(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ生成手段により生成されたレーザ信号と当該レーザ信号の物体からの反射レーザ信号との位相差を測定することにより前記物体までの距離を決定するセンサにおいて、
第１の周波数の第１の電気変調信号を生成する発振器と、
前記発振器に接続されており、第１の周波数で変調され物体へ送られてそれに当たり物体から反射されるレーザ信号を生成するレーザ生成手段と、
前記物体から反射されたレーザ信号を受信し、変調して第１の周波数の第２の電気変調信号に変換する受信機と、
前記発振器に接続され、第１の電気変調信号を第１の周波数の第１のデジタル変調方形波信号に変換する第１の信号条件付け回路と、
前記受信機に接続され、第２の電気変調信号を第１の周波数の第２のデジタル変調方形波信号に変換する第２の信号条件付け回路と、
前記第１および第２の条件付け回路に接続され、センサと物体の間の距離を示す、前記第１のデジタル変調方形波信号と前記第２のデジタル変調方形波信号との間の位相差を示すパルス幅を有する第３のデジタル信号を生成する排他的ORゲートと、
第３のデジタル信号を処理して、センサと物体の間の距離を示す有用信号にする信号プロセッサとを備えるとともに、
前記受信機は、印加されるバイアス電圧を監視する閉ループを備えたアバランシュ・フォトダイオード（APD）（120）をさらに備えるとともに、さらにこの閉ループが、
前記APD（120）にバイアス電圧を付与する電源（405）と、
前記APD（120）の出力レベルの変動に応答して該出力レベルを常に一定レベルに維持するよう、前記APD（120）に付与するバイアス電圧の大きさを変更するバイアス調整手段を含み、該閉ループにより該APD（120）に対するバイアス電圧が調整されるよう構成され、かつ
前記第１、第２の信号条件付け回路が等しい信号経路長さを有することを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記レーザ生成手段が、
レーザ・ドライバと、
前記レーザ・ドライバに接続されたレーザ・ダイオードと、
前記レーザ・ダイオードに物理的に近接する位置に配置されたコリメータ・レンズとを備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記コリメータ・レンズが、
屈折率分布形レンズを備えることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
さらに、前記信号プロセッサが、前記一連の第３のデジタル信号を処理して、センサに対する物体の速度と加速度を示す有用信号にすることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記第１、第２の信号条件付け回路が、
それぞれ、前記アバランシユ・フオトダイオードおよび前記発振器に接続された第１および第２の増幅器と、
それぞれ、前記第１および第２の増幅器に接統された、第１および第２の比較器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
さらに、
前記排他的ORゲートの前記出力端子に接続された増幅器と、
アナログ信号を生成する前記増幅器に接続された低域フィルタと、
前記低域フィルタと前記信号プロセッサとの間に接続されたアナログ・ディジタル変換器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、距離センサに関し、詳細には、センサからの距離、速度、加速度を測定すべき物体から反射された放射信号を受信するセンサに関する。
距離を測定するための多数の異なる方法が知られている。一般的には100フィート（30.48m）よりも短い距離で、間の測定が行われる２つの位置に物理的に到達することが可能な場合には、定規、ヤード尺、巻き尺などのものを使用することができる。しかし、このような装置の１つを使用することが実際的ではなく、たとえば測定する距離が長く、アクセスが不可能であり、あるいは、人間が関与することが望ましくないほど何度も測定を行う必要があるいくつかの例が存在する。
この問題を解消するために、レーダや超音波センサなど、物体に対して信号を放射する距離センサが作製された。レーダと超音波センサは共に、同じ原則に基づいて動作していた。すなわち、基本装置が信号を生成し、距離を測定すべき物体の方へ送信する。信号は物体から基本装置に反射され、基本装置は次いで、信号を送信してからその信号が戻るまでにどれだけの時間が経過したかを求める。信号の伝搬速度が分かり、あるいは信号の伝搬速度を算出することができ、したがって、簡単な計算によって、基本装置と物体との間の距離を求めることができる。
しかし、測定すべき音声信号またはレーダ信号以外の音声信号またはレーダ信号が物体から反射し、したがって誤ったリターン信号を与えることがある。物体の形状および構造によっては、信号が完全に失われ、測定を行うことができなくなることもある。
このため、光ベースのセンサが開発された。光ベースのセンサの１つの周知のバージョンは、車両の速度を判定するために警察によって使用されるレーザ速度検出器である。このようなレーザ速度検出器は、レーザ信号が基本装置から物体へ送られ、次いで基本装置に戻る時間を使用して物体の距離が求められ、そのような２つの読取り値を使用して速度が求められるという点で、前述とほど同様に働く。
これは、前述の検出器に対する改良であったが、依然として問題は解決しなかった。たとえば、レーザ信号の速度のために、短い距離において、レーザ信号が物体へ送られ、次いで戻る時間を求めることは困難である。この難点のためにそのような検出器は複雑で高価である。
発明の概要
本発明は、物体までの距離を求める低コストのレーザ・センサである。このレーザ・センサは、容易に得られる部品で構成され、この部品のうちのいくつかはコンパクト・ディスク技術で使用されている。
レーザ・センサは、レンズを使用してコヒーレント・ビームに平行にされたレーザを備える。このレーザは、発振器によって、好ましくは10Mhzないし200Mhzの速度で変調される。
反射された光は、第２のレンズによって収集され、第１の出力信号を生成する受信機上に合焦される。第１の出力信号は、発信器信号と共に、伝搬遅延をなくするために両方の信号に対して同じ経路長を有する条件付け回路を通じて条件付けられる。条件付けられた第１の出力信号および条件付けられた発振器信号は次いで、２つの信号間の位相差を判定する位相比較器に渡される。位相差は、物体との距離に比例する。位相差を正確に測定することによって、物体との距離を算出することができる。
物体の速度または物体の加速度を算出することができる。第１の信号からの既知の遅延の後、第２のレーザ信号が物体へ送られ、再び基本装置からの距離が算出される。既知の遅延時間にわたる距離の差によって速度が与えられる。加速度を判定するには、既知の遅延にわたる２つの速度間の差を求める。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明のセンサとサンプル物体の電気ブロック図である。
第２図は、センサ内の様々な信号の状態を示すタイミング図である。
第３図は、１つのレーザ・センサ装置の平面図である。
第４図は、自動利得制御に使用されるアバランシュ・フォトダイオード・ループの概略図である。
好ましい実施の形態の詳細な説明
次に第１図を参照すると、本発明のレーザ・センサ100が示されている。このレーザ・センサは、発振器105と、レーザ108と、受信機120と、信号条件付け回路122と、位相比較器135と、マイクロプロセッサ145とを含む。
発振器105は、水晶時計を含むことができ、動作時には、方形波や正弦波などの周期信号を生成する。発振器は、レーザ信号を変調するためにレーザ108に接続される。発振器は、信号条件付け回路122にも接続される。
レーザは、好ましい実施形態では、レーザ・ドライバ110とレーザ・ダイオード115とからなる。これらの部品は、コストが低くなり可用性が高くなるように選択される。レーザは、第３図に示したようにレンズ（316）によって平行なレーザ信号117を生成する。
レーザ信号が物体10から反射された後、反射されたレーザ信号118は受信機120によって検知される。この場合は、受信機としてアバラシュ・フォトダイオード（APD）を選択した。APDは、光信号を電気信号に変換する。この種のダイオードを選択したのは、それが自動利得制御（AGC）機構として働いて目標物体のそれぞれの異なる反射率、形状、色を調整するからである。従来型のAGC電子機器は、信号の振幅の変動を容易に調整することができるが、信号の位相完全性は維持しない。したがって、色が変化し、あるいは物体がセンサから離れる方向へ傾いたときに、センサは、物体がセンサに対しては移動していない場合でもこれを運動として誤って解釈する。APDは、検出された光信号に30dBダイナミック・レンジにわたる可変利得を持たせることができ、しかも、このことは信号の位相を変化させずに可能になる。回路の物体レグからの増幅された信号がサンプリングされ、これを使用して、APDに印加されたバイアス電圧を調整するフィードバックが提供される。これによって、光信号は、１から1000まで（したがって、前述の30dBレンジを超える）の範囲の利得を経験することができる。この閉ループ・バイアス制御機構によって、通常APD光受信機に伴う温度ドリフト問題が解消される。APDに印加されるバイアス電圧を監視することによって、非常に弱い利得位相関係を補償できることが分かった。この弱い関係は、バイアス電圧が増大すると共に空乏領域の幅が増加するためにAPDのキャパシタンスが変動することによるものである。この弱いバイアス誤差および温度誤差をコンピュータ・メモリ中の多次元ルックアップ・テーブルを使用して補正した。
物体を1mmの分解能まで測定するには、測定する必要がある時間差が約７ピコ秒である必要がある。これは、高価な高速電子機器を用いた場合でも困難な作業である。しかし、反射されたレーザ信号は、最初の発振器信号と同じ周波数を有するが、発振器信号とは異なる位相を有する。本発明は、比較的廉価で容易に得られる部品を使用して、反射されたレーザ信号と発振器信号との間の位相差を測定することによって物体との距離を求める。受信機120の出力は、第１の経路123Aおよび第２の経路123Bを有する信号条件付け回路122に接続される。この２つの別々の経路を使用して、反射されたレーザ信号および発振器信号が個別に条件付けられる。好ましい実施形態では、各条件付け回路経路は、増幅器125A、Ｂと、アナログ検出器信号をディジタル信号に変換する比較器130A、Ｂとを含む。通常、発振器信号は条件付けなしで使用することができる。しかし、この回路は、反射されたレーザ信号と発振器信号が共に、まったく同じ経路長を移動するように構成され、したがって、信号伝搬差のための最終的な出力信号の誤差がなくなる。
信号条件付け回路の２つの経路123A、Ｂは位相比較器に接続される。この場合、コストが低く、可用性が高いため、好ましくは高速シリコンECL型の排他的論理和（XOR）ゲートを位相比較器として使用する。出力信号はパルス幅変調（PWM）信号である。第２図は、発振器信号（１番上）と反射されたレーザ信号（中央）とXORゲートの出力信号との比較例を示す。
PWM信号は次いで、プロセッサ145、たとえばマイクロプロセッサによる処理の前にアナログ・ディジタル変換器144によって監視することができるアナログ信号に変換されるように増幅器140、低域フィルタ143を通過する。ディジタルPWM信号をマイクロプロセッサに直接入力してA/D変換器のコストを節約することができる。しかし、マイクロプロセッサのクロック速度は、この例でのレーザの変調周波数よりも高くする必要がある。
移相または遅延は物体との距離の２倍に正比例する。比例定数は光の速度に反比例する。したがって、この時間差は次式
Δｔ＝2d/c
で表され、位相差は次式で表される。
Δφ＝４πd/c
上式で、ｄは測定すべき距離であり、ｃ＝３×108m/sである。Δは、時間または位相の差を意味し、φは位相角である。
必要に応じて物体の速度を算出するには、既知の時間間隔で得た距離測定値を記憶し、プロセッサによって距離の差を時間間隔で除して速度を求めることができる。微分器を使用してこの作業を実行することもできる。
必要に応じて物体の加速度を算出するには、既知の時間間隔にわたる２つの速度間の差をプロセッサによって算出することができる。この場合も、微分器を使用してこの作業を実行することもできる。
次に第３図を参照すると、本発明のセンサ100に関する好ましいレイアウトの側面平面図が示されている。ハウジング300が、ボード305、ボード310、フレネル・レンズ313を支持する。ボード305上にレーザ・ダイオード115が取り付けられる。レンズ316は、好ましくは屈折率分布形（GRIN）レンズであり、レーザ・ダイオード115から出た光をレーザ信号117、すなわちコヒーレント・ビームとしてコリメートする（平行にする）。好ましい実施形態では、ボード310は、レーザ信号が通過する通路311を含む。
光は、物体から反射した後、信号118AないしＥで示したように散乱することがある。信号は、レンズ313、たとえばフレネル・レンズによってAPD120上に合焦される。レンズ313は、好ましい実施形態では、レーザ信号が通過する窓314を含む。
信号がAPD上に合焦された後、APDは前述のように電気信号を生成する。
次に第４図を参照すると、自動利得制御に使用されるアバランシュ・フォトダイオードの一例が示されている。この回路は、調整可能な電源405と、演算増幅器460と、比較器415と、ダイオード420と、比較器425と、ダイオード430とキャパシタ451ないし454と、抵抗器461ないし466とおよび468ないし470と、可変抵抗器467および471とを含む。この回路は、第３図および第４図に示したように、点ＢでAPD120に接続される。
動作時には、この回路は、第１図の点Ａに対応する第４図の点Ａで一定の電圧を維持する。APDが、黒い物体からの光など、反射された光の低下を経験した場合、点Ａでの信号レベルは、比較器425の周りの回路が、調整可能な電源405に入力されるバイアス調整を変更し、それによって再び点Ａでの電圧が一定に維持されるようにAPDの電圧が調整されるまで瞬間的に低下する。この変更に関する時間定数は抵抗器466およびキャパシタ453によって設定される。
この回路で使用すべき好ましいデバイスは、演算増幅器410−ITA−12318、比較器415−AD9618、ダイオード420−IN5711、比較器425−LF444、ダイオード430−IN4148、キャパシタ451−0.1f、452−0.1f、453−100pf、454−1000pf、抵抗器461−50オーム、462−10オーム、463−1Kオーム、464−50オーム、465−1Kオーム、466−10Kオーム、468−100Kオーム、469−1Mオーム、470−10Kオーム、5Kオームに設定された可変抵抗器467、471である。
前記のことは、新規の自明ではない距離・速度・加速度センサの例示的な説明である。本出願人は、その所有権の限界を添付の請求の範囲で定義する。
【図１】
0003622969.tif 000002
【図２】
0003622969.tif 000003
【図３】
0003622969.tif 000004
【図４】
0003622969.tif 000005