3D距離圖像感測器「Infini Soleil」FX8

測定原理

3D距離画像センサは投射したレーザがターゲットまで往復してくる時間から距離を計測(Time Of Flight)します。光は１ナノ秒（10億分の１秒）に30cm進みますので、センサとターゲットの間の距離が15cm(往復30cm)変化したときに、送受の時間差が1ナノ秒変化します。本センサでは、約30ピコ秒(1兆分の30秒)の最小単位で時間差を計測しています。(図１)

レーザ走査

2次元走査ミラー「ECO SCAN」は、このレーザ光を上下、左右にリサージュ走査し、各走査角における距離を計測していきます。「ECO SCAN」は共振駆動することにより、少ない電力で大きな走査角を得ることができます。 水平方向と垂直方向では共振周波数が異なりますので、組み合わせると図2のような軌跡を描きます。左下を走査の原点としたときのt秒後に到達する座標を計算で求めることができます。

そして、XとYの走査周期の組み合わせから決まる周期後に、ふたたび原点に戻ってきます。あらかじめレーザを投射すべき座標と時刻を求めたテーブルを用意し、最適な時刻にレーザ投射・計測することで、各座標（走査角度）の距離を計測、距離画像を取得しています。

なぜ外乱光に強いのか？

当社3D距離画像センサで採用している測距方式は、レーザ光を投射して、ターゲットで散乱した光をフォトダイオードで捉え、その時間差から測距を行う光飛行時間測距法です。 ここで使用しているフォトダイオードは非常に高感度であり、強い外乱光を受けるとノイズを発生します。測距を行うためには、このノイズレベル(N)よりも、受光する散乱光レベル(S)の方が大きいことが必要です。
そこで、当社では光学系方式に「同軸光学系方式」を採用しました。その他に「分離光学系方式」「CCD/CMOSイメージセンサ方式」等があります。 「ECO SCAN」ミラーにより、レーザ光を投射する方向と、フォトダイオードの視野を１測点ずつに集中させる「同軸光学系方式」の採用により 、高い散乱光レベル(S)の受信と、最小限のノイズレベル(N)に抑えることができ、太陽光下でも測距できます。（図４）
投光と受光にそれぞれ光学系を持つ「分離光学系方式」は、広い走査領域の視野が必要であり、多くの外乱光をフォトダイオードに集めてしまうため、ノイズレベル(N)が増えます。（図５）
また、測距機能を持つ「CCD/CMOSイメージセンサ方式」は、フォトダイオード１画素当たりの視野は狭くノイズレベル(N)は抑えられますが、広い領域へ同時にLED光を投射するため、１測点あたりの投射光量が少なく、十分な散乱光レベル(S)を得ることができません。（図６）