算器２３４Ｘとを有する。
【００２３】
演算回路２３２Ｙは、電圧信号ＬｏｇＡと電圧信号ＬｏｇＢとを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｂ）を出力する加算器２３３ＡＢと、電圧信号ＬｏｇＣと電圧信号ＬｏｇＤとを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ｃ＋Ｄ）を出力する加算器２３３ＣＤと、電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｂ）と電圧信号Ｌｏｇ（Ｃ＋Ｄ）とを入力して比（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を出力する比演算器２３４Ｙとを有する。
【００２４】
演算回路２３２Ｚは、電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を出力する加算器２３３ＡＢＣＤと、電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）と基準電圧ＴＨとを入力として比ＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）を出力する比演算器２３４Ｚとを有する。
【００２５】
図３は演算部２３の対数圧縮回路２３１の構成例と赤外線発光ダイオード１１の駆動部１２の構成例とを示す回路図である。
【００２６】
まず、駆動部１２の回路について説明する。駆動部１２は、赤外線発光ダイオード１１に接続されたトランジスタＱ２１と抵抗Ｒ２１とから構成される。トランジスタＱ２１のベースに加わる発光信号がパルス幅Ｔの時間だけＨレベルになると、トランジスタＱ２１が時間Ｔだけオンになり、電源Ｅ２１からの電流が抵抗Ｒ２１およびトランジスタＱ２１を通じて赤外線発光ダイオード１１に流れ、赤外光のパルスが放射される。
【００２７】
次に対数圧縮回路２３１について説明する。図３には、図２に４つ存在する対数圧縮回路２３１Ａ〜２３１Ｄのうちの対数圧縮回路２３１Ａのみが示されている。他の対数圧縮回路２３１Ｂ〜２３１Ｄは対数圧縮回路２３１Ａと全く同じ構成である。
【００２８】
赤外線発光ダイオード１１から出射し対象物体３０で反射した赤外光および定常光は、分割フォトダイオード２１で受光される。図３のフォトダイオード２１Ａは、分割フォトダイオード２１の分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードのうち出力信号電流Ａを取り出しているフォトダイオードを示す。フォトダイオード２１Ａの出力信号電流Ａのうち定常光電流はトランジスタＱ２２から供給され、信号光電流のみが演算増幅器Ａ２１に導かれる。演算増幅器Ａ２１により信号光電流が増幅され、その出力側に接続されたトランジスタＱ２３を通じて対数圧縮用ダイオードＤ２１により対数圧縮される。対数圧縮用ダイオードＤ２１で対数圧縮された信号は、ホロワＡ２２を通じて対数圧縮回路２３１Ａの出力電圧として演算回路２３２に出力される。
【００２９】
出力信号電流Ａのうち定常光電流のみがトランジスタＱ２２により引き抜かれる理由は次の通りである。まず、赤外線発光ダイオード１１を発光させる前に、アナログスイッチＳＷ２１をホールド信号によりオンする。この状態で太陽光や蛍光灯などの定常光をフォトダイオード２１Ａで検知する。この検知による出力信号電流Ａを演算増幅器Ａ２１で増幅しダイオードＤ２１で対数圧縮した電圧は演算増幅器Ａ２３に導かれ、ダイオードＤ２２の基準電圧との偏差信号に変換され、ホールドコンデンサＣ２１を介してトランジスタＱ２２のベースに導かれる。演算増幅器Ａ２３の出力電圧は負帰還により定常光電流とトランジスタＱ２２のコレクタ電流とが釣り合うような値に設定され、これがホールドコンデンサＣ２１により保持される。その後、アナログスイッチＳＷ２１をオフし、赤外線発光ダイオード１１を発光させると、フォトダイオード２１Ａの出力電流のうち定常光電流のみが依然としてトランジスタＱ２２から供給されることになる。
【００３０】
図４は演算部２３の演算回路２３２の回路図である。図４のフォトダイオード２１Ａ〜２１Ｄは、分割フォトダイオード２１の分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードのうち出力信号電流Ａ〜Ｄを取り出しているフォトダイオードを示す。出力信号電流Ａ〜Ｄは、対数圧縮回路２３１Ａ〜２３１Ｄにより増幅された後に対数圧縮されて電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤとして演算回路２３２Ｘ、２３２Ｙ、２３２に出力される。
【００３１】
演算回路２３２Ｙは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ、ＬｏｇＢが入力される２個のトランジスタＱ３１、Ｑ３２と、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＣ、ＬｏｇＤが入力される２個のトランジスタＱ３３、Ｑ３４と、これらのトランジスタＱ３１〜Ｑ３４のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ３１と、トランジスタＱ３１、Ｑ３２のコレクトとトランジスタＱ３３、Ｑ３４のコレクタとの間に接続された抵抗Ｒ３１と、トランジスタＱ３３、Ｑ３４のコレクタと抵抗Ｒ３１との接続点からＹ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ３１とから構成されている。ここで、トランジスタＱ３１〜Ｑ３４は差動増幅器を構成する。
【００３２】
演算回路２３２Ｘは、演算回路２３２Ｙと同様の回路構成を有する。具体的には、演算回路２３２Ｘは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＢ、ＬｏｇＤが入力される２個のトランジスタＱ３５、Ｑ３６と、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ、ＬｏｇＣが入力される２個のトランジスタＱ３７、Ｑ３８と、これらのトランジスタＱ３５〜Ｑ３８のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ３２と、トランジスタＱ３７、Ｑ３８のコレクトとトランジスタＱ３５、Ｑ３６のコレクタとの間に接続された抵抗Ｒ３２と、トランジスタＱ３７、Ｑ３８のコレクタと抵抗Ｒ３２との接続点からＹ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ３２とから構成されている。ここで、トランジスタＱ３５〜Ｑ３８は差動増幅器を構成する。
【００３３】
また演算回路２３２ＹのトランジスタＱ３１、Ｑ３２のコレクタと演算回路２３２ＸのトランジスタＱ３５、Ｑ３６のコレクタとが接続されている。
【００３４】
演算回路２３２Ｚは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤが入力される４個のトランジスタＱ３９〜Ｑ４２と、これらのトランジスタＱ３９〜Ｑ４２のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ３３と、エミッタが定電流源Ｉ３３を介して接地され、コレクタが抵抗Ｒ３３を通じてトランジスタＱ３９〜Ｑ４２のコレクタに接続され、ベースに基準電圧ＴＨが入力されるトランジスタＱ４３と、トランジスタＱ４３のコレクタと抵抗Ｒ３３との接続点からＺ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ３３とから構成されている。
【００３５】
演算回路２３２Ｙにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｙとして（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由を、図７および図８を参照して説明する。
【００３６】
図７の回路において、電流Ｉ１がダイオードＤ３１に流れると、ダイオードＤ３１のアノードの電圧は、カソードの電位（＝Ｖｒｅｆ）に対し、ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ）（ＶＴは＝Ｋ・Ｔ／ｑ、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の電荷、Ｉｏは逆方向飽和電流）で表わされる。ダイオードＤ３１のアノードはトランジスタＱ５１のベースに接続されているため、トランジスタＱ５１のベースの電圧も、Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ）となる。同様にトランジスタＱ５２のベース電圧は、Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ２／Ｉｏ）となる。
【００３７】
トランジスタＱ５１、Ｑ５２のベースの電位差を、上記のダイオードＤ３１、Ｄ３２のアノードの電圧差から求めると、次式（７）で与えられる。
Ｖ（Ｑ５１）−Ｖ（Ｑ５２）
＝（Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ））
−（Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ２／Ｉｏ））
＝ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉ２） …（７）
【００３８】
他方、トランジスタＱ５１のコレクタ電流をＩＣ１とすると、トランジスタＱ５１のベースエミッタ電圧は、ＶＴ・Ｌｏｇ（ＩＣ１／Ｉｏ）となる。同様に、トランジスタＱ５２のコレクタ電流をＩＣ２とすると、トランジスタＱ５２のベースエミッタ電圧はＶＴ・Ｌｏｇ（ＩＣ２／Ｉｏ）となる。故に、トランジスタＱ５１，Ｑ５２のベースエミッタ電圧差から求めた、トランジスタＱ５１、Ｑ５２のベース電圧の差は、次式（８）で与えられる。
Ｖ（Ｑ５１）−Ｖ（Ｑ５２）
＝ＶＴ・（Ｌｏｇ（ＩＣ１／Ｉｏ）−Ｌｏｇ（ＩＣ２／Ｉｏ））
＝ＶＴ・Ｌｏｇ（ＩＣ１／ＩＣ２） …（８）
【００３９】
上記の式（７）と式（８）とから、Ｉ１：Ｉ２＝ＩＣ１：ＩＣ２の関係が成立することが判る。つまり、トランジスタＱ５１のコレクタ電流ＩＣ１は＝バイアス電流Ｉ５１・（Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２））となる。
【００４０】
また、このときに、図７のＯＵＴ電圧は次式（９）で与えられる。
ＯＵＴ電圧
＝（Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ））−ＶＴ・Ｌｏｇ（ＩＣ１／Ｉｏ）
＝（Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ））−ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ５１・（Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２））／Ｉｏ）
＝Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（（Ｉ１＋Ｉ２）／Ｉ５１） …（９）
【００４１】
一方、図８は、電流Ｉ１、Ｉ２を加算した後に対数圧縮して電圧に変換した信号をホロワを経て出力する回路である。この図８の回路におけるＯＵＴ電圧は、上記の式（９）で与えられることは明らかである。このことから、図７に示す回路は、信号を加算して対数圧縮した値を、各々の対数圧縮した値から演算によって等価的に作り出していることが判る。
【００４２】
さて、図４の演算回路２３２Ｙにおいて、トランジスタＱ３１、Ｑ３２、Ｑ３３、Ｑ３４を流れる電流をＩＣ（Ｑ３１）、ＩＣ（Ｑ３２）、ＩＣ（Ｑ３３）、ＩＣ（Ｑ３４）、フォトダイオード２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄの信号電流をＩ（２１Ａ）、Ｉ（２１Ｂ）、Ｉ（２１Ｃ）、Ｉ（２１Ｄ）と表記すると、図７および図８による説明から明らかなように、次の関係が成立する。
ＩＣ（Ｑ３１）：ＩＣ（Ｑ３２）：ＩＣ（Ｑ３３）：ＩＣ（Ｑ３４）
＝Ｉ（２１Ａ）：Ｉ（２１Ｂ）：Ｉ（２１Ｃ）：Ｉ（２１Ｄ） …（１０）
【００４３】
従って、演算回路２３２Ｙにおける抵抗Ｒ３１の両端の電圧（すなわちホロワＡ３１の出力Ｙ）は、次式で与えられる。
抵抗Ｒ３１の両端の電圧
＝Ｒ３１・Ｉ３１（Ｉ（２１Ｃ）＋Ｉ（２１Ｄ））／（Ｉ（２１Ａ）＋Ｉ（２１Ｂ）＋Ｉ（２１Ｃ）＋Ｉ（２１Ｄ）） …（１１）
【００４４】
以上が、演算回路２３２Ｙにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｙとして（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由である。
【００４５】
演算回路２３２Ｘにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｘとして比（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由、および演算回路２３２Ｚにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤと比較基準電圧ＴＨとから、出力ＺとしてＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）が生成される理由は、演算回路２３２Ｙと同じである。
【００４６】
図４の回路では、コレクタとエミッタどうしを接続してベースに違う電圧を印加したトランジスタを直接差動に使ったが、差動増幅器を別途備えるようにしても良い。図５はそのような手法による演算部２３の演算回路２３２の回路図である。図５のフォトダイオード２１Ａ〜２１Ｄは、分割フォトダイオード２１の分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードのうち出力信号電流Ａ〜Ｄを取り出しているフォトダイオードを示す。出力信号電流Ａ〜Ｄは、対数圧縮回路２３１Ａ〜２３１Ｄにより増幅された後に対数圧縮されて電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤとして演算回路２３２Ｘ、２３２Ｙ、２３２に出力される。
【００４７】
演算回路２３２Ｙは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ、ＬｏｇＢが入力される２個のトランジスタＱ１、Ｑ２と、これらのトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ１と、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＣ、ＬｏｇＤが入力される２個のトランジスタＱ６、Ｑ５と、これらのトランジスタＱ５、Ｑ６のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ２と、ベースがトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタに接続され、コレクタが抵抗器Ｒ１を介して接地され、エミッタに定電流源Ｉ３が接続されたトランジスタＱ３と、ベースがトランジスタＱ５、Ｑ６のエミッタに接続され、コレクタが接地され、エミッタが定電流源Ｉ３に接続されたトランジスタＱ４と、トランジスタＱ３のコレクタと抵抗Ｒ１との接続点からＹ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ１とから構成されている。ここで、トランジスタＱ３、Ｑ４と定電流源Ｉ３と抵抗Ｒ１とは差動増幅器を構成する。
【００４８】
演算回路２３２Ｘは、演算回路２３２Ｙと同様の回路構成を有する。具体的には、演算回路２３２Ｘは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＢ、ＬｏｇＤが入力される２個のトランジスタＱ７、Ｑ８と、これらのトランジスタＱ７、Ｑ８のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ４と、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ、ＬｏｇＣが入力される２個のトランジスタＱ１１、Ｑ１２と、これらのトランジスタＱ１１、Ｑ１２のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ５と、ベースがトランジスタＱ７、Ｑ８のエミッタに接続され、コレクタが抵抗器Ｒ２を介して接地され、エミッタに定電流源Ｉ６が接続されたトランジスタＱ９と、ベースがトランジスタＱ１１、Ｑ１２のエミッタに接続され、コレクタが接地され、エミッタが定電流源Ｉ６に接続されたトランジスタＱ１０と、トランジスタＱ９のコレクタと抵抗Ｒ２との接続点からＸ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ２とから構成されている。
【００４９】
また演算回路２３２ＹのトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ５、Ｑ６のコレクタと演算回路２３２ＸのトランジスタＱ７、Ｑ８、Ｑ１１、Ｑ１２のコレクタとが接続されている。
【００５０】
演算回路２３２Ｚは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤが入力される４個のトランジスタＱ１３〜Ｑ１６と、これらのトランジスタＱ１３〜Ｑ１６のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ７と、エミッタが定電流源Ｉ８を介して設置され、コレクタがトランジスタＱ１３〜Ｑ１６のコレクタに接続され、ベースに基準電圧ＴＨが入力されるトランジスタＱ１９と、ベースがトランジスタＱ１３〜Ｑ１６のエミッタに接続され、コレクタが抵抗器Ｒ３を介して接地され、エミッタに定電流源Ｉ９が接続されたトランジスタＱ１７と、ベースがトランジスタＱ１９のエミッタに接続され、コレクタが接地され、エミッタが定電流源Ｉ９に接続されたトランジスタＱ１８と、トランジスタＱ１７のコレクタと抵抗Ｒ３との接続点からＺ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ３とから構成されている。ここで、トランジスタＱ１７、Ｑ１８と定電流源Ｉ９と抵抗Ｒ３とは差動増幅器を構成する。
【００５１】
演算回路２３２Ｘにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｘとして（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由、演算回路２３２Ｙにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｙとして比（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由、および演算回路２３２Ｚにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤと比較基準電圧ＴＨとから、出力ＺとしてＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）が生成される理由は、図４に示す演算回路２３２Ｙと同じである。
【００５２】
図５の差動増幅器を構成するトランジスタＱ３、Ｑ４、Ｑ９、Ｑ１０、Ｑ１７、Ｑ１８はＰＮＰトランジスタであるが、ＮＰＮトランジスタを使うことも可能である。その際の回路構成は図６に示すようになる。
【００５３】
このように本実施形態によれば、１台の装置で受光レンズ２２の光軸と直交する２次元方向（ＸＹ方向）における対象物体３０の位置、および対象物体３０までの距離（Ｚ方向）を光学的に検出することができる。
【００５４】
また特許文献１に記載する変位測定装置では、Ｚ軸方向の変位を検出するためには、第１の受光レンズおよび位置検出素子と、第２の受光レンズおよび位置検出素子との２組の受光部を互いに離間して配置する必要があるために装置が大型化するが、本実施形態によれば１組の受光レンズ２２および分割フォトダイオードで足りるため、装置の小型化が可能になる。
【００５５】
[その他の実施形態]
以上本発明を幾つかの実施形態を挙げて説明したが、本発明は以上の実施形態にのみ限定されずその他各種の付加変更が可能である。例えば、上記の実施形態では４分割フォトダイオードを使用したが、直交する２組のフォトダイオードを構成できるならば分割数は任意でよい。例えば、直交する２組のフォトダイオードの１個のフォトダイオードをＸ軸Ｙ軸の組み合わせの一つに共用することで、３分割フォトダイオードを使用することも可能である。また、分割フォトダイオードの形状は矩形に限定されず、各々の受光面が等しい形状であれば矩形以外の形状であっても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１０…光照射部
１１…赤外線発光ダイオード
１２…駆動部
１３…散光フィルタ
２０…受光部
２１…４分割フォトダイオード
２２…受光レンズ
２３…演算部
３０…対象物体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の位置を光学的に検出する光学的位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータなどのポインティング入力装置として、人の手などの動きに対応した情報を入力するジェスチャー方式が注目されている。このジェスチャー方式を実現するためには、人の手などの平面的な広がりを持った物体の位置を非接触で検出する技術が必要になる。
【０００３】
この種の技術の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載される変位測定装置では、対象物体の表面寸法よりも大きな広がりを有する光を投射する投光部と、対象物体からの反射光を集光する受光レンズと集光された反射光の結像位置近傍に置かれた位置検出素子とを有する受光部と、受光部からの出力に基づいて光の投射軸と直交する方向における対象物体の変位もしくは対象物体までの距離を演算する演算処理手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−３０７３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の変位測定装置では、測定可能は移動物体の位置は、光の投射軸と直交する方向のうち特定の１次元の方向に限定される。このため、１台の装置では対象物体の２次元的な位置は検出できない。
【０００６】
本発明の目的は、上述したような課題、すなわち対象物体の２次元的な位置を１台の装置で光学的に検出することは困難である、という課題を解決する光学的位置検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の光学的位置検出装置は、
光を照射する光照射部と、
対象物体からの反射光を受光する受光部とを有し、
上記受光部は、
受光面が２次元に分割された分割フォトダイオードと、
上記対象物体からの反射光を集光し上記分割フォトダイオードの受光面に上記対象物体の像を結像する受光レンズと、
上記分割フォトダイオードの分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流に基づいて、上記受光レンズの光軸と直交する２次元方向における上記対象物体の位置を検出する演算部と
を有する、といった構成を採る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は上述したような構成を有するため、１台の装置で受光レンズの光軸と直交する２次元方向における対象物体の位置を光学的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における演算部のブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における演算部の対数圧縮回路の構成例と赤外線発光ダイオードの駆動部の構成例とを示す回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の一例を示す回路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の別の例を示す回路図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の他の例を示す回路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の作用を説明するための回路図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における演算部の演算回路の作用を説明するための回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
[第１の実施形態]
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態にかかる光学的位置検出装置は、光を照射する光照射部１０と、対象物体３０からの反射光を受光する受光部２０とから構成される。対象物体３０は、位置検出の対象となる物体であり、本実施形態では人の手を対象物体としている。しかし、対象物体３０は、人の手に限定されず、平面的な広がりを有する物体であれば他の物体、例えば人の指や棒状のスティックなどであってもよい。
【００１１】
光照射部１０は、赤外発光ダイオード１１と、この赤外発光ダイオード１１を断続的に駆動して赤外発光ダイオード１１から赤外光をパルス的に出射させる駆動部１２と、赤外発光ダイオード１１から出射した赤外光を適当な広がりの拡散光に変換する散光フィルタ１３とを有する。赤外発光ダイオード１１の代わりに半導体レーザ素子のような他の種類の発光素子を使用してもよい。また、外光と区別できる環境ならば、赤外発光ダイオード１１をパルス駆動せずに、連続駆動してもよい。
【００１２】
受光部２０は、受光面が２次元に分割された分割フォトダイオード２１と、対象物体３０からの反射光を集光し分割フォトダイオード２１の受光面に対象物体３０の像を結像する受光レンズ２２と、演算部２３とを有する。分割フォトダイオード２１は、受光レンズ２２から所定の距離を隔てた場所に、その受光面が受光レンズ２２の光軸と直交する平面にほぼ平行になるように配置されている。また、分割フォトダイオード２１の中心が受光レンズ２２の光軸と交わるように配置されている。
【００１３】
分割フォトダイオード２１として、本実施形態では、４分割フォトダイオードを使用する。４分割フォトダイオード２１は、受光面が２行２列に分割されており、分割された受光面の第１行第１列、第１行第２列、第２行第１列、第２行第２列の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流を独立に取り出すことができる。以下、分割された受光面の第１行第１列、第１行第２列、第２行第１列、第２行第２列の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと記載する。
【００１４】
演算部２３は、分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄを入力し演算を施すことにより、受光レンズ２２の光軸と直交する２次元方向における対象物体３０の位置、および対象物体３０までの距離を検出する機能を有する。本実施形態では、受光レンズ２２の光軸をＺ軸、４分割フォトダイオード２１の受光面の中心から所定の距離Ｌ０にあるＺ軸上の箇所を座標の原点Ｏ、４分割フォトダイオードの受光面を第１行と第２行とに分割する分割線に平行でＺ軸に直交し原点Ｏを通る直線をＸ軸、４分割フォトダイオードの受光面を第１列と第２列とに分割する分割線に平行でＺ軸に直交し原点Ｏを通る直線をＹ軸とする３次元座標系を使用する。
【００１５】
受光レンズ２２の光軸と直交する２次元方向における対象物体３０の位置、すなわちＸ座標値とＹ座標値は、下記の式で与えられるような比率を分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄに基づいて計算することで求めることができる。
Ｘ座標値＝（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）−0.5 …（１）
Ｙ座標値＝（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）−0.5 …（２）
なお、上記のＸ座標値およびＹ座標値は、対象物体３０の絶対位置ではなく相対位置である。
【００１６】
対象物体３０の重心が原点Ｏにある場合、Ａ＋Ｂ、Ｃ＋Ｄ、Ａ＋Ｃ、Ｂ＋Ｄのそれぞれは互いに等しくなるため、Ｘ座標値＝０、Ｙ座標値＝０になる。対象物体３０の重心がＸ軸の正方向に移動すると、Ａ＋ＣがＢ＋Ｄより大きくなっていくので、Ｘ座標値は1/2に近づいていく。逆に、対象物体３０の重心がＸ軸の負方向に移動すると、Ａ＋ＣがＢ＋Ｄより小さくなっていくので、Ｘ座標値は-1/2に近づいていく。他方、対象物体３０の重心がＹ軸の正方向に移動すると、Ｃ＋ＤがＡ＋Ｂより大きくなっていくので、Ｙ座標値は1/2に近づいていく。逆に、対象物体３０の重心がＹ軸の負方向に移動すると、Ｃ＋ＤがＡ＋Ｂより小さくなっていくので、Ｘ座標値は-1/2に近づいていく。
【００１７】
対象物体３０までの距離、すなわちＺ座標値は、下記の式で与えられるような比率を分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄに基づいて計算することで求めることができる。
Ｚ座標値＝ＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）−0.5 …（３）
ここで、ＴＨは、対象物体３０の重心が原点Ｏの箇所にあるときの分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄの総和に等しい値である。また、上記のＺ座標値は、対象物体３０の絶対位置ではなく相対位置である。
【００１８】
対象物体３０の重心が原点Ｏにある場合、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋ＤはＴＨに等しくなるため、Ｚ座標値＝０になる。対象物体３０の重心がＺ軸の正方向に移動すると、すなわち対象物体３０が遠ざかるとＡ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄの値がＴＨより小さくなっていくので、Ｚ座標値は1/2に近づいていく。逆に、対象物体３０の重心がＺ軸の負方向に移動すると、すなわち対象物体３０が接近するとＡ＋Ｂ＋Ｃ＋ＤがＴＨより大きくなっていくので、Ｚ座標値は-1/2に近づいていく。
【００１９】
上述した計算式（１）〜（３）では、−0.5の定数項を付加しているが、定数項の値をα、β、γ（０を含む予め定めれた定数）とした以下のような計算式（４）〜（６）を使用してもよい。
Ｘ座標値＝（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）＋α …（４）
Ｙ座標値＝（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）＋β …（５）
Ｚ座標値＝ＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）＋γ …（６）
この場合、座標系は、α、β、γに相当する位置だけ上述した座標系をシフトしたものとなる。
【００２０】
次に各部の詳細について説明する。
【００２１】
図２は演算部２３のブロック図である。この例の演算部２３は、分割フォトダイオード２１の出力信号電流Ａ〜Ｄを増幅した後に対数圧縮して電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤとして出力する対数圧縮回路２３１Ａ〜２３１Ｄと、電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤを入力し上記式（４）で示される（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）をＸ座標値として出力する演算回路２３２Ｘと、電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤを入力し上記式（５）で示される（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）をＹ座標値として出力する演算回路２３２Ｙと、電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤと閾値ＴＨとを入力し上記式（６）で示されるＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）をＺ座標値として出力する演算回路２３２Ｚとを有する。ここで、本明細書においてＬｏｇは自然対数を表している。
【００２２】
演算回路２３２Ｘは、電圧信号ＬｏｇＡと電圧信号ＬｏｇＣとを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｃ）を出力する加算器２３３ＡＣと、電圧信号ＬｏｇＢと電圧信号ＬｏｇＤとを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ｂ＋Ｄ）を出力する加算器２３３ＢＤと、電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｃ）と電圧信号Ｌｏｇ（Ｂ＋Ｄ）とを入力して比（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を出力する比演算器２３４Ｘとを有する。
【００２３】
演算回路２３２Ｙは、電圧信号ＬｏｇＡと電圧信号ＬｏｇＢとを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｂ）を出力する加算器２３３ＡＢと、電圧信号ＬｏｇＣと電圧信号ＬｏｇＤとを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ｃ＋Ｄ）を出力する加算器２３３ＣＤと、電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｂ）と電圧信号Ｌｏｇ（Ｃ＋Ｄ）とを入力して比（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を出力する比演算器２３４Ｙとを有する。
【００２４】
演算回路２３２Ｚは、電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤを入力として電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）を出力する加算器２３３ＡＢＣＤと、電圧信号Ｌｏｇ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）と基準電圧ＴＨとを入力として比ＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）を出力する比演算器２３４Ｚとを有する。
【００２５】
図３は演算部２３の対数圧縮回路２３１の構成例と赤外線発光ダイオード１１の駆動部１２の構成例とを示す回路図である。
【００２６】
まず、駆動部１２の回路について説明する。駆動部１２は、赤外線発光ダイオード１１に接続されたトランジスタＱ２１と抵抗Ｒ２１とから構成される。トランジスタＱ２１のベースに加わる発光信号がパルス幅Ｔの時間だけＨレベルになると、トランジスタＱ２１が時間Ｔだけオンになり、電源Ｅ２１からの電流が抵抗Ｒ２１およびトランジスタＱ２１を通じて赤外線発光ダイオード１１に流れ、赤外光のパルスが放射される。
【００２７】
次に対数圧縮回路２３１について説明する。図３には、図２に４つ存在する対数圧縮回路２３１Ａ〜２３１Ｄのうちの対数圧縮回路２３１Ａのみが示されている。他の対数圧縮回路２３１Ｂ〜２３１Ｄは対数圧縮回路２３１Ａと全く同じ構成である。
【００２８】
赤外線発光ダイオード１１から出射し対象物体３０で反射した赤外光および定常光は、分割フォトダイオード２１で受光される。図３のフォトダイオード２１Ａは、分割フォトダイオード２１の分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードのうち出力信号電流Ａを取り出しているフォトダイオードを示す。フォトダイオード２１Ａの出力信号電流Ａのうち定常光電流はトランジスタＱ２２から供給され、信号光電流のみが演算増幅器Ａ２１に導かれる。演算増幅器Ａ２１により信号光電流が増幅され、その出力側に接続されたトランジスタＱ２３を通じて対数圧縮用ダイオードＤ２１により対数圧縮される。対数圧縮用ダイオードＤ２１で対数圧縮された信号は、ホロワＡ２２を通じて対数圧縮回路２３１Ａの出力電圧として演算回路２３２に出力される。
【００２９】
出力信号電流Ａのうち定常光電流のみがトランジスタＱ２２により引き抜かれる理由は次の通りである。まず、赤外線発光ダイオード１１を発光させる前に、アナログスイッチＳＷ２１をホールド信号によりオンする。この状態で太陽光や蛍光灯などの定常光をフォトダイオード２１Ａで検知する。この検知による出力信号電流Ａを演算増幅器Ａ２１で増幅しダイオードＤ２１で対数圧縮した電圧は演算増幅器Ａ２３に導かれ、ダイオードＤ２２の基準電圧との偏差信号に変換され、ホールドコンデンサＣ２１を介してトランジスタＱ２２のベースに導かれる。演算増幅器Ａ２３の出力電圧は負帰還により定常光電流とトランジスタＱ２２のコレクタ電流とが釣り合うような値に設定され、これがホールドコンデンサＣ２１により保持される。その後、アナログスイッチＳＷ２１をオフし、赤外線発光ダイオード１１を発光させると、フォトダイオード２１Ａの出力電流のうち定常光電流のみが依然としてトランジスタＱ２２から供給されることになる。
【００３０】
図４は演算部２３の演算回路２３２の回路図である。図４のフォトダイオード２１Ａ〜２１Ｄは、分割フォトダイオード２１の分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードのうち出力信号電流Ａ〜Ｄを取り出しているフォトダイオードを示す。出力信号電流Ａ〜Ｄは、対数圧縮回路２３１Ａ〜２３１Ｄにより増幅された後に対数圧縮されて電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤとして演算回路２３２Ｘ、２３２Ｙ、２３２に出力される。
【００３１】
演算回路２３２Ｙは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ、ＬｏｇＢが入力される２個のトランジスタＱ３１、Ｑ３２と、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＣ、ＬｏｇＤが入力される２個のトランジスタＱ３３、Ｑ３４と、これらのトランジスタＱ３１〜Ｑ３４のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ３１と、トランジスタＱ３１、Ｑ３２のコレクトとトランジスタＱ３３、Ｑ３４のコレクタとの間に接続された抵抗Ｒ３１と、トランジスタＱ３３、Ｑ３４のコレクタと抵抗Ｒ３１との接続点からＹ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ３１とから構成されている。ここで、トランジスタＱ３１〜Ｑ３４は差動増幅器を構成する。
【００３２】
演算回路２３２Ｘは、演算回路２３２Ｙと同様の回路構成を有する。具体的には、演算回路２３２Ｘは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＢ、ＬｏｇＤが入力される２個のトランジスタＱ３５、Ｑ３６と、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ、ＬｏｇＣが入力される２個のトランジスタＱ３７、Ｑ３８と、これらのトランジスタＱ３５〜Ｑ３８のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ３２と、トランジスタＱ３７、Ｑ３８のコレクトとトランジスタＱ３５、Ｑ３６のコレクタとの間に接続された抵抗Ｒ３２と、トランジスタＱ３７、Ｑ３８のコレクタと抵抗Ｒ３２との接続点からＹ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ３２とから構成されている。ここで、トランジスタＱ３５〜Ｑ３８は差動増幅器を構成する。
【００３３】
また演算回路２３２ＹのトランジスタＱ３１、Ｑ３２のコレクタと演算回路２３２ＸのトランジスタＱ３５、Ｑ３６のコレクタとが接続されている。
【００３４】
演算回路２３２Ｚは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤが入力される４個のトランジスタＱ３９〜Ｑ４２と、これらのトランジスタＱ３９〜Ｑ４２のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ３３と、エミッタが定電流源Ｉ３３を介して接地され、コレクタが抵抗Ｒ３３を通じてトランジスタＱ３９〜Ｑ４２のコレクタに接続され、ベースに基準電圧ＴＨが入力されるトランジスタＱ４３と、トランジスタＱ４３のコレクタと抵抗Ｒ３３との接続点からＺ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ３３とから構成されている。
【００３５】
演算回路２３２Ｙにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｙとして（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由を、図７および図８を参照して説明する。
【００３６】
図７の回路において、電流Ｉ１がダイオードＤ３１に流れると、ダイオードＤ３１のアノードの電圧は、カソードの電位（＝Ｖｒｅｆ）に対し、ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ）（ＶＴは＝Ｋ・Ｔ／ｑ、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の電荷、Ｉｏは逆方向飽和電流）で表わされる。ダイオードＤ３１のアノードはトランジスタＱ５１のベースに接続されているため、トランジスタＱ５１のベースの電圧も、Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ）となる。同様にトランジスタＱ５２のベース電圧は、Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ２／Ｉｏ）となる。
【００３７】
トランジスタＱ５１、Ｑ５２のベースの電位差を、上記のダイオードＤ３１、Ｄ３２のアノードの電圧差から求めると、次式（７）で与えられる。
Ｖ（Ｑ５１）−Ｖ（Ｑ５２）
＝（Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ））
−（Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ２／Ｉｏ））
＝ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉ２） …（７）
【００３８】
他方、トランジスタＱ５１のコレクタ電流をＩＣ１とすると、トランジスタＱ５１のベースエミッタ電圧は、ＶＴ・Ｌｏｇ（ＩＣ１／Ｉｏ）となる。同様に、トランジスタＱ５２のコレクタ電流をＩＣ２とすると、トランジスタＱ５２のベースエミッタ電圧はＶＴ・Ｌｏｇ（ＩＣ２／Ｉｏ）となる。故に、トランジスタＱ５１，Ｑ５２のベースエミッタ電圧差から求めた、トランジスタＱ５１、Ｑ５２のベース電圧の差は、次式（８）で与えられる。
Ｖ（Ｑ５１）−Ｖ（Ｑ５２）
＝ＶＴ・（Ｌｏｇ（ＩＣ１／Ｉｏ）−Ｌｏｇ（ＩＣ２／Ｉｏ））
＝ＶＴ・Ｌｏｇ（ＩＣ１／ＩＣ２） …（８）
【００３９】
上記の式（７）と式（８）とから、Ｉ１：Ｉ２＝ＩＣ１：ＩＣ２の関係が成立することが判る。つまり、トランジスタＱ５１のコレクタ電流ＩＣ１は＝バイアス電流Ｉ５１・（Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２））となる。
【００４０】
また、このときに、図７のＯＵＴ電圧は次式（９）で与えられる。
ＯＵＴ電圧
＝（Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ））−ＶＴ・Ｌｏｇ（ＩＣ１／Ｉｏ）
＝（Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉｏ））−ＶＴ・Ｌｏｇ（Ｉ５１・（Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２））／Ｉｏ）
＝Ｖｒｅｆ＋ＶＴ・Ｌｏｇ（（Ｉ１＋Ｉ２）／Ｉ５１） …（９）
【００４１】
一方、図８は、電流Ｉ１、Ｉ２を加算した後に対数圧縮して電圧に変換した信号をホロワを経て出力する回路である。この図８の回路におけるＯＵＴ電圧は、上記の式（９）で与えられることは明らかである。このことから、図７に示す回路は、信号を加算して対数圧縮した値を、各々の対数圧縮した値から演算によって等価的に作り出していることが判る。
【００４２】
さて、図４の演算回路２３２Ｙにおいて、トランジスタＱ３１、Ｑ３２、Ｑ３３、Ｑ３４を流れる電流をＩＣ（Ｑ３１）、ＩＣ（Ｑ３２）、ＩＣ（Ｑ３３）、ＩＣ（Ｑ３４）、フォトダイオード２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄの信号電流をＩ（２１Ａ）、Ｉ（２１Ｂ）、Ｉ（２１Ｃ）、Ｉ（２１Ｄ）と表記すると、図７および図８による説明から明らかなように、次の関係が成立する。
ＩＣ（Ｑ３１）：ＩＣ（Ｑ３２）：ＩＣ（Ｑ３３）：ＩＣ（Ｑ３４）
＝Ｉ（２１Ａ）：Ｉ（２１Ｂ）：Ｉ（２１Ｃ）：Ｉ（２１Ｄ） …（１０）
【００４３】
従って、演算回路２３２Ｙにおける抵抗Ｒ３１の両端の電圧（すなわちホロワＡ３１の出力Ｙ）は、次式で与えられる。
抵抗Ｒ３１の両端の電圧
＝Ｒ３１・Ｉ３１（Ｉ（２１Ｃ）＋Ｉ（２１Ｄ））／（Ｉ（２１Ａ）＋Ｉ（２１Ｂ）＋Ｉ（２１Ｃ）＋Ｉ（２１Ｄ）） …（１１）
【００４４】
以上が、演算回路２３２Ｙにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｙとして（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由である。
【００４５】
演算回路２３２Ｘにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｘとして比（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由、および演算回路２３２Ｚにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤと比較基準電圧ＴＨとから、出力ＺとしてＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）が生成される理由は、演算回路２３２Ｙと同じである。
【００４６】
図４の回路では、コレクタとエミッタどうしを接続してベースに違う電圧を印加したトランジスタを直接差動に使ったが、差動増幅器を別途備えるようにしても良い。図５はそのような手法による演算部２３の演算回路２３２の回路図である。図５のフォトダイオード２１Ａ〜２１Ｄは、分割フォトダイオード２１の分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードのうち出力信号電流Ａ〜Ｄを取り出しているフォトダイオードを示す。出力信号電流Ａ〜Ｄは、対数圧縮回路２３１Ａ〜２３１Ｄにより増幅された後に対数圧縮されて電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤとして演算回路２３２Ｘ、２３２Ｙ、２３２に出力される。
【００４７】
演算回路２３２Ｙは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ、ＬｏｇＢが入力される２個のトランジスタＱ１、Ｑ２と、これらのトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ１と、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＣ、ＬｏｇＤが入力される２個のトランジスタＱ６、Ｑ５と、これらのトランジスタＱ５、Ｑ６のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ２と、ベースがトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタに接続され、コレクタが抵抗器Ｒ１を介して接地され、エミッタに定電流源Ｉ３が接続されたトランジスタＱ３と、ベースがトランジスタＱ５、Ｑ６のエミッタに接続され、コレクタが接地され、エミッタが定電流源Ｉ３に接続されたトランジスタＱ４と、トランジスタＱ３のコレクタと抵抗Ｒ１との接続点からＹ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ１とから構成されている。ここで、トランジスタＱ３、Ｑ４と定電流源Ｉ３と抵抗Ｒ１とは差動増幅器を構成する。
【００４８】
演算回路２３２Ｘは、演算回路２３２Ｙと同様の回路構成を有する。具体的には、演算回路２３２Ｘは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＢ、ＬｏｇＤが入力される２個のトランジスタＱ７、Ｑ８と、これらのトランジスタＱ７、Ｑ８のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ４と、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ、ＬｏｇＣが入力される２個のトランジスタＱ１１、Ｑ１２と、これらのトランジスタＱ１１、Ｑ１２のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ５と、ベースがトランジスタＱ７、Ｑ８のエミッタに接続され、コレクタが抵抗器Ｒ２を介して接地され、エミッタに定電流源Ｉ６が接続されたトランジスタＱ９と、ベースがトランジスタＱ１１、Ｑ１２のエミッタに接続され、コレクタが接地され、エミッタが定電流源Ｉ６に接続されたトランジスタＱ１０と、トランジスタＱ９のコレクタと抵抗Ｒ２との接続点からＸ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ２とから構成されている。
【００４９】
また演算回路２３２ＹのトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ５、Ｑ６のコレクタと演算回路２３２ＸのトランジスタＱ７、Ｑ８、Ｑ１１、Ｑ１２のコレクタとが接続されている。
【００５０】
演算回路２３２Ｚは、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続され、ベースに電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤが入力される４個のトランジスタＱ１３〜Ｑ１６と、これらのトランジスタＱ１３〜Ｑ１６のエミッタと接地との間に接続された定電流源Ｉ７と、エミッタが定電流源Ｉ８を介して設置され、コレクタがトランジスタＱ１３〜Ｑ１６のコレクタに接続され、ベースに基準電圧ＴＨが入力されるトランジスタＱ１９と、ベースがトランジスタＱ１３〜Ｑ１６のエミッタに接続され、コレクタが抵抗器Ｒ３を介して接地され、エミッタに定電流源Ｉ９が接続されたトランジスタＱ１７と、ベースがトランジスタＱ１９のエミッタに接続され、コレクタが接地され、エミッタが定電流源Ｉ９に接続されたトランジスタＱ１８と、トランジスタＱ１７のコレクタと抵抗Ｒ３との接続点からＺ座標値に関する出力を取り出すホロワＡ３とから構成されている。ここで、トランジスタＱ１７、Ｑ１８と定電流源Ｉ９と抵抗Ｒ３とは差動増幅器を構成する。
【００５１】
演算回路２３２Ｘにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｘとして（Ａ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由、演算回路２３２Ｙにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤから、出力Ｙとして比（Ｃ＋Ｄ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）が生成される理由、および演算回路２３２Ｚにおいて、入力の４つの電圧信号ＬｏｇＡ〜ＬｏｇＤと比較基準電圧ＴＨとから、出力ＺとしてＴＨ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋ＴＨ）が生成される理由は、図４に示す演算回路２３２Ｙと同じである。
【００５２】
図５の差動増幅器を構成するトランジスタＱ３、Ｑ４、Ｑ９、Ｑ１０、Ｑ１７、Ｑ１８はＰＮＰトランジスタであるが、ＮＰＮトランジスタを使うことも可能である。その際の回路構成は図６に示すようになる。
【００５３】
このように本実施形態によれば、１台の装置で受光レンズ２２の光軸と直交する２次元方向（ＸＹ方向）における対象物体３０の位置、および対象物体３０までの距離（Ｚ方向）を光学的に検出することができる。
【００５４】
また特許文献１に記載する変位測定装置では、Ｚ軸方向の変位を検出するためには、第１の受光レンズおよび位置検出素子と、第２の受光レンズおよび位置検出素子との２組の受光部を互いに離間して配置する必要があるために装置が大型化するが、本実施形態によれば１組の受光レンズ２２および分割フォトダイオードで足りるため、装置の小型化が可能になる。
【００５５】
[その他の実施形態]
以上本発明を幾つかの実施形態を挙げて説明したが、本発明は以上の実施形態にのみ限定されずその他各種の付加変更が可能である。例えば、上記の実施形態では４分割フォトダイオードを使用したが、直交する２組のフォトダイオードを構成できるならば分割数は任意でよい。例えば、直交する２組のフォトダイオードの１個のフォトダイオードをＸ軸Ｙ軸の組み合わせの一つに共用することで、３分割フォトダイオードを使用することも可能である。また、分割フォトダイオードの形状は矩形に限定されず、各々の受光面が等しい形状であれば矩形以外の形状であっても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１０…光照射部
１１…赤外線発光ダイオード
１２…駆動部
１３…散光フィルタ
２０…受光部
２１…４分割フォトダイオード
２２…受光レンズ
２３…演算部
３０…対象物体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光照射部と、
対象物体からの反射光を受光する受光部とを有し、
前記受光部は、
受光面が２次元に分割された分割フォトダイオードと、
前記対象物体からの反射光を集光し前記分割フォトダイオードの受光面に前記対象物体の像を結像する受光レンズと、
前記分割フォトダイオードの分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流に基づいて、前記受光レンズの光軸と直交する２次元方向における前記対象物体の位置を検出する演算部と
を有することを特徴とする光学的位置検出装置。
【請求項２】
前記分割フォトダイオードとして、受光面が４個の分割領域に分割されたフォトダイオードを使用し、
前記演算部は、
全出力信号電流の和に占める、前記４個の分割領域のうち特定の分割領域と当該特定の分割領域に隣接する分割領域とに対応する２個のフォトダイオードの出力信号電流の和の割合を、Ｘ軸方向における前記対象物体の位置として算出し、
全出力信号電流の和に占める、前記４個の分割領域のうち前記特定の分割領域と前記特定の分割領域に隣接する前記分割領域との並びに直交する並びの２つの分割領域に対応する２個のフォトダイオードの出力信号電流の和の割合を、Ｙ軸方向における前記対象物体の位置として検出する請求項１に記載の光学的位置検出装置。
【請求項３】
前記演算部は、さらに、予め定められた基準値に対する、前記分割フォトダイオードの分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流の和の割合を、前記２次元方向と直交する方向における前記対象物体の位置として検出する請求項１または２に記載の光学的位置検出装置。
【請求項４】
前記演算部における複数のフォトダイオードの出力信号電流の和は、ダイオード特性によって対数圧縮されたそれぞれの前記フォトダイオードの出力信号電流に依存する電圧を、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続されてベースに各フォトダイオードに起因する対数圧縮電圧が入力された複数のトランジスタによって演算される請求項２または３に記載の光学的位置検出装置。
【請求項１】
光を照射する光照射部と、
対象物体からの反射光を受光する受光部とを有し、
前記受光部は、
受光面が２次元に分割された分割フォトダイオードと、
前記対象物体からの反射光を集光し前記分割フォトダイオードの受光面に前記対象物体の像を結像する受光レンズと、
前記分割フォトダイオードの分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流に基づいて、前記受光レンズの光軸と直交する２次元方向における前記対象物体の位置を検出する演算部と
を有することを特徴とする光学的位置検出装置。
【請求項２】
前記分割フォトダイオードとして、受光面が４個の分割領域に分割されたフォトダイオードを使用し、
前記演算部は、
全出力信号電流の和に占める、前記４個の分割領域のうち特定の分割領域と当該特定の分割領域に隣接する分割領域とに対応する２個のフォトダイオードの出力信号電流の和の割合を、Ｘ軸方向における前記対象物体の位置として算出し、
全出力信号電流の和に占める、前記４個の分割領域のうち前記特定の分割領域と前記特定の分割領域に隣接する前記分割領域との並びに直交する並びの２つの分割領域に対応する２個のフォトダイオードの出力信号電流の和の割合を、Ｙ軸方向における前記対象物体の位置として検出する請求項１に記載の光学的位置検出装置。
【請求項３】
前記演算部は、さらに、予め定められた基準値に対する、前記分割フォトダイオードの分割された受光面の各々に対応するフォトダイオードの出力信号電流の和の割合を、前記２次元方向と直交する方向における前記対象物体の位置として検出する請求項１または２に記載の光学的位置検出装置。
【請求項４】
前記演算部における複数のフォトダイオードの出力信号電流の和は、ダイオード特性によって対数圧縮されたそれぞれの前記フォトダイオードの出力信号電流に依存する電圧を、エミッタどうし及びコレクタどうしが互いに接続されてベースに各フォトダイオードに起因する対数圧縮電圧が入力された複数のトランジスタによって演算される請求項２または３に記載の光学的位置検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８８１２２（Ｐ２０１３−８８１２２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２５６９２（Ｐ２０１１−２２５６９２）
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（５９３０４６１９７）シリンクス株式会社 (3)
【出願人】（５９１１２８４５３）株式会社メガチップス (322)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（５９３０４６１９７）シリンクス株式会社 (3)
【出願人】（５９１１２８４５３）株式会社メガチップス (322)
【Ｆターム（参考）】
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