距離測定装置
【課題】対象物体との距離が遠くても測距精度が低下しない。
【解決手段】赤外ＬＥＤとイメージセンサ１２とが基板上に設置されて、距離測定装置が構成されている。イメージセンサ１２には、ピクセルアレイ２０と、ピクセルアレイ２０の各ピクセルからの受光信号を処理するＤＳＰ回路２１と、ＤＳＰ回路２１による処理の際に用いる情報等を格納するメモリ２２と、上記赤外ＬＥＤを駆動するドライバ回路２３とが内蔵されている。ＤＳＰ回路２１は、対象物体で拡散反射されてピクセルアレイ２０上に形成された光量分布２４の直径を求め、メモリ２２に格納されている対照値との比較により、対象物体までの距離を求める。したがって、対象物体の反射率が不均一であってもその影響を極小さくすることができ、対象物体までの距離をより正確に求めることができる。
【解決手段】赤外ＬＥＤとイメージセンサ１２とが基板上に設置されて、距離測定装置が構成されている。イメージセンサ１２には、ピクセルアレイ２０と、ピクセルアレイ２０の各ピクセルからの受光信号を処理するＤＳＰ回路２１と、ＤＳＰ回路２１による処理の際に用いる情報等を格納するメモリ２２と、上記赤外ＬＥＤを駆動するドライバ回路２３とが内蔵されている。ＤＳＰ回路２１は、対象物体で拡散反射されてピクセルアレイ２０上に形成された光量分布２４の直径を求め、メモリ２２に格納されている対照値との比較により、対象物体までの距離を求める。したがって、対象物体の反射率が不均一であってもその影響を極小さくすることができ、対象物体までの距離をより正確に求めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学方式によって対象物体との距離を測定する距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物体との距離を非接触方式で測定する距離測定装置(以下、測距センサと言う場合もある)が、種々の用途に用いられている。例えば、トイレに設置されて利用者の入出を検知したり、プロジェクタに搭載されて投影画面のフォーカスを合わせる際にスクリーンとレンズとの距離を測定したり、自動掃除機等のロボットに搭載されて障害物を事前に検知して回避行動を行なったりするのに用いられている。
【０００３】
一般的に、非接触で距離を測定する方法には、下記に示す原理が用いられる。
(１) 超音波方式
(２) 静電容量方式
(３) 光学方式
【０００４】
上記(１)の超音波方式は、測距センサに内蔵された発信機から超音波を発射し、対象物体に当たって反射して帰ってきた反射波を受信して超音波の往復に要した時間を測定し、既知の音速値を用いて上記対象物体までの距離を測るものである。この方式には、測距センサのサイズが大きくなるという欠点がある。
【０００５】
上記(２)の静電容量方式は、測距センサの表面に対象物体が接近した時に誘起される電荷量を測定することによって、上記対象物体との距離を測定するものである。この方式には、測定範囲が数cm程度の近接領域に限定されるという欠点がある。
【０００６】
また、上記(１)の超音波方式あるいは上記(２)の静電容量方式の測距センサを用いた製品はシステムが大きくなり、比較的高価である。そのため、一般の家電製品に搭載されることは少なく、主にＦＡ(Factory Automation)用途等で使用されている。
【０００７】
これに対して、上記(３)の光学方式は、測距センサのサイズが比較的小さいため小型の機器に搭載が容易である。そのため、上述したプロジェクタや自動掃除機、あるいは人体センサ等に、幅広くこの方式が採用されている。
【０００８】
現在、主に使用されている光学式測距センサには、下記の２つの方式(原理)が使用されている。以下、夫々の方式に関してその原理と課題とについて詳細に説明する。
【０００９】
(Ａ) 「三角測量＋ＰＳＤ(位置検出素子：Position Sensitive Detector)」方式
図７に、「三角測量＋ＰＳＤ」方式による光学式測距センサの概略を示す。図７に示すように、光学系を備えたＬＥＤ(発光ダイオード： Light Emitting Diode)でなる発光部１と、フォトダイオードで構成されたＰＳＤでなる受光部２とが、一定の間隔を有して並んで配置されて本光学式測距センサは構成されている。そして、対象物体３,３'に照射されたＬＥＤ１からの光線の対象物体３,３'からの反射光をＰＳＤ２で受光し、ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置がＬＥＤ１から対象物体３,３'までの距離の変化に伴って受光領域上を動くことを利用して距離を算出するのである。尚、ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置は、ＰＳＤ２に設けられた２つの出力端子からの出力電流の比によって判定される。
【００１０】
上記ＰＳＤ(フォトダイオード)２上における反射光の受光位置は、図７に示すように、対象物体３との距離が遠くなると発光部１の近くに、対象物体３'との距離が近くなると発光部１から遠くに移動する。その際に、発光部１から対象物体３,３'までの距離とＰＳＤ２上における受光位置(ＰＳＤ２の出力値)とは、図８に示すように一対一の対応を有している。そのため、図８に示す関係を利用して、上記受光位置に基づいて対象物体３,３'までの距離を算出できるのである。
【００１１】
(Ｂ) 時間検出方式
発光部と受光部とを備えており、対象物体に照射された上記発光部からの光線の上記対象物体からの反射光を、上記受光部で検知するという点では上記「三角測量＋ＰＳＤ」方式の場合と同様である。しかしながら、本時間検出方式は、発光時刻から反射光の受光時刻までの時間(つまり、光の往復時間)を測定することによって、光速度によって上記対象物体までの距離を算出するのである。
【００１２】
尚、本時間検出方式においては、光の往復に要した時間を測定して上記対象物体までの距離を算出するために、上記「三角測量＋ＰＳＤ」方式の場合のような精度上の欠点はない。
【００１３】
また、上記光学式測距センサにおける他の方式として、特開２００５‐１６４５１３号公報(特許文献１)に開示されているカメラを用いて測定対象の実サイズを測定するサイズ測定装置を用いる方法が考えられる。
【００１４】
上記特許文献１に開示されたサイズ測定装置を用いる方法では、実サイズが分かっている複数の物体に関して、実サイズと画像サイズ(表示画面上のサイズ)との比の値と、カメラ撮影部から物体までの距離との関係を、データベースとして予め備えておく。そして、上記カメラ撮影部によって撮影された撮影画像から、上記データベースに登録されている物体の何れかを測定対象として指定する。そして、ＣＰＵ(中央処理装置)によって、撮影画像を解析することにより、上記指定された測定対象毎に上記画像サイズを算出する。さらに、上記指定された測定対象の実サイズ(上記データベースに登録)に基づいて実サイズと画像サイズとの比の値を算出し、この比の値に基づいて上記データベースを参照して、上記カメラ撮影部から測定対象までの距離を算出する。
【００１５】
また、上記光学式測距センサにおける他の方式として、ＣＣＤ(電荷結合素子：Charge Coupled Device)カメラを用いて対象物体までの距離を測定する測距装置が特開平０４‐２４９７１１号公報(特許文献２)に開示されている。
【００１６】
上記特許文献２に開示された測距装置では、レーザ管からのレーザビームに基づいて、レンズ,コリメータレンズおよびこれらの間に配置した遮光板により断面がリング状のレーザ平行ビームを作り、ハーフミラーによって２次元ＣＣＤカメラの光軸を中心としたリング状のレーザ平行ビームとする。そして、このレーザ平行ビームによって照らされた測定平面を上記２次元ＣＣＤカメラで撮像し、画像における上記レーザ平行ビームのリング半径に基づいて上記２次元ＣＣＤカメラから上記測定平面までの距離を算出するようにしている。
【００１７】
上記測距装置では、上記レーザ平行ビームを作成するために構成が複雑になっている。しかしながら、発光部と受光部との光学系のサイズが全く同一ではない場合には、平行光である必要はない。
【００１８】
また、上記光学式測距センサにおける他の方式として、上記特許文献２に開示された測距装置の欠点を補うために、対象物体をリモコンのような発光物体に限定した電子カメラシステムが特開２００１‐３４６０９０号公報(特許文献３)に開示されている。
【００１９】
上記特許文献３に開示された電子カメラシステムでは、リモコンの第１ＬＥＤおよび第２ＬＥＤが発光すると電子カメラの撮像素子によって撮像されて上記第１,第２ＬＥＤの発光色が検出され、上記発光色が検出された画素の位置が記憶される。そして、撮像画面上における上記第１,第２ＬＥＤの間隔と実際の間隔とに基づいて、上記電子カメラから上記リモコンまでの距離を算出するようにしている。
【００２０】
このように、上記電子カメラシステムでは、対象物体を上記リモコンのような発光物体に限定することによって、既知の発光間隔を利用して距離を測定するのである。
【００２１】
しかしながら、上記各従来の光学式測距センサにおいては、以下のような問題がある。
【００２２】
(ａ) 「三角測量＋ＰＳＤ」方式
この方式は、三角測量と呼ばれる幾何学原理を用いたものであり、原理上は容易に距離を計測することができる。ところが、実際には、図８に示すように、対象物体３との距離が遠くなるに連れて、上記受光位置の移動量(つまり、上記出力端子からの出力電流値の変動量)が急激に小さくなるため精度が低下する。このようなことを避けるためには、発光部１と受光部２の間隔を広げることが有効である。しかしながら、その場合には、光学式測距センサおよびその搭載機器の大型化を招いてしまい、小型の光学式測距センサを作成することは非常に困難である。
【００２３】
例えば、現行の数cmサイズの測距センサでは、１００cm以上の距離を高精度で計測することはできず、精度は２０％以上である。
【００２４】
さらに、上記距離の算出には、ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置が、相対位置としてではなく正確な絶対位置として必要となる。そのため、本光学式測距センサの性能は組み立て精度に大きく依存し、本光学式測距センサを搭載する機器側で初期位置補正を行わない場合には正確な距離測定ができないという問題がある。
【００２５】
また、上記ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置は、受光スポットの光量重心を求めることによって得られる。その結果、対象物体によっては照射光の反射率が不均一であるため、ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置が不正確になり、対象物体までの距離を正確に測定することができないという問題がある。
【００２６】
(ｂ) 時間検出方式
この方式は、出射光の往復に要した時間を測定して上記対象物体までの距離を算出するため、上記「三角測量＋ＰＳＤ」方式のような精度上の欠点はない。しかしながら、光速度は非常に大きいため出射光の往復に要する時間は非常に短く、高性能な受光部(受光素子)と高速な演算回路とが必要になる。このことは、高価な半導体プロセスを要求するため、光学式測距センサ自体が高価なものとなってしまうという問題がある。
【００２７】
(ｃ) 特許文献１に開示されたサイズ測定装置を用いる方法
このサイズ測定装置を用いる方法においては、実サイズが分かっている複数の物体に関する実サイズと画像サイズとの比の値と物体までの距離との関係を予め登録しておく必要があり、登録者に非常な負担を強いることになるという問題がある。さらに、上記実サイズと画像サイズとの比の値と物体までの距離との関係を登録しておくための膨大なデータベースと、撮影画像の解析および距離算出を行うための高性能のコンピュータとが必要になる。そのため、小型の光学式測距センサを実現することはできないという問題がある。
【００２８】
(ｄ) 特許文献２に開示された測距装置
この測距装置においては、レーザ管からのレーザビームに基づいて、レンズ,コリメータレンズ,遮光板およびハーフミラーにより２次元ＣＣＤカメラの光軸を中心としたリング状のレーザ平行ビームを作るため、複雑な構成の光学システムが必要となる。そして、このような大規模な光学システムでは、家電製品に搭載することが不可能であるという問題がある。
【００２９】
(ｅ) 特許文献３に開示された電子カメラシステム
この電子カメラシステムにおいては、対象物体をリモコンのような発光物体に限定している。そのために、対象物体には常に発光物体を搭載しておく必要があるという致命的な欠点があり、汎用性が全くないという問題がある。
【００３０】
また、上記何れの光学式測距センサの場合においても、一つの発光部からの光で対象物体を照射し、この対象物体からの反射光に基づいて上記対象物体までの距離を算出するようにしている。ところが、その場合には、発光部からの光が、略真正面に存在している上記対象物体を正しくトラッキングしているかを判定することができないため、上記対象物体までの距離を正確に求めることができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開２００５‐１６４５１３号公報
【特許文献２】特開平０４‐２４９７１１号公報
【特許文献３】特開２００１‐３４６０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
そこで、この発明の課題は、対象物体との距離をより正確に求めることができ、性能が組み立て精度に大きく依存することがなく、小型で安価な光学式の距離測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記課題を解決するため、この発明の距離測定装置は、
対象物体に向かって光を出射する光源を含む投光部と、
上記対象物体によって反射された上記光源からの光を検出するイメージセンサを含む受光部と
を備え、
上記イメージセンサは、
上記対象物体からの反射光が入射されると共に、光量分布に応じた画像データを出力するピクセルアレイと、
上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で形成される画像に関する特定の寸法を求めると共に、この求めた寸法に基づいて上記対象物体までの距離を求めるディジタル信号処理装置と、
上記投光部の上記光源を駆動して光を出射させる駆動回路と
を搭載している
ことを特徴としている。
【００３４】
上記構成によれば、上記光量分布の画像に関する特定の寸法に基づいて、上記対象物体までの距離が求められる。したがって、「三角測量＋ＰＳＤ」方式のように受光領域上での受光位置を求める場合に比して、上記対象物体の反射率が不均一であってもその影響を極小さくすることができる。したがって、上記対象物体までの距離をより正確に求めることができる。
【００３５】
さらに、上記距離の算出には、上記ピクセルアレイ上における上記光量分布の位置を正確な絶対位置として検出する必要はなく、本距離測定装置の性能は組み立て精度に大きく依存することがない。
【００３６】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される画像の大きさを、上記画像に関する特定の寸法として求める。
【００３７】
この実施の形態によれば、画像の大きさを上記画像に関する特定の寸法として求めるので、容易に上記画像に関する特定の寸法を求めることができる。
【００３８】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記投光部の光源から上記対象物体に向かって出射される光は光軸の垂直断面が略円形の光束を有しており、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される画像を含む最小直径を有する円を求め、この円の直径を上記画像の大きさとして求める。
【００３９】
この実施の形態によれば、上記投光部の光源からの出射光の光軸の垂直断面を略円形とし、上記受光部の上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光の画像を含む最小直径を有する円の直径を上記画像の大きさとして求めるようにしている。したがって、上記対象物体として実サイズが分かっている物体を用いる必要が無く、上記受光部の上記ピクセルアレイ上に形成された画像が正しい円形でない場合であっても、容易に且つ安定して上記画像の大きさを求めることができる。
【００４０】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記投光部は、上記受光部の一側に位置する第１投光部と上記受光部の他側に位置する第２投光部との２つの投光部を含み、
上記駆動回路は、上記第１投光部の光源と上記第２投光部の光源とが交互に光を出射するように上記両光源を駆動し、
上記ディジタル信号処理装置は、上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で交互に形成される２つの画像の間隔を、上記画像に関する特定の寸法として求める。
【００４１】
この実施の形態によれば、上記２つの投光部の光源からの出射光によって、上記対象物体上に２つのスポットが形成される。したがって、この２つのスポットからの反射光によって形成される２つの画像夫々の受光量に基づいて、略真正面に存在している上記対象物体を正しくトラッキングしているか否かを判定することができる。その結果、上記対象物体までの距離をより正確に測定することができる。
【００４２】
さらに、上記第１,第２投光部の光源が交互に光を出射し、上記ピクセルアレイ上には上記対象物体からの２つの反射光によって２つの画像が交互に形成される。したがって、各画像の位置を独立に特定することができ、上記ピクセルアレイ上の２つの画像が重なって分離できない場合にも対処することができる。
【００４３】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像の間隔を求める際の各画像の基準点を、上記夫々の画像の光量重心とする。
【００４４】
この実施の形態によれば、上記ピクセルアレイ上に形成された２つの画像の間隔を、より正確に求めることができる。
【００４５】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像の間隔を求める際の各画像の基準点を、上記夫々の画像の面積重心とする。
【００４６】
この実施の形態によれば、上記ピクセルアレイ上に形成された２つの画像の間隔を、より正確に求めることができる。
【００４７】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像に関する受光量の積分値を比較し、両積分値の差が２０％以上である場合は、一方の画像を形成する反射光と他方の画像を形成する反射光とは同一の対象物体からの反射光ではないと判定し、上記２つの画像の間隔の演算を中止する。
【００４８】
この実施の形態によれば、上記ピクセルアレイ上に２つの画像を形成する反射光が、同一の対象物体からの反射光ではない場合の誤測定を、確実に防止することができる。
【００４９】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１投光部からの出射光に関する上記対象物体からの反射光で形成される第１画像の大きさに基づいて上記対象物体までの第１の距離を求めると共に、上記第２投光部からの出射光に関する上記対象物体からの反射光で形成される第２画像の大きさに基づいて上記対象物体までの第２の距離を求め、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく第３の距離の値とを用いて、上記対象物体までの距離を求める。
【００５０】
この実施の形態によれば、上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく上記対象物体までの第３の距離の値と、上記第１画像および上記第２画像の大きさに基づく上記対象物体までの２つの第１および第２の距離の値との、合計３つの距離の値を用いることによって、上記対象物体までの距離をさらに正確に求めることができる。
【００５１】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第３の距離の値との算術平均値を、上記対象物体までの距離とする。
【００５２】
この実施の形態によれば、上記第１画像および上記第２画像の大きさに基づく２つの上記第１および第２の距離の値と、上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく上記第３の距離の値との算術平均値を求めることにより、上記対象物体までのさらに正確な距離を簡単に得ることができる。
【００５３】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第３の距離の値との中央値を、上記対象物体までの距離とする。
【００５４】
この実施の形態によれば、上記第１画像および上記第２画像の大きさに基づく２つの上記第１および第２の距離の値と、上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく上記第３の距離の値との中央値を求めることにより、上記対象物体までのさらに正確な距離を簡単に得ることができる。
【００５５】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記光源は、赤外発光ダイオードである。
【００５６】
この実施の形態によれば、上記光源として赤外発光ダイオードを用いているので、上記光源からの出射光や上記対象物体からの反射光が人間の目に見えることが無い。したがって、上記出射光および上記反射光が目に見えることによる周囲の影響を無くすことができる。
【００５７】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体プロセスで作製されている。
【００５８】
この実施の形態によれば、上記イメージセンサを相補型金属酸化膜半導体プロセスで作製しているので、上記ディジタル信号処理装置,上記駆動回路およびメモリ素子等を内蔵することが容易に可能になる。
【００５９】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記イメージセンサは、上記対象物体までの距離のキャリブレーションを行った結果の補正値を記録したメモリ素子を内蔵している。
【００６０】
この実施の形態によれば、実際に上記対象物体までの距離を計測する際に、計測結果を上記メモリ素子に記録された補正値で補正することによって、より正確な上記距離を得ることができる。
【発明の効果】
【００６１】
以上より明らかなように、この発明の距離測定装置は、対象物体によって反射された光源からの光によって、受光部のピクセルアレイ上に形成される光量分布の画像に関する特定の寸法に基づいて、上記対象物体までの距離を求めるので、「三角測量＋ＰＳＤ」方式のように受光領域上での受光位置を求める場合に比して、上記対象物体の反射率が不均一であってもその影響を極小さくすることができる。したがって、上記対象物体までの距離をより正確に求めることができる。
【００６２】
さらに、上記距離の算出には、上記ピクセルアレイ上における上記光量分布の位置を正確な絶対位置として検出する必要がなく、本距離測定装置の性能が組み立て精度に大きく依存することはない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】この発明の距離測定装置における縦断面図である。
【図２】図１における発光側レンズを透過した赤外線の軌跡を示す概略図である。
【図３】図１におけるイメージセンサの概略構成を示す図である。
【図４】図１とは異なる距離測定装置における縦断面図である。
【図５】図４における第１,第２発光側レンズを透過した赤外線の軌跡を示す概略図である。
【図６】図４におけるイメージセンサの概略構成を示す図である。
【図７】「三角測量＋ＰＳＤ」方式による光学式測距センサの概略を示す図である。
【図８】図７における発光部から対象物体までの距離とＰＳＤの出力値との対応関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６５】
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の距離測定装置における縦断面図である。図１に示すように、本距離測定装置においては、赤外ＬＥＤ１１と、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)回路およびドライバ回路を内蔵するイメージセンサ１２とが、基板１３上に設置されている。そして、基板１３の表面における赤外ＬＥＤ１１とイメージセンサ１２との間には、赤外ＬＥＤ１１から出射された赤外光が迷光となって直接イメージセンサ１２に入射されるのを防止するために、迷光防止用の赤外遮光板１４が配置されている。
【００６６】
上記赤外ＬＥＤ１１とイメージセンサ１２とは、基板１３上に設けられた配線パターン(図示せず)によって電気的に接続されている。さらに、イメージセンサ１２は外部端子１５に接続されており、イメージセンサ１２が外部端子１５を介して電源および外部回路と接続されて、本距離測定装置が使用される。
【００６７】
そして、上記赤外ＬＥＤ１１,イメージセンサ１２,基板１３および赤外遮光板１４の全体が、金型成形によって、赤外線透過性黒樹脂１６で封止されている。さらに、赤外線透過性黒樹脂１６の上面はレンズ形状に成型されており、赤外ＬＥＤ１１から出射された赤外線を対象物体に向けて集光する発光側レンズ１７と上記対象物体からの反射光をイメージセンサ１２の受光領域に向けて集光する受光側レンズ１８とが形成されている。尚、発光側レンズ１７および受光側レンズ１８の焦点距離等は、個々に設定可能になっている。このような構成をとれば、必要最少限の部品数で距離測定装置を構成することができる。
【００６８】
さらに、光学系の精度を上げたい場合には、複数のレンズを別途作成のうえ赤外線透過性黒樹脂１６の内部や外部に組み込んでもよい。
【００６９】
図２は、上記発光側レンズ１７を透過した赤外線の軌跡を示す概略図である。図２において、イメージセンサ１２に内蔵された上記ドライバ回路から供給された電力によって、赤外ＬＥＤ１１が駆動される。そして、赤外ＬＥＤ１１から出射された赤外線が発光側レンズ１７を通して対象物体１９上に収束され、対象物体１９上に略円形のスポットが形成される。さらに、対象物体１９上のスポット領域からの拡散反射によって周囲に放射された赤外光の一部が、受光側レンズ１８を通してイメージセンサ１２の上記受光領域上に結像する。
【００７０】
図３に、上記イメージセンサ１２の概略構成を示す。イメージセンサ１２には、上記受光領域としての矩形のピクセルアレイ２０と、ピクセルアレイ２０の各ピクセルからの受光信号を処理するＤＳＰ回路２１と、このＤＳＰ回路２１による処理の際に用いる情報等を格納するメモリ２２と、赤外ＬＥＤ１１を駆動するドライバ回路２３とが内蔵されている。
【００７１】
上記イメージセンサ１２の構成において、対象物体１９で拡散反射された赤外光の一部が、受光側レンズ１８を通してイメージセンサ１２上のピクセルアレイ２０上に結像すると、ピクセルアレイ２０上に円形の光量分布２４が形成される。ここで、ピクセルアレイ２０は、例えば４００ピクセル×４００ピクセルで構成されている。そして、各ピクセル毎に光電変換が行われ、得られた画像データを表す受光信号がＤＳＰ回路２１に送出されて演算され、円形の光量分布２４の直径に相当するピクセル数が求められる。
【００７２】
尚、上記ピクセルを複数のサブピクセルで構成し、サブピクセル処理を行うことによって、上記ピクセルよりも小さい解像度で、光量分布２４の直径を精密に求めることが可能になる。
【００７３】
こうして得られた光量分布２４の直径の値は、本距離測定装置から対象物体１９までの距離に応じて変化する。そこで、光量分布２４の直径の値と本距離測定装置から対象物体１９までの距離との対応関係を表す情報を対照値として予めメモリ２２に格納しておく。そして、ＤＳＰ回路２１によって、上記得られた光量分布２４の直径の値を、予めメモリ２２に格納されている対照値と比較することにより、本距離測定装置から対象物体１９までの距離を求めることができるのである。その際に、メモリ２２に格納されている対照値を用いて内挿することによって、本距離測定装置から対象物体１９までの距離の値をより詳細に求めることができる。
【００７４】
以下、上記構成の距離測定装置による対象物体１９までの距離算出の原理について説明する。
【００７５】
本実施の形態における距離算出の原理は、カメラで物体を撮影した場合に撮像素子上の物体の大きさが被写体までの距離に依存することを利用するものである。例えば、人間の顔を撮影する場合、人物がカメラから離れるほど画面の中における顔のサイズ(つまり、画面に占める顔の割合)が変化する。すなわち、上記画面上の顔のサイズは人物までの距離が離れるにしたがって小さくなるので、上記画面上の顔のサイズと実際の顔のサイズとに基づいて、上記関係から人物までの距離を算出することができるのである。
【００７６】
この場合、実際の顔のサイズとしては、既知である一般的な人間の顔の実際のサイズを用いることができる。ところが、本実施の形態の場合には、対象物体１９が不特定であるため、対象物体１９の実際のサイズから対象物体１９までの距離を算出することができない。
【００７７】
そこで、本実施の形態においては、上記対象物体１９に対して光束の断面形状が円形である光線を照射する。その際に対象物体１９にできる円形スポットのサイズは、予め発光部の光学系(レンズ径や放射角)によって決定できるため、そのスポットをある画角を有するイメージセンサ１２で受光し、受光領域(ピクセルアレイ２０)上でのサイズを測定することによって、対象物体１９までの距離を算出することができるのである。
【００７８】
例えば、発光部を構成する発光側レンズ１７のレンズ径が１cmであり、照射角が３度である場合には、発光側レンズ１７からＬcm離れた位置に在る対象物体１９上に形成されるスポット径Ｒは、
Ｒ＝１＋２＊Ｌ＊tan(１.５°)
となる。また、受光側レンズ１８のレンズ径が１cmであり、画角が２０度である場合には、受光側レンズ１８からＬcm離れた位置での撮影画像幅Ｗは、
Ｗ＝１＋２＊Ｌ＊tan(１０°)
となる。
【００７９】
ここで、Ｗ＞Ｒであれば、上記ピクセルアレイ２０上に、対象物体１９上のスポットからの反射光に基づいて光量分布２４が形成される。そして、この光量分布２４の直径は距離Ｌに略反比例する。したがって、光量分布２４の直径と距離Ｌとの関係式を求めれば、この関係式を用いることによって、光量分布２４の直径が分かれば発光側レンズ１７あるいは受光側レンズ１８から対象物体１９までの距離Ｌが分かることになる。
【００８０】
そこで、上記関係式に基づいて、ピクセルアレイ２０上に形成される円形の光量分布２４の直径と発光側レンズ１７あるいは受光側レンズ１８から対象物体１９までの距離Ｌとの対応値を幾つか算出してメモリ２２に格納しておけば、実際にピクセルアレイ２０上に形成された光量分布２４の直径をＤＳＰ回路２１によって測定することにより、この測定値を用いてメモリ２２に格納されている２つの上記対応値を線形補完して、光量分布２４の直径を呈する場合の発光側レンズ１７あるいは受光側レンズ１８から対象物体１９までの距離Ｌを求めることができるのである。
【００８１】
例えば、上記イメージセンサ１２におけるピクセルアレイ２０の解像度が水平方向に４００ピクセルであると仮定すると、対象物体１９が発光側レンズ１７あるいは受光側レンズ１８から５０cmあるいは１００cm離れた場合におけるピクセルアレイ２０上の光量分布２４の直径は、夫々、
５０cmのとき、７７.７ピクセル
１００cmのとき、６８.８ピクセル
となる。そこで、上記対応値(光量分布２４の直径ｘ,対象物体１９の距離Ｌ)として、(７７.７,５０)および(６８.８,１００)をメモリ２２に格納しておく。そして、ＤＳＰ回路２１によって測定された光量分布２４の直径ｘが、７７.７ピクセルと６８.８ピクセルとの間にある場合には、
(Ｌ−５０)/(１００−５０)＝(ｘ−６８.８)/(７７.７−６８.８)
の関係が成立し、この式にＤＳＰ回路２１で測定された直径ｘ(ピクセル値)を代入することによって距離Ｌを求めることができるのである。
【００８２】
ここで、上記メモリ２２に格納しておく上記対応値のピクセル数は整数値になってはいないが、一般的なイメージセンサのサブピクセル技術を用いることによって、上述のような計算が可能である。
【００８３】
尚、本実施の形態においては、上記対象物体１９に対して照射する光として、赤外ＬＥＤ１１からの赤外線を用いている。このように、人間の目には見えない赤外線を利用することが、周囲に影響を与えることがなく望ましい。
【００８４】
また、上記受光側レンズ１８によって受光された光はイメージセンサ１２のピクセルアレイ２０上に略円形に結像されて光量分布２４が形成される。しかしながら、例えば対象物体１９が均一な反射率を有していない等の対象物体１９の状況によって、光量分布２４の一部が欠けたり不明瞭な領域ができたりする場合がある。その場合には、本来ピクセルアレイ２０上に形成される光量分布２４の形状は円形であることが分かっているので、形成される光量分布２４の領域総てを含む最小円の直径を最小二乗法等で算出することにより、本来の光量分布２４の像が分かる。したがって、本来の光量分布２４の直径から上記距離を求めることができるのである。
【００８５】
上記従来の「三角測量＋ＰＳＤ」方式の場合には、ＰＳＤの受光領域上に形成された受光スポットの重心位置しか検知できないため、本実施の形態のごとくイメージセンサ１２を用いる方式には性能的には及ばないのである。
【００８６】
以上のごとく、本実施の形態においては、上記赤外ＬＥＤ１１から出射された赤外線によって対象物体１９上に略円形のスポットが形成され、このスポット領域からの拡散反射によってイメージセンサ１２のピクセルアレイ２０上に略円形の光量分布２４が形成される。そして、イメージセンサ１２のＤＳＰ回路２１によって光量分布２４の直径が求められ、この光量分布２４の直径に基づいて、対象物体１９までの距離を求めるようにしている。
【００８７】
したがって、「三角測量＋ＰＳＤ」方式のようにピクセルアレイ２０上での光量分布２４の位置を求める場合に比して、上記対象物体の反射率が不均一であってもその影響を極小さくすることができ、対象物体１９までの距離をより正確に求めることができるのである。
【００８８】
さらに、上記距離の算出には、ピクセルアレイ２０上における光量分布２４の位置を正確な絶対位置として検出する必要はない。したがって、本距離測定装置の測定性能は、組み立て精度に大きく依存することはない。
【００８９】
・第２実施の形態
図４は、本実施の形態の距離測定装置における縦断面図である。図４に示すように、本距離測定装置においては、第１赤外ＬＥＤ３１と第２赤外ＬＥＤ３２とを、上記ＤＳＰ回路およびドライバ回路を内蔵するイメージセンサ３３の両側に位置させて、イメージセンサ３３と共に基板３４上に設置している。そして、基板３４の表面における第１赤外ＬＥＤ３１とイメージセンサ３３との間、および、第２赤外ＬＥＤ３２とイメージセンサ３３との間には、赤外ＬＥＤ３１,３２から出射された赤外光が迷光となって直接イメージセンサ３３に入射されるのを防止するために、迷光防止用の赤外遮光板３５,３６が配置されている。
【００９０】
上記第１実施の形態の場合と同様に、上記第１赤外ＬＥＤ３１とイメージセンサ３３および第２赤外ＬＥＤ３２とイメージセンサ３３とは、基板３４上に設けられた配線パターン(図示せず)によって電気的に接続されている。さらに、イメージセンサ３３は外部端子３７に接続されており、イメージセンサ３３が外部端子３７を介して電源および外部回路と接続されて、本距離測定装置が使用される。
【００９１】
そして、上記第１赤外ＬＥＤ３１,第２赤外ＬＥＤ３２,イメージセンサ３３,基板３４,赤外遮光板３５および赤外遮光板３６の全体が、金型成形によって、赤外線透過性黒樹脂３８で封止されている。さらに、赤外線透過性黒樹脂３８の上面はレンズ形状に成型されており、第１赤外ＬＥＤ３１から出射された赤外線を対象物体に向けて集光する第１発光側レンズ３９と、第２赤外ＬＥＤ３２から出射された赤外線を上記対象物体に向けて集光する第２発光側レンズ４０と、上記対象物体からの反射光をイメージセンサ３２の受光領域に向けて集光する受光側レンズ４１とが形成されている。尚、第１発光側レンズ３９,第２発光側レンズ４０および受光側レンズ４１の焦点距離等は、個々に設定可能になっている。このような構成をとれば、必要最少限の部品数で距離測定装置を構成することができる。
【００９２】
さらに、光学系の精度を上げたい場合には、複数のレンズを別途作成のうえ赤外線透過性黒樹脂３８の内部や外部に組み込んでもよい。
【００９３】
図５は、上記第１発光側レンズ３９および第２発光側レンズ４０を透過した赤外線の軌跡を示す概略図である。図５において、イメージセンサ３３に内蔵された上記ドライバ回路から供給された電力によって、第１赤外ＬＥＤ３１および第２赤外ＬＥＤ３２が駆動されて赤外線が交互に出射される。そして、第１赤外ＬＥＤ３１から出射された赤外線が第１発光側レンズ３９を通して対象物体４２上に収束される一方、第２赤外ＬＥＤ３２から出射された赤外線が第２発光側レンズ４０を通して対象物体４２上に収束されて、対象物体４２上に２つの略円形のスポットが形成される。さらに、対象物体４２上の２つのスポット領域からの拡散反射によって周囲に放射された夫々の赤外光の一部が、受光側レンズ４１を通してイメージセンサ３３の上記受光領域上に時間差を有して結像する。
【００９４】
図６に、上記イメージセンサ３３の概略構成を示す。イメージセンサ３３には、上記受光領域としての矩形のピクセルアレイ４３と、ピクセルアレイ４３の各ピクセルからの受光信号を処理するＤＳＰ回路４４と、ＤＳＰ回路４４による処理の際に用いる情報等を格納するメモリ４５と、第１赤外ＬＥＤ３１および第２赤外ＬＥＤ３２を駆動するドライバ回路４６とが内蔵されている。
【００９５】
上記イメージセンサ３３の構成において、対象物体４２で拡散反射された２つの赤外光の一部が、受光側レンズ４１を通してイメージセンサ３３のピクセルアレイ４３上に結像すると、ピクセルアレイ４３上には円形の２つの光量分布４７,４８が形成される。ここで、ピクセルアレイ４３は、例えば４００ピクセル×４００ピクセルで構成されている。そして、各ピクセル毎に光電変換が行われ、得られた受光信号がＤＳＰ回路４４に送出されて演算され、円形の２つの光量分布４７,４８夫々の光量重心(以下、単に重心と言う)に該当する２つのピクセル座標が得られ、２つのピクセル座標間の距離に相当するピクセル数が求められる。
【００９６】
尚、上記ピクセルを複数のサブピクセルで構成し、サブピクセル処理を行うことによって、本来整数であるピクセル座標から、上記ピクセルよりも小さい解像度で、上記２つのピクセル座標間の距離を精密に求めることが可能になる。
【００９７】
こうして得られた２つの光量分布４７,４８の重心間の距離の値は、本距離測定装置から対象物体４２までの距離に応じて変化する。そこで、２つの光量分布４７,４８の重心間の距離の値と本距離測定装置から対象物体４２までの距離との対応関係を表す情報を対照値として予めメモリ４５に格納しておくことにより、上記得られた２つの光量分布４７,４８の重心間の距離の値を、ＤＳＰ回路４４によって、予めメモリ４５に格納されている対照値と比較することにより、本距離測定装置から対象物体４２までの距離を求めることができるのである。その際に、メモリ４５に格納されている対照値を用いて内挿することによって、本距離測定装置から対象物体４２までの距離の値をより詳細に求めることができる。
【００９８】
以下、上記構成の距離測定装置による対象物体４２までの距離算出の原理について説明する。
【００９９】
上記第１実施の形態においては１つの発光部のみを用いているが、本実施の形態においては上記イメージセンサ３３の両側に発光部を配置している。本実施の形態においても、上記第１実施の形態の場合と同様の原理で対象物体４２までの距離を算出可能である。
【０１００】
すなわち、２つのＬＥＤ３１,３２から出射された赤外光線は対象物４２上に２つのスポットを形成する。それらから得られた反射光はイメージセンサ３３のピクセルアレイ４３上に２つの光量分布４７,４８を形成する。このピクセルアレイ４３内における２つの光量分布４７,４８の間隔は、発光側レンズ３９,４０および受光側レンズ４１から対象物体４２までの距離が離れるに従って小さくなる。そこで、２つの光量分布４７,４８の間隔を算出することによって、上記距離を測定することができるのである。
【０１０１】
その場合、特定の距離における２つの光量分布４７,４８の間隔は、本距離測定装置の光学設計時に予め設定することができる。また、ピクセルアレイ４３上に形成された実際の２つの光量分布４７,４８の間隔を求めるには、夫々の光量分布の光量重心や面積重心を利用することができる。
【０１０２】
例えば、２つのＬＥＤ３１,３２の間隔が２cmであり、基板３４の上面に対して垂直方向に赤外光を出射するように設定されている場合には、第１,第２発光側レンズ３９,４０からＬcm離れた位置に在る対象物体４２上に形成される２つのスポットの間隔は、
Ｄ＝２cm
となる。また、受光側レンズ４１のレンズ径が１cmであり、画角が１５度である場合には、受光側レンズ４１からＬcm離れた位置での２つの撮影画像の間隔Ｗは、
Ｗ＝１＋２＊Ｌ＊tan(７.５°)
となる。
【０１０３】
ここで、Ｗ＞Ｄであれば、上記ピクセルアレイ４３上に、対象物体４２上の２つのスポットからの反射光に基づいて光量分布４７,４８が形成される。そして、この２つの光量分布４７,４８の間隔は距離Ｌに略反比例する。したがって、２つの光量分布４７,４８の間隔と距離Ｌとの関係式を求めれば、この関係式を用いることによって、２つの光量分布４７,４８の間隔が分かれば発光側レンズ３９,４０あるいは受光側レンズ４１から対象物体４２までの距離Ｌが分かることになる。
【０１０４】
そこで、上記関係式に基づいて、ピクセルアレイ４３上に形成される２つの光量分布４７,４８の間隔と発光側レンズ３９,４０あるいは受光側レンズ４１から対象物体４２までの距離Ｌとの対応値を幾つか算出してメモリ４５に格納しておけば、実際にピクセルアレイ４３上に形成された２つの光量分布４７,４８の間隔をＤＳＰ回路４４によって測定することにより、この測定値を用いてメモリ４５に格納されている２つの上記対応値を線形補完して、２つの光量分布４７,４８の間隔を呈する場合の発光側レンズ３９,４０あるいは受光側レンズ４１から対象物体４２までの距離Ｌを求めることができるのである。
【０１０５】
例えば、上記イメージセンサ３３におけるピクセルアレイ４３の解像度が水平方向に４００ピクセルであると仮定すると、対象物体４２が発光側レンズ３９,４０あるいは受光側レンズ４１から５０cmあるいは１００cm離れた場合におけるピクセルアレイ４３上の２つの光量分布４７,４８の間隔は、夫々、
５０cmのとき、５６.５ピクセル
１００cmのとき、２９.３ピクセル
となる。そこで、上記対応値(光量分布４７,４８間の間隔ｘ,対象物体４２の距離Ｌ)として、(５６.５,５０)および(２９.３,１００)をメモリ４５に格納しておく。そして、ＤＳＰ回路４４によって測定された２つの光量分布４７,４８の間隔ｘが、５６.５ピクセルと２９.３ピクセルとの間にある場合には、
(Ｌ−５０)/(１００−５０)＝(ｘ−２９.３)/(５６.５−２９.３) …（１０）
の関係が成立し、式(１０)にＤＳＰ回路４４で測定された間隔ｘ(ピクセル値)を代入することによって距離Ｌを求めることができるのである。
【０１０６】
尚、上記イメージセンサ３３におけるピクセルアレイ４３上の２つの光量分布４７,４８が重なって分離できない場合にも対処するため、上述したように、第１赤外ＬＥＤ３１および第２赤外ＬＥＤ３２を交互に発光させて、光量分布４７の重心と光量分布４８の重心とを独立に測定するのである。
【０１０７】
また、上記イメージセンサ３３におけるピクセルアレイ４３上に形成される２つの光量分布４７,４８の夫々に、上記第１実施の形態における距離測定方法を適用することが可能である。そこで、光量分布４７,４８に上記第１実施の形態における距離測定方法を適用して、光量分布４７の直径から得られる距離情報および光量分布４８の直径から得られる距離情報を求め、本実施の形態によって光量分布４７と光量分布４８との間隔から得られる距離情報と合わせて３つの距離情報を用い、算術平均を行うことによってより正確な距離の値を得ることができる。あるいは、最大値と最小値との中央値をより正確な距離の値としてもよい。
【０１０８】
本実施の形態における距離測定装置自体のサイズは、上記第１実施の形態における距離測定装置の場合に比べて大きくなる。しかしながら、本実施の形態における距離測定装置によれば、２つの光量分布４７,４８の光量を比較することによって、２つのＬＥＤ３１,３２から出射された赤外光線が対象物体４２を正確に捉えているか否かを判定することができる。したがって、２つの光量分布４７,４８の光量が異なっている場合には、同一の対象物体４２に光が照射されていないと判定して、エラー信号を出力することが可能になる。
【０１０９】
例えば、上記２つの光量分布４７,４８夫々における光量の積分値に２０％以上の差があれば、第１発光側レンズ３９および第２発光側レンズ４０の略真正面に対象物体４２が存在しない、つまりピクセルアレイ４３上に２つの光量分布４７,４８を形成している反射光は同一の対象物体４２からの反射光ではないと判断して計算を中止し、エラー信号を出力するのである。
【０１１０】
以上のごとく、本実施の形態においては、上記イメージセンサ３３の両側に位置する第１赤外ＬＥＤ３１と第２赤外ＬＥＤ３２とから交互に出射された赤外線によって対象物体４２上に略円形の２つのスポットが形成され、この両スポット領域からの拡散反射によってイメージセンサ３３のピクセルアレイ４３上に略円形の２つの光量分布４７,４８が時間差を有して形成される。そして、イメージセンサ３３のＤＳＰ回路４４によって光量分布４７,４８の光量重心(面積重心)間の距離が求められ、この光量分布４７,４８間の距離に基づいて、対象物体４２までの距離を求めるようにしている。
【０１１１】
したがって、「三角測量＋ＰＳＤ」方式の場合に比して、上記対象物体における反射率の不均一性の影響を極小さくすることができ、対象物体４２までの距離をより正確に求めることができるのである。
【０１１２】
さらに、上記２つのＬＥＤ３１,３２からの出射光によって、対象物体４２上に略円形の２つのスポットが形成される。したがって、この２つのスポットからの反射光により形成される光量分布４７,４８夫々の光量に基づいて、略真正面に存在している対象物体４２を正しくトラッキングしているか否かを判定することができる。
【０１１３】
さらに、上記距離の算出には、上記ピクセルアレイ４３上における光量分布４７,４８の位置を正確な絶対位置として検出する必要はない。したがって、本距離測定装置の測定性能は、組み立て精度に大きく依存することはない。
【０１１４】
尚、上記イメージセンサにＤＳＰ回路やドライバ回路を内蔵させるためには半導体プロセスの整合性からＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体)イメージセンサを用いることが最適である。
【０１１５】
また、上述したように、上記各実施の形態における距離測定装置においては、測定精度が発光部と受光部との間の組み立て精度に依存することはない。
【０１１６】
しかしながら、光学系のばらつきに起因して、光量分布(スポット)サイズばらつきや、２つの光量分布(スポット)間隔のばらつきが生ずるため、製造後にキャリブレーションを行なうことが望ましい。その場合、ＣＭＯＳプロセスを用いている場合にはメモリ素子を内蔵することが容易であるため、補正データをメモリ素子に書き込んで利用することができる。すなわち、実際に対象物体１９,４２までの距離を測定する際に、測定結果を上記メモリ素子に記録された上記補正データで補正することによって、より正確な上記距離を得ることができるのである。
【０１１７】
尚、上記各実施の形態においては、１つの特定距離を算出する場合を例示するためにメモリ２２,４５には２つの対応値を格納している。しかしながら、言うまでもなく、実際には種々の距離を算出可能なように３以上の対応値を格納しておく。
【０１１８】
また、上記各実施の形態においては、光源としての赤外ＬＥＤ１１,３１,３２と発光側レンズ１７,３９,４０とを含んで上記投光部を構成している。また、イメージセンサ１２,３３と受光側レンズ１８,４１とを含んで上記受光部を構成している。しかしながら、この発明の光源は、赤外ＬＥＤに限定されるものではなく、赤外以外のＬＥＤであっても差し支えなく、レーザ素子を用いても構わない。
【符号の説明】
【０１１９】
１１,３１,３２…赤外ＬＥＤ、
１２,３３…イメージセンサ、
１３,３４…基板、
１４,３５,３６…赤外遮光板、
１５,３７…外部端子、
１６,３８…赤外線透過性黒樹脂、
１７,３９,４０…発光側レンズ、
１８,４１…受光側レンズ、
１９,４２…対象物体、
２０,４３…ピクセルアレイ、
２１,４４…ＤＳＰ回路、
２２,４５…メモリ、
２３,４６…ドライバ回路、
２４,４７,４８…光量分布。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学方式によって対象物体との距離を測定する距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物体との距離を非接触方式で測定する距離測定装置(以下、測距センサと言う場合もある)が、種々の用途に用いられている。例えば、トイレに設置されて利用者の入出を検知したり、プロジェクタに搭載されて投影画面のフォーカスを合わせる際にスクリーンとレンズとの距離を測定したり、自動掃除機等のロボットに搭載されて障害物を事前に検知して回避行動を行なったりするのに用いられている。
【０００３】
一般的に、非接触で距離を測定する方法には、下記に示す原理が用いられる。
(１) 超音波方式
(２) 静電容量方式
(３) 光学方式
【０００４】
上記(１)の超音波方式は、測距センサに内蔵された発信機から超音波を発射し、対象物体に当たって反射して帰ってきた反射波を受信して超音波の往復に要した時間を測定し、既知の音速値を用いて上記対象物体までの距離を測るものである。この方式には、測距センサのサイズが大きくなるという欠点がある。
【０００５】
上記(２)の静電容量方式は、測距センサの表面に対象物体が接近した時に誘起される電荷量を測定することによって、上記対象物体との距離を測定するものである。この方式には、測定範囲が数cm程度の近接領域に限定されるという欠点がある。
【０００６】
また、上記(１)の超音波方式あるいは上記(２)の静電容量方式の測距センサを用いた製品はシステムが大きくなり、比較的高価である。そのため、一般の家電製品に搭載されることは少なく、主にＦＡ(Factory Automation)用途等で使用されている。
【０００７】
これに対して、上記(３)の光学方式は、測距センサのサイズが比較的小さいため小型の機器に搭載が容易である。そのため、上述したプロジェクタや自動掃除機、あるいは人体センサ等に、幅広くこの方式が採用されている。
【０００８】
現在、主に使用されている光学式測距センサには、下記の２つの方式(原理)が使用されている。以下、夫々の方式に関してその原理と課題とについて詳細に説明する。
【０００９】
(Ａ) 「三角測量＋ＰＳＤ(位置検出素子：Position Sensitive Detector)」方式
図７に、「三角測量＋ＰＳＤ」方式による光学式測距センサの概略を示す。図７に示すように、光学系を備えたＬＥＤ(発光ダイオード： Light Emitting Diode)でなる発光部１と、フォトダイオードで構成されたＰＳＤでなる受光部２とが、一定の間隔を有して並んで配置されて本光学式測距センサは構成されている。そして、対象物体３,３'に照射されたＬＥＤ１からの光線の対象物体３,３'からの反射光をＰＳＤ２で受光し、ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置がＬＥＤ１から対象物体３,３'までの距離の変化に伴って受光領域上を動くことを利用して距離を算出するのである。尚、ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置は、ＰＳＤ２に設けられた２つの出力端子からの出力電流の比によって判定される。
【００１０】
上記ＰＳＤ(フォトダイオード)２上における反射光の受光位置は、図７に示すように、対象物体３との距離が遠くなると発光部１の近くに、対象物体３'との距離が近くなると発光部１から遠くに移動する。その際に、発光部１から対象物体３,３'までの距離とＰＳＤ２上における受光位置(ＰＳＤ２の出力値)とは、図８に示すように一対一の対応を有している。そのため、図８に示す関係を利用して、上記受光位置に基づいて対象物体３,３'までの距離を算出できるのである。
【００１１】
(Ｂ) 時間検出方式
発光部と受光部とを備えており、対象物体に照射された上記発光部からの光線の上記対象物体からの反射光を、上記受光部で検知するという点では上記「三角測量＋ＰＳＤ」方式の場合と同様である。しかしながら、本時間検出方式は、発光時刻から反射光の受光時刻までの時間(つまり、光の往復時間)を測定することによって、光速度によって上記対象物体までの距離を算出するのである。
【００１２】
尚、本時間検出方式においては、光の往復に要した時間を測定して上記対象物体までの距離を算出するために、上記「三角測量＋ＰＳＤ」方式の場合のような精度上の欠点はない。
【００１３】
また、上記光学式測距センサにおける他の方式として、特開２００５‐１６４５１３号公報(特許文献１)に開示されているカメラを用いて測定対象の実サイズを測定するサイズ測定装置を用いる方法が考えられる。
【００１４】
上記特許文献１に開示されたサイズ測定装置を用いる方法では、実サイズが分かっている複数の物体に関して、実サイズと画像サイズ(表示画面上のサイズ)との比の値と、カメラ撮影部から物体までの距離との関係を、データベースとして予め備えておく。そして、上記カメラ撮影部によって撮影された撮影画像から、上記データベースに登録されている物体の何れかを測定対象として指定する。そして、ＣＰＵ(中央処理装置)によって、撮影画像を解析することにより、上記指定された測定対象毎に上記画像サイズを算出する。さらに、上記指定された測定対象の実サイズ(上記データベースに登録)に基づいて実サイズと画像サイズとの比の値を算出し、この比の値に基づいて上記データベースを参照して、上記カメラ撮影部から測定対象までの距離を算出する。
【００１５】
また、上記光学式測距センサにおける他の方式として、ＣＣＤ(電荷結合素子：Charge Coupled Device)カメラを用いて対象物体までの距離を測定する測距装置が特開平０４‐２４９７１１号公報(特許文献２)に開示されている。
【００１６】
上記特許文献２に開示された測距装置では、レーザ管からのレーザビームに基づいて、レンズ,コリメータレンズおよびこれらの間に配置した遮光板により断面がリング状のレーザ平行ビームを作り、ハーフミラーによって２次元ＣＣＤカメラの光軸を中心としたリング状のレーザ平行ビームとする。そして、このレーザ平行ビームによって照らされた測定平面を上記２次元ＣＣＤカメラで撮像し、画像における上記レーザ平行ビームのリング半径に基づいて上記２次元ＣＣＤカメラから上記測定平面までの距離を算出するようにしている。
【００１７】
上記測距装置では、上記レーザ平行ビームを作成するために構成が複雑になっている。しかしながら、発光部と受光部との光学系のサイズが全く同一ではない場合には、平行光である必要はない。
【００１８】
また、上記光学式測距センサにおける他の方式として、上記特許文献２に開示された測距装置の欠点を補うために、対象物体をリモコンのような発光物体に限定した電子カメラシステムが特開２００１‐３４６０９０号公報(特許文献３)に開示されている。
【００１９】
上記特許文献３に開示された電子カメラシステムでは、リモコンの第１ＬＥＤおよび第２ＬＥＤが発光すると電子カメラの撮像素子によって撮像されて上記第１,第２ＬＥＤの発光色が検出され、上記発光色が検出された画素の位置が記憶される。そして、撮像画面上における上記第１,第２ＬＥＤの間隔と実際の間隔とに基づいて、上記電子カメラから上記リモコンまでの距離を算出するようにしている。
【００２０】
このように、上記電子カメラシステムでは、対象物体を上記リモコンのような発光物体に限定することによって、既知の発光間隔を利用して距離を測定するのである。
【００２１】
しかしながら、上記各従来の光学式測距センサにおいては、以下のような問題がある。
【００２２】
(ａ) 「三角測量＋ＰＳＤ」方式
この方式は、三角測量と呼ばれる幾何学原理を用いたものであり、原理上は容易に距離を計測することができる。ところが、実際には、図８に示すように、対象物体３との距離が遠くなるに連れて、上記受光位置の移動量(つまり、上記出力端子からの出力電流値の変動量)が急激に小さくなるため精度が低下する。このようなことを避けるためには、発光部１と受光部２の間隔を広げることが有効である。しかしながら、その場合には、光学式測距センサおよびその搭載機器の大型化を招いてしまい、小型の光学式測距センサを作成することは非常に困難である。
【００２３】
例えば、現行の数cmサイズの測距センサでは、１００cm以上の距離を高精度で計測することはできず、精度は２０％以上である。
【００２４】
さらに、上記距離の算出には、ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置が、相対位置としてではなく正確な絶対位置として必要となる。そのため、本光学式測距センサの性能は組み立て精度に大きく依存し、本光学式測距センサを搭載する機器側で初期位置補正を行わない場合には正確な距離測定ができないという問題がある。
【００２５】
また、上記ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置は、受光スポットの光量重心を求めることによって得られる。その結果、対象物体によっては照射光の反射率が不均一であるため、ＰＳＤ２の受光領域上における受光位置が不正確になり、対象物体までの距離を正確に測定することができないという問題がある。
【００２６】
(ｂ) 時間検出方式
この方式は、出射光の往復に要した時間を測定して上記対象物体までの距離を算出するため、上記「三角測量＋ＰＳＤ」方式のような精度上の欠点はない。しかしながら、光速度は非常に大きいため出射光の往復に要する時間は非常に短く、高性能な受光部(受光素子)と高速な演算回路とが必要になる。このことは、高価な半導体プロセスを要求するため、光学式測距センサ自体が高価なものとなってしまうという問題がある。
【００２７】
(ｃ) 特許文献１に開示されたサイズ測定装置を用いる方法
このサイズ測定装置を用いる方法においては、実サイズが分かっている複数の物体に関する実サイズと画像サイズとの比の値と物体までの距離との関係を予め登録しておく必要があり、登録者に非常な負担を強いることになるという問題がある。さらに、上記実サイズと画像サイズとの比の値と物体までの距離との関係を登録しておくための膨大なデータベースと、撮影画像の解析および距離算出を行うための高性能のコンピュータとが必要になる。そのため、小型の光学式測距センサを実現することはできないという問題がある。
【００２８】
(ｄ) 特許文献２に開示された測距装置
この測距装置においては、レーザ管からのレーザビームに基づいて、レンズ,コリメータレンズ,遮光板およびハーフミラーにより２次元ＣＣＤカメラの光軸を中心としたリング状のレーザ平行ビームを作るため、複雑な構成の光学システムが必要となる。そして、このような大規模な光学システムでは、家電製品に搭載することが不可能であるという問題がある。
【００２９】
(ｅ) 特許文献３に開示された電子カメラシステム
この電子カメラシステムにおいては、対象物体をリモコンのような発光物体に限定している。そのために、対象物体には常に発光物体を搭載しておく必要があるという致命的な欠点があり、汎用性が全くないという問題がある。
【００３０】
また、上記何れの光学式測距センサの場合においても、一つの発光部からの光で対象物体を照射し、この対象物体からの反射光に基づいて上記対象物体までの距離を算出するようにしている。ところが、その場合には、発光部からの光が、略真正面に存在している上記対象物体を正しくトラッキングしているかを判定することができないため、上記対象物体までの距離を正確に求めることができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開２００５‐１６４５１３号公報
【特許文献２】特開平０４‐２４９７１１号公報
【特許文献３】特開２００１‐３４６０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
そこで、この発明の課題は、対象物体との距離をより正確に求めることができ、性能が組み立て精度に大きく依存することがなく、小型で安価な光学式の距離測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記課題を解決するため、この発明の距離測定装置は、
対象物体に向かって光を出射する光源を含む投光部と、
上記対象物体によって反射された上記光源からの光を検出するイメージセンサを含む受光部と
を備え、
上記イメージセンサは、
上記対象物体からの反射光が入射されると共に、光量分布に応じた画像データを出力するピクセルアレイと、
上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で形成される画像に関する特定の寸法を求めると共に、この求めた寸法に基づいて上記対象物体までの距離を求めるディジタル信号処理装置と、
上記投光部の上記光源を駆動して光を出射させる駆動回路と
を搭載している
ことを特徴としている。
【００３４】
上記構成によれば、上記光量分布の画像に関する特定の寸法に基づいて、上記対象物体までの距離が求められる。したがって、「三角測量＋ＰＳＤ」方式のように受光領域上での受光位置を求める場合に比して、上記対象物体の反射率が不均一であってもその影響を極小さくすることができる。したがって、上記対象物体までの距離をより正確に求めることができる。
【００３５】
さらに、上記距離の算出には、上記ピクセルアレイ上における上記光量分布の位置を正確な絶対位置として検出する必要はなく、本距離測定装置の性能は組み立て精度に大きく依存することがない。
【００３６】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される画像の大きさを、上記画像に関する特定の寸法として求める。
【００３７】
この実施の形態によれば、画像の大きさを上記画像に関する特定の寸法として求めるので、容易に上記画像に関する特定の寸法を求めることができる。
【００３８】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記投光部の光源から上記対象物体に向かって出射される光は光軸の垂直断面が略円形の光束を有しており、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される画像を含む最小直径を有する円を求め、この円の直径を上記画像の大きさとして求める。
【００３９】
この実施の形態によれば、上記投光部の光源からの出射光の光軸の垂直断面を略円形とし、上記受光部の上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光の画像を含む最小直径を有する円の直径を上記画像の大きさとして求めるようにしている。したがって、上記対象物体として実サイズが分かっている物体を用いる必要が無く、上記受光部の上記ピクセルアレイ上に形成された画像が正しい円形でない場合であっても、容易に且つ安定して上記画像の大きさを求めることができる。
【００４０】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記投光部は、上記受光部の一側に位置する第１投光部と上記受光部の他側に位置する第２投光部との２つの投光部を含み、
上記駆動回路は、上記第１投光部の光源と上記第２投光部の光源とが交互に光を出射するように上記両光源を駆動し、
上記ディジタル信号処理装置は、上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で交互に形成される２つの画像の間隔を、上記画像に関する特定の寸法として求める。
【００４１】
この実施の形態によれば、上記２つの投光部の光源からの出射光によって、上記対象物体上に２つのスポットが形成される。したがって、この２つのスポットからの反射光によって形成される２つの画像夫々の受光量に基づいて、略真正面に存在している上記対象物体を正しくトラッキングしているか否かを判定することができる。その結果、上記対象物体までの距離をより正確に測定することができる。
【００４２】
さらに、上記第１,第２投光部の光源が交互に光を出射し、上記ピクセルアレイ上には上記対象物体からの２つの反射光によって２つの画像が交互に形成される。したがって、各画像の位置を独立に特定することができ、上記ピクセルアレイ上の２つの画像が重なって分離できない場合にも対処することができる。
【００４３】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像の間隔を求める際の各画像の基準点を、上記夫々の画像の光量重心とする。
【００４４】
この実施の形態によれば、上記ピクセルアレイ上に形成された２つの画像の間隔を、より正確に求めることができる。
【００４５】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像の間隔を求める際の各画像の基準点を、上記夫々の画像の面積重心とする。
【００４６】
この実施の形態によれば、上記ピクセルアレイ上に形成された２つの画像の間隔を、より正確に求めることができる。
【００４７】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像に関する受光量の積分値を比較し、両積分値の差が２０％以上である場合は、一方の画像を形成する反射光と他方の画像を形成する反射光とは同一の対象物体からの反射光ではないと判定し、上記２つの画像の間隔の演算を中止する。
【００４８】
この実施の形態によれば、上記ピクセルアレイ上に２つの画像を形成する反射光が、同一の対象物体からの反射光ではない場合の誤測定を、確実に防止することができる。
【００４９】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１投光部からの出射光に関する上記対象物体からの反射光で形成される第１画像の大きさに基づいて上記対象物体までの第１の距離を求めると共に、上記第２投光部からの出射光に関する上記対象物体からの反射光で形成される第２画像の大きさに基づいて上記対象物体までの第２の距離を求め、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく第３の距離の値とを用いて、上記対象物体までの距離を求める。
【００５０】
この実施の形態によれば、上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく上記対象物体までの第３の距離の値と、上記第１画像および上記第２画像の大きさに基づく上記対象物体までの２つの第１および第２の距離の値との、合計３つの距離の値を用いることによって、上記対象物体までの距離をさらに正確に求めることができる。
【００５１】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第３の距離の値との算術平均値を、上記対象物体までの距離とする。
【００５２】
この実施の形態によれば、上記第１画像および上記第２画像の大きさに基づく２つの上記第１および第２の距離の値と、上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく上記第３の距離の値との算術平均値を求めることにより、上記対象物体までのさらに正確な距離を簡単に得ることができる。
【００５３】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第３の距離の値との中央値を、上記対象物体までの距離とする。
【００５４】
この実施の形態によれば、上記第１画像および上記第２画像の大きさに基づく２つの上記第１および第２の距離の値と、上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく上記第３の距離の値との中央値を求めることにより、上記対象物体までのさらに正確な距離を簡単に得ることができる。
【００５５】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記光源は、赤外発光ダイオードである。
【００５６】
この実施の形態によれば、上記光源として赤外発光ダイオードを用いているので、上記光源からの出射光や上記対象物体からの反射光が人間の目に見えることが無い。したがって、上記出射光および上記反射光が目に見えることによる周囲の影響を無くすことができる。
【００５７】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体プロセスで作製されている。
【００５８】
この実施の形態によれば、上記イメージセンサを相補型金属酸化膜半導体プロセスで作製しているので、上記ディジタル信号処理装置,上記駆動回路およびメモリ素子等を内蔵することが容易に可能になる。
【００５９】
また、１実施の形態の距離測定装置では、
上記イメージセンサは、上記対象物体までの距離のキャリブレーションを行った結果の補正値を記録したメモリ素子を内蔵している。
【００６０】
この実施の形態によれば、実際に上記対象物体までの距離を計測する際に、計測結果を上記メモリ素子に記録された補正値で補正することによって、より正確な上記距離を得ることができる。
【発明の効果】
【００６１】
以上より明らかなように、この発明の距離測定装置は、対象物体によって反射された光源からの光によって、受光部のピクセルアレイ上に形成される光量分布の画像に関する特定の寸法に基づいて、上記対象物体までの距離を求めるので、「三角測量＋ＰＳＤ」方式のように受光領域上での受光位置を求める場合に比して、上記対象物体の反射率が不均一であってもその影響を極小さくすることができる。したがって、上記対象物体までの距離をより正確に求めることができる。
【００６２】
さらに、上記距離の算出には、上記ピクセルアレイ上における上記光量分布の位置を正確な絶対位置として検出する必要がなく、本距離測定装置の性能が組み立て精度に大きく依存することはない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】この発明の距離測定装置における縦断面図である。
【図２】図１における発光側レンズを透過した赤外線の軌跡を示す概略図である。
【図３】図１におけるイメージセンサの概略構成を示す図である。
【図４】図１とは異なる距離測定装置における縦断面図である。
【図５】図４における第１,第２発光側レンズを透過した赤外線の軌跡を示す概略図である。
【図６】図４におけるイメージセンサの概略構成を示す図である。
【図７】「三角測量＋ＰＳＤ」方式による光学式測距センサの概略を示す図である。
【図８】図７における発光部から対象物体までの距離とＰＳＤの出力値との対応関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６５】
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の距離測定装置における縦断面図である。図１に示すように、本距離測定装置においては、赤外ＬＥＤ１１と、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)回路およびドライバ回路を内蔵するイメージセンサ１２とが、基板１３上に設置されている。そして、基板１３の表面における赤外ＬＥＤ１１とイメージセンサ１２との間には、赤外ＬＥＤ１１から出射された赤外光が迷光となって直接イメージセンサ１２に入射されるのを防止するために、迷光防止用の赤外遮光板１４が配置されている。
【００６６】
上記赤外ＬＥＤ１１とイメージセンサ１２とは、基板１３上に設けられた配線パターン(図示せず)によって電気的に接続されている。さらに、イメージセンサ１２は外部端子１５に接続されており、イメージセンサ１２が外部端子１５を介して電源および外部回路と接続されて、本距離測定装置が使用される。
【００６７】
そして、上記赤外ＬＥＤ１１,イメージセンサ１２,基板１３および赤外遮光板１４の全体が、金型成形によって、赤外線透過性黒樹脂１６で封止されている。さらに、赤外線透過性黒樹脂１６の上面はレンズ形状に成型されており、赤外ＬＥＤ１１から出射された赤外線を対象物体に向けて集光する発光側レンズ１７と上記対象物体からの反射光をイメージセンサ１２の受光領域に向けて集光する受光側レンズ１８とが形成されている。尚、発光側レンズ１７および受光側レンズ１８の焦点距離等は、個々に設定可能になっている。このような構成をとれば、必要最少限の部品数で距離測定装置を構成することができる。
【００６８】
さらに、光学系の精度を上げたい場合には、複数のレンズを別途作成のうえ赤外線透過性黒樹脂１６の内部や外部に組み込んでもよい。
【００６９】
図２は、上記発光側レンズ１７を透過した赤外線の軌跡を示す概略図である。図２において、イメージセンサ１２に内蔵された上記ドライバ回路から供給された電力によって、赤外ＬＥＤ１１が駆動される。そして、赤外ＬＥＤ１１から出射された赤外線が発光側レンズ１７を通して対象物体１９上に収束され、対象物体１９上に略円形のスポットが形成される。さらに、対象物体１９上のスポット領域からの拡散反射によって周囲に放射された赤外光の一部が、受光側レンズ１８を通してイメージセンサ１２の上記受光領域上に結像する。
【００７０】
図３に、上記イメージセンサ１２の概略構成を示す。イメージセンサ１２には、上記受光領域としての矩形のピクセルアレイ２０と、ピクセルアレイ２０の各ピクセルからの受光信号を処理するＤＳＰ回路２１と、このＤＳＰ回路２１による処理の際に用いる情報等を格納するメモリ２２と、赤外ＬＥＤ１１を駆動するドライバ回路２３とが内蔵されている。
【００７１】
上記イメージセンサ１２の構成において、対象物体１９で拡散反射された赤外光の一部が、受光側レンズ１８を通してイメージセンサ１２上のピクセルアレイ２０上に結像すると、ピクセルアレイ２０上に円形の光量分布２４が形成される。ここで、ピクセルアレイ２０は、例えば４００ピクセル×４００ピクセルで構成されている。そして、各ピクセル毎に光電変換が行われ、得られた画像データを表す受光信号がＤＳＰ回路２１に送出されて演算され、円形の光量分布２４の直径に相当するピクセル数が求められる。
【００７２】
尚、上記ピクセルを複数のサブピクセルで構成し、サブピクセル処理を行うことによって、上記ピクセルよりも小さい解像度で、光量分布２４の直径を精密に求めることが可能になる。
【００７３】
こうして得られた光量分布２４の直径の値は、本距離測定装置から対象物体１９までの距離に応じて変化する。そこで、光量分布２４の直径の値と本距離測定装置から対象物体１９までの距離との対応関係を表す情報を対照値として予めメモリ２２に格納しておく。そして、ＤＳＰ回路２１によって、上記得られた光量分布２４の直径の値を、予めメモリ２２に格納されている対照値と比較することにより、本距離測定装置から対象物体１９までの距離を求めることができるのである。その際に、メモリ２２に格納されている対照値を用いて内挿することによって、本距離測定装置から対象物体１９までの距離の値をより詳細に求めることができる。
【００７４】
以下、上記構成の距離測定装置による対象物体１９までの距離算出の原理について説明する。
【００７５】
本実施の形態における距離算出の原理は、カメラで物体を撮影した場合に撮像素子上の物体の大きさが被写体までの距離に依存することを利用するものである。例えば、人間の顔を撮影する場合、人物がカメラから離れるほど画面の中における顔のサイズ(つまり、画面に占める顔の割合)が変化する。すなわち、上記画面上の顔のサイズは人物までの距離が離れるにしたがって小さくなるので、上記画面上の顔のサイズと実際の顔のサイズとに基づいて、上記関係から人物までの距離を算出することができるのである。
【００７６】
この場合、実際の顔のサイズとしては、既知である一般的な人間の顔の実際のサイズを用いることができる。ところが、本実施の形態の場合には、対象物体１９が不特定であるため、対象物体１９の実際のサイズから対象物体１９までの距離を算出することができない。
【００７７】
そこで、本実施の形態においては、上記対象物体１９に対して光束の断面形状が円形である光線を照射する。その際に対象物体１９にできる円形スポットのサイズは、予め発光部の光学系(レンズ径や放射角)によって決定できるため、そのスポットをある画角を有するイメージセンサ１２で受光し、受光領域(ピクセルアレイ２０)上でのサイズを測定することによって、対象物体１９までの距離を算出することができるのである。
【００７８】
例えば、発光部を構成する発光側レンズ１７のレンズ径が１cmであり、照射角が３度である場合には、発光側レンズ１７からＬcm離れた位置に在る対象物体１９上に形成されるスポット径Ｒは、
Ｒ＝１＋２＊Ｌ＊tan(１.５°)
となる。また、受光側レンズ１８のレンズ径が１cmであり、画角が２０度である場合には、受光側レンズ１８からＬcm離れた位置での撮影画像幅Ｗは、
Ｗ＝１＋２＊Ｌ＊tan(１０°)
となる。
【００７９】
ここで、Ｗ＞Ｒであれば、上記ピクセルアレイ２０上に、対象物体１９上のスポットからの反射光に基づいて光量分布２４が形成される。そして、この光量分布２４の直径は距離Ｌに略反比例する。したがって、光量分布２４の直径と距離Ｌとの関係式を求めれば、この関係式を用いることによって、光量分布２４の直径が分かれば発光側レンズ１７あるいは受光側レンズ１８から対象物体１９までの距離Ｌが分かることになる。
【００８０】
そこで、上記関係式に基づいて、ピクセルアレイ２０上に形成される円形の光量分布２４の直径と発光側レンズ１７あるいは受光側レンズ１８から対象物体１９までの距離Ｌとの対応値を幾つか算出してメモリ２２に格納しておけば、実際にピクセルアレイ２０上に形成された光量分布２４の直径をＤＳＰ回路２１によって測定することにより、この測定値を用いてメモリ２２に格納されている２つの上記対応値を線形補完して、光量分布２４の直径を呈する場合の発光側レンズ１７あるいは受光側レンズ１８から対象物体１９までの距離Ｌを求めることができるのである。
【００８１】
例えば、上記イメージセンサ１２におけるピクセルアレイ２０の解像度が水平方向に４００ピクセルであると仮定すると、対象物体１９が発光側レンズ１７あるいは受光側レンズ１８から５０cmあるいは１００cm離れた場合におけるピクセルアレイ２０上の光量分布２４の直径は、夫々、
５０cmのとき、７７.７ピクセル
１００cmのとき、６８.８ピクセル
となる。そこで、上記対応値(光量分布２４の直径ｘ,対象物体１９の距離Ｌ)として、(７７.７,５０)および(６８.８,１００)をメモリ２２に格納しておく。そして、ＤＳＰ回路２１によって測定された光量分布２４の直径ｘが、７７.７ピクセルと６８.８ピクセルとの間にある場合には、
(Ｌ−５０)/(１００−５０)＝(ｘ−６８.８)/(７７.７−６８.８)
の関係が成立し、この式にＤＳＰ回路２１で測定された直径ｘ(ピクセル値)を代入することによって距離Ｌを求めることができるのである。
【００８２】
ここで、上記メモリ２２に格納しておく上記対応値のピクセル数は整数値になってはいないが、一般的なイメージセンサのサブピクセル技術を用いることによって、上述のような計算が可能である。
【００８３】
尚、本実施の形態においては、上記対象物体１９に対して照射する光として、赤外ＬＥＤ１１からの赤外線を用いている。このように、人間の目には見えない赤外線を利用することが、周囲に影響を与えることがなく望ましい。
【００８４】
また、上記受光側レンズ１８によって受光された光はイメージセンサ１２のピクセルアレイ２０上に略円形に結像されて光量分布２４が形成される。しかしながら、例えば対象物体１９が均一な反射率を有していない等の対象物体１９の状況によって、光量分布２４の一部が欠けたり不明瞭な領域ができたりする場合がある。その場合には、本来ピクセルアレイ２０上に形成される光量分布２４の形状は円形であることが分かっているので、形成される光量分布２４の領域総てを含む最小円の直径を最小二乗法等で算出することにより、本来の光量分布２４の像が分かる。したがって、本来の光量分布２４の直径から上記距離を求めることができるのである。
【００８５】
上記従来の「三角測量＋ＰＳＤ」方式の場合には、ＰＳＤの受光領域上に形成された受光スポットの重心位置しか検知できないため、本実施の形態のごとくイメージセンサ１２を用いる方式には性能的には及ばないのである。
【００８６】
以上のごとく、本実施の形態においては、上記赤外ＬＥＤ１１から出射された赤外線によって対象物体１９上に略円形のスポットが形成され、このスポット領域からの拡散反射によってイメージセンサ１２のピクセルアレイ２０上に略円形の光量分布２４が形成される。そして、イメージセンサ１２のＤＳＰ回路２１によって光量分布２４の直径が求められ、この光量分布２４の直径に基づいて、対象物体１９までの距離を求めるようにしている。
【００８７】
したがって、「三角測量＋ＰＳＤ」方式のようにピクセルアレイ２０上での光量分布２４の位置を求める場合に比して、上記対象物体の反射率が不均一であってもその影響を極小さくすることができ、対象物体１９までの距離をより正確に求めることができるのである。
【００８８】
さらに、上記距離の算出には、ピクセルアレイ２０上における光量分布２４の位置を正確な絶対位置として検出する必要はない。したがって、本距離測定装置の測定性能は、組み立て精度に大きく依存することはない。
【００８９】
・第２実施の形態
図４は、本実施の形態の距離測定装置における縦断面図である。図４に示すように、本距離測定装置においては、第１赤外ＬＥＤ３１と第２赤外ＬＥＤ３２とを、上記ＤＳＰ回路およびドライバ回路を内蔵するイメージセンサ３３の両側に位置させて、イメージセンサ３３と共に基板３４上に設置している。そして、基板３４の表面における第１赤外ＬＥＤ３１とイメージセンサ３３との間、および、第２赤外ＬＥＤ３２とイメージセンサ３３との間には、赤外ＬＥＤ３１,３２から出射された赤外光が迷光となって直接イメージセンサ３３に入射されるのを防止するために、迷光防止用の赤外遮光板３５,３６が配置されている。
【００９０】
上記第１実施の形態の場合と同様に、上記第１赤外ＬＥＤ３１とイメージセンサ３３および第２赤外ＬＥＤ３２とイメージセンサ３３とは、基板３４上に設けられた配線パターン(図示せず)によって電気的に接続されている。さらに、イメージセンサ３３は外部端子３７に接続されており、イメージセンサ３３が外部端子３７を介して電源および外部回路と接続されて、本距離測定装置が使用される。
【００９１】
そして、上記第１赤外ＬＥＤ３１,第２赤外ＬＥＤ３２,イメージセンサ３３,基板３４,赤外遮光板３５および赤外遮光板３６の全体が、金型成形によって、赤外線透過性黒樹脂３８で封止されている。さらに、赤外線透過性黒樹脂３８の上面はレンズ形状に成型されており、第１赤外ＬＥＤ３１から出射された赤外線を対象物体に向けて集光する第１発光側レンズ３９と、第２赤外ＬＥＤ３２から出射された赤外線を上記対象物体に向けて集光する第２発光側レンズ４０と、上記対象物体からの反射光をイメージセンサ３２の受光領域に向けて集光する受光側レンズ４１とが形成されている。尚、第１発光側レンズ３９,第２発光側レンズ４０および受光側レンズ４１の焦点距離等は、個々に設定可能になっている。このような構成をとれば、必要最少限の部品数で距離測定装置を構成することができる。
【００９２】
さらに、光学系の精度を上げたい場合には、複数のレンズを別途作成のうえ赤外線透過性黒樹脂３８の内部や外部に組み込んでもよい。
【００９３】
図５は、上記第１発光側レンズ３９および第２発光側レンズ４０を透過した赤外線の軌跡を示す概略図である。図５において、イメージセンサ３３に内蔵された上記ドライバ回路から供給された電力によって、第１赤外ＬＥＤ３１および第２赤外ＬＥＤ３２が駆動されて赤外線が交互に出射される。そして、第１赤外ＬＥＤ３１から出射された赤外線が第１発光側レンズ３９を通して対象物体４２上に収束される一方、第２赤外ＬＥＤ３２から出射された赤外線が第２発光側レンズ４０を通して対象物体４２上に収束されて、対象物体４２上に２つの略円形のスポットが形成される。さらに、対象物体４２上の２つのスポット領域からの拡散反射によって周囲に放射された夫々の赤外光の一部が、受光側レンズ４１を通してイメージセンサ３３の上記受光領域上に時間差を有して結像する。
【００９４】
図６に、上記イメージセンサ３３の概略構成を示す。イメージセンサ３３には、上記受光領域としての矩形のピクセルアレイ４３と、ピクセルアレイ４３の各ピクセルからの受光信号を処理するＤＳＰ回路４４と、ＤＳＰ回路４４による処理の際に用いる情報等を格納するメモリ４５と、第１赤外ＬＥＤ３１および第２赤外ＬＥＤ３２を駆動するドライバ回路４６とが内蔵されている。
【００９５】
上記イメージセンサ３３の構成において、対象物体４２で拡散反射された２つの赤外光の一部が、受光側レンズ４１を通してイメージセンサ３３のピクセルアレイ４３上に結像すると、ピクセルアレイ４３上には円形の２つの光量分布４７,４８が形成される。ここで、ピクセルアレイ４３は、例えば４００ピクセル×４００ピクセルで構成されている。そして、各ピクセル毎に光電変換が行われ、得られた受光信号がＤＳＰ回路４４に送出されて演算され、円形の２つの光量分布４７,４８夫々の光量重心(以下、単に重心と言う)に該当する２つのピクセル座標が得られ、２つのピクセル座標間の距離に相当するピクセル数が求められる。
【００９６】
尚、上記ピクセルを複数のサブピクセルで構成し、サブピクセル処理を行うことによって、本来整数であるピクセル座標から、上記ピクセルよりも小さい解像度で、上記２つのピクセル座標間の距離を精密に求めることが可能になる。
【００９７】
こうして得られた２つの光量分布４７,４８の重心間の距離の値は、本距離測定装置から対象物体４２までの距離に応じて変化する。そこで、２つの光量分布４７,４８の重心間の距離の値と本距離測定装置から対象物体４２までの距離との対応関係を表す情報を対照値として予めメモリ４５に格納しておくことにより、上記得られた２つの光量分布４７,４８の重心間の距離の値を、ＤＳＰ回路４４によって、予めメモリ４５に格納されている対照値と比較することにより、本距離測定装置から対象物体４２までの距離を求めることができるのである。その際に、メモリ４５に格納されている対照値を用いて内挿することによって、本距離測定装置から対象物体４２までの距離の値をより詳細に求めることができる。
【００９８】
以下、上記構成の距離測定装置による対象物体４２までの距離算出の原理について説明する。
【００９９】
上記第１実施の形態においては１つの発光部のみを用いているが、本実施の形態においては上記イメージセンサ３３の両側に発光部を配置している。本実施の形態においても、上記第１実施の形態の場合と同様の原理で対象物体４２までの距離を算出可能である。
【０１００】
すなわち、２つのＬＥＤ３１,３２から出射された赤外光線は対象物４２上に２つのスポットを形成する。それらから得られた反射光はイメージセンサ３３のピクセルアレイ４３上に２つの光量分布４７,４８を形成する。このピクセルアレイ４３内における２つの光量分布４７,４８の間隔は、発光側レンズ３９,４０および受光側レンズ４１から対象物体４２までの距離が離れるに従って小さくなる。そこで、２つの光量分布４７,４８の間隔を算出することによって、上記距離を測定することができるのである。
【０１０１】
その場合、特定の距離における２つの光量分布４７,４８の間隔は、本距離測定装置の光学設計時に予め設定することができる。また、ピクセルアレイ４３上に形成された実際の２つの光量分布４７,４８の間隔を求めるには、夫々の光量分布の光量重心や面積重心を利用することができる。
【０１０２】
例えば、２つのＬＥＤ３１,３２の間隔が２cmであり、基板３４の上面に対して垂直方向に赤外光を出射するように設定されている場合には、第１,第２発光側レンズ３９,４０からＬcm離れた位置に在る対象物体４２上に形成される２つのスポットの間隔は、
Ｄ＝２cm
となる。また、受光側レンズ４１のレンズ径が１cmであり、画角が１５度である場合には、受光側レンズ４１からＬcm離れた位置での２つの撮影画像の間隔Ｗは、
Ｗ＝１＋２＊Ｌ＊tan(７.５°)
となる。
【０１０３】
ここで、Ｗ＞Ｄであれば、上記ピクセルアレイ４３上に、対象物体４２上の２つのスポットからの反射光に基づいて光量分布４７,４８が形成される。そして、この２つの光量分布４７,４８の間隔は距離Ｌに略反比例する。したがって、２つの光量分布４７,４８の間隔と距離Ｌとの関係式を求めれば、この関係式を用いることによって、２つの光量分布４７,４８の間隔が分かれば発光側レンズ３９,４０あるいは受光側レンズ４１から対象物体４２までの距離Ｌが分かることになる。
【０１０４】
そこで、上記関係式に基づいて、ピクセルアレイ４３上に形成される２つの光量分布４７,４８の間隔と発光側レンズ３９,４０あるいは受光側レンズ４１から対象物体４２までの距離Ｌとの対応値を幾つか算出してメモリ４５に格納しておけば、実際にピクセルアレイ４３上に形成された２つの光量分布４７,４８の間隔をＤＳＰ回路４４によって測定することにより、この測定値を用いてメモリ４５に格納されている２つの上記対応値を線形補完して、２つの光量分布４７,４８の間隔を呈する場合の発光側レンズ３９,４０あるいは受光側レンズ４１から対象物体４２までの距離Ｌを求めることができるのである。
【０１０５】
例えば、上記イメージセンサ３３におけるピクセルアレイ４３の解像度が水平方向に４００ピクセルであると仮定すると、対象物体４２が発光側レンズ３９,４０あるいは受光側レンズ４１から５０cmあるいは１００cm離れた場合におけるピクセルアレイ４３上の２つの光量分布４７,４８の間隔は、夫々、
５０cmのとき、５６.５ピクセル
１００cmのとき、２９.３ピクセル
となる。そこで、上記対応値(光量分布４７,４８間の間隔ｘ,対象物体４２の距離Ｌ)として、(５６.５,５０)および(２９.３,１００)をメモリ４５に格納しておく。そして、ＤＳＰ回路４４によって測定された２つの光量分布４７,４８の間隔ｘが、５６.５ピクセルと２９.３ピクセルとの間にある場合には、
(Ｌ−５０)/(１００−５０)＝(ｘ−２９.３)/(５６.５−２９.３) …（１０）
の関係が成立し、式(１０)にＤＳＰ回路４４で測定された間隔ｘ(ピクセル値)を代入することによって距離Ｌを求めることができるのである。
【０１０６】
尚、上記イメージセンサ３３におけるピクセルアレイ４３上の２つの光量分布４７,４８が重なって分離できない場合にも対処するため、上述したように、第１赤外ＬＥＤ３１および第２赤外ＬＥＤ３２を交互に発光させて、光量分布４７の重心と光量分布４８の重心とを独立に測定するのである。
【０１０７】
また、上記イメージセンサ３３におけるピクセルアレイ４３上に形成される２つの光量分布４７,４８の夫々に、上記第１実施の形態における距離測定方法を適用することが可能である。そこで、光量分布４７,４８に上記第１実施の形態における距離測定方法を適用して、光量分布４７の直径から得られる距離情報および光量分布４８の直径から得られる距離情報を求め、本実施の形態によって光量分布４７と光量分布４８との間隔から得られる距離情報と合わせて３つの距離情報を用い、算術平均を行うことによってより正確な距離の値を得ることができる。あるいは、最大値と最小値との中央値をより正確な距離の値としてもよい。
【０１０８】
本実施の形態における距離測定装置自体のサイズは、上記第１実施の形態における距離測定装置の場合に比べて大きくなる。しかしながら、本実施の形態における距離測定装置によれば、２つの光量分布４７,４８の光量を比較することによって、２つのＬＥＤ３１,３２から出射された赤外光線が対象物体４２を正確に捉えているか否かを判定することができる。したがって、２つの光量分布４７,４８の光量が異なっている場合には、同一の対象物体４２に光が照射されていないと判定して、エラー信号を出力することが可能になる。
【０１０９】
例えば、上記２つの光量分布４７,４８夫々における光量の積分値に２０％以上の差があれば、第１発光側レンズ３９および第２発光側レンズ４０の略真正面に対象物体４２が存在しない、つまりピクセルアレイ４３上に２つの光量分布４７,４８を形成している反射光は同一の対象物体４２からの反射光ではないと判断して計算を中止し、エラー信号を出力するのである。
【０１１０】
以上のごとく、本実施の形態においては、上記イメージセンサ３３の両側に位置する第１赤外ＬＥＤ３１と第２赤外ＬＥＤ３２とから交互に出射された赤外線によって対象物体４２上に略円形の２つのスポットが形成され、この両スポット領域からの拡散反射によってイメージセンサ３３のピクセルアレイ４３上に略円形の２つの光量分布４７,４８が時間差を有して形成される。そして、イメージセンサ３３のＤＳＰ回路４４によって光量分布４７,４８の光量重心(面積重心)間の距離が求められ、この光量分布４７,４８間の距離に基づいて、対象物体４２までの距離を求めるようにしている。
【０１１１】
したがって、「三角測量＋ＰＳＤ」方式の場合に比して、上記対象物体における反射率の不均一性の影響を極小さくすることができ、対象物体４２までの距離をより正確に求めることができるのである。
【０１１２】
さらに、上記２つのＬＥＤ３１,３２からの出射光によって、対象物体４２上に略円形の２つのスポットが形成される。したがって、この２つのスポットからの反射光により形成される光量分布４７,４８夫々の光量に基づいて、略真正面に存在している対象物体４２を正しくトラッキングしているか否かを判定することができる。
【０１１３】
さらに、上記距離の算出には、上記ピクセルアレイ４３上における光量分布４７,４８の位置を正確な絶対位置として検出する必要はない。したがって、本距離測定装置の測定性能は、組み立て精度に大きく依存することはない。
【０１１４】
尚、上記イメージセンサにＤＳＰ回路やドライバ回路を内蔵させるためには半導体プロセスの整合性からＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体)イメージセンサを用いることが最適である。
【０１１５】
また、上述したように、上記各実施の形態における距離測定装置においては、測定精度が発光部と受光部との間の組み立て精度に依存することはない。
【０１１６】
しかしながら、光学系のばらつきに起因して、光量分布(スポット)サイズばらつきや、２つの光量分布(スポット)間隔のばらつきが生ずるため、製造後にキャリブレーションを行なうことが望ましい。その場合、ＣＭＯＳプロセスを用いている場合にはメモリ素子を内蔵することが容易であるため、補正データをメモリ素子に書き込んで利用することができる。すなわち、実際に対象物体１９,４２までの距離を測定する際に、測定結果を上記メモリ素子に記録された上記補正データで補正することによって、より正確な上記距離を得ることができるのである。
【０１１７】
尚、上記各実施の形態においては、１つの特定距離を算出する場合を例示するためにメモリ２２,４５には２つの対応値を格納している。しかしながら、言うまでもなく、実際には種々の距離を算出可能なように３以上の対応値を格納しておく。
【０１１８】
また、上記各実施の形態においては、光源としての赤外ＬＥＤ１１,３１,３２と発光側レンズ１７,３９,４０とを含んで上記投光部を構成している。また、イメージセンサ１２,３３と受光側レンズ１８,４１とを含んで上記受光部を構成している。しかしながら、この発明の光源は、赤外ＬＥＤに限定されるものではなく、赤外以外のＬＥＤであっても差し支えなく、レーザ素子を用いても構わない。
【符号の説明】
【０１１９】
１１,３１,３２…赤外ＬＥＤ、
１２,３３…イメージセンサ、
１３,３４…基板、
１４,３５,３６…赤外遮光板、
１５,３７…外部端子、
１６,３８…赤外線透過性黒樹脂、
１７,３９,４０…発光側レンズ、
１８,４１…受光側レンズ、
１９,４２…対象物体、
２０,４３…ピクセルアレイ、
２１,４４…ＤＳＰ回路、
２２,４５…メモリ、
２３,４６…ドライバ回路、
２４,４７,４８…光量分布。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体に向かって光を出射する光源を含む投光部と、
上記対象物体によって反射された上記光源からの光を検出するイメージセンサを含む受光部と
を備え、
上記イメージセンサは、
上記対象物体からの反射光が入射されると共に、光量分布に応じた画像データを出力するピクセルアレイと、
上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で形成される画像に関する特定の寸法を求めると共に、この求めた寸法に基づいて上記対象物体までの距離を求めるディジタル信号処理装置と、
上記投光部の上記光源を駆動して光を出射させる駆動回路と
を搭載している
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される画像の大きさを、上記画像に関する特定の寸法として求める
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の距離測定装置において、
上記投光部の光源から上記対象物体に向かって出射される光は光軸の垂直断面が略円形の光束を有しており、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される画像を含む最小直径を有する円を求め、この円の直径を上記画像の大きさとして求める
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の距離測定装置において、
上記投光部は、上記受光部の一側に位置する第１投光部と上記受光部の他側に位置する第２投光部との２つの投光部を含み、
上記駆動回路は、上記第１投光部の光源と上記第２投光部の光源とが交互に光を出射するように上記両光源を駆動し、
上記ディジタル信号処理装置は、上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で交互に形成される２つの画像の間隔を、上記画像に関する特定の寸法として求める
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像の間隔を求める際の各画像の基準点を、上記夫々の画像の光量重心とする
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項６】
請求項４に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像の間隔を求める際の各画像の基準点を、上記夫々の画像の面積重心とする
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項７】
請求項４から請求項６までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像に関する受光量の積分値を比較し、両積分値の差が２０％以上である場合は、一方の画像を形成する反射光と他方の画像を形成する反射光とは同一の対象物体からの反射光ではないと判定し、上記２つの画像の間隔の演算を中止する
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項８】
請求項４から請求項７までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１投光部からの出射光に関する上記対象物体からの反射光で形成される第１画像の大きさに基づいて上記対象物体までの第１の距離を求めると共に、上記第２投光部からの出射光に関する上記対象物体からの反射光で形成される第２画像の大きさに基づいて上記対象物体までの第２の距離を求め、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく第３の距離の値とを用いて、上記対象物体までの距離を求める
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第３の距離の値との算術平均値を、上記対象物体までの距離とする
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第３の距離の値との中央値を、上記対象物体までの距離とする
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記光源は、赤外発光ダイオードである
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体プロセスで作製されている
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記イメージセンサは、上記対象物体までの距離のキャリブレーションを行った結果の補正値を記録したメモリ素子を内蔵している
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１】
対象物体に向かって光を出射する光源を含む投光部と、
上記対象物体によって反射された上記光源からの光を検出するイメージセンサを含む受光部と
を備え、
上記イメージセンサは、
上記対象物体からの反射光が入射されると共に、光量分布に応じた画像データを出力するピクセルアレイと、
上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で形成される画像に関する特定の寸法を求めると共に、この求めた寸法に基づいて上記対象物体までの距離を求めるディジタル信号処理装置と、
上記投光部の上記光源を駆動して光を出射させる駆動回路と
を搭載している
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される画像の大きさを、上記画像に関する特定の寸法として求める
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の距離測定装置において、
上記投光部の光源から上記対象物体に向かって出射される光は光軸の垂直断面が略円形の光束を有しており、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される画像を含む最小直径を有する円を求め、この円の直径を上記画像の大きさとして求める
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の距離測定装置において、
上記投光部は、上記受光部の一側に位置する第１投光部と上記受光部の他側に位置する第２投光部との２つの投光部を含み、
上記駆動回路は、上記第１投光部の光源と上記第２投光部の光源とが交互に光を出射するように上記両光源を駆動し、
上記ディジタル信号処理装置は、上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で交互に形成される２つの画像の間隔を、上記画像に関する特定の寸法として求める
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像の間隔を求める際の各画像の基準点を、上記夫々の画像の光量重心とする
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項６】
請求項４に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像の間隔を求める際の各画像の基準点を、上記夫々の画像の面積重心とする
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項７】
請求項４から請求項６までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記ピクセルアレイからの画像データに基づいて、上記対象物体からの反射光で形成される２つの画像に関する受光量の積分値を比較し、両積分値の差が２０％以上である場合は、一方の画像を形成する反射光と他方の画像を形成する反射光とは同一の対象物体からの反射光ではないと判定し、上記２つの画像の間隔の演算を中止する
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項８】
請求項４から請求項７までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１投光部からの出射光に関する上記対象物体からの反射光で形成される第１画像の大きさに基づいて上記対象物体までの第１の距離を求めると共に、上記第２投光部からの出射光に関する上記対象物体からの反射光で形成される第２画像の大きさに基づいて上記対象物体までの第２の距離を求め、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第１画像と上記第２画像との間隔に基づく第３の距離の値とを用いて、上記対象物体までの距離を求める
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第３の距離の値との算術平均値を、上記対象物体までの距離とする
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の距離測定装置において、
上記ディジタル信号処理装置は、上記第１の距離の値と上記第２の距離の値と上記第３の距離の値との中央値を、上記対象物体までの距離とする
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記光源は、赤外発光ダイオードである
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記イメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体プロセスで作製されている
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までの何れか一つに記載の距離測定装置において、
上記イメージセンサは、上記対象物体までの距離のキャリブレーションを行った結果の補正値を記録したメモリ素子を内蔵している
ことを特徴とする距離測定装置。
【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２０１２−４２３７４（Ｐ２０１２−４２３７４Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４８２８（Ｐ２０１０−１８４８２８）
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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