測距センサを備える距離測定装置および距離測定方法
【課題】装置に要求される距離範囲内における測距精度を向上させるとともに、センサの個体バラツキを補正した出力値―距離変換を実現する距離測定装置、距離測定方法、および該距離測定装置を備えた表示装置を提供する。
【解決手段】出力値と距離とが反比例の関係を有するＰＳＤセンサ２０において、装置に要求される距離範囲内における最長距離での出力値に応じたオフセット補正を行う調整部２１と、該装置に要求される距離範囲における最短距離での出力値に応じてゲイン補正を行う増幅部２２を設ける。さらに、中間距離での出力値を測定し、最長距離・最短距離・中間距離の３点での出力値に基づいて、測距センサ固有の特性曲線を求め、ＰＳＤセンサ２０の出力値を該特性曲線に当てはめることによって、測定対象物までの距離を算出する算出部２３を設ける。
【解決手段】出力値と距離とが反比例の関係を有するＰＳＤセンサ２０において、装置に要求される距離範囲内における最長距離での出力値に応じたオフセット補正を行う調整部２１と、該装置に要求される距離範囲における最短距離での出力値に応じてゲイン補正を行う増幅部２２を設ける。さらに、中間距離での出力値を測定し、最長距離・最短距離・中間距離の３点での出力値に基づいて、測距センサ固有の特性曲線を求め、ＰＳＤセンサ２０の出力値を該特性曲線に当てはめることによって、測定対象物までの距離を算出する算出部２３を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力値と測定距離とが反比例の関係を有する測距センサを備える距離測定装置、距離測定方法、および前記距離測定装置を備える表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は赤外ＬＥＤ(Light Emitting Diode)と位置検出素子ＰＳＤ(Position Sensitive Detector)を用いた光学式アナログ出力型三角測量方式測距センサの模式図である。赤外ＬＥＤから出力した赤外光を投光レンズにて十分に鋭い指向角で前方の測定対象物に照射し、測定対象物で拡散反射した反射光のうち受光レンズに入射する光をＰＳＤ上に集光して、スポット光入射位置(光量重心位置)を電気的に検出し、そのスポット光入射位置が、測距センサから測定対象物までの距離に応じて変化することを利用して当該距離を測定する。
【０００３】
このとき、スポット光入射位置は、投光レンズ（測距センサ前面）から測定対象物までの距離(変数ｄ)と投光レンズ―受光レンズ間ピッチ(設計値ｐ)で形成される直角三角形と、受光レンズ―ＰＳＤ間距離(設計値ｆ)とＰＳＤ上のスポット光入射位置の変位量(変数ｘ)で形成される直角三角形の相似関係から、前記センサの設計値ｐとｆを定数とすれば、ｄとｘは連動して変化し、その関係は下記式のとおり反比例の関係となる。
ｄ / ｐ ＝ ｆ / ｘ
∴ ｄ ＝ （ ｐ＊ｆ ）/ ｘ
【０００４】
ここで変数ｘは、測定対象物が無限遠にあるときのスポット光入射位置、すなわち受光レンズの中心からＰＳＤ上に垂直に入射する光の位置と、測定対象物が測定距離にあるときのスポット光入射位置との差分を表す。ＰＳＤはスポット光入射位置を光電流として検出することができ、前記光電流を電圧に変換して取り出すことで変数ｘを測定でき、設計値ｐおよび設計値ｆが既知であれば、上記式を用いて変数ｄを測定することができる。
【０００５】
アナログ出力型三角測量方式測距センサの基本特性、すなわちセンサの出力電圧が測定対象物までの距離と反比例の関係をもつ特性は、図２に示す幾何学的な関係が保たれている限り成り立つ。ただ、アナログ出力型三角測量方式測距センサのこのような基本特性によって、測定対象物がアナログ出力型三角測量方式測距センサから遠ざかるにつれて、距離の測定値の分解能が低くなって、距離の測定精度が低下するという問題が生じる。
【０００６】
そこで、測定対象物が遠ざかるにつれて距離の測定精度が低下することを防止できる光学式測距センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、いかに個々のセンサの測定精度（特に、遠距離での測定精度）を向上させたとしても、実際の測距センサには、電気的バラツキ、構造バラツキ、物性上のバラツキなどがあり、これらの個体バラツキによって個々のセンサで出力電圧の特性がばらついてしまう。図３に測距センサにおける電圧―距離変換の概念図を示す。図３から、任意の測定距離ｄｏに対して、個々のセンサでそれぞれ異なる出力電圧ＶｏおよびＶ’ｏが対応づけられてしまうことが分かる。
【０００９】
このため、測距センサの使用に際しては、個々のセンサに対して、あらかじめ出力電圧Ｖと測定対象物までの距離ｄを1対1に対応づけておくキャリブレーション工程(電圧―距離変換)が必要である。
【００１０】
電圧―距離変換の方法としては従来、個々のセンサに対して各測定距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，・・・における各出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・を複数点記憶させ、線形補間などにより特性曲線を近似する方法(線形補間法)が知られている。表１に、線形補間法による電圧―距離変換テーブルの概念図を示す。
【００１１】
【表１】
【００１２】
しかし、図３中のセンサαの出力電圧Ｖ―測定距離ｄの関係を示す線から明らかなように、この方法は測定点の個数を多くしなければ精度を高められず、個体バラツキの調整に多大な測定時間を要するなどの問題があった。
【００１３】
また、測距センサには測定距離の保証範囲が仕様として定められており、前記範囲外での測距精度は保証されない。したがって、測距センサを備えた距離測定装置において測距センサを用いて距離の測定を行う場合、当該距離測定装置に要求される測定範囲と比較して十分に広い測定距離の保証範囲をもつ測距センサを用いる必要がある。なお、あらかじめ測定範囲が決まっている場合、測距センサの出力電圧範囲も一定の範囲に収まる。
【００１４】
ここで、センサの出力電圧ＶはＡＤＣ(Analog-to-Digital
Converter)などを介すことによってデジタルデータとして取得されるが、ＡＤＣの入力電圧範囲と入力分解能は有限であることから、距離分解能を高めるためには該当の距離測定装置に要求される測定範囲におけるダイナミックレンジをできる限り大きく取ることが望ましい。したがって、センサの出力電圧Ｖを直接ＡＤＣに入力するのではなく、事前に当該距離測定装置に要求される測定範囲における測距センサの出力電圧範囲を推定し、前記推定結果に基づいて増幅回路などを用いてＡＤＣの入力電圧範囲に合わせ込むように電圧範囲を最適化してからＡＤＣに入力することが有効である。
【００１５】
図４にＡＤＣの入力電圧範囲と測距センサの出力電圧範囲の関係について示す。出力特性γはセンサの出力電圧Ｖを直接ＡＤＣに入力した例である。出力特性δは適切に電圧範囲を最適化してからＡＤＣに入力した例である。図４では４ｂｉｔのＡＤＣに入力した場合を示しているが、明らかに出力特性δのほうが測定範囲内での距離分解能(プロットの個数)が高くなっていることがわかる。
【００１６】
従来、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における測距センサの出力電圧範囲を推定するには、センサの個体バラツキを考慮する必要があったため、電圧範囲を最適化する際は、あらゆる個体バラツキを許容できるように設計マージンを大きく取らざるを得ず、この結果、ＡＤＣの入力電圧範囲に十分に合わせ込むことができずにダイナミックレンジが損なわれるという問題があった。
【００１７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、該当の距離測定装置に要求される測定範囲に対して、その範囲での測距精度(距離分解能)の向上と、センサの特性曲線の個体バラツキを補正した電圧―距離変換とを、同時に、かつ短時間で高精度に行うことができる距離測定装置、距離測定方法、および該距離測定装置を備えた表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１記載の発明は、
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサと、
前記測距センサの出力値に基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離を算出する算出部とを備え、
該算出部は、前記測距センサの出力値を、前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記測距センサの出力値とに基づいて決定される前記測距センサから測定対象物までの距離と前記測距センサの出力値とに係る特性曲線に当てはめることにより、前記測距センサから測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の発明は、
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサと、
前記測距センサの出力値に対してオフセット調整を行う調整部と、
前記オフセット調整された前記測距センサの出力値を増幅する増幅部と、
前記増幅された前記測距センサの出力値に基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離を算出する算出部とを備え、
該算出部は、前記増幅された前記測距センサの出力値を、前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記増幅された前記測距センサの出力値とに基づいて決定される前記測距センサから測定対象物までの距離と前記増幅された前記測距センサの出力値とに係る特性曲線に当てはめることにより、前記測距センサから測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００２０】
請求項３記載の発明は、
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサの出力値を前記測距センサから測定対象物までの距離に変換する方法であって、
前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記測距センサの出力値とに基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離と前記測距センサの出力値とに係る特性曲線を決定するステップと、
前記測距センサの出力値を前記特性曲線に当てはめることにより前記測距センサから測定対象物までの距離を算出するステップと
を有することを特徴とする。
【００２１】
請求項４記載の発明は、
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサの出力値を前記測距センサから測定対象物までの距離に変換する方法であって、
前記測距センサの出力値に対してオフセット調整を行うステップと、
前記オフセット調整された前記測距センサの出力値を増幅するステップと、
前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記増幅された前記測距センサの出力値とに基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離と前記増幅された前記測距センサの出力値とに係る特性曲線を決定するステップと、
前記増幅された前記測距センサの出力値を前記特性曲線に当てはめることにより前記測距センサから測定対象物までの距離を算出するステップと
を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の距離測定装置を備える表示装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、出力値と測定距離とが反比例の関係を有する測距センサの基本特性に着目して、複数の未知係数（例えば、ｌ，ｍ，ｎ）を求める方法(未知係数法)を取り入れることにより、あらゆる個体バラツキをもった個々のセンサに対して補間による誤差のない高精度な出力値―距離変換を行うことができる。また、測距センサの出力値が電圧、または電圧に変換することができるアナログ出力値（電流など）である場合には、同時に、前記高精度な出力値―距離変換結果に基づいてＡＤＣのダイナミックレンジが最大限に取れるように、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における測距センサの出力範囲を最適化できる。さらに、測定点は３点だけでよいため、個体バラツキの調整に要する測定時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。
【図２】赤外ＬＥＤと位置検出素子ＰＳＤを用いた光学式アナログ出力型三角測量方式測距センサの模式図である。
【図３】測距センサにおける電圧―距離変換の概念図である。
【図４】ＡＤＣの入力電圧範囲と測距センサの出力電圧範囲の関係を示す概念図である。
【図５】未知係数ｌ，ｍ，ｎのバラツキを示す概念図である。
【図６】出力電圧最適化回路を示す回路図である。
【図７】オフセット補正前後の２つの特性曲線を示す概念図である。
【図８】オフセット補正とゲイン補正によるセンサの特性曲線の最適化を示す概念図である。
【図９】測定範囲を変更したときの特性曲線の変化を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔本発明の基本原理〕
まず前提として、本発明の基本原理について説明する。
【００２６】
上述のように、本発明においては、出力値と測定距離とが反比例の関係を有する測距センサの基本特性に着目して、複数の未知係数を求める方法(未知係数法)を用いる。表２に、未知係数法による電圧―距離変換テーブルの概念図を示す。
【００２７】
【表２】
【００２８】
図３中のセンサβの出力電圧Ｖ―測定距離ｄの関係を示す線から明らかなように、未知係数法を用いることにより、補間による誤差のない高精度な電圧―距離変換を行うことができる。
【００２９】
アナログ出力型三角測量方式測距センサの基本特性（以下、特性曲線と記す）は、反比例曲線の標準形の式を用いて記述される。特性曲線を表す式は、次に示す式（１）である。
【００３０】
【数１】
【００３１】
式（１）で、ｄｏは任意の測定距離、Ｖｏはｄｏにおける出力電圧、ｌ，ｍ，ｎが未知係数である。
【００３２】
図５（Ａ）〜（Ｃ）の実線は式（１）が表すセンサの特性曲線を描いたものである。図５の点(ｍ，ｎ)は特性曲線の中心であり、特性曲線がＶ＝ｎとｄ＝ｍに漸近することを表す。
【００３３】
また、図５（Ａ）〜（Ｃ）の破線は、図５の実線に対して未知係数ｌ，ｍ，ｎをそれぞれ変化させた場合の特性曲線の変化を描いたものである。
【００３４】
未知係数ｌ は、図２における( ｐ＊ｆ)のバラツキ、すなわち構造バラツキと捉えることができ、特性曲線の斜め方向のずれを決める係数となる。未知係数ｌの変化を図５（Ａ）に示す。未知係数ｌの変化は、特性曲線の直線Ｖ＝（ｄ-ｍ）+ｎに沿ったバラツキとして表れ、特性曲線と直線Ｖ
＝ （ ｄ - ｍ ）+ ｎの交点（ √（ ｌ + ｍ）， √（ ｌ + ｎ ））付近(特性曲
線の頂点付近)で最も大きな変化となり、測定距離全域で測距精度に影響を与える。
【００３５】
未知係数ｍは距離の次元をもち、図２における赤外ＬＥＤからＰＳＤに至る光路のバラツキと捉えることができ、特性曲線の横軸方向のずれを決める係数となる。未知係数ｍの変化を図５（Ｂ）に示す。光路のバラツキが発生する要因は、例えば、レンズの偏心、センサボディの歪や非対称性、あるいはセンサの保護や目隠しのためにセンサ前面に取りつけるカバー材などと考えられる。測定距離ｄが十分長いとき、相対的に未知係数ｍが式（１）の特性曲線に与える影響は小さくなる。また、反比例曲線の性質上、測定距離ｄが小さいほど出力電圧Ｖの変化に対する測定距離ｄの変化が小さくなるため、未知係数ｍの変化は特性曲線の近距離側での測距精度に影響を与える。
【００３６】
未知係数ｎは電圧（出力値）の次元をもち、測定対象物が無限遠にあるときのオフセット電圧のバラツキと捉えることができ、特性曲線の縦軸方向のずれを決める係数となる。未知係数ｎの変化を図５（Ｃ）に示す。オフセット電圧のバラツキが発生する要因は、例えば、ＰＳＤのダイボンド位置のバラツキや、ＰＳＤの位置検出誤差、光電流―電圧変換バラツキなどと考えられる。測定距離ｄが十分小さいとき、相対的に未知係数ｎが式（１）の特性曲線に与える影響は小さくなる。また、反比例曲線の性質上、測定距離ｄが大きいほど出力電圧Ｖの変化に対する測定距離ｄの変化が大きくなるため、未知係数ｎの変化は特性曲線の遠距離側での測距精度に影響を与える。
【００３７】
これら３つの未知係数ｌ，ｍ，ｎを個々のセンサに対して求めることにより、個体バラツキを含む特性曲線が求まり、精度の高い電圧―距離変換が可能になる。
【００３８】
未知係数ｌ，ｍ，ｎの特定には、異なる測定距離における出力電圧を少なくとも３点実測する必要がある。なお、十分高精度に製造されたセンサであれば、未知係数ｌ，ｍ，ｎは一定範囲内に収まると考えてよい。
【００３９】
次に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００４０】
本実施形態は、本発明に係る距離測定装置を、液晶表示装置に適用した場合の実施形態である。
【００４１】
図１は、本実施形態に係る液晶表示装置１の構成を示すブロック図である。
【００４２】
図において液晶表示装置１は、表示用のデバイスとして液晶パネル１７を備える表示装置であり、ＰＣ３から入力される画像信号に基づいて液晶パネル１７に画像表示を行うものである。
【００４３】
液晶表示装置１は、制御部１０、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１、ＲＡＭ（Random
Access
Memory）２４、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２５、操作部１３、入力部１４、画像処理部１５、パネル駆動部１６、液晶パネル１７、ライト駆動部１８、バックライト１９、ＰＳＤセンサ２０、調整部２１、増幅部２２及び算出部２３等を備えて構成されている。
【００４４】
制御部１０は、具体的にはＣＰＵ（Central Processing
Unit）又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の演算処理装置にて構成され、ＲＯＭ１２に記憶された制御プログラムを読み出して実行することにより種々の処理を行うことができる。制御部１０は、液晶表示装置１内の各部と情報の授受を行ってこれら各部の動作を制御することにより、液晶パネル１７に画像を表示するための種々の制御処理を実行する。
【００４５】
ＲＡＭ１１は、例えばＳＲＡＭ（Static RAM）又はＤＲＡＭ（Dynamic RAM）等のデータ書き換え可能なメモリ素子により構成されており、一時的なデータを記憶することができる。例えばＲＡＭ１１は、制御部１０が行う種々の制御処理の演算過程などで発生したデータを一時的に記憶する。
【００４６】
ＲＡＭ２４も、例えばＳＲＡＭ（Static RAM）又はＤＲＡＭ（Dynamic RAM）等のデータ書き換え可能なメモリ素子により構成されており、一時的なデータを記憶することができる。本実施の形態においては、ＰＳＤセンサ２０の検出結果及びこの検出結果に基づいて出力される増幅器出力電圧Ｖａｍｐ等のデータ（詳細は後述する）をＲＡＭ２４に記憶する。
【００４７】
ＲＯＭ１２は、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）又はフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ素子により構成され、制御部１０の動作に必要な制御プログラムと、その他の種々のデータ（図示は省略する）とが予め記憶されている。
【００４８】
ＲＯＭ２５も、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）又はフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ素子により構成されている。本実施の形態においては、ＰＳＤセンサ２０から測定対象物までの距離を算出するために用いる特性曲線を構成するバラツキ成分（定数）Ａ，ｍ，Ｂの値（詳細は後述する）がＲＯＭ２５に予め記憶されており、算出部２３がこれらのデータを読み出して処理を行う。
【００４９】
操作部１３は、ユーザが液晶表示装置１を操作するための各種のファンクションキーなどを有している。例えば、液晶パネル１７の画像表示の明るさ（ブライトネス）を変更するためのキー、又は画像表示のカラーバランスを変更するためのキー等のように、液晶表示装置１の表示特性を設定するための設定キーが操作部１３に設けられている。操作部１３は、これらのファンクションキーに対するユーザの操作を受け付けて制御部１０へ通知し、制御部１０は操作部１３からの通知に応じて各部の動作を制御することができる。
【００５０】
入力部１４は、ＰＣ３などの外部機器に信号ケーブルを介して接続される接続端子を有しており、ＰＣ３から入力される画像信号を取得し、この画像信号を画像処理部１５へ与える。画像処理部１５は、制御部１０の制御に応じて、入力部１４から与えられた画像信号に対して明るさ調整又はカラーバランス調整等の種々の画像処理を施し、画像処理後の画像信号をパネル駆動部１６へ与える。画像処理部１５から与えられた画像信号に応じてパネル駆動部１６が液晶パネル１７を駆動することにより、液晶表示装置１はＰＣ３からの画像信号に基づく画像表示を行うことができる。
【００５１】
液晶パネル１７は、一対のガラス基板が対向配置され、その間隙内に液晶物質である液晶層が形成された構造をなしている。一方のガラス基板には、複数の画素電極と、画素電極のそれぞれにドレインを接続したＴＦＴ（Thin Film Transistor）とが設けられ、他方のガラス基板には共通電極が設けられている。各ＴＦＴのゲート及びソースは、パネル駆動部１６のゲートドライバ及びソースドライバ（図示は省略する）に接続され、パネル駆動部１６から駆動信号がそれぞれ入力されている。
【００５２】
パネル駆動部１６は、画像処理部１５から与えられた画像信号に応じて液晶パネル１７を駆動するための駆動信号を出力する。詳しくは、パネル駆動部１６のゲートドライバは、液晶パネル１７が有する多数のＴＦＴのゲートに、与えられた画像信号に応じて選択的に電圧を印加し、また同様に、パネル駆動部１６のソースドライバは、ＴＦＴのソースに、入力された映像信号に応じた電圧値で電圧を印加する。これにより液晶パネル１７は、パネル駆動部１６のゲートドライバから印加される電圧によって各画素のＴＦＴのオン／オフが制御され、パネル駆動部１６のソースドライバから入力される出力電圧（液晶パネル１７への入力レベル）が各画素のＴＦＴに印加されることにより、液晶物質の電気光学特性によって決定される光透過率が制御されて、バックライト１９からの光の透過が調整され、所望の画像を階調表示することができる。液晶パネル１７の各画素は、ＲＧＢのように複数色分の副画素で更に構成され、光の透過方向にカラーフィルムを配することで、カラー表示を可能としている。
【００５３】
バックライト１９は、表示装置１内にて液晶パネル１７の背面側に配設されており、ライト駆動部１８から与えられる出力電圧により駆動される。ライト駆動部１８は、制御部１０の制御に応じて、バックライト１９への出力電圧を調整する。これにより、例えばユーザが操作部１３を操作して設定したブライトネス設定に応じて、ライト駆動部１８に出力電圧を調整させて、バックライト１９の輝度を調整することができる。
【００５４】
ＰＳＤセンサ２０は、液晶表示装置１の筐体の正面部分（例えば液晶パネル１７を囲む周囲の枠部分）に設けられ、液晶表示装置１の正面側に存在する物体までの距離を検出し、検出結果として距離に応じた電圧値の信号を調整部２１へ出力する。ＰＳＤセンサ２０は、例えば赤外ＬＥＤと組み合わせて用いられ、赤外ＬＥＤから出射した赤外光の対象物における反射光を受光し、このときの受光位置又は受光角度等に応じた電圧値の信号を出力する。このためセンサが出力する信号の電圧値を元に、三角測量方式にて対象物までの距離を算出することができる。なおＰＳＤセンサ２０は、測定対象物までの距離が近いほど電圧値が高い信号を出力し、対象物までの距離が遠いほど電圧値が低い信号を出力する。
【００５５】
ＰＳＤセンサ２０からの出力信号が与えられた調整部２１は、後述する方法により、算出部２３からの指示に基づいて、この信号をオフセット調整（補正）する。
【００５６】
前記オフセット調整（補正）された信号は、後述する方法により、算出部２３からの指示に基づいて、増幅部２２にて増幅される。なお、後述するように、本実施の形態においては、調整部２１と増幅部２２は同一の出力電圧最適化回路４（図６）に備えられ、調整部２１におけるオフセット調整（補正）は、出力電圧最適化回路４を構成する増幅器Ａ２および増幅器Ａ１において実行され、増幅部２２における増幅（ゲイン補正）は、増幅器Ａ１において実行される。なお、オフセット補正とゲイン補正は、ほぼリアルタイムに実行される。
【００５７】
算出部２３は、前記増幅された信号を、後述する方法によって得られる特性曲線に当てはめることにより、ＰＳＤセンサ２０から測定対象物までの距離を算出する。なお算出部２３は、前記増幅された信号の電圧値ＶａｍｐをＡ／Ｄ変換（図示は省略する）によりデジタルの情報として取得する。
【００５８】
制御部１０は、算出部２３が算出した測定対象物までの距離情報に基づいて、液晶表示装置１の正面（ＰＳＤセンサ２０の検出範囲内）に検出対象物（例えば、人）が存在するか否かを判定し、判定結果に応じて液晶パネル１７の表示／非表示を切り替える制御処理を行う。即ち制御部１０は、人が存在すると判定した場合には、液晶パネル１７にＰＣ３から入力された画像の表示を行い、人が存在しないと判定した場合には、液晶パネル１７の画像表示を停止する。なお画像表示の停止は、例えばパネル駆動部１６及びライト駆動部１８による駆動信号の出力を停止することで行ってもよく、また例えば電源回路（図示は省略する）から各部への電力供給を停止することで行ってもよく、その他の方法で行ってもよい。
【００５９】
次に、調整部２１において実行されるオフセット調整（補正）、および増幅部２２において実行される増幅（ゲイン）補正の詳細について説明する。
【００６０】
図６に、オフセット調整（補正）および増幅（ゲイン）補正を行う出力電圧最適化回路４の一例を示す。出力電圧最適化回路４は、図１に記載する調整部２１および増幅部２２に該当する。上述したように、調整部２１におけるオフセット調整（補正）は、出力電圧最適化回路４を構成する増幅器Ａ２および増幅器Ａ１において実行され、増幅部２２における増幅（ゲイン補正）は、増幅器Ａ１において実行される。
【００６１】
出力電圧最適化回路４は、２段の差動増幅器Ａ２およびＡ１により構成され、初段の増幅器Ａ２に外部ＤＡＣなどから入力されるオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔと、ダイオードの順方向電圧などにより提供される温度補償電圧Ｖｔｅｍｐとが入力すると、抵抗比Ｒ２/Ｒ１によって決まるゲインＧ２（図示は省略する）にて差動増幅を行い、補正電圧Ｖｃｏｍｐを生成し、次段の増幅器Ａ１に前記補正電圧Ｖｃｏｍｐとセンサの出力電圧Ｖｏとが入力すると、抵抗比Ｒ４/Ｒ３によって決まるゲインＧ１（図示は省略する）にて差動増幅を行い、増幅電圧Ｖａｍｐを得る。前記増幅電圧ＶａｍｐはＡＤＣ（図示は省略する）に入力される。
【００６２】
増幅電圧Ｖａｍｐは、増幅器Ａ１のゲインＧ１、増幅器Ａ２のゲインＧ２、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ、温度補償電圧Ｖｔｅｍｐを用いて、次に示す式（２）で表すことができる。なお、式（２）は、補正電圧Ｖｃｏｍｐを用いて、式（２）’と表すこともできる。
【００６３】
【数２】
【００６４】
温度補償電圧Ｖｔｅｍｐと増幅器Ａ２のゲインＧ２は、センサの温度特性からあらかじめ設定される。アナログ出力型三角測量方式測距センサは周囲温度の変化によって機構材料の膨張・収縮や電気的特性の変化が起こると、上述の未知係数が変化して特性曲線に誤差が生じる。
【００６５】
特性曲線の温度特性はセンサの設計によりさまざまであるが、例えば、センサの出力電圧が線形な温度特性をもっていた場合、シリコンダイオードやツェナーダイオードなどの、同じく線形な温度特性をもった素子で基準電圧を生成し、それを温度補償電圧Ｖｔｅｍｐとして増幅器Ａ２に入力して補正電圧Ｖｃｏｍｐに温度特性を与え、補正電圧Ｖｃｏｍｐの温度特性がセンサの温度特性と等しくなるようにゲインＧ２を設定することにより、増幅器Ａ１で補正電圧Ｖｃｏｍｐとセンサの出力電圧Ｖｏとを差動増幅するときにセンサの温度特性をキャンセルすることができる。なお、温度補償電圧ＶｔｅｍｐとゲインＧ２は、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔや、増幅器Ａ１、Ａ２の温度特性も加味して設定してもよい。
【００６６】
〔オフセット補正〕
オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔは、ＤＡＣ(Digital-to-Analog
Converter)などから供給される可変直流電圧であり、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘに応じて設定される。
【００６７】
なお、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔは、必ずしも、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘに応じて設定されなければならないわけではなく、任意の距離ｄに応じて設定されることができる。すなわち、最長距離ｄｍａｘよりも長い距離に応じて設定されてもよいし、逆に、最長距離ｄｍａｘよりも短い距離に応じて設定されてもよい。ただし、最長距離ｄｍａｘよりも短い距離に応じて設定される場合には、該当の距離測定装置に要求される測定範囲内において測定距離の飽和が発生しないようにする必要がある。
【００６８】
以下では、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘに応じてオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを設定する場合について説明する。この場合が、最も効率的かつ高精度にオフセット補正することができるからである。
【００６９】
図８は、オフセット補正とゲイン補正によるセンサの特性曲線の最適化を示す概念図である。
【００７０】
まず、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘにおける増幅電圧Ｖｍｉｎを実測する。
【００７１】
次に、前記ＶｍｉｎをＡＤＣの入力電圧範囲の最小値に近づけるようにオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを調整してオフセット補正を行う。前記ＶｍｉｎをＡＤＣの入力電圧範囲の最小値に近づける際は、前記最小値と一致させてもよいが、経年変化などによって前記最小値を下回らないようにマージンを設けておいてもよい。なお、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔの初期値は任意の電圧でよい。
【００７２】
また、例えば、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔの初期値を温度補償電圧Ｖｔｅｍｐと等しく設定して補正電圧Ｖｃｏｍｐをキャンセルしておく方法や、あらかじめセンサの個体バラツキの傾向を調べておき、中央付近の個体バラツキをもったセンサの特性曲線に最適化したオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを初期値とする方法によってオフセット補正の所要時間を短縮させることもできる。
【００７３】
〔ゲイン補正〕
増幅器Ａ１のゲインＧ１は、上述したオフセット補正を行ったのち、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎに応じて設定される。
【００７４】
なお、増幅器Ａ１のゲインＧ１は、必ずしも、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎに応じて設定されなければならないわけではなく、任意の距離ｄに応じて設定されることができる。すなわち、最短距離ｄｍｉｎよりも長い距離に応じて設定されてもよいし、逆に、最短距離ｄｍｉｎよりも短い距離に応じて設定されてもよい。
【００７５】
以下では、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎに応じて増幅器Ａ１のゲインＧ１を設定する場合について説明する。この場合が、最も効率的かつ高精度にゲイン補正することができるからである。
【００７６】
まず、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎにおける増幅電圧Ｖｍａｘを実測する。
【００７７】
次に、前記ＶｍａｘをＡＤＣの入力電圧範囲の最大値に近づけるようにゲインＧ１を調整してゲイン補正を行う。
【００７８】
前記ＶｍａｘをＡＤＣの入力電圧範囲の最大値に近づける際は、前記最大値と一致させてもよいが、経年変化などによって前記最大値を上回らないようにマージンを設けておいてもよい。また、ゲインＧ１を変えることで測定範囲における最長距離ｄｍａｘにおける増幅電圧Ｖｍｉｎが変化するため、上記オフセット補正を再度行い、さらに上記ゲイン補正を再度行い、これを繰り返すことで、より高精度に電圧範囲の最適化を行ってもよい。なお、ゲインＧ１の初期値は、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における測距センサの出力電圧範囲においてＡＤＣの入力電圧範囲を超えないように設定しておく。
【００７９】
ＡＤＣの入力分解能が十分に大きく、増幅器Ａ１のゲインＧ１を可変させてＡＤＣのダイナミックレンジをできる限り大きく取らずとも十分な距離分解能が得られる場合には、あらかじめ該当の距離測定装置に要求される測定範囲において最も出力電圧範囲の広い個体バラツキをもったセンサの特性曲線においても飽和しないようにゲインＧ１を固定値に設定しておいてもよい。
【００８０】
以上より、図８に示すように、オフセット補正とゲイン補正により、センサの特性曲線は、出力電圧最適化回路を経て、所望の測定範囲における測距センサの出力電圧範囲がＡＤＣの入力電圧範囲に合わせて最適化される。
【００８１】
なお、図６に示す出力電圧最適化回路４によりオフセット補正やゲイン補正を行い、任意の測定距離ｄｏにおける出力電圧Ｖｏのセンサの特性曲線を、任意の測定距離ｄｏにおける増幅電圧Ｖａｍｐの特性曲線に変換しても、アナログ出力型三角測量方式測距センサがもつ特性曲線の特徴は変化しない。以下、この点について説明する。
【００８２】
上述の式（１）に示す測距センサの特性曲線を上述の式（２）に代入し、次に示す式（３）、式（４）とおくと、式（５）が得られる。なお、式（４）は補正電圧Ｖｃｏｍｐを用いて式（４）’とも表すことができる。
【００８３】
【数３】
【００８４】
ここで、式（３）のゲインＧ１、未知係数ｌ は定数であるため、係数Ａは定数である。同様に、式（４）のゲインＧ１、Ｇ２、未知係数ｎ、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ、温度補償電圧Ｖｔｅｍｐは定数であるため、係数Ｂは定数である。したがって、式（５）の増幅電圧Ｖａｍｐと測定距離ｄｏは反比例の関係にある。つまり、任意の測定距離ｄｏにおけるセンサの出力電圧Ｖｏの特性曲線に対して、図６の出力電圧最適化回路４によりオフセット補正や増幅（ゲイン補正）を行い、任意の測定距離ｄｏにおける増幅電圧Ｖａｍｐの特性曲線に変換しても、アナログ出力型三角測量方式測距センサがもつ特性曲線の特徴は変化せず、未知係数ｌ，ｍ，ｎがそれぞれ係数Ａ，ｍ，Ｂに置き換わったとみなすことができる。すなわち、式（５）は任意の測定距離ｄｏにおける増幅電圧Ｖａｍｐを対応づける電圧―距離変換式であり、個々のセンサに対して係数Ａ，ｍ，Ｂを求めることにより、センサの特性曲線の個体バラツキを補正することができる。
【００８５】
なお、上述のオフセット補正は、式（４）、式（４）’が表すように、式（５）において係数Ｂを設定することに相当する。
【００８６】
図７にオフセット補正前後の２つの特性曲線を示す。いかなる係数Ｂを設定した場合でも、すなわち、いかなるオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを設定した場合でも、オフセット補正前後の特性曲線はＶ軸方向に平行移動するだけである。ここで、任意の測定距離ｄｏの変化による増幅電圧Ｖａｍｐの変化を特性曲線上の任意の１点を基準に相対値として取り扱うことにより、係数Ｂを未知係数Ａ，ｍとは無関係に選ぶことができる。したがって、係数Ｂはハードウェアの要求、すなわちＡＤＣの入力電圧範囲に合わせて所望の値に設定すればよい。
【００８７】
また、上述のゲイン補正では、式（３）、式（４）、式（４）’が表すように係数Ａ、Ｂに掛かっているゲインＧ１を変えるため、式（５）において任意の測定距離ｄｏにおける増幅電圧Ｖａｍｐが増減し、図８のゲイン補正の矢印に示すように特性曲線の傾斜が変化する。
【００８８】
〔距離算出方法〕
次に、算出部２３において、ＰＳＤセンサ２０から測定対象物までの距離を算出する方法の詳細について説明する。
【００８９】
上述のオフセット補正とゲイン補正を行ったのち、所望の測定範囲における中間距離ｄｍｉｄにおける増幅電圧Ｖｍｉｄを実測する。
【００９０】
前記中間距離ｄｍｉｄは該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘと該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎとの間で任意に選んでよいが、あらかじめセンサの個体バラツキの傾向を調べておき、中央付近の個体バラツキをもったセンサの特性曲線の頂点付近に前記中間距離ｄｍｉｄを設定することにより、センサの個体バラツキの補正精度を高めることができる。
【００９１】
上述の過程で得られた3つの測定点(ｄｍａｘ，Ｖｍｉｎ)、(ｄｍｉｄ，Ｖｍｉｄ)、(ｄｍｉｎ，Ｖｍａｘ)は、式（５）を用いてそれぞれ次に示す式（６）、式（７）、式（８）で表すことができる。
【００９２】
【数４】
【００９３】
式（６）と式（８）とから次に示す式（９）、式（７）と式（８）とから式（１０）が得られ、式（９）と式（１０）とから係数Ａ，ｍが式（１２）、式（１３）のとおり求まる。
【００９４】
【数５】
【００９５】
式（５）と式（８）から式（１１）が得られ、係数Ｂが消去される。式（１１）を任意の測定距離ｄｏについてまとめると、式（１４）が得られる。
【００９６】
式（８）を係数Ｂについてまとめると、次に示す式（１５）が得られるため、式（１４）は式（１６）と表すことができる。式（１６）は式（５）を任意の測定距離ｄｏについてまとめた式に等しい。式（１２）、式（１３）、および式（１５）を用いてセンサのバラツキ係数Ａ，ｍ，Ｂを算出し、式（１６）を用いることにより、センサの特性曲線の個体バラツキを補正した電圧―距離変換が可能となる。
【００９７】
【数６】
【００９８】
なお、本実施の形態によれば、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘに応じたオフセット補正と、最短距離ｄｍｉｎに応じたゲイン補正を行う過程、すなわち、ＡＤＣのダイナミックレンジが最大限に取れるように、該当の距離測定装置に要求される測定範囲におけるＰＳＤセンサ２０の出力範囲を最適化する過程（出力電圧最適化回路４）において、３点の測定ポイントの内の２点の測定が完了するため、極めて効率的にＰＳＤセンサ２０の特性曲線を求めることができる。
【００９９】
なお、以上の過程において算出した係数Ａ，ｍ，Ｂに基づいて、式（３）、式（４）からそれぞれ未知係数ｌと未知係数ｎを逆算することができ、出力電圧最適化回路４を通す前のセンサの特性曲線を定める３つの未知係数ｌ，ｍ，ｎを求めることができる。
【０１００】
そして、算出された未知係数ｌ，ｍ，ｎを用いて、式（１）からセンサの特性曲線を特定することができる。したがって、該当の距離測定装置に要求される測定範囲を変更する場合には、上述により特定されたセンサの特性曲線を用いて机上計算に基づいてオフセット補正、ゲイン補正を行い、新たな係数Ｂ'とゲインＧ１'を設定することにより、再測定なしにＡＤＣの入力電圧範囲と測距センサの出力電圧範囲を合わせ込むことができる。このような合わせ込みによって、該当の距離測定装置に要求される測定範囲を変更した場合であっても、ＡＤＣのダイナミックレンジが最大限に取れるように測距センサの出力範囲を最適化することができ、高精度な出力値―距離変換を行うことができる。図９に該当の距離測定装置に要求される測定範囲を変更した特性曲線を示す。
【０１０１】
なお、本実施の形態においては、ＬＥＤとＰＳＤを用いた電圧出力の光学式アナログ出力型三角測量方式測距センサを備えた距離測定装置を液晶表示装置１に搭載した構成を例に説明を行ったが、本発明の適用は液晶表示装置１に限るものではない。本発明における距離測定装置を構成する測距センサは、センサの出力値が測定対象物までの距離と反比例の関係をもつものであればよく、このような関係をもつものであれば、センサの出力値が、電流、数値、デジタルデータ等であってもよく、また、光学式測距センサに限らず、例えば、静電センサ、輝度センサ、温度センサ等であってもよい。そして、本発明における距離測定装置は、液晶表示装置以外の表示装置、例えば、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ等に適用することもできる。
【０１０２】
さらに、本発明における距離測定装置は、表示装置以外にも、測定対象物（例えば、人）までの距離に基づいて種々の制御（例えば、電源のオン／オフの制御）を行う様々な電気機器、例えば、空気調和機、照明装置、防犯設備等にも適用することができる。
【０１０３】
なお、請求項１において明らかなように、本発明における距離測定装置は、調整部２１および増幅部２２を有さない構成であってもよい。すなわち、上述のオフセット補正およびゲイン補正を行わない構成であってもよい。なお、この場合、測定ポイントは任意の３点でよく、必ずしも、最長距離ｄｍａｘおよび最短距離ｄｍｉｎを測定ポイントに含める必要はない。
【符号の説明】
【０１０４】
１・・・・・液晶表示装置（表示装置）
３・・・・・ＰＣ
４・・・・・出力電圧最適化回路（調整部、および、増幅部）
１０・・・・・制御部
１１・・・・・ＲＡＭ
１２・・・・・ＲＯＭ
１３・・・・・操作部
１４・・・・・入力部
１５・・・・・画像処理部
１６・・・・・パネル駆動部
１７・・・・・液晶パネル
１８・・・・・ライト駆動部
１９・・・・・バックライト
２０・・・・・ＰＳＤセンサ（測距センサ）
２１・・・・・調整部（調整部）
２２・・・・・増幅部（増幅部）
２３・・・・・算出部（算出部）
２４・・・・・ＲＡＭ
２５・・・・・ＲＯＭ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力値と測定距離とが反比例の関係を有する測距センサを備える距離測定装置、距離測定方法、および前記距離測定装置を備える表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は赤外ＬＥＤ(Light Emitting Diode)と位置検出素子ＰＳＤ(Position Sensitive Detector)を用いた光学式アナログ出力型三角測量方式測距センサの模式図である。赤外ＬＥＤから出力した赤外光を投光レンズにて十分に鋭い指向角で前方の測定対象物に照射し、測定対象物で拡散反射した反射光のうち受光レンズに入射する光をＰＳＤ上に集光して、スポット光入射位置(光量重心位置)を電気的に検出し、そのスポット光入射位置が、測距センサから測定対象物までの距離に応じて変化することを利用して当該距離を測定する。
【０００３】
このとき、スポット光入射位置は、投光レンズ（測距センサ前面）から測定対象物までの距離(変数ｄ)と投光レンズ―受光レンズ間ピッチ(設計値ｐ)で形成される直角三角形と、受光レンズ―ＰＳＤ間距離(設計値ｆ)とＰＳＤ上のスポット光入射位置の変位量(変数ｘ)で形成される直角三角形の相似関係から、前記センサの設計値ｐとｆを定数とすれば、ｄとｘは連動して変化し、その関係は下記式のとおり反比例の関係となる。
ｄ / ｐ ＝ ｆ / ｘ
∴ ｄ ＝ （ ｐ＊ｆ ）/ ｘ
【０００４】
ここで変数ｘは、測定対象物が無限遠にあるときのスポット光入射位置、すなわち受光レンズの中心からＰＳＤ上に垂直に入射する光の位置と、測定対象物が測定距離にあるときのスポット光入射位置との差分を表す。ＰＳＤはスポット光入射位置を光電流として検出することができ、前記光電流を電圧に変換して取り出すことで変数ｘを測定でき、設計値ｐおよび設計値ｆが既知であれば、上記式を用いて変数ｄを測定することができる。
【０００５】
アナログ出力型三角測量方式測距センサの基本特性、すなわちセンサの出力電圧が測定対象物までの距離と反比例の関係をもつ特性は、図２に示す幾何学的な関係が保たれている限り成り立つ。ただ、アナログ出力型三角測量方式測距センサのこのような基本特性によって、測定対象物がアナログ出力型三角測量方式測距センサから遠ざかるにつれて、距離の測定値の分解能が低くなって、距離の測定精度が低下するという問題が生じる。
【０００６】
そこで、測定対象物が遠ざかるにつれて距離の測定精度が低下することを防止できる光学式測距センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、いかに個々のセンサの測定精度（特に、遠距離での測定精度）を向上させたとしても、実際の測距センサには、電気的バラツキ、構造バラツキ、物性上のバラツキなどがあり、これらの個体バラツキによって個々のセンサで出力電圧の特性がばらついてしまう。図３に測距センサにおける電圧―距離変換の概念図を示す。図３から、任意の測定距離ｄｏに対して、個々のセンサでそれぞれ異なる出力電圧ＶｏおよびＶ’ｏが対応づけられてしまうことが分かる。
【０００９】
このため、測距センサの使用に際しては、個々のセンサに対して、あらかじめ出力電圧Ｖと測定対象物までの距離ｄを1対1に対応づけておくキャリブレーション工程(電圧―距離変換)が必要である。
【００１０】
電圧―距離変換の方法としては従来、個々のセンサに対して各測定距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，・・・における各出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・を複数点記憶させ、線形補間などにより特性曲線を近似する方法(線形補間法)が知られている。表１に、線形補間法による電圧―距離変換テーブルの概念図を示す。
【００１１】
【表１】
【００１２】
しかし、図３中のセンサαの出力電圧Ｖ―測定距離ｄの関係を示す線から明らかなように、この方法は測定点の個数を多くしなければ精度を高められず、個体バラツキの調整に多大な測定時間を要するなどの問題があった。
【００１３】
また、測距センサには測定距離の保証範囲が仕様として定められており、前記範囲外での測距精度は保証されない。したがって、測距センサを備えた距離測定装置において測距センサを用いて距離の測定を行う場合、当該距離測定装置に要求される測定範囲と比較して十分に広い測定距離の保証範囲をもつ測距センサを用いる必要がある。なお、あらかじめ測定範囲が決まっている場合、測距センサの出力電圧範囲も一定の範囲に収まる。
【００１４】
ここで、センサの出力電圧ＶはＡＤＣ(Analog-to-Digital
Converter)などを介すことによってデジタルデータとして取得されるが、ＡＤＣの入力電圧範囲と入力分解能は有限であることから、距離分解能を高めるためには該当の距離測定装置に要求される測定範囲におけるダイナミックレンジをできる限り大きく取ることが望ましい。したがって、センサの出力電圧Ｖを直接ＡＤＣに入力するのではなく、事前に当該距離測定装置に要求される測定範囲における測距センサの出力電圧範囲を推定し、前記推定結果に基づいて増幅回路などを用いてＡＤＣの入力電圧範囲に合わせ込むように電圧範囲を最適化してからＡＤＣに入力することが有効である。
【００１５】
図４にＡＤＣの入力電圧範囲と測距センサの出力電圧範囲の関係について示す。出力特性γはセンサの出力電圧Ｖを直接ＡＤＣに入力した例である。出力特性δは適切に電圧範囲を最適化してからＡＤＣに入力した例である。図４では４ｂｉｔのＡＤＣに入力した場合を示しているが、明らかに出力特性δのほうが測定範囲内での距離分解能(プロットの個数)が高くなっていることがわかる。
【００１６】
従来、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における測距センサの出力電圧範囲を推定するには、センサの個体バラツキを考慮する必要があったため、電圧範囲を最適化する際は、あらゆる個体バラツキを許容できるように設計マージンを大きく取らざるを得ず、この結果、ＡＤＣの入力電圧範囲に十分に合わせ込むことができずにダイナミックレンジが損なわれるという問題があった。
【００１７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、該当の距離測定装置に要求される測定範囲に対して、その範囲での測距精度(距離分解能)の向上と、センサの特性曲線の個体バラツキを補正した電圧―距離変換とを、同時に、かつ短時間で高精度に行うことができる距離測定装置、距離測定方法、および該距離測定装置を備えた表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１記載の発明は、
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサと、
前記測距センサの出力値に基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離を算出する算出部とを備え、
該算出部は、前記測距センサの出力値を、前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記測距センサの出力値とに基づいて決定される前記測距センサから測定対象物までの距離と前記測距センサの出力値とに係る特性曲線に当てはめることにより、前記測距センサから測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の発明は、
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサと、
前記測距センサの出力値に対してオフセット調整を行う調整部と、
前記オフセット調整された前記測距センサの出力値を増幅する増幅部と、
前記増幅された前記測距センサの出力値に基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離を算出する算出部とを備え、
該算出部は、前記増幅された前記測距センサの出力値を、前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記増幅された前記測距センサの出力値とに基づいて決定される前記測距センサから測定対象物までの距離と前記増幅された前記測距センサの出力値とに係る特性曲線に当てはめることにより、前記測距センサから測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【００２０】
請求項３記載の発明は、
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサの出力値を前記測距センサから測定対象物までの距離に変換する方法であって、
前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記測距センサの出力値とに基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離と前記測距センサの出力値とに係る特性曲線を決定するステップと、
前記測距センサの出力値を前記特性曲線に当てはめることにより前記測距センサから測定対象物までの距離を算出するステップと
を有することを特徴とする。
【００２１】
請求項４記載の発明は、
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサの出力値を前記測距センサから測定対象物までの距離に変換する方法であって、
前記測距センサの出力値に対してオフセット調整を行うステップと、
前記オフセット調整された前記測距センサの出力値を増幅するステップと、
前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記増幅された前記測距センサの出力値とに基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離と前記増幅された前記測距センサの出力値とに係る特性曲線を決定するステップと、
前記増幅された前記測距センサの出力値を前記特性曲線に当てはめることにより前記測距センサから測定対象物までの距離を算出するステップと
を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の距離測定装置を備える表示装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、出力値と測定距離とが反比例の関係を有する測距センサの基本特性に着目して、複数の未知係数（例えば、ｌ，ｍ，ｎ）を求める方法(未知係数法)を取り入れることにより、あらゆる個体バラツキをもった個々のセンサに対して補間による誤差のない高精度な出力値―距離変換を行うことができる。また、測距センサの出力値が電圧、または電圧に変換することができるアナログ出力値（電流など）である場合には、同時に、前記高精度な出力値―距離変換結果に基づいてＡＤＣのダイナミックレンジが最大限に取れるように、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における測距センサの出力範囲を最適化できる。さらに、測定点は３点だけでよいため、個体バラツキの調整に要する測定時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。
【図２】赤外ＬＥＤと位置検出素子ＰＳＤを用いた光学式アナログ出力型三角測量方式測距センサの模式図である。
【図３】測距センサにおける電圧―距離変換の概念図である。
【図４】ＡＤＣの入力電圧範囲と測距センサの出力電圧範囲の関係を示す概念図である。
【図５】未知係数ｌ，ｍ，ｎのバラツキを示す概念図である。
【図６】出力電圧最適化回路を示す回路図である。
【図７】オフセット補正前後の２つの特性曲線を示す概念図である。
【図８】オフセット補正とゲイン補正によるセンサの特性曲線の最適化を示す概念図である。
【図９】測定範囲を変更したときの特性曲線の変化を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔本発明の基本原理〕
まず前提として、本発明の基本原理について説明する。
【００２６】
上述のように、本発明においては、出力値と測定距離とが反比例の関係を有する測距センサの基本特性に着目して、複数の未知係数を求める方法(未知係数法)を用いる。表２に、未知係数法による電圧―距離変換テーブルの概念図を示す。
【００２７】
【表２】
【００２８】
図３中のセンサβの出力電圧Ｖ―測定距離ｄの関係を示す線から明らかなように、未知係数法を用いることにより、補間による誤差のない高精度な電圧―距離変換を行うことができる。
【００２９】
アナログ出力型三角測量方式測距センサの基本特性（以下、特性曲線と記す）は、反比例曲線の標準形の式を用いて記述される。特性曲線を表す式は、次に示す式（１）である。
【００３０】
【数１】
【００３１】
式（１）で、ｄｏは任意の測定距離、Ｖｏはｄｏにおける出力電圧、ｌ，ｍ，ｎが未知係数である。
【００３２】
図５（Ａ）〜（Ｃ）の実線は式（１）が表すセンサの特性曲線を描いたものである。図５の点(ｍ，ｎ)は特性曲線の中心であり、特性曲線がＶ＝ｎとｄ＝ｍに漸近することを表す。
【００３３】
また、図５（Ａ）〜（Ｃ）の破線は、図５の実線に対して未知係数ｌ，ｍ，ｎをそれぞれ変化させた場合の特性曲線の変化を描いたものである。
【００３４】
未知係数ｌ は、図２における( ｐ＊ｆ)のバラツキ、すなわち構造バラツキと捉えることができ、特性曲線の斜め方向のずれを決める係数となる。未知係数ｌの変化を図５（Ａ）に示す。未知係数ｌの変化は、特性曲線の直線Ｖ＝（ｄ-ｍ）+ｎに沿ったバラツキとして表れ、特性曲線と直線Ｖ
＝ （ ｄ - ｍ ）+ ｎの交点（ √（ ｌ + ｍ）， √（ ｌ + ｎ ））付近(特性曲
線の頂点付近)で最も大きな変化となり、測定距離全域で測距精度に影響を与える。
【００３５】
未知係数ｍは距離の次元をもち、図２における赤外ＬＥＤからＰＳＤに至る光路のバラツキと捉えることができ、特性曲線の横軸方向のずれを決める係数となる。未知係数ｍの変化を図５（Ｂ）に示す。光路のバラツキが発生する要因は、例えば、レンズの偏心、センサボディの歪や非対称性、あるいはセンサの保護や目隠しのためにセンサ前面に取りつけるカバー材などと考えられる。測定距離ｄが十分長いとき、相対的に未知係数ｍが式（１）の特性曲線に与える影響は小さくなる。また、反比例曲線の性質上、測定距離ｄが小さいほど出力電圧Ｖの変化に対する測定距離ｄの変化が小さくなるため、未知係数ｍの変化は特性曲線の近距離側での測距精度に影響を与える。
【００３６】
未知係数ｎは電圧（出力値）の次元をもち、測定対象物が無限遠にあるときのオフセット電圧のバラツキと捉えることができ、特性曲線の縦軸方向のずれを決める係数となる。未知係数ｎの変化を図５（Ｃ）に示す。オフセット電圧のバラツキが発生する要因は、例えば、ＰＳＤのダイボンド位置のバラツキや、ＰＳＤの位置検出誤差、光電流―電圧変換バラツキなどと考えられる。測定距離ｄが十分小さいとき、相対的に未知係数ｎが式（１）の特性曲線に与える影響は小さくなる。また、反比例曲線の性質上、測定距離ｄが大きいほど出力電圧Ｖの変化に対する測定距離ｄの変化が大きくなるため、未知係数ｎの変化は特性曲線の遠距離側での測距精度に影響を与える。
【００３７】
これら３つの未知係数ｌ，ｍ，ｎを個々のセンサに対して求めることにより、個体バラツキを含む特性曲線が求まり、精度の高い電圧―距離変換が可能になる。
【００３８】
未知係数ｌ，ｍ，ｎの特定には、異なる測定距離における出力電圧を少なくとも３点実測する必要がある。なお、十分高精度に製造されたセンサであれば、未知係数ｌ，ｍ，ｎは一定範囲内に収まると考えてよい。
【００３９】
次に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００４０】
本実施形態は、本発明に係る距離測定装置を、液晶表示装置に適用した場合の実施形態である。
【００４１】
図１は、本実施形態に係る液晶表示装置１の構成を示すブロック図である。
【００４２】
図において液晶表示装置１は、表示用のデバイスとして液晶パネル１７を備える表示装置であり、ＰＣ３から入力される画像信号に基づいて液晶パネル１７に画像表示を行うものである。
【００４３】
液晶表示装置１は、制御部１０、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１、ＲＡＭ（Random
Access
Memory）２４、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２５、操作部１３、入力部１４、画像処理部１５、パネル駆動部１６、液晶パネル１７、ライト駆動部１８、バックライト１９、ＰＳＤセンサ２０、調整部２１、増幅部２２及び算出部２３等を備えて構成されている。
【００４４】
制御部１０は、具体的にはＣＰＵ（Central Processing
Unit）又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の演算処理装置にて構成され、ＲＯＭ１２に記憶された制御プログラムを読み出して実行することにより種々の処理を行うことができる。制御部１０は、液晶表示装置１内の各部と情報の授受を行ってこれら各部の動作を制御することにより、液晶パネル１７に画像を表示するための種々の制御処理を実行する。
【００４５】
ＲＡＭ１１は、例えばＳＲＡＭ（Static RAM）又はＤＲＡＭ（Dynamic RAM）等のデータ書き換え可能なメモリ素子により構成されており、一時的なデータを記憶することができる。例えばＲＡＭ１１は、制御部１０が行う種々の制御処理の演算過程などで発生したデータを一時的に記憶する。
【００４６】
ＲＡＭ２４も、例えばＳＲＡＭ（Static RAM）又はＤＲＡＭ（Dynamic RAM）等のデータ書き換え可能なメモリ素子により構成されており、一時的なデータを記憶することができる。本実施の形態においては、ＰＳＤセンサ２０の検出結果及びこの検出結果に基づいて出力される増幅器出力電圧Ｖａｍｐ等のデータ（詳細は後述する）をＲＡＭ２４に記憶する。
【００４７】
ＲＯＭ１２は、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）又はフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ素子により構成され、制御部１０の動作に必要な制御プログラムと、その他の種々のデータ（図示は省略する）とが予め記憶されている。
【００４８】
ＲＯＭ２５も、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）又はフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ素子により構成されている。本実施の形態においては、ＰＳＤセンサ２０から測定対象物までの距離を算出するために用いる特性曲線を構成するバラツキ成分（定数）Ａ，ｍ，Ｂの値（詳細は後述する）がＲＯＭ２５に予め記憶されており、算出部２３がこれらのデータを読み出して処理を行う。
【００４９】
操作部１３は、ユーザが液晶表示装置１を操作するための各種のファンクションキーなどを有している。例えば、液晶パネル１７の画像表示の明るさ（ブライトネス）を変更するためのキー、又は画像表示のカラーバランスを変更するためのキー等のように、液晶表示装置１の表示特性を設定するための設定キーが操作部１３に設けられている。操作部１３は、これらのファンクションキーに対するユーザの操作を受け付けて制御部１０へ通知し、制御部１０は操作部１３からの通知に応じて各部の動作を制御することができる。
【００５０】
入力部１４は、ＰＣ３などの外部機器に信号ケーブルを介して接続される接続端子を有しており、ＰＣ３から入力される画像信号を取得し、この画像信号を画像処理部１５へ与える。画像処理部１５は、制御部１０の制御に応じて、入力部１４から与えられた画像信号に対して明るさ調整又はカラーバランス調整等の種々の画像処理を施し、画像処理後の画像信号をパネル駆動部１６へ与える。画像処理部１５から与えられた画像信号に応じてパネル駆動部１６が液晶パネル１７を駆動することにより、液晶表示装置１はＰＣ３からの画像信号に基づく画像表示を行うことができる。
【００５１】
液晶パネル１７は、一対のガラス基板が対向配置され、その間隙内に液晶物質である液晶層が形成された構造をなしている。一方のガラス基板には、複数の画素電極と、画素電極のそれぞれにドレインを接続したＴＦＴ（Thin Film Transistor）とが設けられ、他方のガラス基板には共通電極が設けられている。各ＴＦＴのゲート及びソースは、パネル駆動部１６のゲートドライバ及びソースドライバ（図示は省略する）に接続され、パネル駆動部１６から駆動信号がそれぞれ入力されている。
【００５２】
パネル駆動部１６は、画像処理部１５から与えられた画像信号に応じて液晶パネル１７を駆動するための駆動信号を出力する。詳しくは、パネル駆動部１６のゲートドライバは、液晶パネル１７が有する多数のＴＦＴのゲートに、与えられた画像信号に応じて選択的に電圧を印加し、また同様に、パネル駆動部１６のソースドライバは、ＴＦＴのソースに、入力された映像信号に応じた電圧値で電圧を印加する。これにより液晶パネル１７は、パネル駆動部１６のゲートドライバから印加される電圧によって各画素のＴＦＴのオン／オフが制御され、パネル駆動部１６のソースドライバから入力される出力電圧（液晶パネル１７への入力レベル）が各画素のＴＦＴに印加されることにより、液晶物質の電気光学特性によって決定される光透過率が制御されて、バックライト１９からの光の透過が調整され、所望の画像を階調表示することができる。液晶パネル１７の各画素は、ＲＧＢのように複数色分の副画素で更に構成され、光の透過方向にカラーフィルムを配することで、カラー表示を可能としている。
【００５３】
バックライト１９は、表示装置１内にて液晶パネル１７の背面側に配設されており、ライト駆動部１８から与えられる出力電圧により駆動される。ライト駆動部１８は、制御部１０の制御に応じて、バックライト１９への出力電圧を調整する。これにより、例えばユーザが操作部１３を操作して設定したブライトネス設定に応じて、ライト駆動部１８に出力電圧を調整させて、バックライト１９の輝度を調整することができる。
【００５４】
ＰＳＤセンサ２０は、液晶表示装置１の筐体の正面部分（例えば液晶パネル１７を囲む周囲の枠部分）に設けられ、液晶表示装置１の正面側に存在する物体までの距離を検出し、検出結果として距離に応じた電圧値の信号を調整部２１へ出力する。ＰＳＤセンサ２０は、例えば赤外ＬＥＤと組み合わせて用いられ、赤外ＬＥＤから出射した赤外光の対象物における反射光を受光し、このときの受光位置又は受光角度等に応じた電圧値の信号を出力する。このためセンサが出力する信号の電圧値を元に、三角測量方式にて対象物までの距離を算出することができる。なおＰＳＤセンサ２０は、測定対象物までの距離が近いほど電圧値が高い信号を出力し、対象物までの距離が遠いほど電圧値が低い信号を出力する。
【００５５】
ＰＳＤセンサ２０からの出力信号が与えられた調整部２１は、後述する方法により、算出部２３からの指示に基づいて、この信号をオフセット調整（補正）する。
【００５６】
前記オフセット調整（補正）された信号は、後述する方法により、算出部２３からの指示に基づいて、増幅部２２にて増幅される。なお、後述するように、本実施の形態においては、調整部２１と増幅部２２は同一の出力電圧最適化回路４（図６）に備えられ、調整部２１におけるオフセット調整（補正）は、出力電圧最適化回路４を構成する増幅器Ａ２および増幅器Ａ１において実行され、増幅部２２における増幅（ゲイン補正）は、増幅器Ａ１において実行される。なお、オフセット補正とゲイン補正は、ほぼリアルタイムに実行される。
【００５７】
算出部２３は、前記増幅された信号を、後述する方法によって得られる特性曲線に当てはめることにより、ＰＳＤセンサ２０から測定対象物までの距離を算出する。なお算出部２３は、前記増幅された信号の電圧値ＶａｍｐをＡ／Ｄ変換（図示は省略する）によりデジタルの情報として取得する。
【００５８】
制御部１０は、算出部２３が算出した測定対象物までの距離情報に基づいて、液晶表示装置１の正面（ＰＳＤセンサ２０の検出範囲内）に検出対象物（例えば、人）が存在するか否かを判定し、判定結果に応じて液晶パネル１７の表示／非表示を切り替える制御処理を行う。即ち制御部１０は、人が存在すると判定した場合には、液晶パネル１７にＰＣ３から入力された画像の表示を行い、人が存在しないと判定した場合には、液晶パネル１７の画像表示を停止する。なお画像表示の停止は、例えばパネル駆動部１６及びライト駆動部１８による駆動信号の出力を停止することで行ってもよく、また例えば電源回路（図示は省略する）から各部への電力供給を停止することで行ってもよく、その他の方法で行ってもよい。
【００５９】
次に、調整部２１において実行されるオフセット調整（補正）、および増幅部２２において実行される増幅（ゲイン）補正の詳細について説明する。
【００６０】
図６に、オフセット調整（補正）および増幅（ゲイン）補正を行う出力電圧最適化回路４の一例を示す。出力電圧最適化回路４は、図１に記載する調整部２１および増幅部２２に該当する。上述したように、調整部２１におけるオフセット調整（補正）は、出力電圧最適化回路４を構成する増幅器Ａ２および増幅器Ａ１において実行され、増幅部２２における増幅（ゲイン補正）は、増幅器Ａ１において実行される。
【００６１】
出力電圧最適化回路４は、２段の差動増幅器Ａ２およびＡ１により構成され、初段の増幅器Ａ２に外部ＤＡＣなどから入力されるオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔと、ダイオードの順方向電圧などにより提供される温度補償電圧Ｖｔｅｍｐとが入力すると、抵抗比Ｒ２/Ｒ１によって決まるゲインＧ２（図示は省略する）にて差動増幅を行い、補正電圧Ｖｃｏｍｐを生成し、次段の増幅器Ａ１に前記補正電圧Ｖｃｏｍｐとセンサの出力電圧Ｖｏとが入力すると、抵抗比Ｒ４/Ｒ３によって決まるゲインＧ１（図示は省略する）にて差動増幅を行い、増幅電圧Ｖａｍｐを得る。前記増幅電圧ＶａｍｐはＡＤＣ（図示は省略する）に入力される。
【００６２】
増幅電圧Ｖａｍｐは、増幅器Ａ１のゲインＧ１、増幅器Ａ２のゲインＧ２、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ、温度補償電圧Ｖｔｅｍｐを用いて、次に示す式（２）で表すことができる。なお、式（２）は、補正電圧Ｖｃｏｍｐを用いて、式（２）’と表すこともできる。
【００６３】
【数２】
【００６４】
温度補償電圧Ｖｔｅｍｐと増幅器Ａ２のゲインＧ２は、センサの温度特性からあらかじめ設定される。アナログ出力型三角測量方式測距センサは周囲温度の変化によって機構材料の膨張・収縮や電気的特性の変化が起こると、上述の未知係数が変化して特性曲線に誤差が生じる。
【００６５】
特性曲線の温度特性はセンサの設計によりさまざまであるが、例えば、センサの出力電圧が線形な温度特性をもっていた場合、シリコンダイオードやツェナーダイオードなどの、同じく線形な温度特性をもった素子で基準電圧を生成し、それを温度補償電圧Ｖｔｅｍｐとして増幅器Ａ２に入力して補正電圧Ｖｃｏｍｐに温度特性を与え、補正電圧Ｖｃｏｍｐの温度特性がセンサの温度特性と等しくなるようにゲインＧ２を設定することにより、増幅器Ａ１で補正電圧Ｖｃｏｍｐとセンサの出力電圧Ｖｏとを差動増幅するときにセンサの温度特性をキャンセルすることができる。なお、温度補償電圧ＶｔｅｍｐとゲインＧ２は、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔや、増幅器Ａ１、Ａ２の温度特性も加味して設定してもよい。
【００６６】
〔オフセット補正〕
オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔは、ＤＡＣ(Digital-to-Analog
Converter)などから供給される可変直流電圧であり、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘに応じて設定される。
【００６７】
なお、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔは、必ずしも、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘに応じて設定されなければならないわけではなく、任意の距離ｄに応じて設定されることができる。すなわち、最長距離ｄｍａｘよりも長い距離に応じて設定されてもよいし、逆に、最長距離ｄｍａｘよりも短い距離に応じて設定されてもよい。ただし、最長距離ｄｍａｘよりも短い距離に応じて設定される場合には、該当の距離測定装置に要求される測定範囲内において測定距離の飽和が発生しないようにする必要がある。
【００６８】
以下では、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘに応じてオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを設定する場合について説明する。この場合が、最も効率的かつ高精度にオフセット補正することができるからである。
【００６９】
図８は、オフセット補正とゲイン補正によるセンサの特性曲線の最適化を示す概念図である。
【００７０】
まず、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘにおける増幅電圧Ｖｍｉｎを実測する。
【００７１】
次に、前記ＶｍｉｎをＡＤＣの入力電圧範囲の最小値に近づけるようにオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを調整してオフセット補正を行う。前記ＶｍｉｎをＡＤＣの入力電圧範囲の最小値に近づける際は、前記最小値と一致させてもよいが、経年変化などによって前記最小値を下回らないようにマージンを設けておいてもよい。なお、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔの初期値は任意の電圧でよい。
【００７２】
また、例えば、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔの初期値を温度補償電圧Ｖｔｅｍｐと等しく設定して補正電圧Ｖｃｏｍｐをキャンセルしておく方法や、あらかじめセンサの個体バラツキの傾向を調べておき、中央付近の個体バラツキをもったセンサの特性曲線に最適化したオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを初期値とする方法によってオフセット補正の所要時間を短縮させることもできる。
【００７３】
〔ゲイン補正〕
増幅器Ａ１のゲインＧ１は、上述したオフセット補正を行ったのち、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎに応じて設定される。
【００７４】
なお、増幅器Ａ１のゲインＧ１は、必ずしも、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎに応じて設定されなければならないわけではなく、任意の距離ｄに応じて設定されることができる。すなわち、最短距離ｄｍｉｎよりも長い距離に応じて設定されてもよいし、逆に、最短距離ｄｍｉｎよりも短い距離に応じて設定されてもよい。
【００７５】
以下では、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎに応じて増幅器Ａ１のゲインＧ１を設定する場合について説明する。この場合が、最も効率的かつ高精度にゲイン補正することができるからである。
【００７６】
まず、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎにおける増幅電圧Ｖｍａｘを実測する。
【００７７】
次に、前記ＶｍａｘをＡＤＣの入力電圧範囲の最大値に近づけるようにゲインＧ１を調整してゲイン補正を行う。
【００７８】
前記ＶｍａｘをＡＤＣの入力電圧範囲の最大値に近づける際は、前記最大値と一致させてもよいが、経年変化などによって前記最大値を上回らないようにマージンを設けておいてもよい。また、ゲインＧ１を変えることで測定範囲における最長距離ｄｍａｘにおける増幅電圧Ｖｍｉｎが変化するため、上記オフセット補正を再度行い、さらに上記ゲイン補正を再度行い、これを繰り返すことで、より高精度に電圧範囲の最適化を行ってもよい。なお、ゲインＧ１の初期値は、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における測距センサの出力電圧範囲においてＡＤＣの入力電圧範囲を超えないように設定しておく。
【００７９】
ＡＤＣの入力分解能が十分に大きく、増幅器Ａ１のゲインＧ１を可変させてＡＤＣのダイナミックレンジをできる限り大きく取らずとも十分な距離分解能が得られる場合には、あらかじめ該当の距離測定装置に要求される測定範囲において最も出力電圧範囲の広い個体バラツキをもったセンサの特性曲線においても飽和しないようにゲインＧ１を固定値に設定しておいてもよい。
【００８０】
以上より、図８に示すように、オフセット補正とゲイン補正により、センサの特性曲線は、出力電圧最適化回路を経て、所望の測定範囲における測距センサの出力電圧範囲がＡＤＣの入力電圧範囲に合わせて最適化される。
【００８１】
なお、図６に示す出力電圧最適化回路４によりオフセット補正やゲイン補正を行い、任意の測定距離ｄｏにおける出力電圧Ｖｏのセンサの特性曲線を、任意の測定距離ｄｏにおける増幅電圧Ｖａｍｐの特性曲線に変換しても、アナログ出力型三角測量方式測距センサがもつ特性曲線の特徴は変化しない。以下、この点について説明する。
【００８２】
上述の式（１）に示す測距センサの特性曲線を上述の式（２）に代入し、次に示す式（３）、式（４）とおくと、式（５）が得られる。なお、式（４）は補正電圧Ｖｃｏｍｐを用いて式（４）’とも表すことができる。
【００８３】
【数３】
【００８４】
ここで、式（３）のゲインＧ１、未知係数ｌ は定数であるため、係数Ａは定数である。同様に、式（４）のゲインＧ１、Ｇ２、未知係数ｎ、オフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ、温度補償電圧Ｖｔｅｍｐは定数であるため、係数Ｂは定数である。したがって、式（５）の増幅電圧Ｖａｍｐと測定距離ｄｏは反比例の関係にある。つまり、任意の測定距離ｄｏにおけるセンサの出力電圧Ｖｏの特性曲線に対して、図６の出力電圧最適化回路４によりオフセット補正や増幅（ゲイン補正）を行い、任意の測定距離ｄｏにおける増幅電圧Ｖａｍｐの特性曲線に変換しても、アナログ出力型三角測量方式測距センサがもつ特性曲線の特徴は変化せず、未知係数ｌ，ｍ，ｎがそれぞれ係数Ａ，ｍ，Ｂに置き換わったとみなすことができる。すなわち、式（５）は任意の測定距離ｄｏにおける増幅電圧Ｖａｍｐを対応づける電圧―距離変換式であり、個々のセンサに対して係数Ａ，ｍ，Ｂを求めることにより、センサの特性曲線の個体バラツキを補正することができる。
【００８５】
なお、上述のオフセット補正は、式（４）、式（４）’が表すように、式（５）において係数Ｂを設定することに相当する。
【００８６】
図７にオフセット補正前後の２つの特性曲線を示す。いかなる係数Ｂを設定した場合でも、すなわち、いかなるオフセット補正電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを設定した場合でも、オフセット補正前後の特性曲線はＶ軸方向に平行移動するだけである。ここで、任意の測定距離ｄｏの変化による増幅電圧Ｖａｍｐの変化を特性曲線上の任意の１点を基準に相対値として取り扱うことにより、係数Ｂを未知係数Ａ，ｍとは無関係に選ぶことができる。したがって、係数Ｂはハードウェアの要求、すなわちＡＤＣの入力電圧範囲に合わせて所望の値に設定すればよい。
【００８７】
また、上述のゲイン補正では、式（３）、式（４）、式（４）’が表すように係数Ａ、Ｂに掛かっているゲインＧ１を変えるため、式（５）において任意の測定距離ｄｏにおける増幅電圧Ｖａｍｐが増減し、図８のゲイン補正の矢印に示すように特性曲線の傾斜が変化する。
【００８８】
〔距離算出方法〕
次に、算出部２３において、ＰＳＤセンサ２０から測定対象物までの距離を算出する方法の詳細について説明する。
【００８９】
上述のオフセット補正とゲイン補正を行ったのち、所望の測定範囲における中間距離ｄｍｉｄにおける増幅電圧Ｖｍｉｄを実測する。
【００９０】
前記中間距離ｄｍｉｄは該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘと該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最短距離ｄｍｉｎとの間で任意に選んでよいが、あらかじめセンサの個体バラツキの傾向を調べておき、中央付近の個体バラツキをもったセンサの特性曲線の頂点付近に前記中間距離ｄｍｉｄを設定することにより、センサの個体バラツキの補正精度を高めることができる。
【００９１】
上述の過程で得られた3つの測定点(ｄｍａｘ，Ｖｍｉｎ)、(ｄｍｉｄ，Ｖｍｉｄ)、(ｄｍｉｎ，Ｖｍａｘ)は、式（５）を用いてそれぞれ次に示す式（６）、式（７）、式（８）で表すことができる。
【００９２】
【数４】
【００９３】
式（６）と式（８）とから次に示す式（９）、式（７）と式（８）とから式（１０）が得られ、式（９）と式（１０）とから係数Ａ，ｍが式（１２）、式（１３）のとおり求まる。
【００９４】
【数５】
【００９５】
式（５）と式（８）から式（１１）が得られ、係数Ｂが消去される。式（１１）を任意の測定距離ｄｏについてまとめると、式（１４）が得られる。
【００９６】
式（８）を係数Ｂについてまとめると、次に示す式（１５）が得られるため、式（１４）は式（１６）と表すことができる。式（１６）は式（５）を任意の測定距離ｄｏについてまとめた式に等しい。式（１２）、式（１３）、および式（１５）を用いてセンサのバラツキ係数Ａ，ｍ，Ｂを算出し、式（１６）を用いることにより、センサの特性曲線の個体バラツキを補正した電圧―距離変換が可能となる。
【００９７】
【数６】
【００９８】
なお、本実施の形態によれば、該当の距離測定装置に要求される測定範囲における最長距離ｄｍａｘに応じたオフセット補正と、最短距離ｄｍｉｎに応じたゲイン補正を行う過程、すなわち、ＡＤＣのダイナミックレンジが最大限に取れるように、該当の距離測定装置に要求される測定範囲におけるＰＳＤセンサ２０の出力範囲を最適化する過程（出力電圧最適化回路４）において、３点の測定ポイントの内の２点の測定が完了するため、極めて効率的にＰＳＤセンサ２０の特性曲線を求めることができる。
【００９９】
なお、以上の過程において算出した係数Ａ，ｍ，Ｂに基づいて、式（３）、式（４）からそれぞれ未知係数ｌと未知係数ｎを逆算することができ、出力電圧最適化回路４を通す前のセンサの特性曲線を定める３つの未知係数ｌ，ｍ，ｎを求めることができる。
【０１００】
そして、算出された未知係数ｌ，ｍ，ｎを用いて、式（１）からセンサの特性曲線を特定することができる。したがって、該当の距離測定装置に要求される測定範囲を変更する場合には、上述により特定されたセンサの特性曲線を用いて机上計算に基づいてオフセット補正、ゲイン補正を行い、新たな係数Ｂ'とゲインＧ１'を設定することにより、再測定なしにＡＤＣの入力電圧範囲と測距センサの出力電圧範囲を合わせ込むことができる。このような合わせ込みによって、該当の距離測定装置に要求される測定範囲を変更した場合であっても、ＡＤＣのダイナミックレンジが最大限に取れるように測距センサの出力範囲を最適化することができ、高精度な出力値―距離変換を行うことができる。図９に該当の距離測定装置に要求される測定範囲を変更した特性曲線を示す。
【０１０１】
なお、本実施の形態においては、ＬＥＤとＰＳＤを用いた電圧出力の光学式アナログ出力型三角測量方式測距センサを備えた距離測定装置を液晶表示装置１に搭載した構成を例に説明を行ったが、本発明の適用は液晶表示装置１に限るものではない。本発明における距離測定装置を構成する測距センサは、センサの出力値が測定対象物までの距離と反比例の関係をもつものであればよく、このような関係をもつものであれば、センサの出力値が、電流、数値、デジタルデータ等であってもよく、また、光学式測距センサに限らず、例えば、静電センサ、輝度センサ、温度センサ等であってもよい。そして、本発明における距離測定装置は、液晶表示装置以外の表示装置、例えば、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ等に適用することもできる。
【０１０２】
さらに、本発明における距離測定装置は、表示装置以外にも、測定対象物（例えば、人）までの距離に基づいて種々の制御（例えば、電源のオン／オフの制御）を行う様々な電気機器、例えば、空気調和機、照明装置、防犯設備等にも適用することができる。
【０１０３】
なお、請求項１において明らかなように、本発明における距離測定装置は、調整部２１および増幅部２２を有さない構成であってもよい。すなわち、上述のオフセット補正およびゲイン補正を行わない構成であってもよい。なお、この場合、測定ポイントは任意の３点でよく、必ずしも、最長距離ｄｍａｘおよび最短距離ｄｍｉｎを測定ポイントに含める必要はない。
【符号の説明】
【０１０４】
１・・・・・液晶表示装置（表示装置）
３・・・・・ＰＣ
４・・・・・出力電圧最適化回路（調整部、および、増幅部）
１０・・・・・制御部
１１・・・・・ＲＡＭ
１２・・・・・ＲＯＭ
１３・・・・・操作部
１４・・・・・入力部
１５・・・・・画像処理部
１６・・・・・パネル駆動部
１７・・・・・液晶パネル
１８・・・・・ライト駆動部
１９・・・・・バックライト
２０・・・・・ＰＳＤセンサ（測距センサ）
２１・・・・・調整部（調整部）
２２・・・・・増幅部（増幅部）
２３・・・・・算出部（算出部）
２４・・・・・ＲＡＭ
２５・・・・・ＲＯＭ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサと、
前記測距センサの出力値に基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離を算出する算出部とを備え、
該算出部は、前記測距センサの出力値を、前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記測距センサの出力値とに基づいて決定される前記測距センサから測定対象物までの距離と前記センサの出力値とに係る特性曲線に当てはめることにより、前記センサから測定対象物までの距離を算出すること
を特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサと、
前記測距センサの出力値に対してオフセット調整を行う調整部と、
前記オフセット調整された前記測距センサの出力値を増幅する増幅部と、
前記増幅された前記測距センサの出力値に基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離を算出する算出部とを備え、
該算出部は、前記増幅された前記測距センサの出力値を、前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記増幅された前記測距センサの出力値とに基づいて決定される前記測距センサから測定対象物までの距離と前記増幅された前記測距センサの出力値とに係る特性曲線に当てはめることにより、前記測距センサから測定対象物までの距離を算出すること
を特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサの出力値を前記測距センサから測定対象物までの距離に変換する方法であって、
前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記測距センサの出力値とに基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離と前記測距センサの出力値とに係る特性曲線を決定するステップと、
前記測距センサの出力値を前記特性曲線に当てはめることにより前記測距センサから測定対象物までの距離を算出するステップと
を有することを特徴とする距離測定方法。
【請求項４】
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサの出力値を前記測距センサから測定対象物までの距離に変換する方法であって、
前記測距センサの出力値に対してオフセット調整を行うステップと、
前記オフセット調整された前記測距センサの出力値を増幅するステップと、
前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記増幅された前記測距センサの出力値とに基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離と前記増幅された前記測距センサの出力値とに係る特性曲線を決定するステップと、
前記増幅された前記測距センサの出力値を前記特性曲線に当てはめることにより前記測距センサから測定対象物までの距離を算出するステップと
を有することを特徴とする距離測定方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の距離測定装置を備える表示装置。
【請求項１】
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサと、
前記測距センサの出力値に基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離を算出する算出部とを備え、
該算出部は、前記測距センサの出力値を、前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記測距センサの出力値とに基づいて決定される前記測距センサから測定対象物までの距離と前記センサの出力値とに係る特性曲線に当てはめることにより、前記センサから測定対象物までの距離を算出すること
を特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサと、
前記測距センサの出力値に対してオフセット調整を行う調整部と、
前記オフセット調整された前記測距センサの出力値を増幅する増幅部と、
前記増幅された前記測距センサの出力値に基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離を算出する算出部とを備え、
該算出部は、前記増幅された前記測距センサの出力値を、前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記増幅された前記測距センサの出力値とに基づいて決定される前記測距センサから測定対象物までの距離と前記増幅された前記測距センサの出力値とに係る特性曲線に当てはめることにより、前記測距センサから測定対象物までの距離を算出すること
を特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサの出力値を前記測距センサから測定対象物までの距離に変換する方法であって、
前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記測距センサの出力値とに基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離と前記測距センサの出力値とに係る特性曲線を決定するステップと、
前記測距センサの出力値を前記特性曲線に当てはめることにより前記測距センサから測定対象物までの距離を算出するステップと
を有することを特徴とする距離測定方法。
【請求項４】
出力値と測定対象物までの距離とが反比例の関係を有する測距センサの出力値を前記測距センサから測定対象物までの距離に変換する方法であって、
前記測距センサの出力値に対してオフセット調整を行うステップと、
前記オフセット調整された前記測距センサの出力値を増幅するステップと、
前記測距センサから少なくとも任意の３点の測定ポイントまでの距離と前記測定ポイントにおける前記増幅された前記測距センサの出力値とに基づいて前記測距センサから測定対象物までの距離と前記増幅された前記測距センサの出力値とに係る特性曲線を決定するステップと、
前記増幅された前記測距センサの出力値を前記特性曲線に当てはめることにより前記測距センサから測定対象物までの距離を算出するステップと
を有することを特徴とする距離測定方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の距離測定装置を備える表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８８４０６（Ｐ２０１３−８８４０６Ａ）
【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２０１１−２３２２９５（Ｐ２０１１−２３２２９５）
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（３９１０１０１１６）株式会社ナナオ (160)
【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２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（３９１０１０１１６）株式会社ナナオ (160)
【Ｆターム（参考）】
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